Результаты исследования закономерностей растворения фос­фатов и кристаллизации сульфата кальция были использованы при разработке технологических приемов совершенствования этих процессов в условиях получения экстракционной фосфорной кислоты [28, 66]. Основные направления и принципы совершен­ствования процессов растворения фосфатов и кристаллизации сульфата кальция рассмотрены ниже. Они детально обсуждены также в ряде других работ [29, 67], подтверждены результатами опытных исследований и практикой их широкого промышленно­го использования.

Подготовка фосфатного сырья к реакции. Этот способ заклю­чается в предварительном смешении фосфатного сырья с фос­форнокислыми растворами, в качестве которых могут быть ис­пользованы рециркулирующая пульпа и (или) раствор разбав­ления (оборотная фосфорная кислота),что приводит к хорошему распределению частиц фосфата в зоне реакции и, как следствие, к снижению локальных пересыщений фосфорнокислого раствора по сульфату кальция.

Способ предварительного смешения природного фосфата с фосфорнокис­лыми растворами, известный на практике как способ «мокрого» питания экстрактора фосфатным сырьем, может быть осуществлен с применением как объемного, так и скоростного смесителя. В качестве объемного смесителя может быть использован бак с мешалками или часть реакционного объема экстрактора. При этом на 1 т апатита расходуют 2—3 м3/ч рециркулируемой пульпы; продолжительность смешения в объемном смесителе не превышает 3 мин; соотношение жидкой и твердой фаз в пульпе на выходе из смесителя составляет 1: (1,3—2,0).

В качестве скоростных смесителей используют центробежный или пле­ночный смеситель. Продолжительность смешения в них составляет 10—20 с.

Совместители указанных типов устойчиво работают как при использо­вании рециркулирующей пульпы, так и при смешении фосфата с раствором разбавления.

Способ предварительного смешения фосфата с фосфорнокислыми раство­рами можно сочетать с рядом технологических и механических операций. Например, он известен как способ «мокрого» питания экстрактора фосфатным сырьем, так как позволил заменить механический способ транспортирования сырья на гидравлический (подача в экстрактор фосфатной пульпы). Другим примером может служить совмещение операций предварительного смешения фосфата с одновременной декарбонизацией карбонатсодержащего сырья ре­циркулирующей пульпой как в режиме подавления пены при соотношениях Т:Ж=1:(0,5—1,0), так и в режиме с выводом пенного продукта в виде части продукционной фосфорной кислоты [35].

Опытные и промышленные исследования, выполненные с использованием флотационного концентрата Каратау, показали, что обработка природного фосфата рециркулирующей пульпой при соотношениях Т: Ж в смесителе 1 : 0,25—0,3 и температуре 60—78 °С обеспечивает степень декарбонизации

фосфатного сырья 50—60% без образования пены. Более глубокая декарбо­низация (70 80 %) достигается при добавлении в смеситель серной кислоты

(из расчета 50___ 140 л/т). Декарбонизацию фосфатного сырья Каратау про­

водили в смесителе, продолжительность пребывания пульпы в котором со­ставляла 4—5 мин. При этом практически исключается вероятность цено­образования в экстракторе, что позволяет интенсифицировать процессы раст­ворения фосфата и кристаллизации сульфата кальция.

Процесс предварительного смешения фосфата с рециркулирующей пуль­пой в смесителе-форреакторе при соотношении Т:Ж=1:(1,5—2,5) и про­должительности 4—5 мин также обеспечивает необходимую степень декарбо­низации фосфатного сырья (60—70%) [35]. Организация пенной флотации в этом смесителе позволяет отделить пенный продукт, содержащий в твердой фазе наиболее тонкие глинистые частицы, от потока фосфатной пульпы, на­правляемого в экстрактор, и существенно улучшить фильтрующие свойства осадка сульфата кальция. Производительность на стадии фильтрации в этом случае увеличивается на 30%. Пенный продукт также используют в качестве продукционной фосфорной кислоты. Реализация этого способа в промышлен­ных условиях позволит существенно сократить потери сырья и улучшить технико-экономические показатели переработки низкосортных высококарбо­натных фосфоритов на фосфорсодержащие удобрения.

