湿法冶金设备—湿法混合反应器

湿法冶金设备湿法混合反应器,冶金设备基础,2011.4,四川大学化学工程学院,四川大学化学工程学院,1.1埋在地下的石油、天然气管道采用哪种防腐形式更佳？说明其原理。,1.2两水管工(乔和阿伦)在新的公寓安装水管。公寓外的主线水管是普通钢管，公寓内的水管为铜管，其接头处在公寓外的地下。阿伦想在在两管的接头处安装一绝缘套因为他听说这样可以防腐(阿伦读书很多)。乔不同意并指出，土壤中的湿度会使得其绝缘套毫无价值。谁是对的？正确的程序该如何进行？,1.1答：对于埋地管道，世界范围内所公认的最佳保护方法是施加防腐蚀涂层并附加阴极保护。防腐蚀涂层的作用是在被保护物体（管道）表面施加具有保护作用的隔离层，将管道金属与腐蚀环境如土壤、水隔离，保护管道免遭腐蚀破坏。涂层是腐蚀控制的第一道防线，也是防止埋地钢管腐蚀的最基本的方法。为了防止管道腐蚀，还必须对管道施加阴极保护技术，通过给管道施加阴极电流，主动为腐蚀环境提供足够的电子，对涂层缺陷处的金属提供附加保护，来阻止管道金属腐蚀（失去电子），这个过程叫做阴极极化。阴极保护是埋地管道腐蚀控制必不可少的第二道防线。实际应用中可选用两种阴极保护方法中的一种：即牺牲阳极保护法，原理如图a，牺牲阳极常用材料为：镁(MgAl6Zn3)，锌(99.99%Zn)或铝(AlZn6)；或外加电流保护法，原理如图b,辅助阳极为导体：如磁铁矿，硅铁和石墨等。,四川大学化学工程学院,涂层的存在极大地降低了建立并维持管道阴极极化所需要的保护电流，使阴极保护用于长距离管道保护成为可能，因为如果没有涂层保护所建立的第一道防线，管道阴极保护所需要的电流将是非常巨大的，保护系统很难满足要求；而阴极保护则弥补了涂层中不可避免的缺陷，成为有效控制埋地（水下）管道腐蚀必不可少的保障,四川大学化学工程学院,1.2SolutionThisproblemisverycommonintheplumbingtrade.ManyplumberswillnotinstallaninsulatingunionundergroundfortheexactreasongivenbyJoe.Thequestioncanbesolvedbyfirstdeterminingifallfourpartsofacorrosioncellarepresent.Certainlytheanode(steelpipe)andthecathode(copperpipe)arepresent.Thewaterinthepipeisafineelectrolyte,asisthesoilmoistureoutsideofthepipe.Withaninsulatingunion,however,therewouldbenometalbridgebetweenthetwoelectrodes.Consequently,therewouldbenocompletecorrosioncellandnocorrosion.Withoutaninsulatingunioninplacetherewouldbeactuallytwocompletecorrosioncells,oneinsideofthepipe,andoneontheoutsideofthepipe.Corrosionwouldtakeplaceonboththeinsideandtheoutsideofthesteelpipe.Failurewouldbeinevitableintime.Itisgenerallyconsideredgoodplumbingpracticetoinstalltheseinsulatingpipeunionaboveground,ifpossible,sothattheycanbecheckedandservicedeasily.,四川大学化学工程学院,2湿法混合反应器,2.1概述2.1.1操作目的2.1.2性质2.1.3基本结构2.2搅拌与混合机理2.2.1混合机理2.2.2混合效果2.2.3流体的流型2.3搅拌器的类型及选用2.3.1搅拌器的类型2.3.2搅拌器的选用,2.4立式机械搅拌罐2.4.1罐体2.4.2搅拌器2.4.3搅拌附件2.5搅拌功率2.5.1功率曲线2.5.2搅拌功率的分配2.6搅拌设备的放大2.6.1几何相似2.6.2放大准则2.7捏合与固体混合2.7.1捏合（混捏）2.7.2固体混合,四川大学化学工程学院,2.1概述,2.1.1.