CN109011691B - 一种上悬式低功耗弱剪切型液液离心萃取机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种上悬式低功耗弱剪切型液液离心萃取机。本发明包括同轴布置的壳体以及转鼓，所述转鼓的上轴端通过联轴器与电机驱动轴连接，所述转鼓的下轴端悬置在所述壳体内，所述壳体外底面设有与转鼓同轴布置且与壳体内部相通的物料混合筒，所述混合筒的外侧面设有沿混合筒切向布置的待萃取物料进口以及萃取剂进口，所述混合筒内侧面设有物料分散叶片，所述壳体内底面设有与转鼓同轴布置的向心叶轮结构。本发明实现了旋转的转鼓外侧面与物料不接触，也就不会产生搅动物料产生涡流消耗的功率、与物料接触摩擦消耗的功率以及物料冲刷磨损转鼓外表面、发热等问题，同时避免转鼓侧面对物料的剪切作用而造成物料乳化等问题。

Description

一种上悬式低功耗弱剪切型液液离心萃取机

技术领域

本发明属于离心萃取机领域，具体是涉及一种上悬式低功耗弱剪切型液液离心萃取机。

背景技术

液液离心萃取机是一种快速、高效的液液萃取、分离设备。其原理是利用离心萃取机在高速旋转时产生的离心力使密度不同且互不相溶的两相液体进行混合传质、最终分离，达到萃取的目的。也就是说，一个完整的萃取过程包括两个过程：1.传质过程；2.分离过程。而液液离心萃取机在同一个设备内部即可完成该两个过程。

液液离心萃取机易实现多级逆流(错流)串联萃取，单机具有存留时间短、分相迅速、占地面积小等特点，现已广泛应用于化工/石油/精细化工/无机盐工业/核能(油水分离、原油纯化、蒽油处理、催化剂、核能乏燃料处理等)、医药/中药/农药/生物/食品(青霉素6APA、香兰素、茶妥酚、黄精、大蒜油、人参提取物、农药咪酰胺、甜味剂、维生素、食品添加剂、三氯蔗糖)、湿法冶金/稀土/稀贵金属提取(镍、钴、铜、金、银、钪、钫、铀、钍、铼、锌等提取)、环保/废水处理(废水有机物提取、降低COD、焦化废水、化工废水、兰炭废水等提酚、酚氨废水脱酚、精酚车间废水处理及洗盐、癸二酸生产含酚废水处理)等各个领域。

目前应用最广泛的是立式环隙式液液离心萃取机，如图1所示。该型设备结构一般是电机1立式安装，其输出轴与联轴器2相连，联轴器2下端与转鼓4的上轴端41连接，将电机1的扭矩传递给转鼓4，带动转鼓4高速旋转，产生离心力场。从萃取机顶部俯视，萃取机一般为顺时针旋转。转鼓4筒体的外表面与壳体5的内表面形成“环隙”腔体6，转鼓4是高速旋转，壳体5静止，因此转鼓4筒体的外表面与壳体5的内表面之间形成相对运动。当待萃取物料和萃取剂分别通过进料口N1、N4进入萃取机内部(对于单台萃取机而言，待萃取物料和萃取剂由N1或N4进入，没有区别。对于多台萃取机串联使用，形成多级串联逆流萃取体系，根据待萃取物料和萃取剂的密度大小进行选择，密度大的由N1进)，首先进入“环隙”腔体6，进入的两相液体物料在相对运动作用下产生涡流效应，将待萃取物料和萃取剂充分打散，使两相液体充分接触，发生物质转移，待萃取物料中的溶质进入萃取剂中，初步完成传质过程。之后，物料进入转鼓4筒体的内部，在离心力的作用下，密度大的液相逐渐被甩向转鼓壁，密度小的液相则靠近轴心，转鼓4的长度保证该分离过程所需时间。经过分离，最终密度大的液相从重相出口N3流出，密度小的液相从轻相出口N2流出。该过程为分离过程。

