Центробежный экстрактор

 

Союз Советсиик

Соцнаннстнчесиик

Ресяубямн

<н 1 1 к лвтовскомю свидетельств (6l ) Дополнительное к авт. свнд-ву (22)Заявлено 08.07.80 (21) 2953484/23-26 с присоединением заявки М (51)М. Кл.

В 01 0 11/04

3Ьвудаустеилый квинтет

CCCP ае делам кзоаретекий и открытнй (23) Приоритет

Опубликовано 15.03.82. Бюллетень М 10 (53) УДК 66.061 ° .5(088.8) Дата .опубликования описания 15. 03.82

1 gE "° .g -. -:Й ., „"-„ ЯЯ

«Л Я .-.--«

iç0

5©«ipse у« „

«.i! .ô (72) Автор изобретения

А.Н. Филимонов

Казанский химико-технологический институт им, С.и. Кирова (71) Заявитель (54) ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ЭКСТРАКТОР

Изобретение относится к устройст вам для осуществления процесса экст ,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).

Ю.

К недостаткам данного аппарата относится низкая производительность, высокое гидравлическое сопротйвление движению фаз, склонность к засорению перфораций механическими примесями и отложению последних на внутренней (вогнутой) поверхности цилиндров.

Следовательно, возникает необходи" мость частой остановки ротора, разборки и чистки контактных цилиндров.

Засорение перфораций контактных цилиндров ведет к снижению интенсивности процесса массообмена, к деста

2 билизации гидродинамического режима работы отдельных участков контактных цилиндров.

Целью изобретения является увеличение производительности за счет повышения степени массообмена.

Поставленная цель достигается тем, что в центробежном экстракторе, включающем корпус с расположенным в нем ротором с насадкой в виде концен.

16 трически расположенных элементов и устройства ввода и вывода Фаэ, элементы выполнеиы в виде сегментнопризматических тел, расположенных

1S на расстоянии друг от друга.

Размещение сегментно-призматических тел на расстоянии друг от друга, радиально относительно оси ротора позволяет оптимальным образом использовать центробежную силу, дей. ствующую на капли дисперсной фазы при их движении от центра к периферии ротора, и пленку, образующуюся при коалесценции капель на поверх2196 4

Центробежный экстрактор включает корпус 1, ротор 2, верхний диск 3 с камерами 4 и 5 для сбора проконтактировавших жидкостей: тяжелой и легкой соответственно. 8 камеры введены не связанные с ними неподвижные трубки 6 и 7 для отвода жидкостей., Сверху 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 подвода 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 кон\ центрически расположенных элементов.

Элементы выполнены из набора сегментно-призматических тел. Сегментнопризматическое тело включает в себя призму 16 и примыкающий к ней сегмент

3 91 ности сегментно-призматического тела и движущуюся под действием центробежной силы к периферии ротора, что способствует увеличению производительности аппарата, а также испольэовать эффект многократного диспергирования и редиспергирования капель, включая пленочное течение, что способствует многократному обновлению поверхности массообмена и, следовательно, интенсификации массообменных процессов. Соот-: ветствующим образом подобранная > кривизна поверхности сегмента и,величина тупого угла призмы, обращенного к центру ротора, исключают воз-. можность оседания механических примесей на поверхности сегментно-призматических тел. Это позволяет испольэовать в процессе экстракции жидкости, 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 - сегментно-призматическое тело; на фиг. 6 — схема действия активных сил и варианты коррекции поверхности сегмента АБ; на фиг. 7 - гидродинамическая:картина движения потоков фаз в насадке.

17 ° Овальная форма сегмента придает ему обтекаемую форму. Поверхность призмы, обращенная к периферии ротора, имеет цилиндрическую форму с образующей, параллельной оси ротора.

Зто придает призме обтекаемую форму, чем снижается гидравлическое сопротивление движению сплошной фазы.

С учетом изменения направления !

