установка для получения хлоридов редких металлов

Формула изобретения

1. Установка для получения хлоридов редких металлов, включающая хлоратор для переработки сырья в расплаве хлористых солей, содержащий корпус с шахтой и подиной, разделительные перегородки с переточными окнами, фурмы для ввода хлорирующего агента, летки для слива расплава и систему конденсации, состоящую из солевого оросительного скруббера, содержащего корпус, смонтированный на электрической печи и разделенный вертикальной перегородкой, и газлифты, оросительных двухходовых конденсаторов и "сухих" в виде пылевых камер, теплообменников, пульпового и других баков и насосов, соединенных газоходами и трубопроводами, отличающаяся тем, что хлоратор дополнительно снабжен вертикальной колонной, установленной на подине, и разделительные перегородки соединены со стенками шахты и колонной и разделяют шахту на газлифтные и циркуляционные камеры, газлифты солевого оросительного скруббера расположены у противоположных краев вертикальной перегородки и снабжены входными и выходными патрубками.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что колонна размещена коаксиально шахте хлоратора или смещена относительно оси симметрии.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что разделительные перегородки хлоратора размещены радиально относительно колонны.

4. Установка по пп.1 3, отличающаяся тем, что верхние срезы колонны и разделительных перегородок хлоратора размещены ниже рабочего уровня расплава.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что разделительные перегородки хлоратора размещены параллельно колонне.

6. Установка по пп.1 и 5, отличающаяся тем, что верхние части разделительных перегородок хлоратора выполнены с наклоном в сторону газлифтной камеры.

7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что высота наклонной части перегородки хлоратора составляет 1/6 1/10 высоты перегородок, а угол наклона составляет 25 45^o к вертикали.

8. Установка по п.1, отличающаяся тем, что скруббер снабжен дополнительной перегородкой со сквозным проемом в нижней части, установленной в электрической печи в плоскости вертикальной перегородки корпуса.

9. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что верхние кромки газлифтов скруббера снабжены выступами.

10. Установка по пп.1 и 9, отличающаяся тем, что верхняя грань выступа газлифта выполнена с наклоном к горизонтали на угол 10 80^o.

11. Установка по п. 8, отличающаяся тем, что угол между вертикальной плоскостью, проходящей через ось выходного патрубка газлифта, и плоскостью дополнительной перегородки составляет 10 30^o.

12. Установка по п.8, отличающаяся тем, что входные патрубки газлифтов размещены перпендикулярно плоскости дополнительной перегородки и противоположно направлены.

13. Установка по п.1, отличающаяся тем, что первый двухходовой оросительный конденсатор размещен параллельно камерным "сухим" конденсаторам в виде пылевых камер и соединен по газовой фазе газоходом с солевым оросительным скруббером, а по жидкой фазе трубопроводом с хлоратором и солевым оросительным скруббером через пульповый бак с насосом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к установкам для получения хлоридов редких металлов хлорированием редкоземельного сырья в расплаве хлористых солей.

Известна установка для получения хлоридов редких металлов [1] включающая хлоратор для хлорирования сырья в расплаве хлористых солей, содержащий корпус, перегородку с переточным каналом, фурмы, летки; и систему конденсации, включающую двухходовые "сухие" конденсаторы (пылевые камеры), термостатированный рукавный фильтр, теплообменники, двухходовые оросительные конденсаторы, баки и насосы.

Недостатком этой установки является низкая производительность вследствие недостаточной прочности перегородок хлоратора, а также нерациональности увеличения габаритов рукавного фильтра и соответствующего снижения надежности его работы. Кроме того, налипание твердых частиц на внутренних стенках аппаратов, образование "плавких" настылей в газоходах и аппаратах обусловливают низкую производительность установки вследствие нарушения режима теплосъема и улавливания хлоридов. В связи с этим аппараты и газоходы промывают водой с образованием кислых стоков, что усложняет их эксплуатацию и уменьшает срок службы.

