СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕЦИРКУЛЯЦИИ БОЛЕЕ ТЯЖЕЛОГО РАСТВОРА ИЗ УЗЛА РАЗДЕЛЕНИЯ ДВУХ РАЗДЕЛЯЕМЫХ РАСТВОРОВ В УЗЕЛ СМЕШИВАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК B01D11/04 C22B3/02 C22B15/00 

Изобретение относится к способу рециркуляции более тяжелого раствора при экстракции жидкость-жидкость между узлом разделения растворов и узлом смешивания в процессе, при котором два несмешивающихся раствора первоначально перемешивают, а затем разделяют эти растворы, а также к коллекторному каналу, в котором выполняют циркуляцию более тяжелого раствора.

При отделении металлов друг от друга при экстракции жидкость-жидкость более тяжелый раствор обычно представляет собой водный раствор, а более легкий раствор является органическим раствором, таким как керосин, в котором растворены некоторые подходящие химические соединения. На больших экстракционных установках, таких как установки для экстракции меди, особенно важным является умение управлять потоком, так как поток оказывается решающим фактором, влияющим на размеры установки.

Внутренняя циркуляция потоков из узлов разделения отдельной стадии экстракции обратно в узел смешивания той же стадии экстракции является общеизвестной, потому что рециркуляция является частью усовершенствованного способа контактирования раствор-раствор в емкости смешивания. Для достижения необходимого контакта растворов, размера капель и площади контакта в емкостях смешивания необходимо равное количество обоих растворов. Контактирование растворов свидетельствует о том, что раствор присутствует в виде капель, и о том, что он является непрерывным раствором. Общее количество растворов также воздействует на номинальную вязкость дисперсии. Когда внешняя подача одного из растворов в емкость смешивания является недостаточной, указанный раствор получают за счет циркуляции из узла разделения. Такая ситуация возникает на всех стадиях контактирования растворов при экстракции меди, особенно на стадии промывки и стадии реэкстракции меди. Так при промывке экстракционного раствора, его поток может составлять 1000-2000 м³/ч, тогда как внешняя загрузка основного раствора составляет только 10-50 м³/ч. В этом случае внутренняя рециркуляция водного раствора является приблизительно равной загрузке.

Известен способ и устройство для экстракции в системе жидкость-жидкость, где органическая фаза и фаза водного раствора могут участвовать во внутренней циркуляции той же стадии (US 5662871, 02.09.1997).

Недостатком данного изобретения является невозможность получения раствора непосредственно из узла разделения по всей его ширине.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ рециркуляции более тяжелого раствора двух различных фаз при экстракции жидкость-жидкость из узла разделения стадии экстракции в узел смешивания той же стадии и устройство, реализующее этот способ, в котором часть циркулирующего раствора возвращают в узел из верхнего потока разделяемого раствора разгрузочного конца узла разделения, а на переднем конце узла разделения имеется дисперсия фаз и уже разделившиеся растворы проходят через решетчатые перегородки с образованием ограниченной поперечной поверхности, при этом основную часть более тяжелого циркулирующего раствора получают непосредственно из узла разделения (US 4338285 А, 06.07.1982).

Недостатками данного способа и устройства являются невозможность сбора более тяжелого циркулирующего раствора непосредственно по всей ширине узла разделения при том, что раствор получают со дна узла разделения или из узла разделения по длине между последней решетчатой перегородкой и местом разгрузки более легкого раствора, содержащегося в узле разделения.

В соответствии с общепринятой практикой раствор внутренней циркуляции получают из сливных желобов, расположенных на разгрузочном конце узла разделения. Из этих желобов очищенный раствор собирают за счет перелива. Когда рециркуляция большая, а внешняя подача раствора небольшая, становится особенно трудно изменять количества циркулирующего раствора. Особенно трудно ускорить производство. Не имеется другого раствора для использования в рециркуляции, чем раствор в коллекторном сливном желобе и получаемый за счет перелива. Когда объем циркулирующего водного раствора увеличивается, вода выходит в сливной желоб и требуемая степень циркуляции достигается только ступенчато, тогда как при внешней подаче раствора подается больше водного раствора. Это происходит за счет того, что увеличение подачи воды увеличивает количество водного раствора в узле смешивания и поэтому соответственно вытесняет органический раствор. Таким образом, водный раствор, подаваемый в узел смешивания, не поступает повторно в циркуляцию узла разделения, но подача водного раствора останавливается на длительное время. Это приводит к серьезным проблемам при способе, когда важно промывать экстракционный раствор от трудных примесей; при экстракции меди они представляют собой, наряду с другими, хлориды, марганец и железо.

