3液固分離設(shè)備解析課件

濕法冶金設(shè)備

——液固分離設(shè)備冶金設(shè)備基礎(chǔ)（下篇）四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院2011.4濕法冶金設(shè)備

——液固分離設(shè)備冶金設(shè)備基礎(chǔ)（下篇）四川大學(xué)化3液固分離設(shè)備3.1概述

3.1.1基本概念

3.1.2液固兩相流性質(zhì)及特點(diǎn)3.2沉降分離及設(shè)備

3.2.1重力沉降(地球引力)3.2.2離心沉降(離心力)3.3過(guò)濾分離及設(shè)備

3.3.1過(guò)濾分離

3.3.2過(guò)濾機(jī)大型平底沉降槽四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3液固分離設(shè)備3.1概述大型平底沉降槽四川大學(xué)化學(xué)工程3.1概述3.1.1基本概念1.物相體系概念2.非均相物系分離的目的⑴回收分散物質(zhì)（結(jié)晶母液中分離晶粒，赤泥的分離）⑵凈制分散介質(zhì)（除去含塵氣體中的塵粒）⑶勞動(dòng)保護(hù)和環(huán)境衛(wèi)生等。3.分離方法

沉降(包括重力沉降和離心沉降)

過(guò)濾(包括重力過(guò)濾，壓力過(guò)濾，真空過(guò)濾和離心過(guò)濾)

離心分離(包括離心沉降和離心過(guò)濾)混合物均相物系(如酒精溶液，空氣)非均相物系氣態(tài)非均相物系(如含塵和含霧的氣體)液態(tài)非均相物系(如懸浮液,乳濁液,泡沫液等)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.1概述3.1.1基本概念混合物均相物系(如酒精溶液3.1.2液固兩相流性質(zhì)及特點(diǎn)

3.1.2.1固體微粒的物理性質(zhì)⑴顆粒大小的表示方法：一般用粒徑或當(dāng)量直徑⑵顆粒大小的測(cè)定方法：顯微鏡測(cè)定、篩分和沉降速度⑶顆粒形狀：用球形度(ψs)表示⑷顆粒的密度與堆積密度：真密度和假密度

(kg/m3)⑸顆粒填充特性(孔隙率ε):約為0.4;由實(shí)驗(yàn)確定⑹摩擦角安息角注入角(1):將顆粒注入時(shí)得到圓錐狀堆積斜坡與底面的夾角

排出角(2):顆粒從圓筒容器底的中心排出時(shí)所得到的漏斗形外底角；通常1<2滑動(dòng)角：當(dāng)顆粒開始在傾斜壁面滑動(dòng)下來(lái)時(shí)，該壁面與水平面的夾角，滑動(dòng)角比安息角小四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.1.2液固兩相流性質(zhì)及特點(diǎn)3.1.2.1固體微粒3.1.2.2顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的阻力只要顆粒與流體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)有阻力產(chǎn)生。⑴球形顆粒所受的阻力(Fd):Fd=Au2/2

A——顆粒在運(yùn)動(dòng)方向上的投影面積，㎡——流體密度，㎏/m3u——顆粒與流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，m/s——無(wú)因次阻力系數(shù)：=f(Re)=f(dpu

/)

Re——雷諾準(zhǔn)數(shù)，dp——顆粒直徑；——流體的粘度。此函數(shù)關(guān)系由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。球形顆粒的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(見圖3-1)。⑵非球形顆粒：當(dāng)量直徑(de):de=(6Vp/)1/3

[∵Vp=(/6)de

3]，Vp——任意形狀顆粒的體積，m3。球形系數(shù):s=與該顆粒體積相等的球形顆粒表面積任意形狀顆粒的表面積(s對(duì)的影響見圖3-1)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.1.2.2顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的阻力與該顆粒體積圖3-1阻力系數(shù)與顆粒雷諾數(shù)的關(guān)系曲線大致可分為三個(gè)區(qū)域，各區(qū)域的曲線可分別用下述計(jì)算式表示：層流區(qū)(10-4<Re<1)=24/ReStokes

過(guò)渡區(qū)(1<Re<500)=10/(Re)1/2Allen

湍流區(qū)(500<Re<105)=0.44Newton四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院圖3-1阻力系數(shù)與顆粒雷諾數(shù)的關(guān)系四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.2沉降分離及設(shè)備

懸浮液與一般液體不同，具有一些特殊性質(zhì)，當(dāng)固體顆粒直徑大于0.1μm時(shí)，懸浮液不穩(wěn)定，尤其當(dāng)液相密度與固相的密度相差較大時(shí)，因受重力作用，固體顆粒會(huì)形成沉淀而與液體分離，工業(yè)上將這種分離方法稱為重力沉降。重力沉降適宜處理固液相密度差比較大、固體含量不太高、而處理量比較大的懸浮液。重力沉降操作一般分為濃縮和澄清兩類。濃縮操作的目的主要是為了將懸浮液增稠，而澄清操作的目的是為了從比較稀的懸浮液中除去少量懸浮物。這兩種沉降操作所用的設(shè)備分別稱為沉降槽或澄清槽。重力沉降設(shè)備占地面積大，材料消耗多，沉降終速小，效率低等缺點(diǎn)，對(duì)于固含量多的懸浮液不適用，可采用離心沉降，以提高液固分離能力，其設(shè)備稱為旋流分離器。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.2沉降分離及設(shè)備懸浮液與一般液體不同，具有一些特殊3.2.1重力沉降(地球引力)1.沉降速度⑴球形顆粒的自由沉降：如右圖,球形顆粒收到了3個(gè)力的作用，即向下的重力Fg，向上的浮力Fb和阻力FdFdFbFgρ1ρ2四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.2.1重力沉降(地球引力)1.沉降速度FdFbFg層流區(qū)過(guò)渡區(qū)湍流區(qū)υ0與dp，1及2有關(guān)；dp及1愈大，則υ0就愈大；層流區(qū)與過(guò)渡區(qū)中，υ0還與有關(guān)，液體的為氣體的50倍，因而顆粒在液體中的沉降速度比在氣體中的小很多。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院層流區(qū)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院⑵影響沉降速度的因素①干擾沉降：當(dāng)非均相物系中存在許多顆粒，顆粒沉降相互干擾。υ0↓②壁效應(yīng)：當(dāng)顆粒在靠近器壁的位置沉降時(shí)，υ0↓。因此容器的尺寸要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒的尺寸。③布朗運(yùn)動(dòng)：過(guò)細(xì)顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)使υ0應(yīng)用失效。④相對(duì)運(yùn)動(dòng)：顆粒與流體處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，亦適用。⑤顆粒形狀：用當(dāng)量直徑和球形度來(lái)表示，顆粒偏離球形愈大，其阻力系數(shù)就愈大。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院⑵影響沉降速度的因素四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院⑶沉降速度的計(jì)算(試差法,摩擦數(shù)群法,無(wú)因次判別因子)用試差法：先假設(shè)沉降屬于某一流型，求出υ0

，然后核算Re。不對(duì)，重試?！纠?-1】

一直徑為1.0mm，密度為2500kg/m3的玻璃球在20oC的水中沉降，試求其沉降速度?！冀狻剑合仍O(shè)流型為層流，

1=2500kg/m3

，dp=0.001m

20oC時(shí)水有

2=998.2kg/m3,

=1.01×10-3Pa·s

υ0

=gdp2(1-2)/(18)=9.81×(1.0×10-3)2×(2500-998.2)/(18×1.01×10-3)=0.82m/s

校核Re:

=1.0×10-3×0.82×998.2/(1.01×10-3)=818.5>1

顯然，顆粒沉降不是在層流區(qū)。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院⑶沉降速度的計(jì)算(試差法,摩擦數(shù)群法,無(wú)因次判別因子)再設(shè)在過(guò)渡區(qū)沉降，則υ0

=[4g2(1-2)2/(2252)]1/3dp

=[4×(9.81)2(2500-998.2)2/(225×1.01×10-3×998.2)]1/3×10-3

=0.156m/s校核Re

:Re

=dput/=1.0×10-3×0.157×998.2/(1.01×10-3)=157屬于過(guò)渡區(qū)(1<Re<500)，故所設(shè)正確。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院再設(shè)在過(guò)渡區(qū)沉降，則四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院2.沉降分離⑴懸浮液的分離方法及性質(zhì)懸浮液的分離方法:

