СПОСОБ НАГРЕВАНИЯ РЕАКЦИОННОЙ СМЕСИ В ПРОЦЕССЕ ПОЛУЧЕНИЯ СОЛЕЙ МЕТАЛЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF HEATING REACTION MIX IN PRODUCTION OF METAL SALTS AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к способу нагревания рабочей массы в процессе получения соединений металлов, а также к устройству для его осуществления.
Получение соединений металлов (солей, кислот, основных солей) как правило, осуществляют путем химического растворения (травления) металлов в растворах кислот или солей. Химическим травлением металлов в кислотах осуществляют, например:
- получение медного купороса из меди и серной кислоты;
- получение азотнокислого серебра из серебра и азотной кислоты;
- получение платинохлористоводородной кислоты путем растворения платины в царской водке;
Основные соли в ряде случаев получают путем взаимодействия металлов с растворами солей. Так, получение оксихлорида алюминия осуществляют путем взаимодействия металлического алюминия с раствором хлорида алюминия.
Все эти процессы характеризуются большой длительностью (от нескольких часов до нескольких суток), сопровождаются выделением газов и, как правило, требуют нагревания до максимально возможной в безавтоклавных условиях температуры - температуры кипения раствора. Экономическая и технологическая эффективность процессов получения соединений металлов в значительной мере определяется способом нагревания рабочей массы.
В качестве прямых источников тепла для нагревания растворов в процессах и аппаратах химической технологии используют топочные газы или электрическую энергию. Наиболее распространено нагревание электрическим сопротивлением /Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии М.: Альянс, 2009,, с.322/. Недостатком применения электрического тока для нагрева является относительная дороговизна электроэнергии.
Для передачи тепла к нагреваемой среде широко используются промежуточные теплоносители - водяной пар, горячая вода, высокотемпературные теплоносители (минеральные масла, органические жидкости, расплавленные соли и др.). Наиболее широко применяемым обогревающим агентом является водяной пар. Распространено нагревание глухим паром, передающим тепло через стенку теплообменного аппарата /Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии М.: Альянс, 2009, с.311/. Недостатком является непроизводительный расход пара, связанный с уходом части пара с конденсатом (так называемый пролетный пар).
Известен способ нагревания растворов острым паром, который вводят непосредственно в нагреваемую жидкость /Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии М.: Альянс, 2009, с.313/. Ввод острого пара осуществляется через барботеры - трубы, расположенные у дна аппарата. Такой способ нагрева позволяет лучше использовать тепло пара, так как паровой конденсат смешивается с нагреваемой жидкостью и их температуры выравниваются. Недостатком является разбавление нагреваемой среды паровым конденсатом.
Наиболее близким аналогом является способ нагревания реакционной смеси в процессе получения металлов путем растворения металлов при температуре кипения с образованием острого пара. (Ф. Хабаши, Основы прикладной металлургии, т.2, М., Металлургия, 1975, с.23-43). Невозможно регулировать процесс нагревания, высокие энергозатраты и потери раствора.
Задачей изобретения является разработка способа нагревания рабочей массы, обеспечивающего максимальное использование тепла острого пара без разбавления нагреваемой среды, и устройства для его осуществления.
Поставленная задача решается предложенным способом нагревания реакционной смеси в процессе получения соединений металлов путем растворения металлов до температуры кипения с образованием острого пара, отличием которого является то, что нагревание при растворении осуществляют в системе из двух аппаратов, снабженных нагревателями и барботерами, причем каждый из двух аппаратов поочередно обогревают нагревателями для нагревания реакционной смеси, доводят раствор до киперия и образующийся острый пар направляют в барботер другого аппарата с прекращением в нем нагревания реакционной смеси нагревателем.
Сброс отработанного пара осуществляют из аппарата, обогреваемого острым паром.
Периодически производят переключение: в нечетных циклах первый аппарат обогревается нагревателем, а второй - острым паром, поступающим из первого аппарата; в четных циклах, наоборот, второй аппарат обогревается нагревателем, а первый - острым паром.
