2019, Vol. 40
随着氧化铝工业的迅速发展, 赤泥排放量日渐增多, 赤泥的综合利用已成为全世界共同关注的一大问题[1].拜耳法生产氧化铝过程中, 赤泥的平衡固相为水合硅铝酸盐, 氧化硅含量的升高会导致Al2O3及苛碱的损失增加, 其中氧化铝的损失量与氧化硅含量的理论比例约为1:1, 而实际生产多大于1:1的比例关系, 拜耳法生产1t氧化铝, 将产生0.6~2.5 t含碱较高的赤泥, 无法直接利用, 大量赤泥的堆存带来了严重的环境危害.另外, 我国铝土矿资源逐渐贫化, 处理低铝硅比铝土矿生产氧化铝, 其氧化铝溶出率低, 经济效益较低, 同时, 生产过程产生的赤泥量也会随之升高[2-4].
为实现低成本、大规模利用赤泥及低品位铝土矿, 东北大学经多年研究提出了钙化-碳化法处理低品位铝土矿(赤泥)生产氧化铝的新方法[5-7].该方法首先通过钙化过程将赤泥或铝土矿中的硅全部转化为水化石榴石, 之后利用CO2分解水化石榴石得到主要组成为硅酸钙、碳酸钙及氢氧化铝的混合物, 再通过低温溶铝即可得到主要成分为硅酸钙和碳酸钙的新型结构赤泥, 该新型结构赤泥理论上不含碱、不含铝, 实现了赤泥的低成本大规模无害化处理.
碳化过程是该方法的关键环节, 本文围绕该过程的反应工程学这一关键科学问题进行研究.为达到良好的气泡微细化及分布效果, 强化碳化过程, 在单级文丘里式反应器的基础上[8], 课题组设计并制作了“三级错流文丘里式射流反应器”.本文在空气-水体系下进行水模型实验研究, 考察操作条件对反应器中的气泡行为的影响.碳化过程的气含率和气泡上升速度是重要的参数[9-11], 其对床层内的流型、气液接触面积、反应速率等其他流体力学参数有重要影响, 是反应器设计必不可少的重要参数, 也是表征气液固三相反应器流体力学的重要参数.利用气含率、表观气速和平均气泡直径, 可求得气相平均停留时间和气液界面接触面积, 得到了局部气含率和气泡上升速度的变化规律, 可为低品位铝土矿及赤泥钙化-碳化新方法提供理论和实验依据.
1 实验部分 1.1 实验装置根据几何相似和动力学相似[12]建立水模型实验装置, 实验装置示意图如图 1所示.液体由储液罐经泵依次流经各级反应器, 气体同时从各级反应器下部进入反应器内, 在文丘里射流器的作用下, 对液相进行充分搅拌并实现气液两相的充分接触.
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图 1 实验装置图 Fig.1 Schematic of experimental equipment |
本文采用多通道电导探针对气泡行为进行测量, 其通过测量气液混合物中电导率的变化进而反映出气相的变化过程, 将电导率的变化转换为电信号, 最终经过计算机的采集处理得到局部气含率和气泡上升速度等参数[13-14].
气含率的计算式为
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(1) |
其中:t为时间; ti为探针在第i个气泡中的时间.
气泡速度v计算公式为
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(2) |
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图 2 电脑探针测量原理 Fig.2 Measurement principle of conductivity probe |
实验条件:表观液速1.658 m/s, 前两级表观气速7.077 m·s-1, 测量第三级反应器中距反应器底部50 cm处气含率.
由图 3可知, 表观气速从7.077 m·s-1增加到21.231 m·s-1的过程中, 气含率从11.89%增加到22.33%, 气含率随表观气速的变化呈线性增加趋势.
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图 3 不同表观气速下的气含率 Fig.3 Gas holdup at different superficial gas velocities |
由图 3中曲线的变化趋势可知, 在其他影响因素不变的情况下, 增大表观气速会导致气含率增加.这是因为气体流量的增大会使气泡数量增多, 同时气速的增大使流体的湍动程度加剧, 气泡破碎的几率变大, 导致气泡尺寸变小, 气泡上升速度变慢, 从而气泡的停留时间增加, 气含率变大.
2.1.2 表观液速对气含率的影响实验条件:前两级表观气速为7.077 m·s-1, 第三级表观气速21.231 m·s-1的条件下, 测量第三级反应器中距反应器底部50 cm处气含率.
由图 4可知, 气含率随表观液速的增加而逐渐降低.在表观液速小于1.658 m·s-1时, 气含率下降缓慢, 由25.456%降至22.326%;在表观液速大于1.658 m·s-1时, 气含率迅速下降, 由22.326%降至17.520%.
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图 4 不同表观液速下的气含率 Fig.4 Gas holdup at different superficial liquid velocities |
随着表观液速的增加, 一方面, 流体的湍动程度加剧, 大气泡破裂趋势增加, 气泡直径减小, 气泡上升速度减小, 导致气含率增加; 另一方面, 在气体流量一定的情况下, 表观液速的增大导致气体上升速度迅速增加, 二者综合作用下, 气含率呈逐渐下降趋势.
2.1.3 气含率的轴向分布实验条件:表观液速1.658 m·s-1, 前两级表观气速7.077 m·s-1, 在第三级表观气速为14.154, 21.231 m·s-1时, 测量第三级反应器中不同轴向高度的气含率.由图 5可以看出, 气含率随反应器轴向高度的增加逐渐增大.
