生物氧化預(yù)處理氧化槽內(nèi)氣液混合相的密度機(jī)理模型

賈愛迪，高丙朋，徐媛媛

(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

生物氧化預(yù)處理氧化槽內(nèi)氣液混合相的密度機(jī)理模型

賈愛迪，高丙朋*，徐媛媛

(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

在新疆高寒高海拔地區(qū)生物氧化提金預(yù)處理的研究中，用機(jī)理建模法建立了氧化槽內(nèi)氣液混合相的密度機(jī)理數(shù)學(xué)模型。經(jīng)過對(duì)氧化槽內(nèi)氣液兩相的混合密度進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，擬合出礦區(qū)環(huán)境溫度、礦區(qū)大氣壓強(qiáng)以及礦漿質(zhì)量濃度對(duì)氧化槽內(nèi)氣液兩相的混合密度的影響曲線，提出了一種對(duì)氧化槽設(shè)備的改進(jìn)方案。結(jié)果表明，氧化槽內(nèi)氣液兩相的混合密度與礦區(qū)環(huán)境溫度以及礦漿質(zhì)量濃度成正比例關(guān)系，而與礦區(qū)大氣壓強(qiáng)成反比例關(guān)系；改進(jìn)后的氧化槽設(shè)備可提高生物氧化反應(yīng)的速度和效率。

生物氧化；金礦；氣液混合相；混合密度；密度機(jī)理模型

生物氧化提金工藝受到多種因素的影響和制約，是涉及熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、生物化學(xué)以及電化學(xué)等多門學(xué)科的復(fù)雜工藝[1-2]，生物氧化預(yù)處理工藝是有效提高生物氧化提金效率的前期處理工藝技術(shù)，其影響因素[3-5](如溫度、礦漿pH值、氧化還原電位(ORP)、空氣量、磨礦細(xì)度以及礦漿濃度等)的分析研究在不斷的深入，已經(jīng)得到了很多最優(yōu)參數(shù)范圍，例如，生物氧化預(yù)處理工藝中礦漿質(zhì)量濃度的最優(yōu)范圍為15%～20%[6]；最有利于氧化槽內(nèi)生物氧化反應(yīng)的背景溫度為42℃等[7]。目前，對(duì)生物氧化預(yù)處理氧化槽內(nèi)溫度場(chǎng)的建模與數(shù)值模擬的研究在漸漸深入，也有學(xué)者進(jìn)行了一些細(xì)菌氧化機(jī)理、動(dòng)力學(xué)過程的研究[8-9]，而對(duì)于生物氧化預(yù)處理氧化槽內(nèi)密度場(chǎng)的建模與數(shù)值模擬仍然有待完善，因此，必須研究生物氧化預(yù)處理過程中氧化槽內(nèi)氣液混合相的密度，從而為槽內(nèi)密度場(chǎng)的建立與分析奠定基礎(chǔ)。

本文通過建立氧化槽內(nèi)氣液兩相的密度機(jī)理模型，從而得到高寒環(huán)境、晝夜溫差較大的工況[3,10]下氣液兩相的混合密度的影響參數(shù)以及變化趨勢(shì)，為生物氧化預(yù)處理氧化槽內(nèi)密度場(chǎng)的數(shù)值模擬奠定了基礎(chǔ)；同時(shí)，該模型也為研究生物氧化預(yù)處理過程中氧化還原電位(ORP)與氧化槽內(nèi)氣液混合相密度之間的影響關(guān)系提供了理論支撐，為生物氧化提金預(yù)處理工藝控制系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1 生物氧化提金預(yù)處理工藝

生物氧化預(yù)處理工藝是利用細(xì)菌作催化劑對(duì)包裹目的元素的礦石進(jìn)行氧化，從而使得非目標(biāo)元素被氧化成離子進(jìn)入溶液中被處理回收，以便于得到暴露在氧化渣中的目標(biāo)元素進(jìn)行下一步處理，大大提高了金的浸出率。

圖1所示為生物氧化預(yù)處理氧化槽，槽體直徑10 m，高10 m，一般液位控制在9 m(溢漿口高度)。生物氧化預(yù)處理過程中空壓機(jī)不斷的向氧化槽內(nèi)的液相礦漿通入空氣，由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，空氣從氧化槽底部進(jìn)入，經(jīng)攪拌電機(jī)攪拌后均勻分布于礦漿中，如此，在氧化槽內(nèi)部呈現(xiàn)復(fù)雜的氣液兩相混合反應(yīng)狀態(tài)[11-12]。

