使用酸、或者通過空氣或純氧氧化來浸取礦石或礦石懸浮液的方法屬于濕法冶金的范疇。其他主要的應用領域包括通過氧化硫化礦物中的硫來獲取金屬并將金屬用于之后的加工，以及各種析出和結晶工藝。
所有這些工藝都需要混合礦石懸浮液。典型的混合任務的內容包括有效分散氣體，使固體從反應槽底部到頂部均勻懸浮，并且防止沉積。這不僅必須滿足工藝過程的要求，且達到較高的技術可靠性也很重要。
濕法冶金領域應用的技術包括高壓釜礦石加工技術以及微生物礦石處理技術，由于得到較高礦石產量需要較長的停留時間，因此這些技術需要使用非常巨大的反應槽。另一個使用大容量反應槽的應用事例就是氫氧化鋁生產技術。以下從混合技術的角度對這些方法進行了討論。
高壓釜
高壓釜主要用于濕法冶金進行萃取黃金或鎳的萃取，尤其在使用其他方法無法滿足浸出率的情況下。加壓浸取法的優點是，能夠在比常壓浸取更高的溫度下進行，即能夠獲得較高的反應速率。
黃金萃取
目前開采的許多礦石中的黃金是以黃鐵礦(FeS2)和砷黃鐵礦等硫化礦物中所含成分的形式存在的。硫化礦石必須通過氧化硫化物進行分解，以便下游過程能夠從中萃取出黃金。該工藝步驟通常在名為POX(高壓氧化)高壓釜的連續工作臥式高壓釜中進行。
此氧化反應的一個實例就是黃鐵礦的分解：
4 FeS2 + 15 O2 + 2 H2O → 2 Fe2(SO4)3 + 2 H2SO4
此反應的目的在于通過使用純氧氧化來獲得可能最高的利用轉化(氧化)率。這包括在保證最短停留時間或最大產量的同時，使傳質達到最大化。
典型反應槽和工藝數據
目前，加壓浸取是在臥式反應槽中進行，該反應槽分成4-8個隔室(圖288)，總容積達到900立方米。由于約70%的氧化反應在第一隔室中進行，因此第一隔室的容積通常是其他隔室的2倍，并且安裝了數個攪拌器。反應物在整個高壓釜中的停留時間取決于反應槽的運行模式，但通常大約為1小時。
圖288：POX高壓釜的典型反應槽結構
圖289：高壓釜攪拌器
混合任務和混合系統
氧化高壓釜混合技術的要求根據對各礦石中所含礦物的研究和具體的工藝而有所不同，并且這些要求常常涉及范圍非常廣。工藝效率由氧化率決定。因此，一個重要的參數就是可實現的傳質速率，這取決于攪拌器的分散能力、局部湍流水平，從而也取決于局部能量輸入情況。由于大部分的氧化反應在第一隔室或前兩個隔室中進行，因此這些隔室對攪拌器的要求最高。
圖290：加壓浸取的典型工藝數據
圖291：標準平葉渦輪槳(左)和Ekato EPOX-R攪拌器流體模式的CFD(計算流體動力學)模擬(參見圖295)
在這第一個步驟中，反應情況一般會受制于傳質水平，這也就是為什么在優化葉輪互動和氧氣輸送量的同時需要一直保持較高能量輸入水平的原因。傳質基本原理在后面第50頁中進行了闡述。
為了計算過程所需的傳質水平，不僅需了解攪拌器的傳質效率，還必須了解在過程條件下的氧氣溶解度，因為這一數據代表了驅動力的水平。雖然在過程條件下難以測量這一數據，但可以通過使用不同模型(【135】，【136】)足夠準確地計算這一數據。
葉輪的選擇取決于其同時分散氣體并懸浮固體的能力。一個關鍵的因素就是單位體積能量輸入水平【139】，其通常值為2.5-4 kW/m3，但有可能達到5 kW/m3，其反應所需的高能量輸入以及由此產生的高葉尖速度常常會引起摩損問題。這就是POX高壓釜內常常使用平葉渦輪槳的原因，因為平葉渦輪槳的功率準數較高，因此，在能量輸入一定的情況下，可以以比軸流葉輪更低的端速運行。盡管已經將葉輪進行了最大程度的簡化，但是POX高壓釜中的葉輪仍然會快速磨損，需要經常更換。
因此，Ekato開發了一種磨損可能性大大減小的葉輪，這種葉輪具有穩健的工藝過程參數和機械參數。Ekato EPOX-R具有優化的結構，能使葉片低壓面的渦流降至最低水平。
這些渦流是磨損的主要原因(圖291，【60】)。使用EPOX-R攪拌器，渦流所產生的噪音比傳統的平葉渦輪槳大大降低，從而大大延長了葉輪的使用壽命(參見后面第126頁)。
