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氯化熔盐体系黏度特性研究现状

2022-06-20问悦凯郭宇峰郑富强杨凌志李冬月任雨荞

无机盐工业 2022年6期
关键词:熔盐氯化黏度

陈 凤,问悦凯,郭宇峰,郑富强,王 帅,杨凌志,郑 宇,李冬月,任雨荞

(中南大学资源加工与生物工程学院,湖南长沙410083)

四氯化钛是生产海绵钛、氯化法钛白的重要原 料,也是制备高端钛产品重要的中间产物[1]。目前生产四氯化钛的方法主要有3种:沸腾氯化法、熔盐氯化法及竖炉氯化法[2]。由于沸腾氯化法对原料的钙镁含量要求较高,而熔盐氯化法对原料的钙镁含量要求较低,因此中国很多钛生产企业采用熔盐氯化技术处理高钙镁含钛原料[3]。

熔盐氯化法的原理是在熔盐介质中将钛渣或金红石等磨细的富钛料和石油焦悬浮其中,再通入氯气制取四氯化钛[4]。在熔盐氯化炉内充当反应介质的熔盐是熔盐氯化法中需要把控的关键点。在熔盐氯化过程中,熔盐体系会由于原料性质、氯化温度、自生盐系[5]或固体粒子等方面的影响而产生恶化,对熔盐氯化过程会造成不同程度的影响,破坏正常生产。在实际生产过程中,为使熔盐氯化生产持续进行,需要定期排放废盐并持续补充新熔盐,对恶化的熔盐体系进行置换。因此熔盐氯化过程会产生大量废熔盐,每生产10 t 四氯化钛大约产生2.4 t废盐[6]。

中南大学和钒钛国家重点实验室联合研究提出了通过高温相转化法循环利用熔盐氯化废渣技术路线,并且进展情况良好。该研究是在熔盐氯化废渣中加入添加剂,在高温下进行相转化反应,熔盐中的杂质成为固相,NaCl/KCl保持液相,通过固液分离获得液相新熔盐,循环进入熔盐氯化工艺。但是,如何将产生的固相与液相在高温中达到高效分离,仍是目前需要面临的关键问题。

影响氯化熔盐体系固液分离率的因素众多,而黏度则是其中最重要的因素之一。黏度变小则氯化熔盐体系的流阻也会随之变小,熔盐的流动性能变好则固液两相更容易分离。通过降低氯化熔盐的黏度,既可以使添加剂在氯化熔盐体系中充分反应,又有利于高温相转化渣固相和液相的分离,使得高温相转化法能够有效进行。同时,氯化熔盐体系黏度的降低,可以缓解熔盐氯化过程中的排渣问题,从源头上解决熔盐氯化法所面临的问题。

移动应用开发技术栈主要是框架和组件库的选型,架构师的主要工作已从原来的实现技术框架(加法)转变为从海量技术中选择最合适的技术组件(减法)。企业的移动开发团队需对移动应用的类型和技术领域进行分析,结合团队自身的技术积累和可能的投入总结出一套应对移动开发模式的技术栈。图1为移动开发技术栈参考模型,针对不同类型的开发模式,给出相应的技术选择域,对技术团队建设具有指导意义。

目前有关氯化熔盐体系黏度的研究文献较为分散,且缺乏系统的研究,难以满足高温相转换法对工业生产应用的实际需求,也制约了熔盐氯化工业技术的发展。故笔者对改变氯化熔盐体系黏度的方法进行了归纳总结,综述了氯化熔盐中碱金属/碱土金属离子及温度、气氛、添加剂等对体系黏度的影响,旨在为高温相转化渣进行高效的固液分离提供参考和支持,促进高温相转化法循环利用熔盐氯化废渣的发展,解决熔盐氯化法产生大量熔盐氯化废渣难以处理的难题。

η(NaCl-KCl)=28.075 9+8.289 5×10-4x-4.077 4×10-6x2+1.843 8×

1 碱金属/碱土金属离子对熔盐黏度的影响

氯化熔盐主要是由NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2组成的熔盐体系。在高温相转化过程中,氯化熔盐体系中的物质以离子状态存在,如Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Cl-等。熔盐体系的组成直接影响熔盐的物理化学性质。有关资料表明,Ca2+、Mg2+在氯化熔盐中的富集状况是影响熔盐黏度的重要因素之一[7]。

