УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ПОЛЕЗНЫХ КОМПОНЕНТОВ ИЗ ТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА РАСТВОРИТЕЛЕМ

Полезная модель относится к аппаратам для проведения процессов взаимодействия жидкости и твердых частиц, а именно для выщелачивания из частиц твердого материала растворимых компонентов с помощью жидкого растворителя. Устройство может быть использовано для переработки сырья и отходов предприятий гидрометаллургического, горно-обогатительного производств и в химической промышленности для извлечения целевых компонентов.
Процесс выщелачивания, предусматривающий избирательное растворение одного или нескольких компонентов преимущественно кислым или щелочным растворителем, осуществляют в колонном (трубчатом) аппарате, заполняемом сверху исходным твердым сыпучим материалом, а снизу в колонну под напором и при воздействии пульсаций различной интенсивности подают растворитель, что обеспечивает образование в ней пульсирующего потока жидкости. Благодаря созданию переменных скоростей движения растворителя вокруг частиц твердого материала интенсифицируется выщелачивание целевых компонентов.
Следует отметить, что рассматриваемые производства характеризуются большими объемами взаимодействующих сред и осуществляются в оборудовании большой единичной производительности, имеющем диаметр до трех метров и высоту до нескольких десятков метров, и вследствие этого требующем значительных капитальных, энергетических и эксплуатационных затрат. С целью минимизации размеров оборудования и затрат на осуществление в нем процесса выщелачивания проанализируем известные из уровня техники устройства, аналогичные по технической сущности заявляемому.
Известно устройство для обеспечения интенсивного контакта в противотоке частиц твердого вещества и небольшого количества жидкости (заявка Франции №2630024, МПК B01J 8/16, 20.10.89).
Устройство содержит колонну, верхняя часть которой снабжена переливным порогом, охваченным камерой с патрубком для подачи твердого материала в колонну и патрубком слива раствора, получаемого в результате контакта при противотоке частиц твердого материала и жидкости, пульсационную камеру с патрубком, сообщающим ее верхнюю часть с источником пульсаций и с патрубком подачи растворителя, при этом патрубок подачи растворителя установлен в верхней части пульсационной камеры, а низ пульсационной камеры сообщен трубой с нижней частью колонны.
В данном устройстве все предусмотрено для осуществления непрерывного процесса избирательного растворения одного, а чаще нескольких компонентов из твердого материала растворителем. Пульсационную камеру и соединенную с ней колонну заполняют через специально предусмотренный в пульсационной камере патрубок растворителем до уровня перелива в колонне, после чего продолжают подавать растворитель с постоянным расходом, а сверху в колонну непрерывно загружают расчетное количество твердого материала. Подачей сжатого воздуха (импульса давления) от источника пульсаций через патрубок в верхней части пульсационной камеры воздействуют на столб жидкости в ней, в результате чего уровень жидкости здесь понижается, из пульсационной камеры она вытесняется в колонну и отводится из нее через переливной порог. При последующей сдувке воздуха из пульсационной камеры уровень растворителя в ней поднимается за счет перетока жидкости из колонны в пульсационную камеру под действием разницы гидростатических столбов в колонне и пульсационной камере.
Разнонаправленное движение жидкости (вверх-вниз) в колонне от воздействия пульсаций накладывается на постоянный расход растворителя через аппарат. Вследствие этого растворитель проходит через слой твердого материала с изменяющейся (увеличивающейся при подачи импульса и уменьшающейся при сдувке воздуха из пульсационной камеры) скоростью, что интенсифицирует выщелачивание целевых компонентов.
Полученный при выщелачивании раствор выливается из колонны через переливной порог в охватывающую его камеру и далее через патрубок в днище последней удаляется из колонны. Твердый же материал по мере выщелачивания перемещается по колонне вниз, откуда выгружается через предусмотренный здесь выгрузной патрубок.
Устройство по заявке Франции может успешно использоваться для выщелачивания из исходного материала быстрорастворимого целевого компонента. В этом случае частицы твердого материала, загружаемого в аппарат, могут быть достаточно крупными, что несущественно влияет на скорость и степень выщелачивания. Взвешивание и унос таких частиц из аппарата с раствором может происходить только при значительных скоростях восходящего потока растворителя, а высота колонны при этом определяется только объемной производительностью по твердому материалу.