О силы Кориолиса, действующей на капли дисперсной фазы при их движении в насадочной части аппарата, сегменты могут быть соответствующим образом ориентированы (повернуты) вокруг их

И геометрической оси, параллельной оси ротора, с тем, чтобы оптимальным об- разом использовать силу Кориолиса, действующую на капли при их движении от центра к периферии, ротора. р Отделение тяжелой фазы от уносимой ее легкой фазы производится в сепарационной зоне 18, выполненной в виде каналов 19, расположенных под некоторым углом к радиусу апд парата. Аппарат включает также зону сепарации 20.

Аппарат работает следующим образом.

Тяжелая (дисперсная фаза) по межзр трубному 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 главнбй 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. .1

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 выводится из аппарата.

При работе с жидкостями, имеющими механические примеси (а в про5 912196 6 мышленной практике, как правило,жид-l эионных свойств материала частиц и кости содержат то или иное количест- материала поверхности сегментно-приз" во механических примесей), во избе- матического тела. жание оседания их на поверхности С учетом (б) выражение (5) принисегментно-призматических тел про- з мает вид филь последних рассчитывается с уче- но том неравенства Амантона-Кулона оо р уо

tgg Ti f где 8 - угол между равнодействующей активных сил ВГ, действующих на частицу, движующуюся по поверхности сегментнопризматического тела и нормалью DE к поверхности пос" леднего, — коэффициент трения.

Поскольку в промышленной практике как йравило имеет место случай

PT" Р (2) где, P - плотность механических примесей и жидкости соот ветственно, то все последующее изложение рассматривается применительно к условию (2) .

Так как при движении частиц (капель дисперсной фазы, механических примесей) в насадочной части аппарата от центра к периферии ротора величина активных сил (центробежной и

Кориолисовой), действующих на частицы, меняется как по величине так,и по направлению, то выражение принимает вид ..Л

tge i f = КФ, (3) где ф - полярный угол, т.е. коэффициент трения материала частиц о поверхность сегментно-приз-. матических тел определяется профилем поверхности последних.

С учетом фиг.4 и равенства (3) имеем

I т.е. поворот сегмента вокруг его геометрической оси, параллельной оси ротора. .Как было укаэано,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: гидродиЗО .намический и массообменный.

Рассмотрим гидродинамический аспект. При истечении струи жидкос ти 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 сегментно-ппизматического тела пер(4) Jig щ9 =у е (5

Полагая f = Е +/V, (б) где f - начальное значение коэффициента трения при ф= 0;

3 - некоторый постоянный градиент изменения f no пути движения частиц по поверхности. сегментно-призматического тела, зависящий от адгеИнтегрируя последнее выражение, получаем

Равенство (7) позволяет рассчитывать профиль сегмента сегментно-призматических тел, исключающий оседание механических частиц на поверхности сег, мента.

Уже отмечалось, что величина и. на;.

И правление активных сил меняется по радиусу аппарата. С учетом последнего в предлагаемой модели сегментно-призмати.ческих тел возможна корректировка угла Ь от величины угла т

26

Sin (Ч +3 -t c6Cos (9f33

CCos, У+у +tgcL Sm Щ )

Sin (йЭ уо Sin т (10)

g Cos ) 91219 к = г- —

/D Vmm

1

) (14) = 3 7g 1О (1 5) Ра с где а Р— вязкость сплошной дисперсной и фаз соответствен7 вого ряда концентрически расположенных 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 ротора ударяются о наклонную поверхность призм, и в виде пленки тяжелая фаза 10 стекает по конической поверхности призмы. При этом часть капель, ударившись о наклонную поверхность призмы, отскакивает от,поверхности призмы с образованием вторичных капель, и как правило, более мелких, чем те, что в данный момент летят к поверх. ности призмы.

Стекающая по конической поверхности пленка тяжелой фазы, дойдя до рэ кромки призмы, дробится на капли и в виде капель движется к поверхности сегмента следующего ряда сегментнопризматических тел. Далее весь процесс повторяется. 25

Рассмотрим массообменный аспект.

