Способ контактирования твердых частиц и жидкости в вертикальном потоке

 

Изобретение относится к способам контактирования твердых частиц различной степени крупности и жидкости в таких процессах как экстрагирование ценных компонентов из твердых материалов, отмывка растворимых веществ от осадков, классификация твердых частиц по заданному гранулометрическому зерну, промыва осадков, протекающих в вертикальном потоке (в колонных секционированных аппаратах), и может быть использованно в химической технологии, гидрометаллургии и других смежных отраслях промышленности. Изобретение решает техническую задачу предотвращенния отложение цементирующих частиц внутри потока. Сущность изобретения состоит в том, что противоточное контактирование, разгрузку твердого из нижней части потока, разгрузку отработанных твердых частиц и следующую за ней подачу части исходной жидкости в место разгрузки производят кратковрменными импульсами в равновеликих объемах, причем выгрузку твердого и подачу жидкости ведут при скоростях, отнесенных к площади проходного сечения потока, в пределах 1-1,5 м/с. 2 ил.

Изобретение относится к способам контактирования твердых частиц различной степени крупности и жидкости в таких процессах, как экстрагирование ценных компонентов из твердых материалов, отмывка растворимых веществ от осадков, классификация твердых частиц по заданному граничному зерну, промывка осадков протекающих в вертикальном потоке (в колонных секционированных аппаратах), и может быть использовано в химической технологии, гидрометаллургии и других смежных отраслях промышленности.

Известны способы контактирования твердых частиц и жидкости в вертикальных потоках, реализуемые в колонных аппаратах, секционированных по высоте различными контактными секционирующими устройствами [1] Недостаток известных способов контактирования, осуществляемых в вертикальных аппаратах, секционированных горизонтальными секционирующими устройствами, состоит в том, что при переработке тонкоизмельченных твердых частиц, обладающих способностью цементироваться на наклонных или горизонтальных поверхностях секционирующих устройств, имеет место постепенное отложение осадка. В известных способах и аппаратах в условиях относительно спокойного ламинарного движения потоков и при равномерной разгрузке отработанного твердого материала (например, с помощью аэролифта) при длительной непрерывной эксплуатации происходит постепенное отложение твердых частиц на горизонтальных поверхностях устройств, что, в конечном счете, приведет к ухудшению технологических показателей.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ проведения процессов для системы твердая фаза жидкость в вертикальном потоке, осуществляемый в колонном аппарате, секционируемом подвижной шаровой насадкой [2] Особенность проведения процесса в вертикальном потоке в известном способе состоит в том, что в нем контактирование твердых частиц и жидкости происходит при наложении на поток возвратно-поступательных колебаний с интенсивностью 500-600 мм/мин, что позволяет создать скорости потоков жидкости относительно секционирующих устройств в пределах 0,04-0,06 м/с.

Недостаток известного способа организации процесса при переработке осадков, обладающих высокой способностью к цементации и отложению на поверхностях секционирующих устройств, состоит в том, что отложившийся осадок твердых частиц постепенно накапливается и начинает перекрывать проходные сечения секционирующих устройств, изменяет площадь проходного сечения вертикального потока, что ухудшает технологические показатели процесса. В известном способе даже при наличии возвратно-поступательных колебательных движений и достаточно высокой скорости потоков относительно секционирующих устройств не удается "смыть" и удалить откладывающиеся на них и постепенно накапливающиеся осадки.

Предложенное техническое решение позволяет предотвратить отложение цементирующихся частиц внутри потока.

Поставленная задача достигается тем, что в способе контактирования твердых частиц и жидкости в вертикальном потоке, включающем непрерывную подачу исходного твердого материала и жидкости, противоточное контактирование, разгрузку твердого из нижней части потока, вывод жидкости в верхней части потока, разгрузку отработанных твердых частиц и следующую за ней подачу части исходной жидкости в место разгрузки производят кратковременными импульсами в равновеликих объемах, причем выгрузку твердого и подачу жидкости ведут при скоростях, отнесенных к площади проходного сечения потока в пределах 1-1,5 м/с.

