EA020555B1 - Крыльчатка для перемешивания гидросмеси в металлургических процессах - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к мощной крыльчатке турбинного типа, которая используется для смешивания гидросмеси в реакторах гидрометаллургического процесса. Крыльчатка образована по меньшей мере из пяти лопастей, каждая из которых имеет переднюю кромку, заднюю кромку, основание и верхушку; основания лопастей крыльчатки постоянно прикреплены посредством соединения к ступице или оси крыльчатки, так что передняя кромка лопасти крыльчатки является прямой, а задняя кромка скошена, так что лопасть сужается к верхушке, причем лопасть имеет два продольных сгиба, расположенных параллельно передней кромке лопасти.

Description

Изобретение относится к мощной крыльчатке турбинного типа, которая используется для перемешивания гидросмеси в реакторах гидрометаллургического процесса.

Уровень техники в области изобретения

Изобретение относится к крыльчатке, которая обычно используется в реакторах в гидрометаллургических процессах.

Предложенная крыльчатка предназначена для использования в тех же целях, что и крыльчатка с прямыми лопастями, обычно используемая в данной области, и некоторые другие энергетически эффективные крыльчатки, известные в данной области. Предложенная крыльчатка может использоваться, например, в крупномасштабных установках вместо обычных старых крыльчаток.

Реактор является резервуаром для смешивания, в который подаётся технологический раствор для требуемой обработки. Кроме крыльчатки, реактор обычно включает опрокидыватели потока, прикреплённые к стенкам.

Крыльчатка в основном используется в устройствах, где технологический раствор является твёрдым веществом, например, полученным в результате осаждения. При таких условиях эксплуатации важно, чтобы перемешивание происходило достаточно сильно во всей области реактора для перемешивания твердых веществ, чтобы твёрдые частицы не скапливались, например, на дне.

Кроме того, необходимо создать турбулентность в процессе, чтобы происходили реакции, которые требуются в данном процессе. В некоторых условиях эксплуатации необходимо избежать чрезмерной мощности перемешивания твёрдой смеси, чтобы предотвратить разрушение элементов процесса, таких как флокулянты.

Например, разрушение твёрдых частиц, созданных в осадке, и флокулянтов, возможно используемых в процессе, может сильно уменьшить эффективность осаждения. Когда эффективность осаждения уменьшается, нужно добавлять всё больше и больше флокулянтов в процесс, чтобы повысить эффективность, что ещё больше увеличивает расходы. Технологический раствор состоит, например, из водного раствора, содержащего кислоту и растворённые в ней вещества. Кроме того, возможно, чтобы в реактор продувался газ, если это необходимо для протекания реакций.

В качестве возможных условий процесса могут быть рассмотрены осадки кобальта и никеля, продукты из известкового молока, процессы растворения и крупномасштабная обработка сточных вод. В процессе осаждения металл вносится в технологический раствор, например, путем выщелачивания.

В реакторе с осаждением металл пытаются осаждать в технологическом растворе, например, путём продувания газа, такого как сульфид водорода. Металл, находящийся в растворе, начинает образовывать ядра. Когда в растворе создаются ядра, они начинают расти, и после того, как они превзойдут определённый размер, они могут быть отделены от технологического раствора в коагуляционных устройствах.

Из уровня техники известен патент США № 5052892 корпорации Сйешшеег 1пс. Описанная в нем крыльчатка содержит 2-4 лопасти, обычно 3. Назначение крыльчатки состоит в том, чтобы минимизировать мощность, используемую для создания осевого потока, так чтобы микросмешивание, требуемое реакциями, не было необходимости соблюдать, и цель достигалась меньшим числом лопастей. Общая кромка лопастей крыльчатки невелика, т.е. 25-30°, и заготовки лопастей крыльчатки имеют прямоугольную форму, т.е. передняя и задняя кромки лопастей параллельны.

Согласно этому патенту, осевая эффективность крыльчатки основана на радиальной вогнутости, которая достигается путем диагонального сгиба. Согласно этому патенту лопасти не прикреплены к оси крыльчатки, а крепятся болтовым соединением к ступице, окружающей ось, причём в этом случае ступица должна быть снабжена выступами, к которым крепятся лопасти.