Известна установка для получения хлоридов редких металлов [2]-прототип, включающая хлоратор для переработки сырья в расплаве хлористых солей, содержащий корпус с шахтой и подиной, перегородку с переточным каналом, фурмы для подачи хлорирующего агента, летки для слива расплава и систему конденсации, которая включает двухходовые конденсаторы "твердых" хлоридов, теплообменники, двухходовые оросительные конденсаторы, баки, насосы и двухходовый солевой оросительный скруббер (фильтр), содержащий корпус, смонтированный на электрической печи, колосниковую решетку с инертной насадкой и газлифты (аэролифтные трубы).

Недостатком этой установки является низкая производительность вследствие недостаточной прочности перегородок хлоратора и повышенного сопротивления (давления), обусловленного применением решетки и слоя насадки в оросительном скруббере. Кроме того, использование переточного канала в перегородке хлоратора, распределительной решетки и высоких аэролифтных труб в солевом оросительном скруббере усложняют эксплуатацию установки.

Задачей изобретения является увеличение производительности и упрощение эксплуатации установки.

Поставленная задача решается тем, что в установке для получения хлоридов редких металлов, включающей хлоратор для хлорирования сырья в расплаве хлористых солей, содержащий корпус с шахтой и подиной, разделительные перегородки с переточными окнами, фурмы для ввода хлорирующего агента, летки для слива расплава и систему конденсации, состоящую из солевого оросительного скруббера, содержащего корпус, смонтированный на электрической печи, и газлифты, а также "сухих" и оросительных конденсаторов, теплообменников, баков и насосов, новым является то, что хлоратор дополнительно снабжен вертикальной колонной, установленной на подине, а разделительные перегородки соединены со стенками шахты и колонной и разделяют шахту на газлифте и циркуляционные камеры; газлифты солевого оросительного скруббера расположены у противоположных краев вертикальной перегородки и снабжены входными и выходными патрубками; колонна установлена коаксиально шахте хлоратора; разделительные перегородки хлоратора установлены радиально относительно колонны или параллельно к ней; верхние срезы колонны и разделительных перегородок хлоратора размещены ниже рабочего уровня расплава; верхние части разделительных перегородок хлоратора выполнены с наклоном в сторону газлифтной камеры; высота наклонной части перегородки хлоратора составляет 1/6-1/10 высоты перегородок, а угол наклона 25-45^o; солевой оросительный скруббер снабжен дополнительной перегородкой со сквозным проемом в нижней части, установленной в электропечи в плоскости вертикальной перегородки корпуса; верхние кромки газлифтов скруббера снабжены выступами; верхняя грань газлифта выполнена с наклоном к горизонтали на угол 10-80^o; входные патрубки газлифтов перпендикулярны плоскости дополнительной перегородки и противоположно направлены; первый двухходовой оросительный конденсатор размещен параллельно камерным сухим конденсаторам (пылевым камерам) и соединен по газовой фазе газоходом с солевым оросительным скруббером, а по жидкой фазе трубопроводом с хлоратором и солевым оросительным скруббером через сборный "пульповый" бак с насосом.

Использование вертикальной колонны, установленной на подине хлоратора, и жестком соединении разделительных перегородок со стенками шахты и колонной повышает механическую прочность разделительных перегородок и, как следствие, обусловливают надежность оборудования и повышение его производительности благодаря предотвращению разрушения перегородок и соответствующего нарушения циркуляционных потоков расплава.

Размещение колонны коаксиально шахте хлоратора обеспечивает равноценность разделительных перегородок по интенсивности воздействия гидравлических потоков циркулирующего расплава, что также повышает надежность и производительность хлоратора.

Размещение разделительных перегородок хлоратора радиально относительно колонны или параллельно к ней обеспечивает оптимальный гидродинамический режим работы аппарата, что обусловливает повышение его надежности и производительности, исключает слив расплава через нижние летки вследствие предотвращения зашламления подины оседающими частицами шихты.