上述立式环隙式液液离心萃取机充分利用了设备自身结构，整体紧凑。因为“环隙”腔体6的涡流作用存在，为保证设备运转可靠，整机一般采用上下支撑结构：上轴端41装有上轴承3，转鼓4的下轴端42装有下轴承7。因为下轴承7位于物料的下方，所以在下轴承7的上方必须设有机械密封8。

立式环隙式液液离心萃取机因为具备“环隙”腔体、上下轴承支撑结构，具有结构紧凑、转鼓长度长、分离时间长、混合效果好、传质速度快、萃取效率高等优点，也是目前应用较广泛的离心萃取设备。但是，立式环隙式液液离心萃取机也存在以下问题：

一.消耗功率大：

1.该结构利用“环隙”腔体的涡流作用，对物料进行混合。“环隙”腔体的形成是利用转鼓的外表面，因为转鼓直径较大，尤其是大直径的离心萃取机，其转鼓直径一般在550～1000mm。如此大的直径，在高转速下，其外表面的线速度很大，如此大的线速度去搅动物料形成涡流，需要消耗很大的功率；通过测算，该功率消耗约占总功率的50％；

2.因为“环隙”腔体的存在，旋转的转鼓外表面必须有相当长的一段(一般是转鼓长度的一半)与物料接触，受到物料的摩擦，该摩擦消耗的功率根据计算，约占总功率的3％；

二.剪切作用强：

“环隙”腔体是利用旋转的转鼓外表面与静止外壳体内表面之间形成的相对运动产生的涡流作用，将物料“打散”。因为转鼓直径大，线速度大，对物料形成的剪切力也大，剪切作用强。强剪切作用一定程度上对物料分散是起积极作用的，可使物料充分散开，增加其相接触面积，有利于传质过程的进行。但对于易乳化的物料体系，强剪切力会加剧乳化，形成乳浊液，反而不利于物料的分离。此时，反而需要较小的剪切力。在实际生产中，只能是降低转速，但降低转速会减小离心力，降低分离因数，不利于分离过程。所以，对于立式环隙式液液离心萃取机如何在不降低分离因数的前提下适当控制剪切作用，是一个难题。

三.其它问题：

1.为了形成“环隙”腔体，进料管须设置在壳体中部，物料进入时，正对转鼓中部(一般是转鼓长度的一半位置)。因为进料时，转鼓是高速旋转的，进料对转鼓会形成冲刷作用。长期作用下，该位置会提早磨损；尤其是转鼓有非金属衬层防腐时，衬层容易在冲刷作用下，磨损、破坏；

2.进料管设置在壳体中部，进料冲击还对转鼓形成激振力作用，对转鼓的平衡、径向载荷受到影响。导致轴承磨损加快、设备振动等；

3.热影响。该热源主要来自两个方面：(1)“环隙”腔体中，转鼓筒体外表面与物料在高速下接触、摩擦，导致物料发热；(2)因为下轴承位于设备底部，埋入在物料中，轴承长时间运行导致发热。以上产生的热都会致使物料温度升高，因为萃取体系一般有有机溶剂存在，温度升高会导致有机溶剂挥发、甚至带来安全隐患等；在有些需要控制温度作为工艺条件的场合，发热就成为不利因素。

4.底部结构复杂：立式环隙式液液离心萃取机下轴承位于设备底部，埋入在物料中，需要在下轴承上方设置密封，一般选用泵用机械密封，使设备底部结构复杂化。机械密封属于易损件，更换会增加维护成本、降低生产效率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种上悬式低功耗弱剪切型液液离心萃取机。本发明在不改变液液离心萃取机技术参数(转鼓长度、转速、分离因数等)的前提下，解决了现存环隙式液液离心萃取机存在的消耗功率大、剪切作用强、物料冲刷、热影响、底部结构复杂等难题。

为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案：

一种上悬式低功耗弱剪切型液液离心萃取机，包括同轴布置的壳体以及转鼓，所述转鼓的上轴端通过联轴器与电机驱动轴连接，所述转鼓的下轴端悬置在所述壳体内，所述壳体外底面设有与转鼓同轴布置且与壳体内部相通的物料混合筒，所述混合筒的外侧面设有沿混合筒切向布置的待萃取物料进口以及萃取剂进口，所述混合筒内侧面设有物料分散叶片，所述壳体内底面设有与转鼓同轴布置的向心叶轮结构。