Иной подход к выбору оборудования должен быть при использовании исходного твердого сырья, содержащего труднорастворимый целевой компонент. В этом случае для ускорения и увеличения полноты процесса выщелачивания твердые частицы должны быть измельчены до минимально возможного размера, чтобы обеспечить легкий доступ растворителя к целевому компоненту. Такие частицы легко взвешиваются на значительную высоту даже при небольшой скорости восходящего потока растворителя. Поэтому для предотвращения уноса частиц из колонны с раствором требуется увеличение ее высоты. При этом из-за возросшего свободного пространства между отдельными частицами возникает возможность их свободного перемещения во всем объеме колонны, чем обусловливается уменьшение движущей силы массообмена в результате «вредного» смешения начала процесса с его концом и соответствующее уменьшение производительности колонны.
Этого недостатка лишено устройство для выщелачивания полезных компонентов из твердого материала агрессивным растворителем по патенту РФ №2340686, МПК G01N 8/16, 8/42, С22B 3/02, публ. 2008 г., принятое за прототип.
Устройство-прототип содержит колонну, верхняя часть которой снабжена переливным порогом, охваченным камерой с патрубком для подачи твердого материала в колонну, и патрубком слива раствора, полученного при выщелачивании. Пульсационная камера с патрубком подачи растворителя, установленным в ее нижней части, выполнена с расширенным участком, расположенным выше переливного порога. Низ пульсационной камеры сообщен с нижней частью колонны трубой, расположенной под углом 30-60° к горизонтали, а верх сообщен с источником пульсаций. Кроме того, в соответствии с п.2 формулы изобретения-прототипа, колонна снабжена поперечными тарелками провального типа, предотвращающими унос мелких частиц восходящим потоком жидкости. Тарелки ограничивают перемещение твердых частиц и жидкостных потоков по высоте колонны межтарелочными промежутками, не препятствуя при этом последовательному их перетоку из промежутка в промежуток через переточные отверстия в тарелках.
Но и устройство-прототип не лишено недостатков, обусловленных прежде всего размерами этих устройств. Корпуса колонн, диаметр которых достигает трех метров, как правило, изготавливают из цилиндрических обечаек методом вальцовки листовых заготовок. Изготовление обечаек такого большого диаметра может давать эллипсность - превышение размера большей оси над меньшей - до трех процентов, т.е. порядка 90 мм по диаметру или 45 мм по радиусу. Внешний диаметр вставляемой в обечайку тарелки получают методом механической обработки (на карусельном станке), и ее кромка представляет собой геометрическую окружность. Поэтому диаметр тарелок гарантированно не должен превышать меньший диаметр эллипсной обечайки. В результате между наружной кромкой тарелки и внутренним диаметром колонны образуется кольцевой зазор, площадь которого может составлять до 6% площади тарелки. Если учесть, что общее «свободное сечение» тарелок - сумма площадей всех переточных отверстий составляет 15-20% от площади тарелки, то кольцевой зазор площадью 6% от площади тарелки - значительная величина, нарушающая равномерное распределение встречных потоков жидкости и твердого материала по сечению колонны.
Зазоры между корпусом колонны и кромками тарелок образуют сквозную щель по всей высоте колонны, что обусловливает преимущественное течение сред через нее не только из-за ее значительной площади, но и вследствие гидродинамической особенности более свободного перемещения подвижных сред вдоль вертикальных стенок - проявления «пристенного» эффекта.
Кроме того, при выщелачивании, сопровождающемся тепловым эффектом (эндотермическим или экзотермическим), требуется ввод по высоте колонны и распределение по ее поперечному сечению охлаждающего или подогревающего реагирующую смесь в колонне жидкостного потока. Эта операция не осуществима в устройстве-прототипе.
Вышеперечисленных недостатков лишена заявляемая полезная модель.
Заявляемое устройство для выщелачивания полезных компонентов растворителем, как и прототип, содержит колонну с тарелками провального типа, верхняя часть которой имеет переливной порог, охваченный камерой с патрубками подачи твердого материала в колонну и слива раствора, полученного при выщелачивании, а нижняя часть с патрубками подачи растворителя и выгрузки нерастворенного твердого материала сообщена с пульсационной камерой, соединенной с источником пульсаций.