Задачей предлагаемого технического решения является разработка способа и создание устройства, реализующего данный способ, согласно которым водный раствор собирают равномерно в широком узле разделения, так что он не создает помех прохождению экстракционных растворов, выходящих из узла разделения.

Технический результат заключается в достижении интенсификации процесса посредством управления циркуляцией донного потока в продольном направлении узла разделения и, следовательно, за счет уравновешивания вертикальных потоков в этом узле.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе рециркуляции более тяжелого раствора из сепаратора при экстракции жидкость-жидкость в узел смешивания той же стадии экстракции, при котором часть циркулирующего раствора возвращают в узел смешивания из верхнего потока разделяемого раствора разгрузочного конца узла разделения, а на переднем конце узла разделения имеется дисперсия фаз и уже разделившиеся растворы проходят через, по крайней мере, одну решетчатую перегородку с образованием ограниченной поперечной поверхности, согласно изобретению основную часть более тяжелого циркулирующего раствора получают непосредственно из узла разделения по всей его ширине, причем более тяжелый раствор получают со дна узла разделения или из узла разделения по длине между последней решетчатой перегородкой и местом разгрузки более легкого раствора, содержащегося в узле разделения.

В данном способе экстракция жидкость-жидкость может представлять собой экстракцию меди.

Указанный технический результат достигается также тем, что в устройстве для рециркуляции более тяжелого раствора из сепаратора экстракции жидкость-жидкость, из узла смешивания той же стадии экстракции, причем стадия экстракции образована узлом смешивания, снабженным, по крайней мере, одним насосным узлом или смесителем, сепаратором, передний конец которого снабжен, по крайней мере, одной решетчатой перегородкой, циркуляционным трубопроводом, и, по крайней мере, одним коллекторным каналом для более тяжелого раствора, простирающимся по всей ширине сепаратора, согласно изобретению разгрузочный конец снабжен сливным желобом верхнего потока для органического раствора и сливным желобом верхнего потока более тяжелого раствора, коллекторный канал расположен в донной части сепаратора, а всасывающие патрубки направлены наклонно от канала в направлении собираемого раствора.

Коллекторный канал расположен между последней решетчатой перегородкой сепаратора и сливом верхнего потока органического раствора или в сепараторе в слое более тяжелого раствора ниже слоя органического раствора, а всасывающие патрубки направлены вниз под наклоном.

Кроме этого, коллекторный канал может быть расположен в донной части сепаратора так, что всасывающие патрубки направлены вверх под наклоном.

Поперечная поверхностная площадь коллекторного канала расширяется ступенчато в направлении потока в канале в соответствии с числом всасывающих патрубков.

Число всасывающих патрубков составляет 3-7.

Всасывающие патрубки прикреплены в коллекторном канале наклонно и выступают на длину, составляющую 0,1-0,4 высоты канала.

Концы всасывающих патрубков срезаны горизонтально внутри коллекторного канала.

Коллекторный канал заключен в кожух канала, стороны которого являются параллельными сепарируемому потоку и выполнены с изгибом.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен вид сверху узлов смешивания и разделения, относящихся к стадии экстракции; на фиг. 2 - поперечное сечение сепаратора у конструкции канала; на фиг.3 - частичное поперечное сечение канала; на фиг.4 - вид сбоку сепаратора.

Согласно фиг. 1 узел смешивания 1 стадии экстракции включает насосный узел 2 и два смесителя 3 и 4. От последнего смесителя в направлении потока управляемая смешанная двухфазная дисперсия подается через отверстие 5 в узел разделения, то есть в сепаратор 6. Передний конец сепаратора преимущественно снабжен несколькими решетчатыми перегородками 7 и 8, а на конце 9 сепаратора установлен сливной желоб 10 для верхнего потока органической фазы, снабженный рециркуляционными трубопроводами (не показано), и сливной желоб 11 верхнего потока для водной фазы, снабженный рециркуляционными трубопроводами 12. В сепараторе смонтирован коллекторный канал 13, проходящий по всей ширине сепаратора, причем коллекторный канал соединен с циркуляционным трубопроводом 12 водного раствора. Если смотреть в продольном направлении сепаратора, коллекторный канал расположен между последней решетчатой перегородкой 8 и коллекторным желобом 10 органической фазы. Коллекторный канал 13 заключен в кожух 14. Может быть один или несколько рециркуляционных трубопроводов 12; в последнем случае конструкция с увеличенными трубопроводами может быть исключена. Как видно на фиг.2, коллекторный канал 13 образован трубчатым элементом, расположенным внутри слоя водного раствора и снабженным всасывающими патрубками 15, направленными вниз под наклоном и открытыми с обоих концов. Кроме того, коллекторный канал может быть закреплен внутри слоя водного раствора, как было описано выше, он также может быть вмонтирован в донную часть сепаратора. В этом случае трубки, абсорбирующие водный слой, направлены вверх под наклоном. Таким образом, всасывающие патрубки всегда ориентированы из коллекторного канала 13 в направлении собираемого водного раствора 16.

