способ нейтрализации отработанных агрессивных сред и аэрогидродинамический нейтрализатор для его осуществления

Формула изобретения

Способ нейтрализации отработанных жидких агрессивных сред, включающий заливку в замкнутую емкость жидкой среды, подачу твердого нейтрализатора и газа, циркуляцию смеси внутри емкости с образованием встречных нисходящего и восходящего потоков, отличающийся тем, что подачу нейтрализатора производят частями, перед подачей смеси на циркуляцию ее отстаивают и подают в нисходящий поток с ускорением, а газ подают в нижнюю часть зоны восходящего потока.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отстойную зону располагают выше уровня подвода газа, а забор смеси на циркуляцию производят из верхней части отстойной зоны.

3. Нейтрализатор аэрогидродинамический, содержащий замкнутую колонну, в центре которой закреплена труба, циркуляционную систему с приводом, загрузочный люк и газовую магистраль, отличающийся тем, что колонна снабжена отстойником с наклонной поверхностью, под которой в боковой стенке колонны выполнено отверстие под циркуляционную систему, труба с обоих концов снабжена конусными уширениями и образует кольцевой зазор с отстойником, а газовая магистраль соединена с нижним уширением трубы.

Нейтрализатор по п.3, отличающийся тем, что колонна выполнена ступенчатой формы, меньшая ступень которой расположена в нижней ее части.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области переработки жидких агрессивных сред в химической, фармацевтической, микробиологической, металлургической областях промышленности и, в частности, может быть использовано для переработки отработанных электролитов, преимущественно сернокислых.

Известен способ нейтрализации отработанных электролитов, включающий подачу растворов и нейтрализатора (гранул меди, порошка и т.д.) внутрь емкости с одновременной продувкой кислородом с образованием направленных потоков движения смеси [1].

Также известен способ нейтрализации электролита, включающий подачу раствора, гранул меди и воздуха внутрь емкости с одновременным перемешиванием смеси [2].

Недостатком этих способов является то, что для нейтрализации серной кислоты необходимо многократно превысить расход воздуха и нейтрализатора, потому что стехиометрия дробления воздуха и нейтрализатора мала. Поэтому для поддержания реакции используется многократное превышение твердых и газообразных компонентов, которые после реакции удаляются в атмосферу, унося с собой и тепло реакции. Поэтому для поддержания реакции емкость постоянно подогревают, например паром, поддерживая при этом температуру внутри емкости 80-90^oC. Кроме того, избыточная масса твердого нейтрализатора кристаллизуется на дне или боковой поверхности, делается монолитом, покрывается пассивной пленкой и не вступает в реакцию, что приводит к большим потерям и трудоемко при удалении.

Наиболее близким по сущности с предлагаемым является способ нейтрализации, включающий заливку жидкого электролита, засыпку твердого нейтрализатора, подачу газа, с противоположной стороны, засыпки нейтрализатора и циркуляцию смеси внутри емкости с помощью перекачки.

При этом забор раствора на перекачку ведется в нижней части и подается наверх емкости таким образом, что жидкая и газообразная фазы движутся в противоположных направлениях, образуя встречные потоки [3].

Недостатком этого способа является низкая стехиометрия дробления газообразной фазы, которая с низким КПД использования в процессе реакции, выбрасывается в атмосферу. Кроме того, реакция идет до определенного предела концентрации серной кислоты и требуется двухстадийная нейтрализация, при которой достигается качественное удаление свободной серной кислоты из электролита.

Еще одним недостатком этого способа является то, что при циркуляции раствора в емкости забор его осуществляется вместе с твердым нейтрализатором, приводя к поломке и быстрому износу насоса перекачки. Кроме того, из-за низкого дробления газообразной фазы, которая, проходя через слой электролита, выбрасывается в атмосферу, уносит с собой и тепло, и его, которое постоянно восполняют дополнительным обогревом, например, с использованием пара.

В результате сам процесс нейтрализации очень энергоемок, технологически сложен в оборудовании и не может быть применен в промышленных условиях из-за больших энергетических затратах, больших объемах газообразного компонента и неэффективного использования твердого компонента, который оседает на дно емкости и затрудняет проведение реакции.

Задача изобретения - повышение качества нейтрализации жидких и агрессивных сред, снижение энергетических затрат и улучшение экологических условий проведения процесса нейтрализации, например, сернокислых электролитов.

Это достигается тем, что в способе нейтрализации отработанных жидких агрессивных сред, включающем заливку в замкнутую емкость жидкой среды, подачу твердого нейтрализатора и газа, циркуляцию смеси внутри емкости с образованием встречных нисходящего и восходящего потоков, подачу нейтрализатора производят частями, а перед подачей смеси на циркуляцию ее отстаивают и подают в нисходящий поток с ускорением, а газ подают в нижнюю часть зоны восходящего потока. Отстойную зону располагают выше уровня подвода газа, а забор смеси на циркуляцию производят из верхней части отстойной зоны.

