铝土矿悬浮溶出器的选择及设计计算

铝土矿悬浮溶出器的 选择及设计计算

曹文仲

顾松青

(郑州轻金属研究院, 郑州 450041)

对铝土矿拜尔法溶出工艺最佳溶出设备的设计及其操作进行了研究。 实验采用

粒粒范围判据判定颗粒周围的流态, 使料浆中颗粒悬浮速度的测量计算变得更简单、 准确, 由串联釜模型参数与物料在反应器中的返混建立的对应关系, 对铝土矿悬浮溶 出器设计参数进行了预测。

关键词: 铝土矿溶出 悬浮速度 设计参数

1 概述

由工程流体力学理论和铝土矿溶出过程 的反应工程学分析发现, 目前采用的铝土矿 溶出装置, 均没有足够重视一水硬铝石型铝 土矿 ( Α2A l2O 3 ·H 2O ) 粒度差异造成的影 响。 如何改变矿浆的流动状态使之强化溶出 和确定反应器合理的设计参数, 是铝土矿悬 浮溶出器选择和设计计算的目标。

悬浮反应装置是一种新型溶出设备, 它 采用矿浆从反应器底部以一定流速加入, 料 浆中的矿石颗粒群, 由于流体动力作用不同 而产生悬浮分级2 , 随着溶出反应过程的进 行, 料浆从悬浮溶出器顶部出口流出。 这种 全新的溶出设备具有如下特点:

( 1) 矿浆进入反应器, 颗粒群中粗细矿 石粒子因所受碱液曳力的不同, 矿石粗粒子 上升运动较细颗粒矿石慢, 因此粗颗粒矿石 的滞留反应时间相对延长, 这特别有利于难

溶一水硬铝石型铝土矿的溶出反应。

( 2) 铝土矿悬浮溶出过程中, 细颗粒的 矿 石 进 入 溶 出 器 会 很 快 上 升 到 低 Αk ( =

N a2O /A l2O 3 ×1. 5) 值区, 此有利于粗细

颗粒的矿石反应趋于同步, 避免因细化对后 续沉降工序的影响。

( 3) 和高温管道溶出比较, 悬浮溶出过 程料浆沿程能量损失小, 要求输入泵压头低, 且可提供矿石料浆较长的滞留反应时间。 因 此, 对溶出温度, 磨矿粒度变化的适应性较 好, 清理反应结疤也容易。 悬浮溶出反应器的设计, 首先要决定其 适宜的尺寸。 对于铝土矿的悬浮溶出, 主要 取决于对悬浮速度等因素的研究计算。

2 悬浮溶出器的计算与选择 2. 1 设计条件

以氧化铝中间试验为例, 设计条件如下:

- 24-

3

(1) 溶出系统矿浆流量: 8～ 16m /h (6) 矿浆料槽固含: 322g /L

(7) 磨矿粒度组成

+ 32 目 + 50 目+ 325 目- 325 目 粒 度 + 24 目

0. 28 0. 76 24 . 74 75 . 26 % (W ) 0. 09 t 注: 连续振动筛析结果

(2) 加工矿石: 一水硬铝石型铝土矿 (3) 溶出器溶出温度: 248℃; 溶出碱液

密度: 1230k g /m 3; 粘度: 0. 27×10- 3 (P a

·s)

(4) 苛性碱浓度: 220g/L ; 溶出液钠铝 分子比 ( Α: 2. 99; 40m in 溶出率为 k ) 90% ( 5) 料浆进入反应器为悬浮溶出进料方 式

粒

度

其 中对- 325 目矿石粉料样品, 采用

SKC 22000 型透光式粒度分析仪, 测量结果

为:

< 1Λm < 2Λm < 3. 5Λm < 6Λm < 8Λm < 10Λm < 12Λm < 15Λm < 20Λm < 25Λm < 30Λm 17. 2

30. 9

45. 3

56. 9

65. 3

71. 0

76. 1

85. 5

88. 0

93. 2

100

% (W t)

