CN210367856U - 一种连续化处理废金属钠的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种连续化处理废金属钠的装置，包括管束式微通道反应器、废金属钠供料单元、醇供料单元、气液分离背压罐、产品溶液收集单元、气体冷却净化单元和除杂脱色单元；废金属钠供料单元与管束式微通道反应器的反应段相连；醇供料单元与管束式微通道反应器的预热区相连；管束式微通道反应器的反应段与气液分离背压罐的进料口相连，气液分离背压罐的底部与产品溶液收集单元相连，气液分离背压罐的顶部与气体冷却净化单元相连。本实用新型采用一种连续化装置，反应时间从传统的数小时缩短到几秒至几分钟，生产周期大大缩短，反应过程更加安全稳定，显著提高了生产效率。

Description

一种连续化处理废金属钠的装置

技术领域

本实用新型属于危险废物处置领域，涉及处理废金属钠，具体涉及一种连续化处理废金属钠的装置。

背景技术

废金属钠主要是指金属钠生产过程中产生的钠渣、其它工业生产中产生的废金属钠如核工业用的导热材料废料等。随着国民经济的发展，每年都会产生大量的废金属钠，据统计我国仅制钠企业每年就会产生上万吨的钠渣。这些废金属钠一般含钠65％以上，属于危险废物，遇水会爆燃，处置不当就会产生不可估量的危险事故。关于废金属钠的处理方法目前主要有三种方法。一种是醇法，该法主要是利用钠与醇反应相对于与水反应的温和性使钠转变成醇钠，然后再与水反应生成废氢氧化钠溶液，蒸馏回收醇再用，废氢氧化钠溶液用于烟气脱硫、脱硝；第二种方法是水蒸汽法，这种方法主要用于钠渣处理，是利用一种滚筒装置，先通入大量的蒸汽置换其中的空气，然后将破碎成细小颗粒的钠渣拌上一定比例的干沙子从进料口加入，出料口产生的氢气和水蒸气混合物高空排放，产生的氢氧化钠等粘附在沙粒表面从出料口排出，再用水洗下来用作烟气脱硫、脱硝。第三种方法是蒸馏法，就是在真空下将废金属钠加热蒸馏，得纯的金属钠。这三种方法仅第一种有工业化应用，但处理能力有限，只能间歇操作，不能实现自动化，存在很大的安全隐患，处理成本较高，而且由于钠渣初熔点高达140℃以上，需长时间加热反应，同时又要强制冷却醇蒸汽回流，能耗非常高。第二种方法可实现连续化操作，处理能力较大，仅适合钠渣，但需将钠渣处理成细小颗粒，这种方法耗费大量的水蒸汽、干沙子，成本较高。第三种方法回收了有价元素钠，有一定的经济价值，但是需要高真空、高温，这种情况对设备的材质要求比较高，设备投入较大，再加上釜残较多占钠渣的40％以上，操作只能间歇进行，而且升温、降温周期较长，釜残的清理难度较大，釜残中含有钠(约5％)、钙、钡等(约95％)，仍属于危险废物需再处理，处理同样有难度。我国某企业采用该法曾出事故，后停用。

从以上分析来看，现有的工艺及装置都存在严重不足，按照危险废物处置的原则，既要安全、环保，又要将其中的有价元素、有价能量回收，从而达到循环利用可持续发展的目的，这也是危险废物处置技术人员追求的目标。本实用新型研究人员经过多年研究，认为醇法从理论上讲是最有效、最经济方法，适应各种废金属钠，但现有工艺及装置并不能达到最优的效果，这种工艺及装置一方面不能解决钠渣熔点高(140℃以上)与活泼低碳醇沸点低(甲醇64℃、乙醇78℃)难以设定最佳反应温度的矛盾，只能加热强制冷凝回流，这样使能耗加大，也不能充分利用废金属钠潜藏的巨大能量，也没有更有价值的利用有价元素钠，也很难回收产生的氢气，另一方面其处置效率非常低，不能实现自动化，不能有效的回收醇，又会产生废碱，虽然可用于烟气处理，但经济性不理想。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于，提供一种连续化处理废金属钠的装置，能够实现有效地、安全地回收了废金属钠中的有价元素、有价能量，可以实现连续的自动化生产。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案予以实现：

