固液分离教案2.doc

黑龙江科技学院 备课笔记 第2次课 授课时间：2004年3月5日章节及主要内容：第二章粗颗粒物料的处理 主要内容：分级的实质、分级原理、常用分级设备重点内容：分级原理及分级的实质。难点内容：分级原理。参考资料：重力选矿、分离技术、选矿手册。教学手段：面授。扩展内容： 教学后记：作业：1、分级原理 2、重力场常用分级设备 第二章 悬浮液的处理第一节 粗颗粒悬浮液的处理水力分级：根据颗粒在水介质中的沉降速度的不同，将宽级别粒群分成两个或多个粒度相近的窄级别的过程。 注意：分级与筛分作业的性质相同，但筛分是比较严格地按几何尺寸分开的，而分级则是按沉降速度差分开的。一、分级的实质 颗粒在水介质中的自由沉降速度可按斯托克斯公式求得： v0=d2(-)gx/(18) 颗粒在悬浮液中的沉降为干扰沉降，其沉降速度可按利亚申柯分式计算： vst=v0(1-)n式中： v0颗粒在水中的自由沉降速度，cm/s vst颗粒在悬浮液中的干扰沉降速度，cm/s 常温下水的粘度，g/cm3 颗粒的密度；d颗粒的粒度；x颗粒的还球形系数，一般取x=0.3；水的密度，=1g/cm3n实验指数，一般取n=56悬浮液的固体容积浓度（以小数表示），=1/（R+1）；R悬浮液的液固比；g重力加速度，一般取g=981cm/s2把上述的数值代入式中，可得vst =588.6（-1）d2（1-）n 从上式可以看出，取决于颗粒的粒度，颗粒的密度以及悬浮液的浓度。其中，vst与d2成正比。即颗粒的粒度对vst影响最大。而vst又决定分级，就可以说，对分级起主要作用的是颗粒的粒度，或者可以说粒度决定分级。而分级同时又受到密度与悬浮液的浓度的影响，在实际中应尽量克服两者的干扰。选煤厂分级设备的分级粒度应与主选设备的分选下限一致，因为分级的目的是把主选设备己完成分选的部分和未完成分选的部分区分开来，再分别进行处理。二、分级原理 海伦模型（Haren）：悬浮液的颗粒和流动速度在整个水池断面上是均匀分布的并保持不变的；悬浮液在分级设备中的流动，是理想的缓慢流动，颗粒只要一离开流动层，即认为已经成为沉物。又称浅池原理。若分级设备的长度为L、宽度为B、进入设备的悬浮液量为W。如果分级设备有足够的深度，悬浮液溢流从另一端排出时其上部有一流动层，厚度设为h，在流动层下部的悬浮液可认为静止的。受力分析：受两个力的作用，其一为重力，使颗粒有一个下沉速度v；其二物料给入容器后有向前的推动力，因此有一水平速度u。所以颗粒在流动层中的运动轨迹是一条曲线。当入料量W一定时，曲线倾斜程度主要受颗粒大小的影响。按照海伦模型，颗粒从给料端运动到溢流端以前，不管在何处由于轨迹的偏移离开了流动层，那么该颗粒在流动层下部将继续下沉并最终作为沉物排出。反之成为溢流产品。椐据上面的分析有如下关系：悬浮液在设备中的水平流速u为：u=W/（Bh）颗粒从给料端运动到溢流端所需时间t1为：t1=L/u=Ah/W （式中：A为分级设备面积）任一粒度为d的颗粒，其下沉速度为v，通过流动层所需时间为t2： t2=h/v如果某颗粒从给料端运动到溢流端所需时间t1大于其通过流动层时间t2，则该颗粒未达到溢流端时即成为沉物；反之，当t1小于t2时，颗粒达到溢流端时仍处在流动层中，则从溢流端排出而成为溢流产品；如果t1=t2，则该颗粒运动到溢流端时恰好在流动层的边界上，这种颗粒成为沉物和成为溢流的机会相等，有可能从溢流端排出也可能成为沉物，该颗粒被称为分级粒度。当t1=t2时，可得下式：W=Av 该式为悬浮液流量、设备面积和分级粒度下沉速度之间的关系式。