繞絲過濾器在密實固定床吸附塔上的應用

王振北,王 庫,付海鵬,韓思遠

(中核第四研究設計工程有限公司,河北 石家莊 050021)

目前,離子交換技術在中國鈾水冶廠的鈾提取工藝中占主導地位[1-2]。根據樹脂在塔中的形態,離子交換設備主要分為密實固定床、密實移動床和流化床[3-4];其中密實固定床吸附塔對料液流量、鈾濃度的變化適應性強,運行可靠[5-6],廣泛應用于浸出液鈾濃度低、流量大、濁度低的地浸鈾礦山水冶廠。

密實固定床吸附塔底部出液口過濾裝置有鵝卵石和石英砂過濾、塑料管開孔外纏繞尼龍濾布過濾、塑料板上開孔安裝水帽過濾等類型[7-8]。采用石英砂和鵝卵石過濾,樹脂和石英砂易混,樹脂利用率低。近年來,在地浸鈾礦山密實固定床吸附塔中,繞絲過濾器逐漸取代了上述過濾裝置[9];新建和擴建的鈾水冶工程和鈾礦山廢水處理工程中的吸附塔,基本都使用了繞絲過濾器作為吸附塔底部出液口過濾裝置。

工程設計時,密實固定床吸附塔空塔線速度基本在20～40 m/h范圍內選取,但國外某些吸附設備原液空塔線速度遠高于該值。因此,有必要研究繞絲過濾器在高流速下的出液能力和過濾效果,為開發大型高效的離子交換設備提供理論依據。目前在設計選型時,一般只根據經驗按照進液口面積來估算繞絲過濾器個數和規格,缺少試驗數據。而在實際生產時,往往只關注整個樹脂床層的壓降,對繞絲過濾器兩端壓降的變化規律研究較少。為此,進行密實固定床吸附塔繞絲過濾器出液能力試驗、吸附試驗和反沖洗試驗,研究繞絲過濾器在高流速下的出液能力,用以指導繞絲過濾器的設計和選型。

1 繞絲過濾器的結構特點

繞絲過濾器的過濾部分是由楔形的不銹鋼表層絲和呈圓周式排列的一組縱向支撐條通過電阻滾焊工藝全自動化數控加工成型。繞絲過濾器生產工藝成熟,繞絲表面光滑,無棱角,無毛刺,其結構形式見圖1。

圖1 繞絲過濾器結構形式Fig. 1 Wire-wrapped filter structure

繞絲過濾器特點:1)機械強度高,能夠承受較大的壓差;2)楔形過濾縫隙均勻、連續,通流面積大,孔隙率高;3)近乎二維的濾絲沒有顆粒堆積死角;4)楔形縫隙在反沖洗時能夠聚集反沖洗能量,反沖洗效果好;5)生產工藝和應用成熟,在某些行業已形成標準化系列產品[10]。

2 繞絲過濾器過濾能力試驗

2.1 繞絲過濾器布置方式

試驗用吸附塔直徑700 mm,直筒段長4 000 mm。從吸附塔設計方面考慮,為減小下封頭內樹脂吸附死角范圍,繞絲過濾器應盡可能均勻布置在下封頭內;但過多的開孔會影響封頭強度,且底部管路復雜,操作檢修空間受影響。因此,當吸附塔直徑確定后,可布置的繞絲過濾器個數和直徑便基本確定。為避免塔底部樹脂與吸附原液接觸不充分,且考慮有足夠的更換檢修空間,繞絲過濾器不宜伸入塔內太長。另外,考慮到繞絲過濾器伸入接管內部的部分(圖2)更易堵塞(該區域流速大、壓力高,樹脂易破碎),會影響有效過濾面積,故繞絲過濾器的過濾面積基本被限制。

圖2 繞絲過濾器布置方式Fig. 2 Arrangement of the wire-wrapped filter

本試驗選用的繞絲過濾器直徑40 mm、高200 mm、縫隙0.25 mm。將8個繞絲過濾器垂直均布在吸附塔下封頭內,用于過濾吸附尾液(圖2),1號和2號壓力表用于測量繞絲過濾器兩端的壓差。8個繞絲過濾器的總過濾面積約為0.192 m2(總縫隙面積約為0.021 m2,是進液口橫截面積的4.25倍[11])。

繞絲過濾器的布置方式有以下優點:1)出液口均勻分散,有利于消除吸附死角;2)樹脂出口位于吸附塔最底端,方便樹脂排放,提高飽和樹脂利用率;3)反沖洗時進液均勻,反沖洗效率高。

2.2 繞絲過濾器出液能力試驗

為保證在高流量時吸附試驗能順利進行,選取初始空塔線速度約為65 m/h,在吸附塔未裝樹脂的情況下,對繞絲過濾器的出液能力進行試驗。保持進液泵轉速不變,依次關閉不同數量的繞絲過濾器出口閥,測試吸附塔的流量和壓降變化(表1)?？梢钥闯?當關閉3個過濾器出口閥時(此時過濾縫隙面積是進液口橫截面積的2.65倍),繞絲過濾器壓降沒有明顯變化,流量略有減小;繼續關閉出口閥,壓降緩慢增加,流量緩慢下降,但依然保持在較高的水平;當僅有1個出液口時,流量明顯降低,僅為完全打開時的66%,同時壓降也較打開2個出液口時增加1倍。

表1 繞絲過濾器出液能力測試Table 1 Liquid outflow capacity test of wire-wrapped filter

試驗說明,在正常情況下8個繞絲過濾器完全可以滿足試驗所需流速,繞絲過濾器的輕微堵塞對塔的出液能力影響很小。當只開啟5個繞絲過濾器時,即可滿足試驗要求;但考慮到繞絲過濾器伸入接管內部的部分壓降高、易堵塞,因此設計選型時,推薦考慮1.5倍的工程系數,即按過濾縫隙面積是進液面積的4倍進行計算選型。

