鈦白酸解尾渣旋流分級(jí)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究

唐　波,　許妍霞,　宋興福,　孫　澤,　于建國(guó)

(華東理工大學(xué)國(guó)家鹽湖資源綜合利用工程技術(shù)研究中心,上海200237)

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鈦白酸解尾渣旋流分級(jí)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究

唐波,許妍霞,宋興福,孫澤,于建國(guó)

(華東理工大學(xué)國(guó)家鹽湖資源綜合利用工程技術(shù)研究中心,上海200237)

針對(duì)酸解尾渣旋流分級(jí)過(guò)程中分離精度較低的問(wèn)題,采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化。模擬研究表明:當(dāng)進(jìn)口速度為1.78 m/s時(shí),高鈦品位的粗顆粒的回收效率是91.1%,TiO2回收率偏低; 當(dāng)進(jìn)口速度為2.78 m/s時(shí),雜質(zhì)細(xì)顆粒的分離效率是62.9%,顯著降低。為保證高分離精度,進(jìn)口速度需控制在2.28 m/s。進(jìn)一步研究表明，當(dāng)進(jìn)口速度為2.28 m/s時(shí),分級(jí)后溢流產(chǎn)物的體積平均粒徑(D[4,3])為9.2 μm,底流產(chǎn)物的體積平均粒徑可達(dá)43.6 μm,有90.3%的雜質(zhì)細(xì)顆粒得到脫除,二氧化鈦回收率可達(dá)59.3%。

旋流分級(jí); 分離精度; 酸解尾渣; 資源回收

作為全球第一大生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó),中國(guó)在2015年鈦白產(chǎn)量達(dá)2.323×106t,其中98%以上的企業(yè)采用鈦礦與硫酸反應(yīng)制備鈦白。由于受限于鈦礦品位和反應(yīng)條件,每制備1 t鈦白產(chǎn)品,即產(chǎn)生0.5 t酸解尾渣,其中含有大量未反應(yīng)的鈦礦資源[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前酸解尾渣的堆積已達(dá)千萬(wàn)噸級(jí)別,若不加處理,將造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和土地占用。研究開發(fā)高效處理工藝對(duì)于酸解尾渣的減量化和資源化至關(guān)重要[3-4]。

目前,酸解尾渣的處理方法主要包括浮選、萃取、磁選等[5-6]。李景勝[7]對(duì)比了多種捕收劑對(duì)尾渣中鈦礦的浮選效率,結(jié)果表明:鈦品位為24%的尾渣中可浮選出鈦品位為47%的精礦,但捕收劑的價(jià)格和用量降低了工藝的經(jīng)濟(jì)效益。郭焦星[8]對(duì)尾渣采用萃取分離,回收后的礦物鈦品位可達(dá)37%,進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物中雜質(zhì)含量較高,無(wú)法返回生產(chǎn)工段。杜鑫[9]測(cè)試了磁選對(duì)尾渣分離的可行性,發(fā)現(xiàn)磁選可明顯脫除尾渣中的膠體雜質(zhì),但雜質(zhì)的去除是以礦物損失為代價(jià),礦物的回收率較低,僅達(dá)20%。

通過(guò)對(duì)酸解尾渣物性分析發(fā)現(xiàn),顆粒粒度直徑分布為1～100 μm,其中25～100 μm的粗顆粒主要含有鈦礦,鈦品位可達(dá)21.15%,而小于25 μm的細(xì)顆粒則主要含有雜質(zhì),即硅泥[10-11],鈦品位為8.47%。由于這種顆粒性質(zhì)的差異,利用旋流技術(shù)對(duì)酸解尾渣進(jìn)行固廢減量和資源回收是切實(shí)可行的

(旋流的切割粒度為25 μm)。鑒于內(nèi)部復(fù)雜的多相流場(chǎng),普通的旋流工藝往往存在“溢流泡粗”和“底流夾細(xì)”等問(wèn)題,因而造成二氧化鈦的回收率僅為48.0%,對(duì)應(yīng)溢流產(chǎn)物的體積平均粒徑(D[4,3])為20.2 μm[1]。為了實(shí)現(xiàn)尾渣中鈦礦和雜質(zhì)的高效分級(jí),本文利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式優(yōu)化旋流工藝。

1　數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究方法

1.1模擬方法

1.1.1結(jié)構(gòu)參數(shù)與網(wǎng)格劃分旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。網(wǎng)格示意圖如圖1所示,采用非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分,近壁面進(jìn)行加密處理。為了保證模擬結(jié)果的精度和合理的計(jì)算時(shí)間,對(duì)網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行了無(wú)關(guān)性檢驗(yàn),結(jié)果表明,當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)達(dá)到259 000時(shí),繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量對(duì)模擬結(jié)果不再產(chǎn)生影響。

