使用酸、或者通过空气或纯氧氧化来浸取矿石或矿石悬浮液的方法属于湿法冶金的范畴。其他主要的应用领域包括通过氧化硫化矿物中的硫来获取金属并将金属用于之后的加工，以及各种析出和结晶工艺。
所有这些工艺都需要混合矿石悬浮液。典型的混合任务的内容包括有效分散气体，使固体从反应槽底部到顶部均匀悬浮，并且防止沉积。这不仅必须满足工艺过程的要求，且达到较高的技术可靠性也很重要。
湿法冶金领域应用的技术包括高压釜矿石加工技术以及微生物矿石处理技术，由于得到较高矿石产量需要较长的停留时间，因此这些技术需要使用非常巨大的反应槽。另一个使用大容量反应槽的应用事例就是氢氧化铝生产技术。以下从混合技术的角度对这些方法进行了讨论。
高压釜
高压釜主要用于湿法冶金进行萃取黄金或镍的萃取，尤其在使用其他方法无法满足浸出率的情况下。加压浸取法的优点是，能够在比常压浸取更高的温度下进行，即能够获得较高的反应速率。
黄金萃取
目前开采的许多矿石中的黄金是以黄铁矿(FeS2)和砷黄铁矿等硫化矿物中所含成分的形式存在的。硫化矿石必须通过氧化硫化物进行分解，以便下游过程能够从中萃取出黄金。该工艺步骤通常在名为POX(高压氧化)高压釜的连续工作卧式高压釜中进行。
此氧化反应的一个实例就是黄铁矿的分解：
4 FeS2 + 15 O2 + 2 H2O → 2 Fe2(SO4)3 + 2 H2SO4
此反应的目的在于通过使用纯氧氧化来获得可能最高的利用转化(氧化)率。这包括在保证最短停留时间或最大产量的同时，使传质达到最大化。
典型反应槽和工艺数据
目前，加压浸取是在卧式反应槽中进行，该反应槽分成4-8个隔室(图288)，总容积达到900立方米。由于约70%的氧化反应在第一隔室中进行，因此第一隔室的容积通常是其他隔室的2倍，并且安装了数个搅拌器。反应物在整个高压釜中的停留时间取决于反应槽的运行模式，但通常大约为1小时。
图288：POX高压釜的典型反应槽结构
图289：高压釜搅拌器
混合任务和混合系统
氧化高压釜混合技术的要求根据对各矿石中所含矿物的研究和具体的工艺而有所不同，并且这些要求常常涉及范围非常广。工艺效率由氧化率决定。因此，一个重要的参数就是可实现的传质速率，这取决于搅拌器的分散能力、局部湍流水平，从而也取决于局部能量输入情况。由于大部分的氧化反应在第一隔室或前两个隔室中进行，因此这些隔室对搅拌器的要求最高。
图290：加压浸取的典型工艺数据
图291：标准平叶涡轮桨(左)和Ekato EPOX-R搅拌器流体模式的CFD(计算流体动力学)模拟(参见图295)
在这第一个步骤中，反应情况一般会受制于传质水平，这也就是为什么在优化叶轮互动和氧气输送量的同时需要一直保持较高能量输入水平的原因。传质基本原理在后面第50页中进行了阐述。
为了计算过程所需的传质水平，不仅需了解搅拌器的传质效率，还必须了解在过程条件下的氧气溶解度，因为这一数据代表了驱动力的水平。虽然在过程条件下难以测量这一数据，但可以通过使用不同模型(【135】，【136】)足够准确地计算这一数据。
叶轮的选择取决于其同时分散气体并悬浮固体的能力。一个关键的因素就是单位体积能量输入水平【139】，其通常值为2.5-4 kW/m3，但有可能达到5 kW/m3，其反应所需的高能量输入以及由此产生的高叶尖速度常常会引起摩损问题。这就是POX高压釜内常常使用平叶涡轮桨的原因，因为平叶涡轮桨的功率准数较高，因此，在能量输入一定的情况下，可以以比轴流叶轮更低的端速运行。尽管已经将叶轮进行了最大程度的简化，但是POX高压釜中的叶轮仍然会快速磨损，需要经常更换。
因此，Ekato开发了一种磨损可能性大大减小的叶轮，这种叶轮具有稳健的工艺过程参数和机械参数。Ekato EPOX-R具有优化的结构，能使叶片低压面的涡流降至最低水平。
这些涡流是磨损的主要原因(图291，【60】)。使用EPOX-R搅拌器，涡流所产生的噪音比传统的平叶涡轮桨大大降低，从而大大延长了叶轮的使用寿命(参见后面第126页)。
