胡 宇，黨明巖，劉 燕，周建鵬

(1.沈陽理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159;2.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)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(diǎn)［2］:①赤泥中含堿，使赤泥應(yīng)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)鋁資源的清潔高效循環(huán)。東北大學(xué)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(rèn)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(duì)水化石榴石進(jìn)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(gòu)赤泥，該赤泥可直接用于水泥工業(yè)，實(shí)現(xiàn)鋁土礦資源的循環(huán)。目前，該技術(shù)已形成兩項(xiàng)國(guó)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(yīng)過程規(guī)律。采用單因素實(shí)驗(yàn)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(duì)氣含率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

主反應(yīng)器根據(jù)相似原理建立物理模型［5］，反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃代替不銹鋼材料，在空氣-水-玻璃珠體系下實(shí)驗(yàn)。在此物理模型中可對(duì)熔池的混合、循環(huán)流和氣泡的大小及分布進(jìn)行觀測(cè)，從而采集到在高溫高壓實(shí)驗(yàn)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(duì)于鈣化渣的碳化反應(yīng)器，考慮的是幾何相似和動(dòng)力相似。本研究以鈣化渣碳化過程基礎(chǔ)研究中1L高壓反應(yīng)釜為原型，設(shè)計(jì)幾何相似比為1∶6的水力學(xué)模擬系統(tǒng)，為保證動(dòng)力學(xué)相似，原形和模型的弗勞德準(zhǔn)數(shù)必須相等，以此為依據(jù)可確定模型中的吹氣量。

實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)見圖1所示，其主反應(yīng)器內(nèi)徑為240mm，有效高度為620mm，碳鋼支架固定主反應(yīng)器，射流器變徑處內(nèi)徑為26mm，儲(chǔ)液灌有效容積0.125m3。

實(shí)驗(yàn)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(cè)定

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

式中:Vp為兩液面間的壓力差;ρL為反應(yīng)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(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)圖

由于漿相連續(xù)流動(dòng)，所以采用壓差法測(cè)量全塔的平均氣含率，兩測(cè)壓點(diǎn)分別位于距反應(yīng)器頂部8cm和60cm處，壓差計(jì)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(jí)，量程為 0～7.5kPa)。開始實(shí)驗(yàn)時(shí)，測(cè)量?jī)?nèi)容為在不同表觀氣速、表觀液速和液固比條件下的反應(yīng)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(jì)算求出平均氣含率，即可得出不同試驗(yàn)條件下的氣含率隨表觀氣速、表觀液速和液固比的變化關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 表觀氣速對(duì)氣含率的影響

在表觀液速 1.327 m·s－1、液固比 10∶1、反應(yīng)器高徑比為4的條件下，通入不同氣速的空氣，反應(yīng)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(shí)，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(huì)導(dǎo)致體系內(nèi)的氣泡數(shù)量增多，氣泡數(shù)量的增多又會(huì)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(duì)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(dǎo)致氣含率變小。正是由于以上兩方面的因素共同作用導(dǎo)致氣含率和表觀氣速不為線性關(guān)系。

圖2 不同表觀氣速下的氣含率

2.2 表觀液速對(duì)氣含率的影響

在表觀氣速 10.62 m·s－1、液固比 10∶1、反應(yīng)器高徑比為4的條件下，通入不同流速的液體，反應(yīng)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(shì)比較小。表觀液速對(duì)氣含率的影響比表觀氣速對(duì)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(huì)升高，同時(shí)流體的湍流程度更加劇烈，氣泡聚并的幾率加大，導(dǎo)致氣泡的直徑加大，造成氣含率略有下降。

2.3 液固比對(duì)氣含率的影響

在槳態(tài)鼓泡床中，固體顆粒通常作為反應(yīng)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(duì)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(yīng)過程的傳質(zhì)、傳熱性能，進(jìn)而對(duì)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性以及反應(yīng)器內(nèi)各處反應(yīng)速率產(chǎn)生一定的影響。

為考察液固比對(duì)氣含率的影響，實(shí)驗(yàn)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(guān)系

從圖4可以看出，隨著液固比的升高，固體濃度減小，反應(yīng)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(yīng)減小，氣泡之間相互作用增強(qiáng)，增加氣泡聚并的幾率;固體顆粒的存在也會(huì)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(dǎo)致平均氣含率有所上升。在氣體速率低于17.70 m·s－1時(shí)，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(shí)，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(duì)反應(yīng)器內(nèi)氣含率的影響。

在其他條件一定的情況下:

(1)反應(yīng)器內(nèi)氣含率隨表觀氣速的增大而逐漸增大;(2)反應(yīng)器內(nèi)氣含率隨表觀液速的增大而降低，表觀液速對(duì)氣含率的影響遠(yuǎn)低于表觀氣速對(duì)氣含率的影響;(3)反應(yīng)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(shì)。

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［3］張廷安，呂國(guó)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(guó)專利:201110275030.6，2012－10－31.

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