CN1030795A

CN1030795A - 从溶液中沉淀出结垢物质

Info

Publication number: CN1030795A
Application number: CN87105722A
Authority: CN
Inventors: 威廉·艾·霍金斯; 杜安·马·塞耶
Original assignee: Michigan Technological University
Current assignee: Michigan Technological University; University of Michigan
Priority date: 1982-12-10
Filing date: 1987-07-20
Publication date: 1989-02-01
Also published as: CN1018430B; AU589533B2; MY100799A; JPS6434401A; AU7560987A; US4686003A; JPH0220282B2

Abstract

在一个从外部加热的，被安装成围绕一个通常量水平的轴旋转的蒸馏室中蒸馏氨浸提液，用这一方法可以以最小程度的积垢从氨浸提液中沉淀出结垢的金属氧化物和碳酸盐，例如氧化铜。该蒸馏室包括多个沿轴间间隔排列的环状挡板，这些挡板确定了多个含有滚动介质如圆球的间隔室。在蒸馏室以非离心速度旋转时，圆球彼此相互摩擦、与蒸馏室内壁摩擦、以及与挡板两侧摩擦，从而产生研磨或洗刷作用，使沉淀出的氧化铜的积垢减到最小程度。

Description

本发明涉及一种用于沉淀出溶解于溶液中的结垢物质的设备和方法。

在回收某些金属的过程中，例如从矿石中回收铜和镍时，采用氨-二氧化碳浸出方法将金属氧化物或碳酸盐从脉石中分离出来。在从废料中回收金属例如从印刷电路板上回收铜时，使用一种类似的方法作为其中的一道工序。

通常，利用蒸馏将这些金属氧化物或碳酸盐从氨浸提液中分离出来。但是，这样一来产生了严重的维修和操作方面的困难，因为从溶液中沉淀出的金属氧化物和/或碳酸盐通常是可以形成积垢的，它们常常沉积结垢堆积在蒸馏装置的内表面上。因此，在其它连续蒸馏方法中使用的填料塔、筛板塔、泡罩塔及类似的设备通常在这里不能适用，因为形成积垢的洞淀物最终将引起堵塞，需要停机除垢。

人们已经进行了多方面的努力以使这个结垢问题减小到最低程度，例如：增加机械刮板，提供某种搅拌，用合成塑料材料涂敷暴露的表面，以及使用一系列利用逆向流动蒸汽搅拌的釜。虽然这些方法取得了一定的效果，但大多数仍会产生一定的积垢，这些积垢最终必须去除掉。

1978年8月28日在加拿大蒙特利尔召开的加拿大采矿学会治金学家会议（CIM Conference of Metallurgists）上，有人提交了一篇题为“Stripping With Simultaneous Solids Generation Using Turbulent Bed Contactor”的论文，该论文提出了另外一种方法，使用所谓端动床接触器从含有碳酸镍的氨溶液中洗提氨。塔中的每一塔盘都包含一层塑料球，这些塑料球夹在沿垂直方向间隔排列的许多支撑格栅之间。与液流成反方向通过这些层的气体引起球的湍动。使固体颗粒在这些球、格栅及塔的内壁上的沉积减至最小程度。但是，这种方法需要有外部蒸汽源来使这些球产生必要的湍动。

含有滚动介质的转鼓已被用于蒸馏各种液体以及用来作为液体反应器。在美国专利1814249、2098054、2174008、2511742和2735807中公开了这些已有用途的例子。这些专利都不曾公开过按照本申请人的发明配置和操作的蒸馏装置，即从溶液中沉淀出结垢物质，并使结垢堆积保持在最低程度，同时增加每单位热量的沉淀程度以及不需要外部蒸汽等。

本发明的主要目的之一，是提供一种简化的设备和方法，用于从溶液中沉淀出结垢物质同时使结垢沉积减小到最低程度。

本发明的主要目的之二，是提供这样的设备和方法，其中，设备和/或操作条件可以很方便地进行调整以便用于从溶液中沉淀出或结晶出各种不同的结垢物质。

本发明的主要目的之三，是提供这样的设备和方法，其中，溶液是在一个从外部加热的蒸馏室中被蒸馏，从蒸馏室向溶液传热的速率高于以往方法的传热率。

本发明的主要目的之四，是提供这样的设备和方法，其中，在蒸馏过程中不需引入外部蒸汽。

本专业领域的技术人员读了下面的详细说明，附图及权利要求之后，将很容易了解本发明的其它目的、其它方面和优点。

本发明所提供的设备包括：一个长的园筒状蒸馏鼓或蒸馏室，该蒸馏鼓安装成围绕一个通常是水平的轴旋转;许多沿轴向间隔排列的挡板，这些挡板从蒸馏室内壁向里沿径向伸出;配置在各间隔室中的由各个单体组成的滚动介质，该滚动介质对于溶液和所处理的形成结垢的沉淀物是惰性的并且随着蒸馏室的转动而彼此相互摩擦、与蒸馏室的内壁摩擦、以及与挡板的两侧摩擦;由外部加热蒸馏室的装置;以及用于使蒸馏室旋转的装置。