反应槽结构的影响
与对称的立式反应槽结构相比，卧式高压釜具有非对称的几何形状，从而在一些基础参数上存在相当大的不同。例如，与立式反应槽相比，卧式高压釜的功率准数很大程度上取决于顶隙和几何条件(挡板的几何形状和数量，隔室的长度等等)。
镍的萃取
由于不锈钢的产量不断增长，对镍的需求量也持续走高。大多数镍萃取的扩建项目是采用红土矿冶金的项目(【3】，【13】)。与采用POX高压釜的反应不同的是，这些矿石通常在卧式高压釜中，通过金属镍从矿砂中直接浸出的方式进行加工，包括在HPAL(高压酸浸)过程的高压高温条件下处理硫酸中的矿石悬浮液。简化的反应方程式为：【15】
2 Fe1-xNixO(OH)1-x + 2x H2SO4 →
(1 – x)Fe2O3 + 2x NiSO4 + 2x H2O
图292：EPAL叶轮的流速和流场
此工艺的关键因素就是给料的快速混合。一方面，为了最大程度地进行镍的萃取，必须避免矿石悬浮液发生短路，另一方面，必须防止某些区域出现高硫酸浓度，因为如果高浓度硫酸在运行时接触了反应槽壁、搅拌器或其他内部构件，会加快这些区域的腐蚀，从而缩短这些部件的使用寿命。这种情况甚至对于钛金属构件也是如此。
为了实现尽可能最快的分散，从而达到最快的浸取和中和，需要调整各种影响混合的参数，例如：停留时间和混合时间的比值。另一个关键参数就是流入浸提液的动量和搅拌器所引起的动量之间的比值【30】。矿石悬浮液和硫酸给料位置的选择也很重要。图294说明了在使用相同类型的叶轮和一定的输入功率的模型设置上，不同给料位置对混合结果的影响。左图模拟了目前工业上采用的设置。两个供液位置之间存在明显间距。相比之下，右图显示混合效果更好，因此中和反应也更快。
另一个混合任务就是使固体悬浮，这些固体必须穿过间壁，从一个隔室进入下一个隔室。研磨过程通常会产生少量无法穿过间壁的过大颗粒组分。隔室底部区域设置了放砂孔，以便从在反应过程中去除这些过大颗粒，从而防止颗粒积聚。
图293：带有EPAL叶轮的镍浸取高压釜(HPAL)
图294：给料位置对混合结果的影响
为了应对非对称几何图形的高压釜隔室，Ekato开发了一种适合湿法冶金应用的专用叶轮——Ekato EPAL。隔室的几何尺寸使间壁底部以及第一隔室和最后隔室缸顶和缸体区域的交接处的流速大大降低，使得固体在此积聚。EPAL的叶轮片有一个相对于水平面的倾角，可以加快流速，从而提高隔室问题部位的泵压效率。因此，这种结构的优点是：与传统叶轮相比，可以降低使固体悬浮所需的输入功率。如图292所示，EPAL叶片改善了流动情况，该图表明了整个反应槽横轴的纵切面中流速和流场的分布情况。
机械设计
高压釜中的搅拌器制作材料的选择必须十分慎重，需要考虑工作条件和具体浸提物的要求。高压釜的非对称结构会产生较高的机械负载，而在一个较大的隔室中安装若干搅拌器常常会加大这种负载，这就有必要采用高强度材料制造搅拌器轴和叶轮。除了机械方面的要求，由于高压釜中的腐蚀性环境，有必要采用钛或超级双相钢等耐腐蚀材料。2级、5级或12级钛常常用来制造搅拌器轴。通常叶轮使用7级钛制造，由于这种材料有较强的耐隙间腐蚀的特性，因此被广泛用于制造可拆卸式连接构件。
但是，使用钛金属时需要特别小心，尤其在POX高压釜中，因为在富氧和高温环境中钛是可燃的。因此，此类应用中的转轴采用Inconel或Ferralium等超级双相钢制造。
密封技术
对于此类设备应当特别注意其密封技术。除了上述机械、物理和化学工作条件所提出的高要求之外，由于此类设备常常在离开现有基础设施的地方运行，因此其对环境条件要求非常严苛。这就意味着不仅要选择合适的材料用于机械密封，还要保证用于机械密封的密封液和任何其他介质的可靠供应，以应对常常变化的工作条件。否则，这些重要部件的使用寿命会大大低于设计值。
