Предлагаемая конструкция аппарата позволяет использовать для растворения медь как в виде гранул, так и в виде порошка; увеличить скорость процесса по сравнению с прототипом в 6 – 10 раз за счет повышения коэффициента использования воздуха с 30 до 70 %, снизить расход сжатого воздуха в 3 раза, пара – в 2 раза, повысить извлечение меди в готовую продукцию и ее качество [9].

3.2.1 Определение размеров аппарата [10]

Диаметр верхней части колонны совпадает с диаметром оксидизера и равен 2380 мм. Размеры царг определяются размерами листа дорогостоящей стали 20001000. Высота нижней части колонны определяется количеством медных гранул, необходимых для проведения процесса растворения.

,(1)

где V – объем занимаемый медными гранулами, м3;

F – площадь поперечного сечения обечайки, м2.

, (2)

где d =1,268 – внутренний диаметр обечайки;

π = 3,14.

, (3)

где m=13330 – масса медных гранул, кг;

=4540 – удельный вес медных гранул, кг/м3

Тогда по формулам (3) и (1):

,

.

Принимаем высоту нижней части аппарата 3 м, с учетом увеличения объема медных гранул при прохождении раствора вверх исходящим потоком.

Далее произведем расчет толщины стенки корпуса.

Корпус аппарата сварной. Верхняя часть колонны состоит из 3 царг цилиндрической формы (наружный диаметр 2380 мм, толшина стенки 6 мм) и одной конической формы.

Нижняя часть колонны состоит из 4 цилиндрических царг, внутренний диаметр которых 1268 мм. В местах крепления опор и решетки, для увеличения жесткости царги с толщиной стенки 8 мм, а остальные с толщиной стенки 6 мм.

Рассчитаем толщину стенки нижней обечайки:

, (4)

где Sp - расчетная толщина стенки, м;

с – прибавка к расчетной величине стенки.

, (5)

где С1 – прибавка для компенсации коррозии;

С2 и С1 – технологическая прибавка.

, (6)

где Р – внутреннее давление, Па;

D = 1268 – внутренний диаметр обечайки, мм;

= 174 – допускаемое напряжение для материала корпуса аппарата

12Х18Н10Т, МПа [10];

= 0,9 – коэффициент прочности сварных швов [10].

Аппарат находится под давлением столба жидкости и медных гранул.

Давление столба жидкости [11]:

, (7)

где Н = 6,75 – высота уровня раствора, м;

ρ = 1400 – плотность исходного раствора кг/м3;

g = 9,81 – ускорение свободного падения м/с2.

Р1 = 6,75 ∙ 1400 ∙ 9,81 = 92704,5 Па = 92,70 кПа.

Давление на 1 см2 от медных гранул:

Н = 5,2 – высота слоя медных гранул, м;

ρ = 1700 – плотность медных гранул кг/м3.

Р2 = 5,2 ∙ 1700 ∙ 9,81 = 86720,4 Па = 86,72 кПа.

Суммарное давление на стенки обечайки:

Р = 92704,5 + 86720,4 = 179424,9 Па = 179,42 кПа.

Расчетную толщину стенки найдем по формуле (6):

= 0,3 мм.

Произведем расчет объемов различных частей аппарата колонного типа.

Объем цилиндрической части башни (закачка раствора на высоту 1,8 м от крышки аппарата, что соответствует линии сливной трубы):

V1 = h ∙ π ∙ d2/4, (8)

где h = 2,8 – 1,8 = 1,0 м = 100 мм,

V1 = 1,0 ∙ 3,14 ∙ 2,3682/4 = 4,402 м3.

Рассчитаем объем усеченного конуса башни

V2 =π ∙ h/3 ∙ (r12 + r1 ∙ r2 + r22), (9)

V2 = 3,14 ∙ 0,55/3 ∙ (0,6342 + 0,634 ∙ 1,184 + 1,1842) = 1,470 м3.

Определим объем колонны для загрузки гранул

V3 = h ∙ π ∙ d2/4, (10)

V3 = 4,8 ∙ 3,14 ∙ 1,2682/4 = 6,058 м3.

По формуле (9) рассчитаем объем усеченного конуса колонны

V4 = 3,14 ∙ 0,48/3 ∙ (0,152 + 0,15 ∙ 0,634 + 0,6342) = 0,261 м3.

По формуле (10) найдем объем цилиндрической части колонны

V5 = 0,10 ∙ 3,14 ∙ 0,2612/4 = 0,005 м3.

Рассчитаем объем цилиндрической части сепаратора по формуле (10)

V6 = 0,048 ∙ 3,14 ∙ 0,2612/4 = 0,002 м3.

Объем усеченного конуса сепаратора найдем, подставив данные в формулу (9)

V7 = 3,14 ∙ 0,159/3 ∙ (0,132 + 0,13 ∙ 0,625 + 0,6252) = 0,081 м3.

Объем отвода крутоизогнутого рассчитаем, подставив данные в формулу (10)

V8 = 0,39 ∙ 3,14 ∙ 0,1252/4 = 0,0048 м3.

Аналогично найдем объем патрубка

V9 = 1,9 ∙ 3,14 ∙ 0,1252/4 = 0,023 м3.

Объем вертикальной части циркуляционной трубы равен

V10 = 6,45 ∙ 3,14 ∙ 0,1252/4 = 0,079 м3.

Объем сливного коллектора равен 0,07 м3, тогда суммарный объем циркуляционной системы равен

V∑ = V6 + V7 + V8 ∙ 2 + V9 + V10 + V11,

V∑ = 0,002 + 0,081 + 0,0048 ∙ 2 + 0,023 + 0,079 + 0,07 = 0,2646 м3.

Расширение верхней части вертикального участка циркуляционной трубы учли в виде 5 % от суммарного объема циркуляционной системы, с учетом этого имеем

V∑ = 0,2646 ∙ 0,05 + 0,2646 = 0,278 м3.

3.3 Описание и расчет вакуум-выпарного кристаллизатора

Выделение медного купороса из медеэлектролитных растворов предусматривается в три стадии выпарной кристаллизации. Это один из основных процессов производства медного купороса на предприятии ОАО «Уралэлектромедь».

Отработанный электролит завода «Уралэлектромедь» содержит повышенное количество примесей NiSO4, FeSO4, As2O3, ZnSO4, CaSO4 и др. Выведенный из электролитных ванн передаточный электролит направляют на нейтрализацию свободной серной кислоты черновой медью с последующей трехстадийной упаркой раствора и кристаллизацией медного купороса.

На ряде действующих медеэлектролитных заводов этот процесс осуществля-ется в вакуум-выпарных аппаратах с вынесенной греющей камерой, которые работают периодически, так как на теплопередающей поверхности происходит интенсивное образование нерастворимой и механически прочной накипи, состоящей преимущественно из сульфата.

СверНИИхиммашем были проведены исследования вакуум-кристаллизации производственного раствора в опытных циркуляционных кристаллизаторах разных конструкций. На основании полученных результатов была разработана и успешно внедрена в эксплуатацию в цехе медного купороса ОАО «Уралэлектромедь» выпарная вакуум-кристаллизационная установка, а также были приняты следующие технические решения: