新型雙攪拌高效澄清萃取槽的研究

發(fā)布時間：2020-06-12 08:16

【摘要】：混合澄清槽是溶劑萃取法分離稀土元素的核心裝置。我國稀土生產(chǎn)企業(yè)使用的混合澄清槽中單級的澄清室與混合室體積比多在2.5:1以上,由于澄清分離速率與混合萃取速率的不匹配,造成稀土存槽量大、生產(chǎn)效率低,成為稀土工業(yè)中的瓶頸問題。目前,針對萃取槽強化分離方面的研究多是從改變槽結(jié)構(gòu)方面入手,難以突破重力澄清的瓶頸,很難從根本上解決問題。因此,本文提出了機械攪拌破乳的新概念,設(shè)計制作了新型雙攪拌高效澄清萃取槽,即在至少縮小1倍體積下的澄清室中增加了低速攪拌裝置,以產(chǎn)生的剪切作用加速液滴的運動及變形,增加液滴碰撞幾率并延長液滴運動軌跡使其重新聚合成大液滴,達到破乳目的,提高油水兩相分離速率。首先,研究了不同取樣位置和攪拌時間下攪拌轉(zhuǎn)速對新型雙攪拌高效澄清萃取槽混合室內(nèi)油水體系的水含量及液滴尺寸分布的影響規(guī)律,實驗結(jié)果表明:攪拌轉(zhuǎn)速在100-400r/min時,不同位置處水含量相差較大,且隨時間的延長,此種現(xiàn)象沒有改善。攪拌轉(zhuǎn)速在500-800r/min時,不同位置處水含量相差較小,5min時基本混合均勻。攪拌轉(zhuǎn)速在100-200r/min時,液滴直徑分布于10μm至240μm之間且液滴Sauter平均直徑相差很大。攪拌轉(zhuǎn)速在300-500r/min時,液滴直徑分布逐漸由115μm以下降至70μm以下且Sauter平均直徑也在逐漸降低。攪拌轉(zhuǎn)速大于600r/min時,液滴直徑主要分布于45μm以下,攪拌5min時液滴Sauter平均直徑小于33μm。其次,創(chuàng)新性采用卡爾·費休法和紫外可見光分光光度法考察不同條件下攪拌轉(zhuǎn)速對新型雙攪拌高效澄清萃取槽澄清室內(nèi)水油兩相的強化分離效果的影響規(guī)律,實驗結(jié)果表明:攪拌有加速分離的作用。攪拌槳距溢流口 15cm,離底高度為7cm或10cm時,油相夾帶最小為1.25%。攪拌槳距溢流口 12.5cm,離底高度7cm時,水相夾帶最小為0.07%。攪拌分離條件下油相夾帶降到1%的時間比靜置分離條件下的時間縮短了 0.5min,水相濃度高低對最終澄清效果影響不大,實驗溫度的升高有利于油水分離。三級雙攪拌高效澄清萃取槽中,油相夾帶最小值為0.49%。水相夾帶最小值為0.09%。大型三級雙攪拌高效澄清萃取槽油相夾帶平均值0.62%、水相夾帶平均值0.06%,與傳統(tǒng)混合澄清萃取槽現(xiàn)場測得的油相夾帶平均值0.85%和水相夾帶平均值0.5%相比分別降低了 30%和 88%。然后,利用因次分析法建立了實驗條件下的液滴Sauter平均直徑d32的準數(shù)方程:d32=0.0082u0m-0.7969tm-0.1840h-0.0976,經(jīng)實驗驗證,計算值與實驗值吻合較好;建立了實驗條件下的油相夾帶φ的準數(shù)方程:經(jīng)實驗驗證,計算值與實驗值吻合較好。最后,對新型雙攪拌高效澄清萃取槽和大型三級雙攪拌高效澄清萃取槽內(nèi)流體的流動特性進行了數(shù)值模擬,實驗結(jié)果表明:攪拌能加速澄清過程。澄清室?guī)嚢钑r水相出口的夾帶降到0.15%左右,并保持平衡。而澄清室無攪拌時對應的水相夾帶為5%左右,遠高于有攪拌時的值,進一步證實攪拌能強化兩相的分離。攪拌分離的適宜操作條件為攪拌轉(zhuǎn)速10r/min,攪拌槳離底高度10cm,水、油兩相入口流量分別為40L/h和80L/h。放大的三級澄清萃取槽出口的異相雜質(zhì)含量分析可知,在澄清室內(nèi)增加攪拌裝置能有效提高油水兩相的分離效果。從流場結(jié)果分析可知,混合室250r/min的攪拌作用下,兩相混合充分。澄清室內(nèi)加入攪拌裝置能夠破碎來自混合室的油水包裹的液滴,并有效抑制出口處回流,加速兩相澄清分離。從功率模擬結(jié)果分析可知,在澄清室內(nèi)加入攪拌裝置所耗費的功率相比混合室的攪拌功率可以忽略不計,利于雙攪拌新型萃取槽在工業(yè)上推廣。綜上所述,基于機械攪拌破乳原理研發(fā)的新型雙攪拌高效澄清萃取槽對于傳統(tǒng)傳統(tǒng)萃取槽是一種重要探索,對工業(yè)上設(shè)備的改進和放大具有重要的理論和實際意義。
【圖文】：

示意圖,混合澄清器,淺層,結(jié)構(gòu)示意圖

１．邋ａｑｕｅｏｕｓ邋ｐｈａｓｅ邋ｔａｎｋ邋２．邋ｏｒｇａｎｉｃ邋ｔａｎｋ邐５．邋ｐｕｍｐｓ邋６．邋ｃｈａｎｎｅｌ邋７．邋ｍｅｍｂｒａｎｅ邋８．邋ｓｅｔｔｌｅｒ邋９．邋ｍｅｍｂｒａｎｅ邋ｍｏｄｕｌｅ逡逑１０．邋ｒａｆｆｉｎａｔｅ邋ｐｈａｓｅ邋１１．邋ｏｒｇａｎｉｃ邋ｐｈａｓｅ逡逑圖１．２實驗裝置示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｔｈｅ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｓｅｔ－ｕｐ逡逑２00４年，傅愛華等探討了液－液混合萃取器的研宄動態(tài)與發(fā)展方向，開發(fā)出一種塔逡逑式混合澄清萃取器。人們考慮將混合澄清萃取器的優(yōu)良性能和塔式萃取設(shè)備的占地面積逡逑少，設(shè)備密封性好等特點結(jié)合起來，即將多級混合澄清器垂直放置，形成塔型結(jié)構(gòu)。倡逡逑導的塔式混合澄清器明顯地保留了一般混合澄清器具有的高效率、大通量及操作適應性逡逑強等優(yōu)點，又能克服其占地面積大的缺點，但如何進一步簡化其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并且能夠方逡逑便地進行放大和實現(xiàn)工業(yè)化，將是塔式混合澄清器在今后一段時間內(nèi)主要的研宄方向。逡逑從現(xiàn)有報道看，除了魯奇（Ｌｕｒｇｉ）塔式混合澄清器己用于工業(yè)生產(chǎn)外，其它尚都停留在實逡逑驗室研宄階段［４（）］。逡逑２００７年，江西理工大學王春花等設(shè)計了一種雙混淺層澄清室的混合澄清器，串聯(lián)雙逡逑混合室的設(shè)計增加了混合相在混合室的自然行程，淺層澄清室的設(shè)計，使澄清室相比接逡逑近工藝流比

剖面圖,混合澄清器,全逆流,單級