表1　旋流器幾何結(jié)構(gòu)尺寸

圖1　旋流器網(wǎng)格示意圖Fig.1　Grid representation of hydrocyclone considered

1.1.2計(jì)算模型考慮到流動(dòng)的強(qiáng)旋轉(zhuǎn)特性,選擇雷諾應(yīng)力模型(RSM)預(yù)測(cè)液相湍流運(yùn)動(dòng)。選擇流體體積分率模型(VOF)捕捉空氣柱運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通過(guò)離散相模型(DPM)預(yù)測(cè)顆粒的分離效率。離散化方法選擇PRESTO!壓力插值方式,其他離散化方式均選擇二階迎風(fēng)。選擇SIMPLE算法獲得速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)。通過(guò)非穩(wěn)態(tài)方式進(jìn)行數(shù)值求解,迭代時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為5×10-4s[12-13]。

1.1.3邊界條件 進(jìn)口采用“速度入口”,以恒定速度2.28 m/s進(jìn)料。出口則采用“壓力出口”,出口壓力為1.01×105Pa。壁面設(shè)定為無(wú)滑移,采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理。顆粒相通過(guò)進(jìn)口截面進(jìn)入,通過(guò)統(tǒng)計(jì)底流口和溢流口“捕捉”的顆粒數(shù)量計(jì)算分離效率。

1.1.4模型驗(yàn)證將模擬所得的液相速度場(chǎng)、空氣柱直徑和顆粒相分離效率與文獻(xiàn)[14]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,顯示兩者吻合較好,驗(yàn)證計(jì)算方法的適用性和準(zhǔn)確性,具體可見文獻(xiàn)[10]。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

旋流器分級(jí)性能測(cè)試平臺(tái)如圖2所示。具體流程為:將攪拌均勻的料漿置于儲(chǔ)罐中,開啟泵單元使料漿以一定的處理量進(jìn)入旋流器,在完成分級(jí)過(guò)程后,細(xì)顆粒通過(guò)溢流管,粗顆粒由底流管循環(huán)進(jìn)入儲(chǔ)罐。通過(guò)控制旁路返回料漿的量實(shí)現(xiàn)主路處理量的調(diào)節(jié),同時(shí)依靠流量計(jì)監(jiān)測(cè)處理量的實(shí)時(shí)穩(wěn)定性。

旋流器穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后,通過(guò)定時(shí)取樣的方式采集溢流和底流的料漿樣品。將樣品料漿真空抽濾,烘干稱量,對(duì)固相樣品進(jìn)行粒度和形貌表征,最后通過(guò)式(1)和式(2)計(jì)算得到旋流器的分流比(S)和分級(jí)效率(Gi)。

(1)

(2)

其中,Qu為底流料液質(zhì)量流率;Qin為進(jìn)口料液質(zhì)量流率;mu為底流固相質(zhì)量;ui為粒度為i的顆粒在底流固相中所占質(zhì)量分?jǐn)?shù);mo為溢流固相質(zhì)量;Vi為粒度為i的顆粒在溢流固相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1-Tank; 2-Valve; 3-Pump; 4-Flow meter;5-Pressure gauge; 6-Hydrocyclone

圖2旋流分級(jí)測(cè)試平臺(tái)示意圖

Fig.2Schematic of hydrocyclone setup

1.3實(shí)驗(yàn)原料與分析方法

圖3所示為尾渣原料顆粒的粒度分布和形貌特征,顆粒體積平均粒度(D[4,3])為18 μm,其中既有致密的不規(guī)則塊狀顆粒,也有表面多孔的疏松顆粒。將尾渣與水混合均勻,配制成料漿待用。為防止尾渣液相中可溶鈦的水解,控制料漿pH<3。

分級(jí)后溢流和底流固相樣品的表征:激光粒度分析儀(Mastersizer 2000,英國(guó)馬爾文公司); 掃描電鏡形貌分析儀(Quanta 250,美國(guó)菲達(dá)康公司)。二氧化鈦回收率的計(jì)算依據(jù)表2中小于25 μm和大于 25 μm顆粒的鈦品位及式(2)所得相應(yīng)顆粒的分離效率。

