УСТАНОВКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2005 года по МПК C01G23/00 C01G23/47 B01J19/00 B01J19/02 

Изобретение относится к установкам для проведения химических реакций, а именно реакций пирогидролиза, и может быть использовано в процессах фторидной технологии переработки железосодержащих титановых руд, для пирогидролиза фторотитанатов аммония в качестве реакторной установки для реализации одного из технологических процессов при производстве диоксида титана.

Известна установка для обработки материалов, содержащая обжиговую печь, выполненную в виде барабана, установленного с возможностью вращения вокруг продольной оси, снабженного приводом вращения, теплоподводящим, загрузочным и разгрузочным узлами (см. книгу П.П.Ступаченко и В.Г.Цуприка. Справочник по изготовлению и применению строительных материалов, изделий и конструкций из вторичных ресурсов и отходов предприятий на Дальнем Востоке, Владивосток, Изд-во ДВ гос. ун-та, 1992, с.80, рис.14.1).

Известна установка для обработки материалов, содержащая реактор, выполненный в виде котла с крышкой, снабженный теплоподводящей рубашкой, расположенной вне полости корпуса, и трубчатым теплоподводящим змеевиком, расположенным в его полости, оборудованный приводным валом с мешалками, загрузочный и разгрузочный узлы (см. книгу С.М.Корсакова-Богаткова. Химические реакторы как объекты математического моделирования. М., "Химия", 1967, с.46-47, рис.Ш-1).

Недостаток этих решений - невозможность их эффективного использования в процессе пирогидролиза оксофторотитанатов аммония, кроме того, размещение теплоподводящих элементов в полости реактора (как это имеет место во втором случае), требует ограничений по крупности материала, обрабатываемого в реакторе, и снижает эффективность перемешивания компонентов.

Известна также установка для обработки материалов, содержащая реактор, выполненный в виде цилиндрического корпуса, средство перемешивания реакционных компонентов, нагревательный узел, расположенный вне полости реактора, загрузочный и разгрузочный узлы (см. книгу С.М.Корсакова-Богаткова. Химические реакторы как объекты математического моделирования. М., "Химия", 1967, с.33-34, рис.П-9).

Однако и это техническое решение также невозможно эффективно использовать в процессе пирогидролиза оксофторотитанатов аммония, получаемых после вскрытия ильменитовых концентратов фторидсодержащими реагентами, из-за недостаточного ресурса работы установки. При этом решение проблемы обеспечения химической стойкости установки осложняется не только агрессивностью рабочей среды, но и термическим режимом работы (порядка 800-900°С), необходимым для получения качественного продукта (диоксида титана высокой степени белизны).

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение надежности и работоспособности установки при осуществлении пирогидролиза оксофторотитанатов аммония и одновременном обеспечении возможности получения диоксида титана заданного уровня качества (высокой степени белизны).

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении надежности и работоспособности установки в условиях применения высокоагрессивных фторидсодержащих материалов и повышении полноты извлечения диоксида титана (выхода диоксида титана), а также исключении потери качества получаемого продукта вследствие изменения цветовой гаммы из-за его загрязнения, в том числе продуктами разрушения элементов реактора реагентами.

Поставленная задача решается тем, что установка для обработки материалов, содержащая реактор, выполненный в виде цилиндрического корпуса, средство перемешивания реакционных компонентов, нагревательный узел, расположенный вне полости реактора, загрузочный и разгрузочный узлы, отличается тем, что средство перемешивания реакционных компонентов выполнено в виде привода вращения корпуса реактора, установленного с возможностью вращения вокруг продольной оси, при этом установка снабжена дополнительным реактором, выполненным в виде цилиндрического корпуса, установленного с возможностью вращения вокруг оси, снабженного приводом вращения, загрузочным, разгрузочным и нагревательным узлами, причем, по крайней мере, внутренние поверхности обоих реакторов выполнены из материала, стойкого к воздействию фторидсодержащих реакционных компонентов, причем внутренняя поверхность реактора выполнена из материала, сохраняющего прочность при температуре не менее 400°С, а внутренняя поверхность дополнительного реактора выполнена из материала, сохраняющего прочность при температуре не менее 900°С, кроме того, разгрузочный узел реактора связан с загрузочным узлом дополнительного реактора, при этом оба реактора выполнены герметичными, снабжены газоотводящими патрубками и связаны паропроводами с источником пара. Кроме того, внутренняя поверхность реактора выполнена из магния, а внутренняя поверхность дополнительного реактора выполнена из оксида кремния. Кроме того, разгрузочный узел реактора связан с загрузочным узлом дополнительного реактора через промежуточный бункер, выполненный в виде герметичной емкости, снабженной теплоизоляционным покрытием, приемное окно которой герметично связано с разгрузочным узлом реактора, а выходное отверстие герметично связано с загрузочным узлом дополнительного реактора. Кроме того, внешняя поверхность дополнительного реактора выполнена из термостойкого, стойкого к воздействию фторидсодержащих реакционных компонентов теплопроводящего материала, предпочтительно металлического сплава, а облицовка внутренней поверхности его обечайки составлена из облицовочных обечаек, сформированных прессованием из дисперсного кварца, причем одна кромка облицовочной обечайки выполнена с желобом, а другая - с конгруэнтным ему выступом.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач:

