Способ рафинирования легколетучих химических элементов вакуумной дистилляцией и аппарат для его осуществления

(51)7 22 9/04 ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(72) Храпунов Владимир Евгеньевич Кенжалиев Багдаулет Кенжалиевич Исакова Руфина Афанасьевна Володин Валерий Николаевич Челохсаев Леонид Сахамович Требухов Сергей Анатольевич Садвакасов Динмухамед Абдадилевич(73) Республиканское государственное казенное предприятие Институт металлургии и обогащения Министерства образования и науки Республики Казахстан(54) СПОСОБ РАФИНИРОВАНИЯ ЛЕГКОЛЕТУЧИХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ВАКУУМНОЙ ДИСТИЛЛЯЦИЕЙ И АППАРАТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к области цветной металлургии, к способам и аппаратам для вакуумной дистилляции химических элементов в малотоннажном производстве, для переработки сплавов и может быть использовано в химической промышленности. Способ рафинирования легколетучих элементов вакуумной дистилляцией включает периодическую загрузку исходного элемента, дистилляцию при нагревании с переводом его в паровую фазу, очистку паровой фазы с последующей конденсацией, осуществляемые в раздельно, эвакуацию газов и периодический выпуск продуктов переработки, при этом легколетучий элемент переводят в паровую фазу в количестве 70-90 от загруженного, жидкие про дукты очистки паровой фазы возвращают на дистилляцию, при этом дистилляцию элемента, очистку паровой фазы и возврат продуктов очистки проводят одновременно, осуществляют инерционную и фильтрационную очистку эвакуируемой газовой фазы, которую совмещают с конденсацией, а остаток от дистилляции перерабатывают отдельно дистилляцией с получением конденсата, который объединяют с исходным элементом. Аппарат для рафинирования легколетучих элементов вакуумной дистилляцией включает обогреваемые дистиллятор и конденсатор, соединенные паропроводом, в котором со стороны дистиллятора размещено устройство для фильтрации паровой фазы, и содержащий устройства для загрузки исходного элемента, выгрузки конденсата и эвакуации газов,при этом паропровод выполнен наклонным в сторону дистиллятора, отношение площади поперечного сечения паропровода и площади поперечного сечения дистиллятора к площади отверстий устройства для фильтрации не превышает 3 и 30, соответственно, а площадь поверхности конденсатора не менее чем в 2 раза больше площади поперечного сечения дистиллятора, при этом входное отверстие устройства для эвакуации газов размещено ниже входного отверстия паропровода в конденсатор и снабжено фильтром, а дистиллятор снабжен обогреваемым устройством для периодического выпуска остатка от дистилляции. Технический результат изобретения заключается в повышении качества рафинированного элемента и повышении производительности аппарата. 12098 Изобретение относится к области цветной металлургии, к способам и аппаратам для рафинирования легколетучих химических элементов вакуумной дистилляцией в малотоннажном производстве, для переработки сплавов и может быть использовано в химической промышленности. Известен существующий в промышленности способ рафинирования легколетучего элемента - селена,включающий периодическую загрузку технического селена, нагрев до 400-450 С с переводом его в паровую фазу при давлении 150-650 Па, вывод пара на конденсацию, получение конденсата, последующее его плавление и вывод дистиллированного селена через выпускное устройство, осуществляемый в аппаратах периодического действия, представляющих собой обогреваемые цилиндрические сдвоенные камеры одна для дистилляции селена, другая для конденсации паров, и содержащих устройства загрузки,слива конденсата и эвакуации газов. Причем дистилляция селена ведется до получения сыпучего остатка от дистилляции, который удаляют пневмотранспортом. К недостаткам способа следует отнести возможность получения бракованной продукции из-за увлечения паровым потоком в конденсатор капель и брызг исходного расплава, что снижает качество дистиллята и производительность аппарата. Известен также