Аппаратурно-технологический комплекс для производства оксигидратов и оксидов металлов

Предлагаемая полезная модель относится к области химической технологии, и в частности к применяемым в технологии неорганических веществ технологическим комплексом, установкам, отделениям для производства оксигидратов и оксидов металлов, преимущественно оксида циркония ZrO₂, используемого при получении материалов для радиоэлектроники. Задачей предлагаемой полезной модели "Аппаратурно-технологического комплекса для производства оксигидратов и оксидов металлов" является обеспечение условий получения диоксида циркония, по своему качеству пригодного для производства радиокерамики и создание условий, обеспечивающих переработку, обезвреживание и утилизацию газообразных и жидких отходов и промпродуктов, образующихся в процессе синтеза диоксида циркония. Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемой полезной модели заключается в снижении степени соосаждения примесей посторонних металлов в процессе синтеза диоксида циркония и предотвращении потерь исходного сырья с отходами производства - за счет получения дополнительной товарной продукции. Поставленная задача решается с достижением вышеуказанного технического результата предлагаемой полезной моделью - "Аппаратурно-технологическим комплексом для производства оксигидратов и оксидов металлов", включающим в себя (см. рис.): бак с мешалкой для приготовления исходного раствора, соединенный с реактором гидролиза, орошаемый скруббер, фильтровальное оборудование, сборник фильтратов, прокалочную печь, сборник товарных продуктов и систему затаривания. Новым в предлагаемом техническом решении - полезной модели

"Аппаратурно-технологический комплекс для производства оксигидратов и оксидов металлов" является то, что бак для приготовления исходных растворов снабжен загрузочным конусом, направленным в один из патрубков на верхней крышке бака, реактор гидролиза имеет обогреваемую рубашку и перемешивающее устройство, а один из патрубков на верхней крышке реактора имеет герметичное соединение со скруббером, орошаемым через разбрызгивающее устройство известковым молоком из циркуляционного бака с помощью циркуляционного насоса, циркуляционный бак имеет соединение через патрубок нижнего слива и запорную арматуру со сборной емкостью раствора хлорида кальция, патрубок нижнего слива реактора гидролиза соединен через запорную арматуру с обогреваемым реактором с мешалкой для очистки гидролизованного раствора от примесей посторонних металлов, реактор снабжен диспергатором аммиачно-воздушной смеси и закрепленным на крышке реактора штангой с электродами, подсоединенными к рН метру, имеющему запорное регулирующее сопряжение с линией подачи в реактор аммиачно-воздушной газовой смеси, слив из реактора для очистки раствора от примесей имеет соединение через нижний слив с обогреваемым реактором, с мешалкой для переработки и нейтрализации сгущенной пульпы и реактором для синтеза высокочистого оксигидрата циркония, реакторы нейтрализации пульпы и синтеза оксигидрата циркония снабжены диспергаторами аммиачно-воздушной смеси, соединенными с линией подачи аммиачно-воздушной смеси, выходящей из верхней части обогреваемого реактора, заполненного аммиачной водой и снабженного диспергатором сжатого воздуха, патрубок нижнего слива реактора для переработки сгущенной пульпы, через запорное устройство соединен с нутч-фильтром для выделения из пульпы осадка оксигидрата циркония с примесями посторонних металлов, слив маточного раствора и промвод из нутч-фильтра направлен в бак-сборник раствора хлорида аммония, нутч-фильтр соединен с последовательно-установленными гранулятором и сборником готового продукта, патрубок нижнего слива

реактора для очистки раствора от примесей имеет также соединение с реактором синтеза целевого продукта, имеющего обогреваемую рубашку, мешалку и диспергатор аммиачно-воздушной смеси, патрубок нижнего слива реактора соединен с фильтром после которого расположены сушильная камера, прокалочная печь и сборник готового продукта - оксида циркония и система затаривания.

Предлагаемая полезная модель относится к области гидрометаллургии цветных металлов и химической технологии неорганических веществ и может быть использована для производства оксигидратов и оксидов металлов, преимущественно оксигидрата и оксида циркония, используемых, соответственно при получении неорганических сорбентов, коллекторов, носителю для катализаторов и материалов для радиокерамики.

Известен аппаратурно-технологический комплекс для осаждения из водных растворов труднорастворимых соединений, металлов в том числе оксигидратов и оксидов металлов (Процессы и аппараты цветной металлургии / Под ред. С.А.Набойченко, Екатеринбург, Изд. УГТУ, 1997, с.414-417), включающий сборник исходных растворов, реактор осаждения, фильтр, сгуститель, сборник осветленных растворов, сборник сгущенной пульпы, фильтр, сборник фильтрата, репульпараторы кека (осадка), сборник промвод и сборную емкость целевого продукта - осадка (кека) оксигидратов и/или гидратированных оксидов металлов.

