null第六章 颗粒分级设备及固液分离的洗涤效率第六章 颗粒分级设备及固液分离的洗涤效率6.2 颗粒分级设备的理论基础
。总分离效率定义为底流固体质量占进料固体质量的比例。null6.2 固液分离的洗涤效率
1)洗涤方式
固液分离过程中洗涤有三种方式:置换洗涤(并流洗涤和逆流洗涤)、再制浆洗涤和逐级稀释洗涤。
其中,过滤作业三种方式都可采用,最常用的是置换洗涤;沉降作业主要采用后两种洗涤方式。null
滤饼的盘上洗涤是指过滤后的滤饼不卸料,而直接用洗水进行洗涤。在滤饼孔隙中的母液包括:被固体吸附而与固体结合的薄膜液和在孔隙中的游离母液,因此在盘上洗涤时,滤饼的洗涤过程包括置换洗涤和扩散洗涤两个过程。
置换洗涤(displacement washing ):在滤饼洗涤初期,以洗液置换母液的这种洗涤称为置换洗涤。在置换洗涤过程,洗水以活塞流形式挤出滤液,排出量通常为残存滤液总量的80%~90%,特点是洗涤后滤液中的溶质浓度不下降。
null 洗涤机理
洗涤过程不仅涉及两种液体在滤饼孔道中的流动,还伴随两种液体的取代、混合和扩散过程。此外,洗液流动方向及分布的均匀程度、微粒的移动、滤饼的龟裂等都会对滤饼的洗涤效果产生一定的影响。
横坐标为洗涤比(洗水比,洗涤率)横坐标为洗涤比(洗水比,洗涤率)null 在洗液流速一定条件下,洗涤比实际反映了洗涤时间,因此,当横坐标为时间t时,洗涤曲线为Y-t曲线,形状与Y-R曲线一致,
表
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示洗涤至某一时间时,洗液中的溶质浓度,体现了洗涤的动力学过程。理想的置换洗涤时,R=1,Y=1,即一个空隙体积的洗液便可置换完毕,曲线的形状越接近理想线,洗涤效率越高。实际由于滤饼空隙大小不等,尚有许多非贯通的死孔,因此置换洗涤可分为三个阶段,并遵循不同的洗涤机理。 null置换阶段 生产中由于滤饼空隙、通道大小不一,因而洗液会较快通过空隙,从而出现“穿透”现象,为避免这种情况,应选用一种比残留滤液粘度大、密度小的溶剂作为洗液。 可参考以下稳定性判据:
null
滤饼洗涤的洗液应具备的条件
a 能和残余液很好地互溶;
b 只能溶去需去除的杂质,而不能溶解滤渣;
c 洗涤后,洗液与溶质易于分离;
d 具有较低粘度。 null在扩散洗涤(diffusion washing )过程,滤饼孔隙内与固体结合的母液(薄膜液)中的溶质通过扩散进入洗涤水中,洗涤后滤液中的溶质浓度不断下降。 特点是过程非常缓慢,但只要有足够的洗液,滤饼中残留滤液含量可降低到任意程度。滤饼的稀释洗涤是把过滤后的滤饼放入搅拌槽中,用洗水进行搅拌洗涤,因此又称为再制浆洗涤(repulping washing ) 。 中间阶段 该阶段排出液的浓度迅速下降,表示取代阶段结束。此时滤饼中残留滤液以混合和扩散方式进入洗液。 null并流与逆流
洗涤
方案
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一般采用并流或逆流洗涤,前者为每次洗涤都用新鲜水,洗后即予排放;而逆流洗涤,则是清水
洗涤最后一次洗涤过程
中的产品,洗涤水不予
排放,而是用来逐级洗涤上一道洗涤过程中的产品,这样逆流洗多次后,再作排放处理。null浓密机底流的洗涤通常采用再制浆洗涤方式。
连续逆流洗涤是多个浓密机组成的多段洗涤系统,洗涤水(浓密机溢流)与浓密机底流(矿浆)逆流运动,为了使洗涤水(浓密机溢流)能自动流入前一级,浓密机的位置自洗涤水进入的最后一级浓密机起,依此降低高度,见下图。null连续逆流洗涤的优点是:电能消耗低,浓密机的设备结构简单,维修费用低,固液分离和洗涤过程连续、自动操作。在洗涤水用量一定的条件下,洗涤率高(洗涤率可以超过99 %);在洗涤率相同的条件下,可以得到较高浓度的洗液;相同洗涤率时,用水量少。null6.2.1 多级逆流洗涤
多级逆流洗涤的流程图见图6-13,工艺条件图见图6-14。
图6-13和6-14中,Q表示矿浆的体积流量,m3·s-1;φ表示矿浆中固体颗粒的体积分数,%;V表示溢流液的体积流量,m3·s-1;y表示矿浆的溶质质量浓度,kg·m-3;L表示溶液流量,m3·s-1。 nullnull物料平衡设定:
1)洗涤浓密机的溢流中不含固体,且浸出后反应已经停止;
2)每一段浓密机的底流及溢流液体中的溶质浓度相等;
即每一段只有一个溶质浓度;
3)各级洗涤过程的进料及底流液固比相等,相应的流量相等。
即 Vi=V,i=2,3,…,(n+1), V1≠V
Li=L,i=1,2,…,n, Lin≠L
null由物料平衡,即进料量等于出料量,有
[Q]in+Vw=[Qu]n+[Qo]1 (6-42)
由溶液平衡,即进料溶液量等于出料溶液量,有
[Qu(1-φu)]in+Vw=[Qu(1- φu)]n+[Qo]1 (6-43)
