侯偉強

(中核第四研究設(shè)計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

混合澄清器攪拌槳的優(yōu)化設(shè)計

侯偉強

(中核第四研究設(shè)計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

為優(yōu)化鈾溶劑萃取過程中混合澄清器攪拌槳的設(shè)計參數(shù)，在TRPO/P204/TBP/煤油體系中，采用正交設(shè)計方案，研究了攪拌槳各因素對溶劑萃取鈾的影響。結(jié)果表明：影響鈾萃取率的因素由主到次的順序為槳槽長度比>攪拌速度>槳型>安裝高度>寬徑比>葉片數(shù)；極差分析結(jié)果表明，最優(yōu)攪拌槳型及攪拌參數(shù)為彎葉槳型，槳槽長度比0.875，攪拌速度375 r/min，槳葉4片，攪拌槳安裝高度70 mm，寬徑比0.2；最優(yōu)條件下，鈾萃取率高達97.36%。

溶劑萃??；鈾；混合澄清器；攪拌槳；優(yōu)化設(shè)計

在各類溶劑萃取設(shè)備中，混合澄清器因具有操作穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單、級效率高、易放大等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用[1]?；旌铣吻迤魇且环N攪拌式反應(yīng)器，攪拌槳為其重要部件之一，是攪拌過程中的主要換能器件，可將旋轉(zhuǎn)的機械能轉(zhuǎn)化為流體的動能，其轉(zhuǎn)化效率及產(chǎn)生的流體流場分布直接影響攪拌效果及生產(chǎn)成本[2-3]。大量研究[4-7]表明，攪拌槳參數(shù)，如槳型、攪拌槳直徑、槳葉數(shù)量、攪拌速度、安裝高度及槳葉寬度等都對液體流動特性產(chǎn)生不同影響，進而影響體系的混合效果。目前，國內(nèi)鈾礦冶系統(tǒng)所用的混合澄清器的攪拌槳混合效果不理想，靠近攪拌槳的區(qū)域，兩相容易過混合，而在離攪拌槳較遠(yuǎn)的區(qū)域，兩相混合不充分，這導(dǎo)致單級萃取效率偏低，混合澄清器級數(shù)偏多，投資偏大。目前，有關(guān)攪拌槳對溶劑萃取過程中體系混合效果的影響研究鮮見報道，因此，采用正交試驗法，針對鈾溶劑萃取過程中攪拌槳的參數(shù)進行優(yōu)化研究，以期為設(shè)計高效攪拌槳、提高鈾萃取率提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗設(shè)備

試驗所用溶劑萃取設(shè)備為有機相與水相都從混合室下部進料的混合澄清器，混合室尺寸20 cm×20 cm×35 cm，混合室與澄清室邊長比1∶2，單級。整個裝置系統(tǒng)中還有料桶、精密蠕動泵、光電轉(zhuǎn)速儀、流量計、控制柜、攪拌機架等輔助設(shè)備。

1.2 試驗流程

萃原液為某鈾礦石堆浸液。為保證每組試驗萃原液鈾質(zhì)量濃度穩(wěn)定，一次性取料液10 m3，料液pH=1，鈾質(zhì)量濃度為79.58 mg/L；有機相按V(TBP)∶V(TRPO)∶V(P204)∶V(磺化煤油)=1∶2∶4∶46配制。

攪拌槳安裝高度為距混合室底部的距離。

試驗在常溫下進行。萃原液進液速度為1 L/min，有機相進液速度為0.5 L/min，接觸流比qO/qA=1/2。兩相在混合室攪拌混合后在澄清室靜置分層。分層后，取萃余水相測定鈾質(zhì)量濃度，計算鈾萃取率,見式(1)。

(1)

式中，ρ(U)為溶液中鈾質(zhì)量濃度，mg/L。

試驗結(jié)束后，更換不同槳重復(fù)以上過程。攪拌的啟停、變速等通過控制柜控制。

1.3 正交試驗方案

設(shè)計正交試驗方案，選擇槳型、槳槽長度比、攪拌速度、葉片數(shù)、安裝高度、寬徑比6因素，每個因素取5水平，采用L25(56)方案設(shè)計試驗方案。攪拌槳實物照片如圖1所示。

