沉降式離心機(jī)模擬料工藝性能驗(yàn)證試驗(yàn)

岳 亮

（中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)公司四○四廠第三分公司，甘肅 蘭州 732850）

沉降式離心機(jī)是后處理工藝的關(guān)鍵設(shè)備，其工作原理是：依靠懸浮液中固相和液相重度的不同而實(shí)現(xiàn)料液分離，常用于固相比液相重度差較大而固相顆粒較小、含固量較低的懸浮液。因此，沉降式離心機(jī)較適合我們后處理工藝的需求?，F(xiàn)用此離心機(jī)的主要作用是去除溶解液中的不溶殘?jiān)瑸楹罄m(xù)萃取工藝提供保障。

本次沉降式離心機(jī)負(fù)載工藝性能驗(yàn)證試驗(yàn)，其目的是：通過對(duì)沉降式離心機(jī)空載和模擬料液沉降離心分離，摸索出沉降式離心機(jī)的基本操作方法及運(yùn)行參數(shù)，了解沉降式離心機(jī)的工作性能，從而驗(yàn)證其設(shè)計(jì)和加工制造的合理性、實(shí)用性。

1　試驗(yàn)體系

1.1　模擬原料的選擇

試驗(yàn)選用氧化鋁（剛玉粉磨料）作為料液的不溶懸浮固體，以硝酸鍶調(diào)節(jié)液相比重和粘度構(gòu)成Al2O3-Sr（NO3）2水模擬體系。模擬原料（Al2O3）粒徑具體分布情況見圖 1。

圖1　模擬原料（Al2O3）粒徑分布曲線圖

1.2　模擬料液的配制

1.2.1所需試劑

a)Sr(NO3)2化學(xué)純

b)Al2O3固體微粒，規(guī)格：4.5μm 和 9μm

c)濃硝酸：分析純或化學(xué)純

d)氫氧化鈉：5mol/L和 1mol/L

1.2.2配制過程

向無離子水中加人 Sr（NO3）2，調(diào)節(jié)料液密度后加入Al2O3微粉調(diào)節(jié)溶液的粒徑，微粉濃度為 300mg/L，粒度為 4.5μ（95%）+9μ（5%）。每批料液需配制 1000L。具體模擬料液配制參數(shù)見表1。

表1　模擬料液的配制參數(shù)

配制過程：

a)向配制槽中加入850L的無離子水，邊攪拌邊緩慢加入 616mL的濃硝酸，調(diào)節(jié)酸度 pH≈2.0。

b)邊攪拌邊向配制槽中加入預(yù)先稱好562.5kg的Sr(NO3)2固體（每次加入量小于5kg），直至所有固體物完全溶解，此時(shí)溶液酸度pH≈1.8。

c)分別用5 mol/L和1mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)Sr(NO3)2溶液的酸度至 pH≈2.35。

d)將預(yù)先稱好的 211g 4.5μm和 14g 9μm的 Al2O3固體緩慢加入，攪拌至固體微粒完全分散，取樣分析合格后即可作為模擬料液使用。

2　試驗(yàn)設(shè)備的主要技術(shù)特性

生產(chǎn)能力：500L/h

轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑：Φ500mm

轉(zhuǎn)鼓高度：500mm

輕相出口：Φ395mm

分相口內(nèi)徑：Φ435mm

分相口距轉(zhuǎn)鼓底距離：15mm

清液中不溶物含量：≤5mg/L

清液中不溶物截留粒徑：≤1.5μm

排渣轉(zhuǎn)速：20rpm

分離轉(zhuǎn)速：500rpm～2500rpm

電機(jī)型號(hào)：YD160L8/4/2級(jí)

電機(jī)功率：2.8/7/9KW

電機(jī)轉(zhuǎn)速：3000rpm

電機(jī)電壓：380V

3　試驗(yàn)流程

設(shè)置模擬料液配制槽，料液經(jīng)取樣合格后使其進(jìn)入料液槽中，在0.18MPa的壓空攪拌情況下模擬料液經(jīng)一級(jí)空氣提升 （用浮子流量計(jì)控制流量）到恒液位前置罐，再由二級(jí)空氣提升 （通過質(zhì)量流量控制器控制流量）輸送至沉降式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)分離后的清液自流入清液槽，來不及沉降分離的料液回流入料液槽。沖渣時(shí)用螺桿泵將無離子水升壓至1.4MPa后進(jìn)入離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)進(jìn)行高壓沖洗。為便于模擬料液的循環(huán)使用，高壓沖渣時(shí)將渣水排至廢液槽，并將清液槽內(nèi)的模擬料液通過空氣提升 （用浮子流量計(jì)控制流量）輸送至有人孔的調(diào)料槽（0139V），最后用不銹鋼潛水泵分別將廢液接收槽和調(diào)料槽內(nèi)的料液輸送至模擬料液配制槽中進(jìn)行再利用。