1.1 Na+、K+对熔盐黏度的影响

Na+、K+是氯化熔盐体系中含量最多的阳离子,也是构成熔盐体系的基础粒子。因此,Na+、K+对氯化熔盐体系的黏度具有一定的影响。王佳[8]在950~1 200 K对不同组分的NaCl-KCl 氯化熔盐体系的黏度进行了计算,结果表明在同一温度下随着K+含量增多熔盐的黏度呈现下降趋势。WU 等[9]通过反向非平衡分子动力学模拟[10]对不同氯化钾组分含量的三元氯化熔盐体系的黏度进行了计算,结果表明随着NaCl 含量增加熔盐黏度有微量增加,而添加KCl可以增强不同电荷离子对之间的相关性。这基本与王佳的结果一致。综上分析,在相同温度下K+含量的增加会使氯化熔盐体系的黏度呈现下降趋势,而Na+含量的增加会使氯化熔盐的黏度有微量增加。但是,对于NaCl-KCl-CaCl2-MgCl2四元氯化熔盐体系,Na+、K+对于熔盐体系黏度的影响很小,基本可以忽略。

LI 等[21]对NaCl-KCl-MgCl2熔盐体系的热物理性质进行了研究,在573~823 K 对体系的黏度进行了测定,结果为随着温度的升高体系的黏度由4.746 mPa·s降低至1.289 mPa·s。随着温度的升高,氯化熔盐体系中的粒子自由扩散系数[22]也不断增大,由此发现NaCl-KCl-MgCl2氯化熔盐体系的黏度随着温度的升高而明显地降低。

1.2 Ca2+、Mg2+对熔盐黏度的影响

由于Ca2+、Mg2+比Na+、K+具有更高的电荷数,使其与Cl-及其他离子之间形成的静电引力更大。同时随着Ca2+、Mg2+在氯化熔盐体系中的富集,会与其他组元的熔盐相互作用形成配合物粒子,而配合物粒子结构紧密,使得氯化熔盐体系的流动性大幅下降,从而导致其自身黏度变大。

RONG 等[11]通过广义的Stokes-Einstein 方程对NaCl-CaCl2二元氯化熔盐体系的黏度进行了计算:

式中:η为熔盐体系的黏度,mPa·s;kB为Boltzman 常数;T为绝对温度,K;n为常数;R为溶质阳离子流体动力学半径,nm;D为溶质阳离子自扩散系数。该研究与JANZ 等[7]的氯化熔盐体系黏度的测量值进行对比,发现添加氯化钙能够显著提高NaCl-CaCl2二元氯化熔盐体系的黏度。其原因是,Na+、Ca2+、Cl-之间会形成复杂的网络结构,使得离子很难从配位壳中逸出,造成熔盐体系的流动性变差,熔盐黏度变大。

李迅等[12-13]采用高温振荡杯黏度仪,在973~1 123 K对NaCl-KCl(MS1)和NaCl-KCl-MgCl2(MS2)氯化熔盐体系的黏度进行了测定。实验结果为随着温度的升高样品MS1 的黏度由2.6 mPa·s 降至1.9 mPa·s,样 品MS2 的 黏 度 由1.7 mPa·s 降 至1.3 mPa·s,由此确定Mg2+对氯化熔盐体系的黏度带来影响;在相同温度下,当熔盐体系中MgCl2物质的量分数为10%时氯化熔盐体系的黏度显著降低。由NaCl-KCl-MgCl2三元相图可知,MgCl2的加入会造成NaCl-KCl熔盐体系熔点的降低。

范建峰等[14]对CaCl2-MgCl2氯化熔盐体系的黏度进行了更为详细的测量与分析。将采用旋转柱体法测得的熔盐体系的黏度与纯CaCl2和MgCl2的黏度进行比较,结果表明混合物CaCl2-MgCl2熔盐的黏度会明显高于纯熔融物质的黏度,在满足熔融状态条件下CaCl2-MgCl2的氯化熔盐体系会形成络离子,而络离子相对普通离子具有较大的体积,使得形成的配合物粒子流体动力学阻力增大[15],氯化熔盐体系的黏度增大。

“穀”是生僻字,现在很少用了,只在古汉语中可见,通“谷”字,指两山之间的低地,是稻谷庄稼的总称,也有养育、生长、善美的意思。

根据已有研究结果,增加Mg2+含量会使NaCl-KCl-MgCl2三元氯化熔盐体系的黏度降低。但是,对于NaCl-KCl-CaCl2-MgCl2四元氯化熔盐体系,Ca2+、Mg2+的共存状态最终使得氯化熔盐体系的黏度变大,且Ca2+含量增加引起的氯化熔盐体系黏度增大的幅度远大于Mg2+含量增加带来的影响。关于Ca2+、Mg2+在氯化熔盐体系中生成的络离子种类暂不能确定,有待进一步研究[17]。大。黏度与温度的关系一般可表示为:

