ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ЭКСТРАКТОР Российский патент 2010 года по МПК B01D11/04 

Изобретение относится к конструкциям центробежных экстракторов для системы жидкость-жидкость, для применения, преимущественно, в радиохимических производствах, однако может быть успешно использовано в химической, нефтехимической, гидрометаллургической, фармацевтической и других отраслях промышленности для очистки и разделения радиоактивных, агрессивных, токсичных, взрывоопасных, пожароопасных и других вредных для здоровья человека и окружающей среды жидкостей.

Известно, что наиболее выгодно и целесообразно применять центробежные экстракторы там, где они имеют решающие преимущества перед другими экстракционными аппаратами, то есть

- для процессов, требующих малого времени контакта фаз из-за разрушающего действия радиоактивности на экстрагент или изменения свойств растворов во времени;

- для процессов, требующих ограничения объема жидкостей, например, из-за ядерной и токсической опасности жидких сред, взрыво- и пожароопасности экстрагента;

- для процессов, в которых используются вязкие и малоотличающиеся по плотности жидкости, склонные к образованию стойких эмульсий;

- для процессов, в которых надо реализовать разницу в скорости экстракции элементов для увеличения их коэффициентов разделения.

Однако при использовании центробежных экстракторов в условиях работы с радиоактивными, агрессивными, токсичными и другими опасными жидкостями возникает проблема обеспечения герметичности экстракторов, а именно их корпусов, где происходит собственно сам массообменный процесс. Осуществление высокоэффективного массообменного процесса разделения контактирующих фаз в центробежном поле требует подведения энергии извне к взаимодействующим в них жидкостям. Для этого необходимо оснащать центробежный экстрактор электродвигателем, приводящим во вращение ротор, расположенный в корпусе экстрактора и обеспечивающий разделение жидкостей. А если разделяемые жидкости являются радиоактивными, агрессивными, токсичными, взрывоопасными и т.д., то требуется дистанционное обслуживание экстракторов, например, с помощью различных манипуляторов или роботов и химически и радиационно-стойких электродвигателей, либо с помощью защитной пробки, в которой размещают стандартный электродвигатель. Однако в этом случае необходимы не только сложные уплотнения подшипникового узла, но и обеспечивающие постоянную герметичность в месте соединения электродвигателя (или вала привода) с ротором экстрактора.

В настоящее время данная задача не решена. При проведении патентных исследований заявителем не были обнаружены технические решения, известные из уровня техники, которые бы обеспечивали абсолютную герметичность центробежных экстракторов, предназначенных для очистки и разделения жидких сред, выход которых из аппарата в окружающее пространство недопустим.

Из изложенного выше следует, что решение указанной задачи имеет большую значимость. Необходимость решения задачи важна и потому, что в настоящее время проводятся большие научно-исследовательские работы по совершенствованию технологии переработки облученного уран-плутониевого топлива с целью его регенерации и приготовления МОХ-топлива для дальнейшего использования его в ядерных реакторах. В этой технологии предусматривается и экстракционный передел. Но так как облученный плутоний не только высокоактивен, но и высокотоксичен, то вопрос создания специальных герметичных центробежных экстракторов является весьма актуальным.

Специалистами ОАО «СвердНИИхиммаш» такой экстрактор создан и является объектом патентной защиты по данному изобретению.

Но сначала рассмотрим и проанализируем аналоги заявляемого центробежного экстрактора.

Известен центробежный экстрактор (см. авт. свид. СССР №1546096, кл. B01D 11/04, 1987), включающий привод, опору (подшипниковую опору с подшипниками качения, снабженную уплотнением), вал, соединенный с валом привода, корпус со смесительной камерой и камерами вывода фаз, конический ротор с камерой разделения, транспортирующим устройством, гидрозатвором, трубками для вывода легкой фазы и крышкой, при этом гидрозатвор выполнен в виде кольца и обечайки, жестко закрепленных, соответственно, на валу и опоре, причем обечайка размещена между кольцом и крышкой ротора. Известный экстрактор «может найти применение в гидрометаллургической, … пищевой и других отраслях промышленности для осветления суспензий». При этом конструкция данного экстрактора действительно «позволяет избежать накопления осадка в роторе за счет тщательного поддержания расхода тяжелой фазы на заданном уровне и повысить производительность аппарата».

