濕法冶金工藝中的幾種脈沖設備

劉文華，趙伯毅，董欣楊，陳 鄉

（核工業北京化工冶金研究院，北京 101149）

脈沖設備是一種新型化工設備，越來越廣泛地被應用到化工過程中。它的顯著優點是結構簡單，運行非常穩定，具有很高的技術經濟指標；對于塔式設備，能調節分散相粒度，加快傳質速度，避免操作過程中常有的氣泡集聚、氣墊、斷層、管流等非常態現象發生；在設備工作區內沒有傳動部件，因此密封非常簡單易行，也很可靠；另外，設備維修工作量可降至最低，有時甚至會徹底不需要進行維修。

脈沖設備的應用開辟了廣泛建立新工藝過程的可能性，使得加工放射性液體、有毒液體和強腐蝕性液體可以安全有效地進行，以及可以強化十分復雜的過程。

1 脈沖發生器

脈沖發生器是脈沖設備的重要組成部分，通常采用帶滑閥分配機構的空氣脈沖器作為脈沖技術的傳動裝置?？諝饷}沖器（如圖1所示）適用于所有的脈沖設備。

圖1 帶滑閥分配機構的空氣脈沖器

滑閥分配機構在電動機驅動下，通過減速器進行旋轉。每旋轉1周，反應器中的脈沖裝置通過管道依次接通高壓主干線（通過貯氣罐）和低壓管道。壓力脈沖導致反應器中的液體運動，從而使反應過程得到強化。

脈沖器是任何脈沖裝置不可缺少的部件。這些脈沖裝置包括反應器、塔、過濾器、泵、混合澄清器等。通常，在這些脈沖裝置中適宜采用帶滑閥分配機構的氣體脈沖器。某些氣體脈沖器的參數見表1。

表1 某些氣體脈沖器的參數

氣體脈沖器不直接與試劑接觸；結構簡單，外型尺寸非常小，比活塞式脈沖器還小；工作可靠，維修周期長，至少半年以上。因為設備和空氣脈沖器只通過空氣管道連接，所以可以隨時更換。而機械脈沖器就沒有這么簡單。

與機械攪拌反應器相比，強化化學工藝過程時采用脈沖設備，費用要低很多，主要原因是節省了維修費用和操作費用。

2 脈沖萃取塔

脈沖萃取塔應用十分廣泛，如從礦漿和溶液中提取和純化鈾、稀土、金、鉭、鈮、鎳、鈷、鋅；廢水凈化中去除對氨基苯乙醚（使廢水中對氨基苯乙醚的殘留質量濃度小于極限允許質量濃度0.4 g／L）、二甲基三氯氧代磷酸乙酯等有機物；提純二氯苯酚；制備仲鎢酸銨等。

用脈沖萃取設備代替傳統設備能獲得更大的經濟效益和社會效益，如在制備仲鎢酸銨時可以利用由9臺直徑0.9 m和1.3 m、塔板區高8 m和6.5 m的脈沖塔組成的工業裝置取代原有用于分解人造白鎢礦的4臺機械攪拌反應器、2臺制漿槽、2臺板框壓濾機，用于沉淀人造白鎢礦的6臺機械攪拌反應器、2臺制漿槽、1臺板框壓濾機、1臺轉鼓真空過濾機，以及用于溶解鎢酸的4臺機械攪拌反應器。這樣，就騰空了大面積生產場地，改善了勞動條件，取消了過濾和洗滌工序的繁重勞動。因設備臺數減少，日常維修和大修成本得以降低，電能、蒸汽和濾布的花費也都降低。此外，由于轉入成品的WO3的直接浸出率提高了15%，原材料耗量也大為降低。

年產4 000 t仲鎢酸銨生產線僅采用1臺用鈦制成的直徑1.6 m、高16 m、工作區高10 m的萃取塔（采用кримз塔板型填料［1］），和2臺用不銹鋼制成的洗滌塔，直徑分別為1.3 m和1.6 m。

目前應用的萃取塔有著不同的類型，其主要特征之一是傳質段中用不同形式的填料，除上例采用高效кримз塔板型填料外（如圖2所示），還有傳統的穿流篩板萃取塔，以及傳質段內部柱形空間被圓盤和圓環充填的貝特曼脈沖萃取塔（如圖3所示）。南澳大利亞奧林匹克丹水冶廠采用13臺這種貝特曼脈沖塔，并聯處理含鈾的銅萃余液，處理能力為3 000 m3／h［2－3］。

