密实移动床离子交换柱的颗粒输送能力

资源类型:pdf 资源大小:113.00KB 文档分类:工业技术 上传者:黄绍华

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【作者】 梁栋  景山 

【关键词】密实移动床 离子交换柱 提升管 串液 无阀操作 

【出版日期】2005-04-30

【摘要】实验研究了工业上可用于从高放射性溶液中去除铯离子的f280 mm密实移动床离子交换柱的颗粒输送能力及其影响因素. 实验结果表明,密实移动床的进液量、提升液表观操作流速和密实移动床中的交换剂高度是影响固体颗粒提升速率的因素,并从压力平衡的角度对实验现象进行了解释. 根据实验结果,对这些影响因素进行了无因次关联. 在本实验中,斜管内串液量保持恒定,串液的方向是由提升管流进离子交换柱底部,这说明细长斜管可以有效地减小串液量.

【刊名】过程工程学报

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1 前 言 自从Jin等[1]提出新型的液固循环流化床至今,它已逐步地被应用到离子交换回收蛋白质[2]和催化合成支链烷基苯[3]化工过程. 目前,放射性条件下的离子交换系统一般采用固定床交换柱,但由于阀门过多,造成在放射性条件下操作和维修十分困难. 为了克服上述困难,Feng等[4]选择了液固循环流化床离子交换柱来除去高放射性溶液中的铯离子,同Han等[3]和Lan等[2]的液固循环流化床系统相比,为了更便于放射条件下应用,Feng等[4]主要做了如下的改进: (1) 在提升管处取消辅助液,相应地将提升液出口位置设于斜管中间,来减少系统所使用的泵和流量计的数目; (2) 建议在工业规模实验装置时采用细长的斜管,以减少串液量. 对于液固循环流化床提升管中的液固相互作用,Liang等[5]及Zheng等[6]进行了广泛的研究,指出随着提升液速度的增加,提升管中依次出现均匀流化床、初始循环流化、循环流化和输送等流区. 而对于与提升管相对应的立管(图1中的密实移动床)中液固相互作用则研究较少,Zheng等[7]仅从液固循环流化床的压力平衡角度对系统的特征进行了分析. 本实验在Feng等[4]高放射性条件下f50 mm液固循环流化床离子交换柱研究的基础上,采用去离子水来模拟真实料液和与无机离子交换剂流化性质相似的固体颗粒,研究了满足高放射性溶液中除铯离子交换过程工艺的工业规模的液固循环离子交换柱(即f280 mm离子交换柱)提升管中颗粒输送速度及其影响因素,以为该除铯系统在核工业后处理过程中 应用提供依据. 2 实 验 实验装置如图1所示. 实验所用的移动床离子交换柱4的内径f280 mm,柱高1500 mm;柱底部采用圆锥形结构,锥形段的夹角为60,进液口P1处的内径为f20 mm;而用于提升颗粒的提升管5内径f8 mm,提升管出口高度与移动床离子交换柱中液体出口高度相同,高度为1250 mm;斜管6与垂直方向的夹角为45,内径为f16 mm,长度300 mm. 提升管底部的喷嘴出口与斜管中心平齐. 水力学实验中所用的物料为水和树脂,树脂的性质如表1所示. 图1 实验装置示意图 Fig.1 Experimental setup 实验步骤如下:将树脂从离子交换柱4顶部加入,在柱中以密实移动床的形式向下运动,料液从进料口P1由计量泵2进入离子交换柱4中. 在柱内固液两相逆流接触. 水向上运动经P4回流到水槽1中,而树脂移动到交换柱底部,通过斜管进入吸入室. 提升液由计量泵从水槽1进入吸入室来输送树脂颗粒,输送树脂经提升管5进入离子交换柱顶部. 在离子交换柱顶部,固液混合1. Water tank 2. Pump 3. Rotameter 4. Moving-bed column 5. Riser 6. Inclined tube P1. Inlet of VF1 P2. Inlet of VF2 P3. Outlet of riser P4. Outlet of returning liquid 流体由于两相的密度差而分离,液相经出口P4回流至水槽1中,树脂颗粒则沉降在密实移动床层内开始新的循环. 