隨著世界上有色金屬產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，金屬礦產(chǎn)資源消耗量也逐年增加，目前高品位的金屬資源已經(jīng)供不應(yīng)求，所以一些國家不得不利用伴生資源及低品位資源進(jìn)行有價金屬的提煉[1-2]。而濕法冶金工藝技術(shù)特別適用于處理復(fù)雜的、共伴的和低品位的有色金屬資源，能夠?qū)崿F(xiàn)資源的綜合利用。但是濕法冶金中的常壓浸出過程大多是在室溫或溶液沸點溫度以下的條件下進(jìn)行的，浸出速率往往比較慢，即需要較長的浸出時間，且有價金屬的浸出率偏低[3-5]。為了解決這一問題，許多學(xué)者研究了加壓浸出處理低品位礦石，這種短流程、浸出強(qiáng)化、金屬提取率高等特點的加壓濕法冶金技術(shù)作為現(xiàn)代濕法冶金新興發(fā)展的領(lǐng)域，已廣泛地應(yīng)用于銅、鋅、鎳、鈷、鎢及多種稀貴金屬提取冶金及材料制備等多個方面[6-7]。
硫化礦加壓浸出體系中的氧化過程主要是在液相內(nèi)進(jìn)行的[8-10]。就此而言，氧氣的氣含率以及在液相中的溶解就對氧化浸出過程十分重要了。在硫化礦加壓反應(yīng)的過程中，離散的氣泡有可能聚合成大的氣泡或者大的氣泡分解成離散的小氣泡。氣泡在液體中的氣含率決定了氣液固三相間的接觸程度，進(jìn)而決定了加壓浸出過程中氣液固三相反應(yīng)的最終效果和有價金屬的提取率。 因此，研究氣泡在液相中的行為規(guī)律有助于深入了解硫化礦加壓浸出中現(xiàn)象的物理化學(xué)本質(zhì)，具有十分重要的理論和實際意義[11]。
目前，大多數(shù)學(xué)者[12-13]主要考察常壓下氣泡在液體中的行為，而對加壓下氣泡在液體中的行為研究較少。Letzel et al[14]研究了高壓對氣液鼓泡塔均相泡狀流動穩(wěn)定性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)增加系統(tǒng)的壓力，在不穩(wěn)定點的氣含率就會顯著增加。Liu et al[15]分別討論了中心和偏心攪拌模式下氣體流量、攪拌轉(zhuǎn)速等因素對局部氣含率和平均氣含率的影響，結(jié)果表明，中心雙向攪拌和偏心單向攪拌均可顯著提高氣含率，且后者更有效果。
在高壓釜中模擬硫化礦精礦加壓浸出條件下氧氣氣含率的研究沒有報道。為解決氧利用率低的問題奠定理論指導(dǎo)，本文使用透明石英高壓釜，在高溫高壓條件下，研究了氣液兩相混合狀態(tài)和氣泡在溶液中的行為規(guī)律。該研究有助于掌握硫化礦精礦加壓浸出過程中氧氣溶解調(diào)控機(jī)制，提高生產(chǎn)率和降低運(yùn)行費用，從而指導(dǎo)加壓浸出的生產(chǎn)操作。
2. 實 驗
2.1. 實驗裝置
本實驗使用BCFD 2-0.8型透明石英反應(yīng)釜進(jìn)行水模實驗研究，釜體透明，最大壓力可達(dá)到0.8 MPa，最高溫度可達(dá)到200 K，加熱裝置為循環(huán)油加熱，透明石英反應(yīng)釜示意圖見圖1。
圖1 透明石英加壓反應(yīng)釜：1-氧氣瓶;2-石英釜體;3-出料口;4-轉(zhuǎn)速測定線;5-熱電偶;6-電機(jī);7-加熱線;8-控制柜;9-硅油;10-循環(huán)油浴加熱器
Fig. 1 Transparent quartz autoclave: 1-Oxygen flask; 2-Quartz kettle body; 3-Discharging mouth; 4-Rotating speed measurement line; 5-Thermocouple; 6-Electric motor; 7-Heating wire; 8-Control cabinet; 9-Silicone oil; 10-Circulating oil bath heater
本實驗使用美國DRS公司LIGHT NING RDT型高速攝像機(jī)進(jìn)行氣泡采集研究。圖像采集卡：每秒800幀，分辨率1280x1024。圖像處理機(jī)：普通PC機(jī)、Windows XP操作系統(tǒng)。照明光源采用攝影專用鹵鎢燈，功率為1300w。
2.2. 實驗步驟
在水模試驗時，先往石英反應(yīng)釜中加入一定量的脫氧水，密封好釜體。然后開啟循環(huán)油加熱裝置，根據(jù)研究需要設(shè)定加熱溫度，最后往水模系統(tǒng)充入一定量的氧氣，并確保整個初始系統(tǒng)處于一個穩(wěn)定的壓力水平。通過改變溫度，壓力，攪拌轉(zhuǎn)速及液體濃度等條件，使用高速攝像機(jī)拍照的方式，最后通過Image-Pro-Plus 6.0軟件對拍攝圖進(jìn)行處理，研究了各個條件下石英反應(yīng)釜內(nèi)部氣泡行為狀態(tài)。
氣含率(?)的測定采用的是氣泡平均總體積法-快速攝像技術(shù)，用高速攝像機(jī)對透明石英反應(yīng)釜內(nèi)部氣泡分布進(jìn)行連續(xù)高速拍照，用圖像處理軟件處理來獲取同一截面的氣泡個數(shù)，然后根據(jù)氣泡的平均直徑數(shù)據(jù)來求得氣泡的平均總體積，從而獲得氣含率的平均值。即：
3. 結(jié)果與討論
3.1. 攪拌轉(zhuǎn)速對氣含率的影響
考察了不同攪拌轉(zhuǎn)速對石英透明釜內(nèi)氣泡總體積和氣含率的影響，實驗條件為：溫度為393 K，總壓為0.6 MPa。用高速攝像機(jī)對實驗現(xiàn)象進(jìn)行連續(xù)拍攝，不同條件下的靜態(tài)氣液混合圖如圖2所示。
圖2 不同攪拌速度下的靜態(tài)圖。
Fig. 2 Photos of static phenomenon at different agitation rate: (a) 400 r/min, (b) 500 r/min, (c) 600 r/min, (d) 700 r/min.
