ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ЭКСТРАКТОР Российский патент 2015 года по МПК B01D11/04 

Изобретение относится к конструкциям центробежных экстракторов для системы жидкость-жидкость, для применения, преимущественно, в химических, радиохимической, нефтехимической, гидрометаллургической, фармацевтической отраслях промышленности для очистки и разделения трудноразделяемых, агрессивных, радиоактивных, 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, а именно:

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

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

- 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.

Однако при использовании центробежных экстракторов в условиях работы различными экстрагентами и рабочими растворами возникает проблема обеспечения коррозионной стойкости экстрактора, а именно всех частей экстрактора, контактирующих с перерабатываемыми жидкостями. Изготавливаемые экстракторы из нержавеющих или титановых сплавов ограниченно коррозионностойки в кислых рабочих растворах при температурах +5-100°C. В указанном диапазоне температур наибольшую стойкость к растворам кислот, которые являются компонентом кислых рабочих растворов, имеют полимерные материалы, например полиэтилен, полипропилен, фторопласт и некоторые другие, и композитные материалы со связкой на основе вышеуказанных полимеров. Однако в случае их применения при проектировании и строительстве экстракторов требуется учитывать их сравнительно низкие по сравнению с металлическими сплавами конструкционную жесткость и прочность, наличие для некоторых полимеров явления холодной текучести. Данные факторы препятствуют внедрению полимеров при производстве центробежных экстракторов промышленной серии (с диаметром роторов более 125 мм), где особенно требуется обеспечить хорошую балансировку роторов и герметичность аппарата в зоне подведения энергии от привода.

В настоящее время данная задача для экстракторов промышленной серии не решена. При проведении патентных исследований заявителем не были обнаружены технические решения, известные из уровня техники, которые бы обеспечивали применение полимеров и полимерных композитов для изготовления центробежных экстракторов с большим диаметром роторов (более 125 мм).

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 разделению концентрата редкоземельных металлов на индивидуальные элементы для дальнейшего их использования в различных наукоемких отраслях промышленности. Полный цикл разделения предусматривает работу с системой жидкость-жидкость различного химического состава. Применение полимеров и композитов на их основе позволит создать промышленные динамические экстрактора с большей универсальностью по применению. Современные способы переработки полимерных материалов и композитов с полимерной связкой позволяют значительно удешевить изделие по сравнению с его металлическими аналогами, что сделает применение экстракторной техники более доступной в различных отраслях промышленности.

Более конкретно устройство относится к технологии разделения и очистки веществ, в том числе редкоземельных металлов, очистки и разделения радиоактивных, агрессивных, токсичных, взрывоопасных и других вредных для здоровья человека и окружающей среды жидкостей и может быть использовано в химической, гидрометаллургической, фармацевтической и других отраслях промышленности.

Известен центробежный экстрактор (RU 1546096, кл. B01D 11/04, опубл. 10.07.2010), который отличается от предлагаемой конструкции тем, что, хотя двигатель экстрактора также изолирован от перерабатываемой жидкости, силовой элемент, который объединен с ведомой муфтой, передает крутящий момент на ротор экстрактора, но в отличие от предлагаемой модели подвержен воздействию парокапельной составляющей перерабатываемой среды. Герметизация двигателя достигается исключением жесткой связи с ним, что усложняет и резко удорожает конструкцию и при определенных условиях ухудшает управление исполнительным органом.

Известен центробежный экстрактор (RU 2060778, кл. B01D 11/04, опубл. 27.05.1996), который отличается от предлагаемой конструкции тем, что металлические силовые элементы, через которые передается вращающий момент на ротор, не защищены от воздействия перерабатываемой среды.

Известен центробежный экстрактор (RU 96498, кл. B01D 11/04, опубл. 10.08.2010), в котором как и в предлагаемой модели предусмотрена защита двигателя от воздействия перерабатываемой среды. Герметизация двигателя достигается исключением жесткой связи с ним, что усложняет и резко удорожает конструкцию и при определенных условиях ухудшает управление исполнительным органом.

Указанные недостатки известных центробежных экстракторов отсутствуют в заявляемом центробежном экстракторе, конструкция которого обеспечивает в полимерном исполнении высокий уровень балансировки и герметичности. Экстракторы более универсальны по коррозионной стойкости и могут работать со всеми органическими и неорганическими кислотами в диапазоне температур 0-100°C.

Технический результат - повышение герметичности аппарата, при одновременном повышении коррозионной стойкости его деталей к перерабатываемой жидкой среде.

Технический результат достигается центробежным экстрактором, содержащим привод, подшипниковую опору, корпус со смесительной камерой и камерами вывода легкой и тяжелой фаз перерабатываемой жидкой среды, ротор с камерой разделения, транспортирующим устройством, трубками для вывода легкой фазы, гидрозатвором с каналами для отвода тяжелой фазы. Все детали, контактирующие с перерабатываемой средой изготовлены из химически-стойких полимерных материалов, при этом имеется жесткая связь между валом привода и ротором, крутящий момент от вала двигателя передается на нагруженные и силовые полимерные детали изделия, по меньшей мере, через один металлический разгружающий элемент, распределяющий нагрузку по объему полимерной детали. Крышка корпуса является базой для крепления двигателя, также имеет силовой и разгружающий элемент в виде металлического фланца, соединенного с упомянутой крышкой винтовым соединением через ввертные резьбовые втулки и предназначенного для обеспечения постоянства взаимного положения деталей и узлов экстрактора. Все металлические детали экстрактора и заэкстракторное пространство изолированы от агрессивных компонентов перерабатываемой жидкой среды комплексом лабиринтных уплотнений.