圖1 生物氧化預(yù)處理過程氧化槽工藝Fig.1 Oxidation tank artwork of bio-oxidation pretreatment

2 氧化槽內(nèi)氣液混合相密度機(jī)理數(shù)學(xué)模型

生物氧化預(yù)處理氧化槽內(nèi)是礦漿溶液與所通入空氣同時(shí)存在的氣液兩相流，由于槽內(nèi)有攪拌電機(jī)在進(jìn)行攪拌，可以視槽內(nèi)氣液兩相混合液是均勻的，因此，其氣液混合相的密度為：

其矩陣形式為：

式(2)中，ρ為氧化槽內(nèi)氣液混合相的混合密度；ρg為氧化槽內(nèi)氣相密度；ρl為氧化槽內(nèi)礦漿溶液密度；α為氧化槽內(nèi)氣相含率。

2.1 解析氣相密度ρg

氣相密度定義為氧化槽內(nèi)氣相質(zhì)量與氧化槽內(nèi)氣液兩相體積之比。在生物氧化預(yù)處理過程中，向氧化槽內(nèi)通入一定質(zhì)量空氣的同時(shí)，槽內(nèi)生物化學(xué)反應(yīng)消耗了一定質(zhì)量的氧氣，由此，可以得到理論氣相密度：

式(3)中，Q為槽內(nèi)單位時(shí)間通入空氣的質(zhì)量；Qg為槽內(nèi)生物化學(xué)反應(yīng)單位時(shí)間所消耗的氧氣質(zhì)量；H為槽內(nèi)液面高度；v為槽內(nèi)氣相的氣升速度；V為槽內(nèi)氣液兩相體積。

2.2 解析液相密度ρl

生物氧化預(yù)處理過程中氧化槽內(nèi)的液相為調(diào)配好的一定質(zhì)量濃度的礦漿，所占體積仍然是氣液兩相體積，因此，氧化槽內(nèi)液相礦漿的密度為：

式(4)中，ms為氧化槽內(nèi)含砷難處理金礦石的質(zhì)量；Cl為經(jīng)配礦調(diào)漿后的礦漿的質(zhì)量濃度。

2.3 解析氣相含率α

氧化槽內(nèi)氣液兩相在攪拌電機(jī)作用下均勻混合，同時(shí)存在，理論上氣液混合相中氣相含率：

式(5)中，Vg為氧化槽內(nèi)所含氣相體積；P為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?；Pb為生物化學(xué)反應(yīng)背景壓力；T為當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度(開氏溫度)；Tb為生物化學(xué)反應(yīng)背景溫度(開氏溫度)。

將解析公式(3)、(4)、(5)均代入式(1)進(jìn)行合并整理，從而得到了生物氧化預(yù)處理氧化槽內(nèi)氣液混合兩相的密度機(jī)理模型：

通過分析生物氧化預(yù)處理過程中的氧化槽內(nèi)氣液兩相的混合密度機(jī)理模型，從式(6)可以看出該混合密度存在多方面影響因素，基于新疆高寒高海拔地區(qū)金礦的工程實(shí)際特性，選取礦區(qū)環(huán)境溫度T、礦區(qū)大氣壓強(qiáng)P以及礦漿質(zhì)量濃度Cl作為目標(biāo)影響因素進(jìn)行分析研究，從而得到礦區(qū)海拔較高，壓強(qiáng)較低以及晝夜溫差大等特性對(duì)氧化槽內(nèi)氣液混合相密度的影響。

3 變量參數(shù)對(duì)氣液兩相混合密度的影響

利用工程實(shí)際中的參數(shù)，可以擬合出生物氧化預(yù)處理工藝的礦區(qū)環(huán)境溫度、礦區(qū)大氣壓強(qiáng)以及礦漿質(zhì)量濃度等影響參數(shù)變化對(duì)氧化槽內(nèi)氣液兩相的混合密度的影響曲線。以新疆某高寒地區(qū)的含砷難處理金礦為工程背景，該礦區(qū)緯度較高，地形屬于干旱半干旱北溫帶戈壁緩丘，地勢(shì)平坦，海拔高度約1300 m；該礦區(qū)屬于典型的大陸性氣候，晝夜溫差較大，年平均氣溫在8.5～10.5℃，最高溫度為42℃，而最低溫度為-35℃，其生物氧化預(yù)處理工藝參數(shù)如表1所示。

