СПОСОБ ВЕДЕНИЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF CONDUCTING MASS-TRANSFER PROCESSES AND APPARATUS THEREFOR

Изобретение относится к области химического или гравитационного извлечения полезных компонентов с помощью специальных аппаратов и может быть использовано в химической, горно-металлургической, строительной и других отраслях промышленности при проведении процессов, например, противоточного растворения, выщелачивания, отмывки или разделения по тонкодисперсным фракциям минерального сырья, металлургических порошков и т.д.
Известен способ ведения массообменных процессов, при котором исходный материал подают в верхнюю часть аппарата с одновременным сливом замещаемой жидкости или раствора реагента, движение вниз вдоль камеры исходного материала под действием сил тяжести с параллельным наложением возвратно-поступательных колебаний на подаваемую снизу промывочную жидкость колебаний за счет создания разности давлений внутри колонны в результате работы поршневого насоса, разгрузку твердого материала из нижней части колонны с использованием эрлифта при остановке работы самого колонного аппарата.
Необходимо отметить, что в аппаратах подобного типа подача промывочной жидкости или раствора реагента и подведение жидкости от пульсатора гидравлического типа производится в двух разнесенных в пространстве точках камеры.
Недостатками данного способа является то, что работа гидравлического пульсатора энергоемка, а самое главное может вызвать в камере аппарата при определенных условиях гидравлический удар. Кроме того, процесс наложения колебаний в камере происходит неравномерно и достигает полного эффекта на некотором расстоянии от точек подвода на срединной части камеры.
Наиболее близким предложенному является способ проведения массообменных либо сепарационных процессов, включающий подачу сверху в колонный аппарат пульпы или исходного материала в сухом виде, подачу снизу в колонный аппарат раствора реагента или промывочной жидкости в цилиндрической части колонны выше конического дна, слив в верхней части колонного аппарата отработанного раствора реагента или промывочной жидкости с легкими фракциями, перемещение твердых частиц вниз вдоль колонны в зоне противотока в придонную часть камеры под действием сил гравитации, генерацию и подведение в нижнюю цилиндрическую часть камеры возвратно-поступательных колебаний жидкости с наложением его на движущиеся твердые частицы исходного материала, сбор твердых частиц в нижней, придонной части аппарата с последующей их выгрузкой (прототип).
Для реализации такого способа может быть использована пульсационная колонна для массообменных процессов, содержащая вертикальный корпус с закрепленными неподвижно по высоте корпуса горизонтальными тарелками, нижнюю часть корпуса с конусным днищем, эрлифт с напорной трубой, подсоединенный к нижней части корпуса, пульсационную камеру с патрубком и соединенную с пульсатором со штуцером, нижний конец патрубка соединен с конусным днищем корпуса, а верхний - с низом пульсационной камеры, при этом вход пульсационной камеры в вертикальный корпус расположен выше начала конусного днища на размер, равный не менее 0,5 диаметра корпуса, причем на входе установлен обратный клапан, кроме того, на напорной трубе эрлифта и на штуцере пульсатора установлены краны(патент РФ №2179054 - прототип)
При таком способе подвода промывочной жидкости или реагента с одной стороны колонного аппарата и возвратно поступательных колебаний через дополнительную жидкость от пульсационной камеры с другой стороны, их совмещение внутри камеры происходит приблизительно в срединной части последней, а в нижних отделах самого аппарата действуют фактически две разнонаправленные силы, также отрицательно влияющие на скорость и условия осаждения твердых частиц в коническом днище. Частота остановок и разгрузки пульсационной колонны с помощью эрлифта зависит как раз от объема этого конического днища и высоты подвода жидкости или раствора реагента и места подвода колебаний. Кроме того, эрлифт функционально не может осуществлять транспорт по горизонтальным магистралям. Это значительно снижает эффективность работы такого способа в целом за счет постоянной прерывистости в общем цикле работы предприятия, а также уменьшает степень извлечения полезного компонента вследствие ограниченного воздействия колебаний. Необходимо также подчеркнуть, что использование для разгрузки камер колонного аппарата обеспечивает перемещение готового продукта только по вертикали и на очень небольшие расстояния, что в свою очередь также ограничивает области их использования.
Кроме того, подсоединенный к конической части патрубок для подачи жидкости от пульсационной камеры в случае закупорки в аварийной ситуации способен встряхнуть только с одной стороны твердый материал, скопившийся в конической части, а само выпускное отверстие вполне может остаться заложенным твердым материалом. Обеспечение дополнительной подачи жидкости быстро приведет к попаданию пузырьков воздуха от пульсатора в камеру пульсационной колонны, что недопустимо из-за возможного нарушения кинетики процесса и создания аварийной ситуации.
