2.2. Оборудование для выщелачивания и переработки растворов
Выщелачиванием называется процесс извлечения одного или нескольких составляющих твердого материала растворением его в жидком растворителе. Одновременно с выщелачиванием осуществляют также ряд других операций, связанных с переработкой полученных пульп и растворов.
Конструкция аппаратуры, применяемой при выщелачивании, определяется особенностями процесса – периодичностью или непрерывностью, температурным режимом и свойствами растворителей.
Периодический процесс выщелачивания характеризуется значительными затратами ручного труда, поэтому на современных предприятиях в большинстве случаев применяют непрерывные процессы.
Для осуществления процесса выщелачивания материалов при температуре, не превышающей 110 0С, используют агитаторы различных конструкций, трубчатые выщелачиватели, диффузоры, перколяторы.
При необходимости ведения процесса при температурах свыше 110 0С (в ряде случаев для ускорения процесса), применяют автоклавы различных конструкций.
2.2.1. Перемешивающие устройства
Несмотря на разнообразие технологических, целей, для которых применяют перемешивание, его назначение сводится к улучшению тепло- и массообмена, получению равномерных смесей нескольких жидкостей, жидкости и твердого тела, жидкости и газа. Основная задача перемешивания – равномерное распределение вещества или температуры в перемешиваемом объеме. Иногда перемешивание служит для эмульгирования одной жидкости в другой или диспергирования твердой фазы, а иногда для создания высоких скоростей среды около теплообменных поверхностей с целью интенсификации теплообмена.
Рис. 77. Перемешивающие устройства основных типов: а – лопастное; б – рамное; в – якорное; г – листовое; д – турбина открытого типа; е – турбина закрытого типа; ж - пропеллерное
Существуют три способа перемешивания: механическое, пневматическое и циркуляционное. На рис. 77 показаны основные типы устройств основных типов, используемых при механическом перемешивании.
В зависимости от частоты вращения перемешивающие устройства условно делят на тихоходные (лопастные, рамные, якорные и листовые) и быстроходные (турбинные и пропеллерные). Быстроходные имеют частоту вращения более 8 – 10 с-1.
Лопастные устройства относят к группе тихоходных. Их недостаток – малая интенсивность перемешивания и отсутствие значительных вертикальных потоков, вследствие чего их не рекомендуют применять для перемешивания тяжелых осадков и работы с расслаивающимися системами. Устройства просты по конструкции, обеспечивают удовлетворительное перемешивание при работе с вязкими пульпами. Для улучшения осевого перемешивания используют устройства с наклонными лопастями.
Рабочие параметры – отношение диаметра d лопастей к диаметру D аппарата 0,55 – 0,7; окружная скорость конца лопастей 1,5 – 5,0 м/с; вязкость перемешиваемой среды до 3 Паּс.
Рамные устройства рассматривают как разновидность лопастных, состоящих из двух горизонтальных лопастей, соединенных несколькими горизонтальными планками. Они обеспечивают удовлетворительное перемешивание пульп с большой вязкостью (до 10 Паּс) в агитаторах большой вместимости (до 100 м3). Отношение d/D = 0,65 – 0,8; окружная скорость 0,5 – 5 м/с.
Якорные устройства повторяют очертания аппарата, зазор между стенками и лопастями минимальный (d/D = 0,85 – 0,98). Лопасти таких мешалок создают интенсивное перемешивание непосредственно около стенок и очищают их от налипшего осадка. Для особо вязких пульп (~ 10 Паּс) применяют устройства с дополнительными вертикальными планками.
Общие недостатки всех тихоходных устройств – громоздкость, значительные пусковые перегрузки, необходимость применения редукторов с большим передаточным отношением.
Листовые устройства применяют сравнительно редко, в основном для маловязких жидкостей (до 0,05 Паּс). Для улучшения перемешивания в лопастях делают отверстия.
