專利名稱：從溶液中沉淀出結垢物質的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于沉淀出溶解于溶液中的結垢物質的設備和方法。
在回收某些金屬的過程中，例如從礦石中回收銅和鎳時，采用氨-二氧化碳浸出方法將金屬氧化物或碳酸鹽從脈石中分離出來。在從廢料中回收金屬例如從印刷電路板上回收銅時，使用一種類似的方法作為其中的一道工序。
通常，利用蒸餾將這些金屬氧化物或碳酸鹽從氨浸提液中分離出來。但是，這樣一來產生了嚴重的維修和操作方面的困難，因為從溶液中沉淀出的金屬氧化物和/或碳酸鹽通常是可以形成積垢的，它們常常沉積結垢堆積在蒸餾裝置的內表面上。因此，在其它連續蒸餾方法中使用的填料塔、篩板塔、泡罩塔及類似的設備通常在這里不能適用，因為形成積垢的洞淀物最終將引起堵塞，需要停機除垢。
人們已經進行了多方面的努力以使這個結垢問題減小到最低程度，例如增加機械刮板，提供某種攪拌，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動蒸汽攪拌的釜。雖然這些方法取得了一定的效果，但大多數仍會產生一定的積垢，這些積垢最終必須去除掉。
1978年8月28日在加拿大蒙特利爾召開的加拿大采礦學會治金學家會議(CIMConferenceofMetallurgists)上，有人提交了一篇題為“StrippingWithSimultaneousSolidsGenerationUsingTurbulentBedContactor”的論文，該論文提出了另外一種方法，使用所謂端動床接觸器從含有碳酸鎳的氨溶液中洗提氨。塔中的每一塔盤都包含一層塑料球，這些塑料球夾在沿垂直方向間隔排列的許多支撐格柵之間。與液流成反方向通過這些層的氣體引起球的湍動。使固體顆粒在這些球、格柵及塔的內壁上的沉積減至最小程度。但是，這種方法需要有外部蒸汽源來使這些球產生必要的湍動。
含有滾動介質的轉鼓已被用于蒸餾各種液體以及用來作為液體反應器。在美國專利1814249、2098054、2174008、2511742和2735807中公開了這些已有用途的例子。這些專利都不曾公開過按照本申請人的發明配置和操作的蒸餾裝置，即從溶液中沉淀出結垢物質，并使結垢堆積保持在最低程度，同時增加每單位熱量的沉淀程度以及不需要外部蒸汽等。
本發明的主要目的之一，是提供一種簡化的設備和方法，用于從溶液中沉淀出結垢物質同時使結垢沉積減小到最低程度。
本發明的主要目的之二，是提供這樣的設備和方法，其中，設備和/或操作條件可以很方便地進行調整以便用于從溶液中沉淀出或結晶出各種不同的結垢物質。
本發明的主要目的之三，是提供這樣的設備和方法，其中，溶液是在一個從外部加熱的蒸餾室中被蒸餾，從蒸餾室向溶液傳熱的速率高于以往方法的傳熱率。
本發明的主要目的之四，是提供這樣的設備和方法，其中，在蒸餾過程中不需引入外部蒸汽。
本專業領域的技術人員讀了下面的詳細說明，附圖及權利要求之后，將很容易了解本發明的其它目的、其它方面和優點。
本發明所提供的設備包括一個長的園筒狀蒸餾鼓或蒸餾室，該蒸餾鼓安裝成圍繞一個通常是水平的軸旋轉;許多沿軸向間隔排列的擋板，這些擋板從蒸餾室內壁向里沿徑向伸出;配置在各間隔室中的由各個單體組成的滾動介質，該滾動介質對于溶液和所處理的形成結垢的沉淀物是惰性的并且隨著蒸餾室的轉動而彼此相互摩擦、與蒸餾室的內壁摩擦、以及與擋板的兩側摩擦;由外部加熱蒸餾室的裝置;以及用于使蒸餾室旋轉的裝置。
相對于溶液和滾動介質而言蒸餾室以非離心速度旋轉，與此同時，溶液被連續導入蒸餾室的入口端并被加熱至其沸點以上的溫度，以便在溶液流過各擋板向蒸餾室的出口端流動時使揮發性物質蒸發并使形成結垢的物質從溶液中沉淀折出。滾動介質產生研磨或洗刷作用，使結垢物質的沉積減少到最低程度。含有結垢沉淀物的漿液連續從蒸餾室的出口端排出，被蒸發的氣體連續從蒸餾室的入口端排出。