一种连续化处理废金属钠的装置，包括管束式微通道反应器、废金属钠供料单元、醇供料单元、气液分离背压罐、产品溶液收集单元、气体冷却净化单元和除杂脱色单元；

所述的管束式微通道反应器包括依次相连的预热区和反应段，反应段设置有冷却保温液夹套；

所述的废金属钠供料单元包括废金属钠保温罐，废金属钠熔融储罐与废金属钠保温罐的顶部相连，惰性气体系统与废金属钠保温罐的顶部相连，所述的废金属钠保温罐的底部与第一计量泵相连，第一计量泵与管束式微通道反应器的反应段相连；

所述的醇供料单元包括醇高位计量罐，醇储罐与醇高位计量罐的顶部相连。醇高位计量罐的底部与第二计量泵相连，第二计量泵与管束式微通道反应器的预热区相连；

所述的管束式微通道反应器的反应段与气液分离背压罐的进料口相连，气液分离背压罐的底部与产品溶液收集单元相连，气液分离背压罐的顶部与气体冷却净化单元相连；

所述的产品溶液收集单元包括并联的第一产品溶液收集罐和第二产品溶液收集罐；

所述的气体冷却净化单元包括串联的一级气体冷却净化罐和二级气体冷却净化罐；

所述的除杂脱色单元包括并联的第一活性炭脱色罐和第二活性炭脱色罐，第一活性炭脱色罐和第二活性炭脱色罐的顶部均与第一压滤机的出料口相连，第一活性炭脱色罐和第二活性炭脱色罐的底部均与第二压滤机的进料口相连；第一产品溶液收集罐和第二产品溶液收集罐的底部均与第一压滤机的进料口相连。

本实用新型还具有如下技术特征：

所述的废金属钠熔融储罐通过管道过滤器与废金属钠保温罐的顶部相连；惰性气体系统通过管道过滤器与废金属钠保温罐的顶部相连；所述的醇储罐通过管道过滤器与醇高位计量罐的顶部相连。

所述的第一计量泵与管束式微通道反应器的反应段之间设置有压力表；所述的第二计量泵与管束式微通道反应器的预热区之间设置有压力表。

所述的气液分离背压罐的顶部与气体冷却净化单元之间设置有压力表。

所述的一级气体冷却净化罐的顶部与二级气体冷却净化罐的进料口相连，二级气体冷却净化罐的顶部与氢气回收系统相连；一级气体冷却净化罐的底部与二级气体冷却净化罐的底部均与醇回收罐相连。

所述的一级气体冷却净化罐的顶部与二级气体冷却净化罐的进料口之间设置有压力表。

所述的废金属钠保温罐外部还设置有加热保温层和称重模块；所述的醇高位计量罐外部还设置有称重模块；所述的气液分离背压罐的外部还设置有称重模块；所述的第一产品溶液收集罐外部设置有称重模块；所述的第二产品溶液收集罐外部设置有称重模块；所述的一级气体冷却净化罐外部设置有称重模块；所述的二级气体冷却净化罐外部设置有称重模块。

所述的管束式微通道反应器和废金属钠保温罐上还设置有温度计。

所述的醇高位计量罐上还设置有溢流口。

本实用新型与现有技术相比，具有如下技术效果：

(Ⅰ)本实用新型采用一种连续化装置，反应时间从传统的数小时缩短到几秒至几分钟，生产周期大大缩短，反应过程更加安全稳定，显著提高了生产效率。

(Ⅱ)本实用新型由于连续流管束式微通道反应器具有反应空间小、比表面积巨大的结构特性，可以强化反应过程中的传质、传热，整个反应系统占地面积小、设备投入降低。

(Ⅲ)本实用新型可以将废金属钠以液态形式与原料醇按要求计量进入反应体系，无需再进行前处理。

(Ⅳ)本实用新型可以使反应保持在一定压力甚止高压下进行，无需惰性气体反复置换保护，无需消耗大量的保护气，可以随时停车，再次起动时不需惰性气体置换直接起动。

(Ⅴ)本实用新型可以在反应完成后通过换热器使反应液与氢气充分的进行气液分离避免溶剂损失和VOCs污染。

(Ⅵ)本实用新型可以产生一定品质的醇钠，作为产品出售，可以产生稳定的高质量氢气以便回收利用。

(Ⅶ)本实用新型可以通过设计连续流反应器的数量、控制原料进料速度、调整系统压力等设计安全生产规模，或灵活安排生产量，完全实现自动化。

附图说明

图1是本实用新型的装置的整体结构示意图。

图中各个标号的含义为：1-管束式微通道反应器，2-废金属钠供料单元，3-醇供料单元，4-气液分离背压罐，5-产品溶液收集单元，6-气体冷却净化单元，7-管道过滤器，8-压力表，9-称重模块，10-温度计，11-除杂脱色单元；