Размещение верхнего среза колонны и разделительных перегородок хлоратора ниже рабочего уровня расплава обеспечивает увеличение производительности благодаря повышению турбулизации газожидкостной смеси. Кроме того, такое размещение перегородок обусловливает снижение потерь шихты с парогазовой смесью вследствие увеличения сечения газового пространства над расплавом и понижения скорости восходящего потока парогазовой смеси. При этом также уменьшается вероятность быстрого выноса пузырьков газа из расплава, что способствует более полному использованию хлора.

Выполнение верхних частей разделительных перегородок хлоратора с наклоном в сторону газлифтной камеры обусловливает уменьшение захвата пузырьков нисходящим потоком расплава в циркуляционных камерах, что предотвращает сближение величин газосодержаний и плотностей газожидкостной смеси в циркуляционных и газлифтных камерах и соответствующее уменьшение потока циркулирующего расплава, вследствие чего повышается производительность аппарата.

Использование перегородок хлоратора, высота наклонной части которых составляет 1/6-1/10 высоты перегородок, а угол наклона 25-45^o позволяет резко снизить газосодержание в циркуляционных камерах и значительно увеличить поток циркулирующей жидкости, а также степень турбулизации газожидкостной смеси, что определяет возможность работы устройства при повышенных расходах хлора, т.е. при повышенной производительности.

Снабжение солевого оросительного скруббера газлифтами, расположенными у противоположных краев вертикальной перегородки и снабженными входными и выходными патрубками, обусловливает упрощение конструкции, снижение сопротивления в системе для прохождения продуктов хлорирования (парогазовой смеси) и, следовательно, повышение производительности установки.

Снабжение скруббера дополнительной перегородкой со сквозным проемом в нижней части, установленной в электрической печи в плоскости вертикальной перегородки корпуса, обеспечивает повышение механической прочности газлифтов, надежности аппарата, повышение его производительности и упрощение обслуживания благодаря предотвращению как разрушения газлифтов, так и отложений шлама на подине вследствие принудительной интенсивной циркуляции расплава между камерами электрической печи.

Снабжение верхних кромок газлифтов скруббера выступами обеспечивает перекрытие неорошаемых расплавом участков сечения плоскости вертикальной перегородки. При этом парогазовая смесь поступает в плотно орошаемые участки сечения, благодаря чему повышается использование реакционного объема скруббера и производительность по очищаемой парогазовой смеси, тем самым повышается производительность установки.

Выполнение верхней грани выступа газлифта с наклоном к горизонтали на угол 10-80^o (преимущественно 30-60^o) также обеспечивает повышение использования реакционного объема и производительности. При этом угол наклона определяется газодинамическим режимом работы скруббера с увеличением расхода газа на газлифт угол наклона верхней грани выступа уменьшают, а ширину выступа увеличивают.

Выполнение выходного патрубка газлифта так, что угол между вертикальной плоскостью, проходящей через ось патрубка, и плоскостью дополнительной перегородки составляет 10-30^o обеспечивает повышение плотности орошения парогазовой смеси расплавом. В результате сдвига направлений разбрызгивания и частично наложения газожидкостных струй (потоков) из газлифтов увеличивается реакционный объем устройства и поверхность контакта между расплавом и парогазовой смесью, при этом также возникает дополнительная турбулизация парогазовой смеси при прохождении проема в плоскости перегородки, вследствие чего повышается использование реакционного объема и производительности скруббера.

Размещение входных патрубков газлифтов перпендикулярно плоскости дополнительной перегородки и их противоположное направление обусловливает увеличение скорости перемешивания и усреднения состава расплава, вследствие чего повышается использование реагентов расплава и улучшаются условия массообмена в реакционном объеме скруббера.