式中:x为KCl 质量分数。随着温度的升高NaCl-KCl氯化熔盐体系的黏度逐渐降低。

谢佩[16]在熔盐熔点温度附近至873.15 K分别对二元、三元、四元氯化熔盐体系的黏度进行了测试。在该温度区间内,NaCl-KCl-CaCl2熔盐的黏度从6.53 mPa·s 减至5.53 mPa·s,而NaCl-KCl-MgCl2熔盐的黏度从4.18 mPa·s减至1.66 mPa·s,NaCl-KCl-CaCl2-MgCl2四元氯化熔盐体系的黏度从5.41 mPa·s减至2.51 mPa·s。由此可知,在四元氯化熔盐体系中Ca2+比Mg2+更容易造成熔盐体系黏度的增大。

王佳[8]在950~1 200 K 对不同组分的NaCl-KCl氯化熔盐体系的黏度数据进行了拟合,得到该熔盐体系在全组分范围内的黏度表达式:

安:是的!这是一个很好的例子,与此同时还有肖邦的晚期作品,比如《“幻想”波兰舞曲》中的某些部分,当我们把其视为“一个又一个和弦”时,演奏总是不得其法,但当我们将其分为“横向上必须突出的主旋律声部”(Voice Leading)和“其余的附带内容”,并相应地将手的重心向演奏主旋律所需手指倾斜,其余手指轻点琴键,我们自然能得到理想的演奏效果。

式中:η为黏度,Pa·s;A为常数;Eη为黏性活化能,kJ/mol;R为气体常数;T为绝对温度,K。式(2)表明熔体的黏度与温度之间存在指数函数关系[18]。从式(2)看出,熔盐的黏度随着温度的升高而降低。其中黏性活化能Eη由两部分组成:一部分为造成质点移动形成孔穴所必须的能量;另一部分为质点通过孔穴移动的附加能量[19]。

杨强等[20]在采用氩气保护干燥脱水法制备NaCl-KCl-MgCl2氯化熔盐体系时对熔盐的黏度进行了测定。结果发现,在740~860 K氯化熔盐体系的黏度随着温度的升高由3.5 mPa·s降低至1.0 mPa·s;MgCl2质量分数为5%时,NaCl-KCl-MgCl2氯化熔盐体系的黏度随着脱水温度的升高而降低,其结果与李迅等[13]对NaCl-KCl-MgCl2氯化熔盐体系所测黏度随温度的变化情况基本一致。

第九,在重视教学质量的同时,不能忽视安全。要切实抓好教学点的安全、稳定工作。对教学点师生经常进行安全教育,开展演练活动,提高安全防范意识及防范技能,要求教学点做好安全应急预案,并督促教学点做好工作台账及安全工作记录,使教学点师生在平安、愉快中工作、学习和生活。

谢佩[16]在673.15~873.15 K 对不同组分氯化熔盐体系的黏度进行了测试,将测试结果进行了拟合,拟合公式见表1。由表1可知,氯化熔盐体系的黏度随着温度的升高而降低。

表1 黏度随温度变化的拟合公式(673.15~873.15 K)[16]Table 1 Fitting formula for viscosity varying with temperature(673.15~873.15 K)[16]

2 温度对熔盐黏度的影响

氯化熔盐体系的黏度除了与碱金属/碱土金属离子有关外,还与其外在条件有着密切的关系。有关资料表明,温度、气氛和添加剂都是影响氯化熔盐体系黏度的重要因素,其中温度对黏度的影响较

尹月[24]研究了NaCl-CaCl2-MgCl2三元氯化熔盐体系在敞开和封闭体系下的高温稳定性。在敞开体系下熔盐由于MgCl2的水解和NaCl的蒸发导致质量损失严重,熔盐熔点上升。相对来说,在封闭体系下熔盐的熔点变化不大。因此,尽可能避免三元熔盐氯化体系与空气的接触,以防止氯化熔盐性能的劣化。

据有关调查显示,当前很多小学都会忽视思想品德教育,课程设置只是流于形式,包括个别教育机构和学生的父母,而对语文、数学、英语的重视程度要远高于思想品德教育。受到片面追求升学率的影响,以及利用家长望子成龙、望女成凤的急切心理,学校会在课程安排上故意削弱思想品德课的分量,将其换成语文、数学、英语等所谓“主要”科目,要求学生夜以继日、马不停蹄学习基础知识,殊不知真正的基础知识早已被弃之不顾。而且部分教师为了让学生应付期末考试,甚至会在考试前直接将题目的80%内容透露给学生,久而久之,学生对思想品德课程的认识也会产生偏差。

