Результат интеллектуальной деятельности: ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ЭКСТРАКТОР

Изобретение относится к конструкциям центробежных экстракторов для системы жидкость-жидкость и может быть использована в радиохимическом производстве для проведения массообменных процессов, а также в химической и фармацевтической отраслях промышленности.

В радиохимическом производстве в некоторых процессах используются центробежные экстракторы в обычном исполнении, но в большинстве случаев требуются специальные центробежные экстракторы, конструкция которых позволяет осуществлять дистанционное обслуживание их с целью исключения радиоактивного загрязнения окружающей среды, а вместе с этим и обеспечения безопасности обслуживающего персонала. Это особенно актуально в современных условиях, когда на переработку в радиохимическое производство поступает уже облученное ядерное топливо, содержащее наряду с ураном высокоактивный и высокотоксичный элемент - плутоний, извлечение которого в процессе экстракции должно быть максимальным.

Объектом патентной защиты по настоящей заявке является усовершенствованная конструкция центробежного экстрактора, в котором должна быть достигнута максимальная степень извлечения (массопередачи) высокорадиоактивных компонентов из жидкости, в основном из жидких радиоактивных растворов, поступивших в экстрактор на переработку.

Эффективность массопередачи в центробежном экстракторе зависит от времени контакта фаз и для процессов, скорость которых определяется скоростью диффузионного массопереноса, составляет более 0,95 при времени контакта фаз, равном нескольким секундам. А для процессов, скорость которых определяется медленными химическими реакциями, эффективность массопередачи центробежного экстрактора, равная 0,95, достигается при времени контакта фаз в смесительной камере, равном десяткам секунд и более. Поэтому, используя рециркуляцию фаз, в ряде случаев можно увеличить эффективность массопередачи в центробежном экстракторе, особенно для процессов с медленной кинетикой, зависящей от величины межфазной поверхности. С помощью рециркуляции состав эмульсии можно сделать оптимальным и за счет этого уменьшить взаимный унос фаз, улучшить эффективность массопередачи, а значит обеспечить эффективные извлечение и очистку целевого продукта, особенно, если этим продуктом являются радиоактивные, ядовитые и токсичные вещества и его потери недопустимы.

Рассмотрим и проанализируем с этой точки зрения известные из уровня техники решения, конструктивно аналогичные заявляемому центробежному экстрактору.

Известен центробежный экстрактор (см. кн. Кузнецова Г.И., Пушкова А.А., Косогорова А.В. «Центробежные экстракторы ЦЭНТРЭК», РХТУ им. Д.И.Менделеева. - М., 2000 г., с. 47, рис.1.29.). Экстрактор содержит привод, подшипниковую опору, корпус со смесительной камерой и камерами вывода фаз, конический ротор с камерой разделения, транспортирующим устройством, гидрозатвором, трубками для вывода легкой фазы и крышкой.

В конструкции данного экстрактора отсутствуют какие-либо средства для обеспечения рециркуляции участвующих в технологическом процессе фаз, поэтому такой экстрактор пригоден только для быстрых процессов массопередачи. Если же такой аппарат использовать для осуществления процесса экстракции жидких сред с медленным протеканием химической реакции между ними, то это обусловит либо снижение производительности, либо проведение процесса в установке из нескольких экстракторов, что усложнит эксплуатацию технологического оборудования и приведет к увеличению капитальных затрат.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является центробежный экстрактор с перемешиванием жидкостей в гравитационном поле и безнапорным выводом фаз (см. кн. Г.И.Кузнецов, А.А.Пушков, А.В.Косогоров «Центробежные экстракторы», Москва, 2000, с.28, рис.1-13 (сечение А-А). Данный экстрактор принят в качестве прототипа.

Известный экстрактор содержит корпус со смесительной камерой, камерой вывода легкой фазы и камерой вывода тяжелой фазы, имеющей перегородку, ротор с камерой разделения, транспортирующим устройством, гидрозатвором и трубками для вывода легкой фазы, расположенный на крышке корпуса привод и подшипниковую опору. «В экстракторе может быть предусмотрена рециркуляция одной из фаз… Для этого часть объема кольцевого сборника, например, тяжелой фазы 1 (рис.1.13, сечение А-А) ограничивается перегородками 2 и соединяется патрубком 3 со смесительной камерой».

Достоинством данного центробежного экстрактора является возможность повысить эффективность извлечения целевого продукта, преимущественно радиоактивного, за счет осуществления рециркуляции одной из фаз благодаря присутствию перегородок.

Однако этот аппарат может быть применен для растворов только с одной скоростью протекания химической реакции (степенью массопередачи) между ними. Использовать известный экстрактор для растворов с разной степенью массопередачи (быстрой или медленной) не предусмотрено. Для осуществления процесса экстракции с различными скоростями взаимодействия различных жидких сред необходимо варьировать положение перегородок 2, сближая их или удаляя друг от друга. А так как перегородки 2 жестко соединены с кольцевым сборником 1 (см рис.1.13), то вариации с выемкой из защитной камеры экстрактора для изменения положения перегородок 2 в условиях дистанционного обслуживания нереальны.