表1 实验所用的颗粒性质 Table 1 Properties of particles used in the experiments dp (m) rS (kg/m3) j ut (m/s) umf (m/s) 0.610-3 1245 1 0.01736 0.618?0-3 料液和提升液体积流量VF1和VF2分别通过转子流量计3直接读出. 待密实移动床离子交换系统运行稳定后,在一定的时间间隔t内,从提升管顶部出口P3取出一定量的固液混合物,分相后分别测量固液两相的质量mS和mL,则提升管中提升液的真实表观流速uL和固体颗粒表观提升速率uS可分别由式(1)和(2)求出: uL=mL/ArrLt, (1) uS=mS/ArrSt. (2) 本实验中uF2是指提升液体积流量VF2与提升管横截面面积Ar的比,是可以直接调节的操作参数,因此称为表观操作流速,而uL则是提升管中液体的真实表观流速. 由图2可知,uF1和uF2在进入系统后均有通过斜管流动的可能,即uF1从交换柱底部P1进入后除了流经交换柱4,也可能沿斜管从上向下进入提升管,从而使离子交换柱中料液的实际流量下降;uF2在从提升管底部P2进入后除了流经提升管用于提升固体颗粒也可能沿斜管从下向上进入离子交换柱,从而使离子交换柱内的料液实际流量上升,而用于提升的液体流量减小. 液体通过斜管流动的现象被称为“串液”,通过斜管的串液量Vleakage可以由式(3)计算得到: Vleakage=VF2-VL, (3) 其中 VL=uLAr. 当Vleakage<0时,表示斜管内从离子交换柱向提升管方向串液;当Vleakage>0时,表示斜管内从提升管向离子交换柱方向串液;当Vleakage=0时,表示斜管内没有串液. 为了表示串液量对提升管中提升液流量的影响,定义串液率Er为 Er=Vleakage/VL. (4) 3 结果与讨论 3.1 操作参数对固体颗粒提升速率的影响 图2分别给出密实移动床中不同树脂高度H下,提升管中真实表观液速uL和颗粒提升速率uS的关系. 由图2(a)可知,当uL=0.017 m/s时,uS=0,即当uL<0.017 m/s时,在提升管中处于传统的流化状态,而此时的uL=ut. 这一结论与Zheng等[8]的结论是一致的. 从图2(b)和2(c)也观察到同一现象. 由图2(a)可知,当uF1=0.11310-3 m/s时,uS随着uL的增加先增大,当uL=0.06 m/s后就减小,同时提升管中所对应的流区分别经过初始循环流态化区、循环流化区和输送区;当uF1=0.23510-3 m/s时,uS随着uL的增加先增大,当uL=0.1 m/s后保持恒定,此时,提升管中所对应的流区分别为初始循环流态化区和循环流化区;当uF1=0.37410-3和0.49610-3 m/s时,uS随着uL的增加线性增大,并且两者曲线重合,对应着循环流态化的初始区. 由此可见,随着uF1的增加,树脂颗粒的提升速率先增大,随后对uS没有影响. 由图2(b)和2(c)可知,当uF1=0.11310-3 m/s时,uS随着uL的增加先增大,后保持恒定,此时提升管中对应流区为初始循环流态化区和循环流化区,并没有出现H=0.7 m时的输送区;而当uF1=0.23510-3 m/s时,uS随着uL的增加而线性增大,提升管中所对应的流区为初始循环流态化区,并没有出现H=0.7 m时的循环流化区. 当uF1=0.37410-3, 0.49610-3和0.61810-3 m/s时,uS随着uL的增加而线性增大且重合,对应着初始循环流态化区. 这说明当移动床中颗粒高度H增加时,提升 图2 uF1对树脂颗粒提升速率的影响 Fig.2 Influence of uF1 on rising velocity of resin 0.000.050.100.0000.0010.0020.0030.0040.0050.006UF1 (x103 m/s) 0.113 0.235 0.374 0.496(a)uS (m/s)uL (m/s) H=0.7 m 0.000.050.100.0000.0020.0040.0060.0080.010UF1 (x103 m/s) 0.113 0.235 0.374 0.496 0.618(b) H=0.9 m uL (m/s)0.000.050.100.0000.0040.0080.0120.016 UF1 (x103 m/s) 0.113 0.235 0.374 0.496 0.618(c)uL (m/s) H=1.1 m 管中流区的操作范围也相应增大. 