泵輪式混合澄清槽泵輪抽吸高度的變化規(guī)律試驗研究

李少杰，劉繼連，景 山

(1.中國紡織科學(xué)研究院有限公司 北京 100025；2.中國核電工程有限公司 北京 100840；3.清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院 北京 100084)

混合澄清槽有多種不同形式。目前，工業(yè)上常用的主要是箱式混合澄清槽[1]、全逆流混合澄清槽[2]，核化工行業(yè)使用較多的是泵輪式混合澄清槽。泵輪式混合澄清槽最初是由法國圣戈班(SGN)公司于1954年開發(fā)的[3]，之后又開發(fā)出了不同的結(jié)構(gòu)形式，包括KAPL型混合澄清槽、KREBS型混合澄清槽和Power Gas混合澄清槽[4-5]。目前，泵輪式混合澄清槽已在法國UP3、UP2-800及日本6個核燃料后處理廠[6]得到應(yīng)用。泵輪式混合澄清槽的泵輪除提供兩相混合所需能量外，還為級間料液輸送提供能量，同時克服了氣動脈沖攪拌式混合澄清槽及機(jī)械攪拌式混合澄清槽中的第一級與最后一級的界面高度差因級數(shù)增加而增大所引起的運(yùn)行不穩(wěn)定的缺陷，并解決了設(shè)計中槽體平面布置等問題。

有關(guān)混合澄清槽的研究主要涉及混合性能[7-8]、液滴尺寸[9-11]、萃取效率[12-13]等，而對于泵輪式混合澄清槽，其泵輪抽吸高度是槽級間料液輸送能量的重要特征參數(shù)，對其進(jìn)行研究有重要意義。影響泵輪抽吸高度的因素主要有澄清槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括泵輪直徑d、泵輪厚度δ、泵輪與混合室底間距r，泵輪直徑與混合室長度l之比等)和操作參數(shù)(料液流量ql，泵輪轉(zhuǎn)速n)。借鑒Power Gas型混合澄清槽的設(shè)計原則，設(shè)計了3種體積的泵輪式混合澄清槽和不同形式的泵輪，研究了混合澄清槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對抽吸高度的影響及泵輪抽吸高度的放大規(guī)律。

1 試驗設(shè)備

1.1 泵輪式混合澄清槽

泵輪式混合澄清槽的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示?；旌鲜业撞吭O(shè)有潛室，水相和有機(jī)相在潛室內(nèi)預(yù)混合，然后在泵輪作用下，從潛室經(jīng)孔進(jìn)入混合室，并在泵輪剪切力作用下混合?；旌舷鄰幕旌鲜疑戏诫x開進(jìn)入澄清室內(nèi)并澄清分相。澄清室的末端設(shè)有水相和有機(jī)相小室，有機(jī)相從有機(jī)相堰上方進(jìn)入有機(jī)相小室，然后從小室底孔進(jìn)入下一級潛室。水相通過平衡管進(jìn)入水相小室，并從小室底孔進(jìn)入上一級潛室。平衡管起到水相堰口的作用，因調(diào)節(jié)平衡管的高度時，澄清室內(nèi)兩相界面高度也隨之變化，所以可通過調(diào)節(jié)平衡管高度獨(dú)立調(diào)節(jié)混合澄清槽內(nèi)各級澄清室的界面高度。

圖1 泵輪式混合澄清槽剖面示意

試驗設(shè)計了3種三級逆流泵輪式混合澄清槽，混合室體積分別為4.9、9.8、19.8 L。澄清室體積分別為相對應(yīng)的混合室體積的3倍，以此來研究泵輪抽吸高度隨混合澄清槽體積變化而變化的規(guī)律。

抽吸高度是指泵輪抽吸作用所能形成的液位差，可以在泵輪旋轉(zhuǎn)情況下通過測量混合室與相鄰小室之間的液面高度差得到。調(diào)節(jié)泵輪轉(zhuǎn)速n可以調(diào)節(jié)小室內(nèi)液面高度。小室內(nèi)液面高度需控制在一定范圍內(nèi)，才能保證混合澄清槽正常工作。以水相小室為例：當(dāng)平衡管高度一定時，平衡管上端高度必須高于水相小室液面高度，否則澄清室中的界面會不斷上升，且相鄰級間界面相互影響；而抽吸高度太高，超過混合室高度時，潛室中會有大量空氣吸入，降低泵輪混合效率，導(dǎo)致傳質(zhì)效率降低。

1.2 泵輪結(jié)構(gòu)