В предшествующем уровне техники не было известно о возможности отбора водного раствора непосредственно из пространства сепаратора, это осуществлялось только из его разгрузочного конца, так как предполагалось, что всасывание водного раствора из пространства сепаратора не будет способствовать как разделению фаз, так равномерному прохождению водного раствора в направлении разгрузочного конца. В настоящем изобретении установлен тип конструкции канала, который необходим для эффективного сбора необходимого количества раствора из различных всасывающих патрубков. Важным является то, что канал разработан для потока, скорость которого одинакова по всему каналу и составляет, например, 0,4-1,2 м/с, преимущественно 0,6-0,9 м/с. Одинаковая скорость потока также означает приблизительно равную потерю давления в различных местах канала, а также в местах всасывания. Для достижения приблизительно одинаковой потери давления во всех местах коллекторного канала 13 канал выполнен так, что он ступенчато расширяется перед каждым всасывающим патрубком 15, в направлении края сепаратора со стороны циркуляционного трубопровода 12, как показано на фиг.1. Таким образом, направление потока раствора, проходящего по каналу 13, является таким, как указано стрелками на фиг. 1, то есть поперечным по отношению к течению потока разделяемых растворов.

Равномерная скорость потока также достигается для отдельного всасывающего патрубка 15, который имеет протяженность от области узла разделения до определенной длины внутри самого канала. Более того, патрубки расположены под углом примерно 45^o в направлении коллекторного канала 13 и ориентированы в направлении потока в канале, как показано на фиг.2. Внутри канала концы патрубков срезаны горизонтально так, что отверстия патрубков имеют увеличенную эллиптическую площадь соприкосновения с потоками в канале.

Посредством практических опытов была определена необходимая конструкция канала, которая не исключает другие подобные компоновки, основанные на описанном принципе. Как показано на фиг.3, всасывающий патрубок 15 входит в канал 13 на длину 0,1-0,4 высоты канала и преимущественно 0,2-0,3 высоты канала. Если смотреть на канал 13 в направлении потока (по направлению к трубопроводу 12), канал ступенчато расширяется так, что каждое место расширения расположено в канале около следующего всасывающего патрубка 15. Так как конструкция канала расширяется перед входом следующего конца патрубка и это расширение является симметричным по отношению к центру канала, а всасывающие патрубки расположены на центральной линии канала, поток в канале вынуждают проходить через места входов, в то время как происходит вход определенных количеств растворов. Такая конструкция также обеспечивает равномерное размещение всасываемых порций между отдельными всасывающими патрубками.

Равномерное всасывание, проходящее по всей ширине узла разделения, представляет собой необходимое условие для циркуляции водного раствора и для предлагаемых здесь усовершенствований. Поэтому конструкция коллекторного канала является существенной. Число отдельных всасывающих патрубков в коллекторном канале может варьироваться в зависимости от ширины узла разделения, но преимущественно число всасывающих патрубков должно быть равно, по меньшей мере, трем, преимущественно 3-7.

Детальная конструкция кожуха канала 14 также может быть различной. Если канал 13 вместе с кожухом 14 установлены в области водного раствора 16 ниже слоя органической фазы 17, то кожух канала 14 предпочтительно выполнить так, чтобы его стороны 18 и 19, параллельные потоку в сепараторе, были образованы с искривлением, преимущественно полусферическим, как это показано на фиг.4. Соотношение ширина/высота для кожуха составляет преимущественно между 2 и 8, и чем выше необходимость внутренней циркуляции водного раствора, тем выше соотношение. По существу полусферические стороны являются преимущественными с точки зрения прочности и прохождения потока. Закругленные края поверхности, расположенные по существу против потока в сепараторе, обеспечивают направление захваченного тумана вверх и таким образом осуществляют поднятие маленьких капель в их собственную фазу раствора. Что касается искривления разгрузочного конца, то он предотвращает образование избыточной турбулентности при разгрузке, которая может вызвать избыточную турбулентность в зоне граничной поверхности и, следовательно, привести к новому образованию капель в органической фазе.

