王振北,王 庫,付海鵬,韓思遠(yuǎn)

(中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司,河北 石家莊 050021)

目前,離子交換技術(shù)在中國鈾水冶廠的鈾提取工藝中占主導(dǎo)地位[1-2]。根據(jù)樹脂在塔中的形態(tài),離子交換設(shè)備主要分為密實(shí)固定床、密實(shí)移動(dòng)床和流化床[3-4];其中密實(shí)固定床吸附塔對料液流量、鈾濃度的變化適應(yīng)性強(qiáng),運(yùn)行可靠[5-6],廣泛應(yīng)用于浸出液鈾濃度低、流量大、濁度低的地浸鈾礦山水冶廠。

密實(shí)固定床吸附塔底部出液口過濾裝置有鵝卵石和石英砂過濾、塑料管開孔外纏繞尼龍濾布過濾、塑料板上開孔安裝水帽過濾等類型[7-8]。采用石英砂和鵝卵石過濾,樹脂和石英砂易混,樹脂利用率低。近年來,在地浸鈾礦山密實(shí)固定床吸附塔中,繞絲過濾器逐漸取代了上述過濾裝置[9];新建和擴(kuò)建的鈾水冶工程和鈾礦山廢水處理工程中的吸附塔,基本都使用了繞絲過濾器作為吸附塔底部出液口過濾裝置。

工程設(shè)計(jì)時(shí),密實(shí)固定床吸附塔空塔線速度基本在20～40 m/h范圍內(nèi)選取,但國外某些吸附設(shè)備原液空塔線速度遠(yuǎn)高于該值。因此,有必要研究繞絲過濾器在高流速下的出液能力和過濾效果,為開發(fā)大型高效的離子交換設(shè)備提供理論依據(jù)。目前在設(shè)計(jì)選型時(shí),一般只根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按照進(jìn)液口面積來估算繞絲過濾器個(gè)數(shù)和規(guī)格,缺少試驗(yàn)數(shù)據(jù)。而在實(shí)際生產(chǎn)時(shí),往往只關(guān)注整個(gè)樹脂床層的壓降,對繞絲過濾器兩端壓降的變化規(guī)律研究較少。為此,進(jìn)行密實(shí)固定床吸附塔繞絲過濾器出液能力試驗(yàn)、吸附試驗(yàn)和反沖洗試驗(yàn),研究繞絲過濾器在高流速下的出液能力,用以指導(dǎo)繞絲過濾器的設(shè)計(jì)和選型。

1 繞絲過濾器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

繞絲過濾器的過濾部分是由楔形的不銹鋼表層絲和呈圓周式排列的一組縱向支撐條通過電阻滾焊工藝全自動(dòng)化數(shù)控加工成型。繞絲過濾器生產(chǎn)工藝成熟,繞絲表面光滑,無棱角,無毛刺,其結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 繞絲過濾器結(jié)構(gòu)形式Fig. 1 Wire-wrapped filter structure

繞絲過濾器特點(diǎn):1)機(jī)械強(qiáng)度高,能夠承受較大的壓差;2)楔形過濾縫隙均勻、連續(xù),通流面積大,孔隙率高;3)近乎二維的濾絲沒有顆粒堆積死角;4)楔形縫隙在反沖洗時(shí)能夠聚集反沖洗能量,反沖洗效果好;5)生產(chǎn)工藝和應(yīng)用成熟,在某些行業(yè)已形成標(biāo)準(zhǔn)化系列產(chǎn)品[10]。

2 繞絲過濾器過濾能力試驗(yàn)

2.1 繞絲過濾器布置方式

試驗(yàn)用吸附塔直徑700 mm,直筒段長4 000 mm。從吸附塔設(shè)計(jì)方面考慮,為減小下封頭內(nèi)樹脂吸附死角范圍,繞絲過濾器應(yīng)盡可能均勻布置在下封頭內(nèi);但過多的開孔會(huì)影響封頭強(qiáng)度,且底部管路復(fù)雜,操作檢修空間受影響。因此,當(dāng)吸附塔直徑確定后,可布置的繞絲過濾器個(gè)數(shù)和直徑便基本確定。為避免塔底部樹脂與吸附原液接觸不充分,且考慮有足夠的更換檢修空間,繞絲過濾器不宜伸入塔內(nèi)太長。另外,考慮到繞絲過濾器伸入接管內(nèi)部的部分(圖2)更易堵塞(該區(qū)域流速大、壓力高,樹脂易破碎),會(huì)影響有效過濾面積,故繞絲過濾器的過濾面積基本被限制。

