УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ПОЛЕЗНЫХ КОМПОНЕНТОВ ИЗ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ АГРЕССИВНЫМ РАСТВОРИТЕЛЕМ

Полезная модель относится к аппаратам для проведения массообменных процессов между твердыми частицами и жидкостью, в частности, для выщелачивания из твердого материала ценных компонентов химически активными растворами.
Полезная модель может быть использована для переработки сырья и отходов предприятий гидрометаллургического и горно-обогатительного производств, в химической и других отраслях промышленности с целью извлечения из них ценных компонентов.
Процесс выщелачивания, предусматривающий избирательное растворение одного или нескольких компонентов из твердого материала химически агрессивным растворителем (чаще кислым, реже щелочным и др.), преимущественно, осуществляют в колонном (трубчатом) аппарате. Его заполняют сверху исходным твердым сыпучим материалом, а снизу в колонну под напором и при воздействии пульсаций подают агрессивный растворитель, что обеспечивает образование в аппарате пульсирующего потока жидкости, создающего повышенные относительные скорости между жидкостью и частицами твердого материала, благодаря чему обеспечивается ускоренное выщелачивание целевых компонентов.
В то же время при относительных скоростях движения и растворителя, и твердого материала, усиленных пульсирующим характером этого движения, возникает опасность истирания материала аппарата частицами твердого материала, особенно в местах наибольших скоростей, в частности, на выходе из пульсационной камеры и на входе в колонну. Эта опасность возрастает при выщелачивании материалов высокой твердости, когда, например, в выщелоченном твердом остатке присутствует диоксид кремния. При высоких скоростях перемещения в аппарате он весьма интенсивно истирает его внутренние поверхности, что приводит к вынужденным, часто незапланированным остановкам аппарата для осуществления контроля его целостности и недопущения протечек в окружающую среду агрессивного растворителя.
В связи с этим был разработан и изготовлен опытный образец устройства для выщелачивания полезных компонентов агрессивным растворителем из кремнийсодержащих отходов и проведены опытно-промышленные испытания. Их результаты подтверждают выбранную концепцию совершенствования конструкторского решения устройства. Созданное устройство является объектом патентной защиты по настоящей заявке.
Следует отметить, что проведенные заявителем патентные исследования выявили ряд известных из уровня техники решений, предназначенных для выщелачивания полезных компонентов из твердых материалов агрессивным растворителем.
Проанализируем некоторые из них с целью оценки возможности достижения такого технического результата, как снижение до минимума истирания внутренних поверхностей устройства для выщелачивания.
Известно устройство для выщелачивания полезных компонентов из твердого материала агрессивным растворителем (см. патент РФ №2340686, МПК С22В 3/02, 2008), содержащее колонну, верхняя часть которой снабжена переливным порогом, охватываемым камерой с патрубком для подачи твердого материала в колонну и патрубком слива раствора, полученного при выщелачивании, пульсационную камеру с патрубком подачи растворителя, низ которой сообщен трубой с нижней частью колонны, а верх сообщен трубой с источником пульсаций, при этом пульсационная камера выполнена с расширенным участком, расположенным выше переливного порога, патрубок подачи растворителя установлен в нижней части пульсационной камеры, а сообщающая пульсационную камеру с колонной труба расположена под углом 30-60° к горизонту.
Благодаря такой конструкции известного устройства обеспечивается надежная работа без трудностей его запуска после незапланированных остановок.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для обеспечения интенсивного контакта с противотоком частиц твердого вещества и небольшого количества жидкости (см. заявку Франции №2630024, МПК B01J 8/16, 1989), принятое в качестве прототипа.
Устройство содержит колонну с цилиндроконическим бункером внизу и с переливным порогом вверху, охватываемым камерой с патрубком для подачи твердого материала в колонну и патрубком слива раствора, полученного при выщелачивании, пульсационную камеру, сообщенную с источником пульсаций и с колонной, и патрубок подачи растворителя.
В данном известном устройстве все предусмотрено для осуществления непрерывного процесса избирательного растворения одного, а чаще нескольких компонентов из твердого материала химически агрессивным растворителем.
