СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ЛИТИЯ И ЛИТИЙСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ Российский патент 1998 года по МПК C01D15/02 

Изобретение относится к гидрометаллургии щелочных металлов и может быть использовано при переработке отходов щелочных металлов, а именно безопасного перевода в раствор отходов металлического лития и других содержащих его продуктов с последующей утилизацией ценных компонентов.

Известен способ очистки изделий от щелочных металлов и их соединений по авт. св. N 666917, кл. C 23 G 5/00, 1992, состоящий в промывке их водой при непрерывном вакуумировании.

Недостатками данного способа являются: низкая производительность, невозможность быстрого прекращения реакции взаимодействия щелочного металла с водой в ходе процесса при неожиданных повышениях остаточного давления в реакционном объеме, взрывоопасность.

Наиболее близким по технической сущности является способ - прототип переработки отходов щелочных металлов по авт. св. N 1513924, кл. C 22 B 7/00, 1991, состоящий в растворении отходов водой, диспергированной в инертном газе, при содержании воды 1,0 - 6,5 кг/м³, обработку проводят импульсами длительностью 1-5 с с частотой не более 10 имп/мин при поддержании давления в реакторе менее 75 мм рт.ст.

Данный способ имеет низкую производительность из-за длительности и цикличности процесса растворения, требует постоянного визуального контроля процесса за состоянием поверхности металла, не допуская его расплавления, взрывоопасен.

Задача изобретения - повышение производительности процесса переработки щелочных металлов при обеспечении безопасности процесса.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе переработки лития и литийсодержащих отходов, включающем обработку диспергированной водой при непрерывном вакуумировании и удалении жидких отходов из зоны реакции, обработку проводят водой, диспергированной в инертном газе, с одновременным пропусканием инертного газа через слой отводимой из зоны реакции жидкости, при остаточном давлении в реакторе 0,1 - 0,6 кгс/см² и концентрации водорода в отходящих газах 0 - 3 об.%.

Предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны вследствие того, что в прототипе такие отличительные признаки отсутствуют. Указанная выше совокупность признаков способа является новой, и заявляемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень", так как растворение проводят водой, диспергированной в инертном газе через слой растворенных жидких отходов при поддержании остаточного давления в реакторе 0,1 - 0,6 кгс/см² и концентрации водорода в отходящих газах 0 - 3 об.%, что позволяет интенсифицировать процесс растворения за счет подачи в реактор сверху диспергированной воды в зону реакции и повторного использования в зоне реакции воды из растворенной жидкости при пропускании через эту жидкость инертного газа, получить более высокую концентрацию щелочного металла в растворе в результате повторного использования воды в процессе реакции и уноса парогазовых продуктов реакции вакуумной системой, снизить температуру в зоне реакции, оперативно прекращать контакт воды и влаги с растворяемым щелочным продуктом при достижении остаточного давления в реакторе до 0,6 кгс/см² и концентрации водорода в парогазовых продуктах до 3 об.%, обеспечив тем самым достижение поставленной цели - повышение производительности процесса при обеспечении безопасности процесса.

Способ осуществляется следующим образом.

