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)

混合澄清器具有結(jié)構(gòu)簡單、級效率高、操作穩(wěn)定性好、易于放大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于稀土、核工業(yè)、化工等行業(yè)中[1]。目前中國稀土行業(yè)使用的混合澄清器，其單級澄清室與混合室體積比多在2.5∶1以上；而核工業(yè)系統(tǒng)使用的混合澄清器的該比值超過了4∶1[2-3]，這導(dǎo)致存在混合澄清器占地面積大、溶劑滯留量大、一次性投資較高等缺點(diǎn)[4-5]。如果直接減少澄清室與混合室體積比，則會導(dǎo)致有機(jī)相夾帶損失高、運(yùn)行成本增高。

增加澄清速度、減少溶劑滯留量以及減少兩相夾帶一直是科研人員致力于研究和改善混合澄清器的目標(biāo)。針對澄清過程的研究多集中在對混合室的改進(jìn)[6-9]，如王淑嬋在澄清室中加裝低速攪拌裝置，來強(qiáng)化兩相混合物分離，使得澄清室與混合室體積比降至1.5∶1以下[8]548。針對改進(jìn)澄清室結(jié)構(gòu)來提高澄清效果的研究較少，主要是在澄清室安裝擋板[10-12]。

筆者以單級下進(jìn)料型混合澄清器為研究對象，從改進(jìn)澄清室結(jié)構(gòu)，包括在澄清室內(nèi)安裝擋板和帶孔柵板；保持澄清室與混合室體積比不變，減小澄清室高度，增加澄清室面積；在澄清室頂部加裝混合相溜槽，優(yōu)化和增加混合相流通路徑等3種措施，來考察混合澄清器的澄清效果，旨在為提高混合澄清器的澄清性能提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)用設(shè)備有下進(jìn)料型混合澄清器、精密蠕動泵、流量計(jì)、控制柜、攪拌機(jī)架、紫外分光光度計(jì)、料桶等。

有機(jī)相下進(jìn)料型混合澄清器，單級，混合室規(guī)格為20 cm×20 cm×30 cm，混合室與澄清室體積比固定為1∶2，試驗(yàn)用混合澄清器如圖1所示。圖1(a)為在澄清室設(shè)置3塊擋板或帶孔柵板的混合澄清器結(jié)構(gòu)；擋板或帶孔柵板數(shù)量增加時(shí)，其他結(jié)構(gòu)不變。圖1(b)為澄清室高度減小到200 mm，澄清室長度增加到600 mm，澄清面積增加50%時(shí)的混合澄清器結(jié)構(gòu)；當(dāng)澄清面積增加100%時(shí)，澄清室的高度減少為150 mm，澄清室長度增加到800 mm，其他結(jié)構(gòu)不變。圖1(c)為澄清室頂部設(shè)置長200 mm溜槽的混合澄清器結(jié)構(gòu)；當(dāng)設(shè)置其他長度溜槽時(shí)，僅溜槽長度變化，其他結(jié)構(gòu)不變。試驗(yàn)中，采用六葉平槳攪拌，槳徑125 mm，槳葉寬35 mm，槳安裝高度40 mm。

圖1 混合澄清器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)條件

混合澄清器的澄清效果是通過測量澄清室內(nèi)分散帶厚度和萃余水相中的有機(jī)相含量進(jìn)行表征。為突出各項(xiàng)改進(jìn)措施的作用，在最不利的澄清條件下進(jìn)行本試驗(yàn)，試驗(yàn)條件：相比VO∶VA=1∶1，混合時(shí)間5 min，攪拌轉(zhuǎn)速325 r/min，控制混合室與澄清室體積比為1∶2。

1.2.2 分析方法

采用紫外分光光度法測量水相夾帶量，即水中有機(jī)相含量。采用紫外分光光度計(jì)，用石英比色皿，依次測定不同體積濃度有機(jī)相標(biāo)準(zhǔn)樣品的吸光度，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖2所示。

圖2 有機(jī)相含量標(biāo)準(zhǔn)曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 擋板及帶孔柵板對澄清性能的影響

選用混合室與澄清室邊長比為1∶2的混合澄清器，通過在澄清室內(nèi)分別加裝不同數(shù)量的擋板或帶孔柵板，來考察其對澄清效果的影響。擋板為邊長20 cm的正方形，安裝間距3 cm，安裝傾角45o。柵板除帶孔外，其規(guī)格和安裝情況與擋板一樣，柵板上開孔率約為30%，單孔直徑約4 mm，如圖3所示。各組試驗(yàn)穩(wěn)定時(shí)，測量澄清室內(nèi)分散帶厚度以及相應(yīng)萃余水相中的有機(jī)相含量，結(jié)果如圖4所示。

