液固分离设备..ppt

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,2011.4,3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,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回收分散物质（结晶母液中分离晶粒，赤泥的分离）净制分散介质（除去含尘气体中的尘粒）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),四川大学化学工程学院,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颗粒大小的表示方法：一般用粒径或当量直径颗粒大小的测定方法：显微镜测定、筛分和沉降速度颗粒形状：用球形度(s)表示颗粒的密度与堆积密度：真密度和假密度(kg/m3)颗粒填充特性(孔隙率):约为0.4;由实验确定摩擦角,四川大学化学工程学院,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。球形颗粒所受的阻力(fd):fd=au2/2a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)。非球形颗粒：当量直径(de):de=(6vp/)1/3vp=(/6)de3，vp任意形状颗粒的体积，m3。球形系数:s=,(s对的影响见图3-1),四川大学化学工程学院,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(500re1显然，颗粒沉降不是在层流区。,四川大学化学工程学院,再设在过渡区沉降，则0=4g2(1-2)2/(2252)1/3dp=4(9.81)2(2500-998.2)2/(2251.0110-3998.2)1/310-3=0.156m/s校核re:re=dput/=1.010-30.157998.2/(1.0110-3)=157属于过渡区(1re500)，故所设正确。,四川大学化学工程学院,2.沉降分离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温度：温度高，粘度小的悬浮液容易分离；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(2-1)越大，分离越容易。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,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。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。.无机絮凝剂：石灰，硫酸，明矾，苛性钠，盐酸和氯化锌等。.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。.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,悬浮液的沉降过程：间歇沉降过程(见下图)表观沉降速度(t):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,3.2.2沉降槽的结构及设计,四川大学化学工程学院,图3-4单层沉降槽结构,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,多层沉降槽其结构和工作原理见图3-5。h0+hs=(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/m3,四川大学化学工程学院,.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,.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。,四川大学化学工程学院,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).先做间歇沉降实验确定表观沉降速度(0)：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,.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，m3h-1；q1澄清液溢流量，m3h-1；q2沉渣中含液量，m3h-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。,四川大学化学工程学院,.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悬浮液的密度，kg/m3;实际沉降速度，m/s;1.33经验修正系数。,四川大学化学工程学院,.沉降槽高度(h)的确定：包括压缩区的高度hpa.粗粒固体区(压缩区)的高度(hp):hp压缩区高度，m;qm压缩区内液固比的平均值。tr压缩时间(底流压缩到满足出料要求的液固比所需时间)，s;w单位时间进入槽内的固体质量，kg/h;原始矿浆中固体及液体密度，kgm-3b.