泵輪由上下罩板、葉片、吸入管及攪拌軸組成，如圖2所示。泵輪含有8個后彎葉片，葉片末端切線與泵輪外沿切線之間的夾角β稱為后彎角。葉片上、下側(cè)各有一直徑為D的罩板：上側(cè)罩板為圓形板，與攪拌軸相連；下罩板為環(huán)形板，中心有一孔(直徑為d2)，相連于與中心孔大小相同的吸入管?；旌鲜业装逶O(shè)有與泵輪吸入管大小相同的圓孔，在泵輪抽吸力作用下，液體通過圓孔進(jìn)入混合室。泵輪直徑d1約為混合室邊長的0.6倍，吸入管直徑d2為泵輪直徑的一半，葉片寬度b約為泵輪直徑的1/7。3種不同混合澄清槽的泵輪結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，其中，l、ht、hd、dd分別為方形混合室邊長、混合室高度、液面高度和平衡管直徑。設(shè)計了后彎角分別為15°、45°、90°的3種泵輪結(jié)構(gòu)(如圖3所示)。

a—平面；b—剖面。

表1 3種泵輪式混合澄清槽和泵輪的結(jié)構(gòu)尺寸 mm

圖3 不同后彎角度的3種泵輪

1.3 設(shè)備流程

試驗設(shè)備如圖4所示。設(shè)備由三級混合澄清槽、有機(jī)相和水相進(jìn)料計量泵、儲槽、調(diào)頻電機(jī)和泵輪組成，其中計量泵的流量和泵輪轉(zhuǎn)速通過工控機(jī)上調(diào)節(jié)計量泵的頻率及調(diào)節(jié)變頻器頻率來實(shí)現(xiàn)。

考察泵輪抽吸高度，一般通過單相流試驗來實(shí)現(xiàn)。試驗中僅采用水相進(jìn)料系統(tǒng)，水相為去離子水。在泵輪轉(zhuǎn)速較大條件下，用去離子水把混合澄清槽充滿，然后將計量泵和泵輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到目標(biāo)值，用直尺測量混合室與相鄰小室液面之間的距離，此為抽吸高度h。提高電機(jī)軸的高度可以改變泵輪與混合室底部之間的距離r。測量范圍見表2。

1—有機(jī)相進(jìn)料計量泵；2—調(diào)頻電機(jī)；3—泵輪；4—三級混合澄清槽；5—水相進(jìn)料計量泵；6—水相儲槽；7—有機(jī)相儲槽。

ql/(L·h-1)r/mmn/(r·min-1)β/(°)MS-186,124,152,171,201,262845124,2018,17,26200～500451248,17,26,35901248,17,26,3515MS-2248,403452489,18,27150～4509024815MS-3496,803454963,12,21150～400w9049615

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 泵輪轉(zhuǎn)速對泵輪抽吸高度的影響

圖5是3種泵輪式混合澄清槽在泵輪后彎角度均為45°、料液流量分別為124、248、496 L/h(保證3個泵輪式混合澄清槽中的物料停留時間相同)條件下，泵輪抽吸高度h隨轉(zhuǎn)速n的變化規(guī)律?？梢钥闯觯S泵輪轉(zhuǎn)速從150 r/min提高到500 r/min，3種泵輪的抽吸高度均增大,這與Singh的圓形泵輪式混合澄清槽的效果一致[14]。操作過程中，泵輪抽吸高度要足夠大，才能克服級間料液輸送阻力，實(shí)現(xiàn)在同一水平高度級間料液泵送的目的。一般情況下，抽吸高度達(dá)到混合室長度l1的一半(約70 mm)即可滿足料液輸送要求，以此標(biāo)準(zhǔn)計算，MS-1、MS-2、MS-3的最低轉(zhuǎn)速分別為400、350、300 r/min，轉(zhuǎn)速過大會造成能量浪費(fèi)。

—■—MS-1：β=45°，r=8 mm，ql=124 L/h；—●—MS-2：β=45°，r=9 mm，ql=248 L/h；—▲—MS-3：β=45°，r=12 mm，ql=496 L/h。

2.2 料液流量對泵輪抽吸高度的影響

對于MS-1，在泵輪轉(zhuǎn)速400 r/min條件下，固定泵輪后彎角度為45°，泵輪與混合室底部間距為8 mm，考察泵輪抽吸高度h隨料液流量ql的變化規(guī)律，試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 料液流量對泵輪抽吸高度的影響

由圖6看出，隨料液流量增大，泵輪抽吸高度略有下降，但變化不大。MS-2和MS-3也有類似規(guī)律。結(jié)果表明，在試驗范圍內(nèi)，泵輪式混合澄清槽的抽吸高度都能滿足級間料液的輸送要求。通常情況下，混合澄清槽按混合室停留時間1 min進(jìn)行設(shè)計和操作，所以，試驗確定MS-1的料液流量以124 L/h即可。

