центробежный экстрактор

Формула изобретения

1. Центробежный экстрактор, включающий корпус со смесительной камерой и камерами сбора фаз, привод, опору, вал, конический ротор с камерой разделения, транспортирующим устройством, трубками с переливным отверстием, разделительным диском с переточным отверстием, крышкой с переливным отверстием, и гидрозатор, образованный закрепленной на опоре обечайкой, расположенной между крышкой и разделительным диском, отличающийся тем, что ротор в зоне гидрозатвора снабжен радиальными ребрами, закрепленными на разделительном диске и крышке и расположенными с обеих сторон обечайки и с зазорами к ней, а обечайка выполнена в форме секторной части диска или пластины с заостренными гранями, причем отношение ширин ребер (H) и зазоров (h) удовлетворяет соотношению





где _л и _т плотность легкой и тяжелой фаз, кг/м³;

_л, _т,_г радиусы расположения переливных отверстий трубок и крышки и переточного отверстия разделительного диска, м.

2. Экстрактор по п.1, отличающийся тем, что обечайка снабжена закрепленным в ее периферийной части наконечником, расположенным на радиусе, большем радиуса расположения переточного отверстия разделительного диска, и выполненным из материала большей твердости, чем материал осадка, например корунда.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической аппаратуре жидкостной экстракции, в особенности к центробежным экстракторам с непрерывным выводом осадка, предназначенным для работы с растворами, содержащими твердые примеси, и может быть использовано в гидрометаллургической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности, а также для осветления-сгущения суспензий.

Известен центробежный экстрактор с непрерывным выводом осадка через сопло [1] Экстрактор включает корпус со смесительной камерой и камерами сбора фаз, привод, опору, вал, конический ротор с камерой разделения, транспортирующим устройством, трубками и крышкой с переливными отверстиями, соплом, и гидрозатвор. Выделившийся в роторе осадок транспортируется по конусной поверхности к соплу и вместе с частью потока тяжелой фазы выводится из ротора в камеру сбора.

Недостатком экстрактора является возможность закупорки сопла осадком, связанная с малым сечением сопла, необходимым для поддержания приосевого вывода легкой фазы и остального потока тяжелой фазы.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является центробежный экстрактор [2] который взят за прототип. Экстрактор включает корпус со смесительной камерой и камерами сбора фаз, привод, опору, вал, конический ротор с камерой разделения, транспортирующим устройством, трубками с переливным отверстием, разделительным диском с переточным отверстием, крышкой с переливным отверстием, и гидрозатвор, образованный закрепленной на опоре обечайкой, расположенной между крышкой и разделительным диском. Выделившийся в роторе осадок под действием центробежной силы транспортируется по конусной поверхности в зону гидрозатвора к торцу обечайки, где за счет турбулентного завихрения потока взмучивается, переходит во взвешенное состояние и транспортируется далее в потоке тяжелой фазы на выход из ротора и экстрактора.

Недостатком экстрактора является малая производительность, связанная с малым объемом камеры разделения, что обусловлено уменьшением средней угловой скорости тяжелой фазы в гидрозатворе примерно в два раза по сравнению с угловой скоростью ротора за счет тормозящего действия неподвижной обечайки. Кроме того, к недостаткам экстрактора относятся повышенная мощность, потребляемая на перемешивание обечайкой тяжелой фазы с осадком в гидрозатворе, и малый срок эксплуатации экстрактора из-за абразивного износа обечайки более твердым осадком. Упомянутый износ приводит к уменьшению радиуса, на котором расположен торец обечайки, и после того, как он станет меньше радиуса, на котором расположено переточное отверстие разделительного диска, это отверстие забивается осадком, что нарушает работу экстрактора.

Цель изобретения увеличение производительности и срока эксплуатации и уменьшение потребляемой мощности экстрактора.

Для этого в предлагаемом центробежном экстракторе, включающем корпус со смесительной камерой и камерами сбора фаз, привод, опору, вал, конический ротор с камерой разделения, транспортирующим устройством, трубками с переливным отверстием, разделительным диском с переточным отверстием, крышкой с переливным отверстием, и гидрозатвор, образованный закрепленной на опоре обечайкой, расположенной между крышкой и разделительным диском, ротор в зоне гидрозатвора снабжен радиальными ребрами, закрепленными на разделительном диске и крышке и расположенными с обеих сторон обечайки с зазорами с ней, а обечайка выполнена в форме секторной части диска или пластины, причем ширина ребер и зазоров удовлетворяет соотношению

> 0,5 1 - - 1, где Н, h- ширина ребер и зазоров, м;

_л, _т плотность легкой и тяжелой фаз, кг/м³;

r_л, r_т, r_г радиусы расположения переливных отверстий трубок и крышки и переточного отверстия разделительного диска, м.

