ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ЭКСТРАКТОР Российский патент 2024 года по МПК B01D11/04 

Изобретение относится к области конструирования центробежных экстракторов для системы жидкость-жидкость для применения, преимущественно, в химической, радиохимической, нефтехимической, гидрометаллургической, фармацевтической отраслях промышленности для очистки и разделения трудно-разделяемых, агрессивных, радиоактивных, токсичных, взрывоопасных, пожароопасных и других вредных для здоровья человека и окружающей среды жидкостей.

Экстракторы из нержавеющих или титановых сплавов имеют ограниченную коррозионную стойкость в отношении растворов соляной или плавиковой кислот, характерных для использования при разделении редкоземельных металлов. При работе при температурах +5-100°С наибольшую стойкость к растворам кислот, которые являются компонентом кислых рабочих растворов, имеют полимерные материалы, такие как полиэтилен, полипропилен, фторопласт, полиэфирэфиркетон и некоторые другие, и композитные материалы.

Известен 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 корпус с размещенными в нем вращающимися секциями. Вращение секций осуществляется через редуктор электродвигателя, погруженный в ванну с промышленным маслом. Внутри каждой секции происходит смешение жидкостей, их разделение и вывод фаз из секции. Раздельный вывод фаз из секции осуществляется через статичный распределитель, установленный внутри секции. Соединительные трубки распределителя служат для передачи жидкости между секциями. Рабочая зона электродвигателя отделена от зоны экстрактора герметичной перегородкой, что защищает электродвигатель от попадания на него агрессивных жидкостей. В данном экстракторе применены нержавеющие подшипники, в качестве основного конструкционного материала использована хромникелевая сталь, в качестве прокладочного материала - полиэтилен.

Главным недостатком данного центробежного экстрактора является сложность конструкции и отсутствие исполнения из химически-стойких полимерных материалов, что не позволяет использовать такой аппарат с растворами, содержащими, например, соляную или плавиковую кислоты, широко используемые при разделении редкоземельных элементов.

Известен центробежный экстрактор по патенту РФ на изобретение №2670234, МПК B01D 11/04, опубл. 19.10.2018 г., содержащий 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, 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 существу выполняют функцию гидрозатвора. Заявленный технический результат от использования данного экстрактора - увеличение его производительности при уменьшении взаимного эмульсионного уноса фаз.

Основым недостатком данного центробежного экстрактора является, как и в предыдущем аналоге, его недостаточная коррозионная стойкость к химически активным жидкостям, что сужает область его применения, например, в химической, радиохимической, нефтехимической и гидрометаллургической отраслях.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к предложенному является центробежный экстрактор по патенту РФ на изобретение №2566137, МПК B01D 11/04, опубл. 20.10.2015 г., принятый за прототип, 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. 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, которая является базой для крепления двигателя, также имеет силовой и разгружающий элемент в виде металлического фланца, соединенного с упомянутой крышкой винтовым соединением. 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.

К недостаткам конструкции данного экстрактора можно отнести высокие требования к точности изготовления деталей для исключения биения между валом привода и ротором камеры разделения для достижения требуемых показателей по взаимному уносу органической и водной фазы в камере разделения. Особенно это усугубляется при маштабировании конструкции экстрактора для увеличения производительности с увеличением диаметра ротора камеры разделения (более 125 мм). Кроме того, можно отметить недостаточную защиту электродвигателя от паров перерабатываемых сред, а также относительно большие габаритные размеры при равных производительностях центробежных экстракторов.

Изобретение решает задачу создания центробежного экстрактора, конструкция которого обеспечивает работу с жидкостями, имеющими незначительную разность в плотностях легкой и тяжелой фаз в камере расслаивания. При этом в полимерном исполнении такой экстрактор более универсален по коррозионной стойкости и может работать со всеми органическими и неорганическими кислотами в диапазоне температур 0-100°С. Конструктивно двигатель экстрактора расположен снизу, что исключает его прямой контакт с агрессивной парогазовой смесью. Меньшие габариты центробежного аппарата повышают его эффективность за счет использования меньших объемов экстракционной смеси и, как следствие, более быстрого получения готовой продукции при организации многоступенчатого производственного процесса.

Техническим результатом от использования заявленного изобретения является расширение функциональных возможностей экстрактора за счет возможности работы с жидкостями, имеющими незначительную разность в плотностях легкой и тяжелой фаз в камере расслаивания, при одновременном повышении коррозионной стойкости его деталей к перерабатываемой жидкой среде, повышение защиты электродвигателя от агрессивной парогазовой смеси и уменьшение габаритных характеристик центробежного экстрактора.

