Спаргер для сосуда высокого давления
SPARGER FOR HIGH-PRESSURE VESSEL

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к спаргеру для сосуда высокого давления или автоклава.
А именно, настоящее изобретение относится к спаргеру, снабженному устройством газового затвора, служащего для предотвращения обратного потока пульпового материала в спаргер при его использовании в сосуде высокого давления или автоклаве. Устройство газового затвора во многом препятствует засорению спаргера твердыми частицами, осаждающимися под действием силы тяжести в условиях работы при низком потоке или отсутствии потока (при приостановке технологического процесса/производства).
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
В контексте настоящего изобретения используются следующие термины и определения:
Термин "агитатор" означает высокомощное перемешивающее устройство, которое обычно расположено вертикально сверху вниз, снизу-вверх или расположено горизонтально в реакционной камере сосуда высокого давления для перемешивания пульпы рудоносного материала.
Термин "автоклав" означает горизонтальный или вертикальный сосуд-реактор высокого давления такого типа, какой обычно используется в технологических процессах выщелачивания под высоким давлением. В таких автоклавах для поддержания взвеси твердых веществ в жидкости используются обычно агитаторы, а не спаргеры. Автоклавы - это трехфазные аппараты, в то время как реакторы с псевдоожиженным слоем являются двухфазными аппаратами. Такие автоклавы используют для содействия или ускорения реакций между фазами в целях извлечения ценных минералов. Эти автоклавы должны работать таким образом, чтобы предотвращать воспламенение и/или взрыв любых фаз в автоклаве, так как любое воспламенение опасно и может привести к разрушению оборудования технологического предприятия и травмам или гибели операторов, находящихся поблизости.
Термин "газовый колпачок" означает устройство, обычно в виде перевернутой металлической чаши с прорезями или пазами по краям, которая расположена над отверстием перегородки в реакторе для осуществления контакта сред, выходящих из-под перегородки и поступающих в жидкость, которая уже находится над перегородкой. Газовые колпачки - это устройства низкого давления, обычно использующиеся в двухфазных реакторах с псевдоожиженным слоем. Чаще всего в реакторе используются сотни газовых колпачков для ожижения твердой фазы внутри газовой фазы (или твердой фазы внутри жидкой фазы) с целью достижения желаемого контакта двух фаз реактора.
Термин "повышенные температуры" означает температуры между 100°С и 300°С, а более конкретно - температуры между 150°С и 250°С. В отличие от них операции при высоких температурах, выше 500°С (а чаще всего выше 1000°С), обычно характерны для реакторов с псевдоожиженным слоем при сжигании или окислении одной фазы внутри другой.
Термин "среда" означает любое вещество, способное к текучести и не имеющее установленной формы. Сюда входят газы (такие как пар или кислород), жидкости (такие как вода, кислота или щелочь) и пульпы (такие как смесь минерало-несущих частиц в воде или разбавленной кислоте или щелочи).
Термин "траектории потока" означает траектории, по которым проходит поток сред в спаргере.
Термин "реактор с псевдоожиженным слоем" означает реактор, в котором жидкость или газ подаются через гранулированный материал над перфорированным распределителем со скоростью потока достаточной для того, чтобы гранулированный материал, расположенный над распределителем, имел свойства жидкости (то есть ожижался), чтобы повысить контакт между ожижающей средой и гранулированным материалом и увеличить скорость сгорания или сжигания гранулированного материала в реакторе. Часто на распределитель устанавливаются газовые колпачки для предотвращения потока гранулированного материала в распределитель газа и повышения скорости впрыскивания жидкости или газа для улучшения смешивания сред реагентов с гранулированным материалом и препятствия обратного потока гранулированного материала в распределитель газа. Реакторы с псевдоожиженным слоем - это двухфазные аппараты, которые работают при атмосферном давлении (около 100 кПа или 1 бар) и высокой температуре.
Термин "высокомощный" означает имеющий достаточную мощность для перемешивания от 100 до 1000 тонн пульпы за 20 - 60 секунд.
Термин "высокое давление" означает давление, достигающее до 6000 кПа (60 бар), которое обычно применяется в автоклавных технологических процессах кислотного выщелачивания под высоким давлением (HPAL), кислотного выщелачивания под давлением (PAL) или окисления под давлением (РОХ). Настоящее изобретение относится к сосудам высокого давления и не применимо к реакторам с псевдоожиженным слоем. Реакторы с псевдоожиженным слоем не могут оперировать при высоком давлении, так как такие давления неприемлемы, нецелесообразны и опасны в процессах окисления или сжигания, для которых рассчитаны реакторы с псевдоожиженным слоем.
Термин "высокая температура" означает температуру выше 500°С, которая обычно имеет место в работе реакторов с псевдоожиженным слоем.
Термин "низкое давление" означает либо атмосферное давление (около 100 кПа или 1 бар), либо давление до 200 кПа (2 бар), которое обычно имеет место в работе реакторов с псевдоожиженным слоем.
Термин "реагенты" означает среды, впрыскиваемые спаргером настоящего изобретения в сосуд-реактор высокого давления для повышения скорости реакции или контроля технологических параметров. Обычно реагенты включают в себя такие вещества как кислород, кислоту, щелочь, воду или пар в жидкой или газообразной фазе.
Термин "пульпа" означает смесь твердых, жидких и/или газообразных фаз в текучей смеси, обладающей свойствами жидкости.
Термин "спаргер" означает устройство, обычно в виде трубы, которое используется для впрыска газа в жидкость или для впрыска газа или жидкости в пульпу. В контексте настоящего изобретения спаргер в частности относится к впрыску газа и/или жидкости в среду, имеющую форму пульпы рудоносных частиц, для подачи реактантов, контроля технологических параметров, таких как температура, давление и скорость технологической реакции. Отметим, что в некоторых источниках спаргер именуется барботером или разбрызгивателем.
Термин "сосуд" в контексте настоящего изобретения чаще всего означает сосуд-реактор высокого давления, такой как автоклав.
ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Автоклавы высокого давления применяются для интенсивного выщелачивания минералов из руд без необходимости высоких энергетических затрат, имеющих место в более традиционных пирометаллургических процессах, таких как плавка. Эти автоклавы обычно представляют собой горизонтальные сосуды и имеют несколько агитаторов, например, от 4 до 12 агитаторов, распределенных по длине сосуда для перемешивания содержащей минералы пульпы и сокращения времени переработки. Агитаторы - это высокомощные перемешивающие устройства, для работы которых обычно требуется около 400 кВт электропитания, способные перемешать все содержимое автоклава (чаще всего от 100 до 1000 тонн) за промежуток времени от 20 до 60 секунд.
Автоклавы высокого давления иногда оснащаются спаргерными трубами для впрыска в минерало-содержащую пульпу газообразных реагентов, таких как кислород, или жидкостей, таких как кислота, щелочь или вода. Это осуществляется для дальнейшего сокращения времени реакции и регулирования технологических параметров, таких как температура и давление. При таком устройстве автоклава для каждого агитатора обычно предусматривается одна спаргерная труба. Одной из распространенных трудностей при использовании спаргерных труб в автоклавах высокого давления является тенденция заполнения труб и их последующего засорения пульпой и твердыми частицами, которое происходит при операционном режиме с низким потоком впрыска или при отсутствии потока (например, режим с приостановкой технологического процесса или производства). Очищение спаргерных труб от засорения чаще всего достигается путем промывки охлаждающей водой или их продувки паром при работающем автоклаве (в режиме онлайн). Однако, иногда для очищения спаргерных труб требуется механическая очистка спаргера после снижения давления в сосуде. Очистка засорений в режиме онлайн осуществляется с помощью специальной запорно-регулирующей арматуры, срабатывание которой в некоторых установках может быть необходимо вплоть до 12 раз в день для постоянного вымывания из спаргерных труб осажденной пульпы, обломков кирпичной футеровки и окалины. Такая частая промывка может привести к тому, что рекомендуемое поставщиком количество срабатываний запорно-регулирующей арматуры в периоды между техобслуживанием будет превышено очень быстро. При такой высокой частоте срабатываний наблюдается превышение рекомендуемого количества срабатываний за менее чем 20 дней, в то время как типичная продолжительность кампании работы автоклава может составлять более года. Это негативно сказывается на производительности автоклавных операций и снижает уровень рентабельности. Техобслуживание этих клапанов предпочтительно осуществлять в периоды между кампаниями.
Еще одна сложность в использовании спаргерных труб в автоклавах высокого давления заключается в том, чтобы избегать высоких расходов, которые могут привести к резкому износу металлических составляющих трубы и даже к возгоранию, а в худших случаях - к потере целостности конструкции и резкой неконтролируемой потере давления в автоклаве. Для того чтобы обеспечивать максимальные расходы среды в автоклавах высокого давления, не превышающие 20 м/с, требуется очень тщательное проектирование, которое существенно снижает риск возгорания металлических материалов спаргерной трубы в условиях высокой концентрации кислорода. Кроме того, критическая скорость потока реагентов в условиях высокой концентрации кислорода зависима от давления. Например, при давлении 5,6 МПа (56 бар) критическая ударная скорость потока кислорода высокой чистоты составляет всего 8 м/с.
В двухфазных установках химической промышленности известно применение газовых колпачков, которые позволяют распределять реактивный газ в фазе перерабатываемых твердых частиц в виде пузырьков. Такое распределение обеспечивает более оптимальный контакт сред и ожижение твердых веществ. Газовый колпачок обычно представляет собой перевернутую металлическую чашу с прорезями или пазами по краям, расположенную над трубой, выходящей из отверстия в перегородке реактора с псевдоожиженным слоем, для осуществления контакта газов, выходящих из-под перегородки и поступающих в технологическую среду или гранулированные твердые вещества, которые уже находятся над перегородкой. Обычно для достижения желаемого контакта двух фаз в реакторах с псевдоожиженным слоем используются сотни газовых колпачков. Применение этих газовых колпачков в сосудах высокого давления или в автоклавах неизвестно. Газовый колпачок как устройство низкого давления действует в роли встроенного твердого и сплошного затвора, который предотвращает обратный поток материалов реактора в условиях низкого потока газа. Кроме того, неизвестно применение газовых колпачков совместно с агитаторами, так как в реакторах с псевдоожиженным слоем не используются и не могут использоваться агитаторы, а в автоклавах для осуществления агитации не используются и чаще всего не могут использоваться инжекторы технологических сред. В дополнение, перерабатываемые в автоклаве материалы не могут в нормальных условиях перемешиваться с помощью газового колпачка, так как энергии, возникающей от впрыскивания технологической среды, недостаточно для сдвига содержимого автоклава, необходимого для требуемого уровня перемешивания.
Газовые колпачки не являются аналогами спаргеров. Газовые колпачки - это двухфазные устройства, требуемые для псевдоожиженного слоя, в то время как спаргеры - это трехфазные устройства, используемые в автоклавах высокого давления. Газовые колпачки служат для ускорения потока сред, впрыскиваемых в реакторы низкого давления, для перемешивания, дисперсии и поддержания взвеси частиц в реакторах. Что касается спаргеров, их основная цель заключается в подаче реагентов в сосуды высокого давления, то есть в работе спаргеров основной упор идет на сокращение скорости потока сред и соответствующее сокращение износа и риска возгорания. Распределение реагентов и поддержание компонентов пульпы во взвешенном состоянии - это задача высокомощных агитаторов, а не спаргеров.
Газовые колпачки имеют низкую посадку, чем обеспечивают максимальную агитацию у днища реактора, в то время как спаргеры имеют относительно большую длину (в сравнении с их диаметром), чтобы отдалить впрыскиваемые реагенты от днища сосуда и сократить износ и локальные колебания температуры у стенок сосуда.
