CC BY
97
И. Р. Калимуллин, А. В. Дмитриев, А. Н. Николаев
ТРУБЧАТЫЙ ЭКСТРАКТОР С ЗАКРУЧЕННЫМ ДВИЖЕНИЕМ ПОТОКОВ
Ключевые слова: экстракция, вихревое движение.
Предложена конструкция аппарата для экстракционного разделения жидких смесей. Особенностью работы аппарата заключается в сложно закрученном движении потоков разделяемого вещества и экстрагента, и отсутствии приводных механизмов для создания центробежного поля сил.
Keywords: extraction, vortex motion.
The paper proposed the design of the extraction apparatus for separating liquid mixtures. The peculiarity of the apparatus is complicated swirling flow of matter and the partial extractant, and the lack of drivers for creating a centrifugal force field.
Энергоэффективность и энергосбережение входят в 5 стратегических направлений приоритетного развития, обозначенных президентом России Д. А. Медведевым на заседании Комиссии по модернизации и технологическому развитию экономики России. Согласно оценкам Международной финансовой корпорации и Всемирного банка потребление энергоресурсов в России может быть уменьшено при производстве электроэнергии более чем в 4 раза, а в промышленности - более чем в 2 раза. Стратегической задачей является снижение энергоемкости российской экономики на 40% к 2020 году [1, 2].
Практическая реализация поставленных задач связана не только с внедрением эффективных управленческих решений во все уровни производства, но и с широким применением нового, более эффективного и менее энергоемкого оборудования, модернизацией существующих производств и оптимизацией использования энергоресурсов.
Одним из путей снижения энергопотребления в химической технологии, нефтехимии, нефтегазопереработке является оптимизация затрат на электроэнергию при транспорте потоков.
Процесс экстракционного разделения жидких смесей используется в случаях, когда система состоит из компонентов, разделение которых методами абсорбции и ректификации невозможно. В этом случает в систему вводят дополнительный компонент (экстрагент), который избирательно растворяет один из компонентов смеси. Полученная смесь разделяется механическим путем.
Достоинствами экстракции по сравнению с другими методами разделения является более низкие температуры процесса [3]. Однако для эффективного протекания процесса экстракции необходим подвод к взаимодействующим потокам дополнительной механической энергии для создания большой поверхности межфазного взаимодействия [4]. Кроме того для отделения целевых компонентов от растворителя используется процесс ректификации, что в свою очередь требует дополнительных затрат энергоносителей.
В работах [5, 6] рассмотрено использование сверхкритических флюидов для проведения
процессов экстракционного разделения смесей. Суб-и сверхкритическая экстракция отличается высокой селективностью процесса извлечения, простой отделения целевого компонента от экстрагента. Однако промышленная реализация методов суб- и сверхкритической экстракции затруднена большими материальными затратами на изготовление и монтаж оборудования, так как данные процессы могут проводится только при сверхвысоких давлениях и повышенных температурах.
Исходя из этого можно сказать, что основным методом реализации политики энергоэффективности применительно к процессам экстракционного разделения является
совершенствование существующих процессов с целью уменьшения подвода тепловой и механической энергии на проведение процесса.
Из предшествующего уровня техники известен центробежный экстрактор [7], содержащий привод, подшипниковую опору, корпус со смесительной камерой и камерами вывода фаз, ротор с камерой разделения, транспортирующим устройством, гидрозатвором, трубками для вывода легкой фазы. Экстрактор снабжен магнитной муфтой, ведущая полумуфта которой закреплена на валу привода, ведомая полумуфта жестко соединена с ротором, и между полумуфтами размещена герметизирующая перегородка-экран, соединенная с корпусом жестко, а с ротором - через один из подшипников скольжения подшипниковой опоры. Недостатком данного устройства является
использование магнитной муфты, которая
характеризуется наличием проскальзывания ведущего и ведомого валов относительно друг друга и, соответственно, низким коэффициентом полезного действия и высокими затратами энергии на привод.
