СОРБЦИОННЫЙ АППАРАТ
SORPTION APPARATUS

Область техники
Изобретение относится к устройствам для сорбционного извлечения полезных компонентов из растворов и пульп (сорбционное выщелачивание) и может быть использовано в гидрометаллургии редких, цветных и благородных металлов.
Уровень техники
Известны сорбционные аппараты, являющиеся разновидностью аппаратов смесителей-отстойников типа «Пачук», представляющие собой вертикальные аппараты, снабженные одним или несколькими эрлифтами, служащими для перемешивания смолы и раствора (пульпы), выгрузки смолы и откачки потока смола-раствор или смола-пульпа на дренажи, с которых смола возвращается в аппарат, а раствор (пульпа) движется дальше по цепочке [Рябчиков Б.Е., Захаров Е.И. Оборудование для ионного обмена // М.: ЦНИИЦветметинформация,  1974, с. 23-25]. Недостатком данных аппаратов является неравномерное распределение пульпы по сеткам дренажей, на которые откачивается смола, и значительный износ дорогостоящих сорбентов вследствие их механического разрушения при столкновении с сеткой дренажей, что ведет к увеличению эксплуатационных затрат.
Известен также сорбционный аппарат, включающий корпус, узел дренажа, патрубки подвода и отвода пульпы и ионита, транспортирующую трубу эрлифта, выполненную с окнами, расположенными ниже уровня пульпоионитной смеси, патрубок для подвода сжатого воздуха с отверстиями в зоне диспергации воздуха. Наличие окон в транспортирующей трубе эрлифта позволяет достичь саморегулирования уровня пульпоионитной смеси в аппарате, и, следовательно, стабилизации рабочего уровня пульпы при неизменном расходе сжатого воздуха (SU 1169240, опубл. 23.03.1986). Недостатком данного аппарата является конструкция устройства для диспергации воздуха, представляющая собой трубу с отверстиями, в которые может забиваться пульпа, что приведет к снижению производительности сорбционного аппарата. Другим недостатком аппарата является узел дренажа, представляющий собой сетки, на которые подается пульпа для разделения ионита и раствора (пульпы), что приводит к увеличению расхода сорбента из-за его истирания и увеличению затрат на досыпку сорбента.
Наиболее близким к предложенному изобретению по технической сущности и достигаемому результату, выбранному в качестве прототипа, является сорбционный аппарат по SU 1187870, опубл. 30.10.1985, содержащий цилиндрический корпус с расположенным в нем эрлифтом, циркулятором и диспергатором, патрубки ввода и вывода пульпы и ионита, дренаж, расположенный выше уровня пульпы и дополнительные дренажи, расположенные ниже уровня пульпы и соединенные с ними тележки, установленные с возможностью перемещения. Применение дополнительных дренажей, расположенных ниже уровня пульпы, позволяет снизить расход сжатого воздуха за счет того, что основной поток пульпы отводится самотеком через них, а не посредством принудительной циркуляции пульпы через верхний дренаж. Недостатком известного аппарата является наличие внешнего перемешивания во всем рабочем объеме аппарата, что может привести к снижению пропускной способности дренажей за счет налипания пульпы на сетку дренажей. Кроме того, наличие дренажного устройства, расположенного выше уровня пульпы, на которое часть пульпы подается эрлифтом, способствует большему износу сорбента, чем при разделении пульпы на дренажных устройствах, расположенных ниже уровня пульпы.
Раскрытие изобретения
Задачей предложенного изобретения является повышение надежности работы сорбционного аппарата в периодическом и непрерывном режиме и сокращение эксплуатационных затрат.
Техническим результатом является предотвращение снижения пропускной способности дренажных устройств и диспергатора с течением времени из-за забивания их пульпой, а также снижение механического истирания сорбента при столкновении сорбента с дренажным устройством сорбционного аппарата и, как следствие, сокращение расхода сорбента и улучшение эксплуатационных характеристик.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что в сорбционном аппарате, содержащем цилиндрический корпус, эрлифт, циркулятор, размещенный в центральной части его корпуса, диспергатор, патрубки ввода и вывода пульпы или раствора  и сорбента, дренаж, расположенный ниже уровня пульпы, согласно заявляемому изобретению, дренаж выполнен в виде  погружного  цилиндрического устройства, с коническим днищем и цилиндрической крышкой, в боковую поверхность которой вмонтирована дренажная труба, выполненная с возможностью вывода из аппарата самотеком раствора или пульпы, при этом диспергатор, выполнен в виде перфорированной трубы, на внешней поверхности которой размещены вплотную друг к другу эластичные элементы,  закреплен внутри  циркулятора  и соединен с патрубком  для подачи сжатого воздуха.