Отличается заявляемое устройство от прототипа тем, что тарелки собраны в пакеты, в которых смежные тарелки дистанционированы кольцевыми обечайками, пакеты закреплены в корпусе колонны с кольцевым зазором, перекрытом перегородкой в верхней части пакета. Кроме того, в каждом пакете тарелки и дистанционирующие обечайки могут быть скреплены между собой и с выполненной заодно с корпусом колонны перегородкой, перекрывающей кольцевой зазор сверху, с помощью крепежных изделий, например, шпилек с гайками. Заявляемое устройство может быть снабжено дополнительными патрубками для технологических сред, расположенными на уровне пакетов тарелок с возможностью выхода сред в кольцевой зазор, и штуцерами для приборных датчиков, размещенными на уровне между пакетами.
На прилагаемых к заявке чертежах представлены варианты выполнения заявляемого технического решения. На фигуре 1 изображен общий вид устройства для выщелачивания, а на фигурах 2 и 3 - варианты выполнения пакетов тарелок и их крепления в корпусе колонны.
Устройство для выщелачивания полезных компонентов растворителем содержит вертикальную колонну 1, выполненную из обечаек 2. Высота колонны может достигать несколько десятков метров, а диаметр 1,5-3,0 м. Обечайки 2 могут быть все одного диаметра (фиг.2) или разного диаметра (фиг.3). В реакционной части колонна 1 снабжена поперечными тарелками 3 провального типа, расстояния между которыми обеспечены длиной (высотой) расположенных между ними сплошных цилиндрических дистанционирующих обечаек 4.
Верхняя часть колонны 1 снабжена переливным порогом 5, охваченным камерой 6 с патрубком 7 для подачи твердого материала в колонну 1 и патрубком 8 для слива раствора, получаемого при выщелачивании. В нижней части днища колонны 1 имеется патрубок 9 для ее опорожнения. Параллельно колонне 1 установлена вынесенная пульсационная камера 10 с патрубком 11 для подачи растворителя. Нижняя часть пульсационной камеры 10 сообщена трубой 12 с нижней частью колонны 1, подобно сообщающимся сосудам. Верхняя часть пульсационной камеры 10 сообщена патрубком 13 с источником пульсаций.
Тарелки 3 собраны в пакеты 14. Каждый пакет 14 может содержать от двух до пяти-шести тарелок. Для закрепления каждого пакета 14 на внутренней поверхности колонны предусмотрена кольцевая перегородка 15 (см. фиг.2), при этом в пакете тарелки 3 могут быть скреплены между собой крепежными шпильками 16 с гайками. Пакет 14 тарелок 3 с дистанционирующими обечайками 4 установлен с кольцевым зазором 17 к внутренней поверхности корпуса колонны 1, причем кольцевая перегородка 15 расположена в каждом пакете 14 сверху, перекрывая собой кольцевой зазор 17 сверху. Между пакетами 14 дистанционирующих обечаек нет.
На фиг.3 представлен второй вариант закрепления пакетов 14 тарелок 3 в колонне 1. В данном случае колонна 1 выполнена из двух типоразмеров обечаек, высоких и низких, скрепленных поочередно между собой фланцами. При этом короткая обечайка играет роль перегородки 15, перекрывающей сверху кольцевой зазор 17 в каждом пакете 14, а также верхней дистанционирующей обечайки. Для этого ее выполняют с внутренним диаметром и высотой как у дистанционирующей обечайки и закрепляют в пакете тарелок крепежом 16, обеспечивая тем самым крепление пакета к корпусу колонны.
Устройство для выщелачивания снабжено дополнительными патрубками 18 для подвода технологических сред в межтарелочные зазоры 17, а также штуцерами 19 для приборных датчиков. Штуцера 19 размещены в промежутках между пакетами 14 тарелок 3.
Устройство для выщелачивания работает следующим образом.
Сначала через патрубок 11 подают растворитель, заполняя колонну 1 до переливного порога 5, До этого же уровня растворитель поднимается и в пульсационной камере 10, как в сообщающихся сосудах. Далее, не прекращая подачи жидкости в колонну 1, в пульсационную камеру 10 через патрубок 13 начинают импульсно подавать сжатый воздух, используя для этого специальное устройство, например пульсатор (на фиг.1 не показан). Посредством пульсатора в пульсационную камеру 10 с определенной частотой то подаются порции сжатого воздуха, то сдуваются из нее в атмосферу.