Недостатком известного аппаратурно-технологического комплекса является неудовлетворительное качество получаемых продуктов при переработке тетрахлорида циркония и получения диоксида и/или оксигидрата циркония, а также загрязнения окружающей среды - водного и воздушного бассейна, образующими отходами производства. Указанные недостатки известного аппаратурно-технологического комплекса обусловлены отсутствием в составе комплекса необходимого оборудования для получения высококачественного диоксида циркония, пригодного для производства радиокерамики и отсутствие оборудования для обезвреживания и утилизации

отходящих газов, образующихся в процессе синтеза оксигидрата и диоксида циркония и для нейтрализации маточных растворов и промвод.

Этими же недостатками обладают известные технологические комплексы, переделы, отделения и установки для получения различных гидроксидов, оксигидратов и оксидов металлов при комплексной переработки, обезвреживание и дезактивации отходов производства (Патенты РФ на ПМ №37100; №41019; 41020 и др.). Известные полезные модели обеспечивают получение смешанных и/или индивидуальных гидроксидов и оксидов железа, хрома, марганца, меди на основе использования комплекса гидрометаллургического оборудования для осуществления операций осаждения, фильтрования, промывки, сушки и/или прокалки.

Из известных аналогов наиболее близким по технологической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является известный Аппаратурно-технологический комплекс для производства различных оксигидратов и оксидов металлов и, в частности оксигидрата и диоксида титана (Е.Ф.Беленький и И.В.Рискин. Химия и технология пигментов. Ленинград, Изд. "Химия", 1974, с.123-152) - принят за ПРОТОТИП.

Аппаратурно-технологический комплекс по прототипу включает в себя: следующее основное баковое и фильтровое оборудование. Однако без учета оборудования для дробления, измельчения и разложения, т.е. "вскрытие" ильменитовых концентратов, очистки растворов титанилсульфата от сульфата железа и т.п. Сборник "чистого" раствора сульфата титана, вакуумные выпарные аппараты, сборник упаренного раствора, напорные баки, сборники и мерники раствора гидроксида натрия, аппарат для приготовления "зародышей" (ТiO ₂, nН₂O) из тетрахлорида титана, мерник для "зародышей"; скруббер, орошаемый водой, мерники для соляной кислоты и тетрахлорида титана, аппарат для гидролиза (реактор синтеза диоксида титана), сборник пульпы (суспензии) после гидролиза, узел для приготовления и подачи древесной муки (с целью улучшения фильтрования TiO₂, nН ₂О), система

барабанных вакуум-фильтров, сборники фильтратов (кислых сернокислых растворов), прокалочная барабанная вращающаяся печь с пылеулавливающей камерой, холодильный барабан, система улавливания пылевой фракции TiO₂ при разгрузке печи и холодильного барабана, бункер-сборник товарного диоксида титана, система затаривания TiO₂ в мешки, включающая полуавтоматические весы и электрокар. Известный аппаратурно-технологический комплекс позволяет получать диоксид титана по своему качеству соответствует ТУ и ГОСТ на TiO ₂ - пигментной (анатазной и/или рутильной) модификации. Однако совокупность оборудования входящего в состав комплекса не обеспечивает получения диоксида циркония, пригодного в производстве радиокерамики. Другим недостатком аппаратурно-технологического комплекса по прототипу является отсутствие в составе комплекса специального оборудования, аппаратов, установок, узлов для очистки газовых выбросов от токсичных веществ и для обезвреживания и утилизации кислых, сточных вод - маточных растворов и промвод, образующихся в процессе синтеза оксигидратов и диоксида циркония.

Задачей предлагаемого технического решения - полезной модели является обеспечение условий получения диоксида циркония, по своему качеству пригодного для производства радиокерамики. Задачей предлагаемой полезной модели является также создание условий, обеспечивающих переработку, обезвреживание и утилизацию газообразных и жидких отходов и промпродуктов, образующихся в процессе синтеза диоксида циркония.

Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемой полезной модели заключается в снижении степени сосаждения примесей посторонних металлов в процессе синтеза диоксида циркония и предотвращении потерь исходного сырья с отходами производства за счет получения дополнительной товарной продукции.

