第五章 重力濃縮

1、第五章 重力濃縮 重力濃縮是借助于懸浮液中固體顆粒在重力作用下發(fā)生沉降而提高懸浮液濃度的一種固液分離手段。 重力濃縮通常是固液分離的第一道工序，設(shè)備構(gòu)造一般簡(jiǎn)單，便于操作。 在沉降過(guò)程中不僅粗粒級(jí)容易沉降，而且細(xì)粒級(jí)可通過(guò)凝聚或絮凝也能達(dá)到較好的沉降效果。第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 重力沉降 在重力作用下，使懸浮液中密度大于水的懸浮固體下沉，從而實(shí)現(xiàn)與水的分離的處理方法。 重力沉降方法主要用于可沉固體粒徑在10m以上、在2h左右的自然沉降時(shí)間內(nèi)能從水中分離出去的懸浮液。 按照處理目的的不同，重力沉降法可分為以獲得澄清水為目的的沉淀和以獲得高濃度污泥為目的的濃縮。第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉

2、降規(guī)律 重力沉降 按沉降過(guò)程不同，重力沉降可分為：自由沉降、絮凝沉降、成層沉降和壓縮沉降。第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 重力沉降 第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 重力沉降 第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 重力沉降 第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 重力沉降 第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 重力沉降 第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 重力沉降 第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 單獨(dú)顆粒的沉降規(guī)律 當(dāng)流體以一定速度繞過(guò)顆粒時(shí)，流體與顆粒間將產(chǎn)生一對(duì)大小相等、方向相反的作用力。流體作用于顆粒上的力稱(chēng)為曳力，而顆粒對(duì)流體的作用力稱(chēng)為阻力。第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 單獨(dú)顆粒的沉降規(guī)律

3、swsdwddSdSpFdSdSpdFsincossincos壓力改變所導(dǎo)致的曳力，主要取決于顆粒的形狀和位向，稱(chēng)為形體曳力由于流體和表面顆粒的摩擦所導(dǎo)致的曳力，主要由顆粒表面積大小決定，稱(chēng)為表面曳力第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 單獨(dú)顆粒的沉降規(guī)律 物體的不同形狀和位向?qū)σ妨Φ挠绊懀╝）平板平行于流向；（b）平板垂直于流向；（c）流線(xiàn)型物體 第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 單獨(dú)顆粒的沉降規(guī)律 221uACFpDd),(udfFd udduudFduFAuFCddpdD2221222(Re)DC第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 單獨(dú)顆粒的沉降規(guī)律 阻力系數(shù)（曳力系數(shù)，CD）是顆粒沉降時(shí)周?chē)?/p>

4、液體繞流的雷諾數(shù)Re的函數(shù)，二者的關(guān)系如下圖所示。第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 單獨(dú)顆粒的沉降規(guī)律 也可以將曳力系數(shù)寫(xiě)成如下的一般式不同Re范圍的常數(shù)b和n的值列于表5-1中。 nDRebC 區(qū) 域ReKbn斯托克斯定律區(qū)23.3241阿 倫 區(qū)25003.343.610（18.5）0.5（0.6）牛頓定律區(qū)500210543.60.440第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 靜止流體中顆粒的自由沉降 gdFsg36gdFb36221uACFpDd第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 靜止流體中顆粒的自由沉降當(dāng)a=0時(shí) maFFFdbgadudCgdgdsDs32233624662134DstCg

5、du第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 靜止流體中顆粒的自由沉降 將CD的計(jì)算式與Re的表達(dá)式Re=du/代入，即可得固體在三種繞流流態(tài)區(qū)域的穩(wěn)定沉降速度表達(dá)式，即：Re2的層流區(qū)， （1）2Re500的過(guò)渡區(qū)， （2）500Re105的紊流區(qū)， （3）182stgdu216 . 027. 0tstRegdu2174. 1gdust第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 沉降速度的計(jì)算 試差法：試差法：計(jì)算沉降速度u時(shí)，需要預(yù)先知道沉降雷諾準(zhǔn)數(shù)Re值才能選用相應(yīng)的計(jì)算式。但是u為待求，Re也就為未知。所以沉降速度u的計(jì)算需要用試差法，即先假設(shè)沉降屬于某一定律區(qū)（如stokes定律區(qū)），則可直接選用相應(yīng)