Существенное отличие автоклавов высокого давления от реакторов с псевдоожиженным слоем в том, что первые оснащаются высокомощными агитаторами (обычно в количестве меньше 12), которые поддерживают взвесь гранулированных частиц и распределяют подаваемый газ, а в реакторах с псевдоожиженным слоем среды (обычно в виде горючих газов) при высоком расходе впрыскиваются через сотни газовых колпачков для расширения и взвешивания слоя гранулированных частиц с помощью газа. Твердые вещества и газ (или жидкость) в слое расширяются и получают свойства текучести, характерные для жидкости, отсюда и происходит название "реактор с псевдоожиженным слоем". Кроме того, автоклавы предназначены для извлечения ценных минералов из руд, а реакторы с псевдоожиженным слоем служат для сжигания, гидролиза или окисления гранулированных материалов. В автоклавах необходимо поддерживать относительно низкие расходы сред, чтобы избежать возгораний и повышенного износа, в то время как для реакторов с псевдоожиженным слоем требуются высокие расходы для поддержания ожижения гранулированных материалов для целей сжигания. Сжигание губительно для автоклавов, а для реакторов с псевдоожиженным слоем сжигание есть цель процесса. Соответственно, технология реакторов с псевдоожиженным слоем неприменима для безопасного и эффективного проектирования и эксплуатации автоклавов.
Проблемой для автоклавов высокого давления является засорение традиционных спаргерных труб, вызванное низким или нулевым потоком газа, что часто имеет место в нормальной работе. Решение для этой проблемы засорения, которое не было опробовано ранее, представляет собой устройство газового затвора, которое служит для предотвращения потока содержимого камеры реактора, главным образом пульпы, в спаргер в условиях нулевого или низкого расхода газа, а также не позволяет твердым частицам попадать в спаргер под действием силы тяжести. При низких расходах устройство газового затвора устраняет потребность в минимальном расходе среды на выходе из спаргера, критичном для предотвращения попадания твердых частиц или пульпы в спаргер под действием силы тяжести. Такое средство газового затвора не должно иметь движущихся деталей, как и должно исключать любые траектории потока, по которым среды высокого давления могут обогнуть и обойти устройство газового затвора, тем самым уничтожая его эффект. Газовый колпачок, болтами присоединенный к спаргерной трубе, как раз создаст такие траектории потока, а значит не будет продуктивен при его использовании в качестве газового затвора.
Кроме того, устройство газового затвора не должно привносить препятствий, которые могут привести к повышению скорости потока впрыскиваемой среды и превышению ударной скорости потока, то есть той скорости, при превышении которой металлические составляющие спаргера загораются в присутствии кислорода высокой чистоты или другим образом подвергаются повышенному износу. Обычно эта скорость потока для кислорода составляет около 20 м/с, хотя критическая скорость потока зависит от технологической среды и рабочих параметров автоклава. Газовые колпачки, напротив, обычно проектируются для повышения скорости потока среды через них, при этом ограничение или сокращение расхода впрыскиваемых сред не имеет значения и не рассматривается.
В настоящем изобретении спаргер оснащается устройством газового затвора для предотвращения обратного потока пульпы и твердых материалов в спаргер при применении в сосуде высокого давления, таком как автоклав.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, предметом настоящего изобретения является оснащение спаргера устройством газового затвора, чтобы предотвратить обратный поток пульпы и твердых материалов в спаргер при применении в сосуде высокого давления в условиях низкого или нулевого потока среды через спаргер.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предоставляется спаргер для использования в сосуде высокого давления, работающем при повышенных температурах и оснащенном высокомощными агитаторами для поддержания взвеси минерало-содержащих частиц в пульпе, спаргер, впрыскивающий среды реагентов в пульпу для сокращения времени реакции и для контроля технологических параметров с целью извлечения ценных минералов из частиц, спаргер, состоящий из:
трубы, открытый конец которой расположен внутри сосуда высокого давления рядом с агитатором; и
устройства газового затвора, расположенного у открытого конца трубы для предотвращения обратного потока пульповых материалов в трубу в условиях низкого или нулевого потока среды через указанную трубу;
при этом площадь поперечного сечения трубы и устройства газового затвора сконфигурированы таким образом, чтобы поддерживать поток реагентов на уровне ниже критической ударной скорости потока, превышение которой приводит к повышенному износу и возгоранию в присутствии кислорода высокой чистоты.
Устройство газового затвора может иметь фиксированное или съемное крепление к открытому концу трубы или может просто быть установлено рядом с открытым концом трубы путем крепления к иному внутреннему компоненту автоклава.
Рядом с выпуском из устройства газового затвора может устанавливаться диффузионное кольцо или диффузионная пластина. Она предназначена для того, чтобы направлять поток более плотных сред, таких как охлаждающая вода, радиально в стороны, а не сверху вниз, как это присуще для выходящего потока. Диффузионное кольцо таким образом не допускает локализованного охлаждения или высокой концентрации реагентов у днища автоклава, а также способствует дисперсии и содействует процессу протекания реакции.
В автоклавах, имеющих агитаторы, один или два спаргера обычно предусмотрены у каждого агитатора и/или расположены вблизи каждого агитатора. А именно, один спаргер для каждой среды, подаваемой в автоклав - так как в некоторых проектах сосудов высокого давления некоторые среды (такие как, кислород и пар) должны быть отдельны друг друга.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предоставляется сосуд высокого давления для извлечения ценных минералов из минерало-содержащих частиц, сосуд высокого давления, который состоит из:
реакционной камеры, где содержится пульпа минерало-содержащих частиц при высоком давлении и повышенной температуре;
группы агитаторов для перемешивания пульпы; и
по крайней мере одного спаргера для впрыска реагентов в пульпу, где каждый спаргер расположен вблизи с соответствующим агитатором, спаргера, состоящего из:
трубы, открытый конец которой выведен в реакционную камеру; и
устройства газового затвора, расположенного у открытого конца трубы для предотвращения обратного потока пульповых материалов в трубу в условиях низкого или нулевого потока среды через указанную трубу.
