ГРАВИТАЦИОННЫЙ ОТСТОЙНИК ДЛЯ ЖИДКОСТНО-ЖИДКОСТНЫХ ЭКСТРАКТОРОВ Российский патент 1995 года по МПК B01D17/04 

Изобретение относится к устройствам для разделения несмешивающихся жидкостей с различными удельными весами, в частности к гравитационным отстойникам для жидкостно-жидкостных экстракторов, и может быть использовано в химической, нефтехимической и металлургической отраслях промышленности.

С повышением объема перерабатываемых растворов возрастает необходимость создания экстракционных аппаратов, имеющих при ограниченной установочной площади более высокую удельную объемную производительность отстойников, т.е. производительность по смеси фаз на единицу рабочего объема отстойника. Важным фактором повышения удельной объемной производительности является улучшение гидродинамики потоков смеси фаз (эмульсии) и разделенных фаз, перемещающихся в отстойнике, интенсификация процессов расслаивания эмульсии и коалесценции дисперсной фазы.

Известен гравитационный отстойник для жидкостно-жидкостных экстракторов, содержащий прямоугольный корпус, который имеет тангенциальный патрубок для ввода эмульсии, щелевой распределитель эмульсии, переливные пороги для вывода легкой фазы, эмульсии и взвесей с патрубками и Т-образными трубопроводами, гидрозатвор для вывода тяжелой фазы с патрубком и Т-образным трубопроводом, переднюю и заднюю поперечные перегородки, разделяющие внутреннее пространство корпуса на входную, отстойную и выходную камеры, каждая из которых снабжена бункером для сбора осадка, сетку, установленную над уровнем жидкости в верхней части корпуса, и по меньшей мере два размещенных в отстойной камере один над другим с зазором сепарационных модуля, каждый из которых выполнен из идентичных полых наклонных элементов, открытых с двух сторон и установленных параллельно друг другу так, что их верхние и нижние кромки лежат в горизонтальных плоскостях. Передняя и задняя поперечные перегородки выполнены каждая в виде двух отдельных секций. Нижняя секция передней перегородки примыкает к днищу корпуса и образует с верхней секцией этой перегородки щелевое отверстие в основании нижнего сепарационного модуля. Верхняя и нижняя секции задней перегородки имеют разрыв в зазоре между модулями. Высота передней и задней перегородок таковы, что верхняя кромка передней перегородки расположена ниже верхней кромки переливного порога для вывода легкой фазы, которая расположена ниже верхней кромки задней перегородки. Нижняя кромка задней перегородки образует щель с днищем корпуса.

Известный отстойник имеет недостаточно высокую удельную объемную производительность. Это обусловлено тем, что во входную камеру эмульсия поступает через тангенциальный патрубок и щелевой распределитель, что излишне ее турбулизует в самом начале движения в отстойнике. В отстойную камеру эмульсия подается сверху и снизу, проходя полностью или частично через верхний и нижний сепарационные модули и межмодульный зазор, перемешиваясь при этом с разделенными фазами и турбулизируясь. Эмульсия, поступающая в отстойную камеру, не разделяется в межмодульном зазоре на ряд меньших потоков, что способствовало бы их ламинеризации, ограничивало перемешивание с разделенными фазами. Выполнение и расположение элементов в сепарационных модулях не способствует интенсификации расслаивания эмульсии и коалесценции дисперсной фазы.

Цель изобретения повышение удельной объемной производительности отстойника за счет снижения перемешивания потоков эмульсии и разделенных фаз и усиления их ламинеризации при движении в межмодульном зазоре и в сепарационных модулях. Удельная объемная производительность повышается также за счет увеличения удельной поверхности сепарационных элементов и улучшения их пространственной ориентации в модулях, что способствует интенсификации процессов расслаивания эмульсии и коалесценции дисперсной фазы.