6、的沉降速度公式計(jì)算u，然后檢驗(yàn)Re值是否在假設(shè)的范圍內(nèi)。如果與原設(shè)一致，則求得的u有效。否則，應(yīng)按算出的Re值另選其它定律區(qū)公式計(jì)算，直到按求得u算出的Re值與所選用公式的Re值范圍相符為止。 第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 沉降速度的計(jì)算無(wú)因次判據(jù)法：無(wú)因次判據(jù)法： （4）在Re2時(shí)，使用斯托克斯公式可得Re 令Re=2，求得K值為3.3，此值為斯托克斯區(qū)的上限。同樣，應(yīng)用式2可算得牛頓定律區(qū)的下限K值為43.6。 因此，計(jì)算沉降速度時(shí)可選用式4算出K的數(shù)值，再根據(jù)表5-1選用沉降速度計(jì)算式，可以不必進(jìn)行試差。 312sgdK1818323Kgdudst第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 非

7、球形顆粒沉降速度的計(jì)算 顆粒在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的曳力，還與其形狀密切相關(guān)。顆粒形狀與球形的差異程度，可用球形度s來(lái)表示。 球形度s值愈小，顆粒形狀與圓球的差異愈大。當(dāng)顆粒為球形時(shí)，s=1。幾種s值下的曳力系數(shù)與顆粒雷諾數(shù)Re的關(guān)系曲線(xiàn)已示于下圖中。 第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 非球形顆粒沉降速度的計(jì)算 1S=1；2S=0.806；3S=0.6；4S=0.220；5S=0.125 第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 非球形顆粒沉降速度的計(jì)算 非球形顆粒繞流時(shí)，顆粒雷諾數(shù)Re中的d要用當(dāng)量直徑de代替。de是與該顆粒體積相等的圓球直徑。 但Ap應(yīng)為最大投影面積。36epdVpeVd6第一節(jié)

8、重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 影響顆粒沉降的因素 干擾沉降干擾沉降 實(shí)際非均相物系中存在許多顆粒，相鄰顆粒的運(yùn)動(dòng)改變了原來(lái)單個(gè)顆粒周?chē)牧鲌?chǎng)，顆粒沉降受到相互干擾，稱(chēng)為干擾沉降。在顆粒的體積濃度0.2%的懸浮物系中，用單顆粒自由沉降計(jì)算引起的偏差1%。當(dāng)顆粒濃度高時(shí)，由于顆粒下沉而被置換的流體作反向運(yùn)動(dòng)，使作用于顆粒上的曳力增加。此外，懸浮物系的有效密度和粘度也較純流體大，故干擾沉降的沉降速度比自由沉降小。通常，干擾沉降速度仍按自由沉降計(jì)算，必要時(shí)可用經(jīng)驗(yàn)法則給予修正。 第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 影響顆粒沉降的因素 器壁效應(yīng)器壁效應(yīng) 容器的壁面和底面均增加顆粒沉降時(shí)的曳力，使顆粒的實(shí)際沉降

9、速度較自由沉降速度低。當(dāng)容器尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒尺寸時(shí)（例如在100倍以上），器壁效應(yīng)可忽略，否則需加以考慮。 第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 影響顆粒沉降的因素 分子運(yùn)動(dòng)分子運(yùn)動(dòng) 當(dāng)顆粒直徑小到可與流體分子的平均自由程相比時(shí)，顆?？纱┻^(guò)快速運(yùn)動(dòng)的流體分子之間，沉降速度大于按斯托克斯定律計(jì)算的值。另外，對(duì)于d0.5m的顆粒，沉降將受到流體分子熱運(yùn)動(dòng)的影響。此時(shí)，流體已不能當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)，上述關(guān)于顆粒所受曳力的討論的前提已不再成立。 第一節(jié) 重力沉降法及顆粒沉降規(guī)律 影響顆粒沉降的因素 顆粒形狀顆粒形狀 對(duì)于非球形顆粒，由于曳力系數(shù)比同體積球形顆粒大，所以實(shí)際沉降速度比按等體積球形顆粒計(jì)算的沉降速度

