濕法冶金工藝中的幾種脈沖設(shè)備

劉文華，趙伯毅，董欣楊，陳 鄉(xiāng)

（核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149）

脈沖設(shè)備是一種新型化工設(shè)備，越來越廣泛地被應(yīng)用到化工過程中。它的顯著優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行非常穩(wěn)定，具有很高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；對(duì)于塔式設(shè)備，能調(diào)節(jié)分散相粒度，加快傳質(zhì)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(tài)現(xiàn)象發(fā)生；在設(shè)備工作區(qū)內(nèi)沒有傳動(dòng)部件，因此密封非常簡單易行，也很可靠；另外，設(shè)備維修工作量可降至最低，有時(shí)甚至?xí)氐撞恍枰M(jìn)行維修。

脈沖設(shè)備的應(yīng)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(qiáng)腐蝕性液體可以安全有效地進(jìn)行，以及可以強(qiáng)化十分復(fù)雜的過程。

1 脈沖發(fā)生器

脈沖發(fā)生器是脈沖設(shè)備的重要組成部分，通常采用帶滑閥分配機(jī)構(gòu)的空氣脈沖器作為脈沖技術(shù)的傳動(dòng)裝置。空氣脈沖器（如圖1所示）適用于所有的脈沖設(shè)備。

圖1 帶滑閥分配機(jī)構(gòu)的空氣脈沖器

滑閥分配機(jī)構(gòu)在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下，通過減速器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。每旋轉(zhuǎn)1周，反應(yīng)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(dǎo)致反應(yīng)器中的液體運(yùn)動(dòng)，從而使反應(yīng)過程得到強(qiáng)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(yīng)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(jī)構(gòu)的氣體脈沖器。某些氣體脈沖器的參數(shù)見表1。

表1 某些氣體脈沖器的參數(shù)

氣體脈沖器不直接與試劑接觸；結(jié)構(gòu)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?yàn)樵O(shè)備和空氣脈沖器只通過空氣管道連接，所以可以隨時(shí)更換。而機(jī)械脈沖器就沒有這么簡單。

與機(jī)械攪拌反應(yīng)器相比，強(qiáng)化化學(xué)工藝過程時(shí)采用脈沖設(shè)備，費(fèi)用要低很多，主要原因是節(jié)省了維修費(fèi)用和操作費(fèi)用。

2 脈沖萃取塔

脈沖萃取塔應(yīng)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(duì)氨基苯乙醚（使廢水中對(duì)氨基苯乙醚的殘留質(zhì)量濃度小于極限允許質(zhì)量濃度0.4 g／L）、二甲基三氯氧代磷酸乙酯等有機(jī)物；提純二氯苯酚；制備仲鎢酸銨等。

用脈沖萃取設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)備能獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，如在制備仲鎢酸銨時(shí)可以利用由9臺(tái)直徑0.9 m和1.3 m、塔板區(qū)高8 m和6.5 m的脈沖塔組成的工業(yè)裝置取代原有用于分解人造白鎢礦的4臺(tái)機(jī)械攪拌反應(yīng)器、2臺(tái)制漿槽、2臺(tái)板框壓濾機(jī)，用于沉淀人造白鎢礦的6臺(tái)機(jī)械攪拌反應(yīng)器、2臺(tái)制漿槽、1臺(tái)板框壓濾機(jī)、1臺(tái)轉(zhuǎn)鼓真空過濾機(jī)，以及用于溶解鎢酸的4臺(tái)機(jī)械攪拌反應(yīng)器。這樣，就騰空了大面積生產(chǎn)場(chǎng)地，改善了勞動(dòng)條件，取消了過濾和洗滌工序的繁重勞動(dòng)。因設(shè)備臺(tái)數(shù)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(fèi)也都降低。此外，由于轉(zhuǎn)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(chǎn)4 000 t仲鎢酸銨生產(chǎn)線僅采用1臺(tái)用鈦制成的直徑1.6 m、高16 m、工作區(qū)高10 m的萃取塔（采用кримз塔板型填料［1］），和2臺(tái)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(yīng)用的萃取塔有著不同的類型，其主要特征之一是傳質(zhì)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(tǒng)的穿流篩板萃取塔，以及傳質(zhì)段內(nèi)部柱形空間被圓盤和圓環(huán)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(tái)這種貝特曼脈沖塔，并聯(lián)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(yīng)用廣泛，如凈化液體放射性廢料［4］（對(duì)預(yù)先經(jīng)過混勻、凝聚和機(jī)械過濾，放射性Σβ＝（1～3）10－7Ci／L）的長期工藝試驗(yàn)結(jié)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(zhì)量濃度638 g／m3，外排廢水中酚質(zhì)量濃度小于40 g／m3）；從礦物肥料生產(chǎn)過程中的廢水中除鹽（氮磷復(fù)合肥料生產(chǎn)中的二次蒸汽冷凝液中HN4＋形式的氮質(zhì)量濃度為500 g／m3，NO3－形式的氮的質(zhì)量濃度為300 g／m3，處理后這2種形式的氮的質(zhì)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(chǎn)能力300 m3／h）。脈沖吸附塔原則結(jié)構(gòu)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(shè)備

