固液分离

7.1固液分离概述7.2重力沉降浓缩7.3过滤7.4干燥第7章固液分离7.1固液分离概述固液分离(Solid-liquidSeparation,orDewatering)是指从悬浮液体中分离出固相或液相物料。目的：（1）回收有用固体（废弃液体）（2）回收液体（废弃固体）（3）回收液体和固体（4）分离与脱泥分类：（1）机械分离法：是利用机械力（重力、压力等）使水与固体物料分离的方法，如沉淀浓缩、过滤、重力脱水和离心力脱水等。（2）加热法：利用热能使水汽化而与固体物料分离的方法，如干燥。（3）物理化学分离方法：利用吸水性化学品，如石灰、无水氮化钙等吸收固体物料的水分。悬浮液中固体的含量用矿浆浓度C（质量分数WB）表示，是指矿浆中固体质量占矿浆总质量的百分数%。1、水分的赋存形态物料中的水分，以不同的形态赋存于物料中。（1）重力水，也称自由水；其运动受重力场控制，最容易被脱去。（2）毛细管水分，松散物料颗粒之间的小孔隙产生的毛细管现象。水分保留在这些孔隙和孔隙度有关，孔隙度越大可能保留的水分越多。7.1.1液相和固相性质及对固液分离的影响（3）结合水分。固体与液相水接触时，由于其物理化学性质与固体内部不同，位于固体或液体表面的分子具有表面自由能，将吸引相邻相中的分子，在固体表面形成水膜，结合水又分为强结合水和弱结合水。（4）化合水分。是水分和物质按固定的质量比率直接化合而成为并成为新物质的一个组成部分，它们之间的结合牢固，只有在加热到物质晶体被破坏的温度才能使化合水分释放出来。（1）孔隙度，孔隙度大时容易脱水。（2）比表面积，比表面积大，吸附的水多且不易脱除。（3）密度，密度大，吸附的水少。（4）湿润性，湿润性差的疏水矿物，含水少且易脱除。（5）细泥含量，泥质属亲水矿物，水不容易脱除。（6）粒度组成，粒度越小，其比表面积大，吸附的水分多且不易脱除。2、固相物料的性质对固液分离的影响1、固液分离流程分类根据固液分离产品的用途不同，工艺流程分为：（1）精矿脱水，脱除精矿水分，同时回收几乎不含固体的清水供循环使用，用来处理浮选或细粒重选精矿。7.1.2固液分离工艺（2）尾矿脱水，以回收清水（含固体量甚低）为目的。将尾矿中多余的水在选矿厂内脱出，供循环使用。同时，提高尾矿浓度，减少尾矿输送量，节约能源，提高经济效益。（3）中矿脱水，目的在于提高中矿或低品位粗精矿矿浆浓度，为下一步作业提供浓度合适的矿浆，同时，也可回收脱出的清水，以供循环使用。（3）分级脱泥，以分出矿浆中的细粒级或矿泥为目的，为下一步作业提供合适的矿浆浓度，或回收粗粒洗矿产品，或将溢流单独处理或丢弃。2、固液分离流程选择主要根据对固液分离后的物料水分或浓度要求、物料的粒度差别以及与水的结合状态来确定。尾矿的脱水常采用沉淀浓缩脱水法，不过滤。精矿采用自然脱水法或机械脱水法。（1）第一步沉淀浓缩到含水量40%-50%的矿浆。（2）第二步过滤（借助过滤介质），得到含水量8%-12%的产品。（3）第三步干燥，用干燥机烘干到含水量低到6%以下。图7-6浮选厂精矿两段脱水配置图浮选机浓缩机过滤机气水分离器真空泵7.2重力沉降浓缩非匀相混合物的分离可利用相间的密度差使颗粒在重力作用下发生下沉或上浮来进行。这个分离过程称为重力沉降分离过程。重力沉降既可达到连续相（液体或气体）的澄清又可达到分散相颗粒的增浓。重力沉降通常作为非匀相混合物分离的第一道工序，常常在沉降槽中进行，设备结构简单，操作容易。1、修正的斯托克斯定律工业上处理的非匀相混合物（或悬浮体系）中颗粒的浓度一般较高，颗粒之间有明显的相互作用。为干扰沉降。（1）每个颗粒因受附近颗粒的干扰，颗粒之间流动空隙的形状和面积不断变化，使得靠近颗粒处的速度梯度加大，因而剪力应力加大，颗粒受到比自由沉降时更大的阻力。7.2.1非匀相混合物中颗粒的实际沉降过程（2）大颗粒是相对于小颗粒的悬浮体系进行沉降，所以，介质的表观密度和表观黏度都大于纯净的液体或气体介质。