В крыльчатке согласно патенту США № 5052892 лопасть имеет линию сгиба, которая параллельна кромкам лопасти и проходит от основания лопасти до её верхушки и делит лопасть на переднюю часть и заднюю часть. Передняя часть лопасти, кроме того, имеет другую линию сгиба, которая проходит диагонально от верха первой линии сгиба до передней кромки лопасти и оканчивается на расстоянии, которое составляет примерно три четверти длины лопасти, так что конечная точка линии сгиба находится на расстоянии % длины лопасти от ступицы. Угол первой линии сгиба имеет величину порядка 10-25°, а угол второй линии сгиба имеет величину порядка 5-15°. Материал лопастей имеет неравномерную толщину, но их передние и задние кромки скошены, чтобы уменьшить сопротивление. На передней кромке лопасти скос сделан на стороне, обращенной вверх, а на задней кромке - на стороне, обращенной вниз. Один из недостатков крыльчатки, описанной в патенте США № 5052892, состоит в том, что она создаёт мощный пик энергии на верхушках лопастей, т.е. перемешивание на верхушках лопастей очень мощное. Таким образом, перемешивающий эффект не распределен равномерно в реакторе, окружающем крыльчатку. Конструкция лопастей, имеющих скосы, требует нескольких последовательных этапов изготовления.

Цель изобретения

При использовании предложенной новой крыльчатки достигается более равномерное распределение энергии и увеличенная площадь с турбулентностью, т.е. распределение энергии, вызываемое крыльчаткой в реакторе, является более равномерным, чем с известной крыльчаткой. Таким образом, создаётся плавное перемешивание, но в то же время такое, которое является достаточно эффективным, по отноше- 1 020555 нию к реакциям и перемешиванию твёрдых частиц.

Кроме хороших свойств перемешивания, конструкция предложенной крыльчатки нацелена на реализацию как можно более хороших прочностных свойств. Таким образом, достигается несколько преимуществ как относительно расходов, так и производства.

Цель предложенной крыльчатки состоит в устранении недостатков описанной выше крыльчатки и известных крыльчаток и в создании крыльчатки для использования в гидрометаллургических процессах, которая лучше, более эффективна энергетически и более эффективна экономически.

Сущность изобретения

Существенные характеристики изобретения очевидны из формулы изобретения.

Изобретение относится к крыльчатке для перемешивания в реакторе гидросмеси, создаваемой в гидрометаллургическом процессе, которая образована по меньшей мере пятью лопастями, каждая из которых имеет переднюю кромку, заднюю кромку, основание и верхушку, так что основания лопастей постоянно прикреплены соединением к ступице или оси, при этом передняя кромка лопасти является прямой, а задняя кромка является скошенной, и лопасть сужается в направлении верхушки и имеет два продольных сгиба, параллельные передней кромке лопасти.

Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения сгибы, параллельные передней кромке лопасти, по существу, находятся на одном и том же расстоянии друг от друга и проходят от основания лопасти до ее верхушки.

Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения сгибы, параллельные передней кромке лопасти, делят лопасть на три профиля одинаковой ширины, площадь которых уменьшается в направлении вращения лопасти.

Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения профили лопасти крыльчатки отличаются друг от друга по площади поверхности. Согласно предпочтительному варианту изобретения передняя кромка лопасти является горизонтальной.

Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения угол первого сгиба крыльчатки по отношению к горизонтальной плоскости составляет 15-25°. Согласно предпочтительному варианту изобретения угол первого сгиба крыльчатки по отношению к горизонтальной плоскости составляет предпочтительно 20°. Согласно предпочтительному варианту изобретения угол второго сгиба крыльчатки по отношению к горизонтальной плоскости составляет 35-45°. Согласно предпочтительному варианту изобретения угол второго сгиба крыльчатки по отношению к горизонтальной плоскости составляет предпочтительно 40°.

Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения угол α задней кромки лопасти крыльчатки по отношению к передней кромке составляет 15-20°. Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения угол α задней кромки лопасти крыльчатки по отношению к передней кромке составляет предпочтительно 20°.

Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения передняя кромка лопасти крыльчатки наклонена вверх. Согласно предпочтительному варианту изобретения передняя кромка лопасти крыльчатки наклонена вниз.

Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения количество лопастей равно 5-7. Согласно предпочтительному варианту изобретения количество лопастей предпочтительно равно 5.

Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения лопасть крыльчатки выполнена из пластины с однородной структурой. Согласно предпочтительному варианту изобретения на оси крыльчатки расположены по меньшей мере две крыльчатки.

Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения указанное соединение крыльчатки является сварным. Согласно предпочтительному варианту изобретения указанное соединение крыльчатки выполнено непосредственно в ступице или на оси.

Список чертежей

Фиг. 1 изображает вид сверху предложенной крыльчатки.

Фиг. 2 изображает вид в аксонометрии сбоку предложенной крыльчатки.

Фиг. 3 изображает вид сверху лопастей предложенной крыльчатки, представленный в разобранном виде и в горизонтальном поперечном сечении.

Фиг. 4 графически иллюстрирует импульс (энергию перемешивания) известной крыльчатки и предложенной крыльчатки на разных расстояниях от оси крыльчатки.

Подробное описание изобретения

Предложенная крыльчатка предназначена для использования в тех же целях, что и обычные известные в данной области крыльчатки с прямыми лопастями и другие известные энергетически эффективные крыльчатки в данной области. Предложенная крыльчатка может использоваться, например, в больших устройствах вместо старых обычных крыльчаток.

По отношению к реакциям, происходящим в реакторе, важно, чтобы предложенная крыльчатка образовывала так называемую область турбулентности. Таким образом, здесь достигается область большей величины для металлургических реакций, которые часто требуют для своего выполнения турбулентно- 2 020555 сти.

Было обнаружено, что посредством предложенной крыльчатки достигнуто, по отношению к уровню техники, более равномерное распределение и большая площадь области с турбулентностью, т.е. распределение энергии, создаваемое крыльчаткой в реакторе, является более равномерным. Результатом является плавное, но, в то же самое время, достаточно эффективное перемешивание для реакций и перемешивание твёрдых частиц.

В базовой крыльчатке, представленной, например, так называемой А-моделью крыльчатки, снабжённой четырьмя прямыми лопастями, энергия перемешивания сильно связана с пиками энергии, создаваемыми вокруг лопасти крыльчатки. Гауссовская кривая распределения энергии предложенной крыльчатки имеет весьма низкий градиент, потому что целью изобретения является отсутствие пиков.

Предложенная крыльчатка может быть сравнима с А-моделью крыльчатки, где угол лопастей крыльчатки равен 45°. При разработке новой крыльчатки, целью было наблюдать явления, происходящие в реакторе, как целое, так что целью является как можно более хороший результат процесса. Кроме величины перемешивания, создаваемой крыльчаткой, обращалось внимание на эффекты перемешивания в реакциях, требуемых происходящим процессом.

Общее перемешивание технологического раствора в реакторе, вызываемое крыльчаткой, может быть оценено посредством степени накачки, вызванной крыльчаткой. Накачка здесь означает подвижный жидкий объём в реакторе на различных уровнях по высоте. При сравнении предложенной крыльчатки, например, с известной базовой осевой турбиной, снабжённой четырьмя прямыми лопастями с наклоном 45°, лучшая величина накачки достигается предложенной крыльчаткой, при той же скорости вращения. Разница в скорости накачки упомянутых крыльчаток, при наличии преимуществ предложенной крыльчатки, является наибольшей в области дна, что особенно важно при перемешивании твёрдых частиц.

Предложенная крыльчатка также пригодна для дисперсии газа в технологическом растворе, до определённого предела, но не предназначена специально для этой цели. Здесь термин дисперсия означает распыление газа, подаваемого в реактор, на маленькие, насколько это возможно, пузырьки, и распределение их, насколько возможно, равномерно по всей области реактора.

