密實(shí)移動(dòng)床離子交換裝置中噴射器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及輸送性能

張小靜，王德武，劉 燕，張少峰

（1.河北工業(yè)大學(xué)海水資源高效利用化工技術(shù)教育部工程研究中心，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津 300130）

密實(shí)移動(dòng)床離子交換技術(shù)在鎳電解液除鉛和鋅、鎢酸鹽溶液除鉬、稀有金屬鎵的提取等方面得到了較多的研究和應(yīng)用[1-3].與固定床離子交換操作不同的是，密實(shí)移動(dòng)床離子交換裝置中，飽和的離子交換樹脂要不斷地由密實(shí)移動(dòng)床離子交換柱輸送到其它設(shè)備中進(jìn)行下一操作步驟，同時(shí)又不斷的有新鮮的未飽和離子交換樹脂注入，該操作模式下的離子交換過(guò)程能加快離子交換的速度，設(shè)備及離子交換樹脂的利用率都有所提高.

保持密實(shí)移動(dòng)床離子交換裝置平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵之一是如何快速高效地實(shí)現(xiàn)離子交換樹脂顆粒的輸送，而這方面的研究較少.XU[4]、梁棟[5]等在密實(shí)移動(dòng)床離子交換裝置上，采用常規(guī)提升管輸送離子交換劑顆粒，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了提升管中顆粒的輸送速度及其影響因素.從文獻(xiàn)[4-5]的結(jié)果來(lái)看，常規(guī)提升管輸送離子交換樹脂顆粒存在固液比偏小的問(wèn)題.

對(duì)于離子交換法制備碳酸鉀的工藝，本文建立了密實(shí)移動(dòng)床離子交換裝置，并針對(duì)常規(guī)提升管結(jié)構(gòu)輸送率小、帶水量大等弊端，在輸送管下部顆粒入口處增設(shè)噴射器，以提高輸送固液比.通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同相對(duì)喉嘴距、喉管與噴嘴面積比及輸送水流量下噴射器的輸送性能，確定了較佳的噴射器結(jié)構(gòu)，以期為密實(shí)移動(dòng)床離子交換裝置的設(shè)計(jì)和操作調(diào)控提供指導(dǎo).

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

實(shí)驗(yàn)裝置及流程如圖1所示.裝置主體為透明有機(jī)玻璃制成，密實(shí)移動(dòng)床離子交換柱直徑為 200mm，圓筒形塔身的高度為1300mm，錐形塔底夾角為60°，樹脂排出口直徑為 50mm，噴射器出口以上的輸送管高度為1 380mm.

離子交換樹脂顆粒輸送的操作過(guò)程是，打開密實(shí)移動(dòng)床離子交換柱底部的輸送閥，在壓力差作用下，離子交換樹脂顆粒由密實(shí)移動(dòng)床離子交換柱不斷地進(jìn)入噴射器的混合室；去離子水經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入噴射器，兩相混合物再經(jīng)輸送管進(jìn)入后續(xù)的樹脂轉(zhuǎn)移塔.為了保持穩(wěn)定的推動(dòng)力，需要不斷向密實(shí)移動(dòng)床離子交換柱中注入樹脂顆粒，使其始終處于填滿狀態(tài).

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，打開輸送水泵，調(diào)節(jié)輸送水流量，并打開密實(shí)移動(dòng)床下部的輸送閥，待輸送過(guò)程穩(wěn)定后，打開樹脂轉(zhuǎn)移塔下部的排放閥，將之前所轉(zhuǎn)移的兩相混合物排放干凈，在關(guān)閉排放閥的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，20 s之后關(guān)閉輸送閥和輸送水泵停止輸送，打開排放閥，排出兩相混合物，再將兩相混合物利用真空泵進(jìn)行液固兩相分離，分別得到去離子水和樹脂，稱其質(zhì)量，然后換算得到樹脂的質(zhì)量流量及固液比.

1.2 噴射器結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)裝置的噴射器為有機(jī)玻璃制作，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，部分結(jié)構(gòu)尺寸見表1.表1和圖2中，為噴嘴直徑，為喉嘴距（噴嘴出口與喉管入口的距離），為喉管直徑，為混合室直徑，為擴(kuò)散管直徑，為喉管與擴(kuò)散管間錐體夾角，為混合室與喉管間錐體夾角.

噴射器斜管與密實(shí)移動(dòng)床離子交換柱底部樹脂輸送管相連接，其尺寸既要滿足樹脂輸送量的要求，又要有一定的阻力以減少密實(shí)移動(dòng)床離子交換柱中的料液進(jìn)入噴射器造成的流失，綜合考慮之后確定斜管內(nèi)徑為 2 0mm.