在本發明的一個優先選用的實施方案中，至少有一部分擋板的徑向高度沿著從入口到出口的方向逐漸降低，并且各間隔室中的滾動介質的高度低于各擋板的徑向高度，以使溶液漫過擋板從一個間隔室流到下一個間隔室，用這方法防止逆向混合。
圖1是本發明的蒸餾設備的部份側視圖和用于實施本發明方法的輔助設備的圖示。
圖2是沿圖1中2-2線切取的蒸餾裝置的端面視圖。
圖3是圖1的蒸餾裝置的剖面圖，圖中表示出盛有氨浸提液的蒸餾室。
圖4是沿圖3中4-4線截取的剖面圖。
圖5是沿圖3中5-5線截取的剖面圖。
本發明所提供的蒸餾設備及方法，特別適用于在結垢和污垢阻塞可能帶來嚴重的維修和操作困難的條件下從氨浸提液中回收金屬氧化物和碳酸鹽。因此，下文中將結合從氨浸提液中回收氧化銅對其加以說明。不過，這一設備和方法也可以用于許多其它需要防止結垢的沉淀或結晶系統中。
參看附圖，本發明的蒸餾設備(10)包括一個通常是園筒形的固定的外層殼體(12)，它水平支撐在許多個沿軸向間隔排列的支撐腿(14)上。此外，還包括一個通常是園筒形的蒸餾室或蒸餾鼓(16)，它延伸穿過外殼(12)并被安裝成圍繞一個通常是水平的軸(18)共軸旋轉。外殼(12)起到蒸餾鼓(16)的絕熱夾套的作用。在蒸餾鼓中，含有被萃取的銅的氨浸提液被加熱以分離出氨、二氧化碳和水并沉淀出氧化銅。其詳細情況將在下面敘述。
外殼(12)具有一個通常為園筒形的外殼組件(20)，它包括許多帶有法蘭的上半園筒(22)和下半園筒(24)，通過螺栓(圖中未示出)等適當地緊固在一起。這外殼組件(20)還有端板(26)和(28)，上面帶有一個中心孔，蒸餾鼓(16)穿過該中心孔。上、下殼體件(22)和(24)的內部襯有2層或2層以上的保溫絕熱耐火材料(30)、(32)，端板(26)和(28)襯有絕熱耐火材料(33)。
利用由阻擋材料例如1吋的陶瓷層制成的沿垂直方向延伸的隔板(44)將外殼(12)的內部分成許多個加熱室(34)(36)(38)(40)和(42)。使用多個安裝在殼體組件(20)底部的煤氣燃燒器(46)加熱蒸餾鼓(16)的外部。加熱室(34)(36)(38)(40)和(42)的配置使每一個燃燒器(46)加熱蒸餾鼓(16)上一個合理確定的區域，并且除第一個加熱室(34)外，所有的加熱室都包含有2個燃燒器(46)。
參看圖4，燃燒器的火焰向上成一定角度指向蒸餾鼓(16)的外表面，廢氣按圖中箭頭(48)所指的方向環行通過各個加熱室。每個燃燒器的燃燒廢氣通過矩形排氣口(50)排出，進入排氣管(52)。水平方向伸出的由阻擋材料制成的支板(54)可以是與垂直隔板(44)同樣的材料，它把每個加熱室的上半部和下半部分隔開。由絕熱耐火材料制成的沿徑向伸出的凸緣(56)與蒸餾鼓(16)的外表面間隔很小距離，它阻止了廢氣的循環。
采用上述配置，如果需要的話，通過簡便地調節到各燃燒器(46)的煤氣和空氣流，可以改變沿蒸餾鼓(46)長度方向的加熱速率。在蒸餾鼓(16)的外表面上可以安裝一些葉片，以增加傳熱。
蒸餾鼓(16)的進口端(58)和出口端(60)，分別被端板(62)和(64)所封閉，并帶有沿徑向伸出的法蘭盤(66)和(68)。該法蘭盤旋轉支撐在一對滾柱軸承(70)上，如圖2和圖4所示。蒸餾鼓(16)被電機(72)驅動沿反時針方向轉動，在蒸餾鼓(16)的出口端(60)安裝有鏈輪(76)，電機驅動鏈條(74)進而拖動鏈輪旋轉。
蒸餾鼓(16)含有多個環狀的擋板(80)，它們沿軸向以均勻的間隔排列，并從蒸餾鼓(16)的內壁(82)沿徑向向里伸出，從而確定了多個(例如10個)間隔室(84)、(86)、(88)、(90)、(92)、(94)、(96)、(98)、(100)和(102)。通常，相鄰的擋板(80)之間的間距最好與燃燒器(46)的加熱區相一致。如圖5中所示，在蒸餾鼓(16)的內壁(80)上可固定地安裝有保持環(106)，利用螺栓或類似的連接件將各擋板可拆卸地安裝在保持環上。這樣，在需要的時候可以使用不同徑向高度的擋板。具體情況將在下文中詳細敘述。