模擬料液循環(huán)使用流程：模擬料液配制合格后→料液槽→恒液位前置罐→沉降式離心機(jī)→清液槽→廢液槽→潛水泵→模擬料液配制槽→進(jìn)行分析和調(diào)料（補(bǔ)充 Al2O3微粉）。 試驗(yàn)設(shè)備流程示意圖見圖2：

圖2　試驗(yàn)設(shè)備流程示意圖

4　試驗(yàn)方法

4.1　空載驗(yàn)證試驗(yàn)

啟動(dòng)離心機(jī)，依次調(diào)整轉(zhuǎn)速為：20 rpm、1200 rpm、2000 rpm、2500 rpm，各轉(zhuǎn)速狀態(tài)下至少運(yùn)行5分鐘，正常后再依次下調(diào)直至停車。

4.2　水負(fù)載驗(yàn)證試驗(yàn)

用無離子水作為物料介質(zhì)，先將沉降式離心機(jī)升速至500 rpm運(yùn)行5分鐘，無異常后升速至1200rpm運(yùn)行5分鐘，無異常后通知量槽間和主控室在保證料液槽一級(jí)空氣提升至恒液位前置罐液位達(dá)到滿溢流狀態(tài)下，按沉降式離心機(jī)生產(chǎn)能力500 L/h的上料流量，開啟二級(jí)空氣提升。待離心機(jī)清液口開始出水且上料運(yùn)行正常的前提下，升速至2000rpm，進(jìn)行高速沉降分離，當(dāng)一批料被處理完畢后降速至1200rpm，待清液口不再出水、料液槽不再有回流、離心機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)后降速至500rpm，此時(shí)認(rèn)真觀察并記錄離心機(jī)過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的最大振幅及運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，待清液口不再出水、料液槽不再有回流后降速至20 rpm，直至停車。

由于水負(fù)載驗(yàn)證試驗(yàn)的工作介質(zhì)為無離子水，而無離子水中不含有大量顆粒物，因此在進(jìn)行此項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)只為驗(yàn)證離心機(jī)在相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的承載能力，不進(jìn)行取樣。基于對(duì)離心機(jī)模擬料液排渣時(shí)的安全性考慮，水負(fù)載驗(yàn)證試驗(yàn)過程中進(jìn)行沖渣，在離心機(jī)20 rpm下用高壓水沖洗10分鐘，驗(yàn)證離心機(jī)沖渣時(shí)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

4.3　模擬料液負(fù)載驗(yàn)證試驗(yàn)

該項(xiàng)試驗(yàn)與水負(fù)載試驗(yàn)程序基本相同，首先開啟沉降式離心機(jī)至500rpm運(yùn)行5分鐘，若無異常后升速至1200rpm再運(yùn)行5分鐘，若仍無異常后再按照二級(jí)上料流量試驗(yàn)條件（流量：300L/h、500L/h）開始上料。待離心機(jī)清液口開始出料，且上料運(yùn)轉(zhuǎn)正常、取樣完畢的前提下，升速至分離轉(zhuǎn)速2500 rpm，每隔30分鐘取樣一次，待一批料處理完畢后同水負(fù)載驗(yàn)證試驗(yàn)降速程序，依次降速直至停車。

5　結(jié)果與討論

5.1　空載驗(yàn)證試驗(yàn)

離心機(jī)的整個(gè)空載驗(yàn)證試驗(yàn)過程中運(yùn)行穩(wěn)定，無明顯震動(dòng)及機(jī)械碰撞聲?？蛰d驗(yàn)證試驗(yàn)參數(shù)見圖3、表2。

圖3　空載試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)速與振幅的對(duì)應(yīng)關(guān)系

表2　空載驗(yàn)證試驗(yàn)參數(shù)

由圖3、表2可以看出：軸承溫升最高達(dá)到 84℃，通入A3壓空進(jìn)行強(qiáng)行冷卻后最高49.5℃，整個(gè)過程電機(jī)、上軸承、下軸承等離心機(jī)各運(yùn)轉(zhuǎn)部件均運(yùn)行正常；1200rpm降速直至停車過程中，最大電流達(dá)到54.2A，但離心機(jī)就地控制盤柜內(nèi)未發(fā)生異?，F(xiàn)象。由此證明：離心機(jī)在 20rpm、1200rpm、2000rpm、2500rpm 空載工況下運(yùn)行正常。

5.2　水負(fù)載驗(yàn)證試驗(yàn)

水負(fù)載驗(yàn)證試驗(yàn)過程中離心機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，無明顯震動(dòng)及機(jī)械碰撞聲。水負(fù)載驗(yàn)證試驗(yàn)參數(shù)見圖4、表3。

圖4　水負(fù)載試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)速與振幅的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由圖4、表 3可以看出：離心機(jī)在 1200rpm以200L/h的流量開始上水后，振幅最大達(dá)到82.9μm，降速至500rpm過程中，振幅最大達(dá)到 64.8μm,有輕微振動(dòng)。由此證明用無離子水進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)時(shí)離心機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

表3　水負(fù)載驗(yàn)證試驗(yàn)參數(shù)

5.3　模擬料液負(fù)載驗(yàn)證試驗(yàn)

