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(duì)運(yùn)動(dòng)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(jì)；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(jī)構(gòu)造。學(xué)會(huì)計(jì)算過濾機(jī)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：?jiǎn)挝粚?shí)體體積顆粒具有的質(zhì)量；堆積密度(假密度)：?jiǎn)挝惑w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(shí)

ε=0.4764

菱形排列時(shí)ε=0.2595

任意填充時(shí)ε≈0.4顆粒粒徑可通過電鏡法、篩分法或沉降速度法測(cè)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(shí)：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(duì)稱，此時(shí)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(shí)：流體與球體的相對(duì)速度增大時(shí)，流動(dòng)漸漸過渡到湍流流動(dòng)，球體四周一方面保持平滑的流線，同時(shí)也產(chǎn)生了一定數(shù)量的漩渦，此時(shí)粘性力與慣性力同時(shí)影響ε0，稱為過渡阻力區(qū)；(3)1000<Re<2×105時(shí)：除球體周圍的邊界層以外，流動(dòng)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(gè)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(duì)速度，稱沉降速度，顆粒在靜止流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)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(yùn)動(dòng)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(shí)，斯托克斯沉積終速公式；球形物體在不同流動(dòng)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(shí)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(duì)顆粒的沉降有阻滯作用，使實(shí)際顆粒沉降速度較自由沉降速度小。

(3)分子運(yùn)動(dòng)：顆粒過細(xì)，流體分子撞碰將使顆粒發(fā)生布朗運(yùn)動(dòng)。

(4)分散介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)：若顆粒不是在靜止流體中，而是在運(yùn)動(dòng)的流體中沉降，則應(yīng)考慮流體運(yùn)動(dòng)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：?jiǎn)挝惑w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?jǐn)?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(rèn)為，當(dāng)懸浮液物的粒徑小于0.5μm時(shí)，懸浮液中粒子的布朗運(yùn)動(dòng)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(jiān)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(duì)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(tuán)，促使其沉降。

絮凝劑的分類：

A：無機(jī)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(dòng)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(jìn)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(jìn)行分離的操作

C：離心分離----利用離心力的作用進(jìn)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(jī)和高效濃密機(jī)(1)(單層)普通濃密機(jī)懸浮液由進(jìn)料管進(jìn)入到進(jìn)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(dòng)橋式濃密機(jī)結(jié)構(gòu)1.槽體、2.工作橋架、3.刮泥機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置、4.立軸提升裝置、5.進(jìn)料筐、6.傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)裝置、5.提升裝置、6.進(jìn)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(dòng)立軸(2)(多層)普通濃密機(jī)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(gè)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(huì)通過下料筒進(jìn)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(jī)深錐底濃密機(jī)特點(diǎn)：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(shí)，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(jī)70年代首先在美國(guó)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(shí)，與普通濃密機(jī)相比，設(shè)備直徑可縮小1/2等特點(diǎn)。又稱Enviro-clear濃密機(jī)。底部給料高效濃密機(jī)1-耙架驅(qū)動(dòng)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(jìn)入管(6)Eimco濃密機(jī)Eimco濃密機(jī)技術(shù)特點(diǎn)：1.高徑比大，可保證濃礦漿在內(nèi)部的停留時(shí)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(diǎn)分散方式與進(jìn)料礦漿在濃密機(jī)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(zhǎng)，采用下加料式進(jìn)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(tuán)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(jìn)入，在旋流器內(nèi)造成強(qiáng)烈的旋流運(yùn)動(dòng)(沿筒壁一面作圓周運(yùn)動(dòng)，一面向下運(yùn)動(dòng))，結(jié)果使含有細(xì)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(shí)現(xiàn)懸浮顆粒與液體分類的過程。水力旋流器簡(jiǎn)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(jī)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(jìn)入到孔隙中后，在重力、擴(kuò)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(jìn)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(jī)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(shí)，很小的顆粒也進(jìn)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(jī)制濾餅過濾機(jī)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(jìn)行分類：

A：按作用原理進(jìn)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(jià)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(jìn)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(jìn)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(shí)，各個(gè)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(qiáng)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(shí)，顆粒間的孔道則隨過濾壓強(qiáng)的增加而變小，對(duì)濾液的流動(dòng)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(jī)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(jiān)硬，在一般壓強(qiáng)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(dòng)阻力，提高過濾速度和濾液的澄清度。(1)板框式壓濾機(jī)臥式板框壓縮機(jī)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(jī)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(jī):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(jìn)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(jìn)行卸料。特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，占地面積小，對(duì)物料的適應(yīng)性強(qiáng)，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(diǎn)是間歇操作效率低，人工操作勞動(dòng)強(qiáng)度大，過濾速度逐漸減慢，效率低。轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)刮刀卸料式轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)剩余濾液吸盡并將濾餅吸干