В соответствии со следующим аспектом настоящего изобретения имеет место автоклавный технологический процесс для извлечения ценных минералов из минерало-содержащих частиц, происходящий в реакционной камере, оснащенной группой агитаторов, для каждого из которых предусмотрен по крайней мере один спаргер. Такой спаргер состоит из трубы, открытый конец которой расположен внутри реакционной камеры и устройства газового затвора, установленного у открытого конца трубы, для предотвращения обратного потока пульповых материалов в трубу в условиях низкого или нулевого потока среды через указанную трубу. Технологический процесс делится на следующие этапы:
наполнение сосуда реактора пульпой минерало-содержащих частиц;
нагнетание давления в реакционной камере до достижения высокого давления;
перемешивание пульпы с помощью агитаторов;
впрыск реактивных сред в реакционную камеру с помощью спаргеров; и
блокирование потока указанных пульповых материалов из реакционной камеры в трубу с помощью устройства газового затвора.
Обычно в случаях, где спаргер подвергается коррозии и эрозии, спаргер настоящего изобретения может иметь защитное покрытие по всех поверхности, контактирующей с технологической средой. Например, спаргер настоящего изобретения может иметь напыляемое керамо-металлическое покрытие или наружную оболочку может иметь плакировку материалом, отличающимся от материала самого спаргера, по всей поверхности спаргера, контактирующей с технологической средой. Эти средства служат в качестве защиты от коррозионного и/или эрозионного воздействия, которое в противном случае возникает вследствие контакта с автоклавными средами, имеющими коррозийный и/или эрозийный характер.
Преимущественно выступ спаргера внутри автоклава имеет относительно большую длину по сравнению с его диаметром.
В контексте настоящего изобретения фраза "относительно большая длина" в применении к спаргерной трубе означает, что часть спаргера, находящаяся внутри автоклава, имеет длину, которая составляет более чем 300% наружного диаметра спаргерной трубы.
Чаще всего спаргерная труба имеет относительно большую толщину стенки по сравнению с ее диаметром. Тем не менее, спаргерная труба может быть изготовлена из материала со сравнительно тонкой стенкой.
В контексте настоящего изобретения фраза "относительно большая толщина" в применении к стенке спаргерной трубы означает, что толщина стенки выше примерно 10% радиального значения спаргерной трубы. Однако стенка спаргера может быть и относительно тонкой.
По всему тексту описания и если контекстом не предусмотрено иное значение, слово "состоит" и его производные, например "состоящий", следует понимать в том смысле, что указанные целые части или их группа включены в состав, но при этом не исключаются другие целые составляющие или их группы. А также, слово "преимущественно" или его синонимы, такие как "предпочтительно", "чаще всего", "обычно", следует понимать в том смысле, что указанные целые части или их группы желательны, но необязательно являются неотъемлемыми для функционирования изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Ниже будут описываться иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:
Фиг. с 1 по 6 показывают вид в поперечном разрезе на часть традиционного автоклава высокого давления, где представлены конфигурации известного уровня техники. Варианты осуществления этих объектов в конфигурации настоящего изобретения показаны на фиг. с 7 по 18 соответственно;
Фиг. 1 и 2 представляют виды в поперечном разрезе на часть традиционного автоклава высокого давления со спаргером нижней подачи известного уровня техники, на фиг. 2 показан спаргер относительно агитатора в меньшем масштабе.
На фиг. 3 показан вид в поперечном разрезе на автоклав высокого давления фиг. 1 и 2 известного уровня техники, представленный в еще меньшем масштабе;
Фиг. 4 и 5 показывают виды в поперечном разрезе на автоклавные спаргеры верхней подачи в двух различных ориентациях. На фиг. 4 показан спаргер верхней подачи, где открытый/выпускной конец спаргерной трубы находится под агитатором в вертикальном положении снизу-вверх. На фиг. 5 показан спаргер верхней подачи, где открытый/выпускной конец спаргерной трубы находится над агитатором в горизонтальном положении.
Фиг. 6 представляет вид в поперечном разрезе на спаргер боковой подачи известного уровня техники, где горизонтальный открытый/выпускной конец спаргерной трубы находится под агитатором;
Фиг. 7 и 8 показывают виды в поперечном разрезе на часть автоклава высокого давления, где спаргер нижней подачи представлен в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Фиг. 8 показана в меньшем масштабе, представлен спаргер по отношению к агитатору, а также устройство газового затвора, установленное на спаргерную трубу;
Фиг. 9 представляет вид в поперечном разрезе на автоклав высокого давления фиг. 7 и 8 в еще меньшем масштабе;
На фиг. 10 показан вид в поперечном разрезе на спаргер фиг. 7, представленный в отдельности;
Фиг. 11 и 12 представляют виды в поперечном разрезе на часть автоклава высокого давления, где спаргер нижней подачи представлен в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг. 12 представлен вид в меньшем масштабе на спаргер по отношению к агитатору с устройством газового затвора, установленном на агитатор;
Фиг. 13 представляет вид в поперечном разрезе на автоклав высокого давления фиг. 11 и 12 в еще меньшем масштабе;
Фиг. 14 представляет вид в поперечном разрезе на часть автоклава высокого давления, где спаргер верхней подачи представлен в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 15 показывает вид в поперечном разрезе на автоклав высокого давления фиг. 14 в меньшем масштабе;
Фиг. 16 представляет вид в поперечном разрезе на часть автоклава высокого давления, где спаргер боковой подачи представлен в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 17 показывает вид в поперечном разрезе на автоклав высокого давления фиг. 16 в меньшем масштабе;
На фиг. 18 представлен вид в поперечном разрезе на одну ячейку автоклава высокого давления, где спаргер нижней подачи фигуры 7 показан относительно агитатора; и
На фиг. 19 показан вид сверху в перспективе на автоклав высокого давления, разделенный на 6 ячеек, в каждой из которой предусмотрен один спаргер настоящего изобретения.
ИЗВЕСТНЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
На фиг. с 1 по 3 показан сосуд высокого давления в виде автоклава высокого давления 10 с традиционным спаргером 12 нижней подачи, установленным через фланец 14 автоклава известного уровня техники. Автоклав 10 также обычно имеет агитатор 16 для перемешивания пульпы, состоящей из минералоносной руды и реактивных сред (чаще всего сильной кислоты). Автоклав 10 обычно делится на от 4 до 8 ячеек (аналогичным образом, что и на 6 ячеек, как показано на фиг. 19), в каждой из которой имеется один спаргер 12 и один агитатор 16. Ограничением функциональности спаргера 12 является его подверженность засорению пульповым материалом в условиях, когда поток среды в автоклав 10 через спаргер 12 понижен или остановлен.