圖1 正交試驗方案中攪拌槳實物照片

由圖1可知：DBI為平槳，PBI為折槳，BOI為彎葉槳，SII為推進螺旋漿，BSTR為梯形渦輪槳。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 正交試驗

正交試驗方案及萃取試驗結(jié)果見表1?？梢钥闯觯衡欇腿÷什▌臃秶艽螅钚H為12.04%，最大達98.55%;槳槽長度比對應(yīng)的極差最大，對鈾的萃取率影響最大，其次為攪拌速度，然后依次為槳型、安裝高度、寬徑比、葉片數(shù)。鈾萃取率極差分析結(jié)果見表2。

表1 正交試驗方案及萃取試驗結(jié)果

表2 鈾萃取率極差分析結(jié)果

2.2 槳型對鈾萃取率的影響

槳型對于溶劑萃取的影響試驗結(jié)果見表2中A列?？梢钥闯觯煌瑯蛯︹欇腿÷实挠绊懖煌築OI槳型影響最大，因為DBI槳表現(xiàn)的徑向流居多，PBI槳表現(xiàn)的軸向流多些[4]，而BOI型產(chǎn)生的流場的效果處于DBI槳型和PBI槳型之間，徑向流場和軸向流場較均勻，對溶液循環(huán)混合能力最好；而SII槳型，由于其葉片圓滑平順，起到的軸向推動作用有限，本身產(chǎn)生的剪切作用也較小，導(dǎo)致其混合效果最差。除SII槳型外，其他槳型條件下鈾萃取率均超過75%，說明這幾種槳型在混合槽內(nèi)形成了三維非定常流，其速度在軸向、徑向和切向均有分布。

2.3 槳槽長度比對鈾萃取率的影響

槳槽長度比對鈾萃取率的影響試驗結(jié)果見表2中B列?？梢钥闯觯S槳槽長度比增大，對固定試驗槽即槳徑增大，鈾萃取率由38.83%顯著提高至93.79%。這主要是因為在攪拌過程中，隨槳徑增大，其徑向與軸向作用范圍都擴大，使混合室死區(qū)相應(yīng)減少，兩相混合更均勻。

2.4 攪拌速度對鈾萃取率的影響

攪拌速度對鈾萃取率的影響試驗結(jié)果見表2中C列。可以看出，隨攪拌速度增大，鈾萃取率從39.25%逐漸升高至88.49%。隨攪拌速度增大，兩相混合液湍動增大，混合相被分散的液滴更小，兩相接觸面積增大，有利于鈾的傳質(zhì)和萃取[8]。攪拌速度在75～225 r/min范圍內(nèi)，鈾萃取率隨攪拌速度增大而快速提高；攪拌速度在225～375 r/min范圍內(nèi)，隨攪拌速度增大，鈾萃取率提高幅度較小。因為兩相通過攪拌被分散成的液滴直徑，在攪拌速度大于225 r/min之后很難再被打散成更小液滴，從而對鈾萃取率的影響較小。

2.5 葉片數(shù)對鈾萃取率的影響

葉片數(shù)對鈾萃取率的影響試驗結(jié)果見表2中D列?？梢钥闯觯~片數(shù)對萃取的影響不大，葉片數(shù)在2～10范圍內(nèi)，鈾萃取率在67.76%～77%之間，變化范圍較窄，并且呈不規(guī)則性。