沉降法、過(guò)濾法及離心分離法。懸浮液的性質(zhì):溫度、密度、濃度、固體懸浮物的粒度和懸浮物的特性①溫度：溫度高，粘度小的懸浮液容易分離；

②懸浮液密度：

kg/m3

懸浮液體積流量：Qm=Q+Qs

m3/sQ、Qs——分別為溶液與干固體顆粒的流量，在懸浮液中(ρ2-ρ1)越大，分離越容易。

③濃度(懸浮液中干固體顆粒所占的百分?jǐn)?shù))

體積濃度：M=Qs/Qm

體積固液比：M’=Qs/Q

質(zhì)量濃度：m=Ws/Wm=sQs/(mQm)=(s/m)?M

質(zhì)量固液比：m’=Ws/W

=sQs/(Q

)=(s/

)·M’四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院2.沉降分離四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院固體懸浮物的粒度(固體顆粒的粒徑)：粒徑越大越易分離，沉速度越大。懸浮物的特性：顆粒輪廓清晰，堅(jiān)硬，且不易變形，也不易相互粘附或與其它粒子粘結(jié)，最易分離；膠狀物質(zhì)(如赤泥粒子),沉降性能很差;加適量的絮凝劑。Ⅰ.無(wú)機(jī)絮凝劑：石灰，硫酸，明礬，苛性鈉，鹽酸和氯化鋅等。Ⅱ.天然高分子絮凝劑：淀粉和含淀粉的蛋白質(zhì)物質(zhì)，如馬鈴薯，玉米粉，紅薯粉及動(dòng)物膠體。Ⅲ.合成高分子絮凝劑：離子和非離子型高分子聚合物，如聚丙烯酰胺，羰基纖維和聚乙烯醇等。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院固體懸浮物的粒度(固體顆粒的粒徑)：四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院⑵懸浮液的沉降過(guò)程：間歇沉降過(guò)程(見下圖)ⅰ表觀沉降速度(υt

):清液區(qū)與均一濃度區(qū)界面的下降速度

(0.5為受阻干擾系數(shù))當(dāng)Re<1時(shí)，以斯托克斯公式計(jì)算ⅱ粗粒固體區(qū)的壓縮時(shí)間(r):底流壓縮到滿足出料要求的液固比所需時(shí)間，s

圖中1-清液區(qū)2-均一濃度區(qū)3-濃度及粒度不均區(qū)4-粗粒固體區(qū)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院⑵懸浮液的沉降過(guò)程：間歇沉降過(guò)程(見下圖)圖中四川大3.2.2沉降槽的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.2.2沉降槽的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院圖3-4單層沉降槽結(jié)構(gòu)Ⅰ單層沉降槽：其結(jié)構(gòu)和工作原理見圖3-4。3.2.2.1沉降槽的結(jié)構(gòu)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院圖3-4單層沉降槽結(jié)構(gòu)Ⅰ單層沉降槽：其結(jié)構(gòu)和工作原理見圖Ⅱ多層沉降槽其結(jié)構(gòu)和工作原理見圖3-5。

h0+hs=(h+h0+h)×

h=h(s-)

/；或h=h?/(s-)h—相鄰兩層泥漿渣面之間的高度，m；h0—上層清液區(qū)高度，m；

h—相鄰兩層間溢流管內(nèi)清液面的高度差，m；s—沉渣的密度，kg/m3;

—清液的密度，kg/m3圖3-5

多層沉降槽結(jié)構(gòu)hh0h四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院Ⅱ多層沉降槽其結(jié)構(gòu)和工作原理見圖3-5。圖3-5Ⅲ.洗滌沉降沉降槽除了作液固相分離設(shè)備之外，常用作沉渣洗滌設(shè)備，通過(guò)洗滌可以回收底流中殘存的有價(jià)值的清液，如拜爾法生產(chǎn)氧化鋁的赤泥中常殘存有大量的Na2O及Al2O3等溶質(zhì)，就用沉降槽作洗滌槽進(jìn)行逆流洗滌。在洗滌中要求盡量少用洗水，以免破壞生產(chǎn)系統(tǒng)的水量平衡，所以采用反向洗滌或逆流洗滌。其流程如圖所示。各洗滌槽溢流所含溶質(zhì)濃度c1、c2和c3，質(zhì)量分?jǐn)?shù)；各洗滌槽溢流量G1、G2和G3，kg(溶液)·kg-1(干固體)；四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院Ⅲ.洗滌沉降沉降槽除了作液固相分離設(shè)備之外，常用作沉渣洗滌設(shè)Ⅳ.沉降過(guò)濾槽帶過(guò)濾裝置的沉降槽稱為沉降過(guò)程濾槽。此種槽(圖3-2-15)中掛有多排過(guò)濾管，濾管直徑150-200mm，長(zhǎng)1200-1500mm，管壁有小孔，外套濾布，濾布可拆換，整個(gè)過(guò)濾裝置浸沒在沉降槽中礦漿的液面下。過(guò)濾裝置有20-25排，每排由4-6根過(guò)濾管組成，過(guò)濾管與水平支管相連，水平支管與真空及壓縮空氣分配室相通，能自動(dòng)更換。當(dāng)停止使用真空而轉(zhuǎn)換為壓縮空氣時(shí)，濾渣即落到槽底，由刮泥器將沉泥移向排泥口。沉降過(guò)濾槽與一般沉降槽相比，可加速沉降過(guò)程并獲得液固比較低的濃泥，與真空過(guò)濾機(jī)相比，生產(chǎn)能力較大，能耗低，但沉泥的液固比較高。槽體分配頭及傳動(dòng)裝置攪拌器過(guò)濾管懸浮液進(jìn)料口濾液出口濃泥出口四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院Ⅳ.沉降過(guò)濾槽帶過(guò)濾裝置的沉降槽稱為沉降過(guò)程濾槽。此種槽(3.2.2.2沉降槽的設(shè)計(jì)主要有：沉降槽生產(chǎn)能力（Q）、面積(A)和高度（H)Ⅰ.先做間歇沉降實(shí)驗(yàn)確定表觀沉降速度(υ0)：清液區(qū)與均一濃度區(qū)界面的下降速度。粗粒固體區(qū)的壓縮時(shí)間(tr)：底流壓縮到滿足出料要求的液固比所需時(shí)間，s。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.2.2.2沉降槽的設(shè)計(jì)主要有：沉降槽生產(chǎn)能力（Q）Ⅱ.沉降槽生產(chǎn)能力以礦漿中純液量而言，當(dāng)無(wú)液體損失時(shí)，礦漿中的總液量為：Q0=Q1+Q2式中：Q0—礦漿中總液量，m3·h-1；

Q1—澄清液溢流量，m3·h-1

；Q2—沉渣中含液量，m3·h-1

；在沉降槽中，如澄清液層高度為h，則沉降槽澄清液的生產(chǎn)能力可用下式計(jì)算：式中：A—沉降槽的沉降面積，m2；h—澄清液層高度，m；

t—澄清時(shí)間，h。

四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院Ⅱ.沉降槽生產(chǎn)能力四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院Ⅲ.沉降槽面積(A)的確定

式中：

A——沉降槽的沉降面積，m2;

qm——懸浮液的質(zhì)量流量，kg/s;

c0、c1——懸浮液的固體濃度和沉渣中的固體濃度，kg/m3;m

——懸浮液的密度，kg/m3;

υ——實(shí)際沉降速度，m/s;1.33——經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院Ⅲ.沉降槽面積(A)的確定四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院Ⅳ.沉降槽高度(H)的確定：包括壓縮區(qū)的高度HPa.粗粒固體區(qū)(壓縮區(qū))的高度(HP):

HP——壓縮區(qū)高度，m;Qm——壓縮區(qū)內(nèi)液固比的平均值。

tr——壓縮時(shí)間(底流壓縮到滿足出料要求的液固比所需時(shí)間)，s;