Порядок работы описанных выше известных устройств один и тот же. Пульсационную камеру и сообщенную с ней колонну заполняют агрессивным растворителем через патрубок подачи его до уровня перелива в колонне, после чего путем подачи импульсов жидкости из пульсационной камеры под воздействием сжатого воздуха перемешивается содержимое в колонне, в которую дозированно подают на выщелачивание твердый материал. Импульсную подачу раствора из пульсационной камеры в колонну осуществляют подачей сжатого воздуха (импульса давления) от источника пульсаций через патрубок в верхней части пульсационной камеры. Сжатый воздух давит на столб агрессивного растворителя в камере, в результате чего его уровень в ней понижается, так как часть агрессивного растворителя из пульсационной камеры вытесняется в колонну, обеспечивая передачу импульса давления в нее, и агрессивный растворитель проходит через слой твердого материала с изменяющейся (увеличивающейся) при подаче импульса скоростью. При сдувке воздуха из пульсационной камеры уровень растворителя в ней поднимается под действием силы, возникающей из-за разницы высот гидростатических столбов в колонне и в пульсационной камере. Благодаря движению жидкости вверх и вниз в слое твердого материала относительная скорость жидкости в твердом материале увеличивается, что обеспечивает соответствующее ускоренное выщелачивание полезных компонентов из твердого материала. Полученный при выщелачивании раствор поступает в верхнюю часть колонны, переливается через переливной порог колонны в охватывающую его камеру и через патрубок слива раствор самотеком удаляется из колонны.
Твердый материал перемещается в процессе выщелачивания по колонне в сторону цилиндроконического бункера, и на его дне оседает выщелоченный твердый материал. При заполнении бункера переработанным твердым материалом последний выгружают из устройства.
Однако в рассмотренных выше известных устройствах не решена задача исключения истирания внутренних поверхностей, по которым с переменной скоростью скачкообразно движется зернистый материал. Такое движение является необходимым и положительным для интенсивного выщелачивания из исходного твердого материала полезных компонентов. Но одновременно с этим в известных устройствах происходят явления, негативно влияющие на продолжительность работы устройств. Обусловлены они недостатками в конструкторском решении устройства, сокращающими продолжительность их работы и вызванными присутствием в цилиндроконическом бункере абразивного твердого материала, образовавшегося после выщелачивания и осевшего в бункере. Расположение наклонно (как в аналоге), или горизонтально (как в прототипе) трубы, соединяющей низ пульсационной камеры с цилиндроконическим бункером колонны, способствует беспрепятственному перемещению частиц образовавшегося при выщелачивании абразивного твердого материала из колонны в пульсационную камеру и обратно под действием поочередных импульсов и сдувок. Создаются благоприятные условия для движения абразивных частиц по внутренним поверхностям цилиндроконического бункера, на выходе из пульсационной камеры и на входе в колонну и для их истирания. Утончение стенок устройства ускоряется и химическим воздействием агрессивного растворителя, так как именно в нижнюю часть устройства подают наиболее концентрированный агрессивный растворитель. В связи с этим требуется постоянный контроль за целостностью аппарата, чтобы исключить утечки и проливы агрессивного растворителя в окружающую среду и остановы в работе устройства. Указанные недостатки, в конечном счете, обусловливают дополнительные эксплуатационные и материальные затраты.
Вышеперечисленные недостатки отсутствуют в заявляемом устройстве для выщелачивания, так как авторами полезной модели по настоящей заявке создана конструкция устройства, исключающая эти недостатки и их негативные последствия.
Предлагаемое для патентной экспертизы устройство для выщелачивания полезных компонентов агрессивным растворителем, как и прототип, содержит колонну с цилиндроконическим бункером внизу и с переливным порогом вверху, охватываемым камерой с патрубком подачи твердого материала в колонну и патрубком слива раствора, полученного при выщелачивании, пульсационную камеру, сообщенную с источником пульсаций и с колонной, и патрубок подачи агрессивного растворителя.
Отличается заявленное устройство от прототипа тем, что нижний торец колонны снабжен размещенной в цилиндроконическом бункере конической обечайкой, сужающейся книзу, а патрубок подачи агрессивного растворителя и нижний торец пульсационной камеры врезаны в крышку цилиндроконического бункера.
В соответствии с п.2 формулы полезной модели между переливным порогом и пропущенным через крышку камеры патрубком подачи твердого материала установлены, по крайней мере одна, цилиндрические перегородки с выполненными в них выше переливного порога отверстиями, а по п.3 формулы полезной модели устройство снабжено опорой, расположенной на цилиндроконическом бункере.
