1、,Faculty of Materials and Metallurgical Engineering Kunming University of Science and Technology,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,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
2、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,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s =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 = 孔隙体积/颗粒群总体积= 孔隙体积
3、/(颗粒体积+孔隙体积)粒径均一的球形粒子群：立方体排列时 = 0.4764菱形排列时 = 0.2595任意填充时 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。,阻力系数0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
4、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：0与Re的关系曲线,球形颗粒0 Re曲线的区域：(s =1的曲线),(1) Re1时：0 =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0，称为过渡阻力区；
5、,(3) 1000Re2105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 0=0.44,球形颗粒0 Re曲线的三个区域,4.1.3 球形颗粒在静止流体中的自由沉降 1.沉积终速,-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,-球形颗粒的自由沉降速度,(3) 湍流区域，Re1000，牛顿公式：,(2) 过渡区域，1Re1000，艾
6、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,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。,沉降终速的计算公式,例题4.1,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 =998.2kg/m3， =1.0110-3Pa sdp=110-3m，s=2500 kg/m3,校核Re：,(2)显然，颗
7、粒沉降不在层流区域，再假设在过渡流区域沉降，则：,校核Re：,所以：1Re1000，正确，u0=0.2m/s,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。,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：
8、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0.5m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。,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
9、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。,(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
10、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,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
11、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,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)(
12、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 .第一层、.第二层、.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。,(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,(4)层状倾斜(
13、Lamella)浓密机,特点：在箱中装有一些倾板，增加沉降面积，可使设备空间减小，体积约为常规浓密机的1%,结构简单，主要构件可预制，利于现场快速安装。,层状倾斜(Lamella)浓密机 (Sala Corperation),(5)底部给料高效浓密机,70年代首先在美国使用，广泛用于煤厂，锌、铀水冶厂。具有处理量大、处理量相同时，与普通浓密机相比，设备直径可缩小1/2等特点。又称Enviro-clear浓密机。,底部给料高效浓密机 1-耙架驱动装置 2-液位 3-煤泥层位 4-溢流堰 5-澄清后的溢流水 6-耙架 7-底流管 8-入料口 9层位控制器,絮凝剂进入管,(6) Eimco浓密机,E
14、imco浓密机,技术特点：1.高径比大，可保证浓矿浆在内部的停留时间，有利于沉积物的压缩和清液的平稳上升；2.中心加料筒为带有稀释段隔断式特殊结构的搅拌装置，使絮凝剂以多点分散方式与进料矿浆在浓密机内得到充分、合理的混合，提高了沉降效率；3.中心加料筒较长，采用下加料式进料，即矿浆从一定泥浆深度直接加入，使上清液经过泥浆层渗滤，小颗粒絮团被泥浆层捕获，降低了清液含固量。,中心加料筒 (300500)(13001400),4.2.4 离心沉降-水力旋流器 构造及过程：旋流器主要由圆筒部分、锥体部分构成，悬浮液由圆柱体上部入口管沿切线方向进入，在旋流器内造成强烈的旋流运动(沿筒壁一面作圆周运动，一