含有銅的氨浸提液(108)，在壓力下通過泵(110)和管道(112)連續導入蒸餾鼓(16)的第一間隔室(84)。作為一個建議，這個壓力可以是大約10至大約15磅/平方吋(表壓)。管道(112)有一個出口(114)，它延伸穿過入口板(62)和安裝在入口端板(62)上的旋轉密封裝置(116)。浸提液(108)保持在壓力下以便確保從溶液中沉淀出的是氧化銅而不是碳酸銅。
在溶液流過各個擋板(80)向轉動中的蒸餾鼓(16)的出口端(60)流去時，燃燒器(46)將溶液加熱至它在該壓力下的沸點以上的溫度。作為一個建議，這一溫度一般在大約200°至2250°F的范圍內。由于氨、二氧化碳和水蒸發，溶液濃縮，氧化銅從溶液(108)中沉淀析出。
含有氧化銅沉淀物的濃縮漿液(118)，由蒸餾鼓(16)的最末一個間隔室即回收間隔室(102)經過泵(120)和管道(122)連續排出。管道(122)有一個入口(124)，它延伸穿過出口端板(64)和安裝在出口端板(64)上的旋轉密封裝置(126)。
在蒸餾鼓(16)中形成的蒸發氣體(NH3、CO2和水蒸汽)，由蒸餾鼓(16)的入口端(58)經過延伸穿過旋轉密封裝置(116)的管道(128)排出。這些氣體可以在冷凝器(130)中冷凝，在浸出工藝過程中重復使用。這樣，蒸發氣體是與溶液成反方向流動的。可以通過兩個延伸通過旋轉密封件(126)的小管道(132)和(134)，向蒸餾鼓(16)的出口端(60)中導入少量的空氣。
從蒸餾鼓(16)中排出的漿液(118)，按規定路線送至一個用于固液分離的適當裝置(136)，例如一臺過濾器或離心機，以回收氧化銅。
在各間隔室(84)、(86)、(88)、(90);(92)，(94)、(96)、(98)和(100)中配備有滾動介質(140)，該介質由許多單體組成。在蒸餾鼓(16)旋轉的過程中，這些單體彼此相互摩擦、與蒸餾鼓(16)的內壁(82)摩擦、并與擋板(80)的兩側摩擦，從而提供了研磨作用或洗刷作用，防止沉淀的氧化銅沉積結垢。滾動介質(140)還為氧化銅沉淀物的形核提供了一些表面，并且在溶液(108)中，由于它的滾動作用而產生的湍流提高了由蒸餾鼓的壁(82)向溶液的傳熱速率。最末一個間隔室即回收間隔室(102)最好不含有滾動介質。
滾動介質是由對于溶液和結垢的沉淀物為惰性的材料如鋼或陶瓷制成，這種材料最好是比蒸餾鼓(16)和擋板(80)的材料稍軟些，以使磨損減至最低程度。
只要能產生所需要的洗刷作用，滾動介質(140)可以具有各種不同的外表面形狀。應當避免凹入或中凹的表面，這些表面無法與其它單體相摩擦，為潛在的沉積結垢提供了場所。因此，滾動介質(140)的外表面的主要部份應當是凸面的，以便在蒸餾鼓(16)旋轉過程中促進隨機的轉動或滾動。滾動介質(140)最好是園球形的，這些球相對于擋板(80)之間的間距來說應當是比較小的，以確保產生良好的洗刷作用，為此，最好是使用不同大小的球的混合物。作為一個建議，這些球的直徑范圍可以從約1/8吋直至11/2吋。
為了產生所需要的洗刷或研磨作用，相對于溶液和滾動介質而言，蒸餾鼓(16)以非離心速度旋轉，即以低于滾動介質(140)和/或溶液(108)被保持在蒸餾鼓(16)的內壁(82)上的速度旋轉。作為一個建議，對于長30呎，內徑4呎左右的蒸餾鼓，旋轉速度通常約為10-20轉/分。通過改變滾動介質數量、組成、大小和硬度以及蒸餾鼓的轉速，滾動介質(140)可以用來將結垢的沉淀物研磨至予定尺寸。