Поставленная задача решается с достижением вышеуказанного технического результата предлагаемой полезной моделью -

"Аппаратурно-технологическим комплексом для производства различных оксигидратов и оксидов металлов", включающим в себя (см. рис.):

- бак с мешалкой для приготовления исходного раствора (1), соединенный с реактором гидролиза (2);

- орошаемый скруббер (3) - для очистки и обезвреживания отходящих из реактора гидролиза отходящих газов;

- фильтровальное оборудование (4, 5) для выделения из пульпы оксигидратов металлов;

- сборники фильтратов (6, 7);

- прокалочную печь (8);

- сборники товарных продуктов (9, 10) - оксигидратов и оксидов металлов;

- систему затаривания товарных продуктов (11-1 и 11-2).

Новым в "Аппаратурно-технологическом комплексе для производства оксигидратов и оксидов металлов" является то, что:

- бак для приготовления исходных растворов (1) снабжен загрузочным конусом (12), направленным в один из патрубков на верхней крышке бака;

- реактор гидролиза (2) имеет обогреваемую рубашку и перемешивающее устройство, а один из патрубков на верхней крышке реактора имеет герметичное соединение со скруббером (3), орошаемым через разбрызгивающее устройство известковым молоком из циркуляционного бака (14) с помощью циркуляционного насоса (14-1), циркуляционный бак (14) имеет соединение через патрубок нижнего слива и запорную арматуру со сборной емкостью раствора хлорида кальция - для последующей отгрузки этого раствора потребителям;

- патрубок нижнего слива реактора гидролиза (2) соединен через напорную арматуру с обогреваемым реактором с мешалкой для очистки гидролизованного раствора от примесей посторонних металлов (15), снабженным диспергатором (16-1), аммиачно-воздушной смеси, и закрепленной на крышке реактора штангой с электродами, подсоединенной с

рН-метром (18), имеющим запорно-регулирующее сопряжения (19) с линией подачи в реактор аммиачно-воздушной газовой смеси (20);

- слив из реактора (15) для очистки гидролизованного раствора от примесей имеет через нижний слив соединения с реактором (21) для переработки сгущенной пульпы и обогреваемым реактором с мешалкой (22) синтеза высокочистных оксигидратов циркония, реакторы (21,22) снабжены мешалками и диспергаторами (14-2, 14-3) аммиачно-воздушной газовой смеси, соединенными с линией (20) подачи аммиачно-воздушной смеси, выходящей из верхней части обогреваемого реактора (23) заполненного аммиачной водой и снабженного диспергатором (16-4) сжатого воздуха;

- патрубок нижнего слива реактора (21) для переработки сгущенной пульпы (образованной в реакторе (15) при очистке исходного раствора от примесей) через запорное устройство соединен с нутч-фильтром (24), предназначенным для выделения из пульпы осадка оксигидрата циркония с примесями других посторонних металлов, присутствующих в исходном растворе: слив маточного раствора и промвод из нутч-фильтра (24) направляют в бак-сборник (6) раствора хлорида аммония для последующей его утилизации отгрузки потребителям;

- нутч-фильтр (24) соединен с последовательно-установленным гранулятором (25), сборником (10) готового (товарного) продукта используемого или реализуемого для производства селективных неорганических гранулированных сорбентов и/или гранулированных неорганических катализаторов органического синтеза (после соответствующей модификации полученного оксигидрата циркония, выполняющего в данном случае функцию инертного носителя катализатора;

- обогреваемый реактор синтеза оксигидрата циркония (22), снабженный мешалкой, диспергатором аммиачно-воздушной смеси (16-2), соединен через запорную арматуру со сборником оксигидрата пульпы слив из которого направлен на фильтр (5) для отделения твердой фазы - влажной пасты очищенной от примесей посторонних металлов оксигидрата циркония от

маточного раствора - (раствора хлорида аммония), который направляют вместе с промводами в сборник (7) для последующей утилизации и/или реализации. Фильтр (5) - (нутч-фильтр или фильтр-пресс или барабанный вакуум-фильтр) через разгрузочное устройство (27) соединен с сушильной камерой (28), установленной перед прокалочной печью, а выход из которого целевого продукта - порошка высокочистого диоксида циркония направлен в сборник (9) для охлаждения и последующей подачи в систему затаривания (11-2) для последующей отгрузки потребителям.