Переключение проводят через заданные промежутки времени, либо по достижении заданного уровня раствора в одном из аппаратов, либо по достижении заданной температуры раствора. Предпочтительно осуществлять переключение в автоматическом режиме с использованием реле времени либо автоматических регуляторов уровня или температуры растворов.
Предложено также устройство для нагревания реакционной смеси в процессе получения солей металлов, включающее аппарат с нагревателем, отличие которого состоит в том, что оно содержит два аппарата, снабженных нагревателями и барботерами, при этом аппараты соединены в систему трубопроводами для острого пара и отработанного пара, причем трубопровод для острого пара соединен с барботерами, трубопровод для отработанного пара - с атмосферой, а между аппаратами и трубопроводами установлена запорная арматура для управления выпуском пара.
Предпочтительно устройство может содержать элементы автоматического переключения запорной арматуры, а также управляющий блок для автоматического переключения запорной арматуры.
Может использоваться любой известный способ нагревания аппаратов - электрическим током, глухим паром и др.
На Фиг.1 представлена схема работы устройства.
Устройство содержит два аппарата 1 и 2, снабженных нагревателями 3 и 4 и барботерами 5 и 6. Трубопровод острого пара 7 с установленными на нем вентилями 10 и 11 соединен с барботерами, трубопровод отработанного пара 8 с установленными на нем вентилями 9 и 12 - с атмосферой.
Устройство работает следующим образом.
При закрытых вентилях 9 и 11 и открытых вентилях 10 и 12 включают нагреватель 3 (нагреватель 4 выключен). Нагревают раствор в аппарате 1 до температуры кипения. Образующийся в аппарате 1 острый пар по трубопроводу 7 поступает в барботер 6 на обогрев аппарата 2. Отработанная парогазовая смесь отводится из аппарата 2 по трубопроводу 8.
Затем производят переключение. Выключают нагреватель 3, включают нагреватель 4, открывают вентили 9 и 11, закрывают вентили 10 и 12, нагревают раствор в аппарате 2 до температуры кипения. Образующийся в аппарате 2 острый пар по трубопроводу 7 поступает в барботер 5 на обогрев аппарата 1. Отработанная парогазовая смесь отводится из аппарата 1 по трубопроводу 8.
Данный процесс периодически (циклически) повторяют. В нечетных циклах острый пар из аппарата 1 поступает в аппарат 2, в четных циклах острый пар из аппарата 2 поступает в аппарат 1. Пар испаряется и конденсируется преимущественно внутри системы из двух аппаратов, перемещаясь из аппарата в аппарат и обратно. Общее количество циркулирующей в устройстве воды остается почти неизменным. При необходимости, образующийся в незначительном количестве пролетный пар можно конденсировать и возвращать воду в аппарат.
На Фиг.2 показан вариант с использованием паровых нагревателей (обогрев глухим паром через рубашку аппарата), предусматривающий автоматическое регулирование путем передачи сигналов с датчиков уровня реакционной смеси на блок управления клапанами (линии передачи сигналов от блока управления к приводам клапанов не указаны).
Перечень позиций на Фиг.2
1, 2 - аппараты,
3, 4 - барботеры,
5 - блок управления,
LI-1, LI-1 - датчики уровня,
XV-1…XV-10 - клапаны.
Алгоритм регулирования: при снижении уровня реакционной смеси в аппарате 1 до предельного значения, сигнал с датчика LI-1 поступает в блок управления, откуда к приводам клапанов передается сигнал: клапаны XV-1, XV-5, XV-9, XV-4, XV-8 - закрыть, XV-3, XV-7, XV-2, XV-6, XV-10 - открыть.
Аналогично, при снижении уровня реакционной смеси в аппарате 2 до предельного значения, в блок управления поступает сигнал с датчика LI-2, после чего к приводам клапанов передается сигнал: клапаны XV-1, XV-5, XV-9, XV-4, XV-8 - открыть, XV-3, XV-7, XV-2, XV-6, XV-10 - закрыть.
