Аппарат для разделения металлов дистилляцией в вакууме

 

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано в процессах непрерывного рафинирования металлов. Аппарат включает подсоединенный к вакуумному насосу осесимметричный корпус, в котором размещен испаритель смеси жидких металлов с расположенным вокруг него нагревательным элементом, конденсатор и экраны. Испаритель смеси жидких металлов выполнен в виде кольцевой емкости, конденсатор - в виде цилиндрического стакана с кольцевой полостью-ловушкой в торцевой стенке. Стакан расположен соосно испарителю и состыкован с его наружной стенкой. Экраны выполнены в виде кольцевых дисков, имеющих щелевые радиальные прорези и установленных соосно и последовательно в ряд между испарителем и кольцевой полостью-ловушкой конденсатора. Кроме того, в корпусе установлен барабан с приводом его вращения, а кольцевые диски-экраны расположены вокруг барабана с зазором относительно друг друга и прикреплены к нему посредством разъемных соединений. Изобретение позволяет повысить эффективность разделения металлов имеющих давление насыщенных паров близкое по величине. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано в процессах разделении металлов дистилляцией в вакууме.

Известен вакуумный аппарат для непрерывного рафинирования металлов, содержащий герметичный водоохлаждаемый корпус, в котором размещены испарительные тарели, нагревательный элемент, экраны, конденсаторы и устройства для подачи и выпуска продукта (авт. св. СССР N 378468, кл. C 22 B 9/04, 1973).

Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает эффективное разделение металлов в процессе вакуумной дистилляции, имеющих близкое по величине давление насыщенных паров.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является вакуумный аппарат для непрерывного рафинирования металлов (авт. св. СССР N 872583, кл. C 22 B 9/04, опубл. 18.10.81г.), включающий осесимметричный охлаждаемый корпус, подсоединенный к вакуумному насосу. В корпусе размещены нагревательный элемент, испаритель смеси жидких металлов, выполненный в виде тарелей, перфорированные экраны, конденсаторы и устройства для подачи и выпуска продукта. Наружные стенки испарительных тарелей выполнены наклонными в строну экранов. Длина стенок превышает зазор между ними в 6 10 раз.

Недостатком устройства-прототипа является низкая эффективность разделения паров металлов из их смеси, имеющих близкое по величине давление насыщенных паров при одинаковой температуре, например, смесь золота и меди.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности разделения металлов с близким по величине давлением насыщенных паров из их смеси.

Задача решается тем, что в аппарате для разделения металлов дистилляцией в вакууме, включающем подсоединенный к вакуумному насосу осесимметричный корпус, в котором размещены испаритель смеси жидких металлов с расположенным вокруг него нагревательным элементом, конденсатор и экраны согласно изобретению испаритель смеси жидких металлов выполнен в виде кольцевой емкости, конденсатор в виде цилиндрического стакана с кольцевой полостью-ловушкой в торцевой стенке, расположенного соосно испарителю и состыкованного с его наружной стенкой, а экраны выполнены в виде кольцевых дисков, имеющих щелевые радиальные прорези и установлены соосно в ряд между испарителем и кольцевой полостью-ловушкой конденсатора, аппарат снабжен установленным в корпусе барабаном с приводом его вращения, а кольцевые диски-экраны расположены вокруг барабана с зазором относительно друг друга и прикреплены к нему посредством фиксаторов. Причем экраны выполнены в виде нескольких наборов перфорированных съемных кольцевых дисков с разной шириной щелевых радиальных прорезей в каждом наборе.

В известных аналогах, в том числе и прототипе, разделение металлов дистилляцией в вакууме происходит по типу ректификационной колонны, т.е. за счет разности давления насыщенных паров этих металлов. Однако в некоторых смесях металлы, например золото и медь, имеют близкое по величине давление насыщенных паров вследствие чего снижается острота сепарации веществ. В предлагаемом решении указанный принцип разделения металлов также сохраняется.

