Устройство для фракционного разделения жидких смесей

 

Изобретение относится к области разделения жидких смесей на компоненты, в частности для разделения высококипящих и термонестойких жидкостей, и может найти применение в отраслях пищевой, химической и нефтехимической промышленности. Задача изобретения - увеличение производительности и рабочего ресурса устройства, снижение энергозатрат, улучшение качества фракционирования путем обеспечения разделения многокомпонентных смесей на узкие фракции. Устройство содержит вакуумируемый корпус 1 в виде ступенчатого вертикального цилиндра с центральным круглым глухим отверстием 2 и с соосной глухой полостью, которые сообщаются через дугообразные каналы 4. Глухая полость поделена на сектора перегородками, изготовленными заодно с корпусом. Система сбора пара выполнена в виде пластин 7 одинакового размера, направленных по касательной к дуге канала, изготовленных заодно с наиболее удаленной от оси цилиндрической стенкой 8 корпуса. Между двумя соседними пластинами выполнены отверстия 9. Внутри этой же стенки сформированы изолированные друг от друга кольцеобразные отсеки 10, которые расположены по высоте цилиндра и сообщены системой сбора пара через отверстия 9, а с системой сбора очищенной жидкости - через клапаны 11. Система сбора очищенной жидкости представляет собой расположенный вокруг корпуса 1 полый цилиндрический контейнер, состоящий из изолированных друг от друга кольцеобразных емкостей 12, расположенных по его высоте. Система подачи исходной смеси выполнена так, что корпус 1 через сальники 14 соединен с расширительным баком 15 для размещения исходной смеси. 3 ил.

Изобретение относится к области разделения жидких смесей на компоненты, в частности для разделения высококипящих и термонестойких жидкостей, и может найти применение в отраслях пищевой, химической и нефтехимической промышленности.

Известны устройства для фракционной перегонки, содержащие перегонный куб, нагреватель, конденсатор, сборник отработанной жидкости и сборник легких фракций [1].

К недостаткам подобных устройств относится невозможность перегонять термонеустойчивые и высококипящие соединения.

Известны устройства для разделения высококипящих и термонестойких веществ в вакууме путем молекулярной перегонки [2], содержащие вакуумируемую камеру, нагреватель, испаритель, конденсатор, патрубки ввода и вывода жидкости, сбора пара.

Недостатки этих устройств - низкая производительность, сложность конструкции, высокая энергоемкость.

Известно также устройство для фракционной разгонки жидких смесей, содержащее вакуумируемый корпус в виде полого горизонтального цилиндра, сообщенного с системами подачи исходной смеси (СПИС), сбора очищенной жидкости (ССОЖ), сбора пара (ССП) [3].

Недостатки заключаются в небольшой производительности, малом рабочем ресурсе данного устройства и невысоком качестве фракционирования из-за невозможности разделения многокомпонентных смесей на узкие фракции.

Задача изобретения - увеличение производительности и рабочего ресурса устройства, снижение энергозатрат, улучшение качества фракционирования путем обеспечения разделения многокомпонентных смесей на узкие фракции.

Поставленная задача решена за счет того, что в известном устройстве для фракционного разделения жидких смесей, содержащем вакуумируемый корпус, сообщенный с СПИС, ССП и ССОЖ, согласно изобретению вакуумируемый корпус выполнен в виде ступенчатого вертикального цилиндра с центральным круглым глухим отверстием и с соосной глухой полостью, которые сообщаются через дугообразные каналы, глухая полость ограничена каналообразующим телом корпуса с одной стороны и ССП с другой, поделена на сектора перегородками, изготовленными заодно с корпусом устройства, причем ССП выполнена в виде пластин одинакового размера, направленных по касательной к дуге канала, изготовленных заодно с наиболее удаленной от оси цилиндрической стенкой корпуса устройства и расположенных на ее внутренней поверхности, где между двумя соседними пластинами выполнены отверстия, внутри этой же стенки сформированы изолированные друг от друга кольцеобразные отсеки, которые расположены по высоте цилиндра и сообщены с ССП через отверстия, а с ССОЖ - через клапаны, причем ССОЖ представляет собой расположенный вокруг корпуса устройства полый цилиндрический контейнер, состоящий из изолированных друг от друга кольцеобразных емкостей, расположенных по его высоте, с патрубковым отводом из каждой емкости, полостями которых охвачены клапаны, кроме того, СПИС выполнена так, что корпус устройства через сальники соединен с расширительным баком для размещения исходной смеси, на крышке которого находится подшипник плоского вентиля, плоский вентиль закреплен на внутренней, а шкив и опорные подшипники - на внешней поверхности цилиндрической стенки корпуса устройства, формирующей своей внешней стороной в верхней части - цилиндр, в нижней - каналообразующее тело корпуса, а внутренней стороной - круглое центральное глухое отверстие, в котором размещен трубообразный вентиль, причем расположение его прорезей совмещено с дугообразными каналами.

