УСТАНОВКА ДЛЯ ВСКРЫТИЯ ЛОПАРИТОВОГО И ДРУГИХ КОНЦЕНТРАТОВ ЛЕГКОЛЕТУЧИМИ КИСЛОТАМИ И СОЕДИНЕНИЯМИ Российский патент 2002 года по МПК C22B3/02 C22B34/24 C22B59/00 

Изобретение относится к гидрометаллургической переработке рудных и других концентратов. Наиболее успешно установка может использоваться для вскрытия азотной кислотой лопаритового концентрата, а также любых других редкометальных и других концентратов легколетучими кислотами и соединениями.

Известно, что процесс вскрытия редкоземельного, редкометального и других видов сырья различными летучими кислотами и соединениями можно производить в реакторах-котлах, более известных под названием автоклавы. Реактор-котел (смотри сборник "Машины и аппаратура химических производств", Ленинград, "Машиностроение", 1982, с.239-243) содержит толстостенный сосуд с теплообменной рубашкой, мешалку на приводном валу, уплотнение вала и его привод. Рабочий процесс в автоклавах протекает при высоком давлении, которое может изменяться от нескольких атмосфер до нескольких десятков атмосфер, и температуре, достигающей несколько сот градусов, что делает автоклавы опасными при возникновении неисправностей во время протекания рабочего процесса. Кроме того, рабочий процесс в автоклавах имеет периодический характер и поэтому малопроизводителен. По этим причинам применение автоклавов для вскрытия редкоземельного, редкометального и других видов сырья летучими кислотами и соединениями не нашло широкого применения.

Более близким аналогом является установка для вскрытия редкометального сырья, в том числе лопаритового и других концентратов, легколетучими кислотами и соединениями, включающая несколько реакторов, выполненных из корпусов с крышками, последовательно соединенных трубчатыми перетоками для перемещения пульпы самотеком, с лопастными мешалками с приводными валами, проходящими сквозь крышки, нагревательными элементами, пульпопроводящим и пульпоотводящим патрубками, установленными на первом и последнем реакторах соответственно (смотри Раков Э.Г. и др. "Процессы и аппараты производств радиоактивных и редких металлов", Москва, "Металлургия", 1993, с.7-26).

Общеизвестно, что герметизации реакторов установки не предусмотрено, а для уменьшения загазованности помещений предусмотрена мощная вытяжная вентиляция. При этом перед выбросом отсасываемого воздуха в атмосферу он должен быть очищен от вредных газов, что при огромных объемах отсасываемого воздуха очень затруднительно.

В основу изобретения была положена задача разработать установку для вскрытия лопаритового и других концентратов легколетучими кислотами и соединениями, которая была бы выполнена таким образом, чтобы обеспечивался непрерывный процесс вскрытия концентрата без выделения образующихся газообразных продуктов в окружающуюся среду и отпала необходимость в системе вытяжной вентиляции, что является техническим результатом заявляемого изобретения.

Такой технический результат достигается тем, что в установке для вскрытия лопаритового и других концентратов легколетучими кислотами и соединениями, содержащей несколько реакторов, выполненных из корпусов с крышками, последовательно соединенных трубчатыми перетоками для перемещения пульпы самотеком, с лопастными мешалками с приводными валами, проходящими сквозь крышки, нагревательными элементами, пульпоподводящим и пульпоотводящим патрубками, установленными на первом и последнем реакторах соответственно, новым является то, что крышки соединены с корпусами реакторов герметично, верхние части реакторов последовательно соединены трубчатыми перетоками для перемещения газовой фазы, при этом установка снабжена герметично закрепленными в крышках гидрозатворными трубами с размещенными в них приводными валами лопастных мешалок и гидрозатворами, установленными на каждой крышке и сообщающимися с верхними частями реакторов.

