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(Α2Al2O3·H2O)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。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(=Na2O/Al2O3×1.645)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。因悬浮反应装置是一种新型溶出设备,采用矿浆从反应器底部以一定流速加入,它料此,好,对溶出温度,磨矿粒度变化的适应性较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-24-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。悬浮溶出器的计算与选择1设计条件以氧化铝中间试验为例,设计条件如下:22.(1)溶出系统矿浆流量:8～16m3/h(2)加工矿石:一水硬铝石型铝土矿(6)(7)矿浆料槽固含:322g/L磨矿粒度组成(3)溶出器溶出温度:密度:1230kg/m3;粘度:·s)248℃;溶出碱液0.27×10-3(Pa粒度+24目+32目+50目+325目-325目%(Wt0.090.280.7624.7475.26)注:连续振动筛析结果(4)苛性碱浓度:分子比(Αk):2.99;溶出液钠铝220g/L;40min溶出率为90%其中对-325目矿石粉料样品,采用SKC22000型透光式粒度分析仪,测量结果为:(5)料浆进入反应器为悬浮溶出进料方式料浆槽中+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: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ds的球形物体,在流体中的浮重为:dC=1C-k1(CN-A)dtkΠd2Ws=s(Θs-Θ)g6不考虑逆反应3,有当悬浮速度以v0表示时,则物体所受流体动力为:dC=-k1CNdtR=ΦΠd22.2悬浮反应器及其设计参数的选定依据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,以颗粒群中粗粒子的溶出条件(悬浮速度、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处于完全混合状态(实际是呈递减状态)。(3)矿石的溶出率及其所需溶出反应时间,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v0sΘ42因为物体达到悬浮时,必须满足流体动力与浮重Ws相等、方向相反的力学平衡,所以有:ds(Θs-Θ)4gv0=3ΦΘ(1)ds(Θs-Θ)=3.62ΦΘ流体流动的过渡区条件:1≤Re≤500,Rev0dsΘ10,Φ=将其代入式(1)得:Re=ΛΘ)2Θ(Θs-1/3()v0=1.196ds[]2ΛΘv0dsΘ中所表因为式(2)与过渡区条件Re=示的速度相同,于是ΛΘ)2Θ(Θs-ReΛ1/31.196ds[]=ΘΛdΘs-25-粒度1Λm2Λm3.5Λm6Λm8Λm10Λm12Λm15Λm20Λm25Λm30Λm%(Wt)17.230.945.356.965.371.076.185.588.093.2100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Λ2Re1/3ds=1.196[Θ(Θ-sΘ)](3)为介质的悬浮速度为1.609×10-2m/s。因为又因为过渡区的Re要求满足1≤Re≤500,将其代入式(3)有,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/s2Λ]1/30.915Θ(Θs-Θ)≤ds≤20.42Λ]1/3(4)Θ(Θs-Θ)这就是过渡区粒粒范围判别式。根据设计条件d当≈ds=1.25×10-2矿浆流量为12m3/h时,实际反应器内径m,Θ=1230kg/m3,7×10-2Pa·s所以Θs=3400kg/m3,Λ=2.QD=2×0.564=3.49×10-1mv′间接加热铝土矿溶出反应器,要求传热面积(S)与其体积(V)之比为最大值,即满足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2Λ]1/3=3.0×10-3[Θ(Θs-Θ)采用粒径范围判据判定流态2Λds≥0.915]1/3Θ(Θs-Θ)2Λ]1/3ds≤20.4Θ(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:ViλΣi==3.37minQΛ=1010Φ==2.2032.2.3反应器串联个数的计算Rev0dsΘ由前述简化条件,单一反应器内溶液Αk占挤系数: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d′s=0.11D转化率与一体积为V的大型活塞流反应器所颗粒形状系数:)27(由实验测Ks=2.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定2修正后计算的自由悬浮速度:ds(Θs-Θ)3.62×v=ΦΘKs3′转化率,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:(ds)2=2.375×10-2m/s1-Dds为125Λm的铝土矿(一水硬铝石矿)颗粒,AlOOH(s)+NaOH(l)NaAlO2(l)+H2O(l)-26-其溶出速率方程为: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dc=k1CΑCΒ-k2CΧC∆-AlOOHNAHOdt2量等条件要求,悬浮反应器内径参数应由料当反应平衡时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常数为基准,达到理想溶出率的串联反应器个数由1-xA=1/(1+kΣi)n计算获得。dc=0-dtΧ∆CA(e)CH2O(e)k1=K=CΒ(e)CΑlOOH(e)k2NA由实验结果1,正逆反应结果近似一级:k1=CA(e)K=k2CN(e)溶出反应速率方程:1Cdc=--=k1(CN-A)()5k1CNk2CAdtK不考虑逆反应3,则溶出反应速率方程简化为:-(dc/dt)=k1CN以钢弹高压釜试验为例,某一水硬铝石型铝土矿在Nk=220g/L,Αk=2.99,T=248℃条件下,40min溶出率可达90%。钢弹溶出属间歇式反应,动力学方程与活塞流反应器是相同的,其计算式:符号说明苛性碱浓度铝酸钠浓度第i釜反应物浓度矿物颗粒直径反应器横截面中固体颗粒当量直径之和反应速率常数颗粒形状系数物料流量反应器容积颗粒悬浮速度反应分率阻力系数液体介质粘度液体介质密度固体矿物密度平均停留时间CNCACidd′skKsQVvxAΦΛΘΘs1kt=ln(6)1-xA所以k=1ln1t1-xA1=1ln=5.7×10-2min-1401-0.90按公式2、4:CAn=CA0/(1+kΣi)n1-xA=1/(1+kΣi)n(7)(8)或求得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。参考文献刘今,吴若琼。中南矿冶学院学报,1985,(1):1.(美)HYSohn著,郑蒂基译。提取冶金速率过程。冶金工业出版社,1984.12.KotteJanJ.LightMetals,1981,45.Budapest.SecondlntemationalSymposiumofICSOBAonBAUXITE—ALUMINA—ALU2MINIUM,1969.10.-27-12343结论(1)由于我国铝土矿矿物类型属难溶出的一水硬铝石型,工业氧化铝拜尔法溶出工plaintube,orIt′sheatexchangeareacanbecutdownby43%.Theoverallpressuredropofaircooleroftransverselycorrugatedtubeisaboutasmuchas2timesofplaintube.Themechanismofheattransferenhancementoftransverselycorrugatedtubewasdis2cussed.Keywords:heattransferenhancement,transverselycorrugatedtube,plaintube,aftercoolerofaircompressorDevelopmentofheatexchangernetworksimulationsoftwareanditsapplicationCuiHongxing,LiuWei(LuoyangPetrochemicalEngineeringCorporation,Luoyang471003)Simulationofheatexchangernetworkhasprovedtobeaneffectivemeansforexploringtheworkingstateofanexistingnetworkandtestingtheflexibilityofthenetworkwhensomeprocessconditionsarechanged.Thesimulatorisalsoapowerfulcalculationtoolforprocessengineers.Thissimulatorhasusednewnetworktearingalgorithmandshownfastandstableconvergenceandmorereliability.Itisofgreatvalueforpracticalpurposes.Keywords:heattransfernetwork,simulation,applicationSelectionanddesigncalculationforbauxitedigestionreactorCaoWenzhong,GuSongqing(ZhenzhouLightMetalsResearchInstitute,Zhengzhou4500