ПРОТОЧНАЯ КАМЕРА УЛЬТРАЗВУКОВОГО РЕАКТОРА

Полезная модель относится к аппаратуре, предназначенной для проведения химико-технологических процессов, связанных с необходимостью интенсивного растворения/выщелачивания при извлечении ценных компонентов, а именно полезная модель предназначена для обработки природного и техногенного минерального сырья с применением ультразвукового проточного реактора.
Известен кавитационный реактор для обработки жидких сред, который представляет собой заполняемую жидкостью камеру, ограниченную поверхностями корпуса, отражающей стенки и излучателя акустической волны (патент № 2228217, В01J 19/10, опубл.10.05.2004 г.). Изобретение может быть использовано в химической и горнорудной отраслях промышленности. Техническим результатом обработки жидких сред является интенсификация происходящих в них химических реакций, что достигается использованием корпуса определенных размеров, рассчитываемых по предложенной авторами изобретения формуле.
Недостатком данного изобретения является достаточно сложная формула для определения размеров корпуса, а также отсутствие возможности регулирования размеров изначальной камеры с целью интенсификации химических реакций в различных жидких средах.
Известен аппарат ультразвуковой проточной обработки (патент № 141803, В06В 1/06, опубл. 10.06.2014 г.), который предназначен для ускорения технологических процессов в жидкостях и дисперсных системах. Аппарат содержит технологический объем, выполненный в виде двух осесимметрично расположенных цилиндрических камер, длина внутренней камеры кратна четному числу длин полуволн в обрабатываемой технологической среде, диаметр определяется производительностью реализуемого процесса, а толщина стенки выбрана из условия формирования вдоль длины внутренней камеры четного числа полуволн изгибных колебаний на частоте ультразвукового воздействия. В одной из торцевых стенок внутренней камеры выполнен узел крепления источника ультразвукового воздействия с возможностью его перемещения вдоль оси камеры. Диаметр внешней камеры выбран таким образом, что расстояние от внешней поверхности стенки внутренней камеры до внутренней поверхности внешней камеры кратно четверти длины волны колебаний в заключенной между ними среде, входные и выходные патрубки выполнены в обеих камерах технологического объема, имеют соединения, обеспечивающие как независимое протекание по двум камерам различных сред, так и последовательное протекание одной среды через обе камеры.
Недостатком данного технического решения является то, что в аппарате ультразвуковой проточной обработки длина, диаметр камер рассчитываются для конкретного вида обрабатываемой среды, и изначальные размеры камер невозможно изменить с целью эффективной обработки различных сред. Кроме того, наличие двух камер усложняет конструкцию.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является ультразвуковой проточный реактор (патент № 2403085, B01J 19/10, опубл. 10.11.2010 г.). Реактор содержит проточную камеру и расположенный в ней излучатель, соединенный с источником ультразвуковых колебаний. Излучатель выполнен в виде цельного стержня переменного сечения, причем участки большего сечения расположены вдоль стержня так, что расстояния между центрами этих участков соответствуют половине длины волны ультразвуковых колебаний в материале стержня. Проточная камера представляет собой полый цилиндр, на внутренней поверхности которого симметрично относительно участков стержня большего сечения размещены отражатели ультразвука.
В данном случае конструкция проточной камеры также не позволяет изменять ее размеры с целью эффективной обработки различных сред.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является возможность регулирования размеров рабочего пространства проточной камеры ультразвукового реактора, что позволяет использовать камеру для обработки различных видов природного и техногенного минерального сырья с высокой степенью извлечения ценных компонентов.
Технический результат достигается тем, что в проточной камере ультразвукового реактора для обработки суспензий минерального сырья, выполненной в виде полого цилиндра, с возможностью размещения внутри нее стержня излучателя ультразвуковых колебаний, содержащей входной патрубок для подачи суспензии и выходной патрубок для извлечения готового продукта из камеры, согласно полезной модели внутрь камеры вставлена цилиндрическая втулка, а в нижней части камеры установлен диск со сквозным отверстием в центре и кольца, расположенные одно над другим и фиксирующие положение втулки и диска в продольном направлении.
В частном случае одно из колец может быть заменено на диск.
Толщина каждого кольца может быть равна толщине диска и составлять 5-10 мм.
Кольца могут фиксироваться между собой и диском с помощью разъемного соединения «выступ-паз».
Втулка может иметь толщину 5-15 мм. Диаметр сквозного отверстия диска обычно не превышает внутренний диаметр выходного патрубка.
На фиг.1 схематично представлена проточная камера ультразвукового реактора.
