冶金设备基础-第4章--固液分离

多媒体教学课程：冶金设备基础昆明理工大学材料与冶金工程学院第1页/共32页FacultyofMaterialsandMetallurgicalEngineeringKunmingUniversityofScienceandTechnology多媒体教学课程：冶金设备基础昆明理工大学材料与冶金工程学院任课教师：徐瑞东多媒体教学课程：冶金设备基础昆明理工大学材料与冶金工程学院第2页/共32页学习目的与要求掌握固体颗粒的物理性质；颗粒体与流体相对运动的阻力；球形颗粒在静止流体中的自由沉降。掌握悬浮液的性质；沉降槽的构造。了解悬浮液的沉降过程，沉降槽的设计；絮凝剂在液-固分离中的作用。掌握过滤的基本理论；了解典型的过滤设备。了解离心分离基本概念，离心机构造。学会计算过滤机的生产能力。第4章固液分离固液分离应用的冶金领域：湿法：浸出液的分离、浓缩、脱水等火法：火法精炼除渣、铝液除氧化铝等多媒体教学课程：冶金设备基础昆明理工大学材料与冶金工程学院第3页/共32页4.1液固两相流悬浮液：固体微粒分散在液相中所形成的分散物系4.1.1固体颗粒的物理性质(3)颗粒密度与堆积密度真密度：单位实体体积颗粒具有的质量；堆积密度(假密度)：单位体积颗粒(含颗粒间空隙、颗粒上裂缝与小孔的体积)具有的质量(1)颗粒大小的表示方法球形颗粒:用直径大小表示非球形颗粒：代表尺寸(粒径)表示。(2)颗粒形状球形系数ψs=与该颗粒体积相同的球体表面积S/该颗粒的表面积Sp，又称为球状系数(球形度)。(4)颗粒填充特性孔隙率ε=孔隙体积/颗粒群总体积=孔隙体积/(颗粒体积+孔隙体积)粒径均一的球形粒子群：立方体排列时ε=0.4764菱形排列时ε=0.2595任意填充时ε≈0.4颗粒粒径可通过电镜法、筛分法或沉降速度法测量颗粒形状往往以它与等体积的球形颗粒的偏离程度来表示。非均相物系：凡物系内含有隔开的两相界面存在且界面两侧物料性质截然不同，称为多相混合物或非均相物系。气态非均相物系：含尘或含雾气体液态非均相物系：悬浮液、乳浊液及含有气泡的液体。多媒体教学课程：冶金设备基础昆明理工大学材料与冶金工程学院第4页/共32页阻力系数ε0与雷诺准数Re的关系曲线4.1.2颗粒体与流体相对运动的阻力流体以一定的速度绕过截止的固体颗粒时，由于流体具有粘性，会对颗粒产生反作用力；相反，当固体颗粒在静止流体中流动时，流体同样对颗粒产生作用力。两种情况作用力的性能相同，称为阻力。实际上，只要流体与颗粒之间有相对运动，就会有这种阻力产生。1.球形物体的阻力对于非球形颗粒，dp用de代替：ε0与Re的关系曲线。球体直径，；，球体与流体的相对速度；流体密度，阻力系数；mdsmumkgudFpssPd2//230240。任意球状颗粒的体积，；径，任意球状颗粒的当量真336mVmdVdPePe31)6(PeVd)((Re)0Spudff多媒体教学课程：冶金设备基础昆明理工大学材料与冶金工程学院第5页/共32页球形颗粒ε0–Re曲线的区域：(ψs=1的曲线)(1)Re1时：ε0=24/Re为层流区域。流体围绕球体的流线是平滑的，而且球体前半部与后半部大体相对称，此时的边界属于层流边界层，阻力决定于流体粘性力的大小，称为表面阻力。(2)1Re1000时：流体与球体的相对速度增大时，流动渐渐过渡到湍流流动，球体四周一方面保持平滑的流线，同时也产生了一定数量的漩涡，此时粘性力与惯性力同时影响ε0，称为过渡阻力区；625.00)(30SPud(3)1000Re2×105时：除球体周围的边界层以外，流动完全发展为湍流，在球后面发生了边界层分离，产生了大量的漩涡，能量损失主要是由于大量漩涡造成的，称为形状阻力，该区域称为涡流阻力区。其阻力系数ε0=0.44球形颗粒ε0–Re曲线的三个区域多媒体教学课程：冶金设备基础昆明理工大学材料与冶金工程学院第6页/共32页4.1.3球形颗粒在静止流体中的自由沉降1.