Признаки "средство перемешивания реакционных компонентов выполнено в виде привода вращения корпуса реактора, установленного с возможностью вращения вокруг продольной оси", обеспечивают реализацию схемы перемещения твердого реакционного компонента последовательно по длине реактора (позволяющей в перспективе использовать реактор в непрерывной схеме работы) с максимально эффективным перемешиванием реакционного компонента и максимальной по площади поверхностью слоя компонента, взаимодействующей с объемом пара (например, по сравнению со схемой реактора с вертикальной продольной осью и перемешиванием компонента мешалкой на вращающемся валу).

Признаки "установка снабжена дополнительным реактором" в сочетании с признаками "по крайней мере, внутренние поверхности обоих реакторов выполнены из материала, стойкого к воздействию фторидсодержащих реакционных компонентов, причем внутренняя поверхность реактора выполнена из материала, сохраняющего прочность при температуре не менее 400°С, а внутренняя поверхность дополнительного реактора выполнена из материала, сохраняющего прочность при температуре не менее 900°С", обеспечивают возможность максимально оптимальной реализации свойств материалов, используемых в конструкции каждого реактора установки, - реактор первый в технологической цепочке, работающий в условиях повышенной агрессивности реакционных компонентов, выполненный с использованием магния, обеспечивает "зачистку" порядка 90% их агрессивной составляющей, при этом температурный режим работы реактора для сохранения его прочности ограничивается 300-350°С, что, обеспечивая "отгонку" свыше 90% агрессивной составляющей (NH₄F), тем не менее, исключает возможность полного ее удаления, и как раз это обеспечивает дополнительный реактор, работающий при температурах, приемлемых для материала его внутренней оболочки, - 800-900°С в условиях агрессивности среды, допустимой для него (уменьшенной в 10 раз по сравнению с исходной).

Признаки, указывающие, что дополнительный реактор выполнен в виде "цилиндрического корпуса, установленного с возможностью вращения вокруг оси, снабженного приводом вращения, загрузочным, разгрузочным и нагревательным узлами", обеспечивают реализацию схемы перемещения твердого реакционного компонента последовательно по длине реактора с максимально эффективным его перемешиванием и максимальной по площади поверхностью слоя компонента, взаимодействующего с объемом пара.

Признаки "разгрузочный узел реактора связан с загрузочным узлом дополнительного реактора" снижают потери реагентов и тепла на этапе передачи реакционного материала из одной рабочей зоны в другую и загрязнение окружающей среды теплом и реагентами (дополнительный реактор).

Признаки "оба реактора выполнены герметичными, снабжены газоотводящими патрубками и связаны паропроводами с источником пара" обеспечивают пирогидролиз оксофторотитанатов аммония и тем самым отгонку агрессивной составляющей (NH₄F) из реакционного материала (за счет реакции между водой (паром) и оксофторотитанатами аммония), а также возможность повторного использования или утилизации NH₄F.

Признаки второго пункта формулы конкретизируют оптимальные варианты материала, используемого в покрытии.

Признаки третьего пункта формулы исключают потери реагентов и тепла на этапе передачи реакционного материала из одной рабочей зоны в другую и исключают выбросы продуктов реакции в окружающую среду (особенно аммиака), тем самым обеспечивая экологическую чистоту процесса и снижая расход реактивов на единицу продукции, обеспечивая их повторное использование.

Признаки четвертого пункта формулы описывают оптимальный, с точки зрения скорости замены изношенных элементов облицовки и надежности изоляции ею внешней оболочки, вариант конструкции корпуса дополнительного реактора, обеспечивающий эффективную работу в условиях агрессивной среды и высокой тепловой нагрузки.