表1 生物氧化預(yù)處理參數(shù)Tab.1 Biological oxidation pretreatment parameters

生物氧化預(yù)處理工藝氧化槽內(nèi)安裝有冷水盤管與熱水盤管，用來調(diào)節(jié)氧化槽內(nèi)背景溫度，溫度低于理想值時(shí)開啟熱水盤管加熱，而當(dāng)溫度高于理想值時(shí)開啟冷水盤管降溫，從而使得反應(yīng)在最適宜溫度下進(jìn)行，得到較高的生物氧化效率。雖然氧化槽內(nèi)背景溫度可以基本維持恒定，但是由于氧化槽體積較大，均在室外放置，因此環(huán)境溫度對(duì)氧化槽內(nèi)氣液兩相的密度有較大的影響，而該礦區(qū)晝夜溫差較大，使得氧化槽內(nèi)氣液混合相的氣相含率受進(jìn)氣溫度影響，同時(shí)也影響了氣液兩相的混合密度。根據(jù)已知參數(shù)以及密度機(jī)理模型(式(2)～(5))擬合出氧化槽內(nèi)礦漿濃度分別為15%、18%及20%時(shí)對(duì)應(yīng)氣液兩相的混合密度隨礦區(qū)環(huán)境溫度T變化的曲線，如圖2所示。

圖2 密度隨礦區(qū)環(huán)境溫度的變化曲線Fig.2 The curve between density and environment temperature

由圖2可知，生物氧化預(yù)處理過程中，氧化槽內(nèi)礦漿質(zhì)量濃度為15%時(shí)對(duì)應(yīng)的密度大，而20%時(shí)對(duì)應(yīng)的密度卻??；且氣液兩相的密度隨溫度的升高而減小。

中國(guó)是擁有生物氧化提金礦廠最多的國(guó)家，各廠所在地理位置對(duì)應(yīng)的海拔高度不同，對(duì)應(yīng)的各礦區(qū)大氣壓強(qiáng)也不同(海拔越高，壓強(qiáng)越低)。因此，生物氧化預(yù)處理氧化槽內(nèi)氣液兩相的混合密度也會(huì)發(fā)生改變。假設(shè)廠區(qū)位置分布于海平面(0 m)到海拔高度(1300 m)之間，其對(duì)應(yīng)的大氣壓強(qiáng)則從101325 Pa減小到84854 Pa，根據(jù)已知參數(shù)以及密度機(jī)理模型(式(2)～(5))，可得到密度隨不同海拔高度的礦區(qū)大氣壓強(qiáng)的變化曲線，如圖3所示。

圖3 密度隨礦區(qū)大氣壓強(qiáng)的變化曲線Fig.3 The curve between density and atmospheric pressure

由圖3可知，氧化槽內(nèi)氣液兩相的密度隨氣壓的增大而增大；當(dāng)氣壓變化18 kPa，即海拔變化1300 m，對(duì)應(yīng)的密度變化了僅僅0.001 kg/m3，可見，礦區(qū)大氣壓強(qiáng)對(duì)氧化槽內(nèi)氣液混合相的密度影響非常小，因此，礦區(qū)所在位置的海拔因素影響變得很小，在分析時(shí)考慮權(quán)重也可以變小。

工程實(shí)際中對(duì)難處理金精礦的生物氧化預(yù)處理，需要將礦漿質(zhì)量濃度Cl調(diào)配在理論最優(yōu)范圍內(nèi)(即15%～20%)[9]，可見，當(dāng)?shù)V漿質(zhì)量濃度不同時(shí)對(duì)應(yīng)氧化槽內(nèi)氣液兩相的混合密度也會(huì)有所不同。根據(jù)已知參數(shù)以及密度機(jī)理模型(式(2)～(5))擬合出礦區(qū)環(huán)境溫度分別為最低溫238 K和最高溫315 K時(shí)氧化槽內(nèi)氣液兩相的混合密度受礦漿質(zhì)量濃度變化的影響曲線，如圖4所示。

圖4 密度ρ隨礦漿質(zhì)量濃度Cl的變化曲線Fig.4 The curve between density and mass concentration

由圖4可知，礦區(qū)環(huán)境溫度較低時(shí)混合相密度較溫度較高時(shí)的大，且氧化槽內(nèi)氣液兩相的密度隨礦漿濃度的增大而減??；當(dāng)?shù)V漿濃度變化 5%，對(duì)應(yīng)的密度變化400 kg/m3，由變化幅值可見，礦漿質(zhì)量濃度對(duì)氧化槽槽內(nèi)氣液混合相的密度影響較大，必須要作為其影響因素在工程實(shí)際中加以考慮。

4 對(duì)氧化槽設(shè)備的改進(jìn)

