ЭКСТРАКТОР ДЛЯ СИСТЕМЫ ЖИДКОСТЬ - ЖИДКОСТЬ Российский патент 1995 года по МПК B01D11/04 

Изобретение относится к экстракционной аппаратуре для систем жидкость-жидкость, в частности к многоступенчатым центробежным экстракторам колонного типа.

Известна насадочная экстракционная колонна (Скобло А.И., Трегубова И.А. , Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М.: Химия, 1982, с. 296, рис. IX-21).

Экстракционная насадочная колонна состоит из корпуса, разделенного внутри на секции. В эти секции уложена насадка для дополнительного диспергирования и коалесценции дисперсной фазы, а также увеличения времени пребывания капель дисперсной фазы в аппарате. Между секциями насадки установлены тарелки для распределения потоков. Колонна имеет патрубки подачи и слива жидкостей.

Недостатки известного экстрактора - большие размеры этих колонн - высота и диаметр достигают 40 м и 5 м соответственно, большая производственная площадь, низкая производительность, так как некоторая часть сечения колонны занята насадкой, низкая интенсивность массопередачи. Это объясняется тем, что в системах жидкость-жидкость разность плотностей фаз значительно ниже, чем в системах газ-жидкость или пар-жидкость. Поэтому собственная энергия потоков, используемая для контактирования фаз, в экстракционных колоннах насадочного типа недостаточна для преодоления сил поверхностного натяжения и интенсивного диспергирования одной жидкости в другой.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является роторно-дисковый экстрактор, который представляет собой цилиндрическую колонну, корпус которой разделен по высоте перегородками на ряд секций, установленный по оси колонны ротор-вал с закрепленными на нем дисками для перемешивания фаз. Диски вращаются в середине каждой секции. В верхней части колонны установлена успокоительная перфорированная перегородка. Имеются патрубки для подвода тяжелой и легкой жидкостей, а также патрубки для слива тяжелой и легкой жидкостей.

Принцип работы экстрактора-прототипа заключается в следующем. Движущиеся противотоком фазы (легкая и тяжелая жидкости) смешиваются в каждой секции вращающихся дисками и затем частично расслаиваются около неподвижных кольцевых перегородок. Если в экстракторе сплошной фазой является тяжелая жидкость, то для окончательного расслаивания легкой дисперсной фазы и сплошной служит верхняя часть аппарата, отделенная от рабочей зоны перфорированной перегородкой.

Устройство-прототип по сравнению с описанным выше устройством имеет большее количество секций (ступеней). Однако данное устройство имеет ряд существенных недостатков: это невозможность работы при высоких скоростях потоков, большая нагрузка на привод, потому что вращение происходит в затопленном состоянии (жидкости движутся противотоком). Кроме того, дополнительное сопротивление на движение жидкостей оказывают кольцевые перегородки, установленные по всей высоте корпуса, недостаточная интенсивность процесса экстракции.

Цель изобретения - интенсификация процесса экстракции и снижение энергозатрат.

Поставленная цель достигается тем, что в известном экстракторе для систем жидкость-жидкость, включающем корпус в виде колонны, разделенный по высоте перегородками на ряд секций, установленный по оси колонны ротор-вал с закрепленными на нем элементами для перемешивания фаз, расположенными в каждой секции, согласно изобретению, элементы для перемешивания фаз верхних секций выполнены в форме чаш с перфорированной боковой поверхностью, а нижних - в форме перевернутых усеченных конусов. Дно и внутренняя боковая поверхность чаш и внутренняя поверхность верхних секций, в которых они расположены, снабжены трехмерной ячеистой сеткой. Перегородки, разделяющие корпус на секции, имеют форму воронок. Размер перфораций на боковой поверхности чаш увеличивается по высоте чаши. Трехмерная ячеистая сетка прикреплена упруго к внутренней поверхности секций, в которых расположены перфорированные чаши.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый экстрактор для систем жидкость-жидкость отличается тем, что элементы для перемешивания фаз верхних секций (экстракционная зона) выполнены в форме чаш с перфорированной боковой поверхностью, а нижних (сепарационная зона) - в форме перевернутых усеченных конусов. Дно и внутренняя боковая поверхность чаш и внутренняя поверхность верхних секций, в которых они расположены, снабжены трехмерной ячеистой сеткой. Перегородки, разделяющие корпус на секции, имеют форму воронок.

