По конструктивному исполнению такие аппараты можно разделить на две группы: аппараты с излучателями колебаний (вибраторами, пульсаторами), установленными в реакционном объеме, и аппараты с вибрацией всего реакционного сосуда. В качестве вибраторов используются устройства, в которых механическая или электромагнитная энергия преобразуется в кинетическую энергию колебаний жидкости или суспензии.
Аппараты с излучателями
П. П. Лобода предложил противоточный аппарат для растворения в поле низкочастотных механических колебаний (рис. 1). Он состоит из корытообразного или цилиндрического корпуса 1, секционированного перегородками 2, закрепленными на подвижных шарнирах 3. Перегородки соединены со штоком 4, совершающим возвратно-поступательное движение от вибропривода. Твердый материал непрерывно поступает в загрузочную горловину 5 и по наклонному днищу аппарата движется к разгрузочному штуцеру 7. Растворяющая жидкость, поступающая через штуцер 8 в нижней части корпуса аппарата, движется навстречу твердой фазе. Раствор отводится с верхнего уровня жидкости в аппарате через штуцер 6.
Риc 1. Противоточный растворитель с низкочастотными колебаниями пластин:
1 – корпус, 2 – перегородка, 3 – подвижный шарнир; 4 – шток, 5 – загрузочная горловина;
6-8 – штуцеры для отвода раствора, удаления нерастворимого остатка и подвода растворяющей жидкости.
Недостатком такого аппарата является быстрый выход из строя узлов (шарниров, сальников) при работе с агрессивными суспензиями С этой точки зрения предпочтительны аппараты в виде вертикальных колонн с верхним расположением вибропривода. В условиях высоких давлений целесообразно использовать аппарат с электромагнитной мешалкой в виде якоря (рис. 2), предложенный Я. Г. Черновым и др.
Аппарат состоит из немагнитного корпуса 1, катушки,2, магнитопровода 3. профилированной мешалки-якоря 4 в виде набора усеченных конусов, вершины которых направлены в сторону, противоположную движению суспензии. Якорь может вибрировать в пружинах 6 и 7. Твердый материал и растворитель непрерывно поступают в аппарат через штуцеры 8 и 9, а раствор с не растворившимся остатком отводится через штуцер – 5. При подаче на обмотку 2 однополупериодного выпрямленного тока якорь 4 начинает вибрировать. Одновременно начинается нагрев суспензии вихревыми токами. В результате этого процесс растворения существенно ускоряется.
Для интенсификации процессов растворения в условиях многотоннажных производств могут быть использованны пневматические источники колебаний. На рис. 3 представлен пневматический торцовый излучатель конструкции Московского горного института. Он состоит из двигателя – 1, установленного на статоре 2 с окнами, мембраны 3 и ротора 4 с окнами. При вращении ротора, сопровождающегося периодическим совмещением его окон с окнами статора, сжатый воздух вызывает колебания мембраны частотой 60-800 Гц, которая передает их жидкости.
Рис 2. Аппарат с электромагнитной мешалкой:
1 – немагнитный корпус; 2 – катушка; 3 – магнитопровод; 4 – мешалка-якорь;
5 – штуцер для отвода супензии; 6, 7 – пружины; 8, 9 – штуцеры для ввода твердого материала и жидкости.
Рис 3. Торцовый пневматический излучатель:
1 – электродвигатель; 2 – корпус (статор); 3 – мембрана; 4 – ротор; 5 – вход кабеля.
Рис 4. Цилиндрический пневматический излучатель:
1 – электродвигатель; 2 – масляный бак; 3, 4 – статор и ротор сирены; 5 – воздуховод;
6 – излучающая оболочка (мембрана); 7 – штуцер для отвода воздуха.
Такой излучатель предназначен для установки на стенке аппарата. Цилиндрический пневматический излучатель (рис. 4) можно устанавливать в реакционном объеме аппарата. Он представляет собой аналогичное устройство с мембраной в виде упругой резиновой оболочки цилиндрической формы. Электродвигатель 1 вращает ротор 4 в статоре 3. При подаче сжатого воздуха через воздуховод 5 излучающая оболочка 6 приходит в колебательное движение с частотой, определяемой скоростью вращения ротора и числом отверстий в нем.
При излучающей поверхности 0,5 м2 и пневматической мощности 10-15 кВт (расход воздуха 0,03 м3/с, перепад давления до 0,5 МПа) акустическая мощность (в резонансе) излучателя составляет 1 кВт в частотном диапазоне 20-500 Гц.
Основные достоинства таких излучателей: простота конструкции, надежность в работе, возможность работы в больших объемах (5- 10 м3) без существенного затухания колебаний большой амплитуды (до 1 см). К недостаткам следует отнести ограниченные возможности использования в условиях высоких температур и давлений, небольшой к. п. д., большие габариты и масса.
