剛柔組合槳攪拌反應器強化錳礦浸出的中試試驗研究

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(chǎn)能力。錳礦浸出槽內(nèi)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(xiàn)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(xiàn)錳礦高效浸出的有效手段。

研究發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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(nèi)柔性攪拌槳和剛性攪拌槳的混合性能，發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(nèi)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(chǎn)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(jù)。

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(nèi)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(nèi)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(shù)和初始讀數(shù)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(shù)據(jù)

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(shù)為0 kW·h。試驗過程中攪拌槽內(nèi)Mn2+的濃度以及相應電耗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)

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(shù)為31.8 kW·h。試驗過程中攪拌槽內(nèi)Mn2+的濃度以及相應電耗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)

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(shù)為111.5 kW·h。試驗過程中攪拌槽內(nèi)Mn2+的濃度以及相應電耗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)

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(shù)為176 kW·h。試驗過程中攪拌槽內(nèi)Mn2+的濃度以及相應電耗數(shù)據(jù)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(jīng)歷的時間為浸出時間。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)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。