Действительно, в известном способе и в аппаратах для его реализации в промышленных условиях в рабочей части вертикального потока, разделенной горизонтальными секционирующими перегородками, невозможно во всех местах обеспечить равномерное движение взаимодействующих фаз. В некоторых местах поперечного сечения потока скорости движения потоков несколько ниже, что приводит к образованию зон с меньшими скоростями движения потоков. В этих "застойных" зонах в первую очередь и откладываются цементирующиеся осадки. При переработке таких осадков наблюдается эффект "снежного" кома. В дальнейшем в условиях непрерывной эксплуатации аппарата в местах выпавшего и отложившегося на поверхностях неподвижной насадки (или подвижной шаровой насадки) образуются "мертвые" застойные зоны, в которых не наблюдается движения фаз. В известном способе даже несмотря на относительно высокие скорости (0,04-0,06 м/с) движения потоков под воздействием возвратно-поступательных колебаний все равно наблюдается отрицательный эффект отложения осадков внутри аппарата. Так, например, в процессах выщелачивания и промывки флокулированных пульп даже в колонных аппаратах с пульсационным перемешиванием фаз (частота колебаний 30-40 кол/мин и амплитуда 15-20 мм) уже через несколько дней после начала работы начинают заметно ухудшаться технологические показатели, если не принять специальных мер. Визуальный осмотр аппарата при его остановке свидетельствует о забивке и отложении на поверхностях секционирующих устройств цементирующихся осадков. В связи с этим предотвращение подобных отрицательных явлений приобретает большое значение. Предложенное техническое решение и позволяет выполнить поставленную задачу. Это достигается путем резкого повышения скоростей перемещения твердых частиц в потоке по всей площади сечения аппарата путем кратковременных импульсов при разгрузках отработанного твердого материала и следующих за разгрузками импульсными подачами части жидкости. Этого достигают тем, что периодически из нижней части потока, где уже заканчивается контактирование твердых частиц и жидкости, резко кратковpеменными импульсами через определенные промежутки времени (промежутки времени определяются скоростью накопления отработанного твердого материала в нижней отстойной части вертикального потока) разгружают определенные объемы пульпы (жидкости и твердого материала). В результате весь поток пульпы, находящийся выше места разгрузки отработанного твердого материала, практически мгновенно, смещается вниз на величину разгружаемого объема пульпы. При этом жидкость и взвешенные в ней твердые частицы проходят вниз через проходные сечения секционирующих устройств в нижележащие зоны. Жидкость и взвешенные в ней твердые частицы получают высокие ускорения, превышающие скорости движения частиц в аппарате в 25-30 раз, и, самое главное, равномерно по всей площади поперечного сечения аппарата. В результате предотвращается отрицательный эффект отложения твердых частиц, что приводит к повышению эффективности работы аппарата. В предложенном техническом решении наряду с воздействием возвратно-поступательных колебаний через определенные интервалы времени поток практически "мгновенно" (1-3 с) опускается и затем за такое же почти время вновь поднимается за счет подачи части жидкости с высокой скоростью. При таких высокоскоростных воздействиях имеющие склонность к налипанию твердые частицы "смываются" с поверхностей секционирующих устройств. Однако при таких принудительных перемещениях определенных объемов твердых частиц и жидкости может иметь место отрицательный эффект продольного перемешивания взаимодействующих фаз, что отрицательно сказывается на технологических показателях. Для снижения этого отрицательного эффекта и повышения эффекта "смыва" отложившихся твердых частиц часть исходной, взаимодействующей с твердым, жидкости подают в место разгрузки с такой же высокой скоростью. При таком достаточно быстром движении жидкости вверх твердые частицы и жидкость, попавшие в отстойную зону при предыдущей "мгновенной" разгрузке начинают перемещаться вверх и начинают занимать примерно то же самое первоначальное положение, какое они занимали до момента разгрузки. Твердые частицы, переместившиеся вверх, имеют возможность вновь контактировать с восходящим потоком жидкости. Предлагаемый прием, исключающий отрицательный эффект отложений твердого материала, в то же время при "мгновенной" разгрузке принудительно перемещает часть вышележащих (выше отстойной зоны в нижней части потока) твердых частиц вниз, которые возможно не полностью еще "прореагировали", что может ухудшать технологические показатели. Однако, следующий за разгрузкой прием подачи части жидкости, равновеликой по объему с разгружаемым твердым материалом, вновь возвращает твердые частицы в вышележащие слои, что позволяет увеличить время пребывания их в аппарате и завершить массообменные превращения. Такой неочевидный прием разгрузки твердого с вполне определенной скоростью и следующее тут же за ней поступление жидкости с такой же высокой скоростью и позволяет перерабатывать столь сложные в технологическом отношении цементирующиеся осадки в колонных аппаратах. Решающее влияние на смыв твердых частиц с поверхностей оказывает скорость движения жидкости относительно поверхностей секционирующих устройств. Такой является скорость в пределах 1-1,5 м/с, что превышает скорость движения жидкости при пульсациях в 25-30 раз. При скоростях нисходящего потока менее 1 м/с не происходит полного смыва отложений с поверхности насадки, что приводит к некоторому снижению эффективности процесса. При повышении скорости потока более 1,5 м/с эффективность процесса снижается вследствие явления продольного перемешивания, которое начинает оказывать влияние на технологические показатели процесса.