Процесс нейтрализации по предлагаемому способу осуществляется следующим образом.

Внутрь емкости заливают электролит, обработанный в ванных при электролитическом рафинировании меди, в котором имеется свободная серная кислота. Затем снизу подают воздух и электролит начинают циркулировать внутри емкости (аэрлифтно-инжекторное движение). Затем сверху в емкость загружают часть твердого нейтрализатора ( в виде гранул или порошка меди) и начинают перекачку раствора. При этом взятый на перекачку раствор из отстойной зоны подается в центральный поток, например сверху и в центре образуется нисходящий поток, который опускается вниз с ускорением. Центральный поток при входе в трубу захватывает электролит с нейтрализатором, смешивается на выходе с потоком воздуха, меняет направление на восходящий. При выходе из трубы смешенный поток электролита с нейтрализатором дробит газовый поток на мелкие части, перемешивается с ним и поднимается вместе с ним вверх по емкости.

В результате происходит интенсивная реакция меди с серной кислотой по всему объему емкости. При протекании химической реакции меди с серной кислотой образуется большое количество тепла, которого достаточно для устойчивого протекания этой реакции. Дойдя до верхней части жидкости, за счет разряжения в центральной части, захватывается потоком перекаченной жидкости и вместе с воздухом движется вниз, еще более перемешиваясь и дробясь. По мере растворения меди химическая реакция начинает затухать и в это время вводят оставшуюся часть меди, которая необходима для полной нейтрализации кислоты в электролите. Химическая реакция вновь активизируется и протекает аналогичным образом до полного удаления кислоты из раствора.

Использование изобретения позволяет получить мелкое дробление газообразного компонента, что способствует более интенсивному протеканию реакции, а твердый нейтрализатор находится постоянно в движении циркуляционного потока. Кроме того, из-за резкого снижения количества газообразного компонента позволяет многократное его использование в процессе нейтрализации путем его захвата потоком смеси и подача внутрь электролита тем самым увеличивая КПД использования. Это позволило снизить энергетические затраты, сохранить тепло экзотермической реакции внутри емкости и исключить постоянный подогрев электролита в процессе нейтрализации.

Кроме того, создание постоянного кругового движения раствора внутри электролита с ускорением в одну сторону, позволяет исключить оседание твердого компонента и он постоянно движется вместе с электролитом внутри емкости и более активно участвует в реакции. Газообразный компонент при многократном его движении внутри электролита постоянно дробится и большая часть его постоянно находится в электролите, что способствует снижению его количества в 15-20 раз по сравнению с известными способами нейтрализации электролита.

Изобретение относится к устройствам для нейтрализации агрессивных сред и может быть использовано по предлагаемому выше способу для удаления серной кислоты из электролитов, например при получении медного купороса.

Известны нейтрализаторы типа оксидизеров, оксидизеров с эжектором, аппарат смешанного слоя, натравочная башня, натравочный реактор с мешалкой, реактор с аэратором, автоклав и т.д., в котором имеется емкость, внутрь которой заливается электролит, засыпается медный нейтрализатор и производится продувка воздухом. Внутри смесь циркулирует постоянно путем перекачки ее снизу вверх или же перемешивания в одном или нескольких отсеках одновременно. Для поддержания температуры производится принудительный подогрев электролита паром и т.п. [4].

Недостатком этих нейтрализаторов является невысокая производительность, большие энергозатраты, загрязнение атмосферы и низкая стойкость из-за частого выхода из строя движущихся и вращающихся механизмов в процессе эксплуатации. Кроме того, для проведения реакции, используется во много раз больше требуемого объема газо- и твердого компонента, необходимого по стехиометрии из-за малой дисперизации и плохого дробления газового компонента.

Наиболее близким по существу и достигаемому эффекту с предлагаемым является пульсационная колонна, содержащая вертикальную колонну башенного типа, внутрь которой сверху засыпают нейтрализатор, а снизу подают электролит, воздух и пар. Нейтрализатор засыпают один раз в полном объеме требуемого на проведение реакции с превышением по массе [5].

Недостатком этого нейтрализатора является сложность конструкции (минимум как две стадии нейтрализации), хотя и меньше, но все же большой расход воздуха и невозможность многократного его использования в процессе эксплуатации, а также постоянный подогрев электролита паром, из-за того, что тепло захватывается воздухом и выбрасывается в атмосферу. Кроме того, часть нейтрализатора, проходя через слой электролита, не растворяется в нем, а опускается на дно колонны и не вступает в реакцию, что приводит к повышенному расходу нейтрализаторов, и требуется его удаление после определенного промежутка времени.

Задача изобретения - повысить срок службы нейтрализатора, снизить энергетические затраты на нейтрализацию, и обеспечить процесс нейтрализации по описанному выше способу.