Промышленное внедрение системы предварительного смеше­ния апатитового концентрата с рециркулирующей пульпой по­зволило увеличить извлечение Р2О5 в раствор на 0,5% и снизить потребление электроэнергии на перемешивание пульпы в зоне ввода фосфата на 20%•

Предварительное смешение серной кислоты с фосфорнокис­лыми растворами. Важным, но недостаточно изученным факто­ром, определяющим скорость растворения фосфатов и качество получаемых кристаллов сульфата кальция, является способ под­готовки серной кислоты к реакции. Ранее считалось логичным использование серной кислоты пониженной концентрации (55— 56%-й), так как это уменьшает вероятность локальных пересы­щений фосфорнокислого раствора по сульфату кальция. Однако стадия предварительного разбавления серной кислоты водой имеет ряд существенных недостатков: ухудшается водный ба­ланс стадии фильтрации; локальные пересыщения раствора по сульфату кальция устраняются не полностью.

Непосредственное использование концентрированной серной кислоты (93%-й) для получения экстракционной фосфорной кис­лоты требует ее определенной подготовки к реакции.

В какой-то мере снижению вероятности блокирования зерен фосфата сульфатными пленками способствует упорядоченный ввод исходных реагентов в экстрактор. Например, серную кис­лоту и фосфат можно вводить в разные секции экстрактора или серную кислоту распределять одновременно в несколько секций экстрактора и т. п. Эти приемы способствуют снижению локаль­ных пересыщений раствора по сульфату кальция, уменьшают вероятность экранирования поверхности частиц фосфата суль­фатными пленками. Однако наиболее эффективными являются способы, предусматривающие предварительное смешение серной кислоты с рециркулирующей пульпой, раствором разбавления или смесью фосфорнокислых растворов [66].

Предварительное смешение серной кислоты с фосфорнокислыми раство­рами обеспечивает ее разбавление до концентрации 1,5—15%, способствует выделению фтористых соединений в газовую фазу, позволяет получать актив­ную затравку, столь необходимую для процесса кристаллизации сульфата кальция. Как правило, серную кислоту вводят непосредственно в поток пуль­пы до вакуум-испарителя или после него. Изучению метода предварительного смешения серной кислоты с раствором разбавления и рециркулирующей пульпой в опытных и промышленных условиях посвящено специальное ис­следование [68].

Исходную серную кислоту концентраций 75 и 93% H2S04 перед подачей в экстрактор смешивали в объемном смесителе в течение 0,5—3,5 мин с ре­циркулирующей пульпой и раствором разбавления. Процесс проводили при температуре пульпы в экстракторе 70—75 °С, концентрации жидкой фазы пульпы 29,0—30,5% Р205 и 28—35 г/л БОз и при содержании в пульпе 32— 38% твердой фазы. Кратность рециркуляции пульпы составляла 8—15. Смешение реагентов сопровождалось незначительным повышением темпера­туры реакционной массы (на 1—2 °С). Концентрация серной кислоты в жид­кой фазе пульпы после смешения составляла не более 5,5% H2SO4.

Предварительное смешение серной кислоты указанным спо­собом и «мокрая» подача апатита в экстрактор позволяют без снижения качественных показателей повысить удельный съем фосфогипса при фильтрации с 750—800 до 850—950 кг/(м2-ч). При этом удельный съем Р2О5 в экстракторе был в пределах 18,5—20,5 кг/(м3-ч).