На фиг. от 7 до 17 представлены спаргеры 20, 40, 60 и 80 в соответствии с несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения, каждое из которых имеет преимущество в том, что обратный поток пульповых материалов в спаргерную трубу предотвращается посредством устройства газового затвора. Далее предоставляется более подробное описание каждого варианта осуществления изобретения, при этом аналогичные детали имеют одинаковое числовое обозначение.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. с 7 по 9 показан спаргер нижней подачи 20, состоящий из спаргерной трубы 22, открытый конец 24 которой входит в автоклав высокого давления 26 через фланец 28. Спаргер 20 также имеет отверстия 29, расположенные на конце спаргерной трубы 22, над которыми находится навесной перевернутый колпачок 30. Перевернутый колпачок 30 расположен дном вверх, таким образом, минералоносные частицы, перемешиваемые в автоклаве 26, не осаждаются и не оседают в спаргерной трубе 22 под воздействием силы тяжести. Перевернутый колпачок 30 и открытый конец 24 спаргерной трубы 22 образуют кольцеобразный выпуск 32.
Спаргерная труба 22 может быть введена в автоклав 26 снизу, сбоку или сверху по отношению к агитатору 16 при условии, что среды, выходящие из спаргерной трубы 22, выпускаются вблизи одного из агитаторов 16 и распределяются с помощью агитаторов 16 с целью повышения скорости реакций технологического процесса или для желаемого изменения параметров процесса. Для обеспечения функции газового затвора необходимо, чтобы ориентация выпуска 32 была устроена так, чтобы минералоносные материалы и обломки упорной кирпичной футеровки не могли попасть или осесть в спаргерной трубе 22 под воздействием силы тяжести.
Преимущественно площадь поперечного сечения отверстий 29 должна быть выше площади поперечного сечения внутри спаргерной трубы 22, так как это предотвращает повышение скорости потока сред в автоклав 26 через спаргер 20.
Чаще всего автоклав 26 имеет форму цилиндра с куполообразными торцами. Чаще всего автоклав 26 расположен горизонтально, хотя может быть расположен и вертикально.
Чаще всего автоклав 26 имеет упорную кирпичную футеровку или химически устойчивую плакировку из металлического сплава, которые защищают верхний металлический слой автоклава 26 от температур и коррозийных материалов, содержащихся в автоклаве 26 при его работе.
В качестве дополнительного преимущества спаргер 20 также оснащен диффузионным кольцом или диффузионной пластиной 34, расположенным у трубы 22 и выпуском 32 для обеспечения того, что поток более плотных сред, таких как охлаждающая вода, выходящих из спаргера 20, имеет радиальное направление в стороны от трубы 22, а не осевое - вниз вдоль трубы 22. Диффузионное кольцо 34 таким образом не допускает локализованного охлаждения или высоких концентраций реагентов у днища автоклава 26, а также способствует дисперсии и содействует процессу протекания реакции.
В качестве дополнительного преимущества спаргер 20 может иметь защитное покрытие, частично или полностью охватывающее наружную поверхность, контактирующую с технологической средой. Например, спаргер 20 может иметь керамо-металлическое покрытие, наносимое напылением, наружную оболочку или плакировку. Эти средства служат в качестве защиты от коррозионного и/или эрозионного воздействия, которое в противном случае возникает вследствие контакта с автоклавными средами.
Преимущественно кольцевой выпуск 32 больше по площади поперечного сечения, чем отверстия 29, таким образом предотвращается повышение скорости потока сред в автоклав 26 через спаргер 20.
Открытый конец 24, отверстия 29, перевернутый колпачок 30 и кольцевой выпуск 32 в совокупности образуют устройство газового затвора настоящего изобретения в данной конфигурации его осуществления с нижней подачей. Газовый затвор создается, когда поток спаргерных сред из выпуска 32 остановлен. В таких условиях давление сред внутри спаргерной трубы 22 и давление сред внутри автоклава 26 равны. Соответственно, обратный поток среды в спаргерную трубу 22 невозможен. Кроме того, невозможен поток частиц под силой тяжести, так как отверстия 29 находятся выше, чем кольцевой выпуск 32.
На фиг. 10 показано устройство газового затвора настоящего изобретения в более крупном масштабе. Устройство газового затвора образуется из открытого конца 24 спаргерной трубы 22, отверстий 29, перевернутого колпачка 30 и кольцевого выпуска 32, формирующегося между перевернутым колпачком 30 и диффузионным кольцом 34. Площадь поперечного сечения кольцевого выпуска 32 больше площади поперечного сечения отверстий 29, которая, в свою очередь, больше площади поперечного сечения спаргерной трубы 22.
Перевернутый колпачок 30 удобно крепится к открытому концу 24 спаргерной трубы 22 с помощью резьбового соединения. Крайне важно, чтобы длина и шаг резьбового соединения были устроены так, чтобы не допускать потока сред по резьбе между перевернутым колпачком 30 и концом 24, поскольку такой поток позволит пульпе попасть в спаргер 20 и засорить его, что нарушит функциональность устройства газового затвора.
На фиг. 9, 13, 15 и 17 обычный уровень пульпы, содержащейся в автоклаве 26, показан и обозначен числовым значением 36 и именуется уровнем пульпы 36.
На фиг. с 11 по 13 показан спаргер нижней подачи 40, который аналогичен спаргеру нижней подачи 20, и одинаковые детали на фигурах имеют одинаковое числовое обозначение.
