固液分离技术5沉降分离

概述根据固体颗粒所受到力场的不同，沉降可以分为重力沉降和离心沉降。例：重力除尘过程中，气体从降尘室入口流向出口，气体中的粉尘颗粒随气体向出口流动，同时向下沉降。Chapter5沉降分离固液分离中的，重力沉降是利用固体与液体的密度差，颗粒受自身重力作用沉降，使悬浮液分为澄清液和浓浆，最终达到固液分离目的。在沉降过程中，不仅较粗粒级容易沉降，而且微细物料可以通过凝聚或絮凝也能够达到较好的沉降效果。离心沉降是利用固液两相的密度差，将分散在悬浮液中的固相颗粒于离心力场中进行固液分离。如图所示，在浓密机中进行沉降浓缩时，整个作业空间可以分为五个区。A区为澄清区:得到的澄清液作为溢流产物从溢流堰排出；B区为自由沉降区:需要浓缩的悬浮液（给料）首先进入B区，固体颗粒依靠自重迅速沉降，进入压缩区D；压缩区D:在该区，悬浮液中的固体颗粒已经形成较紧密的絮团，沉降继续进行，但其速度已较缓慢；区为浓缩物区:设有旋转刮板（该区的一部分呈浅锥形表面），浓缩物中的水分在刮板的挤压作用下渗出，悬浮液浓度进一步提高，最终由浓密机底口排出，成为浓密机的底流产品；自由沉降区B和压缩区D之间，有一个过渡区C，此区中，部分颗粒由于自重作用沉降，部分颗粒则受到密集颗粒的阻碍，呈现出干涉沉降的特征，故称为干涉沉降区。重力浓缩模型可以分为静态模型和动态模型两类。主要讨论静态模型。A科-克来文杰（coe-clevenger）稳态沉降模型（简称C-C模型）及C-C法1916年，科-克来文杰提出了浓密机稳态沉降模型，主要论点是：1）自由沉降区的浓度等于进入浓密机的悬浮液的初始浓度；即B区固体浓度等于进料悬浮液中固体的浓度。2）在自由沉降区内颗粒呈群体以相同速度沉降，称之为区域沉降，以区别于两相流中的固体颗粒的自由沉降；3）区域沉降的特点是区内每一个截面均以同一速度下降，同一层的颗粒应当以同一速度下降，而且各层均相同；4）悬浮液在自由沉降区（B区）的沉降速度只是该区浓度的函数，而与颗粒大小、密度无关（一般可通过沉降试验获得）。科-克来文杰通过推算，得出令称为浓密机的固体通量（单位面积上的固体质量流量），则有上式就称为科-克来文杰方程式，用于计算浓密机面积时称为C-C法。采用C-C法计算浓密机面积时，需要做一系列不同浓度的悬浮液的沉降试验，浓度范围在浓密机的给料和底流浓度之间。该方程可以用于计算浓密机的面积，但一般结果偏小。)11(SUSXSFFBMMAMQAMQGSFFSUSXBMMG11凯奇（kynch）沉降模型及T-F法、奥特曼（oltmann）法①凯奇（kynch）沉降模型1951年凯奇引入了特征浓度（characteristicconcentration）的概念。在悬浮液中固体颗粒沉降过程中，一定发生浓度分层，下层的高浓度浆体必定向上层低浓度层进行扩散，其扩散速度为浓度的函数，每个浓度均有其相应的扩散速度，凯奇把这种浓度称为特征浓度。把特征浓度向上扩散的轨迹，即随时间的变化线称为特征浓度线。可用H=u(MSX)t（式5-4）表示。因为每个浓度均有其相应的扩散速度，所以每条特征浓度线都是直线。当初始料浆浓度较稀时，特征浓度线可以认为是类似oD的一条直线。因为扩散现象实际上自悬浮液开始沉降便已出现，所以每条特征浓度线均发出于沉降曲线的原点，即H=0处，且特征浓度线上的每一点的悬浮液浓度均相等。如图5-2。由左图中可以看出，D点为自由沉降与干涉沉降的分界点，P点为干涉沉降与压缩区的分界点，U点以后为底流浓度。