进一步的技术方案，所述转鼓的下轴端上安装有将物料向上提升的搅拌桨，所述搅拌桨包括搅拌桨套以及多个沿所述搅拌桨套周向间隔布置的桨叶，所述搅拌桨的外直径小于所述转鼓底面物料进口的直径。

进一步的技术方案，所述转鼓顶面设有重相流道以及轻相流道，所述壳体侧面设有与重相流道连通的重相出口以及与所述轻相流道连通的轻相出口，所述转鼓内侧面设有多个沿转鼓周向间隔布置的叶片。

进一步的技术方案，所述转鼓的上轴端通过弹性组件安装在机架上，所述弹性组件包括与上轴端同轴布置的球形安装座、环形弹性元件、球面轴承座、轴承以及压盖，所述球形安装座通过安装座连接法兰与机架安装面固定连接，所述球面轴承座位于球形安装座内侧且所述球面轴承座由圆柱筒体构成，所述球面轴承座外底面为球面且该球面的直径与所述球形安装座内直径吻合，所述轴承安装在球面轴承座内侧，所述环形弹性元件填充在球形安装座与球面轴承座之间，所述压盖安装在所述轴承上端用于限制轴承与环形弹性元件的轴向窜动。

进一步的技术方案，所述混合筒与转鼓的直径比为1:(2～3)。

进一步的技术方案，所述待萃取物料进口以及萃取剂进口关于混合筒轴线对称布置。

本发明的有益效果在于：

1.本发明在壳体的底部设置有混合筒，待萃取物料进口以及萃取剂进口设置在混合筒底部侧面位置，待萃取物料进口以及萃取剂进口关于混合筒轴线对称、切向设置，待萃取物料和萃取剂分别通过对应的进料口进入混合筒内，沿混合筒内壁切向旋转，发生初步混合、传质。

混合筒直径较小，远小于转鼓的直径，两相物料在混合筒较小直径形成的较小容腔内，可充分混合，相接触面大，有利于混合效果。

在混合筒内表面均布系列分散叶片，使进入的两相物料产生涡流，强化混合效果。分散叶片的数量、长宽尺寸直接影响混合效果，可根据需要设计计算。

所述向心叶轮结构实现将混合筒内物料向上导入壳体内，进而便于物料顺利进入转鼓内进行分离萃取操作，有效避免物料进入壳体与转鼓侧面之间的间隙中。

待萃取物料和萃取剂以一定压力进入混合筒内部，可以避免了传统结构中立式环隙式液液离心萃取机的“环隙”腔体，即本发明实现了旋转的转鼓外侧面与物料不接触，也就不会产生搅动物料产生涡流消耗的功率、与物料接触摩擦消耗的功率以及物料冲刷磨损转鼓外表面、发热等问题，同时避免转鼓侧面对物料的剪切作用而造成物料乳化等问题。

2.本发明所述转鼓的下轴端下伸至混合筒上方，下轴端上设置有搅拌桨。搅拌桨安装在转鼓的鼓底物料进口内，搅拌桨的外直径小于鼓底物料进口的直径，形成环隙。物料被吸入转鼓筒体内部，在该环隙处，在搅拌桨的搅动下，进一步打散、混合、传质，最终完成传质过程。

搅拌桨的外直径很小，一方面线速度小，所耗搅拌功率小；另一方面对物料的剪切作用有限，是一种弱剪切，对于易乳化体系有利。

如果需要加强混合、剪切作用，可在下轴端上设置2个或多个搅拌桨，形成多重搅拌、混合，加大搅拌和剪切作用。

搅拌桨由搅拌桨套和桨叶组成，搅拌桨套与下轴端形成间隙配合，一般设置键以传递扭矩。根据搅拌桨外直径的大小，桨叶一般设置3～4片。桨叶呈右旋(从搅拌桨主视方向看去，桨叶左边低，右边高)，如此随着下轴端的顺时针旋转，将物料抬升，形成抽吸作用，吸入转鼓筒体内部。

