3液固分离设备.

2006.5冶金科学与工程学院湿法冶金设备——液固分离设备冶金设备基础（下篇）四川大学化学工程学院2011.4冶金科学与工程学院湿法冶金设备—液固分离设备3液固分离设备3.1概述3.1.1基本概念3.1.2液固两相流性质及特点3.2沉降分离及设备3.2.1重力沉降(地球引力)3.2.2离心沉降(离心力)3.3过滤分离及设备3.3.1过滤分离3.3.2过滤机大型平底沉降槽四川大学化学工程学院冶金科学与工程学院湿法冶金设备—液固分离设备3.1概述3.1.1基本概念1.物相体系概念2.非均相物系分离的目的⑴回收分散物质（结晶母液中分离晶粒，赤泥的分离）⑵净制分散介质（除去含尘气体中的尘粒）⑶劳动保护和环境卫生等。3.分离方法沉降(包括重力沉降和离心沉降)过滤(包括重力过滤，压力过滤，真空过滤和离心过滤)离心分离(包括离心沉降和离心过滤)混合物均相物系(如酒精溶液，空气)非均相物系气态非均相物系(如含尘和含雾的气体)液态非均相物系(如悬浮液,乳浊液,泡沫液等)四川大学化学工程学院冶金科学与工程学院湿法冶金设备—液固分离设备3.1.2液固两相流性质及特点3.1.2.1固体微粒的物理性质⑴颗粒大小的表示方法：一般用粒径或当量直径⑵颗粒大小的测定方法：显微镜测定、筛分和沉降速度⑶颗粒形状：用球形度(ψs)表示⑷颗粒的密度与堆积密度：真密度和假密度(kg/m3)⑸颗粒填充特性(孔隙率ε):约为0.4;由实验确定⑹摩擦角安息角注入角(1):将颗粒注入时得到圆锥状堆积斜坡与底面的夹角排出角(2):颗粒从圆筒容器底的中心排出时所得到的漏斗形外底角；通常12滑动角：当颗粒开始在倾斜壁面滑动下来时，该壁面与水平面的夹角，滑动角比安息角小四川大学化学工程学院冶金科学与工程学院湿法冶金设备—液固分离设备3.1.2.2颗粒与流体相对运动时所受的阻力只要颗粒与流体之间有相对运动，就会有阻力产生。⑴球形颗粒所受的阻力(Fd):Fd=Au2/2A——颗粒在运动方向上的投影面积，㎡——流体密度，㎏/m3u——颗粒与流体的相对运动速度，m/s——无因次阻力系数：=f(Re)=f(dpu/)Re——雷诺准数，dp——颗粒直径；——流体的粘度。此函数关系由实验测定。球形颗粒的实验数据(见图3-1)。⑵非球形颗粒：当量直径(de):de=(6Vp/)1/3[∵Vp=(/6)de3]，Vp——任意形状颗粒的体积，m3。球形系数:s=与该颗粒体积相等的球形颗粒表面积任意形状颗粒的表面积(s对的影响见图3-1)四川大学化学工程学院冶金科学与工程学院湿法冶金设备—液固分离设备图3-1阻力系数与颗粒雷诺数的关系曲线大致可分为三个区域，各区域的曲线可分别用下述计算式表示：层流区(10-4Re1)=24/ReStokes过渡区(1Re500)=10/(Re)1/2Allen湍流区(500Re105)=0.44Newton四川大学化学工程学院冶金科学与工程学院湿法冶金设备—液固分离设备3.2沉降分离及设备悬浮液与一般液体不同，具有一些特殊性质，当固体颗粒直径大于0.1μm时，悬浮液不稳定，尤其当液相密度与固相的密度相差较大时，因受重力作用，固体颗粒会形成沉淀而与液体分离，工业上将这种分离方法称为重力沉降。重力沉降适宜处理固液相密度差比较大、固体含量不太高、而处理量比较大的悬浮液。重力沉降操作一般分为浓缩和澄清两类。浓缩操作的目的主要是为了将悬浮液增稠，而澄清操作的目的是为了从比较稀的悬浮液中除去少量悬浮物。这两种沉降操作所用的设备分别称为沉降槽或澄清槽。重力沉降设备占地面积大，材料消耗多，沉降终速小，效率低等缺点，对于固含量多的悬浮液不适用，可采用离心沉降，以提高液固分离能力，其设备称为旋流分离器。四川大学化学工程学院冶金科学与工程学院湿法冶金设备—液固分离设备3.2.1重力沉降(地球引力)1.