提高混合澄清器澄清效果的研究

侯偉強，王 庫

(中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

混合澄清器具有結構簡單、級效率高、操作穩(wěn)定性好、易于放大等優(yōu)點，被廣泛應用于稀土、核工業(yè)、化工等行業(yè)中[1]。目前中國稀土行業(yè)使用的混合澄清器，其單級澄清室與混合室體積比多在2.5∶1以上；而核工業(yè)系統(tǒng)使用的混合澄清器的該比值超過了4∶1[2-3]，這導致存在混合澄清器占地面積大、溶劑滯留量大、一次性投資較高等缺點[4-5]。如果直接減少澄清室與混合室體積比，則會導致有機相夾帶損失高、運行成本增高。

增加澄清速度、減少溶劑滯留量以及減少兩相夾帶一直是科研人員致力于研究和改善混合澄清器的目標。針對澄清過程的研究多集中在對混合室的改進[6-9]，如王淑嬋在澄清室中加裝低速攪拌裝置，來強化兩相混合物分離，使得澄清室與混合室體積比降至1.5∶1以下[8]548。針對改進澄清室結構來提高澄清效果的研究較少，主要是在澄清室安裝擋板[10-12]。

筆者以單級下進料型混合澄清器為研究對象，從改進澄清室結構，包括在澄清室內安裝擋板和帶孔柵板；保持澄清室與混合室體積比不變，減小澄清室高度，增加澄清室面積；在澄清室頂部加裝混合相溜槽，優(yōu)化和增加混合相流通路徑等3種措施，來考察混合澄清器的澄清效果，旨在為提高混合澄清器的澄清性能提供設計依據。

1 試驗部分

1.1 試驗設備

試驗用設備有下進料型混合澄清器、精密蠕動泵、流量計、控制柜、攪拌機架、紫外分光光度計、料桶等。

有機相下進料型混合澄清器，單級，混合室規(guī)格為20 cm×20 cm×30 cm，混合室與澄清室體積比固定為1∶2，試驗用混合澄清器如圖1所示。圖1(a)為在澄清室設置3塊擋板或帶孔柵板的混合澄清器結構；擋板或帶孔柵板數量增加時，其他結構不變。圖1(b)為澄清室高度減小到200 mm，澄清室長度增加到600 mm，澄清面積增加50%時的混合澄清器結構；當澄清面積增加100%時，澄清室的高度減少為150 mm，澄清室長度增加到800 mm，其他結構不變。圖1(c)為澄清室頂部設置長200 mm溜槽的混合澄清器結構；當設置其他長度溜槽時，僅溜槽長度變化，其他結構不變。試驗中，采用六葉平槳攪拌，槳徑125 mm，槳葉寬35 mm，槳安裝高度40 mm。

圖1 混合澄清器結構示意圖

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗條件

混合澄清器的澄清效果是通過測量澄清室內分散帶厚度和萃余水相中的有機相含量進行表征。為突出各項改進措施的作用，在最不利的澄清條件下進行本試驗，試驗條件：相比VO∶VA=1∶1，混合時間5 min，攪拌轉速325 r/min，控制混合室與澄清室體積比為1∶2。

1.2.2 分析方法

采用紫外分光光度法測量水相夾帶量，即水中有機相含量。采用紫外分光光度計，用石英比色皿，依次測定不同體積濃度有機相標準樣品的吸光度，建立標準曲線，如圖2所示。

圖2 有機相含量標準曲線

2 試驗結果及討論

2.1 擋板及帶孔柵板對澄清性能的影響

選用混合室與澄清室邊長比為1∶2的混合澄清器，通過在澄清室內分別加裝不同數量的擋板或帶孔柵板，來考察其對澄清效果的影響。擋板為邊長20 cm的正方形，安裝間距3 cm，安裝傾角45o。柵板除帶孔外，其規(guī)格和安裝情況與擋板一樣，柵板上開孔率約為30%，單孔直徑約4 mm，如圖3所示。各組試驗穩(wěn)定時，測量澄清室內分散帶厚度以及相應萃余水相中的有機相含量，結果如圖4所示。

