黃敏峰, 陳南雄, 谷德銀, 楊 勇, 劉作華

(1.中信大錳礦業(yè)有限責任公司，廣西 南寧 530029；2.重慶大學 化學化工學院，重慶 401331)

0 前 言

機械攪拌反應器是錳礦浸出工藝的主要裝備，主要是通過電機帶動攪拌槳的轉動，將錳礦粉分散到浸取液中，形成固液懸浮液，增大錳礦粉與浸取液之間的有效接觸面積，提高錳礦粉與浸取液之間反應速率，增大設備生產能力。錳礦浸出槽內固液兩相的混合效果影響著錳礦浸出反應的效率，決定著錳礦浸出工藝的節(jié)能減排。

目前，攪拌反應器的攪拌槳大多采用的是剛性攪拌槳，但剛性攪拌槳的卷吸力較小，軸向輸送能力較弱，使得浸出槽中的錳礦礦粉不能充分懸浮，浸出槽底部堆積現象嚴重，錳礦礦粉與硫酸接觸不充分，固液兩相有效接觸面積較小，導致了錳礦浸出時間長，浸出效率低。錳礦浸出攪拌反應器的攪拌槳結構設計與優(yōu)化是實現錳礦高效浸出的有效手段。

研究發(fā)現，柔性體可增強流場中形成的多尺度渦結構的不穩(wěn)定性，強化流體的混合過程。自然中常見的魚類、鳥類和昆蟲等生物，它們之所以能夠大范圍自由的運動，就是憑借身體的柔性結構(如鳥類翅膀)與周圍流體(如氣流)之間的耦合作用。鄭玉巧等[1]優(yōu)化設計了具有柔性葉片的大型風電機組，發(fā)現柔性葉片的使用能夠提高葉片運行的穩(wěn)定性以及增大風能利用率。趙婉麗[2]對比研究了攪拌反應器內柔性攪拌槳和剛性攪拌槳的混合性能，發(fā)現柔性攪拌槳體系中的高湍流動能區(qū)域比剛性攪拌槳的大。劉作華等[3-5]基于仿生學設計出一種剛柔組合攪拌槳，并對比研究了剛性槳和剛柔組合槳在固液混合體系中的混合性能，發(fā)現剛柔組合槳能夠在剛性槳的基礎上通過柔性片的擾動，打破攪拌槽內的對稱性流場，增大固液兩相的懸浮程度。但關于剛柔組合槳的研究主要是在實驗室進行的小試試驗，還未進行過中試試驗或工業(yè)化應用。

本文結合剛柔組合槳在強化固液兩相混合過程中的優(yōu)勢，提出剛柔組合槳強化錳礦浸出的新方法，并將剛柔組合槳應用到中信大錳礦業(yè)有限責任公司中試生產車間，為電解錳行業(yè)中錳礦浸出攪拌反應器的設計與優(yōu)化提供參考依據。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置及試驗物系

錳礦浸出攪拌槽高度為440 cm，攪拌槽直徑為460 cm，槳葉離底高度為90 cm，攪拌軸直徑為18 cm，液面高度為340 cm，槳葉上邊長度為42 cm，槳葉下邊長度為78 cm，槳葉內側寬度為20 cm，槳葉外側寬度為10 cm，槳葉厚度為2 cm，槳葉斜角45(o)，槳間距172 cm。剛柔組合槳的柔性繩為316不銹鋼鋼絲繩，試驗時用卡扣將其連接在上下兩層槳葉之間，鋼絲繩長度為210 cm，鋼絲繩直徑為1.6 cm。剛性槳浸出槽和剛柔組合槳浸出槽的結構示意圖如圖1所示。錳礦浸出槽中的錳礦品位為15%～16%。

