КОНСТРУКЦИЯ НАСАДКИ ДЛЯ ПУЛЬСАЦИОННЫХ КОЛОНН ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ СЫРЬЯ НАГРЕТЫМИ АГРЕССИВНЫМИ КИСЛОТАМИ Российский патент 2012 года по МПК B01J8/00 C22B3/02 

Изобретение относится к выщелачиванию как методу комплексного извлечения ценных составляющих сырья, которое является одним из доминирующих процессов в металлургической промышленности.

До середины 60-х годов 20 века основными аппаратами для данного метода были баковые реакторы с мешалками. Основной их недостаток состоит в том, что при вращении мешалки твердые частицы сырья отстают от движения потока раствора. Пограничный слой при этом увеличивается и возрастает его диффузионное сопротивление, что приводит к снижению масоопередачи. Следствие этого - низкая производительность оборудования и недостаточное извлечение в раствор полезных компонентов (С.М.Карпачева, Б.Е.Рябчиков. Пульсационная аппаратура в химической технологии. Москва. Химия. 1983).

Внедрение пульсационной аппаратуры позволило создать высокопроизводительные колонные реакторы, легко автоматизируемые, работающие в непрерывном режиме. Это достигается за счет:

1. Обеспечения доступа раствора по всей поверхности твердых частиц.

2. Равномерного распределения реагентов по поперечному сечению аппарата и исключения образования застойных зон.

Одним из основных элементов пульсационных реакторов выщелачивания является тарельчатая распределительная насадка. Ее назначение - увеличение пути и времени пребывания компонентов в аппарате. Выщелачиваемый материал, перемещаясь между тарелками, не отстаивается и не создает плотного слоя. Реагенты равномерно распределены по сечению и высоте аппарата, что исключает образование застойных зон. Твердые частицы взвешены в растворе и их поверхность доступна для контакта. Скорость процесса при этом определяется кинетикой внутренней диффузии, температурой и временем протекания химической реакции выщелачивания.

Известно множество конструкций насадок для пульсационных аппаратов. Наиболее характерные из этой группы насадки «КРИМЗ» (авт.св. СССР №175489), включающие размещенные одна над другой горизонтальные диски с прямоугольными отверстиями, короткие стороны которых имеют отогнутые под углом α направляющие лопатки (С.М.Карпачева, Б.Е.Рябчиков. Пульсационная аппаратура в химической технологии. Москва. Химия. 1983. С.26).

Тарелки подобной конструкции имеют проходное сечение 30-50% и являются провальными.

Для выщелачивания трудновскрываемого сырья наличие провальности насадки снижает время нахождения твердого материала в аппарате и не обеспечивает требуемую степень извлечения компонентов в раствор.

Известна конструкция тарелки беспровального типа (авт.св. СССР №816778).

Недостатки данной конструкции:

1. Поворот движения жидкости на каждой тарелке под углом более 90° и наличие порога создают повышенное гидравлическое сопротивление, что в условиях пульсационных нагрузок требует увеличения ее механической прочности.

2. Высокая трудоемкость изготовления. Рассмотренная конструкция насадки изготавливается из металла для выщелачивания трудновскрываемого сырья нагретой соляной кислотой. Применение металла исключено из-за высокой его коррозии (Коррозия конструкционных материалов. Справочник. Москва. Интермет Инжиниринг. 2000. Т.II. С.216-255).

Прототипом предлагаемой конструкции насадки для выщелачивания сырья является авт.св. СССР №743710.

По мнению авторов, целью данного изобретения является повышение эффективности использования насадки за счет равномерного перемешивания реагентов по сечению и высоте аппарата. Для достижения этого насадка снабжена центральным стержнем и шестью стойками, между которыми закреплены горизонтальные пакеты, выполненные в виде дисков, разделенных на секторы, соединенные между собой рейками.