圖2 кримз塔板型填料脈沖萃取塔圖

圖3 貝特曼脈沖萃取塔

3 脈沖吸附塔

脈沖吸附塔應用廣泛，如凈化液體放射性廢料［4］（對預先經過混勻、凝聚和機械過濾，放射性Σβ＝（1～3）10－7Ci／L）的長期工藝試驗結果表明：脈沖吸附塔能將所有放射性同位素凈化到其殘余濃度為允許濃度的1／（10～20）；從礦漿、溶液和外排水中回收鈾、金、鉬等有用金屬［5］；用活性炭凈化廢水中的酚（處理能力300 m3／h，原始廢水中酚質量濃度638 g／m3，外排廢水中酚質量濃度小于40 g／m3）；從礦物肥料生產過程中的廢水中除鹽（氮磷復合肥料生產中的二次蒸汽冷凝液中HN4＋形式的氮質量濃度為500 g／m3，NO3－形式的氮的質量濃度為300 g／m3，處理后這2種形式的氮的質量濃度分別為大于2 g／m3和低于22 g／m3）；從廢水和回水中提取鉬（吸附塔直徑3.4 m，生產能力300 m3／h）。脈沖吸附塔原則結構如圖4所示。

圖4 處理溶液的脈沖吸附塔

4 塔式過濾濃密設備

塔式過濾濃密設備用于過濾和濃密含有晶體和固體顆粒的、液固體積質量比從1 000∶1到3∶1的懸浮液，也用于化工、石油、制藥、放射化學、濕法冶金等工業領域，尤其適用于過濾和濃縮對人有害的物料（有毒的、有放射性的）以及強腐蝕性物料。

塔式過濾濃縮設備由塔體和脈沖室組成。塔體內安裝有過濾元件，脈沖室通過脈沖管道與脈沖式壓縮空氣源（脈沖器）連接，如圖5所示。

圖5 脈沖式過濾－濃縮塔

常規過濾器都需要有一個間斷的時間，用來去除過濾元件表面上沉積的固體懸浮物，所以，其缺點是運行過程呈周期性間斷，從而降低了設備的利用率并增大了生產成本。

脈沖過濾－濃縮設備沒有傳動部件，是密閉式的，運行穩定，容易實現自動化操作。

塔可以降低生產費用和維修費用，因而實現了連續作業，省去了過濾介質的更換和再生，操作簡單，維護費用低。同時還改善了勞動條件。

在低的過濾壓力（10～25 k Pa）下，脈沖過濾－濃縮設備的生產能力以濾液計為0.08～2.5 m3／h。一些脈沖過濾－濃縮設備的參數見表2。

表2 脈沖過濾－濃縮設備的性能

5 脈沖攪拌反應器

石油、化工、濕法冶金、放射化學等領域中均采用大量反應器。在這些反應器中進行各種過程：溶解；固體物料洗滌去除雜質；幾種流體混合以及液體與固體物質混合制備乳狀物、懸浮體、漿體或產生氣泡；還有其他各種反應過程。在進行這些過程時，國內外通常采用帶機械攪拌裝置的反應器，或帶鼓泡器的反應器（氣體攪拌器）。

機械攪拌器維護和維修以及預防性維修時必須停車，這就降低了反應器的效率；機械攪拌器的填料函會導致設備內試劑的外泄和操作室空氣的污染；另外，如果在強腐蝕性介質中運行，攪拌材料的選擇也很困難。

氣體攪拌器的應用只能部分解決上述問題，而且，氣體攪拌時可能產生大量氣溶膠，為了凈化這些氣溶膠還得再建設一套凈化裝置。

脈沖攪拌反應器在很大程度上能夠避免上述這些缺點。脈沖反應器的脈沖攪拌器固定在設備內部（如圖6所示），空氣自脈沖器（見圖1）進入脈沖攪拌器內，與試劑的有限表面接觸并很好地傳遞振動脈沖，同時又可避免氣溶膠的形成。脈沖攪拌器可以將試劑的振動運動形式轉變為螺旋式、離心式等。