Совокупность вышеперечисленных существенных признаков предлагаемой полезной модели, в частности совокупность оборудования, входящего в состав заявленного "Аппаратурно-технологического комплекса для производства оксигидратов и оксидов металлов", определенная последовательность расположения в емкости, баков, реакторов, насосов, фильтровального оборудования и т.п. обеспечивает как показали исследования и промышленные испытания решение поставленной задачи - получение диоксида циркония, по своему качеству пригодному для производства радиокерамики и достижение технического результата, заключающегося в снижении степени соосаждения примесей посторонних металлов в процессе синтеза диоксида циркония и предотвращения потерь исходного сырья с отходами производства - за счет получения дополнительной товарной продукции:

- селективных гранулированных неорганических сорбентов и/или коллекторов на основе оксигидратов циркония и/ или катализаторов, точнее носителей для производства катализаторов на основе оксида и/или оксигидрата циркония.

- концентрированных товарных растворов хлорида кальция, реализуемых, например для буровых растворов;

- растворов хлорида аммония.

РЕАЛИЗАЦИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ.

Аппаратурно-технологический комплекс для производства оксигидратов и оксидов металлов по предлагаемой полезной модели (см. рис.) работает следующим образом:

В реактор (1) из линии подачи заливают дистиллированную воду в количестве 70-75% от объема реактора, затем при включенной мешалке из загрузочного конуса (12) в реактор (1) высыпается (загружается) расчетное количество ZrCl₂ и/или ZrOCl₂*H₂O. Перемешивание ведут до полного растворения тетрахлорида и/или оксигидрата циркония, после чего получаемый раствор заливают в реактор гидролиза (2), включают мешалку и осуществляют подачу пара (и/или горячей воды) в обогреваемую рубашку реактора. В результате термогидролиза выделяется соляная кислота, пары которой улавливаются в орошаемом - из циркуляционного бака (14) с помощью насоса (14-1) известковым молоком. Циркуляцию известкового молока ведут до достижения концентрации CaCl₂ в растворе 200-300 г/м³. После чего раствор (суспензию, содержащую помимо CaCl₂ водонерастворимую фазу - СаО, СаСО₃, Аl₂ O₃*SIO₂ и др.) из циркуляционного бака (14) сливают в сборную емкость (бак - (13)) и отгружают потребителям. Гидролизованный раствор, содержащий ионы циркония в виде полиядерных гидроксокомплексов, например [Zr₄(OH)₈] ⁸⁺ и др. из реактора гидролиза закачивают, или подают самотеком, в реактор (15) для очистки раствора от микропримесей посторонних металлов, присутствующих в растворе в количестве 0,01-0,5%. Для очистки от микропримесей (преимущественно тяжелых металлов) раствор в реакторе (15) нагревают при перемешивании, и через диспергатор (16-1) из линии подачи (20) - из реактора (23) с аммиачной водой подают аммиачно-воздушную смесь, непрерывно измеряя и контролируя с помощью электродов, помещенных в штангу (17), помещенную в реактор (15) и подсоединенную к рН-метру (18), имеющему сопряжение (19) с линией подачи в реактор (15) аммиачно-воздушной смеси, подачу которой в реактор (15) ведут до

достижения величины рН пульпе 1,0-2,5. Затем пульпу выдерживают в реакторе при перемешивании в течении 0,5-1 часа и без перемешивания в течении 1-6 часов. В этих условиях 5-15% ионов циркония переходит из раствора в твердую фазу - оксигидрат циркония. Который при осаждении и формировании осадка захватывает - за счет процессов соосождения, сорбции ионного обмена, практически все микропримеси посторонних металлов -примесей. Сгущенную смесь сливают из реактора (15) в реактор для нейтрализации (21), в который при перемешивании подают из линии (26) аммиачно-воздушную смесь до достижении рН пульпы 6-8. Пульпу перемешиванют, при необходимости вводят высокомолекулярные флокулянты (полиакриламид праестол и т.п.) и подают на нутч-фильтр (4); осадок оксигидрата циркония с "захваченными" микропримесями отделяют от маточного раствора, промывают дистиллированной водой, маточный раствор и промводы накапливают в сборнике (6) и затем отгружают потребителям. Осадок оксигидрата циркония с фильтр-пресс (4) подают в гранулятор (25), в котором влажную пасту подвергают сушке термообработке и гранулированию экструзией, либо таблетированию. Полученный гранулированный продукт направляют в сборник (10) и затем реализуют на товарный продукт - гранулированный неорганический сорбент (коллектор) или используют как носитель для производства различных катализаторов (после соответствующей модификации каталически - активными ионами металлов) применяемых для органического синтеза, для операций гидрирования-дегидрирования, для крекинга нефти и др. Осветленный раствор (после отделения от сгущенной пульпы) из реактора (15) подают в реактор (22) для синтеза целевого продукта - очищенного от микропримесей оксигидрата циркония (и затем - после сушки, прокалки - для производства оксида циркония). Для этого раствор в реакторе синтеза (22) направляют (при перемешивании) под слой раствора - подают - из линии (20) из реактора (23) аммиачно-воздушную смесь до достижении величины рН в пульпе 5-9. Образующую пульпу в реакторе перемешивают до 1 часа, затем сливают в