Эластичные элементы могут быть выполнены из резины, термопластичных или полиуретановых эластомеров.
Для обеспечения контроля за концентрацией сорбента в рабочем объеме сорбционного аппарата с целью достижения оптимальных технологических показателей для процесса сорбции, таких как сорбционная емкость ионита (сорбента) по целевому компоненту, состав маточного раствора сорбции, на крышку аппарата,  он дополнительно содержит устройство контроля концентрации сорбента в рабочем объеме, выполненное в виде емкости, размещенной в верхней части корпуса, и снабженной мерным цилиндром, запорной арматурой и эрлифтом для подачи  смеси пульпы или раствора и сорбента.
Посредством эрлифта, помещенного в рабочий объем аппарата, закачивается смесь раствора (пульпы) и сорбента, после прекращения подачи воздуха в эрлифт сорбент оседает в нижней части мерного цилиндра, его объем замеряется и рассчитывается концентрация сорбента в рабочем объеме сорбционного аппарата. Концентрация сорбента в рабочем объеме аппарата регулируется за счет увеличения или снижения потока сжатого воздуха, подаваемого на циркуляцию раствора (пульпы). Применение данного устройства обеспечивает наиболее полное использование обменной емкости сорбента, что позволяет экономить сорбент в процессах сорбционного концентрирования ценных компонентов из растворов и пульп.
Для поддержания реакционной температуры на стадии сорбции из раствора или пульпы в центральную часть рабочего объема аппарата устанавливают змеевик, в который подается тепловой агент.
Для запуска сорбционного аппарата после аварийной и плановой остановки на дно аппарата дополнительно устанавливают диспергатор, представляющий собой систему пластин, позволяющих вводить в пульпу сжатый воздух через трубопровод, заведенный в дно аппарата, и одновременно предотвращающих ее проникновение в данный трубопровод.
Предотвращение снижения пропускной способности дренажных устройств, обеспечивающих разделение ионита и пульпы (раствора) происходит за счет применения погружного цилиндрического дренажного устройства, в котором отсутствует внешнее перемешивание - перемешивание пульпы во всем рабочем объеме аппарата, в том числе, вблизи сетчатой поверхности дренажной трубы, через которую отводится раствор или пульпа после сорбции. В  заявляемом изобретении сетчатая поверхность дренажной трубы находится внутри цилиндрического корпуса  погружного дренажного устройства, который представляет собой отстойник, где смесь пульпы и сорбента перестает двигаться, как бы «успокаивается», и происходит отделение насыщенной по ценному компоненту  сорбента  (которая через нижнюю часть погружного дренажного устройства попадает в рабочий объем аппарата, затем  оседает на дне аппарата и откачивается из него эрлифтом) от пульпы или раствора (которые выводятся через сетчатую поверхность дренажной трубы). В прототипе дренажи, находящиеся ниже уровня пульпы, омываются пульпой непрерывно.
Таким образом, конструкция погружного дренажного устройства аппарата позволяет исключить сильное соударение сорбента и пульпы с сетчатой поверхностью дренажной трубы и сократить механическое разрушение сорбента, а также налипание пульпы на сетчатой поверхности дренажной трубы. При этом применение диспергатора, конструкция которого представляет собой перфорированную трубу, на внешней поверхности которой размещены плотно друг к другу эластичные элементы, обеспечивает получение мелкодисперсных пузырьков воздуха и их равномерное распределение в рабочем объеме аппарата, что приводит к получению одной и той же концентрации сорбента во всем рабочем объеме сорбционного аппарата, а также предотвращает засорение отверстий диспергатора пульпой и попадание пульпы в трубопровод подачи воздуха.
Конструкция аппарата предусматривает проведение процесса сорбции и в непрерывном и в периодическом режиме во взвешенном слое ионообменного сорбента (ионита). Конструкция разработанного сорбционного аппарата упрощает его обслуживание и позволяет легко автоматизировать процесс при переработке пульп или растворов и обеспечивает работоспособность как в качестве индивидуального сорбционного устройства, так и в составе каскада сорбционных аппаратов.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена общая схема сорбционного аппарата.
