ГЕРМЕТИЧНЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ЭКСТРАКТОР

Полезная модель относится к конструкциям центробежных экстракторов для проведения массообменного процесса в системе жидких растворов с осадками, в особенности к герметичным центробежным экстракторам для работы с химически агрессивными, радиоактивными и содержащими ядовитые вещества растворами для применения в радиохимической, химической, фармацевтической и других отраслях промышленности.
Известно устройство для смазки вертикально расположенных опор, преимущественно в центробежных экстракторах (авторское свидетельство СССР №920311, МПК F16H 57/04, опубликован 15.04.1982, бюллетень №14), содержащее корпус центробежного экстрактора со ступицей, привод, вал, ротор и встроенную внутри ротора подшипниковую опору с вращающейся вместе с ротором ее наружной обечайкой, с закрепленными в ней конической перфорированной перегородкой с отверстиями, ребрами и крышкой. Небольшой объем жидкой смазки, залитый при сборке центробежного экстрактора в подшипниковую опору при вращении ротора смазывает подшипники и не попадает в выходящие из ротора разделенные фазы. При остановке вращения ротора жидкая смазка сливается в нижнюю зону наружной обечайки подшипниковой опоры, на дне которой накапливаются продукты износа подшипников.
Недостаток центробежного экстрактора заключается в том, что подшипники и жидкая смазка в подшипниковой опоре контактируют с парами перерабатываемых растворов, что приводит к коррозии подшипников, в частности шариковых, изменяет химический состав и консистенцию жидкой смазки и ухудшает ее смазывающие свойства, уменьшая срок эксплуатации центробежного экстрактора и выпуск продукции. Продукты износа подшипников накапливаются в нижней части наружной обечайки подшипниковой опоры, что приводит к необходимости периодической остановки и разборки ротора и подшипниковой опоры для очистки ее от продуктов износа подшипников и замены жидкой смазки. Кроме того, жидкая смазка не циркулирует через подшипники при вращении ротора, что приводит к ее нагреванию и ухудшает ее смазывающие свойства.
Известен центробежный экстрактор (патент на полезную модель RU 173039 U1, МПК B01D 11/04, опубликовано 08.08.2017, бюллетень №22), содержащий корпус со смесительной камерой, камерами вывода фаз, опорным фланцем и крышкой корпуса, подшипниковую опору с подшипниками скольжения и посадочным фланцем, привод с валом, ротор с диском с переточными отверстиями, камерой разделения, транспортирующим устройством, трубками для вывода легкой фазы, гидрозатвором тяжелой фазы, крышкой ротора с переливным отверстием гидрозатвора, и магнитную муфту, ведущая полумуфта которой закреплена на валу привода, а ведомая полумуфта жестко соединена с ротором и расположена с зазором с ведущей полумуфтой, в котором размещена герметизирующая перегородка-экран, соединенная с корпусом. Центробежный экстрактор снабжен валом, жестко соединяющим своими концами ротор с ведомой полумуфтой, размещенными по высоте по разные стороны от подшипников, соединение перегородки-экрана с корпусом выполнено жестким закреплением ее выше и вне подшипников на посадочном фланце опоры, соединенным с опорным фланцем корпуса по разъему шар-конус, перегородка-экран выполнена в форме стакана, в котором размещена ведомая полумуфта, а полость гидрозатвора сообщена с зазором между подшипниками. Кроме того, центробежный экстрактор снабжен цилиндрической проставкой, закрепленной на посадочном фланце с размещенными в ней промежуточными подшипниковой опорой и валом проставки, ведущая полумуфта закреплена на валу проставки, сочленяющегося с валом привода дополнительной муфтой, а корпус в зоне крышки корпуса снабжен прижимом проставки для сжатия опорного и посадочного фланцев. Подшипники скольжения выполнены в форме двух радиальных цилиндрических втулок и торцевого кольцевого подпятника, на поверхности которых в зоне зазора между собой и контакта с крышкой выполнены сообщающиеся канавки для протока тяжелой фазы. Крышка ротора снабжена переливным отверстием крышки, размещенным выше отверстия гидрозатвора с образованием камеры подшипников, а сообщение полости гидрозатвора с зазором между подшипниками и канавками выполнено путем размещения подшипников в этой камере. Соединенная с корпусом герметизирующая перегородка-экран превращает центробежный экстрактор в герметичный ниже уровня ее закрепления в корпусе.
