劉 軍，劉久清，龔益彬，何俊穎

(1.江西銅業(yè)集團(tuán)公司德興銅礦，江西德興 334224;2.中南大學(xué) 冶金與環(huán)境學(xué)院，湖南長沙 410083)

1 引言

德興銅礦目前使用萃取槽對(duì)鉬精礦中的錸金屬進(jìn)行萃取回收，生產(chǎn)錸酸銨產(chǎn)品，該萃取槽在運(yùn)行過程中存在有機(jī)相和水相分相時(shí)間較長、設(shè)備密封性能差等問題。離心萃取機(jī)新設(shè)備是靠設(shè)備在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力實(shí)現(xiàn)兩相混合與分離，具有分相性能好、可調(diào)節(jié)相比范圍寬、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)［1］。它首先在國防工業(yè)領(lǐng)域得到成功運(yùn)行，并逐漸向民用工業(yè)領(lǐng)域滲透，部分已在有色冶金中得到運(yùn)行，但運(yùn)用于鉬精礦中錸回收領(lǐng)域鮮有報(bào)道。本文根據(jù)離心萃取機(jī)的特點(diǎn)及工作原理，對(duì)替代萃取槽回收鉬精礦中的錸開展試驗(yàn)研究及工業(yè)生產(chǎn)試運(yùn)行，均取得滿意的結(jié)果，達(dá)到了提高錸綜合回收率，充分回收礦產(chǎn)資源的目的。

2 離心萃取機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理及性能

2.1 離心萃取機(jī)的工作原理

具有密度差懸殊的多相混合液進(jìn)入該設(shè)備后，在同一機(jī)器中完成混合傳質(zhì)過程和分離過程。直聯(lián)型電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生所需要的強(qiáng)大離心力場(chǎng)，通過變頻器改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以改變離心力場(chǎng)的大小，以適應(yīng)不同的物系。在此離心力場(chǎng)中，多相混合液因?yàn)槠涿芏炔煌?，所受的離心力亦不同，固而產(chǎn)生分層現(xiàn)象，從而達(dá)到萃取或分離的目的［2］。

2.2 離心萃取機(jī)的結(jié)構(gòu)

輕相液體從靠近轉(zhuǎn)鼓壁處進(jìn)料，重液相則從轉(zhuǎn)鼓中心進(jìn)料。在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)形成兩相分散的逆流接觸。最終兩相達(dá)到轉(zhuǎn)鼓的另一端時(shí)輕重液相分別濃縮在轉(zhuǎn)鼓中心和內(nèi)壁處排出，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 離心萃取機(jī)的結(jié)構(gòu)

可實(shí)現(xiàn)單級(jí)或多級(jí)串聯(lián)逆流萃取［3］，其多級(jí)串聯(lián)逆流萃取連接見圖2。

圖2 多級(jí)串聯(lián)逆流萃取

2.3 離心萃取機(jī)的性能

任何萃取設(shè)備都有兩相混合和澄清過程，兩相混合和澄清的效果基本決定了萃取設(shè)備的性能優(yōu)劣［4］。離心萃取機(jī)內(nèi)兩相液體的混合是依靠其轉(zhuǎn)筒的旋轉(zhuǎn)所引起的“泰勒效應(yīng)”來實(shí)現(xiàn)的，而混合液的分相是在離心力場(chǎng)中完成的，可用分離因數(shù)a=w2R/g，式中:w是轉(zhuǎn)筒的旋轉(zhuǎn)角速度;R是轉(zhuǎn)筒的半徑;g是重力加速度［5］。離心萃取機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，a的數(shù)值一般是幾百到幾千，因此它的分相能力比萃取槽強(qiáng)。

離心萃取機(jī)的性能主要是指其水力學(xué)性能和傳質(zhì)性能。改變各操作條件(如相比、轉(zhuǎn)速、兩相流量)都會(huì)影響離心萃取機(jī)的性能［6］。一般在工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速基本確定，可通過調(diào)節(jié)相比和兩相流量獲得良好的性能。提高相比和兩相流量，分離因數(shù)增大，轉(zhuǎn)筒分離能力增強(qiáng)，處理能力增大，同時(shí)兩相液體混合加劇，傳質(zhì)級(jí)效率也相應(yīng)提高。

3 離心萃取機(jī)萃取的小型條件試驗(yàn)研究

為了更好地掌握離心萃取機(jī)萃取錸相關(guān)技術(shù)參數(shù)，取現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)料液進(jìn)行和分液漏斗萃取對(duì)比系列試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)料液化學(xué)組成見表1。

