ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ЭКСТРАКТОР Российский патент 2023 года по МПК B01D11/04 

Изобретение относится к области экстракционного оборудования, а именно к конструкции центробежного экстрактора для очистки и разделения радиоактивных, агрессивных, токсичных, взрывоопасных и других вредных для здоровья человека и окружающей среды жидкостей и может быть использовано в радиохимической, химической, гидрометаллургической, фармацевтической и других отраслях промышленности.

В технологии разделения редкоземельных элементов, а также при гидрометаллургической переработке отработавшего ядерного топлива наиболее зарекомендовал себя экстракционный способ в системе жидкость-жидкость. Центробежные экстракторы являются одним из перспективных типов оборудования с высокой интенсификацией процесса, высокой производительностью, минимальным объемом экстрактора и, как следствие, снижением объема использования дорогостоящих экстрагентов.

Известен центробежный экстрактор по авторскому свидетельству СССР №261371, МПК B01j, опубл. 13.01.1970, состоящий из вращающегося корпуса с горизонтальными и вертикальными перегородками, разделяющими его на смесительную камеру, гидрозатвор и камеру расслаивания, неподвижного центрального вала с мешалкой и каналом для ввода исходных жидкостей и трубок для отбора легкой и тяжелой фаз, причем трубки установлены в камерах для отбора фаз, отделенных от камеры расслаивания и гидрозатвора перегородками с центральными отверстиями.

Недостатком данного экстрактора является отсутствие возможности регулировки гидрозатвора в процессе эксплуатации, что ограничивает его использование под широкий спектр экстракционных смесей с различными соотношениями плотностей легких и тяжелых фаз и приводит к необходимости его рассчитывать на этапе проектирования под конкретную экстракционную смесь. К другим недостаткам конструкции этого центробежного экстрактора относится крепление его корпуса к основанию вала и крышке через торцевые уплотнительные прокладки с помощью болтовых соединений. Процесс обтяжки торцевого уплотнения является трудоемким и требует применения дополнительной оснастки, такой, как индикатор часового типа, для регулировки значения осевого биения корпуса. Используемые торцевые уплотнения из полиэтилена или фторопласта-4 являются жесткими (не упругими) прокладочными материалами и не могут быть использованы повторно.

Кроме того, болтовые соединения подвержены самораскручиванию от вращения корпуса, что может приводить к течи из-под прокладки. Недостатком конструкции также является сложность регулировки биения корпуса за счет подтягивания болтовых соединений на основании вала.

Известен также малогабаритный многоступенчатый центробежный экстрактор, приведенный в статье Кузнецова Г.И. в сборнике «Центробежные экстракторы», ЦЭНТРЭК, П. А. К. А. под ред. Кузнецова Г.И., Москва: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2000, с. 214., включающий вращающийся корпус с размещенными в нем вращающимися секциями, в которых происходит смешение и разделение и вывод фаз из секции. Соединительные трубки распределителя служат для передачи жидкости между секциями. Вращение секций осуществляется с помощью электродвигателя, дистанционно заменяемого в случае необходимости. Съемный кожух защищает электродвигатель от попадания на него агрессивных жидкостей. Рабочая зона электродвигателя отделена от зоны экстрактора герметичной перегородкой. Редуктор электродвигателя помещен в ванну, масло в которой через штуцер может быть также заменено дистационно. В данном экстракторе применены нержавеющие подшипники, в качестве основного конструкционного материала использована хромникелевая сталь, в качестве прокладочного материала - полиэтилен. Экстрактор работает следующим образом. Через центральное отверстие распределителя жидкости поступают в смесительную камеру вращающегося корпуса, где перемешиваются мешалкой. Через отверстия в перегородке полученная эмульсия с помощью отбойника направляется в камеру разделения. Тяжелая фаза движется к периферии вращающегося корпуса и по каналам поступает в гидрозатвор. Через центральное отверстие в перегородке, размер которого определяет уровень жидкости в гидрозатворе, тяжелая фаза поступает в камеру отбора тяжелой фазы. Легкая фаза из камеры разделения через отверстия в перегородке поступает в другую камеру отбора. С целью предотвращения попадания тяжелой фазы в легкую камеры отбора разделены устройством, которое состоит из неподвижной шайбы, закрепленной на распределителе, и шайбы, выполненой единой деталью с вращающимся корпусом экстрактора. Из камеры отбора тяжелая и легкая фазы отбираются с помощью соответствующих трубок и выводятся по кольцевым каналам распределителя аппарата.