Аппараты с вибрацией сосуда
В институте «Унипромедь» испытана непрерывно действующая установка (рис. 5) для вибрационного растворения меди и цинка из прохлорированных пиритных огарков. Она состоит из бункера 1, откуда ленточным питателем 2 твердое вещество подается в приемник вибрационного желоба 5. Растворяющая жидкость подается из резервуара 3 через брызгала 4. Содержимое вибрационного желоба поступает в сборник 6.
Рис. 5. Схема установки для вибрационного растворения:
1 – бункер; 2 – питатель; 3 – резервуар для растворителя;
4 – брызгало; 5 – вибрационный желоб;6 – сборник.
Вибрационный желоб 5 (рис. 6) полезной площадью 0,37 м2 имеет приемник 1 и разгрузочный лоток 3. Сверху желоб закрыт крышкой 4. Для упорядочения движения суспензии по всей площади желоба и увеличения времени пребывания в нем растворяемого материала на днище наварены направляющие перегородки 2 с наклоном в сторону разгрузки. Результаты испытаний показали высокую эффективность работы такого аппарата: при амплитуде колебаний до 6 мм, частоте колебаний 32 Гц процесс завершался в течение 4 мин, в то время как в аппарате с мешалкой – в течение 1 ч.
Рис. 6. Вибрационный желоб:
1 – приемник; 2 – перегородки; 3 – разгрузочный лоток; 4 – крышка.
Для осуществления противоточного растворения Н. 3. Сафиным предложен вертикальный колонный аппарат (рис. 7), состоящий из корпуса 2, перфорированных перегородок 2, загрузочного бункера 3 с питающей трубой 4 и вибратора 5. Твердый материал из бункера 3 через окна 7 в трубе поступает на перфорированные тарелки, а жидкость подается снизу через патрубок 6. Вибрация аппарата приводит к интенсивному растворению твердых частиц во взвешенном состоянии. Недостатком таких .аппаратов является их небольшая длина (высота), поэтому для обеспечения заданного времени пребывания материала в аппарате необходим каскад таких аппаратов.
Рис. 7. Вертикальный колонный вибрационный аппарат:
1 – корпус; 2 – перегородка; 3 – бункер; 4 -питающая труба;
5 – вибратор; 6 – патрубок для ввода жидкости; 7 – окно.
Более совершенным является вертикальный аппарат со спиральным вибрирующим лотком, схема которого показана на рис. 8. Он состоит из цилиндрической колонны 2, на которой укреплен спиральный лоток 2. Колонна подвешена на пружинных подвесках 4 и совершает вибрационное движение под действием вибратора 3. Твердый материал непрерывно поступает в приемный лоток 5, расположенный у днища ванны 6 с жидкостью, и вместе с ней движется по спиральному лотку вверх, суспензия раствора с нерастворимым остатком непрерывно выгружается из верхней части лотка.
Рис. 8. Вертикальный аппарат со спиральным вибрирующим лотком:
1 – колонна (труба): 2 – спиральный лоток; 3 – вибратор; 4 – пружинная подвеска;
5 – приемный лоток для твердого материала; 6 – ванна для растворителя.
Вибратор сообщает спиральному лотку крутильные колебания. При этом твердые частицы совершают микроскачки по лотку и перемещаются вверх. Частоту колебаний установок в зависимости от свойств материала и скорости транспортирования принимают от 10 до 50 Гц. Амплитуда колебаний при этом составляет 10-1,5 мм. Правильный выбор частоты и амплитуды колебаний, а также угла направления вибрации обеспечивает достаточно равномерное перемещение почти всех твердых материалов, начиная от порошков с частицами размером несколько десятков микрон и кончая кусками размером 80 мм.
Перемещение материала происходит плавно, трение его о стенки практически равно нулю. Это дает возможность обрабатывать хрупкие вещества без их повреждения, а также абразивные материалы без заметного износа лотка аппарата. Вибрирующие части установки крепятся к неподвижной опоре витыми или плоскими пружинами. В последнее время в зарубежных аппаратах чаще стали встречаться опоры, выполненные из надутых воздухом резиновых амортизаторов. Транспортная производительность вертикальных аппаратов достигает 15-20 м3/ч.
Важным преимуществом вертикальных аппаратов является большая длина пути перемещения материала на сравнительно малой площади цеха. В частности, на нескольких квадратных метрах пола можно установить вертикальный аппарат высотой 12 м, при этом длина его лотка будет около 100 м. Регулируя параметры вибрации, можно достигнуть продолжительности пребывания материала в рабочей камере аппарата около 45 мин. Высота А (см. рис. 8) вертикального аппарата может достигать 14 м, высота рабочей камеры Н = = 12 м. Диаметр вертикальной трубы изменяется от 200 до 1200 мм, ширина лотка от 15 до 400 мм.