Известно, что с повышением концентрации и температуры соляной кислоты коррозионные свойства ее резко возрастают - дерево «обугливается» и теряет свои прочностные свойства. Рекомендуется использовать древесину для соляной кислоты концентрацией до 5% при температуре до 20°C (Коррозия конструкционных материалов. Справочник. Москва. Интермет Инжиниринг. 2000. Т.II. С.258). Кроме вышеизложенного, конструкция прототипа насадки по изображению, приведенного в авт.св. СССР №743710, сложна и трудоемка в изготовлении.

Современным наиболее прочным и коррозионно-стойким материалом для изготовления насадки пульсационных колонн выщелачивания сырья, нагретой 15-20% соляной кислотой, являются композиционные материалы. В экспериментально-исследовательском центре предприятия на опытных установках в реальных условиях выщелачивания силиката магния (минерал серпентинит) соляной кислотой подтверждена высокая надежность данного материала, разработана и опробирована конструкция тарельчатой насадки.

Сущность изобретения заключается в том, что в конструкции насадки для пульсационных колонн выщелачивания (растворения) сырья нагретыми агрессивными кислотами, включающей установленные одна над другой горизонтальные тарелки с отверстиями «левого» и «правого» исполнений, размещенными по концентрическим окружностям диска тарелки и обеспечивающими изменение движения потока пульпы между соседними парами тарелок на 180°, отверстия выполнены в форме половины эллипса, каждое из которых имеет укрытие, исключающее образование вертикальных потоков реагентов в аппарате.

Каждое имеет укрытие, выполненное в форме «шалашика». Такая форма укрытий придает тарелке дополнительную жесткость, обеспечивая в условиях знакопеременных пульсирующих нагрузок механическую прочность конструкции. В частных случаях исполнения изобретения:

- форма укрытия представляет собой усеченный по длине под углом α=25-35° цилиндр;

- длина отверстия в тарелке равна половине большой оси эллипса, а ширина - длине малой оси, а отношение длины к ширине находится в пределах от 1:1 до 1:0,6;

- площадь отверстия в тарелке (со стороны подачи импульса) для увеличения скорости выхода жидкой фазы и создания «эффекта сопла» выполняется больше площади выхода из укрытия;

- угол β между плоскостями диска и выхода реагентов из укрытия находится в пределах 85-90°.

Форма отверстия и его укрытия позволяют изготовить тарелку как единое целое с укрытиями из композитных материалов методом формования изделия на матрице.

Тарелки «левого» и «правого» исполнений поочередно устанавливаются на жесткие цилиндрические проставки, имеющие упругий элемент, то есть между двумя парами тарелок устанавливается жесткая цилиндрическая проставка, выполняющая роль опорной конструкции насадки и предохраняющая корпус колонны от абразивного износа. Жесткая цилиндрическая проставка выполнена из композитного материала и имеет упругий элемент, позволяющий фиксировать тарелки по высоте колонны и принимать на себя вертикальные нагрузки от пульсации жидкой фазы.

Упругий элемент может быть выполнен из одной или двух отбортовок, имеющих форму тора, или в виде одной из нескольких кольцевых гофр.

Соответствие заявленного изобретения требованиям новизны обусловлено тем, что совокупность его существенных отличительных признаков неидентична признакам прототипа.

Заявленное изобретение соответствует требованию изобретательского уровня. Это обусловлено тем, что в известном уровне техники решений по конструкции насадки для пульсационных колонн выщелачивания сырья нагретой соляной кислотой нет. Предлагаемая конструкция насадки для пульсационных колонн выщелачивания

- имеет высокую коррозионную стойкость и механическую прочность,

- создает круговое движение потока реагентов, которое изменяет свое направление на 180° между следующей парой тарелок,

- исключает образование застойных зон, поддерживая твердый материал во взвешенном состоянии,

- обеспечивает высокую степень извлечения ценных компонентов сырья в раствор,

- конструктивно проста и экономична в изготовлении,

- запас прочности позволяет исключить вертикальные опоры, на которых, как правило, монтируется насадка в металлическом исполнении.

Устройство массообменной насадки показано на Фиг.1-7.

Фиг.1 - Установка насадки в колонне, поз.1 - корпус колонны.

Фиг.2 - Тарелка «правого» вращения, поз.3, фиг.1.