Главным недостатком данного центробежного экстрактора является его болтовая конструкция крепления корпуса к валу и крышке, что, в свою очередь, при выходе из строя уплотнительных прокладок, приводит к необходимости предварительной дезактивации оборудования в случае использования экстрактора в радиохимической промышленности. К другим недостаткам конструкции центробежного экстрактора можно отнести крепление корпуса к основанию вала и крышке через прокладки с помощью болтовых соединений, которые подвержены самораскручиванию при вращении корпуса, что, как следствие, приводит к течам уплотнительных прокладок. Особенно необходимо отметить такой недостаток, как затраты времени на технологическую переборку экстрактора в условиях радиационного излучения, когда требуется максимально снизить время контакта персонала с источниками ионизирующего излучения.

Наиболее близкой по технической сущности к предложенному заявителем является конструкция центробежного экстрактора по патенту РФ на изобретение №2670234, МПК B01D 11/04, опубл. 19.10.2018 г., принятая за прототип, содержащая корпус с камерой смешивания с мешалкой, камерой разделения в виде ротора, лопастным транспортным устройством, приводом. Камера смешивания снабжена патрубками ввода и отвода легкой и тяжелой фаз соответственно. Камера разделения оснащена насадкой из гофрированной сетки, уложенной слоями в противофазе гофр, высота каждой из которых составляет 1,5-6,0 мм, причем высота насадки составляет 1/4-2/3 высоты камеры разделения. В верхней части камеры разделения размещен стабилизатор скорости тяжелой фазы в форме цилиндра. Регулирование работы экстрактора осуществляется за счет замены вкручивающихся трубок вывода легкой фазы, которые по сути выполняют функцию гидрозатвора. Заявленный технический результат от использования данного экстрактора - увеличение его производительности при уменьшении взаимного эмульсионного уноса фаз.

Основной недостаток известного центробежного экстрактора заключается в низком качестве разделения и взаимном уносе фаз при работе с жидкостями, имеющими незначительную разницу в плотностях, так как величины слоев легкой и тяжелой фаз в камере разделения вибрируют из-за колебаний отборных трубок легкой фазы при вращении ротора. В связи с этим конструкция центробежного экстрактора не обладает универсальностью, поскольку не может без существенной перенастройки обеспечить работу широкого спектра экстракционных систем с близкими по величине плотностями жидкостей. К другим недостаткам можно отнести необходимость использования дополнительного насосного оборудования, поскольку конструкция экстрактора позволяет перекачивать легкую и тяжелую фазы исключительно за счет перепада высот и на небольшие расстояния.

Изобретение решает задачу создания центробежного экстрактора, пригодного как для проведения исследовательских задач, так и для производственных процессов при переориентации производства под другую продукцию, с универсальной конструкцией, позволяющей оперативно отрегулировать центробежный экстрактор с использованием быстроразъемных соединений и сменного гидрозатвора для использования широкого диапазона экстракционных смесей с разными соотношениями плотностей легкой и тяжелой фаз, а также сократить унос экстракционной смеси в парогазовую фазу за пределы рабочей зоны экстракционного аппарата.

Техническим результатом от использования заявленного изобретения является универсальность заявленного центробежного экстрактора для работы в широком диапазоне разницы плотностей разделяемых жидкостей, облегчение регулировки работы аппарата благодаря безболтовой конструкции крепления корпуса к основанию вала и крышке, что особенно важно в условиях радиационного излучения, а также сокращение уноса экстракционной смеси в парогазовую фазу за пределы экстрактора.

Технический результат от использования заявленного центробежного экстрактора, содержащего корпус с камерой смешивания, образованной вертикальными (отражающими) перегородками, и мешалкой, камеру разделения, патрубки ввода и отвода легкой и тяжелой фаз, достигается тем, что корпус экстрактора выполнен вращающимся, установлен на валу электропривода и снабжен горизонтальными перегородками и крышкой с образованием камер отбора легкой и тяжелой фаз, в корпусе размещен неподвижный распределитель с установленной в его нижней части мешалкой, внутри которого выполнены каналы, связанные с патрубками ввода и вывода легкой и тяжелой фаз, при этом верхняя горизонтальная перегородка (гидрозатвор) выполнена в виде сменного элемента, прижимаемого крышкой и уплотняемого прокладкой.