相对于溶液和滚动介质而言蒸馏室以非离心速度旋转，与此同时，溶液被连续导入蒸馏室的入口端并被加热至其沸点以上的温度，以便在溶液流过各挡板向蒸馏室的出口端流动时使挥发性物质蒸发并使形成结垢的物质从溶液中沉淀折出。滚动介质产生研磨或洗刷作用，使结垢物质的沉积减少到最低程度。含有结垢沉淀物的浆液连续从蒸馏室的出口端排出，被蒸发的气体连续从蒸馏室的入口端排出。

在本发明的一个优先选用的实施方案中，至少有一部分挡板的径向高度沿着从入口到出口的方向逐渐降低，并且各间隔室中的滚动介质的高度低于各挡板的径向高度，以使溶液漫过挡板从一个间隔室流到下一个间隔室，用这方法防止逆向混合。

图1是本发明的蒸馏设备的部份侧视图和用于实施本发明方法的辅助设备的图示。

图2是沿图1中2-2线切取的蒸馏装置的端面视图。

图3是图1的蒸馏装置的剖面图，图中表示出盛有氨浸提液的蒸馏室。

图4是沿图3中4-4线截取的剖面图。

图5是沿图3中5-5线截取的剖面图。

本发明所提供的蒸馏设备及方法，特别适用于在结垢和污垢阻塞可能带来严重的维修和操作困难的条件下从氨浸提液中回收金属氧化物和碳酸盐。因此，下文中将结合从氨浸提液中回收氧化铜对其加以说明。不过，这一设备和方法也可以用于许多其它需要防止结垢的沉淀或结晶系统中。

参看附图，本发明的蒸馏设备（10）包括一个通常是园筒形的固定的外层壳体（12），它水平支撑在许多个沿轴向间隔排列的支撑腿（14）上。此外，还包括一个通常是园筒形的蒸馏室或蒸馏鼓（16），它延伸穿过外壳（12）并被安装成围绕一个通常是水平的轴（18）共轴旋转。外壳（12）起到蒸馏鼓（16）的绝热夹套的作用。在蒸馏鼓中，含有被萃取的铜的氨浸提液被加热以分离出氨、二氧化碳和水并沉淀出氧化铜。其详细情况将在下面叙述。

外壳（12）具有一个通常为园筒形的外壳组件（20），它包括许多带有法兰的上半园筒（22）和下半园筒（24），通过螺栓（图中未示出）等适当地紧固在一起。这外壳组件（20）还有端板（26）和（28），上面带有一个中心孔，蒸馏鼓（16）穿过该中心孔。上、下壳体件（22）和（24）的内部衬有2层或2层以上的保温绝热耐火材料（30）、（32），端板（26）和（28）衬有绝热耐火材料（33）。

利用由阻挡材料例如1吋的陶瓷层制成的沿垂直方向延伸的隔板（44）将外壳（12）的内部分成许多个加热室（34）（36）（38）（40）和（42）。使用多个安装在壳体组件（20）底部的煤气燃烧器（46）加热蒸馏鼓（16）的外部。加热室（34）（36）（38）（40）和（42）的配置使每一个燃烧器（46）加热蒸馏鼓（16）上一个合理确定的区域，并且除第一个加热室（34）外，所有的加热室都包含有2个燃烧器（46）。

参看图4，燃烧器的火焰向上成一定角度指向蒸馏鼓（16）的外表面，废气按图中箭头（48）所指的方向环行通过各个加热室。每个燃烧器的燃烧废气通过矩形排气口（50）排出，进入排气管（52）。水平方向伸出的由阻挡材料制成的支板（54）可以是与垂直隔板（44）同样的材料，它把每个加热室的上半部和下半部分隔开。由绝热耐火材料制成的沿径向伸出的凸缘（56）与蒸馏鼓（16）的外表面间隔很小距离，它阻止了废气的循环。

采用上述配置，如果需要的话，通过简便地调节到各燃烧器（46）的煤气和空气流，可以改变沿蒸馏鼓（46）长度方向的加热速率。在蒸馏鼓（16）的外表面上可以安装一些叶片，以增加传热。

