СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА КЛАССИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА В ВЕРТИКАЛЬНОМ ПОТОКЕ С ПУЛЬСАЦИОННЫМ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ
METHOD OF REGULATING PROCESS OF CLASSIFICATION OF SOLID MATERIAL IN VERTICAL FLOW WITH PULSATING AGITATION

Изобретение относится к области гидрометаллургической переработки рудных измельченных материалов, содержащих ценные радиоактивные, редкоземельные, цветные и редкие металлы.
Известен способ регулирования процесса гидравлической классификации пульпы (авторское свидетельство СССР №719693, МПК В03В 13/00), в котором с целью точности регулирования измеряют содержание крупных и мелких фракций в зоне классификации и в зависимости от найденной величины совместно регулируют подачу дополнительной воды и скорость восходящего потока жидкости в камере классификации.
Недостаток известного способа состоит в том, что он предназначен лишь для регулирования процесса классификации и не может быть использован для управления процессом отмывки растворимых веществ от песков и других крупнозернистых материалов.
Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ регулирования процесса гидравлической классификации (авторское свидетельство СССР №906090, МПК В03В 13/00) в вертикальном потоке с пульсационным перемешиванием, в котором одновременно осуществляется управление процессами классификации твердого материала на пески и шламы и отмывки растворимого вещества от песков. Накапливание и поддерживание плотного слоя песков в нижней части вертикального потока обеспечивает достаточно высокую эффективность отмывки растворимых веществ от песков.
Недостаток известного способа состоит в том, что он характеризуется значительной сложностью, поскольку требует установки датчиков - системы электродов - по всей высоте рабочей зоны вертикального потока с интервалом 1 м, использования, как правило, дорогостоящего автоматического прибора для измерения во влаге промытых песков концентрации растворимого вещества в малых количествах (до 0,0005-0,001 г/л), что не всегда осуществимо на практике. Способ также требует применения экстремального регулятора - электронно-вычислительной машины. Недостаток известного способа состоит еще и в том, что вследствие малой эффективности процесса классификации до 3-5% песков класса +0,15 мм, или 8-10% песков класса +0,1 мм (см. прототип), выходят в верхний слив и далее поступают на сорбцию. При контактировании смолы с пульпой, содержащей такое количество песков, происходит истирание и механическое разрушение смолы, потери которой иногда возрастают до 150 г/т твердого. При производительности современных предприятий до 4-5 тысяч тонн в сутки и высокой стоимости смолы убытки за счет ее потерь становятся недопустимыми.
Технической задачей изобретения является упрощение и повышение надежности регулирования процессов классификации твердого материала и отмывки растворимых веществ от песков, а также повышение технико-экономических показателей на последующей операции сорбции за счет уменьшения потерь смолы при контактировании ее с унесенными в верхний слив песками.
Задача решается тем, что оптимальную высоту плотного слоя песков регулируют и устанавливают путем изменения величины давления сжатого воздуха, обеспечивающего пульсации, а скорость промывного раствора в объеме плотного слоя, не занятого песками, принимают выше скорости стесненного осаждения наиболее крупных шламов, по граничному зерну которых ведут классификацию. Задача решается и тем, что датчики верхнего и нижнего уровней плотного слоя размещают стационарно в зоне пульсации на границе раздела фаз сжатый воздух - жидкость, а также и тем, что разгрузку промытых песков ведут периодически при непрерывной подаче полидисперсного осадка и промывного раствора.