擋板(80)可以用來在溶液流動通過蒸餾鼓(16)時防止其逆向混合。在圖示說明的優先選用的實施方案中，各間隔室(84)、(86)、(88)、(90)、(92)、(94)、(96)、(98)和(100)中的滾動介質(140)低于各個擋板(80)的徑向高度。并且，至少在蒸餾鼓的后半部份中，擋板(80)的徑向高度在向著出口端(60)的方向上逐步降低。這樣的結構配置。使逆向混合減少到最低程度，但卻使擋板(80)的邊緣上產生一定的沉積結垢。結垢的程度取決于滾動介質(140)的高度與擋板(80)的徑向高度的相對值。
通常，沉淀主要發生在蒸餾鼓(16)的前半段，揮發性物質的蒸發基本上發生在后半段。因此，在圖示說明的特定結構中，在逆向混合無關緊要的蒸餾鼓(16)前半段的擋板(80)。徑向高度均勻并且低于將間隔室(94)和(96)分隔開的擋板的徑向高度。在蒸餾鼓(16)的后半段中，逆向混合事關重要，在這部份的擋板(80)的徑向高度逐漸減低。溶液流過各擋板，從一個室流向下一個室。如果需要的話，擋板(80)的徑向高度可以沿蒸餾鼓(16)的整個長度逐步降低，以使溶液流過擋板從每個室流到下一個室。
如圖所示，每一間隔室中滾動介質(140)的高度最好低于相應擋板的高度。它也可以高于擋板(80)的徑向高度，以防止在擋板的邊緣上結垢。但是，這使得有可能發生某種程度的逆向混合，在某些情況下，逆向混合可能比消除結垢的優點更為重要。以偏離水平約5°的小角度，使旋轉軸在從入口端向出口端的方向上向下傾斜，可以控制沿蒸餾鼓(16)的長度上滾動介質(140)的高度及溶液(108)的深度。可以改變擋板(80)的徑向高度來調節溶液在蒸餾鼓中的保持時間。通過簡單地除去一組可拆卸地安裝的擋板，代之以另一組具有所要求的徑向高度的擋板，可以完成這一調節。
可以使用煤氣燃燒器以外的其它熱源，例如電阻加熱器或蒸汽套。使用適當的外殼及在蒸餾鼓(16)的進口和出口端使用適當的旋轉密封裝置，這套設備可以在真空條件下或在上述壓力下運行。
從以上所述可以看到，本發明所提供的蒸餾設備和方法具有若干優點。由于滾動介質所提供的形核位置及沖刷作用，可以有效地從溶液中沉淀出或結晶出各種各樣的結垢物質，同時幾乎不形成積垢或者完全不結垢。滾動介質的湍流作用提高了每單位熱量的沉淀析出程度。本發明的方法不需要在某些已有系統中使用的外部液體例如蒸汽，它會破壞水的平衡。通過調節滾動介質的數量、組成、大小和硬度以及蒸餾鼓的轉速，可以很方便地將沉淀物研磨至予定的粒度。
無須進一步詳細敘述便可以相信，本專業領域的技術人員根據以上所述即可以充份地應用本發明。下面的實施例意在舉例說明本發明的最佳實施方案，它們不應當被解釋為對本發明的限定。
實施例下列工藝參數，對于由用于從廢料例如印刷電路板上提取銅的氨浸提液中回收氧化銅是十分典型的。
蒸餾鼓的尺寸長度(呎)30內徑(呎)4蒸餾鼓的操作溫度(oF)200-250壓力(磅/平方英寸)(表壓)10-15轉速(轉/分)14滾動介質鋼球與陶瓷球混合物，直徑1/8吋和11/2吋。
供入的溶液(管道112)加料速度(加侖/分)10.25成份(重量%)NH36.0CO24.0Cu++5.5水84.5排出的漿液(管道122)排出速度(加侖/分)5成份(重量%)NH30.5
CO20.3Cu++0.5Cuo5.0水93.7排出蒸汽(管道(128)流量(磅/小時)2559壓力(磅/平方英寸)(表壓)10(最大)成份(摩爾%)NH311.4CO27.6水81.0根據以上所述的內容，本專業領域的技術人員可以很容易確定本發明的基本特點，并且可以不脫離本發明的精神和范圍，作出各種變化或改型以使之適合于各種不同的用途。
權利要求
