固液分離4-離心沉降

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1、水 力 分 級 61 概述 1 水力分級 水力分級是根據(jù)礦粒在運(yùn)動介質(zhì)中沉降速度 的不同，將粒度級別較寬的礦粒群，分成若干窄 粒度級別產(chǎn)物的過程。 2 水力分級與篩分比較 水力分級和篩分的性質(zhì)相同。 篩分比較嚴(yán)格地按幾何尺寸分開，篩分產(chǎn)物具 有嚴(yán)格的粒度界限。 水力分級則是按沉降速度差分開。礦粒的形 狀、密度以及沉降條件對按粒度分級均有影響， 因而 分級不是嚴(yán)格按粒級進(jìn)行的，具有較寬的粒度范 圍。它們的主要區(qū)別見表 2-3-1。 類別 工作原理 產(chǎn)物特性 工作效率 應(yīng)用范圍 篩分 嚴(yán)格按粒 度分級 同級產(chǎn)物中 粒度大小比 較均勻，平 均直徑相同 對細(xì)粒物 料篩分效 率較低 大于 2一 3mm的

2、物 料 分級 按沉降速 度分級， 密度對按 粒度分級 有影響 同級產(chǎn)物中 主要是等降 顆粒。大密 度礦粒平均 直徑比小密 度礦粒平均 直徑小 處理細(xì)粒 物料效率 比篩分法 高 一般用于 不小于 2-3 mm 的物 料 3 分級的界線粒度 1）分級產(chǎn)物的粒度 分級產(chǎn)物的粒度以該產(chǎn)物的粒度范圍（如 0.25- 0.5mm)表示，或分級產(chǎn)物的粒度 (如大于或小于 0074mm)在該產(chǎn)物中的含量表示。 它僅說明分級產(chǎn)物的粒度范圍，而不能表示出 兩種分級產(chǎn)品的分界粒度。 2）分級的分界粒度 a) 分級粒度 分級粒度是指按沉降速度計(jì)算的分開兩種產(chǎn)物 的臨界顆粒的粒度 . b) 分離粒度 分離粒度指實(shí)際進(jìn)人

3、沉砂和溢流中分配率各占 50%的極窄粒級的平均粒度。 大于分離粒度的顆粒大多進(jìn)入沉砂中，小于分 離粒度的顆粒大多進(jìn)入溢流中。 4 水力分級介質(zhì)流形式及判斷式 垂直運(yùn)動。 v = v0 - ua (2-3-1) 式中 v。 礦粒在靜止介質(zhì)中的沉降末速 ; ua 上升介質(zhì)流速。 接近水平、或回轉(zhuǎn) 5 分級過程 分級過程的示意圖見圖 2-3-1(a)，沉降末速 大于上升介質(zhì)流速的礦粒下沉到分級設(shè)備的底 部，作為沉砂或底流排出 ;沉降末速小于上升介質(zhì) 流速的細(xì)粒級產(chǎn)物從上端溢出，成為溢流。如果 要得到多個粒級產(chǎn)物，則可將溢流 (或沉砂 )在依 次減小 (或增大 )的上升水流中繼續(xù)進(jìn)行分級。 在接近水平

4、流中進(jìn)行分級時，最粗的顆粒較早 地沉降下來，中等及細(xì)粒級的顆粒依次沉降下 來，故在各分級室可得到不同粒度的沉砂，如圖 2-3-1(b)所示。最細(xì)粒級由分級室末端溢出。 在回轉(zhuǎn)流中，顆粒根據(jù)徑向速度差分離。介質(zhì) 的向心運(yùn)動速度是決定分級粒度的基本因素。 6 水力分級在選礦中的應(yīng)用 1）與磨礦作業(yè)構(gòu)成閉路作業(yè)，及時分出合格粒 度產(chǎn)物，以減少過磨。 2）在某些重選作業(yè) (如搖床選、溜槽選等 )之 前，作為準(zhǔn)備作業(yè)，對原料進(jìn)行分級，分級后的 產(chǎn)物，分別給人不同設(shè)備或在不同操作條件下進(jìn) 行分選。 3）對原礦或選后產(chǎn)物進(jìn)行脫泥或脫水。 4）在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，測定微細(xì)物料的粒度組成。 3.2 水力分析 水力分析