Улучшение качества фракционирования достигается за счет того, что при стабильной температуре функции распределения скоростей U_м идентичных молекул имеют колоколообразную форму. Увеличивая отрезок ΔS (расстояние между местами падения различных видов молекул), мы имеем возможность увеличивать расстояние между их максимумами. Таким образом, площадь перекрытия различных функций распределения становиться меньше, следовательно, повышается качество разделения смеси на фракции.

Снижение энергозатрат достигается тем, что конструктивно устройство образует две реактивные турбины (сегнеровы колеса) - внутреннюю и внешнюю. Внутренняя турбина использует силу реакции струи пара, внешняя - силу реакции струи жидкости. Это позволяет увеличить частоту вращения корпуса устройства, не повышая энергозатраты двигателя.

Увеличение производительности достигается большим парообразованием в единицу времени с единицы площади поверхности за счет того, что на процесс парообразования помимо прочих (обычно при этом участвующих) сил воздействует еще и сила центробежного давления горизонтального столба исходной смеси на поверхность испарения, которая также выталкивает молекулы в разряженное пространство, но при этом имеет несоизмеримо большую величину.

Вместе с тем существенно увеличен срок эксплуатации устройства за счет того, что его корпус не содержит трущихся деталей.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено горизонтальное сечение корпуса устройства по линии А-А, на фиг.2 - вертикальное сечение по линии Б-Б. На фиг.3 схематическое изображение развертки корпуса устройства в разрезе В-В на три канала А, В и С.

Устройство содержит корпус 1, который сообщен с ССОЖ, СПИС и ССП. Корпус выполнен в виде ступенчатого вертикального цилиндра с центральным круглым глухим отверстием 2 и с соосной глухой полостью 3, которые сообщаются через дугообразные каналы 4. Глухая полость 3 ограничена каналообразующим телом корпуса 5 с одной стороны и ССП с другой, поделена на сектора перегородками 6, изготовленными заодно с корпусом устройства 1, причем число секторов соответствует количеству каналов 4. ССП выполнена в виде пластин 7 одинакового размера, изготовленных заодно с наиболее удаленной от оси цилиндрической стенкой 8 корпуса устройства. Пластины 7 направлены по касательной к дуге канала 4 и расположены на внутренней поверхности стенки 8, где между двумя соседними пластинами выполнены отверстия 9. Внутри этой же стенки сформированы изолированные друг от друга кольцеобразные отсеки 10, которые расположены по высоте цилиндра и сообщены с ССП через отверстия 9, а с ССОЖ - через клапаны 11, причем количество отсеков превышает число компонентов, входящих в состав исходной смеси. Между ССОЖ и корпусом устройства 1 имеется воздушный зазор, она расположена вокруг него и представляет собой полый цилиндрический контейнер, составленный из изолированных друг от друга кольцеобразных емкостей 12, расположенных по его высоте, с патрубковым отводом 13 из каждой емкости, полостями которых охвачены клапаны 11. СПИС выполнена так, что корпус устройства 1 через сальники 14 соединен с расширительным баком 15 для размещения исходной смеси. На крышке бака 15 находится подшипник 16 плоского вентиля 17. Последний закреплен на внутренней, а шкив 18 и опорные подшипники 19 - на внешней поверхности цилиндрической стенки 20 корпуса устройства, формирующей своей внешней стороной в верхней части - цилиндр, в нижней - каналообразующее тело корпуса 5, а внутренней стороной - центральное круглое глухое отверстие 2, в котором размещен трубообразный вентиль 21, причем расположение его прорезей совмещено с каналами 4.

Устройство для фракционного разделения жидких смесей работает следующим образом.

