固液分離技術(shù)5沉降分離課件

1、5.1 沉降分離的理論5.1.1 概述根據(jù)固體顆粒所受到力場(chǎng)的不同，沉降可以分為重力沉降和離心沉降。例：重力除塵過程中，氣體從降塵室入口流向出口，氣體中的粉塵顆粒隨氣體向出口流動(dòng)，同時(shí)向下沉降。Chapter 5 沉降分離 固液分離中的，重力沉降是利用固體與液體的密度差，顆粒受自身重力作用沉降，使懸浮液分為澄清液和濃漿，最終達(dá)到固液分離目的。 在沉降過程中，不僅較粗粒級(jí)容易沉降，而且微細(xì)物料可以通過凝聚或絮凝也能夠達(dá)到較好的沉降效果。 離心沉降是利用固液兩相的密度差，將分散在懸浮液中的固相顆粒于離心力場(chǎng)中進(jìn)行固液分離。如圖所示，在濃密機(jī)中進(jìn)行沉降濃縮時(shí)，整個(gè)作業(yè)空間可以分為五個(gè)區(qū)。 A區(qū)為澄清

2、區(qū): 得到的澄清液作為溢流產(chǎn)物從溢流堰排出；B區(qū)為自由沉降區(qū): 需要濃縮的懸浮液（給料）首先進(jìn)入B區(qū)，固體顆粒依靠自重迅速沉降，進(jìn)入壓縮區(qū)D；壓縮區(qū)D: 在該區(qū)，懸浮液中的固體顆粒已經(jīng)形成較緊密的絮團(tuán)，沉降繼續(xù)進(jìn)行，但其速度已較緩慢；5.1.2 重力濃縮理論及濃密機(jī)的計(jì)算 重力濃縮過程E區(qū)為濃縮物區(qū): 設(shè)有旋轉(zhuǎn)刮板（該區(qū)的一部分呈淺錐形表面），濃縮物中的水分在刮板的擠壓作用下滲出，懸浮液濃度進(jìn)一步提高，最終由濃密機(jī)底口排出，成為濃密機(jī)的底流產(chǎn)品；自由沉降區(qū)B和壓縮區(qū)D之間，有一個(gè)過渡區(qū)C，此區(qū)中，部分顆粒由于自重作用沉降，部分顆粒則受到密集顆粒的阻礙，呈現(xiàn)出干涉沉降的特征，故稱為干涉沉降區(qū)。

3、重力濃縮模型可以分為靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型兩類。主要討論靜態(tài)模型。A 科-克來(lái)文杰（coe-clevenger）穩(wěn)態(tài)沉降模型（簡(jiǎn)稱C-C模型）及C-C法1916年，科-克來(lái)文杰提出了濃密機(jī)穩(wěn)態(tài)沉降模型，主要論點(diǎn)是：1）自由沉降區(qū)的濃度等于進(jìn)入濃密機(jī)的懸浮液的初始濃度；即B區(qū)固體濃度等于進(jìn)料懸浮液中固體的濃度。2） 在自由沉降區(qū)內(nèi)顆粒呈群體以相同速度沉降，稱之為區(qū)域沉降，以區(qū)別于兩相流中的固體顆粒的自由沉降； 3 ）區(qū)域沉降的特點(diǎn)是區(qū)內(nèi)每一個(gè)截面均以同一速度下降，同一層的顆粒應(yīng)當(dāng)以同一速度下降，而且各層均相同；4 ）懸浮液在自由沉降區(qū)（B區(qū)）的沉降速度只是該區(qū)濃度的函數(shù)，而與顆粒大小、密度無(wú)關(guān)（一般

4、可通過沉降試驗(yàn)獲得）。科-克來(lái)文杰通過推算，得出令 稱為濃密機(jī)的固體通量（單位面積上的固體質(zhì)量流量），則有上式就稱為科-克來(lái)文杰方程式，用于計(jì)算濃密機(jī)面積時(shí)稱為C-C法。采用C-C法計(jì)算濃密機(jī)面積時(shí)，需要做一系列不同濃度的懸浮液的沉降試驗(yàn)，濃度范圍在濃密機(jī)的給料和底流濃度之間。該方程可以用于計(jì)算濃密機(jī)的面積，但一般結(jié)果偏小。 B 凱奇（kynch）沉降模型及T-F法、奧特曼（oltmann）法凱奇（kynch）沉降模型 1951年凱奇引入了特征濃度（characteristic concentration）的概念。 在懸浮液中固體顆粒沉降過程中，一定發(fā)生濃度分層，下層的高濃度漿體必定向上層低濃

