冶金設(shè)備基礎(chǔ)第4章-固液分離課件

FacultyofMaterialsandMetallurgicalEngineeringKunmingUniversityofScienceandTechnology多媒體教學(xué)課程：冶金設(shè)備基礎(chǔ)任課教師：徐瑞東學(xué)習(xí)目的與要求掌握固體顆粒的物理性質(zhì)；顆粒體與流體相對運動的阻力；球形顆粒在靜止流體中的自由沉降。掌握懸浮液的性質(zhì)；沉降槽的構(gòu)造。了解懸浮液的沉降過程，沉降槽的設(shè)計；絮凝劑在液-固分離中的作用。掌握過濾的基本理論；了解典型的過濾設(shè)備。了解離心分離基本概念，離心機構(gòu)造。學(xué)會計算過濾機的生產(chǎn)能力。第4章固液分離固液分離應(yīng)用的冶金領(lǐng)域：濕法：浸出液的分離、濃縮、脫水等火法：火法精煉除渣、鋁液除氧化鋁等4.1液固兩相流

懸浮液：固體微粒分散在液相中所形成的分散物系4.1.1固體顆粒的物理性質(zhì)(3)顆粒密度與堆積密度真密度：單位實體體積顆粒具有的質(zhì)量；堆積密度(假密度)：單位體積顆粒(含顆粒間空隙、顆粒上裂縫與小孔的體積)具有的質(zhì)量

(1)顆粒大小的表示方法球形顆粒:用直徑大小表示非球形顆粒：代表尺寸(粒徑)表示。

(2)顆粒形狀球形系數(shù)ψs=與該顆粒體積相同的球體表面積S/該顆粒的表面積Sp，又稱為球狀系數(shù)(球形度)。(4)顆粒填充特性孔隙率ε=孔隙體積/顆粒群總體積=孔隙體積/(顆粒體積+孔隙體積)粒徑均一的球形粒子群：立方體排列時

ε=0.4764

菱形排列時ε=0.2595

任意填充時ε≈0.4顆粒粒徑可通過電鏡法、篩分法或沉降速度法測量顆粒形狀往往以它與等體積的球形顆粒的偏離程度來表示。非均相物系：凡物系內(nèi)含有隔開的兩相界面存在且界面兩側(cè)物料性質(zhì)截然不同，稱為多相混合物或非均相物系。氣態(tài)非均相物系：含塵或含霧氣體液態(tài)非均相物系：懸浮液、乳濁液及含有氣泡的液體。球形顆粒ε0–Re曲線的區(qū)域：(ψs=1的曲線)

(1)Re<1時：ε0=24/Re為層流區(qū)域。流體圍繞球體的流線是平滑的，而且球體前半部與后半部大體相對稱，此時的邊界屬于層流邊界層，阻力決定于流體粘性力的大小，稱為表面阻力。

(2)1<Re<1000時：流體與球體的相對速度增大時，流動漸漸過渡到湍流流動，球體四周一方面保持平滑的流線，同時也產(chǎn)生了一定數(shù)量的漩渦，此時粘性力與慣性力同時影響ε0，稱為過渡阻力區(qū)；(3)1000<Re<2×105時：除球體周圍的邊界層以外，流動完全發(fā)展為湍流，在球后面發(fā)生了邊界層分離，產(chǎn)生了大量的漩渦，能量損失主要是由于大量漩渦造成的，稱為形狀阻力，該區(qū)域稱為渦流阻力區(qū)。其阻力系數(shù)ε0=0.44球形顆粒ε0–Re曲線的三個區(qū)域4.1.3球形顆粒在靜止流體中的自由沉降1.沉積終速----球形顆粒的有效重力----顆粒的絕對速度，稱沉降速度，顆粒在靜止流體中運動時u=us----球形顆粒的有效重力加速度，與顆粒和流體密度有關(guān)-----阻力加速度阻力重力浮力顆粒沉積的運動方程---球形顆粒的自由沉降速度(3)湍流區(qū)域，Re>1000，牛頓公式：(2)過渡區(qū)域，1<Re<1000，艾倫公式：(1)層流區(qū)域Re<1時，斯托克斯沉積終速公式；球形物體在不同流動類型的自由沉降終速例題：一直徑為1.0mm，密度為2500kg/m3的玻璃球在20℃的水中沉降，試求其沉降終速。(1)假設(shè)流形為層流解：已知條件：20℃水的密度ρ=998.2kg/m3，μ=1.01×10-3Pa·sdp=1×10-3m，ρs=2500kg/m3校核Re：(2)顯然，顆粒沉降不在層流區(qū)域，再假設(shè)在過渡流區(qū)域沉降，則：校核Re：所以：1<Re<1000，正確，u0=0.2m/s3．沉降終速的影響因素