操作目的制备均匀混合物：如调和，乳化，固体悬浮，捏合及固粒混合等。促进传质：如萃取，溶解，结晶，气体吸收等。促进传热：搅拌槽内加热或冷却。上述三种目的之间的组合，特别是一些快速反应与混合，传质，传热都有较高的要求，搅拌与混合的好坏往往成为过程的控制因素。21.1.性质单元操作（经验操作成份很大）,四川大学化学工程学院,2.1.3基本结构,四川大学化学工程学院,四川大学化学工程学院,2.2搅拌与混合机理,2.2.1混合机理两种物料加入搅拌后，其混合机理为主体对流扩散、湍流扩散和分子扩散主体对流扩散：搅拌器高速旋转，使不同液体物料被破碎成团块，并使搅拌器周围的液体产生高速液流，高速液流又推动周围的液体，逐步使搅拌罐内的全部液体流动起来。这种大范围内的主体循环流动，使搅拌罐内整个空间产生全范围的扩散，形成主体对流扩散。,四川大学化学工程学院,湍流扩散：叶轮推动高速流体在流动时，与周围静止液体的界面处，存在较大的速度梯度，液体受到强烈的剪切，形成大量旋涡，旋涡又迅速向周围扩散，造成局部范围内的物料对流运动从而形成液体的涡流扩散。分子扩散：由分子运动形成的物质传递，它是分子尺度上的扩散。宏观混合：主体对流扩散和湍流扩散微观混合：分子扩散,四川大学化学工程学院,2.2.2混合效果,调匀度(S)：宏观上表示物料的混合程度设A和B两种液体的体积分别为VA和VB将其置于一搅拌罐中进行混合操作，罐内液体A的平均体积浓度为CA0，经一定时间搅拌混合后，在罐内各处取样分析，若各处样品的分析结果一致，并恒等于CA0，若分析结果不一致，并且样品浓度CA与平均浓度CAO偏离越大，表明混合物的均匀程度越差。若取样数为n个，则平均调匀度为代数和为S。当混合均匀时S=1平均调匀度S=(S1+S2+Sn)/n,四川大学化学工程学院,分隔尺度和分隔强度A.分隔尺度：表示液体中分散物的集中尺度，或分散物的未分散部分的大小。B.分隔强度：描述分子扩散混合过程的影响，表示邻近的流体团块之间分散物组分含量的差异，也表示团块中分散物组分含量与平均组分的差别。采用分隔尺度和分隔强度能全面反映出混合物的混合程度，见图2-1.,图(a)(c)为宏观混合阶段，图(d)(f)为微观混合阶段,四川大学化学工程学院,混合时间(均匀化时间)使搅拌槽内物料的浓度或温度达到规定均匀程度所需要的时间。常用来评定搅拌器的混合能力。,四川大学化学工程学院,2.2.3流体的流型,(1).切向流：流体的流动平行于搅拌浆所经历的路径，即打旋现象，见图2-2。垂直方向的流体混合效果很差。(2).轴向流：流体进入浆叶并排出，沿着搅拌轴平行的方向流动，见图2-3。轴向流起源于流体对旋转叶片产生的升力的反作用力。,四川大学化学工程学院,(3).径向流：流体从浆叶以垂直于搅拌轴的方向排出，沿半径方向运动，然后向上，向下输出。见图2-4。浆叶的圆盘是产生径向流的主要原因。,径向流和轴向流有利混合，切向流要避免；可加挡板或其它方法。见图2-5图2-7。,4,四川大学化学工程学院,2.3搅拌器的类型及选用,2.3.1搅拌器的类型针对不同的物料系统和不同的搅拌目的，搅拌器的结构型式很多。湿法混合反应器包括：湿法搅拌混合反应器和管道反应混合器。湿法搅拌混合反应器可分为：机械搅拌、流体搅拌两类混合反应器。此外还有射流搅拌及静态混合器等,四川大学化学工程学院,按其叶轮型式分为桨式搅拌器：属于径向流搅拌器，结构简单，叶片数少，叶片尺度比较大，搅拌转速低，对流体的剪切作用较弱，主要适用于搅拌低粘性流体。,整体平直叶浆式搅拌器结构1.平直叶浆，2.轮毂，3.固定螺栓,四川大学化学工程学院,涡轮式搅拌器：属于径向流搅拌器，应用范围广，适应性较强，常用于低粘度和中等粘度的液体搅拌。基本型式有开启涡轮式和圆盘涡轮式两种。,开启涡轮式搅拌器,四川大学化学工程学院,圆盘涡轮式,四川大学化学工程学院,推进式（或旋桨式）搅拌器：属于轴向流搅拌器，其特点为直径小，转速高，循环流量大，适用于低粘度互溶液体混合物，沉降速度低的固体悬浮，小容量的固体溶解以及搅拌传热等操作。