悬浮体系中颗粒浓度越大，介质的表观密度越大，表观黏度也越大，使得沉降速度越小。悬浮体系中的小颗粒有被沉降较快的大颗粒向下拖曳的趋势，故而被加速，因此，悬浮体系中颗粒浓度的沉降速度减慢，小颗粒的沉降速度加快。图7-7间隙沉降实验2、沉降实验3、沉降曲线4、凝聚剂和絮凝剂凝聚剂和絮凝剂都可使胶体（固体颗粒小于1um的固体分散体系）或悬浮液中微细固体聚集而使尺寸变大，从而会大大提高沉降速度。絮凝剂是利用含有极性官能团的高分子聚合物——絮凝剂分子上吸附多个微粒的架桥作用而使多个微粒形成絮团。相对凝聚，絮凝产生的聚集物要大得多。凝聚剂对固体县浮颗粒表面上双电层的消除或压缩，从而降低微细颗粒间的排斥能来达到的，从微细颗粒作用明显。5、影响沉降分离的因素重力沉降分离的依据是分散相和连续相之间的密度差。（1）颗粒的性质。同种固体物质，粗颗粒比细颗粒沉降速度快，球形的颗粒也沉降速度快。（2）悬浮体系中颗粒的浓度。在液体中增加均匀分散的颗粒的数量（浓度增加），则会减少每个单独颗粒的沉降速度。（3）介质的性质。介质与颗粒的密度差越大，介质的黏度越小，沉降速度就越快。（4）凝聚剂和絮凝剂的种类与用量。（5）沉降容器。沉降槽的分离效率和液体的澄清度随物料在容器内停留的时间的增加而提高。7.2.2沉降池小型选矿厂使用。精矿流入沉降池后，由于截面积扩大，流速大大降低，粗颗粒精矿首先沉降下来，然后是细粒和细泥。在沉降池后部的不同高度设计有上清液排放管，沉降后的溢流清水由此排出。通常设有两个或多个沉降池，使溢流沉淀更加彻底。7.2.3耙式浓缩机分为中心传动式和周边传动式两大类，由池体、耙架、传动装置、给料、排料装置、安全信号和耙架提升装置组成。池体一般用水泥制成，小型的可用钢板焊制。为了便于运输物料，池体底部有60～120的倾角；与池底距离最近的是耙架，耙架下有刮板。工作原理：由给料溜槽将矿浆给入池中的中心受料筒，而后再向四周辐射。矿浆中的固体颗料逐渐浓缩并沉到底部，由耙架下的刮板入池底中心的圆锥形卸料斗中，再用砂泵排出。池体的上部周边设有环形溢流槽，最终的澄清水由环形溢流槽排出。当给料量过多或沉积物浓度过大时，安全装置便发出信号，通过人工手动或自动提耙装置将耙架提起，以免烧坏电机或损坏机件。1．中心传动耙式浓缩机传动方式：电机——蜗轮减速——齿轮齿圈——稳流筒——中心旋转架图7-12中心传动耙式浓缩机的结构(尺寸单位：mm)1.桁架；2.传动装置；3.耙架提升系统；4.受料筒；5.耙架；6.倾斜板；7.浓缩池；8.环形溢流槽；9.竖轴；10.卸料斗中心传动耙式浓缩机结构2．周边传动耙式浓缩机传动方式：传动小车上电机经蜗轮减速到齿轮齿条，使小车在轨道上滚动，从而带动耙架回转。过载保护：（1）摩擦式：借助辊轮与轨道间摩擦传动过载时会自动打滑。（2）齿轮式：通过设置过负荷继电器。7.2.4高效浓缩机①在待浓缩的物料中添加一定量的絮凝剂，使矿浆中的固体颗粒形成絮团或凝聚体，以加快其沉降速度、提高浓缩效率；②给料筒向下延伸，将絮凝料浆送至沉积和澄清区界面下；③设有自动控制系统控制药剂用量、底流浓度等。主要特点高效浓缩机的的主要区别在于给料-混凝装置和自控的方式。图7-14艾姆科(Eimco)型高效浓缩机给料筒搅拌器叶轮分为三段，叶径逐渐减小，使搅拌强度逐渐降低艾姆科(Eimco)型高效浓缩机料浆先给入排气系统，排出空气后经进料槽进入给料筒，絮凝剂则由絮凝剂进料管分段给入筒内和料浆混合，混合后的料浆由下部呈放射状的给料筒直接进入，形成的沉淀表面层料浆絮团迅速沉降。在沉淀层的底部安装了普通机械耙臂机构，将浓缩的沉淀刮向圆锥中心而澄清的清液则经浓缩一沉淀层过滤出来并向上流动，形成溢流排出。7.2.5深锥浓缩机池深大于池直径，整机为立式桶锥形，悬浮液和絮凝剂的混合是工作的关键工序，采用连续多点加药。主要特点图7-15深锥浓缩机图7-16艾姆科(Eimco)型高桶深锥高效浓缩机7.2.6多层倾斜板浓缩机在理想条件下，分隔成n层的浓缩机，其处理能力理论上可为不分层时的n倍。