通過分別使用離心萃取機(jī)和分液漏斗對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)料液進(jìn)行萃錸試驗(yàn)結(jié)果的分析，進(jìn)一步分析離心萃取機(jī)的萃取性能及工藝控制條件。其試驗(yàn)內(nèi)容如下:

試驗(yàn)一:料液固定，通過調(diào)節(jié)有機(jī)相用量，達(dá)到調(diào)節(jié)相比的目的。即料液固定，分別進(jìn)行相比為1∶1和1∶2的條件試驗(yàn)，通過對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，分析兩種設(shè)備的萃取性能差異。

試驗(yàn)二:有機(jī)相用量固定，通過調(diào)節(jié)料液用量，達(dá)到調(diào)節(jié)相比的目的。即有機(jī)相固定，分別進(jìn)行相比為1∶1和1∶2的條件試驗(yàn)，通過對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，分析兩種設(shè)備的萃取性能差異。

表1 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)料液的化學(xué)組成

由表1可知，該廠萃取料液中錸濃度約0.15～0.20g/L，鉬濃度約0.50g/L，而硝酸根濃度高達(dá)200g/L左右，硫酸根濃度達(dá)150g/L左右，酸度在1.10～1.30mol/L之間。

3.1 料液固定，通過調(diào)節(jié)有機(jī)相用量，達(dá)到調(diào)節(jié)相比試驗(yàn)

3.1.1 有機(jī)相∶液相=1∶1時(shí)，離心萃取和分液漏斗萃取試驗(yàn)對(duì)比

使用表1中a料液(以下同)試驗(yàn)，每次更換新有機(jī)四次，進(jìn)行離心萃取和分液漏斗四級(jí)萃取試驗(yàn)，將兩者萃余液取樣分析。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 料液固定，更換新有機(jī)四次，離心萃取和分液漏斗萃取試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，料液固定，更換新有機(jī)四次，進(jìn)行四級(jí)萃取試驗(yàn)，其離心萃取試驗(yàn)與分液漏斗萃取試驗(yàn)兩者第一級(jí)萃取率相差不大，但經(jīng)過四級(jí)萃取后，分液漏斗萃取試驗(yàn)的累計(jì)萃取率為95.00%;離心萃取試驗(yàn)的累計(jì)萃取率可達(dá)97.1%，與分液漏斗萃取相比，離心萃取累計(jì)萃取率可提高2.1個(gè)百分點(diǎn)。

3.1.2 有機(jī)相∶液相=1∶2時(shí)，離心萃取和分液漏斗萃取試驗(yàn)對(duì)比

料液固定，更換新有機(jī)四次，進(jìn)行離心萃取和分液漏斗萃取試驗(yàn)，將兩者萃余液取樣分析。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 料液固定，更換新有機(jī)四次，離心萃取和分液漏斗萃取試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，在料液固定，更換新有機(jī)四次條件下，進(jìn)行四級(jí)萃取試驗(yàn)后，分液漏斗萃取試驗(yàn)的累計(jì)萃取率為92.3%;離心萃取試驗(yàn)的累計(jì)萃取率可達(dá)96.7%，與分液漏斗萃取相比，離心萃取累計(jì)萃取率可提高4.4個(gè)百分點(diǎn)。

3.2 有機(jī)相用量固定，通過調(diào)節(jié)料液用量，達(dá)到調(diào)節(jié)相比試驗(yàn)

3.2.1 有機(jī)相∶液相=1∶1時(shí)，離心萃取和分液漏斗萃取試驗(yàn)對(duì)比

有機(jī)相固定，更換料液四次，進(jìn)行離心萃取和分液漏斗萃取試驗(yàn)，將兩者萃余液取樣分析，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 有機(jī)固定，更換料液四次，離心萃取和分液漏斗萃取試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，有機(jī)固定，更換料液四次，進(jìn)行四級(jí)萃取試驗(yàn)，其離心萃取試驗(yàn)與分液漏斗萃取經(jīng)過三級(jí)萃取后，有機(jī)相萃取能力大大下降，已接近飽和。但分液漏斗萃取經(jīng)過三級(jí)萃取后，有機(jī)相萃取能力下降更為明顯。

3.2.2 有機(jī)相∶液相=1∶2時(shí)，離心萃取和分液漏斗萃取試驗(yàn)對(duì)比

有機(jī)相固定，更換料液四次，進(jìn)行離心萃取和分液漏斗萃取試驗(yàn)，將兩者萃余液取樣分析。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 有機(jī)固定，更換料液四次，離心萃取和分液漏斗萃取試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，有機(jī)固定，更換料液四次，進(jìn)行四級(jí)萃取試驗(yàn)，其離心萃取試驗(yàn)與分液漏斗萃取經(jīng)過三級(jí)萃取后，有機(jī)相萃取能力大大下降，已接近飽和。