Кроме этого в данном устройстве дополнительно используется принцип разделения металлов, основанный на том, что пары разных металлов в процессе дистилляции имеют разную линейную скорость перемещения, которая обусловлена различием их атомного веса. При формировании потока парообразной смеси металлов в виде отдельных порций и подаче этих порций в разделительную (сепарационную) камеру или несколько последовательно расположенных камер заданного размера, обеспечивается разделение веществ с разным атомным весом в пространстве. Вещества с меньшим атомным весом имеют большую скорость перемещения и соответственно быстрее пересекают дрейфовое пространство между противоположными стенками камеры и успевают проскочить в следующую сепарационную камеру через щелевое отверстие. Вещества с большим атомным весом имеют меньшую скорость перемещения и соответственно медленнее перемещаются через дрейфовое пространство между стенками сепарационной камеры, задерживаются в ней и возвращаются в испаритель, обогащая очищаемый продукт. Предлагаемый аппарат позволяет по сравнению с известными аналогами повысить остроту сепарации на один или несколько порядков при разделении металлов с близким по величине давлением насыщенных паров.

На фиг. 1 представлен аппарат для разделения металлов дистилляцией в вакууме; на фиг.2 схема расположения щелевых прорезей на смежных кольцевых дисках-экранах.

Аппарат для разделения металлов дистилляцией в вакууме содержит подсоединенный к вакуумному насосу 1 осесимметричный корпус 2, в котором размещены испаритель 3 смеси жидких металлов с расположенными вокруг него нагревательными элементами 4, конденсатор 5, и экраны 6. Испаритель 3 смеси жидких металлов выполнен в виде кольцевой емкости, а конденсатор 5 в виде цилиндрического стакана 7 с кольцевой полостью-ловушкой 8 в торцевой стенке. Стакан 7 расположен соосно испарителю и состыкован с его наружной стенкой. Элементы нагревателя 4 могут располагаться и вокруг стакана 7 для подогрева его стенки. Экраны 6 изготовлены в виде кольцевых дисков, имеющих щелевые радиальные прорези 9 и установленных соосно и последовательно в ряд между испарителем 3 и кольцевой полостью-ловушкой 8 конденсатора. Кроме того, в корпусе 2 установлен барабан 10 с приводом 11 его вращения, расположенном с наружной стороны корпуса 2. Кольцевые диски-экраны 6 размещены вокруг барабана 10 с зазором (Н) относительно друг друга и прикреплены к нему посредством разъемных соединений 12. Диски-экраны 6 делят полость корпуса 2 на ряд последовательно расположенных сепарационных камер 13, 14, 15 и 16. Аппарат снабжен несколькими наборами перфорированных съемных кольцевых дисков-экранов 6 с разной шириной (Д) щелевых радиальных прорезей 9 в каждом наборе. Аппарат имеет систему масляного и водяного охлаждения привода 11 барабана, корпуса 2 и кольцевой полости-ловушки 8 (не показана). Перед началом работы на барабане 10 устанавливаются диски-экраны 6 с требуемой шириной (Д) прорезей 9, зазор (Н) между которыми устанавливается не менее ширины (Д) прорезей 9, т. е. Н Д. Кроме того, прорези 9 в каждом экране 6 расположены с последовательным смещением на одинаковый угол α (фиг.2). Причем где: V_вращ. линейная скорость вращения барабана 10; V_лин. скорость (пороговая) перемещения атомов парообразного металла, при которой осуществляется разделение смеси; R_ср расстояние от оси вращения до середины прорези 9.

После установки экранов 6 на барабане 10 их фиксируют разъемным соединением 12.