Недостатком центробежного экстрактора является охлаждение-смазка подшипников полным потоком тяжелой фазы, что может привести к его поломке при прекращении ее подачи или при запуске центробежного экстрактора в рабочий режим из состояния остановки, в особенности в многоступенчатом каскаде однотипных центробежных экстракторов, соединенных последовательно по потоку тяжелой фазы. Сечение вращающихся канавок при протекании всего потока тяжелой фазы в зазоре подшипников и их гидравлическое сопротивление ограничивает ее расход, что уменьшает производительность центробежного экстрактора, а увеличение сечения этих канавок увеличивает износ подшипников и потребляемую мощность. Диаметр соприкасающихся цилиндрических поверхностей обеих втулок подшипников должен быть больше диаметра переливного отверстия крышки, что увеличивает габариты подшипников и скорость их истирания и уменьшает срок их эксплуатации.
Наиболее близким по совокупности технических признаков и достигаемому техническому результату к предложению заявителя является принятый за прототип центробежный экстрактор (патент РФ на полезную модель RU 179999 U1, МПК B01D 11/04, опубликован 30.05.2018, бюллетень №16), содержащий корпус со смесительной камерой, камерами вывода фаз, опорным фланцем и крышкой корпуса, привод с валом и муфтой привода, подшипниковую опору корпуса с посадочным фланцем, соединенным с опорным фланцем по без зазорному разъему, и подшипником скольжения, выполненным в форме двух цилиндрических втулок и двух кольцевых подпятников, снабженных канавками в зазорах между ними, вал опоры корпуса, закрепленный во внутренней втулке подшипника, ротор, закрепленный на валу опоры корпуса, с транспортирующим устройством, камерой разделения, устройством вывода легкой фазы, диском с переточными отверстиями, крышкой ротора с переливным отверстием, образующей с диском гидрозатвор, полость которого сообщена с зазорами между втулками и подпятником подшипника, активатор, закрепленный в опоре корпуса и размещенный в гидрозатворе, цилиндрическую проставку, закрепленную на посадочном фланце опоры корпуса, с установленным в зоне крышки корпуса прижимом для сжатия опорного и посадочного фланцев и размещенными в ней подшипниковой опорой и валом проставки, сочленяющимся с валом привода муфтой привода, магнитную муфту, ведущая полумуфта которой закреплена на валу проставки и расположена соосно и снаружи ведомой полумуфты, закрепленной на валу опоры корпуса, с кольцевым зазором, в котором размещена герметизирующая перегородка-экран, закрепленная в опоре корпуса и выполненная в форме стакана с размещенной в нем ведомой полумуфтой, в котором подшипник снабжен верхним кольцевым подпятником, внутренний диаметр которого меньше внутреннего диаметра нижнего подпятника, оба подпятника и активатор закреплены в опоре корпуса с зазорами с ее валом, на внутренней поверхности опоры корпуса в зоне контакта с подшипником выполнены вертикальные канавки, сообщающиеся между собой и с зазорами в подшипнике, а активатор снабжен каналом, входное отверстие которого размещено в гидрозатворе, а выходное отверстие сообщается с канавками опоры корпуса. Кроме того, опора корпуса снабжена вторым подшипником скольжения и дистанционирующей кольцевой втулкой между подшипниками, закрепленными в опоре корпуса с зазором с ее валом и контактирующими наружными поверхностями с канавками опоры корпуса. Соединенная с опорой корпуса герметизирующая перегородка-экран герметизирует объем центробежного экстрактора ниже уровня ее закрепления в опоре корпуса.