Предлагаемое техническое решение позволяет преодолеть вышеуказанные трудности. И оно заключается в следующем. Процессы отмывки растворимых веществ от полидисперсных осадков и классификации твердого на пески и шламы находят применение в гидрометаллургии и проводятся в вертикальных потоках с пульсационным перемешиванием обычно после процессов выщелачивания перед процессами сорбции. В процессах отмывки решаются задачи классификации полидисперсных осадков на пески и шламы, выделения и промывки песков с последующим, в большинстве случаев, направлением их в отвал и подачей шламов вместе с промывным раствором на сорбционную переработку. На операции сорбции наряду с извлечением ценных компонентов из растворов за счет процессов сорбционного выщелачивания происходит дополнительное извлечение ценных компонентов из твердой фазы (шламов). Очень важно на операции отмывки добиться высокой эффективности разделения твердой фазы на пески и шламы, поскольку попадание песков в верхний слив приводит на операции сорбции к значительным потерям смолы за счет ее истирания при контактировании с песками. Для аппаратурного оформления процессов, протекающих в вертикальных потоках с пульсационным перемешиванием, широко используются колонные пульсационные аппараты (С.М. Карпачева, Е.И. Захаров. Основы теории и расчета пульсационных колонных реакторов. М., Атомиздат, 1980 г., с.30). Они включают вертикальную цилиндрическую обечайку, секционированную контактными массообменными тарелками, и присоединенную к нижней части обечайки пульсационную камеру. Через пульсационную камеру возвратно-поступательные колебания сжатого воздуха от пульсатора передаются в жидкую среду, заполняющую цилиндрическую обечайку. Работа колонного аппарата с пульсационным перемешиванием основана на динамическом равновесии массы твердой и жидкой фаз, находящихся в цилиндрической части колонны, и величины давления сжатого воздуха, создающего возвратно-поступательные колебания от пульсатора. Граница возвратно-поступательных колебаний обычно устанавливается в аппаратах в средней части пульсационной камеры. При поступлении в процесс исходного твердого материала и увеличении количества твердого в цилиндрической обечайке установленного давления сжатого воздуха в пульсационной камере становится недостаточно для поддерживания границы раздела фаз на одном уровне, и граница раздела фаз в пульсационной камере начинает перемещаться вверх. При разгрузке части промытых песков из колонного аппарата масса твердого в аппарате уменьшается, и граница раздела фаз под действием давления сжатого воздуха начинает перемещаться вниз. Отсюда возникает мысль о возможности регулирования высоты плотного слоя песков в нижней части колонного аппарата путем изменения давления сжатого воздуха в пульсационной камере. При настройке аппарата перед длительной работой можно накопить некоторое количество песков в нижней цилиндрической части в виде слоя определенной высоты и проанализировать содержание растворенного вещества во влаге промытого осадка при отборе пробы вручную. В случае недостаточной эффективности отмывки растворенного вещества следует увеличить давление сжатого воздуха на относительно небольшую величину, например, на 0,25 атм. При таком увеличении давления граница колебаний в пульсационной камере опустится вниз. По мере поступления песков с исходной пульпой и увеличения высоты слоя граница колебаний в пульсационной камере начнет вновь подниматься и достигнет своего прежнего уровня. После непродолжительной работы колонны в этом режиме, отборе проб при новой высоте слоя и получения, например, неудовлетворительного анализа давление сжатого воздуха можно снова увеличить. Наконец при подобранной величине давления сжатого воздуха, которой соответствует вполне определенная высота слоя плотных песков в цилиндрической обечайке, будет получена необходимая величина минимальной концентрации растворенного вещества. Этой подобранной величине давления сжатого воздуха соответствует вполне определенная высота плотного слоя песков, при которой достигаются необходимые показатели отмывки растворимых веществ. Установив на границе раздела фаз сжатый воздух-жидкость снаружи пульсационной камеры стационарно датчики уровня, можно будет регулировать величину набранного слоя песков в вертикальном потоке и эффективность отмывки растворимого вещества.
Следует отметить, что в зависимости от гранулометрического состава полидисперсного осадка накапливаемые в нижней части вертикального потока пески могут и не образовывать четкой границы раздела фаз. Например, при относительно небольшом содержании в исходном осадке классов -0,3+0,16 мм, -0,16+0,1 мм и отсутствии крупных классов, -0,5+0,3 мм накапливаемые в нижней части потока пески при наложении на поток возвратно-поступательных пульсаций четкой границы раздела фаз вообще не образуют. Для этого случая возможность регулирования процесса отмывки по границе раздела фаз между песками и шламами внутри аппарата отпадает, и предлагаемое решение о регулировании процесса по границе раздела фаз в пульсационной камере между сжатым воздухом и жидкостью является единственно возможным и удобным решением.