Сущность изобретений иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1
Осуществления процесса получения серебра азотнокислого из серебра металлического и азотной кислоты в предлагаемой системе для нагревания рабочей массы.
Травление серебра в азотной кислоте протекает по реакции:
3
3
2
3Ag+4HNO=3AgNO+NO↑+2HO
Травление серебра осуществляют в системе из двух аппаратов вместимостью по 160 л. Аппараты снабжены паровыми рубашками, герметизирующимися крышками, барботерами и трубопроводами для парогазовой смеси, Один из трубопроводов (трубопровод острого пара) соединен с барботерами, а второй (трубопровод отработанного пара) - с атмосферой. Между аппаратами и трубопроводами установлена запорная арматура.
В аппараты загружают по одному стандартному слитку металлического серебра по ГОСТ 28595 массой (30±2) кг, заливают по 25 л дистиллированной воды и 25 л (35 кг) азотной кислоты (х.ч., плотность 1,4).
Вначале оба аппарата нагревают глухим паром, при этом отработанный пар сбрасывают. После достижения температуры кипения прекращают подачу пара в рубашку второго аппарата, направляют острый пар, образующийся в первом аппарате, в барботер второго аппарата и ведут процесс травления серебра по предлагаемому способу.
Периодически (1 раз в 30 мин) производят переключение: в нечетных циклах первый аппарат обогревается глухим паром, а второй - острым паром, поступающим из первого аппарата; в четных циклах, наоборот, второй аппарат обогревается глухим паром, а первый - острым паром. Переключение осуществляют в автоматическом режиме посредством запорной арматуры.
Сброс отработанной парогазовой смеси осуществляют из аппарата, обогреваемого острым паром. Парогазовую смесь для обезвреживания выделяющихся оксидов азота пропускают через поглотительную колонну с раствором карбамида.
После полного растворения серебра полученный раствор разбавляют дистиллированной водой и фильтруют на вакуумном фильтре. Фильтрат упаривают до образования кристаллической пленки и охлаждают. Выпавшие кристаллы серебра азотнокислого отсасывают на вакуумном фильтре, маточный раствор вместе с промывными водами упаривают и кристаллизуют, как указано выше. Обе фракции кристаллов смешивают и сушат при 110°С в сушильных шкафах. Готовый продукт расфасовывают для отгрузки потребителям.
Основные технологические показатели процесса травления:
- продолжительность - 4 ч.
- расход азотной кислоты - 35 кг
- потери серебра с вентиляционными выбросами - 0,3 г
- выброс оксидов азота в атмосферу - 0,25 кг
Пример 2 (сравнительный)
Осуществления процесса получения серебра азотнокислого из серебра металлического и азотной кислоты при традиционном аппаратурном оформлении.
Травление серебра осуществляют в двух чашах вместимостью по 160 л, снабженных паровыми рубашками, крышками и вытяжной вентиляцией.
В каждую чашу загружают по одному стандартному слитку металлического серебра по ГОСТ 28595 массой (30±2) кг, заливают 50 л дистиллированной воды, включают паровой обогрев. Затем приливают азотную кислоту -первая порция 15 л, последующие по 5 л (каждые 1,5 часа). Всего загружают 40 л (56 кг) азотной кислоты. Процесс ведут до полного растворения серебра.
Процесс ведут при работающей местной вытяжной вентиляции, обеспечивающей удаление выделяющихся оксидов азота. Вентиляционные выбросы пропускают через поглотительную колонну с раствором карбамида.
После растворения серебра раствор фильтруют, фильтрат возвращают в чаши и ведут кристаллизацию и сушку продукта, как в примере 1.
Основные технологические показатели процесса:
- продолжительность травления - 9 ч
- расход азотной кислоты - 56 кг
- потери серебра с вентиляционными выбросами - 1,5 г.
- выброс оксидов азота в атмосферу - 3 кг.
Пример 3
Осуществления процесса получения высокоосновного оксихлорида алюминия из алюминия металлического и раствора хлорида алюминия в предлагаемой системе для нагревания рабочей массы.
