碳化反应器气含率的研究

胡 宇，党明岩，刘 燕，周建鹏

(1.沈阳理工大学 环境与化学工程学院，辽宁 沈阳 110159;2.东北大学 材料与冶金学院，辽宁 沈阳 110819)

氧化铝生产中除少数采用烧结法，90%采用拜耳法［1］，但是拜耳法产生大量赤泥，赤泥主要有如下缺点［2］:①赤泥中含碱，使赤泥应用成为世界性难题;②赤泥中含铝，氧化铝的理论收率随铝土矿品位的降低而降低，不适用于低品位铝土矿。因此，只要找到简单易行的处理低品位铝土矿及低成本大规模消纳赤泥的方法，就可以实现铝资源的清洁高效循环。东北大学经多年研究提出了碳化法处理低品位铝土矿(赤泥)的新方法，认为“钙化-碳化-尾渣水泥利用”是适合氧化铝生产的工艺路线，即首先通过钙化处理将铝土矿或赤泥全部转化为钙铝硅化合物即水化石榴石，并用CO2对水化石榴石进行碳化处理，得到主要组成为硅酸钙、碳酸钙及氢氧化铝，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，该赤泥可直接用于水泥工业，实现铝土矿资源的循环。目前，该技术已形成两项国家发明专利［3－4］:“基于钙化-碳化转型生产氧化铝的方法”及“一种消纳拜耳法赤泥的方法”。

本文围绕钙化渣碳化过程开展研究，探索钙化渣碳化多相反应过程规律。采用单因素实验方法，在空气-水-玻璃珠模拟体系中，研究表观气速、表观液速、液固比(质量比)对气含率的影响。

1 实验

1.1 实验装置及原理

主反应器根据相似原理建立物理模型［5］，反应器采用有机玻璃代替不锈钢材料，在空气-水-玻璃珠体系下实验。在此物理模型中可对熔池的混合、循环流和气泡的大小及分布进行观测，从而采集到在高温高压实验中无法获取的信息。如果现象满足相似第二定理，根据相似理论，则通过模型得到的规律可以推广到原型中去。对于钙化渣的碳化反应器，考虑的是几何相似和动力相似。本研究以钙化渣碳化过程基础研究中1L高压反应釜为原型，设计几何相似比为1∶6的水力学模拟系统，为保证动力学相似，原形和模型的弗劳德准数必须相等，以此为依据可确定模型中的吹气量。

实验装置设计见图1所示，其主反应器内径为240mm，有效高度为620mm，碳钢支架固定主反应器，射流器变径处内径为26mm，储液灌有效容积0.125m3。

实验原材料主要有:

(1)空气;(2)固体颗粒为玻璃珠(颗粒直径100～140μm，密度2000kg/m3;(3)自来水。

1.2 气含率的测定

本实验中气含率采用静压差法测量［6］。静压差法的基本原理是通过伯努利方程求得反应器内床层两截面间的压力差来求得体系的气含率，其计算公式为

式中:Vp为两液面间的压力差;ρL为反应器中液相密度;g为重力加速度;h为两截面的高度差。

图1 实验装置设计图

由于浆相连续流动，所以采用压差法测量全塔的平均气含率，两测压点分别位于距反应器顶部8cm和60cm处，压差计使用天津市延辉仪表通讯有限公司生产的YH3051DP4E22B1D1电容式差压变送器(精度为 0.5级，量程为 0～7.5kPa)。开始实验时，测量内容为在不同表观气速、表观液速和液固比条件下的反应器内两液面的压力差(取迷你型无纸记录仪每隔1秒在一分钟内记录下的所有值的平均值即为两液面间的压力差)，通过计算求出平均气含率，即可得出不同试验条件下的气含率随表观气速、表观液速和液固比的变化关系。