为解决各层浓缩相的清排问题，工程上将水平隔层改为与水平面倾斜成一定角度a的斜面，以便沉降的颗粒自动下滑。这种形式的浓缩设备称为斜板浓缩机。如各倾斜板之间还进行分隔，成为斜管浓缩机。根据水流在倾斜板内的流动方向与颗粒沉降和滑动方向的关系可将倾斜板浓缩机分为三种形式。（1）反向流形式。水流在倾斜板内的流动方向与颗粒沉降和滑动方向相反。倾斜板浓缩机大多采用这种形式。（2）同向流形式。水流的流动方向与颗粒沉降和滑动方向相同。（3）横向流形式。也称侧向流形式，水流方向与颗粒沉降和滑动方向相垂直。从理论上讲，同向流形式的倾斜板浓缩机的效率最高，但是，由于水与沉淀物流向相同时，两相的分离较困难，所以目前普遍采用的是反向流形式。7-19多层倾斜板浓缩箱结构示意图1.给料槽；2．倾斜板（浓缩板）；3．稳定板；4．排砂嘴斜方形箱体下装一角锥形漏斗。箱内安装有一定间隔的平行倾斜板，分为上下两层排列。小型多层倾斜板浓缩箱料浆沿整个箱体宽度给入到两层倾斜板之间，然后向上流过上层倾斜板的间隙。在料浆流动过程中，固体颗粒在板间沉降，故上层倾斜板称为浓缩板。沉降到板面的固体颗粒在重力作用下下滑到下层板的空隙继续浓缩。下层倾斜板的用途主要是减少漩、涡的搅动，使沉降过程得以稳定进行，所以也称下层板为稳定板。底流沉淀的固体颗粒从锥形漏斗的底口排放，溢流清液则从上部溢流槽排出。倾斜板浓缩机溢流临界粒度通常5~10um。倾斜板（浓缩板）材质要求：强度大，不变形、质轻、表面光滑、疏水、不黏结物料。常用的材料：玻璃板、硬质塑料板、涂面钢板等。聚四氟乙烯有良好的应用前景。中心传动耙式浓缩机：加装的倾斜板安装在清液区下部，料浆沿倾斜板的空间向斜上方流动，使固体颗粒在两板之间垂直沉降，沉降路程被缩短，沉降时间减少。多层倾斜板浓缩机过滤过滤：在推动力的作用下，迫使含有固体颗粒的液体通过多孔介质，而固体颗粒则被截留在介质上，从而达到液体与固体分离的目的。过滤过程的物理实质是流体通过多孔介质和颗粒床层的流动过程，因此，流体通过均匀的、不可压缩的颗粒床层的流动规律是研究过滤的基础。7.3过滤1、过滤过程过滤在悬浮液的分离中用得较多。过滤用的悬浮液称为滤浆或料浆，分离得到的清液为滤液，截留在过滤介质上的颗粒称为滤饼或滤渣。促使流体流动的推动力可以是重力、压力差或离心力。过滤操作中用以拦截流体所含固体颗粒并对滤饼起支撑作用的各种多孔性材料。要求：（1）流体阻力小；（2）细孔不易被颗粒堵塞或即使堵塞也能简单清除；（3）介质上的滤饼要求能够容易剥离。具备：（1）多孔性；（2）具有化学稳定性；（3）足够的机械强度，使用寿命长。2、过滤介质工业上常用的过滤介质有：①编织材料（滤布），由天然或合成纤维、金属丝等编织而成的滤布和滤网，此类材料价格便宜，清洗和更换方便,可截留的最小粒径为5～65μm。用聚酰胺、聚酯或聚丙烯等纤维制成的单缕滤网，质地均匀、耐腐蚀、耐疲劳，正在逐步取代其他织物滤布。②多孔性固体，包括多孔陶瓷、烧结金属（粉末冶金材料）或玻璃，或由塑料细粉粘结而成的多孔性塑料管等。此类材料可截留的最小粒径为1～3μm，常用于处理含有少量微小颗粒的悬浮液。④多孔膜，由高分子材料制成，膜很薄，孔很细，可以分离到0.05μm的颗粒，有超滤和微滤。此外，工业滤纸也可与上述过滤介质合用，以拦截悬浮液中少量微细颗粒。近年来，高分子多孔膜的制造与应用有很大发展，应用于更微小的颗粒的过滤，以获得高度澄清的液体。③堆积介质，如砂、砾石、木炭和硅藻土等颗粒状物料，或玻璃棉等非编织纤维的堆积层。一般用于处理固体含量很少的悬浮液，如城市给水和待净化的糖液等。3、过滤方式与过滤机分类（1）滤饼过滤又称为表面过滤。使用织物、多孔材料或膜等作为过滤介质。过滤介质的孔径不一定要小于最小颗粒的粒径。过滤开始时，部分小颗粒可以进入甚至穿过介质的小孔。但很快由颗粒的架桥作用使介质的孔径缩小形成有效的阻挡。被截留在