沉降速度⑴球形颗粒的自由沉降：如右图,球形颗粒收到了3个力的作用，即向下的重力Fg，向上的浮力Fb和阻力Fd31232202321202311202662642063PPPPgbdgbdpPFdgFdgFAgFFFdgdgddddgFdFbFgρ1ρ2四川大学化学工程学院冶金科学与工程学院湿法冶金设备—液固分离设备层流区过渡区湍流区υ0与dp，1及2有关；dp及1愈大，则υ0就愈大；层流区与过渡区中，υ0还与有关，液体的为气体的50倍，因而颗粒在液体中的沉降速度比在气体中的小很多。212001210235()[(Re1)Stokes:18(1Re500)Allen:(500Re10)Newton:2.75]125pppddgdg221224g四川大学化学工程学院0Repdv24Ret0.60.518.510ReRett0.44冶金科学与工程学院湿法冶金设备—液固分离设备⑵影响沉降速度的因素①干扰沉降：当非均相物系中存在许多颗粒，颗粒沉降相互干扰。υ0↓②壁效应：当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，υ0↓。因此容器的尺寸要远远大于颗粒的尺寸。③布朗运动：过细颗粒的布朗运动使υ0应用失效。④相对运动：颗粒与流体处于相对运动时，亦适用。⑤颗粒形状：用当量直径和球形度来表示，颗粒偏离球形愈大，其阻力系数就愈大。四川大学化学工程学院冶金科学与工程学院湿法冶金设备—液固分离设备⑶沉降速度的计算(试差法,摩擦数群法,无因次判别因子)用试差法：先假设沉降属于某一流型，求出υ0，然后核算Re。不对，重试。【例3-1】一直径为1.0mm，密度为2500kg/m3的玻璃球在20oC的水中沉降，试求其沉降速度。〖解〗：先设流型为层流，1=2500kg/m3，dp=0.001m20oC时水有2=998.2kg/m3,=1.01×10-3Pa·sυ0=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)=818.51显然，颗粒沉降不是在层流区。四川大学化学工程学院0Repdv冶金科学与工程学院湿法冶金设备—液固分离设备再设在过渡区沉降，则υ0=[4g2(1-2)2/(2252)]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属于过渡区(1Re500)，故所设正确。四川大学化学工程学院冶金科学与工程学院湿法冶金设备—液固分离设备2.沉降分离⑴悬浮液的分离方法及性质悬浮液的分离方法:沉降法、过滤法及离心分离法。悬浮液的性质:温度、密度、浓度、固体悬浮物的粒度和悬浮物的特性①温度：温度高，粘度小的悬浮液容易分离；②悬浮液密度：kg/m3悬浮液体积流量：Qm=Q+Qsm3/sQ、Qs——分别为溶液与干固体颗粒的流量，在悬浮液中(ρ2-ρ1)越大，分离越容易。③浓度(悬浮液中干固体颗粒所占的百分数)体积浓度：M=Qs/Qm体积固液比：M’=Qs/Q质量浓度：m=Ws/Wm=sQs/(mQm)=(s/m)•M质量固液比：m’=Ws/W=sQs/(Q)=(s/)·M’四川大学化学工程学院21()/msmQQQ冶金科学与工程学院湿法冶金设备—液固分离设备④固体悬浮物的粒度(固体颗粒的粒径)：粒径越大越易分离，沉速度越大。⑤悬浮物的特性：颗粒轮廓清晰，坚硬，且不易变形，也不易相互粘附或与其它粒子粘结，最易分离；胶状物质(如赤泥粒子),沉降性能很差;加适量的絮凝剂。Ⅰ.无机絮凝剂：石灰，硫酸，明矾，苛性钠，盐酸和氯化锌等。Ⅱ.天然高分子絮凝剂：淀粉和含淀粉的蛋白质物质，如马铃薯，玉米粉，红薯粉及动物胶体。Ⅲ.