Кроме того, крепления корпуса с валом электропривода и крышкой выполнены в виде безболтовых быстроразъемных соединений с по меньшей мере двумя замками для каждого крепления, герметичность корпуса в местах соединения с валом и крышкой обеспечена радиальным уплотнением поршневого типа с кольцевыми уплотнениями, а в верхней своей части крышка корпуса оснащена лабиринтным уплотнением, расположенным в месте соприкосновения с неподвижным распределителем.

Предложенная конструкция центробежного экстрактора обеспечивает безболтовое быстросъемное соединение корпуса экстрактора с основанием вала и крышкой с обеспечением их герметичности радиальным уплотнением, позволяющее исключить радиальное биение корпуса экстрактора и избежать дополнительной его регулировки, выполнение гидрозатвора сменным позволяет сделать экстрактор универсальным для использования с широким диапазоном экстракционных смесей с различными соотношениями плотностей, а конструкция крышки с лабиринтным уплотнением распределителя препятствует уносу легколетучих парогазовых смесей за пределы рабочей зоны корпуса экстракционного аппарата.

В отличие от прототипа, в котором вывод легкой фазы осуществляется через трубку из камеры разделения, заявленный экстрактор имеет раздельную конструкцию, включающую, помимо камеры разделения, две камеры отбора, а вывод фаз осуществляется через распределитель.

Изобретение поясняется чертежами, на которых показаны: на фиг. 1 - заявленный центробежный экстрактор (общий вид); на фиг. 2 - то же, в разрезе; на фиг. 3 - конструкция гидрозатвора (в разрезе), на фиг. 4 - конструкция крышки с лабиринтным уплотнением (в разрезе).

На представленных чертежах схематично изображен заявленный центробежный экстрактор с видом сбоку (фиг. 1) и в разрезе (фиг. 2), который содержит вращающийся корпус 1, установленный на валу 2 электропривода (на чертежах не показан), и неподвижный распределитель 12. Корпус 1 включает горизонтальные перегородки 3, 4 и крышку 5 и вертикальные перегородки 6 с расположенной между ними камерой. Тем самым, благодаря этим перегородкам, образуются камера смешения 7, камера разделения 8, камера отбора легкой 9 и тяжелой 10 фазы. Таким образом, корпус 1 вместе с горизонтальными 3, 4 и вертикальными 6 перегородками, крышкой 5, камерами отбора легкой 9 и тяжелой 10 фазы представляет собой составной элемент, являющийся ротором, который вращается благодаря плотному соединению с валом 2. Функция ротора состоит в смешении и разделении фаз и вывод разделенных фаз в отборные камеры. При этом горизонтальная перегородка 4, представляющая собой гидрозатвор (далее гидрозатвор 4), выполнена в виде сменного элемента типа шайбы, прижимаемого крышкой 5 и уплотняемого прокладкой 11 (как показано на фиг.3), и предназначена для регулирования работы ротора в различном диапазоне соотношений легкой и тяжелой фазы.

Принцип действия гидрозатвора 4 заключается в следующем. Под действием центробежных сил от вращающегося ротора в вертикальной плоскости в камере разделения 8 образуется граница раздела легкой и тяжелой фаз. Радиус ее образования регулируется с помощью гидрозатвора, который осуществляет предотвращение перетекания тяжелой фазы до тех пор, пока в роторе не образуется такое давление со стороны как легкой, так и тяжелой фазы, чтобы преодолеть обратное давление столба жидкости от гидрозатвора 4, после чего тяжелая фаза перетекает в камеру 10 отбора тяжелой фазы. Таким образом, гидрозатвор 4 заявленного экстрактора является элементом, обеспечивающим требуемый радиус границы раздела фаз при изменении соотношения плотностей легкой и тяжелой фазы в силу изменения давлений, оказываемых фазами.

Как уже упоминалось, внутри камеры 1 установлен неподвижный (статичный) распределитель 12, в нижней части которого закреплена мешалка 13.

Распределитель 12 выполнен в виде трех трубок, размещенных одна в другой, например, с помощью сварки. При этом образуются три канала (как показано на фиг. 2): центральный канал 14, канал 15 между центральной и средней трубкой для вывода легкой фазы и внешняя трубка с каналом 16 для вывода тяжелой фазы. Между этими каналами никакой связи нет, они полностью герметичны и подсоединены к соответствующим трубкам ввода, отбора и вывода.