способ отделения цинка от свинца, включающий испарение цинка, вывод паров на конденсацию с получением жидкой фазы и эвакуацию неконденсирующихся газов, осуществляемый в аппарате, выполненном в виде цилиндрического,футерованного изнутри сосуда, открытого снизу,установленного в сосуд большего диаметра, открытый сверху, и сообщающийся с конденсатором обогреваемой вакуумной магистральюпаропроводом, имеющим горизонтальные участки(а. с. СССР 192699, кл. С 22 В 9/04, 1967). Недостатком данного технического решения является возможность увлечения капель и брызг исходного расплава парогазовым потоком, что снижает качество конденсата, и необходимость очистки обогреваемого вакуумпровода от промпродуктов, выпадающих из парогазовой фазы, что приводит к непроизводительным затратам времени. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ рафинирования селена вакуумной дистилляцией, включающий периодическую загрузку технического селена, нагрев с переводом его в паровую фазу, фильтрацию паров и вывод их на конденсацию, получение конденсата, последующее его плавление и вывод дистиллированного селена через выпускное устройство, осуществляемый в аппарате, состоящем из обогреваемых, соединенных паропроводом дистиллятора и конденсатора,снабженном фильтром, устройствами загрузки, слива конденсата и эвакуации газов (Исакова Р.А., Резняков А.А., Спивак М.М. Рафинирование селена. Алма-Ата Наука, 1975, с. 60). Способу и устройству свойственны недостатки, обусловленные возможно 2 стью попадания в конденсат - очищенный элемент продуктов очистки паровой фазы из паропровода,увлечение в конденсат примесей из обогащенного остатка, особенно на последнем этапе дистилляции,увлечение конденсата с газами в систему эвакуации. Все это, а также удаление сухого пылящего остатка от дистилляции снижает качество рафинированного элемента и производительность аппарата. Технический результат от совокупности влияния признаков, предлагаемых в изобретении, заключается в повышении качества рафинированного элемента и повышении производительности аппарата. Указанный технический результат изобретения обеспечивается в способе рафинирования легколетучих элементов вакуумной дистилляцией, включающем периодическую загрузку исходного элемента,дистилляцию при нагревании с переводом элемента в паровую фазу, очистку паровой фазы с последующей конденсацией, осуществляемые в раздельно,эвакуацию газов и периодический выпуск продуктов переработки, в котором легколетучий элемент переводят в паровую фазу в количестве 70-90 от загруженного, жидкие продукты очистки паровой фазы возвращают на дистилляцию, при этом дистилляцию элемента, очистку паровой фазы и возврат продуктов очистки проводят одновременно, осуществляют инерционную и фильтрационную очистку эвакуируемой газовой фазы, которую совмещают с конденсацией, а остаток от дистилляции перерабатывают отдельно дистилляцией с получением конденсата, который объединяют с исходным элементом. Технический результат изобретения достигается также в конструкции аппарата для рафинирования легколетучих элементов вакуумной дистилляцией,включающего обогреваемые дистиллятор и конденсатор, соединенные паропроводом, в котором со стороны дистиллятора размещено устройство для фильтрации паровой фазы, и содержащего устройства для загрузки исходного элемента, выгрузки конденсата и эвакуации газов, в котором паропровод выполнен наклонным в сторону дистиллятора, отношение площади поперечного сечения паропровода и площади поперечного сечения дистиллятора к площади отверстий устройства для фильтрации не превышает 3 и 30, соответственно, а площадь поверхности конденсатора не менее чем в 2 раза больше площади поперечного сечения дистиллятора, при этом входное отверстие устройства для эвакуации газов размещено ниже входного отверстия паропровода в конденсатор и снабжено фильтром, а дистиллятор снабжен обогреваемым устройством для периодического выпуска остатка от дистилляции. Перевод легколетучего элемента на 70-90 в паровую фазу позволяет избежать увлечения малолетучих