Установка для осуществления гидротермальных процессов

 

Использование: в различных отраслях промышленности, например в переработке руд цветных металлов. Сущность изобретения: установка содержит длинную трубу, соединенную отдельными трубчатыми секциями, насос, смеситель, теплообменник, дросселирующее устройство, сепаратор, устройства для подготовки исходных материалов и управления процессом, причем длинная труба выполнена с зонами нагрева и выдержки. Нагреваемая часть теплообменника и зона нагрева образуют нисходящую ветвь установки, смеситель расположен в нижней части последней, зона выдержки и нагревающая часть теплообменника образуют восходящую часть установки, дросселирующее устройство и сепаратор расположены в верхней части восходящей ветви установки, причем установка содержит более одной зон нагрева и нагреваемых частей теплообменника. Смеситель выполнен эжекционного типа. Межтрубное пространство теплообменника заполнено материалом, обладающим к материалу труб высокими адгезионными и теплопередающими свойствами, трубные элементы зон нагрева и выдержки выполнены из унифицированных элементов. В зоне нагрева и/ или в зоне выдержки установлено средство электроподогрева, и/или высокотемпературный теплоноситель, и/или горелка. Установка позволяет обеспечить возможность проведения многофазных и многокомпонентных процессов. 5 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к установкам, работающих при высоких давлениях и температурах и которые могут быть применены в различных отраслях промышленности, например в переработке руд цветных металлов.

Известно устройство [1] для непрерывного выщелачивания боксита, включающее реактор, насос для подачи пульпы, трубчатый теплообменник с секциями, обогреваемыми паром самоиспарения и острым паром, и самоиспарители, причем часть теплообменника, обогреваемая паром самоиспарения, выполнена из девяти секций, при этом площади теплообмена каждой секции от отношению к первой по ходу пульпы имеют следующую зависимость: 1 : 1,5 : 1,7 : 2 : 2,9 : 3,9 : 1,8 : 2 : 3,1.

Известное устройство работает следующим образом.

Пульпа боксита насосом подается в реактор при температуре около 70^oC и последовательно проходит секции теплообменника, нагреваясь при этом до заданных температур выщелачивания. Каждая секция теплообменника соединена с самоиспарителями, площади секций теплообменников имеют указанное соотношение, что обеспечивает поддержание заданной температуры пульпы в каждой секции.

Недостатками известного устройства являются множество участков с перепадом высот, вызывающих необходимость движения пульпы то вверх, то вниз, что приводит к образованию застойных зон, "карманов", участков, на которых происходит разделение фаз и, как следствие, невозможность проведения процессов с участием газообразной фазы, использования как пульпы с высоким отношением Т : Ж, так и пульп с твердым компонентом, имеющим высокий удельный вес.

Это все ограничивает область применения данного устройства.

Наиболее близким к изобретению является устройство [2] для непрерывного выщелачивания боксита при 270 - 300^oC, представляющее собой длинную трубу, через которую поршневым насосом транспортируется бокситовая пульпа и вокруг которой установлено несколько отдельных трубчатых секций, являющихся подогревателями типа "труба в трубе". В межтрубную часть первых по ходу пульпы подогревателей подается пар из самоиспарителей, а в межтрубную часть последнего подогревателя непосредственно вареная пульпа. Окончательный нагрев пульпы - подача в межтрубную часть острого пара (70 - 80 ати) или высокотемпературного органического теплоносителя.

Недостатком данного устройства является то, что, так как длина трубы значительна (от нескольких метров до 1 - 2 км - по технологическим требованиям), эту трубу укладывают в пакеты и вся установка имеет множество "экстремальных" точек (как в аналоге), перегибов, поднятий и опусканий участков трубы. Это в совокупности приводит к тому, что, например, невозможно проводить процессы с применением (или выделением) газовой фазы.

Используемые в таких устройствах теплообменники малопригодны для пульпо-пульпового теплообмена, так как, во-первых, для того, чтобы не происходило разделения фаз, необходима высокая скорость прокачивания, а внутри теплообменника либо происходит падение скорости прокачки (за счет увеличения объема), что требует значительного запаса по скорости в трубах и, как следствие, быстрое истирание стенок, либо зазоры в трубных пакетах становятся слишком малы, и как следствие, плохой теплообмен, быстрое забивание и т.д.

