沉降式離心機模擬料工藝性能驗證試驗

岳 亮

（中國核工業集團公司四○四廠第三分公司，甘肅 蘭州 732850）

沉降式離心機是后處理工藝的關鍵設備，其工作原理是：依靠懸浮液中固相和液相重度的不同而實現料液分離，常用于固相比液相重度差較大而固相顆粒較小、含固量較低的懸浮液。因此，沉降式離心機較適合我們后處理工藝的需求。現用此離心機的主要作用是去除溶解液中的不溶殘渣，為后續萃取工藝提供保障。

本次沉降式離心機負載工藝性能驗證試驗，其目的是：通過對沉降式離心機空載和模擬料液沉降離心分離，摸索出沉降式離心機的基本操作方法及運行參數，了解沉降式離心機的工作性能，從而驗證其設計和加工制造的合理性、實用性。

1　試驗體系

1.1　模擬原料的選擇

試驗選用氧化鋁（剛玉粉磨料）作為料液的不溶懸浮固體，以硝酸鍶調節液相比重和粘度構成Al2O3-Sr（NO3）2水模擬體系。模擬原料（Al2O3）粒徑具體分布情況見圖 1。

圖1　模擬原料（Al2O3）粒徑分布曲線圖

1.2　模擬料液的配制

1.2.1所需試劑

a)Sr(NO3)2化學純

b)Al2O3固體微粒，規格：4.5μm 和 9μm

c)濃硝酸：分析純或化學純

d)氫氧化鈉：5mol/L和 1mol/L

1.2.2配制過程

向無離子水中加人 Sr（NO3）2，調節料液密度后加入Al2O3微粉調節溶液的粒徑，微粉濃度為 300mg/L，粒度為 4.5μ（95%）+9μ（5%）。每批料液需配制 1000L。具體模擬料液配制參數見表1。

表1　模擬料液的配制參數

配制過程：

a)向配制槽中加入850L的無離子水，邊攪拌邊緩慢加入 616mL的濃硝酸，調節酸度 pH≈2.0。

b)邊攪拌邊向配制槽中加入預先稱好562.5kg的Sr(NO3)2固體（每次加入量小于5kg），直至所有固體物完全溶解，此時溶液酸度pH≈1.8。

c)分別用5 mol/L和1mol/L NaOH溶液調節Sr(NO3)2溶液的酸度至 pH≈2.35。

d)將預先稱好的 211g 4.5μm和 14g 9μm的 Al2O3固體緩慢加入，攪拌至固體微粒完全分散，取樣分析合格后即可作為模擬料液使用。

2　試驗設備的主要技術特性

生產能力：500L/h

轉鼓內徑：Φ500mm

轉鼓高度：500mm

輕相出口：Φ395mm

分相口內徑：Φ435mm

分相口距轉鼓底距離：15mm

清液中不溶物含量：≤5mg/L

清液中不溶物截留粒徑：≤1.5μm

排渣轉速：20rpm

分離轉速：500rpm～2500rpm

電機型號：YD160L8/4/2級

電機功率：2.8/7/9KW

電機轉速：3000rpm

電機電壓：380V

3　試驗流程

設置模擬料液配制槽，料液經取樣合格后使其進入料液槽中，在0.18MPa的壓空攪拌情況下模擬料液經一級空氣提升 （用浮子流量計控制流量）到恒液位前置罐，再由二級空氣提升 （通過質量流量控制器控制流量）輸送至沉降式離心機轉鼓內，經高速旋轉分離后的清液自流入清液槽，來不及沉降分離的料液回流入料液槽。沖渣時用螺桿泵將無離子水升壓至1.4MPa后進入離心機轉鼓內進行高壓沖洗。為便于模擬料液的循環使用，高壓沖渣時將渣水排至廢液槽，并將清液槽內的模擬料液通過空氣提升 （用浮子流量計控制流量）輸送至有人孔的調料槽（0139V），最后用不銹鋼潛水泵分別將廢液接收槽和調料槽內的料液輸送至模擬料液配制槽中進行再利用。

模擬料液循環使用流程：模擬料液配制合格后→料液槽→恒液位前置罐→沉降式離心機→清液槽→廢液槽→潛水泵→模擬料液配制槽→進行分析和調料（補充 Al2O3微粉）。 試驗設備流程示意圖見圖2：

圖2　試驗設備流程示意圖

4　試驗方法

4.1　空載驗證試驗

啟動離心機，依次調整轉速為：20 rpm、1200 rpm、2000 rpm、2500 rpm，各轉速狀態下至少運行5分鐘，正常后再依次下調直至停車。

4.2　水負載驗證試驗

用無離子水作為物料介質，先將沉降式離心機升速至500 rpm運行5分鐘，無異常后升速至1200rpm運行5分鐘，無異常后通知量槽間和主控室在保證料液槽一級空氣提升至恒液位前置罐液位達到滿溢流狀態下，按沉降式離心機生產能力500 L/h的上料流量，開啟二級空氣提升。待離心機清液口開始出水且上料運行正常的前提下，升速至2000rpm，進行高速沉降分離，當一批料被處理完畢后降速至1200rpm，待清液口不再出水、料液槽不再有回流、離心機運行平穩后降速至500rpm，此時認真觀察并記錄離心機過臨界轉速時的最大振幅及運轉狀況，待清液口不再出水、料液槽不再有回流后降速至20 rpm，直至停車。

由于水負載驗證試驗的工作介質為無離子水，而無離子水中不含有大量顆粒物，因此在進行此項驗證試驗時只為驗證離心機在相應轉速下的承載能力，不進行取樣。基于對離心機模擬料液排渣時的安全性考慮，水負載驗證試驗過程中進行沖渣，在離心機20 rpm下用高壓水沖洗10分鐘，驗證離心機沖渣時的運行穩定性。

