Вакуум-фильтрах:

1, 3 — барабанные вакуум-фильтры; 2 — репульпатор; 4 — выщелачиватель.

Для интенсификации процессов выщелачивания и растворения могут быть использованы низкочастотные механические колебания. Опыт пока­зывает, что при наложении колебаний увеличивается скорость обтека­ния частиц и процесс заметно ускоряется. Весьма значительное увеличе­ние скорости обтекания и соответственно — коэффициентов массоотдачи возможно при осуществлении вращательного движения жидкости совзвешенными в ней твердыми частицами (центробежный режим). Можно заметить, что методы интенсификации экстракции в системах жидкость — твердое тело и жидкость — жидкость аналогичны.

Процесс в неподвижном слое заключается в фильтровании жидкости (растворителя) сквозь слой пористого кускового материала. Растворение обычно проводится периодически при уменьшении во времени высоты слоя, в отличие от выщелачивания, при котором высота слоя постоянна. В случае непрерывного пополнения твердого материала, компенсирую­щего его убыль, можно осуществлять процесс в неподвижном слое непре­рывным способом. В промышленности выщелачивание в неподвижном слое часто проводят полунепрерывно в батарее последовательно соеди­ненных (по ходу раствора) аппаратов, в каждом из которых через опреде­ленные промежутки времени производится выгрузка «отработанного» и загрузка свежего твердого материала.

Выщелачивание, проводимое фильтрационно-проточным способом, яв­ляется более медленным процессом, чем выщелачивание при перемеши­вании реагентов. Однако этот способ отличается простотой аппаратур­ного оформления, так как не требует применения фильтров или других аппаратов, необходимых для разделения пульпы и промывки осадка. Процессы выщелачивания и фильтрования в данном случае протекают одновременно, причем получаемые в результате фильтрования сквозь слой растворы представляют собой чистую жидкость. Этим способом мож­но достичь высоких объемных производительностей при меньших удель­ных расходах растворителя на единицу массы твердого материала и получать концентрированные растворы.

Существенным недостатком указанного способа выщелачивания яв­ляется высокое гидравлическое сопротивление слоя. Выщелачивание в неподвижном слое требует однородного по крупности и грубо измель­ченного твердого материала.

Выбор того или иного способа выщелачивания следует производить для каждого конкретного случая на основе технико-экономического расчета.

Устройство и принцип действия экстракторов.

К конструкции аппаратов, в которых проводят процессы растворения и выщелачивания, предъявляются следующие основные требования: 1) высокая удельная производительность, характеризуемая выходом рас­твора с единицы рабочего объема аппарата; 2) возможно более высокая концентрация получаемого раствора; 3) низкий расход энергии на еди­ницу объема конечного раствора.

Аппараты для растворения и выщелачивания делятся на периодически и непрерывно действующие. В зависимости от взаимного направления движения фаз различают аппараты прямоточные и противоточные, а так­же аппараты, работающие по принципу смешанного тока.

По способу создания скорости обтекания твердых частиц жидкостью различают аппараты: с неподвижным слоем твердого материала, с меха­ническим перемешиванием и со взвешенным, или кипящим, слоем.

Аппараты периодического действия вследствие низкой производитель­ности применяются лишь в малотоннажных производствах и представ­ляют собой обычно аппараты (реакторы) без перемешивающих устройств, снабженные обогревом, и аппараты с мешалками. В промышленной прак­тике все большее распространение получают непрерывно действующие аппараты.

Аппараты с неподвижным слоем твердого материала.В этих аппаратах скорость движения жидкости при ее фильтровании сквозь слой практи­чески совпадает по величине и направлению со скоростью обтекания. Простейшим аппаратом такого типа является открытый резервуар с лож­ным днищем (решеткой), подобный открытому нутч-фильтру. На решетку загружается слой твердого материала, через который сверху вниз протекает растворитель. При таком направлении движения жид­кость равномерно заполняет сечение аппарата и не происходит смешения более концентрированного раствора с раствором низкой концентрации, приводящего к снижению движущей силы. Выгрузку выщелоченного твердого остатка производят периодически, чаще всего гидравлическим способом — вымывая твердый материал из аппарата водой.