Возможность изготовления всех частей экстрактора, контактирующих с перерабатываемой жидкостью, из полимерных материалов позволяет повысить коррозионную стойкость его деталей к перерабатываемой жидкой среде.

Установка между валом привода и ротором, по меньшей мере, одного металлического разгружающего элемента, через который от вала двигателя осуществляется передача крутящего момента на нагруженные полимерные и силовые узлы, - позволяет равномерно распределить нагрузку по объему полимерной части деталей.

Выполнение крышки корпуса с силовым и разгружающим элементом, выполненным в виде металлического фланца, соединенного с крышкой корпуса винтовым соединением через ввертные резьбовые втулки, позволяет обеспечить постоянство взаимного положения деталей и узлов экстрактора.

Выполнение в неподвижной крышке экстрактора и во вращающемся гидрозатворе комплекса лабиринтных уплотнений позволяет изолировать от агрессивных компонентов перерабатываемой среды все металлические детали экстрактора и заэкстракторное пространство, повышая, таким образом, долговечность металлических деталей экстрактора.

Полимерные детали конструкции экстрактора могут быть выполнены из полиэтилена, полипропилена или фторопласта.

На представленном чертеже - иллюстрация конкретного конструктивного исполнения экстрактора и способа его работы.

Центробежный экстрактор содержит: привод - 1; крышку экстрактора с неподвижной частью лабиринтного уплотнения торцевого типа - 2 в сборе с металлическим фланцем двигателя - 2.1; корпус - 15 со смесительной камерой - 18, разделенной на четыре отсека ребрами - 19 и камерами - 17 и 16 вывода легкой и тяжелой фаз, соответственно, патрубками - 22 и 23 вывода легкой и тяжелых фаз соответственно, пробоотборниками - 24 с запирающими кранами - 25, патрубками - 20 и 21 для подачи компонентов эмульсии в смесительную камеру аварийной переливной камерой с сапуном для стравливания избыточного воздуха и с отводным патрубком аварийного перелива - 26; ротор - 5, состоящий из корпуса ротора - 6, разделенного на четыре камеры ребрами - 9, объединенными в одно целое с отражательным диском - 11 и проходным кольцом - 10, трубок - 7 и вкрученными в них регулировочными форсунками - 8 для вывода легкой фазы, гидрозатвора - 3 с подвижной частью лабиринтного уплотнения торцевого и радиального типа в сборе с металлической муфтой - 3.1, разделительной мембраны - 4, транспортирующего устройства - 13, перемешивающего устройства - 14, вала перемешивающего устройства - 12. Фланец двигателя с крышкой экстрактора, а также муфта с гидрозатвором соединены винтами через ввертные резьбовые втулки - 30, имеющие резьбу разного шага - крупный шаг на наружном цилиндре, для вкручивания в полимер и мелкий шаг на внутреннем цилиндре, для ввинчивания соединительных винтов. Комплекс лабиринтных уплотнений, конструктивно выполненный в неподвижной крышке экстрактора и в вращающемся гидрозатворе, обеспечивает герметичность экстрактора и препятствует попаданию агрессивных растворов и их паров в заэкстракторное пространство и на металлические детали изделия. Мембрана и гидрозатвор имеют дополнительный элемент в виде несъемной торцевой шпонки, служащий как для передачи момента с гидрозатвора на мембрану, так и для блокировки их взаимного окружного смещения.

Работа заявляемого центробежного экстрактора осуществляется следующим образом.

Подключают к питающей электросети двигатель, вал которого начинает вращаться, приводя во вращение гидрозатвор через силовой элемент - металлическую муфту, выполняющую функции распределения нагрузки по объему гидрозатвора и снижения напряжений в теле полимерной детали. От массивного полимерного гидрозатвора вращающий момент передается на тонкостенный корпус ротора вместе с разделительной мембраной и на ротор в целом.

После набора ротором заданного числа оборотов исходный перерабатываемый раствор через патрубок - 20, а экстрагент через патрубок - 21 подают в смесительную камеру - 18, где они перемешиваются мешалкой - 14, соединенной с валом ротора - 12.