圖3 制作的帶孔柵板

圖4 加裝擋板及柵板對有機相夾帶量的影響

試驗表明，不加裝擋板或帶孔柵板時，萃余水相中的有機相夾帶量為0.624%，澄清室內分散帶厚度約8 cm；當加裝3塊擋板時，萃余水相中的有機相夾帶量下降至0.562%；當加裝5塊擋板時，萃余水相中的有機相夾帶量為0.546%。加裝擋板抑制了兩相混合物的流動，為混合物提供了更多的潤濕面積，改善了澄清性能。

加裝帶孔柵板后，萃余水相中有機相夾帶量只是略微下降，其他現(xiàn)象與安裝擋板時相似。加裝3塊帶孔柵板后，混合相在澄清室前端的分散帶厚度達到10 cm，比無任何措施時的分散帶厚度還大；但由于帶孔的柵板較擋板提供了稍多的接觸面積，對兩相澄清能力有一定的幫助，使得混合相在澄清室末端的分散帶厚度小于2 cm，最終萃余水相中有機相夾帶量下降。

2.2 增加澄清面積對澄清性能的影響

控制混合室與澄清室體積比(1∶2)、寬度不變，減少澄清室高度，增加澄清室面積，研究澄清室面積對澄清效果的影響。試驗中加工了2種規(guī)格的混合澄清槽，澄清室面積較無任何措施混合澄清槽(高度比和邊長比均為1∶2)的澄清面積分別增加了50%(澄清室與混合室高度比2∶3，邊長比3∶1)和100%(澄清室與混合室高度比1∶2，邊長比4∶1)。

試驗發(fā)現(xiàn)在保持混合室與澄清室體積比1∶2、澄清室面積擴大50%和擴大100%的條件下，兩相界面清晰，分散帶厚度均小于1 cm；相比于無任何措施時(分散帶厚度8 cm)，澄清效果明顯。

當澄清面積增加50%時，有機相夾帶量只有0.028%(無任何措施時有機相夾帶量0.624%)；當澄清面積增加100%時，測試時吸光度只有0.063，低于標準曲線的截距值，可認為水中只有痕量有機相，增加澄清面積對提高澄清效果有顯著作用。這是因為在混合條件相同、流量不變的情況下，澄清面積的增加對減小分散帶厚度具有顯著作用[13]；而分散帶厚度減小，使得小液滴在分散帶中分別向各自相界面運動的距離就減少，從而提高了兩相澄清速率，改善了澄清效果。

2.3 增加頂部溜槽對澄清性能的影響

選用混合室與澄清室邊比為1∶2的混合澄清槽，通過在澄清室頂部加裝不同長度、全流口寬度的上下2層溜槽，使從混合室出來的混合相，通過溜槽折返后再進入澄清室。試驗中分別加裝長度為10、20、30、40 cm的溜槽，研究發(fā)現(xiàn)隨溜槽長度的增加，澄清室內分散帶厚度逐漸減小(從7 cm降至小于2 cm)，澄清效果逐漸提升。

相應4組試驗的萃余水中有機相含量如圖5所示。隨著溜槽長度的增加，萃余水中有機相夾帶量逐漸減少，尤其當溜槽長度為40 cm時，有機相夾帶量為0.346%，相比于無任何措施時有機相夾帶量(0.624%)減少了45%，說明增加溜槽對減少有機相夾帶起到較強作用。這主要是由于：1)全流口寬度的溜槽可使混合相在溜槽內平鋪成薄層，在各個方向均勻緩慢流動，有利于小液滴的凝聚，而且全流口寬度還減少了混合相進入澄清室時末端的湍動和擾動；2)上下2層溜槽的設置，延長了混合相的流通路徑，相應增加了澄清時間，避免了因部分水相過早流出澄清室而導致有機相夾帶量增加。

圖5 加裝不同長度溜槽對有機相夾帶量的影響

3 結論

在澄清室內加裝擋板和帶孔柵板，相比于無任何措施時，水中有機相夾帶量都有所下降；隨著板數的增加，水中有機相夾帶量略有下降。加裝擋板和帶孔柵板可以在一定程度上改善澄清性能，但提升能力有限。

控制混合室與澄清室體積比不變，增加澄清室澄清面積，有機相夾帶量顯著下降，澄清效果明顯改善。

在澄清室頂部加裝不同長度的溜槽，隨著溜槽長度的增加，澄清室內分散帶厚度逐漸減小，水中有機相夾帶量逐漸減少，澄清效果逐漸提升。