密實移動床離子交換裝置中噴射器的結構優化及輸送性能

張小靜，王德武，劉 燕，張少峰

（1.河北工業大學海水資源高效利用化工技術教育部工程研究中心，天津 300130；2.河北工業大學化工學院，天津 300130）

密實移動床離子交換技術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用[1-3].與固定床離子交換操作不同的是，密實移動床離子交換裝置中，飽和的離子交換樹脂要不斷地由密實移動床離子交換柱輸送到其它設備中進行下一操作步驟，同時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程能加快離子交換的速度，設備及離子交換樹脂的利用率都有所提高.

保持密實移動床離子交換裝置平穩運行的關鍵之一是如何快速高效地實現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]等在密實移動床離子交換裝置上，采用常規提升管輸送離子交換劑顆粒，通過實驗研究了提升管中顆粒的輸送速度及其影響因素.從文獻[4-5]的結果來看，常規提升管輸送離子交換樹脂顆粒存在固液比偏小的問題.

對于離子交換法制備碳酸鉀的工藝，本文建立了密實移動床離子交換裝置，并針對常規提升管結構輸送率小、帶水量大等弊端，在輸送管下部顆粒入口處增設噴射器，以提高輸送固液比.通過實驗研究了不同相對喉嘴距、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構，以期為密實移動床離子交換裝置的設計和操作調控提供指導.

1 實驗

1.1 實驗裝置及流程

實驗裝置及流程如圖1所示.裝置主體為透明有機玻璃制成，密實移動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程是，打開密實移動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移動床離子交換柱不斷地進入噴射器的混合室；去離子水經轉子流量計計量后進入噴射器，兩相混合物再經輸送管進入后續的樹脂轉移塔.為了保持穩定的推動力，需要不斷向密實移動床離子交換柱中注入樹脂顆粒，使其始終處于填滿狀態.

實驗開始時，打開輸送水泵，調節輸送水流量，并打開密實移動床下部的輸送閥，待輸送過程穩定后，打開樹脂轉移塔下部的排放閥，將之前所轉移的兩相混合物排放干凈，在關閉排放閥的同時開始計時，20 s之后關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行液固兩相分離，分別得到去離子水和樹脂，稱其質量，然后換算得到樹脂的質量流量及固液比.

1.2 噴射器結構

實驗裝置的噴射器為有機玻璃制作，其結構如圖2所示，部分結構尺寸見表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，為擴散管直徑，為喉管與擴散管間錐體夾角，為混合室與喉管間錐體夾角.

噴射器斜管與密實移動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移動床離子交換柱中的料液進入噴射器造成的流失，綜合考慮之后確定斜管內徑為 2 0mm.

1.3 實驗介質和操作條件

實驗所用液體介質為去離子水，固體介質為樹脂顆粒，樹脂顆粒的性質見表2.

表1 噴射器結構尺寸Tab.1 The structuralsizesof ejector

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

實驗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喉嘴距，則相對喉嘴距為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，評價噴射器輸送性能的指標之一是樹脂顆粒質量流量與輸送水質量流量之比，即固液比.

2 實驗結果與分析

2.1 相對喉嘴距的影響

輸送水經過噴嘴之后形成高速液流，其射流區域與斜管、喉管兩者之間存在合適的距離即存在較佳的相對喉嘴距，使得輸送水不會向密實移動床離子交換柱方向串液，兩相混合物也不會在喉管處造成嚴重的回流.在噴嘴直徑為3.0mm時，即喉管與噴嘴面積比為4.0的情況下，圖3和圖4分別給出了相對喉嘴距對樹脂顆粒質量流量和固液比的影響.由兩圖可以看出，相對喉嘴距對噴射器輸送性能的影響較大.當相對喉嘴距偏小（如）時，噴嘴出口與喉管距離較短，輸送水噴射形成高速液流之后，沒有足夠的混合空間和時間與樹脂顆粒進行充分的紊流卷吸作用，導致在喉管入口處，兩相回流現象明顯，因此輸送水攜帶樹脂的能力不佳，樹脂質量流量較低.當相對喉嘴距偏大（如時，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移動床方向倒流，對樹脂輸送效果有較大的負面影響，因此，大流量時樹脂質量流量和固液比迅速下降.當相對喉嘴距適中（如）時，輸送水與樹脂顆粒有足夠的空間和時間能進行充分的能量交換，回流現象不明顯，樹脂輸送質量流量較高，固液比較大.由此可見，本實驗條件下，較佳的相對喉嘴距為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比

3 結論

1）樹脂顆粒質量流量隨相對喉嘴距、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；輸送固液比隨相對喉嘴距、喉管與噴嘴面積比的增加呈先增大后減小的趨勢，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提高17%～25%.

[1]張貴清.連續離子交換除鎳電解液中微量鉛鋅的研究 [D].長沙：中南大學，2003：96.

[2]肖連生，張啟修，龔柏藩，等.密實移動床—流化床離子交換除鉬技術在工業上的應用 [J].中國鎢業，2001，16（2）：26-29.

[3]馮峰，李鑫金，于湘浩.密實移動床離子交換法提取鎵的工業應用 [J].稀有金屬，2007，31（專輯）：114-117.

[4]XUCong，FENGXiaogui，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.密實移動床離子交換柱的顆粒輸送能力 [J].過程工程學報，2005，5（2）：113-118.