Технический результат достигается в заявленном экстракторе, содержащем вращающийся корпус, с перегородками, разделяющими его на смеситель, гидрозатвор, камеру расслаивания, камеры отбора легкой и отбора тяжелой фаз, неподвижного распределителя с мешалкой с каналом для ввода исходных жидкостей и трубками для отбора легкой и тяжелой фазы, при этом корпус имеет кольцевые уплотнения в местах крепления с крышкой и камерой смешивания, а распределитель и крышка оснащены для отбоя парогазовой смеси лабиринтным уплотнением. Все детали, контактирующие с перерабатываемой средой изготовлены из химически-стойких полимерных материалов. Электродвигатель установлен внизу корпуса экстрактора и подключен к нему через металлический нагруженный элемент (переходную муфту), распределяющий нагрузку по объему полимерной детали корпуса, что исключает попадание агрессивной парогазовой смеси внутрь двигателя.

Кроме того, распределитель экстрактора выполнен в виде единого элемента с образованием трех каналов, не сообщающихся друг с другом и подключенных к соответствующим трубкам ввода, отбора и вывода фаз, а 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.

Кроме того, крепление корпуса с крышкой и металлическим разгружающим элементом выполнено в виде болтовых соединений, при этом вал электропривода соединен с упомянутым металлическим разгружающим элементом винтовым соединением через ввертные резьбовые втулки. Герметичность корпуса в месте соединения с крышкой обеспечивается кольцевым уплотнением, а в верхней части крышка корпуса оснащена лабиринтным уплотнением, расположенным в месте ее сопряжения с неподвижным распределителем.

В качестве полимерных, коррозионно-инертных материалов используется полиэтилен, или полипропилена, или фторопласт, или полиамид, или поликарбонат, или полистирол, или полиэфирэфиркетон.

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

На представленных чертежах схематично изображен заявленный центробежный экстрактор с видом спереди (фиг. 1) и сбоку в разрезе (фиг. 2), который содержит вращающийся корпус 1, включающий верхнюю 2 и нижнюю 3 части, установленный на металлический нагруженный элемент 4, который любым известным способом подключается к валу электропривода, размещенного снизу устройства (на чертежах не показан), и неподвижный распределитель 5. Корпус 1 включает горизонтальные перегородки 6, 7 и крышку 8 и вертикальные перегородки 9 с расположенной между ними камерой. Тем самым, благодаря этим перегородкам, образуются камера смешения 10, камера разделения 11, камера отбора легкой 12 и тяжелой 13 фазы. Таким образом, корпус 1 вместе с горизонтальными 6, 7 и вертикальными 9 перегородками, крышкой 8, камерами отбора легкой 12 и тяжелой 13 фазы представляет собой составной элемент, являющийся ротором, который вращается благодаря плотному соединению с металлическим нагруженным элементом 4. Функция ротора состоит в смешении и разделении фаз и вывод разделенных фаз в отборные камеры. При этом горизонтальная перегородка 7, представляющая собой гидрозатвор (далее гидрозатвор 7) предназначена для регулирования работы ротора в различном диапазоне соотношений легкой и тяжелой фазы.

Принцип действия гидрозатвора 7 заключается в следующем. Под действием центробежных сил от вращающегося ротора в вертикальной плоскости в камере разделения 11 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 7, после чего тяжелая фаза перетекает в камеру 13 отбора тяжелой фазы. Таким образом, гидрозатвор 7 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 корпуса 1 установлен неподвижный (статичный) распределитель 5, в нижней части которого закреплена мешалка 14. Основной функцией распределителя 5 является введение и выведение из экстрактора каждой фазы, которые попадают сначала в камеру смешения 10, а затем после разделения в камере 11 фазы поступают в соответствующие камеру легкой 12 и тяжелой 13 фазы. Крепление распределителя 5 осуществляется за счет фланца, выполненного из двух половинок 15 и 16, скрепленных между собой болтами 17.

Распределитель 5 выполнен с тремя каналами (как показано на фиг. 2): центральный канал 18, канал 19 между центральной и средней трубкой для вывода легкой фазы и внешняя трубка с каналом 20 для вывода тяжелой фазы. Между этими каналами никакой связи нет, они полностью герметичны и подсоединены к соответствующим трубкам ввода, отбора и вывода. Распределитель изготавливается либо с помощью аддитивных технологий методом 3D-печати, либо классическими способами механической обработки из отдельных элементов (трубок), например, с последующим температурным спаиванием между собой.