На фиг. 2 показана конструкция диспергатора.
Сорбционный аппарат содержит цилиндрический корпус 1 с коническим днищем и крышкой, циркулятор 2 (циркуляционная труба), закрепленная внутри корпуса аппарата  посредством опор 3, патрубок 4 для подачи сжатого воздуха в диспергатор 5, размещенный внутри циркулятора 2, погружное дренажное  устройство 6, выполненное в виде цилиндра с коническим днищем и цилиндрической крышкой, предназначенного для разделения потока раствора (или пульпы) и сорбента, и закрепленного в верхней части сорбционного аппарата посредством пластин 7, дренажную трубу 8, вмонтированную  перпендикулярно в цилиндрическую поверхность крышки погружного дренажного устройства 6, через которую выводится раствор (пульпа) из погружного дренажного устройства, патрубок для ввода раствора (пульпы) 9, патрубок для ввода сорбента 10, эрлифт для откачки сорбента 11 из отстойной зоны аппарата, патрубок 12 для подачи в него сжатого воздуха, диспергатор 13 для запуска аппарата после аварийной установки и патрубок 14 для подачи в него сжатого воздуха, змеевик 15 для поддержания температуры в рабочей зоне аппарата, устройство контроля концентрации сорбента 16 в рабочей зоне аппарата, выполненного в виде емкости, оборудованной в нижней части мерным цилиндром и запорной арматурой с эрлифтом для подачи в него смеси пульпы с сорбентом или сорбента с раствором 17  из рабочей зоны , патрубком 18 для подачи в эрлифт сжатого воздуха  и воздушника 19 для отвода избытка воздуха, подаваемого в аэролифт, в рабочий объем аппарата.
Диспергатор 5, представленный на фиг. 2, содержит  перфорированную трубу 20, на внешнюю поверхность которой помещены плотно друг к другу эластичные элементы 21, закрепленные посредством шайб 22 и гаек 23.
Аппарат работает следующим образом.
Раствор или пульпа подаются в цилиндрический корпус аппарата 1 через патрубок 9, расположенный в нижней части корпуса аппарата, сорбент (ионит) подается через патрубок 10, закрепленный в верхней части корпуса аппарата. Сжатый воздух через патрубок 4 подается в диспергатор 5, обеспечивающий получение мелкодисперсных однородных пузырьков воздуха, который входит вовнутрь циркулятора 2, в котором раствор (пульпа) смешивается с сорбентом (ионитом) и обеспечивается циркуляция пульпы по всему рабочему объему сорбционного аппарата за счет движения смеси вверх и от центра к периферии. Полученная пульпа пребывает расчетное время в рабочем объеме сорбционного аппарата, далее разделяются потоки раствора (или пульпы) и сорбента в погружном дренажном устройстве 6, из которого раствор (или пульпа) выводится через дренажную трубу 8 из аппарата, а сорбент через нижнюю часть погружного дренажного устройства 6 попадает снова в рабочую зону аппарата. Насыщенный по ценному компоненту сорбент осаждается на дно аппарата и откачивается в следующий аппарат на регенерацию с помощью эрлифта для откачки сорбента 11 посредством подачи в него сжатого воздуха через патрубок 12, в случае использования аппарата в качестве индивидуального сорбционного устройства, или в следующий сорбционный аппарат при реализации узла сорбционного концентрирования в виде каскада сорбционных аппаратов. Для обеспечения контроля за концентрацией сорбента в рабочем объеме сорбционного аппарата на его крышку устанавливается устройство 16, в которое посредством эрлифта для подачи смеси сорбента и раствора (пульпы) 17, помещенного в рабочий объем аппарата, закачивается смесь раствора (пульпы) и сорбента, после прекращения подачи воздуха в эрлифт 17 сорбент оседает в нижней части мерного цилиндра устройства 16, его объем замеряется и рассчитывается концентрация сорбента в рабочем объеме сорбционного аппарата. Концентрация сорбента в рабочем объеме аппарата регулируется за счет увеличения или снижения потока сжатого воздуха, подаваемого через диспергатор 5 в циркулятор 2, в котором создается циркуляция раствора (пульпы) за счет подачи сжатого воздуха через патрубок 4 в диспергатор 5. Для поддержания температуры среды в центральную часть рабочего объема аппарата установлен змеевик 15, в который подается тепловой агент (вода или пар). На дно аппарата установлен дополнительный диспергатор 13 для обеспечения запуска сорбционного аппарата после аварийной или плановой остановки, выполненный в виде нескольких пластин из эластичного материала, помещенных на трубопровод, заведенный в дно аппарата, через который вводится в осевшую на дно пульпу сжатый воздух, , тем самым поднимая ее в рабочую зону аппарата. Пластины диспергатора имеют цилиндрическую форму, могут иметь основание как одного и того же диаметра, так и различного диаметра, в этом случае снизу располагаются пластины с большим диаметром, а сверху – с меньшим.