Кроме хороших перемешивающих свойств, конструкция предложенной крыльчатки также нацелена на технические прочностные свойства, хорошие, насколько это возможно. Таким образом, достигаются преимущества как по отношению к стоимости, так и к процессу изготовления.

Профиль предложенной крыльчатки образован двумя параллельными сгибами, причём эта технология отличается от обычно применяемой технологии с одним сгибом, или с непрерывно изменяющимся профилем (гидрокрыло). В предложенной крыльчатке ее профиль проходит по всей оси и благодаря этой особенности достигается естественная жёсткость.

Структурная жёсткость предложенной крыльчатки примерно в двадцать раз выше, чем у крыльчатки с прямыми лопастями. Даже если конструкция крыльчатки с прямыми лопастями усилена, долговечность соединения между лопастью и ступицей в крыльчатке с прямыми лопастями всегда остаётся ниже, чем для предложенной крыльчатки. Упомянутое соединение является наиболее универсальным фактором для определения долговечности крыльчатки. Жёсткость конструкции уменьшает протяжённость каждого цикла напряжений, что, естественно, предотвращает усталостное разрушение.

При сравнении крыльчатки с прямыми лопастями и предложенной крыльчатки на разных уровнях реактора было обнаружено, что посредством предложенной крыльчатки достигнута та же самая эффективность накачки при расходе энергии, которая даже на 50% ниже. Это может быть непосредственно рассчитано как экономия в затратах на работу для потребителя. Более долговечная конструкция крыльчатки также обеспечивает больший срок службы и меньшую потребность в техническом обслуживании.

При использовании предложенной крыльчатки достигается экономия в затратах на изготовление. Меньшая потребность в энергии позволяет использовать меньший двигатель и, следовательно, обеспечивается возможность использования более лёгкого редуктора и более лёгкой конструкции для оси крыльчатки. Также возможно установить несколько новых предложенных крыльчаток одновременно на одной и той же оси, потому что они дают равномерное перемешивание и обеспечивают плавный поток.

Изготовление предложенной крыльчатки дешевле, чем, например, изготовление крыльчатки, описанной в указанном патенте США, потому что нет необходимости в отдельной ступице с кронштейнами для оси крыльчатки.

Как видно на фиг. 1, 2 и 3, предложенная крыльчатка 1 образована из лопастей 2, которые прикреплены к оси 3, или, возможно, посредством ступицы (не показано более подробно). Соединение 13 лопастей выполняется непосредственно либо с осью, либо со ступицей, без каких-либо кронштейнов или болтовых соединений. Типичным способом выполнения соединения является сварка. Таким образом, наиболее общими способами, используемыми для выполнения упомянутого соединения, являются сварка непосредственно с осью или ступицей, или болтовое соединение с кронштейном, приваренным к оси или ступице. В основном, предложенная крыльчатка содержит столько лопастей, сколько может быть прикреплено к оси, т.е. 5-7, предпочтительно 5.

В предложенной крыльчатке лопасть 2 имеет два сгиба, которые параллельны продольному направ- 3 020555 лению на лопасти, т.е. передняя кромка 4 лопасти, первый сгиб 5 и второй сгиб 6 расположены, по существу, на одинаковом расстоянии друг от друга и проходят от основания 7 лопасти к ее верхушке 8. Чем более скруглённым является сгиб лопасти, тем лучше и более эффективно она работает практически. Профиль, который нужно создать в лопасти, образуется этими двумя сгибами, которые делят лопасть крыльчатки на три профиля, которые равны по ширине, но площадь поверхности упомянутых лопастей, однако, уменьшается в направлении вращения лопасти.