Однако в радиохимической отрасли промышленности такой реактор не может быть применим, так как с помощью этого экстрактора решить задачу обеспечения герметичности корпуса аппарата и исключения протечек жидких радиоактивных, токсичных, агрессивных и других вредных жидких сред из ротора не удается, так как в его конструкции отсутствуют элементы, предотвращающие эти протечки. Материал уплотнений быстро разрушается под воздействием жидких радиоактивных сред и, особенно, при высоких скоростях вращения ротора центробежного экстрактора, так необходимых для осуществления высокоэффективного массообменного процесса. В конечном результате тяжелая фаза, поступающая в гидрозатвор переливается не только в камеру 3 сбора тяжелой фазы, но и через разрушенное уплотнение протекает в окружающее центробежный экстрактор пространство, что не отвечает требованиям радиационной безопасности и недопустимо в реальных условиях производства.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является известный центробежный экстрактор (см. кн. Кузнецова Г.И., Пушкова А.А., Косогорова А.В. «Центробежные экстракторы ЦЭНТРЭК», РХТУ им. Д.И. Менделеева. - М., 2000 г., с.47, рис.1.29), принятый в качестве прототипа. Экстрактор содержит привод, опору (подшипниковую опору с подшипниками качения, оснащенную уплотнением), корпус со смесительной камерой и камерами вывода фаз, конический ротор с камерой разделения, транспортирующим устройством, гидрозатвором, трубками для вывода легкой фазы и крышкой.

Данный известный аппарат обладает теми же недостатками, что и предыдущий, так как их конструкции идентичны. Отличия только в том, что поверхности гидрозатвора экстрактора по авт. свид. СССР №1546096 выполнены коническими, а в техническом решении, принятом за прототип, аналогичные поверхности расположены горизонтально. И так же, как в ранее описанном известном решении уплотнение в месте соединения крышки ротора через подшипники качения с валом привода будет разрушаться под воздействием радиоактивных, агрессивных или токсичных жидкостей и высоких скоростей вращения ротора экстрактора, что обусловит истечение через разрушенное уплотнение в окружающее центробежный экстрактор пространство опасных веществ, что по условиям эксплуатации недопустимо.

Указанные недостатки известных центробежных экстракторов отсутствуют в заявляемом центробежном экстракторе, конструкция которого обеспечивает абсолютную герметичность, что, естественно, исключает протечки из аппарата опасных для человека и окружающей среды жидкостей.

Заявляемый центробежный экстрактор, как и прототип, содержит привод, подшипниковую опору, корпус со смесительной камерой и камерами вывода фаз, ротор с камерой разделения, транспортирующим устройством, гидрозатвором, трубками для вывода легкой фазы.

Центробежный экстрактор отличается тем, что он снабжен магнитной муфтой, ведущая полумуфта которой закреплена на валу привода, ведомая полумуфта жестко соединена с ротором, и между полумуфтами размещена герметизирующая перегородка-экран, соединенная с корпусом жестко, а с ротором - через один из подшипников скольжения подшипниковой опоры, при этом второй подшипник подшипниковой опоры сопряжен с низом ротора, а полость гидрозатвора сообщена с зазором между герметизирующей перегородкой-экраном и ведомой полумуфтой.

Заявленное изобретение соответствует всем критериям патентоспособности. Оно является новым, так как оно неизвестно из уровня техники (см. описанные выше аналоги).

Изобретение промышленно применимо, так как оно может быть использовано в промышленности. Заявляемое изобретение характеризуется конкретными конструктивными признаками, каждый из которых воспроизводим и не противоречит применению центробежного экстрактора в промышленных условиях. Вся совокупность существенных признаков изобретения и каждый признак в отдельности направлен на достижение ожидаемого технического результата - абсолютной герметичности экстрактора, исключающей протечки опасных жидкостей, участвующих в процессе экстракции.

Изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень», так как для специалиста оно явным образом не следует из уровня техники. Более того, в настоящее время существует большая потребность в абсолютно герметичных центробежных экстракторах для переработки накопившегося в радиохимических производствах облученного ядерного топлива, в котором присутствуют уран, плутоний, нептуний, технеций, протечки которого из аппарата категорически недопустимы и по условиям безопасности, и в связи с тем указанные продукты являются учитываемыми.

На представленном чертеже - иллюстрация конкретного конструктивного исполнения заявляемого изобретения.

Центробежный экстрактор содержит привод 1, подшипниковую опору с подшипниками скольжения 2 и 3, корпус 4 со смесительной камерой 5 и камерами 6 и 7 вывода, соответственно, легкой и тяжелой фаз, ротор 8 с камерой 9 разделения, трубками 10 для вывода легкой фазы, транспортирующим устройством 11, например шнеком, гидрозатвором, образованным крышкой 12 ротора 8 и диском 13 с отверстиями 14. В полости гидрозатвора размещен активатор 15. Внутренние поверхности крышки 12 снабжены скребками 16 и 17, диск 13 - скребком 18.

Экстрактор снабжен магнитной муфтой, ведущая полумуфта 19 которой закреплена на валу привода 1, ведомая полумуфта 20 жестко связана с ротором 8 через его крышку 12, и между полумуфтами 19 и 20 размещена герметизирующая перегородка-экран, состоящая из фланца 21, тонкостенной обечайки 22 и дна 23. Герметизирующая перегородка-экран жестко соединена с корпусом 4 благодаря соединению фланца 21 с фланцем 24 корпуса 4. Герметизирующая перегородка-экран соединена и с ротором 8 через подшипник скольжения 2, подвижная втулка 25 которого сопряжена с крышкой 12, а неподвижная втулка 26 сопряжена с дном 23 перегородки-экрана. Второй подшипник скольжения 3 через свою подвижную втулку 27 сопряжен с низом ротора 8, а через неподвижную втулку 28 - с ребрами 29, расположенными на стенке смесительной камеры 5. В роторе 8 расположена крестовина 30. Полость гидрозатвора сообщена с зазором 31 между тонкостенной обечайкой 22 герметизирующей перегородки-экрана.

Смесительная камера 5 с мешалкой 32 расположена в нижней части корпуса 4 в непосредственной близости от патрубков 33 и 34 ввода исходных жидкостей. Для вывода получаемых в результате экстракции легкой и тяжелой фаз из камер 6 и 7 служат патрубки 35 и 36.

Работа заявляемого центробежного экстрактора осуществляется следующим образом.

Подключают к питающей электросети двигатель, вал привода начинает вращаться, приводя во вращение ведущую полумуфту 19, передающую момент вращения ведомой полумуфте 20 через тонкостенную обечайку 22. Ротор 8 начинает вращаться, так как он жестко соединен с ведомой полумуфтой 20 через крышку 12.

После набора ротором 8 заданного числа оборотов исходный перерабатываемый раствор через патрубок 33, а экстрагент через патрубок 34 подают в смесительную камеру 5, где они перемешиваются мешалкой 32, соединенной с низом ротора 8.

Размещенные в камере 5 ребра 29 препятствуют закручиванию жидкостей в центральной части камеры 5 в процессе смешивания. Образовавшаяся эмульсия шнеком 11 транспортируется в ротор 8. Под действием центробежной силы в роторе 8 эмульсия расслаивается в крестовине 30 на легкую и тяжелую фазы. Легкая фаза движется вверх в центральной части ротора 8 в то время, как тяжелая фаза, отбрасываемая центробежной силой, движется по внутренней стенке ротора 8 вверх. Легкая фаза достигает уровня трубок 10 по высоте аппарата, и так как входные отверстия их находятся в зоне движения легкой фазы в центре ротора 8, то она, переливаясь в трубки 10, выводится из ротора 8 в камеру 6, откуда по патрубку 35 легкая фаза удаляется из центробежного экстрактора. Одновременно с этим тяжелая фаза, двигаясь по внутренней стенке ротора 8, доходит до диска 13 и через отверстия 14 в нем поступает в полость гидрозатвора. Под воздействием активатора 15 тяжелая фаза движется к переливу 37 и далее, пройдя через зазоры 38, проточки 39 в подшипнике 2 и зазор 40, поступает в зазор 31 между тонкостенной обечайкой 22 герметизирующей перегородки-экрана и ведомой полумуфтой 20. Дальнейшему движению тяжелой фазы вверх мешает фланец 21 герметизирующей перегородки-экрана, и она, вынужденная изменить направление движения на противоположное, переливается в камеру 7 вывода тяжелой фазы, откуда по патрубку 36 удаляется из центробежного экстрактора. Исключение забивки тяжелой фазой пространства в верхней части ротора 8 осуществляется с помощью скребков 16, 17 и 18.