Недостатки известных центробежных экстракторов отсутствуют в заявляемом центробежном экстракторе, совокупность существенных признаков которого обеспечивает различные варианты рециркуляции тяжелой фазы во время работы экстрактора.

Заявляемый центробежный экстрактор, как и прототип, содержит корпус со смесительной камерой вывода легкой фазы и камерой вывода тяжелой фазы, имеющей перегородку, ротор с камерой разделения, транспортирующим устройством, гидрозатвором и трубками для вывода легкой фазы, расположенный на крышке корпуса привод и подшипниковую опору.

А отличается тем, что верхняя часть камеры вывода тяжелой фазы снабжена закрепленным на внутренней стенке корпуса карманом, а перегородка, концентрично размещенная в зазоре между карманом и ротором, связана с крышкой корпуса и выполнена с возможностью изменения длины по окружности, при этом нижняя кромка перегородки расположена ниже верхней кромки кармана, а крышка корпуса выполнена поворотной.

Заявляемое изобретение соответствует всем критериям патентоспособности.

Оно является новым, так как совокупность его существенных признаков неизвестна из уровня техники, доказательством чего является отсутствие отличительных признаков заявленного центробежного экстрактора в центробежных экстракторах, являющихся ближайшими его аналогами по технической сущности.

Изобретение промышленно применимо, так как оно может быть использовано в промышленности. Заявляемое изобретение характеризуется конкретными конструктивными признаками, каждый из которых реально выполним, воспроизводим и не противоречит применению центробежного экстрактора в промышленных условиях.

Изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень» так как для специалиста оно явным образом не следует из уровня техники. Более того создание таких, как заявляемый, экстракторов и их реализация в производстве вызвана необходимостью создания для радиохимического производства экономически выгодных экстракторов многоразового использования.

На представленных чертежах изображены: на фиг.1 - общий вид заявляемого изобретения в разрезе, на фиг.2, на фиг.3 и на фиг.4 - разрез А-А (в уменьшенном масштабе) с вариантами размещения перегородки по окружности в верхней части камеры вывода тяжелой фазы.

Центробежный экстрактор содержит корпус 1 со смесительной камерой 2, камерой 3 вывода легкой фазы и камерой 4 вывода тяжелой фазы, имеющей перегородку 5, ротор 6 с камерой 7 разделения, транспортирующим устройством, например, шнеком 8, гидрозатвором, образованным крышкой 9 ротора 6 и диском 10 с отверстиями 11, трубками 12 для вывода легкой фазы из ротора 6, расположенный на поворотной крышке 13 корпуса 1 привод 14.

В полости ротора 6 расположена закрепленная на его внутренней стенке крестовина 15, а в смесительной камере 2 установлены ребра 16. Ротор 6 закреплен на валу 17 привода 14.

Верхняя часть камеры 4 вывода тяжелой фазы снабжена закрепленным на внутренней стенке корпуса 1 карманом 18. Перегородка 5, концентрично размещенная в зазоре 19 между ротором 6 и карманом 18, связана с крышкой 13 корпуса 1, например, с помощью винтов 20. Эта связь обеспечивает возможность изменения длины перегородки 5 по окружности путем замены перегородки на другую, а в результате может быть изменена (увеличена, уменьшена) степень рециркуляции, что обусловит заданный режим массопередачи для заданных взаимодействующих реагентов. При этом нижняя кромка 21 перегородки 5 расположена ниже верхней кромки 22 кармана 18. Камеры 3 и 4 снабжены патрубками 23 и 24 отвода соответственно легкой и тяжелой фаз из аппарата.

Смесительная камера 2 с ребрами 16 и мешалкой 25 расположена в нижней части корпуса 4 в непосредственной близости к патрубкам 26 и 27 ввода исходных жидкостей.

Работа заявляемого центробежного экстрактора осуществляется следующим образом.

Подключают к питающей электросети двигатель, вал 17 привода 14 начинает вращаться, приводя во вращение ротор 6.

После набора ротором 6 заданного числа оборотов исходный перерабатываемый раствор через патрубок 26 и экстрагент через патрубок 27 подают в смесительную камеру 2, где они перемешиваются мешалкой 25.

Установленные в камере 2 ребра 16 препятствуют закручиванию жидкостей в центральной части камеры 2 в процессе смешивания. Образовавшаяся при смешивании исходных жидкостей эмульсия шнеком 8 транспортируется в ротор 6. Под действием центробежной силы в роторе 6 эмульсия расслаивается на легкую и тяжелую фазы. Легкая фаза движется вверх в центральной части ротора 6 в то время, как тяжелая фаза, отбрасываемая центробежной силой на периферию ротора 6, движется по его в внутренней конической стенке вверх. Легкая фаза достигает уровня трубок 12, и так как входные отверстия их находятся в зоне движения легкой фазы в центре ротора 6, то она, переливаясь в трубки 12, выводится из ротора 6 в камеру 3, откуда по патрубку 23 легкая фаза удаляется из центробежного экстрактора.