W’——單位時(shí)間進(jìn)入槽內(nèi)的固體質(zhì)量，kg/h;——原始礦漿中固體及液體密度，kg?m-3

b.沉降槽高度(H)：

H=(0.32)+2×0.7+1.75×HP

0.32——為清液區(qū)高度；m2×0.7——為加料區(qū)及濃度不均區(qū)的高度；m1.75——為安全系數(shù)。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院Ⅳ.沉降槽高度(H)的確定：包括壓縮區(qū)的高度HP四川大學(xué)化學(xué)3.2.3離心沉降(離心力)重力沉降設(shè)備占地面積大，材料消耗多，沉降終速小，效率不高，僅適用于處理大量的稀懸浮液。為了提高固液分離能力，工業(yè)上廣泛采用離心分離設(shè)備，水力旋流器或稱為旋液分離器是其中一種。水力旋流器的結(jié)構(gòu)與旋風(fēng)分離器大致相同，其基本原理也相似。如圖示：料漿進(jìn)入之后在圓筒部分高速旋轉(zhuǎn)，沿筒壁一面作圓周運(yùn)動(dòng)，一面向下運(yùn)動(dòng)，固體顆粒的密度較液體大，在旋轉(zhuǎn)時(shí)受更大的離心力(Fc)作用;顆粒沿器壁向下運(yùn)動(dòng)到達(dá)排渣口，成為底流而排出，清液由上部中心溢流口出去。在中心部分有一個(gè)空氣柱形成，此處為負(fù)壓狀態(tài)。

圓柱

錐體排渣口出口管入口管

四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.2.3離心沉降(離心力)重力沉降設(shè)備占地面積大，材料3.2.3.1離心分離因素(Kc)1.離心力(Fc):m---球形顆粒的質(zhì)量,㎏;---球形顆粒的角速度,rad/sr---球形顆粒到旋轉(zhuǎn)軸心的距離,m;

n---球形顆粒的轉(zhuǎn)速(r/min)；2.重力（Fg）:Fg=mg3.離心分離因素Kc：同一顆粒所受的離心力與重力之比

Kc：表示離心力大小的指標(biāo)。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.2.3.1離心分離因素(Kc)1.離心力(Fc):3.2.3.2水力旋流器中uθ、ur、ua與r關(guān)系水力旋流器可作固液相分離用，亦可作為分級(jí)設(shè)備。水力旋流器中流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律比較復(fù)雜，目前尚不能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)式表達(dá)：圖3-2-17(a)、(b)、(c)分別表示水力旋流器中流體的切線速度uθ，徑向速度ur，及軸向速度ua與半徑r的關(guān)系:圖(a)為切線速度uθ隨著距中心線的距離減小而增大，在接近氣柱中心時(shí)很快下降。除接近氣柱那一部分液體外，旋流器中液體的切線速度uθ與旋轉(zhuǎn)半徑r之關(guān)系可用下式表示：

n值在0.5-0.9之間，平均可取0.64四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.2.3.2水力旋流器中uθ、ur、ua與r關(guān)系水力圖(b)為徑向速度ur分量，距軸心愈遠(yuǎn)，ur愈增大。而徑向加速度ar∞r(nóng)-2.5，即旋轉(zhuǎn)半徑r愈小，ar愈大，徑向加速度為懸浮物分離的重要因素，故圓錐形部分起著重要的分離作用。因此，也說(shuō)明水力旋流器應(yīng)向小直徑發(fā)展。圖(c)表示軸向速度ua分量，在靠近筒壁附近軸向速度方向向下，而在靠近中心附近，方向是向上的，故在中間有一處軸向速度為零。由此分界，外部為下降流，內(nèi)部為上升流。粗細(xì)顆粒分別進(jìn)入底流及溢流，故旋流器可用于分級(jí)。

圖中：1-旋流器壁；2-溢流管；3-氣柱四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院uθurua圖(b)為徑向速度ur分量，距軸心愈遠(yuǎn)，ur愈增大。而徑向3.2.3.3水力旋流器（旋液分離器）水力旋流器的結(jié)構(gòu)及原理如圖3-8所示。水力旋流器可作固液分離用，亦可作為分級(jí)設(shè)備用。水力旋流器的設(shè)備直徑愈小,分離顆粒的極限直徑愈小，效率也愈高。當(dāng)D為4mm時(shí),分離粒徑可小到110m。水力旋流器中固體顆粒沿壁面的快速運(yùn)動(dòng)會(huì)造成嚴(yán)重的磨損，固應(yīng)采用耐磨材料制造。減小錐角，增加圓筒部分高度均有助于改進(jìn)分離，錐角一般為15°20°。旋流器的生產(chǎn)能力大，通常設(shè)備直徑為0.11m，其處理量每分鐘可達(dá)數(shù)百立方米。如右表：d為進(jìn)料口直徑，D為旋流器直徑水力旋流器直徑和參數(shù)d/D對(duì)產(chǎn)能(1·min-1)的影響直徑D/mmd/D0.100.150.200.250.30125-303848632504560759512550090120150190-1000180240300--四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.2.3.3水力旋流器（旋液分離器）水力旋流器的結(jié)構(gòu)及1.一直徑為1.5mm，密度為2500kg/m3的玻璃球在20℃的水中沉降，試求其沉降速度。已知：20℃時(shí)水=998.2kg/m3,=1.01×10-3Pa·s。

2.說(shuō)明沉降槽的生產(chǎn)能力與其槽幫高度的關(guān)系。

課堂作業(yè)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院1.一直徑為1.5mm，密度為2500kg/3.4過(guò)濾分離沉降操作往往需要很長(zhǎng)時(shí)間，且無(wú)法將液體中懸浮的固體微粒完全分離干凈。而過(guò)濾不但分離的速度快，而且濾餅中的液體含量較沉降物少，故過(guò)濾是分離懸浮液普遍而有效的方法。過(guò)濾操作原理:

借助一種截留固體顆粒而讓液體通過(guò)的多孔介質(zhì)將固體顆粒從懸浮液中分離出來(lái)的過(guò)程稱為過(guò)濾。通常將這種多孔介質(zhì)稱為過(guò)濾介質(zhì)。過(guò)濾介質(zhì)可以是細(xì)砂、織物、紙或多孔固體(如陶瓷)等，大多數(shù)采用織物，如尼龍、麻布、玻璃絲布、鐵絲網(wǎng)布等。即使過(guò)濾介質(zhì)不是布，也習(xí)慣地稱之為過(guò)濾布。過(guò)濾介質(zhì)的孔徑經(jīng)常稍大于被分離固體顆粒的平均直徑。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.4過(guò)濾分離沉降操作往往需要很長(zhǎng)時(shí)間，且無(wú)法將液體中懸3.4.1懸浮液的過(guò)濾⑴兩種過(guò)濾方式①深層過(guò)濾：用較厚的粒狀床層做成的過(guò)濾介質(zhì)(如砂層)。如自來(lái)水的凈化，污水處理。(一般C<0.1%)②濾餅過(guò)濾：濾餅層為有效的過(guò)濾介質(zhì)。過(guò)濾初期有架橋現(xiàn)象(如圖3-18),(C>1%)。圖3-17過(guò)濾示意圖圖3-18架橋現(xiàn)象四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.4.1懸浮液的過(guò)濾⑴兩種過(guò)濾方式圖3-17過(guò)濾⑵過(guò)濾介質(zhì)①織物介質(zhì)：棉,麻,絲,毛及各種合成纖維織成的濾布?；蜚~，不銹鋼等金屬絲編織的濾網(wǎng)。②堆積的粒狀介質(zhì)：由砂，木炭等堆積成較厚的床層，用于深層過(guò)濾。③多孔性介質(zhì)：陶瓷，塑料，金屬等粉末燒結(jié)成型而制得的多孔性板狀或管狀介質(zhì)。過(guò)濾介質(zhì)的選擇，要根據(jù)懸浮液中液體性質(zhì)（例如，酸，堿性），固體顆粒含量與粒度，操作壓力與溫度及過(guò)濾介質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度與價(jià)格等因素考慮。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院⑵過(guò)濾介質(zhì)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院⑶助濾劑(回收濾渣不適宜)當(dāng)含有膠體的懸浮液過(guò)濾時(shí)，因顆粒的形狀及顆粒間的孔道隨壓強(qiáng)變化而改變?yōu)V孔，往往被顆粒堵塞。在這種情況下，液體的流通受到阻礙，甚至閉塞。為改變這種狀況，加入一種性質(zhì)堅(jiān)硬在一般壓強(qiáng)下不變形的粒狀物質(zhì)，通常稱為助濾劑。其類型有：①硅藻土：硅藻土經(jīng)干燥或煅燒，粉碎，篩分而得到。②珍珠巖：珍珠巖粉末在1000℃下迅速加熱膨脹后，經(jīng)粉碎，篩分而得到粒度均勻的顆粒。③石棉：石棉粉與少量硅藻土混合而成。④活性炭粉，紙漿粉等。