以上剪切作用的减少或增加，离心萃取机的转速均无须改变，不改变离心萃取机的技术参数。

3.本发明所述下轴端不设置轴承支撑，转鼓处于上悬式悬臂状态，因此转鼓在旋转过程中会偏摆，偏摆角为α。α过大，会使旋转的转鼓与其它配套部件干涉，带来安全隐患，必须对偏摆角α进行限制。但又不能使偏摆角α为0°，如果α＝0°，转鼓处于硬支撑状态，径向的偏摆力均左右在轴承上，导致快速发热、失效。所以，必须使偏摆角α受限在一定角度范围内，不致于干涉。

本发明通过所述弹性组件解决上述问题，本发明转鼓的上轴端上设置有轴承，轴承内圈与上轴端外表面形成过盈配合，轴承安装在球面轴承座内，轴承外圈与球面轴承座内表面形成间隙或过渡配合。

球面轴承座为圆柱筒体、底部外表面为球面结构，球形安装座的内表面也为同尺寸球面，该两球面配合安装，可实现360°摆动。球形安装座通过安装座连接法兰与机架安装面固定连接。

球面轴承座的圆柱筒体外表面与球形安装座内表面之间填充安装环形弹性元件。当处于悬臂状态的转鼓在旋转过程中发生偏摆，其偏摆发生的位移就会被环形弹性元件吸收，所述环形弹性元件对整个旋转体的偏摆还起到吸收振动的作用。

压盖安装在轴承上方，一方面限制轴承的轴向移动，另一方面也限制环形弹性元件受摆动后轴向窜动。

附图说明

图1为传统的立式环隙式液液离心萃取机结构示意图。

图2为本发明上悬式低功耗弱剪切型液液离心萃取机结构示意图。

图3为搅拌桨、进料管局部示意图。

图4为搅拌桨俯视图。

图5为转鼓偏摆示意图。

图6为弹性组件安装示意图。

附图中标号的含义如下：

1-电机；2-联轴器；3-上轴承；4-转鼓；41-上轴端；42-下轴端；43-叶片；5-壳体；6-“环隙”腔体；7-下轴承；8-机械密封；9-弹性组件；91-压盖；92-环形弹性元件；93-轴承；94-球面轴承座；95-球形安装座；10-安装座连接法兰；11-搅拌桨；111-搅拌桨套；110-桨叶；12-混合筒；120-分散叶片，13-物料进口；14机架；15-向心叶轮结构；N1-待萃取物料进口；N2-轻相出口；N3-重相出口；N4-萃取剂进口。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明技术方案做出更为具体的说明：

如图2所示：本发明包括同轴布置的壳体5以及筒状转鼓4，所述转鼓4的上轴端41通过联轴器2与电机1驱动轴连接，所述转鼓4的下轴端42悬置在所述壳体5内，所述壳体5外底面设有与转鼓4同轴布置且与壳体5内部相通的物料混合筒12，所述混合筒12的外侧面设有沿混合筒12切向布置的待萃取物料进口N1以及萃取剂进口N4，所述混合筒12内侧面设有物料分散叶片120，所述壳体5内底面设有与转鼓4同轴布置的向心叶轮结构15。

本发明在壳体5的底部设置有混合筒12，待萃取物料进口N1以及萃取剂进口N4设置在混合筒12底部侧面位置，待萃取物料进口N1以及萃取剂进口N4关于混合筒轴线对称、切向设置，待萃取物料和萃取剂分别通过对应的进料口进入混合筒12内，沿混合筒12内壁切向旋转，发生初步混合、传质。

