реактор для термохимической обработки материалов

Формула изобретения

1. Реактор для термохимической обработки материалов, содержащий теплоизолированный цилиндрический корпус, имеющий зону загрузки шихты, реакционную зону и зону разгрузки, закрепленные на корпусе, загрузочный и разгрузочный патрубки и установленный внутри корпуса по его длине лопастной шнек с лопастями и валом, имеющим осевой канал, и приспособления для ввода и вывода хладагента, соединенные с каналом, отличающийся тем, что лопасти шнека в реакционной зоне и зоне разгрузки выполнены так, чтобы они удовлетворяли соотношению

,

где и - коэффициенты теплопроводности соответственно материала лопасти и шихты; S₁ и S₂ - площади соответственно боковой поверхности лопасти и контакта лопасти с валом,

и установлены на валу так, что отношение продольного расстояния между двумя смежными лопастями к максимальной толщине составляет не менее 8, осевой канал вала шнека имеет длину, не превышающую суммарную длину реакционной зоны и зоны разгрузки, в качестве приспособления для подачи хладагента реактор содержит дозатор и трубу, размещенную внутри осевого канала со стороны зоны разгрузки с зазором относительно боковой стенки канала, а между корпусом реактора и теплоизоляцией размещен секционированный нагреватель, причем зазор относительно боковой стенки канала используется для вывода хладагента.

2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что выходное отверстие трубы отстоит от торцевой стенки канала на расстоянии не менее величины внутреннего диаметра трубы.

3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что лопасти вала в поперечном сечении имеют прямоугольную форму.

4. Реактор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что корпус реактора и шнек изготовлены из углеродистой стали.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к реакторам с механическим перемещением нагреваемого материала и может быть использовано при проведении высокотемпературной химической обработки материалов, в частности рудных концентратов, концентрированной серной кислотой.

Известен реактор для обработки материалов (см. Хазин Л.Г. Двуокись титана. Л. : Химия, 1970, с.127-128), содержащий теплоизолированный корытообразный корпус с загрузочными и разгрузочным патрубками, защищенный чугунными броневыми плитами, два шнека с валами и лопастями, представляющими собой литые, насаженные на валы элементы из чугуна или специального сплава, концы которых дополнительно покрыты карбидом вольфрама, приводы вращения шнеков и секционную печь обогрева. Броневые плиты снабжены выступами, расположенными между лопастями шнеков перпендикулярно вертикальным боковым стенкам корпуса. При вращении валов шнеков эти выступы заходят в зазор между лопастями и очищают их от налипшей массы.

Данный реактор обеспечивает разложение рудного концентрата концентрированной серной кислотой при повышенной (180-200^oС) температуре. Корпус и шнеки реактора при этом подвергаются одновременно химическому и абразивному износу и покрываются спекшейся шихтой, что может привести к аварийной остановке реактора. Это обусловило использование двухосного шнека, броневых плит с выступами, покрытие концов лопастей карбидом вольфрама, усложняющими конструкцию реактора, а также применение дорогих и дефицитных материалов.

Известен также реактор для термохимической обработки материалов (см. патент РФ 2133146, МПК⁶ B 01 J 8/10; C 01 G 43/00, 1999 г.), в частности для фторирования оксидов урана, содержащий теплоизолированный цилиндрический корпус с зоной загрузки реагентов, реакционной зоной и зоной отвода газообразного продукта, расположенный внутри корпуса по его длине лопастной шнек с полым охлаждаемым валом, установленным в подшипниковых опорах, узлы уплотнений торцов корпуса и штуцеры для ввода реагентов, вывода продуктов реакции, ввода и вывода хладагента. Полый вал охлаждается по всей его длине хладагентом - воздухом, подаваемым с одного конца вала и отводящимся с другого. В узлах уплотнений торцов корпуса размещены фильтры, а шнек снабжен системой лопастей трех различных форм для каждой зоны реактора, устанавливаемых по строго определенным закономерностям.

В известном реакторе при прохождении хладагента вал шнека и присоединенные к нему лопатки охлаждаются целиком, причем и в тех зонах, где такое охлаждение нецелесообразно для осуществления процесса и ведет к повышенному расходу энергии. Использование воздуха в качестве хладагента ограничивает эффективность теплоотвода, а наличие газообразного фтора усложняет конструкцию реактора и требует применения дорогих и дефицитных материалов при его изготовлении. Использование лопастей трех различных форм существенно усложняет конструкцию шнека.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи обеспечения надежной работы реактора при высокотемпературной обработке рудного концентрата в присутствии серной кислоты с использованием для его изготовления дешевых и доступных материалов при одновременном упрощении конструкции реактора и снижении расхода энергии.