助濾劑使用方法：①先把助濾劑單獨(dú)配成懸浮液,過(guò)濾,先形成一層助濾劑層。②在懸浮液中加入助濾劑(添加量為固體顆粒重量的0.5%)。

四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院⑶助濾劑(回收濾渣不適宜)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.4.2過(guò)濾速率基本方程式過(guò)濾速度=過(guò)濾推動(dòng)力/過(guò)濾阻力=p/R過(guò)濾推動(dòng)力就是壓力差(p):p=pc+pm;過(guò)濾阻力包括濾餅阻力和過(guò)濾介質(zhì)阻力(如圖3-19)。濾液流過(guò)濾餅層內(nèi)的細(xì)微孔道的速度(u)類似于流體在圓管內(nèi)的層流流動(dòng)：圖3-19過(guò)濾的推動(dòng)力與阻力四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.4.2過(guò)濾速率基本方程式過(guò)濾速度=過(guò)濾推動(dòng)力/過(guò)濾阻濾餅中濾液的過(guò)濾速度：式中：uc—濾液在毛細(xì)孔道內(nèi)的流速,uc

dV/(Ad);

pc

—濾液通過(guò)濾餅層的壓力降；

—濾液的粘度；

l—濾餅層中的毛細(xì)管孔道的平均長(zhǎng)度；lL;L—濾餅層的厚度；LwV/A;A—過(guò)濾面積；

w—單位體積濾液的干濾餅質(zhì)量；V—濾液的體積；

d—毛細(xì)管的平均直徑(為定值)；

r—濾餅的比阻(m/kg,比例系數(shù))考慮過(guò)濾介質(zhì)，則濾液的過(guò)濾速度：濾液的過(guò)濾速率：

Ve

—當(dāng)量濾液量(過(guò)濾介質(zhì)的相當(dāng)于得Ve濾液時(shí)濾餅層的阻力)。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院濾餅中濾液的過(guò)濾速度：四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院恒壓過(guò)濾和恒速過(guò)濾⑴恒壓過(guò)濾方程式：即p為常數(shù)令K=2p/(r

w)

，(K為過(guò)濾常數(shù)，包括物性常數(shù)及壓強(qiáng)參數(shù))

積分:為0→，V為Ve→Ve+V,得:

式中Ve用類似方法積分，從0→e

（虛擬的過(guò)濾時(shí)間）s；Ve從0→Ve,得：

Ve2=KA2e

；兩式相加得：(V+Ve)2=KA2(+e);

令q=V/A,qe=Ve/A:

q2+2qeq=K;或

(q+qe)2=K(+e);四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院恒壓過(guò)濾和恒速過(guò)濾⑴恒壓過(guò)濾方程式：即p為常數(shù)四川大學(xué)⑵恒速過(guò)濾方程式：u=Ku（常數(shù)）

則：四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院⑵恒速過(guò)濾方程式：u=Ku（常數(shù)）四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院⑶先恒速后恒壓過(guò)濾方程式

（實(shí)質(zhì)上是恒壓過(guò)濾為主，恒壓過(guò)濾的起點(diǎn)為恒速過(guò)濾的終點(diǎn)）令：VR——代表恒速過(guò)濾階段終了瞬間的濾液體積；R——代表恒速過(guò)濾階段終了瞬間的過(guò)濾時(shí)間。積分，從R→，V從VR→V,得

(V2-VR2)+2Ve(V-VR)=KA2

(-R)或(q2-qR2)+2qe(q-qR)=K(-R)(V-VR),(-R)分別代表恒速階段轉(zhuǎn)入恒壓階段后所獲得的濾液體積及所經(jīng)歷的過(guò)濾時(shí)間。該復(fù)合過(guò)濾方式是為了避免過(guò)濾初期因壓差過(guò)大而引起濾布堵塞和破損。即過(guò)濾初期保持恒定速率使壓差逐步升高至系統(tǒng)允許的最大值，然后在恒定的最大壓強(qiáng)差下操作。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院⑶先恒速后恒壓過(guò)濾方程式

（實(shí)質(zhì)上是恒壓過(guò)濾為主，恒壓過(guò)濾3.2.3過(guò)濾設(shè)備⑴板框壓濾機(jī)(如圖3-21)洗滌速率(dV/d)約為最終過(guò)濾速率[(dV/d)E]的1/4。dV/d=(1/4)(dV/d)E操作壓力一般為310kg/cm2.可調(diào)節(jié)過(guò)濾能力,但勞動(dòng)強(qiáng)度大，多為間歇操作。圖3-21板框壓濾機(jī)的過(guò)濾與洗滌四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.2.3過(guò)濾設(shè)備⑴板框壓濾機(jī)(如圖3-21)圖四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3液固分離設(shè)備解析課件立盤過(guò)濾機(jī)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院立盤過(guò)濾機(jī)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院【例3-2】

有一實(shí)驗(yàn)裝置，在3×105Pa的壓強(qiáng)下過(guò)濾含鈦白的水懸浮液，測(cè)得過(guò)濾常數(shù)K=5×10-5m2/s,qe=0.01m3/m2,e=2s。又測(cè)得濾餅與濾液的體積比w=0.08m3/m3,擬在生產(chǎn)中采用BMY50-810/25型板框壓濾機(jī)來(lái)過(guò)濾此懸浮液，過(guò)濾壓強(qiáng)與所用濾布均和實(shí)驗(yàn)相同，按標(biāo)準(zhǔn)，這一型號(hào)的板框壓濾機(jī)濾框空間的長(zhǎng)與寬均為810mm，框的厚度為25mm,共38個(gè)框,過(guò)濾面積為50m2,框內(nèi)總?cè)萘繛?.615m3。試求:①過(guò)濾至框內(nèi)全部充滿濾渣所需過(guò)濾時(shí)間；②過(guò)濾后以相當(dāng)于濾液量1/10的清水進(jìn)行洗滌的洗滌時(shí)間；③輔助操作時(shí)間為15min，求每臺(tái)壓濾機(jī)的生產(chǎn)能力，以每小時(shí)平均可得濾餅體積計(jì)。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院【例3-2】有一實(shí)驗(yàn)裝置，在3×105Pa的壓強(qiáng)下過(guò)濾含〖解〗:①驗(yàn)算過(guò)濾面積(A)及框的總?cè)莘e(V框)

A=框長(zhǎng)×框?qū)挕?×框數(shù)

=810×810×2×38=5×107mm2=50m2

；

V框=框長(zhǎng)×框?qū)挕量蚝瘛量驍?shù)

=810×810×25×38=623×106mm3=0.623m3

；

(基本吻合)②過(guò)濾時(shí)間()

濾框充滿濾渣時(shí),濾液量V:V=框的總?cè)莘e/w=0.615/0.08=7.7m3;

恒壓過(guò)濾方程：(q+qe)2=K(+e);(7.7/50+0.01)2=5×10-5(+2);

解得：=536s=0.149h四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院〖解〗:四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院③洗滌時(shí)間(w):∵VW=1/10V④生產(chǎn)能力(按濾餅計(jì)算)

