ПРОТИВОТОЧНЫЙ ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ШНЕКОВЫЙ ЭКСТРАКТОР Российский патент 2001 года по МПК B01D11/02 

Изобретение относится к устройствам для проведения процессов в системе жидкость - твердое тело и может быть использовано при утилизации металлосодержащих твердых промышленных отходов, а также в пищевой, химической, металлургической и других отраслях промышленности для растворения, выщелачивания и экстракции.

Известно устройство для проведения реакционных процессов между твердой и жидкой фазами (патент РФ N 2031156, кл. С 22 В 3/02 от 23.03.95 г.), которое включает последовательно соединенные одна с другой емкости с мешалками, снабженные шнеками, расположенными внутри емкостей под углом к горизонтали. Твердая фаза поступает в первую по ходу емкость, где происходит реакция между твердой и жидкой фазами, затем происходит перемещение твердой фазы шнеком в следующую емкость-реактор и так по всем емкостям, образуя таким образом каскад из определенного количества ступеней. Движение обрабатывающего раствора происходит противотоком, т.е. от последней емкости к первой.

Недостатком такого устройства является то, что данная конструкция требует большого количества приводов для вращения мешалок и шнеков и, следовательно, значительного расхода энергии. Кроме того, нижнее расположение шнеков требует специальных уплотнений, предотвращающих вытекание обрабатывающего раствора через узлы выхода вала шнека из корпуса. Это особенно важно при использовании в качестве обрабатывающих растворов агрессивных жидкостей.

Известно также устройство для разложения руд и концентратов (патент РФ N 2026381, кл. С 22 В 3/02, опубл. 10.01.95.), которое включает корпус с двумя валами с лопастями, взаимно перекрывающими друг друга. Узлы загрузки и разгрузки размещены в противоположных углах корпуса, а сам корпус установлен наклонно к горизонту в сторону узла загрузки.

Обрабатываемый материал и обрабатывающий раствор вводят через узел загрузки. Реагирующие твердая и жидкая фазы перемешиваются лопастями в реакционном объеме, образованном за счет наклона корпуса устройства, и в то же время перемещаются в направлении узла разгрузки. Взаимное перекрытие лопастей на валах обеспечивает их очистку от налипшей реакционной массы.

Указанное устройство достаточно эффективно при проведении реакций между твердой и жидкой фазами, например сульфатизации концентратов. Однако оно неприменимо при проведении реакций выщелачивания или экстракции, когда после проведения реакции между твердой и жидкой фазами необходимо разделение этих фаз и, следовательно, вывод этих фаз в различных точках устройства. Кроме того, это устройство не позволяет проводить многостадийные процессы выщелачивания с противотоком обрабатывающей жидкости.

Наиболее близким к заявляемому устройству является противоточный горизонтальный шнековый экстрактор (патент РФ N 2082477, кл. В 01 D 11/02, опубл. 27.06.97). Это устройство содержит размещенные в корпусе и снабженные тепловой рубашкой горизонтальные секции, крайняя из которых снабжена патрубком подвода экстрагента, а передняя секция - соединительным фланцем под бункер загрузки измельченного растительного сырья и камерой отбора готового жидкого экстракта, снабженной вертикальной перфорированной перегородкой и установленной на валу шнека крестовиной, снабженной эластичным материалом, выполняющей роль подвижного скребка. Экстрактор снабжен стыковочными фланцами секций, по оси которых через опоры закреплены подшипники скольжения для валов смежных шнеков, перфорированные винтовые лопасти которых разнесены по валу группами, связанными между собой перемешивающими штангами.

Данное устройство пригодно для обработки растительного сырья, но мало пригодно для обработки, например, металлосодержащих твердых промышленных отходов. Монтаж шнека в цилиндрический корпус проводится через торцевую часть корпуса, что при достаточной длине аппарата делает эту операцию весьма трудоемкой. Горизонтальное расположение секций приводит к значительному уносу обрабатывающего раствора с твердой фазой, а отделение жидкой фазы от твердой происходит в крайней наклонной секции. Наличие в крайней секции карданной передачи к шнеку для выгрузки отработанного сырья не обеспечивает надежности работы этого узла из-за механического износа, особенно при обработке механически прочного сырья. Другим недостатком данного устройства в случае обработки металлосодержащих материалов является недостаточное перемешивание реагирующих фаз, что требует увеличения времени обработки, так как выщелачивание металлов обычно протекает в режиме диффузионных ограничений скорости процесса. Следует также отметить, что подвод тепла через наружную рубашку корпуса ведет к значительным теплопотерям. Кроме того, наличие в данном устройстве межсекционных перфорированных перегородок приводит к повышенному расходу энергии, затрачиваемой на продавливание сырья.