Результаты опытных исследований с использованием фос­фатного сырья Каратау и Чилисая подтвердили эффективность предварительного смешения серной кислоты с раствором раз­бавления и рециркулирующей пульпой. Показано, что предвари­тельная подготовка серной кислоты увеличивает интенсивность процессов растворения фосфатов и кристаллизации сульфата кальция: удельный съем Р2О5 в экстракторе составил

14,4 кг/(м3-ч), удельный съем фосфогипса при фильтрации 655 кг/(м2-ч) вместо 11,8 кг/(м3-ч) и 550 кг/(м2-ч) соответ­ственно при подаче концентрированной серной кислоты в экст­рактор.

Эффективность предварительного смешения серной кислоты была подтверждена также при исследовании процессов раство­рения апатита и кристаллизации полугидрата сульфата кальция при температуре кипения фосфорнокислого раствора [68, 69]. Увеличение удельного съема Р205 в экстракторе до 120— 130 кг/(м3-ч) было достигнуто без снижения коэффициента выхода Р2О5 в кислоту. В этом процессе сульфат кальция имеет лучшие фильтрующие свойства в сравнении с полугидратом, по­лученным при подаче концентрированной серной кислоты в экс­трактор.

Кроме объемных смесителей для разбавления серной кисло­ты фосфорнокислыми растворами используют скоростные сме­сители. При этом достигается та же эффективность.

Организация двухзонного процесса растворения фосфата и кристаллизации сульфата кальция. Особенностью традиционных способов получения экстракционной фосфорной кислоты (полу-

гидратного и дигидратного) является соблюдение постоянного содержания сульфат-иона в различных зонах экстрактора: со­держание H2S04 в жидкой фазе пульпы для полугидратного процесса должно быть в пределах 1,0—1,5%, для дигидратно­го— 2,0—3,0%. При этом общий выход Р2О5 в продукционную фосфорную кислоту для полугидратного процесса составляет Двых = 95%, для дигидратного — 96%.

На базе результатов исследований скорости растворения фосфатов и кристаллизации сульфата кальция, изложенных вы­ше, в НИУИФ НПО «Минудобрения» разработан двухзонный (по сульфатному режиму) процесс получения экстракционной фосфорной кислоты [28, 66]. Сущность этого процесса заключа­ется в том, что разложение апатита и кристаллизацию сульфата кальция проводят в две стадии, на первой из которых поддер­живают пониженное содержание H2SO4 в жидкой фазе пульпы, а на второй — повышенное. Так, для двухзонного полугидратно­го процесса первая стадия протекает при содержании H2SO4 в жидкой фазе пульпы 0,2—1,0%, а вторая — при 2—4%; для двухзонного дигидратного процесса первая стадия — при 0,75— 1,2%. вторая — при 1,8—3,8 % •

Пониженное содержание серной кислоты в фосфорнокислом растворе на первой — основной стадии растворения, фосфата и кристаллизации сульфата кальция способствует максимальному извлечению Р205 фосфата в раствор и формированию однород­ных по размеру кристаллов сульфата кальция. Повышение кон­центрации серной кислоты в фосфорнокислом растворе на вто­рой стадии процесса способствует дополнительному извлечению Р205 в раствор, /(извл P2O5 в двухзонном полугидратном процессе повышается на 0,7—1,6% (абс.) и достигал 98,0—98,6%, что находится на уровне лучших показателей дигидратного процес­са, Дизвл р2о5 в двухзонном дигидратном процессе увеличивает­ся до 98,69%.

Повышение содержания H2SO4 в жидкой фазе пульпы на второй стадии двухзонного процесса приводит к резкому сокра­щению содержания растворенного сульфата кальция в кислоте. Процесс высаливания сульфата кальция протекает с достаточно высокой скоростью и заканчивается практически за 5—10 мин, а через 15—30 мин содержание СаО в фосфорнокислом растворе снижается с 0,7—1,2 до 0,15—0,30% и приближается к равно? весному.

