Технология растворения полидисперсной соли (стр. 1 )

Глава 8

ТЕХНОЛОГИЯ РАСТВОРЕНИЯ ПОЛИДИСПЕРСНОЙ СОЛИ

Поваренная соль (галит) обычно поставляется потребите­лям в виде полидисперсного кристаллического вещества или в виде сеяной соли определенной крупности помола. Причем для многих отраслей народного хозяйства галит необходим в виде водного раствора с концентрацией соли, близкой к насыщению.

В зависимости от области применения галит растворяют в воде с помощью различных устройств и аппаратов, которые существенно отличаются режимом массообмена.

8.1. РАСТВОРЕНИЕ НЕПОДВИЖНОГО СЛОЯ СОЛИ

Это малоинтенсивный, но наиболее простой способ раство­рения соли. Полидисперсную соль засыпают в емкость или железобетонную яму заданного объема и заливают водой. Концентрированный (крепкий) раствор соли периодически или непрерывно перекачивают (сливают) в другую емкость для дополнительного отстоя шлама или для химической очистки рассола от примесей ионов Са2+, Mg2+ и др. Растворение соли в воде при этом протекает практически в режиме естественной конвекции и фильтрации. Для интенсификации процесса иногда используют горячую воду, пар или барботаж воздухом, что создает перемешивание и переводит процесс в режим вынуж­денной конвекции.

Рис. 8-1. Схема мокрого хранения и растворения соли с системой поддер­жания постоянного уровня рассола:

1 — вагон; 2 — передвижной гидротранспортер; 3 — железобетонные ячейки; 4 — рукава; 5 — центральный отсек; 6 — бак; 7 — трубопровод; 8, 12 — насосы; 9 — аппарат фильтра­ции; 10 — расходный бак крепкого раствора; 11 — перегородки; 13 — шлам

Известны различные схемы мокрого хранения соли, которые позволяют избежать обычной слеживаемости этого продукта при его сухом хранении и совместить хранение соли с получе­нием крепкого рассола для химической, легкой, энергетической, хлебопекарной и других отраслей промышленности.

На рис. 8-1 и 8-2 приведены варианты схем мокрого хране­ния с подачей воды сверху и отбором рассола снизу. По схеме на рис. 8-1 [200] соль из вагона 1 перегружают в передвижной гидротранспортер 2, из которого соль насыщенным рассолом транспортируется насосом 12 в железобетонные ячейки 3 для мокрого хранения и одновременного растворения соли. Две боковые ячейки 3, полностью заполненные солью, отделены деревянными перфорированными перегородками 11 от централь­ного отсека 5, который служит емкостью для крепкого раство­ра. Воду на растворение подают по трубопроводу 7 через бак 6 для поддержания постоянного уровня в резервуаре соли. С по­мощью рукавов 4 смывают оседающий на дно шлам 13, который. сбрасывают насосом 8. Крепкий раствор соли из бака 5 подают насосом 12 на фильтрацию в аппарат 9 и далее раствор посту­пает в расходный бак крепкого раствора 10, из которого рассол идет на регенерацию катионитовых фильтров химводоочистки.

В условиях пониженных температур технологическая схема открытого склада мокрого хранения соли включает систему подогрева воды и рассола, как на рис. 8-2 по данным [201]. Из вагона 1 с помощью крана 2 соль засыпают в железобетонные ямы 3. Водопроводную воду и воду из барометрического кон­денсатора отделения выпарки через теплообменник 5, обогре­ваемый дополнительно паром, подают на растворение соли сверху, а крепкий рассол самотеком отводят снизу в первый отсек колодца 4, также обогреваемого паром. Из второго отсека колодца рассол насосом 6 перекачивают в бак сырого рассо­ла 7, из которого сырой рассол направляют на химическую чистку. При необходимости часть рассола направляют на подогрев в теплообменник 5 и на донасыщение.

Размеры железобетонных ям склада-растворителя задают исходя из требуемой мощности предприятия. Так, подземные склады-растворители из двух отсеков шириной 8 м и глубиной 6 М строят длиной 60 м для мокрого хранения 3500 т соли и 120 м для хранения 8000 т соли [201]. Подробнее о системах приготовления рассола для хлорных производств см. в-разд. 8.6.