5、度層進(jìn)行擴(kuò)散，其擴(kuò)散速度為濃度的函數(shù)，每個(gè)濃度均有其相應(yīng)的擴(kuò)散速度，凱奇把這種濃度稱為特征濃度。 把特征濃度向上擴(kuò)散的軌跡，即隨時(shí)間的變化線稱為特征濃度線?？捎肏=u(MSX)t（式5-4）表示。 因?yàn)槊總€(gè)濃度均有其相應(yīng)的擴(kuò)散速度，所以每條特征濃度線都是直線。 當(dāng)初始料漿濃度較稀時(shí)，特征濃度線可以認(rèn)為是類似oD的一條直線。因?yàn)閿U(kuò)散現(xiàn)象實(shí)際上自懸浮液開始沉降便已出現(xiàn)，所以每條特征濃度線均發(fā)出于沉降曲線的原點(diǎn)，即H=0處，且特征濃度線上的每一點(diǎn)的懸浮液濃度均相等。如圖5-2。 由左圖中可以看出，D點(diǎn)為自由沉降與干涉沉降的分界點(diǎn)，P點(diǎn)為干涉沉降與壓縮區(qū)的分界點(diǎn)，U點(diǎn)以后為底流濃度。在沉降過程中，速度

6、限制層首先在底部形成，再逐漸向上推移，因此速度限制層是向上擴(kuò)散的。所以懸浮液在沉降過程中存在著一個(gè)向上的流速和一個(gè)向下的沉速，其相對(duì)速度為兩者的代數(shù)和。 假設(shè)沉降筒的橫截面積為A，懸浮液高度為H0，初始濃度為MS0，則筒中固體總質(zhì)量為H0 MS0A。 在沉降中，速度限制層逐漸向上擴(kuò)散，假設(shè)它一直擴(kuò)散到沉降層界面，所需要的時(shí)間為tX，此時(shí)，通過該層的固體量應(yīng)為MSX(ux+vx)tXA，而該量應(yīng)該等于筒中全部的固體量 即： MSX(ux+vx)tXA= H0 MS0A由圖5-2可知，向下的沉降速度為曲線的斜率，即 v X=(HZ-HX)/tX 向上的擴(kuò)散速度為uX=HX/tX綜合以上公式可以得出

7、MSXHZ=MS0H0 凱奇第三定律凱奇第三定律表明：1）在沉降筒的任何一個(gè)截面處，其濃度可由凱奇第三定律公式求出；3）該公式考慮了在濃縮過程中底部高濃度料漿層向上擴(kuò)展的影響，故更符合實(shí)際，有利于評(píng)估濃密機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)能力。2）在DP之間的過渡區(qū)內(nèi)，濃度為MSX的懸浮液，其沉降速度 可由圖5-2上x點(diǎn)的切線斜率求出，即 x=(Hz-Hx)/ tX，而不需要做沉降試驗(yàn)；T-F法塔爾梅奇（Talmage）和菲奇（Fitch） 1955年推導(dǎo)出專門用于計(jì)算濃密機(jī)面積的公式，該方法稱為T-F法。推導(dǎo)過程如下：設(shè)濃密機(jī)的底流濃度為Msu，相應(yīng)的沉積層高度為Hu，由凱奇第三定律可有 MSXHZ=MS0H0=

8、 Msu Hu (5-6)上式全部取倒數(shù)，則有 （5-7）綜合公式（5-3）（5-7），有 （5-8）其中，“-”表示固體通量方向向下。濃密機(jī)的單位處理量所需沉降面積Asp（比單位面積）為 （5-9）由于Asp是標(biāo)量，故在式前加“-”符號(hào)。 T-F法1）先做任一濃度的該懸浮液的靜態(tài)沉降試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作出靜態(tài)沉降曲線，如圖5-3所示。2）從曲線找到壓縮點(diǎn)P（一般通過直接觀察或作對(duì)數(shù)曲線圖）。3）過壓縮點(diǎn)P作曲線的切線。假設(shè)要求濃密機(jī)底流濃度為Msu，可根據(jù)式（5-6）計(jì)算出Hu值，在沉降曲線上作直線H=Hu，與過壓縮點(diǎn)P切線交于M(tu,Hu)，便可根據(jù)式（5-9）及濃密機(jī)的生產(chǎn)能力，計(jì)算濃