Поставленная цель достигается тем, что в гравитационном отстойнике, включающем корпус, имеющий патрубок для ввода эмульсии, переливной порог для вывода легкой фазы, гидрозатвор для вывода тяжелой фазы, переднюю и заднюю поперечные перегородки, разделяющие внутреннее пространство корпуса на входную, отстойную и выходную камеры, по меньшей мере два размещенных в отстойной камере один над другим с зазором сепарационных модуля, каждый из которых выполнен из идентичных полых наклонных элементов, открытых с двух сторон и установленных параллельно друг другу так, что верхние и нижние кромки элементов лежат частично или полностью в горизонтальных плоскостях. Передняя поперечная перегородка примыкает нижней кромкой к днищу корпуса и имеет по меньшей мере одно отверстие, посредством которого входная камера сообщена с отстойной камерой, а нижняя кромка задней перегородки образует с днищем корпуса щель. В зазоре между сепарационными модулями размещен ряд поперечных вертикальных межмодульных перегородок, параллельных друг другу, отверстие в передней поперечной перегородке расположено на уровне зазора. В каждой межмодульной перегородке выполнено по меньшей мере по одному отверстию. Центры этих отверстий и центр отверстия в передней перегородке лежат на одной прямой линии, параллельной продольной оси корпуса или совпадающей с ней. Задняя поперечная перегородка выполнена сплошной, верхняя кромка передней поперечной перегородки расположена выше верхней кромки задней поперечной перегородки и верхней кромки переливного порога для вывода легкой фазы.

Межмодульные поперечные перегородки выполнены изогнутыми посредине так, что каждая из них образует двугранный угол, равный 80-160^о, ребро которого вертикально, а боковые грани симметричны относительно вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось корпуса.

Отверстия в передней и в каждой межмодульной поперечной перегородках выполнены вблизи одной из боковых стенок корпуса или вблизи обеих боковых стенок корпуса, или посредине перегородок, или посредине перегородок и вблизи обеих боковых стенок корпуса. Каждый элемент сепарационных модулей выполнен в виде правильной призмы, преимущественно ромбической, и установлен так, что ни одна из его боковых граней не лежит в вертикальной плоскости, параллельной продольной оси корпуса. Каждый элемент соприкасается с соседними элементами либо гранью, либо ребром. Элементы в сепарационных модулях размещены так, что продольные оси двух соседних элементов находятся в вертикальной плоскости, параллельной продольной оси корпуса, и наклонены под углом 30-60^о или 120-150^о к горизонтали. Элементы верхнего и нижнего сепарационного модулей симметричны относительно горизонтальной плоскости, проходящей через продольную ось корпуса.

Размещение в зазоре между сепарационными модулями ряда поперечных вертикальных перегородок позволяет разделить исходный поток эмульсии, поступающий в межмодульный зазор, на ряд меньших, преимущественно равновеликих потоков, которые движутся к элементам верхнего и нижнего сепарационных модулей для дальнейшего расслоения. Наличие перегородок способствует ламинеризации этих разделенных потоков эмульсии, снижает интенсивность перемешивания эмульсии и разделенных фаз в межмодульном зазоре. Размещение отверстия в передней поперечной перегородке на уровне межмодульного зазора позволяет подать эмульсию непосредственно в зазор, а не через верхний и нижний сепарационные модули.

Выполнение по меньшей мере по одному отверстию в каждой межмодульной перегородке, центры которых и центр отверстия в передней перегородке лежат на одной прямой линии, параллельной продольной оси корпуса или совпадающей с ней, позволяет осуществить подачу эмульсии по всей длине межмодульного зазора отстойной камеры и свести к минимуму турбулизацию потоков эмульсии. Выполнение задней поперечной перегородки сплошной ограничивает растекание эмульсии в направлении выходной камеры, минуя сепарационные модули, позволяет создать эмульсионный слой необходимой толщины.

Размещение передней поперечной перегородки так, что ее верхняя кромка расположена выше верхних кромок задней перегородки и переливного порога для вывода легкой фазы, необходимо для того, чтобы исключить попадание эмульсии из входной камеры в объем разделенной легкой фазы, расположенной над верхним сепарационным модулем. Желательно, чтобы верхняя кромка задней перегородки была расположена ниже верхней кромки переливного порога для вывода легкой фазы, что создает более благоприятные условия для вывода разделенной легкой фазы в выходную камеру, стабилизирует границу раздела фаз (ГРФ) в отстойной и выходной камерах и положение эмульсионного слоя в отстойной камере.

