胡 宇，黨明巖，劉 燕，周建鵬

(1.沈陽理工大學 環(huán)境與化學工程學院，遼寧 沈陽 110159;2.東北大學 材料與冶金學院，遼寧 沈陽 110819)

氧化鋁生產(chǎn)中除少數(shù)采用燒結(jié)法，90%采用拜耳法［1］，但是拜耳法產(chǎn)生大量赤泥，赤泥主要有如下缺點［2］:①赤泥中含堿，使赤泥應用成為世界性難題;②赤泥中含鋁，氧化鋁的理論收率隨鋁土礦品位的降低而降低，不適用于低品位鋁土礦。因此，只要找到簡單易行的處理低品位鋁土礦及低成本大規(guī)模消納赤泥的方法，就可以實現(xiàn)鋁資源的清潔高效循環(huán)。東北大學經(jīng)多年研究提出了碳化法處理低品位鋁土礦(赤泥)的新方法，認為“鈣化-碳化-尾渣水泥利用”是適合氧化鋁生產(chǎn)的工藝路線，即首先通過鈣化處理將鋁土礦或赤泥全部轉(zhuǎn)化為鈣鋁硅化合物即水化石榴石，并用CO2對水化石榴石進行碳化處理，得到主要組成為硅酸鈣、碳酸鈣及氫氧化鋁，再通過低溫溶鋁即可得到主要成分為硅酸鈣和碳酸鈣的新型結(jié)構赤泥，該赤泥可直接用于水泥工業(yè)，實現(xiàn)鋁土礦資源的循環(huán)。目前，該技術已形成兩項國家發(fā)明專利［3－4］:“基于鈣化-碳化轉(zhuǎn)型生產(chǎn)氧化鋁的方法”及“一種消納拜耳法赤泥的方法”。

本文圍繞鈣化渣碳化過程開展研究，探索鈣化渣碳化多相反應過程規(guī)律。采用單因素實驗方法，在空氣-水-玻璃珠模擬體系中，研究表觀氣速、表觀液速、液固比(質(zhì)量比)對氣含率的影響。

1 實驗

1.1 實驗裝置及原理

主反應器根據(jù)相似原理建立物理模型［5］，反應器采用有機玻璃代替不銹鋼材料，在空氣-水-玻璃珠體系下實驗。在此物理模型中可對熔池的混合、循環(huán)流和氣泡的大小及分布進行觀測，從而采集到在高溫高壓實驗中無法獲取的信息。如果現(xiàn)象滿足相似第二定理，根據(jù)相似理論，則通過模型得到的規(guī)律可以推廣到原型中去。對于鈣化渣的碳化反應器，考慮的是幾何相似和動力相似。本研究以鈣化渣碳化過程基礎研究中1L高壓反應釜為原型，設計幾何相似比為1∶6的水力學模擬系統(tǒng)，為保證動力學相似，原形和模型的弗勞德準數(shù)必須相等，以此為依據(jù)可確定模型中的吹氣量。

實驗裝置設計見圖1所示，其主反應器內(nèi)徑為240mm，有效高度為620mm，碳鋼支架固定主反應器，射流器變徑處內(nèi)徑為26mm，儲液灌有效容積0.125m3。

實驗原材料主要有:

(1)空氣;(2)固體顆粒為玻璃珠(顆粒直徑100～140μm，密度2000kg/m3;(3)自來水。

1.2 氣含率的測定

本實驗中氣含率采用靜壓差法測量［6］。靜壓差法的基本原理是通過伯努利方程求得反應器內(nèi)床層兩截面間的壓力差來求得體系的氣含率，其計算公式為

式中:Vp為兩液面間的壓力差;ρL為反應器中液相密度;g為重力加速度;h為兩截面的高度差。

圖1 實驗裝置設計圖

由于漿相連續(xù)流動，所以采用壓差法測量全塔的平均氣含率，兩測壓點分別位于距反應器頂部8cm和60cm處，壓差計使用天津市延輝儀表通訊有限公司生產(chǎn)的YH3051DP4E22B1D1電容式差壓變送器(精度為 0.5級，量程為 0～7.5kPa)。開始實驗時，測量內(nèi)容為在不同表觀氣速、表觀液速和液固比條件下的反應器內(nèi)兩液面的壓力差(取迷你型無紙記錄儀每隔1秒在一分鐘內(nèi)記錄下的所有值的平均值即為兩液面間的壓力差)，通過計算求出平均氣含率，即可得出不同試驗條件下的氣含率隨表觀氣速、表觀液速和液固比的變化關系。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 表觀氣速對氣含率的影響

