随着我国氧化铝工业的高速发展,我国高铝硅比优质铝土矿逐渐消耗殆尽。低品位铝土矿资源现状与生产工艺间的矛盾已成为制约我国氧化铝工业的主要瓶颈。在使用低品位铝土矿资源生产氧化铝的过程中,不仅碱耗和氧化铝的损失提高,也会产生大量的高碱赤泥,给环境带来严重的污染。针对上述情况,课题组提出了“钙化-碳化”法处理拜耳法赤泥的新工艺。本文主要研究工艺中的钙化渣碳化过程,即以水化石榴石为主相的钙化渣与二氧化碳在高温高压下反应生产碳化渣的气-液-固三相反应过程。首先,通过1L透明釜水模拟实验观察高温高压条件下气泡受温度、压力、搅拌速度、通气方式等条件变化的微细化情况;其次,再通过2L高温高压反应釜验证这些影响因素对钙化渣碳化过程的影响,检测反应过程中物料内碳含量的变化及反应结束之后渣中的铝硅比来表征反应进行的程度,从而得出最佳的实验条件;再次,为了实现气-液-固三相的高效混合,本文又设计了一套冷态的文丘里射流反应器的水模型装置,通过PIV技术和Fluent软件模拟充分研究了射流反应器内部流体流动状态;最后,通过设计两种不同尺寸的文丘里管与冷态的水模型装置考察了气速、液速、反应器的高径比、反应器不同位置对气泡微细化的影响,同时,为了将“钙化-碳化”新工艺在工业上得到推广,又设计了一套中试的高温高压文丘里射流反应装置。通过实验研究与模拟计算等得到以下结论:1.由1L透明釜通过高速摄像机拍摄图片,在经过对静态图应用Image-Pro-Plus 6.0软件和Origin软件进行处理,得到的直方图、微分分布图及气泡的体积表面积平均直径图可知,密闭通气方式条件下最佳的实验条件为压力0.8MPa,温度为120℃,电机转速为700r/min。循环通气方式条件下最佳的实验条件为通气量1000 L/h,压力为0.8MPa、电机转速为400r/min,通过这两种通气方式条件下得出的最佳实验条件的结果对比可知,密闭条件下气泡数目少,平均直径小,循环通气方式条件下气泡数多,气泡微细化及气液混合的效果好,有利于气液间的传质、传热及化学反应速率的提高;2.由2L高温高压反应釜进行钙化渣碳化过程的实验可知:以水化石榴石为主相的钙化渣与二氧化碳在高温、高压下反应生产碳化渣的过程中,采用循环的通气方式比密闭的条件下缩短了反应时间,在100℃、1.OMPa条件下,在2L反应釜中循环条件下比密闭条件反应时间缩短了 23%,而通过最后的溶铝实验、检测分析可知,钙化渣碳化最佳的实验条件是120℃、1.2MPa,该条件下的溶出率高达41%;3.通过PIV技术和Fluent软件充分研究了射流反应器内部流体流动状态,并发现由于反应器特殊构造对流体从轴向和径向都起到了混合作用,符合柯安达附壁现象,并通过理论研究和实验观察分析了流体受力规律,最后证实了文丘里管的使用有利于气-液-固三相的高效混合;4.通过设计两种不同尺寸的文丘里管,经过计算对比发现d1=38mm,de=25mm时,能够形成负压,符合设计要求;通过冷态水模型试验得出气速、液速、高径比的增加都有利于气泡的微细化,且最佳的液速为1.548m/s,气速为14.15 m/s,高径比设定为5:1,设计的高温高压射流反应装置各关键点的压力为P1=1.27MPa、P2=1.2MPa、P3=1.2MPa、P4=0.4MPa、P5=0.4MPa、P6=0.4MPa、P7=0.41MPa、P8=0.428MPa、P9=1.328MPa、P10=0.428MPa。