Применительно к предлагаемой модели аппарата целесообразно выделить следующие моменты: экстракцмя в период образования капель, экстракция в пе- зф риод движения капель, экстракция в период коалесценции капель, экстракция в, пленочном течении.

Итак экстракция в период образования капель. Согласно литературных данных коэффициенты массопередачи могут быть рассчитаны из следующих выражений в сплошной фазе

6 8 нол-вода) из одной фазы в другую переходит до 204 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 иэ следующих выражений где Ч - относительная скорость движения капли, см/с. но.

Как показывают экспериментальные данные, полученные на системе керосинфенол-вода, при движении капель иэ одной фазы.в другую переходит 403 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

/p

К = 4,6 -1/ — (11) с * Virt„p в диспефсной фазе

24 / D

К, =, (12) где D - коэффициент молекулярной диффузии; „ - время образования капли, 2(j к = тщ - (1з)

Э где с! - диаметр капли;

U — фиктивная скорость дисперсНоН фазы;

D — эквивалентный диаметр аппарата.

Согласно экспериментальных данных (полученных на системе керосин-феК = @ —, (16) с -ф

Изучение массопередачи на системе керосин-фенол-вода при коалесценции капель показывает, что количество вещества, переходящего иэ.фазы в фазу, в этот период составляет 6-233 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-приэматическог о тела, может быть вычислен из выражения а 49

О,б

) р = 1 35 10 Pat (17) 9 9121 где Pg у - вязкость и удельный вес тяжелой фазы, стекающей по поверхности в виде пленки,"

R, $ - — критерии Рейнольдса и Шмидта °

Согласно экспериментальных данных, полученных на системе керосинфейол-вода на долю массопереноса в пленочном режиме приходится 17-343 10 от предельно возможного количества распределяемого компонента, соответствующего равновесному состоянию.Полученные результаты, удовлетворительно согласуются с расчетными данными. И

Анализ полученных результатов экспериментальных исследований показывает исключительную целесообразность создания аппаратов, в основе работы которых используется эффект много- 2в кратного обновления поверхности массообмена и наиболее благоприят ного, использования поля центробеж/ ных сил при формировании гидродинаI мического режима в аппарате. 2$

Проверка работоспособности предлагаемой конструкции на образце экстрак; тора диаметром 350 мм, насадочная часть которого выполнена в виде концентрически расположенных элементов, 2Е причем элементы выполнены из набора сегментно-призматических тел, расположенных с зазором, показывает, что производительность возростает в

4-5 раз, а эффективность массообмена увеличивается. на 46-543 по отношению к известной конструкции. Исследования проводятся на системе керо96 10 син.-фенол-вода при объемном соотно" шении дисперсной фазы к сплошной

О/g© 3/1 и числе оборотов ротора

N -= -1400 об/мин.

Проведение исследования на систеI ме керосин-вода с содержанием механических примесей в воде (песок, ил, частички глины и другие примеси) в количестве 5-10Ж показывают, что прак тически отсутствуют отложения меха" нических примесей на поверхности сегментно-призматических тел.

Применение предлагаемой конструкции экстрактора позволяет повысить производительность, интенсифициро" вать процесс массообмена, а также использовать в процессе экстракции жидкости, содержащие механические примеси.

Формула изобретения

Центробежный экстрактор, включающий корпус с расположенным в нем ротором с,насадкой в виде концентрически расположенных элементов и .устройства ввода и вывода фаз, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью увеличения производительности за счет повышения степени массообмена, элементы выполнены в виде сегментнопризматических тел, расположенных на расстоянии друг от друга °

Источники информации, О принятыв во внимание при экспертизе

1. Патент MA М 2281796, кл 261-83 1942 (прототип).

912196

Фи.7

Составитель И. Ненашева

Техред M. Рейвес Корректор С. Щомак

Редактор Л. Плисак

Тираж 733 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская на6., д. 4/5

Заказ 1222/7 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4