随着世界上有色金属产业的快速发展，金属矿产资源消耗量也逐年增加，目前高品位的金属资源已经供不应求，所以一些国家不得不利用伴生资源及低品位资源进行有价金属的提炼[1-2]。而湿法冶金工艺技术特别适用于处理复杂的、共伴的和低品位的有色金属资源，能够实现资源的综合利用。但是湿法冶金中的常压浸出过程大多是在室温或溶液沸点温度以下的条件下进行的，浸出速率往往比较慢，即需要较长的浸出时间，且有价金属的浸出率偏低[3-5]。为了解决这一问题，许多学者研究了加压浸出处理低品位矿石，这种短流程、浸出强化、金属提取率高等特点的加压湿法冶金技术作为现代湿法冶金新兴发展的领域，已广泛地应用于铜、锌、镍、钴、钨及多种稀贵金属提取冶金及材料制备等多个方面[6-7]。
硫化矿加压浸出体系中的氧化过程主要是在液相内进行的[8-10]。就此而言，氧气的气含率以及在液相中的溶解就对氧化浸出过程十分重要了。在硫化矿加压反应的过程中，离散的气泡有可能聚合成大的气泡或者大的气泡分解成离散的小气泡。气泡在液体中的气含率决定了气液固三相间的接触程度，进而决定了加压浸出过程中气液固三相反应的最终效果和有价金属的提取率。 因此，研究气泡在液相中的行为规律有助于深入了解硫化矿加压浸出中现象的物理化学本质，具有十分重要的理论和实际意义[11]。
目前，大多数学者[12-13]主要考察常压下气泡在液体中的行为，而对加压下气泡在液体中的行为研究较少。Letzel et al[14]研究了高压对气液鼓泡塔均相泡状流动稳定性的影响。结果发现增加系统的压力，在不稳定点的气含率就会显著增加。Liu et al[15]分别讨论了中心和偏心搅拌模式下气体流量、搅拌转速等因素对局部气含率和平均气含率的影响，结果表明，中心双向搅拌和偏心单向搅拌均可显著提高气含率，且后者更有效果。
在高压釜中模拟硫化矿精矿加压浸出条件下氧气气含率的研究没有报道。为解决氧利用率低的问题奠定理论指导，本文使用透明石英高压釜，在高温高压条件下，研究了气液两相混合状态和气泡在溶液中的行为规律。该研究有助于掌握硫化矿精矿加压浸出过程中氧气溶解调控机制，提高生产率和降低运行费用，从而指导加压浸出的生产操作。
2. 实 验
2.1. 实验装置
本实验使用BCFD 2-0.8型透明石英反应釜进行水模实验研究，釜体透明，最大压力可达到0.8 MPa，最高温度可达到200 K，加热装置为循环油加热，透明石英反应釜示意图见图1。
图1 透明石英加压反应釜：1-氧气瓶;2-石英釜体;3-出料口;4-转速测定线;5-热电偶;6-电机;7-加热线;8-控制柜;9-硅油;10-循环油浴加热器
Fig. 1 Transparent quartz autoclave: 1-Oxygen flask; 2-Quartz kettle body; 3-Discharging mouth; 4-Rotating speed measurement line; 5-Thermocouple; 6-Electric motor; 7-Heating wire; 8-Control cabinet; 9-Silicone oil; 10-Circulating oil bath heater
本实验使用美国DRS公司LIGHT NING RDT型高速摄像机进行气泡采集研究。图像采集卡：每秒800帧，分辨率1280x1024。图像处理机：普通PC机、Windows XP操作系统。照明光源采用摄影专用卤钨灯，功率为1300w。
2.2. 实验步骤
在水模试验时，先往石英反应釜中加入一定量的脱氧水，密封好釜体。然后开启循环油加热装置，根据研究需要设定加热温度，最后往水模系统充入一定量的氧气，并确保整个初始系统处于一个稳定的压力水平。通过改变温度，压力，搅拌转速及液体浓度等条件，使用高速摄像机拍照的方式，最后通过Image-Pro-Plus 6.0软件对拍摄图进行处理，研究了各个条件下石英反应釜内部气泡行为状态。
气含率(ɛ)的测定采用的是气泡平均总体积法-快速摄像技术，用高速摄像机对透明石英反应釜内部气泡分布进行连续高速拍照，用图像处理软件处理来获取同一截面的气泡个数，然后根据气泡的平均直径数据来求得气泡的平均总体积，从而获得气含率的平均值。即：
3. 结果与讨论
3.1. 搅拌转速对气含率的影响
考察了不同搅拌转速对石英透明釜内气泡总体积和气含率的影响，实验条件为：温度为393 K，总压为0.6 MPa。用高速摄像机对实验现象进行连续拍摄，不同条件下的静态气液混合图如图2所示。
图2 不同搅拌速度下的静态图。
Fig. 2 Photos of static phenomenon at different agitation rate: (a) 400 r/min, (b) 500 r/min, (c) 600 r/min, (d) 700 r/min.