蒸馏鼓（16）的进口端（58）和出口端（60），分别被端板（62）和（64）所封闭，并带有沿径向伸出的法兰盘（66）和（68）。该法兰盘旋转支撑在一对滚柱轴承（70）上，如图2和图4所示。蒸馏鼓（16）被电机（72）驱动沿反时针方向转动，在蒸馏鼓（16）的出口端（60）安装有链轮（76），电机驱动链条（74）进而拖动链轮旋转。

蒸馏鼓（16）含有多个环状的挡板（80），它们沿轴向以均匀的间隔排列，并从蒸馏鼓（16）的内壁（82）沿径向向里伸出，从而确定了多个（例如10个）间隔室（84）、（86）、（88）、（90）、（92）、（94）、（96）、（98）、（100）和（102）。通常，相邻的挡板（80）之间的间距最好与燃烧器（46）的加热区相一致。如图5中所示，在蒸馏鼓（16）的内壁（80）上可固定地安装有保持环（106），利用螺栓或类似的连接件将各挡板可拆卸地安装在保持环上。这样，在需要的时候可以使用不同径向高度的挡板。具体情况将在下文中详细叙述。

含有铜的氨浸提液（108），在压力下通过泵（110）和管道（112）连续导入蒸馏鼓（16）的第一间隔室（84）。作为一个建议，这个压力可以是大约10至大约15磅/平方吋（表压）。管道（112）有一个出口（114），它延伸穿过入口板（62）和安装在入口端板（62）上的旋转密封装置（116）。浸提液（108）保持在压力下以便确保从溶液中沉淀出的是氧化铜而不是碳酸铜。

在溶液流过各个挡板（80）向转动中的蒸馏鼓（16）的出口端（60）流去时，燃烧器（46）将溶液加热至它在该压力下的沸点以上的温度。作为一个建议，这一温度一般在大约200°至2250°F的范围内。由于氨、二氧化碳和水蒸发，溶液浓缩，氧化铜从溶液（108）中沉淀析出。

含有氧化铜沉淀物的浓缩浆液（118），由蒸馏鼓（16）的最末一个间隔室即回收间隔室（102）经过泵（120）和管道（122）连续排出。管道（122）有一个入口（124），它延伸穿过出口端板（64）和安装在出口端板（64）上的旋转密封装置（126）。

在蒸馏鼓（16）中形成的蒸发气体（NH₃、CO₂和水蒸汽），由蒸馏鼓（16）的入口端（58）经过延伸穿过旋转密封装置（116）的管道（128）排出。这些气体可以在冷凝器（130）中冷凝，在浸出工艺过程中重复使用。这样，蒸发气体是与溶液成反方向流动的。可以通过两个延伸通过旋转密封件（126）的小管道（132）和（134），向蒸馏鼓（16）的出口端（60）中导入少量的空气。

从蒸馏鼓（16）中排出的浆液（118），按规定路线送至一个用于固液分离的适当装置（136），例如一台过滤器或离心机，以回收氧化铜。

在各间隔室（84）、（86）、（88）、（90）;（92），（94）、（96）、（98）和（100）中配备有滚动介质（140），该介质由许多单体组成。在蒸馏鼓（16）旋转的过程中，这些单体彼此相互摩擦、与蒸馏鼓（16）的内壁（82）摩擦、并与挡板（80）的两侧摩擦，从而提供了研磨作用或洗刷作用，防止沉淀的氧化铜沉积结垢。滚动介质（140）还为氧化铜沉淀物的形核提供了一些表面，并且在溶液（108）中，由于它的滚动作用而产生的湍流提高了由蒸馏鼓的壁（82）向溶液的传热速率。最末一个间隔室即回收间隔室（102）最好不含有滚动介质。

滚动介质是由对于溶液和结垢的沉淀物为惰性的材料如钢或陶瓷制成，这种材料最好是比蒸馏鼓（16）和挡板（80）的材料稍软些，以使磨损减至最低程度。

只要能产生所需要的洗刷作用，滚动介质（140）可以具有各种不同的外表面形状。应当避免凹入或中凹的表面，这些表面无法与其它单体相摩擦，为潜在的沉积结垢提供了场所。因此，滚动介质（140）的外表面的主要部份应当是凸面的，以便在蒸馏鼓（16）旋转过程中促进随机的转动或滚动。滚动介质（140）最好是园球形的，这些球相对于挡板（80）之间的间距来说应当是比较小的，以确保产生良好的洗刷作用，为此，最好是使用不同大小的球的混合物。作为一个建议，这些球的直径范围可以从约1/8吋直至11/2吋。