При движении жидкости сквозь слой относительно небольшой высоты не удается получить раствор достаточно высокой концентрации. Исполь­зование циркуляции жидкости для укрепления раствора нецелесообраз­но, ввиду указанного выше вредного эффекта смешения растворов раз­ной концентрации. Поэтому для повышения степени извлечения и уве­личения производительности применяют герметически закрытые аппара­ты с ложным днищем, подобные закрытым нутч-фильтрам, получившие название диффузоров.

Диффузор (рис. 15.14, а) состоит из цилиндрического корпуса 1, ложного днища, или решетки, 2 и откидного днища 3. Свежий раствори­тель поступает через штуцер 4, а конечный раствор удаляется через штуцер 5. Диффузоры соединяются последовательно в батареи и работают под избыточным давлением. При этом растворитель прокачивается одним насосом 6 снизу вверх последовательно через все аппараты батареи, в которых в данный момент происходит выщелачивание. Общее число диф­фузоров в батарее зависит от скорости процесса и может достигать 10— 15 и более. В любой рассматриваемый момент один из аппаратов, в ко­тором уже достигнута заданная степень извлечения, отключается на разгрузку выщелоченного материала и загрузку свежим материалом. В это время в остальных аппаратах (исключая один из аппаратов, находящийся обычно в резерве) осуществляется выщелачивание. Периодическая раз­грузка выщелоченного материала производится самотеком под давлением через нижний люк, снабженный откидным днищем и ручным (рис. 15.14, а) или гидравлическим затвором.

Батарея диффузоров работает по принципу противотока, т. е. свежий растворитель взаимодействует с уже в значительной степени выщело­ченным материалом, в наиболее концентрированный раствор — со све­жим твердым материалом. В современных установках смена операций в условиях полунепрерывной работы диффузоров осуществляется авто­матически.

Существенным недостатком аппаратов с неподвижным слоем является неравномерность обтекания твердых частиц жидкостью и образование застойных зон вблизи точек соприкосновения частиц. Увеличение ско­рости фильтрования ограничивается уносом мелких частиц жидкостью и значительным возрастанием гидравлического сопротивления. Поэтому такие аппараты постепенно вытесняются аппаратами непрерывного дей­ствия.

Непрерывно действующие аппараты с механическим перемешиванием. Одним из распространенных аппаратов этой группы является шнековый растворитель (рис. 15.15). Он представляет собой гори­зонтальное корыто, или желоб 1, в котором вращается горизонтальный вал 2 с укрепленными на нем спиральными лопастями 3 и крестовинами 4.

Рис.15.14. Схема выщелачивания в батарее диффузоров:

а — диффузор; б — батарея диффузоров (1—V);

1 — корпус; 2 — ложное днище (решетка); 3 — откидное днище; 4 — штуцер для ввода свежего растворителя; 5 — штуцер для отвода конечного (концентрированного) раствора; 6 — насос.

Растворяемый твердый материал непрерывно поступает через штуцер 5, а жидкость (растворитель) — через штуцер 6 и движутся прямотоком друг к другу, причем твердый материал перемещается вдоль корыта с по­мощью спиральных лопастей. На лопастях укреплены дополнительные лопасти-скребки 7, которые приподнимают и сбрасывают твердые части­цы, осуществляя перемешивание материала на различных участках корыта в вертикальной плоскости. Для ускорения процесса жидкость в ко­рыте нагревается острым паром, поступающим через сопла 8 (как показа­но на рис. 15.15), или глухим паром через рубашку.

При движении вдоль аппарата раствор многократно направляется кни­зу посредством козырьков 9; это улучшает контакт между жидкой и твердой фазами. Концентрированный раствор удаляется с противополож­ного конца аппарата через сливной штуцер в верхней части корыта (на рисунке не изображен), а нерастворенный остаток твердого материала отводится с помощью наклонного элеватора 10. Ковши 11 элеватора имеют ситчатые стенки для отделения жидкости, сливающейся через штуцер 12.

