Пневматическое (воздушное) перемешивание урана

Перемешивание в жидкой среде часто осуществляют, пропуская через жидкость поток газа (воздуха) или пара. В последнем случае перемешивание и нагревание жидкости совмещаются, так как пар, конденсируясь, отдает свое тепло жидкости, образующейся в результате конденсации пара; это необходимо учитывать при выборе данного способа перемешивания и обогрева (обогрев острым паром), потому что разбавление содержимого аппарата не всегда желательно. Расход острого пара определяется обычно не эффективностью перемешивания, а необходимым качеством обогрева, а поэтому его рассчитывают из уравнения теплового баланса.

Воздушное перемешивание в настоящее время широко используется на многих урановых заводах, особенно в Южной Африке и Канаде. Это определяется возможностью вести процесс просто, дешево, при отсутствии движущихся частей и с минимальными эксплуатационными затратами. Работа при воздушном перемешивании производится за счет энергии сжатого воздуха и может быть рассчитана, если принять, что количество энергии, передаваемой от перемешивающего воздуха жидкости, равно в первом приближении изотермической работе сжатия воздуха до давления на дне аппарата.

При подъеме воздуха вверх на высоту dH затрачивается работа

Сила гидравлического сопротивления среды F может быть принята равной подъемной силе, выталкивающей пузырьки воздуха вверх:

где n — число воздушных пузырьков; dэ — средний диаметр пузырьков, м; уж — удельный вес жидкости, кг/м3; ув — удельный вес воздуха, кг/м3.

Учитывая, что уж > ув, последней величиной можно пренебречь. Тогда

где Q — объем всех пузырьков воздуха в аппарате, м3.

Объем воздуха в аппарате испытывает дополнительное гидростатическое давление столба жидкости, поэтому

где Н — глубина погружения ввода воздуха в жидкость, м; Pа — атмосферное давление над уровнем жидкости в аппарате, кг/м2; Qа — расход воздуха при атмосферном давлении, м3/мин.

Сравнивая уравнения (2.22) и (2.23), получаем

Интегрирование этого уравнения позволяет получить выражение для определения полной работы воздуха, выпущенного в аппарате на глубине Н:

Пары жидкости, испаряющейся в пузырьки воздуха, увеличивают объем воздуха по мере его подъема вверх, поэтому

где P — парциальное давление паров жидкости, кг/м3.

Уравнения (2.25) и (2.26) можно использовать для определения работы, затрачиваемой в единицу времени при прохождении воздуха через жидкость.

Воздух, применяемый при перемешивании, следует подавать в аппарат под давлением, достаточным для преодоления сопротивления трения и гидростатического сопротивления столба жидкости. Для определения этого давления можно использовать уравнение

где w — скорость воздуха, м/сек; Ее — сумма коэффициентов сопротивления.

Однако следует учесть, что не вся работа, расходуемая на преодоление сопротивления среды, полезно используется на перемешивании жидкости; часть энергии воздушного потока теряется из-за скорости «скольжения» (скорости движения пузырьков воздуха относительно жидкости).

Таким образом, работа перемешивания равна

где А — полная работа, величина которой определяется из уравнений (2.25) или (2.26); Aск — потеря энергии на скольжение.

Обычно Aск составляет не более 15—20% величины полной работы. При введении воздуха непосредственно в нижнюю часть аппарата в аппарате создается свободный аэролифт, обеспечивающий интенсивное перемешивание жидкости. Передача энергии воздуха происходит постепенно по всей глубине аппарата и при движении от места впуска к поверхности интенсивность перемешивания возрастает. Чем выше по высоте аппарата вводится воздух, тем меньше затраты энергии на его сжатие. Поэтому, очевидно, выгоднее вводить воздух на небольшой глубине, т. е. использовать воздушное перемешивание в широких, но низких аппаратах. Однако в этом случае труднее обеспечить равномерность перемешивания по всему сечению аппарата.