Турбинные устройства – это быстроходные машины, работающие по принципу центробежного насоса. В отличие от описанных выше, сообщающих пульпе в основном круговое движение, турбинные устройства сообщают радиальное движение. По конструкции турбины делают открытыми и закрытыми. Закрытые турбины по оформлению мало отличаются от колеса центробежного насоса и подразделяются на устройства одно- и двухстороннего всасывания. Открытая турбина представляет собой диск с радиально расположенными лопатками, конструкция ее проще и поэтому применяется чаще.
Турбинные устройства обеспечивают весьма интенсивное перемешивание. Их можно применять при широком диапазоне вязкостей и плотностей перемешиваемых жидкостей, для подъема тяжелых суспензий, получения эмульсий, при химических процессах и др. Не рекомендуется использовать турбинные устройства для аппаратов большой вместимости. В аппаратах с турбинами обязательно установка отражательных перегородок (вертикальных планок, которые устанавливают радиально около стенок аппарата); если они отсутствуют, то образуется глубокая воронка, иногда достигающая дна аппарата, и перемешивание ухудшается. Обычно устанавливают четыре перегородки в виде радиально расположенных вертикальных планок шириной не более 0,1 D.
Рабочие параметры: d/D = 0,25 – 0,33; окружная скорость вращения 2,5 – 12 м/с, вязкость пульпы до 40 Паּс.
Пропеллерные устройства создают в аппарате значительные осевые потоки жидкости. Расстояние между двумя соседними витками винтовой линии на среднем диаметре называют шагом винта. Чем больше угол подъема лопасти, тем значительнее осевые потоки, но одновременно возрастает расход мощности на перемешивание. Пропеллерные устройства применяют для химических процессов растворения, эмульгирования, взмучивания и во многих других случаях. Для упорядочения потоков жидкости в аппарате и увеличения насосного действия пропеллера его целесообразно устанавливать внутри диффузора (направляющей трубы). Применяют пропеллеры различных видов. В некоторых случаях их конструируют по типу воздушных пропеллеров с узкими лопастями, в других – по типу судовых гребных винтов с лопастями овальной формы. Пропеллеры некоторых конструкций имеют лопасти с прямыми кромками. Чтобы сохранить одинаковый шаг винта по всей длине лопасти, раньше лопасти изготовляли изогнутыми, т.е. уменьшали их угол наклона по мере увеличения диаметра. В настоящее время лопасти в некоторых случаях делают с прямыми, что существенно облегчает их изготовление. Пропеллерные устройства не применяют в аппаратах с плоским дном, так как в углах образуются застойные зоны.
Рабочие параметры пропеллерных устройств практически такие же, как у турбин, но окружная скорость вращения может достигать 16 м/с.
Устройства специальных типов. Наряду с перечисленными устройствами массового применения имеются различные специфические конструкции, например, всасывающие (импеллерные) и цепные перемешивающие устройства.
Импеллерные устройства обеспечивают хороший контакт газа с жидкостью при одновременном интенсивном перемешивании (рис. 78). Вал помещен внутри трубы, по которой подается воздух под небольшим избыточным давлением (в некоторых конструкциях воздух всасывается при вращении импеллера). На валу предусмотрен ряд лопастей, а на конце трубы установлен статор с лопастями. Наличие двух рядов лопастей (подвижного и неподвижного) обеспечивает хорошее перемешивание жидкости и газа. Для перемешивания особо вязких жидкостей применяют планетарные устройства. Лопасти их совершают сложное движение – вращение вокруг собственной оси и вращение вала вокруг оси аппарата. Взаимодействие двух движений приводит к тому, что лопасти описывают сложную траекторию. Недостатком планетарных устройств является многоступенчатый привод.
Цепное перемешивающее устройство (рис. 79) представляет собой центральный вал с траверсой, к которой на цепях подвешены волокуши из стальных блюмов или рельсов тяжелого профиля, и предназначено для хранения пульп с низким содержанием твердых веществ. Частота вращения вала в аппаратах малого объема составляет 7 – 10 мин-1, а в аппаратах большой вместимости 3 – 4 мин-1.
При выборе типа перемешивающего устройства необходимо учитывать не только его форму, но и создаваемые им потоки. Например, лопастное устройство с прямыми лопастями при большой частоте вращения создает значительные радиальные потоки, т.е. работает как турбинное. Лопастное устройство с наклонными лопастями при большой частоте вращения и значительном угле наклона лопастей приближается по своему режиму работы к пропеллерным.