对固定的设备，不同的处理量可求出不同的v值，即有不同的分级粒度。当要求分级粒度一定时，所需要的分级面积A与悬浮液流量成正比。当悬浮液的流量一定时，所需的分级面积A与分级粒度的下沉速度成反比，即与分级粒度成反比。要求的分级粒度越细，所需要的分级设备面积则越大。因此，可以通过控制分级设备的面积来控制分级粒度。 通常，以每一平方米沉淀面积、每小时所以处理的矿浆量立方米数表示分级沉淀设备的能力，称为分级沉淀设备的单位负荷，用表示。 所以能有：W=v= 该式说明分级粒度的下沉速度与分级设备的单位负荷在数值上是相等的。 分级面积的选取，在设计中常用沉淀设备的单位面积负荷来计算。该方法称为经验数据法。A=KW/式中：K均衡系数（悬浮液系统通常取1.25）三、常用的分级设备（一）重力场中的分级设备1、角锥沉淀池角锥沉淀池由若干个并列的底部为角锥形的钢筋混凝土容器组成，各分级室之间及其内部无隔板，角锥底部的倾角为6570，角锥池的一端入料，另一端为溢流端，沉物沉到锥底，锥底装有闸门以便排卸沉淀物料。悬浮液的入料方式有并联和串联两种，当以串联方式给料时，入料端底流排放量小且粒度组成较细；当以并联方式给料时，底流物的质量没有差别。若要获得不同的粒度的产品时，可选择串联给料方式。当给料量一定时，采用串联给料方式，液流在角锥池中的流速较大，这对分级不利，所以选煤厂实际生产中多用并联给料。 角锥沉淀池入料与粒度：有一定的限制，较理想的入料浓度是100150g/L，入料粒度一般为01mm。 角锥池的溢流自动排出，底流由阀门靠人工控制排放。为防止底流排放管堵塞，需在管路的侧壁接清水管或压缩空气管。由于人工控制底流排放阀门，所以分级粒度难以掌握。 2、斗子捞坑 捞坑通常为方锥形或圆锥形钢筋混土结构，锥壁倾角为6070，由单侧或中心给料，从周边或旁侧流出溢流。广泛采用的是中心给料周边溢流的方式。锥形容器中安装有一台斗子提升机，用它来排放沉物。排出沉物同时还有脱水作用。沉物进入斗子的方式有三种：喂入式、挖掘式、半喂入式三种。 喂入式：斗子提升机位于捞坑倒锥之外； 挖掘式：斗子提升机位于捞坑之中；半喂入式：介于两者之间，吸取前两种的优点，机尾在捞坑之外，但斗子在捞坑之内，避免了检修斗子提升机的不便，又避免了物料在池内积的缺点。 入料粒度：050mm，有时为了提高分级精度，应尽量缩小捞坑入料的粒度范围，实际的入料粒度以013mm为多。其分级粒度一般为：0.20.5mm。 斗子捞坑中颗粒的沉淀条件与角锥沉淀池比较：一是矿物在斗子捞坑中将随同较粗精煤颗粒一起沉降，这对较细颗粒的沉降有利；二是沉淀物及时用斗子提升机从捞坑中排出，不受人为因素影响。故此，其沉淀与排料条件都比角锥沉淀池理想。这也正是它分级效率比角锥沉淀池分级效率高的原因。 为保证捞坑的分级效果，入料应设缓冲筒以减小入料液流速度对分级设备流动层的影响。锥壁若不光滑，容易“挂腊”，导致捞坑不能正常工作。3、倾斜板分级设备 由于分级设备利用浅池原理工作的，物料在池中的沉降分级与池深无关。因此，为提高设备的单位面积的处理量，应该充分利用池深。在分级沉淀设备中加设一组倾斜放置的沉淀板即倾斜板装置可提高分级沉淀设备的处理能力。 （1）倾斜板装置的作用原理倾斜板的安装可以缩短颗粒的沉降距离，减少沉降时间，可增大分级设备的沉淀面积，使沉淀好的物料顺利排出，倾斜板的安装角度=5060，越小越有利于增大沉淀面积，但不利于沉积矿物的排出。在实际中多采用60。倾斜板的层数的增多，也有利于增加沉淀面积。