ЕМКОСТИ БЫСТРОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
FAST COOLING VESSELS

Настоящее изобретение касается емкостей для охлаждения технологических суспензий, которые находятся при высоких температурах и высоких давлениях, до атмосферного давления.
Настоящее изобретение касается, в частности, хотя не исключительно, емкостей для быстрого охлаждения таких технологических суспензий при высокой температуре и высоком давлении, в частности суспензий, которые находятся при температурах выше, чем температура насыщения, соответствующая рабочим давлениям данных емкостей.
Настоящее изобретение касается, более конкретно, хотя не исключительно, емкостей для быстрого охлаждения технологических суспензий при высокой температуре и высоком давлении из блоков выщелачивания установок процесса Байера для получения алюминия.
Процесс Байера содержит следующие основные узловые операции.
(а) Выщелачивание боксита в каустической соде в блоках выщелачивания и образование технологической суспензии при высокой температуре и высоком давлении в форме (i) жидкости, содержащей алюминат натрия в растворе, и (ii) твердого мелкого материала, в основном инертных оксидов железа и титана и соединений оксида кремния, увлеченных в данную жидкость.
(b) Разделение данной жидкости и твердого мелкого материала.
(с) Осаждение тригидрата оксида алюминия из жидкости.
(d) Прокаливание осажденного тригидрата оксида алюминия и образование оксида алюминия.
Технологическая суспензия при высокой температуре и высоком давлении, полученная в блоках выщелачивания, выпускается из данных установок и быстро охлаждается до атмосферного давления в ряде емкостей, работающих при последовательно более низких давлениях. Пар, образующийся в данных емкостях быстрого охлаждения, используется преимущественно в процессе Байера, обычно для предварительного нагрева каустической соды, используемой в емкостях выщелачивания.
Заявитель провел исследовательскую работу в отношении емкостей быстрого охлаждения, применяемых на заводе по получению оксида алюминия, управляемом заявителем. Детали существующих емкостей быстрого охлаждения приведены в примере 4, представленном ниже.
Заявитель обнаружил в данной работе, что одной из проблем с емкостями быстрого охлаждения является накопление твердого мелкого материала на дне емкостей и на боковых стенках емкостей, когда емкости работали при расчетных и близких к расчетным рабочих уровнях. Накопление твердого мелкого материала на дне емкостей происходило из-за осаждения материала из технологической суспензии в данных емкостях. Накопление твердого мелкого материала на боковых стенках емкостей происходило из-за разбрызгивания технологической суспензии на боковые стенки емкостей и образования накипи на стенках.
Вышеописанное накопление твердого мелкого материала является проблемой, так как оно вызывает значительную потерю производительности.
Более конкретно, заявитель обнаружил, что при работе в этих рабочих условиях:
(а) осажденные твердые вещества на дне емкостей быстрого охлаждения формировали затвердевший осажденный материал значительного размера;
(b) накипь периодически отваливалась от боковых стенок емкости и падала на дно емкостей;
(с) возникала турбулентная поверхность раздела суспензия/пар, и это приводило к трудностям точного определения уровня технологической суспензии в емкостях; и
(d) происходило частое закупоривание выходов емкостей, вызванное (i) затвердевшим осажденным материалом, мигрирующим к выходам, и (ii) отделением накипи от боковых стенок емкостей и закупориванием выходов.
Ввиду вышесказанного, наблюдалась существенная потеря производительности, когда емкости быстрого охлаждения работали при расчетных или близких к расчетным рабочим уровням, из-за времени простоя, требующегося на очистку закупоривания выходов емкостей.
Кроме того, наблюдалась существенная потеря производительности, когда емкости работали при меньших, чем расчетные или близких к расчетным рабочим уровням, при которых накопление твердого мелкого материала не было значительной проблемой.
Изложенное выше обсуждение не рассматривается в общем обычном знании в Австралии или где-либо еще.
Заявитель обнаружил в исследовательской работе, что можно, по меньшей мере, существенно устранить донное осаждение твердого мелкого материала и образование накипи на боковых стенках путем подачи суспензии из блоков выщелачивания процесса Бауэра при вихревом движении в емкости быстрого охлаждения.
Согласно настоящему изобретению обеспечивается аппарат для подачи суспензии в емкость, содержащую:
(а) стоячую трубу, содержащую вход для приема суспензии в данную трубу и выход для выпуска суспензии из трубы; и
(b) узел для придания вихревого движения данной суспензии.
