ГРЕЮЩИЙ АВТОКЛАВ

Греющий автоклав
Полезная модель относится к технике тепло- и массообмена и может быть использована в глиноземном производстве для автоклавного выщелачивания алюминийсодержащего минерального сырья, например боксита, оборотным раствором.
Выщелачивание проводят в автоклавах, где происходят два основных процесса:
-переход алюминатных соединений из минерала в раствор;
-выделение в твердую фазу вредных примесей (солей железа, кремния, титана и др.).
При этом главной задачей выщелачивания минерального сырья является максимальное извлечение из него окиси алюминия в алюминатный раствор. Так как процесс выщелачивания является массообменным, то немаловажную роль в нем играет перемещивание пульпы. Перемешиванием достигается обновление межфазной поверхности на зернах боксита, а также обеспечивается поддержание твердой фазы во взвешенном состоянии и выделение в объеме пульпы твердой фазы вредных примесей. Последнее немаловажное обстоятельство предотвращает образование отложений на стенках автоклава и поверхностях расположенных в нем конструктивных узлов и деталей.
Образование отложений при эксплуатации автоклава уменьшает его внутренний (реакционный) объем, сокращает время пребывания бокситовой пульпы в нем и вынуждает уменьшать расход пульпы, что снижает производительность по получаемому продукту.
Наиболее широко применяемым методом перемешивания пульпы является перемешивание острым паром, подачей которого в автоклав обеспечивается одновременно и нагрев пульпы до необходимой
2001122390
:i
МПК BOlj 3/04, C22B 3/02 COIF 7/06 температуры, ускоряющей реакцию взаимодействия между окисью алюминия и едким натром. Рассмотрим известные из уровня техники решения, аналогичные заявляемому, и проанализируем эффективность их работы. Известен греющий автоклав (см. патент РФ № 2022636, кл. МПК BOlj 3/04, С22В 3/02 COIF 7/06, 1994), содержащий цилиндрический вертикальный корпус, циркуляционную трубу, патрубки подвода и отвода пульпы, а также патрубок подвода греющего пара, при этом патрубок подвода пульпы установлен снаружи циркуляционной трубы, соосно с которой в днище корпуса установлен патрубок подвода греющего пара. Кроме того циркуляционная труба и патрубок подвода греющего пара выполнены с расщиренными соплами, направленными навстречу друг другу, а патрубок отвода пульпы установлен над циркуляционной трубой. Благодаря циркуляции пульпы в автоклаве происходит увеличение времени пребывания в нем твердой фазы пульпы, особенно крупных частиц. Этому способствует также обращенный поток, т.е. разгрузка автоклава не из нижней части, а из верхней, благодаря соответствующему расположению патрубков подвода и отвода пульпы (снаружи циркуляционной трубы подвод пульпы, где происходит движение вниз и над трубой, или внутри нее - отвод пульпы, происходит движение вверх). Однако данное техническое рещение имеет конструктивные недостатки. Установка патрубка подвода греющего пара в днище корпуса, т.е. под циркуляционной трубой с зазором к ее нижнему краю чревато нежелательными последствиями. Выходящий из патрубка подвода греющий пар имеет форму расщиряющегося потока. А в условиях вязкой среды, какой является бокситовая пульпа, этот эффект особенно проявляется и приводит к тому, что и несконденсировавшийся пар, и нагретая пульпа попадают не только в циркуляционную трубу, но и в полость между нею и корпусом автоклава.
В результате не произойдет концентрированного нагрева пульпы в циркуляционной трубе и в ней будет снижена скорость движения пульпы вверх. За пределами циркуляционной трубы часть пара, не попавшая в трубу, будет замедлять движение вниз пульпы, выходящей из патрубка подвода ее в автоклав. И в том, и в другом случае снижение скорости обусловит сокращение массообмена и, как следствие, ухудшение выщелачивания, а сокращение массообмена вызовет также отложение солей на стенках корпуса и циркуляционной трубы. Эти нежелательные явления усугубляются и тем, что установка патрубка отвода пульпы над циркуляционной трубой увеличит сопротивление движению пульпы, а ориентирование этого патрубка по центру будет способствовать отводу из автоклава недовыщелаченных бокситов.
Все эти указанные обстоятельства приведут либо к снижению производительности по получаемому продукту, либо к увеличению числа автоклавов в батарее для достижения заданной производительности, а значит к повышению капитальных и эксплуатационных затрат.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является греющий автоклав (см. авт. свид. СССР № 1774547, кл. B01F 1/00, 1990), содержащий вертикальный цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода пульпы, патрубком подвода пара и циркуляционную трубу, установленную соосно корпусу. Автоклав снабжен коллектором, связанными с ним дополнительными патрубками отвода пульпы, соединяющими полость корпуса с патрубком отвода пульпы и установленными на зфовне верхнего края циркуляционной трубы, при этом патрубок подвода пара снабжен охватывающим его отбойником и установлен в верхней части циркуляционной трубы, а патрубок подвода пульпы установлен в ее нижней части. Этот автоклав принят в качестве прототипа.