實際顆粒的沉降必須考慮下列因素的影響：

(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，稱干擾沉降。多發(fā)生在液態(tài)非均相物系的沉降過程。

(2)端效應(yīng)：容器的器壁對顆粒的沉降有阻滯作用，使實際顆粒沉降速度較自由沉降速度小。

(3)分子運動：顆粒過細，流體分子撞碰將使顆粒發(fā)生布朗運動。

(4)分散介質(zhì)的運動：若顆粒不是在靜止流體中，而是在運動的流體中沉降，則應(yīng)考慮流體運動的影響。4.2沉降分離4.2.1懸浮液的性質(zhì)及分離方法(1)懸浮液性質(zhì)A：溫度：溫度高、粘性小的懸浮液容易分離；B：密度：單位體積懸浮液具有的質(zhì)量。懸浮液中液體與顆粒的密度差越大，越容易分離；C：濃度：懸浮液中固體顆粒所占的百分數(shù)。通常有四種表示方法。D：粒度：即固體顆粒的粒徑，粒徑越粗越容易分離。一般認為，當(dāng)懸浮液物的粒徑小于0.5μm時，懸浮液中粒子的布朗運動已比較明顯，用沉降方法已很難分離；E：懸浮液特性：懸浮物顆粒輪廓清晰、堅硬、不易變形，也不容易相互粘附或與其它粒子粘結(jié)，就越容易分離；若顆粒是顯微鏡下觀察呈大塊的模糊不清的膠狀物質(zhì)，則其沉降性能很差。