沉积终速22402sPdudFgdgmFspsg36gdFpf36dtdudugsPsss4320amFFFsdfggdsp)(63dtdududgdsPsPsp32203624)(6gsssPsdu4320----球形颗粒的有效重力----颗粒的绝对速度，称沉降速度，颗粒在静止流体中运动时u=us----球形颗粒的有效重力加速度，与颗粒和流体密度有关-----阻力加速度阻力重力浮力颗粒沉积的运动方程dFfFgFuusmggsmugdusP/81.9/3)(42000重力加速度，；度，球形颗粒的自由沉降速---球形颗粒的自由沉降速度多媒体教学课程：冶金设备基础昆明理工大学材料与冶金工程学院第7页/共32页2018)(psdgu45.018.172.00)/()(2.0psdgu(3)湍流区域，Re1000，牛顿公式：(2)过渡区域，1Re1000，艾伦公式：(1)层流区域Re1时，斯托克斯沉积终速公式；球形物体在不同流动类型的自由沉降终速gdusp)(74.10多媒体教学课程：冶金设备基础昆明理工大学材料与冶金工程学院第8页/共32页2.沉降终速的计算---试差法沉降终速的计算步骤：第一步：假设流体的流动型态，初步确定出Re的范围第二步：与流体流动型态相对应的公式求出uo第三步：用求得的uo核算出Re,看其值是否在假设范围内。2018)(psdgu45.018.172.00)/()(2.0psdgugdusp)(74.10沉降终速的计算公式18Respud例题4.1多媒体教学课程：冶金设备基础昆明理工大学材料与冶金工程学院第9页/共32页例题：一直径为1.0mm，密度为2500kg/m3的玻璃球在20℃的水中沉降，试求其沉降终速。(1)假设流形为层流解：已知条件：20℃水的密度ρ=998.2kg/m3，μ=1.01×10-3Pa·sdp=1×10-3m，ρs=2500kg/m3smdguPs/82.01001.118)100.1()2.9982500(81.918)(32320校核Re：15.8181001.12.99882.0100.1330udRpe(2)显然，颗粒沉降不在层流区域，再假设在过渡流区域沉降，则：smdgups/2.0)/()(2.045.018.172.007.1971001.12.9982.0100.1330udRpe校核Re：所以：1Re1000，正确，u0=0.2m/s多媒体教学课程：冶金设备基础昆明理工大学材料与冶金工程学院第10页/共32页3．沉降终速的影响因素实际颗粒的沉降必须考虑下列因素的影响：(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，称干扰沉降。多发生在液态非均相物系的沉降过程。(2)端效应：容器的器壁对颗粒的沉降有阻滞作用，使实际颗粒沉降速度较自由沉降速度小。(3)分子运动：颗粒过细，流体分子撞碰将使颗粒发生布朗运动。(4)分散介质的运动：若颗粒不是在静止流体中，而是在运动的流体中沉降，则应考虑流体运动的影响。多媒体教学课程：冶金设备基础昆明理工大学材料与冶金工程学院第11页/共32页4.2沉降分离4.2.1悬浮液的性质及分离方法(1)悬浮液性质A：温度：温度高、粘性小的悬浮液容易分离；B：密度：单位体积悬浮液具有的质量。悬浮液中液体与颗粒的密度差越大，越容易分离；C：浓度：悬浮液中固体颗粒所占的百分数。通常有四种表示方法。D：粒度：即固体颗粒的粒径，粒径越粗越容易分离。一般认为，当悬浮液物的粒径小于0.5µm时，悬浮液中粒子的布朗运动已比较明显，用沉降方法已很难分离；E：悬浮液特性：悬浮物颗粒轮廓清晰、坚硬、不易变形，也不容易相互粘附或与其它粒子粘结，就越容易分离；若颗粒是显微镜下观察呈大块的模糊不清的胶状物质，则其沉降性能很差。