Задача, решаемая предлагаемым устройством, - усовершенствование устройства для экстракции и выщелачивания при обработке металлосодержащих шламов, осадков сточных вод, руд и т.п.

Технический результат от использования изобретения заключается в интенсификации процесса выщелачивания, снижении энергозатрат, уменьшении трудоемкости.

Указанный технический результат достигается тем, что в противоточном горизонтальном шнековом экстракторе, содержащем размещенные в корпусе горизонтальные секции со стыковочными фланцами, первая из которых снабжена фланцем под бункер загрузки обрабатываемого материала, а последняя - патрубком подвода экстрагента, основной шнек для перемещения экстрагируемого материала, рамочные перемешиватели, патрубок отвода экстрагента, отверстие для выгрузки экстрагированного материала, линия для подвода теплоносителя, за последней секцией установлена дополнительная секция нейтрализации экстрагента с отверстием для выгрузки экстрагированного материала, секции имеют корытообразное сечение и три зоны: зону вывода экстрагента, отделенную перегородкой, не доходящей до дна, от реакционной зоны, переходящей в зону перемещения материала с коническим сечением корпуса, основной шнек для перемещения экстрагируемого материала выполнен в виде змеевика из трубы с закрепленными на ней лопастями и соединен с линией подвода теплоносителя, в каждой секции основной шнек состоит из первой и второй по ходу экстрагируемого материала спиральных частей, соединенных горизонтальным участком, на котором расположен рамочный перемешиватель, установлен шнек обратной подачи с диаметром и шагом, составляющими 0,6-0,8 диаметра, и шага первой части основного шнека, вторая часть основного шнека выполнена конической и имеет шаг и диаметр, уменьшающиеся в направлении движения материала, причем шнек обратной подачи выполнен в виде змеевика из трубы, горизонтальная часть которой расположена соосно конической части основного шнека, с заборным серповидным штуцером, опущенным в зону вывода экстрагента последующей секции, за исключением дополнительной, другой конец шнека обратной подачи расположен в реакционной зоне предыдущей секции, а в крышке корпуса над реакционными зонами средних секций экстрактора установлены патрубки для ввода корректирующего раствора.

На фиг.1 изображен противоточный горизонтальный шнековый экстрактор, на фиг. 2 - шнековый узел экстрактора в аксонометрии.

Предлагаемое устройство содержит корпус, разделенный на первую 1, средние 2, последнюю 3 и дополнительную 4 секции, имеющие корытообразное сечение, уменьшающееся в направлении движения твердой фазы, и закрывающиеся крышками 5. В крышке 5 первой секции 1 расположен фланец для подсоединения загрузочного бункера 6. Секции 1-3 имеют три зоны: зону вывода экстрагента 7, реакционную 8 и зону перемещения экстрагируемого материала 9. Зона вывода экстрагента 7 предназначена для сбора жидкой фазы и отделения ее от твердой фазы, расположена в торцевой части секции 1 и имеет наклонную стенку. Вывод экстрагента из зоны 7 производят через патрубок 10. Зона вывода экстрагента 7 отделена от реакционной зоны 8 не доходящей до дна перегородкой 11. Внутри каждой секции на опорах 12 с подшипниками скольжения 13 размещен изготовленный из трубы основной шнек 14, на котором закреплены любым известным способом винтовые лопасти 15 в виде перфорированных пластин.

В каждой секции основной шнек 14 состоит из первой и второй по ходу экстрагируемого материала спиральных частей 16, 17, между которыми расположен его горизонтальный участок 18 и соединен с линией подвода теплоносителя.

Экстрактор снабжен шнеком обратной подачи 19 с диаметром и шагом, составляющими 0,6 - 0,8 от диаметра, и шага первой части 16 основного шнека, имеющей постоянный шаг и диаметр. Указанные размеры шнека обратной подачи связаны с тем, что при диаметре, большем 0,8, существенно уменьшается объем зоны интенсивного перемешивания, а при диаметре, меньшем 0,6, лопасти шнека обратной подачи оказываются практически не погруженными в реагирующую смесь. Шнек обратной подачи 19 выполнен из трубы с закрепленными на ней лопастями и имеет навивку, обратную навивке частей 16, 17 основного шнека 14. Горизонтальная часть трубы 20, из которой выполнен шнек обратной подачи, выполнена соосно конической части 17 основного шнека 14, крепится к ней любым известным способом и имеет заборный серповидный штуцер 21, опущенный в зону 7 вывода экстрагента последующей секции за исключением дополнительной. Другой конец шнека обратной подачи 19 расположен в реакционной зоне 8 предыдущей секции.