基于氧化槽內(nèi)氣液混合相的密度影響因素的分析，為減小晝夜溫差極大的礦區(qū)環(huán)境溫度對(duì)槽內(nèi)氣液混合相密度的影響，可以在空氣進(jìn)入氧化槽之前對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱保溫處理，使其保持工藝要求的最適宜溫度(一般為42 )℃。在進(jìn)氣管外嵌套一個(gè)恒溫水管，并加上保溫層進(jìn)行保溫，可達(dá)到預(yù)熱進(jìn)氣溫度的目的；為使得氧化槽內(nèi)進(jìn)入的礦漿質(zhì)量濃度盡量保持在工藝參數(shù)最優(yōu)值(一般為 18%)參加反應(yīng)，可以將氧化槽設(shè)備原本的頂部進(jìn)漿改為底部進(jìn)漿。如此，最優(yōu)濃度的礦漿進(jìn)入氧化槽后便可及時(shí)在富氧區(qū)活躍細(xì)菌的催化作用下開始反應(yīng)，在攪拌作用下反應(yīng)更加充分快速，則同時(shí)提高了細(xì)菌生物氧化反應(yīng)的速度和效率，也縮短了反應(yīng)時(shí)間，可提高工藝經(jīng)濟(jì)性。改進(jìn)后的氧化槽設(shè)備如圖5所示(注：只更改氧化槽設(shè)備，并不改變生物氧化預(yù)處理工藝流程)。與圖1進(jìn)行比較，改進(jìn)部分為給進(jìn)氣管外加了恒溫?zé)崴?，將進(jìn)漿管由氧化槽頂部更改為底部。

圖5 改進(jìn)后的氧化槽設(shè)備Fig.5 The improved oxidation tank equipment

對(duì)氧化槽設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)后，可降低礦區(qū)環(huán)境溫度以及礦漿質(zhì)量濃度變化對(duì)槽內(nèi)氣液混合相密度的影響，進(jìn)而使該混合密度盡量作為一個(gè)穩(wěn)定的物性參數(shù)在生物氧化反應(yīng)中體現(xiàn)，故混合密度的變化對(duì)細(xì)菌生物氧化反應(yīng)的干擾系數(shù)會(huì)越小，對(duì)反應(yīng)速度與效率的影響也就越小。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)新疆高寒高海拔地區(qū)生物氧化提金預(yù)處理工藝過程的研究，得到了生物氧化預(yù)處理過程中氧化槽內(nèi)氣液混合相的密度機(jī)理數(shù)學(xué)模型。結(jié)合氣液兩相流的混合密度公式分析獲得了礦區(qū)環(huán)境溫度T、礦區(qū)大氣壓強(qiáng)P以及礦漿質(zhì)量濃度Cl對(duì)氧化槽內(nèi)氣液兩相的混合密度ρ變化的影響關(guān)系，并據(jù)此對(duì)氧化槽設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)。這些工作為氧化槽內(nèi)密度場(chǎng)的建立以及數(shù)值模擬研究提供了理論支持，在后續(xù)的研究中將以該密度模型為基礎(chǔ)，分析生物氧化預(yù)處理過程中氧化還原電位(ORP)與氧化槽內(nèi)氣液混合相的密度之間的關(guān)系，從而進(jìn)一步揭示高寒高海拔地區(qū)生物氧化還原反應(yīng)的內(nèi)在規(guī)律和特點(diǎn)，促進(jìn)生物氧化提金技術(shù)的發(fā)展和完善。

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Density Mechanism Model on Gas-liquid Mixing Phase in the Oxidation Tank of Biological Oxidation Pretreatment

JIA Aidi, GAO Bingpeng*, XU Yuanyuan
(Eelectrical Engineer School, Xinjiang University, Urumqi 830047, China )

In the research of biological oxidation gold pretreatment to recovere gold from the cold and high areas in Xinjiang, a gas-liquid mixing phase density model by the mechanism modeling method was established. By the calculation of the gas-liquid mixing phase density in the oxidation tank, the fitting curve that the influence of environment temperature, atmospheric pressure and mass concentration to mixture density was resulted, and the oxidation tank equipment improvement was developed. The results show that there are direct proportion relationship between mixture density with environment temperature and mass concentration. But there are inverse proportion relationship between mixture density and atmospheric pressure. This modified oxidation tank equipment can improve the reaction speed and efficiency of biological oxidation reaction.

biological oxidation; gold mine; gas-liquid mixing phase; mixture density; density mechanism model

TF831

：A

：1004-0676(2016)03-0046-05

2015-11-15

新疆自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2012211A004)。

賈愛迪，女，碩士研究生，研究方向：軟測(cè)量建模及工業(yè)控制優(yōu)化。E-mail: 654615992@qq.com

*通訊作者：高丙朋，男，博士，副教授，研究方向：智能控制與系統(tǒng)開發(fā)及PLC應(yīng)用。E-mail: 155258792@qq.com