Проточная камера 1 расположена между нижними 2 и верхними 3 фланцами ультразвукового реактора, внутри которой расположен излучатель ультразвуковых колебаний, выполненный в виде стержня переменного сечения 4. Излучатель 4 соединен с источником ультразвуковых колебаний 5. Камера содержит входной патрубок 6 для подачи суспензии сырья (руды) и выходной патрубок 7 для извлечения готового продукта из камеры. Вдоль внутренней поверхности проточной камеры установлена втулка 8. Снизу камеры установлены друг на друга кольца 9 и диск 10 со сквозным отверстием по центру 11 таким образом, что диск 10 зафиксирован между четвертым кольцом снизу и вторым кольцом сверху. Нижняя часть втулки 8 опирается на верхнее кольцо. Кольца 9 и диск 10 зафиксированы между собой с помощью разъемного соединения «выступ-паз». Диаметр сквозного отверстия 11 диска 10 равен внутреннему диаметру выходного патрубка 7.
На фиг. 2 представлена проточная камера 1 ультразвукового реактора, содержащая втулку 8, а также шесть колец 9, установленных друг на друга, поверх которых размещен диск 10 со сквозным отверстием 11. Диаметр сквозного отверстия 11 диска 10 равен внутреннему диаметру выходного патрубка 7. Нижняя часть втулки 8 опирается на диск 10.
На фиг. 3 представлена проточная камера 1 ультразвукового реактора, содержащая втулку 8, установленные друг на друга кольца 9 и диск 10 со сквозным отверстием 11 таким образом, что диск зафиксирован между пятым снизу и первым сверху кольцами 9. Диаметр сквозного отверстия 11 диска 10 равен внутреннему диаметру выходного патрубка 7. Нижняя часть втулки 8 опирается на верхнее кольцо 9.
При подготовке камеры к работе в ее нижней части на фланец 2 устанавливают одно над другим кольца 9 и диск 10 со сквозным отверстием в центре 11. В камеру вставляется втулка 8, нижняя часть которой опирается на верхнее кольцо 9 (фиг. 1, 3) или диск 10 (фиг. 2). Кольца и диск содержат на прилегающих плоскостях, ближе к внешнему краю, соответственно кольцевые канавки и выступы прямоугольной формы, за счет которых осуществляется жесткая фиксация колец и диска между собой.
Как правило, общая высота стопы колец с диском должна оставаться постоянной, чтобы не изменять длину втулки, установленной на эту стопу. Это дешевле и проще, чем изготавливать каждый раз втулку разной длины. При этом положение диска 10 в продольном направлении можно изменять, устанавливая его вместо одного из колец.
Посредством втулки 8, которая может иметь разную толщину, изменяют размеры рабочего пространства для прохождения обрабатываемой суспензии вдоль стержня излучателя 4, а посредством диска 10, который можно переставлять в продольном направлении, изменяют рабочее пространство камеры снизу. При этом во избежание пробоя минимальное расстояние от диска до торца стержня излучателя составляет 5-10 мм.
Процесс осуществляют следующим образом. Для получения суспензии (пульпы) руды в обогреваемую емкость заливают щелочную жидкость, включают механическую мешалку и засыпают в нее суспензируемые компоненты. Подают пульпу через входной патрубок 6 и насосом прокачивают ее в режиме рециркуляции через проточную камеру 1 ультразвукового реактора. В проточной камере 1 компоненты пульпы подвергаются интенсивному ударно-волновому акустическому воздействию с частотой колебаний 18-22 кГц, приводящему к диспергированию, обновлению поверхности и быстрому протеканию массообменных процессов. Ультразвуковая обработка пульпы способствует образованию трещин на твердых частицах, а при последующем соударении частиц к их раскалыванию и сдиранию природных пленок. Это открывает доступ выщелачивающего агента к частицам извлекаемого компонента. По окончании процесса растворения/выщелачивания готовый продукт (раствор или суспензию) откачивают насосом через выходной патрубок 7 в емкость-накопитель или направляют на фильтрацию. Поскольку появилась возможность регулирования размеров рабочего пространства проточной камеры, экспериментально размеры подбирают таким образом, чтобы при неизменной мощности ультразвукового излучателя интенсивность акустического воздействия на различные виды суспензий возрастала. При этом достигается высокая степень извлечения ценных компонентов в раствор.
Ниже представлены результаты экспериментов по ультразвуковой обработке (выщелачиванию) нескольких видов руд с использованием проточной камеры по прототипу и предложенному техническому решению. Была использована проточная камера ультразвукового реактора и втулка, выполненные из труб стандартного диаметра, материал - нержавеющая сталь либо материал, стойкий к обрабатываемой суспензии. Внутренний диаметр проточной камеры 90 мм, длина 453 мм. Длина стержня излучателя 318 мм, диаметр 34-50 мм. Кольца 9 и диск 10 имеют толщину 10 мм.
Пример 1. Выщелачивание фосфатной редкоземельной руды раствором едкого натра.