примесей в паровую фазу на завершающей стадии дистилляции и повысить качество получаемого дистиллята. Кроме того, остаток от дистилляции сохраняется в жидком виде, что упрощает и ус 12098 коряет процесс выгрузки жидкого остатка и повышает производительность аппарата. Возврат жидких продуктов очистки паровой фазы - капель, брызг, труднолетучих соединений - на дистилляцию позволяет исключить их попадание в конденсатор и повысить качество рафинированного элемента, предотвратить операции очистки паропровода и фильтрующего устройства, что вместе с одновременным ведением дистилляции, очистки паровой фазы и возвратом продуктов очистки паровой фазы исключает вывод дополнительных промпродуктов из аппарата и повышает его производительность. Изготовление паропровода наклонным в сторону дистиллятора исключает попадание жидких продуктов очистки паровой фазы в конденсатор и загрязнение конденсата. Эвакуируемые неконденсирующиеся газы подвергают инерционной и фильтрационной очистке от пылевидной фракции конденсата, причем очистку совмещают с конденсацией паровой фазы. Это позволяет повысить производительность оборудования за счет уменьшения количества промпродуктов, образующихся в системе эвакуации газов при отсутствии фильтрации и возвращаемых на переработку. Инерционная очистка обеспечивается тем, что входное отверстие устройства для эвакуации газов размещено ниже входного отверстия паропровода в конденсатор. Кроме того, входное отверстие устройства для эвакуации газов снабжено фильтром. Наличие инерционной и фильтрационной очистки способствует высокой степени очистки эвакуируемых газов. Отдельная переработка остатка от дистилляции позволяет наиболее полно отогнать легколетучий рафинируемый элемент с получением конденсата,содержание трудноудаляемых примесей в котором близко к содержанию примесей в исходном элементе и объединяемого с ним. Это повышает качество рафинированного элемента вследствие вывода основной массы примесей на данном этапе вне основного технологического процесса. Заданное отношение площади поперечного сечения паропровода и площади поперечного сечения дистиллятора к площади отверстий устройства для фильтрации, не превышающее 3 и 30, соответственно, позволяет оптимизировать количество испарившегося элемента в дистилляторе и условия очистки паровой фазы. При больших значениях возникают затруднения с отводом паровой фазы, что влечет уменьшение скорости испарения. Кроме того, увеличивается скорость парогазовой смеси в паропроводе,что ухудшает очистку от примесей, прошедших через фильтрующее устройство и оседающих в паропроводе. Изложенное приводит к уменьшению производительности аппарата и ухудшению качества рафинированного элемента. Площадь поверхности конденсатора не менее чем в 2 раза превышает площадь поперечного сечения дистиллятора, что обеспечивает необходимые усло вия и полноту конденсации паровой фазы и положительно влияет на производительность аппарата. Наличие обогреваемого устройства для периодического выпуска остатка от дистилляции значительно упрощает, сокращает время выгрузки остатка и непроизводительные затраты времени. На фигуре приведена схема предлагаемого аппарата, где дистиллятор 1 соединен с конденсатором 2 паропроводом 3, который выполнен наклонным в сторону дистиллятора. Внутри дистиллятора 1 на паропроводе 3 смонтировано устройство для фильтрации паров 4 с отверстиями 5 для прохода парогазовой смеси. Внизу конденсатор 2 снабжен устройством для выгрузки конденсата - рафинированного элемента 6, а дистиллятор 1 - устройством для выпуска остатка от дистилляции 7. В конденсаторе 2 установлено устройство для эвакуации газов 8,входное отверстие 9 которого размещено ниже уровня входного отверстия паропровода 3 в конденсатор 2 и снабжено фильтром 10. Дистиллятор 1 снабжен устройством для загрузки 11 исходного элемента и нагревателем 12. Конденсатор 2 снабжен нагревателем 13. Аппарат работает следующим образом. Исходный рафинируемый легколетучий элемент через загрузочное устройство 11 загружают в дистиллятор 1. Через