合成高分子絮凝剂：离子和非离子型高分子聚合物，如聚丙烯酰胺，羰基纤维和聚乙烯醇等。四川大学化学工程学院冶金科学与工程学院湿法冶金设备—液固分离设备⑵悬浮液的沉降过程：间歇沉降过程(见下图)ⅰ表观沉降速度(υt):清液区与均一浓度区界面的下降速度(0.5为受阻干扰系数)当Re1时，以斯托克斯公式计算ⅱ粗粒固体区的压缩时间(r):底流压缩到满足出料要求的液固比所需时间，s图中1-清液区2-均一浓度区3-浓度及粒度不均区4-粗粒固体区四川大学化学工程学院  .t005冶金科学与工程学院湿法冶金设备—液固分离设备3.2.2沉降槽的结构及设计四川大学化学工程学院冶金科学与工程学院湿法冶金设备—液固分离设备图3-4单层沉降槽结构Ⅰ单层沉降槽：其结构和工作原理见图3-4。3.2.2.1沉降槽的结构四川大学化学工程学院冶金科学与工程学院湿法冶金设备—液固分离设备Ⅱ多层沉降槽其结构和工作原理见图3-5。h0+hs=(h+h0+h)×h=h(s-)/；或h=h•/(s-)h—相邻两层泥浆渣面之间的高度，m；h0—上层清液区高度，m；h—相邻两层间溢流管内清液面的高度差，m；s—沉渣的密度，kg/m3;—清液的密度，kg/m3图3-5多层沉降槽结构hh0h四川大学化学工程学院冶金科学与工程学院湿法冶金设备—液固分离设备Ⅲ.洗涤沉降沉降槽除了作液固相分离设备之外，常用作沉渣洗涤设备，通过洗涤可以回收底流中残存的有价值的清液，如拜尔法生产氧化铝的赤泥中常残存有大量的Na2O及Al2O3等溶质，就用沉降槽作洗涤槽进行逆流洗涤。在洗涤中要求尽量少用洗水，以免破坏生产系统的水量平衡，所以采用反向洗涤或逆流洗涤。其流程如图所示。各洗涤槽溢流所含溶质浓度c1、c2和c3，质量分数；各洗涤槽溢流量G1、G2和G3，kg(溶液)·kg-1(干固体)；四川大学化学工程学院冶金科学与工程学院湿法冶金设备—液固分离设备Ⅳ.沉降过滤槽带过滤装置的沉降槽称为沉降过程滤槽。此种槽(图3-2-15)中挂有多排过滤管，滤管直径150-200mm，长1200-1500mm，管壁有小孔，外套滤布，滤布可拆换，整个过滤装置浸没在沉降槽中矿浆的液面下。过滤装置有20-25排，每排由4-6根过滤管组成，过滤管与水平支管相连，水平支管与真空及压缩空气分配室相通，能自动更换。当停止使用真空而转换为压缩空气时，滤渣即落到槽底，由刮泥器将沉泥移向排泥口。沉降过滤槽与一般沉降槽相比，可加速沉降过程并获得液固比较低的浓泥，与真空过滤机相比，生产能力较大，能耗低，但沉泥的液固比较高。槽体分配头及传动装置搅拌器过滤管悬浮液进料口滤液出口浓泥出口四川大学化学工程学院冶金科学与工程学院湿法冶金设备—液固分离设备3.2.2.2沉降槽的设计主要有：沉降槽生产能力（Q）、面积(A)和高度（H)Ⅰ.先做间歇沉降实验确定表观沉降速度(υ0)：清液区与均一浓度区界面的下降速度。粗粒固体区的压缩时间(tr)：底流压缩到满足出料要求的液固比所需时间，s。四川大学化学工程学院冶金科学与工程学院湿法冶金设备—液固分离设备Ⅱ.沉降槽生产能力以矿浆中纯液量而言，当无液体损失时，矿浆中的总液量为：Q0=Q1+Q2式中：Q0—矿浆中总液量，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，如澄清液层高度为h，则沉降槽澄清液的生产能力可用下式计算：式中：A—沉降槽的沉降面积，m2；h—澄清液层高度，m；t—澄清时间，h。0130060033606000()hAhthAhQAt四川大学化学工程学院冶金科学与工程学院湿法冶金设备—液固分离设备Ⅲ.沉降槽面积(A)的确定式中：A——沉降槽的沉降面积，m2;qm——悬浮液的质量流量，kg/s;c0、c1——悬浮液的固体浓度和沉渣中的固体浓度，kg/m3;m——悬浮