Изобретение поясняется чертежом, содержащим разрез установки. На чертеже показаны реактор 1, концы цилиндрического корпуса 2 (обечайки), которые с возможностью вращения вставлены в полые цапфы 3, соосные продольной оси реактора. Цапфы 3 у торцов обечайки 2 перегорожены торцовыми стенками 4 и 5 (таким образом, реактор 1 имеет вид цилиндрического корпуса, имеющего вращающуюся обечайку и неподвижные торцы, образованные торцовыми стенками 4 и 5). Кроме того, показан зубчатый венец 6, жестко закрепленный на корпусе реактора, привод 7 вращения корпуса реактора, выполненный в виде электродвигателя с редуктором, выходная шестерня 8 которого установлена с возможностью взаимодействия с зубчатым венцом 6. Продольной оси 9 реактора придан небольшой (до 10°) наклон к горизонтали. Загрузочный узел включает в себя люк 10 подачи твердого компонента и паропровод 11 для ввода перегретого пара. Разгрузочный узел содержит газоотводящий патрубок 12 и разгрузочный люк 13. Люк 10 подачи твердого компонента и газоотводящий патрубок 12 пропущены через торцовую стенку 4, расположенную со стороны верхнего конца реактора. Разгрузочный люк 13 расположен в нижнем секторе торцовой стенки 5, расположенной со стороны нижнего конца реактора, через нее же пропущен паропровод 11.

Кроме того, на чертеже показаны дополнительный реактор 14, выполненный по аналогичной конструктивной схеме, который включает: цилиндрический корпус (обечайку) 15, концы которого с возможностью вращения вставлены в полые цапфы 16 с торцовыми стенками 17 и 18 (таким образом, реактор 14 имеет вид цилиндрического корпуса, имеющего вращающуюся обечайку 15 и неподвижные торцы, образованные торцовыми стенками 17 и 18), зубчатый венец 19, жестко закрепленный на корпусе реактора 14, привод 20 вращения корпуса реактора 14, выполненный в виде электродвигателя с редуктором, выходная шестерня 21 которого установлена с возможностью взаимодействия с зубчатым венцом 6. Продольной оси 22 реактора придан небольшой (до 10°) наклон к горизонтали.

Загрузочный узел включает в себя люк 23 подачи твердого компонента и паропровод 24 для ввода перегретого пара. Разгрузочный узел содержит газоотводящий патрубок 25 и разгрузочный люк 26. Люк 23 подачи твердого компонента и газоотводящий патрубок 25 пропущены через торцовую стенку 17, расположенную со стороны верхнего конца реактора. Разгрузочный люк 26 расположен в нижнем секторе торцовой стенки 18, расположенной со стороны нижнего конца реактора, через нее же пропущен паропровод 24.

В зависимости от конкретных условий разгрузочный люк 13 реактора 1 может быть связан с люком 23 подачи твердого компонента дополнительного реактора 14 непосредственно или через промежуточный бункер 27, выполненный в виде герметично закрывающейся емкости, связанной самотечными каналами 28, и с выходом реактора 1 и входом дополнительного реактора 14 (при этом разгрузочный люк 13 реактора 1 должен быть выше люка 23 подачи твердого компонента дополнительного реактора 14). Самотечные каналы 28 выполнены в виде наклонных (больше угла естественного откоса твердого компонента) отрезков труб, герметично связанных упомянутыми конструкциями. При этом и промежуточный бункер 27, и самотечные каналы 28 снабжены теплоизолирующим покрытием 29 из теплоизолирующего материала. Кроме того, на чертежах показаны внутренняя поверхность 30 реактора 1, выполненная из магния, внешняя поверхность 31 дополнительного реактора 14, выполненная из термостойкого, стойкого к воздействию фторидов теплопроводящего металла, и его внутренняя поверхность 32, выполненная в виде облицовки из оксида кремния (прессованного дисперсного кварца), из обечаек 33 (колец), при этом одна кромка стенки обечайки выполнена с желобом 34, а другая - с конгруэнтным ему выступом 35. Кроме того, на чертежах показаны нагревательные узлы 36, расположенные, соответственно, вне полости реактора 1 и дополнительного реактора 14. Конструктивная схема их одинакова и не отличается от известных (например, индукционного типа), включающих электромагнитные индукторы, установленные на кольцевых рамах, охватывающих обечайку и осуществляющих высокочастотный прогрев внешней оболочки реакторов. Различия между нагревательными узлами, задействованными на реакторах, определяются только их тепловой мощностью (реактор 1 рассчитан на тепловой режим порядка 300-350°С, а дополнительный реактор 14 рассчитан на тепловой режим порядка 800-900°С).