Опытные и промышленные испытания, проведенные НПО «Минудобрения» совместно с Воскресенским ПО «Минудобре­ния», подтвердили эффективность двухзонных процессов полу­чения экстракционной фосфорной кислоты, что послужило осно-

ванием для широкого промышленного внедрения разработанного способа в промышленность.

Организация процесса сернофосфорнокислотного растворе­ния фосфата с использованием добавок азотной кислоты. Дефи­цит серосодержащего сырья и необходимость повышения степе­ни использования фосфатного сырья обусловливают поиск но­вых нетрадиционных путей совершенствования процессов получения экстракционной фосфорной кислоты.

Одним из таких путей является использование небольших добавок азотной кислоты при сернофосфорнокислотном раство - - рении фосфатного сырья. Естественно ожидать, что это повысит скорость растворения фосфата вследствие уменьшения вероят­ности экранирования зерен фосфата сульфатными пленками. Кроме того, добавка HNO3 положительно влияет на изменение растворимости сульфата кальция в фосфорнокислых растворах и расположение кривых метастабильного равновесия полугидра - та и дигидрата сульфата кальция.

Исследования растворимости полугидрата и дигидрата суль­фата кальция [50] в фосфорнокислых растворах, содержащих 30—45% Р2О5 и 1—6% HN03, показали, что их растворимость повышается с увеличением содержания HNO3 в растворе. При этом кривая метастабильного равновесия полугидрат — дигид­рат сульфата кальция смещается в область более низких тем­ператур. Эти данные свидетельствуют об улучшении условий кристаллизации сульфата кальция и о возможности осуществле­ния полугидратного процесса получения фосфорной кислоты при температуре пульпы 70—80 °С и концентрации Р2О5 в продук­ционной кислоте 35—45% [28].

Опытные исследования, выполненные НИУИФ НПО «Минудобрения» на установке производительностью »1 т/ч (по апатиту), показали, что добавка HN03 к фосфорнокислому раствору в количестве, обеспечивающем содержа­ние в жидкой фазе пульпы 2,4—4,5% НЫОз, для условий дигидратного про­цесса из апатита значительно увеличивает степень извлечения Р2О5 в раствор (до 99,0—99,8%) и повышает коэффициент отмывки фосфогипса до 98,9— 99,5%.

Повышение концентрации HN03 в жидкой фазе пульпы до 5,0—6,8% приводит к одновременной кристаллизации полугидрата и дигидрата суль­фата кальция. Процесс характеризуется высокой эффективностью: Ямзвл=

=98,6—99,8%, а Ко«=99,0%.

Кристаллизация полугидрата сульфата кальция происходила при кон - ' центрациях в фосфорнокислом растворе 33—35% Р2О5 и 4,25—6,60% HN03 и температуре пульпы 80—85 °С. Особенностью такого полугидратного про­цесса получения фосфорной кислоты является высокая степень растворения апатита (/Снавл=98,0—98,9%) в сочетании с хорошей кристаллизацией полу - гидрата сульфата кальция (КоТм=99,1—99,5%) при удельном съеме сухого 'J осадка, достигающем 1000 кг/(м2-ч).

Повышение концентрации фосфорной кислоты до 35—37% Р2О5 и неко - . торое снижение содержания в ней HN03 (до 2,0—3,0%) практически не 0 приводит к ухудшению технологических показателей интенсивного полугид - ^ ратного процесса.

Эффективность использования небольших добавок HN03 к фосфорно­кислому раствору в процессе получения экстракционной фосфорной кислоты подтверждена результатами опытных и промышленных исследований дигид- ратного процесса из фосфоритного сырья Каратау.

Показано, что добавка к фосфорнокислому раствору, содержащему 20— 22% Р2О5, 1—2% S03 при температуре 75—ЬО °С, азотной кислоты из рас­чета содержания ее в жидкой фазе пульпы только 0,2—0,3% позволяет повысить использование фосфатного сырья (Квых) на 1,5—2,0% (абс.).