2.3 繞絲過濾器壓降變化情況

樹脂填裝高度為3.5 m,樹脂床層體積為1.4 m3,初始空塔線速度為60 m/h,塔頂和塔底壓力差(即樹脂床層壓降)為0.1 MPa。8個繞絲過濾器全開,進行不同流量下(空塔線速度60 m/h、45 m/h和35 m/h)的吸附試驗,結果見表2。

表2 繞絲過濾器試驗效果Table 2 Filtering effect of wire-wrapped filter

前3個吸附試驗循環,吸附尾液通過繞絲過濾器的壓降較小,繞絲過濾器壓降約為0.020 MPa。當進行到第4個吸附試驗循環時,累計處理床體積達13.601 kBV,繞絲過濾器壓降開始明顯上升;且隨著吸附進行,壓降迅速增大,當累計處理床體積達到16.649 kBV時,繞絲過濾器壓降增加至0.297 MPa,此時繞絲過濾器的阻力約為樹脂床層阻力的3倍,需要進行解堵清洗。

分析繞絲過濾器兩端壓降升高的原因,認為起初是由于少量碎樹脂堵塞過濾縫隙,使得過濾面積減小,壓降增大;而后在壓力作用下造成更多樹脂破碎堵塞縫隙[12],惡性循環,故而后期壓降呈指數形式增長。拆下繞絲過濾器進行驗證,發現過濾縫隙內塞有大量碎樹脂。實際生產時,應隨時關注繞絲過濾器兩端壓降的變化情況,當壓降明顯升高時,應及時進行清堵工作,否則可能會造成過濾器的破壞,而且過高的壓力也影響塔體的強度。

3 繞絲過濾器清洗效果

吸附塔經過長時間運行后,碎樹脂和雜質會堵塞繞絲過濾器,造成繞絲過濾器阻力增大,過濾能力降低。對繞絲過濾器進行定期清洗,可以有效降低過濾器阻力,恢復過濾能力。

清洗試驗采用人工洗刷和反沖洗2種方式。通過對比清洗前后相同流量下的壓降變化,判斷繞絲過濾器的清洗效果。1號繞絲過濾器采用人工刷洗方式,將繞絲過濾器卸下,用毛刷將堵塞樹脂清洗干凈;2～8號繞絲過濾器用吸附尾液逐個進行反沖洗,反沖用水量分為0.2 m3、0.4 m3和0.6 m33個等級,結果見表3。2～4號繞絲過濾器反沖洗時塔內物料為排凈狀態,5～8號繞絲過濾器反沖洗時塔內有0.6 m高樹脂層和1.4 m高吸附原液。清洗完成后,塔內填充0.6 m3樹脂,測定了不同繞絲過濾器開啟狀態下的壓降(表4)。

表3 繞絲過濾器清洗方式Table 3 Cleaning methods of wire-wrapped filter

表4 繞絲過濾器清洗前后過濾效果對比Table 4 Filtration effect comparison before and after cleaning of wire-wrapped filter

由表4可看出,清洗后繞絲過濾器壓降有顯著下降,8個繞絲過濾器全開時壓降已經基本恢復到吸附初期的水平。采用反沖洗方式進行清洗時,在物料排空情況下反沖洗效果更佳;當有2.0 m高物料時,反沖洗后繞絲過濾器壓降降低的略少,但也滿足生產要求;反沖洗用水量(0.2 m3、0.4 m3和0.6 m3)對反沖洗效果影響不大。與人工刷洗相比,采用反沖洗方式清洗的過濾器的兩端壓降更小,效果更優。生產中可以在不拆卸過濾器的情況下進行反沖洗,有利于節省人工和時間成本。

4 工程應用

某鈾水冶廠擴大廠房改造項目和某水冶廠提升改造項目均使用密實固定床吸附塔,塔直徑均為3.2 m,設計空塔線速度分別為30 m/h和25 m/h,進液口直徑分別為0.20 m(面積為0.03 m2)和0.25 m(面積為0.05 m2)。在設計選型時,均選取了8個繞絲過濾器環形均布在下封頭內,過濾器直徑都為0.20 m,總縫隙面積分別為0.12 m2和0.20 m2,是進液口面積的4倍。在運行過程中,定期反沖洗,截至目前使用狀態良好。

某科研項目密實固定床吸附塔直徑6 m,試驗液體進料口直徑0.50 m(面積為0.20 m2)。為了減小底部吸附死角,繞絲過濾器分內外圈布置,內圈布置4個,外圈布置8個,過濾器直徑為0.20 m,總縫隙面積約為進液口面積的4倍(即0.80 m2)。目前正在進行不同流量的吸附試驗,運行良好;且在運行過程中隨時監視繞絲過濾器兩端的壓降,反沖洗后壓降能夠達到吸附初期的水平。

5 結論

1)推薦繞絲過濾器的過濾縫隙面積是進液口面積的4倍左右。在該條件下,繞絲過濾器可以滿足空塔線速度65 m/h時的出液能力和過濾功能。

2)當繞絲過濾器吸附尾液處理量達到一定值后,繞絲過濾器兩端壓降明顯上升,呈指數形式增大,此時需要及時清洗過濾器。生產時應隨時關注繞絲過濾器兩端壓降變化。

3)用吸附尾液對繞絲過濾器進行直接反沖洗,可以使繞絲過濾器的阻力顯著下降,并基本恢復到吸附初期的水平。