下進(jìn)料型混合澄清器在鈾溶劑萃取中的應(yīng)用

侯偉強(qiáng)，王 庫

(中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021)

溶劑萃取是工業(yè)上實(shí)現(xiàn)目標(biāo)元素分離及濃縮的重要手段之一。萃取設(shè)備是溶劑萃取工藝的核心，在各類設(shè)備中，混合澄清器因具有操作穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、級(jí)效率高、易放大等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[1-3]。但其在運(yùn)行過程中也存在溶劑滯留量大、混合室攪拌不均勻、動(dòng)力消耗大等缺點(diǎn)[4]。混合澄清器在鈾礦冶系統(tǒng)得到普遍采用，其有機(jī)相和水相分別從上部和下部進(jìn)料，中間開設(shè)混合相出口，兩相混合時(shí)常會(huì)有明顯短路現(xiàn)象，物料停留時(shí)間分布較寬，使兩相傳質(zhì)效果受到影響。而有機(jī)相與水相均從混合室下部進(jìn)料、混合相從頂部溢流到澄清室的混合澄清器能有效減少兩相短路現(xiàn)象并保證兩相有相同的停留時(shí)間，但此類型混合澄清器在鈾礦冶系統(tǒng)中應(yīng)用極少，更缺乏試驗(yàn)研究，因此，研發(fā)此類型設(shè)備并用于鈾的溶劑萃取過程有重要意義。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

混合澄清器：有機(jī)相上進(jìn)料型(傳統(tǒng)型，以下簡(jiǎn)稱UP型)，3臺(tái)，單級(jí)，混合室尺寸20 cm×20 cm×35 cm，混合室與澄清室邊長(zhǎng)比(以下簡(jiǎn)稱邊長(zhǎng)比)分別為1∶2、1∶3、1∶4；有機(jī)相下進(jìn)料型(以下簡(jiǎn)稱DOWN型)，3臺(tái)，單級(jí)，混合室尺寸20 cm×20 cm×35 cm，邊長(zhǎng)比分別為1∶2、1∶3、1∶4。

6臺(tái)設(shè)備的混合室內(nèi)均可設(shè)置可拆卸擋板和上部穩(wěn)流板。圖1為設(shè)置擋板和上部穩(wěn)流板的邊長(zhǎng)比為1∶3的UP型和DOWN型混合澄清器結(jié)構(gòu)。

圖1 UP型(左)和DOWN型(右)混合澄清器結(jié)構(gòu)示意

試驗(yàn)中，攪拌采用六葉平槳，槳徑125 mm，槳葉寬35 mm，槳安裝高度40 mm。

其他試驗(yàn)設(shè)備還有料桶、精密蠕動(dòng)泵、光電轉(zhuǎn)速儀、流量計(jì)、控制柜、攪拌機(jī)架等。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1萃取性能的測(cè)試

萃原液為某鈾礦石堆浸液。為保證每組試驗(yàn)萃原液中鈾質(zhì)量濃度穩(wěn)定，試驗(yàn)前，一次性取堆浸液10 m3，料液pH=1，鈾質(zhì)量濃度為83.10 mg/L。

有機(jī)相為TBP、TRPO、P204、磺化煤油按體積比1∶2∶4∶46配制的混合液。

試驗(yàn)流程：萃原液與有機(jī)相分別通過蠕動(dòng)泵輸送到混合室，攪拌混合后進(jìn)入澄清室靜置分層；萃取平衡后，取萃余水相分析其中鈾質(zhì)量濃度；試驗(yàn)結(jié)束后，更換不同型式混合澄清器重復(fù)上述試驗(yàn)。

攪拌的啟停、變速等通過控制柜控制；有機(jī)相與萃原液體積比(Vo/Va)通過精密蠕動(dòng)泵調(diào)節(jié)，萃原液流量設(shè)定為1 000 mL/min，有機(jī)相流量分別設(shè)定為1 000、500、334 mL/min，調(diào)節(jié)Vo/Va為1/1、1/2、1/3。鈾萃取率計(jì)算公式為

(1)

式中，ρ(U)為溶液中鈾質(zhì)量濃度，g/L。

1.2.2分層時(shí)間的確定

為考察混合室內(nèi)混合物的澄清效果，在混合澄清槽運(yùn)行穩(wěn)定后，于混合室內(nèi)混合相出口處定點(diǎn)迅速用抽液管取250 mL混合液于量筒中，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，直至兩相分層結(jié)束，所用時(shí)間即為分層時(shí)間。分層時(shí)間與混合液中的乳化液滴粒徑成反比，能間接表征兩相混合情況[5]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 攪拌速度對(duì)2種進(jìn)料方式混合澄清器混合效果的影響

試驗(yàn)條件：UP型和DOWN型混合澄清器的邊長(zhǎng)比均為1∶2，控制Vo/Va=1/1。攪拌速度對(duì)2種類型混合澄清室混合效果及兩相分層時(shí)間的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。試驗(yàn)過程中，攪拌速度為400 r/min時(shí)，兩相混合非常劇烈，液體飛濺，不利于試驗(yàn)，因此，確定攪拌速度以控制在100～300 r/min為宜。