Сетчатый контейнер с растворяемыми продуктами помещают в герметичный реактор. Реактор закрывают крышкой и герметизируют, систему вакуумируют, доводя остаточное давление до 0,25 кгс/см², затем через эжекторный распылитель, установленный в крышке реактора, распыляют инертным газом воду, при этом одновременно через растворенную жидкость, стекающую в сборник жидких отходов реактора, подают инертный газ. В качестве инертного газа используют азот. Заданное остаточное давление в системе поддерживают регулировкой воды, при этом в реакторе контролируют температуру растворяемых продуктов и жидких отходов, которая не должна превышать 65^oC. По показанию газоанализатора контролируют содержание водорода в отводимых парогазовых продуктах, который не должен превышать 3 об.%. При снижении температуры в зоне реакции меньше 50^oC, остаточного давления в реакторе до 0,1 кгс/см² и концентрации водорода менее 0,05 об. % расход воды и инертного газа увеличивают. При увеличении температуры в зоне реакции больше 65^oC, остаточного давления в реакторе более 0,5 кгс/см² и концентрации водорода до 2 об.% расход воды и инертного газа уменьшают. При достижении температуры в зоне реакции до 95^oC, остаточного давления в реакторе 0,6 кгс/см² или концентрации водорода 3 об.% немедленно отключают воду и инертный газ, подающийся через слой отводимой жидкости, парогазовые продукты при этом удаляют по вакуумной линии через ресивер в вентиляцию. Все необходимые действия в подобных ситуациях легко автоматизировать. Окончание процесса определяют по устойчивому прекращению выделения водорода в течение 20 мин и выхода температуры в контейнере и на сливе жидких отходов на постоянный уровень, соответствующий температуре внутри реактора. По окончанию растворения реактор промывают водой, сравнивают подачей инертного газа давление в нем с атмосферным, открывают крышку и извлекают контейнер. Жидкие продукты из сборника реактора направляют на переработку и извлечение ценных компонентов щелочного металла. После сушки реактора теплым воздухом процесс растворения повторяют. Предлагаемый способ подтвержден экспериментальными исследованиями и приведен в таблицах. Эксперименты проводились на образцах цилиндрической формы диаметром 25 мм и весом 20 г металлического лития марки ЛЭ-1, ЛЭ-2, ГОСТ 8774-75 и реальных отходах электролизного производства с содержанием металла до 50%, которые так же отливали в виде цилиндров диаметром 25 мм и весом 20 г. Разовая загрузка лития в реактор доходила до 5 кг, а загрузка отходов электролизного производства составляла 50 кг. В каждой из серий экспериментов рассчитывали скорость растворения и определяли концентрацию получаемых растворов, а для сопоставления полученных данных - эффективность процесса, отношение скорости растворения данной пробы к скорости растворения пробы, выбранной за исходную. По ходу процесса регистрировали температуру растворяемых продуктов, время растворения, определяли концентрацию растворенных продуктов, поддерживая постоянными заданные расходные параметры.

В табл. 1 приведены данные сравнительных экспериментов при различных режимах обработки водой.

Из приведенных данных следует, что наиболее медленным является растворение при заполнении реактора водой, душирование (орошение) и обработка диспергированной водой несколько интенсифицируют процесс, а использование обработки диспергированной воды с одновременным пропусканием через слой отводимой жидкости инертного газа позволяет в 15,5 раз увеличить скорость растворения и получить более высокую концентрацию раствора.

Влияние остаточного давления в реакторе на процесс растворения при заполнении реактора водой и обработки диспергированной водой с одновременным пропусканием через слой отводимой жидкости инертного газа приведено в табл. 2.

В табл. 2 приведены экспериментальные данные температур растворяемых продуктов щелочного материала при обработке водой, с температурой 25^oC, в зависимости от остаточного давления при различных режимах. Анализ данных табл. 2 показывает, что температура растворяемых продуктов близка к температурам кипения воды в этих условиях и основной теплоотвод из зоны реакции происходит за счет парообразования растворителя. В режиме заполнения реактора водой реакция протекает бурно с разбрызгиванием твердых продуктов щелочного продукта по всему объему и для поддержания заданной температуры необходимо большое количество растворителя, при этом температура продукта выше и ближе к температуре кипения воды, чем при обработке диспергированной водой с одновременным пропусканием инертного газа через отводимую жидкость. В режиме обработки диспергированной водой с одновременным пропусканием через отводимую жидкость инертного газа реакция протекает спокойно и равномерно по всей поверхности. Температура отходов электролизного производства лития при растворении выше температуры металлического лития, кроме того при этом существует пороговое давление в реакторе равное 0,7 кгс/см², выше которого температура продуктов больше температуры кипения воды из-за плохого теплоотвода и растворение в этих условиях проводить опасно. Такое поведение объясняется тем, что отходы литиевого производства имеют развитую, пористую поверхность за счет примесей мелкодисперсного графита и вспененного электролита, а сам металл распределен в этой массе в виде вкраплений или прожилок различной толщины и не имеют той плотности, как компактный металл. Сочетание обработки диспергированной жидкости с одновременным пропусканием инертного газа через отводимую жидкость интенсифицирует процесс растворения продукта и улучшает отвод выделяющегося тепла, поэтому температура в этом режиме ниже по сравнению с режимом растворения при заполнении реактора водой. Кроме того, при пропускании инертного газа через отводимую из зоны реакции жидкость происходит вскипание жидкости и перемешивание отводимых продуктов реакции инертным газом, при этом газ насыщается влагой и поступает в зону реакции с щелочным продуктом, что позволяет повторно использовать воду при растворении продуктов реакции. В результате этого повышается производительность процесса растворения и концентрация щелочного металла в растворе.