反應槽結構的影響
與對稱的立式反應槽結構相比，臥式高壓釜具有非對稱的幾何形狀，從而在一些基礎參數上存在相當大的不同。例如，與立式反應槽相比，臥式高壓釜的功率準數很大程度上取決于頂隙和幾何條件(擋板的幾何形狀和數量，隔室的長度等等)。
鎳的萃取
由于不銹鋼的產量不斷增長，對鎳的需求量也持續走高。大多數鎳萃取的擴建項目是采用紅土礦冶金的項目(【3】，【13】)。與采用POX高壓釜的反應不同的是，這些礦石通常在臥式高壓釜中，通過金屬鎳從礦砂中直接浸出的方式進行加工，包括在HPAL(高壓酸浸)過程的高壓高溫條件下處理硫酸中的礦石懸浮液。簡化的反應方程式為：【15】
2 Fe1-xNixO(OH)1-x + 2x H2SO4 →
(1 – x)Fe2O3 + 2x NiSO4 + 2x H2O
圖292：EPAL葉輪的流速和流場
此工藝的關鍵因素就是給料的快速混合。一方面，為了最大程度地進行鎳的萃取，必須避免礦石懸浮液發生短路，另一方面，必須防止某些區域出現高硫酸濃度，因為如果高濃度硫酸在運行時接觸了反應槽壁、攪拌器或其他內部構件，會加快這些區域的腐蝕，從而縮短這些部件的使用壽命。這種情況甚至對于鈦金屬構件也是如此。
為了實現盡可能最快的分散，從而達到最快的浸取和中和，需要調整各種影響混合的參數，例如：停留時間和混合時間的比值。另一個關鍵參數就是流入浸提液的動量和攪拌器所引起的動量之間的比值【30】。礦石懸浮液和硫酸給料位置的選擇也很重要。圖294說明了在使用相同類型的葉輪和一定的輸入功率的模型設置上，不同給料位置對混合結果的影響。左圖模擬了目前工業上采用的設置。兩個供液位置之間存在明顯間距。相比之下，右圖顯示混合效果更好，因此中和反應也更快。
另一個混合任務就是使固體懸浮，這些固體必須穿過間壁，從一個隔室進入下一個隔室。研磨過程通常會產生少量無法穿過間壁的過大顆粒組分。隔室底部區域設置了放砂孔，以便從在反應過程中去除這些過大顆粒，從而防止顆粒積聚。
圖293：帶有EPAL葉輪的鎳浸取高壓釜(HPAL)
圖294：給料位置對混合結果的影響
為了應對非對稱幾何圖形的高壓釜隔室，Ekato開發了一種適合濕法冶金應用的專用葉輪——Ekato EPAL。隔室的幾何尺寸使間壁底部以及第一隔室和最后隔室缸頂和缸體區域的交接處的流速大大降低，使得固體在此積聚。EPAL的葉輪片有一個相對于水平面的傾角，可以加快流速，從而提高隔室問題部位的泵壓效率。因此，這種結構的優點是：與傳統葉輪相比，可以降低使固體懸浮所需的輸入功率。如圖292所示，EPAL葉片改善了流動情況，該圖表明了整個反應槽橫軸的縱切面中流速和流場的分布情況。
機械設計
高壓釜中的攪拌器制作材料的選擇必須十分慎重，需要考慮工作條件和具體浸提物的要求。高壓釜的非對稱結構會產生較高的機械負載，而在一個較大的隔室中安裝若干攪拌器常常會加大這種負載，這就有必要采用高強度材料制造攪拌器軸和葉輪。除了機械方面的要求，由于高壓釜中的腐蝕性環境，有必要采用鈦或超級雙相鋼等耐腐蝕材料。2級、5級或12級鈦常常用來制造攪拌器軸。通常葉輪使用7級鈦制造，由于這種材料有較強的耐隙間腐蝕的特性，因此被廣泛用于制造可拆卸式連接構件。
但是，使用鈦金屬時需要特別小心，尤其在POX高壓釜中，因為在富氧和高溫環境中鈦是可燃的。因此，此類應用中的轉軸采用Inconel或Ferralium等超級雙相鋼制造。
密封技術
對于此類設備應當特別注意其密封技術。除了上述機械、物理和化學工作條件所提出的高要求之外，由于此類設備常常在離開現有基礎設施的地方運行，因此其對環境條件要求非常嚴苛。這就意味著不僅要選擇合適的材料用于機械密封，還要保證用于機械密封的密封液和任何其他介質的可靠供應，以應對常常變化的工作條件。否則，這些重要部件的使用壽命會大大低于設計值。