除直接费用之外，无谓的维修以及从而引发的停机检修时间也会增加成本，减少收益。通常的解决方案就是使用中央自动供应系统(后面第156页)，该系统可以可靠确保密封功能。在某些情况下，根据设备的不同要求，供应系统还会配备应急备用系统。这确保了介质、电源和冷却系统的供应，特别是在电源故障或紧急运行的情况下确保了机械密封功能，从而防止对热敏性部件的损害。
大型充气反应槽中的生物浸取
由于矿石萃取目标产量较高，因此设备操作员通常使用大容量的搅拌槽。这些搅拌槽中的混合任务从简单的悬浮，例如在储槽中进行的悬浮，到三相混合物的充气，不一而足。典型的应用包括生物浸取和中和。即使这些搅拌槽的确切输入功率相对较高，但搅拌器的速度还是很低，以致在这些充气条件下不再适用一般的设计标准。因此，使固体悬浮或升离底部的输入功率必须比非充气条件下的功率大大增加，并取决于所安装的叶轮类型。这不仅要了解和考虑工艺过程参数，还必须考虑在充气条件下，变化的流体力学因素可能引起较大的机械力。
充气悬浮
“悬浮”混合对“气体分散”带来了更多的挑战。这种应用的一个典型例子就是在生物浸取中，必须分散空气，从而产生足够的界面面积，促进氧气传质。但是同时，固体必须保持悬浮状态。
对各二相混合物采用基本设计原则这是一种不可靠的方法(【11】，【121】)。在较低的充气速度下，与非充气条件相比，颗粒已经开始沉积。提高气流速度会加大这种趋势。大部分的颗粒将会在叶轮的液泛点沉积。由于叶轮底部的流场变化，使循环速率降低，从而导致流速降低，这就使充气过程中的悬浮情况更加恶化(【49】，【146】)。
图295：径向力系数cR随无量纲的充气气流速度Q的变化而增加
因此，在现代系统中，EkatoViscoprop等仅用于悬浮的叶轮正在被EkatoIsojet B取代，因为后者拥有较大的叶片面积，在拥有较好悬浮特性的同时，提高了气体分散效率。Combijet是此类应用的又一不错选择【59】。
经验表明Viscoprop等轴流叶轮在非充气条件下只需最小的输入功率就能完全使固体悬浮。但是，甚至很小的气流速度也会大大增加所需功率。Isojet B大大改善了此类情况下叶轮的性能。该叶轮适用于较大的充气速度范围，拥有远胜于单纯的轴流叶轮的稳定特性。Combijet结合了Isojet B和EkatoPhasejet，在非常大的充气速度范围内表现出稳定的特性。除了可以改善在充气条件下的悬浮特性之外，Combijet还有一个优点：可以在叶轮液泛之前增加流速，从而得到最为广泛的应用。这个优点对于在常压镍浸取等沸点工作条件下的充气应用尤为重要。增加的气体将会充入蒸汽，因此，叶轮的有效气体容量可以提高约80%(【71】，【120】)，从而进一步增加叶轮的气体负载。
机械力
如后面第50页所述，充气不仅能够改变叶轮的功率准数，还能改变径向力系数cR等所有的液压力系数。从图295可以看出，即使很低的气流速度也会根据不同的流速，以1.5-2.5的增长系数增加cR的值。在确定搅拌器构件和搅拌槽的尺寸大小时必须考虑这一点。
进气系统
带有许多气孔的喷嘴环以及接近叶轮的独立进气管等不同类型的进气系统被用于生产级的设备。叶轮的溢流点会受到所选择的喷嘴的影响，并可通过实验室测试进行优化。Ekato已经研发了一种新的理念，并获得了专利，即使用单独的进气管道，通过叶轮喷嘴分布气体。
铝的萃取
工艺说明
氧化铝(Al2O3)采用拜耳法进行生产，该方法由Karl Josef Bayer于1888年获得专利。拜耳法表明，勃姆石、三水铝石和水铝石(铝土矿的主要成分)等矿石中存在的Al2O3在适宜的温度条件下可以在氢氧化钠溶液中溶解。铝土矿的其余成分无法溶解，因此，使用物理方法可以比较容易地将这些成分从铝酸钠溶液中去除。接下来，就可以回收氢氧化钠溶液了。这个方法自获得专利以来没有实质性改变【52】：
1.脱硅