为了产生所需要的洗刷或研磨作用，相对于溶液和滚动介质而言，蒸馏鼓（16）以非离心速度旋转，即以低于滚动介质（140）和/或溶液（108）被保持在蒸馏鼓（16）的内壁（82）上的速度旋转。作为一个建议，对于长30呎，内径4呎左右的蒸馏鼓，旋转速度通常约为10-20转/分。通过改变滚动介质数量、组成、大小和硬度以及蒸馏鼓的转速，滚动介质（140）可以用来将结垢的沉淀物研磨至予定尺寸。

挡板（80）可以用来在溶液流动通过蒸馏鼓（16）时防止其逆向混合。在图示说明的优先选用的实施方案中，各间隔室（84）、（86）、（88）、（90）、（92）、（94）、（96）、（98）和（100）中的滚动介质（140）低于各个挡板（80）的径向高度。并且，至少在蒸馏鼓的后半部份中，挡板（80）的径向高度在向着出口端（60）的方向上逐步降低。这样的结构配置。使逆向混合减少到最低程度，但却使挡板（80）的边缘上产生一定的沉积结垢。结垢的程度取决于滚动介质（140）的高度与挡板（80）的径向高度的相对值。

通常，沉淀主要发生在蒸馏鼓（16）的前半段，挥发性物质的蒸发基本上发生在后半段。因此，在图示说明的特定结构中，在逆向混合无关紧要的蒸馏鼓（16）前半段的挡板（80）。径向高度均匀并且低于将间隔室（94）和（96）分隔开的挡板的径向高度。在蒸馏鼓（16）的后半段中，逆向混合事关重要，在这部份的挡板（80）的径向高度逐渐减低。溶液流过各挡板，从一个室流向下一个室。如果需要的话，挡板（80）的径向高度可以沿蒸馏鼓（16）的整个长度逐步降低，以使溶液流过挡板从每个室流到下一个室。

如图所示，每一间隔室中滚动介质（140）的高度最好低于相应挡板的高度。它也可以高于挡板（80）的径向高度，以防止在挡板的边缘上结垢。但是，这使得有可能发生某种程度的逆向混合，在某些情况下，逆向混合可能比消除结垢的优点更为重要。以偏离水平约5°的小角度，使旋转轴在从入口端向出口端的方向上向下倾斜，可以控制沿蒸馏鼓（16）的长度上滚动介质（140）的高度及溶液（108）的深度。可以改变挡板（80）的径向高度来调节溶液在蒸馏鼓中的保持时间。通过简单地除去一组可拆卸地安装的挡板，代之以另一组具有所要求的径向高度的挡板，可以完成这一调节。

可以使用煤气燃烧器以外的其它热源，例如电阻加热器或蒸汽套。使用适当的外壳及在蒸馏鼓（16）的进口和出口端使用适当的旋转密封装置，这套设备可以在真空条件下或在上述压力下运行。

从以上所述可以看到，本发明所提供的蒸馏设备和方法具有若干优点。由于滚动介质所提供的形核位置及冲刷作用，可以有效地从溶液中沉淀出或结晶出各种各样的结垢物质，同时几乎不形成积垢或者完全不结垢。滚动介质的湍流作用提高了每单位热量的沉淀析出程度。本发明的方法不需要在某些已有系统中使用的外部液体例如蒸汽，它会破坏水的平衡。通过调节滚动介质的数量、组成、大小和硬度以及蒸馏鼓的转速，可以很方便地将沉淀物研磨至予定的粒度。

无须进一步详细叙述便可以相信，本专业领域的技术人员根据以上所述即可以充份地应用本发明。下面的实施例意在举例说明本发明的最佳实施方案，它们不应当被解释为对本发明的限定。

