2.3 Аппараты с пневмомеханическим перемешиванием

Для интенсификации перемешивания и аэрации пульпы применяют реакторы с пневмомеханическим перемешиванием. На рис. 6 приведена конструкция реактора с центральным механическим перемешивающим устройством (импеллер) и периферическими аэролифтами.

Рис. 6. Аппарат с пневмомеханическим перемешиванием (с периферическими аэролифтами):

1 - патрубок для ввода пульпы; 2 - аэролифты; 3 - импеллерная труба; 4 - пропеллерная мешалка;

5 - трубки для подвода воздуха.

Аэролифты соединены с верхней частью приемной трубы. При подаче воздуха в аэролифты пульпа поднимается по ним вверх и попадает в приемную трубу, откуда она разбрасывается мешалкой по объему аппарата и вновь попадает в аэролифтные трубы. В приемной трубе происходит сильное пенообразование, которое способствует интенсивной аэрации пульпы и сопровождается увеличением объема последней в аппарате на 5 – 10 %.

В аппаратах с пневмомеханическим перемешиванием достигается высокая равномерность перемешивания. При согласованном действии механического и пневматического перемешивающих устройств расходуется небольшое количество энергии.

3. Автоклавное выщелачивание. Виды автоклавов.

Одним из важнейших факторов интенсификации процессов выщелачивания является повышение температуры.

При нормальном давлении температуру раствора нельзя поднять выше точки кипения (100-105⁰С, в зависимости от концентрации). Для достижения более высокой температуры раствора нужно использовать герметичные сосуды, выдерживающие давление насыщенного пара воды над раствором при заданной температуре или суммарное давление пара и газов, если в процессе участвуют газы.

Автоклавы – герметические реакторы, работающие при давлении до 10-16 МПа и температурах до 300⁰С.

Теоретически максимальная температура выщелачивания в автоклаве соответствует критической точке воды (T = 547, 3 К или 274, 3⁰С при давлении 22,1 мПа).

Назначение автоклава – обеспечить возможность проведения выщелачивания при температуре выше 100⁰С, т.е при повышенном давлении.

Реально выщелачивание проводят при t = 150 – 250⁰С, давление насыщенного пара ~ 3 мПа; в последние годы разработаны процессы, рассчитанные на 275-300 ⁰С, давление до 6-7,5 мПа и выше (10-16 мПа).

Повышение температуры:

- ускоряет процесс вследствие увеличения скорости химической реакции и скорости диффузии (внешней и внутренней) реагентов; это окупает затраты на конструкции автоклавов.

- для эндотермических реакций сдвигает равновесие в благоприятную сторону, что уменьшает необходимый избыток реагентов.

Можно выделить две группы автоклавных процессов.

I группа – это процессы , в которых не участвуют газообразные реагенты и в которых повышенное давление обеспечивает проведение процесса выщелачивания при температуре выше кипения раствора.

Для проведения таких процессов применяют цилиндрические горизонтальные или вертикальные автоклавы, в которых для нагревания пульпы, ее перемешивания и транспортирования используют острый пар. Реже для перемешивания используют воздух, а обогрев аппарата осуществляют через стенку.

Данные типы автоклавов широко используется для содового выщелачивания бокситов (Al₂O₃·n H₂O + примеси кремнезема и др.) или шеелитовых концентратов.

Аппаратурно-технологическая схема процесса состоит из трех основных элементов – аппарата для предварительного нагрева пульпы, горизонтального или вертикального автоклава и аппарата (самоиспарителя) для сброса давления, первичного охлаждения пульпы и отбора вторичного пара для утилизации тепла (рис. 7).

Автоклавы и самоиспарители изготовляют из высококачественных сталей, предохранительными клапанами, патрубками уплотнениями для впуска и выпуска пульпы, запорной арматурой, устройствами для предохранения днища и стенок от гидравлических ударов высокого давления и другими приспособлениями.

Непрерывное выщелачивание обычно проводят в каскаде из однотипных автоклавов, поэтому автоклавная установка для выщелачивания бокситов состоит из нескольких соединённых между собой автоклавов. При непрерывной работе подогретая в реакторе 12 пульпа насосом нагнетается в 1-ый автоклав при давлении 3,5-4,5 МПа и температуре до 150С, а из последнего автоклава выгружается в сепаратор-самоиспаритель 5.

Сепаратор-самоиспаритель предназначен для отделения пара от горячей пульпы. Выгрузка пульпы производится через патрубок вывода пульпы 9. Для рационального использования энергии теплоносителя исходную пульпу перед выщелачиванием предварительно нагревают вторичным паром, получаемым в результате охлаждения пульпы в сепараторе.

Р ис. 7. Аппаратурная схема установки автоклавного выщелачивания с горизонтальным автоклавом (а)

и схема вертикального автоклава (б) с обогревом и перемешиванием острым паром: I – исходная

пульпа, II – пульпа на дальнейшую переработку: 1 – корпус автоклава; 2 – загрузочный патрубок

(в горизонтальном автоклаве по нему же подается острый пар); 3 – патрубок для вывода пульпы

из автоклава; 4 – патрубок для подачи острого пара; 5 – самоиспаритель; б – каплеотделительное

устройство; 7 – ввод пульпы в самоиспаритель; 8 – отбойник из броневой стали; 9 – патрубок для

вывода пульпы; 10 – сборник пульпы; 11 – насос; 12 – реактор для предварительного нагрева пульпы.

II группа – процессы выщелачивания, протекающие с участием газообразных реагентов (чаще с кислородом). Здесь важно, что осуществление процесса в автоклаве при температуре более 120⁰С позволяет обеспечить высокую концентрацию газа в растворе, а, следовательно, и большую скорость реакций и диффузии.

Примерами процессов этой группы являются карбонатное выщелачивание урановых руд, содержащих UО₂, а также сернокислотное выщелачивание урановых руд (настурана, уранинита), содержащих сульфиды, под давлением. Кислород в этих процессах выступает в роли окислителя – в присутствии катализаторов он участвует в окислении U (IV) до U (VI), соединения которого быстро и легко переходят в выщелачивающий раствор. Повышенное давление увеличивает концентрацию О₂ в пульпе и ускоряет процесс.

Для проведения процессов II группы широкое применение на ГМЗ Украины нашли:

1. автоклавы механические горизонтальные (АМГ) и вертикальные (АМВ);

2. автоклавы пневматические вертикальные (АПВ) – ГМЗ ВостГОКа.

При выборе типа автоклава следует учитывать что автоклавы типа АПВ (по сравнению с автоклавами типа АМВ и АМГ) более экономичны по стоимости, металлоёмкости, расходу электроэнергии, затратам на эксплуатацию и ремонт.

Горизонтальные 3-4-секционные автоклавы с механическим перемешиванием пульпы, работающие под повышенным давлением О₂ или воздуха, представлены на рис. 8. Для перемешивания используют импеллерные или турбинные мешалки, которые одновременно играют роль диспергаторов О₂ в пульпе. Нагрев пульпы в этом случае производят теплоносителем через стенку или электронагревателями, находящимися внутри автоклава.

При выщелачивании урановых руд один многосекционный автоклав может заменить каскад из четырех пачуков с одновременным резким сокращением расхода реагентов, времени выщелачивания, исключением применения окислителей и повышением извлечения U.