На горизонтальных участках 18 основного шнека 14 любым известным способом закреплены рамочные перемешиватели 22, состоящие из крестовины и лопастей.

Первая часть 16 шнека 14, размещенная в реакционной зоне 8, имеет постоянные шаг и диаметр. Часть 17 шнека 14, размещенная в зоне перемещения материала 9, имеет коническую форму с диаметром и шагом, уменьшающимися в направлении движения твердой фазы. Такое устройство шнека позволяет при перемещении реагирующей смеси вверх по наклонной части зоны 9 корпуса производить отделение жидкой фазы от твердой, уменьшить вынос экстрагента в последующую секцию, благодаря чему повышается степень извлечения из экстрагируемого материала.

Устройство средних секций 2 аналогично устройству секции 1, за исключением того, что в крышке корпуса над реакционной зоной 8 они имеют патрубок 23 для ввода корректирующего раствора. Количество средних секций определяется свойствами реагирующих веществ и требуемой степенью извлечения компонентов из обрабатываемого материала.

В крышке последней секции 3 имеется патрубок 24 для ввода экстрагента. Дополнительная секция 4 предназначена для проведения вспомогательных реакций, таких, например, как нейтрализация обработанного сырья. Дополнительная секция 4 снабжена выгрузочным отверстием 25 для выгрузки экстрагированного материала и патрубком 26 для ввода нейтрализующего раствора.

Шнеки различных секций соединены между собой с помощью муфт 27, а сами секции соединяются при помощи фланцев 28. Вращение шнеков осуществляют от электродвигателя 29 через вариатор скорости 30 любого известного типа, например фрикционного (Справочник конструктора. Под. ред. Явлинского К.Н., Л.: Машиностроение, 1989, с. 406 - 408).

Устройство работает следующим образом.

Включением электродвигателя 29 через вариатор 30 приводят во вращение шнеки устройства. В секцию 3 через патрубок 24 вводят в экстрактор обрабатывающий раствор (экстрагент). Обрабатываемый (экстрагируемый) материал из загрузочного бункера 6 поступает в реакционную зону 8 по ходу секции 1. За счет вращения основного шнека 14 происходит перемещение материала по длине реакционной зоны 8. Шаг винта и скорость вращения шнека выбирают таким образом, чтобы обеспечить заданную на каждой ступени продолжительность обработки. В средней части реакционной зоны 8 за счет вращения рамочного перемешивателя 22 происходит перемешивание материала в вертикальной плоскости. В этой же зоне за счет вращения шнека обратной подачи 19 происходит перемещение верхнего слоя реакционной смеси в направлении первой части 16 основного шнека и таким образом возникает дополнительный контур перемешивания. Интенсификация перемешивания позволяет значительно увеличить скорость экстракции по сравнению с аналогом.

Из реакционной зоны 8 обрабатываемый материал перемещается в следующую секцию 2 обработки конической частью 17 основного шнека 14. При движении обрабатываемого материала шнеком вверх по конической части корпуса в зоне 9 перемещения материала секции 1 жидкая фаза стекает обратно в реакционную зону 8 и таким образом происходит отделение твердой фазы от жидкой.

Твердая фаза последовательно проходит реакционные зоны 8 всех средних секций 2 и секции 3, где подвергается каждый раз обработке все более чистым раствором. Сам процесс обработки протекает аналогично тому, как это происходит в секции 1. В зоне вывода экстрагента 7 секций 2 и 3, отделенных от соответствующих реакционных зон 8 вертикальной перегородкой 11, скапливается и отстаивается обрабатывающий раствор, который перекачивается в секцию 1. Перекачивание обрабатывающего раствора (экстрагента) из средних 2 и из последней 3 секций происходит за счет того, что серповидный штуцер 21 при вращении трубчатого вала 20 захватывает часть раствора. При дальнейшем повороте шнека экстрагент перетекает по внутренней полости трубы 20 и шнека обратной подачи 19 непосредственно в наиболее интенсивно перемешиваемую часть реакционной зоны 8 предыдущей секции, что позволяет более эффективно проводить процесс экстракции. Из секции 1 отработанный раствор выводят через патрубок 10 на последующие операции, например регенерацию, извлечение экстрагированных веществ и т.п.

Таким образом, обрабатываемый материал проходит все секции устройства для выщелачивания, а обрабатывающий раствор (экстрагент) - противотоком все секции в направлении от 3 к 1. При необходимости состав выщелачивающего раствора может корректироваться в ходе протекания процесса путем подачи корректирующего раствора через патрубки 23.