Организация интенсивного перемешивания. Как уже отмеча­лось, процесс растворения природного фосфата лимитируется диффузионным переносом массы растворителя к поверхности реакции и диффузионным отводом массы растворенного вещест­ва в раствор.

Интенсификация диффузионных процессов во многом опреде­ляется гидродинамическими условиями обтекания частиц фос­фата фосфорнокислым раствором, т. е. режимом перемешивания пульпы.

Особенности организации двухзонного процесса получения экстракционной фосфорной кислоты требуют разделения реак­ционного объема экстрактора на две зоны, различающиеся ре­жимом перемешивания: интенсивное перемешивание и высокая внутренняя циркуляция пульпы в основной зоне растворения фосфата и кристаллизации сульфата кальция и умеренное пере­мешивание в режиме, близком к идеальному вытеснению, — в зоне дозревания пульпы. Для решения вопросов организации необходимых режимов перемешивания фосфорнокислых пульп в производстве экстракционной фосфорной кислоты рассмотрим основные типы экстракторов, эксплуатируемых в промышлен­ности.

Развитие отечественного реакционного оборудования для производства экстракционной фосфорной кислоты происходило по пути создания много - мешальных экстракторов.

В 1974 г. НИИхиммашем разработана конструкция двухреакторного экстрактора емкостью 1100 м3 (рис. 2-16) для системы производства фос­форной кислоты из апатитового концентрата мощностью 360 т/сут (по Р2О5).

РИС. 2-16. Двухреакторный экстрактор НИИхиммаш объемом 850—1100 м3: / — корпус первого реактора; 2 — периферийные двухъярусные мешалки; 3 — центральные мешалки; 4 — диффузоры; 5 —переток; 6 — корпус второго реактора

РИС. 2-17. Прямоугольный секционированный экстрактор фирмы «Speichim» объемом 740 м3: 1—10— секции экстрактора с перемешивающими устройствами; 11 — вакуум-испаритель

Экстрактор состоит из двух цилиндрических многомешальных реакторов равного объема. В каждом реакторе установлены: одна центральная пропел­лерная мешалка (в диффузоре) и восемь двухъярусных турбинных переме­шивающих устройств (по периферии). Серную и оборотную фосфорную кис­лоту подают в первый реактор под одну из периферийных мешалок, фосфат­ное сырье также поступает в первый реактор, в зону действия центральной мешалки. Фосфорнокислая пульпа по перетоку поступает во второй реактор, откуда погружными насосами ее подают на охлаждение в вакуум-испаритель. Основную часть охлажденной пульпы возвращают в первый реактор в виде рециркулирующей пульпы, а другую, меньшую, подают на карусельный ва­куум-фильтр.

: Начиная с 1978 г. широко внедряется модифицированная конструкция описанного экстрактора: футерованный двухреакторный экстрактор, укомп­лектован трехлопастными пропеллерными мешалками с приводом через кли­ноременную передачу.

В настоящее время на многих предприятиях СССР эксплуатируются однореакторные секционированные экстракторы прямоугольной формы с во­семью квадратными секциями (рис. 2-17). Железобетонные футерованные секции экстрактора снабжены двухярусными турбинными мешалками и сое­динены последовательно нижними и верхними перетоками.

Исходные реагенты (фосфатное сырье, серная кислота и оборотная фос­форная кислоты) подают в головные секции экстрактора 1 к 2. Фосфорно­кислая пульпа через систему перетоков проходит все секции экстрактора и поступает во вспомогательные секции 9 и 10. В секции 9 установлены по­гружные насосы, подающие пульпу на охлаждение в вакуум-испаритель, откуда она через секцию 10 возвращается в первую секцию экстрактора в виде рециркулирующей пульпы. В секции 10 установлены мешалка неболь­шой мощности и погружной насос, подающий охлажденную пульпу на кару­сельный вакуум-фильтр. Рабочий объем этого экстрактора составляет 740 м3, а общая мощность приводов перемешивающих устройств и погружных насо­сов достигает 1000 кВт. >

Описанные конструкции экстракторов имеют наибольшее распространение, хотя известны и другие конструкции [67, 70].