Устройство работает следующим образом. В испаритель 3 укладывают смесь разделяемых металлов, из корпуса 2 удаляют воздух и включают нагревательные элементы 4. После расплавления смеси металлов до жидкого состояния и доведения температуры в испарителе 3 до заданной температуры образования паров металла включают привод 11 барабана 10. При прохождении потока парообразной смеси металлов через прорези 9 нижнего экрана 6 происходит деление указанного потока на отдельные порции парообразной смеси металлов. При перемещении порций смеси металлов в сепарационной камере 13 происходит разделение содержащихся в них компонентов по скорости их перемещения в этой камере. Металл с меньшим атомным весом имеет большую скорость перемещения и соответственно быстрее пересекает (зазор Н) в камере 13 и успевает проскочить через прорезь 9 в следующую камеру 14. Металл с большим атомным весом имеет меньшую скорость перемещения, ударяется в экран 6 и за счет центробежных сил отбрасывается к цилиндрической стенке 7 конденсатора 5 и стекает по ней в испаритель 3, обогащая один из компонентов смеси металлов. Аналогично происходит разделение металлов по их скорости перемещения в камерах 14, 15 и 16. Последняя часть металла из сепарируемой порции, имеющая наибольшую скорость перемещения, попадает в кольцевую полость-ловушку 8, конденсируется и остается в указанной ловушке. Скорость вращения барабана 10 подбирается таким образом, чтобы получить металл в ловушке 8 требуемой чистоты при заданной температуре испарения смеси металлов. Для этого необходимо, чтобы щелевая прорезь верхнего экрана 6 в каждой сепарационной камере находилась на пути потока смеси парообразного металла через время t после попадания порции металла в эту сепарационную камеру: Нагревательный элемент 4, расположенный вокруг цилиндрического стакана 7, подогревает это стакан и барабан 10 для облегчения возврата конденсата металла в испаритель 3.

Пример реализации технологии разделения смеси металлов предлагаемым аппаратом Смесь металлов массой 10 г, в которую входит золото 90% и медь 10% помещают в графитовый испаритель 3. Корпус 2 аппарата вакуумируется до давления 10^-4мм рт. ст. Включают нагреватель 4, выполненный в виде индуктора, работающего на частоте 10 кГц и доводят температуру в испарителе 3 до 1500^oC. Далее включают привод 11 барабана 10, скорость вращения которого составляет 200 об/с. Барабан имеет диаметр 10 см, а прорези 9 на дисках-экранах 6 выполнены шириной Д 5 мм. Зазор между дисками-экранами 6 составляет 25 мм. Угол смещения прорезей 9 на экранах 6 составляет α=45° Средняя скорость перемещения атомов меди при температуре 1500^oC равна 700 м/с, а атомов золота 400 м/с.

Эффективность разделения исходной смеси металлов определяется выражением: где dN₁ и dN₂ приращение количества атомов разделяемых веществ в ловушке 8 конденсатора при одинаковой их концентрации в исходной смеси;
m₁ и m₂ атомный вес разделяемых веществ;
V_n скорость (пороговая) молекул вещества при которой происходит разделение паров металлов;
К постоянная Больцмана;
Т абсолютная температура.

Атомный вес меди m₁ 63, а золота m₂ 197. При выборе V_n 10³ м/с эффективность разделения исходной смеси золота и меди составляет:

Таким образом за один цикл сепарации в течение 1 ч степень очистки золота от исходной смеси составляет 99,995% Указанная степень очистки известными аппаратами для разделения металлов дистилляцией в вакууме не может быть достигнута, так как давления насыщенных паров меди и золота являются близкими по величине.

Формула изобретения

1. Аппарат для разделения металлов дистилляцией в вакууме, включающий подсоединенный к вакуумному насосу осесимметричный корпус с размещенным в нем испарителем смеси жидких металлов с расположенным вокруг него нагревательным элементом, конденсатор и экраны, отличающийся тем, что испаритель смеси жидких металлов выполнен в виде кольцевой емкости, конденсатор в виде цилиндрического стакана с кольцевой полостью-ловушкой в торцевой стенке, расположенного соосно испарителю и состыкованного с его наружной стенкой, а экраны выполнены в виде кольцевых дисков, имеющих щелевые радиальные прорези и установленных соосно и последовательно в ряд между испарителем и кольцевой полостью-ловушкой конденсатора, аппарат снабжен установленным в корпусе барабаном с приводом его вращения, а кольцевые диски расположены вокруг барабана с зазором относительно друг друга и прикреплены к нему посредством разъемных соединений.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что экраны выполнены в виде нескольких наборов перфорированных съемных кольцевых дисков с разной шириной щелевых радиальных прорезей в каждом наборе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2