,推进式（或旋桨式）搅拌器,1.浆叶，2.轮毂，3.轴，4.盖帽，5.螺母，6.键，7.开口销,四川大学化学工程学院,锚式和框式搅拌器实际上是桨式搅拌器的变形,搪玻璃锚式搅拌的结构,四川大学化学工程学院,2.3.2搅拌器的选用,在选用搅拌器时，除了要求它能达到工艺要求的搅拌效果外，还应保证所需功率小，制造和维修容易，费用较低。,1.根据被搅拌液体的粘度大小选用如右图随着粘度的增高，使用顺序为推进式，涡轮式，桨式，锚式等。图中：1.锚式，2.浆式，3.涡轮式，4.涡轮式、推进式（1750rmin-1)，5.涡轮式、推进式（1150rmin-1)，6.涡轮式、推进式（420rmin-1),四川大学化学工程学院,2.根据搅拌器型式的适用条件选择低粘度混合过程:采用循环能力强且消耗动力少的推进式搅拌器为宜。桨式搅拌器在小容量液体混合过程中被广泛应用。分散过程:平直叶涡轮式搅拌器因具有高剪切力和较大循环能力而适用。用挡板加强剪切效果。固体悬浮过程:后弯叶开启式涡轮搅拌器适用于固体悬浮。桨式搅拌器适用于固体粒度小，固体密度差小，固体浓度较高，沉降速度低的固体悬浮。,四川大学化学工程学院,固体溶解过程:涡轮式有利于剪切流和循环能力。推进式适用于小容量的溶解过程。桨式加档板适用于容易悬浮起来的溶解操作。结晶过程:涡轮式适用于微粒结晶；大直径桨式慢速搅拌用于大晶体的结晶。推进式搅拌器适用于要求有较大的传热作用。换热过程:换热量小时，用桨式搅拌器加挡板；换热量大时，用推进式的或涡轮式搅拌器加内部蛇管。,四川大学化学工程学院,2.4立式机械搅拌罐,立式机械搅拌罐是有色金属湿法冶炼生产中应用最广泛的搅拌罐类型。这种设备可在常压操作，也可在加压的情况下操作。这种中小型搅拌罐在国内已标准化，而且进行系列生产。立式机械搅拌罐是由搅拌装置、罐体及搅拌附件三部分组成。其构成形式如下：,四川大学化学工程学院,工业上应用最广泛的立式机械搅拌罐的特征如下：(1)在搅拌罐顶盖的上方装设有传动装置，而且搅拌轴的中心线和罐体中心线是相重合的。(2)在搅拌轴上可装设一层、两层或更多层搅拌器。(3)在罐体上可根据需要装设换热部件和搅拌附件等。,四川大学化学工程学院,2.4.1罐体,操作中有传热过程时，有夹套式(外热式)，蛇管式(内热式)，一般为直立圆柱形容器。避免液体形成停滞区(锥形，方形或带棱角)，并减少功率消耗。,1.压出管，2.连接底座，3.入孔，4.顶盖，5.圆筒，6.支座，7.夹套，8.罐底,四川大学化学工程学院,罐体的盛装物料系数Kc罐体的盛装物料系数是搅拌设备的主要参数之一。该系数是指罐体的有效容积(即操作时盛装物料容积)与罐体的几何容积(全容积)之比，即：Kc=V/Vj式中：Kc盛装物料系数；V罐体的有效容积，m3Vj罐体的几何容积，m3。搅拌设备中的盛装物料系数Kc是根据实际生产条件或试验结果确定，通常可取0.60.85。若物料在搅拌过程中要起泡沫或呈沸腾状态，应取低值；若物料的搅拌过程中平稳，可取高值。当硫化镍电解阳极泥在搅拌罐内加热融硫和沸腾炉烟灰在搅拌罐内浆化时，建议Kc分别取0.65和0.75左右。,四川大学化学工程学院,搅拌罐高径比：Kg通常为11。Kg=Ht/D当溶液有强烈的腐蚀作用于时，在罐体内壁上衬贴耐腐蚀的金属或非金属材料。,四川大学化学工程学院,2.4.2搅拌器,搅拌器是机械搅拌设备实现物料搅拌操作的核心，是影响混合质量及能耗的关键部件。它的作用是将能量传递给被搅拌液体，使液体具有需要的流型，以满足搅拌操作的要求,四川大学化学工程学院,2.4.3搅拌附件,1.挡板：为了消除搅拌罐内液体的打旋现象，使搅拌的液体上下翻腾，通常需加入挡板。挡板是沿罐体内壁圆周方向均匀分布，直立地安装于罐体上；挡板数量为4，板宽为槽径的1/121/10。在固体悬浮操作时，槽底安装挡板，以促进固体悬浮。其安装方式如图所示。,图2-9底挡板安装方式1.搅拌轴，2搅拌浆，3.罐体，4.挡板,四川大学化学工程学院,2.导流筒：它是一个紧包或紧靠搅拌器的圆筒(如图)。作用一：使搅拌罐内液体的流型得到严格控制，为循环液限定了循环路线，强化了循环流动状态，有助于防止流体“短路”，消除死区；作用二：使罐体内所有物料均可通过导流筒内的强烈混合区，提高了混合效果。