Данная конструкция устройства дает возможность производить циркуляцию гибко и с небольшими изменениями количества водных растворов, необходимых в процессе, поскольку является доступным все количество воды, содержащейся в узле разделения. Предпочтительно использовать данное изобретение в сепарационных узлах, которые глубже обычных, так как для обычных сепараторов узел разделения выполнен таким образом, что соотношение толщины слоев органического и водного растворов в конце узла разделения имеет порядок 1:1,5, тогда как для более глубокого узла разделения это соотношение составляет, по крайней мере, 1:2,0 и даже 1:4. Такая конструкция смягчает вертикальные потоки в узле разделения, то есть интенсифицируются донные потоки в узле разделения. Это осуществляется потому, что водный раствор собирается в коллекторном канале в области дна, что заставляет новый поток воды заменять его у дна посредством передней части узла разделения, то есть сепаратора. Важным является и то, что в пространстве коллекторного канала водный раствор, проходящий к концу сепаратора, задерживается дополнительно, так что капельки органической фазы имеют больше времени для подъема в их собственный слой. Что касается удаления водного раствора из короба, расположенного напротив донной части, под коллекторным сливным желобом 10 для органического раствора, то единый поток, распространяющийся вдоль всего модуля разделения, сглаживает вертикальные потоки в самом конце узла разделения.

Данная конструкция канала позволяет достичь саморегулируемую эксплуатацию с точки зрения однородности всасывания, интенсификацию потока в канале за счет всасывания потока в большее число патрубков, то есть интенсифицируется поток в патрубках. Такая конструкция может работать другим образом так, что интенсифицированный поток в патрубках уменьшается и увеличивается тем самым поток в канале.

На фиг. 3 показано, что канал после установки соединен с циркуляционным трубопроводом 12, который ведет к насосному узлу 2 стадии экстракции. Насосный узел всасывает водный раствор из коллекторного канала 13 узла разделения, а не из сливного желоба 11, ведущего на следующую стадию процесса. Здесь достигается то значительное преимущество, которое для обратного потока из насоса при движении вниз или во время аварии в электроснабжении не будет подавать органический раствор назад по пути, который ведет на следующую стадию процесса. Это особенно важно для стадии повторной экстракции меди, где такой путь ведет на стадию электрохимического извлечения. Так как органический раствор при электролитическом осаждении меди может вызвать серьезные проблемы в процессе, то осуществление циркуляции согласно настоящему изобретению обеспечивает производство меди без каких-либо нарушений в отношении данного аспекта.

В настоящем описании способ и устройство согласно изобретению были описаны главным образом со ссылкой на экстракцию меди на крупномасштабных экстракционных производствах. Однако этот способ и устройство могут также использоваться при других экстракционных процессах.

Изобретение далее описано со ссылкой на прилагаемый пример.

Пример
Для выполнения коллекторного канала были проведены два эксперимента по измерению с целью поиска таких условий, где скорость потока водного раствора и потеря давления будут оставаться максимально возможно равномерными при прохождении по каналу. В работе применяли принципы измерения, использованные при планировании воздушных трубопроводов. В этих экспериментах использовали коллекторный канал, снабженный пятью всасывающими патрубками, и, следовательно, сам коллекторный канал был также образован пятью частями. Поперечная поверхностная площадь каждой части была больше, чем площадь предшествующей части, если смотреть в направлении потока. Оба эксперимента представлены в процентах, так что площадь последней части коллекторного канала всегда составляла 100%. В первом эксперименте диаметр всасывающих патрубков оставался постоянным, а во втором эксперименте изменялся диаметр двух последних всасывающих патрубков, потому что было установлено, что таким образом достигается более равномерное распределение в количествах потоков.

Результаты представлены в таблице ниже.

Как видно из этих опытов, для достижения равномерного и приблизительно равного по объему потока раствора на протяженности канала, что является необходимым для урегулирования поперечной площади канала также частично регулировать поперечную площадь всасывающих патрубков. Наиболее оптимально, когда количество раствора, выходящего из каждого патрубка, является приблизительно одинаковым, то есть отклонение минимально, насколько это возможно.

