Центробежный экстрактор Советский патент 1982 года по МПК B01D11/04 

(5) ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ЭКСТРАКТОР

I

Изобретение относится к устройст вам для осуществления процесса экст-s ,ракции в системе жидкость-жидкость и может быть применено в различных отраслях Промышленности.

Известен центробежный экстрактор, содержащий кожух, ротор с насадкой, выполненной в виде концентрически расположенных перфорированных цилиндров и устройство ввода и вывода фаз 1 ..у

К недостаткам данногЬ аппарата относится низкая производительность, высокое гидравли.чёское сопротивление дв1йжению фаз, склонность к засорению перфораций механическими примесями и отложению последних на внутренней (вогнутой) поверхности цилиндров. Следовательно, возникает необходимость частой остановки ротора, разборки и чистки контактных цилиндров. Засорение перфораций контактных цилиндров ведет к снижению интенсивности процесса массообмена, к дестЭ

Ъилизации гидродинамического режима работы отдельных участков контактных цилиндров.

Целью изобретения является увеличение производительности за счет повышения степени массообмена.

Поставленная цель достигается те, что в центробежном экстракторе, включающем корпус с расположенным в нем ротором с насадкой в виде конценtoтрически расположенных элементов и устройства ввода и вьгвода фаз, элементы выполнены в виде сегментнопризматических тел, расположенных на расстоянии друг от друга.