Недостатком центробежного экстрактора является осаждение осадка, привносимого потоком тяжелой фазы в канале смазки подшипников с неподвижными стенками и четырьмя изгибами под прямым углом как в канале активатора, так и канавках на внутренней поверхности опоры при подъеме в них потока тяжелой фазы снизу-вверх. Это приводит к закупорке этого канала осадком, прекращению смазки и охлаждения подшипников и их разрушению, что в итоге уменьшает срок эксплуатации центробежного экстрактора и выпуск продукции.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в предотвращении закупорки осадком канала смазки подшипников циркулирующим потоком тяжелой фазы, повышении надежности и срока эксплуатации центробежного экстрактора и увеличении выпуска продукции.
Технический результат достигается в заявленном герметичном центробежном экстракторе, содержащим корпус со смесительной камерой, камерами вывода тяжелой и легкой фаз, опорным фланцем и крышкой корпуса, привод с валом привода, подшипниковую опору с посадочным фланцем, закрепленным герметичным разъемным соединением на опорном фланце корпуса, с размещенными в ней подшипниками скольжения, выполненными в форме цилиндрических втулок и кольцевых подпятников с канавками в зазорах между ними, контактирующих наружными поверхностями с вертикальными канавками на внутренней поверхности подшипниковой опоры с входными и выходными отверстиями, сообщающимися с зазорами в подшипниках, дистанционирующей кольцевой втулкой между подшипниками, и герметизирующим стаканом, размещенным в кольцевом зазоре между соосными кольцевыми ведущей полумуфтой магнитной муфты, установленной на валу привода, и ведомой полумуфтой магнитной муфты, установленной на валу подшипниковой опоры, с закрепленными на нем ротором с транспортирующим устройством, мешалкой, камерой разделения с сепарационной насадкой, устройством вывода легкой фазы с переливным отверстием ее вывода, диском с периферийными переточными отверстиями, крышкой ротора с кольцевым переливным отверстием вывода тяжелой фазы, образующей с диском камеру гидрозатвора, сообщающуюся с канавками подшипников и подшипниковой опоры, активатор, закрепленный в подшипниковой опоре, с внутрироторным участком, размещенным в камере гидрозатвора, в котором внутрироторный участок активатора выполнен в форме кольца активатора, закрепленного без зазора на цилиндрической втулке активатора, размещенной в кольцевом переливном отверстии крышки ротора с зазорами с ней и валом подшипниковой опоры, на крышке ротора закреплены радиальные пластины, размещенные с зазорами с кольцом активатора, крышка корпуса выполнена в форме герметизирующего стакана с фланцем, закрепленного герметичным разъемным соединением в подшипниковой опоре, входные отверстия вертикальных канавок подшипниковой опоры сообщаются с зазором между верхним подпятником верхнего подшипника и валом подшипниковой опоры, а выходные отверстия вертикальных канавок сообщаются с камерой гидрозатвора.
Предложенная конструкция герметичного центробежного экстрактора обеспечивает при вращении ротора, как и в прототипе, постоянную принудительную циркуляцию небольшого количества тяжелой фазы в канале смазки подшипников через зазор и канавки в подшипниках и в канавках подшипниковой опоры для их смазки и охлаждения. В отличие от прототипа в предложенной конструкции на участке канала смазки подшипников с восходящим потоком тяжелой фазы от камеры гидрозатвора до входных отверстий вертикальных канавок подшипниковой опоры над верхним подпятником верхнего подшипника одна из стенок этого канала постоянно вращается, что предотвращает закупорку этого участка осадком. На участке канала смазки подшипников с нисходящим потоком тяжелой фазы от входных отверстий вертикальных канавок до их выходных отверстий с неподвижными стенками тяжелая фаза движется вниз под напором, создаваемым верхним подшипником и вспомогательной нагнетательной камерой. На выходе из выходных отверстий вертикальных канавок канал смазки подшипников становится открытым и нисходящий поток тяжелой фазы свободно сливается с разрывом струи под действием силы тяжести на верхнюю плоскость кольца активатора и попадает в камеру гидрозатвора. Таким образом, предложенная конструкция предотвращает закупорку осадком канала смазки подшипников, что в итоге увеличивает надежность работы и срок эксплуатации герметичного центробежного экстрактора и выпуск продукции.