Поставленная задача решается тем, что в реакторе для термохимической обработки материалов, содержащем теплоизолированный цилиндрический корпус, имеющий зону загрузки шихты, реакционную зону и зону разгрузки, закрепленные на корпусе, загрузочный и разгрузочный патрубки и установленный внутри корпуса по его длине лопастной шнек с лопастями и валом, имеющим осевой канал и приспособления для ввода и вывода хладагента, соединенные с каналом, согласно изобретению лопасти шнека в реакционной зоне и зоне разгрузки выполнены так, чтобы они удовлетворяли соотношению



где _л и _ш - - коэффициенты теплопроводности соответственно материала лопасти и шихты;

S₁ и S₂ - площади соответственно боковой поверхности лопасти и контакта лопасти с валом,

и установлены на валу так, что отношение продольного расстояния между двумя смежными лопастями к максимальной толщине лопатки составляет не менее 8, осевой канал вала шнека имеет длину, не превышающую суммарную длину реакционной зоны и зоны разгрузки, в качестве приспособления для подачи хладагента реактор содержит дозатор и трубу, размещенную внутри канала со стороны зоны разгрузки с зазором относительно боковой стенки канала, а между корпусом реактора и теплоизоляцией размещен секционированный нагреватель, причем зазор относительно боковой стенки канала используется для вывода хладагента.

Поставленная задача решается также тем, что выходное отверстие трубы отстоит от торцевой стенки канала на расстоянии не менее величины внутреннего диаметра трубы.

На решение поставленной задачи направлено то, что лопасти вала в поперечном сечении имеют прямоугольную форму.

На решение поставленной задачи направлено и то, что корпус реактора и шнек изготовлены из углеродистой стали.

Сущность изобретения заключается в том, что согласно проведенным исследованиям при снижении до 120-150^oС температуры лопастей шнека, изготовленных из углеродистой стали, их коррозионная стойкость резко возрастает. Кроме того, при охлаждении шнека не происходит обрастание лопастей спеком продуктов реакции, приводящее к заклиниванию вращения шнека и аварийной остановке устройства. Большое различие - соответственно 39 и 1,42 ккал/мчград. - коэффициентов теплопроводности стали и шихты позволяет при правильном выборе геометрических размеров лопастей и продольного расстояния между соседними лопастями достичь эффективного охлаждения лопастей шнека, обеспечив незначительные теплопотери реагирующей шихты из-за ее относительно низкой теплопроводности.

Выполнение лопастей шнека в реакционной зоне и зоне разгрузки удовлетворяющими соотношению



и размещение лопастей на валу так, что отношение продольного расстояния между двумя смежными лопастями к максимальной толщине лопатки составляет не менее 8, позволяет обеспечить эффективное охлаждение лопастей шнека при сохранении высокой температуры реагирующей шихты, что снижает коррозионное разрушение лопаток и повышает надежность работы реактора.

Выбор длины осевого канала вала шнека, не превышающей суммарную длину реакционной зоны и зоны разгрузки, обеспечивает охлаждение только тех лопастей, которые контактируют с нагретой до 180-200^oС шихтой, в то время как остальная часть вала и смонтированные на нем лопасти охлаждается в значительно меньшей степени. Это позволяет уменьшить потери тепла при сохранении высокой надежности работы реактора.

Установка трубы для подачи хладагента внутри канала вала со стороны зоны разгрузки и дозирование хладагента позволяют обеспечить высокую надежность работы реактора за счет поддержания стабильной требуемой температуры лопастей.

Использование зазора между наружной стенкой трубы для подачи хладагента и боковой стенкой канала в качестве приспособления для вывода хладагента позволяет упростить конструкцию реактора. При этом хладагент удаляется через зазор в парообразном виде.

Выполнение нагревателя в виде ряда секций и их размещение между корпусом реактора и теплоизоляцией обеспечивает регулируемый нагрев шихты при ее продвижении вдоль корпуса реактора, что повышает надежность осуществления технологического процесса, реализуемого в реакторе.

Установка выходного отверстия трубы на расстоянии от торцевой стенки осевого канала не менее величины внутреннего диаметра трубы позволяет обеспечить стабильное поступление хладагента внутрь вала.

Выполнение лопастей вала в поперечном сечении прямоугольной формы обеспечивает их равномерное охлаждение.

Выполнение корпуса реактора и шнека из углеродистой стали исключает применения дорогих и дефицитных материалов для их изготовления при обеспечении надежной работы реактора.