Выполнение межмодульных перегородок изогнутыми посредине так, что каждая из них образует двугранный угол, равный 80-160^о, ребро которого вертикально, а боковые грани симметричны относительно вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось корпуса, усиливает ламинеризацию потоков эмульсии и снижает еще более интенсивность перемешивания эмульсии и разделенных фаз в межмодульном зазоре. При величине двугранного угла менее 80^о и более 160^о имеет место нерациональное использование рабочего объема межмодульного зазора, ухудшается гидродинамики разделенных потоков эмульсии.

Выполнение отверстий в передней и в каждой межмодульной поперечной перегородке вблизи одной из боковых стенок корпуса, или вблизи обеих боковых стенок корпуса, или посередине перегородок, или посредине перегородок и вблизи обеих боковых стенок корпуса зависит от конфигурации отстойника и заданного расхода эмульсии. При большом расходе эмульсии число и размер отверстий возрастает, при малом уменьшается. Выполнение элементов сепарационных модулей в виде правильных призм, преимущественно ромбических, способствует увеличению удельной поверхности элементов. Элементы могут быть выполнены в виде круглых или овальных цилиндров, однако коалесценция капель на таких поверхностях будет несколько хуже.

Размещение элементов в сепарационных модулях так, что ни одна из боковых граней элемента не лежит в вертикальной плоскости, параллельной продольной оси корпуса, обеспечивает пространственную ориентацию элементов, при которой всплывающие вверх капли легкой фазы и опускающиеся вниз капли тяжелой фазы движутся под углом к боковым граням элементов, а не параллельно им. Это имеет важное значение для эффективной коалесценции капель и отвода разделенных фаз из элементов. Расположение элементов в модулях так, что каждый элемент соприкасается с соседним элементом либо гранью, либо ребром, обеспечивает максимальную степень "упаковки" модулей, что повышает суммарную сепарационную поверхность элементов. Размещение элементов в сепарационных модулях таким образом, что продольные оси двух соседних элементов находятся в вертикальной плоскости, параллельной продольной оси корпуса, и наклонены под углом 30 60^о или 120 150^о к горизонтали, обеспечивает отвод разделенных фаз из элементов либо в сторону передней поперечной перегородки (30-60^о), либо в сторону задней поперечной перегородки (120-150^о). Такое размещение элементов способствует улучшению условий расслаивания эмульсии в элементах и отвода разделенных фаз. При угле наклона осей менее 30^о (150^о) затрудняется вывод разделенных фаз из элементов модулей, при угле наклона более 60^о (120^о) ухудшается процесс расслаивания эмульсии из-за удлинения пути всплытия (опускания) капель.

Симметричное расположение элементов верхнего и нижнего сепарационных модулей относительно горизонтальной плоскости, проходящей через продольную ось корпуса, обеспечивает отвод разделенных фаз из элементов верхнего и нижнего модулей либо только в сторону передней поперечной перегородки, либо только в сторону задней поперечной перегородки.

На фиг. 1 показан гравитационный отстойник, продольный разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 гравитационный отстойник, продольный разрез, фрагмент.

Гравитационный отстойник содержит корпус 1, который имеет патрубок 2 для ввода эмульсии, переливной порог 3 для вывода легкой фазы, гидрозатвор 4 для вывода тяжелой фазы, переднюю 5 и заднюю 6 поперечные перегородки, выгнутые в направлении движения эмульсии и разделяющие внутреннее пространство корпуса 1 на ряд камер: входную 7, отстойную 8 и выходную 9. Задняя поперечная перегородка 6 выполнена сплошной. Внутри отстойной камеры 8 имеются верхний 10 и нижний 11 горизонтальные сепарационные модули, которые размещены один над другим так, что между ними образуется горизонтальный пространственный зазор 12. Каждый из модулей 10 и 11 выполнен из идентичных полых наклонных элементов 13, открытых сверху и снизу и установленных параллельно друг другу таким образом, что верхняя 14 и нижняя 15 кромки каждого элемента 13 полностью или частично лежат в соответствующих горизонтальных плоскостях. В зазоре 12 между сепарационными модулями 10 и 11, высоту которого выбирают с учетом толщины эмульсионного слоя, размещены параллельно друг другу межмодульные вертикальные поперечные перегородки 16. В передней поперечной перегородке 5 и каждой межмодульной поперечной перегородке 16 на уровне зазора 12 выполнено по меньшей мере по одному отверстию 17 и 18, через которые осуществляется переток эмульсии из входной камеры 7 в отстойную камеру 8. Центры отверстий 17 и 18, расположенных в одинаковых местах перегородок 5 и 16, лежат на одной прямой линии 19, параллельной продольной оси корпуса 1.