На предприятиях с малым расходом соли для приготовления рассола используют небольшие аппараты, например, двух - и трехкамерные солерастворители ХСР непрерывного действия без механического привода [202, 203]. Слой соли 0,7—1,0 м засыпают в один отсек, а воду подают снизу с верхним перели­вом рассола в другой отсек. Аппараты изготавливают из листо­вой нержавеющей стали или из железобетона. Двухкамерный солерастворитель ХСР для хлебозавода производительностью-40 т/сут. имеет размеры 1100x700x1300 мм. Суточный расход соли составляет 0,4—1 т или 1,3—3 м3 рассола с содержанием 26% NaCl.

Отмечается [202] ряд недостатков этих солерастворителей: не обеспечивается стабильно плотность крепкого раствора 1,2 г/см3, т. к. нижние слои соли по мере растворения загряз­няются нерастворимым остатком и уплотняются; поэтому воду приходится подавать снизу с повышенным давлением и расхо­дом, что снижает плотность рассола;

существенны потери соли при очистке солерастворителя от шлама (один раз в 10 дней);

имеют место переливы рассола через верх солерастворителя из-за несвоевременного прекращения по­дачи воды, что ухудшает санитар­ное состояние цеха.

Рис. 8-2. Открытый склад мокрого хранения и растворения соли с системой

подогрева:

1 — вагон; 2 — кран; 3 - железобетонные ямы; 4 — колодец; 5 — теплообменник; 6 — на­сос; 7 — бак сырого рассола

Рис. 8-3. Двухкамерный солерастворитель с засыпкой соли на решетку и поплавковой системой поддержания уровня рассола:

1, 6 — камеры аппарата; 2 — соль; 3 — решетка; 4, 5 — краны; 7 — поплавок; 8 — ось; 9 — клапан; 10 — соединительная трубка

Для устранения этих недостат­ков в конструкцию солерастворите­ля ХСР были внесены [202] изме­нения. Например, в двухкамерный аппарат 1 (рис. 8-3) растворяемую соль 2 насыпают на решетку 3. Воду подают сверху через клапан 9, соединенный на оси 8 с поплавком 7 для поддержания постоянного уровня рассола в аппарате. При растворении соли рассол стекает вниз и по соединительной трубке 10 перетекает в отсек 6. Крепкий раст­вор соли отбирают через кран 5, а кран 4 служит для слива шлама и промывки аппарата.

Растворение неподвижного слоя соли принято в технологи­ческой схеме, разработанной ВНИИГом, узла приготовления и регенерации растворов хлорида натрия в составе комплекса товарной обработки картофеля ТОК-15 на Выборгской овощной базе Ленинграда. При двухсменной работе установки расход почти насыщенного раствора NaCl составляет около 5 м3/сут. Схема* установки представлена на рис. 8-4. Растворы NaCl различной концентрации в комплексе ТОК-15 используют в ка­честве тяжелых жидкостей. Картофель после стадий сухой чистки и мойки водой с влажностью 1,5% конвейером 10 пода­ют в сепаратор 1, заполненный 10%-ным раствором хлорида натрия (r=1,07 г/см3). Здесь происходит отделение дефектного картофеля; затем основной поток продукта направляют в сепа­ратор 2, который заполнен 18%-ным раствором хлорида натрия (r=1,14 г/см3). В этом сепараторе происходит отделение тя­желых частиц (камней и т. п.), а картофель, промытый водой, г остаточной влажностью 1,5% конвейером 11 подают па суш­ку и далее на фасовку.

Основным аппаратом узла рассолоприготовления является растворитель 7, состоящий из трех камер: две камеры для до-насыщения заполнены зернистой солью и рассолом, одна камера для насыщенного раствора (r=1,2 г/см3). Соль со склада до­ставляют самосвалом и высыпают в камеры донасыщения, куда подают воду и насосом 9 перекачивают разбавленный и освет­ленный рассол из отстойника 6. Насыщенный раствор из раст­ворителя 7 подают насосом 8 в напорные баки 3, 4 и 5 соответст­венно для 10-, 26- и 18%-ного растворов хлорида натрия.

Из сепараторов 1 и 2 непрерывно выводят загрязненные нерастворимым остатком растворы хлорида натрия, которые поступают в отстойник 6, где происходит отстаивание основной массы нерастворимого остатка. Раствор с тонкодисперсной твердой фазой донасыщается в растворителе 7, где в процессе растворения соли и фильтрации раствора через слой соли про­исходит более полное отделение нерастворимого остатка.