∵D=15min,

T=+w+D=0.149+0.112+15/60=0.511h;∴Q=0.615/T=0.615/0.511=1.204m3/h四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院③洗滌時(shí)間(w):四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院⑵轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)①轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)的構(gòu)造與操作：其構(gòu)造如圖，為自動(dòng)連續(xù)操作，轉(zhuǎn)數(shù)為0.1～3r/min,轉(zhuǎn)筒表面有一層金屬網(wǎng)，網(wǎng)上覆蓋著濾布，筒的下部浸入濾漿槽中。轉(zhuǎn)筒有12個(gè)小過(guò)濾室。葉濾機(jī)—單筒四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院⑵轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)葉濾機(jī)—單筒四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院分配頭由轉(zhuǎn)動(dòng)盤與固定盤組成。固定盤有濾液排出管(真空管)，洗水排出管(真空管)，及空氣吹進(jìn)管。轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)一周，每個(gè)小濾室進(jìn)行過(guò)濾，洗滌，吸干，吹松卸渣操作。相應(yīng)有過(guò)濾區(qū)，洗滌區(qū)，吸干區(qū)，吹松卸渣區(qū)。適用于處理量大而固體顆粒含量較多的濾漿；真空操作(p<1atm)。分配頭的構(gòu)造示意圖1、4-壓縮空氣管入口；2、3-減壓管路入口；5-不操作區(qū)；6-固定盤；7-轉(zhuǎn)動(dòng)盤轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)操作簡(jiǎn)圖1-濾筒；2-吸管；3-刮刀；4-分配頭；5、13-壓縮空氣入口；6、10-減壓管入口；7-無(wú)端帶；8-噴液裝置；9-換向輥；11-濾漿槽；12-攪拌機(jī)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院分配頭由轉(zhuǎn)動(dòng)盤與固定盤組成。固定盤有濾液排出管(真空管)，洗四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院②轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力(Q)浸液率()：

=轉(zhuǎn)筒浸液面積/轉(zhuǎn)筒總表面積操作周期(T)：轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間；

T=60/n(s)n—轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速(r/min)操作周期中的過(guò)濾時(shí)間()：=T=60/n恒壓過(guò)濾方程：

(V+Ve)2=KA2(+e);

將上兩式合并，整理得：

V=[KA2(+e)]1/2-Ve={KA2[(60/n)+e]}1/2-Ve生產(chǎn)能力(Q):每小時(shí)獲得濾液體積(m3/h)；

Q=3600V/T=3600V/(60/n)=60nV

或Q=60{[KA2(60n+n2e]1/2-nVe}

當(dāng)忽略濾布阻力時(shí)：

e=0；

Q=60(60KA2n)1/2=465A(Kn)1/2

A—轉(zhuǎn)筒總過(guò)濾面積，m3四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院②轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力(Q)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院【例3-3】一臺(tái)連續(xù)操作的真空過(guò)濾機(jī),直徑為2m,長(zhǎng)為2m,在任意瞬間總有1/6的過(guò)濾表面浸沒在懸浮液中，懸浮液的壓強(qiáng)為1.0×105Pa，轉(zhuǎn)筒內(nèi)壓強(qiáng)為0.45×105Pa,過(guò)濾機(jī)轉(zhuǎn)速為1/3(r/min)，試計(jì)算濾液的產(chǎn)量。濾布阻力可以忽略不計(jì)，濾餅是可壓縮的；過(guò)濾方程為：q=1.47×10-7p0.48/u?！冀狻剑阂阎狣=2m,Z=2m,=1/6,取大氣壓為105Pa時(shí)，則p=(1-0.45)×105=0.55×105Pa

又dV/d=KA2/[2(V+Ve)]=KA2/(2V）

(因?yàn)閂e=0)，且q=V/A,u=dV/(Ad);

所以u(píng)=KA2/(2AV)=K/(2q);K=2qu

已知q=1.47×10-7p0.48/u,

所以K=2×1.47×10-7p0.48;

Q=465A(Kn)1/2

=465×2×2[2×1.47×10-7(0.55×105)0.48(1/3)(1/6)]1/2

=10.25m3/h=2.83×10-3m3/s四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院【例3-3】一臺(tái)連續(xù)操作的真空過(guò)濾機(jī),直徑為2m,長(zhǎng)為2m,固定式移動(dòng)式四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院固定式四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院(3)離心過(guò)濾機(jī)離心過(guò)濾機(jī)是利用離心力使懸浮液中固體顆粒與液體分離的一種設(shè)備，適用于晶體顆粒物料以及各種纖維質(zhì)物料的分離。離心機(jī)是由一個(gè)濾筐所組成，其中放置要進(jìn)行分離的固體和液體的混合物或兩種液體形成的混合物。由于濾筐在高速下轉(zhuǎn)動(dòng)，混合物受離心力的作用可發(fā)生分離。濾筐可以打孔或不打孔。在有孔眼的情況下，孔上覆以濾布或其它介質(zhì)，液體受離心力的作用由濾孔迅速泄出，固體則留在濾布上，因而達(dá)到固液分離的目的，此種分離稱為離心過(guò)濾。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院(3)離心過(guò)濾機(jī)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院圖3.12多級(jí)推送式連續(xù)離心機(jī)1-空心軸；2、4、6、8-濾筐；3、5、7、9-篩；10-氣缸；11-活塞桿；12-活塞；13-推進(jìn)器；14-錐形斗；15-進(jìn)料管；16-渣；17-外殼；18-洗滌管；19-軸承.夏普雷斯推進(jìn)式離心機(jī)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院圖3.12多級(jí)推送式連續(xù)離心機(jī)夏普雷斯推進(jìn)式離心機(jī)四習(xí)題(P186,3-0-5,3-0-6,3-0-7選做一題)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院習(xí)題四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院

課堂作業(yè):

有一臺(tái)BMS50/810-25型板框壓濾機(jī)過(guò)濾某懸浮液，懸浮液中固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.139，固相密度為2000Kg/m3，液相為水。每1m3濾餅中含500Kg水，其余全為固相。已知操作條件下過(guò)濾常數(shù)K=2.72×10-5m2/s，τe=2s,qe=3.45×10-3m3/m2

。濾框尺寸為810×810×25(mm)，共38個(gè)框。試求：（1）過(guò)濾至框內(nèi)全部充滿濾渣所需的時(shí)間及所得濾液體積。（8分）（2）過(guò)濾完畢用0.8m3清水洗滌濾餅，求洗滌時(shí)間（洗水溫度及表壓與濾漿相同）。課堂作業(yè):濕法冶金設(shè)備

——液固分離設(shè)備冶金設(shè)備基礎(chǔ)（下篇）四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院2011.4濕法冶金設(shè)備

——液固分離設(shè)備冶金設(shè)備基礎(chǔ)（下篇）四川大學(xué)化3液固分離設(shè)備3.1概述

3.1.1基本概念

3.1.2液固兩相流性質(zhì)及特點(diǎn)3.2沉降分離及設(shè)備

3.2.1重力沉降(地球引力)3.2.2離心沉降(離心力)3.3過(guò)濾分離及設(shè)備

3.3.1過(guò)濾分離

3.3.2過(guò)濾機(jī)大型平底沉降槽四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3液固分離設(shè)備3.1概述大型平底沉降槽四川大學(xué)化學(xué)工程3.1概述3.1.1基本概念1.物相體系概念2.非均相物系分離的目的⑴回收分散物質(zhì)（結(jié)晶母液中分離晶粒，赤泥的分離）⑵凈制分散介質(zhì)（除去含塵氣體中的塵粒）⑶勞動(dòng)保護(hù)和環(huán)境衛(wèi)生等。3.分離方法

沉降(包括重力沉降和離心沉降)

過(guò)濾(包括重力過(guò)濾，壓力過(guò)濾，真空過(guò)濾和離心過(guò)濾)

離心分離(包括離心沉降和離心過(guò)濾)混合物均相物系(如酒精溶液，空氣)非均相物系氣態(tài)非均相物系(如含塵和含霧的氣體)液態(tài)非均相物系(如懸浮液,乳濁液,泡沫液等)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.1概述3.1.1基本概念混合物均相物系(如酒精溶液3.1.2液固兩相流性質(zhì)及特點(diǎn)