Передняя 5 и задняя 6 поперечные перегородки имеют такую высоту, что их верхние кромки 20 и 21 выступают за верхние кромки 14 элементов 13 верхнего сепарационного модуля 10, а нижние кромки 22 и 23 этих перегородок выступают за нижние кромки 15 элементов 13 нижнего сепарационного модуля 11. Для исключения попадания эмульсии из входной камеры 7 в пространство отстойной камеры 8, расположенное над верхним сепарационным модулем 10, верхняя кромка 20 передней поперечной перегородки 5 расположена выше верхней кромки 24 переливного порога 3 для вывода легкой фазы. Для стабилизации границы раздела фаз в отстойной 8 и выходной 9 камерах и фиксирования положения эмульсионного слоя в отстойной камере 8 верхняя кромка 21 задней поперечной перегородки 6 расположена ниже верхней кромки 24 переливного порога 3. Нижняя кромка 22 передней поперечной перегородки 5 примыкает к днищу 25 корпуса 1, за счет чего исключается попадание эмульсии из входной камеры 7 в пространство отстойной камеры 8, заключенное между днищем 25 и нижними кромками 15 элементов 13 нижнего сепарационного модуля 11. Нижняя кромка 23 задней перегородки 6 образует щель 26 с днищем 25 для вывода осветленной тяжелой фазы из отстойной камеры 8 в выходную камеру 9. Межмодульные поперечные перегородки 16 могут быть выполнены прямыми или для более эффективного распределения эмульсии изогнутыми посредине таким образом, что каждая из них образует двугранный угол α, равный 80-160^о, ребро которого вертикально, а боковые грани симметричны относительно вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось 27 корпуса 1. Вершина его линейного угла обращена преимущественно в сторону передней поперечной перегородки 5.

Для распределения потока эмульсии, поступающего в отстойную камеру 8, отверстия 17 и 18, выполненные соответственно в передней перегородки 5 и в каждой межмодульной перегородке 16 могут быть размещены вблизи одной из боковых стенок 28 и 29 корпуса 1 или вблизи обеих боковых стенок 28 и 29, или посредине перегородок 5 и 16 или посредине перегородок 5, 16 и вблизи боковых стенок 28 и 29 корпуса 1. Преимущественным является положение отверстий 17 и 18 вблизи обеих боковых стенок 28 и 29 корпуса 1.

Каждый элемент 13 сепарационных модулей 10, 11 может быть выполнен в виде правильной пустотелой призмы 33, преимущественно ромбической, имеющей боковые грани 34 и ребра 35. В этом случае при размещении в модулях 10 и 11 необходимо, чтобы ни одна из боковых граней 34 призмы 33 не лежала в вертикальной плоскости, параллельной продольной оси 27 корпуса 1. Тогда при расслаивании эмульсии капли легкой фазы 36 и капли тяжелой фазы 37 будут всплывать или опускаться под углом к граням 34 призмы 33, а не параллельно им, что имеет важное значение для процесса коалесценции. Необходимо, чтобы каждый элемент 13 модулей 10 и 11 соприкасался с соседними элементами 13 либо гранью 34, либо ребром 35.

Для улучшения условий расслаивания и отвода разделенных фаз элементы 13 в сепарационных модулях 10 и 11 могут быть размещены таким образом, что продольные оси 30 двух соседних элементов 13, проходящие каждая через верхний 31 и нижний 32 концы элемента, находятся в вертикальной плоскости, параллельной продольной оси 27 корпуса 1, и наклонены под углом β к горизонтали, равным 30-60^о или 120-150^о. Элементы 13 верхнего и нижнего сепарационного модулей 10 и 11 расположены симметрично относительно горизонтальной плоскости, проходящей через продольную ось 27 корпуса 1. Патрубок 2 для ввода эмульсии установлен в передней стенке 38 корпуса 1, а в задней стенке 39 корпуса размещены патрубок 40 для вывода легкой фазы и патрубок 41 для вывода тяжелой фазы.

