刚柔组合桨搅拌反应器强化锰矿浸出的中试试验研究

黄敏峰, 陈南雄, 谷德银, 杨 勇, 刘作华

(1.中信大锰矿业有限责任公司，广西 南宁 530029；2.重庆大学 化学化工学院，重庆 401331)

0 前 言

机械搅拌反应器是锰矿浸出工艺的主要装备，主要是通过电机带动搅拌桨的转动，将锰矿粉分散到浸取液中，形成固液悬浮液，增大锰矿粉与浸取液之间的有效接触面积，提高锰矿粉与浸取液之间反应速率，增大设备生产能力。锰矿浸出槽内固液两相的混合效果影响着锰矿浸出反应的效率，决定着锰矿浸出工艺的节能减排。

目前，搅拌反应器的搅拌桨大多采用的是刚性搅拌桨，但刚性搅拌桨的卷吸力较小，轴向输送能力较弱，使得浸出槽中的锰矿矿粉不能充分悬浮，浸出槽底部堆积现象严重，锰矿矿粉与硫酸接触不充分，固液两相有效接触面积较小，导致了锰矿浸出时间长，浸出效率低。锰矿浸出搅拌反应器的搅拌桨结构设计与优化是实现锰矿高效浸出的有效手段。

研究发现，柔性体可增强流场中形成的多尺度涡结构的不稳定性，强化流体的混合过程。自然中常见的鱼类、鸟类和昆虫等生物，它们之所以能够大范围自由的运动，就是凭借身体的柔性结构(如鸟类翅膀)与周围流体(如气流)之间的耦合作用。郑玉巧等[1]优化设计了具有柔性叶片的大型风电机组，发现柔性叶片的使用能够提高叶片运行的稳定性以及增大风能利用率。赵婉丽[2]对比研究了搅拌反应器内柔性搅拌桨和刚性搅拌桨的混合性能，发现柔性搅拌桨体系中的高湍流动能区域比刚性搅拌桨的大。刘作华等[3-5]基于仿生学设计出一种刚柔组合搅拌桨，并对比研究了刚性桨和刚柔组合桨在固液混合体系中的混合性能，发现刚柔组合桨能够在刚性桨的基础上通过柔性片的扰动，打破搅拌槽内的对称性流场，增大固液两相的悬浮程度。但关于刚柔组合桨的研究主要是在实验室进行的小试试验，还未进行过中试试验或工业化应用。

本文结合刚柔组合桨在强化固液两相混合过程中的优势，提出刚柔组合桨强化锰矿浸出的新方法，并将刚柔组合桨应用到中信大锰矿业有限责任公司中试生产车间，为电解锰行业中锰矿浸出搅拌反应器的设计与优化提供参考依据。

1 试验部分

1.1 试验装置及试验物系

锰矿浸出搅拌槽高度为440 cm，搅拌槽直径为460 cm，桨叶离底高度为90 cm，搅拌轴直径为18 cm，液面高度为340 cm，桨叶上边长度为42 cm，桨叶下边长度为78 cm，桨叶内侧宽度为20 cm，桨叶外侧宽度为10 cm，桨叶厚度为2 cm，桨叶斜角45(o)，桨间距172 cm。刚柔组合桨的柔性绳为316不锈钢钢丝绳，试验时用卡扣将其连接在上下两层桨叶之间，钢丝绳长度为210 cm，钢丝绳直径为1.6 cm。刚性桨浸出槽和刚柔组合桨浸出槽的结构示意图如图1所示。锰矿浸出槽中的锰矿品位为15%～16%。

(a) (b)a 刚性桨浸出槽；b 刚柔组合桨浸出槽

1.2 试验方法

1.2.1 Mn2+的测定

锰矿浸出试验过程中每间隔1 h检测一次搅拌槽内的Mn2+，试验中采用EDTA法滴定法来测量浸出液中Mn2+的浓度。具体操作步骤如下：

1)取1 mL样品于250 mL锥形瓶中；

2)加50 mL NH4F-NH4Cl混合液于锥形瓶中；

3)滴加2滴甲基百里香、酚蓝指示剂；

4)用0.05 N EDTA标准溶液滴定，至蓝色变浅为滴定终点。

Mn2+浓度的计算公式如下：

(1)

其中，TMn为EDTA对于锰离子的滴定度；V1为样品取用量，mL；V2为EDTA的消耗量，mL。

1.2.2 搅拌电耗的测定

锰矿浸出试验过程中每间隔1 h检记录一次搅拌电耗，试验中搅拌电耗的测定主要是通过电耗表上的试验读数和初始读数之间的差值来确定。

2 试验结果与讨论

2.1 刚性桨体系

2.1.1 第1组刚性桨体系锰矿浸出试验数据

锰矿浸出槽中的阳极液中Mn2+初始浓度为12.95 g/L，加入锰矿粉量6 680 kg，电表初始读数为0 kW·h。试验过程中搅拌槽内Mn2+的浓度以及相应电耗数据如表1所示。

表1 Mn2+的浓度以及相应的电耗

2.1.2 第2组刚性桨体系锰矿浸出试验数据

锰矿浸出槽中的阳极液中Mn2+初始浓度为13.08 g/L，加入锰矿粉量6 650 kg，电表初始读数为31.8 kW·h。试验过程中搅拌槽内Mn2+的浓度以及相应电耗数据如表2所示。

表2 Mn2+的浓度以及相应电耗

2.2 刚柔组合桨体系

2.2.1 第1组刚柔组合桨体系锰矿浸出试验数据

锰矿浸出槽中的阳极液中Mn2+初始浓度分别为13.69 g/L，加入矿粉量6 470 kg，电表初始读数为111.5 kW·h。试验过程中搅拌槽内Mn2+的浓度以及相应电耗数据如表3所示。

表3 Mn2+的浓度以及相应电耗

2.2.2 第2组刚柔组合桨体系锰矿浸出试验数据

锰矿浸出槽中的阳极液中Mn2+初始浓度分别为17.34 g/L，加入矿粉量5 400 kg，电表初始读数为176 kW·h。试验过程中搅拌槽内Mn2+的浓度以及相应电耗数据如表4所示。

表4 Mn2+的浓度以及相应电耗

2.3 锰矿浸出时间分析

当锰矿浸出液中的Mn2+浓度不再发生变化时，则视为该试验组中锰矿已完全浸出，此时所经历的时间为浸出时间。根据试验数据可知，刚性桨体系的锰矿浸出时间为4～5 h。刚柔组合桨体系的锰矿浸出时间为3～4 h，锰矿浸出时间缩短了近1 h。

2.4 搅拌电耗分析

为便于分析电耗情况，本文定义总平均电耗如下：

(2)

(3)

式中，Wij表示第i组试验第j小时的电耗。

刚性桨体系每小时的平均电耗为4.7 kW·h，刚柔组合桨体系每小时的平均电耗为6.69 kW·h。与刚性桨体系相比，刚柔组合桨体系的每小时平均电耗增加了1.99 kW·h。在缩短锰矿浸出时间近1 h条件下，每小时平均电耗增加1.99 kW·h属于可接受范围。

3 结 论

1) 与刚性桨体系相比，刚柔组合桨体系中的锰矿浸出时间缩短了近1 h，有效地强化了锰矿浸出过程。

2) 与刚性桨体系相比，刚柔组合桨体系的每小时平均电耗增加了1.99 kW·h，但与其锰矿浸出时间缩短近1 h相比，整体性价比较高，适宜工程应用。