在沉降过程中，速度限制层首先在底部形成，再逐渐向上推移，因此速度限制层是向上扩散的。所以悬浮液在沉降过程中存在着一个向上的流速和一个向下的沉速，其相对速度为两者的代数和。，悬浮液高度为H0，初始浓度为MS0，则筒中固体总质量为H0MS0A。在沉降中，速度限制层逐渐向上扩散，假设它一直扩散到沉降层界面，所需要的时间为tX，此时，通过该层的固体量应为MSX·(ux+vx)·tX·A，而该量应该等于筒中全部的固体量即：MSX·(ux+vx)·tX·A=H0MS0A由图5-2可知，向下的沉降速度为曲线的斜率，即vX=(HZ-HX)/tX向上的扩散速度为uX=HX/tX综合以上公式可以得出MSX·HZ=MS0·H0凯奇第三定律凯奇第三定律表明：1）在沉降筒的任何一个截面处，其浓度可由凯奇第三定律公式求出；3）该公式考虑了在浓缩过程中底部高浓度料浆层向上扩展的影响，故更符合实际，有利于评估浓密机的实际生产能力。2）在DP之间的过渡区内，浓度为MSX的悬浮液，其沉降速度可由图5-2上x点的切线斜率求出，即x=(Hz-Hx)/tX，而不需要做沉降试验；②T-F法塔尔梅奇（Talmage）和菲奇（Fitch）1955年推导出专门用于计算浓密机面积的公式，该方法称为T-F法。推导过程如下：设浓密机的底流浓度为Msu，相应的沉积层高度为Hu，由凯奇第三定律可有MSX·HZ=MS0·H0=Msu·Hu(5-6)上式全部取倒数，则有（5-7）综合公式（5-3）（5-7），有（5-8）其中，“-”表示固体通量方向向下。浓密机的单位处理量所需沉降面积Asp（比单位面积）为（5-9）由于Asp是标量，故在式前加“-”符号。0011HMHHMMsuzsusxustHMG00001HMtGAsusp②T-F法1）先做任一浓度的该悬浮液的静态沉降试验，根据试验数据作出静态沉降曲线，如图5-3所示。2）从曲线找到压缩点P（一般通过直接观察或作对数曲线图）。3）过压缩点P作曲线的切线。假设要求浓密机底流浓度为Msu，可根据式（5-6）计算出Hu值，在沉降曲线上作直线H=Hu，与过压缩点P切线交于M(tu,Hu)，便可根据式（5-9）及浓密机的生产能力，计算浓密机的面积。优点:是只需要做一次静态沉降试验，根据沉降曲线，就可以求出Asp值。缺点:是常常低估浓密机的处理能力，在实际设计中造成基建投资增加；并且当压缩点P不明显时难以应用。③奥特曼（oltmann）法针对T-F法的缺点，奥特曼对此作了改进，即取沉降曲线上直线H0P与底流浓度线H=Hu的交点N的横坐标tu’作为浓缩时间（如图5-3所示）。计算时将（5-9）中的tu以tu’代替即可。奥特曼（oltmann）法会高估浓密机的处理能力，因而计算出的浓密机面积偏小，要乘以一个大于1的安全系数修正。=H1+H2+H3+H4其中H1澄清区高度，m；H2自由沉降区高度，m；H3压缩区高度，m；H4浓缩物区高度，m;过渡区高度通常不单独考虑。一般，澄清区高度在0.5～0.8m，自由沉降区高度0.3～0.6m。H3=Vsl×△t3=(1+R)△t3/(ρslAsp)浓缩区（锥底部分）高度H4可由下式计算H4=Dtanα×1/2一般情况下，不需要计算浓密机深度，因为浓密机深度都已经有定型系列。通过公式计算深度H可以作为复核检验的依据。