Изобретение направлено на повышение степени извлечения полезного компонента, увеличение надежности и эффективности работы пульсационной колонны, обеспечение повышения производительности технологического процесса и непрерывной разгрузки, увеличение дальности транспортирования готовой продукции, а также снижение эксплуатационных затрат на весь процесс в целом.
Для достижения технического результата в способе проведения массообменного процесса, включающего подачу сверху в колонный аппарат пульпы или исходного материала в сухом виде, подачу снизу в колонный аппарат раствора реагента, слив в верхней части колонного аппарата отработанного раствора реагента, генерацию пульсационных колебаний, подведение их в колонный аппарат, возвратно-поступательное движение твердых частиц исходного материала внутри колонного аппарата и перемещение их вниз под действием сил гравитации вдоль корпуса колонного аппарата, сбор твердых частиц в нижней придонной части аппарата с последующей выгрузкой, пульсационные колебания накладываются непосредственно на раствор реагента в месте ввода их в колонный аппарат, а твердые частицы из придонной части колонного аппарата разгружаются в отверстие в нижней точке конического днища и через делитель-дозатор потока в камеру разгрузочно-транспортного узла, откуда они через патрубок разгрузки перемещаются непосредственно в транспортный трубопровод под давлением и дальше к месту потребления или дальнейшей переработки, для чего в камеру разгрузочно-транспортного узла от насоса через модуль пульпоприготовления подают под давлением транспортирующую жидкость.
Для реализации предложенного способа в устройстве, содержащем один или несколько колонных аппаратов, каждый из которых включает корпус с коническим днищем и закрепленными по вертикали горизонтальными тарелками с направляющими, систему подачи исходного материала, установленный в верхней части аппарата патрубок слива отработанного реагента, патрубок подачи в колонный аппарат раствора реагента, установленный в нижней части корпуса аппарата, пульсатор с пульсационной камерой, патрубок подачи раствора реагента установлен коаксиально внутри пульсационной камеры в нижней ее части непосредственно перед вводом в колонный аппарат, коническое днище имеет выпускное отверстие, сообщенное герметично через делитель-дозатор потока с разгрузочно-транспортным узлом, состоящим из приемной емкости и модуля пульпоприготовления, подсоединенного к транспортному трубопроводу. Кроме того, приемная емкость разгрузочно-транспортного узла выполнена двухсекционной, а каждая изолированная секция снабжена отдельным модулем пульпоприготовления, подсоединенным через патрубок подачи жидкости к насосу, а через патрубок разгрузки к транспортному трубопроводу, и отдельным патрубком слива в верхней части каждой секции. Либо приемная емкость разгрузочно-транспортного узла выполнена сдвоенной, причем каждая отдельная емкость снабжена отдельным модулем пульпоприготовления, подсоединенным через патрубок подачи жидкости к насосу, а через патрубок разгрузки к транспортному трубопроводу, и отдельным патрубком слива в верхней части каждой емкости.
Технологическая схема предложенного устройства представлена на
фиг. 1 - с двухсекционной емкостью разгрузочно-транспортного узла и на
фиг. 2 - со сдвоенной схемой разгрузочно-транспортного узла.
Для реализации способа используется устройство для ведения массообменных процессов, состоящее из одного или нескольких колонных аппаратов 1, включающего корпус аппарата 2 с коническим днищем 3, закрепленные по вертикали горизонтальные тарелки 4 с направляющими потока 5, узел подачи исходного материала 6, установленный в верхней части корпуса 2 аппарата 1. В свою очередь узел подачи исходного материала 6 содержит модуль 7 для загрузки исходного материала в сухом виде и модуль 8 для загрузки исходного материала в виде гидросмеси. Кроме того, в верхней части корпуса 2 установлена система сбора слива 9 со сливным патрубком 10. К нижней части корпуса 2 колонного аппарата 1 подведена пульсационная камера 11, которая соединяет пульсатор 12 с корпусом аппарата 2, внутри которой коаксиально вмонтирован патрубок 13 для подвода в колонный аппарат 1 раствора реагента. В свою очередь патрубок 13 подсоединен также к насосу 14 посредством трубопровода 15, снабженного задвижкой 16. Коническое днище 3 снабжено выпускным отверстием 17, герметично сообщенным с делителем-дозатором потока 18, который связывает корпус аппарата 2 с разгрузочно-транспортным узлом 19 или 20.