Дополнительное отличие состоит в том, что размер перфораций на боковой поверхности чаш увеличивается по высоте чаши. Еще одно отличие заключается в том, что трехмерная ячеистая сетка прикреплена упруго к внутренней поверхности секций, в которых расположены перфорированные чаши.

На фиг.1 изображен экстрактор для систем жидкость-жидкость, общий вид; на фиг. 2 - узел I на фиг. 1.

Экстрактор состоит из корпуса 1, представляющего собой колонну. По оси колонны установлен ротор-вал 2. Корпус 1 разделен по высоте неподвижными перегородками 3 на ряд секций. Неподвижные перегородки 3 имеют форму воронок. В каждой верхней секции экстрактора на валу 2 установлены чаши 4 с перфорированной боковой поверхностью. Размер перфораций 5 увеличивается по высоте чаши. Перфорации 5 могут быть различной формы: круглые, квадратные, прямоугольные и т. д. Дно и внутренняя боковая поверхность чаш 4, а также внутренняя поверхность верхних секций, в которых расположены чаши, снабжены трехмерной ячеистой сеткой 6. Трехмерная ячеистая сетка 6 прикреплена к внутренней боковой поверхности корпуса 1 с помощью упругих элементов 7.

Каждая верхняя секция, образованная перегородками 3 и внутренней боковой поверхностью корпуса 1, в центральной части которой расположена перфорированная чаша 4, является экстракционной ступенью. Ряд экстракционных ступеней - секций образуют экстракционную зону. Воронки-перегородки 3 экстракционной зоны являются также устройствами для перелива жидкой фазы из верхней экстракционной ступени в нижерасположенную.

Под экстракционной зоной расположена сепарационная зона, представляющая собой совокупность сепарационных секций-ступеней. Каждая сепарационная секция-ступень образована двумя перегородками 3 в форме воронок и внутренней боковой поверхностью корпуса 1, в центральной части которой на валу 2 установлен перевернутый усеченный конус 8. Воронки-перегородки 3 сепарационной зоны имеют более длинную образующую, чем воронки-перегородки 3 экстракционной зоны. Воронки-перегородки 3 сепарационной зоны, разделяя пространство сепарационной зоны на отдельные сепарационные секции-ступени, служат одновременно переливами для жидкой фазы с верхних сепарационных секций-ступеней на нижние.

Подачу тяжелой и легкой жидкостей в смеситель 9 осуществляют через штуцеры 10 и 11 соответственно. Через штуцер 12, сопло которого установлено на выходе из смесителя 9, по трубке 13 осуществляют подачу сжатого воздуха. В экстракторе имеются патрубки 14 и 15 для слива тяжелой и легкой жидкостей соответственно.

Экстрактор для систем жидкость-жидкость работает следующим образом.

Через штуцеры 10 и 11 подаются тяжелая и легкая жидкости в смеситель 9. Через штуцер 12 подается сжатый воздух в трубку 13, при этом, создавая разрежение в смесителе 9. Тяжелая и легкая жидкости увлекаются и с большой скоростью прямотоком подаются на первую ступень экстракции в место крепления чаши 4. Захватываемые сжатым воздухом, жидкости интенсивно перемешиваются, при этом значительно увеличивается поверхность контакта этих жидкостей. При выходе из трубки 13 смесь жидкостей с большой скоростью соударяется с трехмерной ячеистой сеткой 6 чаши 4 у центра вращающегося ротора-вала 2. При соударении с сеткой происходит дробление жидкостей на мелкие капли. Так как смесь движется с большой скоростью, то при соприкосновении с дном чаши 4 за счет разности плотностей происходит проникновение одной жидкости в другую.

При вращении ступеней экстракционной и сепарационной зон с большой скоростью, смесь жидкостей от центра вращения движется к перфорированной боковой поверхности чаши 4, при этом происходит коалесценция капель жидкостей, далее жидкости как бы наползают на перфорированную боковую поверхность и через перфорации 5, размер которых увеличивается по высоте, вырываясь с большой скоростью, отбрасывается на трехмерную ячеистую сетку 6, прикрепленную вокруг этих чаш 4 на упругих элементах 7 к корпусу экстрактора 1. Ячеистая сетка 6 под действием струй смеси жидкостей начинает колебаться. Обволакивая ячейки трехмерной сетки 6, жидкая фаза стекает вниз. При этом время контакта (экстракции) увеличивается, а колебания - процесс экстракции ускоряют. Затем жидкая фаза из первой ступени стекает по поверхности разделительной перегородки 3, имеющей форму воронки и следующей переливом, на нижерасположенную ступень. После экстракции жидкости фаза поступает в зону сепарации.

