устройство для переработки фтораммониевых кремнийсодержащих продуктов

Формула изобретения

1. Устройство горизонтального типа для переработки фтораммониевых кремнийсодержащих продуктов, включающее последовательно соединенные с образованием герметичной системы сублиматор, снабженный крышкой, десублиматор и камеру для улавливания газообразных продуктов, а также нагревательные элементы с независимыми блоками регулирования температуры, охватывающие сублиматор и десублиматор, отличающееся тем, что между сублиматором и десублиматором установлена перегородка с отверстием, при этом сублиматор содержит средство для подачи сырья, представляющее собой камеру-испаритель, установленную в сублиматоре с возможностью горизонтального перемещения, снабженную съемной крышкой, выполненной с козырьком, выступающим за пределы камеры-испарителя и герметично примыкающим к перегородке выше отверстия, и мешалкой-ворошителем с ручкой, выходящей за пределы сублиматора, а десублиматор оборудован расположенным в нижней его части разгрузочным люком и дополнительно снабжен перфорированным экраном с объемом перфорации 60-90%, установленным напротив отверстия перегородки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что камера-испаритель жестко соединена с крышкой сублиматора.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что ручка мешалки-ворошителя выполнена с возможностью подачи через нее газа-носителя.

4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что в верхней части десублиматора выполнено технологическое окно.

5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что камера для улавливания газообразных продуктов имеет патрубки для забора и вывода газообразных продуктов.

6. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что камера для улавливания газообразных продуктов снабжена прибором для измерения давления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической промышленности, конкретно, к оборудованию для переработки сублимирующихся материалов, преимущественно фтораммониевых кремнийсодержащих продуктов, и может быть использовано для их обескремнивания.

Одним из этапов переработки минерального сырья является его вскрытие. При проведении вскрытия путем взаимодействия сырья с фторирующим агентом, например гидродифторидом аммония, получают концентрат, состоящий из смеси летучих и нелетучих фтораммониевых соединений, лучшим способом разделения и очистки которых является сублимация.

Существует большое количество устройств и аппаратов для сублимации-десублимации твердых материалов, разнообразие которых объясняется необходимостью изменения конструкции аппарата в зависимости от требуемой последовательности технологических операций, химических и физических свойств перерабатываемого и получаемого продуктов, потребности в конкретном продукте и т.д. Известные устройства содержат, как правило, нагревательный элемент, сублимационную и десублимационную ячейки, а также устройства для подвода и вывода продуктов, при этом в зависимости от поставленной задачи разработаны и используются аппараты горизонтального и вертикального типов, непрерывного и периодического действия, работающие при пониженном давлении или с использованием газа-носителя, использующие разнообразные по конструкции и типу энергии нагревательные элементы, а также выполненные из различных материалов.

Сведений об устройствах, предназначенных для сублимационного разделения и очистки фтораммониевых кремнийсодержащих продуктов, заявителям обнаружить не удалось.

Известен сублимационный аппарат горизонтального типа, состоящий из двух секций - сублимационной и десублимационной, бункера для подачи веществ в сублиматор и нагревателя, расположенного вокруг сублиматора. Транспортировка веществ в сублиматоре осуществляется шнеком, непросублимированный твердый остаток выводится через сток между двумя секциями, а пары летучих компонентов поступают в секцию десублиматора, где они осаждаются на охлаждаемых стенках и с помощью шнека доставляются к выгрузному отверстию ("Общий курс процессов и аппаратов химической технологии", ч.2. - М.: Химия, 2000, с.1457). Из-за конструкции аппарата, приводящей к значительному контакту паровой фазы с движущимися деталями аппарата, данный аппарат не позволяет получить сыпучий продукт с высокой степенью очистки, а используемый прием охлаждения стенок способствует налипанию возгона на стенки десублиматора, что ухудшает технологичность процесса.