Гравитационный отстойник работает следующим образом. Эмульсия через патрубок 2 подается во входную камеру 7, где поток эмульсии разделяется на два потока, один из которых устремляется к боковой стенке 28 корпуса 1, а другой к боковой стенке 29. Через отверстия 17 и 18 в передней поперечной перегородке 5 и межмодульных поперечных перегородках 16 оба потока эмульсии движутся в отстойной камере 8 вдоль межмодульного зазора вблизи боковых стенок 28 и 29 в направлении задней поперечной перегородки 6. Одновременно оба потока растекаются в поперечном направлении от боковых стенок 28 и 29 к продольной оси 27 корпуса 1, заполняя пространство между перегородками 16, из которого эмульсия поступает в наклонные ромбические элементы 13 верхнего 10 и нижнего 11 сепарационных модулей. Процесс расслоения эмульсии, начавшийся при ее поступлении во входную камеру 7, наиболее активно продолжается в отстойной камере 8, где происходит постепенная ламинеризация потоков эмульсии, уже содержащих частично расслоившиеся легкую и тяжелую фазы. При движении внутри наклонных ромбических элементов 13 верхнего сепарационного модуля 10 капли легкой фазы 36 всплывают кверху, скапливаются на верхних наклонных боковых гранях ромбических призм 33, укрупняются и, скользя по граням, концен- трируются в V-образных восходящих каналах, образованных двумя смежными верхними гранями 34, по которым разделенная легкая фаза поднимается к верхним кромкам 14 элементов 13. Разделенная легкая фаза из элементов 13 нижнего сепарационного модуля 11 поступает в виде струй и крупных капель в пространственный межмодульный зазор 12, пересекая который она попадает в элементы 13 верхнего сепарационного модуля 10, объединяется с легкой фазой, образовавшейся в этих элементах, и выводится в основной объем легкой фазы отстойной камеры 8, находящийся над верхним сепарационным модулем 10.

Капли тяжелой фазы 37 при движении внутри ромбических призм 33 нижнего сепарационного модуля 11 оседают на нижних наклонных боковых гранях 34 призм, укрупняются и стекают в V-обазные нисходящие каналы, образованные двумя смежными нижними гранями 34, по которым разделенная тяжелая фаза стекает к нижним кромкам 15 сепарационных элементов 13. Разделенная тяжелая фаза из элементов 13 верхнего сепарационного модуля 10 поступает в виде струй и крупных глобул в межмодульный зазор 12, пересекая который она попадает в элементы нижнего сепарационного модуля 11, соединяется с тяжелой фазой, образовавшейся в этих элементах, и далее выводится в основной объем тяжелой фазы, находящийся под нижним сепарационным модулем 11.

Расслоившаяся легкая фаза, которая поступает в зону над верхним сепарационным модулем 10, перемещается вначале в направлении передней поперечной перегородки 5, а затем в направлении задней перегородки 6, переливается через ее верхнюю кромку 21 и скапливается в верхней части выходной камеры 9. Отсюда легкая фаза, переливаясь через верхнюю кромку 24 порога 3, поступает в патрубок 40 и выводится из корпуса 1.

Аналогично тяжелая фаза, концентрирующаяся под нижним модулем 11, поступает через щель 26 в нижнюю часть выходной камеры 9 и далее через гидрозатвор 4 и патрубок 41 выводится из корпуса 1.

Предлагаемая конструкция отстойника для жидкостно-жидкостных экстракторов в результате улучшения гидроди- намики потоков эмульсии и разделенных фаз при их движении в межмодульном зазоре и сепарационных элементах, а также за счет выбора формы сепарационных элементов и их пространственной ориентации в модулях позволяет, как это показали проведенные испытания, повысить в 1,5-2 раза удельную объемную производительность отстойника.