圖2 繞絲過濾器布置方式Fig. 2 Arrangement of the wire-wrapped filter

本試驗(yàn)選用的繞絲過濾器直徑40 mm、高200 mm、縫隙0.25 mm。將8個(gè)繞絲過濾器垂直均布在吸附塔下封頭內(nèi),用于過濾吸附尾液(圖2),1號和2號壓力表用于測量繞絲過濾器兩端的壓差。8個(gè)繞絲過濾器的總過濾面積約為0.192 m2(總縫隙面積約為0.021 m2,是進(jìn)液口橫截面積的4.25倍[11])。

繞絲過濾器的布置方式有以下優(yōu)點(diǎn):1)出液口均勻分散,有利于消除吸附死角;2)樹脂出口位于吸附塔最底端,方便樹脂排放,提高飽和樹脂利用率;3)反沖洗時(shí)進(jìn)液均勻,反沖洗效率高。

2.2 繞絲過濾器出液能力試驗(yàn)

為保證在高流量時(shí)吸附試驗(yàn)?zāi)茼樌M(jìn)行,選取初始空塔線速度約為65 m/h,在吸附塔未裝樹脂的情況下,對繞絲過濾器的出液能力進(jìn)行試驗(yàn)。保持進(jìn)液泵轉(zhuǎn)速不變,依次關(guān)閉不同數(shù)量的繞絲過濾器出口閥,測試吸附塔的流量和壓降變化(表1)?？梢钥闯?當(dāng)關(guān)閉3個(gè)過濾器出口閥時(shí)(此時(shí)過濾縫隙面積是進(jìn)液口橫截面積的2.65倍),繞絲過濾器壓降沒有明顯變化,流量略有減小;繼續(xù)關(guān)閉出口閥,壓降緩慢增加,流量緩慢下降,但依然保持在較高的水平;當(dāng)僅有1個(gè)出液口時(shí),流量明顯降低,僅為完全打開時(shí)的66%,同時(shí)壓降也較打開2個(gè)出液口時(shí)增加1倍。

表1 繞絲過濾器出液能力測試Table 1 Liquid outflow capacity test of wire-wrapped filter

試驗(yàn)說明,在正常情況下8個(gè)繞絲過濾器完全可以滿足試驗(yàn)所需流速,繞絲過濾器的輕微堵塞對塔的出液能力影響很小。當(dāng)只開啟5個(gè)繞絲過濾器時(shí),即可滿足試驗(yàn)要求;但考慮到繞絲過濾器伸入接管內(nèi)部的部分壓降高、易堵塞,因此設(shè)計(jì)選型時(shí),推薦考慮1.5倍的工程系數(shù),即按過濾縫隙面積是進(jìn)液面積的4倍進(jìn)行計(jì)算選型。

2.3 繞絲過濾器壓降變化情況

樹脂填裝高度為3.5 m,樹脂床層體積為1.4 m3,初始空塔線速度為60 m/h,塔頂和塔底壓力差(即樹脂床層壓降)為0.1 MPa。8個(gè)繞絲過濾器全開,進(jìn)行不同流量下(空塔線速度60 m/h、45 m/h和35 m/h)的吸附試驗(yàn),結(jié)果見表2。

表2 繞絲過濾器試驗(yàn)效果Table 2 Filtering effect of wire-wrapped filter

前3個(gè)吸附試驗(yàn)循環(huán),吸附尾液通過繞絲過濾器的壓降較小,繞絲過濾器壓降約為0.020 MPa。當(dāng)進(jìn)行到第4個(gè)吸附試驗(yàn)循環(huán)時(shí),累計(jì)處理床體積達(dá)13.601 kBV,繞絲過濾器壓降開始明顯上升;且隨著吸附進(jìn)行,壓降迅速增大,當(dāng)累計(jì)處理床體積達(dá)到16.649 kBV時(shí),繞絲過濾器壓降增加至0.297 MPa,此時(shí)繞絲過濾器的阻力約為樹脂床層阻力的3倍,需要進(jìn)行解堵清洗。

分析繞絲過濾器兩端壓降升高的原因,認(rèn)為起初是由于少量碎樹脂堵塞過濾縫隙,使得過濾面積減小,壓降增大;而后在壓力作用下造成更多樹脂破碎堵塞縫隙[12],惡性循環(huán),故而后期壓降呈指數(shù)形式增長。拆下繞絲過濾器進(jìn)行驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)過濾縫隙內(nèi)塞有大量碎樹脂。實(shí)際生產(chǎn)時(shí),應(yīng)隨時(shí)關(guān)注繞絲過濾器兩端壓降的變化情況,當(dāng)壓降明顯升高時(shí),應(yīng)及時(shí)進(jìn)行清堵工作,否則可能會(huì)造成過濾器的破壞,而且過高的壓力也影響塔體的強(qiáng)度。