4.3　模擬料液負載驗證試驗

該項試驗與水負載試驗程序基本相同，首先開啟沉降式離心機至500rpm運行5分鐘，若無異常后升速至1200rpm再運行5分鐘，若仍無異常后再按照二級上料流量試驗條件（流量：300L/h、500L/h）開始上料。待離心機清液口開始出料，且上料運轉正常、取樣完畢的前提下，升速至分離轉速2500 rpm，每隔30分鐘取樣一次，待一批料處理完畢后同水負載驗證試驗降速程序，依次降速直至停車。

5　結果與討論

5.1　空載驗證試驗

離心機的整個空載驗證試驗過程中運行穩定，無明顯震動及機械碰撞聲。空載驗證試驗參數見圖3、表2。

圖3　空載試驗時轉速與振幅的對應關系

表2　空載驗證試驗參數

由圖3、表2可以看出：軸承溫升最高達到 84℃，通入A3壓空進行強行冷卻后最高49.5℃，整個過程電機、上軸承、下軸承等離心機各運轉部件均運行正常；1200rpm降速直至停車過程中，最大電流達到54.2A，但離心機就地控制盤柜內未發生異常現象。由此證明：離心機在 20rpm、1200rpm、2000rpm、2500rpm 空載工況下運行正常。

5.2　水負載驗證試驗

水負載驗證試驗過程中離心機運行穩定，無明顯震動及機械碰撞聲。水負載驗證試驗參數見圖4、表3。

圖4　水負載試驗時轉速與振幅的對應關系

由圖4、表 3可以看出：離心機在 1200rpm以200L/h的流量開始上水后，振幅最大達到82.9μm，降速至500rpm過程中，振幅最大達到 64.8μm,有輕微振動。由此證明用無離子水進行負載試驗時離心機運行平穩。

表3　水負載驗證試驗參數

5.3　模擬料液負載驗證試驗

5.3.1二級上料流量：500L/h

圖5　模擬料液負載試驗時轉速與振幅的對應關系

由圖 5可以看出：16：11分時離心機在 1200rpm以500L/h的流量開始上料后，振幅最大達到263.1μm，18：03分時離心機降速至 500rpm過程中，振幅最大達到 413.2μm,且振動強烈，由此證明生產能力完全可達到300L/h。5.3.2 二級上料流量：300L/h

5.3.2.1轉速與振幅的對應關系

圖6　模擬料液負載試驗時轉速與振幅的對應關系

由圖6可以看出：11：35分時離心機在2000rpm以 300L/h的流量開始上料后，振幅最大達到 63.1μm，14：40分時離心機降速至500rpm過程中，振幅最大達到409μm,未發生明顯振動，由此證明本離心機在二級上料流量為300L/h的工況下運行正常。

5.3.2.2軸承溫升、電流分別與試驗時間的關系

圖7　模擬料液負載試驗時軸承溫升、電流分別與試驗時間的關系

由圖7可以看出：在通入A3壓空進行強行冷卻后，軸承溫升最高達到68.58℃，整個過程電機、上軸承、下軸承等離心機各運轉部件均運行正常；1200rpm降速直至停車過程中，最大電流達到58.3A，但離心機就地控制盤柜內未發生異常現象。

5.3.2.3轉速對清液中含固量及不溶物截留粒徑的影響

圖8　模擬料液負載試驗時轉速對清液中含固量及不溶物截留粒徑的影響

由圖8可以看出：自2500rpm降速至1200rpm過程中，清液中含固量逐漸增多至1250mg/L左右，對分離越不利；在分離轉速2500rpm狀態下分離時間越長清液中不溶物截留粒徑越大，對分離越有利。

5.3.2.4二級上料流量對清液中含固量及不溶物截留粒徑的影響

圖9　模擬料液負載試驗時二級上料流量對清液中含固量及不溶物截留粒徑的影響

由圖 9可以看出：在二級上料流量為 200L/h～350L/h的狀態下，清液中含固量保持在 0～10mg/L，當二級上料流量為400L/h時，清液中含固量出現最大值1300mg/L左右；在二級上料流量為 200L/h～500L/h的狀態下清液中不溶物截留粒徑基本保持不變。由此證明：二級上料流量應考慮200L/h～350L/h，若再考慮一批料液的處理時間問題，應選取二級上料流量為350L/h。

5.3.2.5二級上料流量、轉速分別對分離效率的影響

圖10　模擬料液負載試驗時二級上料流量、轉速分別對分離效率的影響

由圖10可以看出：在分離轉速為2500rpm、二級上料流量為200L/h～400L/h的狀態下，離心機的分離效率基本可保持在較高水平99.85%左右。

5.3.3模擬料液負載驗證試驗參數

表4　模擬料液負載驗證試驗參數

由表4可以看出：離心機在1200rpm以300L/h的流量開始上料后，振幅最大達到63.1μm，降速至500rpm過程中，振幅最大達到409μm,未發生明顯振動，由此證明本離心機在二級上料流量為300L/h的工況下運行正常、穩定。

6　結論

對沉降式離心機進行空載、水負載、模擬料液負載工藝性能驗證，其結果表明：

a)生產能力可達到 300L/h；

b)在高速分離時,離心機下軸通入A3軸封壓空狀態下,軸承溫度最高到 68.15℃；

c)降速至 500rpm過程中，振幅最大達到 409μm,表明本離心機在二級上料流量為300L/h的工況下運行正常、穩定；

d)在 Al2O3-Sr（NO3）2水模擬體系下，離心機對清液中不溶物截留粒徑和含固量滿足工藝設計要求，分離效率達到96%以上。