一种基于可视化的溶液针铁矿法沉铁方法技术

本发明专利技术公开了一种基于可视化的溶液针铁矿法沉铁方法。首先采用有限元多物理场模拟仿真软件对含铁溶液针铁矿沉铁过程进行模拟仿真，获得针铁矿沉铁过程溶液体系各点位物理、化学结构的时空变化规律，获得针铁矿沉铁最佳反应器结构及最佳反应条件。将此最佳条件应用于真实含铁溶液的针铁矿法沉铁过程，可以实现对针铁矿沉铁过程的精准控制，获得最佳的针铁矿沉铁效果，达到溶液高效、稳定除铁的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种基于可视化的溶液针铁矿法沉铁方法
本专利技术涉及有色金属冶金领域，特别涉及一种基于可视化的溶液针铁矿法沉铁方法。
技术介绍
有色金属矿通常与铁的化合物伴生，湿法冶炼时铁易于有色金属一同进入溶液，为了获得高质量的金属产品，必须首先将溶液中的铁除尽。水溶液中净化除铁的基本原理是将铁离子沉淀分离，目前常用的主要方法有：①氢氧化铁沉淀法，即使溶液中的铁以Fe(OH)3胶体析出，该方法主要存在固液分离困难的问题，特别是当溶液含铁较高时，Fe(OH)3胶体易堵塞板框压滤机导致生产过程难以进行；②赤铁矿法沉铁，使溶液中的铁以赤铁矿形式入渣，1968年～1970年由日本同和矿业公司专利技术，1972年在日本饭岛炼锌厂投入生产，采用“复浸出—赤铁矿法”沉铁，国内目前云南云锡文山锌铟冶炼有限公司也正建设基于赤铁矿法沉铁技术路线的湿法炼锌生产线。该法需要昂贵钛材制造高压设备和附设SO2液化工厂，投资费用高，且有一个单独还原铁的阶段；③黄钾铁矾法，基于有铵或碱金属离子存在时，溶液中的铁生成黄钾铁矾进入渣中而除去，但也给溶液带入了如K+、Na+或NH4+等杂质离子；④针铁矿法沉铁，使溶液中的铁以针铁矿形态入渣。1965年～1969年由比利时老山公司(VieilleMontagne)研制，1971年在巴伦(Balen)厂投产。针铁矿法具有工艺设备简单、除铁成本较低、铁沉降物呈结晶态因而过滤性能良好等优点，但目前大量工业实践发现针铁矿法存在沉铁渣晶型混杂难控制、沉铁渣铁低含量低、难以高值回收利用等突出问题。已开展的研究表明，针铁矿法沉铁包括一系列复杂的物理化学反应过程，包括二价铁离子氧化、三价铁离子水解以及中和反应等。这些化学反应过程受温度、晶种、搅拌速度、催化程度、组分浓度以及pH值等因素影响。铁在溶液中的还原、氧化、结晶析出涉及一系列气、液、固三相互相耦合的化学、物理反应，反应机理非常复杂。国内外专家学者对此进行了大量研究工作，目前文献归纳的针铁矿法沉铁主要工艺条件通常为pH3～4、温度70～90℃、溶液中Fe3+浓度小于1g/L等，可允许浮动的范围非常窄，参数控制要求极为严格。但在规模化生产中，由于针铁矿沉铁工序通常由多台连续沉铁反应器串联组成，反应溶液入口与出口存在较大的时滞，且沉铁反应器体积庞大，沉铁过程溶液中不同位置处Fe2+/Fe3+浓度、pH值和温度呈非线性、时变等特点，尤其在实际生产中随着生产原料、沉铁过程上一还原工序工况等的变化，使得不同批次进入到针铁矿沉铁工序的溶液量、溶液结构等常常差异较大，依照现有的人员经验调控方式，难以实现对沉铁过程参数进行实时调控，导致实际沉铁时溶液中不同位置、同一位置不同时间点其流速、密度、粘度、pH值、温度、离子浓度等变化很大。而针铁矿沉铁过程对溶液物理场性质(流速、温度、密度、粘度等)、化学场性质(亚铁离子浓度、pH值等)的变化非常敏感，不同批次的含铁溶液采用同一针铁矿法沉铁工艺参数进行沉铁，显然难以实现准确、稳定地针铁矿法沉铁，使得针铁矿沉铁渣晶型常常不稳定，导致所产铁渣铁品位低、渣量大、难过滤，且难以实现铁渣资源化、全量化高值回收利用。