泵輪式混合澄清槽泵輪抽吸高度的變化規律試驗研究

李少杰，劉繼連，景 山

(1.中國紡織科學研究院有限公司 北京 100025；2.中國核電工程有限公司 北京 100840；3.清華大學 核能與新能源技術研究院 北京 100084)

混合澄清槽有多種不同形式。目前，工業上常用的主要是箱式混合澄清槽[1]、全逆流混合澄清槽[2]，核化工行業使用較多的是泵輪式混合澄清槽。泵輪式混合澄清槽最初是由法國圣戈班(SGN)公司于1954年開發的[3]，之后又開發出了不同的結構形式，包括KAPL型混合澄清槽、KREBS型混合澄清槽和Power Gas混合澄清槽[4-5]。目前，泵輪式混合澄清槽已在法國UP3、UP2-800及日本6個核燃料后處理廠[6]得到應用。泵輪式混合澄清槽的泵輪除提供兩相混合所需能量外，還為級間料液輸送提供能量，同時克服了氣動脈沖攪拌式混合澄清槽及機械攪拌式混合澄清槽中的第一級與最后一級的界面高度差因級數增加而增大所引起的運行不穩定的缺陷，并解決了設計中槽體平面布置等問題。

有關混合澄清槽的研究主要涉及混合性能[7-8]、液滴尺寸[9-11]、萃取效率[12-13]等，而對于泵輪式混合澄清槽，其泵輪抽吸高度是槽級間料液輸送能量的重要特征參數，對其進行研究有重要意義。影響泵輪抽吸高度的因素主要有澄清槽的結構參數(包括泵輪直徑d、泵輪厚度δ、泵輪與混合室底間距r，泵輪直徑與混合室長度l之比等)和操作參數(料液流量ql，泵輪轉速n)。借鑒Power Gas型混合澄清槽的設計原則，設計了3種體積的泵輪式混合澄清槽和不同形式的泵輪，研究了混合澄清槽的結構參數和操作參數對抽吸高度的影響及泵輪抽吸高度的放大規律。

1 試驗設備

1.1 泵輪式混合澄清槽

泵輪式混合澄清槽的基本結構如圖1所示。混合室底部設有潛室，水相和有機相在潛室內預混合，然后在泵輪作用下，從潛室經孔進入混合室，并在泵輪剪切力作用下混合。混合相從混合室上方離開進入澄清室內并澄清分相。澄清室的末端設有水相和有機相小室，有機相從有機相堰上方進入有機相小室，然后從小室底孔進入下一級潛室。水相通過平衡管進入水相小室，并從小室底孔進入上一級潛室。平衡管起到水相堰口的作用，因調節平衡管的高度時，澄清室內兩相界面高度也隨之變化，所以可通過調節平衡管高度獨立調節混合澄清槽內各級澄清室的界面高度。

圖1 泵輪式混合澄清槽剖面示意

試驗設計了3種三級逆流泵輪式混合澄清槽，混合室體積分別為4.9、9.8、19.8 L。澄清室體積分別為相對應的混合室體積的3倍，以此來研究泵輪抽吸高度隨混合澄清槽體積變化而變化的規律。

抽吸高度是指泵輪抽吸作用所能形成的液位差，可以在泵輪旋轉情況下通過測量混合室與相鄰小室之間的液面高度差得到。調節泵輪轉速n可以調節小室內液面高度。小室內液面高度需控制在一定范圍內，才能保證混合澄清槽正常工作。以水相小室為例：當平衡管高度一定時，平衡管上端高度必須高于水相小室液面高度，否則澄清室中的界面會不斷上升，且相鄰級間界面相互影響；而抽吸高度太高，超過混合室高度時，潛室中會有大量空氣吸入，降低泵輪混合效率，導致傳質效率降低。