устройство 8 в аппарате создают разрежение. Включением нагревателя 12 осуществляют нагрев дистиллятора 1 и паропровода 3. При достижении температуры дистилляции легколетучий элемент переходит в паровую фазу, которую подвергают фильтрации в устройстве 4. В основном очищенная от капель и брызг парогазовая фаза через отверстия 5 и паропровод 3 поступает в конденсатор 2, где преимущественно на стенках происходит конденсация пара в твердую или частично в жидкую фазу. Некоторая часть легколетучего элемента конденсируется в объеме и увлекается неконденсируемыми газами в фильтр 10, где происходит очистка от пылевидной фракции конденсата и возврат последней в основную массу конденсата. Неконденсируемые очищенные от пылевидной фракции конденсата газы эвакуируют через устройство 8. Менее летучие, чем рафинируемый элемент примеси после фильтрации в устройстве 4 вследствие уменьшения скорости после прохождения отверстий фильтра и некоторого понижения температуры в паропроводе 3 от дистиллятора 1 к ненагреваемому конденсатору 2, конденсируются в наклонном паропроводе 3 и стекают в дистиллятор 1. Также по паропроводу 3 стекают частично увлеченные с паровой фазой брызги и капли После перевода 70-90 легколетучего элемента в паровую фазу процесс дистилляции прекращают,аппарат заполняют инертным по отношению к перерабатываемому исходному сырью газом и остаток от дистилляции через устройство 7 выводят из дистиллятора 1. При давлении в аппарате, равном атмосферному, подачей электрической мощности на нагреватель 13 нагревают конденсатор 2 до темпера 3 12098 туры плавления легколетучего элемента, переводят его в расплавленное состояние и через устройство 6 выводят из конденсатора 2. После завершения всех операций технологический цикл повторяют. Технологические показатели способа, работы аппарата предлагаемой конструкции и условия ведения процесса для некоторых элементов приведены ниже. Пример 1. Рафинирование технического селена проводили в вакуумном аппарате, дистиллятор которого имел диаметр 30 см (площадь поперечного сечения дистиллятора составила 706,5 см 2, что соответствует площади испарения), диаметр паропровода - 9,5 см (площадь - 70,8 см 2), суммарная площадь отверстий устройства для фильтрации паровой фазы - 23,6 см 2 (отношение площади поперечного сечения паропровода и площади поперечного сечения дистиллятора к площади отверстий устройства для фильтрации составляет 3 и 29,9, соответственно),при температуре в дистилляторе 400 С и давлении 133-150 Па. Площадь поверхности конденсатора составляла 6500 см 2, что в 9,2 раза превышает площадь испарения. Селен подвергали дистилляции на 70 от загруженного. Остаток выпускали через обогреваемое устройство в донной части дистиллятора и после трех операций объединяли, затем отдельно подвергали заключительной дистилляции до получения сухого остатка, конденсат этой стадии объединяли с исходным техническим селеном последующей операции. Содержание примесей в исходном селене составляло в среднем, мас.104 алюминий, железо - 10,3-20,2 висмут, никель, свинец - 2,8-5,0 магний, марганец, медь, серебро,ртуть - 0,8-2,2 мышьяк - 6,1-8,1 олово - 1,6 теллур- 1000. При завершении дистилляционного процесса температуру в конденсаторе поднимали до 250-280 С и выпускали рафинированный продукт из конденсатора. После дистилляции получали селен особой чистоты, содержащий не более, мас.104 алюминий - 2,0 висмут - 1,0 железо - 3,0 магний - 1,0 марганец - 0,5 медь - 0,5 мышьяк - 5,0 никель 2,0 теллур - 10, соответствующий марке ОСЧ 15-2,без получения бракованных партий по трудноудаляемым примесям, особенно по содержанию теллура. Во время эксплуатации исключена операция очистки фильтра и паропровода. За счет фильтрации эвакуируемых газов не наблюдалось осаждения пылевидного конденсата в системе эвакуации неконденсирующихся газов, что также позволило сократить непроизводительные затраты времени на ее очистку. Увеличение производительности аппарата за счет сокращения вспомогательных и обслуживающих операций составило 10-12 . Пример 