Существует так же конструкция экстрактора-центрифуги [8] содержащий корпус с закрепленными на нем патрубками для ввода и вывода контактирующих смесей, ротор, выполненный в виде коаксильно расположенных экстракционного, сепарационного и фильтровального стаканов.
Экстракционный стакан снабжен мешалкой и съемной крышкой. Экстракционный стакан выполнен с возможностью предания им не связанных друг с другом угловых скоростей. В различных вариантах
конструкции аппарат может содержать так же дополнительные кольца с фильтрующими элементами. Недостатком этой конструкции является сложность исполнения ротора и необходимость центровки его частей относительно друг друга, что приводит к высоким эксплуатационным затратам и увеличению межремонтного пробега оборудования.
Наиболее близким по конструкции к предлагаемой модели является каскадный экстрактор [9], содержащий корпус, ротор с насадкой и устройство ввода и вывода фаз. Ротор изготовлен в виде отдельных секций, которые профилированы согласно условию сохранения постоянства удерживающей способности в направлении радиуса и снабжены индивидуальными приводами.
Недостатком этой конструкции является сложность исполнения роторов, наличие в химическом аппарате движущихся частей, дополнительные затраты энергии на привод ротора. Все перечисленные конструкции экстракторов сложны в изготовлении и монтаже, требуют высокой точности сборки, балансировки и сложной системы герметизации, что особенно актуально, так как экстракционному разделению подвергают обычно высокотоксичные и пожароопасные вещества, утечка которых недопустима.
Существует так же конструкция пульсационного экстрактора для выделения веществ из плодов водно-спиртовым растворителем, однако недостатком этого способа является сложность механического оборудования для создания пульсаций жидкости [10].
Рис. 1 - Внешний вид трубчатого экстрактора с закручиванием потоков
Центробежное поле сил для создания большой поверхности межфазного взаимодействия и механического разделения потоков может быть создано не только путем подвода внешней механической энергии, но и за счет особенностей скоростей движения самих взаимодействующих потоков. Для реализации этого способа предлагается оригинальная конструкция для проведения процессов экстракционного разделения гомогенных жидких смесей и может применяться в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и
пищевой промышленности.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая конструкция является повышение
эффективности процесса экстракции и увеличение надежности и безотказности узлов экстракционного разделения систем.
Рис. 2 - Трубчатый экстрактор с закручиванием потоков (вид спереди)
Конструкция состоит из корпуса, штуцеров для ввода разделяемой смеси и экстрагента, системы подвода и отвода теплоносителей, трубы для отвода, трубы для ввода из аппарата легкой фазы, технологических штуцеров и винтовых ребер, что корпус может быть изготовлен в виде двух сопряженных цилиндрических обечаек, в каждой из которых выполнены прорези таким образом, чтобы образовывалась система выступов и впадин в виде участка винта, причем выступы первой обечайки входят во впадины на второй обечайке, а выступы на второй обечайке входят в впадины на первой обечайке, штуцера ввода разделяемой смеси и экстрагента могут быть установлены тангенциально к корпусу, система подвода и отвода теплоносителя может быть выполнена в виде трубы установленной на оси одной из обечаек, внутри корпуса могут быть установлены винтовые ребра. Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков является повышение эффективности процесса экстракции и повышение надежности экстракционного оборудования.
К А-А Б-Б
Рис. 3 - Сечение экстрактора плоскостями А-А и Б-Б
Сущность конструкции поясняется чертежами, на которых изображено: на рис.1 -внешний вид полезной модели на виде сверху; на рис. 2 - внешний вид полезной модели на виде спереди; на рис. 3 - сечение аппарата плоскостью А-А; на рис. 4 -сечение аппарата плоскостью Б-Б.