9、密機(jī)的面積。優(yōu)點(diǎn):是只需要做一次靜態(tài)沉降試驗(yàn)，根據(jù)沉降曲線，就可以求出Asp值。缺點(diǎn):是常常低估濃密機(jī)的處理能力，在實(shí)際設(shè)計(jì)中造成基建投資增加；并且當(dāng)壓縮點(diǎn)P不明顯時(shí)難以應(yīng)用。奧特曼（oltmann）法針對(duì)T-F法的缺點(diǎn)，奧特曼對(duì)此作了改進(jìn)，即取沉降曲線上直線H0P與底流濃度線H=Hu的交點(diǎn)N的橫坐標(biāo)tu作為濃縮時(shí)間（如圖5-3所示）。計(jì)算時(shí)將（5-9）中的tu以 tu代替即可。奧特曼（oltmann）法會(huì)高估濃密機(jī)的處理能力，因而計(jì)算出的濃密機(jī)面積偏小，要乘以一個(gè)大于1的安全系數(shù)修正。 5.1.3 濃密機(jī)參數(shù)的計(jì)算 濃密機(jī)深度H的計(jì)算耙式濃密機(jī)深度H等于H=H1+H2+H3+H4 其中H1澄

10、清區(qū)高度，m；H2自由沉降區(qū)高度，m；H3壓縮區(qū)高度，m；H4濃縮物區(qū)高度，m;過渡區(qū)高度通常不單獨(dú)考慮。一般，澄清區(qū)高度在0.50.8m，自由沉降區(qū)高度0.30.6m。H3= Vslt3=(1+R) t3/(slAsp) 濃縮區(qū)（錐底部分）高度H4可由下式計(jì)算H4=Dtan1/2 一般情況下，不需要計(jì)算濃密機(jī)深度，因?yàn)闈饷軝C(jī)深度都已經(jīng)有定型系列。通過公式計(jì)算深度H可以作為復(fù)核檢驗(yàn)的依據(jù)。 課堂作業(yè)下圖為某濃密機(jī)中料漿的沉降模型曲線，濃密機(jī)的底流口排出濃縮料漿的體積為10m3時(shí)，其中的固體質(zhì)量為150kg，濃縮料漿在壓縮區(qū)內(nèi)的密度為2500kg/m3，澄清區(qū)高度為0.6m，濃密機(jī)的比單位面積為

11、3.14m2，直徑為2m，錐底傾角30，求濃密機(jī)的深度。解：濃密機(jī)深度H=H1+H2+H3+H4 (1分)已知：H1=0.6m; SL=2500kg/m3；Asp=3.14m2；D=2m； =30 ；由圖中可知H2=0.6m；tU=120s；tP=70s；(2分)根據(jù)料漿的體積為10m3時(shí)，其中的固體質(zhì)量為150kg，濃縮料漿在壓縮區(qū)內(nèi)的密度為2500kg/m3；可以得出料漿的液固比R=（102500-150）/150=166；(2分)t3= tU - tP =50s；(1分)所以H3=(1+R) t3/(SL/Asp)=（1+166）50/（25003.14）=1.064m；(2分)H4=D

12、tan1/2=2tan301/2=0.577m；(1分)故H=H1+H2+H3+H4=0.6+0.6+1.064+0.577=2.841m。(1分) H3= VsLt3=(Vsp/Asp) t3=(10/150) 50/3.14 =1.064m;(2分) 濃密機(jī)面積的計(jì)算主要有以下兩種方法：1）按濃密機(jī)的單位面積處理量q計(jì)算濃縮作業(yè)所需要的總面積A（m2）其中GF為給入濃密機(jī)的固體量，t/d；q為濃密機(jī)的單位面積處理量，t/（m2d）。濃密機(jī)的單位面積處理量q，一般根據(jù)試驗(yàn)或半工業(yè)試驗(yàn)來(lái)選定，或參考類似生產(chǎn)指標(biāo)。見P204表5-1。得出總面積后，根據(jù)下式D=1.13A1/2 計(jì)算濃密機(jī)直徑D。

13、 2） 按溢流中最大顆粒的沉降速度計(jì)算濃密機(jī)濃縮作業(yè)需要的總面積。計(jì)算濃密機(jī)面積后，再利用D=1.13A1/2 計(jì)算濃密機(jī)直徑。通常還需要計(jì)算濃密機(jī)上升水流速度u，u=V0/AV0為濃密機(jī)的溢流量，u必須小于溢流中最大顆粒的自由沉降速度u0。5.2 沉降設(shè)備的分類根據(jù)不同形式可以分為多種。按設(shè)備操作形式分類：間歇式和連續(xù)式；按懸浮液流動(dòng)方向分類：平流式、輻流式和豎流式;按工作原理及操作方式分類：閉式、開式、連接式和平衡式；按刮泥機(jī)構(gòu)傳動(dòng)形式分類：中心傳動(dòng)沉降槽和周邊傳動(dòng)沉降槽。 多層沉降設(shè)備按工作原理及操作方式分類：閉式、開式、連接式和平衡式；1）閉式：各層間完全密封；多進(jìn)多出。2）開式：各層