料浆槽中+ 120 目粒径的矿石颗粒含量

小于 5%

(8) 一水硬铝石矿溶出反应速度方程:

- d C d t

1 ) = k 1 (CN - CA

k

不考虑逆反应3 , 有

- C dd t

器多为等内径装置2 , 因为系列相同尺寸设

备, 可以实现零配件标准化, 制造简单, 经济。

对于直径为 d s 的球形物体, 在流体中的 浮重为:

2 Π) g W s = d s (Θs - Θ

6

=k 1CN

当悬浮速度以 v 0 表示时, 则物体所受流体动

力为:

R = Φ

2. 2 悬浮反应器及其设计参数的选定依据

Π d 2

4

s

Θ

0 v 2

在实验中求取设计反应器所需的可靠动

力学数据和设计参数是一个复杂问题, 把整 个现象过细地解剖成各个单元步骤是不合适 的, 所以, 要求出正确的设计参数, 除需进行 流体力学试验和反应动力学研究, 还必须在 设计、计算过程中做适当的条件简化。 2. 2. 1 简化条件

( 1) 单个反应器设计, 以颗粒群中粗粒 ( 悬浮速度、子的溶出条件 反应滞留时间) 为

基础, 参考细粒子的流动反应特性。

( 2) 单一反应罐内, 溶液的 Αk 处于完全 (实际是呈递减状态)。 混合状态

( 3) 矿石的溶出率及其所需溶出反应时

因为物体达到悬浮时, 必须满足流体动力与

浮重W s 相等、方向相反的力学平衡, 所以 有:

v 0 =

( Θ Θ) d s - 4g s ΦΘ 3 ) d s (Θs - Θ(1)

间, 以溶出动力学研究结果和工程实际需要

确定。

2. 2. 2 反应器内径和高径比的确定

工业上, 一般固液相反应, 串联溶出反应

ΦΘ

流体流动的过渡区条件: 1 ≤ R e ≤ 500, R e

d s Θ v 0 10 将其代入式 (1) 得: = , Φ=

Λ R e (Θ) 2 1/Θs - Θ( ) v 0 = 1. 196d s [ ] 3 2

ΛΘ

0 d s Θv(2) 与过渡区条件 因为式 R e = 中所表

Λ

示的速度相同, 于是

(ΘΘs - Θ) 2 1/R eΛ

1. 196d s [ ] 3 =

ΘΛ d s Θ

- 25-

= 3. 62

d s =

Λ2 1/3

[ ) ] 1. 196 Θ(Θs - Θ

R e

(3)

在实验室水介质中测量的悬浮速度为2. 358

×10- 2m /s, 而按上述理论计算所得的以水 为介质的悬浮速度为1. 609×10- 2m /s。因为 高温下的冶金过程很难测量和观察其物理现 象, 应用相似原理于流体中的颗粒运动, 由水 介质系统与工业溶出碱液系统某些有关量的 内在比, 可以求得粒径为1. 25×10- 4m 的铝 土矿颗粒, 在工业溶出碱液条件下的悬浮速 度:

v ′= 3. 48 × 10- 2m /s

又因为过渡区的 R e 要求满足 1 ≤R e ≤ 500,

(3) 有 将其代入式 ,

Λ2 3

]1/0. 915

) Θ(Θs - Θ≤ d s

2 3≤ 20. 4 Λ ]1/ (4)

) Θ(Θs - Θ这就是过渡区粒粒范围判别式。

- 2

根据设计条件 d 当≈ d s = 1. 25 × 10 3

m , Θ= 1230k g /m , Θs = 3400k g /m , Λ = 2.