Размещение первого оросительного конденсатора параллельно камерным "сухим" конденсаторам (пылевым камерам) и соединение его по газовой фазе газоходом с солевым оросительным скруббером, а по жидкой фазе трубопроводом с хлоратором и солевым оросительным скруббером через сборный "пульповый" бак с насосом обеспечивает выделение из парогазовой смеси 90-98% твердых хлоридов, переработку пульпы в хлораторе, поглощение и вывод из процесса твердых хлоридов вместе с плавом хлоридов хлоратора и/или солевого оросительного скруббера, что снижает вероятность зарастания последующих оросительных конденсаторов, обеспечивает непрерывность процесса и повышает производительность установки.

Таким образом, все признаки установки для получения хлоридов редких металлов способствует выполнению поставленной задачи повышению производительности установки.

На фиг.1 изображена установка для получения хлоридов редких металлов.

Она включает хлоратор для переработки сырья в расплаве хлористых солей 1, солевой оросительный скруббер 2, камерный сухой конденсатор твердых хлоридов (пылевую камеру) 3, двухходовые оросительные конденсаторы 4,5, "пульповые" баки 6, теплообменник 7, насосы 8, баки технического продукта 9.

На фиг.2-7 представлены виды хлоратора для переработки сырья в расплаве хлористых солей.

Хлоратор имеет металлический корпус 10, футерованный огнеупорным материалом с шахтой и подиной 11, разделительные перегородки 12 с переточными окнами 13 на уровне подины, вертикальную колонну 14, установленную в шахте на подине и соединенную с разделительными перегородками 12, фурмы 13 для ввода хлорирующего агента, верхние 16 и нижние 17 летки для слива расплава, электроды 18 с водоохлаждаемыми штангами 19, установленные в стенках шахты торцами во внутрь, патрубки 20, 21, 22 соответственно для загрузки сырья, ввода пульпы из "пульпового" бака первого оросительного конденсатора на газлифте 23 и циркуляционные 24 камеры. Верхняя часть (1/6-1/10) разделительных перегородок (фиг. 2в) имеет наклон в сторону газлифтной камеры 23, при этом угол наклона 25-45^o. Вертикальная колонна 14 имеет высоту, составляющую (1/4-1) высоты разделительных перегородок 12.

На фиг.8 и 9 показан солевой оросительный скруббер.

Скруббер состоит из печи 25 с электродами 26, летками 27 для верхнего и нижнего слива расплава, фурм 28, барботажных каналов (труб) 29 с входными 30 и выходными 31 патрубками. Фурмы 28 и барботажные каналы (трубы) с патрубками 30 и 31 образуют газлифты 32 и 33. Верхние кромки газлифтов снабжены выступами 34, причем угол наклона верхней грани выступа 34 составляет 10-80^o (преимущественно 30-60^o). Кроме того, на барботажных каналах (трубах) установлены очистные лючки 35.

На печи 25 установлена шахта 36, разделенная не доходящей до дна вертикальной перегородкой 37 на две камеры. Газлифты установлены у противоположных концов вертикальной перегородки. В плоскости вертикальной перегородки 37 в электрической печи между газлифтами 32 и 33 установлена дополнительная перегородка 38 с проемом 39 в нижней части, разделяющая ванну на камеры 40 и 41. Входной патрубок 30 газлифта 32 направлен в сторону камеры 40 печи 25, а входной патрубок 30 газлифта 33 направлен в сторону камеры 41 печи 25. Выходные патрубки расположены так, что угол a между плоскостью вертикальной перегородки и вертикальной плоскостью, проходящей через ось выходного патрубка 31, находится в интервале 10-30^o. При этом угол между вертикальной плоскостью, проходящей через ось выходного патрубка и осью входного патрубка того же газлифта, составляет соответственно 100-120^o. Проем 42 между перегородками 37 и 38 служит для прохода парогазовой смеси, патрубки 43 и 44 предназначены для входа и выхода парогазовой смеси, патрубок 45 для загрузки солей или заливки расплава хлоридов, патрубок 46 для подачи пульпы из "пульповых" баков первого оросительного конденсатора.