Известен аппарат вертикального типа для переработки сыпучих материалов, работающий при пониженном давлении и предназначенный для получения тетрафторида циркония при очистке черновых фторидов циркония сублимацией. Аппарат состоит из двух цилиндрических корпусов, внутри одного расположена сублимационная камера с испарителями, а другой представляет собой десублиматор. Сублимационная камера разделена на две части: в нижнюю часть подается сырье, а верхняя часть через затворный диск соединена с десублиматором (патент РФ № 2041274, oпубл. 08.09.1995). Использование в аппарате пониженного давления способствует возгонке труднолетучих соединений, таких как фторид циркония, однако при использовании вакуумирования для отгонки легколетучих фторидов, например фторидов кремния, фосфора или серы, его конструкция не позволяет получить чистый конечный продукт.

Известен аппарат вертикального типа для сублимации-десублимации твердых материалов, работающий как в непрерывном, так и дискретном режимах, при пониженном и при обычном давлении, с несущим газом и без него. Аппарат состоит из цилиндрического корпуса, в нижней части которого расположен сублиматор, имеющий перфторированное дно, соединенное с бункером для отвода непрореагировавшего сырья, и нагревательные элементы, представляющие собой коаксиально расположенные внутри сублиматора цилиндрические поверхности. В верхней части корпуса располагается цилиндрический десублиматор, снабженный эллиптической крышкой с клапанами и перфторированным конусообразным дном. Внутри десублиматора установлен ряд охлаждаемых поверхностей, имеющих конструкцию, аналогичную нагревательным элементам сублиматора. Между сублиматором и десублиматором установлены устройство для подачи исходного сырья и сборник продуктов конденсации, которые по транспортеру, связанному со сборником, выводятся из аппарата (патент RO № 117071, опубл. 30.10.2001). Большая поверхностная площадь нагревательных элементов способствует быстрому нагреванию реакционной массы, что требуется для процессов, протекающих с небольшими скоростями сублимации. В случае же с фтораммониевыми продуктами, сублимация которых протекает с высокой скоростью и большим объемом газовой фазы уже при небольших температурах (350-450С), нагревающие поверхности должны быть ограничены, иначе интенсивный газовый поток трудно сконденсировать, а большая поверхность охлаждающих элементов значительно затрудняет очистку аппарата от прилипшего к ним возгона, что приводит к значительным потерям продукта и низкому коэффициенту полезного действия (КПД) устройства.

Наиболее близким к заявляемому является устройство горизонтального типа, предназначенное для сублимационной очистки веществ с невысокой термической устойчивостью (з. США № 20030030193, опубл. 13.02.2003). Устройство состоит из последовательно соединенных друг с другом сублимационной и двух десублимационных камер, образующих герметичную систему, вход в которую осуществляют через торцевую часть сублимационной камеры, а на выходе система подсоединена к вакуумирующей аппаратуре, при этом вторая десублимационная камера является камерой для улавливания несконденсировавшихся газов. Сублимационная и первая десублимационная камеры снабжены охватывающими их нагревательными элементами индукционного типа с независимыми блоками регулирования температуры. Очищаемый материал вводится в сублиматор как постепенно, так и периодически небольшими порциями через его торцевую часть, снабженную крышкой.

Однако известное устройство, как и все предыдущие, не позволяет получить чистый порошкообразный продукт при переработке фтораммонийных кремнийсодержащих концентратов, так как процесс возгонки таких продуктов сопровождается значительным увеличением объема газовой фазы и высокой скоростью газового потока, образовавшегося при распаде исходного продукта, и последующим резким уменьшением объема газовой фазы за счет конденсации. Невозможность управления образующимися газовыми потоками в известном аппарате приводит к налипанию конечного продукта на стенки десублиматора, необходимости дополнительных приспособлений для его очистки и не обеспечивает селективную конденсацию продуктов с разной летучестью.

Технической задачей изобретения является разработка устройства для переработки фтораммониевых кремнийсодержащих продуктов, исключающего налипание десублимата на стенки аппаратуры и обеспечивающего получение сыпучего десублимата.