На представленной фиг. 1 схематично изображен предлагаемый герметичный центробежный экстрактор в разрезе, на фиг. 2 схематично изображен увеличенный вид подшипниковой опоры с верхней частью ротора фиг. 1, на фиг. 3 схематично изображен увеличенный вид подшипниковой опоры фиг. 1, на фиг. 4 схематично изображен увеличенный вид другого варианта выполнения магнитной муфты фиг. 1.
Заявленный герметичный центробежный экстрактор содержит корпус 1, со смесительной камерой 2 с входными патрубками 3 и 4, камерами вывода тяжелой 5 и легкой 6 фаз с выходными патрубками 7 и 8 и опорным фланцем 9, привод 10 с валом 11 привода, закрепленный на подшипниковой опоре 12 с посадочным фланцем 13, закрепленным разъемным герметичным соединением на опорном фланце 9. В подшипниковой опоре 12 размещены подшипники скольжения нижний 14 и верхний 15, например, одинаковые, выполненные в форме цилиндрических втулок вращающейся внутренней 16 и неподвижной внешней 17 и неподвижных кольцевых подпятников нижнего 18 и верхнего 19 с канавками в зазорах между ними (фиг. 3). На нижних торцах втулок 16 выполнены радиальные канавки 20, например, в количестве 8 штук, на нижних торцах подпятников 19 выполнены радиальные канавки 21, например, в количестве 8 штук, на внутренних поверхностях втулок 17 выполнены продольные вдоль образующей канавки 22, например, в количестве 8 штук, а нижние неподвижные кольцевые подпятники 18 выполнены без канавок. На внутренних угловых кромках втулок 17 выполнены кольцевые фаски 23, например, углового профиля.
Между подшипниками 14 и 15 установлена с зазором с валом 30 дистанционирующая кольцевая втулка 24, которая вместе с неподвижными элементами обоих подшипников контактирует наружными поверхностями с вертикальными канавками 25, например, в количестве 4 штуки, на внутренней поверхности подшипниковой опоры 12 с входными 26 и выходными 27 отверстиями, сообщающимися с зазорами в обоих подшипниках. Крышка корпуса 1 выполнена в форме герметизирующего стакана 28, закрепленного без зазора на фланце 29 стакана 28, например, в форме единого сплошного элемента из одного инертного к растворам материала, например, углепластика, закрепленного разъемным герметичным соединением в подшипниковой опоре 12. Это уменьшает потери мощности за счет индуцируемых в стакане 28 вихревых токов Фуко при передаче сквозь него переменного магнитного поля и уменьшает его вредный нагрев.
1
1
1
2
2
В подшипниках 14 и 15 установлен вал 30 подшипниковой опоры 12, с закрепленным на нем ротором 31 с транспортирующим устройством 32, мешалкой 33, камерой разделения 34 с сепарационной насадкой, например, в форме радиальных пластин 35, устройством вывода легкой фазы, например, в форме трубок 36 с переливным отверстием 37 ее вывода, диском 38 с периферийными переточными отверстиями 39, крышкой 40 ротора 31 с кольцевым переливным отверстием 41 вывода тяжелой фазы и закрепленными на ней радиальными пластинами 42 высотой H, например в количестве 12 штук, образующей с диском 38 камеру гидрозатвора 43, сообщающуюся с канавками подшипников 14 и 15 и подшипниковой опоры 12. Пластины 35 разгораживают объем камеры разделения 34 по азимутальному углу на отдельные, например, 4 секторные секции, в каждой из которых размещена трубка 36. Все кольцевые подпятники обоих подшипников и дистанционирующая кольцевая втулка 24 установлены с кольцевыми зазорами 44 с валом 30 (фиг. 2-3). Входные отверстия 26 вертикальных канавок 25 расположены в зоне верхнего подпятника 19 верхнего подшипника 15, а выходные отверстия 27 этих вертикальных канавок 25 размещены ниже их входных отверстий в зоне крышки 40 ротора 31. Выходные отверстия 27 вертикальных канавок 25 расположены на радиусе R, например, R=32 мм, меньшем радиуса R, например, R=40 мм, кольцевого переливного отверстия 41 крышки 40.