,图2-10导流筒安装方式,四川大学化学工程学院,2.5搅拌功率,2.5.1功率曲线1.搅拌器的功率消耗P与下列因素有关：搅拌器直径d、转速n、液体的密度、粘度、重力加速度g等。通过因次分析，得出以下功率关联式式中：功率函数，K搅拌系统几何构型的总形状因数；Re搅拌的雷诺数，施加力与粘性阻力之比；Fr搅拌的弗劳德数,施加力与重力之比；Np搅拌的功率准数，P输入功率，施加于受搅拌液体的力；f、e待定指数。di搅拌浆直径。,四川大学化学工程学院,2.功率曲线：以或Np值对Re值在双对数坐标纸上绘图。一个具体几何构型的搅拌器，只有一条功率曲线。如图2-11和图2-12，曲线1和2分别为有无档板状况。,四川大学化学工程学院,图中：Re104，湍流区：=Np,P=(Const)n3d5Re300，无挡板，Fr不能忽略，及（见下表）为实验确定的无因次常数。,四川大学化学工程学院,【例2-1】在一标准装置内搅拌溶液，d=0.61m,n=90r/min,=1498kg/m3,=12mPas,求有挡板和无挡板时搅拌功率各为多少？解：有挡板时，该搅拌系统的功率曲线见图2-12。Re=nd2/=1498(90/60)0.612/(1210-3)=6.97104104P=6.1n3d5=6.11498(90/60)30.615=2.61kW无挡板时，要考虑Fr：Fr=n2d/g=(90/60)20.61/9.81=0.14由表2.1得知六平叶涡轮(标准装置)时=1,=40,则f=(-logRe)/=(1-log6.97104)/40=-0.0961当Re=6.97104时，查图2-12功率曲线2得=1.1，则Np=Frf=1.1(0.14)-0.0961=1.329P=Npn3d5=1.3291498(90/60)30.615=0.567kW可见有无挡板消耗功率之比为：2.6/0.567=4.6,四川大学化学工程学院,2.5.2搅拌功率的分配,与泵相同，搅拌器所消耗的功率用于向液体提供能量。搅拌功率P与循环流量Q，压头H的关系为：P=gQH由泵的相似关系知，泵的流量正比于nd3，压头正比于n2d2，即：Qnd3，Hn2d2，故Pn3d5，如果搅拌的目的是宏观混合，要求Q/H大；如果搅拌的目的要求快速地分散成微小液团,Q/H小好。Q/Hd/n,P指定，n3d5为一定值，则：nd-5/3,dn-3/5;Q/Hd8/3,Q/Hn-8/5(P=常数时)以上两式表明，在等功率条件下，采用大直径低转速的搅拌器，更多的功率消耗于总体流动，有利于宏观混合；反之有利于微观混合。,四川大学化学工程学院,2.6搅拌设备的放大,2.6.1几何相似几何相似是指两个大小不同的系统,其几何形状完全相同,并且相应各部分几何尺寸之比等于常数。如图；由图知两个系统各部分几何尺寸之比有下列关系：d2/d1=D2/D1=b2/b1=C2/C1=H2/H1=const式中：下标1-表示小设备；下标2-表示大设备。如此可以通过小设备，运用几何相似关系来确定大型搅拌设备的各种几何因素。然后，通过试验或经验，按一定的准则，求出大型设备的搅拌器转速和功率。,四川大学化学工程学院,2.6.2放大准则,在实际放大过程中，根据实验或经验，找出对工艺过程影响最重要的搅拌参数，并使该参数保持不变，这称为“放大准则”。在这样的放大准则下可以保证放大时搅拌效果保持不变。保持搅拌的雷诺数(nd2/)不变：n1d12=n2d22保持单位体积能耗(P/V0)不变:n13d12=n23d22,(Pn3d5,V0d3)保持叶片端部切向速度(nd)不变：n1d1=n2d2保持搅拌器的流量和压头之比(Q/H)变:d1/n1=d2/n2;逐级放大试验方法：采用几个(一般为3个)几何相似，大小不同的小型或中型试验装置，改变搅拌器转速进行实验，使达到同样的搅拌效果。,四川大学化学工程学院,【例2-1】某厂在小型设备上进行试验，获得了良好的搅拌效果，现根据小型设备试验数据，设计一套容积为16.2m3的搅拌设备，试问应如何进行放大设计。解再制造两台小型生产设备几何相似的试验设备，体积分别为75L(试验设备2)和600L(试验设备3)，调整转速使得到同样的搅拌效果,三台设备的实验数据见表2.2。