提高混合澄清器澄清效果的研究

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)

混合澄清器具有结构简单、级效率高、操作稳定性好、易于放大等优点，被广泛应用于稀土、核工业、化工等行业中[1]。目前中国稀土行业使用的混合澄清器，其单级澄清室与混合室体积比多在2.5∶1以上；而核工业系统使用的混合澄清器的该比值超过了4∶1[2-3]，这导致存在混合澄清器占地面积大、溶剂滞留量大、一次性投资较高等缺点[4-5]。如果直接减少澄清室与混合室体积比，则会导致有机相夹带损失高、运行成本增高。

增加澄清速度、减少溶剂滞留量以及减少两相夹带一直是科研人员致力于研究和改善混合澄清器的目标。针对澄清过程的研究多集中在对混合室的改进[6-9]，如王淑婵在澄清室中加装低速搅拌装置，来强化两相混合物分离，使得澄清室与混合室体积比降至1.5∶1以下[8]548。针对改进澄清室结构来提高澄清效果的研究较少，主要是在澄清室安装挡板[10-12]。

笔者以单级下进料型混合澄清器为研究对象，从改进澄清室结构，包括在澄清室内安装挡板和带孔栅板；保持澄清室与混合室体积比不变，减小澄清室高度，增加澄清室面积；在澄清室顶部加装混合相溜槽，优化和增加混合相流通路径等3种措施，来考察混合澄清器的澄清效果，旨在为提高混合澄清器的澄清性能提供设计依据。

1 试验部分

1.1 试验设备

试验用设备有下进料型混合澄清器、精密蠕动泵、流量计、控制柜、搅拌机架、紫外分光光度计、料桶等。

有机相下进料型混合澄清器，单级，混合室规格为20 cm×20 cm×30 cm，混合室与澄清室体积比固定为1∶2，试验用混合澄清器如图1所示。图1(a)为在澄清室设置3块挡板或带孔栅板的混合澄清器结构；挡板或带孔栅板数量增加时，其他结构不变。图1(b)为澄清室高度减小到200 mm，澄清室长度增加到600 mm，澄清面积增加50%时的混合澄清器结构；当澄清面积增加100%时，澄清室的高度减少为150 mm，澄清室长度增加到800 mm，其他结构不变。图1(c)为澄清室顶部设置长200 mm溜槽的混合澄清器结构；当设置其他长度溜槽时，仅溜槽长度变化，其他结构不变。试验中，采用六叶平桨搅拌，桨径125 mm，桨叶宽35 mm，桨安装高度40 mm。

图1 混合澄清器结构示意图

1.2 试验方法

1.2.1 试验条件

混合澄清器的澄清效果是通过测量澄清室内分散带厚度和萃余水相中的有机相含量进行表征。为突出各项改进措施的作用，在最不利的澄清条件下进行本试验，试验条件：相比VO∶VA=1∶1，混合时间5 min，搅拌转速325 r/min，控制混合室与澄清室体积比为1∶2。

1.2.2 分析方法

采用紫外分光光度法测量水相夹带量，即水中有机相含量。采用紫外分光光度计，用石英比色皿，依次测定不同体积浓度有机相标准样品的吸光度，建立标准曲线，如图2所示。

图2 有机相含量标准曲线

2 试验结果及讨论

2.1 挡板及带孔栅板对澄清性能的影响

选用混合室与澄清室边长比为1∶2的混合澄清器，通过在澄清室内分别加装不同数量的挡板或带孔栅板，来考察其对澄清效果的影响。挡板为边长20 cm的正方形，安装间距3 cm，安装倾角45o。栅板除带孔外，其规格和安装情况与挡板一样，栅板上开孔率约为30%，单孔直径约4 mm，如图3所示。各组试验稳定时，测量澄清室内分散带厚度以及相应萃余水相中的有机相含量，结果如图4所示。