На технические показатели процесса отмывки растворимых веществ и результаты классификации кроме накапливания плотного слоя песков в нижней части вертикального потока будет оказывать влияние и величина скорости промывного раствора в объеме слоя, не занятого песками. При относительно невысокой скорости промывного раствора, меньшей, чем скорость стесненного осаждения шламов, наблюдается проскок шламов через слой накопленных песков в нижнюю разгрузку. Вследствие этого существенно снижаются результаты эффективности отмывки растворимых веществ.
и
и
пр
пр
и
ст
ст
Влияние скорости промывного раствора в свободном пространстве накопленного слоя песков можно объяснить следующим образом. В накопленном слое песков подвижное, взвешенное состояние твердых частиц создается не только восходящим потоком промывного раствора, но, главным образом, в результате пульсационного воздействия, которое осуществляется с определенными частотой f (кол/мин) и амплитудой А (мм) колебаний и характеризуется произведением этих величин - интенсивностью колебаний J=f×A (мм/мин). Обычно интенсивность колебаний устанавливается опытным путем для достижения высоких технологических показателей. В результате воздействий пульсации и скорости промывного раствора слой песков приобретает определенную структуру, которая характеризуется величиной порозности m - свободного пространства между частицами (доли), и объемной концентрацией с, где с - объем слоя, занятого частицами. Зависимость между этими величинами определяется уравнением m=1-c. Очевидно, чем больше величина m, тем более расширенным является накопленный слой. Эти величины тис определяются опытным путем отбором проб из слоя через патрубки, предусмотренные в цилиндрической части аппарата. Истинная скорость V промывного раствора в пространстве слоя, не занятого песками, определяется уравнением V=V/m (м/ч), где V - скорость промывного раствора, отнесенная к площади сечения вертикального потока. С другой стороны твердые частицы осаждаются с определенной скоростью, которая зависит не только от плотности частиц, их размеров, но и от объемной концентрации. Для того, чтобы шламы не попадали в нижнюю разгрузку и выносились из слоя песков в верхний слив, необходимо, чтобы истинная скорость V промывного раствора превышала скорость стесненного осаждения V наиболее крупных шламов, по граничному зерну которых ведется классификация. Известна (Д.М. Минц. Теоретические основы технологии очистки воды. Издательство литературы по строительству. М., 1964 г., с.38) зависимость между скоростью свободного осаждения частиц Уев и скоростью стесненного осаждения V
где δ - коэффициент, по данным Лященко П.В. (Д.М. Минц, с.38) в среднем δ=3.
Скорость свободного осаждения твердых частиц (шламов) определяется из уравнений:
где Ar - критерий Архимеда;
ч
-3
d - диаметр шламов с размером частиц 0,074·10 м;
ч
3
ρ - плотность частиц твердой фазы кг/м;
в
в
3
ρ - плотность жидкой фазы воды при Т=80°С, ρ=983,2 кг/м;
с
ρ - относительная плотность среды в аппарате;
-6
2
v - кинематический коэффициент вязкости, при Т=80°С, ν*=0,365-10, м/с.
где Re - критерий Рейнольдса.
Подставляем известные значения в уравнения (2), (3), (4) и (5):
; ;
.
пр
и
св
ст
Из работающего колонного аппарата с пульсационным перемешиванием при интенсивности колебаний 450 мм/мин и V=11l м/ч отбирали пробу для определения m, которая составила величину 0,57 и с=0,43, отсюда V=11/0,57=19,2 м/ч. По формуле (1), зная V=40,6 м/ч, определяем V=7,51 м/ч. При таком режиме работы колонного аппарата, когда истинная скорость промывного раствора в слое больше скорости стесненного осаждения шламов класса 0,074 мм, по граничному зерну которых ведется классификация, основная масса шламов относительно легко выносится в верхний слив.