На чертеже приведен общий вид реактора для термохимической обработки материалов, выполненного согласно настоящему изобретению.

Реактор для термохимической обработки материалов содержит корпус 1 с загрузочным 2 и разгрузочным 3 патрубками, нагреватель 4, имеющий секции 5-7 с токоподводами 8, теплоизоляцию 9, шнек 10, состоящий из вала 11 и лопастей 12 толщиной 13, которые размещены на валу с продольным расстоянием 14 между соседними лопастями 12. Корпус 1 и шнек 10 изготовлены из углеродистой стали. Вал 11 вращается в опорных подшипниках 15, 16 с помощью двигателя 17, привода 18 и соединительных муфт 19. В осевом канале 20 вала 11 установлена питающая труба 21 так, что ее выходное отверстие 22 удалено от торцевой стенки 23 осевого канала 20 вала 11 на расстояние 24, а между наружной стенкой 25 питающей трубы 21 и боковой стенкой 26 осевого канала 20 вала имеется зазор 27. В питающую трубу 21 с помощью дозатора 28 подается хладагент - вода. Протяженность секций 5-7 нагревателя 4 в общем и целом соответствует зоне загрузки 29, рабочей зоне 30 и зоне разгрузки 31 корпуса реактора.

Работа реактора осуществляется следующим образом. С помощью секционированного нагревателя 4 корпус 1 реактора нагревают до рабочей температуры 180-200^oС и приводят во вращение шнек 10. Через загрузочный патрубок 2 в корпус реактора непрерывно подают дозированные количества рудного концентрата и серной кислоты. После заполнения шихтой зоны загрузки, которая составляет около 1/3 длины корпуса, включается подача хладагента - воды, расход которой регулируется дозатором 28. Образующийся пар выходит через зазор 27. Концентрат перемещают шнеком 10 вдоль корпуса 1 реактора и осуществляют процесс сульфатизации. Получаемый сульфатизированный продукт разгружают непрерывно через разгрузочный патрубок 3.

Сущность заявляемого изобретения и его преимущества могут быть пояснены следующим примером конкретного выполнения.

Пример. Осуществляют процесс сульфатизации бадделеитового концентрата при 180-200^oС 80%-ной серной кислотой. Концентрат содержит такие примесные минералы, как уранпирохлор, циркелит, магнетит, оливин и др. Процесс ведут в реакторе, выполненном в соответствии с настоящим изобретением. Корпус реактора и шнек изготовлены из углеродистой стали марки Ст-3. Внутренний диаметр корпуса равен 200 мм, длина - 3500 мм. Лопасти шнека представляют собой пластины размером 60х60 мм² и толщиной 10 мм, наваренные на вал шнека с продольным расстоянием между смежными лопастями 80 мм. Для используемой шихты и выбранных размеров лопастей соотношение (_лS₁)/(_шS₂) равно 400, при этом среднюю теплопроводность смеси бадделеитового концентрата и серной кислоты рассчитали из допущения, что она определяется аддитивным вкладом теплопроводности компонентов с учетом занимаемых ими в смеси объемов.

После 22 суток эксплуатации реактора производительностью 30 кг/ч по бадделеитовому концентрату при расходе охлаждающей воды 6 кг/ч, обеспечивавшем охлаждение лопастей до 120-150^oС, видимых изменений лопастей шнека не наблюдали, и остановки для очистки лопастей от спека не требовались. Полученный продукт соответствовал сорту ПБ-ХО (порошок бадделеитовый химически очищенный), ТУ 1762-003-00186759-2000. Дальнейшее увеличение расхода охлаждающей воды и, как следствие, снижение температуры лопастей приводило к заметному снижению эффективности очистки, связанной с тем, что не удавалось обеспечить необходимую температуру процесса.

При эксплуатации реактора, у которого лопасти работали при температуре 180-200^oС (при охлаждении воздухом или при отключенной системе охлаждения), их обрастание спеком происходило примерно через 72 ч непрерывной эксплуатации и требовало аварийной остановки и очистки. Лопасти шнека полностью разрушались в течение 10-12 суток.

Из вышеприведенного примера и описания изобретения в целом видно, что предлагаемый реактор характеризуется надежной работой при высокотемпературной обработке рудного концентрата в присутствии серной кислоты. Корпус и шнек реактора изготовлены из углеродистой стали - одного из наиболее дешевых и доступных материалов, а конструкция реактора является относительно простой в связи с отсутствием необходимости использования узлов для герметичного ввода и вывода хладагента. Охлаждение шнека не по всей его длине способствует снижению расхода энергии.