1.2 泵輪結構

泵輪由上下罩板、葉片、吸入管及攪拌軸組成，如圖2所示。泵輪含有8個后彎葉片，葉片末端切線與泵輪外沿切線之間的夾角β稱為后彎角。葉片上、下側各有一直徑為D的罩板：上側罩板為圓形板，與攪拌軸相連；下罩板為環形板，中心有一孔(直徑為d2)，相連于與中心孔大小相同的吸入管。混合室底板設有與泵輪吸入管大小相同的圓孔，在泵輪抽吸力作用下，液體通過圓孔進入混合室。泵輪直徑d1約為混合室邊長的0.6倍，吸入管直徑d2為泵輪直徑的一半，葉片寬度b約為泵輪直徑的1/7。3種不同混合澄清槽的泵輪結構參數見表1，其中，l、ht、hd、dd分別為方形混合室邊長、混合室高度、液面高度和平衡管直徑。設計了后彎角分別為15°、45°、90°的3種泵輪結構(如圖3所示)。

a—平面；b—剖面。

表1 3種泵輪式混合澄清槽和泵輪的結構尺寸 mm

圖3 不同后彎角度的3種泵輪

1.3 設備流程

試驗設備如圖4所示。設備由三級混合澄清槽、有機相和水相進料計量泵、儲槽、調頻電機和泵輪組成，其中計量泵的流量和泵輪轉速通過工控機上調節計量泵的頻率及調節變頻器頻率來實現。

考察泵輪抽吸高度，一般通過單相流試驗來實現。試驗中僅采用水相進料系統，水相為去離子水。在泵輪轉速較大條件下，用去離子水把混合澄清槽充滿，然后將計量泵和泵輪轉速調節到目標值，用直尺測量混合室與相鄰小室液面之間的距離，此為抽吸高度h。提高電機軸的高度可以改變泵輪與混合室底部之間的距離r。測量范圍見表2。

1—有機相進料計量泵；2—調頻電機；3—泵輪；4—三級混合澄清槽；5—水相進料計量泵；6—水相儲槽；7—有機相儲槽。

ql/(L·h-1)r/mmn/(r·min-1)β/(°)MS-186,124,152,171,201,262845124,2018,17,26200～500451248,17,26,35901248,17,26,3515MS-2248,403452489,18,27150～4509024815MS-3496,803454963,12,21150～400w9049615

2 試驗結果與討論

2.1 泵輪轉速對泵輪抽吸高度的影響

圖5是3種泵輪式混合澄清槽在泵輪后彎角度均為45°、料液流量分別為124、248、496 L/h(保證3個泵輪式混合澄清槽中的物料停留時間相同)條件下，泵輪抽吸高度h隨轉速n的變化規律。可以看出，隨泵輪轉速從150 r/min提高到500 r/min，3種泵輪的抽吸高度均增大,這與Singh的圓形泵輪式混合澄清槽的效果一致[14]。操作過程中，泵輪抽吸高度要足夠大，才能克服級間料液輸送阻力，實現在同一水平高度級間料液泵送的目的。一般情況下，抽吸高度達到混合室長度l1的一半(約70 mm)即可滿足料液輸送要求，以此標準計算，MS-1、MS-2、MS-3的最低轉速分別為400、350、300 r/min，轉速過大會造成能量浪費。

—■—MS-1：β=45°，r=8 mm，ql=124 L/h；—●—MS-2：β=45°，r=9 mm，ql=248 L/h；—▲—MS-3：β=45°，r=12 mm，ql=496 L/h。

2.2 料液流量對泵輪抽吸高度的影響

對于MS-1，在泵輪轉速400 r/min條件下，固定泵輪后彎角度為45°，泵輪與混合室底部間距為8 mm，考察泵輪抽吸高度h隨料液流量ql的變化規律，試驗結果如圖6所示。

圖6 料液流量對泵輪抽吸高度的影響

由圖6看出，隨料液流量增大，泵輪抽吸高度略有下降，但變化不大。MS-2和MS-3也有類似規律。結果表明，在試驗范圍內，泵輪式混合澄清槽的抽吸高度都能滿足級間料液的輸送要求。通常情況下，混合澄清槽按混合室停留時間1 min進行設計和操作，所以，試驗確定MS-1的料液流量以124 L/h即可。