對于含有大量膠狀微粒的懸浮液，為提高沉降槽的生產(chǎn)能力，加快沉降速度，可向礦漿中加適量的絮凝劑，使懸浮液中呈膠體狀分散的顆粒凝聚成絮團，促使其沉降。

絮凝劑的分類：

A：無機絮凝劑：石灰、硫酸、明礬、苛性鈉、鹽酸和氯化鋅等；

B：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、紅薯粉及動物膠等；

C：合成高分子絮凝劑：離子和非離子型高分子聚合物，聚丙烯酰胺(2)懸浮液的分離方法A：沉降分離---利用重力作用而進行的液固分離的操作

B：過濾分離---利用液體能通過濾介質(zhì)而固體顆粒不能通過過濾介質(zhì)的性質(zhì)進行分離的操作

C：離心分離----利用離心力的作用進行液固分離的操作，其中包括離心沉降和離心過濾。4.2.3重力沉降設(shè)備--濃密機和高效濃密機(1)(單層)普通濃密機懸浮液由進料管進入到進料筐中。清液自槽上部沿周邊溢流排出。濃縮后底流由刮板刮至底部中央，由排泥口排出槽外。料液連續(xù)加入、溢流及底流連續(xù)排出。當(dāng)沉降槽操作穩(wěn)定后，各區(qū)高度保持不變。懸掛式中心傳動橋式濃密機結(jié)構(gòu)1.槽體、2.工作橋架、3.刮泥機構(gòu)傳動裝置、4.立軸提升裝置、5.進料筐、6.傳動立軸、7.刮泥裝置、8.澄清液出口、9.底液排出口廣泛用于濕法冶金、水處理和化工過程，常規(guī)設(shè)備尺寸：直徑3-100m，深度3-5m。含固量10%-30%,濃縮后的含固量40%-60%，刮泥裝置轉(zhuǎn)速：1/3-1/5r/min。連續(xù)式沉降槽的沉降區(qū)懸掛式中心傳動五層赤泥沉降槽的結(jié)構(gòu)示意圖1.槽體、2.加料筒、3.工作橋架、4.傳動裝置、5.提升裝置、6.進料筐、7.刮泥裝置、8.清液溢流裝置、9.下渣筒、10、集泥槽、11、傳動立軸(2)(多層)普通濃密機平衡式三層沉降槽示意圖1.加料、2.溢流、3.排渣口Ⅰ.第一層、Ⅱ.第二層、Ⅲ.第三層多層沉降槽：相當(dāng)于把幾個單層沉降槽重疊起來的裝置。各層之間的懸浮液是相通的。上一層的下料筒插入到下一層的泥漿中形成泥封，使下一層的清液不會通過下料筒進入上層。各層內(nèi)所規(guī)定的濃縮帶沉渣高度由下一層中的壓力差所控制，以防止上層的沉渣面由于沉渣流入到下層而下降。(3)深錐底濃密機深錐底濃密機特點：錐底鋼槽斜而陡，可使絮凝良好的沉積物在錐底并被上面的沉降物壓實，使底流很好地脫水。適于于絮凝沉降。1-給料裝置2-絮凝劑添加管3-中心隔板4-溢流槽5-排料閥6-攪拌器(5)底部給料高效濃密機70年代首先在美國使用，廣泛用于煤廠，鋅、鈾水冶廠。具有處理量大、處理量相同時，與普通濃密機相比，設(shè)備直徑可縮小1/2等特點。又稱Enviro-clear濃密機。底部給料高效濃密機1-耙架驅(qū)動裝置2-液位3-煤泥層位4-溢流堰5-澄清后的溢流水6-耙架7-底流管8-入料口9層位控制器絮凝劑進入管(6)Eimco濃密機Eimco濃密機技術(shù)特點：1.高徑比大，可保證濃礦漿在內(nèi)部的停留時間，有利于沉積物的壓縮和清液的平穩(wěn)上升；2.中心加料筒為帶有稀釋段隔斷式特殊結(jié)構(gòu)的攪拌裝置，使絮凝劑以多點分散方式與進料礦漿在濃密機內(nèi)得到充分、合理的混合，提高了沉降效率；3.中心加料筒較長，采用下加料式進料，即礦漿從一定泥漿深度直接加入，使上清液經(jīng)過泥漿層滲濾，小顆粒絮團被泥漿層捕獲，降低了清液含固量。中心加料筒φ(300~500)×(1300~1400)4.2.4離心沉降-水力旋流器構(gòu)造及過程：旋流器主要由圓筒部分、錐體部分構(gòu)成，懸浮液由圓柱體上部入口管沿切線方向進入，在旋流器內(nèi)造成強烈的旋流運動(沿筒壁一面作圓周運動，一面向下運動)，結(jié)果使含有細顆粒的大部分液體通過溢流管向上溢流排出，粗顆粒和其余液體由底部的底流噴嘴排出。工作原理：在離心力的作用下，由于液體與固體的密度差，固體沉于離心器底，清液從中部溢出而實現(xiàn)懸浮顆粒與液體分類的過程。水力旋流器簡圖1.出口管、2.圓柱、3.錐體4.排渣口、5.入口管工業(yè)上應(yīng)用的過濾方式(1)深層過濾機制：懸浮液中固體顆粒的粒度小于過濾介質(zhì)的孔隙。當(dāng)其進入到孔隙中后，在重力、擴散力和慣性力的作用下，被收集于孔隙中，并在分子力和靜電力作用下附著在過濾介質(zhì)內(nèi)部。過濾過程是在介質(zhì)內(nèi)部進行，介質(zhì)表面無濾餅形成。適合于從很稀懸浮液中將固體分離出來，如飲用水凈化等。(2)濾餅過濾(表面過濾)機制：懸浮液中粒徑大于孔隙的以及和孔隙相等的顆粒聚積于介質(zhì)表面，形成濾餅。過濾開始時，很小的顆粒也進入介質(zhì)的孔道內(nèi)或通過孔道，故濾液可能是渾濁的。當(dāng)濾餅形成后，濾餅在以后的過濾中起著過濾介質(zhì)的作用(相當(dāng)于深層過濾介質(zhì))，將懸浮液中更小的顆粒分離出來。一般處理濃度高的懸浮液。深層過濾機制濾餅過濾機制2.過濾介質(zhì)過濾介質(zhì)可按其作用原理、介質(zhì)材料和介質(zhì)結(jié)構(gòu)進行分類：