图3 制作的带孔栅板

图4 加装挡板及栅板对有机相夹带量的影响

试验表明，不加装挡板或带孔栅板时，萃余水相中的有机相夹带量为0.624%，澄清室内分散带厚度约8 cm；当加装3块挡板时，萃余水相中的有机相夹带量下降至0.562%；当加装5块挡板时，萃余水相中的有机相夹带量为0.546%。加装挡板抑制了两相混合物的流动，为混合物提供了更多的润湿面积，改善了澄清性能。

加装带孔栅板后，萃余水相中有机相夹带量只是略微下降，其他现象与安装挡板时相似。加装3块带孔栅板后，混合相在澄清室前端的分散带厚度达到10 cm，比无任何措施时的分散带厚度还大；但由于带孔的栅板较挡板提供了稍多的接触面积，对两相澄清能力有一定的帮助，使得混合相在澄清室末端的分散带厚度小于2 cm，最终萃余水相中有机相夹带量下降。

2.2 增加澄清面积对澄清性能的影响

控制混合室与澄清室体积比(1∶2)、宽度不变，减少澄清室高度，增加澄清室面积，研究澄清室面积对澄清效果的影响。试验中加工了2种规格的混合澄清槽，澄清室面积较无任何措施混合澄清槽(高度比和边长比均为1∶2)的澄清面积分别增加了50%(澄清室与混合室高度比2∶3，边长比3∶1)和100%(澄清室与混合室高度比1∶2，边长比4∶1)。

试验发现在保持混合室与澄清室体积比1∶2、澄清室面积扩大50%和扩大100%的条件下，两相界面清晰，分散带厚度均小于1 cm；相比于无任何措施时(分散带厚度8 cm)，澄清效果明显。

当澄清面积增加50%时，有机相夹带量只有0.028%(无任何措施时有机相夹带量0.624%)；当澄清面积增加100%时，测试时吸光度只有0.063，低于标准曲线的截距值，可认为水中只有痕量有机相，增加澄清面积对提高澄清效果有显著作用。这是因为在混合条件相同、流量不变的情况下，澄清面积的增加对减小分散带厚度具有显著作用[13]；而分散带厚度减小，使得小液滴在分散带中分别向各自相界面运动的距离就减少，从而提高了两相澄清速率，改善了澄清效果。

2.3 增加顶部溜槽对澄清性能的影响

选用混合室与澄清室边比为1∶2的混合澄清槽，通过在澄清室顶部加装不同长度、全流口宽度的上下2层溜槽，使从混合室出来的混合相，通过溜槽折返后再进入澄清室。试验中分别加装长度为10、20、30、40 cm的溜槽，研究发现随溜槽长度的增加，澄清室内分散带厚度逐渐减小(从7 cm降至小于2 cm)，澄清效果逐渐提升。

相应4组试验的萃余水中有机相含量如图5所示。随着溜槽长度的增加，萃余水中有机相夹带量逐渐减少，尤其当溜槽长度为40 cm时，有机相夹带量为0.346%，相比于无任何措施时有机相夹带量(0.624%)减少了45%，说明增加溜槽对减少有机相夹带起到较强作用。这主要是由于：1)全流口宽度的溜槽可使混合相在溜槽内平铺成薄层，在各个方向均匀缓慢流动，有利于小液滴的凝聚，而且全流口宽度还减少了混合相进入澄清室时末端的湍动和扰动；2)上下2层溜槽的设置，延长了混合相的流通路径，相应增加了澄清时间，避免了因部分水相过早流出澄清室而导致有机相夹带量增加。

图5 加装不同长度溜槽对有机相夹带量的影响

3 结论

在澄清室内加装挡板和带孔栅板，相比于无任何措施时，水中有机相夹带量都有所下降；随着板数的增加，水中有机相夹带量略有下降。加装挡板和带孔栅板可以在一定程度上改善澄清性能，但提升能力有限。

控制混合室与澄清室体积比不变，增加澄清室澄清面积，有机相夹带量显著下降，澄清效果明显改善。

在澄清室顶部加装不同长度的溜槽，随着溜槽长度的增加，澄清室内分散带厚度逐渐减小，水中有机相夹带量逐渐减少，澄清效果逐渐提升。