В итоге происходит быстрый выход из строя теплообменников, во-вторых, все имеющиеся типы теплообменников имеют множество всяких застойных зон и межтрубное пространство трудно очистить от твердой фазы, что ограничивает область их применения.

Цель изобретения - обеспечение возможности проведения как многофазных, так и многокомпонентных процессов.

Иными словами, предлагаемая установка может быть применена для проведения процессов в технологических системах, имеющих газовые, жидкие и твердые компоненты в их сочетаниях и соотношениях, при различных удельных весах твердого компонента и при различных температурах и давлении.

Цель достигается тем, что в известной установке, состоящей из насоса, зоны нагрева смесителя, зоны выдержки, теплообменника, дросселирующего устройства, сепаратора, устройств для подготовки исходных материалов и управления процессом, нагреваемая часть теплообменника и зона нагрева образуют нисходящую ветвь установки, смеситель расположен в нижней части последней, зона выдержки и нагревающая часть теплообменника образуют восходящую ветвь установки, а дросселирующее устройство и сепаратор расположены в верхней части восходящей ветви установки.

Причем для предотвращения образования инкрустаций в зоне нагрева компоненты пульпы могут нагреваться в разных трубах, т.е. зон нагрева и нагреваемых частей теплообменника может быть выполнено более одной.

Причем для обеспечения качественного перемешивания газовой фазы и пульпы, различных компонентов пульпы, может быть применен смеситель эжекционного типа.

Причем для обеспечения надежного пульпо-пульпового теплообмена, теплообменник представляет собой две различных трубы, залитых или заваренных, или запаянных металлом или другим материалом, обладающим к материалу труб высокими теплопередающими и адгезионными свойствами.

Причем трубные элементы зон нагрева и выдержки могут быть выполнены из унифицированных элементов.

Причем в зоне нагрева и/или (при необходимости) в зоне выдержки установлено средство электроподогрева, и/или высокотемпературный теплоноситель и/или горелку.

Так как пульпа по трубам движется со значительной скоростью (чтобы не было разделения фаз) то имеем турбулентный режим, т.е. на микроуровне отдельной частицы - идеальное смешение, и в то же время на макроуровне - вытеснение одной порции пульпы другой без смешения, т.е. реактор идеального вытеснения.

Установка состоит из насоса 1, теплообменника 2, зоны нагрева 3, смесителя 4, зоны выдержки 5, дросселирующего устройства 6, сепаратора 7 (фиг. 1), причем в нагреваемой части теплообменника и зоне нагрева пульпа монотонно движется вниз и после смесителя, являющегося нижней точкой устройства, в зоне выдержки и нагревающей части теплообменника пульпа монотонно поднимается вверх до дросселирующего устройства, являющегося верхней точкой устройства, далее уходя в сепаратор.

Установка работает следующим образом.

Насос 1 закачивает сырую пульпу в теплообменник 2. Трубы теплообменника в нагреваемой части должны быть уложены следующим специальным образом так, чтобы обеспечить движение нагреваемой пульпы вниз без поднятий, застойных зон и т. д. Далее пульпа проходит в зону 3 нагрева, трубы которой уложены аналогично.

Для предотвращения инкрустаций в теплообменнике и зоне нагрева часть компонентов пульпы (какие-то активные реагенты, например кислоты, щелочи, растворы солей и т.п.) могут быть пропущены по отдельным веткам (трубам). Далее пульпа ( и ее отдельные компоненты) поступают (или объединяются) в смесителе 4, в который, при необходимости, подается газ, участвующий в процессе. Далее пульпа подается в зону выдержки для осуществления процесса. Заданная продолжительность процесса определяется длиной труб зоны выдержки и скоростью прокачки пульпы. Трубы зоны выдержки уложены специальным образом так, чтобы обеспечить монотонное движение пульпы вверх без опусканий, застойных зон и т.д. При необходимости эти трубы могут подогреваться или охлаждаться путем установки печи электросопротивления и/или нагреваемой части теплообменника, и/или горелки, чтобы поддерживать оптимальный температурный режим.

Вареная пульпа поступает в теплообменник 2 (нагревающая часть), трубы этой части теплообменника должны быть уложены аналогично укладке труб зоны выдержки 5.