Далее обрабатываемый материал поступает в дополнительную секцию 4, где производят вспомогательные операции, например нейтрализацию обрабатываемого материала, путем подачи через патрубок 24 нейтрализующего раствора. Из секции 4 после нейтрализации обрабатываемый материал выводят из устройства через выгрузочное отверстие 25.

Теплоноситель вводят через открытый конец основного шнека 14 секции 1, а вывод его осуществляют из его оконечной части, выходящей из секции 4.

Использование предлагаемого устройства для экстракции позволяет интенсифицировать процесс выщелачивания, уменьшить энергопотребление и снизить теплопотери при нагреве, сделать устройство для выщелачивания более компактным за счет использования одного привода на весь экстрактор.

Экстрактор относится к устройствам для проведения процессов в системе жидкость - твердое тело и может быть использовано для утилизации металлосодержащих твердых промышленных отходов, а также для растворения выщелачивания и экстракции в пищевой, химической, металлургической и других отраслях промышленности. Содержит размещенные в корпусе горизонтальные секции со стыковочными фланцами, первая из которых снабжена фланцем под бункер загрузки обрабатываемого материала, а последняя - патрубком подвода экстрагента. Кроме этого, экстрактор содержит основной шнек для перемещения экстрагируемого материала, рамочные перемешиватели, патрубок отвода экстрагента, отверстие для выгрузки экстрагированного материала, линию для подвода теплоносителя. За последней секцией установлена дополнительная секция нейтрализации экстрагента с отверстием для выгрузки экстрагированного материала. Секции имеют корытообразное сечение и три зоны: зону вывода экстрагента, отделенную перегородкой, не доходящей до дна, от реакционной зоны, переходящей в зону перемещения материала с коническим сечением корпуса. Основной шнек для перемещения экстрагируемого материала выполнен в виде змеевика из трубы с закрепленными на ней лопастями и соединен с линией подвода теплоносителя. В каждой секции основной шнек состоит из первой и второй по ходу экстрагируемого материала спиральных частей, соединенных горизонтальным участком, на котором распложен рамочный перемешиватель. Установлен шнек обратной подачи с диаметром и шагом, составляющими 0,6 - 0,8 диаметра и шага первой части основного шнека. Вторая часть основного шнека выполнена конической и имеет шаг и диаметр, уменьшающиеся в направлении движения материала. Шнек обратной подачи выполнен в виде змеевика из трубы, горизонтальная часть которой расположена соосно конической части основного шнека, с заборным серповидным штуцером, опущенным в зону вывода экстрагента последующей секции, за исключением дополнительной, другой конец шнека обратной подачи расположен в реакционной зоне предыдущей секции. В крышке корпуса над реакционными зонами средних секций экстрактора установлены патрубки для ввода корректирующего раствора. Данное выполнение экстрактора позволяет интенсифицировать процесс выщелачивания, снизить энергозатраты и уменьшить трудоемкость. 2 ил.

Противоточный горизонтальный шнековый экстрактор, содержащий размещенные в корпусе горизонтальные секции со стыковочными фланцами, первая из которых снабжена фланцем под бункер загрузки обрабатываемого материала, а последняя - патрубком подвода экстрагента, основной шнек для перемещения экстрагируемого материала, рамочные перемешиватели, патрубок отвода экстрагента, отверстие для выгрузки экстрагированного материала, линию для подвода теплоносителя, отличающийся тем, что за последней секцией установлена дополнительная секция нейтрализации экстрагента с отверстием для выгрузки экстрагированного материала, секции имеют корытообразное сечение и три зоны: зону вывода экстрагента, отделенную перегородкой, не доходящей до дна, от реакционной зоны, переходящей в зону перемещения материала с коническим сечением корпуса, основной шнек для перемещения экстрагируемого материала выполнен в виде змеевика из трубы с закрепленными на ней лопастями и соединен с линией подвода теплоносителя, в каждой секции основной шнек состоит из первой и второй по ходу экстрагируемого материала спиральных частей, соединенных горизонтальным участком, на котором расположен рамочный перемешиватель, установлен шнек обратной подачи с диаметром и шагом, составляющими 0,6 - 0,8 диаметра и шага первой части основного шнека, вторая часть основного шнека выполнена конической и имеет шаг и диаметр, уменьшающиеся в направлении движения материала, причем шнек обратной подачи выполнен в виде змеевика из трубы, горизонтальная часть которой расположена соосно конической части основного шнека, с заборным серповидным штуцером, опущенным в зону вывода экстрагента последующей секции за исключением дополнительной, другой конец шнека обратной подачи расположен в реакционной зоне предыдущей секции, а в крышке корпуса над реакционными зонами средних секций экстрактора установлены патрубки для ввода корректирующего раствора.