Кроме этого, обечайка снабжена закрепленным в ее периферийной части наконечником, расположенным на радиусе, большем радиуса расположения переточного отверстия разделительного диска, и выполненным из материала большей твердости, чем материал осадка, например корунда (Al₂O₃минералокерамики).

Установка радиальных ребер в гидрозатворе на вращающихся крышке и разделительном диске, ширина которых удовлетворяет приведенному соотношению, и выполнение обечайки указанной формы с заостренными гранями увеличивает среднюю угловую скорость тяжелой фазы в гидрозатворе, что приводит к уменьшению радиуса перелива легкой фазы (r_л) и увеличивает объем камеры разделения и, следовательно, производительность экстрактора. Выполнение обечайки указанной формы кроме того уменьшает мощность, потребляемую на перемешивание тяжелой фазы с осадком в гидрозатворе. Закрепление в периферийной части обечайки наконечника, расположенного на указанном радиусе и выполненного из указанного материала, уменьшает абразивный износ обечайки, что увеличивает срок эксплуатации экстрактора.

На фиг. 1 изображен центробежный экстрактор; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 периферийная часть ротора.

Экстрактор состоит из корпуса 1 со смесительной камерой 2, камерами сбора тяжелой 3 и легкой 4 фаз, входными 5 и выходными 6 патрубками, подшипниковой опорой 7, приводом 8 с муфтой 9. В опоре 7 закреплен вращающийся вал 10 с коническим ротором 11, мешалкой 12, транспортирующим устройством 13, камерой разделения 14 с лопастями крестовины 15, трубками 16 с переливным отверстием 17, расположенным на радиусе r_л, разделительным диском 18, жестко закрепленным на валу 10, с сегментными переточными отверстиями 19, расположенными на радиусе r_г, крышкой 20 с осевым переливным отверстием 21 радиуса r_т. Крышка 20 образует с разделительным диском 18 кольцевой зазор гидрозатвора 22, в котором расположена закрепленная на опоре 7 обечайка 23, выполненная в форме секторной части диска или пластины с заостренными гранями, в периферийной зоне которой закреплен наконечник 24, например, из корундовой пластинки, расположенной на радиусе r_o > r_г. В гидрозатворе 22 на разделительном диске 18 и крышке 20 закреплены радиальные ребра 25 шириною Н, расположенные с обеих сторон обечайки 23 с зазором 26 шириной h с ней.

Экстрактор работает следующим образом.

Исходные растворы по входным патрубкам 5 подают в смесительную камеру 2, где они перемешиваются мешалкой 12 для повышения эффективности массопередачи целевого компонента и образовавшаяся эмульсия подается транспортирующим устройством 13 в ротор 11. Под действием центробежной силы эмульсия в камере разделения 14 между лопастями крестовины 15 расслаивается на составные фазы, контактирующие по цилиндрической границе раздела фаз с радиусом, меньшим r_г. Легкая фаза через переливное отверстие 17 по трубке 16 выводится из ротора 11 в камеру 4 сбора легкой фазы и далее по патрубку 6 наружу экстрактора. Тяжелая фаза через переточное отверстие 19 поступает в периферийную зону гидрозатвора 22, откуда транспортируется в его приосевую зону к переливному отверстию 21 и выводится из ротора 11 в камеру 3 сбора тяжелой фазы и далее по патрубку 6 наружу экстрактора. Осадок под действием центробежной силы транспортируется по конусной стенке ротора 11 через переточное отверстие 19 в периферийную зону гидрозатвора 22 к торцу обечайки 23, где за счет турбулентного завихрения потока взмучивается, переходит во взвешенное состояние и транспортируется далее вместе с потоком тяжелой фазы через переливное отверстие 21 наружу ротора 11 и экстрактора.

Для обеспечения нормальной работы экстрактора необходимо, чтобы давление тяжелой фазы в гидрозатворе 22 было больше максимального давления легкой фазы в камере разделения 14, что отвечает соотношению _{т г}² (r_г² r_т²) > _{л р}² (r_г² r_л²), (1) где _т, _л плотность тяжелой и легкой фаз, кг/м³;

_г, _р угловая скорость тяжелой фазы в гидрозатворе 22 и легкой фазы в камере разделения 14 (угловая скорость ротора 11), рад/с;

r_г, r_т, r_л радиусы расположения отверстий переточного 19 и переливных 21 и 17, м.