活性硅含量较高的铝土矿级别必须进行预脱硅处理;否则，会发生不良结晶，导致下游工艺步骤中发生结垢。预脱硅在约90–100 °C的常压条件下进行。对溶液进行若干小时的搅拌，从而降低氧化硅的含量。所产生的硅铝酸钠将会与赤泥一起排出(参见3.)。
2. 消解
经过研磨并选择性脱硅的铝土矿悬浮液在盛有氢氧化钠溶液的连续式高压釜中进行消解，并根据不同的铝土矿类型，在约140-250°C的条件下汽化。该材料可以以多种方式进行消解，例如：在一系列的储罐中消解，或者在带有塔板的独立狭长混合槽中进行消解。铝组分的萃取率约为97%。
3. 净化
赤泥，即非溶解成分(主要是氧化铁、氧化钛和氧化硅)在一个或多个浓密槽中从铝酸盐液体中分离，然后被倒入废料堆。
4. 析出
净化后的铝酸钠液体进行预冷，从而达到过饱和。然后，该液体进入一个一般由12-16个搅拌槽组成的级联。随着溶液自然冷却，氢氧化铝(Al(OH)3)结晶析出，氢氧化钠得到离析。通过加入晶种可以引发结晶。由于液体中氧化铝离子的耗竭，随着结晶过程的进展，氢氧化物的析出率慢慢降低，因此，反应物在搅拌槽级联中的总停留时间可能为数日。
5. 焙烧
对离析后的氢氧化铝进行过滤和分类。细颗粒组分逐渐上升，用作第一搅拌槽中的晶种。粗颗粒组分通过煅烧步骤脱水形成Al2O3。焙烧产物是白色的Al2O3粉末，其中98%将用于铝电解精炼。
如工艺说明所示，数个加工步骤是在搅拌槽中进行的。以下从混合技术的角度对这些结晶析出器进行了说明。
结晶析出槽
有两种基本类型的混合系统可以用来完成结晶析出槽中的悬浮任务。这种所谓的开放式系统适用于很大的颗粒浓度范围，在工业应用中的适用颗粒浓度范围达到了150-1000g/l。
或者，系统可以配置一导流筒，即搅拌器起到泵的作用(参见后面第306页)。但是，这种设计在颗粒浓度超过约400g/l时，就不再是性价比高的选择了。图296给出了4500-m 3结晶析出槽的部分一般工作数据和搅拌器数据。图297展示了最新的、带多级EkatoViscoprop的开放式混合系统。这种设置在最小输入功率的条件下，实现了整个液体高度中的固体均匀分布。所获得的悬浮液密度在整个液体高度中几乎是恒定的。为了在最小液面高度差或最小静水压差的情况下，通过液面探测管将悬浮液源源不断地输送到级联中的下一个结晶析出槽中，
图296：结晶析出槽的典型工艺数据
保持恒定的悬浮液密度是必须的。还必须根据产量调整液面探测管的结构，使流速降至最低，从而尽量降低流体损耗。但同时，流速必须达到足以输送结晶槽中最大颗粒的水平。
此系统与传统搅拌器相比的另一个改进之处是，最低处的Viscoprop叶轮直径要大于安装在这个叶轮之上的其他叶轮直径。这就加快了底部区域的流速，从而避免靠近底部区域的析出槽壁上出现结晶。在带有传统设计搅拌器的系统中，短短几个月的时间里，这些沉积物可以堆积到数米的高度。
图297：配有多级EkatoViscoprop混合系统(右)的4500-m3结晶析出槽热像图
槽壁上的结垢堆积高度可以通过热成像技术，即：使用热成像摄像机描述槽壁表面温度来进行监测。拥有晶体结垢的区域的温度要低于未受影响的区域，而未受影响的区域的温度几乎和产品温度是相同的。
图297显示了配有多级Viscoprop混合系统的4500-m析出槽在经过了数月工作之后的热成像评估实例。图片左上角的热像图表明在槽的上部温度分布还是非常均匀的。在接近槽底的区域可以看到高度达到60-70cm的晶体结垢(槽底热像图)。但是，与类似设备相比，这些结垢的量要少很多，从而证实了使用Viscoprop混合系统可以得到十分理想的工艺过程结果。
声明：
“高压反应釜搅拌技术及设备在湿法冶金行业中的应用” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：德国EKATO 搅拌技术有限公司
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2024年07月26日 ~ 28日 