Отличие спаргера 40 от спаргера 20 в том, что спаргер 40 имеет навесной перевернутый колпачок 42, который монтируется на агитатор 16 и расположен у открытого конца 44 спаргерной трубы 22 для образования выпуска 32. В этом варианте перевернутый колпачок 42 вращается вместе с агитатором 16 и никак не крепится к спаргерной трубе 22. Кроме того, открытый конец 44 спаргерной трубы 22 имеет только одно отверстие 46, но может быть предусмотрено и несколько отверстий подобно отверстиям 29.
Открытый конец 44, отверстие 46, перевернутый колпачок 42 и кольцевой выпуск 32 в совокупности образуют устройство газового затвора настоящего изобретения. Газовый затвор создается, когда поток спаргерных сред из выпуска 32 остановлен. В таких условиях давление сред внутри спаргерной трубы 22 и давление сред внутри автоклава 26 равны. Соответственно, обратный поток среды в спаргерную трубу 22 невозможен. Кроме того, невозможен поток частиц под силой тяжести, так как отверстие 46 находится выше, чем кольцевой выпуск 32.
На фиг. 14 и 15 показан спаргер верхней подачи 60, который аналогичен спаргеру 20, и одинаковые детали на фигурах имеют одинаковое числовое обозначение.
Отличие спаргера 60 от спаргера 20 в том, что спаргер 60 не имеет перевернутого колпачка. Спаргерная труба 62 спаргера 60 вводится в автоклав 26 сверху или сбоку от агитатора 16 и заканчивается концевой пластиной 64, расположенной горизонтально. Спаргерная труба 62 отличается от спаргерной трубы 22 тем, что имеет отвод 65 у своего открытого конца. Спаргерная труба 62 имеет отверстия 66, имеющие выигрышную форму удлиненного овала, расположенные над концевой пластиной 64. Площадь поперечного сечения отверстий 66 предпочтительно больше площади поперечного сечения спаргерной трубы 62, что предотвращает повышение скорости потока сред, подаваемых через спаргерную трубу 62, в автоклав 26. Концевая пластина 64 - это эквивалент диффузионного кольца 34.
Также спаргер 60 отличается от спаргера 20 тем, что не имеет кольцевого выпуска. В данном варианте осуществления отверстия 66 формируют выпуск для потока спаргерных сред. Кроме того, отверстия 66 расположены так, что минералоносные материалы и осколки упорной кирпичной футеровки не могут попасть в спаргерную трубу 62 под действием силы тяжести.
Спаргерная труба 62 может вводиться в автоклав 26 сбоку или сверху от агитатора 16 при условии, что среды, выходящие из спаргерной трубы 62, выпускаются вблизи одного из агитаторов 16 и распределяются с помощью агитаторов 16 с целью повышения скорости реакций технологического процесса или для желаемого изменения параметров процесса. Также необходимым условием является направление выпуска 32 вниз, так, чтобы минералоносные материалы и осколки упорной кирпичной футеровки не могли попасть в спаргерную трубу 22 под воздействием силы тяжести.
Концевая пластина 64, отвод 65 и отверстия 66 в совокупности создают устройство газового затвора настоящего изобретения. Газовый затвор создается, когда поток спаргерных сред из отверстий 66 остановлен. В таких условиях давление сред внутри спаргерной трубы 62 и давление сред внутри автоклава 26 равны. Соответственно, обратный поток среды в спаргерную трубу 62 невозможен. Также невозможен поток частиц под воздействием силы тяжести, поскольку отверстия 66 находятся ниже уровня отвода 65 и остальной части спаргерной трубы 62.
На фиг. 16 и 17 показан спаргер боковой подачи 80, который аналогичен спаргеру 20, и одинаковые детали на фигурах имеют одинаковое числовое обозначение.
Отличие спаргера 80 от спаргера 20 в том, что его спаргерная труба 82 расположена в автоклаве 26 горизонтально. Спаргерная труба 82 оканчивается глухим концом 84. Также спаргерная труба 82 имеет проем 86 в нижнем участке для выпуска спаргерных сред. Проем 86 расположен таким образом, чтобы не допустить попадание минералоносных частиц и осколков упорной кирпичной футеровки в спаргерную трубу 82 под воздействием силы тяжести.
Глухой конец 84 и проем 86 в совокупности создают устройство газового затвора настоящего изобретения. Газовый затвор создается, когда поток спаргерных сред из проема 86 остановлен. В таких условиях давление сред внутри спаргерной трубы 82 и давление сред внутри автоклава 26 равны. Соответственно, обратный поток среды в спаргерную трубу 82 невозможен. Также невозможен поток частиц под воздействием силы тяжести, поскольку проем 86 раскрывается вниз и расположен ниже уровня остальной части спаргерной трубы 82.
Когда это целесообразно, спаргеры 40, 60 и 80 могут иметь защитное покрытие по всей наружной поверхности, контактирующей с технологической средой, по аналогии со спаргером 20. Например, спаргеры 40, 60 и 20 могут иметь керамо-металлическое покрытие, наносимое напылением, наружную оболочку или плакировку. Эти средства служат в качестве защиты от коррозионного и/или эрозионного воздействия, которое в противном случае возникает вследствие контакта с автоклавными средами.
Спаргеры 40 и 60 могут быть оснащены диффузионным кольцом или диффузионной пластиной, аналогично диффузионному кольцу 34 спаргера 20.
Преимущественно выступ спаргерной трубы 22 внутри автоклава 26 имеет относительно большую длину по сравнению с его диаметром.
В контексте настоящего изобретения фраза "относительно большая длина" в применении к спаргерной трубе 22 означает, что часть спаргерной трубы 22, находящаяся внутри автоклава 26, имеет длину, которая составляет более чем 300% наружного диаметра спаргерной трубы 22.
Чаще всего спаргерная труба 22 имеет относительно большую толщину стенки по сравнению с ее диаметром. Тем не менее, спаргерная труба 22 может быть изготовлена из материала со сравнительно тонкой стенкой.
В контексте настоящего изобретения фраза "относительно большая толщина" в применении к стенке трубы означает, что толщина стенки выше примерно 10% значения радиуса трубы.
Преимущественно спаргерную трубу 22 изготавливают из нержавеющих стальных металлов, химически устойчивых сплавов (таких как тантал) или подобных материалов.