3 繞絲過濾器清洗效果

吸附塔經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行后,碎樹脂和雜質(zhì)會(huì)堵塞繞絲過濾器,造成繞絲過濾器阻力增大,過濾能力降低。對繞絲過濾器進(jìn)行定期清洗,可以有效降低過濾器阻力,恢復(fù)過濾能力。

清洗試驗(yàn)采用人工洗刷和反沖洗2種方式。通過對比清洗前后相同流量下的壓降變化,判斷繞絲過濾器的清洗效果。1號繞絲過濾器采用人工刷洗方式,將繞絲過濾器卸下,用毛刷將堵塞樹脂清洗干凈;2～8號繞絲過濾器用吸附尾液逐個(gè)進(jìn)行反沖洗,反沖用水量分為0.2 m3、0.4 m3和0.6 m33個(gè)等級,結(jié)果見表3。2～4號繞絲過濾器反沖洗時(shí)塔內(nèi)物料為排凈狀態(tài),5～8號繞絲過濾器反沖洗時(shí)塔內(nèi)有0.6 m高樹脂層和1.4 m高吸附原液。清洗完成后,塔內(nèi)填充0.6 m3樹脂,測定了不同繞絲過濾器開啟狀態(tài)下的壓降(表4)。

表3 繞絲過濾器清洗方式Table 3 Cleaning methods of wire-wrapped filter

表4 繞絲過濾器清洗前后過濾效果對比Table 4 Filtration effect comparison before and after cleaning of wire-wrapped filter

由表4可看出,清洗后繞絲過濾器壓降有顯著下降,8個(gè)繞絲過濾器全開時(shí)壓降已經(jīng)基本恢復(fù)到吸附初期的水平。采用反沖洗方式進(jìn)行清洗時(shí),在物料排空情況下反沖洗效果更佳;當(dāng)有2.0 m高物料時(shí),反沖洗后繞絲過濾器壓降降低的略少,但也滿足生產(chǎn)要求;反沖洗用水量(0.2 m3、0.4 m3和0.6 m3)對反沖洗效果影響不大。與人工刷洗相比,采用反沖洗方式清洗的過濾器的兩端壓降更小,效果更優(yōu)。生產(chǎn)中可以在不拆卸過濾器的情況下進(jìn)行反沖洗,有利于節(jié)省人工和時(shí)間成本。

4 工程應(yīng)用

某鈾水冶廠擴(kuò)大廠房改造項(xiàng)目和某水冶廠提升改造項(xiàng)目均使用密實(shí)固定床吸附塔,塔直徑均為3.2 m,設(shè)計(jì)空塔線速度分別為30 m/h和25 m/h,進(jìn)液口直徑分別為0.20 m(面積為0.03 m2)和0.25 m(面積為0.05 m2)。在設(shè)計(jì)選型時(shí),均選取了8個(gè)繞絲過濾器環(huán)形均布在下封頭內(nèi),過濾器直徑都為0.20 m,總縫隙面積分別為0.12 m2和0.20 m2,是進(jìn)液口面積的4倍。在運(yùn)行過程中,定期反沖洗,截至目前使用狀態(tài)良好。

某科研項(xiàng)目密實(shí)固定床吸附塔直徑6 m,試驗(yàn)液體進(jìn)料口直徑0.50 m(面積為0.20 m2)。為了減小底部吸附死角,繞絲過濾器分內(nèi)外圈布置,內(nèi)圈布置4個(gè),外圈布置8個(gè),過濾器直徑為0.20 m,總縫隙面積約為進(jìn)液口面積的4倍(即0.80 m2)。目前正在進(jìn)行不同流量的吸附試驗(yàn),運(yùn)行良好;且在運(yùn)行過程中隨時(shí)監(jiān)視繞絲過濾器兩端的壓降,反沖洗后壓降能夠達(dá)到吸附初期的水平。

5 結(jié)論

1)推薦繞絲過濾器的過濾縫隙面積是進(jìn)液口面積的4倍左右。在該條件下,繞絲過濾器可以滿足空塔線速度65 m/h時(shí)的出液能力和過濾功能。

2)當(dāng)繞絲過濾器吸附尾液處理量達(dá)到一定值后,繞絲過濾器兩端壓降明顯上升,呈指數(shù)形式增大,此時(shí)需要及時(shí)清洗過濾器。生產(chǎn)時(shí)應(yīng)隨時(shí)關(guān)注繞絲過濾器兩端壓降變化。

3)用吸附尾液對繞絲過濾器進(jìn)行直接反沖洗,可以使繞絲過濾器的阻力顯著下降,并基本恢復(fù)到吸附初期的水平。