3.1.2.1固體微粒的物理性質(zhì)⑴顆粒大小的表示方法：一般用粒徑或當(dāng)量直徑⑵顆粒大小的測(cè)定方法：顯微鏡測(cè)定、篩分和沉降速度⑶顆粒形狀：用球形度(ψs)表示⑷顆粒的密度與堆積密度：真密度和假密度

(kg/m3)⑸顆粒填充特性(孔隙率ε):約為0.4;由實(shí)驗(yàn)確定⑹摩擦角安息角注入角(1):將顆粒注入時(shí)得到圓錐狀堆積斜坡與底面的夾角

排出角(2):顆粒從圓筒容器底的中心排出時(shí)所得到的漏斗形外底角；通常1<2滑動(dòng)角：當(dāng)顆粒開始在傾斜壁面滑動(dòng)下來(lái)時(shí)，該壁面與水平面的夾角，滑動(dòng)角比安息角小四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.1.2液固兩相流性質(zhì)及特點(diǎn)3.1.2.1固體微粒3.1.2.2顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的阻力只要顆粒與流體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)有阻力產(chǎn)生。⑴球形顆粒所受的阻力(Fd):Fd=Au2/2

A——顆粒在運(yùn)動(dòng)方向上的投影面積，㎡——流體密度，㎏/m3u——顆粒與流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，m/s——無(wú)因次阻力系數(shù)：=f(Re)=f(dpu

/)

Re——雷諾準(zhǔn)數(shù)，dp——顆粒直徑；——流體的粘度。此函數(shù)關(guān)系由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。球形顆粒的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(見圖3-1)。⑵非球形顆粒：當(dāng)量直徑(de):de=(6Vp/)1/3

[∵Vp=(/6)de

3]，Vp——任意形狀顆粒的體積，m3。球形系數(shù):s=與該顆粒體積相等的球形顆粒表面積任意形狀顆粒的表面積(s對(duì)的影響見圖3-1)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.1.2.2顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的阻力與該顆粒體積圖3-1阻力系數(shù)與顆粒雷諾數(shù)的關(guān)系曲線大致可分為三個(gè)區(qū)域，各區(qū)域的曲線可分別用下述計(jì)算式表示：層流區(qū)(10-4<Re<1)=24/ReStokes

過(guò)渡區(qū)(1<Re<500)=10/(Re)1/2Allen

湍流區(qū)(500<Re<105)=0.44Newton四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院圖3-1阻力系數(shù)與顆粒雷諾數(shù)的關(guān)系四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.2沉降分離及設(shè)備

懸浮液與一般液體不同，具有一些特殊性質(zhì)，當(dāng)固體顆粒直徑大于0.1μm時(shí)，懸浮液不穩(wěn)定，尤其當(dāng)液相密度與固相的密度相差較大時(shí)，因受重力作用，固體顆粒會(huì)形成沉淀而與液體分離，工業(yè)上將這種分離方法稱為重力沉降。重力沉降適宜處理固液相密度差比較大、固體含量不太高、而處理量比較大的懸浮液。重力沉降操作一般分為濃縮和澄清兩類。濃縮操作的目的主要是為了將懸浮液增稠，而澄清操作的目的是為了從比較稀的懸浮液中除去少量懸浮物。這兩種沉降操作所用的設(shè)備分別稱為沉降槽或澄清槽。重力沉降設(shè)備占地面積大，材料消耗多，沉降終速小，效率低等缺點(diǎn)，對(duì)于固含量多的懸浮液不適用，可采用離心沉降，以提高液固分離能力，其設(shè)備稱為旋流分離器。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.2沉降分離及設(shè)備懸浮液與一般液體不同，具有一些特殊3.2.1重力沉降(地球引力)1.沉降速度⑴球形顆粒的自由沉降：如右圖,球形顆粒收到了3個(gè)力的作用，即向下的重力Fg，向上的浮力Fb和阻力FdFdFbFgρ1ρ2四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.2.1重力沉降(地球引力)1.沉降速度FdFbFg層流區(qū)過(guò)渡區(qū)湍流區(qū)υ0與dp，1及2有關(guān)；dp及1愈大，則υ0就愈大；層流區(qū)與過(guò)渡區(qū)中，υ0還與有關(guān)，液體的為氣體的50倍，因而顆粒在液體中的沉降速度比在氣體中的小很多。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院層流區(qū)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院⑵影響沉降速度的因素①干擾沉降：當(dāng)非均相物系中存在許多顆粒，顆粒沉降相互干擾。υ0↓②壁效應(yīng)：當(dāng)顆粒在靠近器壁的位置沉降時(shí)，υ0↓。因此容器的尺寸要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒的尺寸。③布朗運(yùn)動(dòng)：過(guò)細(xì)顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)使υ0應(yīng)用失效。④相對(duì)運(yùn)動(dòng)：顆粒與流體處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，亦適用。⑤顆粒形狀：用當(dāng)量直徑和球形度來(lái)表示，顆粒偏離球形愈大，其阻力系數(shù)就愈大。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院⑵影響沉降速度的因素四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院⑶沉降速度的計(jì)算(試差法,摩擦數(shù)群法,無(wú)因次判別因子)用試差法：先假設(shè)沉降屬于某一流型，求出υ0

，然后核算Re。不對(duì)，重試?！纠?-1】

一直徑為1.0mm，密度為2500kg/m3的玻璃球在20oC的水中沉降，試求其沉降速度?！冀狻剑合仍O(shè)流型為層流，

1=2500kg/m3

，dp=0.001m

20oC時(shí)水有

2=998.2kg/m3,

=1.01×10-3Pa·s

υ0

=gdp2(1-2)/(18)=9.81×(1.0×10-3)2×(2500-998.2)/(18×1.01×10-3)=0.82m/s

校核Re:

=1.0×10-3×0.82×998.2/(1.01×10-3)=818.5>1

顯然，顆粒沉降不是在層流區(qū)。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院⑶沉降速度的計(jì)算(試差法,摩擦數(shù)群法,無(wú)因次判別因子)再設(shè)在過(guò)渡區(qū)沉降，則υ0

=[4g2(1-2)2/(2252)]1/3dp

=[4×(9.81)2(2500-998.2)2/(225×1.01×10-3×998.2)]1/3×10-3

=0.156m/s校核Re

:Re

=dput/=1.0×10-3×0.157×998.2/(1.01×10-3)=157屬于過(guò)渡區(qū)(1<Re<500)，故所設(shè)正確。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院再設(shè)在過(guò)渡區(qū)沉降，則四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院2.沉降分離⑴懸浮液的分離方法及性質(zhì)懸浮液的分離方法:

沉降法、過(guò)濾法及離心分離法。懸浮液的性質(zhì):溫度、密度、濃度、固體懸浮物的粒度和懸浮物的特性①溫度：溫度高，粘度小的懸浮液容易分離；

②懸浮液密度：

kg/m3

懸浮液體積流量：Qm=Q+Qs

m3/sQ、Qs——分別為溶液與干固體顆粒的流量，在懸浮液中(ρ2-ρ1)越大，分離越容易。

③濃度(懸浮液中干固體顆粒所占的百分?jǐn)?shù))

體積濃度：M=Qs/Qm

體積固液比：M’=Qs/Q

質(zhì)量濃度：m=Ws/Wm=sQs/(mQm)=(s/m)?M

質(zhì)量固液比：m’=Ws/W

=sQs/(Q

)=(s/

)·M’四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院2.沉降分離四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院固體懸浮物的粒度(固體顆粒的粒徑)：粒徑越大越易分離，沉速度越大。懸浮物的特性：顆粒輪廓清晰，堅(jiān)硬，且不易變形，也不易相互粘附或與其它粒子粘結(jié)，最易分離；膠狀物質(zhì)(如赤泥粒子),沉降性能很差;加適量的絮凝劑。Ⅰ.無(wú)機(jī)絮凝劑：石灰，硫酸，明礬，苛性鈉，鹽酸和氯化鋅等。Ⅱ.天然高分子絮凝劑：淀粉和含淀粉的蛋白質(zhì)物質(zhì)，如馬鈴薯，玉米粉，紅薯粉及動(dòng)物膠體。Ⅲ.合成高分子絮凝劑：離子和非離子型高分子聚合物，如聚丙烯酰胺，羰基纖維和聚乙烯醇等。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院固體懸浮物的粒度(固體顆粒的粒徑)：四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院⑵懸浮液的沉降過(guò)程：間歇沉降過(guò)程(見下圖)ⅰ表觀沉降速度(υt