Мешалка 14 конструктивно является съемным элементом и установлена на распределителе 5, например, с помощью резьбового соединения, или, при необходимости, припаивается при установке к распределителю 5. При этом мешалка 14 соединена с центральным каналом 18 распределителя 5 для ввода фаз в камеру смешения 10, а элемент 21, размещенные в нижней части мешалки 14, предназначены для перемешивания фаз при вращении ротора.

Через трубки 22 и 23, припаянные к трубке с центральным каналом 18, проходящим внутри распределителя 5, осуществляется ввод легкой и тяжелой фазы (исходных жидкостей), соответственно, которые далее по каналу в мешалке 14 попадают в камеру смешения 10. Вывод легкой и тяжелой фазы осуществляется за пределы верхней части корпуса 1 под действием центробежной силы из соответствующих камер 12 и 13 через отборные трубки 24 и 25 и далее через каналы 19 и 20 в распределителе 5 фазы выводятся через трубки 26 и 27.

Корпус 1 в принципе может быть выполнен цельным, однако в целях технологического удобства сборки в заявленном экстракторе он выполнен из верхней и нижней частей 2 и 3, соответственно, стянутых между собой с помощью колец 28 и 29, скрепленных болтами 30. В варианте исполнения верхняя и нижняя части корпуса 1 могут быть соединены воедино, например, температурным спаиванием между собой.

Для обеспечения герметичности между верхней и нижней частями корпуса 1, а также между корпусом 1 и крышкой 8 используются кольцевые прокладки 31 и 32, соответственно, причем в конструкции корпуса имеются посадочные места для этих прокладок, а сопрягаемые детали в собранном виде уплотняют прокладки и герметизируют соединение.

Крепления верхней 2 и нижней 3 части корпуса 1 с крышкой 8 и металлически нагруженным элементом 4, соответственно, осуществляются с помощью болтов 33 и 34 через стяжки 35 и 36, соответственно, установленные в корпусе 1.

В верхней части крышка 8 корпуса 1 в месте сопряжения с распределителем 5 оснащена лабиринтным уплотнением 37, как показано на фиг. 3, для препятствия уносу легколетучих парогазовых смесей за пределы корпуса 1.

При этом все металлические детали экстрактора и заэкстракторное пространство изолированы от агрессивных компонентов перерабатываемой жидкой среды комплексом уплотнительных прокладок и лабиринтным уплотнением.

Все элементы конструкции центробежного экстрактора, контактирующие с агрессивной средой, выполнены из полимерных материалов, таких как полиэтилен, полипропилен, фторопласт, полиамид, поликарбонат, полистирол, полиэфирэфиркетон и других, металлически нагруженные элементы - из нержавеющей стали, а уплотнительные прокладки - из стойких фторированных каучуков типа перфорированного каучука (FFKM).

Заявленный центробежный экстрактор работает следующим образом. Через патрубки 22 и 23 неподвижного распределителя 5, соединенные с проходящим внутри него центральным каналом 18, легкая и тяжелая фазы подаются в камеру смешения 10 вращающегося корпуса 1, установленного на металлически нагруженном элементе 4. Перемешивание фаз осуществляется мешалкой 14, при этом они диспергируются с образованием тонкой эмульсии. При вращении корпуса 1 эмульсия через отверстия в горизонтальной перегородке 6 последовательно переходит из камеры смешения 10 в камеру разделения 11.

В камере разделения благодаря вращению корпуса 1 более тяжелая фаза за счет центробежных сил прижимается к стенкам верхней части 2 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 9. При этом регулировка границы раздела фаз осуществляется с помощью гидрозатвора 7.

Далее более легкая фаза поступает в камеру отбора 12 легкой фазы, а тяжелая фаза через гидрозатвор 7 поступает в камеру отбора 13 тяжелой фазы, после чего под действием центробежных сил с помощью отборных трубок 24 и 25 легкая и тяжелая фазы, соответственно, по отдельным каналам 19 и 20 в распределителе 5 через трубки 26 и 27 выводятся из верхней части корпуса 1 центробежного экстрактора.