對圖2的靜態(tài)圖應(yīng)用Image-Pro-Plus軟件和Origin軟件進(jìn)行處理，實驗處理結(jié)果分別如圖3和圖4所示。
圖3 不同攪拌速度對氣泡總體積的影響。
Fig. 3 Effect of different agitation rate on the total volume of bubble: (a) 400 r/min, (b) 500 r/min, (c) 600 r/min, (d) 700 r/min.
由圖3可知，攪拌速度對釜內(nèi)氣泡總體積的影響顯著，在同一溫度和壓力條件下，攪拌轉(zhuǎn)速越快，石英透明釜內(nèi)的氣泡總體積越高。這是因為，攪拌槳附近流體在葉輪的作用下作圓周運(yùn)動，所產(chǎn)生的離心力對石英透明釜內(nèi)部氣體產(chǎn)生抽吸，隨著攪拌轉(zhuǎn)速增加，產(chǎn)生的抽吸力隨之變大，最終使得釜內(nèi)氣泡總體積增加。
圖4 不同攪拌速度對氣含率的影響。
Fig. 4 Effect of different agitation rate on the gas holdup.
由圖4可見，隨攪拌轉(zhuǎn)速由 400 r/min 提高至 700 r/min，氣含率不斷增大，由0.137%增大至0.56%。
3.2 溫度對氣含率的影響
在不同溫度條件下，脫氧水具有不同的蒸氣壓值。為在設(shè)定氧分壓條件下得到溫度影響氣含率及氧溶解率的規(guī)律的正確信息，首先測定了不同溫度條件下1.0 L的脫氧水在石英透明釜內(nèi)的蒸氣壓。在對脫氧水蒸氣壓測定基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在氧分壓 0.6 MPa，攪拌速度600 r/min條件下，考察了不同溫度對石英透明釜內(nèi)氣泡總體積和氣含率的影響，用高速攝像機(jī)對實驗現(xiàn)象進(jìn)行連續(xù)拍攝，不同條件下的靜態(tài)氣液混合圖如圖5所示。
圖5 不同溫度條件下的靜態(tài)圖。
Fig. 5 Photos of static phenomenon at different temperature: (a) 60 ℃, (b) 90 ℃, (c) 120 ℃, (d) 150 ℃.
對圖5的靜態(tài)圖應(yīng)用Image-Pro-Plus軟件和Origin軟件進(jìn)行處理，實驗處理結(jié)果分別如圖6和圖7所示。
圖6 不同溫度對氣泡總體積的影響。
Fig. 6 Effect of different temperature on the total volume of bubble: (a) 333 K, (b) 363 K, (c) 393 K, (d) 423 K.
由圖6可知，在同一攪拌轉(zhuǎn)速和氧分壓條件下，隨著溫度的升高，石英透明釜內(nèi)的氣泡總體積也逐步增加。但在水的沸點(373K)以下，氣泡總體積增加緩慢。從333K到363K，氣泡總體積增幅為19%，而從393K到423K，氣泡總體積增幅可達(dá)到68%，沸點以上的氣泡總體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沸點以下增幅。
圖7 不同溫度對氣含率的影響。
Fig. 7 Effect of different temperature on the gas holdup.
由圖7可見，隨溫度由 333 K 提高至 423 K，氣含率不斷增大，由0.27%增大至0.72%。
3.3 氧氣分壓對氣含率的影響
針對于實際的工業(yè)過程中，很多都是在高壓下進(jìn)行，壓力是影響體系流體力學(xué)非常重要的因素之一。因此在溫度為413 K，攪拌速度600 r/min條件下，考察了不同氧氣分壓對石英透明釜內(nèi)氣泡總體積和氣含率的影響，用高速攝像機(jī)對實驗現(xiàn)象進(jìn)行連續(xù)拍攝，不同條件下的靜態(tài)氣液混合圖如圖8所示。
圖8 不同氧分壓條件下的靜態(tài)圖。
Fig. 8 Photos of static phenomenon at different oxygen partial pressure: (a) 0.2 MPa, (b) 0.4 MPa, (c) 0.6 MPa, (d) 0.8 MPa.