Принимая во внимание особенности и преимущества изобретения, объем правовой охраны испрашивается в виде следующей совокупности существенных признаков изобретения:
1. Сорбционный аппарат, содержащий корпус, эрлифт, циркулятор, диспергатор, патрубки для ввода и вывода пульпы или раствора, а также сорбента, дренаж, расположенный ниже уровня пульпы, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что дренаж выполнен в виде погружного дренажного устройства с сужающимся днищем и с дренажной трубой, обеспечивающей вывод из аппарата самотеком пульпы или раствора, диспергатор выполнен в виде перфорированной трубы, на внешней поверхности которой размещены эластичные элементы расположен внутри циркулятора и соединен с патрубком для подачи сжатого воздуха.
2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что эластичные элементы выполнены, в частности, из резины, термопластичных или полиуретановых эластомеров, и размещены вплотную друг к другу.
3. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что дренажная труба вмонтирована в боковую поверхность крышки погружного дренажного устройства.
4. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит устройство контроля концентрации сорбента в рабочем объеме, выполненное в виде емкости, размещенной в верхней части корпуса, и снабженной мерным цилиндром, запорной арматурой и эрлифтом для подачи пульпы или раствора, а также сорбента из рабочей зоны аппарата.
5. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что в центральной части корпуса установлен змеевик с размещенным внутри него тепловым агентом, служащий для поддержания реакционной температуры на стадии сорбции из раствора или пульпы в центральную часть рабочего объема аппарата, при этом циркулятор также размещен в центральной части корпуса.
6. Аппарат по п. 5, отличающийся тем, что в качестве теплового агента используется вода или водяной пар.
7. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что на дне корпуса установлен дополнительный диспергатор, выполненный с возможностью обеспечения запуска аппарата в случае его остановки.
8. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что содержит цилиндрический корпус и погружное цилиндрическое дренажное устройство, днище которого выполнено коническим.
9. Аппарат по любому из п.п. 1-8, отличающийся тем, что конструкция диспергатора обеспечивает получение мелкодисперсных пузырьков воздуха и их равномерное распределение в рабочем объеме аппарата, что приводит к получению одной и той же концентрации сорбента во всем рабочем объеме сорбционного аппарата, а также предотвращает засорение отверстий диспергатора пульпой или раствором и попадание пульпы или раствора в трубопровод подачи сжатого воздуха, соединенный с патрубком подачи сжатого воздуха.
10. Аппарат по любому из п.п. 1-8, отличающийся тем, что конструкция погружного дренажного устройства обеспечивает возможность исключить сильное соударение сорбента и пульпы с поверхностью дренажной трубы и сократить механическое разрушение сорбента, а также налипание пульпы или раствора на поверхности дренажной трубы.
11. Аппарат по любому из п.п.1-8, отличающийся тем, что в качестве сорбента используется ионит, например, ионообменная смола, неорганический ионообменный сорбент, или активированный уголь.
12. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что в диспергатор, расположенный внутри циркулятора, может подаваться как сжатый воздух, так и смесь сжатого воздуха с другими газами, обеспечивающими интенсификацию процесса сорбции в зависимости от особенностей конкретной технологии, в частности, углекислый газ, сернистый газ, аммиак, сероводород.
Предложенная конструкция сорбционного аппарата позволяет при проведении непрерывного процесса сорбции из раствора или пульпы повысить надежность работы аппарата, упростить его обслуживание, сократить эксплуатационные затраты за счет сокращения потерь дорогостоящего сорбента.