Таким образом, благодаря использованию в конструкции полимерных материалов, а также композитных материалов на основе полимеров, в качестве материала для изготовления корпуса, крышки, распределителя и основания камеры смешения, обеспечивается универсальность применения заявленного центробежного экстрактора в различных областях промышленности за счет коррозионной стойкости его элементов и снижения стоимости их производства. А конструктивное расположение электродвигателя экстрактора снизу исключает его прямой контакт с агрессивной парогазовой смесью, обеспечивая тем самы его более эффективную защиту. При этом вся совокупность существенных признаков изобретения направлена 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 области аппаратов для разделения жидкостей, конкретно к центробежному экстрактору для использования в химической, радиохимической, нефтехимической, гидрометаллургической, фармацевтической отраслях промышленности, где требуется сепарация трудноразделяемых, агрессивных, радиоактивных, токсичных, взрывоопасных жидкостей. Экстрактор содержит электропривод, корпус с камерой смешения, камерой разделения и камерами отбора легкой и тяжелой фаз перерабатываемой жидкой среды, гидрозатвор, трубки для ввода и вывода легкой и тяжелой фазы, крутящий момент от вала электродвигателя передается на нагруженные полимерные детали изделия через металлический разгружающий элемент, распределяющий нагрузку по объему полимерной детали, причем все детали, контактирующие с перерабатываемой средой, изготовлены из химически стойких полимерных материалов. Все металлические детали экстрактора и заэкстракторное пространство изолированы от агрессивных компонентов перерабатываемой жидкой среды комплексом лабиринтных уплотнений. Экстрактор характеризуется тем, что его корпус выполнен вращающимся, установлен сверху электропривода, жестко закреплен на валу электропривода через металлический разгружающий элемент, распределяющий нагрузку по объему полимерного корпуса, 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 гидрозатвор выполнен в виде верхней горизонтальной перегородки, а герметичность корпуса в месте соединения с крышкой обеспечена кольцевым уплотнением. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей аппарата за счет возможности работы с жидкостями, имеющими незначительную разность в плотностях легкой и тяжелой фаз в камере расслаивания, при одновременном повышении коррозионной стойкости его деталей к перерабатываемой жидкой среде, повышение защиты электродвигателя от агрессивной парогазовой смеси и уменьшение габаритных характеристик экстрактора. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Центробежный экстрактор, содержащий электропривод, корпус с камерой смешения, камерой разделения и камерами отбора легкой и тяжелой фаз перерабатываемой жидкой среды, гидрозатвором, трубками для ввода и вывода легкой и тяжелой фазы, крутящий момент от вала электродвигателя передается на нагруженные полимерные детали изделия через металлический разгружающий элемент, распределяющий нагрузку по объему полимерной детали, причем все детали, контактирующие с перерабатываемой средой, изготовлены из химически стойких полимерных материалов, а все металлические детали экстрактора и заэкстракторное пространство изолированы от агрессивных компонентов перерабатываемой жидкой среды комплексом лабиринтных уплотнений, отличающийся тем, что корпус экстрактора выполнен вращающимся, установлен сверху электропривода, жестко закреплен на валу электропривода через металлический разгружающий элемент, распределяющий нагрузку по объему полимерного корпуса, 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 гидрозатвор выполнен в виде верхней горизонтальной перегородки, а герметичность корпуса в месте соединения с крышкой обеспечена кольцевым уплотнением.

2. Центробежный экстрактор по п. 1, отличающийся тем, что распределитель выполнен в виде единого элемента с образованием трех каналов, не сообщающихся друг с другом и подключенных к соответствующим трубкам ввода, отбора и вывода фаз.

3. 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.

4. Центробежный экстрактор по п. 1, отличающийся тем, что корпус экстрактора выполнен разборным, включающим верхнюю и нижнюю части, скрепленные между собой болтами, а соединение между верхней и нижней частями корпуса загерметизировано уплотнительной прокладкой.

5. Центробежный экстрактор по п. 1, отличающийся тем, что крепление корпуса с металлическим разгружающим элементом выполнено в виде болтовых соединений.

6. Центробежный экстрактор по п. 1, отличающийся тем, что крепление корпуса с крышкой выполнено в виде болтовых соединений.

7. Центробежный экстрактор по п. 1, отличающийся тем, что вал электропривода соединен с упомянутым металлическим разгружающим элементом винтовым соединением через ввертные резьбовые втулки.

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

9. Центробежный экстрактор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полимерных, коррозионно-инертных материалов используется полиэтилен, или полипропилен, или фторопласт, или полиамид, или поликарбонат, или полистирол, или полиэфирэфиркетон.