李傳博，張 宇，晏太紅，鄭衛(wèi)芳，左 臣，袁中偉

中國(guó)原子能科學(xué)研究院 放射化學(xué)研究所，北京 102413

環(huán)隙式離心萃取器是一種高效的液-液萃取設(shè)備。它具有體積小、萃取級(jí)效率高、開(kāi)停車方便等優(yōu)點(diǎn)，在制藥、石油化工、濕法冶金、核化工及廢水處理等各種領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用[1-3]。

離心萃取器的工作過(guò)程包括混合傳質(zhì)和離心分相兩部分。其中混合傳質(zhì)在環(huán)隙中進(jìn)行，分相在轉(zhuǎn)筒內(nèi)進(jìn)行。離心萃取器兩相接觸時(shí)間短，可以很好地減少溶劑所受輻照程度；同時(shí)，30%TBP萃取Pu(Ⅳ)的反應(yīng)速率較快，適用于作為Purex流程中钚的純化循環(huán)萃取段的離心萃取器。在保證Pu達(dá)到一定的萃取率下，減小兩相流比(A∶O)有利于提高钚的濃縮倍數(shù)；提高轉(zhuǎn)速有利于增強(qiáng)萃取及分相效果；減小兩相接觸時(shí)間有利于減少溶劑所受輻照程度。φ20 mm離心萃取器可處理的流量較大，相比操作范圍較寬。為將φ20 mm離心萃取器用于Purex流程中钚純化循環(huán)萃取段的實(shí)驗(yàn)研究，本工作擬研究當(dāng)兩相流比、流速和轉(zhuǎn)速變化時(shí)離心萃取器兩相出口料液的夾帶情況以及離心萃取器環(huán)隙(混合區(qū))和轉(zhuǎn)筒內(nèi)液體體積的變化等水力學(xué)性能。

1 環(huán)隙式離心萃取器的結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1 環(huán)隙式離心萃取器轉(zhuǎn)筒和外殼的示意圖[4]

環(huán)隙式離心萃取器主要由電機(jī)、軸、轉(zhuǎn)筒和外殼組成。轉(zhuǎn)筒和外殼的結(jié)構(gòu)示于圖1[4]。轉(zhuǎn)筒包括堰段和澄清段，堰段上有控制兩相溢流半徑的圓形堰；澄清段內(nèi)裝有徑向葉片。外殼上部有兩相各自的出口管和收集室。外殼下部有兩相進(jìn)料口，底部裝有固定葉片。外殼內(nèi)壁和轉(zhuǎn)筒外壁之間的空間為環(huán)隙。

當(dāng)密度不同且互不相溶的兩相分別從兩個(gè)進(jìn)料口進(jìn)入環(huán)隙后，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)筒帶動(dòng)混合液在環(huán)隙間轉(zhuǎn)動(dòng)并混合，產(chǎn)生泰勒渦流[5-6]。轉(zhuǎn)動(dòng)的混合液遇到底部固定葉片后產(chǎn)生一定的靜壓能，通過(guò)轉(zhuǎn)筒的混合相入口，進(jìn)入轉(zhuǎn)筒分相。在離心力作用下進(jìn)行分相。重相被甩到外緣，經(jīng)重相堰流入重相收集室隨重相出口流出；輕相流入輕相收集室隨輕相出口流出。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 設(shè)備與試劑

φ20 mm離心萃取器及其控制系統(tǒng)，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院制造；MSP1-C1注射泵，保定蘭格恒流泵有限公司。

HNO3、TBP、Na2CO3，分析純，北京化學(xué)試劑公司。30%TBP：將TBP與加氫煤油按3∶7的體積比混合后，振蕩，經(jīng)5%的Na2CO3溶液洗滌3次，再經(jīng)0.2 mol/L HNO3洗滌3次，然后用去離子水洗滌至中性。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