2.3 泵輪與槽底間距對泵輪抽吸高度的影響

對于MS-1，在泵輪轉(zhuǎn)速400 r/min、料液流量124 L/h、，泵輪后彎角度45°條件下，泵輪與槽底間距對抽吸高度的影響試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 泵輪與槽底間距對泵輪抽吸高度的影響

由圖7看出，隨泵輪與槽底間距增大，泵輪抽吸高度降低，該結(jié)論與文獻(xiàn)[14]一致。MS-2和MS-3也有相似規(guī)律。以抽吸高度需要達(dá)到混合室長度一半(約70 mm)作為標(biāo)準(zhǔn)，泵輪與槽底間距大于10 mm時，泵輪抽吸高度無法滿足級間物料輸送要求，所以試驗確定以8 mm作為MS-1的泵輪與槽底的合適間距。

2.4 泵輪葉片后彎角度對泵輪抽吸高度的影響

對于MS-1，在泵輪轉(zhuǎn)速400 r/min、料液流量124 L/h、泵輪與混合室底部距離8 mm條件下，改變泵輪葉片后彎角度，分別取15°、45°、90°，考察泵輪抽吸高度的變化規(guī)律，結(jié)果如圖8所示。

圖8 泵輪葉片后彎角度對泵輪抽吸高度的影響

由圖8看出，隨泵輪葉片后彎角度增大，泵輪抽吸高度變化不大。MS-2和MS-3也有相似規(guī)律。在所考察的角度范圍內(nèi)，泵輪抽吸高度基本都能滿足混合澄清槽級間物料輸送要求。但葉片后彎角度需要兼顧葉片對分散相的破碎作用：后彎角度太小，破碎作用較弱，會造成液滴分散不充分，使混合澄清槽的萃取效率降低；后彎角度太大，則可能造成液滴破碎過于劇烈，夾帶物料，給分相澄清造成困難。綜合考慮，確定適宜的泵輪葉片的后彎角度為45°。

2.5 泵輪抽吸高度放大規(guī)律

對于確定的萃取體系，若保持相比、平均停留時間及其他操作條件(溫度、分散系類型等)不變，當(dāng)單位體積混合液輸入功率相同時，對于幾何相似的不同規(guī)?；旌喜劭梢缘玫较嗤募壭蔥15]。單位體積輸入功率相等這一原則是混合槽放大的基本原則。

單位體積輸入功率計算公式為。

(1)

式中：PV為單位體積輸入功率，W/m3；ξ為功率系數(shù)，對于圓盤泵輪為2.4；ρ為液體密度，kg/m3；n為泵輪轉(zhuǎn)速，r/s；V為混合室體積，m3,d1為泵輪直徑，m。

泵輪抽吸高度與泵輪轉(zhuǎn)速n和泵輪與槽底間距r有關(guān)，與泵輪的后彎葉片角度和料液流量關(guān)系不大。因此，定義nh=h/ht與nr=r/ht，將試驗得到的285組數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)后得到

(2)

式中：PV變化范圍在80～3 200 W/m3之間，nr變化范圍在0.007～0.12之間。將式(2)計算結(jié)果與試驗實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，計算所得nh，cal與試驗實(shí)測nh,exp的相對誤差在15%以內(nèi)。

圖9 計算所得nh，cal與試驗實(shí)測nh,exp的對比

按照Power Gas設(shè)計原則和工藝條件確定泵輪式混合澄清槽后，泵輪式混合澄清槽的混合室高度ht、泵輪在混合室內(nèi)的安裝位置(r)、平衡管高度也得以確定，此時泵輪抽吸高度就是混合室與平衡管高度差到混合室高度，通過式(2)可以確定混合澄清槽的輸入功率(即電機(jī)轉(zhuǎn)速)；或已知輸入功率范圍，從而檢驗抽吸高度是否與設(shè)計的平衡管高度相匹配。

3 結(jié)論

按Power Gas設(shè)計原則,設(shè)計了3個大小不同的泵輪式混合澄清槽，研究了泵輪抽吸高度的變化規(guī)律。結(jié)果表明：泵輪抽吸高度隨泵輪轉(zhuǎn)速增大、泵輪與混合室底間距減小而增大；料液流量和泵輪后彎葉片角度對泵輪抽吸高度影響不大；依照混合澄清槽單位體積輸入功率一致的放大原則，得到泵輪抽吸高度經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式為