Устройство для галогенирования твердого дисперсного сырья
Устройство относится к химической технологии неорганических веществ и может быть использовано для галогенирования во взвешенном слое природного и техногенного минерального сырья. Технический результат заключается в сохранении работоспособности устройства при повышенном содержании щелочных и щелочноземельных металлов в исходном сырье (более 1%) за счет ускорения процесса галогенирования частиц сырья и снижения вероятности их слипания. Для его достижения устройство содержит питатель (1), ультразвуковой или механический диспергатор (2) для получения тонкой суспензии дисперсного сырья в жидком галогенирующем агенте, подаваемом в диспергатор (2) через патрубок (5). Над диспергатором (2) расположен генератор аэрозоля (3), снабженный ультразвуковым распылителем (8) для распыления суспензии, патрубком (9) для ввода инертного газа-носителя, печью (10) для частичной сушки аэрозольных частиц, ультразвуковым излучателем (11) для фокусировки аэрозольных частиц в центральной части потока и получения аэрозоля с необходимым для галогенирования соотношением компонентов, патрубком (12) для отвода смеси паров галогенирующего агента и инертного газа-носителя из периферийной зоны в конденсатор (13) и диафрагмой (14) для вырезания центральной части потока аэрозоля в реактор галогенирования (4). При этом реактор (4) снабжен патрубком (15) возврата из конденсатора (13) инертного газа-носителя, а диспергатор (2) снабжен патрубком (18) возврата из конденсатора жидкого галогенирующего агента. 1 з.п. форм., 1 илл.
Полезная модель относится к производству галогенидов (хлоридов, фторидов, бромидов, йодидов) из твердого рудного сырья для извлечения из него целевых компонентов и касается устройства для конверсии соединений металлов и металлоидов в их галогениды.
Известен шахтный хлоратор непрерывного действия, состоящий из реактора (шахты), узлов подачи исходного сырья, отвода парогазовой смеси продуктов хлорирования и выгрузки огарка. В непрерывном режиме работы печи брикетированная или гранулированная шихта, представляющая собой механическую смесь измельченной руды и кокса, подается сверху, летучие продукты хлорирования в виде парогазовой смеси выводятся сверху, а выгрузка огарка осуществляется снизу [Зеликман А.Н., Коршунов Б.Г. Металлургия редких металлов. М.: Металлургия, 1991, стр.170-173].
Недостатком известного устройства является невозможность хлорирования сырья с содержанием щелочных и щелочноземельных металлов более нескольких процентов, при хлорировании которых образуются, как правило, жидкие нелетучие хлориды, в результате чего повышается вероятность слипания шихты и нарушение режима ее схода вдоль шахты печи.
Этого недостатка лишен хлоратор для хлорирования в солевом расплаве, состоящий из реактора с шамотной футеровкой для хлорирования шихты, узлов подачи шихты и хлора, отвода парогазовой смеси летучих продуктов и слива отработанного расплава [Зеликман А.Н., Коршунов Б.Г. Металлургия редких металлов. М.: Металлургия, 1991, стр.173-175].
Недостатком этого устройства является необходимость периодического вывода отработанного расплава с потерей части полезных продуктов.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является хлоратор кипящего слоя, принятый в качестве прототипа, содержащий реактор, питатель для подачи шихты в реактор, течку выгрузки огарка и газоход для отвода парогазовой смеси. В реакторе за счет потока рабочего газа, подаваемого снизу, формируется кипящий слой гранулированной шихты, представляющей собой смесь исходного сырья с коксом. Шихта непрерывно загружается сверху. Огарок выгружается снизу. Образующаяся при галогенировании парогазовая смесь выводится через свод реактора [Байбеков М.К., Попов В.Д., Чепрасов И.М. Производство четыреххлористого титана. М.: Металлургия, 1987, С.27-29, прототип].
Недостатком прототипа является невозможность хлорирования исходного сырья с содержанием щелочных и щелочноземельных металлов более 1% из-за повышения вероятности слипания шихты, образования свищей в кипящем слое и «проскока» хлора, что, в конечном итоге, приводит к снижению производительности реактора или к его остановке.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение эффективности устройства путем увеличения его производительности при расширении сырьевой базы за счет использования сырья с содержанием щелочных и щелочно-земельных металлов более 1%.
Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в обеспечении работоспособности реактора при использовании исходного сырья с повышенным содержанием щелочных и щелочноземельных металлов, более 1%, за счет ускорения процесса галогенирования частиц сырья и снижения вероятности их слипания.
Для решения поставленной задачи устройство для галогенирования твердого дисперсного сырья, включающее питатель для подачи измельченного сырья, реактор галогенирования, газоотводы и патрубок для отвода продуктов галогенирования, согласно полезной модели, дополнительно содержит последовательно установленные между питателем и реактором устройства, обеспечивающие формирование аэрозоля с необходимым для галогенирования составом компонентов, при этом в устройстве дополнительно установлен диспергатор, соединенный с питателем и патрубком подачи жидкого галогенирующего агента для получения суспензии частиц исходного сырья в жидком галогенирующем агенте и их дополнительного измельчения, над диспергатором установлен генератор аэрозоля, снабженный ультразвуковым распылителем для распыления указанной суспензии, патрубком для ввода инертного газа-носителя, печью для частичной сушки аэрозольных частиц, ультразвуковым излучателем для фокусировки аэрозольных частиц в центральной части потока и получения аэрозоля с необходимым для галогенирования соотношением компонентов, патрубком для отвода смеси паров излишков галогенирующего агента и инертного газа-носителя из периферийной зоны потока, конденсатором для отделения паров галогенирующего агента от инертного газа-носителя и диафрагмой для вырезания центральной части потока аэрозоля в реактор галогенирования, который снабжен в расположенной над диафрагмой зоне патрубком возврата из конденсатора инертного газа носителя, а диспергатор снабжен патрубком возврата из конденсатора жидкого галогенирующего агента.
Согласно полезной модели, в качестве диспергатора установлен ультразвуковой или механический диспергатор.
Благодаря указанным отличительным признакам в реактор поступают более мелкие частицы исходного сырья, что позволяет уменьшить скорость несущего потока, ускорить процесс галогенирования и снизить вероятность слипания частиц и, тем самым, - сохранить работоспособность устройства при повышенном содержании щелочных и щелочноземельных металлов в исходном сырье.
На чертеже схематично изображено устройство для галогенирования твердого дисперсного сырья.
Устройство для галогенирования твердого дисперсного сырья содержит питатель 1, ультразвуковой диспергатор 2, генератор аэрозоля 3 и реактор галогенирования 4. Диспергатор 2 содержит патрубок 5 для подачи жидкого галогенирующего агента, мешалку 6 для перемешивания исходного сырья с жидким галогенирующим агентом (ЖГА), и ультразвуковой излучатель 7 для дополнительного измельчения частиц суспензии. Генератор аэрозоля 3 содержит ультразвуковой распылитель суспензии 8, патрубок 9 для ввода инертного газа-носителя, печь 10 для частичной сушки аэрозольных частиц, ультразвуковой излучатель 11 для фокусировки аэрозольных частиц у оси потока, патрубок 12 для отвода смеси паров ЖГА и инертного газа-носителя из периферийной зоны потока, конденсатор 13 для конденсации паров ЖГА и диафрагму 14 для выделения центральной части потока. Реактор галогенирования содержит патрубок 15 для возврата очищенного от паров ЖГА инертного газа-носителя в поток аэрозоля, печь 16 для нагрева аэрозоля до температуры начала галогенирования, патрубок 17 для вывода продуктов галогенирования из реактора и патрубок 18 для возврата из конденсатора 13 ЖГА в диспергатор 2.
Работа устройства для галогенирования твердого дисперсного сырья осуществляется следующим образом.
Порошок исходного сырья при помощи питателя 1 и жидкий галогенирующий агент (ЖГА) через патрубок 5 поступают в диспергатор 2, где с помощью мешалки 6 происходит их перемешивание. В качестве ЖГА могут быть использованы, например, хлоруглеродные (CCl 4, C2Cl4), фторуглеродные, бром- или бромуглеродные (CH2Br2) соединения.