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图 5 不同轴向位置的气含率 Fig.5 Gas holdup in different axial position |
气体由射流口高速进入反应器内, 在反应器内距底部较近的地方, 气体上升速度较大, 气含率较小; 在距底部较远的地方, 气泡直径较大, 气泡上升速度的减小, 导致气含率增大.
2.1.4 各级反应器的气含率实验条件:表观气速7.077 m·s-1, 表观液速分别为1.216, 1.658 m·s-1的条件下, 测量各级反应器中的气含率.实验结果如图 6所示.
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图 6 各级反应器中的气含率 Fig.6 Gas holdup at different stage of the reactor |
反应器中的气含率随反应器级数的增加逐渐增大.流体由第一级到第二级再到第三级, 虽然气泡平均直径和气泡上升速度逐级递增, 导致气含率减小, 但随着流体的流动, 前一级的气体会有一部分进入后一级反应器, 进入反应器时的气体量逐级递增, 最终导致总的气含率呈递增趋势.
2.2 气泡上升速度的研究 2.2.1 表观气速对气泡上升速度的影响实验条件:表观液速1.658 m/s, 前两级表观气速7.077 m·s-1, 改变第三级反应器的表观气速, 测量第三级反应器中距反应器底部50 cm处的气泡上升速度.
由图 7可以看出, 在表观气速小于17.693 m·s-1时, 气泡上升速度呈线性增加, 并在气速为17.693 m·s-1时达到最大值, 为0.888 m·s-1, 之后略有减小.
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图 7 不同表观气速下的气泡上升速度 Fig.7 Bubble rising velocity at different superficial gas velocities |
表观气速增加, 气体进入反应器时的速度增大, 在液体流量一定时, 从入口处进入的气体量增加, 气液混合体系的密度减小, 整体上升速度增加, 气泡上升速度随之增加.当表观气速增加到一定值后, 气体搅动作用加强, 流体湍动剧烈, 大气泡破裂的趋势逐渐增加, 气泡直径减小, 气泡上升过程受到的阻力增大, 气泡上升速度略有减小.
2.2.2 表观液速对气泡上升速度的影响实验条件:前两级表观气速为7.077 m·s-1, 第三级表观气速21.231 m·s-1的条件下, 改变表观液速, 测量第三级反应器中距反应器底部50 cm处的气泡上升速度.
由图 8可以看出, 在表观液速0.995 m·s-1时, 气泡上升速度最小, 为0.855 m·s-1, 随表观液速的增加, 气泡上升速度略有增加; 表观液速在1.216 ~1.658 m·s-1时, 气泡上升速度略有下降; 表观液速大于1.658 m·s-1时, 气泡上升速度迅速增大.
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图 8 不同表观液速下的气泡上升速度 Fig.8 Bubble rising velocity at different superficial liquid velocities |
表观液速增加, 反应器中流体向上的速度增加, 从而带动气泡向上运动, 导致气泡上升速度增加, 但表观液速增加, 会使流体湍动加剧, 气泡易破碎形成小气泡, 导致气泡上升速度减小, 在二者的相互作用下, 一定范围内, 随表观气速的增加, 气泡上升速度有小幅度波动.在表观液速超过一定值后, 流体向上运动速度的增加为主导因素, 导致气泡上升速度迅速增加.
2.2.3 气泡上升速度的轴向分布实验条件:表观液速1.658 m·s-1, 前两级表观气速7.077 m·s-1, 在第三级表观气速为14.154, 21.231 m·s-1时, 测量第三级反应器中不同轴向高度的气泡上升速度.由图 9可以看出, 气泡上升速度随反应器轴向高度的增加逐渐减小.
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图 9 气泡上升速度的轴向变化 Fig.9 Bubble rising velocity in different axial position |
气体由射流口进入反应器, 在反应器内不断上升的过程中, 由于其速度大于液体向上流动的速度, 上升过程中会受到液体的阻力, 从而导致越往上气泡上升速度越小.
2.2.4 各级反应器中的气泡上升速度实验条件:表观气速为7.077 m·s-1, 表观液速分别为1.216, 1.658 m·s-1的条件下, 测量各级反应器中的气泡上升速度.由图 10可以看出, 反应器中的气泡上升速度第三级>第二级>第一级.
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图 10 各级反应器中的气泡上升速度 Fig.10 Bubble rising velocity at different stage |
因为液体由第一级到第二级再到第三级, 所以进入各级反应器的气体量第三级>第二级>第一级.由于进入气体量的增加, 导致进入反应器时的流体密度减小, 在流量一定的情况下, 流体向上流动的速度增大, 气泡上升速度增加, 从而第三级气泡上升速度最大, 第一级气泡上升速度最小.
3 结论1) 气含率研究实验中, 在表观液速为1.658 m·s-1时, 增大表观气速, 气含率呈近似线性增加.增大表观液速, 气含率逐渐减小, 在表观液速较大时, 下降较快.不同级反应器中, 后一级的气含率大于前一级.反应器内随轴向高度增加, 局部气含率逐渐增大.
2) 气泡上升速度研究实验中, 增加表观气速, 气泡上升速度逐渐增大, 在17.693 m·s-1时, 达到最大值, 之后略有减小；增加表观液速, 气泡上升速度逐渐增大；各级反应器中，后一级反应器中的气泡上升速度大于前一级.反应器内随轴向高度增加, 气泡上升速度变慢.
3) 实验结果为低品位铝土矿及赤泥钙化-碳化法的工业应用提供了理论和实验依据.
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