對圖8的靜態(tài)圖應(yīng)用Image-Pro-Plus軟件和Origin軟件進(jìn)行處理，實驗處理結(jié)果分別如圖9和圖10所示。
圖9 不同氧分壓對氣泡總體積的影響。
Fig. 9 Effect of different oxygen partial pressure on the total volume of bubble: (a) 0.2 MPa, (b) 0.4 MPa, (c) 0.6 MPa, (d) 0.8 MPa.
由圖9可知，在同一攪拌轉(zhuǎn)速和溫度條件下，隨著氧分壓的增加，石英透明釜內(nèi)的氣泡總體積也逐步增加。這可能由于壓力改變了氣相密度，增加了氣液接觸的動量和降低氣泡穩(wěn)定性，改變了氣泡間的聚并和破裂平衡，從而影響了氣泡總體積。
Fig. 10 Effect of different oxygen partial pressure on the gas holdup.
由圖10可見，隨氧分壓由 0.2 MPa 提高至 0.8 MPa，氣含率不斷增大，由0.376%增大至0.584%。
3.4. 建立氣含率數(shù)學(xué)模型
結(jié)合上述實驗結(jié)果可知，石英透明釜內(nèi)氣含率ε的大小主要受以下因素的影響：
(1) 氣含率ε隨著攪拌速度n的增加而增加，即ε∝na;
(2) 氣含率ε隨著溫度T的增加而增大，可以寫成ε∝Tb;
(3) 氣含率ε隨著氧分壓Pg的增加而增大，可以寫成ε∝Pgc;
(4) 總結(jié)前人對氣泡的研究還發(fā)現(xiàn), 氣含率和釜內(nèi)直徑D、液面高度H、氣體密度 ρg、氣體黏度 μg、氣液表面張力 σg-l、液體密度 ρl 和液體黏度 μl等因素有關(guān), 但它們在本實驗中為定值, 所以不再討論。
為了將熱力學(xué)溫度T轉(zhuǎn)化到L-M-T量綱系統(tǒng)中，需要將熱力學(xué)溫度轉(zhuǎn)換為統(tǒng)計力學(xué)溫度β。根據(jù)β的定義式可知其量綱為能量量綱的倒數(shù)，即：
[β]=M-1L-2T2 (2)
式中 M 為質(zhì)量的量綱，單位kg;L 為長度的量綱, 單位m;T 為時間的量綱，單位s。
因此，如果采用統(tǒng)計熱力學(xué)溫度來描述物體的冷熱程度，那么其量綱就可以由M、L和T導(dǎo)出。統(tǒng)計熱力學(xué)溫度β與熱力學(xué)溫度的關(guān)系可以用關(guān)系式(4)表示：
表1 變量量綱表
Table 1 Dimension of variable
由π定理的分析原理可以知道，總變量數(shù)n=11，獨立變量數(shù)k=3，可建立n-k=8個無量綱組合量。選取d、ρl、μl為獨立變量，此外ε為無量綱的量，可直接表示，經(jīng)過分析可得，各個無量綱的Π分別表示為：
表2 實驗數(shù)據(jù)
Table 2 Experimental data
Fig. 11 Relationship between lnε and (a) ln(n/d-2ρl-1μl), (b) ln(β/d-1ρlμl-2), (c) ln(β/d-1ρlμl-2)
由Fig. 11中擬合所得到的斜率可以求得擬合系數(shù)：a=2.501, b=-4.36335, c=0.28654. 所以可以將式(16)簡化為：
3. 結(jié)論
本文研究了攪拌速度、溫度、氧分壓對氧氣的氣含率的影響。各種實驗條件對氣含率的影響顯著，本研究可作以下結(jié)論：
1)在溫度為403 K，氧分壓為0.6 MPa的實驗條件下，當(dāng)攪拌速度從400 r/min上升到700 r/min時，氣含率從0.137%上升到0.56%。
2)在攪拌速度為600 r/min，氧分壓為0.6 MPa的實驗條件下，當(dāng)溫度從333 K提高到423 K時，氣含率從0.27%上升到0.72%，如果在水溶液的沸點以上，氣含率的增長幅度則高于沸點以下水溶液的增長幅度。
3)在攪拌速度為600 r/min，溫度為403 K的實驗條件下，當(dāng)氧分壓從0.2 MPa增加至0.8 MPa，氣含率從0.376%上升到0.584%。結(jié)果表明，氧分壓的增加有利于氧在水溶液中的氣含率。
4)按均相原理和布金漢定理建立相似準(zhǔn)則的關(guān)系，然后根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和相似理論，用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出了氣含率的經(jīng)驗公式。確定式其標(biāo)準(zhǔn)方程：
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聲明：
“硫化礦加壓浸出條件下氧氣氣含率的研究” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：東北大學(xué)
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