центрифуга для разделения многокомпонентной жидкой среды "центрограф"

Формула изобретения

1. Центрифуга для разделения многокомпонентной жидкой среды, включающая корпус, установленный в нем вертикально на полом валу цилиндрический ротор с основанием и крышкой, снабженный верхней и нижней кольцевыми камерами и размещенными в них напорными дисками с отводными патрубками, размещенную снизу в неподвижном корпусе по оси ротора питающую трубу, расположенные внутри ротора коаксиально внутреннюю и наружную цилиндрические фильтрующие камеры, стенки которых выполнены из мембран и образуют между собой и стенкой ротора проточные каналы, расположенную с зазором над наружной камерой секцию для центрифугирования части жидкой среды, образованную цилиндрической обечайкой с кольцевым днищем и торцевым фланцем, прикрепленным для совместного вращения к верхней кольцевой камере с зазором под ее основанием, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительной питающей трубой, укрепленной на корпусе, трубчатым мембранным фильтром, размещенным по оси ротора с зазором в выпускном участке этой трубы для протока разделяемой среды и прикрепленным к торцевому фланцу, и колпаком, также прикрепленным к нему снизу и размещенным над внутренней фильтрующей камерой так, что его сплошная цилиндрическая обечайка образует кольцевые зазоры с мембранами наружной и внутренней цилиндрических фильтрующих камер, при этом крышка колпака расположена с зазором над торцевой мембраной внутренней фильтрующей камеры и к этой крышке прикреплен снизу по оси цилиндрический стержень с зазором относительно осевой мембраны указанной камеры для протока разделяемой среды, подаваемой через нижнюю питающую трубу, причем ротор центрифуги выполнен из токопроводящего материала, например титана, и заземлен, а выпускной участок дополнительной питающей трубы и мембраны наружной и внутренней фильтрующих камер также выполнены из токопроводящего материала, подключены к источнику питания электрического тока и образуют катод-анодные пары электролизеров, сообщающихся между собой при помощи расположенного в корпусе циркуляционного коллектора, снабженного проточным фильтром-электролизером.

2. Центрифуга по п. 1, отличающаяся тем, что катоды и аноды электролизеров выполнены из химически активных материалов, например железа, никеля, серебра, и подключены к источнику питания переменного электрического тока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оборудованию для разделения многокомпонентных жидких средств, содержащих взвешенные дисперсные фракции, а также соли, кислоты, щелочи и другие растворенные вещества, в поле действия центробежных и электромагнитных сил и может быть использовано в различных отраслях промышленности.

Известна центрифуга для разделения многокомпонентной жидкой среды, включающая корпус, установленный в нем вертикально на полом валу цилиндроконический ротор с основанием и крышкой, снабженный расположенной под ней верхней кольцевой камерой с патрубком подачи буферной жидкости, днище которой выполнено в виде поршневой заслонки, и средство отвода сгущенной твердой фракции, размещенное в основании, установленный по оси цилиндрический фильтр с торцевыми дисками, образующими камеру сбора и отвода фильтрата, и неподвижную, расположенную по оси ротора питающую трубу (SU 1630851A, В 04 В 1/10, 28.02.1991).

Недостаток известной центрифуги заключается в том, что поры фильтра забиваются осадком, для удаления которого периодически необходима его регенерация при прекращении подачи разделяемой среды, что влечет за собой уменьшение производительности. Кроме того, указанная центрифуга не обеспечивает выделения веществ, растворенных в жидкой среде. Ближайшим техническим решением к предложенному является центрифуга для разделения многокомпонентной жидкой среды, включающая корпус, установленный в нем вертикально на валу цилиндрический ротор с основанием и крышкой, снабженный верхней и нижней кольцевыми камерами и размещенными в них напорными дисками с отводными патрубками, размещенную снизу в неподвижном корпусе по оси ротора питающую трубу, расположенные внутри ротора коаксиально внутреннюю и наружную цилиндрические фильтрующие камеры, стенки которых выполнены из мембран и образуют между собой и стенкой ротора проточные каналы, расположенную с зазором над наружной камерой секцию для центрифугирования части жидкой среды, образованную цилиндрической обечайкой с кольцевым днищем и торцевым фланцем, прикрепленным для совместного вращения к верхней кольцевой камере с зазором под ее основанием (RU 2155103 C1, B 04 B 1/10, 27.08.2000).