或 Lin+Vn+1=V1+Ln
由溶质平衡,有
[Qu(1- φu)]inyin+Vwyw=[Qu(1- φu)]nyn+[Qo]1y1
或 Linyin+Vn+1yw=V1 y1+Lnyn (6-44)
令洗涤比为
其中 Vi=V,i=2,3,…,(n+1),V1≠V
Li=L,i=1,2,…,n, Lin≠Lnulln级的溶质平衡:
Ln-1yn-1+Vwyw=Vnyn+Lnyn (6-45)
或 yn-1 =(1+α)yn-α yw
根据数学归纳法的原理,可以推出
(6-49)
令Li/Lin=β ,则Vi/Lin=αβ ;
则总溶质平衡式(6-44)可化为
yin=αβy1+βyn-αβywnull将式(6-49)代入上式得:
(6-51)
将(6-51)代入(6-49)中可得:
(6-52)
通过(6-51)和(6-52)可以分别求出最后的底流液Ln中及回收的溢流液V1中的溶质浓度yn及y1。null定义洗涤效率
η=1-[n级底流液中带走的溶质量]/[进料底流液中带入的溶质量]
=1-ynLn/yinLin=1-βyn/yin
或 (6-53)
当洗水中不含有溶质,即yw=0时,(6-53)简化为
(6-54)
也可写成
(6-55)
由式(6-55)可知, 当α=0时, η =0;
α=1时, η =1-1/n,当n→∞时, η ≈1;
α>1时,且当n→∞时,lim[η]≈1;
α<1时,且n→∞时, lim[η]≈α。
由式(6-54)可得:
n=log[(α-η)/(1-η)]/logα-1 (6-56)null例题:某浓密机底流矿浆采用多级逆流洗涤,进料中溶液量为100m3·s-1,溶质质量浓度为5kg·m-3,洗涤级数为5,各级操作条件相同,每级的底流液量为100 m3·s-1,洗水量为150 m3·s-1,洗水中不含溶质,
求(1)洗涤后底流液和洗液的溶质浓度;
(2)洗涤效率。 null解:由公式(6-51)
(6-52)
(6-54)
已知 yin=5kg·m-3,yw=0,Lin=100 m3·s-1,Li=100 m3·s-1,Vw=150 m3·s-1,
n=5;
所以 α = Vw / Li =1.5, β= Li / Lin =1;
故 yn=[(1.5-1)/(1.55+1-1)]×5=2.5/10.39=0.241 kg·m-3;
y1=[(1.55-1)/(1.55+1-1)]×5=32.97/10.39=3.173kg·m-3。
=1-(1.5-1)/(1.55+1-1)=95.2%。null6.3 流态化分级设备
如图6-27所示,固体颗粒在流态化分级设备中,受到重力、浮力、流体的运动阻力的作用,根据颗粒的密度和粒度不同,颗粒的沉降终端速度也不相同,最终造成颗粒在上升水流的作用下,分成不同级别向上和向下运动,从而达到分级的目的。 null颗粒沉降终端速度的大小,是液固流态化分级设备的基础。终端速度取决于颗粒的大小、密度以及流体的密度和黏度。
密度在3000kg/m3的颗粒(大约1~100μm),在水中常温下终端速度约为0.1~0.01m/s,处于层流状态。颗粒受到的阻力主要为流体的粘滞力,可用斯托克斯公式计算终端末速。
当颗粒密度较大,粒度较大(约5mm以上),在水中常温下沉降速度较高(约1m/s),处于湍流状态。颗粒受到的阻力主要为流体的湍动力,而与流体的黏度无关,可用牛顿公式计算终端末速。
当颗粒的密度和粒度性质处于上述两者之间时,颗粒沉降处于由层流向湍流的过渡状态,此时可用艾伦公式计算终端末速。null 实际工业分级过程中,为减少设备的体积,减少用水量,为此应在较浓的固相中进行粒度分级。此时颗粒沉降因颗粒相互干扰,而使沉降速度远低于自由沉降的终端速度。
在干涉沉降条件下,颗粒的沉降速度为终端沉降速度和颗粒体积浓度的函数。因此在层流区,干涉沉降速度与自由沉降速度相比,下降得慢一些,而在湍流区下降得快一些。一般来说,干涉沉降多在湍流区操作,即服从牛顿定律。null工业上使用的水力分级机由于用途的不同而有多种类型,常见有:
(1)自由沉降式或多室分级机;
(2)干涉沉降多室分级机;
(3)圆锥型分级机null(1)自由沉降式或多室分级机
基于斯托克斯原理进行操作。一般可分为4~5级。颗粒沉降速度高于上升水流速度即进入底流,沉降速度低于上升水流速度的较细颗粒形成溢流而进入下一级。其体积大,用水量高,效率低,多被干涉沉降分级机取代。
(2)干涉沉降多室分级机
由几个锥形分级室组成。分级室顺进料至溢流尾端依次增大,并依次呈阶梯形。该分级机能排出较浓的底流产品,因此耗水量低。由于搅拌作用,能防止堵塞。
(3)圆锥型分级机
严格来说该机属于沉降设备,而不是流态化分离装置。分级室内没有上升水流,根据待分离的粒度,可分为矿砂用颗粒(0.15mm以上)和矿泥用颗粒( 0.15mm以下)。该分级机只能获得两个级别的产品。