实施例

下列工艺参数，对于由用于从废料例如印刷电路板上提取铜的氨浸提液中回收氧化铜是十分典型的。

蒸馏鼓的尺寸

长度（呎） 30

内径（呎） 4

蒸馏鼓的操作

温度（oF） 200-250

压力（磅/平方英寸）（表压） 10-15

转速（转/分） 14

滚动介质钢球与陶瓷球混合物，

直径1/8吋和11/2

吋。

供入的溶液（管道112）

加料速度（加仑/分） 10.25

成份（重量%）

NH₃6.0

CO₂4.0

Cu⁺⁺5.5

水 84.5

排出的浆液（管道122）

排出速度（加仑/分） 5

成份（重量%）

NH₃0.5

CO₂0.3

Cu⁺⁺0.5

Cuo 5.0

水 93.7

排出蒸汽（管道（128）

流量（磅/小时） 2559

压力（磅/平方英寸）（表压） 10（最大）

成份（摩尔%）

NH₃11.4

CO₂7.6

水 81.0

根据以上所述的内容，本专业领域的技术人员可以很容易确定本发明的基本特点，并且可以不脱离本发明的精神和范围，作出各种变化或改型以使之适合于各种不同的用途。

Claims

1、一种用于从溶液中沉淀出溶解的结垢物质的方法，包括以下步骤：

(a)提供一个长园筒状的蒸馏室，该蒸馏室被安装成围绕一个通常是水平的轴旋转，并带有多个沿轴向间隔排列的环状挡板，这些挡板由上述蒸馏室的内壁向里沿径向伸出，确定了多个间隔室；

(b)在各间隔室中配置滚动介质，滚动介质由单个物体组成，它们对于溶液和结垢物质是惰性的，并且随着蒸馏室的旋转彼此互相摩擦、与蒸馏室的内壁摩擦、以及与挡板两侧摩擦；

(c)使蒸馏室以相对于溶液和滚动介质的非离心速度旋转；

(d)连续向蒸馏室的入口端导入足量的溶液，以使之流过各挡板向对面的蒸馏室出口端流动；

(e)在溶液流动通过蒸馏室时，将蒸馏室中的溶液加热至其沸点以上，以使挥发性物质蒸发并使结垢物质从溶液中沉淀析出；

(f)从蒸馏室的入口端连续地排出从溶液中蒸发的气体；

(g)从蒸馏室的出口端连续地排出含有沉淀出的结垢物质的浆液。

2、根据权利要求1所述的方法，其中，在各间隔室中的滚动介质的高度低于相应的挡板的径向高度，并且，至少部份挡板的径向高度在从蒸馏室的入口端向出口端的方向上逐渐降低，以使溶液流过上述挡板从一个间隔室流到下一个间隔室。

3、根据权利要求2所述的方法，其中，所说的滚动介质是园球形。

4、根据权利要求3所述的方法，其中，所述的溶液是含有铜、氨和二氧化碳的含水的氨浸提液，蒸馏室被加热至约200°至约250°F的温度并保持在约10至15磅/平方吋（表压）的压力下，从蒸馏室的入口端排出的气体含有氨、二氧化碳和水蒸汽，从蒸馏室的出口端排出的浆液含有氧化铜。

5、根据权利要求4所述的方法，包括以下步骤：

（h）从由蒸馏室出口端排出的浆液中分离氧化铜。

6、一种用于从溶液中沉淀出溶解的结垢物质的设备，该设备包括：

一个长园筒形蒸馏室，它被安装成围绕一个通常是水平的轴旋转并且包含多个沿轴向间隔排列的环形挡板，这些挡板由上述蒸馏室的内壁向里沿径向伸出，确定了多个间隔室;

在上述各间隔室中配置滚动介质，该介质由单个物体组成，它们对于溶液和结垢物质是惰性的，并且随着蒸馏室的旋转彼此相互摩擦、与蒸馏室内壁摩擦、并与挡板的两侧摩擦，以防止在它们上面结垢;

用于使上述蒸馏室旋转的装置;

用于将溶液连续导入上述蒸馏室的入口端以使其向对面的蒸馏室出口端流动的装置;

用于从外部加热上述蒸馏室使其中的溶液温度提高到其沸点以上的装置;

用于从上述蒸馏室的入口端连续排出由溶液中蒸发的蒸汽的装置;

用于从上述蒸馏室的出口端连续排出含有沉淀出的结垢物质的浆液的装置。

7、根据权利要求6所述的设备，其中，上述各间隔室中的滚动介质的高度低于相应挡板的径向高度。

8、根据权利要求6所述的设备，其中，上述蒸馏室中的滚动介质的高度高于至少某些挡板的径向高度。

9、根据权利要求6所述的设备，其中，至少某些挡板的径向高度在从上述蒸馏室的入口端到出口端的方向上逐渐降低。

10、根据权利要求6所述的设备，其中，上述蒸馏室的旋转轴沿着从其入口端向出口端的方向稍向下倾斜;上述挡板的径向高度大体上是均匀的。

11、根据权利要求6所述的设备，其中，用以制成所述滚动介质单体的材料比蒸馏室和挡板的材料要软，以使磨损减小到最低程度。

12、根据权利要求6所述的设备，其中，所述的滚动介质是园球形。