Разгрузочно-транспортный узел 19 состоит из приемной емкости 21, разделенной герметичной перемычкой 22 на две изолированные секции 23 и 24, в каждой из которых установлены модули пульпоприготовления 25 и 26, подсоединенные через патрубки 27 и 28, снабженные задвижками 29 и 30, к насосу 31, а через патрубки 32 и 33, с установленными в них задвижками 34 и 35, к транспортному трубопроводу 36. В верхней части каждой секции 23 и 24 установлены патрубки слива 37 и 38, снабженные задвижками 39 и 40.
Разгрузочно-транспортный узел 20 состоит из отдельных приемных емкостей 41 и 42, каждая из которых снабжена модулем пульпоприготовления 25 и 26, подсоединенными через патрубки 27 и 28, снабженными задвижками 29 и 30, к насосу 31, а через патрубки 32 и 33, снабжены задвижками 34 и 35, к транспортному трубопроводу 36. В верхней части приемных емкостей 41 и 42 установлены также патрубки слива 37 и 38, снабженные задвижками 39 и 40.
Для достижения поставленной цели сверху, в колонный аппарат 1 подается исходный материал, который поступает в корпус аппарата 2 через узел подачи исходного материала 6 по модулю 7, если материал подается в сухом виде, или по модулю 8, если он подается в виде гидросмеси, а снизу подается раствор реагента по патрубку 13 от насоса 14 через трубопровод 15, при открытии задвижки 16. По мере заполнения корпуса аппарата 2 твердым материалом в верхней части колонного аппарата 1 происходит слив замещаемого отработанного реагента с помощью системы сбора слива 9 и сливного патрубка 10. Твердый материал в зоне противотока реагента движется под действием сил гравитации вниз вдоль корпуса 2, последовательно проходя установленные горизонтально тарелки 4 с направляющими потока 5, выполненными в виде разнонаправленной наклонной перфорации. Вне аппарата 1 генерируют возвратно- поступательные движения в пульсационной камере 11 посредством пульсатора 12 и передают их в корпус 2, накладывая колебания на раствор реагента непосредственно в месте ввода их в корпус аппарата 2 через патрубок 13. Твердый материал по мере опускания накапливается в конической части днища 3, откуда он перемещается дальше в выпускное отверстие 17 и, проходя делитель-дозатор потока 18, поступает в изолированную секцию 23 приемной емкости 21 при закрытых задвижках 29, 34 и 39 (либо в отдельную приемную емкость 41). После заполнения секции 23 полностью твердым материалом делитель потока переходит в положение, когда изолирования секция 23 герметично перекрывается, а твердые частицы из конической части 3 начинают поступать в изолированную секцию 24 (либо приемную емкость 42) при закрытых задвижках 30, 35 и 40. Одновременно открываются задвижки 29 и 34 и транспортирующая жидкость от насоса 31 начинает подаваться под напором по патрубку 27 в модуль пульпоприготовления 25, а образующаяся гидросмесь по патрубку 32 вытесняется в транспортный трубопровод 36 и далее к месту потребления.
В случае закупорки конического днища 3 в первом варианте исполнения устройства (фиг. 1) делитель-дозатор потока 18 перемещают в такое положение, когда обе изолированные секции 23 и 24 оказываются сначала отключенными от выпускного отверстия 17. В зависимости от стадии общего цикла работы устройства, изолированные секции 23 и 24 окончательно разгружаются в транспортный трубопровод 36. Затем делитель потока 18 перемещается в такое положение, когда обе изолированные секции 23 и 24 оказываются подсоединенными к выпускному отверстию 17 в коническом днище 3. При этом открываются задвижки 29 и 30, закрываются задвижки 34 и 35, и начинается подача воды от насоса 31 через патрубки 27 и 28 в изолированные секции 23 и 24 и одновременно далее в коническое днище 3, что позволяет интенсивно встряхивать слежавшийся в придонной части колонного аппарата 1 твердый материал.
Либо при закупорке конического днища 3 во втором варианте устройства (фиг. 2)при использовании отдельных приемных емкостей 41 и 42 порядок действий будет точно таким же, т.е. на первой стадии делитель-дозатор потока 18 будет отключать обе приемные емкости 41 и 42 от выпускного отверстия 17 для полной разгрузки одной из них в транспортный трубопровод 36. После чего, делитель-дозатор потока 18 перемещается на режим промывки в положение, при котором обе приемные емкости 41 и 42 оказываются подключенными к выпускному отверстию 17 конического днища 3, а далее начинается встряхивание с двух сторон закупорки в колонном аппарате 1.