在混合筒内表面均布系列分散叶片120，使进入的两相物料产生涡流，强化混合效果。分散叶片的数量、长宽尺寸直接影响混合效果，可根据需要设计计算。

所述向心叶轮结构15实现将混合筒12内物料向上导入壳体5内，进而便于物料顺利进入转鼓4内进行分离萃取操作，有效避免物料进入壳体5与转鼓4侧面之间的间隙中。

待萃取物料和萃取剂以一定压力进入混合筒内部，可以避免传统结构中立式环隙式液液离心萃取机的“环隙”腔体，即本发明实现了旋转的转鼓4外侧面与物料不接触，也就不会产生搅动物料产生涡流消耗的功率、与物料接触摩擦消耗的功率以及物料冲刷磨损转鼓外表面、发热等问题，同时避免转鼓侧面对物料的剪切作用而造成物料乳化等问题。

所述混合筒12与转鼓的4的直径比为1:(2～3)，所述混合筒能够容纳两相液体进料的最大瞬时流量。混合筒直径较小，远小于转鼓的直径，两相物料在混合筒较小直径形成的较小容腔内，可充分混合，相接触面大，有利于提高混合效果。

所述转鼓4底面设有物料进口，所述转鼓4顶面设有重相流道以及轻相流道，所述壳体5侧面设有与重相流道连通的重相出口N3以及与所述轻相流道连通的轻相出口N2，所述转鼓4内侧面设有多个沿转鼓4周向间隔布置的叶片43，所述叶片43能够使物料快速达到与转鼓4相同的转速，加速两相液体的分离。

如图3、4所示：所述转鼓4的下轴端42上安装有将物料向上提升的搅拌桨11，所述搅拌桨11包括搅拌桨套111以及多个沿所述搅拌桨套111周向间隔布置的桨叶110，所述搅拌桨11的外直径小于所述转鼓4底面物料进口13的直径。

本发明所述转鼓4的下轴端42下伸至混合筒12上方，下轴端42上设置有搅拌桨11。搅拌桨11安装在转鼓4的鼓底物料进口13内，搅拌桨11的外直径小于鼓底物料进口13的直径，形成环隙。物料被吸入转鼓4筒体内部，在该环隙处，在搅拌桨11的搅动下，进一步打散、混合、传质，最终完成传质过程。

搅拌桨11的外直径很小，一方面线速度小，所耗搅拌功率小；另一方面对物料的剪切作用有限，是一种弱剪切，对于易乳化体系有利。

如果需要加强混合、剪切作用，可在下轴端42上设置2个或多个搅拌桨11，形成多重搅拌、混合，加大搅拌和剪切作用。

搅拌桨11由桨叶110和搅拌桨套111组成，桨叶110与下轴端42形成间隙配合，一般设置键以传递扭矩。根据搅拌桨11外直径的大小，桨叶一般设置3～4片。如图3所示，搅拌桨套111呈右旋(从搅拌桨主视方向看去，桨叶左边低，右边高)，如此随着下轴端的顺时针旋转，将物料抬升，形成抽吸作用，吸入转鼓4筒体内部。

以上剪切作用的减少或增加，离心萃取机的转速均无须改变，不改变离心萃取机的技术参数。

如图5、6所示：所述转鼓4的上轴端41通过弹性组件9安装在机架14上，所述弹性组件9包括与上轴端41同轴布置的球形安装座95、环形弹性元件92、球面轴承座94、轴承93以及压盖91，所述球形安装座95通过安装座连接法兰10与机架14安装面固定连接，所述球面轴承座94位于球形安装座95内侧且所述球面轴承座94由圆柱筒体构成，所述球面轴承座94外底面为球面且该球面的直径与所述球形安装座95内直径吻合，所述轴承93安装在球面轴承座94内侧，所述环形弹性元件92填充在球形安装座95与球面轴承座94之间，所述压盖91安装在所述轴承93上端用于限制轴承93与环形弹性元件92的轴向窜动。

本发明所述下轴端42不设置轴承支撑，转鼓4处于上悬式悬臂状态，因此转鼓4在旋转过程中会偏摆，偏摆角为α。α过大，会使旋转的转鼓与其它配套部件干涉，带来安全隐患，必须对偏摆角α进行限制。但又不能使偏摆角α为0°，如果α＝0°，转鼓处于硬支撑状态，径向的偏摆力均左右在轴承上，导致快速发热、失效。所以，必须使偏摆角α受限在一定角度范围内，不致于干涉。