Для совмещения в одном аппарате двух операций – растворения и промывки нерастворимого остатка – В. Е. Дьяковым и др. предложен вертикальный вибрационный аппарат с двухзаходной спиралью (рис. 9). Он состоит из цилиндрического корпуса, подвешенного тросами 1 через амортизаторы 2 на консольных балках 4. На цилиндрический корпус навиты и закреплены скобами 5 два полиэтиленовых трубчатых элемента 6 и 7; элемент 6 предназначен для кислотного растворения, а элемент 7 – для водной промывки остатка. Нижний виток трубчатого элемента 6 (кислотного) соединен с загрузочным бункером 3, а верхний виток трубчатого элемента 7 (промывочного) выполнен в виде разгрузочного лотка 14. Верхний виток элемента 6 соединен с нижним витком элемента 7 вертикальной трубой 9. Раствор кислоты подается в аппарат по коллектору 11, а промывная вода -по коллектору 12, коллекторы снабжены кранами 13. Для стока рабочего раствора и промывной воды предусмотрены сифоны 10. К цилиндрическому корпусу прикреплен вибратор 8.
Рис. 9. Вибрационный аппарат с двухзаходной спиралью:
1 – трос; 2 – амортизатор; 3 – загрузочный бункер; 4 – балка; 5 – скоба; 6, 7 – трубчатые спирали для растворения и промывки;
8 – вибратор; 9 – труба; 10 – сифоны; 11. 12 – коллекторы; 13 – кран; 14 – разгрузочный лоток.
Аппарат работает следующим образом. Твердый материал из загрузочного бункера поступает в трубчатый элемент 6, в котором он под действием колебаний перемещается снизу вверх, взаимодействуя со стекающим вниз раствором кислоты, которая подается из коллектора 11 на предпоследний виток трубчатого элемента. Затем материал, перемещаясь под действием направленных колебаний, отделяется от кислоты на верхнем витке трубчатого элемента и подается через трубу 9 на нижний виток промывочного трубчатого элемента 7, по которому он вновь перемещается вверх навстречу промывочному раствору. На верхнем витке трубчатого элемента 7 остаток отделяется от воды, обезвоживается и разгружается в лоток 14. Обработанный кислый раствор и промывная вода выводятся из аппарата через сифоны. Полупромышленные испытания установки с таким аппаратом (рис. 10) проведены при растворении примесей железа из оловянного концентрата соляной кислотой.
Аппарат производительностью 1 т/ч концентрата представляет собой несущий цилиндр диаметром 1 м и высотой 3 м, подвешенный на трех пружинах.
На цилиндре в качестве лотка укреплены витки двухзаходной спирали из полиэтиленовой трубы с внутренним диаметром 85 мм. Шаг спирали 210 мм; угол наклона ее к горизонтальной плоскости равен 3°20′. По одному такому спиральному лотку в виде трубы концентрат под действием направленных виброколебаний перемещается снизу вверх противотоком к стекающему раствору соляной кислоты. В верхних витках спирали концентрат отделяется от кислоты и перегружается в промывочную линию. По другому спиральному лотку в виде трубы концентрат перемещается снизу вверх противотоком к стекающей воде. При этом концентрат отмывается от остатков хлорного железа и соляной кислоты с последующим обезвоживанием материала. Каждая из этих линий имеет 14 витков спирали; длина трубы равна 54 м.
Рис. 10. Схема полупромышленной установки для растворения примесей железа из оловянного концентрата:
1 – бункер с питателем; 2 – корпус аппарата; 3, 4 – промывочная и кислотные линии;
5 – вибратор; 6 – сборник; 7 – сосуд для кислоты; 8 – ротаметр; 9 – теплообменник.
Чтобы обеспечить перемещение концентрата снизу вверх по спиральной трубе, аппарату сообщаются крутильные колебания двухвальным дебалансным вибратором инерционного типа. Для синхронизации фаз вращения валов использовали шестеренчатую пару, которая приводилась во вращение от электродвигателя через эластичную муфту. Во время испытания аппарату сообщались колебания частотой 24 Гц с горизонтальной амплитудой крутильных колебаний 0,55 мм и вертикальной амплитудой 1,2 мм (угол направления вибрации 65°). В аппарат на нижний виток загружали концентрат с исходным содержанием 3,8% Fe, а на предпоследний верхний виток спирали заливали подогретую до 343 К техническую 27%-ную НС1.
Содержание железа в выходящем из аппарата концентрате в среднем составляло 0,8%. Раствор, выходящий из аппарата с температурой 318-323 К, содержал 77 г/л Fe. Концентрат промывался горячей водой. Испытания показали, что разработанная технология позволяет в противоточном режиме освобождать оловянный концентрат от примесей до кондиционных содержаний с одновременной его промывкой и обезвоживанием.
Г.А. Аксельруд, А.Д. Молчанов
Растоврение твердых веществ
(Глава IV. Аппараты для растворения / Аппараты с наложением поля колебаний)
Форма запроса