пр
и
ст
ст
и
В практике встречались случаи, когда в результате принятого режима пульсации величина свободного пространства между песками в слое составляла m=0,783, а скорость промывного раствора V=7,0 м/ч. В этом случае V=7,0 м/ч: 0,783=8,94 м/ч и V=6,96 м/ч. Для такого возможного варианта работы аппарата видно, что скорость стесненного осаждения шламов очень близка к истинной скорости промывного раствора в слое. При таких почти одинаковых скоростях V и V шламы в относительно большом количестве попадают в промытые пески и существенно ухудшают показатели процесса отмывки.
Из вышесказанного следует, что эффективность процессов классификации и отмывки растворимых веществ от песков предлагается регулировать не только изменением величины давления сжатого воздуха, а также путем изменения истинной скорости промывного раствора. При существенном превышении истинной скорости промывного раствора над скоростью стесненного осаждения шламов, которые следует выводить в верхний слив, удается повысить эффективность отмывки растворимых веществ и классификации твердого материала.
В отличие от прототипа простым и надежным техническим решением является предложение об установке датчиков в пульсационной камере в зоне пульсации на границе раздела фаз сжатый воздух - жидкость. К таким датчикам для фаз газ - жидкость может быть отнесена, например, бесконтактная ультразвуковая система измерения уровня фирмы Milltronics. Для надежной работы предлагается использовать два датчика уровня, которые стационарно установлены снаружи пульсационной камеры в ее средней части. Верхний датчик подает команду на полное открытие клапана, установленного на линии разгрузки промытых песков. При понижении границы колебаний в пульсационной камере до нижнего датчика происходит закрытие клапана и прекращение разгрузки. При такой периодической разгрузке имеет место полное открытие клапана, что исключает забивку его выходного отверстия песками.
Предложенный способ классификации полидисперсного твердого материала на пески и шламы и отмывки растворимых веществ от песков в вертикальном потоке с пульсационным перемешиванием осуществляют следующим образом. Для практической реализации способа применяется колонный аппарат с пульсационным перешиванием (С.М. Карпачева, Е.И. Захаров, с.30). На рис.1 представлено устройство, поясняющее предложенный способ.
Аппарат имеет цилиндрическую обечайку 1, секционированную контактными массообменными тарелками 2, верхнюю отстойную камеру 3, нижнюю отстойную камеру 4 и пульсационную камеру 5. В средней части снаружи пульсационной камеры 5 установлены ультразвуковые датчики верхнего и нижнего уровней 6 и 7, которые через вторичный прибор 8 связаны с клапаном 9. Пульсация в рабочей части колонного аппарата осуществляется от пульсатора 10, сжатый воздух в который поступает из ресивера 11. Давление сжатого воздуха в ресивере регулируется вентилем 12 и измеряется манометром 13. В верхней отстойной камере 3 аппарата установлен плотномер 14 пульпы, который через вторичный прибор 15 воздействует на клапан 16 для регулировки расхода промывного раствора.
Процесс классификации полидисперсного осадка на пески и шламы и отмывки растворимых веществ от песков проводят в следующем порядке.