沉降槽高度(h)：h=(0.32)+20.7+1.75hp0.32为清液区高度；m20.7为加料区及浓度不均区的高度；m1.75为安全系数。,四川大学化学工程学院,3.2.3离心沉降(离心力),重力沉降设备占地面积大，材料消耗多，沉降终速小，效率不高，仅适用于处理大量的稀悬浮液。为了提高固液分离能力，工业上广泛采用离心分离设备，水力旋流器或称为旋液分离器是其中一种。水力旋流器的结构与旋风分离器大致相同，其基本原理也相似。如图示：料浆进入之后在圆筒部分高速旋转，沿筒壁一面作圆周运动，一面向下运动，固体颗粒的密度较液体大，在旋转时受更大的离心力(fc)作用;颗粒沿器壁向下运动到达排渣口，成为底流而排出，清液由上部中心溢流口出去。在中心部分有一个空气柱形成，此处为负压状态。,四川大学化学工程学院,3.2.3.1离心分离因素(kc),1.离心力(fc):m-球形颗粒的质量,;-球形颗粒的角速度,rad/sr-球形颗粒到旋转轴心的距离,m;n-球形颗粒的转速(r/min)；2.重力（fg）:fg=mg3.离心分离因素kc：同一颗粒所受的离心力与重力之比kc：表示离心力大小的指标。,四川大学化学工程学院,3.2.3.2水力旋流器中u、ur、ua与r关系,水力旋流器可作固液相分离用，亦可作为分级设备。水力旋流器中流体运动规律比较复杂，目前尚不能用简单的数学式表达：图3-2-17(a)、(b)、(c)分别表示水力旋流器中流体的切线速度u，径向速度ur，及轴向速度ua与半径r的关系:图(a)为切线速度u随着距中心线的距离减小而增大，在接近气柱中心时很快下降。除接近气柱那一部分液体外，旋流器中液体的切线速度u与旋转半径r之关系可用下式表示：n值在0.5-0.9之间，平均可取0.64,四川大学化学工程学院,图(b)为径向速度ur分量，距轴心愈远，ur愈增大。而径向加速度arr-2.5，即旋转半径r愈小，ar愈大，径向加速度为悬浮物分离的重要因素，故圆锥形部分起着重要的分离作用。因此，也说明水力旋流器应向小直径发展。图(c)表示轴向速度ua分量，在靠近筒壁附近轴向速度方向向下，而在靠近中心附近，方向是向上的，故在中间有一处轴向速度为零。由此分界，外部为下降流，内部为上升流。粗细颗粒分别进入底流及溢流，故旋流器可用于分级。,图中：1-旋流器壁；2-溢流管；3-气柱,四川大学化学工程学院,u,ur,ua,3.2.3.3水力旋流器（旋液分离器）,水力旋流器的结构及原理如图3-8所示。水力旋流器可作固液分离用，亦可作为分级设备用。水力旋流器的设备直径愈小,分离颗粒的极限直径愈小，效率也愈高。当d为4mm时,分离粒径可小到110m。水力旋流器中固体颗粒沿壁面的快速运动会造成严重的磨损，固应采用耐磨材料制造。减小锥角，增加圆筒部分高度均有助于改进分离，锥角一般为1520。旋流器的生产能力大，通常设备直径为0.11m，其处理量每分钟可达数百立方米。如右表：d为进料口直径，d为旋流器直径,水力旋流器直径和参数d/d对产能(1min-1)的影响,四川大学化学工程学院,1.一直径为1.5mm，密度为2500kg/m3的玻璃球在20的水中沉降，试求其沉降速度。已知：20时水=998.2kg/m3,=1.0110-3pas。2.说明沉降槽的生产能力与其槽帮高度的关系。,课堂作业,四川大学化学工程学院,3.4过滤分离,沉降操作往往需要很长时间，且无法将液体中悬浮的固体微粒完全分离干净。而过滤不但分离的速度快，而且滤饼中的液体含量较沉降物少，故过滤是分离悬浮液普遍而有效的方法。过滤操作原理:借助一种截留固体颗粒而让液体通过的多孔介质将固体颗粒从悬浮液中分离出来的过程称为过滤。通常将这种多孔介质称为过滤介质。过滤介质可以是细砂、织物、纸或多孔固体(如陶瓷)等，大多数采用织物，如尼龙、麻布、玻璃丝布、铁丝网布等。即使过滤介质不是布，也习惯地称之为过滤布。过滤介质的孔径经常稍大于被分离固体颗粒的平均直径。,四川大学化学工程学院,3.4.1悬浮液的过滤,两种过滤方式深层过滤：用较厚的粒状床层做成的过滤介质(如砂层)。如自来水的净化，污水处理。(一般c1%)。,图3-17过滤示意图,图3-18架桥现象,四川大学化学工程学院,过滤介质织物介质：棉,麻,丝,毛及各种合成纤维织成的滤布。或铜，不锈钢等金属丝编织的滤网。堆积的粒状介质：由砂，木炭等堆积成较厚的床层，用于深层过滤。多孔性介质：陶瓷，塑料，金属等粉末烧结成型而制得的多孔性板状或管状介质。过滤介质的选择，要根据悬浮液中液体性质（例如，酸，碱性），固体颗粒含量与粒度，操作压力与温度及过滤介质的机械强度与价格等因素考虑。,四川大学化学工程学院,助滤剂(回收滤渣不适宜)当含有胶体的悬浮液过滤时，因颗粒的形状及颗粒间的孔道随压强变化而改变滤孔，往往被颗粒堵塞。在这种情况下，液体的流通受到阻碍，甚至闭塞。为改变这种状况，加入一种性质坚硬在一般压强下不变形的粒状物质，通常称为助滤剂。其类型有：硅藻土：硅藻土经干燥或煅烧，粉碎，筛分而得到。珍珠岩：珍珠岩粉末在1000下迅速加热膨胀后，经粉碎，筛分而得到粒度均匀的颗粒。石棉：石棉粉与少量硅藻土混合而成。活性炭粉，纸浆粉等。助滤剂使用方法：先把助滤剂单独配成悬浮液,过滤,先形成一层助滤剂层。在悬浮液中加入助滤剂(添加量为固体颗粒重量的0.5%)。,四川大学化学工程学院,3.4.2过滤速率基本方程式,过滤速度=过滤推动力/过滤阻力=p/r过滤推动力就是压力差(p):p=pc+pm;过滤阻力包括滤饼阻力和过滤介质阻力(如图3-19)。