2　結(jié)果與討論

2.1模擬結(jié)果分析

進(jìn)口速度對(duì)尾渣顆粒分離效率的影響如圖4所示。隨著進(jìn)口速度從1.28 m/s增加到3.28 m/s,切割粒度由23.6 μm減小至15.4 μm,分離效率從72.5%增大到81.9%。酸解尾渣原料中小于10 μm的細(xì)顆粒在進(jìn)口速度為1.28 m/s時(shí)進(jìn)入底流的效率較高,顯然對(duì)雜質(zhì)細(xì)顆粒的脫除是不利的。這主要是由于這部分細(xì)顆粒與流體跟隨性良好,進(jìn)口速度低導(dǎo)致的分流比高,造成分離效率增加。進(jìn)口速度對(duì)切向速度的影響如圖5所示,其中r/rc為量綱為一的徑向位置。從圖5可以看出,進(jìn)口速度的增加未影響內(nèi)外旋流運(yùn)動(dòng),但卻顯著增加了距離頂蓋位置(z)60 mm和120 mm處切向速度的大小,進(jìn)而導(dǎo)致顆粒受到的離心力大幅增加。圖6所示為顆粒以不同進(jìn)口速度進(jìn)入后在旋流器內(nèi)部的分布情況。由于顆粒進(jìn)入旋流器的初速度隨著進(jìn)口速度的增加而增大,根據(jù)平衡軌道理論[15],顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡更傾向于靠近壁面。顆粒受到離心力增大和初速度增加的綜合影響導(dǎo)致了分離效率的增加。

圖3　尾渣原料粒度分布(a)和形貌表征(b)Fig.3　Size distribution (a) and SEM image (b) of waste residue 表2　尾渣原料組分分析 Table 　Component analysis of waste residue

Particlesize/μmw/%w(TiO2)/%25～10024.2221.1518～259.608.6013～1820.888.49<134.898.16Wasteresidue59.5913.91

圖4　進(jìn)口速度對(duì)分離效率的影響Fig.4　Effects of inlet velocity on separation efficiency

進(jìn)口速度對(duì)尾渣顆粒分離精度的影響如表3所示。表3中Eo為直徑小于25 μm的細(xì)顆粒通過(guò)溢

流分離的分離效率,Eu為直徑大于25 μm的粗顆粒從底流回收的回收效率,ETi為二氧化鈦底流的回收率[10]。如表3所示,速度過(guò)大或過(guò)小對(duì)于分離精度都是不利的。當(dāng)速度較低如1.28 m/s和1.78 m/s時(shí),雖然雜質(zhì)細(xì)顆粒的分離效率最高可達(dá)70.8%,但粗顆粒的回收效率最低降至87.1%,二氧化鈦的最低回收率為70.5%,引起鈦資源的損失; 當(dāng)速度較高如2.78 m/s和3.28 m/s時(shí),盡管粗顆粒的回收效率最高可達(dá)96.4%,伴隨二氧化鈦?zhàn)罡呋厥章蕿?0.0%,但細(xì)顆粒的分離效率最低為61.0%,導(dǎo)致雜質(zhì)顆粒脫除效果不明顯。綜合分析可知,為了使尾渣顆粒得到高精度的分級(jí)處理,進(jìn)口速度應(yīng)為2.28 m/s,此時(shí)細(xì)顆粒的分離效率為67.0%,同時(shí)粗顆粒的回收效率可達(dá)93.9%。

圖5　進(jìn)口速度對(duì)切向速度的影響Fig.5　Effects of inlet velocity on tangential velocity

圖6　進(jìn)口速度對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的影響Fig.6　Effects of inlet velocity on particle trajectories

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證優(yōu)化后的旋流分級(jí)效果,對(duì)尾渣原料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。定時(shí)取樣樣品的粒度分布對(duì)比如圖7所示,當(dāng)進(jìn)口速度為2.28 m/s時(shí),間隔10 min

表3　進(jìn)口速度與分離精度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

取樣的樣品粒度分布吻合良好,說(shuō)明旋流器的工作狀態(tài)穩(wěn)定。通過(guò)分析溢流和底流固相產(chǎn)物的體積平均粒徑可知,溢流產(chǎn)物的D[4,3]為9.2 μm,底流產(chǎn)物的D[4,3]可達(dá)43.6 μm。圖8所示為溢流和底流產(chǎn)物的SEM形貌圖,溢流產(chǎn)物多為結(jié)構(gòu)松散的小顆粒,而底流產(chǎn)物以致密的大顆粒為主,旋流工藝對(duì)尾渣顆粒分級(jí)效果明顯。