5、(簡稱水析 )是借測定顆粒的沉降速度 間接測量顆粒粒度組成的方法。 范圍：常用于小于 0lmm物料的粒度組成測 定。 常用水析法有三種 :重力沉降法、上升水流法和 離心沉降法。 測定條件：自由沉降，懸浮液的固體容積濃度 小于 3%。 計(jì)算公式：斯托克斯沉降速度公式 式中 h 沉降距離， mi t 沉降時間， s; 其他符號意義同前。 為了防止水析過程中固體顆粒團(tuán)聚，通常加入 水玻璃等分散劑，濃度 :0.01%0.02%。 3 1 2 2 0 )( Re18 18 )(Re g d gd dt h v 3.2 沉降水析法 原理：逐步縮短沉降時間，由細(xì)至粗將各粒級 物料淘析出來。 實(shí)驗(yàn)裝置： 步驟

6、： 1） 算出粒度為 d 的礦粒在水中沉降 h 所用時 間 t ； 2）將礦漿倒入杯中，（礦漿液固比 6:1 ），加 清水至零刻度，攪拌。（容積濃度 3% ）。 3）靜置，沉降，經(jīng) t 時段，用虹吸管將 h 上部 的礦漿全部吸出；（小于分級粒度） 4）杯中補(bǔ)加清水，重復(fù)上述步驟，直至吸出液 體中不含小于分級粒度的礦粒為止； 5）烘干，稱重，化驗(yàn)。 對多粒級類似，多做幾步。 此法簡單、可靠，但費(fèi)時、費(fèi)工。用于校核。 3.2.2 上升水流法 1、原理：利用相同的上升水量，在不同直徑 的分級管中，產(chǎn)生不同的上升水速，粒度不同的 礦粒按其不同沉降速度，分成若干粒級。 2、裝置：如圖 2-3-3所示為一

7、組四管水析器，該 水析器除主要工作部件分級管外，還有給水裝 置、水玻璃添加裝置、給礦裝置和溢流接收裝置 等 。 3、分級管的直徑由給水量和分級粒度確定。 如分級管斷面積為 A，給水量為 Q，分級管的 內(nèi)徑為 D，則存在如下關(guān)系 : 0 2 4 v QDA 在每個分級管中，沉降速度 uo大于管內(nèi)上升水 流速度 ua的顆粒便沉降下來，小于 u0的顆粒便進(jìn) 入下一個分級管內(nèi)依次進(jìn)行分級。在每個分級管 內(nèi)保持懸浮的顆粒即是該次分級的臨界粒度。 每次水析的試料約為 50g，裝入帶攪拌器的玻 璃杯內(nèi)，給礦前備分級管及連續(xù)管內(nèi)均充滿水， 打開管夾使礦漿流人各分級管內(nèi)。在一般情況下 給料時間約 15h， 2h

8、后停止攪拌，大約 6h后停止 給水 (以溢流水是否清澈為準(zhǔn) )。然后用夾子夾住 各分級管下端的軟膠管，按粗細(xì)順序?qū)⒏髁＜壆a(chǎn) 物清洗排出，進(jìn)行澄清、過濾、烘干、稱重、化 驗(yàn)等一系列處理。 這種連續(xù)水析器一次可獲得多級產(chǎn)品，操作 簡便，只要保持工作正常 (及時放出管內(nèi)氣泡且不 使礦粒堵塞膠管 )，所得結(jié)果就較為準(zhǔn)確，但水析 時間較長。 3.2.3 離心沉降法 原理：使分級過程在離心力場中進(jìn)行。旋流水 析器內(nèi)顆粒的徑向沉降速度依然可按斯托克斯公 式求出，僅需用離心加速度取代重力加速度。 離心沉降法所用裝置：串聯(lián)旋流分級器，也稱 旋流水析器，其基本原理是其結(jié)構(gòu)如圖 2-3-4所 示。它是由五個倒置 (