В этой зоне происходит расслаивание (разделение) жидкостей. Расслаивание происходит у вращающихся на валу 2 перевернутых усеченных конусов 8. Под действием центробежной силы более тяжелая жидкость будет отбрасываться к стенкам корпуса 1 и, поднимаясь вверх, будет переливаться через край перегородки 3 и по ее внутренней поверхности, имеющей воронкообразную форму, стекать на нижерасположенную сепарационную секцию-ступень. Более легкая жидкость, распределившаяся в результате расслоения по поверхности тяжелой жидкости, будет вместе с тяжелой жидкостью перетекать в нижерасположенную сепарационную секцию-ступень. Пройдя все ступени, жидкости поступают в нижнюю часть колонны экстрактора, где происходит отстаивание и слив тяжелой и легкой жидкостей через штуцеры 14 и 15 соответственно.

В заявляемом экстракторе процесс интенсифицируется за счет выполнения верхних секций (экстракционная зона) в форме чаш с перфорированной боковой поверхностью, дно и боковая поверхность которых снабжены трехмерной ячеистой сеткой, а также за счет установки трехмерной ячеистой сетки на корпусе экстрактора вокруг чаш на упругих элементах, колеблющихся под действием струй жидкой фазы, вырывающейся через перфорации в чашах. Время контакта жидкостей увеличивается за счет свободного стекания их по трехмерной ячеистой колеблющейся сетке из одной секции в другую, и за счет выполнения перегородок, разделяющих корпус на секции-ступени, в форме воронок.

Процесс экстракции и разделения происходит в поле центробежных сил (у чаш и усеченных конусов соответственно), что также способствует интенсификации процесса.

Снижение энергозатрат происходит за счет того, что чаши имеют размер перфораций увеличивающийся по высоте, в результате чего уровень заполнения этих чаш практически постоянный, т.е. отсутствует полное затопление секций, поэтому расход электроэнергии для привода ротор-вала во вращение значительно снижается.

На лабораторной установке было проведено разделение молибдена и вольфрама экстракцией пероксокомплексов молибдена.

Лабораторные испытания показали, что по сравнению с прототипом на заявляемом экстракторе с единицы площади можно снимать металла в единицу времени больше на 25-70%, а потребление электроэнергии (энергозатраты) при этом сокращается на 20-25%.

Изобретение позволяет интенсифицировать процесс экстракции и снизить энергозатраты. Сущность изобретения: корпус экстрактора выполнен в виде колонны, по оси которой установлен ротор-вал. Корпус разделен по высоте на секции перегородками, имеющими форму воронок. В верхних секциях на валу установлены чаши с перфорированной боковой поверхностью. Размер перфораций увеличивается по высоте чаши. Дно и внутренняя боковая поверхность чаш, а также внутренняя поверхность секций, в которых размещены чаши, снабжены трехмерной ячеистой сеткой. Сетка прикреплена к корпусу экстрактора посредством упругих элементов. В нижних секциях на валу установлены перемешивающие устройства в форме перевернутых усеченных конусов. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. ЭКСТРАКТОР ДЛЯ СИСТЕМЫ ЖИДКОСТЬ - ЖИДКОСТЬ, включающий в себя корпус, разделенный по высоте перегородками на ряд секций, установленный по оси его ротор-вал с закрепленными на нем элементами для перемещения фаз, расположенными в каждой секции, отличающийся тем, что элементы для перемешивания фаз верхних секций выполнены в форме чаш с перфорированной боковой поверхностью, а нижних - в форме перевернутых усеченных конусов, при этом дно и внутренняя боковая поверхность чаш и внутренняя поверхность верхних секций, в которых они расположены, снабжены трехмерной ячеистой сеткой, а разделяющие корпус на секции перегородки имеют форму воронки. 2. Экстрактор по п.1, отличающийся тем, что размер перфораций увеличивается по высоте чаши. 3. Экстрактор по п.1, отличающийся тем, что трехмерная ячеистая сетка прикреплена упруго к внутренней поверхности верхних секций, в которых расположены перфорированные чаши.