除直接費用之外，無謂的維修以及從而引發的停機檢修時間也會增加成本，減少收益。通常的解決方案就是使用中央自動供應系統(后面第156頁)，該系統可以可靠確保密封功能。在某些情況下，根據設備的不同要求，供應系統還會配備應急備用系統。這確保了介質、電源和冷卻系統的供應，特別是在電源故障或緊急運行的情況下確保了機械密封功能，從而防止對熱敏性部件的損害。
大型充氣反應槽中的生物浸取
由于礦石萃取目標產量較高，因此設備操作員通常使用大容量的攪拌槽。這些攪拌槽中的混合任務從簡單的懸浮，例如在儲槽中進行的懸浮，到三相混合物的充氣，不一而足。典型的應用包括生物浸取和中和。即使這些攪拌槽的確切輸入功率相對較高，但攪拌器的速度還是很低，以致在這些充氣條件下不再適用一般的設計標準。因此，使固體懸浮或升離底部的輸入功率必須比非充氣條件下的功率大大增加，并取決于所安裝的葉輪類型。這不僅要了解和考慮工藝過程參數，還必須考慮在充氣條件下，變化的流體力學因素可能引起較大的機械力。
充氣懸浮
“懸浮”混合對“氣體分散”帶來了更多的挑戰。這種應用的一個典型例子就是在生物浸取中，必須分散空氣，從而產生足夠的界面面積，促進氧氣傳質。但是同時，固體必須保持懸浮狀態。
對各二相混合物采用基本設計原則這是一種不可靠的方法(【11】，【121】)。在較低的充氣速度下，與非充氣條件相比，顆粒已經開始沉積。提高氣流速度會加大這種趨勢。大部分的顆粒將會在葉輪的液泛點沉積。由于葉輪底部的流場變化，使循環速率降低，從而導致流速降低，這就使充氣過程中的懸浮情況更加惡化(【49】，【146】)。
圖295：徑向力系數cR隨無量綱的充氣氣流速度Q的變化而增加
因此，在現代系統中，EkatoViscoprop等僅用于懸浮的葉輪正在被EkatoIsojet B取代，因為后者擁有較大的葉片面積，在擁有較好懸浮特性的同時，提高了氣體分散效率。Combijet是此類應用的又一不錯選擇【59】。
經驗表明Viscoprop等軸流葉輪在非充氣條件下只需最小的輸入功率就能完全使固體懸浮。但是，甚至很小的氣流速度也會大大增加所需功率。Isojet B大大改善了此類情況下葉輪的性能。該葉輪適用于較大的充氣速度范圍，擁有遠勝于單純的軸流葉輪的穩定特性。Combijet結合了Isojet B和EkatoPhasejet，在非常大的充氣速度范圍內表現出穩定的特性。除了可以改善在充氣條件下的懸浮特性之外，Combijet還有一個優點：可以在葉輪液泛之前增加流速，從而得到最為廣泛的應用。這個優點對于在常壓鎳浸取等沸點工作條件下的充氣應用尤為重要。增加的氣體將會充入蒸汽，因此，葉輪的有效氣體容量可以提高約80%(【71】，【120】)，從而進一步增加葉輪的氣體負載。
機械力
如后面第50頁所述，充氣不僅能夠改變葉輪的功率準數，還能改變徑向力系數cR等所有的液壓力系數。從圖295可以看出，即使很低的氣流速度也會根據不同的流速，以1.5-2.5的增長系數增加cR的值。在確定攪拌器構件和攪拌槽的尺寸大小時必須考慮這一點。
進氣系統
帶有許多氣孔的噴嘴環以及接近葉輪的獨立進氣管等不同類型的進氣系統被用于生產級的設備。葉輪的溢流點會受到所選擇的噴嘴的影響，并可通過實驗室測試進行優化。Ekato已經研發了一種新的理念，并獲得了專利，即使用單獨的進氣管道，通過葉輪噴嘴分布氣體。
鋁的萃取
工藝說明
氧化鋁(Al2O3)采用拜耳法進行生產，該方法由Karl Josef Bayer于1888年獲得專利。拜耳法表明，勃姆石、三水鋁石和水鋁石(鋁土礦的主要成分)等礦石中存在的Al2O3在適宜的溫度條件下可以在氫氧化鈉溶液中溶解。鋁土礦的其余成分無法溶解，因此，使用物理方法可以比較容易地將這些成分從鋁酸鈉溶液中去除。接下來，就可以回收氫氧化鈉溶液了。這個方法自獲得專利以來沒有實質性改變【52】：
1.脫硅
活性硅含量較高的鋁土礦級別必須進行預脫硅處理;否則，會發生不良結晶，導致下游工藝步驟中發生結垢。預脫硅在約90–100 °C的常壓條件下進行。對溶液進行若干小時的攪拌，從而降低氧化硅的含量。所產生的硅鋁酸鈉將會與赤泥一起排出(參見3.)。