2. Очистку чернового кадмия, полученного после переплавки губки под слоем щелочи, содержащего, мас. 0,020-0,026 свинца, 0,007-0,030 меди, 1,30-1,80 таллия и 0,14-0,35 никеля, производили в аппарате, дистиллятор которого имел диаметр 40 см (площадь поперечного сечения дистиллятора - площадь испарения - 1256 см 2), диаметр паропровода - 15 см (площадь поперечного сечения 4- 176,6 см 2), суммарная площадь отверстий устройства для фильтрации паровой фазы - 88 см 2 (отношение площади поперечного сечения паропровода и площади поперечного сечения дистиллятора к площади отверстий устройства для фильтрации составляет 2 и 14,3, соответственно). Температуру процесса дистилляции поддерживали равной 430-450 С,давление - около 13 Па. Площадь поверхности конденсации составляла 2512 см 2, что в 2 раза больше площади испарения. Кадмий подвергали дистилляции на 90 от загруженного. Остаток выпускали через обогреваемое устройство в донной части дистиллятора и после 10 операций объединяли, затем отдельно подвергали заключительной дистилляции до получения остатка, содержащего практически черновой таллий. Конденсат этой стадии, содержащий до 0,005-0,01 таллия, объединяли с исходным кадмием. При завершении дистилляционного процесса температуру в конденсаторе поднимали до 350-370 С, конденсат плавили и выпускали из конденсатора. В результате получали кадмий, содержащий, мас. 0,01-0,005 свинца, 0,02-0,002 меди,0,003-0,002 таллия, 0,0003-0,0005 никеля, и соответствующий марке Кд-0, без получения бракованных партий по трудноудаляемым примесям, особенно по содержанию таллия. Во время эксплуатации не проводилась операция очистки фильтра и паропровода,не наблюдалось осаждения пылевидного конденсата в системе эвакуации неконденсирующихся газов, что позволило сократить непроизводительные затраты времени на ее очистку. Увеличение производительности аппарата за счет сокращения вспомогательных и обслуживающих операций составило 10-15 . Проведенные, таким образом, испытания по рафинированию легколетучих элементов вакуумной дистилляцией предлагаемым способом в аппарате для его осуществления подтвердили повышение качества получаемых элементов и повышение производительности оборудования. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ рафинирования легколетучих элементов вакуумной дистилляцией, включающий периодическую загрузку исходного элемента, дистилляцию при нагревании с переводом элемента в паровую фазу, очистку паровой фазы с последующей конденсацией, осуществляемые раздельно, эвакуацию газов и периодический выпуск продуктов переработки, отличающийся тем, что легколетучий элемент переводят в паровую фазу в количестве 7090 от загруженного, жидкие продукты очистки паровой фазы возвращают на дистилляцию, при этом дистилляцию элемента, очистку паровой фазы и возврат продуктов очистки проводят одновременно, осуществляют инерционную и фильтрационную очистку эвакуируемой газовой фазы, которую совмещают с конденсацией, а остаток от дистилляции перерабатывают отдельно дистилляцией с получени 12098 ем конденсата, который объединяют с исходным элементом. 2. Аппарат для рафинирования легколетучих элементов вакуумной дистилляцией, включающий обогреваемые дистиллятор и конденсатор, соединенные паропроводом, в котором со стороны дистиллятора размещено устройство для фильтрации паровой фазы, и содержащий устройства для загрузки исходного элемента, выгрузки конденсата и эвакуации газов, отличающийся тем, что паропровод выполнен наклонным в сторону дистиллятора, отношение площади поперечного сечения паропровода и площади поперечного сечения дистиллятора к площади отверстий устройства для фильтрации не превышает 3 и 30, соответственно, а площадь поверхности конденсатора не менее чем в 2 раза больше площади поперечного сечения дистиллятора, при этом входное отверстие устройства для эвакуации газов размещено ниже входного отверстия паропровода в конденсатор и снабжено фильтром, а дистиллятор снабжен обогреваемым устройством для периодического выпуска остатка от дистилляции.