1.3 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)和操作條件

實(shí)驗(yàn)所用液體介質(zhì)為去離子水，固體介質(zhì)為樹脂顆粒，樹脂顆粒的性質(zhì)見表2.

表1 噴射器結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 The structuralsizesof ejector

表2 樹脂顆粒的性質(zhì)Tab.2 Propertiesof the resin particles

實(shí)驗(yàn)中考察的喉嘴距分別為35 mm、45 mm、50 mm和55 mm，噴嘴直徑分別為2.5 mm、3.0 mm、3.5mm和4.0mm，輸送水流量的范圍為25～105 L/h.將喉嘴距與喉管直徑的比值定義為相對(duì)喉嘴距，則相對(duì)喉嘴距為5.83、7.5、8.3和9.17；將喉管截面積與噴嘴出口截面積之比定義為面積比，則面積比為 5 .76、4.0、2.94、2.25.

本研究中，評(píng)價(jià)噴射器輸送性能的指標(biāo)之一是樹脂顆粒質(zhì)量流量與輸送水質(zhì)量流量之比，即固液比.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 相對(duì)喉嘴距的影響

輸送水經(jīng)過(guò)噴嘴之后形成高速液流，其射流區(qū)域與斜管、喉管兩者之間存在合適的距離即存在較佳的相對(duì)喉嘴距，使得輸送水不會(huì)向密實(shí)移動(dòng)床離子交換柱方向串液，兩相混合物也不會(huì)在喉管處造成嚴(yán)重的回流.在噴嘴直徑為3.0mm時(shí)，即喉管與噴嘴面積比為4.0的情況下，圖3和圖4分別給出了相對(duì)喉嘴距對(duì)樹脂顆粒質(zhì)量流量和固液比的影響.由兩圖可以看出，相對(duì)喉嘴距對(duì)噴射器輸送性能的影響較大.當(dāng)相對(duì)喉嘴距偏?。ㄈ纾r(shí)，噴嘴出口與喉管距離較短，輸送水噴射形成高速液流之后，沒(méi)有足夠的混合空間和時(shí)間與樹脂顆粒進(jìn)行充分的紊流卷吸作用，導(dǎo)致在喉管入口處，兩相回流現(xiàn)象明顯，因此輸送水?dāng)y帶樹脂的能力不佳，樹脂質(zhì)量流量較低.當(dāng)相對(duì)喉嘴距偏大（如時(shí)，噴嘴較短，輸送水由噴嘴噴射形成高速射流后，大量的噴射水斜向上串入斜管，使得斜管的樹脂顆粒被輸送水拖曳并向密實(shí)移動(dòng)床方向倒流，對(duì)樹脂輸送效果有較大的負(fù)面影響，因此，大流量時(shí)樹脂質(zhì)量流量和固液比迅速下降.當(dāng)相對(duì)喉嘴距適中（如）時(shí)，輸送水與樹脂顆粒有足夠的空間和時(shí)間能進(jìn)行充分的能量交換，回流現(xiàn)象不明顯，樹脂輸送質(zhì)量流量較高，固液比較大.由此可見，本實(shí)驗(yàn)條件下，較佳的相對(duì)喉嘴距為7.5左右.

2.2 喉管與噴嘴面積比的影響

2.3 輸送水流量的影響

2.4 安裝噴射器前后的對(duì)比

3 結(jié)論

1）樹脂顆粒質(zhì)量流量隨相對(duì)喉嘴距、喉管與噴嘴面積比和輸送水流量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)；輸送固液比隨相對(duì)喉嘴距、喉管與噴嘴面積比的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，隨輸送水流量的增加而降低.

圖9 安裝噴射器前后樹脂顆粒質(zhì)量流量Fig.9 Effectof conveyingwater flow on resinmass flow ratewith ejectorand w ithoutejector

圖10 安裝噴射器前后固液比Fig.10 Effectof conveyingwater flow on solid to liquid ratiow ith ejectorandw ithoutejector

3）相同條件下，安裝噴射器后輸送固液比較未安裝噴射器時(shí)提高17%～25%.

[1]張貴清.連續(xù)離子交換除鎳電解液中微量鉛鋅的研究 [D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2003：96.

[2]肖連生，張啟修，龔柏藩，等.密實(shí)移動(dòng)床—流化床離子交換除鉬技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用 [J].中國(guó)鎢業(yè)，2001，16（2）：26-29.

[3]馮峰，李鑫金，于湘浩.密實(shí)移動(dòng)床離子交換法提取鎵的工業(yè)應(yīng)用 [J].稀有金屬，2007，31（專輯）：114-117.

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

[5]梁棟，景山.密實(shí)移動(dòng)床離子交換柱的顆粒輸送能力 [J].過(guò)程工程學(xué)報(bào)，2005，5（2）：113-118.