本发明通过所述弹性组件9解决上述问题，本发明转鼓4的上轴端41上设置有轴承93，轴承93内圈与上轴端41外表面形成过盈配合，轴承93安装在球面轴承座94内，轴承93外圈与球面轴承座94内表面形成间隙或过渡配合。

球面轴承座94为圆柱筒体、底部外表面为球面结构，球形安装座95的内表面也为同尺寸球面，该两球面配合安装，可实现360°摆动。球形安装座95通过安装座连接法兰10与机架14安装面固定连接。

球面轴承座94的圆柱筒体外表面与球形安装座95内表面之间填充安装环形弹性元件92。当处于悬臂状态的转鼓4在旋转过程中发生偏摆，其偏摆发生的位移就会被环形弹性元件92吸收。如图5所示的偏摆，则环形弹性元件92右侧被压紧，吸收其偏摆位移。根据这一原理，可以通过选择合适弹性系数的环形弹性元件92，即可控制转鼓4的偏摆角为α，使其偏摆量控制在合适范围内。同时，环形弹性元件92对整个旋转体的偏摆还起到吸收振动的作用。

压盖安装在轴承上方，一方面限制轴承的轴向移动，另一方面也限制环形弹性元件受摆动后轴向窜动。

Claims (5)

1.一种上悬式低功耗弱剪切型液液离心萃取机，其特征在于：包括同轴布置的壳体(5)以及转鼓(4)，所述转鼓(4)的上轴端(41)通过联轴器(2)与电机(1)驱动轴连接，所述转鼓(4)的下轴端(42)悬置在所述壳体(5)内，所述壳体(5)外底面设有与转鼓(4)同轴布置且与壳体(5)内部相通的物料混合筒(12)，所述混合筒(12)的外侧面设有沿混合筒(12)切向布置的待萃取物料进口(N1)以及萃取剂进口(N4)，所述混合筒(12)内侧面设有物料分散叶片(120)，所述壳体(5)内底面设有与转鼓(4)同轴布置的向心叶轮结构(15)；所述转鼓(4)的下轴端(42)上安装有将物料向上提升的搅拌桨(11)，所述搅拌桨(11)包括搅拌桨套(111)以及多个沿所述搅拌桨套(111)周向间隔布置的桨叶(110)，所述搅拌桨(11)的外直径小于所述转鼓(4)底面物料进口(13)的直径。

2.如权利要求1所述的上悬式低功耗弱剪切型液液离心萃取机，其特征在于：所述转鼓(4)顶面设有重相流道以及轻相流道，所述壳体(5)侧面设有与重相流道连通的重相出口(N3)以及与所述轻相流道连通的轻相出口(N2)，所述转鼓(4)内侧面设有多个沿转鼓(4)周向间隔布置的叶片(43)。

3.如权利要求1所述的上悬式低功耗弱剪切型液液离心萃取机，其特征在于：所述转鼓(4)的上轴端(41)通过弹性组件(9)安装在机架(14)上，所述弹性组件(9)包括与上轴端(41)同轴布置的球形安装座(95)、环形弹性元件(92)、球面轴承座(94)、轴承(93)以及压盖(91)，所述球形安装座(95)通过安装座连接法兰(10)与机架(14)安装面固定连接，所述球面轴承座(94)位于球形安装座(95)内侧且所述球面轴承座(94)由圆柱筒体构成，所述球面轴承座(94)外底面为球面且该球面的直径与所述球形安装座(95)内直径吻合，所述轴承(93)安装在球面轴承座(94)内侧，所述弹性元件(92)填充在球形安装座(95)与球面轴承座(94)之间，所述压盖(91)安装在所述轴承(93)上端用于限制轴承(93)与弹性元件(92)的轴向窜动。

4.如权利要求1所述的上悬式低功耗弱剪切型液液离心萃取机，其特征在于：所述混合筒与转鼓的直径比为1:(2～3)。

5.如权利要求1所述的上悬式低功耗弱剪切型液液离心萃取机，其特征在于：所述待萃取物料进口(N1)以及萃取剂进口(N4)关于混合筒(12)轴线对称布置。

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