Перемешивающие устройства обычно устанавливают по оси аппарата, однако практика показывает, что небольшой эксцентриситет при установке существенно не влияет на качество перемешивания. В сосудах большой вместимости устанавливают несколько валов, располагая их равномерно по площади аппарата. Если требуется не столь интенсивное перемешивание, а лишь незначительная циркуляция жидкости в большом объеме, возможна установка перемешивающих устройств сбоку от аппарата. Если высота аппарата велика по сравнению с его диаметром, то на одном валу устанавливают несколько устройств (два, три, а иногда и четыре). Перемешивающие устройства изготовляют из различных металлических и неметаллических материалов с достаточной механической прочностью. Наиболее распространены стальные сварные конструкции. Устройства сложной конфигурации отливают из чугуна. Реже для их изготовления применяют цветные металлы и пластмассы.
Рис. 78. Перемешивающее устройство импеллерного типа: 1 – труба; 2 – надимпеллерный диск; 3 - импеллер |
Рис. 79. Цепная мешалка: 1 –корпус; 2 – труба сифона; 3 – редуктор; 4 – электродвигатель; 5 – волокуша; 6 – вал; 7 – цепи; 8 – корпус подшипника |
В простейших конструкциях лопасти приваривают непосредственно к валу. Однако, как правило, рабочие элементы крепят на валу с помощью разъемных соединений.
Пневматическое перемещение является малоинтенсивным процессом и применяется в тех случаях, когда по каким-либо причинам невозможно механическое или требуется обеспечить контактирование жидкой среды с газовой фазой.
Перемешивание сжатыми газами осуществляют в аппаратах, снабженных специальными устройствами – барботером или центральной аэролифтной трубой. Барботер представляет собой расположенные по дну аппарата трубы с отверстиями, через которые осуществляется барботаж газа (рис. 80, а). При аэролифтном перемешивании газ попадает в центральную трубу (рис. 80, б). Пузырьки газа увлекают за собой находящуюся в трубе пульпу, которая затем опускается вниз в кольцевом промежутке между стенками аппарата и трубой, обеспечивая перемешивание.
Рис. 80. Схемы устройства для пневматического перемешивания: а – виды барботеров; б – аппарат с центральной аэролифтной трубой; 1 – центральная секционированная труба; 2 – корпус аппарата
В аппаратах с переменным уровнем пульпы целесообразно устанавливать секционные аэролифты, у которых труба разделена на секции. При изменении уровня пульпы соответственно изменяется уровень подъема газопульповой смеси. Подобная система позволяет оптимизировать расход электроэнергии, который при пневматическом перемешивании весьма значителен.
Аэролифтное перемешивание широко применяют в резервуарах больших диаметров (коррекционные и сборные бассейны, декомпозеры и др.). Для более равномерного перемешивания устанавливают на равном расстоянии три – четыре периферийных аэролифта. Кроме перемешивающих аэролифтов, аппараты большой вместимости снабжены транспортными аэролифтами для перекачивания пульпы.
Расход воздуха при перемешивании достаточно плотных пульп составляет 0,9 – 1,2 м3/мин на 100 м3 объема. В зависимости от высоты резервуара давление воздуха колеблется в пределах 0,12 – 0,4 МПа.
Пневмомеханическое перемешивание применяют для перемешивания пульп с высоким содержанием песковых фракций и в случае, когда необходимо достаточно интенсивное перемешивание при небольшом расходе газового реагента.
Конструкции механических устройств для такого перемешивания могут быть различными. Например, цепные устройства с центральным аэролифтом при частоте вращения 2,5 – 3,7 мин-1, требуют давление воздуха 0,06 – 0,22 МПа; пропеллерные (или импеллерные) с периферийным аэролифтом работают при частоте вращения 130 – 200 мин-1 с расходом газовой фазы 0,5 – 1,5 мз/мин. Можно подвести газовую фазу для барботажа также под турбинные, лопастные и другие перемешивающие устройства.