反应挤出法碱分解钨矿基础理论及新工艺

摘要

钨矿是我国重要的优势战略资源，经济、高效地从钨矿中提取钨一直是钨冶炼工业中的一个重要课题。
　　 本文围绕钨矿碱分解的理论和新工艺进行了研究，主要内容如下:
　　 (1)系统研究了氢氧化钠分解白钨矿的动力学过程。研究结果表明:在反应温度为60～100℃的条件下，白钨矿的碱分解过程属表面化学反应控制，增大碱浓度、升高反应温度和减小矿物粒度均有利反应的进行。基于溶液活度的条件下研究过程动力学，测得的反应表观活化能和反应级数分别为82.0 kJ·mol-1和0.68，建立的动力学方程为:1-（1-x）1/3=54.08a0.68r0-1 exp（-82000/8.314T）t;而以浓度代替活度时，则得到反应表观活化能和反应级数分别为64.9 kJ·mol-1和1.74，建立的动力学方程为:1-(1-x)1/3=20.12×10-3[NaOH]1.74r0-1exp（-64900/8.314T）t。两种情况下测得的动力学参数有较大的偏差，说明在浸出剂浓度较高、活度条件变化较大时，不能简单以浓度代替活度进行动力学研究。
　　 在此基础上，还分别考察了机械活化对碱分解白钨精矿和黑钨精矿动力学的影响。实验结果表明:机械活化能明显降低钨矿碱浸过程的表观活化能，降低钨矿碱分解过程对温度的依赖程度，强化钨矿的浸出。白钨精矿浸出反应的表观活化能由未活化时的78.1 kJ·mol-1下降至机械活化10 min后的27.9 kJ·mol-1;而黑钨精矿的浸出过程相应也未活化时76.2 kJ·mol-1下降至机械活化20 min后的34.3 kJ·mol-1。
　　 (2)考虑到反应挤出技术能有效地解决高浓高粘物料体系的传质问题，同时也可为物料提供强烈的机械活化作用，因而可借用于高碱、高粘度钨矿浸出新工艺的开发。鉴于反应挤出技术从未应用于湿法冶金领域，因此，本文首次对实验所用反应挤出设备（双螺杆挤出机）的反应工程学进行了研究。
　　 研究结果表明，流体在反应器内的平均停留时间(t)随着螺杆转速的增大而缩短，随着温度的升高而增长;按槽列模型计算所得虚拟槽数均随着螺杆转速的增大和温度升高而减少;螺杆转速对平均停留时间(t)和虚拟槽数N的影响较温度更显著;流体的轴向混合强度均随着螺杆转速的增大和温度的升高而增大。
　　 综上，双螺杆挤出机类似管式反应器，可看成由多个串联的全混槽组合而成，其反应效率优于间歇式全混槽（如压煮反应器）。
　　 (3)在以上研究基础上，开发了反应挤出法碱分解钨矿的新工艺，考察了反应温度、浸出时间、螺杆转速和碱用量对白钨精矿和黑钨精矿的碱分解效果的影响。研究结果表明:反应挤出法碱分解钨矿新工艺可以高效、连续地分解白钨精矿和黑钨精矿。
　　 处理白钨精矿时，在矿水质量比高达2.67∶1、分解时间为3.5 h、螺杆转速为160 rpm和碱用量为理论量的2.2倍的条件下，分解温度仅为120℃（比传统碱分解工艺反应温度低了30～60℃），白钨精矿分解率可达99.18％。处理黑钨精矿时，以相同的矿水比并控制分解时间为2.5 h、螺杆转速为180 rpm和碱用量为理论量1.5倍时，反应温度也只需120℃，黑钨精矿分解率便可达99.13％。
　　 在此基础上，考察了该工艺对其他钨矿的适应能力，结果表明，采用新工艺处理各钨矿时分解率均高于99％，新工艺对钨矿原料的适应性较强。
　　 与传统碱法工艺相比，新工艺在碱用量相当、水用量少、温度较低的条件下，实现了钨矿常压碱分解，降低了能耗，节约了生产成本。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 钨的性质及其用途

1．2 钨资源概况

1．2．1 世界钨资源分布及储量状况

1．2．2 国内钨资源分布、储量及特点

1．3 钨矿分解工艺现状

1．3．1 酸法工艺

1．3．2 碱法工艺

1．4 反应挤出技术概述

1．4．1 反应挤出技术的原理与特点

1．4．2 反应挤出设备简介

1．4．3 反应挤出技术的应用

1．5 课题的提出

第二章 钨矿碱分解动力学研究

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验试剂

2．2．3 实验设备

2．2．4 实验步骤

2．2．5 分析方法

2．3 实验结果及讨论

2．3．1 白钨矿碱分解动力学研究

2．3．2 机械活化对钨矿碱分解动力学的影响

2．4 本章小结

第三章 新型湿法冶金浸出设备反应工程学研究

3．1 前言

3．2 停留时间分布

3．2．1 停留时间分布的定义及表征

3．2．2 RTD的实验测量

3．2．3 非理想流动反应器的数学模型

3．3 实验部分

3．3．1 实验原料及试剂

3．3．2 实验设备

3．3．3 实验步骤

3．3．4 分析方法

3．4 结果与讨论

3．4．1 螺杆转速对RTD的影响

3．4．2 温度对RTD的影响

3．5 本章小结

第四章 反应挤出法碱分解钨矿新工艺研究

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料

4．2．2 实验试剂及设备

4．2．3 实验步骤

4．2．4 分析方法

4．3 实验结果及讨论

4．3．1 反应挤出法碱分解白钨精矿工艺研究

4．3．2 反应挤出法碱分解黑钨精矿工艺研究

4．3．3 反应挤出法碱分解钨矿新工艺对钨矿原料适应性研究

4．3．4 反应挤出法碱分解钨矿新工艺与传统碱法工艺的比较

4．3．5 反应挤出法强化钨矿碱分解出机理探讨

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果