В подшипниковой опоре 12 над верхним подпятником 19 верхнего подшипника 15 выполнена нагнетательная камера 45, сообщающаяся с зазором 44 между этим подпятником 19 и валом 30 и входными отверстиями 26 вертикальных канавок 25, в которой размещено закрепленное на валу 30 напорное колесо 46 с радиальными лопастями 47 (фиг. 2-3). Снаружи герметизирующего стакана 28 размещена ведущая полумуфта 48 магнитной муфты, установленная на валу 11 привода 10, а внутри нее размещена ведомая полумуфта 49 магнитной муфты, установленная на валу 30 подшипниковой опоры 12 соосно с ведущей полумуфтой 48 (фиг. 1). Наружная поверхность ведомой полумуфты 49 покрыта слоем, например, напыленным, инертного к растворам материала, например, нержавеющей стали.
2
В подшипниковой опоре 12 закреплен активатор с внутрироторным участком, размещенным в камере гидрозатвора 43, выполненным в форме кольца 50, закрепленного без зазора на цилиндрической втулке 51, размещенной в кольцевом переливном отверстии 41 крышки 40 с зазором 52 высотой Н с радиальными пластинами 42, с зазором 53 с диском 38 и с зазором 54 с валом 30 (фиг. 1-2). Втулка 51 активатора закреплена в подшипниковой опоре 12 разъемным, например, резьбовым соединением 55, направление резьбы которого соответствует ее закручиванию до упора резьбы при повороте в направлении вращения ротора 31 (фиг. 2). Ротор 31 вместе с подшипниковой опорой 12, посадочным фланцем 13, и приводом 10 объединены закреплением в единый выемной узел, который может дистанционно извлекаться из корпуса 1 для ремонта и замены.
На валу 30 в зоне зазоров 44 и 54 закреплены кольцевые втулки 56 с наружной винтовой резьбой, например, прямоугольного профиля, направление которой соответствует транспортировке тяжелой фазы в этих зазорах из камеры гидрозатвора 43 вверх при заданном направлении вращения ротора 31, выполняющими таким образом функцию винтового насоса тяжелой фазы и одновременно фиксации закрепления вдоль вала 30 вращающихся внутренних втулок 16 обоих подшипников 14 и 15 (фиг. 2-3).
Другой вариант выполнения магнитной муфты с взаимной переменой местами ведущей 48 полумуфты, установленной внутри герметизирующего стакана 28 и ведомой 49 полумуфты, установленной снаружи него, позволяет контролировать вращение ротора 31 путем бесконтактного измерения угловой скорости ведомой 49 полумуфты через сквозное отверстие 57 в подшипниковой опоре 12 и закрывающий его герметичным разъемным соединением, герметизирующий фланец 58 (фиг. 4). Для такого полезного в промышленной эксплуатации контроля центробежный экстрактор снабжен соответствующим устройством, например, магнитным или лазерным, датчик 59 которого закреплен снаружи подшипниковой опоры 12 в зоне герметизирующего фланца 58, выполненного из материала, инертного к перерабатываемым растворам. В зависимости от принципа работы упомянутого устройства герметизирующий фланец 58 выполнен из диамагнитного или неметаллического материала, например, углепластика, при измерении частоты переменного магнитного поля вращающейся ведомой 49 полумуфты, однозначно связанной с ее угловой скоростью, или из оптически прозрачного материала, например, стекла при непосредственном измерении угловой скорости этой полумуфты лазерным тахометром.