сборник (26) откуда пульпу насосом подают на фильтр (5), в качестве фильтра (5) используют либо фильтр-пресс, либо нутч-фильтр, либо барабанный вакуум-фильтр. Осадок оксигидрата циркония отделяют от маточного раствора (раствора NH₄Cl), отмывают на фильтре от хлорида аммония дистиллированной водой, фильтруют, промывают и направляют (закачивают) в сборник (7) из которого затем отгружают потребителям. Влажный осадок с фильтра выгружают помещают в сушильный шкаф (28), из которого высушенный осадок загружают в прокалочную печь (8). Прокаленный осадок диоксида циркония из прокалочной печи (8) помещают в сборник готового продукта (9) - оксида циркония, охлаждают и через систему затаривания (11-2) отгружают потребителям.

В результате реализации предлагаемого технического решения - при последовательном осуществлении всех вышеперечисленных действий согласно заявления полезной модели из исходного хлорида и/или оксихлорида циркония получают высококачественный, очищенный от микропримесей товарный оксид циркония (чистой 99,99%), пригодный для производства радиокерамики. При этом в отличие от ранее известных технологических комплексов, в том числе описанного в прототипе, предлагаемое техническое решение обеспечивает практически полную утилизацию всех промпродуктов производства и обезвреживание и утилизация, образующихся жидких и твердых отходов производства, благодаря чему заявленный "Аппаратурно-технологический комплекс для производства оксигидратов и оксидов металлов" по сути своей является безотходным.

Аппаратурно-технологический комплекс для производства оксигидратов и оксидов металлов, включающий бак с мешалкой для приготовления исходного раствора, соединенный с реактором гидролиза, орошаемый скруббер, фильтровальное оборудование, сборник фильтратов, прокалочную печь, сборник товарных продуктов и систему затаривания, отличающийся тем, что бак для приготовления исходных растворов снабжен загрузочным конусом, направленным в один из патрубков на верхней крышке бака, реактор гидролиза имеет обогреваемую рубашку и перемешивающее устройство, а один из патрубков на верхней крышке реактора имеет герметичное соединение со скруббером, орошаемым через разбрызгивающее устройство известковым молоком из циркуляционного бака с помощью циркуляционного насоса, циркуляционный бак имеет соединение через патрубок нижнего слива и запорную арматуру со сборной емкостью раствора хлорида кальция, патрубок нижнего слива реактора гидролиза соединен через запорную арматуру с обогреваемым реактором с мешалкой для очистки гидролизованного раствора от примесей посторонних металлов, реактор снабжен диспергатором аммиачно-воздушной смеси и закрепленным на крышке реактора штангой с электродами, подсоединенными к рН метру, имеющему запорно-регулирующее сопряжение с линией подачи в реактор аммиачно-воздушной газовой смеси, слив из реактора для очистки раствора от примесей имеет соединение через нижний слив с обогреваемым реактором, с мешалкой для переработки и нейтрализации сгущенной пульпы и реактором для синтеза высокочистого оксигидрата циркония, реакторы нейтрализации пульпы и синтеза оксигидрата циркония снабжены диспергаторами аммиачно-воздушной смеси, соединенными с линией подачи аммиачно-воздушной смеси, выходящей из верхней части обогреваемого реактора, заполненного аммиачной водой и снабженного диспергатором сжатого воздуха, патрубок нижнего слива реактора для переработки сгущенной пульпы, через запорное устройство соединен с нутч-фильтром для выделения из пульпы осадка оксигидрата циркония с примесями посторонних металлов, слив маточного раствора и промвод из нутч-фильтра направлен в бак-сборник раствора хлорида аммония, нутч-фильтр соединен с последовательно-установленными гранулятором и сборником готового продукта, патрубок нижнего слива реактора для очистки раствора от примесей имеет также соединение с реактором синтеза целевого продукта, имеющего обогреваемую рубашку, мешалку и диспергатор аммиачно-воздушной смеси, патрубок нижнего слива реактора соединен с фильтром, после которого расположены сушильная камера, прокалочная печь и сборник готового продукта - оксида циркония и система затаривания.