Расчет процесса растворения зернистого слоя соли весьма упрощенно можно выполнить, исходя из следующих допущений. Растворение соли протекает в постоянном объеме Vс, который полностью заполнен слоем зернистого материала (соли), погруженного в жидкость (растворитель); поверхность контакта фаз sк в установившемся режиме постоянна, поскольку можно вести процесс так, чтобы вместо растворившихся частиц соли непрерывно поступали новые. Например, в схеме на рис. 8-4 для этого достаточно поддерживать постоянный уровень жид­кости в емкости 7 и иметь избыток соли над этим уровнем.

Поток раствора последовательно проходит через слой соли по всей высоте от поверхности s=0 до s=sк. При этом концентрация соли в растворе изменяется от с = с0 до с = ск.

Для элементарного слоя соли с поверхностью ds имеем

(8.1)

где Q — производительность по рассолу, м3/ч; х — массовая доля водонерастворимого остатка в соли.

После преобразований получаем

(8.2)

Интегрируя при условиях с = с0 при s = 0 и с = ск при s=sк находим

(8.3)

* На стадиях проектирования и строительства эта схема частично изме­нена. Сепараторы / и 2 конструкции Механобр.

Рис. 8-4. Принципиальная аппаратурно-технологическая схема узла приго­товления и регенерации растворов хлорида натрия в составе комплекса то­варной обработки картофеля (ТОК-15):

1, 2 — сепараторы; 3—5 — напорные баки; 6 — отстойник; 7 — растворитель; 8, 9 — насосы; 10—11—конвейеры

Таким образом, производительность системы по рассолу с концентрацией соли ск равна

(8.4)

где k — коэффициент скорости растворения, м/ч; sк — общая поверхность контакта твердой и жидкой фаз в зернистом слое соли, м2; с0, ск и сн — концентрация соли в исходном растворителе, в растворе на выходе из зо­ны растворения и в насыщенном растворе, кг/м3.

Удельная производительность — выход рассола с единицы объема неподвижного (плотного) слоя полидисперсной соли в зависимости от условий осуществления процесса в области температур 10—20 °С составляет от 1 до 10 м3/ч рассола с концентрацией NaCl 305—316 кг/м3 на выходе.

При этом коэффициенты скорости растворения соли, рассчи­танные по формуле (8.3) изменяются от 0,007 до 0,034 м/ч, что свидетельствует о высокой концентрации соли в растворе, про­питывающем слой соли, и соответствует значениям коэффициента скорости растворения соли в условиях свободной конвек­ции (см. табл. 3-8 и рис. 3-12).

Формулы (8.3) и (8.4) использованы для оценки параметров емкости растворителя 7 на рис. 8-4.

Расход крепкого раствора по схеме материальных потоков составляет 365 кг/ч или 0,304 м3/ч при плотности раствора 1,2 г/см3.

Учитывая низкую температуру водопроводной воды в зимний период примем температуру растворения 10°С, при которой раствор с плотностью 1,2 г/см3 имеет концентрацию соли 312 кг/м3, а насыщенный раствор содержит 317 кг/м3. Раствор из отстойника 6 после смешения с водой поступает в раствори­тель 7 с концентрацией 155 кг/м3.

Таким образом, для расчетов по формуле (8.3) имеем сн = 317, с0 = 155 и ск = 312 кг/м3. Примем наименьшее значение коэффициента скорости растворения из указанных выше k=0,007 м/ч, а содержание нерастворимого остатка 0,8 или х = 0,008.

Расход рассола принимаем с запасом Q = 1 м3/ч. Необходи­мая поверхность контакта твердой и жидкой фаз sк (м2) по формуле (8.3) равна

(8.3’)

Подставляя заданные значения, находим

Поваренная соль разного помола имеет различную удельную поверхность. На узел приготовления растворов NaCl возможны поставки соли помолов № 1, 2 и 3 по ГОСТ 13830—84. Помол № 3 имеет наименьшую удельную поверхность. Средний размер частиц соли помола № 3 составляет 3,5 мм.

По методике [204] для удельной поверхности частиц sуд (м-1) среднего размера dср имеем

(8.5)

Для dcp = 3,5 мм = 3,5*10-3 м по формуле (8.5) находим

sуд = 6/3,5*10-3=1,714*103 м-1.

В плотном (неподвижном) слое соли каждая частица окру­жена соседними частицами, что ограничивает свободную поверх­ность контакта твердой и жидкой фаз. При этом открытая по­верхность частиц пропорциональна порозности слоя, которая для условно шарообразных частиц в среднем равна e0 = 0,4. Для искомого объема слоя соли получаем

м3.

