混合澄清器攪拌槳的優化設計

侯偉強

(中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

混合澄清器攪拌槳的優化設計

侯偉強

(中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

為優化鈾溶劑萃取過程中混合澄清器攪拌槳的設計參數，在TRPO/P204/TBP/煤油體系中，采用正交設計方案，研究了攪拌槳各因素對溶劑萃取鈾的影響。結果表明：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；極差分析結果表明，最優攪拌槳型及攪拌參數為彎葉槳型，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；最優條件下，鈾萃取率高達97.36%。

溶劑萃?。烩櫍换旌铣吻迤鳎粩嚢铇?；優化設計

在各類溶劑萃取設備中，混合澄清器因具有操作穩定性好、結構簡單、級效率高、易放大等優點被廣泛應用[1]?；旌铣吻迤魇且环N攪拌式反應器，攪拌槳為其重要部件之一，是攪拌過程中的主要換能器件，可將旋轉的機械能轉化為流體的動能，其轉化效率及產生的流體流場分布直接影響攪拌效果及生產成本[2-3]。大量研究[4-7]表明，攪拌槳參數，如槳型、攪拌槳直徑、槳葉數量、攪拌速度、安裝高度及槳葉寬度等都對液體流動特性產生不同影響，進而影響體系的混合效果。目前，國內鈾礦冶系統所用的混合澄清器的攪拌槳混合效果不理想，靠近攪拌槳的區域，兩相容易過混合，而在離攪拌槳較遠的區域，兩相混合不充分，這導致單級萃取效率偏低，混合澄清器級數偏多，投資偏大。目前，有關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進行優化研究，以期為設計高效攪拌槳、提高鈾萃取率提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗設備

試驗所用溶劑萃取設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。整個裝置系統中還有料桶、精密蠕動泵、光電轉速儀、流量計、控制柜、攪拌機架等輔助設備。

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量濃度穩定，一次性取料液10 m3，料液pH=1，鈾質量濃度為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量濃度，計算鈾萃取率,見式(1)。

(1)

式中，ρ(U)為溶液中鈾質量濃度，mg/L。

試驗結束后，更換不同槳重復以上過程。攪拌的啟停、變速等通過控制柜控制。

1.3 正交試驗方案

設計正交試驗方案，選擇槳型、槳槽長度比、攪拌速度、葉片數、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 試驗結果與討論

2.1 正交試驗

正交試驗方案及萃取試驗結果見表1。可以看出：鈾萃取率波動范圍很大，最小僅為12.04%，最大達98.55%;槳槽長度比對應的極差最大，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。鈾萃取率極差分析結果見表2。

表1 正交試驗方案及萃取試驗結果

表2 鈾萃取率極差分析結果

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果見表2中A列?？梢钥闯?，不同槳型對鈾萃取率的影響不同：BOI槳型影響最大，因為DBI槳表現的徑向流居多，PBI槳表現的軸向流多些[4]，而BOI型產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，本身產生的剪切作用也較小，導致其混合效果最差。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果見表2中B列。可以看出，隨槳槽長度比增大，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，使混合室死區相應減少，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果見表2中C列?？梢钥闯?，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，有利于鈾的傳質和萃取[8]。攪拌速度在75～225 r/min范圍內，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，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 葉片數對鈾萃取率的影響

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

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果見表2中E列?？梢钥闯觯S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：當攪拌槳處于很低位置時，攪拌產生的環流中有很多被底板遮擋，攪拌槳下部形成一個低速區，無法起到混合作用；隨攪拌槳高度升高，此區域逐漸減小，兩相混合更充分，更有利于萃?。坏S安裝高度進一步升高，槳下低速區消失，但混合室內軸向環流減弱，導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]。試驗數據擬合結果表明，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果見表2中F列?？梢钥闯?，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，混合作用區僅局限在槳葉附近，整個混合槽內無法形成有效的循環流場；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象：這都對萃取不利。

2.8 驗證試驗

根據表2，確定最優參數為：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。但此最優方案并不包含在正交試驗方案中，為此，按最優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，結果鈾萃取率高達97.36%，效果很好。

圖2 最優方案下制作的攪拌槳實物照片

3 結論

正交試驗結果表明：攪拌參數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。BOI型攪拌槳產生的徑向流場和軸向流場比較均勻，對溶液循環混合能力最好；隨槳槽長度比增大，混合室死區減小，更有利于萃??；攪拌速度增大，有利于傳質和萃取，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，最優高度以70 mm為宜；葉片寬度與葉片長度比也存在最優值，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計及研究。