Недостаток известной центрифуги заключается в том, что в зазорах между камерами внутреннего и наружного фильтров отсутствует механизм саморегенерации мембран, что приводит к накоплению осадка на фильтрующей поверхности и снижению ее производительности. Центрифуга также не обеспечивает выделение веществ, растворенных в жидкой среде, в частности солей, кислот и щелочей, что исключает возможность ее применения, например, в технологии опреснения морской воды и других солесодержащих растворов.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении саморегенерации мембран, повышении производительности центрифуги и возможности выделения веществ, растворенных в жидкой среде, в частности соли хлористого натрия, при опреснении морской воды.

Для достижения этого технического результата предложенная центрифуга для разделения многокомпонентной жидкой среды, включающая корпус, установленный в нем вертикально на валу цилиндрический ротор с основанием и крышкой, снабженный верхней и нижней кольцевыми камерами и размещенными в них напорными дисками с отводными патрубками, размещенную снизу в неподвижном корпусе по оси ротора питающую трубку, расположенные внутри ротора коаксиально внутреннюю и наружную цилиндрические фильтрующие камеры, стенки которых выполнены из мембран и образуют между собой и стенкой ротора проточные каналы, расположенную с зазором над наружной камерой секцию для центрифугирования части жидкой среды, образованную цилиндрической обечайкой с кольцевым днищем и торцевым фланцем, прикрепленным для совместного вращения к верхней кольцевой камере с зазором под ее основанием, она снабжена дополнительной питающей трубой, укрепленной на корпусе, трубчатым мембранным фильтром, размещенным по оси ротора с зазором в выпускном участке этой трубы для протока разделяемой среды и прикрепленным к торцевому фланцу, и колпаком, также прикрепленным к нему снизу и размещенным над внутренней фильтрующей камерой так, что его сплошная цилиндрическая обечайка образует кольцевые зазоры с мембранами наружной и внутренней цилиндрических фильтрующих камер. Крышка колпака расположена с зазором над торцевой мембраной внутренней фильтрующей камеры и к этой крышке прикреплен снизу по оси цилиндрический стержень с зазором относительно осевой мембраны указанной камеры для протока разделяемой среды, подаваемой через нижнюю питающую трубу. Ротор центрифуги выполнен из токопроводящего материала, например, титана и заземлен.

Выпускной участок дополнительной питающей трубы и мембраны наружной и внутренней фильтрующих камер также выполнены из токопроводящего материала, подключены к источнику питания электрического тока и образуют катод-анодные пары электролизеров, сообщающихся между собой при помощи расположенного в корпусе циркуляционного коллектора, снабженного проточным фильтром-электролизером.

Катоды и аноды электролизеров следует выполнить из химически активных материалов, например железа, никеля, серебра, и подключить к источнику питания переменного электрического тока.

Изобретение поясняется чертежом, где схематично изображен продольный разрез центрифуги.