Образовавшаяся пульпа поступает в верхнюю зону диспергатора 2, в которой происходит дополнительное измельчение частиц твердой фазы под действием ультразвукового излучения, создаваемого ультразвуковым излучателем 7, вместо которого может быть использовано механическое измельчающее устройство (в механическом варианте диспергатора). Скорость потока ЖГА устанавливается такой, чтобы из диспергатора выносилась только измельченная до требуемой крупности часть сырья (частицы микронного и субмикронного размера). Более крупные частицы за счет высокой скорости седиментации остаются в диспергаторе до тех пор, пока не будут измельчены до требуемого размера. Получившаяся тонкая суспензия поступает в генератор аэрозоля 3. Акустические колебания, создаваемые ультразвуковым распылителем суспензии 8, фокусируются вблизи поверхности суспензии, что приводит к образованию факела, генерирующего аэрозоль в инертном газе-носителе (Аг), подаваемом в генератор аэрозоля 3 через патрубок 9. Аэрозоль состоит из капелек, которые представляют собой тонкую суспензию сырья в ЖГА. Для повышения эффективности использования галогенирующего агента и устранения сажеобразования в верхней зоне генератора аэрозоля 3 производится удаление избытка ЖГА. Для этого при помощи печи 10 производится частичная сушка капель аэрозоля. Излишек ЖГА в виде пара переходит в газовую фазу. При помощи ультразвукового излучателя 11 подсушенные частицы аэрозоля концентрируются вблизи оси потока и вырезаются из него диафрагмой 14. Смесь паров ЖГА и инертного газа-носителя из периферийной зоны потока, через патрубок 12 отводится в конденсатор 13. Сконденсированный в конденсаторе 13 пар ЖГА возвращается обратно в диспергатор 2 через патрубок 18, а инертный газ-носитель, очищенный от паров ЖГА, возвращается в поток аэрозоля через патрубок 15. Вырезанный диафрагмой 14 поток аэрозоля, с химическим составом исходных реагентов близким к стехиометрическому для реакции галогенирования, поступает в реактор 4, где при помощи печи 16 происходит нагрев аэрозоля и инициирование процесса галогенирования твердой фазы (частиц сырья). Образующиеся продукты представляют собой гетерогенную газовую систему, состоящую из инертного газа, паров галогенидов веществ, входящих в состав исходного сырья, смесь CO, CO 2, частиц твердого остатка и высококипящих галогенидов. Через патрубок 17 они выводятся из реактора и поступают на дальнейшую переработку.
Поскольку в данном устройстве размеры частиц дисперсной фазы существенно меньше, чем размеры частиц в обычном кипящем слое, отпадает необходимость использования интенсивных турбулентных газовых потоков для поддержания частиц во взвешенном состоянии и эффективного протекания гетерогенных реакций. В результате существенно снижается вероятность столкновения и слипания частиц при галогенировании сырья с содержанием щелочных и щелочноземельных металлов более 1%, что позволяет сохранить работоспособность устройства.
1. Устройство для галогенирования твердого дисперсного сырья, включающее питатель для подачи измельченного сырья, реактор галогенирования, газоотводы и патрубок для отвода продуктов галогенирования, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит последовательно установленные между питателем и реактором устройства, обеспечивающие формирование аэрозоля с необходимым для галогенирования составом компонентов, при этом в устройстве дополнительно установлен диспергатор, соединенный с питателем и патрубком подачи жидкого галогенирующего агента для получения суспензии частиц исходного сырья в жидком галогенирующем агенте и их дополнительного измельчения, над диспергатором установлен генератор аэрозоля, снабженный ультразвуковым распылителем для распыления указанной суспензии, патрубком для ввода инертного газа-носителя, печью для частичной сушки аэрозольных частиц, ультразвуковым излучателем для фокусировки аэрозольных частиц в центральной части потока и получения аэрозоля с необходимым для галогенирования соотношением компонентов, патрубком для отвода смеси паров излишков галогенирующего агента и инертного газа-носителя из периферийной зоны потока, конденсатором для отделения паров галогенирующего агента от инертного газа-носителя и диафрагмой для вырезания центральной части потока аэрозоля в реактор галогенирования, который снабжен в расположенной над диафрагмой зоне патрубком возврата из конденсатора инертного газа носителя, а диспергатор снабжен патрубком возврата из конденсатора жидкого галогенирующего агента.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве диспергатора установлен ультразвуковой или механический диспергатор.
