Ультрацентрифуга

 

Использование: изобретение относится к центрифугам и может быть использовано в химической, медицинской и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: ультрацентрифуга содержит вакуумированный корпус и установленный в нем посредством гибкого вала ротор в виде цилиндрического барабана с днищем и крышкой. Ротор размещен в цилиндрической камере с днищем и крышкой со сквозным отверстием в центре для размещения гибкого вала. Камера установлена теплоизолированно в вакуумированном корпусе и снабжена нагревателем, охлаждающим устройством и измерителем температуры. Полость ротора разделена на секции концентрическими кольцевыми перегородками, прикрепленными герметично к его днищу так, что число секций равно числу разделяемых фракций. Отношение объема секции к объему полости ротора равно объемному содержанию предназначенной для нее фракции в жидкой фазе. Секции сообщены между собой через зазоры между вершинами перегородок и крышкой ротора, а с внероторным пространством через краны в днище ротора. Внешний радиус каждой кольцевой перегородки монотонно увеличивается от вершины к основанию, внутренний радиус монотонно уменьшается. 2 ил. 1 табл.

Изобретение относится к центрифугам и может быть использовано в химической, медицинской и других отраслях промышленности для разделения газообразных, жидких и твердых смесей.

Известна вакуумная ультрацентрифуга [1] содержащая вакуумированный корпус и размещенный в нем ротор, установленный посредством сильфона на газовом подшипнике, закрепленном в корпусе.

Недостатком этого устройства является продольная упругость сильфона, что приводит к зависимости положения ротора от давления разделяемой в роторе смеси.

Этот недостаток устранен в вакуумной ультрацентрифуге [2] в которой сильфон снабжен металлическими струнами.

Недостатком этого устройства являются повышенные энергозатраты на привод ротора.

Наиболее близкой к предложенной является ультрацентрифуга для разделения газообразных смесей [3] состоящая из вакуумированного корпуса и установленного в нем ротора, в которой энергозатраты понижены путем установки в кольцевом зазоре между ротором и корпусом винтовых рифлей.

Недостатком устройства-прототипа является недостаточно широкая область применения, так как отбор газовых фракций может производиться только из вращающегося ротора. В противном случае, при остановке ротора фракции вновь смешались бы из-за взаимной диффузии. В вакуумных ультрацентрифугах отбор из вращающегося ротора осложняется высокими скоростями вращения и вакуумирования зароторного пространства. Пониженная надежность громоздких устройств подачи-отбора и внешних коммуникаций затрудняет разделение агрессивных, токсичных и взрывоопасных смесей.

Целью изобретения является расширение области применения ультрацентрифуги.

Это достигается тем, что в ультрацентрифуге, содержащей вакуумированный корпус и установленный в нем посредством гибкого вала ротор в виде кольцевого цилиндрического барабана с днищем и крышкой, ротор помещен в цилиндрическую камеру с днищем и крышкой со сквозным отверстием в центре для размещения гибкого вала, камера установлена теплоизолированно в корпусе ультрацентрифуги и снабжена нагревателем, охлаждающим устройством и измерителем температуры, а полость pотора разделена на секции концентрическими кольцевыми перегородками, прикрепленными герметично к дну ротора, число и отношение объема секции к объему полости ротора равны числу и объемному содержанию разделяемых фракций в жидкой фазе, секции сообщаются между собой через зазоры между вершинами перегородок и крышкой ротора и с зароторным пространством через краны в днище ротора, внешний радиус r_внешн. каждой кольцевой перегородки монотонно увеличивается от вершины к основанию, внутренний радиус r_внутр. монотонно уменьшается.

Снабжение ультрацентрифуги камерой для регулирования температуры вращающегося ротора позволяет поддерживать разделяемую смесь в состоянии жидкой фазы. Это существенно повышает производительность ультрацентрифуги, так как плотность загрузки жидкости примерно в 10³ раз превышает плотность загрузки газа, и уменьшает загрязняющее влияние стенок. Благодаря предлагаемой форме и расположению кольцевых перегородок ротора они не препятствуют разделению смеси, а по окончании процесса разделения перегородки разграничивают фракции. Перевод фракций в твердую фазу путем понижения температуры ротора позволяет затормозить ротор без перемешивания фракций. Возможность слива фракций через предлагаемые краны из извлеченного из ультрацентрифуги ротора упрощает процедуру выгрузки, что способствует безопасности работы с токсичными, агрессивными, взрывоопасными смесями, чем и достигается поставленная цель расширение области применения. Еще более расширяет область применения предлагаемой ультрацентрифуги в сравнении с прототипом возможность разделения жидких и твердых смесей.