圖6 脈沖攪拌反應器

脈沖攪拌器的外形可以隨不同結構的反應器的需要而改變，因此，脈沖攪拌器可以應用到不能安裝機械攪拌器的設備中，如電解槽、蛇管反應設備等等。脈沖攪拌反應器的參數見表3。

表3 脈沖攪拌反應器的參數

6 脈沖混合澄清器

脈沖混合澄清器是用有機溶劑萃取分離不同物質的設備。混合澄清器由數級組成（如圖7所示），每級又由前室、混合室和澄清室3部分組成。前室接受試劑，混合澄清器與脈沖器組合成一體?；旌鲜抑邪惭b有專用的脈沖式離心混合—輸送裝置，該裝置可以保證有機相和水相之間的有效接觸。澄清室用于有機相和水相的重力分離。各級澄清器的綜合有效分離系數視相（試劑）組成不同而不同，一般為90%～98%。

機械攪拌混合澄清器有相同的功能，但在其混合室內裝有機械攪拌器，而這種攪拌器通常帶有傳動裝置和填料函，由于密封不嚴，試劑會從縫隙中逸出，使工作場所的空氣受到污染。機械攪拌混合澄清器需要經常維護、系統地檢查和維修，從而降低了設備的效率和可靠性。

圖7 脈沖混合澄清器

在脈沖混合澄清器中，離心式混合－輸送裝置通常剛性地固定在混合室內，脈沖器安裝在距混合澄清器認可的一段距離之內。一臺脈沖器可以保證20臺離心混合輸送裝置正常工作。脈沖混合澄清器尤其適合處理有毒的、強腐蝕性的和放射性的溶液。

低廉的實驗室混合澄清器可以快速選取多級萃取工藝需要的任何萃取劑。脈沖混合澄清器的生產能力可達9.5 m3／h。

7 脈沖離心－慣性泵

脈沖離心－慣性泵用于輸送揚程小、黏度達0.05 Pa·s的漿體和溶液，生產能力可達20 m3／h，其結構如圖8所示。該泵沒有傳動部件，由帶脈沖室的泵體和噴嘴裝置組成。脈沖離心－慣性泵與脈沖器組成一個整體。

圖8 脈沖離心－慣性泵

脈沖離心－慣性泵用于在反應器內建立循環流；在脈沖過濾器中強化過濾過程；在多級萃取塔、混合澄清器以及在其他設備中轉移溶液。

脈沖離心－慣性泵和應用脈沖離心－慣性泵的設備具有高度可靠性，完全的密封性，可以遠距離操作，因此能夠完全保證員工的安全。泵和相應設備可由適合工作條件的任何材料制成。

脈沖離心－慣性泵的應用領域很寬，如化工、石油、冶金及其他領域，尤其適用處理有毒的、有腐蝕性的和放射性的溶液。脈沖離心－慣性泵生產能力可達10 m3／h，揚程1.5 m。

8 結束語

雖然脈沖設備具有優異的工藝指標和無與倫比的低經營費用，但是就目前情況看，其在各個領域的應用和普及程度還遠遠不夠。今后，隨著人們認識的加深和配套系統的日臻完善，脈沖設備一定會像槽式機械反應器一樣被廣泛采用。

［1］ КарпачеваС М.Пульсационнаяаппаратуравнародном хозяйстве，ч.2.пульсаторыипурьсационныесистемы.Экстракционноеисорбционноеоборудование［M］.Москва：Атомздат，1979：133.

［2］ Eliyahu Buchalter，Sean Scott，Marthie Kotze.Solvent Extraction of Uranium From Sulphate Solution Using Bateman Pulsed Columns：Pilot Study［C］／／ALTA 2006 Uranium Conference.Melburne：ALTA Solvent Extraction and Ion Exchange，2006：1-10.

［3］ Movsowitz R L.Comparison of the Performance of Full Scale Pulsed Columns vs.Mixer-settlers for Uranium Solvent Extraction［C］／／Uranium 2000：Proceeding of the International Symposium on the Process Metallurgy of Uranium.Saskatchewan，2000：181-191.

［4］ РябчиковБЕ.Очисткажидкихрадиактивныхотходов непрерывнымионнымобменом［J］.Атомнаяэнергия，1975，38（4）：222-225.

［5］ КоростыщевокийНБ.用帶кримз噴嘴塔板的順流塔吸附浸出含金礦石的半工業試驗［J］.趙伯毅譯.濕法冶金，1984（2）：62-64.