对图2的静态图应用Image-Pro-Plus软件和Origin软件进行处理，实验处理结果分别如图3和图4所示。
图3 不同搅拌速度对气泡总体积的影响。
Fig. 3 Effect of different agitation rate on the total volume of bubble: (a) 400 r/min, (b) 500 r/min, (c) 600 r/min, (d) 700 r/min.
由图3可知，搅拌速度对釜内气泡总体积的影响显著，在同一温度和压力条件下，搅拌转速越快，石英透明釜内的气泡总体积越高。这是因为，搅拌桨附近流体在叶轮的作用下作圆周运动，所产生的离心力对石英透明釜内部气体产生抽吸，随着搅拌转速增加，产生的抽吸力随之变大，最终使得釜内气泡总体积增加。
图4 不同搅拌速度对气含率的影响。
Fig. 4 Effect of different agitation rate on the gas holdup.
由图4可见，随搅拌转速由 400 r/min 提高至 700 r/min，气含率不断增大，由0.137%增大至0.56%。
3.2 温度对气含率的影响
在不同温度条件下，脱氧水具有不同的蒸气压值。为在设定氧分压条件下得到温度影响气含率及氧溶解率的规律的正确信息，首先测定了不同温度条件下1.0 L的脱氧水在石英透明釜内的蒸气压。在对脱氧水蒸气压测定基础上，进一步在氧分压 0.6 MPa，搅拌速度600 r/min条件下，考察了不同温度对石英透明釜内气泡总体积和气含率的影响，用高速摄像机对实验现象进行连续拍摄，不同条件下的静态气液混合图如图5所示。
图5 不同温度条件下的静态图。
Fig. 5 Photos of static phenomenon at different temperature: (a) 60 ℃, (b) 90 ℃, (c) 120 ℃, (d) 150 ℃.
对图5的静态图应用Image-Pro-Plus软件和Origin软件进行处理，实验处理结果分别如图6和图7所示。
图6 不同温度对气泡总体积的影响。
Fig. 6 Effect of different temperature on the total volume of bubble: (a) 333 K, (b) 363 K, (c) 393 K, (d) 423 K.
由图6可知，在同一搅拌转速和氧分压条件下，随着温度的升高，石英透明釜内的气泡总体积也逐步增加。但在水的沸点(373K)以下，气泡总体积增加缓慢。从333K到363K，气泡总体积增幅为19%，而从393K到423K，气泡总体积增幅可达到68%，沸点以上的气泡总体积远远大于沸点以下增幅。
图7 不同温度对气含率的影响。
Fig. 7 Effect of different temperature on the gas holdup.
由图7可见，随温度由 333 K 提高至 423 K，气含率不断增大，由0.27%增大至0.72%。
3.3 氧气分压对气含率的影响
针对于实际的工业过程中，很多都是在高压下进行，压力是影响体系流体力学非常重要的因素之一。因此在温度为413 K，搅拌速度600 r/min条件下，考察了不同氧气分压对石英透明釜内气泡总体积和气含率的影响，用高速摄像机对实验现象进行连续拍摄，不同条件下的静态气液混合图如图8所示。
图8 不同氧分压条件下的静态图。
Fig. 8 Photos of static phenomenon at different oxygen partial pressure: (a) 0.2 MPa, (b) 0.4 MPa, (c) 0.6 MPa, (d) 0.8 MPa.