Благодаря такому решению газообразная фаза, содержащая пары азотной кислоты и окислы азота, имеющая в первом реакторе наибольшую концентрацию и парциальное давление и не имеющая возможности выйти наружу, перетекает по газовым перетокам в следующий реактор, имеющий меньшую концентрацию и парциальное давление газовой фазы. Вследствие этого происходит абсорбция газов кислотой пульпы второго реактора до установления равновесного состояния. Из второго реактора газообразная фаза перетекает в третий реактор, имеющий еще меньшую концентрацию и парциальное давление газовой фазы. В этом реакторе, как и в предыдущем, происходит усреднение и абсорбция газов кислотой пульпы. Таким образом, газообразные продукты, которые наиболее интенсивно образуются и выделяются из пульпы в начале процесса вскрытия (в первом реакторе), абсорбируются в последующих реакторах и под небольшим избыточным давлением, близким к атмосферному, находятся в реакторах, не попадая в окружающую среду. Вследствие этого отпадает необходимость в вытяжной вентиляции.

Новым является также то, что крышки соединены с корпусами реакторов сварным соединением.

Сварное соединение является наиболее простым и надежным соединением, гарантирующим герметичность при малой толщине и большой длине сочленяемых кромок.

Также новым является то, что установка снабжена размещенным в верхней части каждой гидрозатворной трубы металлическим цилиндром, соединенным сваркой со стенкой трубы, и закрепленным на приводном валу мешалки цилиндрическим колпаком, стенка которого размещена в кольцевом зазоре между цилиндром и трубой, с образованием кольцевого гидрозатвора для заполнения его жидким труднолетучим составом, химически нейтральным к веществам, находящимся в газовой фазе.

Такое выполнение кольцевого гидрозатвора является очень простым по конструкции и обеспечивает его высокую надежность в работе. Его размещение в верхней части гидрозатворной трубы полностью исключает возможность прорыва газов из реактора вдоль вала мешалки.

Кроме того, новым является то, что гидрозатвор на крышке реактора выполнен в виде цилиндрического корпуса с днищем и крышкой, окруженного рубашкой охлаждения с патрубками для подвода и отвода охлаждающей воды, газоподводящего патрубка, конец которого возвышается над днищем корпуса, и закрепленного над концом патрубка цилиндрического колпака, стенка которого размещена в кольцевом зазоре между корпусом и патрубком.

Такое выполнение кольцевого гидрозатвора очень просто по конструкции и обеспечивает его высокую надежность в работе. Охлаждение корпуса обеспечивает самозаполнение затвора запирающей жидкостью.

Также новым является то, что нагревательный элемент выполнен в виде герметично закрепленной в крышке трубы для подвода пара с боковым подводящим патрубком, имеющей закрытый нижний конец, и расположенной внутри нее трубы для отвода конденсата, при этом трубы герметично соединены фланцевым соединением на верхнем конце трубы для подвода пара.

Такой нагревательный элемент обладает большой нагревательной способностью и теплопроизводительностью. Он очень надежен в работе и предельно прост по конструкции.

Ниже сущность настоящего изобретения более подробно разъясняется подробным примером его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 схематично изображает заявляемую установку, вид сбоку;
фиг.2 - продольное сечение по реактору.

Установка представляет собой каскад (фиг.1) последовательно расположенных, например, трех реакторов 1, 2 и 3 (первого, среднего и последнего). Реакторы выполнены из корпусов 4 с крышками 5. Корпуса 4 реакторов 1, 2 и 3 последовательно соединены между собой трубчатыми перетоками 6 для перемещения пульпы самотеком.

Каждый реактор содержит лопастную турбинную мешалку 7 с приводным валом 8, проходящим сквозь крышку 5, и паровые нагревательные элементы 9, размещенные симметрично относительно мешалки 7. На крышке 5 реактора 1 приварен патрубок 10 для подвода исходной пульпы на вскрытие. На корпусе 4 реактора 3 приварен патрубок 11 с гидрозатворной трубой для отвода пульпы вскрытого концентрата.