2 实验结果及讨论

2.1 表观气速对气含率的影响

在表观液速 1.327 m·s－1、液固比 10∶1、反应器高径比为4的条件下，通入不同气速的空气，反应器内的气含率变化如图2所示。

从图2可以看出，在表观气速、固体浓度、高径比一定时，气含率随表观气速的增大而增大，在其他影响因素不变的情况下，增大表观气速必然会导致体系内的气泡数量增多，气泡数量的增多又会带来两方面的影响:一方面，随着体系内气体含量的增多，体系内流体的湍流程度增加，产生的大气泡易破裂成小气泡，气泡变小，上升速度变慢，气含率增大;另一方面，对于聚并体系，气泡数量增多，气泡碰撞合并的几率变大，故气泡平均直径变大，导致气含率变小。正是由于以上两方面的因素共同作用导致气含率和表观气速不为线性关系。

图2 不同表观气速下的气含率

2.2 表观液速对气含率的影响

在表观气速 10.62 m·s－1、液固比 10∶1、反应器高径比为4的条件下，通入不同流速的液体，反应器内的气含率变化如图3所示。

图3 不同表观液速下的气含率

从图3可以看出，在其他条件不变的情况下，随着表观液速的增加，气含率略有下降，但是下降的趋势比较小。表观液速对气含率的影响比表观气速对气含率的影响小得多。随着表观液速的不断增加，气泡的上升速度也会升高，同时流体的湍流程度更加剧烈，气泡聚并的几率加大，导致气泡的直径加大，造成气含率略有下降。

2.3 液固比对气含率的影响

在桨态鼓泡床中，固体颗粒通常作为反应物、生成物、固体催化剂或催化剂载体，固体颗粒直径的大小和固体浓度对浆态鼓泡床中气含率有重要影响。固体颗粒大小和浓度分布与其他因素相互作用，可改变反应过程的传质、传热性能，进而对反应的转化率和选择性以及反应器内各处反应速率产生一定的影响。

为考察液固比对气含率的影响，实验分别研究了在表观液速21.23 m·s－1、高径比为4、液固比在 20∶1、15∶1、10∶1 条件下，不同表观气速下的气含率变化，如图4所示。

图4 不同表观气速下气含率随液固比的变化关系

从图4可以看出，随着液固比的升高，固体浓度减小，反应器内气含率逐渐升高。由于固体颗粒的加入，改变了液相的性质，气液两相流通面积相应减小，气泡之间相互作用增强，增加气泡聚并的几率;固体颗粒的存在也会减少气泡的破裂，小气泡减少，大气泡增多，从而影响气泡分布和上升速度，导致平均气含率有所上升。在气体速率低于17.70 m·s－1时，随着固体浓度的减小，气含率上升幅度略有增加，气体速率高于17.70 m·s－1时，气含率上升幅度略有减少。

3 结论

本文通过水模型研究方法，在空气-水-玻璃珠体系中研究了表观气速、表观液速、液固比对反应器内气含率的影响。

在其他条件一定的情况下:

(1)反应器内气含率随表观气速的增大而逐渐增大;(2)反应器内气含率随表观液速的增大而降低，表观液速对气含率的影响远低于表观气速对气含率的影响;(3)反应器内气含率随液固比的增大而增大，随着表观气速的增大，气含率随液固比增大的变化率呈先增大后减小的趋势。

［1］郭智峰，武晋明.浅析石灰添加量对拜耳法溶出赤泥N/S 的影响［J］.轻金属，2010，(4):10－11.

［2］郭晖，邹波蓉，管学茂，等.拜耳法赤泥的特性及综合利用现状［J］.砖瓦，2011，(3):50－53.

［3］张廷安，吕国志，刘燕，等.一种基于碳化-钙化转型生产氧化铝的方法［P］.中国专利:201110275030.6，2012－10－31.

［4］张廷安，吕国志，刘燕，等.一种消纳拜耳法赤泥的方法［P］.中国专利:201110275030.X.2012－10－31.

［5］Vial C，Poncin S，Wild G，et al.A simple method for regime identifucationand flow characterization in bubble columns and sirlift reactors［J］.Chem Eng and Pro，2001，40:135 －151.

［6］Patel S A，Daly J G，Bukur D B.Bubblesize distribution in fischer tropsch derived waxes in a bubble column［J］.AICHE J，1990，36(1):93 －105.