Термин "вихревое движение" понимается здесь как означающий, что течение суспензии происходит, в общем, по кривой траектории, такой как (но не ограничиваясь этим) спиральная траектория.
Суспензия может находиться при температуре более высокой, чем температура насыщения, соответствующая рабочему давлению емкости.
Данный аппарат может располагаться в емкости со стоячей трубой, прикрепленной ко дну емкости и проходящей вверх, например вертикально вверх, в емкости, например по центру емкости, с выходом, расположенным выше объема суспензии в емкости, и входом, принимающим суспензию из узловой операции, такой как блок выщелачивания процесса Байера, выше по ходу от данной емкости, где суспензия течет вверх в стоячей трубе и выпускается с вихревым движением наружу из выхода стоячей трубы.
Вихревой узел может располагаться у выхода стоячей трубы.
Вихревой узел может содержать множество изогнутых лопастей, расположенных в траектории течения суспензии у выхода стоячей трубы.
Альтернативно, вихревой узел может содержать множество колесных лопастей, расположенных в траектории течения суспензии у выхода стоячей трубы.
Альтернативно, вихревой узел может содержать множество вращающихся лопастей, расположенных в траектории течения суспензии у выхода стоячей трубы.
Вихревой узел может дополнительно содержать отражатель, расположенный непосредственно над выходом стоячей трубы для отклонения суспензии, вытекающей из выхода стоячей трубы, вниз, когда данный узел расположен в емкости.
Данный отражатель может содержать крышку, имеющую верхнюю стенку и, необязательно, свисающую вниз юбку, которая располагается на вихревом узле так, что при использовании суспензия, которая вытекает из выхода стоячей трубы, контактирует с верхней стенкой и/или юбкой (если присутствует) и отклоняется вниз в емкости.
Согласно настоящему изобретению также обеспечивается емкость для охлаждения суспензии, где данная емкость содержит:
(а) вышеописанный аппарат для подачи суспензии, подлежащей охлаждению, в емкость, расположенный в данной емкости, и
(b) по меньшей мере, один выход для охлажденной суспензии из емкости.
Данная емкость может представлять собой емкость для быстрого охлаждения суспензии, которая находится при температуре более высокой, чем температура насыщения, соответствующая рабочему давлению емкости.
Данная емкость может представлять собой емкость для быстрого охлаждения суспензии из блоков выщелачивания установок процесса Байера для получения оксида алюминия.
Согласно настоящему изобретению также обеспечивается способ обработки суспензии, который содержит подачу суспензии с вихревым движением в емкость, которая содержит некоторый объем суспензии.
Данный способ может содержать подачу суспензии с вихревым движением в емкость выше поверхности объема суспензии в данной емкости.
Данный способ может содержать подачу суспензии с вихревым движением в емкость в направлении вниз внутри емкости.
Данный способ может содержать подачу суспензии восходящим потоком, например вертикально восходящим потоком, со дна емкости через стоячую трубу, расположенную в данной емкости и придающую вихревое движение суспензии, когда она вытекает из выхода данной трубы на верхнем конце трубы.
Данный способ может содержать подачу суспензии при температуре более высокой, чем температура насыщения, соответствующая рабочему давлению емкости, и быстрое охлаждение суспензии в емкости.
Данный способ может содержать регулирование уровня объема суспензии в емкости.
Данная емкость может быть вышеописанной емкостью.
Настоящее изобретение дополнительно описывается в качестве примера со ссылкой на сопровождающие чертежи, где:
фиг.1 представляет собой схематичный чертеж нижней части одного варианта осуществления известной емкости быстрого охлаждения до модификаций аппарата подачи суспензии, показанного на этой фигуре, которые преобразуют данную емкость в емкость быстрого охлаждения согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.2 представляет собой увеличенный вид сбоку аппарата подачи, показанного на фиг.1;
фиг.3 представляет собой схематичный чертеж нижней части одного варианта осуществления емкости быстрого охлаждения согласно настоящему изобретению, который содержит один вариант осуществления аппарата для подачи суспензии в данную емкость согласно настоящему изобретению;
фиг.4 представляет собой вид сверху вихревого узла аппарата подачи, показанного на фиг.3, с верхней крышкой данного узла, удаленной для ясности;
фиг.5 представляет собой вид сбоку другого, хотя и не единственного другого возможного, варианта осуществления аппарата подачи согласно настоящему изобретению с верхней крышкой данного узла, удаленной для ясности; и
фиг.6 представляет собой вид сверху вихревого узла аппарата подачи, показанного на фиг.5, с верхней крышкой данного узла, удаленной для ясности.