Одновременно с этим тяжелая фаза двигается по внутренней конической стенке ротора 6, доходит до диска 10 и через отверстия 11 поступает в полость гидрозатвора, (не пропускающего легкую фазу) и далее через зазор 28 переливается в камеру 4 вывода тяжелой фазы.

Следует отметить, что в некоторых случаях экстракционный массообмен при смешивании жидкостей происходит медленно, что зависит от их физических и химических свойств, и поэтому времени присутствия их в камере смешивания 2 недостаточно. В этих случаях время присутствия легкой и тяжелой фаз в смесительной камере 2 продлевают рециркуляцией, то есть возвратом части прошедшей через экстрактор одной из фаз в смесительную камеру 2 этого же экстрактора. При этом степень рециркуляции, то есть отношение потока фазы, возвращаемого в смесительную камеру 2, к потоку, выводимому из экстрактора, необходимо регулировать в широких пределах для оптимальной настройки процесса массообмена.

Для достижения этой цели верхняя часть камеры 4 вывода тяжелой фазы снабжена закрепленным на внутренней стенке корпуса 1 карманом 18, а закрепленная на крышке 13 перегородка 5 концентрично размещена в зазоре 19 между ротором 6 и карманом 18 при условии, что нижняя кромка 21 перегородки 5 расположена ниже верхней кромки 22 кармана 18, чтобы выходящая из ротора 6 раскрученная тяжелая фаза гарантированно не попадала в этот карман 18. Последний переводным каналом 29 и отверстиями 30 и 31 соединен со смесительной камерой 2 экстрактора. Перегородка 5 перекрывает зазор между крышкой 13 и верхней кромкой 22 кармана 18, через которую тяжелая фаза, раскрученная вращающимся ротором 6, пролетает расстояние до кармана 18 и попадает в него. Перегородка 5 может быть выполнена разной длины по окружности и перекрывать зазор входа тяжелой фазы в карман 18 в большей или меньшей степени. Та часть выходящей из ротора 6 тяжелой фазы, которая ударяется в перегородку 5, попадает в камеру вывода тяжелой фазы. А та часть тяжелой фазы, которая попала в кольцевой карман 18, по переводному каналу 29 и отверстиям 30 и 31 возвращается в смесительную камеру 2. При этом соотношение потоков, то есть степень рециркуляции, может быть любым. Для изменения степени рециркуляции достаточно заменить перегородку 5 на более короткую или более длинную по окружности.

В некоторых случаях, когда не требуется степень рециркуляции больше единицы (т.е. поток тяжелой фазы, поступающей в камеру ее вывода, равен потоку рециркуляции), рециркуляция в экстракторе может быть достигнута более рационально. Длина кармана 18, соединенного со смесительной камерой 2 переводным каналом 29, равна половине окружности. Перегородка 5, закрепленная на крышке 13 экстрактора и перекрывающая вход в карман 18, также выполнена на половине длины окружности, а крышка 13 экстрактора выполнена с возможностью поворота. Практически это осуществляется так. Ослабляют болты 32, прижимающие через фланец 33 крышку 9 к корпусу 1, поворачивают крышку 13 вместе с закрепленным на ней приводом 14 и перегородкой 5.

Когда перегородка 5 путем поворота крышки 13 экстрактора установлена так, что перегородкой 5, закрепленной на крышке, полностью перекрыт вход в карман 18, тогда вся выходящая из ротора 6 тяжелая фаза поступает в камеру 4 вывода, то есть рециркуляции нет. В случае когда крышка 13 экстрактора и закрепленная на ней перегородка 5 повернуты относительно первого положения на 180°, вход в карман 18 открыт полностью и выходящий из ротора 6 поток тяжелой фазы делится пополам.

Одна половина потока ударяется в перегородку 5 и поступает в камеру 4 вывода тяжелой фазы, а вторая половина поступает в карман 18 и через переводной канал 29 возвращается в смесительную камеру 2 экстрактора. Степень рециркуляции при этом равна единице. Поворачивая крышку 13 экстрактора с закрепленной на ней перегородкой 5 относительно корпуса 1 экстрактора и, следовательно, кармана 18, создается возможность плавно изменять количество поступающей тяжелой фазы в карман 18 на рециркуляцию и тем самым регулировать степень ее от 0 до 1.

Таким образом, в конструкции заявляемого аппарата предусмотрено все, чтобы при использовании его в промышленном производстве достичь желаемого результата - организации рециркуляции в различных вариациях. А отсюда повышение производительности, совершенствование эксплуатационного обслуживания и, в конечном итоге, снижение материальных затрат.