Более подробно конструкцию реакторов рассмотрим на примере среднего реактора 2 (фиг.2). Крышка 5 соединена с корпусом 4 реактора герметично. Наиболее простым и надежным является сварное соединение, которое при толщине металла крышки и корпуса в 6-8 мм и длине стыка порядка 9,5 м (D_корп=3 м) обеспечит герметичность соединения крышки 5 с корпусом 4. В центре крышки 5 герметично закреплена гидрозатворная труба 12, в которой размещен приводной вал 8 лопастной турбинной мешалки 7. Гидрозатворная труба 12 предназначена для предотвращения прорыва парогазовой фазы из реактора вдоль приводного вала 8. Величина гидравлического сопротивления гидрозатворной трубы 12 равна длине ее погруженной в пульпу части. Лопастная мешалка 7 размещена в нижней трети высоты корпуса 4 реактора. Диаметр мешалки выбирается исходя из соотношения D_корп: d_меш=4,0-4,5. Длина гидрозатворной трубы 12 такова, что ее нижний конец располагается на 50-100 мм выше мешалки 7. В верхней части гидрозатворной трубы 12 размещен металлический цилиндр 13 с отбартованной наружу нижней кромкой, соединенной сваркой со стенкой гидрозатворной трубы 12. На приводном валу 8 выше цилиндра 13 жестко закреплен цилиндрический колпак 14, стенка которого размещена в кольцевом зазоре между цилиндром 13 и трубой 12. В результате этого образуется кольцевой гидрозатвор 15, предназначенный для заполнения его жидким труднолетучим составом, химически нейтральным к веществам, находящимся в газовой фазе. Кольцевой гидрозатвор 15 является вторым гидравлическим затвором гидрозатворной трубы 12 и полностью исключает прорыв газовой фазы из реактора вдоль вала 8 мешалки 7.

Отверстие в крышке 5, через которое проходит приводной вал 8, дополнительно герметизировано манжетным уплотнением 16 из листового фторопласта. Фторопластовая прокладка с натягом охватывает вал 8 и прижата к крышке 5 стальным кольцом на шпильках с гайками. Верхние части реакторов 1, 2 и 3 (фиг. 1) последовательно соединены между собой трубчатыми перетоками 17 для перемещения газовой фазы из одного реактора в другой реактор. В крышку 5 (фиг.2) вварены патрубки 18 с фланцами для крепления к ним на фторопластовых прокладках трубчатых перетоков 17.

В крышку 5 вварен патрубок 19 с фланцем для крепления на нем на фторопластовой прокладке охлаждаемого гидрозатвора 20. Гидрозатвор 20 выполнен в виде цилиндрического корпуса 21 с днищем и крышкой, окруженного рубашкой 22 охлаждения с патрубками для подвода и отвода охлаждающей воды. В днище корпуса 21 вварен газоподводящий патрубок 23, верхний конец которого возвышается над днищем, а нижний конец имеет фланец для крепления на фланце патрубка 19. Над верхним концом патрубка 23 закреплен с возможностью регулируемого смещения в вертикальном направлении цилиндрический колпак 24, стенка которого размещена в кольцевом зазоре между корпусом 21 и патрубком 23. Гидрозатворы 20 (фиг.1) герметично соединены с трубопроводом 25, идущим к узлу абсорбции аварийных выбросов газовой фазы, который не входит в состав установки для вскрытия и поэтому в данной заявке не рассматривается. Гидрозатворы 20 обладают способностью самозаполнения запирающей жидкостью и удаления ее излишков при работе установки, что будет подробно рассмотрено ниже.

В крышку 5 (фиг.2) вварены патрубки 26 с фланцами для крепления к ним паровых нагревательных элементов 9. Паровой нагревательный элемент 9 выполнен в виде внешней трубы 27 для подвода пара с боковым подводящим патрубком 28, имеющей закрытый нижний конец, и расположенной внутри нее трубы 29 для отвода конденсата. Трубы 27 и 29 герметично соединены фланцевым соединением 30 на паронитовой прокладке, расположенным на верхнем конце трубы 27 для подвода пара. Под боковым патрубком 28 для подвода пара на внешней трубе 27 приварен фланец 31, посредством которого нагревательный элемент 9 соединяется через фторопластовую прокладку с фланцем патрубка 26. Закрытый нижний конец внешней трубы 27 для подвода пара доходит почти до дна корпуса 4 реактора и зафиксирован относительно него с помощью металлической косынки. В каждом реакторе установлено по четыре паровых нагревательных элемента 9, расположенных симметрично относительно вертикальной оси реактора по окружности с радиусом R=2/3R_реакт= 1000мм, являющейся зоной наиболее активного перемешивания.