Заявленный герметичный центробежный экстрактор работает следующим образом. После подключения привода 10 к электропитанию и начала вращения ротора 31 исходные растворы по входным патрубкам 3 и 4 подают в смесительную камеру 2, где они перемешиваются мешалкой 33 для осуществления массопередачи распределяющегося компонента, и образовавшаяся эмульсия подается транспортирующим устройством 32 внутрь вращающегося ротора 31. В процессе транспортировки эмульсии снизу-вверх и ее расслаивания в каждой секции камеры разделения 34 между пластинами 35 она приобретает форму трех радиально соприкасающихся кольцевых слоев - двух очищенных друг от друга разделенных легкой и тяжелой фаз соответственно в приосевой и периферийной зонах камеры разделения 34 и эмульсионного слоя между ними. Легкая фаза из приосевой зоны камеры разделения 34 через переливные отверстия 37 трубок 36 выводится через них из ротора 31 в камеру 6 вывода легкой фазы и по выходному патрубку 8 наружу герметичного центробежного экстрактора. Тяжелая фаза из периферийной зоны камеры разделения 34 через переточные отверстия 39 поступает в камеру гидрозатвора 43, где разделяется на два потока: основной и вспомогательный. Основной поток тяжелой фазы с производительностью, немного меньшей производительности ее исходного потока, вводимого в смесительную камеру 2, транспортируется над кольцом 50 в пространстве между радиальными пластинами 42 в приосевую зону к переливному отверстию 41, выводится из ротора 31 к периферии в камеру 5 вывода тяжелой фазы и по выходному патрубку 7 наружу герметичного центробежного экстрактора.
Вспомогательный поток тяжелой фазы с производительностью, значительно меньшей, например в 10-100 раз, производительности основного потока, транспортируется в канале смазки подшипников под давлением снизу кольца 50 в зазоре 53 в приосевую зону, поднимается по зазору 54 к нижнему подшипнику 14, вводится во вращающиеся радиальные канавки 20 втулки 16, отбрасывается ими под действием центробежной силы в периферийном направлении к нижней кольцевой проточке 23, поднимается под давлением в продольных канавках 22 втулки 17 к верхней кольцевой проточке 23, транспортируется в приосевом направлении в радиальных канавках 21 подпятника 19, поднимается вверх через зазоры 44 с подпятниками и втулкой 24 к верхнему подшипнику 15, где повторяет траекторию, аналогичную нижнему подшипнику 14 (фиг. 2-3). На выходе из радиальных канавок 21 верхнего подпятника 19 вспомогательный поток тяжелой фазы вводится в нагнетательную камеру 45, отбрасывается напорным колесом 46 с радиальными лопастями 47 под действием центробежной силы в периферийном направлении к входному отверстию 26, транспортируется под давлением вниз по вертикальным канавкам 25 и через выходные отверстия 27 стекает вниз под действием силы тяжести на верхнюю поверхность кольца 50, где объединяется с основным потоком тяжелой фазы и выводится далее вместе с ним наружу герметичного центробежного экстрактора с производительностью, равной производительности ее исходного потока, вводимого в смесительную камеру 2.
Осадок при наличии его в растворах за счет центробежной силы транспортируется по конической поверхности ротора 31 к переточным отверстиям 39, взмучивается неподвижным кольцом 50 активатора, выполняющим функцию скребка, и выводится далее с обоими потоками тяжелой фазы через переливное отверстие 41 из ротора 31 и далее наружу герметичного центробежного экстрактора.
ср
1
2
1
2
В предположении, что угловая скорость тяжелой фазы в промежутках между радиальными пластинами 42 равна угловой скорости ротора 31, а в зазоре 52, как и в зазоре 53, она в 2 раза меньше из-за тормозящего воздействия неподвижного кольца 50 на вращение тяжелой фазы (фиг. 2), среднюю по объему и в данном случае среднюю по высоте камеры гидрозатвора 43 сверху кольца 50 угловую скорость тяжелой фазы можно приближенно рассчитать из равенства ω=(ωH+ωH/2)/(H+H), или
ср
2
1
2
1
1- ω/ω=(H/H)/[2(1+Н/Н)],
ср
1
2
2
1
ср
ср
где ω - средняя по объему камеры гидрозатвора 43 сверху кольца 50 угловая скорость тяжелой фазы, рад/с; ω - угловая скорость ротора 31, рад/с; H - высота пластин 42, м; Н - высота зазора 52, м. Для характерных в конструкциях аналогичных центробежных экстракторов соотношений величин, например, Н/Н≤0.1 получаем 1-ω/ω≤0.045 и, следовательно, можно считать ω≈ω.
