下进料型混合澄清器在铀溶剂萃取中的应用

2018-03-02侯伟强

湿法冶金 2018年1期

侯伟强，王库

(中核第四研究设计工程有限公司，河北石家庄 050021)

溶剂萃取是工业上实现目标元素分离及浓缩的重要手段之一。萃取设备是溶剂萃取工艺的核心，在各类设备中，混合澄清器因具有操作稳定性好、结构简单、级效率高、易放大等优点被广泛应用[1-3]。但其在运行过程中也存在溶剂滞留量大、混合室搅拌不均匀、动力消耗大等缺点[4]。混合澄清器在铀矿冶系统得到普遍采用，其有机相和水相分别从上部和下部进料，中间开设混合相出口，两相混合时常会有明显短路现象，物料停留时间分布较宽，使两相传质效果受到影响。而有机相与水相均从混合室下部进料、混合相从顶部溢流到澄清室的混合澄清器能有效减少两相短路现象并保证两相有相同的停留时间，但此类型混合澄清器在铀矿冶系统中应用极少，更缺乏试验研究，因此，研发此类型设备并用于铀的溶剂萃取过程有重要意义。

1 试验部分

1.1 试验设备

混合澄清器：有机相上进料型(传统型，以下简称UP型)，3台，单级，混合室尺寸20 cm×20 cm×35 cm，混合室与澄清室边长比(以下简称边长比)分别为1∶2、1∶3、1∶4；有机相下进料型(以下简称DOWN型)，3台，单级，混合室尺寸20 cm×20 cm×35 cm，边长比分别为1∶2、1∶3、1∶4。

6台设备的混合室内均可设置可拆卸挡板和上部稳流板。图1为设置挡板和上部稳流板的边长比为1∶3的UP型和DOWN型混合澄清器结构。

图1 UP型(左)和DOWN型(右)混合澄清器结构示意

试验中，搅拌采用六叶平桨，桨径125 mm，桨叶宽35 mm，桨安装高度40 mm。

其他试验设备还有料桶、精密蠕动泵、光电转速仪、流量计、控制柜、搅拌机架等。

1.2 试验方法

1.2.1萃取性能的测试

萃原液为某铀矿石堆浸液。为保证每组试验萃原液中铀质量浓度稳定，试验前，一次性取堆浸液10 m3，料液pH=1，铀质量浓度为83.10 mg/L。

有机相为TBP、TRPO、P204、磺化煤油按体积比1∶2∶4∶46配制的混合液。

试验流程：萃原液与有机相分别通过蠕动泵输送到混合室，搅拌混合后进入澄清室静置分层；萃取平衡后，取萃余水相分析其中铀质量浓度；试验结束后，更换不同型式混合澄清器重复上述试验。

搅拌的启停、变速等通过控制柜控制；有机相与萃原液体积比(Vo/Va)通过精密蠕动泵调节，萃原液流量设定为1 000 mL/min，有机相流量分别设定为1 000、500、334 mL/min，调节Vo/Va为1/1、1/2、1/3。铀萃取率计算公式为

(1)

式中，ρ(U)为溶液中铀质量浓度，g/L。

1.2.2分层时间的确定

为考察混合室内混合物的澄清效果，在混合澄清槽运行稳定后，于混合室内混合相出口处定点迅速用抽液管取250 mL混合液于量筒中，同时开始计时，直至两相分层结束，所用时间即为分层时间。分层时间与混合液中的乳化液滴粒径成反比，能间接表征两相混合情况[5]。

2 试验结果与讨论

2.1 搅拌速度对2种进料方式混合澄清器混合效果的影响

试验条件：UP型和DOWN型混合澄清器的边长比均为1∶2，控制Vo/Va=1/1。搅拌速度对2种类型混合澄清室混合效果及两相分层时间的影响试验结果如图2所示。试验过程中，搅拌速度为400 r/min时，两相混合非常剧烈，液体飞溅，不利于试验，因此，确定搅拌速度以控制在100～300 r/min为宜。

由图2看出，2种进料方式混合澄清器的铀萃取率都随搅拌速度增大而提高，对应的分层时间也相应延长。主要原因是，随搅拌转速提高，混合液湍动加大，混合相被分散成更小液滴，两相接触面积增大，有利于铀的传质和萃取[6]；但这也导致混合相仅靠静置分层，所以分层时间也更长。DOWN型混合澄清器的铀萃取率明显高于UP型混合澄清器的铀萃取率，这主要是2种进料方式中两相流经路程不同所致。DOWN型的两相都从底部进入，强制从混合室顶部流出，两相在混合室中停留时间较为一致，明显减少了两相之间的短路，更有利于萃取。但DOWN型混合澄清器的分层时间也明显高于UP型混合澄清器的分层时间，这也是由于DOWN型混合澄清器的混合室中两相从进口到出口的路径明显长于UP型的两相流经路径，使得DOWN型混合澄清器中两相混合更均匀，更充分。