由上述試驗(yàn)可知，有機(jī)相∶液相=1∶1，料液固定，更換新有機(jī)四次，進(jìn)行四級(jí)萃取試驗(yàn)，累計(jì)萃取率可達(dá)97.1%;有機(jī)固定，更換料液四次，進(jìn)行四級(jí)萃取試驗(yàn)，三級(jí)萃取后，有機(jī)相萃取能力大大下降，已接近飽和。有機(jī)相∶液相=1∶2，在料液固定，更換新有機(jī)四次，進(jìn)行四級(jí)萃取試驗(yàn)后，累計(jì)萃取率可達(dá)96.7%;固定有機(jī)相，更換料液四次，進(jìn)行四級(jí)萃取試驗(yàn)，經(jīng)過三級(jí)萃取后，有機(jī)相萃取能力大大下降，已接近飽和。

4 離心萃取機(jī)工業(yè)生產(chǎn)試運(yùn)行

根據(jù)小型試驗(yàn)的結(jié)果，德興銅礦利用3臺(tái)HB300離心萃取機(jī)及現(xiàn)場(chǎng)使用的萃取槽兩種萃取設(shè)備進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)對(duì)比。其中2臺(tái)離心萃取機(jī)進(jìn)行串聯(lián)逆流萃取，另一臺(tái)離心萃取機(jī)作為反萃使用。將離心萃取與萃取槽(三級(jí)萃取、兩級(jí)反萃，下同)的萃取性能進(jìn)行對(duì)比。

工業(yè)生產(chǎn)對(duì)比工藝萃取條件:相比為有機(jī)相∶液相 =1∶2，酸度 1.2mol/L，料液流速 1.85m3/h，18%的氨水反萃，反萃相比為有機(jī)相∶液相=3∶1，具體對(duì)比數(shù)據(jù)見表6。

表6 離心萃取與萃取槽萃取性能比較(O∶A=1∶2)

由表6可知，萃取槽的平均萃取率為93.53%;離心萃取機(jī)的平均萃取率可達(dá)96.06%，與萃取槽的平均萃取率相比，提高了2.53個(gè)百分點(diǎn)。

為驗(yàn)證表6試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，工藝條件不變，其結(jié)果見表7。

表7 離心萃取與萃取槽萃取性能比較(O∶A=1∶2)

由表7可知，萃取槽的平均萃取率為93.72%;離心萃取機(jī)的平均萃取率為96.10%，與萃取槽的平均萃取率相比，提高2.38個(gè)百分點(diǎn)，且重復(fù)性良好。

5 結(jié)論

(1)使用離心萃取機(jī)萃取回收錸，具有設(shè)備處理量大、占地面積小、密封性能好，對(duì)環(huán)境無污染、循環(huán)有機(jī)量小，有機(jī)損失量小等優(yōu)點(diǎn);

(2)通過調(diào)整圍堰直徑和電機(jī)轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)多級(jí)萃取和反萃，進(jìn)一步提高反萃液錸含量，減少后序工作量;

(3)通過控制流比、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、改變攪拌漿直徑等途徑確保萃取和反萃時(shí)兩相混合程度及分離效果;

(5)通過小型試驗(yàn)及工業(yè)試生產(chǎn)，均得到滿意的結(jié)果。離心萃取機(jī)萃取率比萃取槽萃取率高2個(gè)百分點(diǎn)以上，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn);

(5)該設(shè)備的運(yùn)行可提升萃取設(shè)備裝備水平和錸回收指標(biāo)，有利于企業(yè)進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于國內(nèi)同行業(yè)錸回收具有一定的借鑒作用。

［1］張德友，周進(jìn).新型離心萃取機(jī)在堿性蝕刻液再生循環(huán)中的應(yīng)用［J］.濕法冶金，2011，30(3):243-244.

［2］張德友，卓培忠，李傳祥，等.新型離心萃取機(jī)的開發(fā)及其運(yùn)行前景［J］.過濾與分離，2008，18(3):39-42.

［3］唐課文，文平，張盼良，等.多級(jí)離心逆流萃取萘普生對(duì)映體模擬及實(shí)驗(yàn)研究［J］.化工學(xué)報(bào)，2013，64(11):4074-4081.

［4］王擁軍，蔣興祥，許鋼，等.提高混合澄清萃取槽效率的一些措施［J］.濕法冶金，2009，28(1):53-55.

［5］袁文，張文華.如何提高離心機(jī)的分離效果［J］.黑龍江科技信息，2012，36:14-15.

［6］李傳博，鄭衛(wèi)芳，晏太紅，等.φ10mm離心萃取器水力學(xué)性能研究［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2012，46(5):530-532.