В нормальном случае передняя кромка 4 лопасти является горизонтальной, и посредством сгибов, лопасть изогнута вниз. Угол каждого сгиба по отношению к горизонтальной плоскости составляет 1525°, предпочтительно 20°. Когда передняя кромка 4 лопасти является горизонтальной, наклон первого профиля 9 лопасти составляет 15-25° от передней кромки, средний наклон составляет приблизительно 20°, наклон центрального профиля 10 лопасти имеет величину порядка 35-45°, причём средний наклон предпочтительно составляет 40°, и наклон третьего профиля 11 лопасти имеет величину порядка 55-65°, причём средний наклон составляет предпочтительно 60° от передней кромки. Полный центральный наклон лопасти имеет величину порядка 40°. Передняя кромка 4 лопасти может также быть наклонена максимум на 10° вверх или вниз, и в этом случае полный центральный наклон крыльчатки, по отношению к горизонтальной плоскости, имеет величину порядка 30-50°, но по отношению к передней кромке крыльчатки имеет величину порядка 40°.

Из фиг. 3 можно видеть, что лопасть 2 крыльчатки выполнена из пластины с однородной структурой и передняя кромка 4 упомянутой пластины, если смотреть в направлении вращения, является прямой, но задняя кромка, т.е. задняя кромка 12 скошена, так что лопасть сужается к верхушке 8. Угол задней кромки, по отношению к прямой передней кромке является α, который имеет величину порядка 1525°, т.е. лопасть имеет форму трапеции.

Верхушка лопасти расположена под прямыми углами к передней кромке, т.е. является прямой. То же самое относится к основанию лопасти, но, когда необходимо, ему может быть придана такая форма, чтобы нужным образом крепить его к оси 3. Однородная структура здесь означает, что лопасть не скошена, или ей не придана другая форма в направлении толщины. Так как задняя кромка 12 скошена, это означает, что все профили 9, 10, 11 лопасти различны по размеру. Площадь поверхности первого профиля 9 является наибольшей, а площадь поверхности третьего профиля 11 является наименьшей.

Довольно большой общий угол, созданный в предложенной лопасти, существенно улучшает структурную жёсткость крыльчатки. Кроме того, лопасть сужается при продвижении от оси 3, от основания 7 лопасти к верхушке 8 лопасти. При сужающейся конструкции энергия распределяется более равномерно, потому что площадь поверхности уменьшается при возрастании скорости на начальной окружности.

В предложенной крыльчатке характерные свойства не основаны на радиальной вогнутости. Когда оба сгиба в предложенной крыльчатке проходят до оси крыльчатки, конструкция становится более жёсткой, чем в крыльчатке, где лопасти крепятся посредством болтов.

В предложенной крыльчатке износостойкость конструкции лопасти основывается на лопастях, которые постоянно прикреплены к оси или к съёмной ступице. Естественная жёсткость основана на факте, что центр инерции смещается дальше от линии крепления, а нагрузка на каждую лопасть уменьшается, когда число лопастей увеличивается.

Крыльчатка 1 нацелена на минимизацию энергии, расходуемой на создание осевого потока, так чтобы микроперемешивание требуемое реакциями, не нужно было принимать во внимание, и, таким образом, цель крыльчатки 1 состоит также в том, чтобы обеспечить достаточную скорость реакции, т.е., она нацелена на обеспечение функциональной эффективности всего процесса, а не только этапа перемешивания.

Посредством предложенной крыльчатки 1 Гауссовская кривая распределения энергии имеет весьма низкий градиент, потому, что цель состояла в том, чтобы избежать пиков. Это также описано ниже и объяснено со ссылкой на отдельный пример 1.

В процессах, где пики энергии разрушают флокулянты, агломераты или капли, способность для восстановления продукта, или сточных вод для отделения от технологического раствора, существенно ослабевает. С другой стороны, в процессах, где скорость реакции пропорциональна энергии перемешивания до определённой точки насыщения, энергия сберегается при использовании крыльчатки 1, потому что не являющиеся необходимыми пики энергии не создаются в процессе, но энергия перемешивания распределяется равномерно, насколько это возможно, по всему объёму реактора.

Примеры

Пример 1.

На фиг. 4 распределение импульса, т.е. распределение энергии перемешивания предложенной крыльчатки сравнивается с распределением для известной крыльчатки (патент США № 5052892) посредством графических диаграмм. На диаграммах рассчитан импульс, создаваемый лопастью крыльчатки на различных расстояниях от оси крыльчатки, когда максимальная длина лопасти составляет 85 мм.