При подаче порции сжатого воздуха в пульсационную камеру 10 под действием его давления часть жидкости из нее перелавливается (вытесняется) в колонну 1, обеспечивая в ней во время импульса увеличение скорости восходящего жидкостного потока, поскольку перелавливаемая жидкость суммируется с непрерывно подаваемым через патрубок 11 потоком растворителя. Уровень жидкости в пульсационной камере 10 при этом понижается, а перемещенная в колонну 1 часть растворителя переливается через переливной порог 5 и далее удаляется из камеры 6 через патрубок 8. Затем поданная порция воздуха из пульсационной камеры 10 через патрубок 13 и пульсатор сдувается в атмосферу, снижая в пульсационной камере 10 давление над уровнем растворителя до атмосферного. Под действием разности гидравлических столбов в колонне 1 и в пульсационной камере 10 уровень раствора в последней поднимается. Как правило, импульс подачи воздуха в пульсационную камеру 10 короче, чем время сбрасывания из нее поданной порции в атмосферу. Это обеспечивается пульсатором и обусловлено тем, что движущая сила (давление подаваемого через пульсатор воздуха) может иметь практически любое заданное значение, тогда как при сбросе воздуха движущая сила - разность гидравлических сопротивлений - обычно невелика.
Сразу же за началом пульсаций в колонну 1 с постоянным заданным расходом (обычно посредством питателя, на фиг.1 не показанного) через патрубок 7 подают измельченный до определенной крупности твердый материал. При его попадании в растворитель начинается процесс выщелачивания ценных компонентов из частиц. В результате этого процесса в колонне 1 образуется раствор, содержащий ценные компоненты и удаляющийся из колонны 1 через переливной порог 5, а твердые частицы, теряя при контакте с растворителем все большее количество ценных компонентов, быстро опускаются в низ колонны 10, постепенно заполняя снизу ее реакционное пространство, оснащенное тарелками 3. По достижении слоем частиц уровня колонны 1, с которого начинается унос их через переливной порог 5, производят выгрузку твердого материала из колонны 10 через патрубок 9. С этого момента процесс выщелачивания считается установившимся. Он может продолжаться сколь угодно долго без какого-либо дополнительного воздействия на его протекание.
При этом противоточное перемещение взаимодействующих фаз через тарелки 3 происходит только по сквозным отверстиям (провалам), равномерно распределенным по поверхности тарелок 3. Кольцевые зазоры 17 не влияют на равномерность распределения сред, поскольку они, независимо от величины, не имеют сквозного прохода вдоль пакетов 14, перекрытые сверху кольцевой перегородкой 15. Пульсационное перемешивание сред, достигаемое в совокупности с установкой в реакционной части колонны 1 поперечных тарелок 3 с переточными окнами, обеспечивают непрерывный интенсивный процесс выщелачивания.
Иногда процесс выщелачивания сопровождается тепловым эффектом: экзотермическим - с выделением тепла (при этом взаимодействующая среда в колонне нагревается, причем часто до недопустимо высокой температуры) или эндотермическим - с поглощением тепла (температура среды понижается, резко замедляя процесс выщелачивания). В обоих случаях требуется регулирование температуры взаимодействующих материалов, которое легче всего технологически осуществить путем подмешивания к смеси в колонне 1 извне соответственно горячего или холодного жидкого раствора. Для этого в колонне 1 по высоте предусмотрены патрубки 18 для ввода соответствующего жидкого раствора и штуцера 19 для установки датчиков приборов, контролирующих температуру, состав и другие технологические параметры смеси в колонне 1.
Очевидно, что именно зазор 17 является наилучшим распределителем потока температурорегулирующего раствора в реагирующую смесь в колонне 1 Раствор попадает в смесь через открытый нижний торец зазора 17 по всей его кольцевой длине. Распределение подаваемого раствора можно улучшить, если патрубок 18 врезать в корпус колонны 1 тангенциально к ее поверхности в горизонтальной плоскости. Штуцера 19 для датчиков, наоборот, необходимо врезать в основной поток реагирующей смеси в колонне 1, что конструктивно проще выполнить в промежутках между соседними пакетами 14 тарелок 3, где нет кольцевых дистанционирующих обечаек 4 и нет необходимости уплотнять штуцера 19 в местах пересечения с ними.