3

2m 3 / 矿浆流量为1 实际反应器内径 h 时,

D = 2 × 0. 5

7×10- 2 P a ·s

所以

Λ 3 10- 3 ]1/=3. 0 ×

) Θ(Θs - Θ采用粒径范围判据判定流态 [

2

Q. 49 × 10- 1m ′= 3v 间接加热铝土矿溶出反应器, 要求传热

(V ) 之比为最大值, 即满 面积 (S ) 与其体积 足 S /V = 3/r

这样, 就要求圆柱状反应器高径比为1, 但考 虑到制造、操作等工业实际的需要, 一般溶出 器高径比为4～ 20, 所以, 中间试验设计单个 悬浮反应器的尺寸选择 <350×7000。料浆溶 出过程在单罐中的平均停留时间

V i λ = Σi = 3. 37m in

Q

Λ2 3

d s ≥0. 915 ]1/) Θ(Θs - ΘΛ2 3

d s ≤20. 4 ]1/) Θ(Θs - Θ考虑铝土矿颗粒的形状系数, 料浆固含量等 影响, 由于 阻

力系数:

Φ=

占挤系数:

′d s

= 0. 11 D 10 R e

=

10 Λ =

2. 203

v 0 d s Θ

2. 2. 3 反应器串联个数的计算

由前述简化条件 , 单一反应器内溶液 Αk 处于完全混合状态。通过简单的推导可知, 几 个活塞反应器串联, 其总体积为V , 最终达到

的大型活塞流反应器所 转化率与一体积为V

得 的转化率相同。当制造或安装一个大型反 应器不便时, 常可分成多个反应器串联。氧化 铝 拜尔法溶出工艺中, 即是将数个溶出反应 罐串联操作。根据反应器中进行的溶出反应, 可以求得反应器出口流体中一水硬铝石的未 转化率3 , 反过来, 由未转化率亦可求取串联 反应器的个数。 一水硬铝石的

溶出反应式:

N aA lO 2 ( l) + H 2O ( l)

颗粒形状系数: K s = 2. 27 ( 由实验测 定2 )

修正后计算的自由悬浮速度:

v = d s

′

2

- 2

. 62 3K s

) d s (Θs - ΘΦΘ

×

1 -

( ) = 2. 375 × 10m /s

D

(一水硬铝石矿) 颗粒, d s 为 125Λm 的铝土矿

A lOO H ( s) + N aO H ( l)

- 26-

其溶出速率方程为:

c dΒ ΑΧ∆

= k 1C A C 2 O - lOO H C 2C N - k A H d t

艺所用的溶出器宜采用悬浮溶出器。

( 2) 根据氧化铝工业生产产能或物料流 量等条件要求 , 悬浮反应器内径参数应由料 浆中矿物颗粒的悬浮速度确定。

( 3) 料浆颗粒群悬浮速度的理论计算和

当反应平衡时

c d= 0 - d t

Χ ∆

1 CA (e) C H 2O (e) k= Β K = Αk 2 C N (e) C OO H (e) A l

由实验结果1 , 正逆反应结果近似一级:

K =

实验, 属于流体与固体颗粒间相互作用的力

学问题, 只有正确了解阻力特性, 才能合理根 据粒径范围公式, 来计算悬浮速度。

( 4) 以钢弹高压釜试验所求的反应速率

1 kk 2

=

A (e) CCN (e)

溶出反应速率方程:

- c d 1

= k 1CN - k 2CA = k 1 (CN - CA ) d t K

( ) 5

常数为基准, 达到理想溶出率的串联反应器

个数由

(1 + k Σi ) n 1 - x A = 1/计算获得。

符 号 说 明

CN

不考虑逆反应3 , 则溶出反应速率方程简化 为:

- (d c/d t) = k 1CN 苛性碱浓度

以钢弹高压釜试验为例, 某一水硬铝石 铝酸钠浓度 CA 型铝土矿在 N k = 220g/. 99, T = L , Αk = 2第 i 釜反应物浓度 矿物颗粒直径 反应C i 248℃条件下, 40m in 溶出率可达90% 。钢弹 器横截面中固体颗粒当量直径之和 反应

d

速率常数 溶出属间歇式反应, 动力学方程与活塞流反 ′

d s

颗粒形状系数 应器是相同的, 其计算式:

k 物料流量 反应 1

(6) k t = ln K s 器容积 颗粒悬1 - x A

Q 浮速度 反应分所以

V 率 阻力系数 1 1 k = ln 液体介质粘度 t 1 - x A v

液体介质密度 1 1 - 2- 1x A

= 5. 7 × 10m in = ln 固体矿物密度 40 1 - 0. 90

Φ 平均停留时间

4

按公式2 、:

