ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ОБРАБОТКИ РУДЫ С РАЗДЕЛЕНИЕМ ФАЗ
PLASMA CHEMICAL REACTOR FOR ORE PROCESSING WITH PHASE SEPARATION

Изобретение относится к устройству плазмохимического реактора, предназначенного для высокотемпературной обработки минеральных руд перед флотацией. Данный реактор может использоваться также для восстановления из окислов металлов (молибдена, свинца, олова) чистых металлов и освобождения сульфидных минералов от серы.
7
В патенте 2247154 (RU МПК С21В 13/02, опубл. 27.02.2005) описан реактор, снабженный устройством для загрузки материала под действием силы тяжести. В верхней части данного реактора расположена зона реакции, внутри которой происходит реакция восстановления. Реактор содержит также средства для ввода загружаемого материала через горловину реактора, средства для ввода потока газа, средство для выпуска восстановленного материала из нижней части реактора и средство для выпуска отходящих газов. Реактор включает верхнюю зону нагрева, предварительного восстановления и окончательного восстановления, имеющую конусное расхождение вниз, и вторую, нижнюю зону карбонизации и охлаждения, имеющую конусное схождение вниз.
Технический результат заключается в повышении эффективности процесса, осуществляемого в реакторе.
Общим с предлагаемой конструкцией реактора является корпус, средства для ввода загружаемого материала, средства для ввода потока газа, средство для выпуска восстановленного материала.
Конструкция данного реактора не позволяет обеспечить эффективное разделение газа и твердого материала непосредственно в корпусе реактора.
6
Из патента 2138929 (RU МПК H05H 1/24, Н05В 7/16, опубл. 27.09.1999) известен плазмохимический реактор, который содержит плазмотрон, форсунки для диспергирования раствора, реакционную камеру и подсоединенный к ее нижнему торцу патрубок вывода пылепарогазовой смеси. Патрубок размещен под углом 130-140°С к реакционной камере. Переход от реакционной камеры к патрубку вывода пылепарогазовой смеси выполнен в виде колена, а после колена установлена емкость для сбора некондиционного порошка.
Реализация данного плазмохимического реактора позволяет увеличить производительность в 10 раз, уменьшить количество некондиционного порошка с 25-30 до 0,1-0,3%, увеличить межостановочный пробег с 0,5-1,0 суток до 10 суток и более.
Общим с предлагаемой конструкцией реактора является корпус, устройство генерации плазмы (плазмотрон), средство для подачи раствора, устройство вывода продукта.
Недостаток аналогичен предыдущему аналогу.
6
В патенте 904223 (SU МПК B01J 19/08, опубл. 20.07.1999) описан также плазмохимический реактор, содержащий корпус, охлаждаемую реакционную камеру, установленную в корпусе, плазмотроны, газозакаливающее устройство, помещенное в реакционную камеру и выполненное в виде сверхзвукового сопла, и плазмоподводящие патрубки, соединяющие плазмотроны с газозакаливающим устройством.
При этом с целью интенсификации процесса и увеличения производительности за счет плавного регулирования критического сечения сверхзвукового сопла сверхзвуковое сопло выполнено в виде соосно установленных с возможностью взаимного перемещения напротив друг друга двух полых дисков, рабочие поверхности которых выполнены в виде тел вращения с криволинейными образующими, причем в одном из дисков выполнено центральное отверстие, соединенное с плазмоподводящим патрубком. Рабочая поверхность второго диска выполнена из гибкого жаропрочного материала, и в нем выполнено центральное отверстие, соединенное с плазмоподводящим патрубком.
Общими признаками с предлагаемой конструкцией реактора является наличие корпуса, устройства генерации плазмы.
Недостаток аналогичен предыдущему аналогу.
Наиболее близким (прототип) по технической сущности и достигаемому результату является плазмохимический реактор, описанный в [А.Л.Сурис. Плазмохимические процессы и аппараты. Изд-во "Химия", 1989 г., с.8-10.].
Известный плазмохимический реактор состоит из катода, изолятора, анода, смесительного устройства, реакционного канала, закалочного устройства, теплообменника, фильтра. Электрическая дуга образуется между катодом, выполненным из тугоплавкого материала, и медным водоохлаждаемым анодом, выполненным в виде сопла. Плазмообразующий газ (воздух, водород) выбирается в зависимости от типа проводимого процесса (термическая обработка руды перед флотацией, восстановление оксидов металлов). Проходя через зону разряда, газ нагревается, ионизируется и в виде плазменной струи со среднемассовой температурой 2000-10000 К вытекает в реактор. Струя поступает в камеру смешения реактора, где в нее вводится сырье. В реакционном канале происходит химическое взаимодействие реагентов с образованием целевых продуктов. Стенки реактора охлаждаются водой. Закалочное устройство и теплообменник предназначены для охлаждения продуктов реакции. В фильтре происходит отделение газов от твердых частиц. Из реактора в теплообменник с высокой скоростью поступает газопылевая смесь.
Недостатки прототипа заключаются в повышенной газообразивной эрозии стенок труб теплообменника, в результате чего возрастают эксплуатационные затраты. Кроме того, данный реактор характеризуется неоправданно большим временем контакта высокотемпературного газа и обрабатываемого материала (до 5 с), что приводит к снижению производительности реактора и ухудшению качества обработки сырья (оплавлению свинца и олова).