В нижнюю часть пульсационной камеры 5 подается промывной раствор. От пульсатора 10 через пульсопровод и пульсационную камеру в цилиндрическую обечайку 1, секционированную тарелками 2 и заполненную промывным раствором, подаются возвратно-поступательные колебания от пульсатора 10. Перед началом подачи в аппарат пульпы вентилем 12 вручную в ресивере 11 устанавливают давление, которое уравновешивает давление массы жидкости, находящейся в цилиндрической части аппарата. Границу колебаний, которую наблюдают через смотровое стекло, устанавливают вручную в средней части пульсационной камеры между верхним 6 и нижним 7 датчиками уровней регулировкой давления вентилем 12 в ресивере 11. Исходная пульпа, полученная после процесса выщелачивания, поступает в питательный стакан верхней отстойной камеры 3. В этой камере 3 происходит смешивание промывного раствора и исходной пульпы, содержащей исходный полидисперсный осадок и ценный компонент в растворе. В слив верхней отстойной камеры выходит пульпа, содержащая промывной раствор и тонкие шламы. Пески и наиболее крупные шламы осаждаются вниз из верхней отстойной камеры в рабочую цилиндрическую обечайку 1, в которой происходит принудительное перемешивание осаждающихся твердых частиц и восходящего потока промывной жидкости. Крупнодисперсные осаждающиеся частицы осадка сначала заполняют нижнюю отстойную камеру 4, а затем начинают заполнять нижнюю часть цилиндрической обечайки 1 аппарата. При заполнении нижней отстойной камеры 4 и нижней части обечайки 1 твердая фаза из аппарата не выводится, а накапливается в цилиндрической части аппарата. По мере заполнения аппарата твердым материалом граница колебаний в пульсационной камере поднимается вверх и достигает уровня верхнего датчика 6, который через вторичный прибор 8 подает команду на открытие клапана 9 для разгрузки промытого осадка. В результате разгрузки осадка граница раздела фаз в пульсационной камере опускается до уровня установки нижнего датчика 7, который подает команду через вторичный прибор 8 на закрытие клапана 9.
В этот период накапливания небольшой массы песков в нижней части цилиндрической обечайки 1 и образования плотного слоя отбирается проба пульпы и определяется содержание растворимого компонента, который отмывается от песков. В случае недостаточной отмывки растворимого вещества производится дальнейшее накапливание песков в нижней секционированной части аппарата путем повышения давления в ресивере и повторное определение содержания растворимого компонента. При достижении необходимой эффективности отмывки вследствие накапливания в нижней части аппарата достаточного количества песков и образования слоя нужной высоты в ресивере 11 вентилем 12 фиксируют давление, при котором были получены эти высокие показатели и далее проводят процесс классификации и отмывки при этом подобранном давлении. Регулировку плотности пульпы верхнего слива осуществляют так же, как в известном прототипе, путем воздействия датчика плотности 14 через вторичный прибор 15 на клапан 16 подачи промывного раствора. В аппарате при непрерывной подаче исходного полидисперсного осадка и промывного раствора осуществляется периодическая разгрузка пульпы песков, в жидкой фазе которой содержится ценный растворимый компонент с минимальной концентрацией.
Пример.
3
Процесс классификации твердого материала и отмывки урана от песков осуществляется в вертикальном потоке при противоточной подаче твердого материала и промывного раствора (воды). Для реализации способа используется колонный аппарат ⌀0,2 м и длиной цилиндрической обечайки 4,5 м, секционированной контактными массообменными тарелками с площадью проходного сечения около 20%. К нижней отстойной камере цилиндрической обечайки присоединена пульсационная камера высотой 2 м, в средней части которой имеется смотровое окно. Выше смотрового окна установлен датчик верхнего уровня, ниже смотрового окна - датчик нижнего уровня. На операцию классификации и отмывки урана от песков поступает пульпа с плотностью 1576 кг/м и содержанием урана в жидкой фазе 3,28 г/л, полученная после процесса автоклавного выщелачивания измельченной руды серной кислотой. Необходимо на операции отмывки разделить твердую фазу на пески и шламы, получить промытые пески, содержащие во влаге минимальное количество растворенного урана и шламов класса -0,074 мм, которые должны быть в максимальном количестве выделены в верхний слив и направлены на сорбционную переработку. Верхний слив колонного аппарата должен содержать минимальное количество песков класса +0,1 мм. Ситовая характеристика твердой фазы пульпы представлена в табл.1.
Таблица 1
Ситовая характеристика исходной твердой фазы
Содержание классов, %
+0,315
-0,315+0,16
-0,16+0,1
-0,1+0,074
-0,074
4,3
25,7
12,0
9,1
48,9
Результаты процесса отмывки урана от песков и классификации твердой фазы представлены в табл.2.