При уровне заполнения емкости 0,75 объем одной камеры растворителя 7 (рис. 8-4) должен быть не менее 1 м3. Непре­рывность его работы обеспечивается с помощью двух таких ка­мер донасыщения, которые работают поочередно при очистке от шламового осадка, и третьей камеры для накопления запаса крепкого рассола. Таким образом, общий объем растворителя 7 должен быть не менее 3 м3. При проектировании принят зна­чительно больший запас рабочего объема емкости 7.

Получение рассола в системах такого типа малопроизводи­тельно, но удобно тем, что не требует постоянного обслужива­ния, кроме периодической засыпки соли из самосвала и откачки шлама в спецмашину.

Изложенная здесь методика расчета размера аппарата-рас­творителя или его производительности по формулам (8.3) и (8.4) применима и для других условий растворения соли, если, при этом экспериментально определены соответствующие коэф­фициенты скорости растворения соли k.

8.2. РАСТВОРЕНИЕ СОЛИ В АППАРАТАХ С МЕШАЛКОЙ

Этот процесс широко распространен на практике и относит­ся к процессам растворения в условиях вынужденной конвек­ции, которые частично рассмотрены в разделе 3.5. Перемеши­вание значительно ускоряет процесс растворения многих солей, когда движение растворителя относительно поверхности соли, («межфазное скольжение») приводит к уменьшению толщины: диффузионного пограничного слоя или к частичному или пол­ному отрыву его с поверхности кристалла.

Расчет процесса растворения полидисперсной соли в аппа­рате с мешалкой и в кипящем слое можно осуществить на ос­нове модели смешения. При этом уравнение материального ба­ланса по соли имеет вид:

(8.6).

где Q0 — расход растворителя, м3/ч; Q — расход рассола на выходе из аппарата, м3/ч; с0 и с — концентрации соли в жидкой фазе исходного раст­ворителя и в получаемом рассоле, т/м3; х — массовая доля нерастворившей­ся твердой фазы в долях единицы; k — коэффициент скорости растворения соли в условиях аппарата, м/ч; s — поверхность растворяемой полидисперс­ной соли, м2; сн — концентрация соли в насыщенном растворе, т/м3; Vа — объем зоны смешения в аппарате, м3; t — время, ч.

Допускаем, что в установившемся режиме работы аппарата поверхность соли в объеме Vа постоянна, т. е. s = const. Кроме того, в стационарном процессе dc/dt = 0, и уравнение (8.6) упрощается. При этом Q (м3/ч) и с (т/м3) равны:

(8.7),

(8.8)

Вводя вместо k коэффициент скорости растворения k*, учитывающий стесненность процесса растворения множества частиц соли и неправильность формы частиц, поверхность рас­творения s (м2) можно представить в виде

(8.9)

где Vc — объем соли в аппарате, м3; yi — массовая доля фракции i по сито­вому анализу полидисперсной соли, доли единицы; di — средний размер час­тиц фракции i по размерам отверстий сит, мм.

Очевидно, что при закачке в аппарат воды в качестве раст­ворителя с0 = 0; если же соль подается в виде пульпы, то

где Qп — расход жидкой фазы пульпы, м3/ч; сп»сн— концентрация соли в жидкой фазе пульпы, т/м3; Qв — расход воды, м3/ч.

В формуле (8.9) сумма в знаменателе равна среднему раз­меру частиц соли, подаваемой в аппарат. По формуле (8.7) для коэффициента скорости растворения k* (м/ч) получаем

(8.10)

Флотационные галитовые отходы, используемые для приго­товления рассола содовому заводу, имеют класс крупности 0—1 мм и средний размер частиц 0,42—0,63 мм. Рабочий объем двух мешалок на отделении рассолоприготовления БКРУ-1 был равен Vа = (22,5+40)*0,75 = 46,5 м3, где 0,75 — коэффициент за­полнения. Плотность суспензии rс=1,8 т/м3 и соотношение Ж:Т=1,6 по массе. При этом масса пульпы в мешалках равна Т+1,6Т=Vrс = 46,5*1,8 = 83,7 т, что дает T = 83,7/2,6 = 32,1923 т и объем частиц соли в твердой фазе Vc = 32,1923/2,17= 14,835 м3. По формуле (8.9) находим поверхность растворения

s = 6*103*14,835/0,63= 14,13*104 м2.