2. 消解
經過研磨并選擇性脫硅的鋁土礦懸浮液在盛有氫氧化鈉溶液的連續式高壓釜中進行消解，并根據不同的鋁土礦類型，在約140-250°C的條件下汽化。該材料可以以多種方式進行消解，例如：在一系列的儲罐中消解，或者在帶有塔板的獨立狹長混合槽中進行消解。鋁組分的萃取率約為97%。
3. 凈化
赤泥，即非溶解成分(主要是氧化鐵、氧化鈦和氧化硅)在一個或多個濃密槽中從鋁酸鹽液體中分離，然后被倒入廢料堆。
4. 析出
凈化后的鋁酸鈉液體進行預冷，從而達到過飽和。然后，該液體進入一個一般由12-16個攪拌槽組成的級聯。隨著溶液自然冷卻，氫氧化鋁(Al(OH)3)結晶析出，氫氧化鈉得到離析。通過加入晶種可以引發結晶。由于液體中氧化鋁離子的耗竭，隨著結晶過程的進展，氫氧化物的析出率慢慢降低，因此，反應物在攪拌槽級聯中的總停留時間可能為數日。
5. 焙燒
對離析后的氫氧化鋁進行過濾和分類。細顆粒組分逐漸上升，用作第一攪拌槽中的晶種。粗顆粒組分通過煅燒步驟脫水形成Al2O3。焙燒產物是白色的Al2O3粉末，其中98%將用于鋁電解精煉。
如工藝說明所示，數個加工步驟是在攪拌槽中進行的。以下從混合技術的角度對這些結晶析出器進行了說明。
結晶析出槽
有兩種基本類型的混合系統可以用來完成結晶析出槽中的懸浮任務。這種所謂的開放式系統適用于很大的顆粒濃度范圍，在工業應用中的適用顆粒濃度范圍達到了150-1000g/l。
或者，系統可以配置一導流筒，即攪拌器起到泵的作用(參見后面第306頁)。但是，這種設計在顆粒濃度超過約400g/l時，就不再是性價比高的選擇了。圖296給出了4500-m 3結晶析出槽的部分一般工作數據和攪拌器數據。圖297展示了最新的、帶多級EkatoViscoprop的開放式混合系統。這種設置在最小輸入功率的條件下，實現了整個液體高度中的固體均勻分布。所獲得的懸浮液密度在整個液體高度中幾乎是恒定的。為了在最小液面高度差或最小靜水壓差的情況下，通過液面探測管將懸浮液源源不斷地輸送到級聯中的下一個結晶析出槽中，
圖296：結晶析出槽的典型工藝數據
保持恒定的懸浮液密度是必須的。還必須根據產量調整液面探測管的結構，使流速降至最低，從而盡量降低流體損耗。但同時，流速必須達到足以輸送結晶槽中最大顆粒的水平。
此系統與傳統攪拌器相比的另一個改進之處是，最低處的Viscoprop葉輪直徑要大于安裝在這個葉輪之上的其他葉輪直徑。這就加快了底部區域的流速，從而避免靠近底部區域的析出槽壁上出現結晶。在帶有傳統設計攪拌器的系統中，短短幾個月的時間里，這些沉積物可以堆積到數米的高度。
圖297：配有多級EkatoViscoprop混合系統(右)的4500-m3結晶析出槽熱像圖
槽壁上的結垢堆積高度可以通過熱成像技術，即：使用熱成像攝像機描述槽壁表面溫度來進行監測。擁有晶體結垢的區域的溫度要低于未受影響的區域，而未受影響的區域的溫度幾乎和產品溫度是相同的。
圖297顯示了配有多級Viscoprop混合系統的4500-m析出槽在經過了數月工作之后的熱成像評估實例。圖片左上角的熱像圖表明在槽的上部溫度分布還是非常均勻的。在接近槽底的區域可以看到高度達到60-70cm的晶體結垢(槽底熱像圖)。但是，與類似設備相比，這些結垢的量要少很多，從而證實了使用Viscoprop混合系統可以得到十分理想的工藝過程結果。
聲明：
“高壓反應釜攪拌技術及設備在濕法冶金行業中的應用” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業用途，請聯系該技術所有人。
我是此專利(論文)的發明人(作者)
337
編輯：吉利娜
來源：德國EKATO 攪拌技術有限公司
分享 0
舉報 0
收藏 0
反對 0
點贊 0
中冶有色技術平臺
2023年11月10日 ~ 12日 
換一批
評論 （0條）