本领域急需一种能够在规模化针铁矿沉铁前，能够对沉铁过程及沉铁效果实现预测、评估的方法及手段，并在获得合格沉铁评估效果后，可按照经效果评估后的工艺参数进行实际针铁矿沉铁操作。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于可视化的溶液针铁矿法沉铁技术，在真实溶液进行针铁矿法沉铁实际操作前，首先采用有限元多物理场模拟仿真软件对该溶液针铁矿沉铁过程进行模拟仿真，获得针铁矿沉铁过程溶液体系各点位物理、化学结构的时空变化规律，获得针铁矿沉铁最佳反应器结构及最佳反应条件。在反应器结构一定的条件下通过模拟仿真，预先获得不同批次含铁溶液针铁矿法沉铁的最佳反应参数区间，并实现对针铁矿法除铁过程、除铁效果的预评估，为每批次真实针铁矿法沉铁操作提供最适合、最准确的工艺参数，并按此工艺参数开展针铁矿法沉铁操作，实现对针铁矿沉铁过程的精准控制。为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案是，一种基于可视化的溶液针铁矿法沉铁方法，包括以下步骤：步骤1，对针铁矿沉铁过程中与反应有关的参数进行求解，然后根据实际沉铁反应器结构建立仿真模型；步骤2，基于仿真模型进行反应条件的边界设置，并对仿真模型进行网格划分；步骤3，对反应过程基于步骤1和2设置的条件进行求解，输出计算结果；步骤4，根据计算结果对沉铁反应器结构进行优化，并返回步骤2重新执行，直至得到最佳计算结果，从而得出针铁矿法沉铁最佳反应条件区间。所述的方法，所述的步骤1中，对针铁矿沉铁过程中与反应有关的参数进行求解包括以下步骤：步骤①，对针铁矿沉铁过程的气体传质速率、Fe2+氧化速率和中和反应速率参数求解：根据气体传质过程服从双膜理论来推导溶液中气体浓度和时间之间的微分方程，利用分光光度计测量不同时间下溶液中的气体浓度，再进行最小二乘法拟合，得出气体传质速率；然后根据氧化反应原理推导Fe2+氧化过程动力学，结合气体传质速率方程，得出Fe2+和气体浓度与时间之间的微分方程，利用滴定和ICP结合的方法测量不同时间下溶液中Fe2+浓度，再进行最小二乘法拟合，得出Fe2+氧化速率方程；基于未反应收缩核模型推导中和反应过程动力学，得出中和剂浓度与时间之间的微分方程，通过滴定和ICP结合的方法测量不同时间下溶液中中和剂浓度，再进行最小二乘法拟合，得出中和反应速率方程；步骤②：对针铁矿沉铁过程的含铁溶液密度、粘度、表面张力和导热系数溶液性质参数求解：溶液密度、粘度、表面张力和导热系数分别利用密度仪、乌式粘度仪、表面张力仪和导热系数仪通过控制变量法进行测量，通过测量不同Fe2+浓度、Zn2+浓度和温度溶液的密度、粘度、表面张力和导热系数得到测量结果，再利用最小二乘法拟合处理，得到溶液密度、粘度、表面张力和导热系数各自与Fe2+浓度、Zn2+浓度和温度之间的关系表达式。所述的方法，所述的步骤1中，根据实际沉铁反应器结构建立仿真模型是根据实际沉铁反应器几何形状及尺寸，以及实际沉铁反应器中搅拌桨、进液口、出液口、进气口、出气口、进料口和加热套管的结构数据建立仿真模型。所述的方法，所述的步骤2包括以下过程：对所建立仿真模型以实际生产所用进气流量、进液流量、投料量、搅拌速率和加热介质流量参数为基准，以±20％为范围，作为边界条件；然后基于当前仿真过程对于精度的要求进行网格划分。