对图8的静态图应用Image-Pro-Plus软件和Origin软件进行处理，实验处理结果分别如图9和图10所示。
图9 不同氧分压对气泡总体积的影响。
Fig. 9 Effect of different oxygen partial pressure on the total volume of bubble: (a) 0.2 MPa, (b) 0.4 MPa, (c) 0.6 MPa, (d) 0.8 MPa.
由图9可知，在同一搅拌转速和温度条件下，随着氧分压的增加，石英透明釜内的气泡总体积也逐步增加。这可能由于压力改变了气相密度，增加了气液接触的动量和降低气泡稳定性，改变了气泡间的聚并和破裂平衡，从而影响了气泡总体积。
Fig. 10 Effect of different oxygen partial pressure on the gas holdup.
由图10可见，随氧分压由 0.2 MPa 提高至 0.8 MPa，气含率不断增大，由0.376%增大至0.584%。
3.4. 建立气含率数学模型
结合上述实验结果可知，石英透明釜内气含率ε的大小主要受以下因素的影响：
(1) 气含率ε随着搅拌速度n的增加而增加，即ε∝na;
(2) 气含率ε随着温度T的增加而增大，可以写成ε∝Tb;
(3) 气含率ε随着氧分压Pg的增加而增大，可以写成ε∝Pgc;
(4) 总结前人对气泡的研究还发现, 气含率和釜内直径D、液面高度H、气体密度 ρg、气体黏度 μg、气液表面张力 σg-l、液体密度 ρl 和液体黏度 μl等因素有关, 但它们在本实验中为定值, 所以不再讨论。
为了将热力学温度T转化到L-M-T量纲系统中，需要将热力学温度转换为统计力学温度β。根据β的定义式可知其量纲为能量量纲的倒数，即：
[β]=M-1L-2T2 (2)
式中 M 为质量的量纲，单位kg;L 为长度的量纲, 单位m;T 为时间的量纲，单位s。
因此，如果采用统计热力学温度来描述物体的冷热程度，那么其量纲就可以由M、L和T导出。统计热力学温度β与热力学温度的关系可以用关系式(4)表示：
表1 变量量纲表
Table 1 Dimension of variable
由π定理的分析原理可以知道，总变量数n=11，独立变量数k=3，可建立n-k=8个无量纲组合量。选取d、ρl、μl为独立变量，此外ε为无量纲的量，可直接表示，经过分析可得，各个无量纲的Π分别表示为：
表2 实验数据
Table 2 Experimental data
Fig. 11 Relationship between lnε and (a) ln(n/d-2ρl-1μl), (b) ln(β/d-1ρlμl-2), (c) ln(β/d-1ρlμl-2)
由Fig. 11中拟合所得到的斜率可以求得拟合系数：a=2.501, b=-4.36335, c=0.28654. 所以可以将式(16)简化为：
3. 结论
本文研究了搅拌速度、温度、氧分压对氧气的气含率的影响。各种实验条件对气含率的影响显著，本研究可作以下结论：
1)在温度为403 K，氧分压为0.6 MPa的实验条件下，当搅拌速度从400 r/min上升到700 r/min时，气含率从0.137%上升到0.56%。
2)在搅拌速度为600 r/min，氧分压为0.6 MPa的实验条件下，当温度从333 K提高到423 K时，气含率从0.27%上升到0.72%，如果在水溶液的沸点以上，气含率的增长幅度则高于沸点以下水溶液的增长幅度。
3)在搅拌速度为600 r/min，温度为403 K的实验条件下，当氧分压从0.2 MPa增加至0.8 MPa，气含率从0.376%上升到0.584%。结果表明，氧分压的增加有利于氧在水溶液中的气含率。
4)按均相原理和布金汉定理建立相似准则的关系，然后根据实验数据和相似理论，用数学方法推导出了气含率的经验公式。确定式其标准方程：
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编辑：中冶有色技术网
来源：东北大学
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