Детали реактора 1 цилиндрический корпус (обечайка) 2, торцовые стенки 4 и 5 и другие контактирующие элементы выполнены из материала, стойкого к воздействию растворов фторотитанатов аммония. В качестве такого материала можно использовать магний, поскольку только он соответствует температурным режимам работы реактора (порядка 300-350°С).

Альтернативой магнию могут быть графитопласты или пирографиты, производство которых также освоено в настоящее время.

При больших размерах реактора целесообразней названные детали конструкции выполнять двухслойными (внешняя оболочка из конструкционного материала - химически стойкого хромоникелевого сплава типа 06ХН28МДТ), а внутренняя поверхность, т.е. поверхность, контактирующая с реагентами, выполняется в виде защитного покрытия из магния, или графитопласта, или пирографита. Подвижнные содинения деталей реактора 1 и дополнительного реактора 14 герметизированы уплотнителями из упругого химически стойкого материала, предпочтительно полимерного, на основе углепластов или полипропилена (на чертежах не показаны). Разгрузочный люк 13 соединен с приемным отверстием самотечного канала 28 с использованием таких же уплотнителей.

Люки 10 и 23 для подачи твердого компонента выполнены в виде отверстия в верхней части торцовой стенки, соответственно 4 и 17, которое снабжено управляемой поворотной заслонкой (на чертежах не показана), герметично перекрывающей отверстие. Отверстие люка 10 связано с полостью загрузочного бункера (на чертежах не показан), выполненного в виде герметически закрывающейся емкости, снабженной герметичной крышкой, при этом объем бункера соответствует объему порции твердого компонента, единовременно загружаемой в реактор.

Паропроводы 11 и 24 выполнены в виде отрезков трубы из материала, стойкого к воздействию растворов фтораммонийных солей (магния, или графитопласта, или пирографита, или стеклоуглерода), и подключены к источнику пара 37 (парогенератору известной конструкции). Они снабжены запорной арматурой известной конструкции, например воздушным краном известной конструкции (на чертежах не показан), детали которого выполнены из упомянутого материала, стойкого к воздействию растворов фтораммонийных солей.

Газоотводящие патрубки 12 и 25 выполнены из материала, стойкого к воздействию паров, содержащих аммиак и фтораммонийные соли (магния, или графитопласта, или пирографита, или стеклоуглерода), в виде отрезка трубы, открытого в полость соответственно реактора 1 или дополнительного реактора 14, и связаны с аппаратами, используемыми для утилизации (или накопления) NH₄F, выделяющегося в реакторе в процессе пирогидролиза (на чертежах не показаны). При герметичности таких аппаратов специальные средства герметизации газоотводящих патрубков 12 и 25 не нужны.

Кроме того, в состав установки входит комплект контрольно-измерительной аппаратуры известной конструкции, не показанный на чертежах, обеспечивающий контроль за режимом работы реакторов (температурой, объемом загрузки, кислотностью среды и другими рабочими параметрами).

Заявленное устройство работает следующим образом.

Включают в работу электродвигатель привода 7 вращения корпуса реактора, приводя во вращение выходную шестерню 8. Последняя, взаимодействуя с зубчатым венцом 6, жестко закрепленным на корпусе реактора, приводит во вращение обечайку 1 корпуса реактора. В полость реактора через люк 10 подачи твердого компонента загружают тонкодисперсный гексафторотитанат аммония (NH₄)₂TiF₆) (или продукты гидролиза этой соли) и через паропровод 11 вводят перегретый водяной пар. При вращении обечайки 1 частицы твердого компонента пересыпаются, скатываясь под действием силы тяжести с поверхности, образованной его частицами в полости реактора (которая имеет форму наклонной поверхности, верхний конец которой расположен со стороны, в которую "идет вращение"), как только эти частицы выходят на уровень поверхности естественного откоса. Поскольку продольная ось обечайки имеет наклон, движение частиц происходит не в пределах поперечной плоскости обечайки, а имеет вектор, направленный в сторону разгрузочного люка 13. Таким образом, перегретый водяной пар все время имеет возможность контакта с "самоперемешивающимися" частицами твердого компонента. Работа теплоподводящего узла 36 обеспечивает заданный температурный режим работы реактора за счет бесконтактного нагрева внешней поверхности реактора 1, последующей передачи тепла на внутреннюю поверхность 30 реактора и дальнейших - излучения ею тепла в полость реактора и контактной передачи тепла частицам твердого компонента, контактирующим с ней, доводя температуру в полости реактора до 300-350°С. NH₄F, образующийся в процессе термического разложения фторотитаната аммония, вместе с парами воды отгоняется через газоотводящий патрубок 12. Твердый компонент - промежуточный продукт (содержащий продукты термического разложения исходных материалов) удаляется через люк 13 и далее через самотечные каналы 28 попадает в промежуточный бункер 27. Из промежуточного бункера 27 по самотечным каналам 28 промежуточный продукт попадает (через люк 23 для подачи твердого компонента) в полость дополнительного реактора 14. Туда же подается по паропроводу 24 перегретый пар. Схема взаимодействия пара и твердого компонента в полости дополнительного реактора 14 соответствует этому параметру в реакторе 1, только температурный режим выдерживается на более высоком уровне (800-900°С). NH₃ и HF, образующиеся в процессе пирогидролиза промежуточных продуктов, вместе с парами воды отгоняются через газоотводящий патрубок 25. При этом облицовка из прессованного дисперсного кварца принимает участие в реакции с образованием соответствующих соединений кремния, оказывающих модифицирующее влияние на получаемый продукт и не снижающих его потребительские качества. Таким образом, непрореагировавшая в реакторе 1 часть оксофторотитаната аммония при температуре 800-900°С полностью вступает в реакцию с водой (паром), что обеспечивает на выходе получение чистого оксида титана (TiO₂). Его выгружают через разгрузочный люк 26.