9、底流口垂直向上，水力旋流 器互相串聯(lián)并平行排列所組成的。 實(shí)驗(yàn)過程：每個旋流器的沉砂口都與裝有排料 閥的接料槽相通，試驗(yàn)時排料閥是關(guān)閉的。水經(jīng) 水泵從水槽抽出，控制轉(zhuǎn)子流量計(jì)保持一定流 量，通過流量控制閥給人第 1號旋流器，因沉砂口 排料閥關(guān)閉，底流存留在錐體底部，而溢流則進(jìn) 入第 2號旋流器。以此類推，由第 l到第 5號旋流器 溢流口和進(jìn)料口直徑依次逐漸減小，旋流器分級 粒度也相應(yīng)逐漸減小。因此，物料分級完成后， 第一個旋流器底流產(chǎn)品粒級最粗，最細(xì)粒級產(chǎn)物 則是最后一個旋流器的溢流。 試樣小于 75m，每次用量以小于 100g為宜，從 試料容器中給入，約經(jīng) 30min，分級過程完畢，取 出各

10、旋流器內(nèi)的底流經(jīng)過濾、烘干、稱重和化 驗(yàn)?？梢娦魉鰞x比連續(xù)水析器分級速度快。 3.3 水力分級設(shè)備 水力分級設(shè)備都是利用礦粒在水介質(zhì)中沉降速 度的不同，在重力場或離心力場中完成分級過程 的。 在選煤廠中水力分級主要用在煤泥水的處理過 程，包括沉淀、濃縮、脫水，屬于選煤工藝過程 中的輔助作業(yè)。 在金屬選礦廠中，水力分級是用于對人選原料 進(jìn)行分級，以獲得幾個窄級別物料，分別給入重 選設(shè)備中進(jìn)行分級選礦，或用于重選廠原礦準(zhǔn) 備。 本節(jié)介紹機(jī)械分級機(jī)和水力旋流器，一般水力 分級設(shè)備在固液分離技術(shù)（煤泥水處理）中介 紹。 331 機(jī)械分級機(jī) 機(jī)械分級機(jī)：具有提升運(yùn)輸沉砂機(jī)構(gòu)的分級 機(jī)。 原理：借顆粒

11、在水介質(zhì)中的沉降速度差進(jìn)行的。 應(yīng)用：與磨礦機(jī)配合工作進(jìn)行預(yù)先分級和檢查 分級，還可以用于含泥礦石的洗礦以及進(jìn)行脫泥、 脫水。 分類：螺旋分級機(jī)、耙式分級機(jī)和浮槽分級機(jī) 等。 螺旋分級機(jī)是利用轉(zhuǎn)動的螺旋連續(xù)排出沉砂。構(gòu) 造簡單、操作方便 . 根據(jù)螺旋數(shù)目的不同，可分為單螺旋分級機(jī)和 雙螺旋分級機(jī)。 根據(jù)分級機(jī)溢流堰的高低，又可分為高堰式、 低堰式、沉沒式三種。 l.螺旋分級機(jī)的構(gòu)造及工作過程 傾角 : 分級槽傾角一般為 120 -18.50; 形狀 : 槽的底部為半圓形 ; 給礦 : 礦漿從槽的中間部位進(jìn)料口 7給入 ,在分級槽 下端的分級帶完成分級。 排料 : 細(xì)粒級經(jīng)溢流堰 8隨溢流排出口