2.3 泵輪與槽底間距對泵輪抽吸高度的影響

對于MS-1，在泵輪轉速400 r/min、料液流量124 L/h、，泵輪后彎角度45°條件下，泵輪與槽底間距對抽吸高度的影響試驗結果如圖7所示。

圖7 泵輪與槽底間距對泵輪抽吸高度的影響

由圖7看出，隨泵輪與槽底間距增大，泵輪抽吸高度降低，該結論與文獻[14]一致。MS-2和MS-3也有相似規律。以抽吸高度需要達到混合室長度一半(約70 mm)作為標準，泵輪與槽底間距大于10 mm時，泵輪抽吸高度無法滿足級間物料輸送要求，所以試驗確定以8 mm作為MS-1的泵輪與槽底的合適間距。

2.4 泵輪葉片后彎角度對泵輪抽吸高度的影響

對于MS-1，在泵輪轉速400 r/min、料液流量124 L/h、泵輪與混合室底部距離8 mm條件下，改變泵輪葉片后彎角度，分別取15°、45°、90°，考察泵輪抽吸高度的變化規律，結果如圖8所示。

圖8 泵輪葉片后彎角度對泵輪抽吸高度的影響

由圖8看出，隨泵輪葉片后彎角度增大，泵輪抽吸高度變化不大。MS-2和MS-3也有相似規律。在所考察的角度范圍內，泵輪抽吸高度基本都能滿足混合澄清槽級間物料輸送要求。但葉片后彎角度需要兼顧葉片對分散相的破碎作用：后彎角度太小，破碎作用較弱，會造成液滴分散不充分，使混合澄清槽的萃取效率降低；后彎角度太大，則可能造成液滴破碎過于劇烈，夾帶物料，給分相澄清造成困難。綜合考慮，確定適宜的泵輪葉片的后彎角度為45°。

2.5 泵輪抽吸高度放大規律

對于確定的萃取體系，若保持相比、平均停留時間及其他操作條件(溫度、分散系類型等)不變，當單位體積混合液輸入功率相同時，對于幾何相似的不同規模混合槽可以得到相同的級效率[15]。單位體積輸入功率相等這一原則是混合槽放大的基本原則。

單位體積輸入功率計算公式為。

(1)

式中：PV為單位體積輸入功率，W/m3；ξ為功率系數，對于圓盤泵輪為2.4；ρ為液體密度，kg/m3；n為泵輪轉速，r/s；V為混合室體積，m3,d1為泵輪直徑，m。

泵輪抽吸高度與泵輪轉速n和泵輪與槽底間距r有關，與泵輪的后彎葉片角度和料液流量關系不大。因此，定義nh=h/ht與nr=r/ht，將試驗得到的285組數據關聯后得到

(2)

式中：PV變化范圍在80～3 200 W/m3之間，nr變化范圍在0.007～0.12之間。將式(2)計算結果與試驗實測結果進行對比，結果如圖9所示。可以看出，計算所得nh，cal與試驗實測nh,exp的相對誤差在15%以內。

圖9 計算所得nh，cal與試驗實測nh,exp的對比

按照Power Gas設計原則和工藝條件確定泵輪式混合澄清槽后，泵輪式混合澄清槽的混合室高度ht、泵輪在混合室內的安裝位置(r)、平衡管高度也得以確定，此時泵輪抽吸高度就是混合室與平衡管高度差到混合室高度，通過式(2)可以確定混合澄清槽的輸入功率(即電機轉速)；或已知輸入功率范圍，從而檢驗抽吸高度是否與設計的平衡管高度相匹配。

3 結論

按Power Gas設計原則,設計了3個大小不同的泵輪式混合澄清槽，研究了泵輪抽吸高度的變化規律。結果表明：泵輪抽吸高度隨泵輪轉速增大、泵輪與混合室底間距減小而增大；料液流量和泵輪后彎葉片角度對泵輪抽吸高度影響不大；依照混合澄清槽單位體積輸入功率一致的放大原則，得到泵輪抽吸高度經驗關聯式為