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，同時向下沉降。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中進(jìn)行固液分離。如圖所示，在濃密機中進(jìn)行沉降濃縮時，整個作業(yè)空間可以分為五個區(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，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的計算 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，最終由濃密機底口排出，成為濃密機的底流產(chǎn)品；自由沉降區(qū)B和壓縮區(qū)D之間，有一個過渡區(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)模型和動態(tài)模型兩類。主要討論靜態(tài)模型。A 科-克來文杰（coe-clevenger）穩(wěn)態(tài)沉降模型（簡稱C-C模型）及C-C法1916年，科-克來文杰提出了濃密機穩(wěn)態(tài)沉降模型，主要論點是：1）自由沉降區(qū)的濃度等于進(jìn)入濃密機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)域沉降的特點是區(qū)內(nèi)每一個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、密度無關(guān)（一般

4、可通過沉降試驗獲得）?？?克來文杰通過推算，得出令 稱為濃密機的固體通量（單位面積上的固體質(zhì)量流量），則有上式就稱為科-克來文杰方程式，用于計算濃密機面積時稱為C-C法。采用C-C法計算濃密機面積時，需要做一系列不同濃度的懸浮液的沉降試驗，濃度范圍在濃密機的給料和底流濃度之間。該方程可以用于計算濃密機的面積，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)行擴散，其擴散速度為濃度的函數(shù)，每個濃度均有其相應(yīng)的擴散速度，凱奇把這種濃度稱為特征濃度。 把特征濃度向上擴散的軌跡，即隨時間的變化線稱為特征濃度線?？捎肏=u(MSX)t（式5-4）表示。 因為每個濃度均有其相應(yīng)的擴散速度，所以每條特征濃度線都是直線。 當(dāng)初始料漿濃度較稀時，特征濃度線可以認(rèn)為是類似oD的一條直線。因為擴散現(xiàn)象實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，即H=0處，且特征濃度線上的每一點的懸浮液濃度均相等。如圖5-2。 由左圖中可以看出，D點為自由沉降與干涉沉降的分界點，P點為干涉沉降與壓縮區(qū)的分界點，U點以后為底流濃度。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散的。所以懸浮液在沉降過程中存在著一個向上的流速和一個向下的沉速，其相對速度為兩者的代數(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散，假設(shè)它一直擴散到沉降層界面，所需要的時間為tX，此時，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展的影響，故更符合實際，有利于評估濃密機的實際生產(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點的切線斜率求出，即 x=(Hz-Hx)/ tX，而不需要做沉降試驗；T-F法塔爾梅奇（Talmage）和菲奇（Fitch） 1955年推導(dǎo)出專門用于計算濃密機面積的公式，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。 T-F法1）先做任一濃度的該懸浮液的靜態(tài)沉降試驗，根據(jù)試驗數(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P（一般通過直接觀察或作對數(shù)曲線圖）。3）過壓縮點P作曲線的切線。假設(shè)要求濃密機底流濃度為Msu，可根據(jù)式（5-6）計算出Hu值，在沉降曲線上作直線H=Hu，與過壓縮點P切線交于M(tu,Hu)，便可根據(jù)式（5-9）及濃密機的生產(chǎn)能力，計算濃

9、密機的面積。優(yōu)點:是只需要做一次靜態(tài)沉降試驗，根據(jù)沉降曲線，就可以求出Asp值。缺點:是常常低估濃密機的處理能力，在實際設(shè)計中造成基建投資增加；并且當(dāng)壓縮點P不明顯時難以應(yīng)用。奧特曼（oltmann）法針對T-F法的缺點，奧特曼對此作了改進(jìn)，即取沉降曲線上直線H0P與底流濃度線H=Hu的交點N的橫坐標(biāo)tu作為濃縮時間（如圖5-3所示）。計算時將（5-9）中的tu以 tu代替即可。奧特曼（oltmann）法會高估濃密機的處理能力，因而計算出的濃密機面積偏小，要乘以一個大于1的安全系數(shù)修正。 5.1.3 濃密機參數(shù)的計算 濃密機深度H的計算耙式濃密機深度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可由下式計算H4=Dtan1/2 一般情況下，不需要計算濃密機深度，因為濃密機深度都已經(jīng)有定型系列。通過公式計算深度H可以作為復(fù)核檢驗的依據(jù)。 課堂作業(yè)下圖為某濃密機中料漿的沉降模型曲線，濃密機的底流口排出濃縮料漿的體積為10m3時，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，濃密機的比單位面積為