Использование: для разделения несмешивающихся жидкостей с различными удельными весами. В пространственном зазоре 12 между сепарационными модулями 10 и 11 размещен ряд поперечных вертикальных межмодульных перегородок 16, параллельных друг другу. Отверстие в передней поперечной перегородке 5 выполнено на уровне зазора 12. В каждой межмодульной перегородке 16 выполнено по меньшей мере по одному отверстию. Центры этих отверстий и центр отверстия в передней перегородке 5 лежат на одной прямой линии, параллельной продольной оси корпуса 1 или совпадающей с осью. Задняя поперечная перегородка 6 выполнена сплошной. Верхняя кромка 20 передней поперечной перегородки 5 расположена выше верхней кромки 21 задней поперечной перегородки 6 и верхней кромки 24 переливного порога 3. Межмодульные поперечные перегородки 16 могут быть выполнены прямыми или изогнутыми посередине. В последнем случае каждая перегородка 16 образует двугранный угол, равный 80-160°, ребро которого вертикально, а боковые грани симметричны относительно вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось корпуса 1. Отверстие в передней перегородке 5 и отверстие в каждой межмодульной поперечной перегородке 16 могут быть расположены вблизи одной из боковых стенок корпуса 1 или вблизи обеих боковых стенок корпуса 1, или посередине перегородок 16, или посередине перегородок 16 и вблизи обеих боковых стенок корпуса 1. Элементы сепарационных модулей 10 и 11 могут быть выполнены каждый в виде правильной призмы. 4 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ГРАВИТАЦИОННЫЙ ОТСТОЙНИК ДЛЯ ЖИДКОСТНО-ЖИДКОСТНЫХ ЭКСТРАКТОРОВ, включающий корпус, имеющий патрубок для ввода эмульсии, переливной порог для вывода легкой фазы, гидрозатвор для вывода тяжелой фазы, переднюю и заднюю поперечные перегородки, разделяющие внутреннее пространство корпуса на входную, отстойную и выходную камеры, и по меньшей мере два размещенных в отстойной камере один над другим с зазором сепарационных модуля, каждый из которых выполнен из идентичных полых наклонных элементов, открытых с двух сторон и установленных параллельно друг другу, причем верхние и нижние кромки элементов лежат в горизонтальных плоскостях, передняя поперечная перегородка примыкает нижней кромкой к днищу корпуса и имеет по меньшей мере одно отверстие, посредством которого входная камера сообщена с отстойной камерой, а нижняя кромка задней перегородки образует с днищем корпуса щель, отличающийся тем, что он снабжен рядом размещенных в зазоре между сепарационными модулями поперечных вертикальных межмодульных перегородок, параллельных одна другой, отверстие в передней поперечной перегородке расположено на уровне зазора, в каждой межмодульной перегородке выполнено по меньшей мере по одному отверстию, причем центры этих отверстий и центр отверстия в передней перегородке лежат вблизи одной прямой линии, параллельной продольной оси корпуса или совпадающей с ней, задняя поперечная перегородка выполнена сплошной, а верхняя кромка передней поперечной перегородки расположена выше верхних кромок задней поперечной перегородки и переливного порога для вывода легкой фазы. 2. Отстойник по п. 1, отличающийся тем, что каждая межмодульная поперечная перегородка выполнена изогнутой посредине с образованием двугранного угла 80 160^o, ребро которого вертикально, а боковые грани симметричны относительно вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось корпуса. 3. Отстойник по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что отверстия в передней и в каждой межмодульной поперечной перегородках выполнены вблизи одной из боковых стенок корпуса, или вблизи обеих боковых стенок корпуса, или посредине перегородок, или посредине перегородок и вблизи обеих боковых стенок корпуса. 4. Отстойник по пп. 1 3, отличающийся тем, что каждый элемент сепарационных модулей выполнен в виде правильной призмы, преимущественно ромбической, при этом его боковые грани лежат в плоскостях, не совпадающих с вертикальными плоскостями, параллельными продольной оси корпуса, а каждый элемент соприкасается с соседними элементами гранью или ребром. 5. Отстойник по пп. 1 4, отличающийся тем, что продольные оси двух соседних элементов сепарационных модулей находятся в вертикальной плоскости, параллельной оси корпуса, и наклонены под углом 30 60^o или 120 150^o к горизонтали, при этом элементы верхнего и нижнего сепарационных модулей симметричны относительно горизонтальной плоскости, проходящей через продольную ось корпуса.