Центрифуга включает корпус 1, установленный в нем вертикально на валу 2 цилиндрический ротор 3 с основанием 4 и крышкой 5, снабженный верхней 6 и нижней 7 кольцевыми камерами, в которых размещены неподвижно верхний напорный диск 8 с патрубком 9 для отвода части разделяемой среды и нижний напорный диск 10 с патрубком 11 вывода сгущенной твердой фракции, размещенную снизу в неподвижном корпусе по оси ротора питающую трубу 12, расположенные вертикально внутри ротора с зазором 13 по отношению к его стенке неподвижную наружную цилиндрическую фильтрующую камеру 14 с торцевой 15 и боковыми мембранами 16 и 17 и внутреннюю цилиндрическую фильтрующую камеру 18 с торцевой 19 и боковыми мембранами 20 и 21. Камеры имеют каналы 22 и 23, сообщающиеся с общим патрубком 24 отвода фильтрата из ротора. Над торцевой мембраной 15 камеры 14 с зазором 25 расположена секция 26 для центрифугирования части жидкой среды, образованная цилиндрической обечайкой 27 с кольцевым днищем 28 и торцевым фланцем 29, имеющим сквозные каналы 30 для отвода фугата из секции 26 в верхнюю кольцевую камеру 6. Торцевой фланец 29 прикреплен с зазором 31 к основанию 32 верхней кольцевой камеры, к нему прикреплен сверху по оси трубчатый мембранный фильтр 33, обечайка 34 которого размещена с кольцевым зазором 35 для протока разделяемой среды в выпускном участке 36 дополнительной питающей трубы 37, прикрепленной сверху на неподвижном корпусе 1. Снизу к вращающемуся торцевому фланцу 29 с образованием под ним кольцевого канала 38 для протока фильтрата прикреплен колпак с торцевой крышкой 39, приподнятой с зазором 40 над торцевой мембраной 19 внутренней фильтрующей камеры 18. К крышке вертикально по оси прикреплен стержень 41, размещенный с зазором 42 в полости боковой мембраны 21 камеры 18. Колпак имеет сплошную цилиндрическую обечайку 43, расположенную между боковыми мембранами 17 и 20 внутренней и наружной камер с возможностью ее вращения в кольцевых зазорах 44 и 45, сообщающихся с камерой 46 накопления шлама, снабженной патрубком 47 вывода его из ротора. Для электролиза веществ, растворенных в разделяемой среде, нижнее основание 4 и крышка 5 ротора 3, основание 32 верхней кольцевой камеры 6, торцевой фланец 29, кольцевое днище 28, цилиндрическая обечайка 27 секции 26, мембрана 34 трубчатого фильтра, крышка 39 колпака, прикрепленные к ней стержень 41 и цилиндрическая обечайка 43 выполнены из токопроводящего нейтрального к воздействию химически агрессивной среды конструкционного материала, в частности титана, и заземлены. Выпускной участок 36 дополнительной питающей трубы 37, мембраны 15, 16, 17 наружной фильтрующей камеры и мембраны 19, 20, 21 внутренней фильтрующей камеры 18 также выполнены из токопроводящего титана, подсоединены к положительному полюсу внешнего источника питания электрического тока и образуют в проточных каналах 13, 25, 35, 40, 42, 44, 45 между вращающимися (несущими отрицательный заряд) и неподвижными (несущими положительный заряд) элементами центрифуги катод-анодные пары электролизеров, сообщающихся между собой при помощи расположенного в корпусе 1 циркуляционного коллектора 48 со вспомогательными трубопроводами 49 и 50. В коллектор встроен проточный фильтр-электролизер 51 и инжектор 52, которые сообщены с нижней питающей трубой 12 и патрубками 9 и 11 отвода разделяемой среды из верхней 6 и нижней 7 кольцевых камер с размещенными в них напорными дисками 8 и 10.

Встроенный в коллектор 48 фильтр-электролизер 51 включает корпус 53, внутри которого коаксиально размещены выполненные из токопроводящего нейтрального к воздействию химически агрессивной среды конструкционного материала, в частности титана, трубчатые мембранные фильтры 54 и 55, причем мембрана фильтра 54 заземлена и представляет собой катод, а мембрана фильтра 55 подключена к положительному полюсу внешнего источника питания постоянного электрического тока и представляет собой анод. Между мембранами этих фильтров расположена проточная камера 56, соединенная трубопроводом 49 с инжектором 52. Полость мембранного фильтра 55 через канал 57 сообщена с полостью корпуса 53 фильтра-электролизера 51, снабженного патрубком 58 отвода фильтрата.