塔式過濾濃密設(shè)備用于過濾和濃密含有晶體和固體顆粒的、液固體積質(zhì)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(xué)、濕法冶金等工業(yè)領(lǐng)域，尤其適用于過濾和濃縮對(duì)人有害的物料（有毒的、有放射性的）以及強(qiáng)腐蝕性物料。

塔式過濾濃縮設(shè)備由塔體和脈沖室組成。塔體內(nèi)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(guī)過濾器都需要有一個(gè)間斷的時(shí)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(diǎn)是運(yùn)行過程呈周期性間斷，從而降低了設(shè)備的利用率并增大了生產(chǎn)成本。

脈沖過濾－濃縮設(shè)備沒有傳動(dòng)部件，是密閉式的，運(yùn)行穩(wěn)定，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。

塔可以降低生產(chǎn)費(fèi)用和維修費(fèi)用，因而實(shí)現(xiàn)了連續(xù)作業(yè)，省去了過濾介質(zhì)的更換和再生，操作簡單，維護(hù)費(fèi)用低。同時(shí)還改善了勞動(dòng)條件。

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

表2 脈沖過濾－濃縮設(shè)備的性能

5 脈沖攪拌反應(yīng)器

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

機(jī)械攪拌器維護(hù)和維修以及預(yù)防性維修時(shí)必須停車，這就降低了反應(yīng)器的效率；機(jī)械攪拌器的填料函會(huì)導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)試劑的外泄和操作室空氣的污染；另外，如果在強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)中運(yùn)行，攪拌材料的選擇也很困難。

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

脈沖攪拌反應(yīng)器在很大程度上能夠避免上述這些缺點(diǎn)。脈沖反應(yīng)器的脈沖攪拌器固定在設(shè)備內(nèi)部（如圖6所示），空氣自脈沖器（見圖1）進(jìn)入脈沖攪拌器內(nèi)，與試劑的有限表面接觸并很好地傳遞振動(dòng)脈沖，同時(shí)又可避免氣溶膠的形成。脈沖攪拌器可以將試劑的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪健㈦x心式等。

圖6 脈沖攪拌反應(yīng)器

脈沖攪拌器的外形可以隨不同結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器的需要而改變，因此，脈沖攪拌器可以應(yīng)用到不能安裝機(jī)械攪拌器的設(shè)備中，如電解槽、蛇管反應(yīng)設(shè)備等等。脈沖攪拌反應(yīng)器的參數(shù)見表3。

表3 脈沖攪拌反應(yīng)器的參數(shù)

6 脈沖混合澄清器

脈沖混合澄清器是用有機(jī)溶劑萃取分離不同物質(zhì)的設(shè)備。混合澄清器由數(shù)級(jí)組成（如圖7所示），每級(jí)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。混合室中安裝有專用的脈沖式離心混合—輸送裝置，該裝置可以保證有機(jī)相和水相之間的有效接觸。澄清室用于有機(jī)相和水相的重力分離。各級(jí)澄清器的綜合有效分離系數(shù)視相（試劑）組成不同而不同，一般為90%～98%。

機(jī)械攪拌混合澄清器有相同的功能，但在其混合室內(nèi)裝有機(jī)械攪拌器，而這種攪拌器通常帶有傳動(dòng)裝置和填料函，由于密封不嚴(yán)，試劑會(huì)從縫隙中逸出，使工作場(chǎng)所的空氣受到污染。機(jī)械攪拌混合澄清器需要經(jīng)常維護(hù)、系統(tǒng)地檢查和維修，從而降低了設(shè)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(nèi)，脈沖器安裝在距混合澄清器認(rèn)可的一段距離之內(nèi)。一臺(tái)脈沖器可以保證20臺(tái)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(qiáng)腐蝕性的和放射性的溶液。

低廉的實(shí)驗(yàn)室混合澄清器可以快速選取多級(jí)萃取工藝需要的任何萃取劑。脈沖混合澄清器的生產(chǎn)能力可達(dá)9.5 m3／h。

7 脈沖離心－慣性泵

脈沖離心－慣性泵用于輸送揚(yáng)程小、黏度達(dá)0.05 Pa·s的漿體和溶液，生產(chǎn)能力可達(dá)20 m3／h，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。該泵沒有傳動(dòng)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(gè)整體。

圖8 脈沖離心－慣性泵

脈沖離心－慣性泵用于在反應(yīng)器內(nèi)建立循環(huán)流；在脈沖過濾器中強(qiáng)化過濾過程；在多級(jí)萃取塔、混合澄清器以及在其他設(shè)備中轉(zhuǎn)移溶液。

脈沖離心－慣性泵和應(yīng)用脈沖離心－慣性泵的設(shè)備具有高度可靠性，完全的密封性，可以遠(yuǎn)距離操作，因此能夠完全保證員工的安全。泵和相應(yīng)設(shè)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(yīng)用領(lǐng)域很寬，如化工、石油、冶金及其他領(lǐng)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(chǎn)能力可達(dá)10 m3／h，揚(yáng)程1.5 m。

8 結(jié)束語

雖然脈沖設(shè)備具有優(yōu)異的工藝指標(biāo)和無與倫比的低經(jīng)營費(fèi)用，但是就目前情況看，其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用和普及程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。今后，隨著人們認(rèn)識(shí)的加深和配套系統(tǒng)的日臻完善，脈沖設(shè)備一定會(huì)像槽式機(jī)械反應(yīng)器一樣被廣泛采用。

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