Варианты осуществления емкостей и аппаратов для подачи суспензии в емкости настоящего изобретения описываются далее в контексте быстрого охлаждения суспензии при высокой температуре и давлении из блоков выщелачивания установок процесса Байера для получения оксида алюминия. Обычно суспензия из блоков выщелачивания находится при температуре, по меньшей мере, 150-140°С и давлении, по меньшей мере, 2500-300 кПа.
Однако следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается этим применением и распространяется на любые другие применения, которые требуют использования данных емкостей и аппаратов подачи для емкостей для быстрого охлаждения технологических суспензий, которые находятся при высоких температурах и давлениях.
Емкость, в целом обозначенную ссылочной позицией 3, на фиг.1 представляет собой известную емкость, которая содержит полусферическую нижнюю секцию 9 и полусферическую верхнюю секцию (не показана) и цилиндрические боковые стенки 15.
Емкость 3 также содержит аппарат подачи, в целом обозначенный ссылочной позицией 5, для подачи суспензии при высокой температуре и высоком давлении в емкость 3 для быстрого охлаждения в емкости 3. Более конкретно, суспензия, подаваемая в емкость 3, находится при температуре выше, чем температура насыщения, соответствующая рабочему давлению в данной емкости.
Емкость 3 также содержит, по меньшей мере, один выход 8 для выпуска быстро охлажденной суспензии из емкости 3. Емкость 3 представляет собой одну из последовательности емкостей для быстрого охлаждения суспензии при высокой температуре и высоком давлении из блоков выщелачивания Бауэра до атмосферного давления при последовательно понижающихся давлениях в емкостях.
1
1
Фиг.1 показывает, что емкость 3 содержит объем 17 быстро охлаждаемой суспензии, которая имеет поверхность, которая находится на уровне Н в емкости 3. Уровень Н может быть любым приемлемым уровнем. Емкость 3 включает в себя датчики (не показаны) для измерения уровня объема 17. Система управления для емкости 3 установлена для контроля уровня объема 17.
2
1
Аппарат 5 подачи содержит стоячую трубу 7, которая установлена в нижней секции 9 емкости 3 в центре нижней секции 9 и проходит вертикально вверх в емкость 3. Стоячая труба 7 имеет (а) вход 11 для суспензии в нижней секции 9 и (b) выход, в целом обозначенный ссылочной позицией 13, на верхнем конце стоячей трубы 7. Вход 11 присоединяется к источнику суспензии выше по потоку. Данный источник может быть емкостью 3 выше по потоку или блоком выщелачивания. Выход 13 находится на уровне Н в емкости 3, которая находится выше уровня Н объема 17 быстро охлаждаемой суспензии в емкости 3. Выход 13 содержит отражатель в форме крышки 14, которая присоединяется к верхней части стоячей трубы 7 посредством ряда радиально распространяющихся лопастей 16. Из данных фигур можно понять, что при работе суспензия, текущая вверх в стоячей трубе 7, взаимодействует (контактирует) с верхней крышкой 14 и отклоняется, протекая радиально наружу в зазоры между лопастями 16 в направлении боковых стенок 15 и затем вниз в объем 17 быстро охлаждаемой суспензии.
На фиг.3-6 каждый из двух, хотя это не единственные два, вариантов осуществления аппарата 5 подачи согласно настоящему изобретению, показанных на фигурах, содержит узел для придания вихревого движения суспензии, текущей вверх сквозь стоячую трубу 7 от входа 11 к выходу 13.
В каждом варианте осуществления данный вихревой узел находится у выхода 13 аппарата 5 подачи.
Стрелки на фиг.3-6 показывают направление течения суспензии в каждом варианте осуществления. В частности, стрелки показывают, что в каждом варианте осуществления суспензия течет вверх от входа 11 через стоячую трубу 7 и затем из выхода 13 в вихревом движении. В каждом варианте осуществления вихревое движение суспензии из выхода 13 является течением суспензии по изогнутой траектории вокруг центральной вертикальной оси стоячей трубы 7 наружу и затем вниз от выхода 13. В этом контексте вихревое движение является течением суспензии, которое не направлено прямо к боковым стенкам 15 емкости 3, а скорее является течением по изогнутой траектории движения прочь от выхода 13 и к боковым стенкам 15 емкости 3 и затем вниз в объем 17 быстро охлаждаемой суспензии.