Размещенные в камере 18 ребра 19 препятствуют закручиванию жидкостей в процессе смешивания. Образовавшаяся эмульсия лопастным транспортирующим устройством 13 транспортируется в ротор 5. Под действием центробежной силы в корпусе ротора 6 эмульсия расслаивается на легкую и тяжелую фазы, при этом ребра 9 в сборе с отражательным диском препятствуют закручиванию эмульсии внутри ротора. Легкая фаза движется вверх в центральной части ротора в то время, как тяжелая фаза, отбрасываемая центробежной силой, движется по внутренней стенке ротора вверх. Легкая фаза достигает уровня форсунок 8, отрегулированных по границе разделения фаз, и так как входные отверстия форсунок находятся в зоне движения легкой фазы в центральной зоне ротора, последняя, переливаясь в форсунки, выводится из ротора в камеру 17, откуда по патрубку 22 удаляется из центробежного экстрактора. Одновременно с этим тяжелая фаза, двигаясь по внутренней стенке ротора, доходит до мембраны 4 и через отверстия в ней поступает в полость гидрозатвора. Тяжелая фаза движется к переливу гидрозатвора и далее, пройдя через радиальные отверстия гидрозатвора, поступает в камеру для тяжелой фазы 16 откуда по патрубку 23 удаляется из экстрактора. Пробоотборники 24 с запирающими кранами 25, конструктивно объединенные для повышения жесткости узла с патрубками 22 и 23 служат для контроля качества работы экстрактора без остановки технологического процесса разделения. Лабиринтное уплотнение, образованное гидрозатвором и крышкой экстрактора, препятствует попаданию жидкой, каплеобразной и паровой среды в заэкстракторное пространство.

Из приведенного выше описания изобретения в статике (см. чертеж) и в работе следует, что в заявляемом центробежном экстракторе все нагрузки в полимерных материалах являются распределенными по объему детали. Лабиринтное уплотнение предотвращает проникновение агрессивных рабочих компонентов из рабочих камер к металлическим деталям, резьбовым втулкам и в заэкстракторное пространство.

Таким образом, в конструкции заявляемого аппарата предусмотрено все, чтобы при использовании в промышленном производстве достичь желаемого результата - обеспечить возможность использования полимерных материалов, а также композитных материалов на основе полимеров, в качестве материала для изготовления как ротора и корпуса экстрактора в целом, так и отдельных узлов изделия, при условии введения конструктивных элементов, разгружающих полимерные детали, что дает возможность сделать экстракторы более универсальными по коррозионной стойкости, а также удешевить их производство.

Изобретение может быть использовано в промышленности, так как оно 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 - обеспечение применимости полимерных и композиционных полимерных материалов при изготовлении экстракторов промышленной серии за счет технических решений, позволяющих снизить напряжение в полимерном материале и повысить его конструкционную жесткость.

Изобретение относится к конструкциям центробежных экстракторов для системы жидкость-жидкость для применения, преимущественно, в химической, радиохимической, нефтехимической, гидрометаллургической, фармацевтической отраслях промышленности для очистки и разделения трудноразделяемых, агрессивных, радиоактивных, токсичных, взрывоопасных, пожароопасных и других вредных для здоровья человека и окружающей среды жидкостей. Центробежный экстрактор содержит привод, подшипниковую опору, корпус со смесительной камерой и камерами вывода легкой и тяжелой фаз перерабатываемой жидкой среды, ротор с камерой разделения, транспортирующим устройством, трубками для вывода легкой фазы, гидрозатвором с каналами для отвода тяжелой фазы. Все детали, контактирующие с перерабатываемой средой, изготовлены из химически-стойких полимерных материалов, при этом имеется жесткая связь между валом привода и ротором. Крутящий момент от вала двигателя передается на нагруженные и силовые полимерные детали изделия, по меньшей мере, через один металлический разгружающий элемент, распределяющий нагрузку по объему полимерной детали. Крышка корпуса, являющаяся базой для крепления двигателя, также имеет силовой и разгружающий элемент в виде металлического фланца, соединенного с крышкой винтовым соединением через ввертные резьбовые втулки и предназначенного для обеспечения постоянства взаимного положения деталей и узлов экстрактора. При этом все металлические детали экстрактора и заэкстракторное пространство изолированы от агрессивных компонентов перерабатываемой жидкой среды комплексом лабиринтных уплотнений. Техническим результатом является повышение герметичности аппарата при одновременном повышении коррозионной стойкости его деталей к перерабатываемой жидкой среде. 1 ил.

Центробежный экстрактор, содержащий привод, подшипниковую опору, корпус со смесительной камерой и камерами вывода легкой и тяжелой фаз перерабатываемой жидкой среды, ротор с камерой разделения, транспортирующим устройством, трубками для вывода легкой фазы, гидрозатвором с каналами для отвода тяжелой фазы, отличающийся тем, что все детали, контактирующие с перерабатываемой средой, изготовлены из химически-стойких полимерных материалов, при этом имеется жесткая связь между валом привода и ротором, крутящий момент от вала двигателя передается на нагруженные и силовые полимерные детали изделия, по меньшей мере, через один металлический разгружающий элемент, распределяющий нагрузку по объему полимерной детали, крышка корпуса, являющаяся базой для крепления двигателя, также имеет силовой и разгружающий элемент в виде металлического фланца, соединенного с упомянутой крышкой винтовым соединением через ввертные резьбовые втулки и предназначенного для обеспечения постоянства взаимного положения деталей и узлов экстрактора, при этом все металлические детали экстрактора и заэкстракторное пространство изолированы от агрессивных компонентов перерабатываемой жидкой среды комплексом лабиринтных уплотнений.