超声波对磷矿酸解强化作用的研究

论文摘要

液固反应是矿物化学处理最常见的加工方法之一。在磷矿酸解反应过程中，随着矿物的溶解，将出现反应产物的扩散和结晶。当结晶过程在固体反应物颗粒表面进行时，颗粒表面有可能会形成一层固态薄膜包裹颗粒表面，阻碍矿物的继续分解，减缓甚至终止矿物的溶解反应过程。声化学是化学、化工的一个新分支，超声作用能强化传质，提高反应过程速率。本文根据固—液体系中超声波空化引起的表面效应、聚能效应、湍动效应和微扰效应，对超声波强化液—固传质的机理作了初步的探讨。硫酸分解磷酸是磷肥工业中最重要的液固分解反应，本研究从磷矿酸解液—固反应着手，通过对比的方法，探讨常规的液—固反应体系施加超声波后，超声的声强、时间、温度对磷矿酸解的影响。实验结果表明，在一定的条件下，超声波能促进磷矿酸解反应的进行，加快反应速率，并具有细化、均化结晶的作用，但是超声作用不会改变结晶性质、晶格结构和晶体组成。超声波不仅存在“热效应”也存在“非热效应”。实验结果表明，磷矿分解率随着超声功率、反应时间和水浴温度的增加而提高。当超声波功率增大，超声密度就越大，溶质分子运动速度增加，强化空化产生的冲击流，对磷石膏的侵蚀力度也加强，因此提高磷矿分解率。在反应初期，CaSO4晶体尚未形成，扩散过程主要依靠浓度差作为推动力，反应速度快，升高温度能促进扩散或反应过程的进行，无论有无超声作用对磷矿的酸解率差别并不大。固态膜形成后，在超声波作用下空化泡崩溃，在极短时间内和极小空间中产生几千K的高温，伴生强烈的冲击波和微射流，强化传质过程，因此在超声波作用下磷矿的分解率比无超声作用时的分解率高。在实验室条件下，通过正交实验，初步研究了最适宜工艺条件，硫酸浓度98％，超声波功率80W，反应时间30min，反应温度60℃。反应速率常数与温度的关系符合阿累尼乌斯方程。利用固体粒度不变的缩芯模型回归实验数据，得到宏观动力学模型。超声波中磷矿酸解的传质过程为扩散控制阶段，动力学方程为：k=0.879exp（-2.988×103／RT），活化能Ea为29RgkJ／mnl。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 前言
• 1.1 课题研究的工业背景
• 1.2 课题研究的理论意义
• 2 文献综述
• 2.1 我国磷矿的现状
• 2.2 磷酸的生产方法
• 2.2.1 磷酸的生产方法
• 2.2.2 湿法磷酸的发展史
• 2.2.3 影响磷矿反应活性的主要因素
• 2.2.4 提高磷矿酸解反应活性的措施
• 2.3 超声波对化学过程的影响
• 2.3.1 超声波的发展和现状
• 2.3.2 超声波在化学反应及传质过程中的应用
• 2.3.3 超声波的作用机理
• 2.3.4 超声波强化传质过程的机理
• 2.3.5 超声对传质的强化
• 2.4 小结
• 3 磷矿酸解反应中超声传质机理
• 3.1 前言
• 3.1.1 磷石膏结晶过程
• 3.1.2 超声对磷矿分解和结晶的传质作用
• 3.2 实验试剂、装备及设置
• 3.2.1 实验试剂
• 3.2.2 实验仪器
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 超声波在液体中空化现象的观察
• 3.3.2 超声波对液-固反应中固体微观结构的影响
• 3.3.3 磷矿在超声中酸解后颗粒外表的观察
• 3.4 实验结果与分析
• 3.4.1 超声波在液体中空化现象的观察结果
• 3.4.2 声波对液-固反应中固体微观结构的影响
• 3.4.3 超声中反应固相产物的表面形貌特征
• 3.4.4 固相反应物的确定
• 3.5 小结
• 4 超声波对磷矿酸解的强化作用
• 4.1 前言
• 4.2 实验试剂、装备及设置
• 4.2.1 实验试剂
• 4.2.2 实验仪器和装置
• 4.3 实验方法
• 4.3.1 实验步骤
• 4.3.2 样品分析方法
• 4.3.3 计算公式
• 4.4 酸解工艺条件的确定
• 4.5 实验结果与分析
• 4.5.1 超声波功率对磷矿分解率的影响
• 4.5.2 反应温度对磷矿分解率的影响
• 4.5.3 反应时间对磷矿分解率的影响
• 4.6 磷矿分解动力学模型
• 4.6.1 硫酸分解磷矿的主要反应
• 4.6.2 理论模型
• 4.6.3 实验数据拟合
• 4.6.4 模型检验
• 4.7 小结
• 5 结论
• 展望
• 符号说明
• 参考文献
• 攻读学位期间主要发表论文
• 致谢