В крышку 5 реактора также вварены патрубки 32 с фланцами для герметичного крепления через фторопластовые прокладки датчика температуры 33 и вакуумного пробоотборника 34. В корпуса 4 реакторов 1, 2 и 3 вварены под острым углом патрубки 35 с фланцами для герметичного крепления через фторопластовые прокладки трубчатых перетоков 6 для перемещения самотеком пульпы. Таким образом, внутренние объемы реакторов 1, 2 и 3 каскада установки полностью герметизированы от окружающего пространства и сообщаются между собой трубчатыми перетоками 6 для перемещения пульпы и трубчатыми перетоками 17 для перемещения газовой фазы.

Работу установки рассмотрим на примере вскрытия в ней лопаритового концентрата слабой азотной кислотой при температуре в реакторах 118^oС в установившемся режиме работы (запуск установки в работу не рассматривается).

Установка работает в непрерывном режиме. Процесс вскрытия идет 44-48 часов. Исходную пульпу лопаритового концентрата подают через патрубок 10 в корпус реактора 1. Будем считать, что в реактор 1 поступает исходная пульпа с 40%-ной концентрацией по азотной кислоте HNO₃. Нагрев пульпы осуществляют путем подачи пара в паровые нагревательные элементы 9. Имеющийся в распоряжении потребителя насыщенный или перегретый пар с температурой t=140-160^oC или t= 180-220^oC соответственно поступает через подводящий патрубок 28 во внешнюю трубу 27 нагревательного элемента 9. Опускаясь вдоль стенки трубы 27 вниз, пар нагревает пульпу через стенку и охлаждается. В результате этого пар конденсируется и стекает вниз к нижнему закрытому концу внешней трубы 27. Непрерывно поступающий пар выдавливает конденсат через внутреннюю трубу 28 в конденсатосборник. При этом пульпа в реакторе 1 в это время активно перемешивается лопастной турбинной мешалкой 7, вращаемой приводным валом 8. При нагревании пульпы из нее выделяются пары азотной кислоты НNО₃, образующие газовую фазу, заполняющую свободное пространство корпуса 4 реактора 1 под его крышкой 5. После достижения поступившей в реактор пульпой температуры свыше t=80^oC в результате протекания химических реакций из нее начинают выделяться окислы азота, переходящие в газовую фазу. Поскольку выделение окислов азота продолжается в течение 12-14 часов, то они выделяются в основном в реакторе 1 (первом реакторе). В реакторе 1 с 40%-ной концентрацией пульпы по азотной кислоте и температуре t=118^oC концентрация паров азотной кислоты в газовой фазе составит 80,7 г/м³.

Из реактора 1 пульпа самотеком поступает через трубчатые перетоки 6 в реактор 2 (средний реактор). В реакторе 2 нагревательными элементами 9 поддерживается та же, что и в реакторе 1 рабочая температура t=118^oC и продолжается интенсивное перемешивание пульпы мешалкой 7. Вследствие нейтрализации азотной кислоты в результате химических реакций, ее концентрация в пульпе реактора 2 составляет уже 30%. В реакторе 2 продолжается процесс вскрытия концентрата, начавшийся в реакторе 1. При такой концентрации кислоты в пульпе и температуре 118^oС концентрация ее паров в газовой фазе реактора 2 будет составлять уже всего 15,63 г/м³.

Из реактора 2 пульпа самотеком поступает через трубчатые перетоки 6 в реактор 3 (последний реактор), где поддерживается та же рабочая температура t= 118^oC и продолжается интенсивное перемешивание пульпы мешалкой 7. В реакторе 3 заканчивается процесс вскрытия концентрата. Находящаяся в нем пульпа будет иметь концентрацию по азотной кислоте 20%. При таких условиях концентрация паров азотной кислоты в газовой фазе будет составлять уже всего 5,04 г/см³. Из реактора 3 пульпа вскрытого концентрата выходит самотеком через патрубок 11 с гидрозатворной трубой и поступает в дальнейшую технологическую цепочку.