На фигуре 19 показан автоклав 26, оснащенный шестью спаргерами 20 настоящего изобретения. На фиг. 18 представлена одна ячейка автоклава 26. Автоклав 26 может иметь традиционный дизайн и исполнение с точки зрения устройства спаргеров 20, 40, 60, 80. Обычно на каждую ячейку приходится один спаргер 20, 40, 60 или 80, но может быть два или несколько спаргеров 20, 40, 60 или 80 в одной ячейке. Однако агитатор 16 в одной ячейке обычно только один.
С точки зрения устройства газового затвора предпочитается, чтобы площадь поперечного сечения увеличивалась от площади спаргерной трубы 22, 62 и 82 до площади выпуска 32, отверстий 66 и проема 86 соответственно, чтобы понизить скорость потока спаргерных сред, поступающих в автоклав 26 и сократить риск возгорания спаргерной трубы 22, 62 и 82. Повышение площади поперечного сечения действует как мера обеспечения того, что скорость потока спаргерных сред поддерживается на уровне ниже критической ударной скорости потока, которая составляет приблизительно 20 м/с. При превышении этой критической скорости потока и с участием других содействующих факторов кислород или другие воспламеняющиеся среды, подаваемые в автоклав 26, могут привести к возгоранию металла (например, титана, нержавеющей стали и некоторых сплавов) спаргерных труб 22, 62 и 82 и устройства газового затвора.
Другими словами, предпочитается, чтобы площадь поперечного сечения спаргерной трубы 22, 62 и 82 и устройства газового затвора увеличивалась по направлению потока реагентов с целью предотвращения высоких расходов, которые могут привести к резкому износу металлических составляющих трубы и даже к возгоранию, а в худших случаях - к потере целостности конструкции и резкой неконтролируемой потере давления в автоклаве 26. Для того, чтобы обеспечивать максимальные расходы среды в автоклавах высокого давления, не превышающие 20 м/с, используется очень тщательное проектирование, которое существенно снижает риск возгорания металлических материалов спаргерной трубы в условиях высокой концентрации кислорода и типичного давления. Однако критическая скорость потока реагентов в условиях высокой концентрации кислорода зависима от давления. Например, при давлении 5,6 МПа (56 бар) критическая ударная скорость потока кислорода высокой чистоты составляет всего 8 м/с.
Предпочтительно общее увеличение площади поперечного сечения спаргерной трубы 22, 62 и 82 и устройства газового затвора по направлению потока реагентов, впрыскиваемых в автоклав 26.
Предпочитается, чтобы площадь поперечного сечения устройства газового затвора была по крайней мере на 100% больше площади поперечного сечения спаргерной трубы 22, 62 и 82.
В самом оптимальном исполнении площадь поперечного сечения устройства газового затвора по крайней мере на 200% больше площади поперечного сечения спаргерной трубы 22, 62 и 82.
Важно исключить любые траектории потока в спаргерную трубу 22, 62 и 82, как и в участок перед устройством газового затвора. Это обусловлено тем, что любые соединения, формирующие часть спаргера 20, 40, 60, 80 или устройства газового затвора, создают потенциальные траектории потока сред высокого давления, ведущие из автоклава 26 во внутреннюю часть спаргерной трубы 22, 62 и 82. Соответственно не допускаются болтовые соединения через спаргерную трубу 22, 62 и 82. Любые соединения, которые образуют часть спаргера или устройства газового затвора должны полностью исключать пропускание потока сред через стенку спаргерной трубы 22, 62 и 82 непосредственно в автоклав 26 или из него.
ПРИМЕНЕНИЕ
В практическом применении спаргер 20, 40, 60 или 80 устанавливают в автоклав 26 с помощью фланца 28. Фланец 28 обеспечивает герметичность со спаргерной трубой 22, 62 и 82 и предотвращает возможность выхода сред высокого давления из автоклава 26.
Спаргеры 20 и 60 устанавливают во фланец 28 изнутри автоклава 26. В то время как спаргеры 40 и 80 могут быть введены в автоклав 26 через фланец 28 снаружи автоклава.
При нормальной работе спаргера нижней подачи 20 поток спаргерных сред направляется вверх через спагерную трубу 22, через открытый конец 24 спаргерной трубы 22, через отверстия 29 и выходит из перевернутого колпачка 30 через выпуск 32 в автоклав 26 у диффузионного кольца 34. Диффузионное кольцо 34 служит для направления более плотных спаргерных сред, таких как вода, в противоположные стороны от спаргерной трубы 22. Затем агитатор 16 перемешивает спаргерные среды с пульпой 36 для ускорения протекания реакции или контроля технологических процессов производства.
При использовании спаргера нижней подачи 40 поток спаргерных сред направляется вверх через спагерную трубу 22, через открытый конец 44 в перевернутый колпачок 42 и выходит через выпуск 32 в автоклав 26 по мере вращения перевернутого колпачка 42 вместе с агитатором 16. Затем агитатор 16 перемешивает спаргерные среды с пульпой.
При использовании спаргера верхней подачи 60 поток спаргерных сред направляется вниз через спагерную трубу 62, ударяется о концевую пластину 64 и вытекает через отверстия 66 в автоклав 26 рядом с агитатором 16, который затем перемешивает спаргерные среды с пульпой 36.
При использовании спаргера боковой подачи 80 поток спаргерных сред проходит через спаргерную трубу 82 и выходит через проем 86 в автоклав 26.
Спаргерные среды могут представлять собой разбавленную кислоту или разбавленную щелочь, воду, пар или газ, такой как, к примеру, кислород. Не допускается, чтобы спаргерные среды имели возможность загореться или привести к возгоранию любого материала внутри автоклава 26 - иначе автоклав 26 может взорваться.
В каждом варианте осуществления настоящего изобретения в условиях нулевого или низкого потока спаргерной среды давление внутри спаргерных труб 22, 62 и 82 одинаково с давлением внутри автоклава 26. Таким образом достигается газовый затвор, который предотвращает обратный поток среды из автоклава 26 в спаргерные трубы 22, 62 и 82.