3.2 斜管中的串液 图3分别给出了不同树脂高度H下,斜管中的串液量Vleakage与VF2的关系. 由图可知,在实验装置稳定运行时,串液量Vleakage随着VF2的增加保持恒定;当H=0.7 m时,Vleakage的平均值为1.18 L/h,而H=0.9和1.10 m时,Vleakage的平均值分别为1.21和1.21 L/h. 因此,对于本系统在本实验范围内,Vleakage的平均值约为1.20 L/h,并且大于零. 由式(4)可知,斜管中串液方向是从提升管向上经斜管进入移动床离子交换柱中. 图3 斜管中的串液与VF2的关系 Fig.3 Relation of leakage volume of liquid in the inclined tube with VF2 3.3 离子交换柱循环系统的压降分析 3.3.1 离子交换柱中压降 (1) 可由Ergun[9]公式求得移动床离子交换柱的压降: Dp=150[(1-e)2/e3(jdp)2]muF1H+1.75[(1-e)/e3][ru2F1/jdp]. (5) 由于在移动床条件下,颗粒的雷诺数Re=dp(uF1+uleakage)rL/m= 0.37<10,所以在密实移动床中液相流动属于层流区,因此Ergun公式可简化为: Dp1=150{(1-e)2/[e3(jde)2]}muF1H. (6) 由式(6)可知,液体流过密实移动床的压降随着液体流速的增加而增大,随颗粒床层高度的增加而增大. 这说明增加uF1或H都能使交换柱底部压力增加,使斜管两端的压差增大,从而使树脂颗粒输送量增加. (2) 离子交换柱锥段的压降 在实验装置稳定运行时,由图2分析可知,交换柱底部锥段中的树脂颗粒处于两种形态:流化界面以下的颗粒处于流化状态,而流化界面以上的颗粒则处于密实状态. 由Kwauk[11]的广义流态化公式可知: ()()()1/1/2/2/F1tF1t4/4/2,nnnnVudVurepp--== (7) 其中,n由Richardson等[10]的经验关联式可得,当Ret= dputrL/m=10.34时, 0.1pt[4.4518()].nddRe-=+ (8) 由于0.02 m≤d≤0.28 m,所以n3.752, 则锥段中树脂颗 粒流化段压降为 0001/2/2SSSF1t(1)dd(4/)(2)d.rrrnnrrrpgrgrgVurrrerrp-D=-=-蝌 (9) 树脂颗粒处于密实段的压降由Ergun公式可知: ()23223pF1150(1)/()4/(2)d.RrpdVrrmeefp-轾D=-臌 (10) 则密实移动床中的总压降为 Dpmoving-bed=Dp1+Dp2+Dp3. (11) 实验测量值与式(11)计算结果的比较如图4所示. 图4中直线为由式(11)计算的Dpmoving-bed值. 由图可知,密实移动床中的压降测量值与由式(11)的计算值相吻合;并且当uF1保持恒定时,由于串液量很小,因此可以忽略,Dpmoving-bed值并不随uF2的增加而变化,即保持恒定. 3.3.2 斜管的压降 实验测量的斜管压降如图5所示. 当uF1恒定时,无论H变化,Dpinclined值随着uF2基本上保持恒定,而此时密实移动床中的Dpmoving-bed随着H增加而增大,造成了在提升管中的用于输送的动力压降也增加,相应地uS也增加,如图6所示. uF1增加,Dpinclined值也增大,这就是本密实移动床中斜管的压降特征. 048121620240.60.81.01.21.41.61.8 UF1 (x103 m/s) 0.235 0.374 0.496 0.618 (c) H=1.

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