滤液流过滤饼层内的细微孔道的速度(u)类似于流体在圆管内的层流流动：,四川大学化学工程学院,滤饼中滤液的过滤速度：式中：uc滤液在毛细孔道内的流速,ucdv/(ad);pc滤液通过滤饼层的压力降；滤液的粘度；l滤饼层中的毛细管孔道的平均长度；ll;l滤饼层的厚度；lwv/a;a过滤面积；w单位体积滤液的干滤饼质量；v滤液的体积；d毛细管的平均直径(为定值)；r滤饼的比阻(m/kg,比例系数)考虑过滤介质，则滤液的过滤速度：滤液的过滤速率：ve当量滤液量(过滤介质的相当于得ve滤液时滤饼层的阻力)。,四川大学化学工程学院,恒压过滤和恒速过滤,恒压过滤方程式：即p为常数令k=2p/(rw)，(k为过滤常数，包括物性常数及压强参数)积分:为0，v为veve+v,得:式中ve用类似方法积分，从0e（虚拟的过滤时间）s；ve从0ve,得：ve2=ka2e；两式相加得：(v+ve)2=ka2(+e);令q=v/a,qe=ve/a:q2+2qeq=k;或(q+qe)2=k(+e);,四川大学化学工程学院,恒速过滤方程式：u=ku（常数）则：,四川大学化学工程学院,先恒速后恒压过滤方程式（实质上是恒压过滤为主，恒压过滤的起点为恒速过滤的终点）,令：vr代表恒速过滤阶段终了瞬间的滤液体积；r代表恒速过滤阶段终了瞬间的过滤时间。积分，从r，v从vrv,得(v2-vr2)+2ve(v-vr)=ka2(-r)或(q2-qr2)+2qe(q-qr)=k(-r)(v-vr),(-r)分别代表恒速阶段转入恒压阶段后所获得的滤液体积及所经历的过滤时间。该复合过滤方式是为了避免过滤初期因压差过大而引起滤布堵塞和破损。即过滤初期保持恒定速率使压差逐步升高至系统允许的最大值，然后在恒定的最大压强差下操作。,四川大学化学工程学院,3.2.3过滤设备,板框压滤机(如图3-21)洗涤速率(dv/d)约为最终过滤速率(dv/d)e的1/4。dv/d=(1/4)(dv/d)e操作压力一般为310kg/cm2.可调节过滤能力,但劳动强度大，多为间歇操作。,图3-21板框压滤机的过滤与洗涤,四川大学化学工程学院,四川大学化学工程学院,立盘过滤机,四川大学化学工程学院,【例3-2】有一实验装置，在3105pa的压强下过滤含钛白的水悬浮液，测得过滤常数k=510-5m2/s,qe=0.01m3/m2,e=2s。又测得滤饼与滤液的体积比w=0.08m3/m3,拟在生产中采用bmy50-810/25型板框压滤机来过滤此悬浮液，过滤压强与所用滤布均和实验相同，按标准，这一型号的板框压滤机滤框空间的长与宽均为810mm，框的厚度为25mm,共38个框,过滤面积为50m2,框内总容量为0.615m3。试求:过滤至框内全部充满滤渣所需过滤时间；过滤后以相当于滤液量1/10的清水进行洗涤的洗涤时间；辅助操作时间为15min，求每台压滤机的生产能力，以每小时平均可得滤饼体积计。,四川大学化学工程学院,解:验算过滤面积(a)及框的总容积(v框)a=框长框宽2框数=810810238=5107mm2=50m2；v框=框长框宽框厚框数=8108102538=623106mm3=0.623m3；(基本吻合)过滤时间()滤框充满滤渣时,滤液量v:v=框的总容积/w=0.615/0.08=7.7m3;恒压过滤方程：(q+qe)2=k(+e);(7.7/50+0.01)2=510-5(+2);解得：=536s=0.149h,四川大学化学工程学院,洗涤时间(w):vw=1/10v生产能力(按滤饼计算)d=15min,t=+w+d=0.149+0.112+15/60=0.511h;q=0.615/t=0.615/0.511=1.204m3/h,四川大学化学工程学院,转筒真空过滤机转筒真空过滤机的构造与操作：其构造如图，为自动连续操作，转数为0.13r/min,转筒表面有一层金属网，网上覆盖着滤布，筒的下部浸入滤浆槽中。转筒有12个小过滤室。,叶滤机单筒,四川大学化学工程学院,分配头由转动盘与固定盘组成。固定盘有滤液排出管(真空管)，洗水排出管(真空管)，及空气吹进管。转筒旋转一周，每个小滤室进行过滤，洗涤，吸干，吹松卸渣操作。相应有过滤区，洗涤区，吸干区，吹松卸渣区。适用于处理量大而固体颗粒含量较多的滤浆；真空操作(p1atm)。,四川大学化学工程学院,四川大学化学工程学院,转筒真空过滤机的生产能力(q)浸液率()：=转筒浸液面积/转筒总表面积操作周期(t)：转筒旋转一周的时间；t=60/n(s)n转筒转速(r/min)操作周期中的过滤时间()：=t=60/n恒压过滤方程：(v+ve)2=ka2(+e);将上两式合并，整理得：v=ka2(+e)1/2-ve=ka2(60/n)+e1/2-ve生产能力(q):每小时获得滤液体积(m3/h)；q=3600v/t=3600v/(60/n)=60nv或q=60ka2(60n+n2e1/2-nve当忽略滤布阻力时：e=0；q=60(60ka2n)1/2=465a(kn)1/2a转筒总过滤面积，m3,四川大学化学工程学院,【例3-3】一台连续操作的真空过滤机,直径为2m,长为2m,在任意瞬间总有1/6的过滤表面浸没在悬浮液中，悬浮液的压强为1.0105pa，转筒内压强为0.45105pa,过滤机转速为1/3(r/min)，试计算滤液的产量。滤布阻力可以忽略不计，滤饼是可压缩的；过滤方程为：q=1.4710-7p0.48/u。解：已知d=2m,z=2m,=1/6,取大气压为105pa时，则p=(1-0.45)105=0.55105pa又dv/d=ka2/2(v+ve)=ka2/(2v）(因为ve