新型機(jī)械攪拌噴氣精煉裝置的氣泡微細(xì)化及分散的研究.pdf

1、本文在綜合顆粒鎂脫硫和KR法脫硫技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了“原位法機(jī)械攪拌脫硫”的新思路。即以MgO鎂基脫硫劑取代顆粒鎂，在鐵水中原位生成金屬鎂蒸汽，靠惰性載氣噴吹帶入鐵水熔池并在機(jī)械攪拌的作用下細(xì)化和分散鎂蒸汽氣泡，從而達(dá)到提高鎂脫硫效率的目的。佐野正道的研究也證明微細(xì)化鎂蒸汽氣泡大小不僅可以提高鎂脫硫效率還可以提高鎂利用率。顯然，要實(shí)現(xiàn)“原位法機(jī)械攪拌脫硫”的新思路，鎂蒸汽氣泡的微細(xì)化和均勻分散是提高金屬鎂脫硫效率和鎂利用率的最為關(guān)鍵的問

2、題之一。因此，必須開展“基于精煉過程的氣泡微細(xì)化及其氣液傳質(zhì)過程的研究”。
　　 在綜合與分析大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，基于相似原理的水模型實(shí)驗(yàn)從圖像分析、氣液吸收、因次分析、均混時(shí)間、氣泡利用率、數(shù)值模擬等角度系統(tǒng)地研究了氣液吸收過程中氣泡微細(xì)化和氣泡分散的影響因素及其相互作用規(guī)律。
　　 首先，采用高速照相、數(shù)碼攝像、圖像處理技術(shù)以及IMAGE-PROCESS軟件考察了攪拌槳槳型、轉(zhuǎn)動(dòng)模式、轉(zhuǎn)速、噴嘴結(jié)構(gòu)、噴氣方式和噴氣流量

3、等因素對(duì)氣泡細(xì)化、氣泡分散、氣液吸收過程的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)和理論分析表明：單向轉(zhuǎn)動(dòng)模式易形成漩渦，導(dǎo)致氣泡在攪拌槳軸并聚；雙向和間歇的攪拌模式可以抑制漩渦的形成，促進(jìn)氣泡的微細(xì)化；偏心攪拌與中心攪拌相比更利于氣泡微細(xì)化。在雙向和間歇的攪拌模式下，攪拌槳轉(zhuǎn)速和長度的增加有利于氣泡微細(xì)化；在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，氣泡的直徑隨著噴嘴直徑的增大而增大，隨著噴嘴數(shù)的增加而減?。寒?dāng)噴嘴的浸入深度增加時(shí)，氣泡微細(xì)化程度明顯增強(qiáng)，噴嘴的浸入深度越深，氣泡分布

4、得越廣泛；打孔槳即使在單向攪拌模式下，也可以削弱切向流，抑制漩渦的形成或者至少可以延長漩渦的形成時(shí)間，形成漩渦的時(shí)間與無孔槳相比延長了2到3倍，這為雙向和間歇轉(zhuǎn)模式選擇合適的交互時(shí)間提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)；同時(shí)，具有較大翼長和翼幅的多孔攪拌槳可以促進(jìn)氣泡的分散和破碎。
　　 其次，在水模型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析了影響氣泡尺寸的各種因素，應(yīng)用因次分析得到了氣泡平均直徑的準(zhǔn)數(shù)方程：
　　 根據(jù)得到的準(zhǔn)數(shù)方程，分別對(duì)攪拌槳轉(zhuǎn)速、氣體流量、

5、浸入深度、以及液面高度對(duì)氣泡的平均直徑的影響進(jìn)行了理論分析，得到三種情況下具體的準(zhǔn)數(shù)方程的表達(dá)式：
　　 (a)噴氣流量對(duì)氣泡尺寸(dB/D)的影響：
　　 (b)浸入深度對(duì)氣泡尺寸(dB/D)的影響：
　　 (c)液面高度對(duì)氣泡尺寸(dB/D)的影響：
　　 第三，通過CO2-NaOH-H2O體系吸收過程，研究了容積傳質(zhì)系數(shù)和氣體利用率的影響因素及其作用規(guī)律。結(jié)果表明：容積傳質(zhì)系數(shù)隨著流量的增大而增大；

6、偏心攪拌時(shí)容積傳質(zhì)系數(shù)和CO2利用率隨轉(zhuǎn)速增大而增大；直吹和側(cè)吹下的機(jī)械攪拌有利于氣泡在溶池內(nèi)迅速擴(kuò)散，能促進(jìn)氣液的充分接觸，提高容積傳質(zhì)系數(shù)和CO2利用率。
　　 在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用因次分析原理關(guān)聯(lián)了容積傳質(zhì)系數(shù)與相關(guān)數(shù)群的準(zhǔn)數(shù)方程如下：
　　 (a)中心攪拌雙向：
　　 (b)中心攪拌單向：
　　 (c)中心攪拌間歇：
　　 (d)偏心攪拌單向：
　　 根據(jù)氣含率、氣泡尺寸和容積傳質(zhì)

7、系數(shù)AK等參數(shù)，計(jì)算了相應(yīng)條件下的質(zhì)量傳質(zhì)系數(shù)K和表面更新率S。
　　 第四，針對(duì)鐵水包高徑比較小的特點(diǎn)，提出了氣泡有效利用率的新概念。通過理論分析及推導(dǎo)，得到了氣泡有效利用率與流量、氣泡直徑、傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)系式。
　　 當(dāng)吸收過程為零級(jí)反應(yīng)時(shí)：
　　 當(dāng)吸收過程為一級(jí)反應(yīng)時(shí)：
　　 其中
　　 兩個(gè)公式的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，這說明在高徑比較小的情況下，吸收速率可按零級(jí)反應(yīng)處理，但吸收速率按一級(jí)

8、反應(yīng)處理時(shí)的理論公式比吸收速率按零級(jí)反應(yīng)處理的理論公式吻合程度更好。
　　 第五，采用電導(dǎo)率法測定了水模型的均混時(shí)間。分別考察了攪拌模式、轉(zhuǎn)速、中心與偏心攪拌、噴氣流量等因素對(duì)均混時(shí)間的影響。研究結(jié)果表明：雙向攪拌模式的均混時(shí)間小于間歇攪拌模式的均混時(shí)間，單向攪拌模式的均混時(shí)間最長；噴嘴直徑越大均混時(shí)間越長；中心和偏心攪拌模式下轉(zhuǎn)速對(duì)均混時(shí)間的影響規(guī)律相同，即無論噴氣與否均混時(shí)間均隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增加而變小，而且，在同一攪拌轉(zhuǎn)速下