Охлажденная вареная пульпа поступает в дросселирующее устройство 6, которое обеспечивает поддержание заданного давления и является верхней точкой устройства. Там происходит падение давления до атмосферного и полученная паро-газо-пульповая смесь поступает в сепаратор 7, где происходит отделение газообразных компонентов от пульпы. Газообразные компоненты подвергают утилизации, а полученная пульпа поступает на дальнейшую переработку.

Пример.

Установка непрерывного высокотемпературного выщелачивания вольфрамового сырья.

Установка имеет следующие характеристики: а) температура (не более) 300^oC; б) давление (не более) 10 МПа; в) производительность по пульпе (не более) 150 л/ч; г) Т : Ж (не более) 0,1 г/см³; д) удельный вес твердого (не более) 7 г/см³; е) время пребывания пульпы в зоне выдержки (не менее) 8 мин; ж) содержание щелочи в растворе (не более) 10%.

Схема установки представлена на фиг. 2.

Исходная пульпа (70^oC) насосом 1 закачивается в компенсатор 8, из которого она поступает в теплообменник 2, эскиз секции которого представлен на фиг. 3. Температура на выходе из теплообменника поднимается до 150^oC. Теплообменник представляет собой две секции, в каждой из которых имеются две трубы, залитые силумином. По одной трубе идет исходная пульпа, по другой - вареная. Из теплообменника 2 подогретая пульпа поступает в зону нагрева 3. Зона нагрева представляет собой трубу, свернутую спиралью (возможны другие варианты укладки). Внутри спирали установлена печь сопротивления мощностью 110 кВт, снаружи спирали - теплоизоляция и кожух. Далее пульпа поступает в смеситель 4, в который подается компрессором сжатый воздух. Смесь потом поступает в зону выдержки 5, конструктивно аналогичную зоне нагрева. Так как в данном конкретном случае выщелачивания вольфрамового сырья ни подогрев, ни охлаждение не нужны, то печь в зоне выдержки не устанавливалась. Смесь далее поступает в теплообменник 2, а из него в дроссель 6 игольчатого типа (игла и седло из сплава ВК-10) с электромагнитным приводом, управляемым электромагнитным манометром 9. После дросселирвоания смесь поступает в сепаратор - пар идет на подогрев исходной пульпы, а вареная пульпа - на дальнейшую переработку с получением вольфрамовых соединений.

Техническими преимуществами предлагаемой установки по сравнению с описанной в прототипе являются: нет застойных зон, "карманов", уширений, участков поднятий и опусканий пульпы и т.д., вызывающих аварийные ситуации;
установка позволяет проводить разнообразные процессы с участием газовой фазы при различных давлениях и температурах;
предлагаемая установка может работать в широком диапазоне технологических процессов, что позволяет говорить об ее универсальности.

Формула изобретения

1. Установка для осуществления гидротермальных процессов типа трубчатого реактора, состоящая из насоса, зоны нагрева, смесителя, зоны выдержки, теплообменника, дросселирующего устройства, сепаратора, устройств для подготовки исходных материалов и управления процессом, отличающаяся тем, что нагреваемая часть теплообменника и зона нагрева образуют нисходящую ветвь установки, смеситель расположен в нижней части последней, зона выдержки и нагревающая часть теплообменника образуют восходящую часть установки, а дросселирующее устройство и сепаратор расположены в верхней части восходящей ветви установки.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит более одной зон нагрева и нагреваемых частей теплообменника.

3. Установка по пп. 1 и/или 2, отличающаяся тем, что смеситель выполнен эжекционного типа.

4. Установка по пп. 1, и/или 2, и/или 3, отличающаяся тем, что межтрубное пространство теплообменника заполнено материалом, обладающим к материалу труб высокими адгезионными и теплопередающими свойствами.

5. Установка по пп. 1, и/или 2, и/или 3, и/или 4, отличающаяся тем, что трубные элементы зон нагрева и выдержки выполнены из унифицированных элементов.

6. Установка по пп. 1, и/или 2, и/или 3, и/или 4, и/или 5, отличающаяся тем, что для нагрева она содержит в зоне нагрева, и/или в зоне выдержки средство электроподогрева, и/или высокотемпературный теплоноситель, и/или горелку.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3