На фиг. 1 представлена схема предложенной центрифуги; на фиг. 2 ротор в продольном разрезе.

Устройство содержит электромагнит подвеса 1 с сердечником 2, катушки 3 привода, расположенные вокруг колпака 4, под которым на аварийной опоре 5 свободно установлен стальной опорный ротор 6, к которому через гибкий вал 7 крепится ротор 8 ультрацентрифуги. Цилиндрическая вакуумная камера 9 снабжена днищем и крышкой 10 с отверстием 11, сквозь которое свободно проходит гибкий вал 7. На наружной поверхности вакуумной камеры 9 размещены нагреватель 12 в виде электрической спирали, охлаждающее устройство 13 в виде змеевика, по которому подают хладагент, и измеритель 14 температуры. Отверстие 11 в крышке 10 вакуумной камеры 9 площадью 0,1% от площади внутренней поверхности камеры обеспечивает измерение температуры ротора 8 по температуре камеры 9 измерителем 14 температуры с точностью не хуже 5% в широком диапазоне температур, создаваемых нагревателем 12 или охлаждающим устройством 13. Корпус 15 устройства имеет фланец 16, предназначенный для присоединения насоса для откачки (не показан), а также теплоизолирующие подставки 17 для установки вакуумной камеры 9. Металлический гибкий вал 7 шарнирно соединен со втулками 18, 19, закрепленными на опорном роторе 6 и роторе 8 соответственно. Ротор 8 в виде цилиндрического барабана снабжен крышкой 20 и днищем 21. Кольцевая полость ротора 8 разделена на секции 22 по числу отбираемых фракций кольцевыми перегородками 23, утолщающимися от вершины к основанию, которым они герметично прикреплены к днищу 21 ротора 8. Утолщение происходит за счет монотонного уменьшения внешнего радиуса перегородки r_внешн. и монотонного увеличения внутреннего радиуса r_внутр. На фиг. 2 показан пример утолщающихся от вершины к основанию перегородок, имеющих в поперечном сечении форму усеченного корпуса. Секции сообщаются между собой через зазоры 24 между вершинами втулок и крышкой ротора и с зароторным пространством посредством кранов 25 в днище 21 ротора 8. Крышка 20 ротора 8 снабжена пазом 26 термокомпенсации. Отношение объема каждой секции к общему объему полости ротора, определяемое расположением перегородок 23, подбирается равным объемному содержанию в смеси той фракции, для которой эта секция предназначена. На фиг. 2 для примера показан трехсекционный ротор, предназначенный для разделения смеси на три фракции.

Устройство работает следующим образом.

Разделяемую газообразную смесь переводят в жидкую фазу путем охлаждения в термоманипуляторе (не показан) и заполняют его ротор 8 через краны 25. После заполнения краны закрывают, ротор 8 помещают в вакуумную камеру 9 и посредством гибкого вала присоединяют к опорному ротору 6. Ротор 6 устанавливают на аварийную опору 5, надевают колпак 4 и из корпуса 15 откачивают воздух. Одновременно откачивается камера 9 через отверстие 11. Включают магнитный подвес 1, и стальной ротор 6 вместе с ротором 8 бесконтактно вывешивается в его регулируемом магнитном поле (регулятор не показан). Охлаждающим устройством 13 с помощью измерителя 14 задают температуру, при которой разделяемая смесь поддерживается в жидкой фазе. Опорный ротор 6 вместе с ротором 8 ультрацентрифуги раскручивают вращающимся магнитным полем, создаваемым катушками 3 привода, до номинальной скорости вращения, ограниченной прочностью ротора 8 при температуре разделения. По достижении номинала мощность привода уменьшают до поддержания постоянства скорости вращения, на которой происходит разделение смеси. Под действием центробежных сил тяжелые фракции смеси стремятся уйти к периферии ротора, вытесняя к его оси легкие фракции. Благодаря предлагаемой форме кольцевые перегородки 23 не препятствуют этому движению. Тяжелые фракции, встречая при центробежном движении внутреннюю поверхность перегородки, скользят вдоль нее от основания к вершине, откуда через зазор между вершиной перегородки 23 и крышкой 20 ротора продолжают свое движение к периферии. Легкие фракции при центростремительном движении проходят на внешнюю поверхность перегородки 23, стекают от основания к вершине и продолжают движение к оси через зазор. В результате встречного движения смесь в радиальном направлении расслаивается на фракции. Фракции разграничиваются одна от другой перегородками 23 благодаря предлагаемому выбору их числа и расположения. Фракции замораживают (переводят в твердую фазу), ротор тормозят, извлекают из ультрацентрифуги, быстро помещают в термоманипулятор, в котором фракции размораживают и через краны 25 сливают в баллоны для хранения газообразных продуктов разделения (не показаны).