Достоинством данного греющего автоклава является, как сказано в описании создание циркуляции пульпы, что устраняет возможность скопления твердой фазы в нижней части корпуса. Это позволяет отбирать
. пульпу сверху, а значит и подавать греющий пар в верхнюю часть автоклава без боязни его преждевременного опорожнения, что дает возможность увеличить температуру нагрева пульпы на 4 - 6 С при высоте автоклава 13-15м. Однако и этот автоклав имеет недостатки. То, что патрубок подвода пульпы установлен в нижней части трубы, т.е. введен в нее, уменьшает площадь кольцевого зазора между трубой и патрубками, уменьшая коэффициент инжекции пульпы из полости автоклава струей пульпы из патрубка подвода ее. Это снижает эффективность массообмена при выщелачивании. Установка патрубка подвода греющего пара в верхней части трубы предусматривает подачу пара сверху, в результате чего может образоваться паровая подушка, препятствующая восхождению пульпы в циркуляционной трубе, а с другой стороны, пульпа создает пробку в трубе, не позволяя пару опускаться вниз. Эти обстоятельства снижают эффективность массообмена и теплообмена и создают благоприятные условия для образования отложений на внутренней поверхности циркуляционной трубы из-за снижения скорости движения как пара, так и пульпы. Установленный на уровне верхнего края циркуляционной трубы патрубок отвода пульпы создает сопротивление выходу пульпы из трубы, что снижает скорость движения пульпы и благоприятствует отложению твердой фазы на внзпгренней поверхности циркуляционной трубы. Указанные недостатки конструкции автоклава-прототипа обуславливают снижение производительности, либо требз ют увеличения количества автоклавов в батарее, а значит повышают капитальные и эксплуатационные затраты. Указанные недостатки отсутствуют в заявляемом греющем автоклаве. Он также, как автоклав-прототип, содержит вертикальный цилиндрический корпус с патрубками подвода пульпы, установленным в )0 нижней части корпуса, патрубком подвода пара, патрубком отвода пульпы и установленную соосно в корпусе циркуляционную трубу, v Заявленный греющий автоклав отличается от автоклава-прототипа тем, что патрубок подвода пульпы снабжен соплом, верхний торец которого расположен ниже нижнего края циркуляционной трубы, патрубок подвода пара размещен в нижней части циркуляционной трубы и снабжен коллектором с соплами по его периметру, а патрубок отвода пульпы наклонен вниз и его верхний конец расположен выше верхнего края циркуляционной трубы. Кроме того, в соответствии с п. 2 формулы полезной модели расстояние между верхним концом патрубка для отвода пульпы и верхним краем циркуляционной трубы не менее 0,15 м. А в соответствии с п. 3 формулы полезной модели сопла на коллекторе патрубка для подвода пара наклонены к вертикальной оси автоклава. Заявленный автоклав соответствует всем критериям патентоспособности и может быть признан полезной моделью. Он обладает новизной, так как на настоящий момент заявителем не обнаружено ни одного известного из мирового уровня техники конструктивного средства производства, характеризующегося такой же совокупностью признаков, как в предлагаемом для патентной экспертизы греющем автоклаве. Предлагаемая полезная модель промышленно применима, так как она может быть использована в промышленности. Ни совокупность признаков, ни один из ее признаков, взятый в отдельности, не вызывают сомнений в их воспроизводимости. Все признаки вместе и каждый признак заявленной совокупности направлены на достижение ожидаемого технического результата при использовании - повышение эффективности выщелачивания алюминийсодержащего сырья, а значит повышения производительности по конечному продукту, сокращения количества автоклавов в батарее, капитальных и эксплуатационных затрат. X{W 111
На представленных чертежах иллюстрируется предлагаемая полезная модель: на фигуре 1 - общий вид греющего автоклава в разрезе; на фигуре 2 место А в увеличенном масщтабе.
Греющий автоклав содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 с патрубком 2 подвода пульпы, установленным в нижней части корпуса 1, патрубком 3 подвода пара, патрубком 4 отвода пульпы и установленную соосно в корпусе циркуляционную трубу 5, Патрубок 2 снабжен соплом 6, верхний торец 7 которого расположен ниже нижнего края 8 трубы 5, патрубок 3 размещен в нижней части циркуляционной трубы 5 и снабжен коллектором 9 с соплами 10 по его периметру, а патрубок 4 наклонен вниз и его верхний конец 11 расположен выще верхнего края 12 циркуляционной трубы 5. Расстояние между концом 11 патрубка 4 и верхним краем 12 трубы должно быть не менее 0,15 м и может находиться в интервале 0,15 - 0,60 м.
Выполнение условия взаимного расположения патрубка 4 и трубы 5 создает условия минимального сопротивления движению пульпы в верхней части циркуляционной трубы 5, а, следовательно, повыщает скорость пульпы и обеспечивает дополнительное перемещивание пульпы в верхней части автоклава.