模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究的分離效率曲線如圖9所示,兩者接近垂直的曲線斜率證明優(yōu)化后的旋流工藝可以有效實(shí)現(xiàn)粗細(xì)顆粒的分級(jí)。模擬得到的切割粒度為18.5 μm,而實(shí)驗(yàn)的切割粒度增大至46.8 μm。這主要是由顆粒形狀的不規(guī)則性導(dǎo)致的,眾多研究顯示在相同的工藝條件下,球形顆粒的分離效率和分離精度都明顯優(yōu)于非球形顆粒[16-17],而對(duì)于酸解尾渣體系,這樣的差異體現(xiàn)在細(xì)顆粒溢流分離效率的提高,以及粗顆粒底流回收效率的降低。表4列出了不同進(jìn)口速度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由表4可知,當(dāng)進(jìn)口速度為1.28 m/s時(shí),81.3%的雜質(zhì)細(xì)顆?？梢缘玫矫摮?但高鈦品位粗顆粒的回收率僅為27.1%,這是因?yàn)?.28 m/s的進(jìn)口速度無(wú)法提供足夠的離心力。隨著進(jìn)口速度增大至2.28 m/s,細(xì)顆粒的脫除效率提高到90.3%,同時(shí)粗顆粒的回收效率大幅升高至79.2%,該進(jìn)口速度可以實(shí)現(xiàn)尾渣的高精度分級(jí)。當(dāng)進(jìn)口速度進(jìn)一步增大為3.28 m/s時(shí),與模擬數(shù)據(jù)變化規(guī)律相同,雖然粗顆粒的回收效率升高至81.0%,但細(xì)顆粒脫除效率下降為87.5%。表5列出了進(jìn)口速度為2.28 m/s時(shí)固相產(chǎn)物組成分析,底流中w(TiO2)=19.11%、溢流中w(SiO2)=63.24%的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的旋流工藝可以實(shí)現(xiàn)尾渣的高精度分級(jí)。

圖7　定時(shí)取樣樣品粒度分布對(duì)比Fig.7　Comparison of size distribution of particles sampled at certain intervals

圖8　溢流和底流固相產(chǎn)物形貌特征Fig.8　SEM pictures of overflow and underflow particles

圖9　數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分離效率曲線對(duì)比Fig.9　Comparison of separation efficiency between simulation and experiment

表4　分離精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5　溢流和底流固相產(chǎn)物化學(xué)組成

3　結(jié)　論

(1) 進(jìn)口速度的增加可以提高尾渣顆粒的分離效率,這主要是由于顆粒受到了離心力增大和初速度增加的共同影響。

(2) 過(guò)大或過(guò)小的進(jìn)口速度對(duì)尾渣顆粒的分級(jí)都是不利的。當(dāng)速度過(guò)小時(shí),較低的粗顆粒回收效率造成鈦資源的損失; 當(dāng)速度過(guò)大時(shí),細(xì)顆粒分離效率的降低導(dǎo)致雜質(zhì)顆粒脫除效果不明顯。

(3) 當(dāng)進(jìn)口速度為2.28 m/s時(shí),90.3%的雜質(zhì)細(xì)顆粒可以得到有效脫除,二氧化鈦回收率為59.3%,溢流產(chǎn)物的體積平均粒徑為9.2 μm,多為結(jié)構(gòu)松散的小顆粒; 底流產(chǎn)物的體積平均粒徑可達(dá)43.6 μm,以致密的大顆粒為主。

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Numerical Simulation and Experimental Study on the Classification of Acid Hydrolysis Waste Residue of Titanium Dioxide by Hydrocyclone

TANG Bo,XU Yan-xia,SONG Xing-fu,SUN Ze,YU Jian-guo

(National Engineering Research Center for Integrated Utilization of Salt Lake Resource,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)

In order to improve the sharpness of classification of acid hydrolysis waste residues of titanium dioxide,the process optimization was made by numerical simulation and experimental investigation.Simulated results indicated that when inlet velocity was 1.78 m/s,the efficiency of the coarse particles by spigot was 91.1%,which reduced the recovery rate of TiO2.On the other hand,when inlet velocity was 2.78 m/s,the efficiency of the fine particles by vortex finder was 62.9%,which reduced the separation rate of impurities significantly.As a result,for achieving high sharpness,inlet velocity should be 2.28 m/s.The further results of experiments validated that when inlet velocity was 2.28 m/s,D[4,3] of overflow and underflow products were 9.2 μm and 43.6 μm,respectively.Meanwhile,90.3% of the fine particles of impurities were removed,and the recovery rate of TiO2was 59.3%.

hydrocyclone classification; separation sharpness; acid hydrolysis waste residue; resource recovery

1006-3080(2016)04-0454-06

10.14135/j.cnki.1006-3080.2016.04.003

2016-04-08

唐波(1989-),男,上海人,博士生,主要從事旋流分離技術(shù)。E-mail:020110138@mail.ecust.edu.cn

通信聯(lián)系人：宋興福,E-mail:xfsong@ecust.edu.cn

TQ115

A