,釜号釜容积V0/L釜直径D/mm搅拌器直径d/mm转速n/(r/min),19.3622976.312732754571536733600915305318,表2.2三台试验设备主数据,四川大学化学工程学院,H1=227.37,分别计算各装置的nd2,n3d2,nd及d/n,计算结果见表2.3。放大结果：由上表数值可以看出，三个搅拌装置在搅拌效果相同时，nd基本相同。D=(V/V1)1/3D1=(16.2/0.00936)1/3229=2750mmd=(D/D1)d1=(2750/229)76.3=916mmn=n1d1/d=127376.3/916=106r/min(Pn3d5),釜号nd2n3d2ndd/n,16.681071.0810142.921050.1821.411086.3710133.081050.6832.661082.6910132.911052.88,表2.3各参数的计算值,四川大学化学工程学院,Problem2.1Amixingexperimentwascarriedoutwiththe10Ltank,the75mmdiameteroftheimpeller.whiletherotationalspeedis1500r/min,theeffectivenessofmixingisexcellent.Thenthepilotplantmadethescale-up,andachievedthatscale-upcanbemadebyusingthesameReynoldsnumber.Howtoscale-upamixingequipmentwiththevolumeof1m3accordingtoabovedata?(Re=nd2/),四川大学化学工程学院,SolutionAccordingtothegeometricallysimilarprinciple,theothertwomixersweremanufacturedwiththevolumesof75L(experimentalequipment2)and600L(experimentalequipment3)respectively,andtherotationalspeedsweremodifiedtogetthesameexcellenteffectivenessofmixing.TheexperimentaldataofthethreemixerswerelistedThend2,n3d2,ndandd/nofeachsetofexperimentaldatawerecalculatedrespectively,andlistedAnalyzetheresultsofthescale-up:Accordingtothesecondstep,theexpressionofnd2waschosen(byusingthesameReynoldsnumberofimpeller）calculatetheparametersofD(insidediameteroftank),d(diameterofimpeller),n(rotationalspeed)forthemixingequipmentwiththevolumeof1m3.,四川大学化学工程学院,2.7捏合与固体混合,2.7.1捏合（混捏）捏合是一种混合操作。在粉料中加入少量液体，制备均匀的塑性物料或膏状物料，或是在高粘稠物料内加入少量粉料或液体添加剂制成均匀混合物等称为捏合操作。粘度高：10106Pas，流动性极小。捏合的作用：分散和混合。完全混合时间长。捏合机消耗功率大，工作容积小；单位容积具有很大的传热面。有间歇式和连续式两种。,双锥混合器,混捏机的混合室,四川大学化学工程学院,2.7.2固体混合,混合是一个减少组分非均匀性的过程,机理为对流混合。常用的固体混合设备为球磨机。,球磨机单螺旋分级,四川大学化学工程学院,3气流搅拌混合反应器,鼓入气体反应剂(空气、氧气、CO2等)或过热蒸汽来实现湿法冶金的气流搅拌混合反应器。3.1帕秋卡槽,四川大学化学工程学院,锥形底，090，一般为60高度一般不限制，