Для быстрого вступления аппарата в режим нормального функционирования перед началом работы из корпуса 1 устройства откачивают воздух, разрежение должно соответствовать длине свободного пробега молекулы в глухой полости 3 по направлению S_пол (см. фиг.1). Вакуумация с использованием насоса является единовременной. Поскольку после приведения установки во вращение ее корпус становится самовакуумируемым, где за счет центробежной силы остатки воздуха вытесняются на периферию и, растворяясь во фракционной жидкости, через клапаны выходят наружу. В раскрутившейся установке открывают СПИС посредством трения тормозных колодок о круглую ручку вентиля 17. Попавшая в полость центрального круглого глухого отверстия 2 жидкость под действием вакуума и центробежной силы выталкивается в каналы 4 через щели, образованные вентилем 21. Здесь или на выходе из канала (в зависимости от положения вентиля 21) наблюдается эффект мгновенного вскипания жидкости, и смесь под давлением вновь затягивающихся молекул продвигается по каналам 4. Они, в свою очередь, принимают форму дуги окружности и, таким образом, заставляют смесь двигаться по дуге радиусом R1. Горизонтальная ширина канала определяет ширину струи, распространяющейся в пространстве глухой полости 3. Эта струя состоит из множества отдельных плоскостей, образованных молекулами, обладающими однонаправленными и взаимопараллельными векторами скорости, которые выходят из сопла в пространство глухой полости 3, всегда двигаясь по касательной, проведенной к дуге R1, причем к ее крайней точке. Здесь векторы скорости молекул U_м будут коллиниарны вектору линейной скорости U_лc системы R1, модуль которого в этом случае оказывает большое влияние на скорость молекул в полости 3. Вращение устройства создает вектор U_лc, направленный противоположно вектору U_м. В этом случае время полета молекулы будет определяться как t_пол=S_пол /(U_м-U_лc), где S_пол - путь молекулы от края канала до края системы R2 (см. фиг. 1), [м] . Пока молекула преодолевает путь S_пол, корпус устройства продолжает вращаться и за время t_пoл успеет повернуться на угол α = 2πνt_пол, где ν - частота вращения корпуса устройства, [об/с]. Очевидно, что молекулы, имеющие различные скорости, а значит, и природу будут попадать в разные фракционные отсеки 10, входы (пластины 7 ССП и отверстия 9 между ними) в которые окажутся друг от друга на расстоянии где При этом наибольшая погрешность разделения будет в отсеках, входы в которые расположены на середине отрезка-дуги ΔS. Между пластинами 7 ССП под действием центробежной силы молекулы конденсируются, и жидкость через отверстия 9 выталкивается в кольцеобразные отсеки 10. Здесь после того как центробежная сила давления горизонтального столба жидкости, а также поршня клапана 11 превысит атмосферное давление, последний откроется и жидкость начнет выплескиваться на соответствующий уровень 12 ССОЖ, стекаясь к своему патрубку 13.

Использование предлагаемого аппарата обеспечивает следующие преимущества: разделение многокомпонентных смесей, в том числе термолабильных, на узкие фракции, отсутствует необходимость применения специального оборудования для поддержания в корпусе устройства пониженного давления, значительная экономия электроэнергии, отсутствие большого количества мелких деталей позволяет повысить надежность эксплуатации.

Источники информации 1. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М.: Химия, 1973, с.479-480.

2. Плановский А. Н. и др. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М.: Химия, 1987, с.291-292.

3. Авторское свидетельство РФ N2035944, М. кл. В 01 D 3/10, 1995.

Формула изобретения

Устройство для фракционного разделения жидких смесей, содержащее вакуумируемый корпус, сообщенный с системами подачи исходной смеси, сбора пара и сбора очищенной жидкости, отличающееся тем, что вакуумируемый корпус выполнен в виде ступенчатого вертикального цилиндра с центральным круглым глухим отверстием и с соосной глухой полостью, которые сообщаются через дугообразные каналы, глухая полость ограничена каналообразующим телом корпуса с одной стороны и системой сбора пара с другой, поделена на сектора перегородками, изготовленными заодно с корпусом устройства, причем система сбора пара выполнена в виде пластин одинакового размера, направленных по касательной к дуге канала, изготовленных заодно с наиболее удаленной от оси цилиндрической стенкой корпуса устройства и расположенных на ее внутренней поверхности, где между двумя соседними пластинами выполнены отверстия, внутри этой же стенки сформированы изолированные друг от друга кольцеобразные отсеки, которые расположены по высоте цилиндра и сообщены с системой сбора пара через отверстия, а с системой сбора очищенной жидкости - через клапаны, причем система сбора очищенной жидкости представляет собой расположенный вокруг корпуса устройства полый цилиндрический контейнер, состоящий из изолированных друг от друга кольцеобразных емкостей, расположенных по его высоте, с патрубковым отводом из каждой емкости, полостями которых охвачены клапаны, кроме того, система подачи исходной смеси выполнена так, что корпус устройства через сальники соединен с расширительным баком для размещения исходной смеси, на крышке которого находится подшипник плоского вентиля, плоский вентиль закреплен на внутренней, а шкив и опорные подшипники - на внешней поверхности цилиндрической стенки корпуса устройства, формирующей своей внешней стороной в верхней части цилиндр, в нижней - каналообразующее тело корпуса, а внутренней стороной - круглое центральное глухое отверстие, в котором размещен трубообразный вентиль, причем расположение его прорезей совмещено с дугообразными каналами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3