):清液區(qū)與均一濃度區(qū)界面的下降速度

(0.5為受阻干擾系數(shù))當(dāng)Re<1時(shí)，以斯托克斯公式計(jì)算ⅱ粗粒固體區(qū)的壓縮時(shí)間(r):底流壓縮到滿足出料要求的液固比所需時(shí)間，s

圖中1-清液區(qū)2-均一濃度區(qū)3-濃度及粒度不均區(qū)4-粗粒固體區(qū)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院⑵懸浮液的沉降過(guò)程：間歇沉降過(guò)程(見下圖)圖中四川大3.2.2沉降槽的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.2.2沉降槽的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院圖3-4單層沉降槽結(jié)構(gòu)Ⅰ單層沉降槽：其結(jié)構(gòu)和工作原理見圖3-4。3.2.2.1沉降槽的結(jié)構(gòu)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院圖3-4單層沉降槽結(jié)構(gòu)Ⅰ單層沉降槽：其結(jié)構(gòu)和工作原理見圖Ⅱ多層沉降槽其結(jié)構(gòu)和工作原理見圖3-5。

h0+hs=(h+h0+h)×

h=h(s-)

/；或h=h?/(s-)h—相鄰兩層泥漿渣面之間的高度，m；h0—上層清液區(qū)高度，m；

h—相鄰兩層間溢流管內(nèi)清液面的高度差，m；s—沉渣的密度，kg/m3;

—清液的密度，kg/m3圖3-5

多層沉降槽結(jié)構(gòu)hh0h四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院Ⅱ多層沉降槽其結(jié)構(gòu)和工作原理見圖3-5。圖3-5Ⅲ.洗滌沉降沉降槽除了作液固相分離設(shè)備之外，常用作沉渣洗滌設(shè)備，通過(guò)洗滌可以回收底流中殘存的有價(jià)值的清液，如拜爾法生產(chǎn)氧化鋁的赤泥中常殘存有大量的Na2O及Al2O3等溶質(zhì)，就用沉降槽作洗滌槽進(jìn)行逆流洗滌。在洗滌中要求盡量少用洗水，以免破壞生產(chǎn)系統(tǒng)的水量平衡，所以采用反向洗滌或逆流洗滌。其流程如圖所示。各洗滌槽溢流所含溶質(zhì)濃度c1、c2和c3，質(zhì)量分?jǐn)?shù)；各洗滌槽溢流量G1、G2和G3，kg(溶液)·kg-1(干固體)；四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院Ⅲ.洗滌沉降沉降槽除了作液固相分離設(shè)備之外，常用作沉渣洗滌設(shè)Ⅳ.沉降過(guò)濾槽帶過(guò)濾裝置的沉降槽稱為沉降過(guò)程濾槽。此種槽(圖3-2-15)中掛有多排過(guò)濾管，濾管直徑150-200mm，長(zhǎng)1200-1500mm，管壁有小孔，外套濾布，濾布可拆換，整個(gè)過(guò)濾裝置浸沒在沉降槽中礦漿的液面下。過(guò)濾裝置有20-25排，每排由4-6根過(guò)濾管組成，過(guò)濾管與水平支管相連，水平支管與真空及壓縮空氣分配室相通，能自動(dòng)更換。當(dāng)停止使用真空而轉(zhuǎn)換為壓縮空氣時(shí)，濾渣即落到槽底，由刮泥器將沉泥移向排泥口。沉降過(guò)濾槽與一般沉降槽相比，可加速沉降過(guò)程并獲得液固比較低的濃泥，與真空過(guò)濾機(jī)相比，生產(chǎn)能力較大，能耗低，但沉泥的液固比較高。槽體分配頭及傳動(dòng)裝置攪拌器過(guò)濾管懸浮液進(jìn)料口濾液出口濃泥出口四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院Ⅳ.沉降過(guò)濾槽帶過(guò)濾裝置的沉降槽稱為沉降過(guò)程濾槽。此種槽(3.2.2.2沉降槽的設(shè)計(jì)主要有：沉降槽生產(chǎn)能力（Q）、面積(A)和高度（H)Ⅰ.先做間歇沉降實(shí)驗(yàn)確定表觀沉降速度(υ0)：清液區(qū)與均一濃度區(qū)界面的下降速度。粗粒固體區(qū)的壓縮時(shí)間(tr)：底流壓縮到滿足出料要求的液固比所需時(shí)間，s。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.2.2.2沉降槽的設(shè)計(jì)主要有：沉降槽生產(chǎn)能力（Q）Ⅱ.沉降槽生產(chǎn)能力以礦漿中純液量而言，當(dāng)無(wú)液體損失時(shí)，礦漿中的總液量為：Q0=Q1+Q2式中：Q0—礦漿中總液量，m3·h-1；

Q1—澄清液溢流量，m3·h-1

；Q2—沉渣中含液量，m3·h-1

；在沉降槽中，如澄清液層高度為h，則沉降槽澄清液的生產(chǎn)能力可用下式計(jì)算：式中：A—沉降槽的沉降面積，m2；h—澄清液層高度，m；

t—澄清時(shí)間，h。

四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院Ⅱ.沉降槽生產(chǎn)能力四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院Ⅲ.沉降槽面積(A)的確定

式中：

A——沉降槽的沉降面積，m2;

qm——懸浮液的質(zhì)量流量，kg/s;

c0、c1——懸浮液的固體濃度和沉渣中的固體濃度，kg/m3;m

——懸浮液的密度，kg/m3;

υ——實(shí)際沉降速度，m/s;1.33——經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院Ⅲ.沉降槽面積(A)的確定四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院Ⅳ.沉降槽高度(H)的確定：包括壓縮區(qū)的高度HPa.粗粒固體區(qū)(壓縮區(qū))的高度(HP):

HP——壓縮區(qū)高度，m;Qm——壓縮區(qū)內(nèi)液固比的平均值。

tr——壓縮時(shí)間(底流壓縮到滿足出料要求的液固比所需時(shí)間)，s;

W’——單位時(shí)間進(jìn)入槽內(nèi)的固體質(zhì)量，kg/h;——原始礦漿中固體及液體密度，kg?m-3

b.沉降槽高度(H)：

H=(0.32)+2×0.7+1.75×HP

0.32——為清液區(qū)高度；m2×0.7——為加料區(qū)及濃度不均區(qū)的高度；m1.75——為安全系數(shù)。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院Ⅳ.沉降槽高度(H)的確定：包括壓縮區(qū)的高度HP四川大學(xué)化學(xué)3.2.3離心沉降(離心力)重力沉降設(shè)備占地面積大，材料消耗多，沉降終速小，效率不高，僅適用于處理大量的稀懸浮液。為了提高固液分離能力，工業(yè)上廣泛采用離心分離設(shè)備，水力旋流器或稱為旋液分離器是其中一種。水力旋流器的結(jié)構(gòu)與旋風(fēng)分離器大致相同，其基本原理也相似。如圖示：料漿進(jìn)入之后在圓筒部分高速旋轉(zhuǎn)，沿筒壁一面作圓周運(yùn)動(dòng)，一面向下運(yùn)動(dòng)，固體顆粒的密度較液體大，在旋轉(zhuǎn)時(shí)受更大的離心力(Fc)作用;顆粒沿器壁向下運(yùn)動(dòng)到達(dá)排渣口，成為底流而排出，清液由上部中心溢流口出去。在中心部分有一個(gè)空氣柱形成，此處為負(fù)壓狀態(tài)。