2
5
2
3
В стальной обогреваемый редактор заливают 6 л раствора едкого натра с концентрацией 450 г/л. Раствор нагревают до 110-115°С. При тщательном перемешивании в раствор подают 2000 г фосфатной редкоземельной руды крупностью менее 0,1 мм, составом (вес. %): РО 22,1; AlO 14,4; сумма редкоземельных оксидов - 19,8. Через входной патрубок 6 в проточную камеру 1 подают суспензию со скоростью 1 л/мин. Выщелачивание суспензии проводят по 5 мин в режиме с ультразвуковой обработкой материала. Общее время выщелачивания составляет 90 мин. После этого пульпа подается на фильтр. Снятый с него твердый остаток (кек) промывают горячей водой, сушат и отправляют на анализ. По результатам анализа оценивали степень извлечения ценных компонентов в раствор (см. табл. 1).
2
5
2
3
Как видно из табл. 1 использование ультразвукового воздействия на процесс выщелачивания в проточной камере по прототипу обеспечивает степень извлечения ценных компонентов (РО и AlO) в раствор соответственно 90 и 94%.
При переработке руды в заявленной проточной камере с указанными размерами ее рабочего пространства степень извлечения ценных компонентов в раствор составляет
2
5
2
3
РО 93-95%; AlO 96-98%. Таким образом, при выщелачивания фосфатной редкоземельной руды в ультразвуковом реакторе с размерами рабочего пространства проточной камеры L1=5-15 мм, L2=5 - 25 мм достигаются более высокие показатели процесса по сравнению с прототипом по степени извлечения ценных компонентов в раствор.
Пример 2. Выщелачивание урана из Аргунского концентрата раствором карбоната натрия.
2
2
3
2
5
В стальной обогреваемый редактор заливают 6 л раствора карбоната натрия с концентрацией 100 г/л. Раствор нагревают до 70°С. При тщательном перемешивании в раствор подают 600 г концентрата крупностью менее 0,2 мм, составом, вес. %: U 0,72; Мо 0,18; SiO 40,0; СаО 24,0; MgO 11,4; Fe 2,2; АlO 0,8; S 0,4; Zn 0,18; PO 0,07. Через входной патрубок 6 в проточную камеру 1 подают суспензию со скоростью 1 л/мин. Выщелачивание суспензии проводят по 5 мин в режиме с ультразвуковой обработкой материала. Общее время выщелачивания составляет 45 мин. После этого пульпа подается на фильтр. Снятый с него твердый остаток (кек) промывают горячей водой, сушат и отправляют на анализ. По результатам анализа оценивали степень извлечения ценных компонентов в раствор (см. табл. 2).
Как видно из табл. 2 использование ультразвукового воздействия на процесс выщелачивания в проточной камере по прототипу обеспечивает степень извлечения урана в раствор 87,5%.
При переработке концентрата в заявленной проточной камере с указанными размерами ее рабочего пространства степень извлечения урана в раствор составила 94,5-97,2%. Таким образом, при выщелачивании концентрата в ультразвуковом реакторе с размерами рабочего пространства проточной камеры L1=5-10 мм, L2=5-15 мм достигаются более высокие показатели процесса по сравнению с прототипом по степени извлечения урана в карбонатный раствор.
Пример 3. Выщелачивание урана из браннерита раствором карбоната натрия.
2
2
2
3
2
3
2
2
2
5
2
3
В стальной обогреваемый редактор заливают 6 литров раствора карбоната натрия с концентрацией 50 г/л. Раствор нагревают до 70°С. При тщательном перемешивании в раствор подают 600 г браннерита крупностью менее 0,3 мм, составом, вес. %: U 0,22; SiO 57,9; TiO 1,2; АlO 10,8; FeO 3,5; FeO 1,5; S 0,4; MnO 0,12; MgO 1,8; NaO 1,6; KO 6,6; PO 0,5; CaF 1,0; CaCO 9,0; S 3,2. Через входной патрубок 6 в проточную камеру 1 подают суспензию со скоростью 1 л/мин. Выщелачивание суспензии проводят по 10 мин в режиме с ультразвуковой обработкой материала. Общее время выщелачивания составляет 90 мин. После этого пульпа подается на фильтр. Снятый с него твердый остаток (кек) промывают горячей водой, сушат и отправляют на анализ. По результатам анализа оценивали степень извлечения ценных компонентов в раствор (см. табл. 3).
Как видно из табл. 3 использование ультразвукового воздействия на процесс выщелачивания в проточной камере по прототипу позволяет достигать степени извлечения урана в раствор 84,0%.
При переработке концентрата в заявленной проточной камере с указанными размерами ее рабочего пространства степень извлечения урана в раствор составила 96,3-98,3%.
Таким образом, при выщелачивании концентрата в ультразвуковом реакторе с размерами рабочего пространства проточной камеры L1=10-15 мм, L2=5-15 мм достигаются более высокие показатели процесса по сравнению с прототипом по степени извлечения урана в карбонатный раствор.