Расположение верхнего торца 7 сопла 6 ниже нижнего края 8 трубы 5 обеспечивает увеличение коэффициента инжекции пульпы из полости автоклава снаружи трубы 5 струей пульпы из сопла 6 патрубка 2 подвода пульпы и также увеличивает скорость движения пульпы в циркуляционной трубе 5.
Все это повыщает эффективность массообмена при выщелачивании.
Наличие внутри циркуляционной трубы 5 сопел 10 на коллекторе 9, наклоненных к вертикальной оси автоклава, обеспечивает повыщение эффективности теплообмена между паром и пульпой. Это достигается за счет того, что внутри циркуляционной трубы 5 всегда поддерживается максимальная полезная разность температур между греющим паром и холодной пульпой, а в зоне пересечения струй пара создается повыщенное
ош)Ш
давление, ускоряющее конденсацию пара и способствующее повышению температуры пульпы.
Одновременно при струйном истечении пара в результате очень сильного воздействия паровых струй и кавитационных явлений, возникающих при конденсации пара в зоне смешения паровых струй, происходит интенсивная гидромеханическая обработка выщелачиваемой пульпы, которая сопровождается активированием твердой фазы за счет пластической деформации, образования дислокаций и структурных дефектов на поверхности твердых частиц боксита. Гидромеханическое активирование повышает химическую активность твердой фазы, что способствует увеличению полноты и скорости выщелачивания, то есть достигается интенсификация работы автоклава.
В дополнение к этому каждое сопло 10 работает как пароструйный насос, повышающий скорость движения пульпы в циркуляционной трубе 5. А чем выше скорость циркуляции, тем выше кратность массообмена за время пребывания пульпы в автоклаве, эффективнее идет обновление межфазной поверхности зерен боксита, эффективнее идет процесс выщелачивания и тем меньше вероятность образования отложений на поверхностях автоклава и циркуляционной трубы 5.
Автоклав работает следующим образом.
Через патрубок 2 подводят пульпу в полость корпуса 1 сначала для заполнения, а затем уже для проведения выщелачивания. После заполнения автоклава пульпа, истекающая из сопла 6 с высокой скоростью, инжектирует в циркуляционную трубу 5 пульпу из полости между внутренней стенкой корпуса 1 и наружной стенкой циркуляционной трубы 5, создавая, тем самым, циркуляцию пульпы в автоклаве: в циркуляционной трубе 5 - снизу вверх, в полости корпуса 1 снаружи циркуляционной трубы 5 - сверху вниз. В циркуляционной трубе 5 за счет смешения потоков пульпы, имеющей разные скорости, происходит ее интенсивное перемешивание и обновление поверхностей зерен боксита. После заполнения полости корпуса 1 пульпой
подводят греющий пар в нижнюю часть  циркуляционной трубы 5, где он смешивается с пульпой из патрубка 2 и с пульпой, инжектируемой из полости корпуса 1, образуя на первоначальном отрезке движения после сопел 10 паропульповую смесь, а затем полностью конденсируется в пульпе и нагревает ее до заданной температуры. Удельная масса паропульповой смеси и нагретой пульпы меньше удельной массы пульпы, находяшейся снаружи циркуляционной трубы 5 в полости корпуса 1. За счет разности удельных масс скорость циркуляции пульпы увеличивается. Скорость циркуляции пульпы возрастает также благодаря повышенной инжекции пульпы из полости корпуса 1 в циркуляционную трубу 5, уменьшенному сопротивлению движению пульпы в верхней части циркуляционной трубы 5 и эффекту инжекции пульпы паровыми струями, вытекающими из сопел 10.
Быстротечная конденсация пара, гидромеханическое активирование поверхностей зерен боксита и высокая скорость циркуляции пульпы в автоклаве - это залог высокоэффективных теплообмена между паром и пульпой, массообмена между бокситом и алюминатным (оборотным) раствором, а также предотвращения образования отложений на любых поверхностях в автоклаве.
Отвод нагретой пульпы из автоклава осуществляется через патрубок 4. Благодаря заявленному наклону патрубка 4, а также расположению верхнего конца 11 патрубка 4 выше верхнего края 12 циркуляционной трубы, причем оптимальной величиной этого превышения являются 0,15 - 0,60 м, на этом участке не создается как в автоклаве-прототипе сопротивления движению пульпы снизу вверх по циркуляционной трубе, а значит скорость циркуляции в автоклаве не снижается. А отводимая по наклонному патрубку 4 естественным образом пульпа перетекает из одного автоклава батареи в другой, в котором выщеописанный процесс повторяется.
Использование заявляемого греющего аппарата в производстве обеспечит несомненные преимущества перед использованием автоклавапрототипа. Достигаемые результаты работы такого автоклава3uW llW
максимальное извлечение окиси алюминия из минерального сырья в алюминатный раствор и предотвращение образования отложений обусловят высокую производительность автоклава и возможность сокращения количества автоклавов в батарее. В конечном итоге - снижение капитальных и эксплуатационных затрат.
ш)11гЬ)0 (