Рассматривают для примера разделение смеси, состоящей из трех фракций, таблица, где t_пл температура плавления; t_кип температура кипения; ρ плотность в жидкой фазе. (Перельман В.И. Краткий справочник химика. М. Химия, 1964, с.624).

Согласно формуле изобретения для разделения этой смеси на фракции требуется трехсекционный ротор 8, показанный на фиг. 2. Пусть объемное содержание легкой фракции в смеси равно v₁, промежуточной фракции v₂, тяжелой v₃. Тогда радиусы кольцевых перегородок r₃, r₄, фиг.2, определяются из уравнений V₁ V₂ где r₁ внутренний радиус полости ротора, r₂ наружный, фиг.2.

Для перевода газообразной смеси в жидкое состояние необходимо охладить ее до температуры (-62)-(-77)^оС, таблица.

В этом диапазоне необходимо поддерживать температуру ротора, вращающегося на номинальной скорости. На фиг. 2 стрелками показан путь тяжелой Т фракции в периферическую секцию, путь промежуточной П фракции в среднюю секцию, путь легкой Л фракции в околоосевую секцию. По окончании процесса разделения, когда каждая фракция займет предназначенную для нее секцию, температуру ротора необходимо понизить ниже 101^оС, затормозить ротор и выгрузить фракции описанным выше способом.

В предложенной ультрацентрифуге ротор герметически закрыт во время ее работы, в отличие от прототипа, где операции загрузки-выгрузки производятся на вращающемся роторе с помощью сложных устройств и громоздких внешних коммуникаций. Это уменьшает опасность выброса при аварии высокооборотного ротора ультрацентрифуги и создает условие для безопасной работы с токсичными, агрессивными и взрывоопасными веществами. Как известно, жидкости примерно в 10³ раз плотнее газов. Соответственно повышается и производительность предложенной ультрацентрифуги в сравнении с прототипом. Наконец, операции со сжиженными газами уменьшают отношение площадки стенок к весовому содержанию заключенного в них газа, что уменьшает загрязнение высокочистых газов, для которых и предназначена предлагаемая ультрацентрифуга. Все это вместе взятое расширяет область применения предлагаемой ультрацентрифуги в сравнении с прототипом.

Как ясно из изложенного, предложенная ультрацентрифуга, реализующая последовательность операций загрузка смеси в ротор и ее разделение в жидкой фазе, перевод в твердую фазу и торможение ротора, выгрузка фракций в жидкой фазе, применима к смесям, которые при обычной (комнатной) температуре являются жидкими и твердыми телами. Это еще больше расширяет область применения предложенной ультрацентрифуги в сравнении с прототипом.

Формула изобретения

УЛЬТРАЦЕНТРИФУГА, содержащая вакуумированный корпус и установленный в нем посредством гибкого вала ротор в виде цилиндрического барабана с днищем и крышкой, отличающаяся тем, что ротор размещен в цилиндрической камере с днищем и крышкой со сквозным отверстием в центре для размещения гибкого вала, камера установлена теплоизолированно в вакуумированном корпусе и снабжена нагревателем, охлаждающим устройством и измерителем температуры, при этом полость ротора разделена на секции концентрическими кольцевыми перегородками, прикрепленными герметично к его днищу так, что число секций равно числу разделяемых фракций и отношение объема секции к объему полости ротора равно объемному содержанию предназначенной для нее фракции в жидкой фазе, причем секции сообщены между собой через зазоры между вершинами перегородок и крышкой ротора, а с внероторным пространством через краны в днище ротора, причем внешний радиус каждой кольцевой перегородки монотонно увеличивается от вершины к основанию, внутренний радиус монотонно уменьшается.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3