5.3.1二級(jí)上料流量：500L/h

圖5　模擬料液負(fù)載試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)速與振幅的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由圖 5可以看出：16：11分時(shí)離心機(jī)在 1200rpm以500L/h的流量開始上料后，振幅最大達(dá)到263.1μm，18：03分時(shí)離心機(jī)降速至 500rpm過程中，振幅最大達(dá)到 413.2μm,且振動(dòng)強(qiáng)烈，由此證明生產(chǎn)能力完全可達(dá)到300L/h。5.3.2 二級(jí)上料流量：300L/h

5.3.2.1轉(zhuǎn)速與振幅的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖6　模擬料液負(fù)載試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)速與振幅的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由圖6可以看出：11：35分時(shí)離心機(jī)在2000rpm以 300L/h的流量開始上料后，振幅最大達(dá)到 63.1μm，14：40分時(shí)離心機(jī)降速至500rpm過程中，振幅最大達(dá)到409μm,未發(fā)生明顯振動(dòng)，由此證明本離心機(jī)在二級(jí)上料流量為300L/h的工況下運(yùn)行正常。

5.3.2.2軸承溫升、電流分別與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系

圖7　模擬料液負(fù)載試驗(yàn)時(shí)軸承溫升、電流分別與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系

由圖7可以看出：在通入A3壓空進(jìn)行強(qiáng)行冷卻后，軸承溫升最高達(dá)到68.58℃，整個(gè)過程電機(jī)、上軸承、下軸承等離心機(jī)各運(yùn)轉(zhuǎn)部件均運(yùn)行正常；1200rpm降速直至停車過程中，最大電流達(dá)到58.3A，但離心機(jī)就地控制盤柜內(nèi)未發(fā)生異?，F(xiàn)象。

5.3.2.3轉(zhuǎn)速對(duì)清液中含固量及不溶物截留粒徑的影響

圖8　模擬料液負(fù)載試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)清液中含固量及不溶物截留粒徑的影響

由圖8可以看出：自2500rpm降速至1200rpm過程中，清液中含固量逐漸增多至1250mg/L左右，對(duì)分離越不利；在分離轉(zhuǎn)速2500rpm狀態(tài)下分離時(shí)間越長(zhǎng)清液中不溶物截留粒徑越大，對(duì)分離越有利。

5.3.2.4二級(jí)上料流量對(duì)清液中含固量及不溶物截留粒徑的影響

圖9　模擬料液負(fù)載試驗(yàn)時(shí)二級(jí)上料流量對(duì)清液中含固量及不溶物截留粒徑的影響

由圖 9可以看出：在二級(jí)上料流量為 200L/h～350L/h的狀態(tài)下，清液中含固量保持在 0～10mg/L，當(dāng)二級(jí)上料流量為400L/h時(shí)，清液中含固量出現(xiàn)最大值1300mg/L左右；在二級(jí)上料流量為 200L/h～500L/h的狀態(tài)下清液中不溶物截留粒徑基本保持不變。由此證明：二級(jí)上料流量應(yīng)考慮200L/h～350L/h，若再考慮一批料液的處理時(shí)間問題，應(yīng)選取二級(jí)上料流量為350L/h。

5.3.2.5二級(jí)上料流量、轉(zhuǎn)速分別對(duì)分離效率的影響

圖10　模擬料液負(fù)載試驗(yàn)時(shí)二級(jí)上料流量、轉(zhuǎn)速分別對(duì)分離效率的影響

由圖10可以看出：在分離轉(zhuǎn)速為2500rpm、二級(jí)上料流量為200L/h～400L/h的狀態(tài)下，離心機(jī)的分離效率基本可保持在較高水平99.85%左右。

5.3.3模擬料液負(fù)載驗(yàn)證試驗(yàn)參數(shù)

表4　模擬料液負(fù)載驗(yàn)證試驗(yàn)參數(shù)

由表4可以看出：離心機(jī)在1200rpm以300L/h的流量開始上料后，振幅最大達(dá)到63.1μm，降速至500rpm過程中，振幅最大達(dá)到409μm,未發(fā)生明顯振動(dòng)，由此證明本離心機(jī)在二級(jí)上料流量為300L/h的工況下運(yùn)行正常、穩(wěn)定。

6　結(jié)論

對(duì)沉降式離心機(jī)進(jìn)行空載、水負(fù)載、模擬料液負(fù)載工藝性能驗(yàn)證，其結(jié)果表明：

a)生產(chǎn)能力可達(dá)到 300L/h；

b)在高速分離時(shí),離心機(jī)下軸通入A3軸封壓空狀態(tài)下,軸承溫度最高到 68.15℃；

c)降速至 500rpm過程中，振幅最大達(dá)到 409μm,表明本離心機(jī)在二級(jí)上料流量為300L/h的工況下運(yùn)行正常、穩(wěn)定；

d)在 Al2O3-Sr（NO3）2水模擬體系下，離心機(jī)對(duì)清液中不溶物截留粒徑和含固量滿足工藝設(shè)計(jì)要求，分離效率達(dá)到96%以上。