Поставленная задача решается устройством горизонтального типа для переработки фтораммониевых кремнийсодержащих продуктов, содержащим последовательно соединенные с образованием единой герметичной системы сублиматор, снабженный крышкой, и десублиматор, между которыми установлена перегородка с отверстием, охватывающие их нагревательные элементы с независимыми блоками управления и камеру для улавливания несконденсированных газообразных продуктов разложения, при этом сублиматор содержит средство для подачи сырья, представляющее собой камеру-испаритель, установленную в сублиматоре с возможностью горизонтального перемещения и снабженную съемной крышкой, выполненной с козырьком, выступающим за пределы камеры-испарителя и герметично примыкающим к перегородке выше отверстия перегородки, а также мешалкой-ворошителем, имеющей ручку, выходящую за пределы сублиматора, а десублиматор оборудован расположенным в нижней его части разгрузочным люком и дополнительно снабжен перфорированньм экраном с объемом перфорации 60-90%, установленным напротив отверстия перегородки.

Предложенная конструкция устройства обусловлена свойствами фтораммониевых кремнийсодержащих продуктов, в частности их летучестью при небольших температурах и высокой скоростью возгона. Устройство может быть использовано при фторидной переработке таких кремнийсодержащих минералов, как кварцевополевошпатовое или каолинсодержащее сырье, кварцевые пески и т.д., а также для очистки других фтораммониевых солей, содержащих кремний, нагревание которых приводит к возгону гексафторосиликата аммония. Заявляемая конструкция аппарата позволяет решить одновременно две задачи, а именно получить высокочистые соединения кремния в виде гексафторосиликата аммония и осуществить обескремнивание исходного продукта.

Выполнение средства для подачи сырья в виде камеры-испарителя с мешалкой-ворошителем, предотвращающей пылеобразование, характерное для исходных продуктов, а также предложенное взаимное расположение выпускного отверстия камеры-испарителя, образовавшегося между козырьком крышки и испарителем, и отверстия перегородки дает возможность контролировать величину и направление возгоняющегося газового потока, а установка в десублиматоре перфторированного экрана на пути образовавшегося возгона позволяет управлять потоком конденсируемого газа, снижая его скорость, препятствуя налипанию продукта на стенки десублиматора и способствуя образованию порошкообразного продукта.

Суммарное воздействие этих факторов при переработке фтораммонийных кремнийсодержащих продуктов приводит к значительному сокращению потерь и получению сублимата в виде сыпучего порошка гексафторосиликата аммония с содержанием примесей не более 0,01 мас.%, пригодного в дальнейшем для получения высокочистого диоксида кремния той же степени чистоты, потребность промышленности в котором значительна.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведена общая схема предлагаемого устройства.

Устройство состоит из сублиматора 1 с крышкой 2, десублиматора 3, камеры 4 для улавливания газообразных продуктов и нагревательных элементов 5, управляемых блоками регулирования температуры. Между сублиматором 1 и десублиматором 3 установлена перегородка 6 с отверстием 7. В сублиматоре 1 размещена камера-испаритель 8 со съемной крышкой 9 и козырьком 10, а внутри камеры 8 установлена мешалка-ворошитель 11 с ручкой 12. За счет козырька 10 в испарительной камере 8 образуется выпускное отверстие 13. Десублиматор 3 имеет разгрузочный люк 14 и при необходимости технологическое окно 15. Внутри десублиматора 3 установлен перфорированный экран 16. Камера 4 имеет патрубок 17 для отвода сконденсированных газообразных продуктов разложения и патрубок 18 для забора при необходимости проб газа.

Горизонтальное перемещение камеры-испарителя в сублиматоре осуществляют с использованием любого из известных технических средств, например с помощью направляющих, установленных в сублиматоре и на камере-испарителе, либо с использованием шарнирных способов.

Опытным путем было найдено, что объем перфорации экрана 16 должен находиться в пределах 60-90%, так как при меньшем объеме происходит залипание экрана конденсатом, а при большем - “проскакивание” конденсата, в том и другом случае это приводит к снижению КПД устройства. Перфорированный экран установлен на пути газового потока из сублиматора таким образом, чтобы избежать обтекания им экрана, а крепление экрана осуществляют, например, на стенке десублиматора либо к крышке технологического окна.

При необходимости, например при небольшом содержании фтораммониевых кремнийсодержащих соединений в продукте, ручку 12 мешалки-ворошителя 11 выполняют с перфорацией, через которую в камеру-испаритель подают несущий газ.