Вал 2 ротора выполнен полым и установлен в подшипниковых опорах 59. Привод, внешний источник питания электрического тока и схема его подключения к токопроводящим деталям ротора на чертеже не изображены.

Центрифуга работает следующим образом. Разделяемая многокомпонентная жидкая среда, в частности морская вода, содержащая растворенную в ней соль NaCl, состоящую из положительно заряженных ионов натрия Na+ и отрицательно заряженных ионов хлора Сl-, а также взвешенные частицы твердой фракции (механические примеси и планктон), подается под напором по дополнительной питающей трубе 37 в кольцевой зазор 35 между стенкой ее выпускного участка 36 и мембранной обечайкой 34 трубчатого фильтра 33, которые образуют катод-анодную пару, где под действием электрического тока осуществляется первичный электролиз соли: отрицательные ионы хлора Сl- перемещаются к положительно заряженной стенке 36 питающей трубы 37 (к аноду), а положительно заряженные ионы натрия Na+ к отрицательно заряженной мембранной обечайке 34 (к катоду) трубчатого фильтра 33. На аноде и катоде ионы хлора Сl- и натрия Na+ разряжаются, превращаются в нейтральные атомы, вступают в химическую реакцию с водой и образуют новые соединения и вещества.

Механические примеси и планктон задерживаются на обечайке 34, с поверхности которой они отбрасываются центробежной силой при вращении трубчатого фильтра 33 в основной поток, и из кольцевого зазора 35 по зазору 31 между основанием 32 верхней кольцевой камеры и торцевым фланцем 29 поступают в кольцевой зазор 13. Отфильтрованная через мембранную обечайку 34 жидкая среда из полости трубчатого фильтра 33 по каналу 38 между торцевым фланцем 29 и крышкой 39 колпака поступает на вторичный электролиз в кольцевой зазор 45, где оставшиеся положительно заряженные ионы натрия Na+ перемещаются к несущей отрицательный заряд цилиндрической обечайке 43 (к катоду), а отрицательно заряженные ионы хлора Сl- к положительно заряженной мембране 17 наружной фильтрующей камеры 14 (к аноду). В зазоре 45 между токопроводящими электродами, которыми являются мембрана 17, и цилиндрической обечайкой 43 повторяется вышеописанный процесс электролиза растворенной в жидкой среде соли. Отфильтрованная через мембрану 17 обессоленная жидкая среда из наружной камеры 14 по каналу 22 через патрубок 24 выводится из ротора, а задержанные на мембране 17 механические примеси и планктон вихрями потока в канале 45 смываются с поверхности мембран и накапливаются в камере 46, откуда через патрубок 47 выводятся из ротора.

Основной объем разделяемой среды из кольцевого зазора 35 под действием центробежной силы в результате вращения ротора по каналу 31 направляется в кольцевой зазор 13, откуда часть потока поступает в секцию 26 для центрифугирования, где разделяется на тяжелую фракцию и фугат. Тяжелая крупнодисперсная фракция центробежной силой отбрасывается в зазор 13 к стенке ротора 3, а фугат и взвешенная в нем мелкодисперсная фракция из секции 26 по каналам 30 поступает в верхнюю кольцевую камеру 6.