10、為小。 液滴或氣泡的運(yùn)動(dòng)液滴或氣泡的運(yùn)動(dòng) 與剛性固體顆粒相比，液滴或氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有所不同。其主要差別在于液滴或氣泡在曳力和壓力作用下產(chǎn)生變形，使曳力增大；同時(shí)，滴、泡內(nèi)部的流體產(chǎn)生環(huán)流運(yùn)動(dòng)，降低了相界面上的相對(duì)速度，使曳力減小。 第二節(jié) 沉降試驗(yàn)及沉降曲線(xiàn) 沉降過(guò)程的分區(qū)現(xiàn)象第二節(jié) 沉降試驗(yàn)及沉降曲線(xiàn) 沉降曲線(xiàn)與沉積曲線(xiàn) 根據(jù)沉降試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以沉降時(shí)間為橫坐標(biāo)，澄清區(qū)高度為縱坐標(biāo)，作出沉降時(shí)間與澄清區(qū)高度的關(guān)系曲線(xiàn)，稱(chēng)之為沉降曲線(xiàn)。 以沉降時(shí)間為橫坐標(biāo)，沉積層高度為縱坐標(biāo)，作出的關(guān)系曲線(xiàn)，稱(chēng)之為沉積曲線(xiàn)。第二節(jié) 沉降試驗(yàn)及沉降曲線(xiàn) 沉降曲線(xiàn)與沉積曲線(xiàn)第二節(jié) 沉降試驗(yàn)及沉降曲線(xiàn) 沉降曲線(xiàn)與沉積曲

11、線(xiàn)第二節(jié) 沉降試驗(yàn)及沉降曲線(xiàn) 重力濃縮理論 第二節(jié) 沉降試驗(yàn)及沉降曲線(xiàn) 重力濃縮理論 懸浮液在濃縮池中發(fā)生沉降時(shí)，濃縮池的作業(yè)空間一般可分為5個(gè)區(qū)。 A：澄清區(qū)，得到的澄清水作為溢流產(chǎn)物從溢流堰排出； B：自由沉降區(qū)，固體顆粒依靠自重迅速沉降； C：過(guò)渡區(qū)，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，難以繼續(xù)沉降；第二節(jié) 沉降試驗(yàn)及沉降曲線(xiàn) 重力濃縮理論 D：壓縮區(qū)，懸浮液中的固體顆粒已經(jīng)形成較緊密的絮團(tuán)，絮團(tuán)仍繼續(xù)沉降，但其速度已經(jīng)較慢； E：底流收集區(qū)，此處設(shè)有刮板，有時(shí)該區(qū)的一部分呈淺錐形表面，濃縮物中的水分又會(huì)在刮板的壓力作用下溢出，懸浮物濃度進(jìn)一步增高，最終由濃縮機(jī)底口排

12、出。第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備 濃密機(jī)，又稱(chēng)沉降槽，沉淀池。 按設(shè)備操作形式： 間歇式沉淀設(shè)備和連續(xù)式沉淀設(shè)備 按懸浮液流動(dòng)方向： 平流式、輻流式、豎流式第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備l 耙式濃縮機(jī) 中心傳動(dòng)耙式濃縮機(jī) 周邊傳動(dòng)耙式濃縮機(jī) 艾姆科型l 高效濃縮機(jī) 道爾-奧利弗高效濃縮機(jī) 恩維羅-克里爾型 斜板濃縮池l 多層累疊式濃縮機(jī)第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備中心傳動(dòng)第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備中心傳動(dòng)第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備中心傳動(dòng)第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備中心傳動(dòng)第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備周邊傳動(dòng)第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備高效濃縮機(jī)第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備高效濃縮機(jī)第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備高效濃縮機(jī)第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備高效濃縮機(jī)第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備