14、間通過中心孔口連通；單進(jìn)單出。3）連接式：中心孔處設(shè)置下料套管；單進(jìn)多出。4）平衡式：各層間下渣管向下延伸；多進(jìn)單出。5.3 連續(xù)沉降設(shè)備的性能與實(shí)踐5.3.1 平流沉降槽懸浮液由左邊給入，在懸浮液由左向右運(yùn)動(dòng)的過程中，固體顆粒逐漸沉入槽底，澄清水以溢流的形式從右邊經(jīng)堰口排出。對(duì)于圖5-10中，槽底的沉渣在刮板的緩慢推動(dòng)下向左送入積泥斗；對(duì)于圖5-11中，沉渣分別匯集至底部的多個(gè)積泥斗。開啟排泥管的閘閥后，在靜水壓力（0.0150.02MPa）的作用下，積泥斗中的沉渣由排泥管排出。5.3.2 豎流沉降槽結(jié)構(gòu)見下圖。工作時(shí)，懸浮液由中心管給入，液流緩慢向上運(yùn)動(dòng)，固體顆粒沉入槽底，由排泥管排出。為

15、保證豎流，槽徑與槽的澄清區(qū)深度的比值不大于2。 5.3.3 輻流沉降槽輻流沉降槽可分為：懸掛式中心傳動(dòng)單層、懸掛式中心傳動(dòng)多層、垂架式中心傳動(dòng)單層、周邊傳動(dòng)等。下面以垂架式中心傳動(dòng)單層輻流沉降槽為例。 垂架式中心傳動(dòng)單層輻流沉降槽結(jié)構(gòu)見下圖。 輻流沉降槽可以從上部、側(cè)部或下部進(jìn)行給料，懸浮液進(jìn)入中心管后，在穿孔擋板的作用下，均勻地沿輻射方向流向槽的四周，在流動(dòng)過程中，澄清液上升，固體顆粒下沉，經(jīng)底部刮泥裝置匯集至泥斗排出。一般，為了避免水的徑向流速過高造成短路而影響沉降效率，需要在進(jìn)水管處加設(shè)導(dǎo)流筒，在中心管外周加設(shè)擴(kuò)散筒，擴(kuò)散筒的結(jié)構(gòu)見圖5-14。 擴(kuò)散筒的結(jié)構(gòu)見下圖。 一般，為了避免水的徑

16、向流速過高造成短路而影響沉降效率，需要在進(jìn)水管處加設(shè)導(dǎo)流筒，在中心管外周加設(shè)擴(kuò)散筒，使出水在導(dǎo)流筒內(nèi)先形成水平切向流，然后變成緩慢下降的旋流。垂架式中心傳動(dòng)單層輻流沉降槽實(shí)物圖5.4 新型高效沉降設(shè)備的性能與實(shí)踐新型高效沉降設(shè)備主要是采用絮凝技術(shù)使微細(xì)粒物料形成粗大的球形絮團(tuán)，提高生產(chǎn)率；或采用傾斜板或傾斜管，增加設(shè)備的沉降面積，縮短顆粒沉降的距離。給料傾斜板底流5.4.1 傾斜板沉降槽 該機(jī)是將傾斜板置于普通沉降設(shè)備中，以加速顆粒的沉降分離，提高其處理能力。是一種小型的效率較高的濃縮設(shè)備。 實(shí)質(zhì)上是：增加了傾斜板之后，相應(yīng)的縮短了顆粒沉降距離，增大了沉降面積。 1）傾斜板濃密機(jī)示意圖 目前在

17、傾斜板濃縮設(shè)備中，應(yīng)用較成功的是瑞典生產(chǎn)的 Lamella傾斜板濃密箱。2）Lamella傾斜板濃密箱給料溢流節(jié)流孔開口位置底流Lamella傾斜板常見傾斜板的材質(zhì)為玻璃板、鋼化玻璃、硬質(zhì)塑料，主要要求強(qiáng)度大，不易變形，質(zhì)輕，表面光滑、疏水不沾物料。板間距S通常大于10 mm，傾角在4555。5.4.2 深錐濃密機(jī) 它是近年來(lái)用于濃縮煤泥的一種高效濃密機(jī)，由英國(guó)公司研制，專用浮選尾煤，是以獲得高底流濃度為目的的濃密機(jī)。 這種大錐角的濃密機(jī)采用高的壓縮高度以及特殊設(shè)計(jì)的攪拌裝置。底流攪拌器溢流中心筒給礦PAM設(shè)備特點(diǎn)： （1）有很尖的錐角，很深的錐體，底部具有很高的靜壓力。底流受到壓縮，可產(chǎn)出半