Анализ конструкций существующих экстракторов и режимов перемешивания фосфорнокислых пульп показал, что они имеют ряд существенных недостатков:

ни в двухреакторном, ни в прямоугольном секционированном экстракторах не выделены зоны интенсивного перемешивания пульпы с целью оптимизации условий растворения природного фосфата и кристаллизации сульфата кальция; не выделены так­же зоны дозревания пульпы, для которых требуется менее ин­тенсивное перемешивание;

экстракторы не снабжены системами подготовки исходных реагентов к реакции;

отсутствие направленной внутренней циркуляции пульпы в многомешальном двухреакторном экстракторе не исключает вероятности проскока нерастворенных частиц фосфата с пуль­пой, подаваемой на вакуум-фильтр.

Для устранения перечисленных недостатков необходимо усо­вершенствование конструкций многомешальных экстракторов с целью проведения в них интенсивных технологических процес­сов получения экстракционной фосфорной кислоты как из апа­титового концентрата, так и из фосфоритов Каратау.

Разделение экстрактора на зоны интенсивного перемешива­ния пульпы и зону дозревания с режимом перемешивания, близ­ким к идеальному вытеснению, требует принципиально иной организации гидродинамических потоков в этих сложных аппа­ратах.

Характерным примером реактора с интенсивным перемешиванием может служить реактор разложения в процессе «Rhone — Poulenc», представляющий собой цилиндрическую емкость объемом 900—1250 м3 (в зависимости от мощности установки), перемешивание пульпы в которой осуществляется одной мешалкой пропеллерного типа (рис. 2-18). Вращение мешалки обес­печивается специальным приводом с электродвигателем мощностью 400— 900 кВт, удельный расход мощности на перемешивание относительно мал и составляет 0,45—0,67 кВт/м3 пульпы.

Интенсивное перемешивание пульпы в реакторе разложения обеспечи­вает высокую кратность циркуляции пульпы — в диапазоне 30—40. Из реак­тора разложения пульпа перетекает в дозреватель, рабочий объем которого составляет 20% объема основного реактора.

Экстрактор фирмы «Jacobs — Dorr» состоит из двух цилиндров: наруж­ного и внутреннего, причем объем наружного цилиндра в 8—16 раз больше объема внутреннего (рис. 2-19). Экстрактор оборудован одной центральной и восемью периферийными мешалками. Охлаждение пульпы происходит в вакуум-испарителе, из которого пульпа поступает в кольцевую зону экстрак­тора. Пройдя кольцевую зону, пульпа через верхний переток поступает в центральную цилиндрическую зону экстрактора, откуда ее двумя насосами подают в вакуум-испаритель, что обеспечивает высокую кратность циркуля­ции пульпы, равную 15—18. Из центральной зоны — дозревателя пульпу на­правляют на фильтр (для отбора продукционной фосфорной кислоты и вы­вода осадка сульфата кальция).

Фосфатное сырье в виде водной суспензии (65—69%-й) подают под пер­вые три мешалки (по ходу движения охлажденной пульпа) кольцевой зоны экстрактора. Серную кислоту концентрацией 98% H2SO4 вводят в две точки вблизи мешалок, расположенных после зоны подачи фосфата по ходу дви-

жения пульпы. Экстрактор фирмы «Jacobs — Dorr» отличается высокой ин­тенсивностью перемешивания, что позволяет сократить время пребывания пульпы в экстракторе с 3,5—4,0 до 2,1—2,5 ч, повысить производительность установки примерно в 1,5 раза и на 35% снизить затраты энергии на полу­чение 1 т Р2О5 в продукционной фосфорной кислоте.