2
4
3
4
3
Из условия равенства давлений в периферийной зоне вращающихся колец тяжелой фазы в камере гидрозатвора 43 независимо от ее плотности сверху кольца 50 с радиусами R и P и снизу кольца 50 с радиусами R и R и в предположении, что снизу кольца 50 в зазоре 53 и в зазоре 54 средняя по объему угловая скорость тяжелой фазы в два раза меньше аналогичной величины сверху него в зоне вращающихся радиальных пластин 42, и с учетом дополнительного давления столба тяжелой фазы высотой Н в зазоре 54 можно получить соотношение, гарантирующее подъем тяжелой фазы в зазоре 54 к канавкам 20 втулки 16 нижнего подшипника 14 (Фиг. 2):
2
2
2
2
2
2
4
2
4
3
3
ρω(R - R)/2 - ρ(ω/2)(R - R)/2 ≥ ρgH, или
3
4
4
2
4
3
4
2
2
2
H/R ≤ ωR[3 - (2R/R)+(R/R)]/(8g),
3
2
2
4
3
2
4
3
3
4
2
4
3
4
3
4
где ρ - плотность тяжелой фазы, кг/м; ω - угловая скорость вращения ротора 31, рад/с; R - радиус переливного отверстия 41, м; R - радиус кольца 50, м; R - радиус вала 30, м; g≈9.81 м/c - ускорение свободного падения. Для характерных в конструкциях аналогичных центробежных экстракторов соотношений величин, например, ω=157 рад/с≈1500 об/мин, R=40 мм, R=80 мм, R=16 мм, R/R=0.2 и R/R=0.5 получаем H/R≤51.3, что существенно больше чем характерные в действительности Н/R≤1 и гарантирует затекание тяжелой фазы в канавку 20 втулки 16 нижнего подшипника 14 под давлением.
5
6
4
Из условия равенства давлений в периферийной зоне вращающихся колец тяжелой фазы в радиальной канавке 20 вращающейся втулки 16 нижнего подшипника 14 независимо от ее плотности с радиусами R и R и в неподвижных канавках 22 и 21 с такими же радиусами, в предположении, что в них средняя по объему угловая скорость тяжелой фазы в два раза меньше аналогичной величины в радиальной канавке 20, и с учетом дополнительного давления столба высотой H тяжелой фазы между подшипниками можно получить соотношение, гарантирующее подъем тяжелой фазы из канавки 20 нижнего подшипника 14 в канавку 20 верхнего подшипника 15 по зазорам 44 вала 30 с подпятниками 18 и 19 и дистанционирующей кольцевой втулкой 24 (Фиг. 3):
2
2
2
2
2
2
6
5
6
5
4
ρω(R - R)/2 - ρ(ω/2)(R - R)/2 ≥ ρgH, или
4
6
6
5
6
2
2
H/R ≤ 3ωR [1 - (R/R)]/(8g),
6
5
6
5
5
6
4
6
4
6
где ρ, ω и g имеют тот же смысл и размерность, что и в предыдущих формулах; R - наружный радиус радиальной канавки 20, м; R - внутренний радиус нижнего подпятника 18, м. Для характерных в конструкциях аналогичных центробежных экстракторов величин, например, для R=28 мм, R=20 мм, R/R=0.714 и ω=157 рад/с≈1500 об/мин получаем H/R≤12.9, что существенно больше чем характерные в действительности H/R≤2 и гарантирует затекание тяжелой фазы в канавку 20 верхнего подшипника 15 под давлением. При недостатке упомянутых перепадов давления дополнительный перепад давления для инициирования восходящего вспомогательного потока тяжелой фазы в зоне зазоров 54 и 44 обеспечивается за счет винтового насоса, выполненного в форме вращающихся кольцевых втулок 56 с наружной винтовой резьбой необходимого направления (фиг. 2-3).
Таким образом, предложенная конструкция камеры гидрозатвора 43 с наличием вращающихся радиальных пластин 42 сверху кольца 50 и их отсутствием снизу от него в зазорах 53 и 54, а также канавок в зоне контакта трущихся элементов обоих подшипников 14 и 15, позволяет создать необходимые перепады давления вдоль восходящего вспомогательного потока тяжелой фазы, гарантирующие его подъем из камеры гидрозатвора 43 до входных отверстий 26 вертикальных канавок 25 и надежные смазку и охлаждение всех трущихся поверхностей обоих подшипников.