На диаграммах используемая площадь поверхности лопастей крыльчатки одна и та же в каждом случае. Из диаграмм можно видеть, что импульс, отдаваемый лопастью известной крыльчатки, очень сильный на верхней части лопасти, в то время как в предложенной крыльчатке импульс значительно бо- 4 020555 лее равномерный вдоль всей длины лопасти. Когда требуется равномерное перемешивание в реакторе, модель лопасти предложенной крыльчатки является значительно более выгодной, чем та, которая описана в уровне техники.

Claims (18)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Крыльчатка (1) для перемешивания гидросмеси, создаваемой в гидрометаллургическом процессе, в реакторе, которая образована по меньшей мере пятью лопастями (2), каждая из которых имеет переднюю кромку (4), заднюю кромку (12), основание (7) и верхушку (8), так что основания (7) лопастей (2) постоянно прикреплены соединением (13) к ступице или оси (3), отличающаяся тем, что передняя кромка (4) лопасти является прямой, а задняя кромка (12) является скошенной, так что лопасть сужается в направлении верхушки (8), при этом лопасть имеет два продольных сгиба (5, 6), расположенных параллельно передней кромке (4) лопасти, причем указанные сгибы (5, 6) расположены на одинаковом расстоянии друг от друга и проходят от основания (7) лопасти до ее верхушки (8).
2. 2. Крыльчатка по п.1, отличающаяся тем, что сгибы (5, 6), параллельные передней кромке лопасти (2), разделяют лопасть (2) на три профиля (9, 10, 11) одинаковой ширины, площадь поверхности которых уменьшается в направлении вращения лопасти (2).
3. 3. Крыльчатка по п.2, отличающаяся тем, что по площади поверхности профили (9, 10, 11) лопасти отличаются друг от друга.
4. 4. Крыльчатка по п.1, отличающаяся тем, что передняя кромка (4) лопасти (2) является горизонтальной.
5. 5. Крыльчатка по п.1, отличающаяся тем, что угол первого сгиба (5) относительно горизонтальной плоскости составляет 15-25°.
6. 6. Крыльчатка по п.1, отличающаяся тем, что угол первого сгиба (5) относительно горизонтальной плоскости составляет предпочтительно 20°.
7. 7. Крыльчатка по п.1, отличающаяся тем, что угол второго сгиба (6) относительно горизонтальной плоскости составляет 35-45°.
8. 8. Крыльчатка по п.1, отличающаяся тем, что угол второго сгиба (6) относительно горизонтальной плоскости составляет предпочтительно 40°.
9. 9. Крыльчатка по п.1, отличающаяся тем, что угол α задней кромки (12) лопасти (2) относительно передней кромки (4) составляет 15-25°.
10. 10. Крыльчатка по п.1, отличающаяся тем, что угол α задней кромки (12) лопасти (2) относительно передней кромки (4) составляет предпочтительно 20°.
11. 11. Крыльчатка по п.1, отличающаяся тем, что передняя кромка (4) лопасти (2) наклонена вверх.
12. 12. Крыльчатка по п.1, отличающаяся тем, что передняя кромка (4) лопасти (2) наклонена вниз.
13. 13. Крыльчатка по п.1, отличающаяся тем, что количество лопастей (2) в ней равно 5-7.
14. 14. Крыльчатка по п.1, отличающаяся тем, что количество лопастей (2) в ней предпочтительно равно 5.
15. 15. Крыльчатка по п.1, отличающаяся тем, что ее лопасть (2) выполнена из пластины с однородной структурой.
16. 16. Крыльчатка по п.1, отличающаяся тем, что на ее оси (3) расположены по меньшей мере две крыльчатки (1).
17. 17. Крыльчатка по п.1, отличающаяся тем, что указанное соединение (13) является сварным соединением.
18. 18. Крыльчатка по п.1, отличающаяся тем, что указанное соединение (13) выполнено непосредственно на ступице или оси (3).