В частном случае выполнения устройства, например для наблюдения и контроля за процессами возгона и конденсации, в верхней части десублиматора выполняют технологическое окно 15, а камеру для улавливания несконденсированных отходящих газообразных продуктов дополнительно снабжают прибором для измерения давления, например манометром, и патрубком 18 для отбора проб отходящих газов, по рН и составу которых делают вывод о протекающих в аппарате процессах и вносят при необходимости соответствующие коррективы в сублимационный процесс.

Основное требование к материалу устройства - устойчивость к фторид-иону, но так как заявляемое устройство предназначено для переработки фторсодержащего концентрата с невысокой термической стабильностью, материалом устройства может быть, например, никель марки НП-2, при необходимости футерованный фторопластом.

Режим нагревания устройства обеспечивают за счет подсоединения нагревательных элементов сублиматора и десублиматора к независимым блокам регулирования температуры, состоящим, например, из логометров, соединенных с термопарами, установленными соответственно в сублиматоре и десублиматоре.

Устройство работает следующим образом.

В камеру-испаритель 8, снабженную мешалкой-ворошителем 11, загружают фтораммониевый кремнийсодержащий продукт. Камеру-испаритель 8 закрывают крышкой 9, задвигают в сублиматор 1 и устройство герметизируют, закрывая сублиматор крышкой 2. Устанавливают в десублиматоре 3 необходимую температуру конденсации с использованием блока регулирования температуры десублиматора, термостатируют, а затем начинают нагревание реакционной массы в сублиматоре 1.

В процессе нагревания для обновления поверхности испарения реакционная масса периодически перемешивается ворошителем 11. Образовавшийся газовый поток-возгон через выпускное отверстие 13 и отверстие 7 попадает на экран 16 и ссыпается в разгрузочный люк 14. Более летучие пары возгона, не сконденсировавшиеся в десублиматоре 3, попадают в камеру 4, где конденсируются и стекают в приемник 17. Аппарат работает в цикличном режиме, поэтому после окончания процесса камера-испаритель освобождается от обескремненного продукта и цикл повторяется.

В частном случае выполнения устройства крышка сублиматора и торцевая стенка камеры испарителя жестко соединены друг с другом.

Пример. Устройство предлагаемой конструкции было изготовлено и испытано в процессе переработки предварительно профторированного кварцевого формовочного песка Чалганского месторождения состава, мас.%: SiO₂ 96,64; K₂O 1,03; Na₂O 0,12; Аl₂O₃ 0,44; TiO₂ 0,28; Fе₂О₃ 0,13. Общий объем устройства составил 141 дм³, из них сублиматор 27 дм³; десублиматор 42 дм³. Объем испарительной камеры составил 72 дм³. Размер перфорированного экрана 1020 см, из них 170 см² (85%) составляет перфорация. Температура в сублимационной камере составляет 500С, а в десублиматоре 260-280С. Контроль температуры осуществляют с использованием логометров с присоединенными к ним термопарами.

В камеру-испаритель помещают 4 кг профторированного аммонийного продукта, закрывают крышкой, задвигают в сублиматор, герметизируют и с помощью нагревательных элементов устанавливают в десублиматоре температуру 280С. После этого при периодическом ворошении (медленном и осторожном перемешивании) доводят температуру в сублиматоре до 500С. Образующийся при этом газовый поток возгона гексафторосиликата аммония поступает в десублиматор и после соприкосновения с экраном через разгрузочный люк ссыпается в приемник, не налипая ни на стенки десублиматора, ни на перфорированный экран. Несконденсированные газы, представляющие собой пары фторидов аммония, проходят в камеру для улавливания и стекают в приемник.

Выход порошкообразного гексафторосиликата аммония составил 3,6 кг (90%). Содержание основного вещества (гексафторосиликата аммония) - 99,99 мас.%, содержание примесей - 0,003% Ni, 0,001% Al, 0,002% Fe.

Таким образом, использование заявляемого устройства предлагаемой конструкции позволяет получить высокочистый порошкообразный гексафторосиликат кремния и обескремненный концентрат.