Учитывая особенности конструкции отечественных цилиндрических мно- гомешальных экстракторов и необходимость интенсификации перемешивания фосфорнокислых пульп, НИУИФ и НИИхиммаш разработали несколько ва­риантов их модернизации, один из которых изображен на рис. 2-20. Двух­реакторный экстрактор с уменьшенным (на 4 шт.) числом перемешивающих устройств рассчитан для системы экстракционной фосфорной кислоты боль­шой единичной мощности—1000 т Р2О5 в сутки при переработке апатитового концентрата.

В каждом реакторе установлено по одной цилиндрической и одной ради­альной перегородке. Цилиндрическая перегородка первого реактора снабжена верхним и нижним перетоками, оборудованными по обе стороны радиальной перегородки; цилиндрическая перегородка второго реактора имеет один пе­реток, установленный вблизи радиальной перегородки. Секция первого реак­тора, образованная цилиндрической перегородкой, снабжена винтовой ме­шалкой-нагнетателем, предназначенной для обеспечения интенсивной внут­ренней циркуляции пульпы в объеме первого реактора. В периферийной зоне первого реактора установлено 6 перемешивающих устройств (вместо 8 в прежней конструкции экстрактора). Во втором реакторе, включая централь­ную секцию, расположены турбинные мешалки, основное назначение кото­рых — предотвратить осаждение твердой фазы. В центральной секции второго реактора установлены погружные насосы, обеспечивающие подачу пульпы на вакуум-фильтр.

Пульпу природного фосфата вводят в центральную секцию первого ре­актора. Серную кислоту в смеси с оборотной фосфорной кислотой распреде­ляют между первым и вторым реакторами в соотношении, обеспечивающем двухзонный сульфатный режим процесса. Отвод тепла реакции в первом и

РИС. 2-18. Экстрактор с воздушным охлаждением пульпы фирмы «Rhone — Poulenc»: 1, 4 — корпуса реакторов I и II ступеней; 2 — перемешивающие устройства; 3 — разбрызгиватели пульпы; 5 — погружной насос

РИС. 2-19. Экстрактор фирмы «Jacobs—Dorr»:

1, 4 — корпуса реакторов I и II ступеней; 2, 5 — перемешивающие устройства реакторов I и II ступеней; 3 — вакуум-испаритель

РИС. 2-20. Модернизированный двухреакторный экстрактор НИУИФ—НИИхиммаш: 1, 8 — корпуса реакторов I и II ступеней; 2, 9 — периферийные перемешивающие устройства реакторов I и II ступеней; 3, 10 — центральные перемешивающие устройства реакторов I и II ступеней; 4 — смеситель; 5 — перегородки; 6 — охладитель пульпы; 7 — переток

втором реакторах осуществляется воздухом во встроенных или выносных интенсивных тепломассообменных аппаратах.

Таким образом, в экстракторе усовершенствованной конст­рукции первый реактор обеспечивает интенсификацию процес­сов разложения фосфата и кристаллизации сульфата кальция в режиме полного перемешивания реакционной массы, а второй реактор предназначен для доизвлечения Р2О5 в раствор из не - доразложившейся части фосфата и доосаждения сульфата каль­ция в режиме вытеснения, что исключает вероятность проскока нерастворенных зерен фосфата.

Экстрактор новой конструкции может быть использован как для создания новых производств экстракционной фосфорной кислоты, так и при реконструкции действующих установок.

Расчет основных гидродинамических параметров перемешивания фосфор­нокислых пульп. При перемешивании жидкости в реакторах с мешалками образуются две зоны вращения жидкости [71, 72].