1.一種用于從溶液中沉淀出溶解的結垢物質的方法，包括以下步驟(a)提供一個長園筒狀的蒸餾室，該蒸餾室被安裝成圍繞一個通常是水平的軸旋轉，并帶有多個沿軸向間隔排列的環狀擋板，這些擋板由上述蒸餾室的內壁向里沿徑向伸出，確定了多個間隔室；(b)在各間隔室中配置滾動介質，滾動介質由單個物體組成，它們對于溶液和結垢物質是惰性的，并且隨著蒸餾室的旋轉彼此互相摩擦、與蒸餾室的內壁摩擦、以及與擋板兩側摩擦；(c)使蒸餾室以相對于溶液和滾動介質的非離心速度旋轉；(d)連續向蒸餾室的入口端導入足量的溶液，以使之流過各擋板向對面的蒸餾室出口端流動；(e)在溶液流動通過蒸餾室時，將蒸餾室中的溶液加熱至其沸點以上，以使揮發性物質蒸發并使結垢物質從溶液中沉淀析出；(f)從蒸餾室的入口端連續地排出從溶液中蒸發的氣體；(g)從蒸餾室的出口端連續地排出含有沉淀出的結垢物質的漿液。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，在各間隔室中的滾動介質的高度低于相應的擋板的徑向高度，并且，至少部份擋板的徑向高度在從蒸餾室的入口端向出口端的方向上逐漸降低，以使溶液流過上述擋板從一個間隔室流到下一個間隔室。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，所說的滾動介質是園球形。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，所述的溶液是含有銅、氨和二氧化碳的含水的氨浸提液，蒸餾室被加熱至約200°至約250°F的溫度并保持在約10至15磅/平方吋(表壓)的壓力下，從蒸餾室的入口端排出的氣體含有氨、二氧化碳和水蒸汽，從蒸餾室的出口端排出的漿液含有氧化銅。
5.根據權利要求4所述的方法，包括以下步驟(h)從由蒸餾室出口端排出的漿液中分離氧化銅。
6.一種用于從溶液中沉淀出溶解的結垢物質的設備，該設備包括一個長園筒形蒸餾室，它被安裝成圍繞一個通常是水平的軸旋轉并且包含多個沿軸向間隔排列的環形擋板，這些擋板由上述蒸餾室的內壁向里沿徑向伸出，確定了多個間隔室;在上述各間隔室中配置滾動介質，該介質由單個物體組成，它們對于溶液和結垢物質是惰性的，并且隨著蒸餾室的旋轉彼此相互摩擦、與蒸餾室內壁摩擦、并與擋板的兩側摩擦，以防止在它們上面結垢;用于使上述蒸餾室旋轉的裝置;用于將溶液連續導入上述蒸餾室的入口端以使其向對面的蒸餾室出口端流動的裝置;用于從外部加熱上述蒸餾室使其中的溶液溫度提高到其沸點以上的裝置;用于從上述蒸餾室的入口端連續排出由溶液中蒸發的蒸汽的裝置;用于從上述蒸餾室的出口端連續排出含有沉淀出的結垢物質的漿液的裝置。
7.根據權利要求6所述的設備，其中，上述各間隔室中的滾動介質的高度低于相應擋板的徑向高度。
8.根據權利要求6所述的設備，其中，上述蒸餾室中的滾動介質的高度高于至少某些擋板的徑向高度。
9.根據權利要求6所述的設備，其中，至少某些擋板的徑向高度在從上述蒸餾室的入口端到出口端的方向上逐漸降低。
10.根據權利要求6所述的設備，其中，上述蒸餾室的旋轉軸沿著從其入口端向出口端的方向稍向下傾斜;上述擋板的徑向高度大體上是均勻的。
11.根據權利要求6所述的設備，其中，用以制成所述滾動介質單體的材料比蒸餾室和擋板的材料要軟，以使磨損減小到最低程度。
12.根據權利要求6所述的設備，其中，所述的滾動介質是園球形。
全文摘要
在一個從外部加熱的，被安裝成圍繞一個通常量水平的軸旋轉的蒸餾室中蒸餾氨浸提液，用這一方法可以以最小程度的積垢從氨浸提液中沉淀出結垢的金屬氧化物和碳酸鹽，例如氧化銅。該蒸餾室包括多個沿軸間間隔排列的環狀擋板，這些擋板確定了多個含有滾動介質如圓球的間隔室。在蒸餾室以非離心速度旋轉時，圓球彼此相互摩擦、與蒸餾室內壁摩擦、以及與擋板兩側摩擦，從而產生研磨或洗刷作用，使沉淀出的氧化銅的積垢減到最小程度。
文檔編號C01G3/02GK1030795SQ8710572
公開日1989年2月1日 申請日期1987年7月20日 優先權日1982年12月10日
發明者威廉·艾·霍金斯, 杜安·馬·塞耶 申請人:密歇根州科技大學管理委員會