所述的方法，所述的步骤3包括以下过程：对流场、化学传质场、温度场耦合模拟沉铁过程通过瞬态非线性求解器求解偏微分方程；并输出针铁矿沉铁反应器内不同区域、不同时间下的溶液流速、温度、密度、粘度、压力以及Fe2+浓度和pH的变化范围作为计算结果。所述的方法，所述的步骤4中，根据计算结果对沉铁反应器结构进行优化，是通过改变沉铁反应槽槽型、搅拌器类型以及槽内挡板控制溶液流出方式，并根据改变后的计算结果是否提高来进行的。所述的方法，所述的步骤4中，针铁矿法沉铁最佳反应条件区间为75℃-80本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于可视化的溶液针铁矿法沉铁方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，对针铁矿沉铁过程中与反应有关的参数进行求解，然后根据实际沉铁反应器结构建立仿真模型；/n步骤2，基于仿真模型进行反应条件的边界设置，并对仿真模型进行网格划分；/n步骤3，对反应过程基于步骤1和2设置的条件进行求解，输出计算结果；/n步骤4，根据计算结果对沉铁反应器结构进行优化，并返回步骤2重新执行，直至得到最佳计算结果，从而得出针铁矿法沉铁最佳反应条件区间。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于可视化的溶液针铁矿法沉铁方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对针铁矿沉铁过程中与反应有关的参数进行求解，然后根据实际沉铁反应器结构建立仿真模型；
步骤2，基于仿真模型进行反应条件的边界设置，并对仿真模型进行网格划分；
步骤3，对反应过程基于步骤1和2设置的条件进行求解，输出计算结果；
步骤4，根据计算结果对沉铁反应器结构进行优化，并返回步骤2重新执行，直至得到最佳计算结果，从而得出针铁矿法沉铁最佳反应条件区间。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中，对针铁矿沉铁过程中与反应有关的参数进行求解包括以下步骤：
步骤①，对针铁矿沉铁过程的气体传质速率、Fe2+氧化速率和中和反应速率参数求解：根据气体传质过程服从双膜理论来推导溶液中气体浓度和时间之间的微分方程，利用分光光度计测量不同时间下溶液中的气体浓度，再进行最小二乘法拟合，得出气体传质速率；然后根据氧化反应原理推导Fe2+氧化过程动力学，结合气体传质速率方程，得出Fe2+和气体浓度与时间之间的微分方程，利用滴定和ICP结合的方法测量不同时间下溶液中Fe2+浓度，再进行最小二乘法拟合，得出Fe2+氧化速率方程；基于未反应收缩核模型推导中和反应过程动力学，得出中和剂浓度与时间之间的微分方程，通过滴定和ICP结合的方法测量不同时间下溶液中中和剂浓度，再进行最小二乘法拟合，得出中和反应速率方程；
步骤②：对针铁矿沉铁过程的含铁溶液密度、粘度、表面张力和导热系数溶液性质参数求解：溶液密度、粘度、表面张力和导热系数分别利用密度仪、乌式粘度仪、表面张力仪和导热系数仪通过控制变量法进行测量，通过测量不同Fe2+浓度、Zn2+浓度和温度溶液的密度、粘度、表面张力和导热系数得到测量结果，再利用最小二乘法拟合处理，得到溶液密度、粘度、表面张力和导热系数各自与Fe2+浓度、Zn2+浓...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨建广，南天翔，曾伟志，唐朝波，龙伟，唐施阳，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43