固液分离技术5沉降分离

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1、,5.1 沉降分离的理论 5.1.1 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。,Chapter 5 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

2、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；,,5.1.2 重力浓缩理论及浓密机的计算 5.1.2.1 重力浓缩过程,E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

3、，呈现出干涉沉降的特征，故称为干涉沉降区。,,5.1.2.2 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

4、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。,,B 凯奇（kynch）沉降模型及T-F法、奥特曼（oltmann）法 凯奇（kynch）沉降模型 1951年凯奇引入了特征浓度（characteristic concentratio

5、n）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

6、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。,,假设沉降筒的横截面积为A，悬浮液高度为H0，初始浓度为MS0，则筒中固体总质量为H0 MS0A。 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)tXA，而该量应该等于筒中全部的固体量 即： MSX(ux+vx)tXA= H0 MS0A 由图5-2可知，向下的沉降

7、速度为曲线的斜率，即 v X=(HZ-HX)/tX 向上的扩散速度为 uX=HX/tX 综合以上公式可以得出 MSXHZ=MS0H0 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；,,T-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

8、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 MSXHZ=MS0H0= 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。,,T-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Ms

9、u，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。,,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

10、出的浓密机面积偏小，要乘以一个大于1的安全系数修正。,,5.1.3 浓密机参数的计算 5.1.3.1 浓密机深度H的计算 耙式浓密机深度H等于 H=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0.50.8m，自由沉降区高度0.30.6m。 H3= Vslt3=(1+R) t3/(slAsp) 浓缩区（锥底部分）高度H4可由下式计算 H4=Dtan1/2 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

11、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。,,解：浓密机深度H=H1+H2+H3+H4 (1分) 已知：H1=0.6m; SL=2500kg/m3； Asp=3.14m2；D=2m； =30 ； 由图中可知H2=0.6m；tU=120s；tP=70s；(2分) 根据料浆的体积为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；可以得出料浆的液

12、固比R=（102500-150）/150=166；(2分) t3= tU - tP =50s；(1分) 所以H3=(1+R) t3/(SL/Asp)=（1+166）50/（25003.14）=1.064m；(2分) H4=Dtan1/2=2tan301/2=0.577m；(1分) 故H=H1+H2+H3+H4=0.6+0.6+1.064+0.577=2.841m。(1分),H3= VsLt3=(Vsp/Asp) t3=(10/150) 50/3.14 =1.064m;(2分),,5.1.3.2 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（

13、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/（m2d）。 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。,,2） 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/A V0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。,,5.2 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；

14、 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。,,5.3 连续沉降设备的性能与实践 5.3.1 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（0.0150.02MPa）的作用下，积泥斗中的沉渣由排泥管排出。,,5.3.2 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。,,5.3.3 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