18、固體的塑性濃縮產(chǎn)品，直接用皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸。（2）該設(shè)備經(jīng)常采用的措施是，在給料的同時(shí)加入分子量很高的PAM（聚丙烯酰胺）以產(chǎn)生過“絮凝”。（3）錐體中的攪拌器緩慢攪拌（2次/分），保證絮凝溶液完全分散。（4）該機(jī)在給料濃度為6時(shí)，可得6575的底流產(chǎn)品。5.4.3 高效濃密機(jī) 它是近年來(lái)興起的一種處理能力很高的濃密機(jī)。 設(shè)備特點(diǎn)： （1）單位面積處理量高，比常規(guī)高10倍以上。 （2）該機(jī)單位處理量濃縮面積：0.0280.056m2td， （普通濃密機(jī)單位處理量濃縮面積0.470.93m2td），可節(jié)約面積十幾倍。高效濃密機(jī)與常規(guī)濃密機(jī)的主要區(qū)別是礦漿進(jìn)入濃密機(jī)的方式不同。常規(guī)濃密機(jī)采用預(yù)先絮凝

19、的礦漿，進(jìn)入濃密機(jī)的自由沉降區(qū)；高效濃密機(jī)采用礦漿與絮凝劑分別同時(shí)加入濃密機(jī)頂部的一個(gè)緩慢攪拌反應(yīng)區(qū)，混合絮凝后的礦漿進(jìn)入濃密機(jī)的干涉沉降區(qū)，使絮凝物很少破裂，避免了在常規(guī)濃密機(jī)的自由沉降區(qū)中向上的液體與沉降的絮團(tuán)之間直接接觸沖擊絮團(tuán)的現(xiàn)象，保證絮團(tuán)的沉降速度。由于在高效濃密機(jī)中絮凝接近理想狀態(tài)，在處理量相同時(shí)，高效濃密機(jī)所需面積只是常規(guī)濃密機(jī)的1/4 1/10。高效濃密機(jī)的中間加料筒較長(zhǎng)，加料筒的相對(duì)面積較大；在加料筒中絮凝劑采用多點(diǎn)、分段的方式加入，并采用了一定轉(zhuǎn)速的攪拌裝置，使絮凝劑與礦漿均勻混合；為了增加沉降面積，有的高效濃密機(jī)還在干涉沉降區(qū)加一組傾斜板。 設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）專設(shè)有使

20、料漿與絮凝劑混合的混合給料裝置。（2）濃密機(jī)內(nèi)按有傾斜板，以增加沉降面積。（3）增加液相層高度（一般控制在混合室出口以上）。即： 當(dāng)給入的料漿達(dá)到液相層時(shí)，可在液相層起壓縮絮團(tuán)作用，同時(shí)細(xì)粒在通過液相層上升時(shí)又受到高濃度絮團(tuán)的過濾作用，使細(xì)粒阻留在液相層中。（4）自動(dòng)控制系統(tǒng)可自動(dòng)測(cè)量出給料速度、給料濃度、絮凝劑給入速率、底流濃度和液相層料位。離心機(jī)主要用于1）將懸浮液中的固體顆粒與液體分開；2）或?qū)⑷闈嵋褐袃煞N密度不同，又互不相溶的液體分開(例如從牛奶中分離出奶油)；3）它也可用于排除濕固體中的液體，例如用洗衣機(jī)甩干濕衣服；4）特殊的超速管式分離機(jī)還可分離不同密度的氣體混合物；5）利用不同密度或粒度的固體顆粒在液體中沉降速度不同的特點(diǎn)，有的沉降離心機(jī)還可對(duì)固體顆粒按密度或粒度進(jìn)行分級(jí)。 離心機(jī)有一個(gè)繞本身軸線高速旋轉(zhuǎn)的圓筒，稱為轉(zhuǎn)鼓，通常由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。懸浮液(或乳濁液)加入轉(zhuǎn)鼓后，被迅速帶動(dòng)與轉(zhuǎn)鼓同速旋轉(zhuǎn)，在離