Как указано выше, выход 13 находится выше объема 17. Следовательно, суспензия из выхода 13 в конечном счете падает на объем 17 быстро охлаждаемой суспензии и поступает в него.
Действие вихревого движения заключается в том, чтобы вызывать движение суспензии внутри емкости 3 каждого варианта осуществления, которое гарантирует существование движения во всем объеме суспензии в емкости 3, например, достаточный тангенциальный момент суспензии на дне емкости 3, так что не происходит осаждения твердого мелкого материала из суспензии на дно емкости 3. Кроме того, вихревое движение суспензии означает, что суспензия взаимодействует с объемом 17 суспензии таким образом, что возникает минимальное разбрызгивание суспензии на боковые стенки 15 емкости 3, что минимизирует образование накипи на боковых стенках.
На фиг.3 и 4 вихревой узел данного варианта осуществления содержит множество вертикально расположенных, изогнутых лопастей 19, которые расположены по кругу вокруг выхода 13 стоячей трубы 7. Как можно видеть на данных фигурах, лопасти 19 распространяются наружу от центральной вертикальной оси стоячей трубы 7. Вихревой узел также содержит верхнюю крышку 25, которая расположена, в общем, горизонтально прямо над выходом 13 стоячей трубы 7. При работе суспензия, текущая вверх в стоячей трубе 7, течет из выхода 13 и взаимодействует с нижней поверхностью крышки 25 и отклоняется радиально наружу, прямо в направлении боковых стенок 15 емкости 13. Суспензия взаимодействует с изогнутыми лопастями 19 и формируется лопастями 19, чтобы течь по изогнутой траектории, т.е. с вихревым движением, показанным стрелками на фигурах.
1
Рабочие условия в емкости 3 регулируются так, что уровень Н суспензии в емкости 1 находится ниже выхода 13 аппарата 5 подачи.
Вариант осуществления аппарата подачи, показанный на фиг.5 и 6, очень похож на вариант осуществления, показанный на фиг.3 и 4.
Основное различие между данными вариантами осуществления состоит в том, что вихревой узел варианта осуществления на фиг.5 и 6 содержит лопастное колесо для придания вихревого движения течению суспензии, а не изогнутые лопасти 19 варианта осуществления на фиг.3 и 4.
Более конкретно, смотрите фиг.5 и 6, данное лопастное колесо содержит множество вертикально распространяющихся лопаток 27 колеса, расположенных по кругу вокруг выхода 13 стоячей трубы 7. Данный вихревой узел также содержит отражатель в форме крышки (не показан). Можно понять, что при работе лопатки 27 колеса выполняют ту же функцию, как и изогнутые лопасти 19, формирования течения суспензии радиально наружу от выхода 13 с вихревым движением.
Настоящее изобретение описывается далее со ссылкой на следующие примеры.
Пример 1
Емкость быстрого охлаждения уменьшенного размера, имеющая такую же общую форму, как емкость, показанная на фиг.1, использовали, чтобы проверить настоящее изобретение.
Тестовая емкость содержала акриловую цилиндрическую секцию и полусферическую нижнюю секцию с входом и выходом в нижней секции тестовой емкости. Тестовая емкость имела диаметр приблизительно 0,4 метра. Высоту стоячей трубы внутри емкости меняли от 0,1 до 0,23 м при измерении от основания емкости до положения ниже выхода 13 согласно фиг.1.
Тестовая емкость работала при окружающей температуре и давлении.
Тестовая суспензия содержала твердый мелкий материал, взвешенный в воде. Твердый мелкий материал был в форме стеклянных шариков, имеющих распределение размера частиц приблизительно такое же, как в суспензиях, подаваемых в современные емкости быстрого охлаждения, применяемые в вышеупомянутом заводе заявителя по производству оксида алюминия.
Насос использовали для рециркуляции тестовых суспензий от выхода емкости к входу емкости.
Сжатый воздух впрыскивали в трубу подачи емкости, чтобы моделировать течение пара, возникающее из-за снижения давления.
Тесты выполняли с тестовыми суспензиями, подаваемыми с такими же приведенными скоростями, как у суспензий, подаваемых в современные емкости быстрого охлаждения, применяемые в заводе по производству оксида алюминия.