Из приведенного выше описания изобретения в статике (см. чертеж) и в работе следует, что в заявляемом центробежном экстракторе отсутствует даже малейшая возможность протечек. Герметизирующая перегородка-экран предотвращает проникновение жидкостей из корпуса к месту уплотнения соединения магнитной муфты с валом привода. Магнитная муфта с герметизирующей перегородкой-экраном и с разнесенными в определенные места подшипниками скольжения 2 и 3, а также взаимосвязи перечисленных признаков с признаками из ограничительной части формулы изобретения выполняют не только присущие им функции обеспечения вращения и осуществления процесса экстракции, но и создают абсолютную герметичность в аппарате.

Кроме того, для нормальной работы подшипников скольжения необходимы смазка и охлаждение их. В заявляемом экстракторе эта проблема решена: для верхнего подшипника скольжения используется поток тяжелой фазы, а для нижнего подшипника скольжения - образовавшаяся при смешивании эмульсия. В итоге получается, что нет необходимости использовать какую-либо специальную смазку для подшипников, а значит и нет опасности взаимозагрязнения перерабатываемых жидкостей и сред, используемых для обеспечения эксплуатации аппарата.

Таким образом, в конструкции заявляемого аппарата предусмотрено все, чтобы при использовании в промышленном производстве достичь желаемого результата - абсолютной герметичности его, при которой исключаются протечки участвующих в процессе жидкостей из экстрактора в окружающую среду, а также невозможно попадание в экстрактор нежелательных примесей извне при работе с особо чистыми жидкостями.

Изобретение относится к технологии очистки и разделения радиоактивных, агрессивных, токсичных, взрывоопасных и других вредных для здоровья человека и окружающей среды жидкостей и может быть использовано в радиохимических производствах, химической, гидрометаллургической, фармацевтической и других отраслях промышленности. Экстрактор содержит привод, подшипниковую опору, корпус со смесительной камерой и камерами вывода фаз, ротор с камерой разделения, транспортирующим устройством, гидрозатвором, трубками для вывода легкой фазы. Экстрактор также снабжен магнитной муфтой, ведущая полумуфта которой закреплена на валу привода, ведомая полумуфта жестко соединена с ротором. Между полумуфтами размещена герметизирующая перегородка-экран, соединенная с корпусом жестко, а с ротором - через один из подшипников скольжения подшипниковой опоры, при этом второй подшипник подшипниковой опоры сопряжен с низом ротора. Полость гидрозатвора сообщена с зазором между герметизирующей перегородкой-экраном и ведомой полумуфтой. Технический результат: герметичность аппарата, исключение протечек из аппарата опасных жидкостей, исключение попадания в аппарат нежелательных примесей извне при работе с особо чистыми жидкостями. 1 ил.

Центробежный экстрактор, содержащий привод, подшипниковую опору, корпус со смесительной камерой и камерами вывода фаз, ротор с камерой разделения, транспортирующим устройством, гидрозатвором, трубками для вывода легкой фазы, отличающийся тем, что экстрактор снабжен магнитной муфтой, ведущая полумуфта которой закреплена на валу привода, ведомая полумуфта жестко соединена с ротором, и между полумуфтами размещена герметизирующая перегородка-экран, соединенная с корпусом жестко, а с ротором - через один из подшипников скольжения подшипниковой опоры, при этом второй подшипник подшипниковой опоры сопряжен с низом ротора, а полость гидрозатвора сообщена с зазором между герметизирующей перегородкой-экраном и ведомой полумуфтой.