Для условий растворения полидисперсной соли в горизон­тальных рамных мешалках при 20—25 °С в отделении рассоло­приготовления БКРУ-1 имеем Q = 708,5 м3/ч, с = 0,3076 т/м3, x=0,037, с0 = 0. Подставляя эти данные в формулу (8.10), находим

k* = 708,5*0,3076/(1— 0,037)*14,13*104*0,317 = 50,52*10-4 м/ч

Таким образом, зная коэффициент скорости растворения час­тиц соли известного гранулометрического состава, можно рас­считать производительность мешалки по формулам (8.7) и (8.9).

8.3, РАСТВОРЕНИЕ СОЛИ В ВОСХОДЯЩЕМ ПОТОКЕ РАСТВОРИТЕЛЯ

Весьма перспективными являются высоко производительные аппараты без механических мешалок, работающие в противоточном и прямоточно-противоточном режимах движения фаз с подачей соли в аппарат сверху, а растворителя — снизу.

Положительные результаты дали испытания таких аппара­тов колонного типа, в которых растворение осуществляется в кипящем [124] и плотном [205] слоях соли.

Аппарат кипящего слоя [124] общей высотой 6,5 м имеет высоту цилиндрической части 5,2 м диаметром 0,4 м, нижний конус высотой 0,5 м. Между цилиндром и конусом установлена решетка с отверстиями диаметром 5 мм, через которые в аппа­рат поступает вода. Верхняя часть аппарата высотой 1,0 м вы­полнена с расширением до диаметра 0,8 м для уменьшения выноса твердой соли рассолом. Подачу соли в аппарат осуще­ствляли через центральную трубу диаметром 0,2 м (рис. 8-5).

Опыты проводились на БКРУ-1 ПО «Уралкалий» с галитовыми отходами, состав которых приведен ниже:

	NaCl	КСl	CaSO4	MgCl2	н. о.	Н2О
Состав, % (масс.)	95,1	1,77	1,71	0,34	0,96	0,12

Распределение частиц по крупности во фракциях следующее:

Размер частиц, мм	0—0,315	0,315—0,5	0,5—1	1—2	2—3	3,5	5-7	7—10	>10
Содержание фракции, % (масс.)	5,3	5,5	16,6	25,7	18,9	14,7	7,4	4,5	1,5

Рис. 8-5. Схема опытного аппарата кипящего слоя для рас­творения соли, испытанного на ПО «Уралкалий» [124]: 1 — загрузочная труба для соли; 2 — корпус; 3 — решетка

Некоторые результаты опытов приведены в табл. 8-1. Из­влечение соли из галитовых отходов составило 98—99%. При производительности аппарата КС около 10—12 м3/ч содержание твердой соли в рассоле не превышало требований ТУ — не более 6 кг/м3. Увеличение производительности до 20 м3/ч приводит к возра­станию выноса соли до 30 кг/м3.

Оценка коэффициента скорости растворения по формуле (8.4) на основании данных табл. 8-1 дала значение k= (0,07—0,12) м/ч, что в 3,5—10 раз вы­ше значений k для аппаратов с плотным слоем. При этом производительность аппарата КС на 1 м3 объема кипящего слоя составила 14,7—31,4 м3/ч*м3. Удельная производительность диссольверов, которые ранее эксплуатировались на БКРУ-1 (ап­параты диаметром 3,5 м и высотой 5,8 м с кони­ческим днищем и с подачей соли сверху, а воды— снизу в конус) в режиме растворения плотного слоя соли, не превышала 1,5—10 м3/ч-м3.

Таблица 8-1. Зависимость концентрации соли в растворе от высоты слоя и производительности аппарата КС по рассолу [124]

Концентрация NaСl, кг/м3, на разном расстоянии от решетки	Высота слоя, м	Производи­тельность по рассолу, м3/ч	Скорость в слое, см/с
1,3 м	2.3 м	3,3 м	4,3 м	5,2 м
250	301	304	310	312	-	9,6	2,1
204	310	312	310	312	-	13,2	2,9
264	309	310	306	311	5,6	14,4	3,2
252	300	307	308	307	4,9	19,5	4,1
245	203	305	307	307	5,0	14,3	3,2
275	282	300	304	306	5,2	20,5	4,5

Но в работе [205] отмечается, что растворение плотного слоя в колонном аппарате представляет интерес для выщелачивания и растворения, так как в плотном слое солеунос с рассолом значительно меньше, чем в шнековом растворителе и в колонном аппарате с падаю­щим потоком руды (табл. 8-2).