Для интенсификации воздушного перемешивания в аппаратах часто устанавливают аэрлифтные трубы (циркуляторы), создающие многократную рециркуляцию жидкости в аппарате (рис. 2.2). Циркулятор представляет собой открытую с обоих концов трубу, которую устанавливают в центре аппарата. Внутрь циркулятора подают воздух, энергия которого в этом случае затрачивается на втягивание жидкости в нижнее отверстие циркулятора и на создание скоростного напора жидкости, поднимающейся по циркулятору. Чем больше величина создаваемого восходящего потока, тем лучше перемешивание, так как действие восходящего потока вызывает замкнутую циркуляцию пульпы в аппарате.

Увеличения потока через циркулятор можно добиться увеличением его диаметра или скорости воздушного потока, а также изменением положения циркулятора. При этом следует учесть, что для каждого диаметра циркулятора существует определенная величина предельного расхода воздуха, дальнейшее увеличение которого уже незначительно влияет на величину потока через циркулятор. Однако практически расход воздуха всегда меньше этой предельной величины, так как задача перемешивания состоит в обеспечении в первую очередь той скорости, которая не позволяет взвеси, находящейся в жидкости, осаждаться на днище аппарата.

Расход воздуха для поддержания эффективной циркуляции пульпы возрастает с увеличением скорости осаждения частиц взвеси, в то время как степень перемешивания повышается прямо пропорционально скорости циркуляции. Увеличение диаметра циркулятора увеличивает поток через него вследствие уменьшения линейных скоростей потоков в трубе и соответствующего уменьшения сопротивления их движению.

С увеличением расстояния от нижнего конца циркулятора до днища аппарата поток через него увеличивается. Однако поднимать верхний конец циркулятора выше уровня жидкости в аппарате также не рекомендуется, потому что при этом резко возрастает расход воздуха на обеспечение заданной эффективности перемешивания.

Эффективность воздушного перемешивания можно определять, основываясь на тех же принципах, которые изложены при рассмотрении механического перемешивания. Обычно воздушное перемешивание обеспечивает лучшую эффективность процесса, чем механическое. В большинстве случаев больший расход энергии на воздушное перемешивание компенсируется экономией на ремонтные работы и при эксплуатации.

Расход воздуха на перемешивание 1 м3 пульпы, содержащей до 60% твердого, составляет, по данным зарубежных урановых заводов, 0,02 м3/мин при давлении 2,5—3 атм. В пересчете на 1 м2 свободной поверхности аппарата это примерно 0,2 м3/мин.

Определение критической скорости воздуха wкр, характеризующей полное смешение пульпы в аппарате со свободным эрлифтом, показало, что величина wкр пропорциональна концентрации твердой фазы в пульпе в степени 0,32 и диаметру частиц взвеси в степени 1,4. Эффективность воздушного перемешивания зависит от конструкции устройств для распределения воздуха.

В связи с тем, что величина потери энергии на скольжение пропорциональна степени диспергирования воздуха, т. е. диаметру его пузырьков, следует стремиться к наиболее тонкому диспергированию воздуха. Размер пузырьков воздуха зависит от режима выхода его из входного отверстия. При Re > 10 000 диаметр пузырьков dэ не зависит от диаметра отверстия, из которого они выходят, и определяется, согласно работе, из уравнения

которое показывает, что d увеличивается с ростом расхода воздуха.

Очевидно, наиболее рационально подавать в аппарат воздух через одно или несколько отверстий диаметром, обеспечивающим величину Re не менее 10 тыс., так как при большом количестве мелких отверстий dэ зависит от их диаметра. Кроме того, в последнем случае имеет место значительная потеря энергии на преодоление местных сопротивлений на входе в множество отверстий. Поэтому распределение воздуха через барботеры в виде горизонтальных труб с множеством мелких отверстий следует считать нерациональным (см. рис. 2.2).

В случае использования циркулятора удобно подавать воздух через несколько крупных отверстий по окружности циркулятора.

При наличии свободного аэролифта целесообразно подавать воздух через одно отверстие в днище аппарата, выполненном в виде конуса с углом 60°.