(a) (b)a 剛性槳浸出槽；b 剛柔組合槳浸出槽

1.2 試驗方法

1.2.1 Mn2+的測定

錳礦浸出試驗過程中每間隔1 h檢測一次攪拌槽內的Mn2+，試驗中采用EDTA法滴定法來測量浸出液中Mn2+的濃度。具體操作步驟如下：

1)取1 mL樣品于250 mL錐形瓶中；

2)加50 mL NH4F-NH4Cl混合液于錐形瓶中；

3)滴加2滴甲基百里香、酚藍指示劑；

4)用0.05 N EDTA標準溶液滴定，至藍色變淺為滴定終點。

Mn2+濃度的計算公式如下：

(1)

其中，TMn為EDTA對于錳離子的滴定度；V1為樣品取用量，mL；V2為EDTA的消耗量，mL。

1.2.2 攪拌電耗的測定

錳礦浸出試驗過程中每間隔1 h檢記錄一次攪拌電耗，試驗中攪拌電耗的測定主要是通過電耗表上的試驗讀數和初始讀數之間的差值來確定。

2 試驗結果與討論

2.1 剛性槳體系

2.1.1 第1組剛性槳體系錳礦浸出試驗數據

錳礦浸出槽中的陽極液中Mn2+初始濃度為12.95 g/L，加入錳礦粉量6 680 kg，電表初始讀數為0 kW·h。試驗過程中攪拌槽內Mn2+的濃度以及相應電耗數據如表1所示。

表1 Mn2+的濃度以及相應的電耗

2.1.2 第2組剛性槳體系錳礦浸出試驗數據

錳礦浸出槽中的陽極液中Mn2+初始濃度為13.08 g/L，加入錳礦粉量6 650 kg，電表初始讀數為31.8 kW·h。試驗過程中攪拌槽內Mn2+的濃度以及相應電耗數據如表2所示。

表2 Mn2+的濃度以及相應電耗

2.2 剛柔組合槳體系

2.2.1 第1組剛柔組合槳體系錳礦浸出試驗數據

錳礦浸出槽中的陽極液中Mn2+初始濃度分別為13.69 g/L，加入礦粉量6 470 kg，電表初始讀數為111.5 kW·h。試驗過程中攪拌槽內Mn2+的濃度以及相應電耗數據如表3所示。

表3 Mn2+的濃度以及相應電耗

2.2.2 第2組剛柔組合槳體系錳礦浸出試驗數據

錳礦浸出槽中的陽極液中Mn2+初始濃度分別為17.34 g/L，加入礦粉量5 400 kg，電表初始讀數為176 kW·h。試驗過程中攪拌槽內Mn2+的濃度以及相應電耗數據如表4所示。

表4 Mn2+的濃度以及相應電耗

2.3 錳礦浸出時間分析

當錳礦浸出液中的Mn2+濃度不再發(fā)生變化時，則視為該試驗組中錳礦已完全浸出，此時所經歷的時間為浸出時間。根據試驗數據可知，剛性槳體系的錳礦浸出時間為4～5 h。剛柔組合槳體系的錳礦浸出時間為3～4 h，錳礦浸出時間縮短了近1 h。

2.4 攪拌電耗分析

為便于分析電耗情況，本文定義總平均電耗如下：

(2)

(3)

式中，Wij表示第i組試驗第j小時的電耗。

剛性槳體系每小時的平均電耗為4.7 kW·h，剛柔組合槳體系每小時的平均電耗為6.69 kW·h。與剛性槳體系相比，剛柔組合槳體系的每小時平均電耗增加了1.99 kW·h。在縮短錳礦浸出時間近1 h條件下，每小時平均電耗增加1.99 kW·h屬于可接受范圍。

3 結 論

1) 與剛性槳體系相比，剛柔組合槳體系中的錳礦浸出時間縮短了近1 h，有效地強化了錳礦浸出過程。

2) 與剛性槳體系相比，剛柔組合槳體系的每小時平均電耗增加了1.99 kW·h，但與其錳礦浸出時間縮短近1 h相比，整體性價比較高，適宜工程應用。