Фиг.3 - Сечение А-А, фиг.2.

Фиг.4 - Тарелка «левого» вращения, поз.2, фиг.1.

Фиг.5 - Вид отверстия тарелки по Б-Б, фиг.4.

Фиг.6 - Сечение по В-В, фиг.5.

Фиг.7 - Упругая проставка, поз.4, фиг.1.

Список использованных источников

1. С.М.Карпачева, Б.Е.Рябчиков. / Пульсационная аппаратура в химической технологии. // Москва. Химия. 1983.

2. Авт.св. СССР №175489, МПК B01J 8/00. Заявл. 06.12.1961 г. Опубл. 09.10.1965 г. БИ №20.

3. Авт.св. СССР №816778, МПК B01D 3/22. Заявл. 04.12.1978 г. Опубл. 30.03.1981 г. БИ №12.

4. Коррозия конструкционных материалов. Справочник. Москва. Интермет Инжиниринг.2000. Т.II.

5. Авт.св. СССР №743710, МПК B01D 53/20. Заявл. 22.02.1978 г. Опубл. 30.06.1980 г. БИ №24.

Конструкция может использоваться для осуществления процессов в металлургических и химических отраслях промышленности, где применяется нагретая высокоагрессивная кислота. Насадка состоит из размещенных одна над другой горизонтальных тарелок, установленных на жесткие цилиндрические проставки, имеющие упругий элемент. Конструкция обеспечивает противоток движения твердой и жидкой фазы по высоте колонны. «Правое» и «левое» исполнение чередующихся тарелок изменяет движение пульпы в горизонтальной плоскости между двумя парами на 180°. Насадка позволяет регулировать время пребывания твердого материала в аппарате, обеспечивая необходимую степень извлечения его компонентов в раствор. Изобретение обеспечивает высокую механическую прочность и коррозионную стойкость конструкции насадки. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Конструкция насадки для пульсационных колонн выщелачивания (растворения) сырья нагретыми агрессивными кислотами, включающая установленные одна над другой горизонтальные тарелки с отверстиями «левого» и «правого» исполнений, размещенными по концентрическим окружностям диска тарелки и обеспечивающими изменение движения потока пульпы между соседними парами тарелок на 180°, отличающаяся тем, что отверстия выполнены в форме половины эллипса, каждое из которых имеет укрытие, исключающее образование вертикальных потоков реагентов в аппарате.

2. Конструкция по п.1, отличающаяся тем, что форма укрытия представляет собой усеченный по длине под углом α=25-35° цилиндр.

3. Конструкция по п.1, отличающаяся тем, что длина отверстия в тарелке равна половине большой оси эллипса, а ширина - длине малой оси, а отношение длины к ширине находится в пределах от 1:1 до 1:0,6.

4. Конструкция по п.3, отличающаяся тем, что для увеличения скорости выхода жидкой фазы и создания «эффекта сопла» площадь отверстия в тарелке (со стороны подачи импульса) больше площади выхода из укрытия.

5. Конструкция по п.1, отличающаяся тем, что угол Р между плоскостями диска и выхода реагентов из укрытия находится в пределах 85-90°.

6. Конструкция по п.1, отличающаяся тем, что форма отверстия и его укрытия позволяют изготовить тарелку из композитных материалов методом формования изделия на матрице.

7. Конструкция по п.1, отличающаяся тем, что между двумя парами тарелок устанавливается жесткая цилиндрическая проставка, выполняющая роль опорной конструкции насадки и предохраняющая корпус колонны от абразивного износа.

8. Конструкция по п.7, отличающаяся тем, что жесткая цилиндрическая проставка выполнена из композитного материала и имеет упругий элемент, позволяющий фиксировать тарелки по высоте колонны и принимать на себя нагрузки от пульсации жидкой фазы.

9. Конструкция по п.8, отличающаяся тем, что упругий элемент выполнен из одной или двух отбортовок, имеющих форму тора.

10. Конструкция по п.9, отличающаяся тем, что упругий элемент выполнен в виде одной из нескольких кольцевых гофр.