На эффективность смыва отложений твердых частиц с поверхностей оказывает также влияние и периодичность разгрузки, поскольку очевидно, что даже при оптимальных скоростях, но при довольно редких разгрузках твердые частицы будут находиться в условиях длительного слеживания осадка, на который постоянно будет откладываться новый материал. Опыты показывают, что наилучшие результаты по смыву осадка, а следовательно, и по эффективности, достигаются когда периодичность разгрузок составляет 2-4 раза в течение часа (интервал времени между разгрузками составляет около 15-30 мин). Такой интервал устанавливают подбором объема нижней отстойной камеры вертикального аппарата, исходя из производительности твердой фазы. На графике фиг.1 представлено влияние скорости нисходящего потока при разгрузке и подаче части жидкости на эффективность процесса. (Отмывка скандия от тонкодисперсного флокулированного осадка, интенсивность колебаний 500-600 мм/мин, (частота колебаний 30 кол/мин, амплитуда 20 мм).

На фиг.2 схематично представлена конструкция колонного аппарата, позволяющего реализовать предлагаемый способ, где 1 генератор колебаний.

В известную конструкцию дополнительно введены: 2 датчик уровня отработанного твердого материала, управляющий клапаном 2; 3 клапан; 4 датчик уровня жидкости, управляющий клапанами 2 и 4; 5 клапан; 6 датчик уровня жидкости, управляющий клапаном 4.

Предложенный способ осуществляют следующим образом (фиг.2).

Исходную пульпу, в которой содержитcя измельченный твердый материал, подают с определенной скоростью (с определенным расходом) в верхнюю часть вертикального потока, на который с определенной частотой и амплитудой накладывают возвратно-поступательные колебательные воздействия. Снизу в поток навстречу осаждающимся твердым частицам противотоком подают жидкость. В рабочей части вертикального потока происходит контактирование твердых частиц и жидкости, в результате чего жидкость обогащается ценным компонентом и выводится в верхней части вертикального потока, а обедненный твердый материал осаждается и поступает в нижнюю отстойную зону вертикального потока. При накоплении отработанного твердого материала его граница поднимается до определенного уровня, на котором устанавливается датчик уровня 1, в качестве которого может быть использован радиоизотопный уровнемер. При достижении этого уровня подается команда на открытие клапана 2 большого диаметра. При этом происходит разгpузка отработанного твердого материала, который со скоростью 1-1,5 м/с разгружается из аппарата. Соответственно уровень жидкости в верхней части аппарата понижается и достигает датчика уровня 3 (подвижный электрод), который подает команду на закрытие клапана 2. Одновременно от датчика уровня 3 подается команда на открытие клапана 4, через который с определенным интервалом после закрытия клапана 2, начинает поступать по обводному трубопроводу исходная жидкость со скоростью 1-1,5 м/с. При этом уровень жидкости в аппарате повышается и достигает датчика уровня 5 (подвижный электрод на границе зеркала слива), который подает команду на закрытие клапана 4. При этом исходный твердый материал и исходная жидкость продолжает поступать в вертикальный поток с установленными расходами. После заполнения аппарата жидкостью процесс повторяется, происходит накопление твердого и через определенный интервал времени (время накопления твердого) повторяется разгрузка. Общий расход исходной жидкости складывается из расхода жидкости, поступающей в поток после разгрузки со скоростью 1-1,5 м/с, и расхода жидкости, поступающей в поток непрерывно с относительно "медленной" скоростью.

П р и м е р. Осуществляется процесс отмывки растворимого вещества скандия от твердого материала, который представляет собой тонкоизмельченный до крупности 95% класса 0,074 мм материал. Процесс отмывки осуществляется в вертикальном потоке, секционированном горизонтальными устройствами, имеющими площадь проходного сечения 35% Твердый материал обладает высокой способностью к схватыванию, цементации и отложению на поверхностях аппаратов. Поскольку твердый материал является тонкодисперсным, то для организации противоточного взаимодействия фаз необходимо использование флокулирующего реагента, который предварительно смешивается с твердым материалом перед подачей в вертикальный поток. На вертикальный поток накладываются возвратно-поступательные колебания с частотой 30 кол/мин и амплитудой 20 мм. При наложении таких колебаний скорость движения жидкости относительно поверхностей перегородок внутри аппарата составляет 0,04 м/с. Процесс осуществляется при удельной производительности по твердой фазе 20 т/м² сут, удельный расход промывной воды составляет 5-7 м³ на 1 т твердого, скорость восходящего потока в аппарате 5 м/ч (скорость отнесена к рабочей части вертикального потока). При обычно используемой в промышленной практике (и в известном техническом решении) способах относительно "спокойной" разгрузки уже после нескольких дней эксплуатации начинает наблюдаться ухудшение технологических показателей процесса, хотя никаких изменений в его практической реализации не производилось. Остановка и разборка аппарата показывают, что на внутренних поверхностях перегородок произошло отложение части твердого материала, который частично перекрыл проходные сечения секционирующих перегородок. Внутри аппарата произошло образование застойных зон, в которых преимущественно отложились твердые осадки. Часть пространства между секционирующими перегородками также заполнилась отложившимся осадком. С целью исключения подобного явления используется предложенное техническое решение. В аппарате при использовании предложенного технического решения в течение более двух месяцев работы не наблюдается каких-либо существенных ухудшений технологического процесса.

Формула изобретения

СПОСОБ КОНТАКТИРОВАНИЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ И ЖИДКОСТИ В ВЕРТИКАЛЬНОМ ПОТОКЕ при наложении на поток возвратно-поступательных колебаний, включающий непрерывную подачу исходного твердого материала и жидкости, противоточное контактирование, разгрузку твердого из нижней части потока, вывод жидкости в верхней его части, отличающийся тем, что разгрузку отработанных твердых частиц и следующую за ней подачу части исходной жидкости в место разгрузки производят кратковременными импульсами в равновеликих объемах, причем выгрузку твердого и подачу жидкости ведут при скоростях, отнесенных к площади проходного сечения потока, в пределах 1 1,5 м/с.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2