由圖2看出，2種進(jìn)料方式混合澄清器的鈾萃取率都隨攪拌速度增大而提高，對(duì)應(yīng)的分層時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)。主要原因是，隨攪拌轉(zhuǎn)速提高，混合液湍動(dòng)加大，混合相被分散成更小液滴，兩相接觸面積增大，有利于鈾的傳質(zhì)和萃取[6]；但這也導(dǎo)致混合相僅靠靜置分層，所以分層時(shí)間也更長(zhǎng)。DOWN型混合澄清器的鈾萃取率明顯高于UP型混合澄清器的鈾萃取率，這主要是2種進(jìn)料方式中兩相流經(jīng)路程不同所致。DOWN型的兩相都從底部進(jìn)入，強(qiáng)制從混合室頂部流出，兩相在混合室中停留時(shí)間較為一致，明顯減少了兩相之間的短路，更有利于萃取。但DOWN型混合澄清器的分層時(shí)間也明顯高于UP型混合澄清器的分層時(shí)間，這也是由于DOWN型混合澄清器的混合室中兩相從進(jìn)口到出口的路徑明顯長(zhǎng)于UP型的兩相流經(jīng)路徑，使得DOWN型混合澄清器中兩相混合更均勻，更充分。

圖2 攪拌速度對(duì)2種進(jìn)料方式混合澄清器混合效果及兩相分層時(shí)間的影響

但試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，盡管DOWN型混合澄清器靜置分層時(shí)間更長(zhǎng)，攪拌速度最大時(shí)分層時(shí)間達(dá)290 s，但這并不意味在DOWN型混合澄清室內(nèi)分相更困難，相反分相更容易。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：攪拌速度為100 r/min時(shí)，2種進(jìn)料方式混合澄清器的澄清室內(nèi)，幾乎沒有兩相分散帶，兩相澄清良好；但攪拌速度增至300 r/min時(shí)，UP型混合澄清器澄清室內(nèi)分散帶厚度達(dá)10 cm，幾乎占到萃取槽高度的1/3，而DOWN型混合澄清器澄清室內(nèi)分散帶厚度并沒有顯著增大，穩(wěn)定在2 cm左右，明顯小于UP型。這是因?yàn)椋簩?duì)于UP型混合澄清器，混合液直接進(jìn)入澄清室；而對(duì)于DOWN型混合澄清器，混合液進(jìn)入澄清室時(shí)要穿越澄清室內(nèi)有機(jī)相澄清層，導(dǎo)致混合液中的有機(jī)相大部分停留在有機(jī)相澄清層中，只有一小部分滯留在分散帶，這使分散帶厚度大大減小，兩相澄清速度加快。

2.2 相比對(duì)2種進(jìn)料方式混合澄清器混合效果的影響

試驗(yàn)條件：UP型和DOWN型混合澄清器的邊長(zhǎng)比為1∶2，控制攪拌速度為100 r/min。相比(Vo/Va)對(duì)2種進(jìn)料方式混合澄清器混合效果及兩相分層時(shí)間的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 相比對(duì)2種進(jìn)料方式混合澄清器混合效果及兩相分層時(shí)間的影響

由圖3看出，2種進(jìn)料方式混合澄清器的鈾萃取率均隨相比增大而提高。溶劑萃取過程中，水相體積保持不變，隨相比增大，有機(jī)溶劑用量加大，兩相界面面積增大，有利于萃取反應(yīng)向正向進(jìn)行。但DOWN型混合澄清器的鈾萃取率在不同相比條件下均高于UP型混合澄清器的鈾萃取率，尤其是在低相比條件下，當(dāng)Vo/Va=1/3時(shí)，DOWN型混合澄清器的鈾萃取率為69.8%，而UP型混合澄清器的鈾萃取率僅為56.1%。

隨相比增大，兩相分層時(shí)間也有一定幅度延長(zhǎng)，UP型從65 s延長(zhǎng)到85 s，DOWN型從112 s延長(zhǎng)到125 s，但整體變化不大。這主要是因?yàn)椋弘S相比增大，體系中有機(jī)相負(fù)載量增大，而分層過程中兩相界面面積沒有相應(yīng)增大，因此導(dǎo)致分層時(shí)間有所延長(zhǎng)。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)條件下，隨相比增大，有機(jī)相黏度增大不明顯，相應(yīng)的兩相表面張力無明顯變化，因此分層時(shí)間只是略有變化。

2.3 混合室與澄清槽邊長(zhǎng)比對(duì)2種進(jìn)料方式混合澄清器混合效果的影響

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，為減弱相比對(duì)萃取的影響，理應(yīng)采取Vo/Va=1/3，但因UP型混合澄清器的鈾萃取率較低，為更好反應(yīng)試驗(yàn)效果，采取Vo/Va=1/2進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：攪拌速度100 r/min，Vo/Va=1/2，混合室與澄清槽邊長(zhǎng)比(1∶2～1∶4)對(duì)鈾萃取率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 混合室與澄清槽邊長(zhǎng)比對(duì)2種進(jìn)料方式混合澄清器的鈾萃取率的影響