Способ для рециркуляции более тяжелого раствора из узла разделения двух разделяемых растворов в узел смешивания, а также устройство, реализующее этот способ, относятся к области жидкостной экстракции. Способ заключается в том, что часть циркулирующего раствора возвращают в узел смешивания из верхнего потока разделяемого раствора разгрузочного конца узла разделения. На переднем конце узла разделения имеется дисперсия фаз, и уже разделившиеся растворы проходят через, по крайней мере, одну решетчатую перегородку с образованием ограниченной поперечной поверхности. Основную часть более тяжелого циркулирующего раствора получают непосредственно из узла разделения по всей его ширине со дна узла разделения или из узла разделения по длине между последней решетчатой перегородкой и местом разгрузки более легкого раствора, содержащегося в узле разделения. Устройство для рециркуляции более тяжелого раствора из сепаратора в узел смешивания той же стадии содержит, по крайней мере, один насосный узел или смеситель, сепаратор, передний конец которого снабжен, по крайней мере, одной решетчатой перегородкой, циркуляционным трубопроводом, и, по крайней мере, одним коллекторным каналом для более тяжелого раствора, простирающимся по всей ширине сепаратора. Разгрузочный конец снабжен сливным желобом верхнего потока для органического раствора и сливным желобом верхнего потока более тяжелого раствора. Коллекторный канал расположен в донной части сепаратора, а всасывающие патрубки направлены наклонно от канала в направлении собираемого раствора. Данный способ и устройство, реализующее этот способ, позволяют ускорить экстракцию разделяющихся растворов. 2 с. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Способ рециркуляции более тяжелого раствора из сепаратора при экстракции жидкость-жидкость в узел смешивания той же стадии экстракции, при котором часть циркулирующего раствора возвращают в узел смешивания из верхнего потока разделяемого раствора разгрузочного конца узла разделения, а на переднем конце узла разделения имеется дисперсия фаз и уже разделившиеся растворы проходят через, по крайней мере, одну решетчатую перегородку с образованием ограниченной поперечной поверхности, отличающийся тем, что основную часть более тяжелого циркулирующего раствора получают непосредственно из узла разделения по всей его ширине, причем более тяжелый раствор получают со дна узла разделения или из узла разделения по длине между последней решетчатой перегородкой и местом разгрузки более легкого раствора, содержащегося в узле разделения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что экстракция жидкость-жидкость представляет собой экстракцию меди. 3. Устройство для рециркуляции более тяжелого раствора из сепаратора экстракции жидкость-жидкость, из узла смешивания той же стадии экстракции, причем стадия экстракции образована узлом смешивания, снабженным, по крайней мере, одним насосным узлом или смесителем, сепаратором, передний конец которого снабжен, по крайней мере, одной решетчатой перегородкой, циркуляционным трубопроводом, и, по крайней мере, одним коллекторным каналом для более тяжелого раствора, простирающимся по всей ширине сепаратора, отличающееся тем, что разгрузочный конец снабжен сливным желобом верхнего потока для органического раствора и сливным желобом верхнего потока более тяжелого раствора, коллекторный канал расположен в донной части сепаратора, а всасывающие патрубки направлены наклонно от канала в направлении собираемого раствора. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что коллекторный канал расположен между последней решетчатой перегородкой сепаратора и сливом верхнего потока органического раствора. 5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что коллекторный канал расположен в сепараторе в слое более тяжелого раствора ниже слоя органического раствора, а всасывающие патрубки направлены вниз под наклоном. 6. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что коллекторный канал расположен в донной части сепаратора так, что всасывающие патрубки направлены вверх под наклоном. 7. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что поперечная поверхностная площадь коллекторного канала расширяется ступенчато в направлении потока в канале в соответствии с числом всасывающих патрубков. 8. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что число всасывающих патрубков составляет 3-7. 9. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что всасывающие патрубки прикреплены в коллекторном канале наклонно. 10. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что всасывающие патрубки выступают в коллекторный канал на длину, составляющую 0,1-0,4 высоты канала. 11. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что концы всасывающих патрубков срезаны горизонтально внутри коллекторного канала. 12. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что коллекторный канал заключен в кожух канала. 13. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что стороны кожуха канала, являющиеся параллельными сепарируемому потоку, выполнены с изгибом.