圓柱

錐體排渣口出口管入口管

四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.2.3離心沉降(離心力)重力沉降設(shè)備占地面積大，材料3.2.3.1離心分離因素(Kc)1.離心力(Fc):m---球形顆粒的質(zhì)量,㎏;---球形顆粒的角速度,rad/sr---球形顆粒到旋轉(zhuǎn)軸心的距離,m;

n---球形顆粒的轉(zhuǎn)速(r/min)；2.重力（Fg）:Fg=mg3.離心分離因素Kc：同一顆粒所受的離心力與重力之比

Kc：表示離心力大小的指標(biāo)。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.2.3.1離心分離因素(Kc)1.離心力(Fc):3.2.3.2水力旋流器中uθ、ur、ua與r關(guān)系水力旋流器可作固液相分離用，亦可作為分級(jí)設(shè)備。水力旋流器中流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律比較復(fù)雜，目前尚不能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)式表達(dá)：圖3-2-17(a)、(b)、(c)分別表示水力旋流器中流體的切線速度uθ，徑向速度ur，及軸向速度ua與半徑r的關(guān)系:圖(a)為切線速度uθ隨著距中心線的距離減小而增大，在接近氣柱中心時(shí)很快下降。除接近氣柱那一部分液體外，旋流器中液體的切線速度uθ與旋轉(zhuǎn)半徑r之關(guān)系可用下式表示：

n值在0.5-0.9之間，平均可取0.64四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.2.3.2水力旋流器中uθ、ur、ua與r關(guān)系水力圖(b)為徑向速度ur分量，距軸心愈遠(yuǎn)，ur愈增大。而徑向加速度ar∞r(nóng)-2.5，即旋轉(zhuǎn)半徑r愈小，ar愈大，徑向加速度為懸浮物分離的重要因素，故圓錐形部分起著重要的分離作用。因此，也說(shuō)明水力旋流器應(yīng)向小直徑發(fā)展。圖(c)表示軸向速度ua分量，在靠近筒壁附近軸向速度方向向下，而在靠近中心附近，方向是向上的，故在中間有一處軸向速度為零。由此分界，外部為下降流，內(nèi)部為上升流。粗細(xì)顆粒分別進(jìn)入底流及溢流，故旋流器可用于分級(jí)。

圖中：1-旋流器壁；2-溢流管；3-氣柱四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院uθurua圖(b)為徑向速度ur分量，距軸心愈遠(yuǎn)，ur愈增大。而徑向3.2.3.3水力旋流器（旋液分離器）水力旋流器的結(jié)構(gòu)及原理如圖3-8所示。水力旋流器可作固液分離用，亦可作為分級(jí)設(shè)備用。水力旋流器的設(shè)備直徑愈小,分離顆粒的極限直徑愈小，效率也愈高。當(dāng)D為4mm時(shí),分離粒徑可小到110m。水力旋流器中固體顆粒沿壁面的快速運(yùn)動(dòng)會(huì)造成嚴(yán)重的磨損，固應(yīng)采用耐磨材料制造。減小錐角，增加圓筒部分高度均有助于改進(jìn)分離，錐角一般為15°20°。旋流器的生產(chǎn)能力大，通常設(shè)備直徑為0.11m，其處理量每分鐘可達(dá)數(shù)百立方米。如右表：d為進(jìn)料口直徑，D為旋流器直徑水力旋流器直徑和參數(shù)d/D對(duì)產(chǎn)能(1·min-1)的影響直徑D/mmd/D0.100.150.200.250.30125-303848632504560759512550090120150190-1000180240300--四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.2.3.3水力旋流器（旋液分離器）水力旋流器的結(jié)構(gòu)及1.一直徑為1.5mm，密度為2500kg/m3的玻璃球在20℃的水中沉降，試求其沉降速度。已知：20℃時(shí)水=998.2kg/m3,=1.01×10-3Pa·s。

2.說(shuō)明沉降槽的生產(chǎn)能力與其槽幫高度的關(guān)系。

課堂作業(yè)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院1.一直徑為1.5mm，密度為2500kg/3.4過(guò)濾分離沉降操作往往需要很長(zhǎng)時(shí)間，且無(wú)法將液體中懸浮的固體微粒完全分離干凈。而過(guò)濾不但分離的速度快，而且濾餅中的液體含量較沉降物少，故過(guò)濾是分離懸浮液普遍而有效的方法。過(guò)濾操作原理:

借助一種截留固體顆粒而讓液體通過(guò)的多孔介質(zhì)將固體顆粒從懸浮液中分離出來(lái)的過(guò)程稱為過(guò)濾。通常將這種多孔介質(zhì)稱為過(guò)濾介質(zhì)。過(guò)濾介質(zhì)可以是細(xì)砂、織物、紙或多孔固體(如陶瓷)等，大多數(shù)采用織物，如尼龍、麻布、玻璃絲布、鐵絲網(wǎng)布等。即使過(guò)濾介質(zhì)不是布，也習(xí)慣地稱之為過(guò)濾布。過(guò)濾介質(zhì)的孔徑經(jīng)常稍大于被分離固體顆粒的平均直徑。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.4過(guò)濾分離沉降操作往往需要很長(zhǎng)時(shí)間，且無(wú)法將液體中懸3.4.1懸浮液的過(guò)濾⑴兩種過(guò)濾方式①深層過(guò)濾：用較厚的粒狀床層做成的過(guò)濾介質(zhì)(如砂層)。如自來(lái)水的凈化，污水處理。(一般C<0.1%)②濾餅過(guò)濾：濾餅層為有效的過(guò)濾介質(zhì)。過(guò)濾初期有架橋現(xiàn)象(如圖3-18),(C>1%)。圖3-17過(guò)濾示意圖圖3-18架橋現(xiàn)象四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.4.1懸浮液的過(guò)濾⑴兩種過(guò)濾方式圖3-17過(guò)濾⑵過(guò)濾介質(zhì)①織物介質(zhì)：棉,麻,絲,毛及各種合成纖維織成的濾布。或銅，不銹鋼等金屬絲編織的濾網(wǎng)。②堆積的粒狀介質(zhì)：由砂，木炭等堆積成較厚的床層，用于深層過(guò)濾。③多孔性介質(zhì)：陶瓷，塑料，金屬等粉末燒結(jié)成型而制得的多孔性板狀或管狀介質(zhì)。過(guò)濾介質(zhì)的選擇，要根據(jù)懸浮液中液體性質(zhì)（例如，酸，堿性），固體顆粒含量與粒度，操作壓力與溫度及過(guò)濾介質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度與價(jià)格等因素考慮。四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院⑵過(guò)濾介質(zhì)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院⑶助濾劑(回收濾渣不適宜)當(dāng)含有膠體的懸浮液過(guò)濾時(shí)，因顆粒的形狀及顆粒間的孔道隨壓強(qiáng)變化而改變?yōu)V孔，往往被顆粒堵塞。在這種情況下，液體的流通受到阻礙，甚至閉塞。為改變這種狀況，加入一種性質(zhì)堅(jiān)硬在一般壓強(qiáng)下不變形的粒狀物質(zhì)，通常稱為助濾劑。其類型有：①硅藻土：硅藻土經(jīng)干燥或煅燒，粉碎，篩分而得到。②珍珠巖：珍珠巖粉末在1000℃下迅速加熱膨脹后，經(jīng)粉碎，篩分而得到粒度均勻的顆粒。③石棉：石棉粉與少量硅藻土混合而成。④活性炭粉，紙漿粉等。

助濾劑使用方法：①先把助濾劑單獨(dú)配成懸浮液,過(guò)濾,先形成一層助濾劑層。②在懸浮液中加入助濾劑(添加量為固體顆粒重量的0.5%)。

四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院⑶助濾劑(回收濾渣不適宜)四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.4.2過(guò)濾速率基本方程式過(guò)濾速度=過(guò)濾推動(dòng)力/過(guò)濾阻力=p/R過(guò)濾推動(dòng)力就是壓力差(p):p=pc+pm;過(guò)濾阻力包括濾餅阻力和過(guò)濾介質(zhì)阻力(如圖3-19)。濾液流過(guò)濾餅層內(nèi)的細(xì)微孔道的速度(u)類似于流體在圓管內(nèi)的層流流動(dòng)：圖3-19過(guò)濾的推動(dòng)力與阻力四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院3.4.2過(guò)濾速率基本方程式過(guò)濾速度=過(guò)濾推動(dòng)力/過(guò)濾阻