Для обечайки 23 в виде секторной части диска с центральным углом близким к 2. (сплошной диск) оценку величины _г можно получить при следующих допущениях: в кольцевом объеме шириной Н между ребрами 25 по обе стороны обечайки 23 угловая скорость тяжелой фазы и ротора 11 равны между собой, а в кольцевом объеме шириной h зазора 26 между ребрами 25 и обечайкой 23 по обе ее стороны средняя угловая скорость тяжелой фазы в два раза меньше угловой скорости ротора 11. В этих условиях средняя по объему гидрозатвора 22 угловая скорость тяжелой фазы составит

_{г р} (Н + 0,5h)/(H + h), (2) где Н, h ширина ребра 25 и зазора 26, м.

Корректность полученных формул (1) и (2) и их соответствие друг другу подтверждены экспериментально. Например, в опыте с одной тяжелой фазой при r_т 30 мм, r_г 86 мм, Н 6 мм, h 0,4 мм, выполнении обечайки 23 в виде сплошного диска и количестве ребер 25 по 8 штук с каждой стороны этого диска оказалось r_л 34 мм (радиус свободной поверхности тяжелой фазы в камере разделения 14) и _г/_р 0,98 из соотношения (1), что соответствует _г/_р 0,97 из соотношения (2). Подставляя величину _г из формулы (2) в (1) можно получить соотношение:

> 0,5 1 - - 1, (3) выполнение которого гарантирует нормальную работу экстрактора. При выполнении обечайки 23 в форме секторной части диска или пластины с заостренными гранями полученное соотношение (3) будет тем более выполняться, т.е. r_л будет еще меньше при прочих равных условиях, так как в зоне гидрозатвора 22, где отсутствует изъятая часть диска, угловая скорость тяжелой фазы будет больше, чем в зоне, где оставшаяся часть диска или пластина присутствует. Абсолютные величины Н и h с одной стороны обечайки 23 могут отличаться от аналогичных величин с другой ее стороны, однако, их отношение должно удовлетворять соотношению (3). При этом очевидно, что длина ребер 25 должна простираться в радиальном направлении не короче, чем между радиусами r_т и r_г.

Из соотношения (3) следует, что в предлагаемом экстракторе можно обеспечить r_л r_т, например для _л/_т 0,81 при Н/h 4, и даже r_л< r_т при Н/h > 4, что легко реализуется практически в отличии от прототипа, где при отсутствии ребер 25, например для _л/_т 0,81 и r_т/r_г 0,5 можно получить только r_л 1,75 r_т (из соотношения (3) при формальном Н ->> 0), что существенно уменьшает объем камеры разделения 14 и, следовательно, производительность экстрактора. Объем жидкости в камере разделения 14 при малом радиальном размере переточного отверстия 19 примерно равен

V 1 3+ 2, (4) где V объем жидкости в камере разделения 14, м³;

- угол наклона образующей конусной поверхности ротора 11 к оси вращения, град.

Расчет по этой формуле показывает, что в предлагаемом экстракторе, например при _л/_т 0,81, r_т/r_г 0,5 и Н/h 4, объем камеры разделения 14 и, следовательно, производительность экстрактора в 12 раз больше, чем в прототипе при прочих равных условиях.

Экспериментально установлено, что выполнение обечайки 23 в форме секторной части диска или пластины с заостренными гранями уменьшает потребляемую экстрактором мощность, например при _р 147 рад/с в 1,3 раза, а при _р 295 рад/с в 2,2 раза по сравнению с аналогичными величинами для обечайки в виде сплошного диска. Это объясняется уменьшением потери мощности на работу против сил вязкости, возникающих во вращающейся тяжелой фазе от тормозящего воздействия неподвижной обечайки 23. Экспериментально установлено также, что закрепление в периферийной части обечайки 23 обычно металлической на радиусе r_o > r_гнаконечника 24, например в виде пластинки из корунда (Al₂O₃минералокерамики), уменьшает скорость ее истирания (скорость уменьшения радиуса r_o расположения ее торца) более, чем в 10 раз при наличии в тяжелой фазе осадка, например, оксидов кремния, железа, урана. Это приводит к увеличению во столько же раз срока эксплуатации экстрактора.

Таким образом, предлагаемый экстрактор при непрерывной выгрузке осадка обеспечивает увеличение производительности и срока эксплуатации и уменьшение потребляемой мощности по сравнению с прототипом.