101-预热区，102-反应段，103-冷却保温液夹套；

201-废金属钠保温罐，202-废金属钠熔融储罐，203-惰性气体系统，204-第一计量泵，205-加热保温层；

301-醇高位计量罐，302-醇储罐，303-第二计量泵，304-溢流口；

501-第一产品溶液收集罐，502-第二产品溶液收集罐；

601-一级气体冷却净化罐，602-二级气体冷却净化罐，603-醇回收罐；

1101-第一活性炭脱色罐，1102-第二活性炭脱色罐，，1103-第一压滤机，1104-第二压滤机。

以下结合实施例对本实用新型的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

本实用新型针对现有技术中装置存在的不足，在醇法基础上提出了采用管束式微通道反应器，将废金属钠与低碳醇反应生成产品醇钠，同时回收产生的氢气的新装置。该方法能严格控制反应过程的温度和停留时间，防止反应失控提高生产过程的安全性。本实用新型由于管束式微通道反应器的强传质、传热作用，以及反应器强承压能力，可以连续地、安全地处理废金属钠，并得到副产品醇盐和高品质氢气，由于管束式微通道反应器具有反应空间小、比表面积大的结构特性，可以强化反应过程中的传质、传热，可以将废金属钠以液态形式与醇按要求计量进入反应体系，可以使反应原料多相充分地混合使反应瞬间完成最大可能地利用反应热，可以使反应保持在一定压力甚止高压下进行，无需惰性气体反复置换保护，无需浪费大量的保护气，可以使反应完成后通过换热器降温使反应液与氢气充分地进行气液分离避免溶剂损失，可以产生稳定的高质量氢气以便回收利用，可以连续产生一定浓度的醇钠溶液，可以实现连续自动化生产，可以随时停车，再次起动时不需惰性气体置换直接起动，可以通过控制原料进料速度、调整系统压力等灵活设计、安排生产规模。本装置有效地、安全地回收了废金属钠中的有价元素、有价能量，可以实现连续的自动化生产。

废金属钠包括金属钠生产过程中产生的钠渣、其它工业生产中产生的废金属钠。

需要说明的是，本实用新型中的所有部件，如无特殊说明，全部均采用现有技术中已知的部件。

以下给出本实用新型的具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。

实施例1：

遵从上述技术方案，如图1所示，本实施例给出一种连续化处理废金属钠的装置，包括管束式微通道反应器1、废金属钠供料单元2、醇供料单元3、气液分离背压罐4、产品溶液收集单元5、气体冷却净化单元6和除杂脱色单元11；

管束式微通道反应器1包括依次相连的预热区101和反应段102，反应段102设置有冷却保温液夹套103；

废金属钠供料单元2包括废金属钠保温罐201，废金属钠熔融储罐202与废金属钠保温罐201的顶部相连，惰性气体系统203与废金属钠保温罐201的顶部相连，废金属钠保温罐201的底部与第一计量泵204相连，第一计量泵204与管束式微通道反应器1的反应段102相连；

醇供料单元3包括醇高位计量罐301，醇储罐302与醇高位计量罐301的顶部相连。醇高位计量罐301的底部与第二计量泵303相连，第二计量泵303与管束式微通道反应器1的预热区101相连；

管束式微通道反应器1的反应段102与气液分离背压罐4的进料口相连，气液分离背压罐4的底部与产品溶液收集单元5相连，气液分离背压罐4的顶部与气体冷却净化单元6相连；