Предлагаемый трубчатый экстрактор с закручиванием потоков представляет собой конструкцию из двух цилиндрических обечаек 1 и 2, снабженных штуцерами 3 и 4 для ввода компонентов исходной смести и экстрагента. Штуцера 3 и 4 расположены тангенциально к корпусу экстрактора. Внутри одной из обечаек расположена труба 8 для подвода или отвода дополнительного количества теплоты при поведении процесса экстракции, в зависимости от того идет процесс эндотермично или экзотермично. Ввод и вывод теплоносителя из трубы 8 осуществляется через патрубки 5 и 6. Внутри второй обечайки установлена труба для вывода
легкого компонента 10. Часть трубы 10 близкая к выходу из аппарата имеет расширение, на поверхности которого вырезаны окна специальной формы 11, через которые компонент выводится из аппарата.
Рис. 4 - Узел вывода легкой фазы из аппарата
Разделяемая смесь и экстрагент подаются в аппарат через штуцера 3 и 4 и начинают закрученное движение, в местах соединения обечаек жидкости начинают переходить из одной обечайки в другую, перемешиваются и одновременно обтекают трубы 8 и 10. На внешней поверхности труб установлены винтовые ребра 9, которые поддерживают поток в закрученном состоянии по всей высоте экстрактора, что увеличивает эффективность перемешивания компонентов. Закрученное движение потоков способствует созданию поля центробежных сил, под действием которого происходит расслоение разделяемых компонентов. Тяжелая фаза
отбрасывается к наружным обечайкам и выводится из экстрактора через штуцер 7. Легкая фаза собирается в центральной части обечаек и отводится из аппарата через штуцер 12.
Преимущество предлагаемой конструкции -отсутствие движущихся частей в корпусе экстрактора. Необходимое для расслоения компонентов поле центробежных сил создается не за счет дополнительных механизмов, а за счет организации закрученного движения разделяемой жидкости. благодаря увеличивается надежность экстракционной установки, так как отсутствуют подвижные
механизмы, и узлы уплотнения, которые, как показывает практика чаще всего выходят из строя на производстве.
Результатом использования предлагаемой конструкции будет являться увеличение надежности оборудования узла экстракционного разделения гомогенных жидких смесей.
Статья подготовлена в камках работы по гранту президента Российской Федерации.
Литература
1. Энергоэффективность в России: скрытый резерв: отчет
Всемирного банка и Международной финансовой корпорации // http: / / www.cenef.ru/ file/
FINAL_EE_report_rus.pdf.
2. Государственная программа «Энергосбережение и повышение энергоэффективности на период но 2020 года»: утв. Правительством Рос. Фед. 27.12.2010. - М.: 197 с.
3. Скобло А.И., Молоканов Ю.К., Щелкунов А.И.,
Владимиров В.А. Процессы и аппараты
нефтегазопереработки и нефтехимии. М.: ООО Недра-Бизнесцентр, 2000. 627с.
4. Щербакова Т. А., Крупаткин И. Л. Жидкостная экстракция неорганических веществ. Калинин: Калининский ун-т, 1979. 60 с.
5. Гумеров Ф.М., Аляев В.В., Сабирзянов А.Н., Максудов Р.Н., Усманов А.Г., Вестник технол. университета, 1, 45-56(1998)
6. Гумеров Ф.М., Сабирзянов А.Н., Гумерова Г.И. Суб- и сверхкритические флюиды в процессах переработки полимеров. Фэн, Казань, 2000, 328 с.
7. Пат. RU 84731 (2009).
8. Пат. RU 75953 (2008).
9. Пат. RU 88983 (2009)
10. Ефремов И.Б., Шарафутдинов В.Ф., Николаев А.Н., Ефремов Б.А., Ахметшина Лейсан К., Ахметшина Лилия.К., Вестник технол университета,19, 148-154 (2011)
© И. Р. Калимуллин - канд. техн. наук, доц. каф. МАХП НХТИ КНИТУ; А. В. Дмитриев - канд. техн. наук, доц. каф. ПАХТ НХТИ КНИТУ; А. Н. Николаев - д-р техн. наук, проф., зав. каф. ОПП КНИТУ, na.nikolayev@bk.ru.