3
2
2
5
2
Получение высокоосновного оксихлорида алюминия из алюминия металлического и раствора хлорида алюминия осуществляется по суммарной реакции: 10Al+2AlCl+30HO=6Al(ОН)Cl+15Н↑
3
Процесс ведут в системе из двух аппаратов объемом по 6 м. Аппараты снабжены паровыми рубашками, барботерами и трубопроводами для парогазовой смеси, Один из трубопроводов (трубопровод острого пара) соединен с барботерами, а второй (трубопровод отработанного пара) - с атмосферой. Между аппаратами и трубопроводами установлена запорная арматура.
В каждом технологическом цикле в оба аппарата загружают металлический алюминий, хлорид алюминия и воду в заданных соотношениях. Алюминий загружают в виде стандартных слитков (чушек) первичного алюминия массой (15±1,5) кг по ГОСТ 11070-74.
В каждый аппарат загружается:
- металлический алюминий - 180 кг (в первом цикле - 1800 кг);
3
- раствор хлорида алюминия (хлорид алюминия - 82,7 кг; вода - 1500 дм).
Количество металлического алюминия, загружаемого в каждый аппарат при запуске технологического процесса (в первом цикле), в 10 раз больше требуемого по уравнению химической реакции и составляет 1800 кг. В каждом последующем цикле расходуется около 10% алюминия (180 кг), 90% металла остается в аппарате в качестве переходящего остатка. В начале каждого цикла в аппарат загружают слитки металлического алюминия в количестве, соответствующем массе металла, израсходованного в предыдущем цикле. Таким образом, поддерживается постоянное количество металла в аппарате.
Вначале оба аппарата нагревают глухим паром, при этом отработанный пар сбрасывают. После достижения температуры кипения прекращают подачу пара в рубашку второго аппарата, направляют острый пар, образующийся в первом аппарате, в барботер второго аппарата и ведут процесс травления алюминия по предлагаемому способу.
Периодически (1 раз в 60 мин) производят переключение: в нечетных циклах первый аппарат обогревается глухим паром, а второй - острым паром, поступающим из первого аппарата; в четных циклах, наоборот, второй аппарат обогревается глухим паром, а первый - острым паром. Переключение осуществляют в автоматическом режиме посредством запорной арматуры.
Сброс отработанной парогазовой смеси осуществляют из аппарата, обогреваемого острым паром. Отработанную парогазовую смесь направляют в емкость для конденсата через теплообменник, охлаждаемый оборотной водой. Пар конденсируется в емкости, водород сбрасывается в атмосферу посредством местной вытяжной вентиляции. Конденсат, по мере накопления, возвращают насосом в аппараты.
При получении продукта, соответствующего техническим условиям, отключают паровой обогрев аппаратов, после чего раствор насосом закачивают из аппаратов в промежуточную емкость, охлаждают, отфильтровывают и перекачивают на склад для последующей отгрузки потребителям.
В аппараты вновь загружают металлический алюминий и водный раствор хлорида алюминия, начинают следующий цикл получения высокоосновного оксихлорида алюминия.
2
3
3
В каждом цикле образуется около 1743 кг раствора высокоосновного оксихлорида алюминия следующего состава: оксид алюминия (AlO) - 22,8-24,0%, хлор (Cl) - 7,9-8,4%, плотность 1,325…1,345 г/см. Основные технологические показатели процесса:
Продолжительность - 40 ч;
Расход пара на 1 т продукта - 1,0 Гкал;
3
Расход оборотной воды на 1 т продукта - 2,5 м;
Потери алюминия с вентиляционными выбросами - 0,2 кг на 1 т продукта.
Пример 4 (сравнительный)
Осуществления процесса получения высокоосновного оксихлорида алюминия из алюминия металлического и раствора хлорида алюминия при традиционном аппаратурном оформлении.
3
Процесс ведут в двух аппаратах объемом по 6 м. Аппараты снабжены паровыми рубашками и трубопроводами для сброса отработанного пара в атмосферу.