Purex流程中2A段主要完成對(duì)由1BP(一循環(huán)的钚初產(chǎn)品料液)經(jīng)調(diào)價(jià)、調(diào)酸制備的2AF料液中钚的萃取，并通過(guò)洗滌段對(duì)钚中殘留裂片元素和镎、锝等雜質(zhì)元素作進(jìn)一步的去除。綜合考慮钚的收率、裂片元素的凈化以及钚的濃縮等因素，通常選用的流比為：2AF∶2AX∶2AS=1∶0.28∶0.128。通常2A段中萃取段為8到10級(jí)，Pu的萃取率要求達(dá)到99.9%以上。萃取段流比為2.45∶1，基于此，拓寬流比為1∶1和5∶1考察離心萃取器的運(yùn)行狀況和水力學(xué)性能。

(1) 調(diào)節(jié)離心萃取器的重相堰直徑為10.8 mm，控制流比為1∶1，調(diào)節(jié)兩臺(tái)注射泵的總流速分別為 4.8、9.6、14.4、30.0、70.0 mL/min以及流比為5∶1時(shí)，調(diào)節(jié)總流速分別為14.4、28.8、43.2 mL/min。其中水相為0.5 mol/L硝酸，有機(jī)相為30%TBP。

(2) 離心萃取器在一定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行后，先用注射泵打入水相，等水相出口流出水相時(shí)再泵入有機(jī)相。待離心萃取器穩(wěn)定運(yùn)行至少5 min后，分別在水相出口、有機(jī)相出口取樣，采用離心分相法測(cè)量?jī)上鄪A帶量。當(dāng)每一相對(duì)另一相的夾帶量為0時(shí)方認(rèn)為不夾帶，兩相總流速方計(jì)入離心萃取器的處理能力范圍之內(nèi)。

(3) 待離心萃取器穩(wěn)定運(yùn)行至少5 min后，同時(shí)切斷兩相進(jìn)料，將離心萃取器的轉(zhuǎn)鼓輕輕提起放入一個(gè)小燒杯內(nèi)，關(guān)閉電源使轉(zhuǎn)筒內(nèi)的液體流出并測(cè)量其體積，即為轉(zhuǎn)筒內(nèi)液體體積。將提去轉(zhuǎn)筒的離心萃取器底座內(nèi)的液體用膠頭滴管吸出并測(cè)量其體積，即為環(huán)隙內(nèi)液體體積。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同流速下改變轉(zhuǎn)速時(shí)兩相夾帶情況

不同流速下、改變轉(zhuǎn)速時(shí)兩相夾帶情況示于圖2。由圖2可得以下結(jié)論。

(1) 當(dāng)流比為1∶1、總流速由4.8 mL/min逐漸增大至70.0 mL/min時(shí)，由于轉(zhuǎn)筒頂端的乳化帶寬度隨之增大，而使得兩相夾帶的可能性增大，所以兩相出口均不夾帶時(shí)的轉(zhuǎn)速(r)可操作范圍隨總流速的增大而逐漸減小，即由2 200 r/min

(2) 由圖2(a)可知，流速分別為14.4、30.0、70.0 mL/min時(shí)，由于隨著轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)筒內(nèi)頂端的乳化帶變窄，則使得兩相夾帶的可能性減小，即離心萃取器的分離能力增強(qiáng)，所以當(dāng)轉(zhuǎn)速由2 200 r/min變?yōu)? 200 r/min時(shí)，兩相出口由僅水相夾帶變?yōu)樗嗪陀袡C(jī)相均不夾帶。

(3) 通常，當(dāng)兩相流比為1∶1時(shí)，離心萃取器的最大處理流量達(dá)最大。兩相流比偏離1∶1的程度越大，離心萃取器的最大處理流量越小。所以，當(dāng)2 200 r/min7.5 s時(shí)，即要求萃取器的vmax=12.0 mL/min，φ10 mm離心萃取器可滿足2A段工藝實(shí)驗(yàn)需求。而對(duì)于φ20 mm離心萃取器，當(dāng)兩相流比為5∶1時(shí)，其vmax已達(dá)28.8 mL/min，若兩相流比為4.45∶1，則vmax必大于12.0 mL/min，所以，φ20 mm離心萃取器也能滿足2A段工藝實(shí)驗(yàn)研究的需要。