Мешалка 13 конструктивно является съемным элементом и установлена на распределителе 12, например, с помощью резьбового соединения. При этом мешалка 13 имеет соединение с центральным каналом 14 распределителя 12 для ввода фаз в камеру смешения 7, а элементы 17, размещенные в нижней части мешалки 13, предназначены для перемешивания фаз при вращении ротора.

Через трубки 18 и 19, приваренные к трубке с центральным каналом 14, проходящим внутри распределителя 12, осуществляется ввод в экстрактор легкой и тяжелой фазы (исходных жидкостей), соответственно, которые далее по каналу в мешалке 13 попадают в камеру смешения 7, а затем после разделения в камере 8 разделенные фазы поступают в соответствующие камеру легкой 9 и тяжелой 10 фазы. Вывод легкой и тяжелой фаз за пределы корпуса 1 осуществляется под действием центробежной силы из соответствующих камер отбора 9 и 10 через отборные трубки 20 и 21 и далее через каналы 15 и 16 в распределителе 12 фазы выводятся из экстрактора через трубки 22 и 23.

Крепления корпуса 1 с валом 2 и крышкой 5 выполнены в виде быстроразъемных соединений с замками 24 и 25, соответственно, например, байонетного типа. При этом быстрота разъема между корпусом 1 и крышкой 5 и между корпусом 1 и валом 2 обеспечивается благодаря отказу от болтовых соединений, которые требуют времени на раскручивание и закручивание болтов, а также на фиксацию от самораскручивания болтов при вибрации от вращения, и переходу на радиальное уплотнение поршневого типа с кольцевыми прокладками 26 и 27, соответственно, для обеспечения герметичности между корпусом 1 и валом 2 и корпусом 1 и крышкой 5, причем в конструкции вала и корпуса имеются посадочные места для прокладок, а сопрягаемые детали уплотняют прокладку и герметизируют соединение.

Замки 24 и 25 размещены на корпусе 1, соответственно, снизу и сверху по меньшей мере по два на каждую сторону и выполнены, например, в виде штырей (прутков) 28, установленных на корпусе 1, при этом в конструкции крышки 5 предусмотрены ответные части для этих штырей в виде прорезей. При установке крышка 5 состыкуется с корпусом 1 и проворачивается до ее фиксации на корпусе. Аналогично корпус 1 сопрягается с валом 2, который имеет соответствующие ответные прорези для штырей 28 и так же фиксируется путем его поворота.

В верхней части крышка 5 корпуса 1 в месте сопряжения с распределителем 12 оснащена лабиринтным уплотнением 29 для препятствия уносу легколетучих парогазовых смесей за пределы корпуса 1 (фиг. 4).

Все элементы конструкции центробежного экстрактора выполнены из нержавеющей стали, уплотнительные прокладки - из стойких фторированных каучуков типа перфторированных каучуков (FFKM), прокладочный материал между крышкой 5 и гидрозатвором 4 - в виде радиационно-стойкого фторопласта типа Арфлон и полиэтилена.

Заявленный центробежный экстрактор работает следующим образом. Через патрубки 18 и 19 неподвижного распределителя 12, соединенные с проходящим внутри него центральным каналом 14, легкая и тяжелая фазы подаются в камеру смешения 7 вращающегося корпуса 1. Перемешивание фаз осуществляется мешалкой 13, при этом они диспергируются с образованием тонкой эмульсии. При вращении корпуса 1 эмульсия через отверстия в горизонтальной перегородке 3 последовательно переходит из камеры смешения 7 в камеру разделения 8.

В камере разделения 8 благодаря вращению корпуса 1 более тяжелая фаза за счет центробежных сил прижимается к стенкам корпуса 1, а легкая фаза располагается ближе к его центру. Для образования устойчивой границы раздела расслаиваемых легкой и тяжелой фаз и предотвращения их дополнительного вращения относительно друг друга используются вертикальные перегородки 6. При этом регулировка границы раздела фаз осуществляется с помощью сменного гидрозатвора 4.

Далее более легкая фаза поступает в камеру отбора 9 легкой фазы, а тяжелая фаза через гидрозатвор 4 поступает в камеру отбора 10 тяжелой фазы, после чего под действием центробежных сил с помощью отборных трубок 20 и 21, соответственно, легкая и тяжелая фазы по отдельным каналам 15 и 16 в распределителе 12 через трубки 22 и 23 выводятся из корпуса 1 центробежного экстрактора.