%总高沉淀高smQsmQQmkgmkgQQQQQQmSSmSmmSSm////)(3333悬浮液体积流量，粒的流量，分别为溶液与干固体颗、粒的密度，分别为溶液与干固体颗、悬浮液的密度，MQQWWmMQQWWmQQMQQMSSSSmSmmSSmSSmS，，质量固液比：质量浓度：体积固液比：体积浓度：对于含有大量胶状微粒的悬浮液，为提高沉降槽的生产能力，加快沉降速度，可向矿浆中加适量的絮凝剂，使悬浮液中呈胶体状分散的颗粒凝聚成絮团，促使其沉降。絮凝剂的分类：A：无机絮凝剂：石灰、硫酸、明矾、苛性钠、盐酸和氯化锌等；B：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、红薯粉及动物胶等；C：合成高分子絮凝剂：离子和非离子型高分子聚合物，聚丙烯酰胺(2)悬浮液的分离方法A：沉降分离---利用重力作用而进行的液固分离的操作B：过滤分离---利用液体能通过滤介质而固体颗粒不能通过过滤介质的性质进行分离的操作C：离心分离----利用离心力的作用进行液固分离的操作，其中包括离心沉降和离心过滤。多媒体教学课程：冶金设备基础昆明理工大学材料与冶金工程学院第12页/共32页(1)沉降原理：在重力作用下，由于固体与液体的密度差，固体沉于底部，清液从槽上部沿周边溢流排出。最适合于处理固液密度差比较大，固体含量不太高，而处理量比较大的悬浮液。浓缩：目的是将悬浮液增稠澄清：从比较稀的悬浮中除去少量的悬浮物(2)沉降目的间歇式沉降槽：完成间歇沉降操作的设备.特点是清液和沉渣是经过一段时间后才能产出。(3)沉降设备连续沉降槽：保持沉降槽内的各个区域，即连续加入悬浮液，并连续产生清液和沉渣的沉降槽。4.2.2悬浮液的沉降分离过程多媒体教学课程：冶金设备基础昆明理工大学材料与冶金工程学院第13页/共32页4.2.3重力沉降设备--浓密机和高效浓密机(1)(单层)普通浓密机悬浮液由进料管进入到进料筐中。清液自槽上部沿周边溢流排出。浓缩后底流由刮板刮至底部中央，由排泥口排出槽外。料液连续加入、溢流及底流连续排出。当沉降槽操作稳定后，各区高度保持不变。悬挂式中心传动桥式浓密机结构1.槽体、2.工作桥架、3.刮泥机构传动装置、4.立轴提升装置、5.进料筐、6.传动立轴、7.刮泥装置、8.澄清液出口、9.底液排出口广泛用于湿法冶金、水处理和化工过程，常规设备尺寸：直径3-100m，深度3-5m。含固量10%-30%,浓缩后的含固量40%-60%，刮泥装置转速：1/3-1/5r/min。连续式沉降槽的沉降区多媒体教学课程：冶金设备基础昆明理工大学材料与冶金工程学院第14页/共32页悬挂式中心传动五层赤泥沉降槽的结构示意图1.槽体、2.加料筒、3.工作桥架、4.传动装置、5.提升装置、6.进料筐、7.刮泥装置、8.清液溢流装置、9.下渣筒、10、集泥槽、11、传动立轴(2)(多层)普通浓密机平衡式三层沉降槽示意图1.加料、2.溢流、3.排渣口Ⅰ.第一层、Ⅱ.第二层、Ⅲ.第三层多层沉降槽：相当于把几个单层沉降槽重叠起来的装置。各层之间的悬浮液是相通的。上一层的下料筒插入到下一层的泥浆中形成泥封，使下一层的清液不会通过下料筒进入上层。各层内所规定的浓缩带沉渣高度由下一层中的压力差所控制，以防止上层的沉渣面由于沉渣流入到下层而下降。多媒体教学课程：冶金设备基础昆明理工大学材料与冶金工程学院第15页/共32页(3)深锥底浓密机深锥底浓密机特点：锥底钢槽斜而陡，可使絮凝良好的沉积物在锥底并被上面的沉降物压实，使底流很好地脱水。适于于絮凝沉降。1-给料装置2-絮凝剂添加管3-中心隔板4-溢流槽5-排料阀6-搅拌器多媒体教学课程：冶金设备基础昆明理工大学材料与冶金工程学院第16页/共32页(4)层状倾斜(Lamella)浓密机特点：