课堂作业下图为某浓密机中料浆的沉降模型曲线，浓密机的底流口排出浓缩料浆的体积为10m3时，其中的固体质量为150kg，浓缩料浆在压缩区内的密度为2500kg/m3，澄清区高度为0.6m，浓密机的比单位面积为3.14m2，直径为2m，锥底倾角30°，求浓密机的深度。浓密机面积的计算主要有以下两种方法：1）按浓密机的单位面积处理量q计算浓缩作业所需要的总面积A（m2）其中GF为给入浓密机的固体量，t/d；q为浓密机的单位面积处理量，t/（m2·d）。浓密机的单位面积处理量q，一般根据试验或半工业试验来选定，或参考类似生产指标。见P204表5-1。得出总面积后，根据下式D=1.13A1/2计算浓密机直径D。spFAGA）按溢流中最大颗粒的沉降速度计算浓密机浓缩作业需要的总面积。计算浓密机面积后，再利用D=1.13A1/2计算浓密机直径。通常还需要计算浓密机上升水流速度u，u=V0/AV0为浓密机的溢流量，u必须小于溢流中最大颗粒的自由沉降速度u0。3201104.86)(KuKRRGAUFF沉降设备的分类根据不同形式可以分为多种。按设备操作形式分类：间歇式和连续式；按悬浮液流动方向分类：平流式、辐流式和竖流式;按工作原理及操作方式分类：闭式、开式、连接式和平衡式；按刮泥机构传动形式分类：中心传动沉降槽和周边传动沉降槽。多层沉降设备按工作原理及操作方式分类：闭式、开式、连接式和平衡式；1）闭式：各层间完全密封；多进多出。2）开式：各层间通过中心孔口连通；单进单出。3）连接式：中心孔处设置下料套管；单进多出。4）平衡式：各层间下渣管向下延伸；多进单出。平流沉降槽悬浮液由左边给入，在悬浮液由左向右运动的过程中，固体颗粒逐渐沉入槽底，澄清水以溢流的形式从右边经堰口排出。对于图5-10中，槽底的沉渣在刮板的缓慢推动下向左送入积泥斗；对于图5-11中，沉渣分别汇集至底部的多个积泥斗。开启排泥管的闸阀后，在静水压力（0.015～0.02MPa）的作用下，积泥斗中的沉渣由排泥管排出。竖流沉降槽结构见下图。工作时，悬浮液由中心管给入，液流缓慢向上运动，固体颗粒沉入槽底，由排泥管排出。为保证竖流，槽径与槽的澄清区深度的比值不大于2。辐流沉降槽辐流沉降槽可分为：悬挂式中心传动单层、悬挂式中心传动多层、垂架式中心传动单层、周边传动等。下面以垂架式中心传动单层辐流沉降槽为例。5.3.3.1垂架式中心传动单层辐流沉降槽结构见下图。辐流沉降槽可以从上部、侧部或下部进行给料，悬浮液进入中心管后，在穿孔挡板的作用下，均匀地沿辐射方向流向槽的四周，在流动过程中，澄清液上升，固体颗粒下沉，经底部刮泥装置汇集至泥斗排出。一般，为了避免水的径向流速过高造成短路而影响沉降效率，需要在进水管处加设导流筒，在中心管外周加设扩散筒，扩散筒的结构见图5-14。扩散筒的结构见下图。一般，为了避免水的径向流速过高造成短路而影响沉降效率，需要在进水管处加设导流筒，在中心管外周加设扩散筒，使出水在导流筒内先形成水平切向流，然后变成缓慢下降的旋流。新型高效沉降设备的性能与实践新型高效沉降设备主要是采用絮凝技术使微细粒物料形成粗大的球形絮团，提高生产率；或采用倾斜板或倾斜管，增加设备的沉降面积，缩短颗粒沉降的距离。倾斜板沉降槽该机是将倾斜板置于普通沉降设备中，以加速颗粒的沉降分离，提高其处理能力。是一种小型的效率较高的浓缩设备。实质上是：增加了倾斜板之后，相应的缩短了颗粒沉降距离，增大了沉降面积。1）倾斜板浓密机示意图目前在倾斜板浓缩设备中，应用较成功的是瑞典生产的