Другая часть разделяемой среды в кольцевом зазоре 13 движется между несущей отрицательный заряд стенкой ротора 3 (катодом) и несущей положительный заряд мембраной 16 наружной фильтрующей камеры 14 (анодом). Под действием электрического тока между катодом и анодом в кольцевом зазоре 13 оставшиеся в растворе положительно заряженные ионы натрия Na+ разряжаются на катоде, а отрицательно заряженные ионы хлора Сl- на аноде. После электролиза и фильтрации через мембрану 16 обессоленная жидкая среда поступает в наружную фильтрующую камеру 14 и по каналу 22 через патрубок 24 выводится из ротора. Задержанная мембраной 16 твердая фракция вихрями потока и центробежной силой вращения стенки ротора 3 непрерывно смывается с ее фильтрующей поверхности и с частью жидкой среды из нижней кольцевой камеры 7 напорным диском 10 по патрубку 11 подается под давлением в инжектор 52, сообщающийся вспомогательной трубой 49 с проточной камерой 56 фильтра-электролизера 51, куда из верхней кольцевой камеры 6 под давлением напорного диска 8 через патрубок 9 по циркуляционному коллектору 48 подается фугат со взвешенной в нем мелкодисперсной твердой фракцией и ионами Na+ и Cl-, не успевшими прореагировать на первичный электролиз в кольцевом зазоре 35 верхней питающей трубы 37. В камере 56 фильтра-электролизера 51 оставшиеся в фугате положительно заряженные ионы натрия Na+ перемещаются к отрицательно заряженной мембране трубчатого фильтра 54 (к катоду), а отрицательно заряженные ионы хлора Сl- к положительно заряженной мембране трубчатого фильтра 55 (к аноду). После электролиза и фильтрации под давлением, возникающим в верхнем напорном диске 8, через мембраны фильтров 54 и 55 обессоленная жидкая среда по каналу 57 и патрубку 58 отводится из корпуса 53 фильтра-электролизера. Часть фугата из проточной камеры 56 вместе с мелкодисперсной твердой фракцией, смытой пульсирующим потоком с поверхности фильтрующих мембран 54 и 55, по вспомогательному трубопроводу 49 поступает в инжектор 52, смешивается с концентратом крупнодисперсной твердой фракции, поступающей туда же из нижнего напорного диска 10, и по трубопроводу 50 через нижнюю питающую трубу 12 в виде пульпы нагнетается в проточные каналы 42, 40 и 44, где несущие отрицательный заряд стержень 41, крышка 39 и цилиндрическая обечайка 43 выполняют функцию катода, а мембраны 19, 20 и 21 внутреннего фильтра 18, подключенные к положительному полюсу внешнего источника питания постоянного электрического тока выполняют функцию анода.

Из кольцевых зазоров 42, 40 и 44 после электролиза и фильтрации через мембраны 19, 20 и 21 освобожденная от остатков растворенной соли и частиц твердой фракции жидкость поступает во внутреннюю фильтрующую камеру 18 и по каналу 23 через патрубок 24 выводится из центрифуги. Механические примеси, задержанные мембранами 19, 20 и 21, непрерывно сбрасываются с их поверхности вихрями, возникающими в потоке жидкости от вращения стержня 41, крышки 39 и цилиндрической обечайки 43, накапливаются в камере 46 и через патрубок 47 выводятся из ротора. При перемещении разделяемой среды внутри ротора некоторый ее объем из зазоров 13 и 45 поступает в канал 25, где между катодом и анодом под действием электрического тока осуществляются описанные выше процессы электролиза и фильтрации. Взвешенная в потоке твердая фракция из канала 25 центробежной силой, возникающей от вращения секции 26, отбрасывается в канал 13 к стенке ротора, а прошедшая через мембрану 15 жидкая фаза из наружной фильтрующей камеры 14 по каналу 22 через патрубок 24 выводится из ротора.

Таким образом, конструкция центрифуги при использовании ее, например, для опреснения морской воды, обеспечивает центрифугирование и фильтрацию взвешенных в жидкой среде частиц дисперсной фазы, выделение растворенных в ней веществ, в частности соли, путем ее электролиза в поле действия центробежных и электромагнитных сил, увеличение производительности за счет установки в ее роторе вращающегося трубчатого фильтра и встроенного в циркуляционный коллектор проточного фильтра-электролизера при непрерывной саморегенерации фильтрующих мембран за счет создания у их поверхности вихревого движения потока разделяемой среды.