Это достигается тем, что в нейтрализаторе аэрогидродинамического типа, содержащем замкнутую колонну, в центре которой закреплена труба, циркуляционную систему с приводом, загрузочный люк и газовую магистраль, колонна снабжена отстойником с наклонной поверхность, под которой в боковой стенке колонны выполнен канал под циркуляционную систему, центральная труба с обоих концов снабжена конусными уширениями и образует кольцевой зазор с отстойником, а газовая магистраль соединена с нижним уширением трубы. Колонна по высоте выполнена ступенчатой формы, меньшая ступень которой расположена в нижней ее части.

На графической части изображено: Продольное сечение нейтрализатора, выполненного в соответствии с изобретением. Предлагаемый нейтрализатор содержит колонну 1 с крышкой 2, в которой выполнено загрузочное отверстие 3 под нейтрализатор 4 (медные гранулы, порошок и т.д.). Внутри колонны 1 жестко закреплена, в центральной ее части, труба 5 с верхним 6 и нижним 7 уширениями. В средней части колонны 1 жестко закреплена воронка 8 с наклонной поверхностью 9 и отбойником 10, образующие отстойную зону 11. В верхней части отстойной зоны 11 выполнен канал 12, соединенный с приводом 13 перекачивающей системы 14. В зоне нижнего уширения 7 труба 5 снабжена полостью 15 со сквозными отверстиями 16, с которой соединена подводящая магистраль 17. Верхнее уширение 6 расположено постоянно ниже уровня 18 электролита в верхней части колонны 1.

Работа предлагаемого нейтрализатора осуществляется следующим образом. Внутрь колонны 1 заливается определенное количество электролита, в котором имеется серная кислота, которую необходимо нейтрализовать. Затем включают привод 13, который через канал 12 подает электролит по системе 14 из отстойной зоны 11 в уширение 6. Одновременно через магистраль 17 подается сжатый воздух (газ), который из полости 15 через отверстие 16 попадает в электролит и перемешивается в нем. Электролит, двигаясь по трубе 5 вниз с ускорением, выходит из нее через нижнее уширение, встречается с воздухом и движется вверх колонны 1 в виде газожидкой смеси. После получения постоянной циркуляции смеси через отверстие 3 крышки 2 засыпает нейтрализатор (гранулы меди), который, падая в электролит, захватывается потоком смеси и перемешивается в ней. Двигаясь, смесь с нейтрализатором 4 вниз по трубе 5 перемешивается, а при выходе из нее через уширение 7 встречается с потоком воздуха. При этом, попадая в восходящий поток смеси, электролит с нейтрализатором 4 делится на два потока: первый уходит через воронку 8 в верхнюю часть колонны 1, а второй попадает в отстойную зону 11, в которой крупные частицы нейтрализатора 4 оседают вниз и захватываются поднимающимся потоком смеси, а смесь с мелкими частицами подается на циркуляцию.

Поток смеси, выйдя в верхнюю зону колонны 1 над воронкой 8 встречается с большей частью электролита, перемешивается с ним и дробит газ на мелкие пузырьки, которые способствуют увеличению скорости реакции. После этого воздух, который не вступил в реакцию за счет разряжения, образующегося в зоне подачи смеси в трубу 5, не выходит из электролита, а попадает вновь в трубу 5 и отводится вместе с ним вниз колонны 1. При этом крупные частицы нейтрализатора 4 попадают на наклонную поверхность 9 и движутся по ней к центру. Затем захватываются восходящим потоком и вновь попадают в верхнюю часть колонны, активно вступая в реакцию, уменьшаясь в размерах.

Благодаря такой совокупности всех узлов нейтрализатора обеспечивается постоянное движение всех компонентов смеси внутри емкости. При этом полностью исключается возможность выпадения твердого нейтрализатора в осадок с последующим слипанием и потерей его в процессе реакции. Кроме того, открывается возможность ввода нейтрализатора внутрь колонны частями, что позволяет более полное растворение нейтрализатора в электролите с образованием химического соединения и удаления кислоты (агрессивной среды) из раствора.

Использование изобретения позволяет получить более простой, надежный и экономичный нейтрализатор отработанных электролитов, преимущественно электролитических от электролиза меди. Нейтрализация электролитов в предлагаемом нейтрализаторе позволяет резко сократить энергетические затраты, снижает почти на 50% потери меди, а также исключает выброс тепла в атмосферу вместе с газообразной средой, которая возвращается вновь в раствор в процессе работы, а не выбрасывается в атмосферу по сравнению с известными нейтрализаторами.

Источники информации:

1, 2,3,4, 5. Козлов В. А., С.С.Набойченко. Рафинирование меди. - М.: Металлургия, с. 199-207, рис. 70 (а,б,в,г,д,е,ж,з)к