11、3.14m2，直徑為2m，錐底傾角30，求濃密機的深度。解：濃密機深度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，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) 濃密機面積的計算主要有以下兩種方法：1）按濃密機的單位面積處理量q計算濃縮作業(yè)所需要的總面積A（m2）其中GF為給入濃密機的固體量，t/d；q為濃密機的單位面積處理量，t/（m2d）。濃密機的單位面積處理量q，一般根據(jù)試驗或半工業(yè)試驗來選定，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 計算濃密機直徑D。

13、 2） 按溢流中最大顆粒的沉降速度計算濃密機濃縮作業(yè)需要的總面積。計算濃密機面積后，再利用D=1.13A1/2 計算濃密機直徑。通常還需要計算濃密機上升水流速度u，u=V0/AV0為濃密機的溢流量，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；按刮泥機構(gòu)傳動形式分類：中心傳動沉降槽和周邊傳動沉降槽。 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動的過程中，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。對于圖5-10中，槽底的沉渣在刮板的緩慢推動下向左送入積泥斗；對于圖5-11中，沉渣分別匯集至底部的多個積泥斗。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，懸浮液由中心管給入，液流緩慢向上運動，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：懸掛式中心傳動單層、懸掛式中心傳動多層、垂架式中心傳動單層、周邊傳動等。下面以垂架式中心傳動單層輻流沉降槽為例。 垂架式中心傳動單層輻流沉降槽結(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)擴散筒，擴散筒的結(jié)構(gòu)見圖5-14。 擴散筒的結(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。垂架式中心傳動單層輻流沉降槽實物圖5.4 新型高效沉降設(shè)備的性能與實踐新型高效沉降設(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，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 它是近年來用于濃縮煤泥的一種高效濃密機，由英國公司研制，專用浮選尾煤，是以獲得高底流濃度為目的的濃密機。 這種大錐角的濃密機采用高的壓縮高度以及特殊設(shè)計的攪拌裝置。底流攪拌器溢流中心筒給礦PAM設(shè)備特點： （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，直接用皮帶運輸機運輸。（2）該設(shè)備經(jīng)常采用的措施是，在給料的同時加入分子量很高的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）該機在給料濃度為6時，可得6575的底流產(chǎn)品。5.4.3 高效濃密機 它是近年來興起的一種處理能力很高的濃密機。 設(shè)備特點： （1）單位面積處理量高，比常規(guī)高10倍以上。 （2）該機單位處理量濃縮面積：0.0280.056m2td， （普通濃密機單位處理量濃縮面積0.470.93m2td），可節(jié)約面積十幾倍。高效濃密機與常規(guī)濃密機的主要區(qū)別是礦漿進(jìn)入濃密機的方式不同。常規(guī)濃密機采用預(yù)先絮凝

19、的礦漿，進(jìn)入濃密機的自由沉降區(qū)；高效濃密機采用礦漿與絮凝劑分別同時加入濃密機頂部的一個緩慢攪拌反應(yīng)區(qū)，混合絮凝后的礦漿進(jìn)入濃密機的干涉沉降區(qū)，使絮凝物很少破裂，避免了在常規(guī)濃密機的自由沉降區(qū)中向上的液體與沉降的絮團之間直接接觸沖擊絮團的現(xiàn)象，保證絮團的沉降速度。由于在高效濃密機中絮凝接近理想狀態(tài)，在處理量相同時，高效濃密機所需面積只是常規(guī)濃密機的1/4 1/10。高效濃密機的中間加料筒較長，加料筒的相對面積較大；在加料筒中絮凝劑采用多點、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，有的高效濃密機還在干涉沉降區(qū)加一組傾斜板。 設(shè)備結(jié)構(gòu)特點：（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，可在液相層起壓縮絮團作用，同時細(xì)粒在通過液相層上升時又受到高濃度絮團的過濾作用，使細(xì)粒阻留在液相層中。（4）自動控制系統(tǒng)可自動測量出給料速度、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，例如用洗衣機甩干濕衣服；4）特殊的超速管式分離機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，有的沉降離心機還可對固體顆粒按密度或粒度進(jìn)行分級。 離心機有一個繞本身軸線高速旋轉(zhuǎn)的圓筒，稱為轉(zhuǎn)鼓，通常由電動機驅(qū)動。懸浮液(或乳濁液)加入轉(zhuǎn)鼓后，被迅速帶動與轉(zhuǎn)鼓同速旋轉(zhuǎn)，在離