IS

Размещение сегментно-призматических тел на расстоянии друг от друга, радиально относительно оси ротора позволяет оптимальным образом использовать центробежную силу, дей20ствующую на капли дисперсной фазы При их движении от центра к периферии ротора, и пленку, образующуюся ;при коалесценции капель на поверхности сегментно-призматического тела и движущуюся под действием центробежной силы к периферии ротора, что способствует увеличению производительности аппарата, а также использовать эффект многократного диспергирования и редиспергирования капель, включая пленочное течение, что способствует многократному обновлению поверхности массообмена и, следовательно, интенсификации массообменных процессов. Соотг ветствующим образом подобранная i кривизна поверхности сегмента и,величина тупого угла призмы, обращенного к центру ротора, исключают возможность оседания механических приме сей на поверхности сегментно-призматических тел. Это позволяет использовать в процессе экстракции жидкоети, содержащие механические примеси. На фиг. 1 изображен экстрактор, продольный разрез; на фиг. 2 - сечение, А-А на фиг.1; -на фиг. 3 ориентация сегмента по отношению к оси ротора;на фиг. 4 - геометрические параметры сегмента; на фиг. 5 -сёгментно-призматическое тело; на фиг. 6 - схема действия активных сил и варианты коррекции поверхности сегмента АБ; на фиг. 7 - гидродинами ческая .картина движения потоков фаз в насадке. Центробежный экстрактор включает корпус 1, ротор 2, верхний диск 3 с камерами 4 и 5 для сбора проконтакти ровавших жидкостей: тяжелой и легкой соответственно. В камеры введены не связанные с ними неподвижные труб ки 6 и 7 для отвода жидкостей.. Сверх по оси ротора коаксиально расположены неподвижные патрубки 8 и 9 для ввода жидкостей. Патрубок 8 вплотную (через уплотнительную шайбу) подходит к нижнему диску 10 ротора, образующего радиальные каналы 11 с нижней частью корпуса ротора 12 для под вода легкой фазы в контактную зону аппарата через распределитель 13. Подвод тяжелой фазы производится из диспергирующего устройства 14.Рабочее пространство ротора заполнено насадкой 15, выполненной в виде концентрически расположенных элементов Элементы выполнены из набора сегмент но-призматических тел. Сегментнопризматическое тело включает в себя призму 16 и примыкающий к ней сегмен 17. Овальная форма сегмента придает ему обтекаемую форму. Поверхность призмы, обращенная к периферии ротора, имеет цилиндрическую форму с образующей, параллельной оси ротора. Это придает призме обтекаемую форму, чем снижается гидравлическое сопротивление движению сплошной фазы. С учетом изменения направления силы Кориолиса, действующей на капли дисперсной фазы при их движении в насадочной части аппарата, сегменты могут быть соответствующим образом ориентированы (повернуты) вокруг их геометрической оси, параллельной оси; ротора, с тем, чтобы оптимальным образом использовать силу Кориолиса, действующую на капли при их движении от центра к периферии ротора. Отделение тяжелой фазы от уносимой ее легкой фазы производится- в сепарационной зоне 18, выполненной в виде каналов 19. расположенных под некоторым углом к радиусу аппарата. Аппарат включает также зону сепарации 20. Аппарат работает следующим образом. Тяжелая (дисперсная фаза) по межтрубному пространству патрубков 8 и 9 поступает в диспергирующее устройство 14, откуда под давлением центробежной силы выбрасывается в виде капель в насадку 15 аппарата и движется от центра к периферии ротора. Достигнув главной поверхности уровня раздела фаз, находящегося вблизи уровня подвода легкой фазы в контактную зону аппарата, капли дисперсной фазы коалесцируют и далее в виде сплошного.потока поступают в сепарационную зону 18. Достигнув периферии ротора, тяжелая фаза поступает в камеру 4 и по -трубке 6 выводится из аппарата. Легкая фаза по неподвижному патрубку 8 и радиальным каналам 11 через распределитель 13 поступает в контактную зону аппарата вблизи главного уровня раздела фаз и движется по насадке 15 аппарата противотоком к дисперсной фазе от периферии к центру. Далее, пройдя зону сепарации 20 для легкой фазы, поступает в камеру 5, откуда по трубке 7 вьгводится и аппарата. При работе с жидкостями, имеющи- . ми механические примеси (а в промышленной практике, как правило,жид кости содержат то или иное количест во механических примесей), во избежание оседания их на поверхности сегментно-призматических тел профиль последних рассчитывается с уче том неравенства Амантона-Кулона . tg0 7/ f ,, (1) где - угол между равнодействующе активных сил ВГ, действующих на частицу, движующуюс по поверхности сегментнопризматичеСкого тела и нор малью DE к поверхности пос леднего; - коэффициент трения. Поскольку в промышленной практик как Правило имеет место случай (2) где р, плотность механических , . примесей и жидкости соо ветственно, то все последующее изложение рассматривается применительно к условию (2). Так как при движении частиц (капель дисперсной фазы, механических примесей) в насадочной части аппара та от центра к периферии ротора величина активных сил (центробежной и Кориолисовой), действующих на части цы, меняется как по величине так и по направлению, то выражение принимает вид tge 7/ f fP, (3) где If - полярный угол , т.е. коэффициент трения материа па частиц о поверхность сегментно-приз матических тел определяется пррфилем поверхности последних. С учетом фиг. и равенства (3) имеем ff р tgo Интегрируя последнее выражение,полу чаем ,. Jlofe V ; и; Полагая f + (fV , (6) где д - начальное значение коэффициента трения при f 0; О некоторый постоянный градиент изменения по пути движения час тиц по поверхности сегментно-призматического тела, зависящий от адге966зионных свойств материала частиц и материала поверхности сегментно-призматического тела. С учетом (6) выражение (5) принимает вид , Jo4(dy/2) f-fo t7) Равенство (7) позволяет рассчитывать профиль сегмента сегментно-призматических тел, исключающий оседание механических частиц на поверхности сегiмента. Уже отмечалось, что величина и направление активных сил меняется по радиусу аппарата.С учетом последнего в предлагаемой модели сегментно-призматических тел возможна корректировка угла L от величины угла У . («) где tc 1 Si (ytrbtficGCos (), .д. t Cos (ftrJ+tgotSin () tpu. PSin (оЩТ ,по) «т Cos (ед+25),51п2(у/2) т.е. поворот сегмента вокруг его геометрической оси, параллельной оси ротора. Как было указано,при движении тяжелой фазы в насадочной части аппарата от центра к периферии ротора имеет место многократное диспергирование и редиспергирование каплей, включая пленочное течение, что способствует многократному обновлению поверхности массообмена и, следовательно, интенсификации масообменного процесса. Учитывая исключительную важность для интенсификации процесса массообмена процесс многократного обновления межфазной поверхности, рассматриваем это явление несколько подробнее применительно к предлагаемой модели аппарата. Целесообразно выделить два аспекта: гидродинамический и массообменный. Рассмотрим гидродинамический аспект. При истечении струи жидкости тяжелой фазы из сопел диспергирующего устройства последняя дробится на капли и движется в виде капель от центра к периферии ротора (фиг.6) Ударившись о поверхность сегмента сегмёнтно-ппизматическога тела первого ряда концентрически расположен ных элементов, тяжелая фаза в виде пленки течет по поверхности сегмента от его центральной части к периферии. Достигнув кромки сегмента, пленка срывается с последнего, дробится на капли. Образовавшиеся капли при их движении к периферии рото удар яются о наклонную поверхность призм, и в виде пленки тяжелая фаза стекает по конической поверхности призмы. При этом часть капель, ударившись о наклонную поверхность при мы, отскакивает от ,поверхности приз мы с образованием вторичных капель, как правило, более мелких, чем те, что в данный момент летят к поверхности призмы. Стекающая по конической поверхности пленка тяжелой фазы, дойдя до кромки призмы. Дробится на капли и виде капель движется к поверхности сегмента следующего ряда сегментнопризматических тел. Далее весь процесс повторяется. Рассмотрим массообменный аспект. Применительно к предлагаемой модели аппарата целесообразно выделить сле дующие моменты: экстракция в период образования капель, экстракция в пе риод движения капель, экстракция в период коалесценции капель, экстрак ция в.пленочном течении. Итак экстракция в период образования капель. Согласно литературных данных коэффициенты массопередачи могут быть рассчитаны из следующих выражений в сплошной фазе