На прилагаемом к заявке чертеже представлено заявляемое техническое решение. Стрелками обозначены: ---- подача твердого материала в колонну, - - - - подача агрессивного растворителя в устройство, ----- подача - сдувка воздуха в (из) пульсационную камеру, --- слив раствора, полученного при выщелачивании, --- выгрузка выщелоченного твердого материала.
Заявляемое устройство содержит вертикальную колонну 1 с цилиндроконическим бункером 2 внизу и с переливным порогом 3 вверху, охватываемым камерой 4 с крышкой 5, патрубком 6 для подачи твердого материала 7 в колонну 1 и патрубком 8 слива раствора, полученного при выщелачивании, пульсационную камеру 9, сообщенную через патрубок 10 с источником пульсаций (на чертеже не показан) и с колонной 1, и патрубок 11 подачи агрессивного растворителя 12. Нижний торец колонны 1 снабжен размещенной в цилиндроконическом бункере 2 конической обечайкой 13, сужающейся книзу, а патрубок 11 подачи агрессивного растворителя 12 и нижний торец 14 пульсационной камеры 8 врезаны в крышку 15 цилиндроконического бункера 2. Между переливным порогом 3 и пропущенным через крышку 5 патрубком 6 подачи твердого материала 7 могут быть установлены цилиндрические перегородки 16 с выполненными в них выше переливного порога 3 отверстиями 17. Заявляемое устройство может быть снабжено расположенной на цилиндроконическом бункере 2 опорой 18. Цилиндроконический бункер 2 снабжен патрубком 19 для выгрузки выщелоченного твердого материала 20. В верхней части пульсационной камеры имеется смотровое окно 21.
Устройство для выщелачивания работает следующим образом. Сначала через патрубок 11 подают агрессивный растворитель, заполняя колонну 1 до переливного порога 3. Одновременно с этим агрессивный растворитель поднимается и в пульсационной камере 9 до такого же уровня, потому что колонна 1 и пульсационная камера 9 - сообщающиеся через цилиндроконический бункер 2 сосуды. Далее, не прекращая подачи агрессивного растворителя в колонну 1, в пульсационную камеру 9 через штуцер 10 начинают импульсную подачу сжатого воздуха от его источника, например, пульсатора (на чертеже не показан), посредством которого в пульсационную камеру 9 сначала подается порция сжатого воздуха. Под его давлением часть агрессивного растворителя из пульсационной камеры 9 передавливается (вытесняется) в колонну 1, обеспечивая в ней на время импульса увеличение скорости восходящего потока, поскольку эта порция суммируется с непрерывно подаваемым через патрубок 11 потоком агрессивного растворителя. Уровень агрессивного растворителя в пульсационной камере 9 при передавливании опускается. Затем из пульсационной камеры 9 воздух сбрасывают в атмосферу, снижая в ней давление над уровнем агрессивного растворителя до атмосферного. Под действием разности гидростатических столбов агрессивного растворителя в колонне 1 и в пульсационной камере 9 уровень его в последней поднимается. Как правило, импульс подачи воздуха в пульсационную камеру 9 короче, чем время сбрасывания из нее поданной порции воздуха в атмосферу. Это обеспечивается и обусловлено тем, что движущая сила (давление подаваемого от источника воздуха) может иметь практически любое заданное значение, тогда как при сбросе воздуха движущая сила - разность гидростатических столбов в колонне 1 и пульсационной камере 9 обычно невелика.
Сразу же за началом пульсаций агрессивного растворителя в пульсационной камере 9, а, следовательно, и в колонне 1, в последнюю с постоянным заданным расходом через патрубок 6 подают твердый материал. Он под действием силы тяжести опускается вниз и заполняет сначала цилиндроконический бункер 2, где находится в стационарном состоянии, а затем, поскольку в это время не ведут выгрузку твердого материала из бункера 2, и всю колонну 1 вплоть до переливного порога 3. Период осуществления вышеперечисленных операций является периодом выхода устройства на стационарный режим работы, в течение которого происходит постоянный рост полноты процесса: в растворе увеличивается концентрация извлеченных полезных компонентов, а в твердом материале этих компонентов остается все меньше.
Момент выхода устройства на стационарный режим работы устанавливается по окончанию полной загрузки колонны 1 твердым материалом, который, в свою очередь, определяется по уносу самых мелких частиц выщелачиваемого материала с полученным раствором через переливной порог 3.