Характер движения жидкости в первой зоне радиусом R0 (рис. 2-21) является вихревым, причем жидкость вращается с постоянной угловой ско­ростью. Во второй зоне (потенциального течения) скорость движения жид­кости уменьшается с увеличением радиуса по гиперболической зависимости. Радиус вихревой зоны Ro ограничивает область перемешивания, соответст­вующую максимальному значению окружных скоростей жидкости в реакторе. Радиус Ro не зависит от частоты вращения мешалки, от ее расположения по высоте и служит одним из определяющих параметров при проектировании реакторов большой емкости для маловязких жидкостей и пульп. В основе гидродинамического расчета перемешивания лежит определение условий адекватности требуемых параметров модели и промышленного реактора [73].

Для расчета Яо может быть рекомендована упрощенная зависимость вида [74]:

Ro=Яр [0,66 — 0,54 (1 — RJRP) ], (2.27)

где Яр — радиус реактора; Ял — радиус лопастей мешалки.

Формула (2.27) справедлива в широком диапазоне значений Ял/Яр= =0,3—0,99 при перемешивании жидкостей вязкостью до 50 мПа-с.

Для расчета турбинных мешалок открытого типа в секциях квадратного сечения можно применять зависимость [75]

Яо*=Яо/£ь (2.28)

где Яо — радиус вихревой зоны по уравнению (2.27); 1гх — коэффициент, учитывающий форму реактора. Для реакторов прямоугольного сечения 1,2<6і 5^1,8 в зависимости от мощности, затрачиваемой на перемешивание.

Частота вращения потока жидкости определяется следующим образом:

' ' сої =Лсо (Sx/S3) t(р. в/рж)"(Яэ/Яр)'’, (2.29)

где со—частота вращения радиально-турбинной мешалки, мин-1; S*= ——/і(Ял—Ri)irit — рабочая поверхность лопастей мешалок, м2 (ft— высота лопасти мешалки, м; Ял — радиус лопастной мешалки, м; Яі — внутренний радиус лопасти турбинной мешалки, м; і — число ярусов на валу перемеши­вающего устройства; т— количество лопастей в одном ярусе); S»= =2Ял(Ял—Яі)—эталонная поверхность мешалки, м2, при /=1, т=2; —

вязкость воды при 20 °С, мПа-с; р. ж — вязкость перемешиваемой жидкости, пульпы, мПа-с; Яэ=0,12 м — радиус эталонного реактора, м; Яр — радиус реактора, м; A, f, Ъ, р — коэффициенты.

Окружные скорости потока фосфорнокислой пульпы в промышленных реакторах объемом 740 м3 при Ял/Яр=0,33—0,6 были определены экспери­ментально [75] и составляют 0,25—0,5 м/с. С учетом этих исследований по­лучена зависимость

m1 = 0,9co(Sx/S3)'|.*«(hb/h*)0-12. (2.30)

Для многомешальных реакторов, безусловно, важно осуществление пере­мешивания пульпы во всем рабочем объеме. При этом необходимо знать диаметр эффективного перемешивания мешалки, т. е. диаметр области, на внешних границах которой скорость потока пульпы равна предельной скоро­сти vn, при которой не размывается гарнисаж на стенках реактора и пред­отвращается зарастание реакционного объема.

Для расчета диаметра эффективного перемешивания D, получена сле­дующая зависимость [76]:

£>э=2со1(Яок)2/ип. (2.31)

Для фосфорнокислых пульп установлена экспериментальная зависимость между предельными скоростями потока vn и размером частиц гарнисажа d4 при различных высотах циркуляционного контура (рис. 2-22). Высота циркуляционного контура Лц определяется как разность Лд=Яр—Яок.

РИС. 2-21. Циркуляционные контуры (щ) и вихревая зона (область, ограниченная радиусом Яо) при перемешивании пульпы в промышленном экстракторе (Ял — радиус лопасти мешалки)

РИС. 2-22. Зависимость предельно допустимой скорости потока пульпы »„ от диаметра частиц d4 гарнисажа для различных высот циркуляционного контура Лц

Частоту вращения мешалки в экстракторе определяют по уравнению [75]