Теплоизолирующее покрытие 29 промежуточного бункера 27 исключает потерю тепла (из-за остывания реагентов) на этапе передачи промежуточного продукта из реактора 1 в дополнительный реактор 14.

Изобретение может быть использовано в процессах фторидной технологии переработки титансодержащего сырья, например ильменитовых концентратов. Установка для обработки материалов содержит реактор, выполненный в виде цилиндрического корпуса, средство перемешивания реакционных компонентов, нагревательный узел, расположенный вне полости реактора, загрузочный и разгрузочный узлы. При этом средство перемешивания реакционных компонентов выполнено в виде привода вращения корпуса реактора. Установка снабжена дополнительным реактором, выполненным в виде цилиндрического корпуса, снабженным приводом вращения, загрузочным, разгрузочным и нагревательным узлами. Внутренняя поверхность реактора выполнена из магния, а дополнительного реактора - из оксида кремния. Разгрузочный узел реактора герметично связан с загрузочным узлом дополнительного реактора. Оба реактора снабжены газоотводящими патрубками и паропроводами для ввода перегретого пара. Изобретение повышает надежность и работоспособность установки в условиях высокоагрессивных фторидсодержащих материалов, обеспечивает высокую производительность процесса и позволяет достигать чистоты диоксида титана до 100%. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Установка для обработки материалов, содержащая реактор, выполненный в виде цилиндрического корпуса, средство перемешивания реакционных компонентов, нагревательный узел, расположенный вне полости реактора, загрузочный и разгрузочный узлы, отличающаяся тем, что средство перемешивания реакционных компонентов выполнено в виде привода вращения корпуса реактора, установленного с возможностью вращения вокруг продольной оси, при этом установка снабжена дополнительным реактором, выполненным в виде цилиндрического корпуса, установленного с возможностью вращения вокруг оси, снабженного приводом вращения, загрузочным, разгрузочным и нагревательным узлами, причем, по крайней мере, внутренние поверхности обоих реакторов выполнены из материала, стойкого к воздействию фторидсодержащих реакционных компонентов, причем внутренняя поверхность реактора выполнена из магния, а внутренняя поверхность дополнительного реактора выполнена из оксида кремния, кроме того, разгрузочный узел реактора связан с загрузочным узлом дополнительного реактора, при этом оба реактора выполнены герметичными, снабжены газоотводящими патрубками и связаны паропроводами с источником пара.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что разгрузочный узел реактора связан с загрузочным узлом дополнительного реактора через промежуточный бункер, выполненный в виде герметичной емкости, снабженной теплоизоляционным покрытием, приемное окно которой герметично связано с разгрузочным узлом реактора, а выходное отверстие герметично связано с загрузочным узлом дополнительного реактора.3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что внешняя поверхность дополнительного реактора выполнена из термостойкого, стойкого к воздействию фторидсодержащих реакционных компонентов теплопроводящего материала, предпочтительно металлического сплава, а облицовка внутренней поверхности его обечайки составлена из облицовочных обечаек, сформированных прессованием из дисперсного кварца, причем одна кромка облицовочной обечайки выполнена с желобом, а другая - с конгруэнтным ему выступом.