Λ n

(1 + k Σi ) (7) CA n = CA 0 /Θ

n

(1 + k Σi ) 或 (8) 1 - x A = 1/Θs

求得 n = 12. 98。这里计算求出的 n , 是假定 λΣi 各串联反应器属全返混状态, 且体积和操作

参 考 文 献 温度相同。根据拜尔法一水硬铝石矿的溶出 特点, 其中间试验要达到工业要求的溶出率,

串联反应器个数应大于13。

3 结论

( 1) 由于我国铝土矿矿物类型属难溶出

中南矿冶学院学报, 1985, (1) : 1. 1 刘今, 吴若琼。

提取 冶 金 速 率 过 2 ( 美) H Y So h n 著, 郑蒂基译。

程。冶金工业出版社, 1984. 12.

3 Ko t te J an J. L igh t M e ta ls, 1981, 45.

4 B udap e st. Seco nd ln tem a t io na l Sym po sium o f

IC SOBA o n BA U X IT E —A L UM IN A —A L U 2 M IN IUM , 1969. 10.

的一水硬铝石型, 工业氧化铝拜尔法溶出工

- 27-

p la in tu b e, o r It′s h ea t ex ch an ge a rea can b e cu t dow n b y 43%. T h e o ve ra ll p re ssu re d rop o f a ir coo le r o f t ran sve r se ly co r ru ga ted tu b e is abo u t a s m u ch a s 2 t im e s o f p la in tu b e.

T h e m ech an ism o f h ea t t ran sfe r en h an cem en t o f t ran sve r se ly co r ru ga ted tu b e w a s d is2 cu ssed.

Keyword s: h ea t t ran sfe r en h an cem en t, t ran sve r se ly co r ru ga ted tu b e, p la in tu b e, af te rcoo le r

o f a ir com p re sso r

D eve lopm en t o f h ea t ex ch an ge r n e tw o rk s im u la t io n

so f tw a re an d it s app lica t io n

Cu i Hon gx in g, L iu W e i

(L uo yan g P e t ro ch em ica l E n g in ee r in g Co rpo ra t io n , L uo yan g 471003)

S im u la t io n o f h ea t ex ch an ge r n e tw o rk h a s p ro ved to b e an effec t ive m ean s fo r exp lo r in g th e w o rk in g sta te o f an ex ist in g n e tw o rk an d te st in g th e f lex ib ility o f th e n e tw o rk w h en som e p ro ce ss co n d it io n s a re ch an ged. T h e sim u la to r is a lso a pow e rfu l ca lcu la t io n too l fo r p ro ce ss . T h is sim u la to r h a s u sed n ew n e tw o rk tea r in g a lgo r ithm an d show n fa st an d stab le en g in ee r s. co n ve rgen ce an d m o re re liab ility. It is o f g rea t va lu e fo r p rac t ica l p u rpo se sKeyword s: h ea t t ran sfe r n e tw o rk , sim u la t io n , app lica t io n

Se lec t io n an d de s ign ca lcu la t io n fo r

b au x ite d ige s t io n reac to r

Ca o W en zhon g, Gu Son gq in g

(Zh en zho u L igh t M e ta ls R e sea rch In st itu te, Zh en gzho u 450041)

T h e op t im um de sign o f b au x ite d ige st io n equ ipm en t an d th e b e st d ige st io n op e ra t io n co n d it io n s w e re in ve st iga ted. U sin g p a r t ic le2size2reg io n (P SR ) c r ite r io n m ak e s th e stu dy o f su sp en sio n ve lo c ity in th e slu r ry m o re sim p lif ied an d re liab le. T h e de sign p a ram e te r s o f reac2 to r w e re e st im a ted b y su sp en sio n ve lo c ity an d reac to r s in se r ie s in slu r ry. Keyword s: b au x ite d ige st io n , su sp en sio n ve lo c ity, de sign p a ram e te r s

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