В каждом технологическом цикле в оба аппарата загружают металлический алюминий, хлорид алюминия и воду. Количество загружаемых реагентов такое же, как и в примере 3.
Оба аппарата нагревают глухим паром, при этом отработанную парогазовую смесь направляют в емкость для конденсата через теплообменник, охлаждаемый оборотной водой. Пар конденсируется в емкости, водород сбрасывается в атмосферу посредством местной вытяжной вентиляции. Конденсат, по мере накопления, возвращают насосом в аппараты, при этом осуществляют периодическую подпитку конденсата водопроводной водой.
Процесс требует систематического контроля и регулирования, так как при нарушении водного баланса продукт может кристаллизоваться на поверхности слитков алюминия, что приведет к прекращению травления.
При получении продукта, соответствующего техническим условиям, отключают паровой обогрев аппаратов, после чего раствор насосом закачивают из аппаратов в промежуточную емкость, охлаждают, отфильтровывают и перекачивают на склад. В аппараты вновь загружают металлический алюминий и водный раствор хлорида алюминия, начинают следующий цикл получения высокоосновного оксихлорида алюминия.
В результате образуется около 1743 кг продукта, состав которого аналогичен составу продукта, получаемого в примере 3 по предлагаемому способу.
Основные технологические показатели процесса:
Продолжительность - 50 ч;
Расход пара на 1 т продукта - 2,0 Гкал;
3
Расход оборотной воды на 1 т продукта - 5 м;
3
Дополнительный расход водопроводной воды на 1 т продукта - 1 м.;
Потери алюминия с вентиляционными выбросами - 0,5 кг на 1 т продукта.
Перечень позиций на Фиг.1
1, 2 - аппараты,
3, 4 - нагреватели,
5, 6 - барботеры,
7 - трубопровод острого пара,
8 - трубопровод отработанного пара,
9, 10, 11, 12 - запорная арматура
Предлагаемый способ осуществления таких процессов имеет ряд существенных преимуществ. При чередовании режимов нагревания процесс приобретает колебательный характер, благодаря этому он становится регулируемым.
1) Автоматически поддерживается постоянная максимальная температура, близкая к температуре кипения. В аппарате, который в данный момент обогревают нагревателем, она немного превышает температуру кипения раствора при атмосферном давлении за счет того, что давление в этом аппарате выше атмосферного на высоту водяного столба, соответствующую высоте барботера; температура во втором аппарате примерно равна температуре конденсации пара.
2) Снижаются энергозатраты, так как теплота испарения раствора в одном аппарате автоматически утилизируется за счет использования теплоты конденсации пара в другом аппарате.
3) Резко сокращаются потери раствора, так как пар не теряется, а только переходит из аппарата в аппарат и обратно, суммарное же количество раствора в двух аппаратах остается примерно постоянным. В отличие от обычного варианта обогрева острым паром (при котором раствор сильно разбавляется конденсатом), а также в отличие от обычного кипячения (при котором раствор подвергается упариванию) процесс можно вести сколь угодно долго, что особенно важно при осуществлении длительных гетерогенных химических процессов.
4) Снижаются до минимума потери целевого продукта с вентиляционными выбросами, что очень важно, когда мы имеем дело с дорогостоящим сырьем - металлами, в том числе драгоценными (платина, золото, серебро).
5) В отдельных случаях реагенты используются с большей полнотой. Так, при растворении драгоценных металлов (золота, платины) в царской водке процесс протекает через стадию образования газообразного хлора, который в каскаде из двух аппаратов полнее «усваивается», т.е. растворяет больше золота или платины. Соответственно, меньшее количество токсичного газа поступает в вентиляцию.
Улучшается гидродинамический режим процесса: в одном из аппаратов перемешивание происходит за счет пузырьков образующегося пара (и выделяющегося газа), в другом - струей подаваемого пара (а также газом, поступившим из первого аппарата и выделяющимся во втором аппарате). При этом чередование режимов обеспечивает оптимальную гидродинамику.