Установка для получения хлоридов редких металлов работает следующим образом.

В хлоратор 1 (фиг. 1) заливают расплав хлористых солей в таком количестве, чтобы уровень жидкости был выше верхнего среза разделительных перегородок 12 и вертикальной колонной 14. По фурмам 15 в расплав (в газлифтные камеры 23) подают хлорсодержащий газ. Порошкообразное сырье с помощью загрузочных устройств, например шнеков, подают на поверхность расплава через патрубки 20. Благодаря подаче хлорсодержащего газа и образованию в процессе хлорирования газообразных продуктов в хлораторе 1 возникает организованная циркуляция расплава, поскольку в камере 23 при подаче газа образуется газожидкостная смесь, которая вытесняется вверх расплавом с большей плотностью, поступающим из циркуляционных камер 24, отделенных от газлифтных камер 23 перегородками 12 с переточными окнами 13. Газожидкостная смесь выходит из газлифтной камеры 23 в пенный слой над перегородками 12, где происходит разделение газожидкостной смеси на газ и расплав. Последний опускается по циркуляционным камерам 24 и через переточные окна 13 снова поступает в газлифтную камеру. Нагрев расплава в пусковой период и периоды работы хлоратора 1 с низкой производительностью осуществляется с помощью греющих электродов 18, снабженных водоохлаждаемыми штангами 19. Избыток тепла отводят водой, подаваемой в водоохлаждаемые штанги 19 и/или пульпой из "пульпового" бака первого оросительного конденсатора, вводимой через патрубки 21.

Газообразные продукты хлорирования хлориды редких металлов в виде парогазовой смеси через патрубки 22 подаются в систему конденсации. Вывод нелетучих продуктов хлорирования и непрохлорированных оксидов осуществляется через верхнюю летку 16.

Образующая при хлорировании сырья парогазовая смесь содержит неконденсируемые газы CO₂, CO, N₂ и др. жидкие (низкокипящие) хлориды и оксихлориды ванадия, титана, кремния и др. твердые (высококипящие) хлориды и оксихлориды ниобия, железа, алюминия, тантала и др. плавкие (комплексные) хлориды NaAlCl₄, NaFeCl₄, KAlCl₄, KFeCl₄, имеющие температуру плавления 150-250^oC, а также частицы сырья и восстановителя, уносимые из хлоратора 1 вследствие пылеуноса.

Парогазовая смесь из хлоратора 1 поступает по патрубку 43 в солевой оросительный скруббер 2, в котором последовательно проходит зону орошения над расплавом камеры 40 печи 25, где взаимодействует с газожидкостной (газ + расплав) смесью, выходящей из газлифта 33, затем проем 42, орошаемый обоими газлифтами, после чего зону орошения над расплавом камеры 41 печи 25, где взаимодействует с газожидкостной смесью, выходящей из газлифта 32. Зона орошения создается благодаря подаче газа с расходом 60-90 м³/ч по фурмам 28 в газлифты 32 и 33, при этом образующаяся в барботажных каналах (трубах) 29 смесь расплава и газа разбрызгивается в зоне вертикальной перегородки 37. Газлифт 32 забирает расплав снизу камеры 40 печи 25 и разбрызгивает газорасплавленную смесь в проеме 42 и над поверхностью расплава камеры 41 печи 25. Газлифт 33 забирает расплав снизу камеры 41 печи 25 и разбрызгивает газосплавную смесь в проеме 42 и над поверхностью расплава камеры 40 печи 25. Расплав в основном принудительно циркулирует по контуру - камера 40 печи 25, газлифт 32, камеры 41 печи 25, газлифт 33, камера 40 печи 25 и т.д. Кроме того, усреднение состава расплава в печи 25 осуществляется также перемешиванием через проем 39 перегородки 38. В проеме 42 и в непосредственной близости от него над поверхностью расплава печи в результате сдвига и частичного наложения газожидкостных факелов образуется зона наиболее плотного орошения парогазовой смеси.