13、 傾斜板濃縮箱和傾斜板濃縮機(jī) 淺層沉降原理 普通沉降池中增大處理能力與提高沉降效率的矛盾，解決？ 停留時(shí)間t的定義 AuQ0第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備 傾斜板濃縮箱和傾斜板濃縮機(jī) 傾斜板濃縮箱第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備 傾斜板濃縮箱和傾斜板濃縮機(jī) 傾斜板濃縮箱的計(jì)算 根據(jù)濃縮作業(yè)的要求，溢流的臨界粒度通常為5-10m。設(shè)位于濃縮板底部某一臨界顆粒自身的沉降速度為v0，水流沿傾斜板的流速為u，則顆粒朝向濃縮板的分速度vZ為： 顆粒沿傾斜板方向的分速度為：0coszVV0sinrVuV第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備 傾斜板濃縮箱和傾斜板濃縮機(jī) 傾斜板濃縮箱 傾斜板的長(zhǎng)度應(yīng)足以使臨界顆粒在沿板的長(zhǎng)度運(yùn)行時(shí)間內(nèi)沉降到板面上

14、，所以0000cossincossinSlVuVSulVSV第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備 傾斜板濃縮箱和傾斜板濃縮機(jī) 傾斜板濃縮箱 設(shè)濃縮箱的寬度為B，當(dāng)使用單排濃縮板時(shí)應(yīng)該等于濃縮板的寬度，濃縮板的空間格數(shù)為n，則溢流流量為： 不加濃縮板時(shí)，表面濃縮面積A為 加傾斜板后濃縮表面積A為 兩者比較可以看出，加傾斜板后，濃縮面積增大了K倍0( cossin)OVQnBSunBV lSABLcoscosAnBlnlKABLL第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備 傾斜板濃縮箱和傾斜板濃縮機(jī) 傾斜板濃縮箱 已知B、L和n、l、，可根據(jù)要求的分離粒度進(jìn)行傾斜板濃縮箱的工藝計(jì)算，求出處理量； 已知分離粒度和溢流體積，可進(jìn)行傾斜板濃

15、縮箱的選擇與計(jì)算。第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備 傾斜板濃縮箱和傾斜板濃縮機(jī) 第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備 深錐濃縮機(jī)第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備 深錐濃縮機(jī)第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備 其他類(lèi)型濃縮機(jī)第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備 其他類(lèi)型濃縮機(jī)第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備 其他類(lèi)型濃縮機(jī)第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備 其他類(lèi)型濃縮機(jī)第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備 其他類(lèi)型濃縮機(jī)第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備 重力濃縮設(shè)備的選型原則 1、給料量較小時(shí)選用中心傳動(dòng)耙式濃縮機(jī)，給料量較大時(shí)選用周邊傳動(dòng)耙式濃縮機(jī)；物料密度小時(shí)選用輥輪式，反之易用齒條式； 2、在場(chǎng)地寒冷或緊缺地區(qū)，濃縮機(jī)設(shè)于室內(nèi)，干旱或缺水地區(qū)選用高效濃縮機(jī)，但要考慮絮凝劑的使用效果及對(duì)后續(xù)工序的影響以及運(yùn)營(yíng)費(fèi)

16、用； 3、應(yīng)既能滿(mǎn)足后續(xù)作業(yè)對(duì)濃縮產(chǎn)品含水量的要求，又能減少隨溢流損失的有價(jià)成分或溢流水的濁度；第三節(jié) 重力濃縮設(shè)備 重力濃縮設(shè)備的選型原則 4、應(yīng)盡量通過(guò)工業(yè)試驗(yàn)或模擬試驗(yàn)來(lái)確定所需用的濃縮機(jī)面積； 5、在較準(zhǔn)確掌握被濃縮料漿特性的情況下，可參照類(lèi)似生產(chǎn)廠的工藝指標(biāo)選用相應(yīng)的濃縮機(jī)。 第四節(jié) 重力濃縮機(jī)的計(jì)算 濃縮機(jī)的深度式中 H1澄清區(qū)高度，應(yīng)保持在0.5-0.8m； H2自由沉降區(qū)高度，應(yīng)保持在0.3-0.6m； H3壓縮區(qū)高度； H4底物收集區(qū)高度。 1234HHHHH第四節(jié) 重力濃縮機(jī)的計(jì)算 濃縮機(jī)的深度 從底流排出1t干物質(zhì)時(shí)，排出的濃縮物體積 料漿在濃縮機(jī)中的停留時(shí)間為t時(shí)，所需高度H3為 底流收集區(qū)高度1(1)VR42