过多板间距会过小使水流的流动对沉物的沉淀和排放产生干扰。 倾斜板的材料：质轻、平整光滑且耐磨耐腐的，最好采用质轻的乙烯树脂板，也可采用塑料板、不锈钢板或铁板。 （2）倾斜板的入料形式 a、上向流悬浮液由下部给入，溢流由上部排出，沉物由下部排出。其特点：液流运动方向与沉物运动方向相反，故液流对已经沉积在板表面上的物料有干扰作用，粗颗粒先沉到板的下部，细颗粒沉在板的下部，细颗粒沉淀物容易被上升流带走。另外上升流还会对沉淀物的滑落有阻滞作用。但是，上向流的有效沉淀面积最大。 b、下向流悬浮液从上部给入，沉物由下部排出，溢流亦由下部流出。其特点：入料及沉物运动方向相同，对沉淀有利；细颗粒沉在板的下部，粗颗粒沉在板的上部，对沉物排放有利。但是将沉物和溢流很好的分开却比较难。 c、横向流其入料是一侧给入，沉物由下部排出，另一侧出溢流。其特点：液流方向与沉淀物排出方向有一定的夹角，液流对沉淀物的干扰作用较小，产物的排除也容易实现。 （3）上向流倾斜板设备的工作原理 图2-6所示为上向流倾斜板装置的几何尺寸和沉淀过程各参数的关系。从下部给入的悬浮液，沿着水平成角的一组平行倾斜的空间，以平均速度u向上方运动，当悬浮液量是W时，其流 速u为： u=W/（Blsin）， m/h煤粒下沉到板上面以后就不再受水流运 动的影响只能沿倾斜板下滑。煤粒在倾斜板空间的下沉速度v，可分成垂直于倾斜板各平行于倾斜板两个方向的分速度vsin和vcos。当颗粒通过两块倾斜板之间的垂直距离cb所需时间等于物料从倾斜板一端到另一端的距离ac所需的时间时，这个颗粒有50%的机会落在b上，也有50%的机会成为溢流产品。该颗粒的大小即为分级粒度。分级粒度颗粒的实际运动途径为ab曲线。 由上述条件有：分级粒度的颗粒通过两块板之间的垂直距离所需时间从倾斜板一端到另一端需时间有下关系：（E+lcos）/（u-vsin）=lsin/vcos 代入上式整理得：v=W/（Bl+BEcos）， m/h 对于长为B，宽为l的地方，其本身具有的沉淀面积为Bl。加板后增加的面积为板的面积在水平方向上的投影，即BEcos。若加前原有的面积用A表示，加倾斜板后增加的面积用Ae表示，那么对于长为L的空间所增加的倾斜板的间距为l、加倾斜板的个数为n=L/l，则上式可写成：v=W/（A+Ae） 为了充分利用倾斜板沉淀设备中的倾斜板面积和原有设备的沉淀面积，在实际工作中倾斜板上面应该有一定高度的自由水面，才能保证分级粒度的颗粒恰好落到b上。 同理有：下向流：v=W/（Ae-A） 横向流：v=W/Ae （4）倾斜板沉淀槽 倾斜板沉淀槽是以倾斜板为主要工作部件的悬浮液分级设备。图27为上向流倾斜板沉淀槽的简图。槽体是一个斜方体的容器，下部接两个做收集和排放沉淀物用的倒锥体。在斜方体容器内排列着斜置的倾斜板。每块板的下部都有L形的入料槽相连，悬浮液通过入料槽和各开中分配到各倾斜板之间。由于L形入料隔板的作用，进到每个隔间的悬浮液转为上升流，并使入料不致干扰顺板下滑的沉淀矿物。槽体的上部有溢流汇集管，溢流由此排出。 大量实践表明：沉淀槽的溢流排放不合理。如图28所示，此种情况使得溢流管处的液流速度急剧增高，对分级不利；而沉淀槽两端由于受锥形罩的阴力，溢流运动速度很低，大量矿物淤积在溢流箱两端，堵塞了板与板之间的溢流水的通道，使板的利用率下降。改进后的倾斜板沉淀槽将封闭式的溢流箱改为敞开式，消除了阴力，可防止沉淀槽两端矿物淤积，使溢流的流速正常，提高了分级效率。 （5）圆锥形倾斜板沉淀池 倾斜板沉淀槽的单位面积处理量虽然较大，但单台体积小，单台处理量也小。而