При прекращении подачи тяжелой фазы в смесительную камеру 2 без остановки вращения ротора 31 расход основного потока тяжелой фазы, выходящего из ротора 31 через переливное отверстие 41, уменьшается до нуля, а радиус ее свободной поверхности в камере гидрозатвора 43 увеличивается. При этом вспомогательный поток тяжелой фазы, смазывающий и охлаждающий подшипники, начинает рециркулировать через камеру гидрозатвора 43, предотвращая их поломку. При остановке технологического процесса, после прекращения подачи растворов в смесительную камеру 2 и остановки вращения ротора 31 содержащиеся в нем жидкости сливаются обратно в смесительную камеру 2, увеличивая уровень жидкости в ней свыше нижней кромки транспортирующего устройства 32. Поэтому при последующем запуске вращения ротора 31 даже без подачи растворов в смесительную камеру 2, в том числе и в каскаде однотипных герметичных центробежных экстракторов, соединенных последовательно по потоку тяжелой фазы, в камере гидрозатвора 43 практически одновременно с началом вращения ротора 31 вновь появляется жидкость и начинается ее рециркуляция через подшипники в течение всего времени вращения ротора 31, что предотвращает их поломку.
Постоянный вспомогательный поток тяжелой фазы с небольшим расходом в канале смазки подшипников 14 и 15 через зазоры и канавки в подшипниках и подшипниковой опоре 12 обеспечивается под напором как в рабочем режиме герметичного центробежного экстрактора, так и при отсутствии подачи тяжелой фазы в смесительную камеру 2, в частности, при запуске в рабочий режим, что увеличивает надежность и срок эксплуатации герметичного центробежного экстрактора. Небольшой расход вспомогательного потока тяжелой фазы не ограничивает производительность герметичного центробежного экстрактора по исходным растворам, так как отбирается из камеры гидрозатвора 43 после разделения фаз в камере разделения 34, что увеличивает выпуск продукции.
2
Выполнение внутрироторного участка активатора в форме кольца 50, закрепленного без зазора на цилиндрической втулке 51, и закрепление на крышке 40 ротора 31 радиальных пластин 42 необходимо для принудительного подъема вспомогательного потока тяжелой фазы из камеры гидрозатвора 43 по зазору 54 к канавкам 20 на нижнем торце вращающейся внутренней цилиндрической втулки 16 нижнего подшипника 14. Этому также способствует выполнение их в форме единого сплошного элемента из одного материала. Выполнение крышки корпуса в форме герметизирующего стакана 28 с фланцем 29 упрощает конструкцию и увеличивает надежность герметизации его разъемного закрепления в подшипниковой опоре 12. Размещение входных отверстий 26 вертикальных канавок 25 над их выходными отверстиями 27 и выполнение нагнетательной камеры 45 с напорным колесом 46 и радиальными лопастями 47 над верхним подпятником 19 верхнего подшипника 15 увеличивает надежность транспортировки в вертикальных канавках 25 осадка в нисходящем вспомогательном потоке тяжелой фазы. Закрепление втулки 51 активатора в подшипниковой опоре 12 в форме разъемного резьбового соединения 55, направление резьбы которого соответствует ее закручиванию до упора резьбы при повороте в направлении вращения ротора 31, позволяет уменьшить радиус R переливного отверстия 41, что увеличивает объем камеры разделения 34, производительность центробежного экстрактора и выпуск продукции. Кольцевые фаски 23 на внутренних угловых кромках втулок 17 уменьшают гидравлическое сопротивление в перетоках тяжелой фазы между канавками неподвижных элементов подшипников при их возможном несовпадении по азимутальному углу и способствуют выравниванию в них давления.
Таким образом, заявлено техническое решение, обеспечивающее достижение нового технического результата, заключающегося в повышении надежности и срока эксплуатации герметичного центробежного экстрактора, увеличении производительности и выпуска продукции, совокупность признаков которого неизвестна из настоящего уровня техники, обладает новизной по сравнению с выбранным прототипом, технически выполнимо и промышленно применимо, что соответствует критериям, характеризующим полезную модель.