在表觀液速 1.327 m·s－1、液固比 10∶1、反應器高徑比為4的條件下，通入不同氣速的空氣，反應器內(nèi)的氣含率變化如圖2所示。

從圖2可以看出，在表觀氣速、固體濃度、高徑比一定時，氣含率隨表觀氣速的增大而增大，在其他影響因素不變的情況下，增大表觀氣速必然會導致體系內(nèi)的氣泡數(shù)量增多，氣泡數(shù)量的增多又會帶來兩方面的影響:一方面，隨著體系內(nèi)氣體含量的增多，體系內(nèi)流體的湍流程度增加，產(chǎn)生的大氣泡易破裂成小氣泡，氣泡變小，上升速度變慢，氣含率增大;另一方面，對于聚并體系，氣泡數(shù)量增多，氣泡碰撞合并的幾率變大，故氣泡平均直徑變大，導致氣含率變小。正是由于以上兩方面的因素共同作用導致氣含率和表觀氣速不為線性關系。

圖2 不同表觀氣速下的氣含率

2.2 表觀液速對氣含率的影響

在表觀氣速 10.62 m·s－1、液固比 10∶1、反應器高徑比為4的條件下，通入不同流速的液體，反應器內(nèi)的氣含率變化如圖3所示。

圖3 不同表觀液速下的氣含率

從圖3可以看出，在其他條件不變的情況下，隨著表觀液速的增加，氣含率略有下降，但是下降的趨勢比較小。表觀液速對氣含率的影響比表觀氣速對氣含率的影響小得多。隨著表觀液速的不斷增加，氣泡的上升速度也會升高，同時流體的湍流程度更加劇烈，氣泡聚并的幾率加大，導致氣泡的直徑加大，造成氣含率略有下降。

2.3 液固比對氣含率的影響

在槳態(tài)鼓泡床中，固體顆粒通常作為反應物、生成物、固體催化劑或催化劑載體，固體顆粒直徑的大小和固體濃度對漿態(tài)鼓泡床中氣含率有重要影響。固體顆粒大小和濃度分布與其他因素相互作用，可改變反應過程的傳質(zhì)、傳熱性能，進而對反應的轉(zhuǎn)化率和選擇性以及反應器內(nèi)各處反應速率產(chǎn)生一定的影響。

為考察液固比對氣含率的影響，實驗分別研究了在表觀液速21.23 m·s－1、高徑比為4、液固比在 20∶1、15∶1、10∶1 條件下，不同表觀氣速下的氣含率變化，如圖4所示。

圖4 不同表觀氣速下氣含率隨液固比的變化關系

從圖4可以看出，隨著液固比的升高，固體濃度減小，反應器內(nèi)氣含率逐漸升高。由于固體顆粒的加入，改變了液相的性質(zhì)，氣液兩相流通面積相應減小，氣泡之間相互作用增強，增加氣泡聚并的幾率;固體顆粒的存在也會減少氣泡的破裂，小氣泡減少，大氣泡增多，從而影響氣泡分布和上升速度，導致平均氣含率有所上升。在氣體速率低于17.70 m·s－1時，隨著固體濃度的減小，氣含率上升幅度略有增加，氣體速率高于17.70 m·s－1時，氣含率上升幅度略有減少。

3 結(jié)論

本文通過水模型研究方法，在空氣-水-玻璃珠體系中研究了表觀氣速、表觀液速、液固比對反應器內(nèi)氣含率的影響。

在其他條件一定的情況下:

(1)反應器內(nèi)氣含率隨表觀氣速的增大而逐漸增大;(2)反應器內(nèi)氣含率隨表觀液速的增大而降低，表觀液速對氣含率的影響遠低于表觀氣速對氣含率的影響;(3)反應器內(nèi)氣含率隨液固比的增大而增大，隨著表觀氣速的增大，氣含率隨液固比增大的變化率呈先增大后減小的趨勢。

［1］郭智峰，武晉明.淺析石灰添加量對拜耳法溶出赤泥N/S 的影響［J］.輕金屬，2010，(4):10－11.

［2］郭暉，鄒波蓉，管學茂，等.拜耳法赤泥的特性及綜合利用現(xiàn)狀［J］.磚瓦，2011，(3):50－53.

［3］張廷安，呂國志，劉燕，等.一種基于碳化-鈣化轉(zhuǎn)型生產(chǎn)氧化鋁的方法［P］.中國專利:201110275030.6，2012－10－31.

［4］張廷安，呂國志，劉燕，等.一種消納拜耳法赤泥的方法［P］.中國專利:201110275030.X.2012－10－31.

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