产品溶液收集单元5包括并联的第一产品溶液收集罐501和第二产品溶液收集罐502；

气体冷却净化单元6包括串联的一级气体冷却净化罐601和二级气体冷却净化罐602；

除杂脱色单元11包括并联的第一活性炭脱色罐1101和第二活性炭脱色罐1102，第一活性炭脱色罐1101和第二活性炭脱色罐1102的顶部均与第一压滤机1103的出料口相连，第一活性炭脱色罐1101和第二活性炭脱色罐1102的底部均与第二压滤机1104的进料口相连；第一产品溶液收集罐501和第二产品溶液收集罐502的底部均与第一压滤机1103的进料口相连。

作为本实施例的一种优选方案，废金属钠熔融储罐202通过管道过滤器7与废金属钠保温罐201的顶部相连；惰性气体系统203通过管道过滤器7与废金属钠保温罐201的顶部相连；醇储罐302通过管道过滤器7与醇高位计量罐301的顶部相连。管道过滤器7可根据所对应的介质的不同选择相配套的管道过滤器。

作为本实施例的一种优选方案，第一计量泵204与管束式微通道反应器1的反应段102之间设置有压力表8；第二计量泵303与管束式微通道反应器1的预热区101之间设置有压力表8。

作为本实施例的一种优选方案，气液分离背压罐4的顶部与气体冷却净化单元6之间设置有压力表8。

作为本实施例的一种具体方案，一级气体冷却净化罐601的顶部与二级气体冷却净化罐602的进料口相连，二级气体冷却净化罐602的顶部与氢气回收系统相连；一级气体冷却净化罐601的底部与二级气体冷却净化罐602的底部均与醇回收罐603相连。

作为本实施例的一种优选方案，一级气体冷却净化罐601的顶部与二级气体冷却净化罐602的进料口之间设置有压力表8。

作为本实施例的一种优选方案，废金属钠保温罐201外部还设置有加热保温层205和称重模块9；醇高位计量罐301外部还设置有称重模块9；气液分离背压罐4的外部还设置有称重模块9；第一产品溶液收集罐501外部设置有称重模块9；第二产品溶液收集罐502外部设置有称重模块9；一级气体冷却净化罐601外部设置有称重模块9；二级气体冷却净化罐602外部设置有称重模块9。

作为本实施例的一种优选方案，管束式微通道反应器1和废金属钠保温罐201上还设置有温度计10。

作为本实施例的一种优选方案，醇高位计量罐301上还设置有溢流口304。

本装置采用连续流的管束式微通道反应器，将熔融的废金属钠与低碳醇分别由计量泵按一定比例通入反应器，在一定温度、一定压力下反应得到一定浓度的醇钠溶液，该溶液经除杂、脱色、浓缩成一定浓度的醇溶液产品，也可浓缩、干燥成固体粉末产品。副产品氢气回收用作它用。

本实施例中，废金属钠包括金属钠生产过程中产生的钠渣、其它工业生产中产生的废金属钠。

本实施例中，醇包括甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇。

本实施例中，废金属钠的预热温度保持在103～160℃。

本实施例中，废金属钠可用惰性气体压力输送，称重计量，也可用计量泵精确计量。

本实施例中，物料醇与废金属钠的摩尔比为4：1～50：1，在管束式微通道反应器内停留的时间为10～350秒，反应温度为100～150℃，反应压力为0.1～10Mpa。

本实施例中，管束式微通道反应器可以采用切向流管式反应器替换。管束式微通道反应器采用列管换热器的基本结构，通过插入矩型毫米级微通道插片强化反应系统传质、传热过程。切向流管式反应器采用内外双换热结构，再加上可旋转的中心管搅动装置可加强传热、传质。

本实用新型提供的采用连续流反应器以连续流方式进行液态废金属钠与醇的反应过程中，反应系统提前用惰性气体吹扫置换，在惰性气体保护下的废金属钠预热至一定温度的熔融状态，由不同计量泵将其和原料醇分别打入连续流反应系统中，反应温度由调节循环冷凝器精确控制，实际反应温度由连续流反应器管路上的热电偶测量。物料输送管线中装有过滤器、压力表、安全阀、单项阀及相应的测控系统等。反应过程中，通过调节计量泵的流量来改变物料之间的比例及控制生产量，通过压力表实时监控测量反应体系的压力。通过温度表及控制系统控制反应系统不同阶段的温度。原料在连续流反应器内经混合、反应，再经过一定的(几秒至几分钟)停留时间后即完成反应，反应液体混合物和副产的氢气进入气液分离设备将氢气与液体分开，氢气回收用作它用，液体进入下一工序经沉降分离、脱色、浓缩、干燥得固体粉末醇钠。