由圖4看出，隨混合室與澄清槽邊長(zhǎng)比增大，UP型及DOWN型混合澄清器的鈾萃取率均未發(fā)生明顯變化，尤其是DOWN型幾乎沒有改變，UP型也只有極小幅度升高。因?yàn)楦淖冞呴L(zhǎng)比只是增大澄清室長(zhǎng)度，主要改善的是澄清效果，而對(duì)萃取率影響不明顯。對(duì)于UP型混合澄清器，其混合相出口開在混合室中部，設(shè)備運(yùn)行時(shí)混合相出口不僅存在混合相從混合室向澄清室的流動(dòng)，還存在料液從澄清室返回混合室的流動(dòng)(主要發(fā)生在混合相出口上部)，隨澄清室邊長(zhǎng)增大，兩相分離更徹底，從澄清室返回混合室的料液成分由以混合相為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂袡C(jī)相為主，從而使鈾萃取率略有提高；而DOWN型的混合室與澄清室基本獨(dú)立，不存在料液從澄清室向混合室返流情況，因此，澄清室長(zhǎng)度增大對(duì)萃取率不產(chǎn)生影響。由此，邊長(zhǎng)比對(duì)2種進(jìn)料方式混合澄清器的鈾萃取率的都較小，說明之前試驗(yàn)中選用邊長(zhǎng)比1∶2也較為適宜。

2.4 擋板及頂板對(duì)2種進(jìn)料方式混合澄清器混合效果的影響

混合室中添加擋板及頂板，溶液易在攪拌槽內(nèi)形成復(fù)雜流場(chǎng)，流型、速度和方向等均因攪拌槳葉輪與擋板的相互作用而有所改變，使混合效果得到一定幅度改善[7]?；诖耍赩o/Va為1/2、1/1條件下，考察混合室加裝擋板與頂板對(duì)2種進(jìn)料方式混合澄清器混合效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。可以看出，對(duì)于方形混合室，加裝擋板及頂板后，在不同相比條件下，2種進(jìn)料方式混合澄清器的鈾萃取率都有所下降，尤其是UP型，鈾萃取率由70%下降至45%。這與設(shè)想的結(jié)果相反，可能是因?yàn)椋涸囼?yàn)所用混合室為方形，擋板形成的液體切向速度沒有變成可增大的軸向和徑向速度分量，反而增加了一些死區(qū)，使混合作用減弱；加裝擋板的UP型混合室從頂部往下9 cm厚的有機(jī)相無法再參與水相混合，且有機(jī)相界面距混合相出口距離非常近，加劇了有機(jī)相短流，大大減弱了萃取效果，對(duì)萃取不利。對(duì)于DOWN型，兩相從底部進(jìn)入，經(jīng)攪拌槳攪拌后被強(qiáng)制從頂部排出，兩相攪拌混合情況與無擋板時(shí)差異不大，因此鈾萃取率下降幅度較小，僅為9%左右。

圖5 加裝擋板及頂板前、后對(duì)2種進(jìn)料方式混合澄清器混合效果的影響

3 結(jié)論

對(duì)萃取鈾的P204/TBP/TRPO/水體系，在相同攪拌速度、相比或混合澄清器邊長(zhǎng)比條件下，對(duì)于鈾萃取率和兩相分散澄清效果而言，DOWN型混合澄清器優(yōu)于UP型混合澄清器。試驗(yàn)范圍內(nèi)，攪拌速度、相比增大更有利于萃取過程進(jìn)行，混合室邊長(zhǎng)比增大對(duì)萃取作用影響較小。

對(duì)于方形混合室，加裝擋板及頂板反而會(huì)破壞攪拌槳產(chǎn)生的徑軸流場(chǎng)，死區(qū)增加，反而對(duì)兩相混合不利，尤其對(duì)UP型混合澄清器，這種影響更大。

[1] 馬婷婷，孫津生，王運(yùn)東.混合澄清器數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2014，33(4):795-801.

[2] 黃毅,武斌,陳葵,等.新型大三角槳葉混合槽內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].濕法冶金，2016,35(4)：361-364.

[3] 周雄軍,逄啟壽,王福輝.稀土萃取混合槽的放大設(shè)計(jì)[J].濕法冶金，2013,32(6)：418-420.

[4] 趙秋月，張廷安，劉燕，等.攪拌對(duì)箱式流動(dòng)性能的影響[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33(4):559-562.

[5] 姚卿，李軍，章怡，等.乳化萃取在濕法磷酸凈化過程中的應(yīng)用[J].磷肥與復(fù)肥，2010，25(4):14-16.

[6] 趙多強(qiáng)，魏昶，李旻廷，等.高鐵閃鋅礦還原浸出液直接萃取分離回收銦[J].礦冶，2015，24(1):39-43.

[7] 佟立軍.機(jī)械攪拌槽擋板的研究[J].有色設(shè)備，2005(3):17-19.