3
2
и
ст
и
ст,
Из данных таблицы 2 следует, что в колонном аппарате с пульсационным перемешиванием при удельном расходе промывной воды 2,09 м/т твердой фазы, скорости промывного раствора, отнесенной к площади сечения аппарата, 11 м/ч, удельной производительности по твердой фазе 127 т/м/сутки достигнута эффективность отмывки урана от песков 99,99%. Содержание шламов класса -0,074 мм в нижней разгрузке составляет относительно небольшую величину 1,7%, количество урана в твердой фазе промытых песков - 0,009%. Практически все шламы с более высоким содержанием урана в твердой фазе 0,024% выведены в верхний слив на дальнейшую сорбционную переработку. Содержание урана в жидкой фазе верхнего слива - 0,97 г/л, количество песков класса +0,1 мм в верхнем сливе не превышает 0,5%. Снижение содержания песков класса +0,1 мм в пульпе верхнего слива необходимо для того, чтобы уменьшить потери смолы при сорбционной переработке шламов. Накопленный слой плотных песков позволяет обеспечить получение высоких показателей процессов классификации и отмывки растворимого вещества урана при рекомендуемой скорости промывного раствора 11 м/ч, отнесенной к площади сечения аппарата. Поддерживание плотного слоя песков постоянной высоты в цилиндрической части аппарата осуществлялось с помощью датчиков уровня. При достижении границы колебаний в пульсационной камере верхнего датчика уровня накопленный слой песков опускался в рабочей части аппарата вследствие открытия клапана и разгрузки небольшой части песков. При снижении границы колебаний и достижении ей нижнего датчика клапан закрывался, после чего граница колебаний вновь поднималась вверх. Накопленный слой песков в цилиндрической части аппарата, при котором обеспечиваются высокие показатели процесса, уравновешивался величиной давления сжатого воздуха 1,1 атм, установленной в ресивере. Из нижней цилиндрической части аппарата, в которой накоплен плотный слой песков, через пробоотборник были отобраны пробы. В пробах определяли величины свободного пространства и объемной концентрации слоя, которые составляли 0,61 и 0,39 соответственно. Истинная скорость промывного раствора в пространстве между песками в слое составляла V=18 м/ч, а скорость стесненного осаждения шламов класса - 0,074 мм, по которому проводилась классификация, V=9,2 м/ч. При таком режиме проведения процесса, в котором V существенно превышает V были достигнуты высокие показатели классификации и отмывки урана от песков.
Таблица 2
Результаты процесса отмывки урана от песков и классификации твердого материала в колонном аппарате с пульсационным перемешиванием (высота секционированной части аппарата - 4,5 м, диаметр аппарата - 0,2 м, амплитуда колебаний - 20 мм, частота колебаний - 30 кол/мин)
Расход
Удельный расход промывной воды, м<sup>3</sup>/т твердого
Удельная производительность, т/м<sup>2</sup>·сутки
Скорость промывного раствора, м/ч
Исходная пульпа
пульпы, л/ч
твер-дого, кг/ч
промывной воды, л/ч
Плотность пульпы, кг/м<sup>3</sup> Ж:Т
Содержание урана
в твердой фазе, %
в растворе, г/л
1
2
3
4
5
6
7
8
9
192
166
348
2,09
127
11
1576 0,82:1
0,019
3,28
Продолжение таблицы 2
Верхний слив
Промытые пески
Эффективность отмывки урана, %
Плотность пульпы, кг/м<sup>3</sup> Ж:Т
Содержание урана,
Содержание класса +0,1 мм, %
Плотность пульпы, кг/м<sup>3</sup> Ж:Т
Содержание урана,
Содержание класса - 0,074 мм, %
в растворе, г/л
в твердой фазе, %
в растворе, г/л
в твердой фазе, %
10
11
12
13
14
15
16
17
18
1150, 4,6:1
0,97
0,024
0,5
1660 0,57:1
0,001
0,009
1,7
99,99