Необходимо также отметить, что при загрузке твердого материала в связи с увеличением гидравлического сопротивления колонны 1 уровень агрессивного растворителя в пульсационной камере 9, находящийся в пределах смотрового окна 21, поднимается, то есть степень загрузки колонны 1 твердым материалом (при стабильных параметрах пульсаций) может определяться и расположением уровня жидкости в пульсационной камере 9.
После выхода устройства для выщелачивания на стационарный режим подачу и слив агрессивного растворителя, а также загрузку твердого материала в колонну 1 осуществляют непрерывно. Выгрузку выщелоченного материала через патрубок 19 осуществляют периодически.
Как указывалось ранее, в известных устройствах для выщелачивания полезных компонентов из твердого материала существует проблема истирания внутренних поверхностей цилиндроконического бункера 2 движущимися частицами этого материала.
В заявляемом устройстве такая проблема решена благодаря заявленной совокупности существенных признаков, а особенно его отличительным признакам.
Снабжение торца колонны 1 конической обечайкой 13, сужающейся книзу, врезка патрубка 11 и нижнего торца 14 пульсационной камеры 9 в крышку 15 обеспечивают благоприятные условия для осуществления процесса выщелачивания как в цилиндроконическом бункере 2, так и во всем устройстве в целом. Поступающий в бункер 2 из колонны 1 через коническую обечайку 13 выщелоченный твердый материал не заполняет его до крышки 15, рост его слоя ограничен нижней кромкой конической обечайки 13. При этом поступающие навстречу выщелоченному твердому материалу агрессивный растворитель из патрубка 11 и порции агрессивного растворителя из пульсационной камеры 9, создают слой жидкости между крышкой 15 и твердым материалом, подавляя движение последнего в бункере 2, а значит и снижая износ внутренней поверхности цилиндроконического бункера 2. Кроме того, при обратном импульсе (сдувке воздуха) исключено и попадание частиц выщелоченного материала в пульсационную камеру 9 и патрубок 11. Абразивный износ нижней кромки конусной обечайки 13 при движении твердого материала можно предотвратить, выполнив ее из износоустойчивого материала.
Необходимо отметить и такой положительный эффект снабжения колонны 1 конической обечайкой 13. Так как она выполнена сужающейся книзу, а вверху она расширяется до размера колонны 1 в поперечнике, то поток агрессивного растворителя распределяется по всему сечению колонны 1, обеспечивая максимальное извлечение полезных компонентов из исходного твердого материала.
Эффективность процесса извлечения полезных компонентов из твердого материала зависит и от того, каков унос непрореагировавших частиц твердого материала из колонны 1 с уходящим через переливной порог 3 агрессивным растворителем. Для сведения к минимуму этого уноса в заявляемом устройстве
между переливным порогом 3 и пропущенным через крышку 5 камеры 4 патрубком 6 подачи твердого материала установлены перегородки 16, которые предотвращают проскок частиц твердого материала в патрубок 8, случайно доставленных восходящим потоком агрессивного растворителя, либо попавших
в выходящий из устройства агрессивный растворитель невыщелоченных мелких частиц твердого материала из патрубка 6 во время подачи твердого материала в колонну 1. Агрессивный растворитель может достигнуть переливного порога 3 только через кольцевой зазор между наружной перегородкой 16 и порогом 3. Отверстия 17 в перегородках 16 служат для перетока пены, которая может образовываться на поверхности агрессивного растворителя при химическом взаимодействии некоторых жидких и твердых веществ. Перегородки 16, задерживая пену, обеспечивают ее разрушение и исключают унос с пеной частиц твердого материала. Установка более одной перегородок 16 интенсифицирует пеногашение.
Описанный выше процесс выщелачивания в стационарном режиме в устройстве заявленной конструкции может продолжаться сколь угодно долго. Причиной его остановки могут быть технологическая необходимость или проведение плановых ремонтных работ
Более того, снабжение устройства опорой, расположенной на цилиндроконическом бункере - это обеспечение максимальной устойчивости всей конструкции устройства в условиях пульсационного режима работы, когда вся конструкция устройства испытывает дополнительную динамическую нагрузку.
Выполнение опоры внизу исключает также воздействие разрывных усилий на корпус от полного веса колонны при работе.
Применение заявляемого устройства в промышленном производстве обеспечивает следующие преимущества:
- надежность и безопасность при работе с химически агрессивными реагентами;
- повышение эффективности массообменного процесса выщелачивания за счет уменьшения потерь используемых для переработки твердых материалов.