Для увеличения использования реакционного объема (в проеме 42) верхние кромки газлифтов 32 и 33 снабжены выступами 34, расположенными на стенках барботажных каналов (труб) 29 и перекрывающими неорошаемые расплавом участки сечения плоскости вертикальной перегородки 37 в проеме 42. Угол наклона верхней грани выступа 34 составляет 10-80^o (преимущественно 30-60^o) и определяется газодинамическим режимом работы скруббера с увеличением расхода газа на газлифт угол наклона верхней грани выступа 34 уменьшают, а ширину выступа увеличивают.

При взаимодействии парогазовой смеси с разбрызгиваемым расплавом при температуре расплава в печи 25 от 200 до 350^oC происходит ее частичное очищение от пыли (частиц сырья), плавких и твердых (высококипящих) хлоридов вследствии селективной конденсации комплексных хлоридов NaAlCl₄, KAlCl₄, NaFeCl₄, KFeCl₄, NaFeCl₃, KFeCl₃, AlCl₃, FeCl₃, при этом степень конденсации твердых хлоридов составляет 35-40% Слив накапливающегося в ванне печи 25 расплава хлоридов производят через верхнюю летку 27, температуру расплава регулируют электрической нагрузкой на электродах 26 и/или регулированием расхода пульпы из "пульпового" бака первого оросительного конденсатора 4, подаваемой по патрубку 46.

Из солевого оросительного скруббера 2 частично очищенная парогазовая смесь поступает в двухходовые камерные сухие конденсаторы (пылевые камеры) 3 для выделения твердых хлоридов (NbCl₅, TaCl₅, NbOCl₃, ZrCl₄ и др.), где при охлаждении до 110-200^oC степень конденсации этих хлоридов составляет 50-70% Охлажденная парогазовая смесь затем направляется в двухходовые оросительные конденсаторы 4, 5 для доулавливания твердых и выделения жидких хлоридов (TiCl₄, VOCl₃, SiCl₄, AsCl₃, SnCl₄ и др.).

При низкой концентрации твердых хлоридов в парогазовой смеси в пределах 1,0-5,0 мас. выделение этих составляющих в камерных сухих конденсаторах осложняет технологию конденсации. В этом случае предпочтительно направлять парогазовую смесь по газоходу непосредственно в первый оросительный конденсатор. В первом оросительном конденсаторе 4 парогазовую смесь охлаждают до 90-120^oC для совместной конденсации оставшихся твердых хлоридов и части жидких хлоридов с получением пульпы, содержащей 50-250 г/л твердых взвесей. Эта пульпа циркулирует в контуре: пульповые баки 6 насос 8 теплообменник 7 оросительный конденсатор 4. При этом происходит очистка парогазовой смеси от твердых хлоридов, степень очистки 90-98% Пульпу из пульпового бака 6 направляют по трубопроводу в хлоратор 1 и/или солевой оросительный скруббер 2 для регулирования температуры и вывода твердых хлоридов вместе со сливаемым из этих аппаратов плавом. Очищенная от твердых хлоридов парогазовая смесь направляется в двухходовые оросительные конденсаторы 5 для выделения жидких хлоридов, при охлаждении до (-10^oC-20)^oC жидкими хлоридами (например, четыреххлористым титаном), циркулирующими в контуре: бак технического продукта 9 насос 8 теплообменник 7 оросительный конденсатор 5. Сконденсированный в оросительных конденсаторах 5 технический продукт направляется на разделение от твердой фазы и очистку.

Таким образом, изобретение позволяет достичь увеличение производительности в 1,5-2 раза.