图2 搅拌速度对2种进料方式混合澄清器混合效果及两相分层时间的影响

但试验中发现，尽管DOWN型混合澄清器静置分层时间更长，搅拌速度最大时分层时间达290 s，但这并不意味在DOWN型混合澄清室内分相更困难，相反分相更容易。试验中发现：搅拌速度为100 r/min时，2种进料方式混合澄清器的澄清室内，几乎没有两相分散带，两相澄清良好；但搅拌速度增至300 r/min时，UP型混合澄清器澄清室内分散带厚度达10 cm，几乎占到萃取槽高度的1/3，而DOWN型混合澄清器澄清室内分散带厚度并没有显著增大，稳定在2 cm左右，明显小于UP型。这是因为：对于UP型混合澄清器，混合液直接进入澄清室；而对于DOWN型混合澄清器，混合液进入澄清室时要穿越澄清室内有机相澄清层，导致混合液中的有机相大部分停留在有机相澄清层中，只有一小部分滞留在分散带，这使分散带厚度大大减小，两相澄清速度加快。

2.2 相比对2种进料方式混合澄清器混合效果的影响

试验条件：UP型和DOWN型混合澄清器的边长比为1∶2，控制搅拌速度为100 r/min。相比(Vo/Va)对2种进料方式混合澄清器混合效果及两相分层时间的影响试验结果如图3所示。

图3 相比对2种进料方式混合澄清器混合效果及两相分层时间的影响

由图3看出，2种进料方式混合澄清器的铀萃取率均随相比增大而提高。溶剂萃取过程中，水相体积保持不变，随相比增大，有机溶剂用量加大，两相界面面积增大，有利于萃取反应向正向进行。但DOWN型混合澄清器的铀萃取率在不同相比条件下均高于UP型混合澄清器的铀萃取率，尤其是在低相比条件下，当Vo/Va=1/3时，DOWN型混合澄清器的铀萃取率为69.8%，而UP型混合澄清器的铀萃取率仅为56.1%。

随相比增大，两相分层时间也有一定幅度延长，UP型从65 s延长到85 s，DOWN型从112 s延长到125 s，但整体变化不大。这主要是因为：随相比增大，体系中有机相负载量增大，而分层过程中两相界面面积没有相应增大，因此导致分层时间有所延长。试验过程中发现，在试验条件下，随相比增大，有机相黏度增大不明显，相应的两相表面张力无明显变化，因此分层时间只是略有变化。

2.3 混合室与澄清槽边长比对2种进料方式混合澄清器混合效果的影响

根据上述试验结果，为减弱相比对萃取的影响，理应采取Vo/Va=1/3，但因UP型混合澄清器的铀萃取率较低，为更好反应试验效果，采取Vo/Va=1/2进行后续试验。

试验条件：搅拌速度100 r/min，Vo/Va=1/2，混合室与澄清槽边长比(1∶2～1∶4)对铀萃取率的影响试验结果如图4所示。

图4 混合室与澄清槽边长比对2种进料方式混合澄清器的铀萃取率的影响

由图4看出，随混合室与澄清槽边长比增大，UP型及DOWN型混合澄清器的铀萃取率均未发生明显变化，尤其是DOWN型几乎没有改变，UP型也只有极小幅度升高。因为改变边长比只是增大澄清室长度，主要改善的是澄清效果，而对萃取率影响不明显。对于UP型混合澄清器，其混合相出口开在混合室中部，设备运行时混合相出口不仅存在混合相从混合室向澄清室的流动，还存在料液从澄清室返回混合室的流动(主要发生在混合相出口上部)，随澄清室边长增大，两相分离更彻底，从澄清室返回混合室的料液成分由以混合相为主转变为以有机相为主，从而使铀萃取率略有提高；而DOWN型的混合室与澄清室基本独立，不存在料液从澄清室向混合室返流情况，因此，澄清室长度增大对萃取率不产生影响。由此，边长比对2种进料方式混合澄清器的铀萃取率的都较小，说明之前试验中选用边长比1∶2也较为适宜。

2.4 挡板及顶板对2种进料方式混合澄清器混合效果的影响

混合室中添加挡板及顶板，溶液易在搅拌槽内形成复杂流场，流型、速度和方向等均因搅拌桨叶轮与挡板的相互作用而有所改变，使混合效果得到一定幅度改善[7]。基于此，在Vo/Va为1/2、1/1条件下，考察混合室加装挡板与顶板对2种进料方式混合澄清器混合效果的影响，试验结果如图5所示。可以看出，对于方形混合室，加装挡板及顶板后，在不同相比条件下，2种进料方式混合澄清器的铀萃取率都有所下降，尤其是UP型，铀萃取率由70%下降至45%。这与设想的结果相反，可能是因为：试验所用混合室为方形，挡板形成的液体切向速度没有变成可增大的轴向和径向速度分量，反而增加了一些死区，使混合作用减弱；加装挡板的UP型混合室从顶部往下9 cm厚的有机相无法再参与水相混合，且有机相界面距混合相出口距离非常近，加剧了有机相短流，大大减弱了萃取效果，对萃取不利。对于DOWN型，两相从底部进入，经搅拌桨搅拌后被强制从顶部排出，两相搅拌混合情况与无挡板时差异不大，因此铀萃取率下降幅度较小，仅为9%左右。