На фиг.1 выход 13 наверху стоячей трубы 7 в этом примере имеет тип, который направляет суспензии радиально наружу в направлении боковых стенок емкости без какого-либо вызванного закручивания.
Проверяли некоторый диапазон разных глубин суспензий в тестовой емкости.
Во всех случаях было обнаружено, что неприемлемые количества твердого мелкого материала оседали из тестовых суспензий и накапливались на дне тестовой емкости.
Пример 2
Используя такое же оборудование, как в примере 1, изображенное на фиг.1, выход 13 наверху стоячей трубы 7 модифицировали так, чтобы он содержал отражающую крышку, чтобы отклонять, по меньшей мере, часть направленных радиально наружу течений тестовых суспензий вниз в тестовой емкости, но опять без придания какого-либо закручивания выходящим суспензиям.
Снова было обнаружено, что неприемлемые количества твердого мелкого материала оседали из тестовых суспензий и накапливались на дне тестовой емкости.
Пример 3
Используя такое же оборудование, как в примерах 1 и 2, изображенное на фиг.1, выход 13 наверху стоячей трубы 7 дополнительно модифицировали так, чтобы проверить конфигурации, показанные на фиг.3-6, придающие вихревое движения выходящей суспензии.
Во всех случаях было обнаружено, что никакой твердый мелкий материал не оседал из тестовых суспензий. Другими словами, в испытанном диапазоне рабочих условий условия течения в тестовой емкости удерживали твердый мелкий материал во взвешенном состоянии в тестовых суспензиях.
Пример 4
Как указано выше, настоящее изобретение было сделано после того, как заявитель провел исследовательскую работу с емкостями быстрого охлаждения, применяемыми на вышеупомянутом заводе заявителя. Данные емкости имеют конструкцию, показанную на фиг.1 и 2, при следующих размерах емкости:
Диаметр емкости: 5 м.
Высота стоячей трубы: 2,5 м.
Выход 13 на вершине стоячей трубы 7 каждой емкости быстрого охлаждения отклоняет, по меньшей мере, часть направленных радиально наружу течений суспензии завода вниз в емкости быстрого охлаждения без придания какого-либо завихрения выходящей суспензии.
При концентрации твердых веществ в суспензии порядка 80 г/л донные выходы емкостей быстрого охлаждения обычно полностью блокировались после периода времени четыре (4) месяца при непрерывной работе и нуждались в обслуживании для полной очистки и удаления накипи.
Кроме того, после одного месяца работы некоторые признаки закупоривания наблюдали в емкостях быстрого охлаждения.
Пример 5
Используя такие же емкости быстрого охлаждения, как в примере 4, но с выходами 13 наверху стоячих труб 7, имеющими конфигурации, показанные на фиг.3-6, которые придают вихревое движение выходящей суспензии, наблюдали, что после трех (3) месяцев работы никакой накипи не накапливалось на стенках емкостей быстрого охлаждения и никакого осадка не наблюдали на дне емкостей.
Емкости быстрого охлаждения, оборудованные конструкцией выхода настоящего изобретения, были способны работать в испытаниях больше чем 6 месяцев без какого-либо значительного закупоривания.
Заявитель обнаружил, что емкость и аппарат подачи настоящего изобретения имеют следующие преимущества.
(а) Донный вход суспензии означает, что для суспензии нет необходимости подвергаться нежелательным изменениям направления и изменениям конечного момента суспензии.
(b) Вихревое течение суспензий из выхода аппарата подачи придает достаточное движение материалу в емкости, например достаточный тангенциальный момент суспензиям на дне емкостей, чтобы предотвращать оседание твердого мелкого материала из суспензий.
(с) Наблюдается минимальное забрызгивание стенок - такое минимальное забрызгивание стенок приводит к пониженному росту накипи на стенках, которая может отставать от стенки и блокировать выход емкости.
(d) Существует неподвижный уровень суспензии в емкости, приводящий к очень определенной границе раздела жидкость/пар, что позволяет улучшать детектирование уровня.
Много модификаций может быть сделано к вариантам осуществления настоящего изобретения, описанным выше, без отклонения от сущности и объема данного изобретения.
В качестве примера, хотя варианты осуществления, описанные выше, содержат вихревой узел, расположенный у выхода 3 стоячей трубы 7, настоящее изобретение не ограничивается этим и распространяется на любое подходящее положение для вихревого узла. Например, настоящее изобретение распространяется на расположения, где вихревое движение вызывается, по меньшей мере, частично внутри стоячей трубы 7.