3.2 不同流速下改變轉(zhuǎn)速時(shí)環(huán)隙和轉(zhuǎn)筒內(nèi)液體體積的變化

不同流速下改變轉(zhuǎn)速時(shí)環(huán)隙(混合區(qū))和轉(zhuǎn)筒內(nèi)液體體積變化情況示于圖3。

由圖3(a)、(c)可知，在本實(shí)驗(yàn)條件下，兩相流比無(wú)論是1∶1或5∶1，當(dāng)r≥3 000 r/min時(shí)，環(huán)隙內(nèi)(混合區(qū))液體體積量均已幾乎達(dá)恒定，約為5.1 mL，此時(shí)環(huán)隙內(nèi)液體體積量已不再隨流比和總流速的變化而改變，此區(qū)間為操作穩(wěn)定區(qū)域。進(jìn)一步結(jié)合總流速vt可計(jì)算出兩相接觸時(shí)間t(s)，t=5.1×60/vt。當(dāng)兩相流比為1∶1、vt,max=70.0 mL/min時(shí)，t=4.4 s；兩相流比為5∶1、vt,max=28.8 mL/min時(shí)，t=10.6 s。

由圖3(b)、(d)可知，在本實(shí)驗(yàn)條件下，兩相流比無(wú)論是1∶1或5∶1，轉(zhuǎn)筒內(nèi)液體體積量基本保持恒定，約為12.3 mL，并不隨轉(zhuǎn)速、流比和總流速的變化而改變。主要原因是通常轉(zhuǎn)筒內(nèi)的液體總是充滿的，其中的液體體積量由轉(zhuǎn)筒自身的尺寸和內(nèi)體積決定。轉(zhuǎn)筒的主要作用是分相。

圖2 流比分別為1∶1(a)和5∶1(b)時(shí)轉(zhuǎn)速對(duì)兩相夾帶情況的影響

圖3 環(huán)隙內(nèi)和轉(zhuǎn)筒內(nèi)液體體積隨轉(zhuǎn)速變化曲線

4 結(jié) 論

(1) 在本實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)兩相流比為1∶1、總流速小于70.0 mL/min時(shí)以及兩相流比為5∶1、總流速小于28.8 mL/min時(shí)，當(dāng)r>3 000 r/min時(shí)，該類型離心萃取器處于穩(wěn)定可操作區(qū)間，此時(shí)兩相出口料液均不夾帶；兩相混合區(qū)內(nèi)液體體積量約為5.1 mL，轉(zhuǎn)筒內(nèi)液體體積量約為12.3 mL；進(jìn)一步結(jié)合總流速，可計(jì)算出兩相接觸時(shí)間。

(2) 在相同實(shí)驗(yàn)條件下，與φ10 mm離心萃取器相比，φ20 mm離心萃取器也可滿足Purex流程中2A段工藝實(shí)驗(yàn)研究的需要。

[1] 許金全,段五華.用HL離心萃取器處理含對(duì)硝基酚廢水的研究[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2006，10(7)：124-127.

[2] DUAN Wuhua,Cheng Qin. Development of aφ20 mm Annular Centrifugal Contactor for the Hot Test of the Total TRPO Process[J]. Prog Nucl Energy,2009,51: 313-318.

[3] Simpson M F,Law J D. Nuclear Fuel Reprocessing[M]. Idaho Falls: Idaho National Laboratory,2010: 17-18.

[4] 周嘉貞,張志庚,唐定芳，等.微型環(huán)隙式離心萃取器的性能與應(yīng)用[J].核科學(xué)與工程,1983,3 (3): 245-250.

[5] Deshmukh S S,Sathe M J,Joshi J B,et al. Residence Time Distribution and Flow Patterns in the Single-Phase Annular Region of Annular Centrifugal Extractor[J]. Ind Eng Chem Res,2009,48: 37-46.

[6] Deshmukh S S,Joshi J B. Flow Visualization and Three-Dimensional CFD Simulation of the Annular Region of an Annular Centrifugal Extractor[J]. Ind Eng Chem Res,2008,47: 3 677-3 686.

[7] 羅方祥，黃小紅，李高亮，等.Pu在單級(jí)離心萃取器中萃取與反萃取的研究[C]∥NCES’04,海拉爾：中國(guó)核學(xué)會(huì)核化工分會(huì)，2004：B09.