При работе установки ее внутреннее пространство полностью герметизировано в отношении окружающей среды. При этом прорыв газовой фазы вдоль приводных валов 8 мешалок 7 полностью исключается, во-первых, погруженной в пульпу частью гидрозатворной трубы 12 и, во-вторых, кольцевым гидрозатвором 15 в ее верхней части. В качестве запирающего состава для гидрозатвора 15 лучше всего подходит жидкий парафин, который трудно летуч при такой температуре и химически нейтрален к парам азотной и всех других кислот. Жидкий парафин заливают в гидрозатвор 15 вдоль вала 8 мешалки при запуске установки. Установленные на крышке 5 каждого реактора гидрозатворы 20 работают следующим образом. В начальный период работы установки пары азотной кислоты проходят через газоподводящий патрубок 23 в цилиндрический колпак 24. Отражаясь от днища колпака, пары сначала опускаются вдоль его стенки вниз, а затем, обогнув ее кромку, начинают поднимаются вверх, вступая в контакт с охлаждаемой водой стенкой корпуса 21. В результате конденсации паров образуется пленка кислоты, которая стекает вниз и заполняет кольцевой карман между корпусом 21 и патрубком 23, образуя столб запирающей жидкости. Так происходит самозаполнение гидрозатвора. При этом высота столба запирающей жидкости равна расстоянию между кромками стенок колпака 24 и верхнего конца патрубка 23. Для предотвращения прохода газовой фазы через гидрозатвор 20 достаточно столба запирающей жидкости высотой в 50-100 мм, что приведет к созданию избыточного давления всего лишь в 0,0575-0,115 ат. Это избыточное давление настолько мизерно, что можно считать, что установка работает практически при атмосферном давлении. В случае же прохода газов по какой-либо причине через столб запирающей жидкости они сконденсируются на холодной стенке корпуса 21 и стекут вниз в кольцевой карман гидрозатвора. При этом излишки кислоты перельются через кромку верхнего края патрубка 23 и стекут по нему назад в реактор.

Поскольку газовые пространства реакторов 1, 2 и 3 последовательно соединены между собой трубчатыми перетоками 17, то газообразная фаза, имеющая в реакторе 1 наибольшую концентрацию и парциальное давление паров, перетекает в реактор 2, имеющий меньшую концентрацию и парциальное давление. Вследствие этого происходит абсорбция газов пульпой реактора 2 до установления равновесного состояния. Из реактора 2 по указанной выше причине газообразная фаза перетекает в реактор 3, имеющий еще меньшую концентрацию и парциальное давление газовой фазы. В этом реакторе, как и в предыдущем реакторе 2, происходит абсорбция газов пульпой до установления равновесного состояния. Таким образом, газообразные продукты, выделяющиеся из пульпы в первом реакторе, абсорбируются в последующих реакторах и не попадают в окружающую среду. При этом естественно отпадает необходимость в вытяжной вентиляции, а окружающая среда не загрязняется парами кислоты и окислами азота.

На случай аварийных газовых выбросов установка может быть дополнительно оснащена узлом абсорбции аварийных выбросов. Этот узел может состоять, например, из пленочного абсорбера и двух классических противоточных скрубберов.

Работа установки рассмотрена на примере вскрытия лопаритового концентрата и необходимого для этого каскада, состоящего из трех реакторов. Однако при использовании установки для других случаев, когда необходимы меньшие продолжительность и масштабность процесса, возможно использование и каскада из двух реакторов.

Из приведенного примера осуществления заявляемого изобретения для любого специалиста в данной области совершенно очевидна возможность его реализации с одновременным решением поставленной задачи. При этом также очевидно, что при реализации изобретения могут быть сделаны незначительные изменения, которые однако не будут выходить за пределы изобретения, определяемые приводимой ниже формулой изобретения.