Шнековые аппараты могут работать как по принципу прямотока, так и противотока фаз, причем чем интенсивнее перемешивание фаз в по­перечном сечении аппарата, тем полнее могут быть использованы преиму­щества противотока.

Иногда шнековые аппараты работают комбинированным способом. Процесс проводится в двух последовательно соединенных аппаратах, из которых в один поступает исходный твердый материал, а в другой — све­жий растворитель. При этом в первом (по ходу твердой фазы) аппарате фазы движутся прямотоком, а во втором — противотоком.

Аппараты такого типа надежны в работе и обеспечивают высокие про­изводительности. Наряду с этим они металлоемки, громоздки и требуют сравнительно больших расходов электроэнергии. Удельная производи­тельность шнековых аппаратов (на единицу объема или веса аппарата) невелика, что объясняется относительно низкой скоростью обтекания ча­стиц и умеренной величиной поверхности соприкосновения фаз. Контакт между фазами ухудшается вследствие «проскока» некоторой части жид­кости, обусловленного заметным расслоением фаз, так как значительная часть твердого материала перемещается в виде более плотного слоя вдоль нижней части корыта.

Рис.15.15. Шнековый растворитель:

1 — горизонтальное корыто (желоб); 2 — вал; 3 — спиральные лопасти;4 — крестовина; 5 — штуцер для ввода твердого материала; 6 — штуцер дляввода .свежего растворителя; 7— лопасти-скребки; 8 — сопло; 9 — козырьки; 10 - элеватор; 11 — ковши; 12 — штуцер для слива жидкости.

Несколько более эффективно протекает процесс в барабанном растворителе (рис.15.16). Аппарат представляет собой горизонтальный цилиндрический барабан 1, закрытый с торцов передней крыш­кой 2 и задней крышкой 3. Через штуцер 4 в передней крышке поступает измельченный твердый материал, который транспортируется движущейся в том же направлении жидкостью (растворителем). Барабан / установлен на бандажах 5, опирающихся на ролики 6; он приводится во вращение через зубчатую передачу 7 и червячный редуктор 8 электродвигателем 9. Твердые частицы движутся при вращении барабана вместе с потоком жид­кости в осевом направлении и относительно потока — в поперечных сечениях барабана, причем для лучшего перемешивания фаз в вертикаль­ной плоскости служат лопасти 10, укрепленные на внутренней стенке барабана. Концентрированный раствор и твердый остаток уда­ляются черезштуцерИв задней крышке аппарата. Для уменьше­ния потерь тепла барабан снару­жи покрыт тепловой изоляцией 12.

Барабанные растворители мо­гут работать также по принципу противотока. В этом случае пере­мещение твердого материала осу­ществляется с помощью лопаток, установленных внутри горизон­тального барабана под небольшим углом к образующей в направ­лении движения материала.

Рис.15.16. Барабанный растворитель:

1 — горизонтальный цилиндрический барабан; 2 — пе­редняя крышка; 3 — задняя крышка; 4 — штуцер для ввода твердого материала; 5 — бандаж; 6 — опорный ролик; 7 — зубчатая передача; 8 — червячный редук­тор; 9 — электродвигатель; 10 — лопасти; 11 — шту­цер для отвода концентрированного раствора и твердого остатка; 12 — тепловая изоляция.

В барабанных растворителях достигаются большие удельные производительности и более вы­сокие коэффициенты массоотдачи(вследствие большей скорости обтекания частиц), чем в шнековых аппара­тах. Улучшение массоотдачи связано с систематическим обновлением поверхности контакта фаз при пересыпании твердых частиц внутри ба­рабана.

В некоторых случаях выщелачивание можно эффективно совмещать с мокрым измельчением твердого материала и осуществлять в одном аппарате, например в трубной мельнице. Проведение выщелачи­вания одновременно с размолом способствует созданию значительной и непрерывно обновляемой поверхности соприкосновения фаз.