密实移动床离子交换装置中喷射器的结构优化及输送性能

张小静，王德武，刘 燕，张少峰

（1.河北工业大学海水资源高效利用化工技术教育部工程研究中心，天津 300130；2.河北工业大学化工学院，天津 300130）

密实移动床离子交换技术在镍电解液除铅和锌、钨酸盐溶液除钼、稀有金属镓的提取等方面得到了较多的研究和应用[1-3].与固定床离子交换操作不同的是，密实移动床离子交换装置中，饱和的离子交换树脂要不断地由密实移动床离子交换柱输送到其它设备中进行下一操作步骤，同时又不断的有新鲜的未饱和离子交换树脂注入，该操作模式下的离子交换过程能加快离子交换的速度，设备及离子交换树脂的利用率都有所提高.

保持密实移动床离子交换装置平稳运行的关键之一是如何快速高效地实现离子交换树脂颗粒的输送，而这方面的研究较少.XU[4]、梁栋[5]等在密实移动床离子交换装置上，采用常规提升管输送离子交换剂颗粒，通过实验研究了提升管中颗粒的输送速度及其影响因素.从文献[4-5]的结果来看，常规提升管输送离子交换树脂颗粒存在固液比偏小的问题.

对于离子交换法制备碳酸钾的工艺，本文建立了密实移动床离子交换装置，并针对常规提升管结构输送率小、带水量大等弊端，在输送管下部颗粒入口处增设喷射器，以提高输送固液比.通过实验研究了不同相对喉嘴距、喉管与喷嘴面积比及输送水流量下喷射器的输送性能，确定了较佳的喷射器结构，以期为密实移动床离子交换装置的设计和操作调控提供指导.

1 实验

1.1 实验装置及流程

实验装置及流程如图1所示.装置主体为透明有机玻璃制成，密实移动床离子交换柱直径为 200mm，圆筒形塔身的高度为1300mm，锥形塔底夹角为60°，树脂排出口直径为 50mm，喷射器出口以上的输送管高度为1 380mm.

离子交换树脂颗粒输送的操作过程是，打开密实移动床离子交换柱底部的输送阀，在压力差作用下，离子交换树脂颗粒由密实移动床离子交换柱不断地进入喷射器的混合室；去离子水经转子流量计计量后进入喷射器，两相混合物再经输送管进入后续的树脂转移塔.为了保持稳定的推动力，需要不断向密实移动床离子交换柱中注入树脂颗粒，使其始终处于填满状态.

实验开始时，打开输送水泵，调节输送水流量，并打开密实移动床下部的输送阀，待输送过程稳定后，打开树脂转移塔下部的排放阀，将之前所转移的两相混合物排放干净，在关闭排放阀的同时开始计时，20 s之后关闭输送阀和输送水泵停止输送，打开排放阀，排出两相混合物，再将两相混合物利用真空泵进行液固两相分离，分别得到去离子水和树脂，称其质量，然后换算得到树脂的质量流量及固液比.

1.2 喷射器结构

实验装置的喷射器为有机玻璃制作，其结构如图2所示，部分结构尺寸见表1.表1和图2中，为喷嘴直径，为喉嘴距（喷嘴出口与喉管入口的距离），为喉管直径，为混合室直径，为扩散管直径，为喉管与扩散管间锥体夹角，为混合室与喉管间锥体夹角.

喷射器斜管与密实移动床离子交换柱底部树脂输送管相连接，其尺寸既要满足树脂输送量的要求，又要有一定的阻力以减少密实移动床离子交换柱中的料液进入喷射器造成的流失，综合考虑之后确定斜管内径为 2 0mm.

1.3 实验介质和操作条件

实验所用液体介质为去离子水，固体介质为树脂颗粒，树脂颗粒的性质见表2.

表1 喷射器结构尺寸Tab.1 The structuralsizesof ejector

表2 树脂颗粒的性质Tab.2 Propertiesof the resin particles

实验中考察的喉嘴距分别为35 mm、45 mm、50 mm和55 mm，喷嘴直径分别为2.5 mm、3.0 mm、3.5mm和4.0mm，输送水流量的范围为25～105 L/h.将喉嘴距与喉管直径的比值定义为相对喉嘴距，则相对喉嘴距为5.83、7.5、8.3和9.17；将喉管截面积与喷嘴出口截面积之比定义为面积比，则面积比为 5 .76、4.0、2.94、2.25.

本研究中，评价喷射器输送性能的指标之一是树脂颗粒质量流量与输送水质量流量之比，即固液比.

2 实验结果与分析

2.1 相对喉嘴距的影响

输送水经过喷嘴之后形成高速液流，其射流区域与斜管、喉管两者之间存在合适的距离即存在较佳的相对喉嘴距，使得输送水不会向密实移动床离子交换柱方向串液，两相混合物也不会在喉管处造成严重的回流.在喷嘴直径为3.0mm时，即喉管与喷嘴面积比为4.0的情况下，图3和图4分别给出了相对喉嘴距对树脂颗粒质量流量和固液比的影响.由两图可以看出，相对喉嘴距对喷射器输送性能的影响较大.当相对喉嘴距偏小（如）时，喷嘴出口与喉管距离较短，输送水喷射形成高速液流之后，没有足够的混合空间和时间与树脂颗粒进行充分的紊流卷吸作用，导致在喉管入口处，两相回流现象明显，因此输送水携带树脂的能力不佳，树脂质量流量较低.当相对喉嘴距偏大（如时，喷嘴较短，输送水由喷嘴喷射形成高速射流后，大量的喷射水斜向上串入斜管，使得斜管的树脂颗粒被输送水拖曳并向密实移动床方向倒流，对树脂输送效果有较大的负面影响，因此，大流量时树脂质量流量和固液比迅速下降.当相对喉嘴距适中（如）时，输送水与树脂颗粒有足够的空间和时间能进行充分的能量交换，回流现象不明显，树脂输送质量流量较高，固液比较大.由此可见，本实验条件下，较佳的相对喉嘴距为7.5左右.

2.2 喉管与喷嘴面积比的影响

2.3 输送水流量的影响

2.4 安装喷射器前后的对比

3 结论

1）树脂颗粒质量流量随相对喉嘴距、喉管与喷嘴面积比和输送水流量的增加呈先增大后减小的趋势；输送固液比随相对喉嘴距、喉管与喷嘴面积比的增加呈先增大后减小的趋势，随输送水流量的增加而降低.

图9 安装喷射器前后树脂颗粒质量流量Fig.9 Effectof conveyingwater flow on resinmass flow ratewith ejectorand w ithoutejector

图10 安装喷射器前后固液比Fig.10 Effectof conveyingwater flow on solid to liquid ratiow ith ejectorandw ithoutejector

3）相同条件下，安装喷射器后输送固液比较未安装喷射器时提高17%～25%.

[1]张贵清.连续离子交换除镍电解液中微量铅锌的研究 [D].长沙：中南大学，2003：96.

[2]肖连生，张启修，龚柏藩，等.密实移动床—流化床离子交换除钼技术在工业上的应用 [J].中国钨业，2001，16（2）：26-29.

[3]冯峰，李鑫金，于湘浩.密实移动床离子交换法提取镓的工业应用 [J].稀有金属，2007，31（专辑）：114-117.

[4]XUCong，FENGXiaogui，JINGShan.Application of liquid solid sem i-moving bed to fractionationof cesium ion inwastewater[J]. Chin JChem Eng，2007，15（5）：654-660.

[5]梁栋，景山.密实移动床离子交换柱的颗粒输送能力 [J].过程工程学报，2005，5（2）：113-118.