本实施例以下述过程为例，说明本装置的工作过程：首先用氮气将整个反应装置进行吹扫置换，然后将预热后的甲醇通过第二计量泵303进入管束式微通道反应器1，氮气保护的熔融废金属钠(钠渣，含钠68wt.％)通过第一计量泵204进入管束式微通道反应器1，通过调节泵的流量和管束式微通道反应器1的通道长度控制反应停留时间为25s,控制甲醇与废金属钠的摩尔比为12：1，设定废金属钠的预热温度及反应温度为150℃，甲醇的预热温度50℃，系统压力为8.0MPa，气液分离温度35℃。反应混合物进入气液分离背压罐4连续的排出氢气和反应混合溶液，反应混合溶液经降温压滤后得滤渣(含甲醇钙、氯化钙、氯化钡等)和液体混合液，液体混合液经质量占比3％活性炭脱色得甲醇钠的甲醇溶液，再经后处理工段浓缩、干燥得固体粉末成品，经分析主含量98.0％，游离碱0.8％，其它杂质1.2％。氢气回收，滤渣1经盐酸中和、浓缩、结晶干燥可用于电解制钠工业的助熔剂，活性炭渣交后处理。

Claims (5)

1.一种连续化处理废金属钠的装置，其特征在于，包括管束式微通道反应器(1)、废金属钠供料单元(2)、醇供料单元(3)、气液分离背压罐(4)、产品溶液收集单元(5)、气体冷却净化单元(6)和除杂脱色单元(11)；

所述的管束式微通道反应器(1)包括依次相连的预热区(101)和反应段(102)，反应段(102)设置有冷却保温液夹套(103)；

所述的废金属钠供料单元(2)包括废金属钠保温罐(201)，废金属钠熔融储罐(202)与废金属钠保温罐(201)的顶部相连，惰性气体系统(203)与废金属钠保温罐(201)的顶部相连，所述的废金属钠保温罐(201)的底部与第一计量泵(204)相连，第一计量泵(204)与管束式微通道反应器(1)的反应段(102)相连；

所述的醇供料单元(3)包括醇高位计量罐(301)，醇储罐(302)与醇高位计量罐(301)的顶部相连，醇高位计量罐(301)的底部与第二计量泵(303)相连，第二计量泵(303)与管束式微通道反应器(1)的预热区(101)相连；

所述的管束式微通道反应器(1)的反应段(102)与气液分离背压罐(4)的进料口相连，气液分离背压罐(4)的底部与产品溶液收集单元(5)相连，气液分离背压罐(4)的顶部与气体冷却净化单元(6)相连；

所述的产品溶液收集单元(5)包括并联的第一产品溶液收集罐(501)和第二产品溶液收集罐(502)；

所述的气体冷却净化单元(6)包括串联的一级气体冷却净化罐(601)和二级气体冷却净化罐(602)；

所述的除杂脱色单元(11)包括并联的第一活性炭脱色罐(1101)和第二活性炭脱色罐(1102)，第一活性炭脱色罐(1101)和第二活性炭脱色罐(1102) 的顶部均与第一压滤机(1103)的出料口相连，第一活性炭脱色罐(1101)和第二活性炭脱色罐(1102)的底部均与第二压滤机(1104)的进料口相连；第一产品溶液收集罐(501)和第二产品溶液收集罐(502)的底部均与第一压滤机(1103)的进料口相连。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的废金属钠熔融储罐(202)通过管道过滤器(7)与废金属钠保温罐(201)的顶部相连；惰性气体系统(203)通过管道过滤器(7)与废金属钠保温罐(201)的顶部相连；所述的醇储罐(302)通过管道过滤器(7)与醇高位计量罐(301)的顶部相连。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的一级气体冷却净化罐(601)的顶部与二级气体冷却净化罐(602)的进料口相连，二级气体冷却净化罐(602)的顶部与氢气回收系统相连；一级气体冷却净化罐(601)的底部与二级气体冷却净化罐(602)的底部均与醇回收罐(603)相连。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的废金属钠保温罐(201)外部还设置有加热保温层(205)。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的醇高位计量罐(301)上还设置有溢流口(304)。

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