专利摘要
本发明涉及一种针铁矿法沉铁过程界面反应模型的建立方法及应用,主要包括建立气膜控制传质模型、液膜控制传质模型、固液界面反应速率模型。本发明通过建立针铁矿法沉铁过程界面反应模型,对影响化学速率的主要因素进行分析并加以控制,在保证针铁矿品位的前提下,对氧气以及焙砂的合理利用具有重要意义。
权利要求
1.一种针铁矿法沉铁过程界面反应模型的建立方法,所述针铁矿法沉铁过程界面反应模型包括气膜控制传质模型、液膜控制传质模型和固液界面反应速率模型;所述建立方法包括以下步骤:
(1)建立气膜控制传质模型
在所述针铁矿法沉铁过程界面反应的氧化反应初期,根据针铁矿法沉铁过程的工艺机理,结合传质速率与界面气液反应速率的关系,从传质推动力角度出发分阶段建立氧气气泡在水中上升过程的氧化反应气膜控制传质模型;
(2)建立液膜控制传质模型
在所述针铁矿法沉铁过程界面反应的氧化反应进行的后期,结合传质速率与界面气液反应速率的关系,从膜阻力串联理论出发建立氧化反应液膜控制传质模型;
(3)建立固液界面反应速率模型
在所述针铁矿法沉铁过程界面反应的固液反应阶段,根据收缩反应芯原理建立固液反应界面反应速率模型。
2.根据权利要求1所述的建立方法,其特征在于,所述气膜控制传质模型的建立方法是通过获得氧气气泡半径和扩散系数、根据传质理论和膜阻力串联理论建立的,具体建立过程如下:
第一步:
利用下式(Ⅱ)球面坐标的微分方程来描述在所述针铁矿法沉铁过程界面反应的氧化反应初期的过程:
考虑到球体的对称性,模型可简化为:
初始条件:t=0;0≤r≤a0;c=c1
边界条件:t≥0;r=0;
t≥0;r=a;c=cs
式中:cs为气泡内界面处的氧气浓度,理论很小,趋向于零;c为气泡中t时刻、r处的氧气浓度;r为气泡径向坐标;D为在气体中的扩散系数;c1为气泡内初始氧气浓度;a0为气泡的初始半径;a为t时刻气泡的半径;
利用分离变量法求解出式(Ⅲ):
根据Fick第一定律,由式(Ⅳ)得到气泡内O2半径方向上的扩散速率:
第二步:由氧气的传质来计算Fe2+的反应速率;
式中, 根据式(Ⅴ)化简为:
根据气—液界面上氧气在液相中的平衡浓度与其在气相中的平衡分布的亨利定律,获得气—液相平衡关系:
Hc=p (Ⅷ)
式中,p=pg+ρwg(h-z),pg为气泡内由氧气产生的压力,ρwg(h-z)为高度为h的反应器内距离池底z处的气泡受到液体的静压力,h为反应器的高度,H为亨利系数,c为氧气在平衡浓度;
在气泡上升的过程中根据理想气体定律得到:
式中,
于是得到气泡与液体间的传质速率:
式中
为气泡上升速度,由此得到:
气泡界面处的反应速率与扩散的传质速率相等,由式(Ⅴ)与(Ⅺ)联立得到:
第三步:由于气泡在反应液中处于上升的状态,对氧气泡进行受力分析,获得半径为a的球型气泡在水中自由上升时的上升速度:
联立式(Ⅶ)、式(Ⅻ)和式(XIII),得到气膜控制传质模型。
3.根据权利要求1所述的建立方法,其特征在于,所述液膜控制传质模型的建立方法是通过获得氧气扩散系数和液膜厚度、根据传质理论和膜阻力串联理论建立的,具体建立过程如下:
第一步:Fe2+由液相通过液膜扩散到气液界面,用下式(XV)描述气液接触面:
由于模型的对称性可以将(XV)简化为:
初始条件:t=0;0≤x≤L;c=c2
边界条件:x=0;
x=L;c=0
式中:c2代表Fe2+在溶液中的浓度;
式(XVI)解得:
根据Fick第一定律,由式(XVII)得到内Fe2+在球面上的扩散速率:
第二步:气液界面化学反应,由Fe2+的传质速率(XVIII)来计算Fe2+的反应速率,式中,V2=4πa2L:
上式(XIV)即为液膜控制传质模型。
4.根据权利要求1所述的建立方法,其特征在于,所述固液界面反应速率模型的建立方法是通过获得焙砂颗粒半径大小和液膜厚度、根据传质理论建立的,具体建立过程如下:
第一步:液态反应物H+通过液体边界层的外扩散到固体表面,用下式(XXI)描述液态反应物H+通过边界层的扩散现象:
初始条件和边界条件为:t=0;0≤x≤δ;c=c3
x=0;
x=δ;c=c' (XXII)
式中:δ代表液膜的厚度,c3为H+在溶液中的初始浓度,c'液固界面处的H+浓度,D3为H+在溶液中的传质系数;
采用分离变量法对式(XXI),式(XXII)构成的定解问题进行求解,得到液膜内部H+的分布为
H+与溶液的传质速率为
其中,R为焙砂颗粒半径;
第二步:固液界面化学反应
式中k为界面反应常数;
在准稳态情况下,焙砂表面的中和反应速率与扩散的传质速率相等,由式(XXIV)、式(XXV)连立可得:
由上式中H+的传质通量得到H+的中和反应速率,其中
上式(XIX)即为固液界面反应速率模型。
5.权利要求1-4任一项所述的方法所建立的针铁矿法沉铁过程界面反应模型,其特征在于,所述针铁矿法沉铁过程界面反应模型包括气膜控制传质模型、液膜控制传质模型和固液界面反应速率模型;
所述气膜控制传质模型如下式(I)所示:
式(I)中各参数含义:c为气泡中t时刻、坐标r处的氧气浓度,D1为在气体中的扩散系数,c1为气泡内初始氧气浓度,a为t时刻气泡的半径,z为t时刻气泡据池底部的位置,pg为气泡内由氧气产生的压力,h为反应器的高度,H为亨利系数,c为氧气在平衡浓度,ρw,ρ0分别为溶液和氧气的密度;
所述液膜控制传质模型下式(XIV)所示,式中V2=4πa2L,
式(XIV)中各参数含义:c2代表Fe2+在反应液中的浓度,L为液膜厚度,D2为在气体中的扩散系数;
所述固液界面反应速率模型如下式(XIX)所示:
式(XIX)中各参数含义:δ代表液膜厚度,c3为H+在溶液中的初始浓度,c'液固界面处H+浓度,D3为H+在溶液中的传质系数。
6.权利要求1-5任一项所述的方法所建立的针铁矿法沉铁过程界面反应模型在对针铁矿法沉铁过程反应器内部三相界面化学反应速率以及反应进程控制方面的应用。
7.一种针铁矿法沉铁过程反应器内部三相界面化学反应速率控制方法,包括按权利要求1-5任一项所述方法建立针铁矿法沉铁过程界面反应模型,利用该模型实现对所述化学反应速率以及反应进程的控制。
说明书
技术领域
本发明涉及一种针铁矿法沉铁过程界面反应模型的建立方法及应用,属于自动化控制技术领域。
背景技术
锌作为一种重要的有色金属原材料,在国民经济发展过程中正占据着越来越重要的地位。针铁矿法沉铁过程是锌精矿直接常压富氧炼锌浸出工艺的最后一道工序,是浸出生产的关键环节之一,其除铁效果直接影响后续净化及锌电解工艺。通常该过程采用5台串联的沉铁反应器沿着溜槽成高低状依次相连,向反应器内通入氧气和添加培砂,使溶液中的铁离子以针铁矿的形式沉淀。
针铁矿法沉铁过程是常压富氧直接浸出炼锌工艺中的一个重要工序,反应器内部在气、液、固三相共存的条件下同时进行氧化、水解及中和三个反应,呈现出多相多尺度、非线性和强耦合等特性,过程调控困难。其中氧化反应快,铁离子饱和大、影响铁渣品味,反应慢,使系统波动大、损坏系统使用寿命;中和反应过快、造成金属发生不必要的沉淀、造成浪费,反应过慢,影响铁离子的沉淀效率。针铁矿法沉铁过程中物质传递和三相反应都是气泡(颗粒、液滴)与液相(颗粒团聚物)之间相互作用的表界面现象,因而,研究针铁矿法沉铁过程的界面反应模型对保证沉铁过程稳定,反应进程精细化调控具有指导意义。
由于反应器内部发生的是一个由三相参加的复杂多相化学反应,流程复杂,条件苛刻,且反应涉及传质,界面反应和流体力学的复杂冶炼过程,都给反应器内部对气液、液固界面特性和反应机理上的研究、分析造成困难。现有的沉铁过程模型基于反应动力学和物料平衡的宏观尺度的模型,没有考虑化学反应进行的介观尺度的界面特性,并且这些模型都是以现场工作人员离子浓度化验值作为输入,数据存在很大的滞后性,人工经验操作值与实际需求值之间的差距,都增加了沉铁过程操作量和化学反应速率实时控制的难度。