2.6 攪拌槳安裝高度對鈾萃取率的影響

攪拌槳安裝高度對鈾萃取率的影響試驗結(jié)果見表2中E列?？梢钥闯?，隨攪拌槳安裝高度由10 mm升至130 mm，鈾萃取率先由72.02%升至87.96%，后又逐漸降至62.27%。這是因為：當(dāng)攪拌槳處于很低位置時，攪拌產(chǎn)生的環(huán)流中有很多被底板遮擋，攪拌槳下部形成一個低速區(qū)，無法起到混合作用；隨攪拌槳高度升高，此區(qū)域逐漸減小，兩相混合更充分，更有利于萃?。坏S安裝高度進一步升高，槳下低速區(qū)消失，但混合室內(nèi)軸向環(huán)流減弱，導(dǎo)致軸向混合強度減弱，對萃取不利?？梢?，攪拌槳安裝過低或過高都不利于提高鈾萃取效率[9]。試驗數(shù)據(jù)擬合結(jié)果表明，攪拌槳最佳安裝高度在70 mm左右。

2.7 攪拌槳寬徑比對鈾萃取率的影響

槳葉寬徑比對鈾萃取率的影響試驗結(jié)果見表2中F列。可以看出，隨槳徑比增大，鈾萃取率先提高后降低，葉片寬度與葉片長度之比為0.2時，鈾萃取率最大。當(dāng)葉片寬度與葉片長度比較小時，槳葉與混合液體接觸面過小，對液體混合作用較弱，混合作用區(qū)僅局限在槳葉附近，整個混合槽內(nèi)無法形成有效的循環(huán)流場；但寬徑比增大到一定程度后，槳葉與液體接觸面積過大，槳葉在攪拌槽內(nèi)形成的流體速度及速度分布均勻程度反而變差，同時存在對混合相的過混及混合不均現(xiàn)象：這都對萃取不利。

2.8 驗證試驗

根據(jù)表2，確定最優(yōu)參數(shù)為：槳型為彎葉型，槳槽長度比0.875，攪拌速度375 r/min，槳葉4片，攪拌槳安裝高度70 mm，葉片寬度與葉片長度之比為0.2。但此最優(yōu)方案并不包含在正交試驗方案中，為此，按最優(yōu)方案重新制作攪拌槳，實物照片如圖2所示，并進行萃取試驗，結(jié)果鈾萃取率高達97.36%，效果很好。

圖2 最優(yōu)方案下制作的攪拌槳實物照片

3 結(jié)論

正交試驗結(jié)果表明：攪拌參數(shù)對鈾萃取效果影響很大，影響大小順序依次為槳槽長度比、攪拌速度、槳型、安裝高度、寬徑比、葉片數(shù)。BOI型攪拌槳產(chǎn)生的徑向流場和軸向流場比較均勻，對溶液循環(huán)混合能力最好；隨槳槽長度比增大，混合室死區(qū)減小，更有利于萃?。粩嚢杷俣仍龃?，有利于傳質(zhì)和萃取，但攪拌速度大于225 r/min之后，鈾萃取率提升幅度不大；攪拌槳安裝高度對兩相混合有影響，最優(yōu)高度以70 mm為宜；葉片寬度與葉片長度比也存在最優(yōu)值，過小或過大都對萃取不利。

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OptimizationOrthogonalDesignofImpellerofMixer-settler

HOU Weiqiang

(TheFourthResearchandDesignEngineeringCorporationofCNNC，Shijiazhuang050021，China)

In order to optimize the impeller of mixer-settler used in the process of uranium solvent extraction，using TRPO/P204/TBP/sulfonated kerosene system，the influence of various factors of impeller on the extraction of uranium was researched by orthogonal design.The results show that the factors affecting the extraction rate of uranium are as follows：impeller length-to-chamber length ratio>agitation speed>impeller type>installation height>impeller width-to- diameter ratio>blade number.The optimal impeller type is curved blade and stirring parameters are impeller length-to-chamber length ratio of 0.875，agitation speed of 375 r/min，blade number of 4，installation height of 70 mm，impeller width-to-diameter ratio of 0.2.Under this condition，the uranium extraction is as high as 97.36%.

solvent extraction；uranium；mixer-settler；impeller；optimal design

TF051.83

A

1009-2617(2017)06-0511-04

10.13355/j.cnki.sfyj.2017.06.015

2017-03-31

侯偉強(1985-)，男，河北石家莊人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為鈾水冶和鈾純化工藝設(shè)計及研究。