15、面向下运动)，结果使含有细颗粒的大部分液体通过溢流管向上溢流排出，粗颗粒和其余液体由底部的底流喷嘴排出。 工作原理：在离心力的作用下，由于液体与固体的密度差，固体沉于离心器底，清液从中部溢出而实现悬浮颗粒与液体分类的过程。,水力旋流器简图 1.出口管、2.圆柱、3.锥体 4.排渣口、5.入口管,4.3过滤分离,4.3.1过滤操作的基本概念,(1) 过滤：以某种多孔物质作为介质来处理悬浮液，在外力作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现液、固分离的操作。过滤操作所处理的悬浮液称为泥浆，多孔物质称为过滤介质，通过介质孔道的液体称为 滤液，被截留的物质称为过滤饼或滤渣。,重
16、力过滤：悬浮液本身的液柱压强差，一般不超过4.9104Pa 加压过滤：在悬浮液上加压，一般达到4.9105Pa以上 真空过滤：在过滤介质下面抽真空，通常不超过8.34104Pa 离心过滤：利用离心力进行分离。,工业上应用的过滤方式 (1)深层过滤机制：悬浮液中固体颗粒的粒度小于过滤介质的孔隙。当其进入到孔隙中后，在重力、扩散力和惯性力的作用下，被收集于孔隙中，并在分子力和静电力作用下附着在过滤介质内部。过滤过程是在介质内部进行，介质表面无滤饼形成。适合于从很稀悬浮液中将固体分离出来，如饮用水净化等。,(2) 滤饼过滤(表面过滤)机制：悬浮液中粒径大于孔隙的以及和孔隙相等的颗粒聚积于介质表面，形
17、成滤饼。过滤开始时，很小的颗粒也进入介质的孔道内或通过孔道，故滤液可能是浑浊的。当滤饼形成后，滤饼在以后的过滤中起着过滤介质的作用(相当于深层过滤介质)，将悬浮液中更小的颗粒分离出来。一般处理浓度高的悬浮液。,深层过滤机制,滤饼过滤机制,2. 过滤介质过滤介质可按其作用原理、介质材料和介质结构进行分类：A：按作用原理进行分类：可分为表面过滤介质和深层过滤介质。表面过滤介质：滤纸、滤布、滤网等，主要用来获得有价值的固相产品，深层过滤介质：助滤剂层(即预涂层)、多孔金属、多孔塑料及砂滤层等，主要是获得澄清的液体。B：按介质材料进行分类：过滤介质可分为棉状的、毛状的、合成纤维的、陶瓷的、玻璃纤维的以
18、及金属的过滤介质等。C：按介质结构进行分类：可分为扰性、钢性及松散性过滤介质等。,3.滤饼性质不可压缩滤饼：当滤饼由不变形的颗粒如晶体的碳酸钙、硅藻土等组成时，各个颗粒间的相互排列的位置以及颗粒之间的孔道均不因床层所受压强的增加而有所改变，这种滤饼称为不可压缩滤饼。可压缩滤饼：当滤饼由无定形的颗粒如胶体氢氧化铝、氢氧化铬或其它的水合物沉淀组成时，颗粒间的孔道则随过滤压强的增加而变小，对滤液的流动起障碍作用，这种滤饼称为可压缩滤饼。,4.助滤剂(改善可压缩性滤饼的性质)靠物理或机械作用来改变滤饼的结构从而改善过滤效果的物料称为助滤剂。具有性质坚硬，在一般压强下不变形的性质。由助滤剂所构成的滤饼具
19、有很大的孔隙率，能减少可压缩滤饼的流动阻力，提高过滤速度和滤液的澄清度。,4.3.3 过滤设备的类型,过 滤 设 备,根据操作方法分类,根据过滤推动力的类别分类,间歇式过滤机：如叶滤机、板框压滤机,连续式过滤机：如转筒式真空过滤机,板框式压滤机,转筒真空过滤机,转盘真空过滤机,间 歇 式过滤机：过滤、洗涤、干燥、卸料四个阶段在设备的同一部位，但在不同时间内进行。,连续式过滤机：过滤、洗涤、干燥、卸料四个阶段是在设备的不同部位 同时进行。,(1) 板框式压滤机,卧式板框压缩机示意图 1.压紧装置、2.头板、3.板框(滤板、滤框)、4.滤布 5.横梁、6.尾板、7 .分板装置、8.支架,卧式板框压
20、滤机工作原理图 1.滤框、2.滤板、3. 滤布、4.洗涤板,板框式(加压)压滤机:由滤框、过滤介质和滤板交替排列成滤室的加压过滤设备。,工作原理：滤框角端的暗孔进入框内，在压差作用下滤液穿过两侧滤布，然后经过过滤板板面上沟槽流至出口排出。料渣则被滤布截留形成滤饼，待滤饼充满全框后，即可停止过滤，随即松开压紧装置将头板拉开，然后分板装置依次将滤板和滤框拉开，进行卸料。,特点：优点是结构简单，制造方便，占地面积小，对物料的适应性强，过滤面积选择范围宽(121200m2)，滤饼含湿量较低，滤布可再生利用，过滤操作稳定成本低。缺点是间歇操作效率低，人工操作劳动强度大，过滤速度逐渐减慢，效率低。,转筒真
21、空过滤机,刮刀卸料式转筒真空过滤机,剩余滤液吸尽 并将滤饼吸干,洗涤水由喷洒在滤饼,使滤饼剩余洗液吸干,滤饼被吹松,用刮刀剥离,更新的过滤表面,4.4 离心分离 4.4.1 离心分离基本概念离心过滤机工作原理：悬浮液在离心力的作用下，液体流过滤网、固体颗粒被截留下来的过程，适用于晶体颗粒物料以及各种纤维质物料的分离。,离心分离：在滤框有孔眼情况下，孔要覆以滤布或其它介质，液体受离心力的作用由滤孔迅速排出，固体则留于滤布上，从而达到固液分离目的。,离心沉降：当滤框无孔时，物料受离心力作用，按密度大小分层沉淀，密度最大、颗粒最粗的物料直接附于滤筐壁上，密度小、颗粒细的物料则集于滤筐中央。,夏普雷斯
22、推进式离心机,B 颗粒体与流体 相对运动的阻力,(1) 固液两相流,(2) 球形颗粒在静止流体中的自由沉降,沉降终速：,层流,湍流,过渡流,本章小结,(3) 悬浮液沉降过程；离心沉降；絮凝剂在液-固分离中作用,沉降槽的工作区,清液区 均一浓度区 非均浓度区 压缩浓度区,沉降槽的构造,槽体 工作桥架 刮泥机构 进料框架 传动与转动装置 清液出口 底流出口,悬浮液的性质,悬浮液的温度 悬浮液的密度 悬浮液的浓度 悬浮液的粒度 悬浮液的粘度,(4)过滤的基本概念,松散性过滤介质,硅藻土 膨胀珍珠岩 细砂 无烟煤,过滤方式,深层过滤 滤饼过滤,过滤介质,刚性过滤介质,金属介质 陶瓷介质 玻璃介质 泡沫介质 刚玉介质,过滤分类,重力过滤 加压过滤 真空过滤 离心过滤,扰性过滤介质,金属介质 非金属介质 金属和非金属混合介质,天然织物(棉、毛) 合成织物、玻璃织物 非织造纤维(滤纸),滤饼性质,可压缩滤饼 不可压缩滤饼,助滤剂,预涂层助滤 体加料助滤,(5) 典型的过滤设备,间歇式过滤机-板框式压滤机 连续式过滤机-转鼓真空过滤机,作业题,1、简述悬浮液沉降分离的方法和原理？ 2、什么是可压缩性滤饼？怎样改善滤饼的性质，以提高过滤速度？,