А также, благодаря положению и ориентации выпуска 32, отверстий 66 и проема 86 твердые частицы внутри автоклава не могут под воздействием силы тяжести попасть в спаргерные трубы 22, 62 и 82. Таким образом существенно предотвращается засорение спаргерных труб 22, 62 и 82.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Спаргер 20, 40, 60, 80 настоящего изобретения подходит для применения с целью повышения скорости реакционных процессов в сосуде высокого давления, таком как автоклав, для извлечения ценных минералов из руды без использования пирометаллургических методов и процессов.
Спаргер 20, 40, 60, 80 настоящего изобретения принадлежит и используется в области автоклавной переработки минералов под высоким давлением и при повышенной температуре с целью извлечения ценных минералов из руды.
Следствием применения спаргера 20, 40, 60, 80 настоящего изобретения является возможность подачи реагентов в автоклав без риска засорения спаргерной трубы 22, 62 и 82 пульповым или шламовым материалом даже в условиях низкого потока или отсутствия потока. В результате предотвращается производственный простой, который в противном случае возникает из-за необходимости очистки применяемых в автоклавах спаргерных труб известного уровня техники.
Кроме того, спаргер 20, 40, 60, 80 настоящего изобретения разработан для замедления потока реактивных сред в автоклав 26 с целью сокращения риска возгорания или износа металлических материалов, применяемых в изготовлении спаргера 20, 40, 60, 80.
ССЫЛОЧНЫЕ ПОЗИЦИИ
В описании используются следующие ссылочные позиции:
ИЗВЕСТНЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
10 автоклав высокого давления
12 спаргер
14 фланец
16 агитатор
НАСТОЯЩЕЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ
20 спаргер нижней подачи
22 спаргерная труба
24 открытый конец - спаргерная труба
26 автоклав
28 фланец
29 отверстия
30 перевернутый колпачок
32 кольцевой выпуск
34 диффузионное кольцо
36 уровень пульпы
40 спаргер нижней подачи
42 перевернутый колпачок
44 открытый конец - спаргерная труба
46 отверстие
60 спаргер верхней подачи
62 спаргерная труба
64 концевая пластина
65 отвод
66 отверстия
80 спаргер боковой подачи
82 спаргерная труба
84 глухой конец
86 проем
УСТРОЙСТВО ГАЗОВОГО ЗАТВОРА
Открытый конец 24, отверстия 29, перевернутый колпачок 30 и кольцевой выпуск 32 в совокупности образуют устройство газового затвора в варианте осуществления настоящего изобретения со спаргером нижней подачи 20, где перевернутый колпачок 30 установлен на спаргерную трубу 22.
Открытый конец 44, отверстие 46, перевернутый колпачок 42 и кольцевой выпуск 32 в совокупности образуют устройство газового затвора в варианте осуществления настоящего изобретения со спаргером нижней подачи, где перевернутый колпачок 42 установлен на агитатор 16.
Концевая пластина 64, отвод 65 и отверстия 66 в совокупности образуют устройство газового затвора в варианте осуществления настоящего изобретения со спаргером верхней подачи 60, где спаргерная труба 62 вводится через верхнюю область автоклава 26 над агитатором 16.
Глухой конец 84 и проем 86 в совокупности создают устройство газового затвора настоящего изобретения в осуществлении со спаргерной трубой 82 боковой подачи.
ПРЕИМУЩЕСТВА
Спаргеры 20, 40, 60 и 80 настоящего изобретения обладают преимуществом того, что включают в себя устройство газового затвора, которое препятствует потоку твердых частиц и шламового материала обратно в спаргер в ситуациях низкого потока или его отсутствия, которые часто имеют место в эксплуатации автоклава 26 высокого давления.
Спаргеры 40 и 80 обладают дополнительным преимуществом того, что предоставляют возможность их демонтажа и техобслуживания без необходимости входа персонала в автоклав 26.
Спаргеры 20, 40, 60, 80 имеют дополнительное преимущество в том, что площадь поперечного сечения проходов сред через них увеличивается по направлению потока реагентов, таким образом поддерживая скорость потока реагентов на уровне ниже критической ударной скорости потока, при превышении которой возникает вероятность возгорания материалов трубы 22, 62 и 82 и устройства газового затвора в присутствии кислорода высокой чистоты или вероятность повышенного износа этих материалов.
Покрытие спаргеров 20, 40, 60 и 80 предоставляет дальнейшее преимущество в сокращении степени износа их наружной поверхности, контактирующей с технологической средой, и увеличении временных интервалов между техобслуживанием спаргеров 20, 40, 60 и 80.
Спаргеры 20, 40, 60, 80 имеют дальнейшее преимущество в том, что исключают траектории потоков сред через стенку спаргерной трубы 22 или стенки газового затвора.
Диффузионное кольцо 34 и пластина 64 имеют преимущество того, что направляют среды, выпускаемые спаргером, в противоположные стороны от спаргерной трубы и от днища автоклава 26 и продлевают срок службы спаргеров 20 и 40 и автоклава 26. Кольцо 34 и 64 обычно предоставляет преимущество в случаях использования более плотных сред, таких как жидкости. Кольцо 34 и 64 не настолько полезно в случаях использования только сред, имеющих очень низкую плотность, таких как газ или пар. Это обусловлено тем, что сила всплывания сред с очень низкой плотностью преобладает над относительно низкой движущей силой, которой обладает выпускаемая среда.
МОДИФИКАЦИИ И ВАРИАЦИИ
Для лиц, компетентных в соответствующих областях техники, будет очевидно, что к вышеуказанным вариантам осуществления изобретения могут быть применены разнообразные способы модификации и усовершенствования, дополняющие уже описанные способы без отступления от основной идеи настоящего изобретения. Например, могут использоваться другие формы защитного покрытия. Кроме этого, могут использоваться другие конфигурации спаргера, в которых сохраняется устройство газового затвора. В дополнение, в то время как выпуск 34 спаргера обычно описывается как кольцевой, он может иметь и другие формы, такие как, к примеру, форма удлиненного овала, как показано на отверстиях 66.