В зависимости от гидравлической крупности обрабатываемого твердого материала, т.е. от скорости его осаждения в корпусе аппарата 2 и загрузочно-транспортных узлах 19 и 20, и для увеличения скорости перемещения твердого материала из корпуса 2 в эти узлы применяются сливные патрубки 37 и 38. Например, при загрузке изолированной секции 23 приемной емкости 21 (или приемной емкости 41) делитель-дозатор потока 18 переключается в положение для сообщения секции 23 (или приемной емкости 41) с выпускным отверстием 17, одновременно открывается задвижка 39. При этом в процессе перемещения твердого материала из корпуса 2 в секцию 23(или приемную емкость 41) замещаемая транспортная жидкость сливается по патрубку 37, а не поднимается в корпус аппарата 2 в противотоке, замедляющем процесс перегрузки. Аналогично при заполнении изолированной секции 24 (или приемной емкости 42) будет открываться задвижка 40 для слива замещаемой транспортной жидкости по патрубку 38.
При реализации предложенного способа осуществляется возможность организации работы пульсационной колонны в едином непрерывном режиме, что очень важно для производства, т.к. в разы повышает производительность всего цикла переработки.
Созданный способ подвода раствора реагента и способ наложения на него колебаний, т.е. когда два потока движутся соосно в одном направлении, не создавая дополнительных сопротивлений внутри пульсационной камеры 11, дают возможность легко, без сопротивлений накладывать возвратно-поступательные движения от пульсатора 12 на подаваемый поток реагента и равномерно распределять их по сечению пульсационной колонны 1. Кроме того, такое спутанное движение двух потоков от пульсационной камеры 11 и насоса 14 практически гарантирует отсутствие попадания пузырьков воздуха в корпус аппарата 2, что в свою очередь могло бы привести к необратимым негативным последствиям.
Разработанный способ разгрузки пульсационной колонны позволяет перемещать готовый продукт по горизонтали, вертикали и во всех направлениях без ограничения дальности. Кроме того, использованные модули 25 и 26 пульпоприготовления разгрузочно-транспортных узлов 19 и 20 дает возможность подготавливать и перемещать высококонцентрированную гидросмесь большой плотности без дополнительных материальных и энергетических затрат. А разработанное устройство позволяет реализовать наиболее эффективную и надежную схему ликвидации возможных закупорок придонной части колонного аппарата
Предложенный способ и разработанное для его реализации устройство также могут с высокой эффективностью использоваться для проведения сепарационных процессов. Для чего сверху, в колонный аппарат 1 подается исходный материал, который поступает в корпус аппарата 2 через узел подачи исходного материала 6 по модулю 7, если материал подается в сухом виде, или по модулю 8, если он подается в виде гидросмеси, а снизу подается промывочная жидкость по патрубку 13 от насоса 14 через трубопровод 15, при открытии задвижки 16. По мере заполнения корпуса аппарата 2 твердым материалом в верхней части колонного аппарата 1 происходит слив промывочной жидкости с удаляемым мелкодисперсным материалом с помощью системы сбора слива 9 и сливного патрубка 10. Твердый материал в зоне противотока промывочной жидкости движется под действием сил гравитации вниз вдоль корпуса 2, последовательно проходя установленные горизонтально тарелки 4 с направляющими потока 5, выполненными в виде разнонаправленной наклонной перфорации. Вне аппарата 1 генерируют возвратно-поступательные движения в пульсационной камере 11 посредством пульсатора 12 и передают их в камеру 2, накладывая колебания на промывочную жидкость непосредственно в месте ввода ее в корпус аппарата 2 через патрубок 13. Отмытый твердый материал по мере опускания накапливается в конической части днища 3, откуда он перемещается дальше в выпускное отверстие 17 и, проходя делитель-дозатор потока 18, поступает в изолированную секцию 23 приемной емкости 21 при закрытых задвижках 29, 34 и 39 (либо в отдельную приемную емкость 41).После заполнения секции 23 полностью отмытым твердым материалом делитель потока переходит в положение, когда изолирования секция 23 герметично перекрывается, а очищенные твердые частицы из конической части 3 начинают поступать в изолированную секцию 24(либо приемную емкость 42) при закрытых задвижках 30, 35 и 40. Одновременно открывают задвижки 29 и 34, транспортирующая жидкость от насоса 31 начинает подаваться под напором по патрубку 27 в модуль пульпоприготовления 25, а образующаяся гидросмесь по патрубку 32 вытесняется в транспортный трубопровод 36 и далее к месту потребления.