Задачей изобретения является расширение арсенала плазмохимических реакторов, предназначенных для высокотемпературной обработки минеральных руд перед флотацией.
Технический результат изобретения заключается в:
- увеличении производительности плазмохимического реактора по руде, при улучшении качества продукта;
- снижении капитальных и эксплуатационных затрат на охлаждение продуктов в теплообменнике и на его ремонт;
- сокращении времени контакта высокотемпературного газа и обрабатываемого материала;
- снижении потерь руды с отходящими газами.
Устранение указанных недостатков и достижение заявляемого технического результата от реализации плазмохимического реактора для обработки руды с разделением фаз, содержащего корпус, устройство генерации плазмы, устройства подачи газа и руды, устройство вывода продукта, достигают за счет того, что в нижней части корпуса реактора по его оси выполнены конусообразное устройство, обращенное вершиной вверх, которое обеспечивает уменьшение проходного сечения канала не менее чем в 2 раза, и кольцевая перегородка под конусообразным устройством, которую крепят к днищу аппарата, причем отвод газа из нижней части реактора обеспечивает центральная труба, а отвод руды - конические бункеры.
Сопоставительный анализ прототипа и заявляемого изобретения показывает, что общими конструктивными признаками является корпус, устройство генерации плазмы, устройства подачи газа и руды, устройства вывода продукта.
Отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что в нижней части корпуса реактора по его оси выполнены конусообразное устройство, обращенное вершиной вверх, которое обеспечивает уменьшение проходного сечения канала не менее чем в 2 раза, и кольцевая перегородка под конусообразным устройством, которую крепят к днищу аппарата, причем отвод газа из нижней части реактора обеспечивает центральная труба, а отвод руды - конические бункеры.
Сущность предлагаемого реактора иллюстрируется чертежом, где схематично показаны реактор, теплообменник и фильтр. Реактор содержит корпус 1, изолятор 2, анод 3, катод 13, смесительное устройство 5, реакционный канал 6, закалочное устройство 7, теплообменник 8, фильтр 9, конусообразное устройство 10, кольцевую перегородку 11, бункер 12.
Заявляемый плазмохимический реактор представляет собой цилиндрическую емкость (высотой 1400 мм и диаметром 400 мм). Корпус реактора 1 выполнен в виде футерованной изнутри стальной конструкции из листового металла, на нем смонтированы все узлы и механизмы реактора. В отличие от прототипа в заявляемом реакторе выполнены конусообразное устройство 10 и кольцевая перегородка 11, которую устанавливают под конусообразным устройством. Конусообразное устройство располагают по оси корпуса реактора вершиной вверх. Данное устройство уменьшает проходное сечение канала не менее чем в 2 раза. Центральная труба служит для отвода газа из нижней части реактора, а конические бункеры 12 служат для отвода руды.
5
Предлагаемый плазмохимический реактор работает следующим образом. Плазмообразующий газ выбирают в зависимости от типа проводимого процесса. После подвода электрической энергии, воды, газа и готовности системы включают зажигание электрической дуги 4. Производительность данного реактора по руде составляет 53 т/ч. В период работы реактора в корпусе создают избыточное давление (около 2,5·10 Па). Средняя температура среды в реакторе составляет 5800-6000°С.
Разделение высокотемпературного газа и частиц руды осуществляют непосредственно внутри корпуса нового реактора за счет инерционных сил, возникающих при изменении направления движения газопылевой среды. Последнее обеспечивают установленные в реакторе конусообразное устройство 10 и кольцевая перегородка 11 из огнеупорного материала, которая выполнена под конусообразным устройством. Конусообразное устройство располагают по оси корпуса реактора вершиной вверх. Данное устройство уменьшает проходное сечение канала не менее чем в 2 раза.
Движущаяся сверху вниз высокотемпературная газопылевая среда в канале между конусообразным устройством 10 и стенкой реактора отклоняется от первоначального направления, и твердые частицы под действием возникших инерционных сил отбрасываются к стенке. Далее частицы попадают в зазор между перегородкой 11 и стенкой реактора и поступают в бункер 12, откуда отводятся на охлаждение и далее на флотацию. Вывод из корпуса реактора газа и обработанной руды осуществляют раздельно, причем газ отводят из нижней части реактора по центральной трубе, а руду отводят через конические бункеры 12. Высокотемпературную газовую среду подают из реактора на охлаждение в теплообменник 8. Таким образом, разделение газа и твердых частиц осуществляют непосредственно в корпусе нового реактора, что позволяет сократить время контакта высокотемпературного газа и руды и снизить затраты на эксплуатацию и ремонт теплообменника 8.
Продолжительность контакта частицы руды с плазменным потоком в новом реакторе по сравнению с известным из прототипа реактором снижено с 1-5 с до 0,1-0,5 с за счет разделения газа и твердых частиц непосредственно в корпусе реактора. Это позволяет увеличить производительность реактора по руде практически на 20-30%, причем качество обработки руды повышается. Более продолжительное время (до 1-5 с) обработки ведет к оплавлению свинца и олова.
Таким образом, при реализации нового плазмохимического реактора создаются более благоприятные условия для проведения процесса, чем в прототипе.