Таким образом, заявленное техническое решение, обеспечивающее безболтовое быстросъемное соединение корпуса центробежного экстрактора и крышки с обеспечением его герметичности радиальным уплотнением поршневого типа с применением кольцевых прокладок позволяет исключить радиальное биение корпуса экстрактора и избежать дополнительной его регулировки, использование сменного гидрозатвора дает возможность достичь универсальности экстрактора под широкий диапазон экстракционных смесей с различными соотношений плотностей легкой и тяжелой фаз, а конструкция крышки с лабиринтным уплотнением распределителя позволяет препятствовать уносу легколетучих парогазовые смесей за пределы рабочей зоны экстракционного аппарата.

Изобретение относится к области экстракционного оборудования. Раскрыт центробежный экстрактор для очистки и разделения радиоактивных, агрессивных, токсичных, взрывоопасных жидкостей, который может быть использован в радиохимической, химической, гидрометаллургической, фармацевтической отраслях промышленности. Центробежный экстрактор содержит корпус с камерой смешивания, образованной вертикальными перегородками, и мешалкой, камеру разделения, трубки ввода и вывода легкой и тяжелой фаз. Корпус экстрактора выполнен вращающимся, установлен на валу электропривода и снабжен горизонтальными перегородками и крышкой с образованием камер отбора легкой и тяжелой фаз. В корпусе размещен неподвижный распределитель с установленной в его нижней части мешалкой, внутри которого выполнены каналы, связанные с трубками ввода и вывода легкой и тяжелой фаз. Верхняя горизонтальная перегородка выполнена в виде сменного элемента, прижимаемого крышкой и уплотняемого прокладкой. Крепления корпуса с валом электропривода и крышкой выполнены в виде безболтовых соединений. Техническим результатом является обеспечение работы экстрактора с жидкостями разных плотностей и облегчения регулировки работы аппарата. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Центробежный экстрактор, содержащий корпус с камерой смешивания, образованной вертикальными перегородками, и мешалкой, камеру разделения, трубки ввода и вывода легкой и тяжелой фаз, отличающийся тем, что корпус экстрактора выполнен вращающимся, установлен на валу электропривода и снабжен горизонтальными перегородками и крышкой с образованием камер отбора легкой и тяжелой фаз, в корпусе размещен неподвижный распределитель с установленной в его нижней части мешалкой, внутри которого выполнены каналы, связанные с трубками ввода и вывода легкой и тяжелой фаз, при этом верхняя горизонтальная перегородка выполнена в виде сменного элемента, прижимаемого крышкой и уплотняемого прокладкой, а крепления корпуса с валом электропривода и крышкой выполнены в виде безболтовых соединений.

2. Центробежный экстрактор по п. 1, отличающийся тем, что верхняя горизонтальная перегородка выполнена в виде гидрозатвора.

3. Центробежный экстрактор по п. 1, отличающийся тем, что распределитель выполнен в виде трех трубок, размещенных одна в другой с образованием трех каналов, не сообщающихся друг с другом и подключенных к соответствующим трубкам ввода, отбора и вывода фаз.

4. Центробежный экстрактор по п. 1, отличающийся тем, что мешалка установлена на распределителе с помощью резьбового соединения, соединена с центральным каналом распределителя и снабжена в нижней части элементами, предназначенными для перемешивания фаз при вращении ротора.

5. Центробежный экстрактор по п. 1, отличающийся тем, что крепление корпуса с крышкой выполнено в виде быстроразъемного соединения, включающего по меньшей мере два замка байонетного типа, размещенных в верхней части корпуса.

6. Центробежный экстрактор по п. 5, отличающийся тем, что замки выполнены в виде штырей, установленных на корпусе, а в конструкции крышки предусмотрены ответные прорези для этих штырей.

7. Центробежный экстрактор по п. 1, отличающийся тем, что крепление корпуса с валом электропривода выполнено в виде быстроразъемного соединения, включающего по меньшей мере два замка байонетного типа, размещенных в нижней части корпуса.

8. Центробежный экстрактор по п. 7, отличающийся тем, что замки выполнены в виде штырей, установленных на корпусе, а в конструкции вала электропривода предусмотрены ответные прорези для этих штырей.

9. Центробежный экстрактор по п. 1, отличающийся тем, что герметичность корпуса в местах соединения с валом и крышкой обеспечена радиальным уплотнением поршневого типа с кольцевыми уплотнениями.

10. Центробежный экстрактор по п. 1, отличающийся тем, что в верхней части крышка корпуса оснащена лабиринтным уплотнением, расположенным в месте ее сопряжения с неподвижным распределителем.