-.VJ,

(11)

К,

ffftK

диспе| сной фазе

Ар

(12)

TTtK

D - коэффициент молекулярной

диффузии; t.. - время образования капли,

zd

(13)

5ЬЩ

d

диаметр капли;

и фиктивная скорость дисперсной фазы; D - эквивалентный диаметр аппарата.

огласно экспериментальных данных ученных на системе керосин-фе9

- 2 /D

(16)

К

Изучение массопередачи на системе керосин-фенол-вода при коалесценции капель показывает, что количество вещества, переходящего из фазы в фазу, в этот период составляет 6-23, от предельного отвечающего состоянию равновесия, что хорошо согласуется с литературными данными.

Экстракция в пленочном режиме. Коэффициент массопередачи в тяжелой фазе, стекающей в виде пленки по поверхности сегментно-призматйческо-- го тела, может быть вычислен из выражения л/а

(Мя Ка- 0,6

)-|5 1,3510-Re (17) 8 нол-вода) из одной фазы в другую Нереходит до 20 от предельно возможного количества распределяемого компонента, соответствующего равновесному. Данные эксперимента удовлетворительно согласуются с результатами, вычисленными по формуле (11), (12) и (13). Экстракция в период движения капель. Согласно литературных данных могут быть рассчитаны из следующих выражений , - 2. V, относительная скорость движения капли, см/с. К., 3,75 где вязкость дисперсной и сплошной фаз соответственно. Как показывают экспериментальные данные, полученные на системе керосинфенол-вода , при движении капель из одной фазы в другую переходит lO от предельно возможного количества распределяемого компонента, соответствующего равновесному. Полученные экспериментальные результаты удовлетворительно согласуются с расчетными данными. Экстракция в период коалесценции капель. По литературным данным коэффициенты массоотдачи в период коалесценции капель могут быть расчитаны из выражения, полученного Хигби где вязкость и уделУный ве тяжелой фазы, стекающе по поверхности в виде пленки; Rg, Sj,- - критерии Рейнольдса и Шмидта. , Согласно экспериментальных данных, полученных на системе керосинфенол-вода на долю массопереноса в пленочном режиме приходится П-З от предельно возможного количества распределяемого компонента, cooTBetствующего равновесному состоянию.Полученные результаты; удовлетворительно согласуются с расчетными данными Анализ полученных результатов экс периментальных исследований показывает исключительную целесообразность создания аппаратов, в основе работы которых используется эффект многократного обновления поверхности массообмена и наиболее благоприятного .использования поля центробежных сил при формировании гидродинамического режима ваппарате Проверка работоспособности предла гаемой конструкции на образце экстра ;тора диаметром 350 мм, насадочная Участь которого выполнена в виде концентрически расположенных элементов причем элементы выполнены из набора сегментно-призматических тел, расположенных с зазором, показывает, что производительность возростает в раз, а Эффективность массообмена увеличивается на по отношению к известной конструкции. Исследования проводятся на системе керосин-фенол-вода при объемном соотношении дисперсной фазы к сплошной QI/QC 3/1 и числе оборотов ротора N об/мин. Проведение исследования на. системе керосин-вода с содержанием механических примесей в воде (песок, ил, частички глины и другие примеси) в количестве 5-10 показывают, что прак тически отсутствуют отложения механических примесей на поверхности сегментно-прцзматических тел. Применение предлагаемой конструкции экстрактора позволяет повысить-: производительность, интенсифицировать процесс массообмена, а также использовать в процессе экстракции жидкости, содержащие механические примеси. «1 ормула изобретения Центробежшй экстрактор, включающий корпус с расположенным в нем ротором с насадкой в виде концентрически расположенных элементов и устройства ввода и вывода фаз, о т л йчающийся , что, с целью увеличения производительности а счет повышения степени массообмена, элементы выпопне1:«ы в виде сегментнопризматических теп, расположенных на расстоянии друг от друга. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США If 2281796, кл. 261-83, 1$Л2 (прототип).

IS

fui.3

16

16

15