A：按作用原理進行分類：可分為表面過濾介質(zhì)和深層過濾介質(zhì)。表面過濾介質(zhì)：濾紙、濾布、濾網(wǎng)等，主要用來獲得有價值的固相產(chǎn)品，深層過濾介質(zhì)：助濾劑層(即預(yù)涂層)、多孔金屬、多孔塑料及砂濾層等，主要是獲得澄清的液體。

B：按介質(zhì)材料進行分類：過濾介質(zhì)可分為棉狀的、毛狀的、合成纖維的、陶瓷的、玻璃纖維的以及金屬的過濾介質(zhì)等。

C：按介質(zhì)結(jié)構(gòu)進行分類：可分為擾性、鋼性及松散性過濾介質(zhì)等。3.濾餅性質(zhì)

不可壓縮濾餅：當(dāng)濾餅由不變形的顆粒如晶體的碳酸鈣、硅藻土等組成時，各個顆粒間的相互排列的位置以及顆粒之間的孔道均不因床層所受壓強的增加而有所改變，這種濾餅稱為不可壓縮濾餅。

可壓縮濾餅：當(dāng)濾餅由無定形的顆粒如膠體氫氧化鋁、氫氧化鉻或其它的水合物沉淀組成時，顆粒間的孔道則隨過濾壓強的增加而變小，對濾液的流動起障礙作用，這種濾餅稱為可壓縮濾餅。4.助濾劑(改善可壓縮性濾餅的性質(zhì))靠物理或機械作用來改變?yōu)V餅的結(jié)構(gòu)從而改善過濾效果的物料稱為助濾劑。具有性質(zhì)堅硬，在一般壓強下不變形的性質(zhì)。由助濾劑所構(gòu)成的濾餅具有很大的孔隙率，能減少可壓縮濾餅的流動阻力，提高過濾速度和濾液的澄清度。(1)板框式壓濾機臥式板框壓縮機示意圖1.壓緊裝置、2.頭板、3.板框(濾板、濾框)、4.濾布5.橫梁、6.尾板、7.分板裝置、8.支架臥式板框壓濾機工作原理圖1.濾框、2.濾板、3.濾布、4.洗滌板暗孔濾布濾布料液濾液濾液濾液板框式(加壓)壓濾機:由濾框、過濾介質(zhì)和濾板交替排列成濾室的加壓過濾設(shè)備。工作原理：濾框角端的暗孔進入框內(nèi)，在壓差作用下濾液穿過兩側(cè)濾布，然后經(jīng)過過濾板板面上溝槽流至出口排出。料渣則被濾布截留形成濾餅，待濾餅充滿全框后，即可停止過濾，隨即松開壓緊裝置將頭板拉開，然后分板裝置依次將濾板和濾框拉開，進行卸料。特點：優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，占地面積小，對物料的適應(yīng)性強，過濾面積選擇范圍寬(12~1200m2)，濾餅含濕量較低，濾布可再生利用，過濾操作穩(wěn)定成本低。缺點是間歇操作效率低，人工操作勞動強度大，過濾速度逐漸減慢，效率低。轉(zhuǎn)筒真空過濾機刮刀卸料式轉(zhuǎn)筒真空過濾機剩余濾液吸盡并將濾餅吸干