3 气氛对熔盐黏度的影响

在不同气氛条件下制备熔盐也会对熔盐黏度产生一定的影响。江洪林等[23]对CaCl2-CaF2熔盐体系在不同气氛条件下脱水,然后对其进行黏度测定。在相同温度、真空条件下制备的CaCl2-CaF2熔盐比在正常条件下制备的CaCl2-CaF2熔盐黏度更低,表明熔盐中的H2O越少体系的黏度越低。

综上分析,氯化熔盐体系的黏度随着温度的升高而降低,且黏度变化较为显著。已有研究表明,氯化熔盐体系黏度变化的温度区间较短,而且主要集中在1 173.15 K以下,且以二元、三元氯化熔盐体系为主,缺乏对四元氯化熔盐体系黏度变化的研究。同时,尚不明确温度对熔盐结构的影响,仍需进一步研究。

综上分析,不同的气氛条件均会对熔盐体系的性质产生不同的影响,由此导致熔盐的黏度发生变化。

4 添加剂对熔盐黏度的影响

在氯化熔盐体系中加入添加剂可以对熔盐的黏度产生影响。居殿春等[25]提出通过Ca2+、Mg2+固化工艺将熔盐中的Ca2+、Mg2+以固态形式排出,可减少氯化熔盐体系中的钙镁含量,以降低熔盐的黏度。该研究分别选取了Na2SO4、Na3PO4作为固化剂,通过热力学计算论证了在873~1 173 K 时Ca2+、Mg2+与固化剂反应的吉布斯自由能均小于零,说明反应能够自发进行。反应方程式:

为避免在氯化熔盐体系中引入新的杂质离子对后续分离产生影响,故添加剂Na2SO4、Na3PO4均不得过饱和使用。虽然以上研究已经通过热力学证明了其合理性,但是并没有实验数据说明添加剂对氯化熔盐黏度变化的影响规律,该方面还有待进一步研究。

“打造优质服务体系,是盛京人不变的情怀,也是提升医院品牌,更好服务患者的重要手段。”优质护理和延伸护理工作,便成为展现盛京医院以上实践成果的一张亮丽名片。

3)中国不同地区受气候、经济、社会等因素的影响不同,使不同地区沼气池全生命周期的环境影响和经济效益会存在一定的差别。该研究以陕西省宝鸡市陇县能源站提供的基础资料数据来分析户用沼气池的全生命周期环境影响和经济效益,旨在探讨如何在户用沼气池全生命周期内降低对环境的影响,提高经济效益。

5 结语

中国攀西钛资源储量丰富,但是钙镁杂质含量高,目前多采用熔盐氯化法制备四氯化钛用于氯化法钛白和海绵钛的生产。但是,该方法产生的大量熔盐氯化废渣成分复杂、处理困难,是熔盐氯化法发展的瓶颈问题。高温相转化循环利用熔盐氯化废渣是一种清洁高效处理熔盐氯化废渣的方法,通过对氯化熔盐体系黏度变化进行研究,有利于推动该方法应用于工业生产,实现熔盐氯化废渣的清洁高效处理。

感冒是这个季节宝宝最常见的上呼吸道疾病,中医讲究风寒风热,中医辨证论治首先要区分寒证与热证,我们可以根据“发热”和“怕冷”轻重来判断寒热:简单的说“怕冷”大于“发热”的是“风寒”,反之便是“风热”。

1)对于NaCl-KCl-CaCl2-MgCl2四元氯化熔盐体系,Ca2+的存在极大地提高了熔盐体系的黏度,而相对于Ca2+、Mg2+,Na+、K+对于熔盐体系黏度的影响基本可以忽略;在氯化熔盐体系中,温度的变化对体系黏度的影响尤为显著,随着温度的升高熔盐的黏度呈现下降趋势。

2)对氯化熔盐体系黏度的研究需要进一步完善。针对NaCl-KCl-CaCl2-MgCl2四元氯化熔盐体系,在不同温度条件下总结气氛或者添加剂对体系黏度的变化规律;通过改变氯化熔盐体系的黏度,寻求对于高温相转化产物最合适的分离方法、提高液相分离率,可有效促进高温相转化法循环利用熔盐氯化废渣在中国熔盐氯化工艺中的发展。

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