圖3 制作的帶孔柵板

圖4 加裝擋板及柵板對有機(jī)相夾帶量的影響

試驗(yàn)表明，不加裝擋板或帶孔柵板時(shí)，萃余水相中的有機(jī)相夾帶量為0.624%，澄清室內(nèi)分散帶厚度約8 cm；當(dāng)加裝3塊擋板時(shí)，萃余水相中的有機(jī)相夾帶量下降至0.562%；當(dāng)加裝5塊擋板時(shí)，萃余水相中的有機(jī)相夾帶量為0.546%。加裝擋板抑制了兩相混合物的流動，為混合物提供了更多的潤濕面積，改善了澄清性能。

加裝帶孔柵板后，萃余水相中有機(jī)相夾帶量只是略微下降，其他現(xiàn)象與安裝擋板時(shí)相似。加裝3塊帶孔柵板后，混合相在澄清室前端的分散帶厚度達(dá)到10 cm，比無任何措施時(shí)的分散帶厚度還大；但由于帶孔的柵板較擋板提供了稍多的接觸面積，對兩相澄清能力有一定的幫助，使得混合相在澄清室末端的分散帶厚度小于2 cm，最終萃余水相中有機(jī)相夾帶量下降。

2.2 增加澄清面積對澄清性能的影響

控制混合室與澄清室體積比(1∶2)、寬度不變，減少澄清室高度，增加澄清室面積，研究澄清室面積對澄清效果的影響。試驗(yàn)中加工了2種規(guī)格的混合澄清槽，澄清室面積較無任何措施混合澄清槽(高度比和邊長比均為1∶2)的澄清面積分別增加了50%(澄清室與混合室高度比2∶3，邊長比3∶1)和100%(澄清室與混合室高度比1∶2，邊長比4∶1)。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在保持混合室與澄清室體積比1∶2、澄清室面積擴(kuò)大50%和擴(kuò)大100%的條件下，兩相界面清晰，分散帶厚度均小于1 cm；相比于無任何措施時(shí)(分散帶厚度8 cm)，澄清效果明顯。

當(dāng)澄清面積增加50%時(shí)，有機(jī)相夾帶量只有0.028%(無任何措施時(shí)有機(jī)相夾帶量0.624%)；當(dāng)澄清面積增加100%時(shí)，測試時(shí)吸光度只有0.063，低于標(biāo)準(zhǔn)曲線的截距值，可認(rèn)為水中只有痕量有機(jī)相，增加澄清面積對提高澄清效果有顯著作用。這是因?yàn)樵诨旌蠗l件相同、流量不變的情況下，澄清面積的增加對減小分散帶厚度具有顯著作用[13]；而分散帶厚度減小，使得小液滴在分散帶中分別向各自相界面運(yùn)動的距離就減少，從而提高了兩相澄清速率，改善了澄清效果。

2.3 增加頂部溜槽對澄清性能的影響

選用混合室與澄清室邊比為1∶2的混合澄清槽，通過在澄清室頂部加裝不同長度、全流口寬度的上下2層溜槽，使從混合室出來的混合相，通過溜槽折返后再進(jìn)入澄清室。試驗(yàn)中分別加裝長度為10、20、30、40 cm的溜槽，研究發(fā)現(xiàn)隨溜槽長度的增加，澄清室內(nèi)分散帶厚度逐漸減小(從7 cm降至小于2 cm)，澄清效果逐漸提升。

相應(yīng)4組試驗(yàn)的萃余水中有機(jī)相含量如圖5所示。隨著溜槽長度的增加，萃余水中有機(jī)相夾帶量逐漸減少，尤其當(dāng)溜槽長度為40 cm時(shí)，有機(jī)相夾帶量為0.346%，相比于無任何措施時(shí)有機(jī)相夾帶量(0.624%)減少了45%，說明增加溜槽對減少有機(jī)相夾帶起到較強(qiáng)作用。這主要是由于：1)全流口寬度的溜槽可使混合相在溜槽內(nèi)平鋪成薄層，在各個方向均勻緩慢流動，有利于小液滴的凝聚，而且全流口寬度還減少了混合相進(jìn)入澄清室時(shí)末端的湍動和擾動；2)上下2層溜槽的設(shè)置，延長了混合相的流通路徑，相應(yīng)增加了澄清時(shí)間，避免了因部分水相過早流出澄清室而導(dǎo)致有機(jī)相夾帶量增加。

圖5 加裝不同長度溜槽對有機(jī)相夾帶量的影響

3 結(jié)論

在澄清室內(nèi)加裝擋板和帶孔柵板，相比于無任何措施時(shí)，水中有機(jī)相夾帶量都有所下降；隨著板數(shù)的增加，水中有機(jī)相夾帶量略有下降。加裝擋板和帶孔柵板可以在一定程度上改善澄清性能，但提升能力有限。

控制混合室與澄清室體積比不變，增加澄清室澄清面積，有機(jī)相夾帶量顯著下降，澄清效果明顯改善。

在澄清室頂部加裝不同長度的溜槽，隨著溜槽長度的增加，澄清室內(nèi)分散帶厚度逐漸減小，水中有機(jī)相夾帶量逐漸減少，澄清效果逐漸提升。