Заявляемая установка проста по конструкции и надежна в работе. Установка может использоваться для вскрытия концентратов и другого сырья азотной, соляной и фтористоводородной (плавиковой) легколетучими кислотами, а также другими легколетучими соединениями. Например, вскрытие лопаритового концентрата в установке можно осуществлять с помощью азотной кислоты при температуре свыше 115^oС, а также хлористоводородной или фтористоводородной кислотами при температуре свыше 60^oС. В установке можно осуществлять вскрытие апатитового, пировскитового и эвдиалитового концентратов по азотнокислотной технологии. В ней можно:
- проводить хлорирование гидратного кека, содержащего титан, тантал, ниобий, четыреххлористым углеродом;
- проводить гидрофторирование гидратного кека плавиковой кислотой или концентрированным раствором фторида аммония;
- выщелачивать молибденовое сырье водным раствором аммиака, т.е. 25%-ной аммиачной водой при повышенных температурах.

Изобретение относится к гидрометаллургии. Установка содержит несколько реакторов, выполненных из корпусов с крышками, последовательно соединенных трубчатыми перетоками для перемещения пульпы самотеком, с лопастными мешалками с приводными валами, проходящими сквозь крышки, нагревательными элементами, пульпоподводящим и пульпоотводящим патрубками, установленными на первом и последнем реакторах соответственно. При этом крышки соединены с корпусами реакторов герметично, верхние части реакторов последовательно соединены трубчатыми перетоками для перемещения газовой фазы. Установка снабжена герметично закрепленными в крышках гидрозатворными трубами с размещенными в них приводными валами лопастных мешалок и гидрозатворами, установленными на каждой крышке и сообщающимися с верхними частями реакторов. Каждый гидрозатвор выполнен в виде цилиндрического корпуса с днищем и крышкой, окруженного рубашкой охлаждения с патрубками для подвода и отвода охлаждающей воды, газоподводящего патрубка, конец которого возвышается над днищем корпуса, и закрепленного над концом патрубка цилиндрического колпака, стенка которого размещена в кольцевом зазоре между корпусом и патрубком. Нагревательный элемент выполнен в виде герметично закрепленной в крышке трубы для подвода пара с боковым подводящим патрубком, имеющей закрытый нижний конец, и расположенной внутри нее трубы для отвода конденсата, при этом трубы герметично соединены фланцевым соединением на верхнем конце трубы для подвода пара. Установка позволяет осуществить непрерывный процесс без выделения газообразных продуктов в атмосферу. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Установка для вскрытия лопаритового и других концентратов легколетучими кислотами и соединениями, содержащая несколько реакторов, выполненных из корпусов с крышками, последовательно соединенных трубчатыми перетоками для перемещения пульпы самотеком, с лопастными мешалками с приводными валами, проходящими сквозь крышки, нагревательными элементами, пульпоподводящим и пульпоотводящим патрубками, установленными на первом и последнем реакторах соответственно, отличающаяся тем, что крышки соединены с корпусами реакторов герметично, верхние части реакторов последовательно соединены трубчатыми перетоками для перемещения газовой фазы, при этом установка снабжена герметично закрепленными в крышках гидрозатворными трубами с размещенными в них приводными валами лопастных мешалок и гидрозатворами, установленными на каждой крышке и сообщающимися с верхними частями реакторов. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что крышки соединены с корпусами реакторов сварным соединением. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что установка снабжена размещенным в верхней части каждой гидрозатворной трубы металлическим цилиндром, соединенным сваркой со стенкой трубы, и закрепленным на приводном валу мешалки цилиндрическим колпаком, стенка которого размещена в кольцевом зазоре между цилиндром и трубой, с образованием кольцевого гидрозатвора для заполнения его жидким труднолетучим составом, химически нейтральным к веществам, находящимся в газовой фазе. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что гидрозатвор выполнен в виде цилиндрического корпуса с днищем и крышкой, окруженного рубашкой охлаждения с патрубками для подвода и отвода охлаждающей воды, газоподводящего патрубка, конец которого возвышается над днищем корпуса, и закрепленного над концом патрубка цилиндрического колпака, стенка которого размещена в кольцевом зазоре между корпусом и патрубком. 5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что нагревательный элемент выполнен в виде герметично закрепленной в крышке трубы для подвода пара с боковым подводящим патрубком, имеющей закрытый нижний конец, и расположенной внутри нее трубы для отвода конденсата, при этом трубы герметично соединены фланцевым соединением на верхнем конце трубы для подвода пара.