因此,需要从介尺度机理来描述亚铁离子氧化反应和焙砂(主要成分是ZnO)中和反应的过程,问题核心是要认识化学反应和物质传递的机理,建立针铁矿法沉铁过程界面反应模型,对影响化学速率的主要因素进行分析并加以控制,在保证针铁矿品位的前提下,对氧气以及焙砂的合理利用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种针铁矿法沉铁过程界面反应模型的建立方法,该模型能够准确刻画反应器内各种现象,实时掌握反应参数,操作关键参数的基础和关键,结合建立的界面反应模型,利用一些已有的数据得出影响界面反应的主要因素如搅拌速率、温度、固体颗粒大小,气泡半径之间的关系,从而对多相化学反应进程进行有效的控制。该模型不仅能解释复杂颗粒流体系统中介尺度的表界面结构变化和实现化学反应速率控制,而且具有便捷、有效的特点,克服了传统工艺过程对Fe2+离线化验的人工的依赖性的和依靠生产经验进行调控的系统的滞后性、不稳定的特点。
本发明的目的通过以下方案实现:
一种针铁矿法沉铁过程界面反应模型的建立方法,主要包括以下步骤:
(1)建立气膜控制传质模型
在所述针铁矿法沉铁过程界面反应的氧化反应初期,根据针铁矿法沉铁过程的工艺机理,结合传质速率与界面气液反应速率的关系,从传质推动力角度出发分阶段建立氧气气泡在水中上升过程的氧化反应气膜控制传质模型,用以分析气膜厚度,气体扩散系数以及气泡半径对该阶段化学反应速率控制。
所述建立的气膜控制传质模型如下式(I)所示:
式(I)中各参数含义:c为气泡中t时刻、坐标r处的氧气浓度,D1为在气体中的扩散系数,c1为气泡内初始氧气浓度,a为t时刻气泡的半径,z为t时刻气泡据池底部的位置,pg为气泡内由氧气产生的压力,h为反应器的高度,H为亨利系数,c为氧气在平衡浓度,ρw,ρ0分别为溶液和氧气的密度。
所述气膜控制传质模型的建立方法是通过获得氧气气泡半径和扩散系数、根据传质理论和膜阻力串联理论建立的,具体建立过程如下:
第一步:氧化反应初期,氧气通入量不足,只需要考虑传质过程中的气膜阻力,氧气的传质过程,氧气分子由气相到气液相互作用面;
采用传质微分方程才能全面描述这种情况下的传质,考虑到cell模型(即由球形液体包围的气泡的单元模型)为球型,则利用球面坐标的微分方程来描述这个过程:
考虑到球体的对称性,模型可简化为:
初始条件:t=0;0≤r≤a0;c=c1
边界条件:t≥0;r=0;
t≥0;r=a;c=sc
式中:cs为气泡内界面处的氧气浓度(理论很小,趋向于零),c为气泡中t时刻、r处的氧气浓度,r为气泡径向坐标,D为在气体中的扩散系数,c1为气泡内初始氧气浓度,a0为气泡的初始半径,a为t时刻气泡的半径。
利用分离变量法求解出式(Ⅲ):
根据Fick第一定律(菲克第一定律,Fick’s first law),由式(Ⅳ)可以得到气泡内O 2半径方向上的扩散速率:
Q:办理专利转让的流程及所需资料
A:专利权人变更需要办理著录项目变更手续,有代理机构的,变更手续应当由代理机构办理。
1:专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2:按规定缴纳著录项目变更手续费。
3:同时提交相关证明文件原件。
4:专利权转移的,变更后的专利权人委托新专利代理机构的,应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A:(1)直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,(2)通过代办处缴纳,(3)通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q:专利转让变更,多久能出结果
A:著录项目变更请求书递交后,一般1-2个月左右就会收到通知,国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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