При проведении растворения щелочных металлов под разряжением самым опасным является внезапное повышение остаточного давления в реакционном объеме, которое может произойти при остановке вакуумного насоса, разгерметизации узлов оборудования и т.п. При повышении давления возрастает интенсивность реакции, резко возрастает температура, что может вызвать расплавление металла, который реагирует с водой со взрывом.

Рост температуры металла выше температуры кипения воды при атмосферном давлении вызывает внезапное испарение и перегрев воды с образованием высоких давлений и взрыва, что особенно характерно для лития из-за его высокой температуры плавления и высокого удельного тепловыделения в ходе реакции.

Для устранения возможности расплавления литиевых продуктов и накопления вследствие этого в реакционном объеме взрывоопасной концентрации водорода, необходимо процесс растворения щелочных продуктов проводить при остаточном давлении не более 0,6 кгс/см², так как при остаточном давлении равным 0,7 кгс/см² температура растворяемых продуктов больше температуры кипения воды. Нижний предел остаточного давления при растворении не должен превышать 0,1 кгс/см² по той причине, что температура растворяемых продуктов резко снижается и процесс растворения щелочных продуктов происходит с низкой производительностью.

Содержание водорода в парогазовых продуктах, непрерывно удаляющихся вакуумным насосом, который контролируется газоанализатором типа "Оскар", не должно превышать 3 об.%, так как газообразный водород с воздухом образует взрывоопасную смесь уже при 4 об.% Поддержание температуры менее 65^oC, что соответствует остаточному давлению 0,25 кгс/см², необходимо и для того, чтобы не применять теплоизоляцию оборудования, которая значительно усложняет и удорожает аппаратурное оформление процесса. Расход воды и инертного газа будет зависеть от многих факторов: вида, формы и количества растворяемых щелочных продуктов, конструкции оборудования, производительности вакуумного насоса и т. п. Оптимальные же расходы следует подбирать опытным путем для конкретного вида отходов и имеющейся установки растворения щелочных продуктов.

Исходя из вышеперечисленного и на конкретных экспериментальных результатах показано, что предлагаемый способ по сравнению со способом-прототипом имеет следующие преимущества:
интенсифицирует производительность процесса за счет повторного использования воды при растворении;
получает более высокую концентрацию растворенного щелочного продукта;
производит отвод тепла и парогазовых продуктов из зоны реакции, что позволяет проводить регулируемое и безопасное растворение при температурах ниже 65^oC;
обеспечивает взрывобезопасность при проведении процесса растворения за счет поддержания температуры растворяемых продуктов ниже температуры кипения воды и быстрого прекращения реакции при превышении заданных параметров: остаточного давления равного 0,6 кгс/см², концентрации водорода не более 3 об. %.

Указанные преимущества найдут выражение в конкретных технико-экономических показателях при переработке отработанного лития, отходов электролизного производства лития и других щелочных продуктов с последующей утилизацией и возвращением щелочного металла в технологический цикл. При этом переработка щелочных продуктов имеет большое природоохранительное значение, так как позволяет при проведении безопасного процесса растворения перейти от уничтожения к переработке отходов, что способствует улучшению охраны окружающей среды.

Изобретение относится к гидрометаллургии щелочных металлов и может быть использовано при переработке отходов щелочных металлов, а именно безопасного перевода в раствор отходов металлического лития и других содержащих его продуктов с последующей утилизацией ценных компонентов. Сущность изобретения заключается в способе переработки лития и литийсодержащих отходов, включающем обработку водой, диспергированной в инертном газе, с одновременным пропусканием инертного газа через слой отводимой из зоны реакции жидкости, при остаточном давлении в реакторе 0,1 - 0,6 кгс/см² и концентрации водорода в отходящих газах 0 - 3 об. % Данный способ позволяет по сравнению с существующими способами повысить производительность при обеспечении безопасности проводимого процесса растворения щелочных продуктов. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ переработки лития и литийсодержащих отходов, включающий растворение лития и литийсодержащих отходов водой, диспергированной в инертном газе, под вакуумом, отличающийся тем, что одновременно с растворением пропускают инертный газ через слой отводимой из зоны реакции жидкости. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что растворение проводят при остаточном давлении в реакторе 0,1 - 0,6 кгс/см² и концентрации водорода в отходящих газах 0 - 3 об.%.