12、 9排走。粗粒 級沉降后，由螺旋 1將其運(yùn)至沉砂排出口 10。 傳動 : 螺旋安裝在中空主軸 3上，上端設(shè)有傳動裝 置 5，軸的下端置于提升機(jī)構(gòu)之內(nèi)，必要時可調(diào)節(jié) 螺旋在槽內(nèi)的高度。 連續(xù)不斷給入礦漿，則溢流與沉砂也就連續(xù) 分別排出。 若分級機(jī)與磨礦機(jī)構(gòu)成閉路，則分級機(jī)的沉砂 經(jīng)溜槽進(jìn)人磨礦機(jī)再磨，送回磨礦機(jī)的沉砂稱 “ 返砂 ” 。 2. 影響螺旋分級機(jī)工藝效果的因素， 分級機(jī)的工作質(zhì)量： 1) 沉砂中小于分級粒度的細(xì)粒級 含量 ; 2) 溢流中大于分級粒度的粗粒級含量 ; 3) 沉砂水分的 高低 . 分級機(jī)的生產(chǎn)能力： 1) 按溢流中固體含量計(jì)算的生產(chǎn) 量 ; 2)按沉砂中固體含量計(jì)算的生

13、產(chǎn)量。 影響分級機(jī)工藝效果的主要因素： 1）礦石性質(zhì) 密度 : 礦石密度越大生產(chǎn)能力也越高 (幾乎正比 ) 。 粒度組成和含泥量 : 反映在礦漿的粘度上，粘度增大， 礦粒沉降速度減少，處理能力和分級的精確性均降低，因 此，當(dāng)?shù)V泥含量較高時，常采用降低分級濃度，但這又導(dǎo) 致處理量的降低。 適量礦泥，增加礦漿的粘性，可抑制螺旋攪動時引起 礦漿紊動的發(fā)展。 2）分級機(jī)結(jié)構(gòu) 分級面積 影響分級機(jī)處理能力并決定分 級粒度。 分級過程是發(fā)生在靠近表面層的水平礦漿流中 , 一方面以自身的沉降速度 V向下沉降，同時又被 水平介質(zhì)流帶動，以接近礦漿水平流速 u 的速度 向溢流端行進(jìn)。 運(yùn)動方向是兩個速度的矢量和

14、。 粗顆粒運(yùn)行到分級槽終端被溢流堰擋住，在槽 內(nèi)成沉砂，細(xì)顆粒運(yùn)行到分級槽終端時，依然位 于溢流堰上面，隨水平流從溢流口排出機(jī)外。 分級機(jī)面積分級過程的影響： 按圖 2-3-6所示，分級液面長為 l ,分級槽寬 若為 B，分級槽下端高度若為 H, 傾角為 ,則 分級機(jī)面積為 A, 即 A = B l = BHsin 增大分級面積方法： 增大分級槽的寬度、提高溢流堰的高度 或減小槽體的傾角。 分級機(jī)面積增大，按溢流的體積處理能 力便增大，分級精度便更細(xì)。 螺旋的轉(zhuǎn)速： 影響液面的攪動程度和運(yùn)輸返 砂的能力，轉(zhuǎn)速與螺旋直徑成反比。 粗粒分級可有較大的攪動程度而不致影響顆 粒的沉降。 細(xì)顆粒分級則應(yīng)

15、避免強(qiáng)烈攪動，其螺旋運(yùn)轉(zhuǎn) 速度達(dá)到足以將返砂沿外槽運(yùn)出即可。 3）給礦濃度 影響分級粒度，處理能力。 增大礦漿濃度，沉降的干涉程度變大，顆粒 的沉降速度將變小。使溢流的粒度變粗。 對一定的礦石應(yīng)用其最適宜的臨界礦漿濃度 . 此濃度下，保持固體生產(chǎn)率一定，則可得到最細(xì) 的分級粒度 ; 保持一定的分級粒度，則可得到最大的生產(chǎn) 率。 溢流濃度一般每隔 203Omin測定一次，以 確保對分級粒度的控制。 332 水力旋流器 1 概述 在重力場中，由于重力加速度 g 為定值，使微 細(xì)顆粒的沉降速度受到限制，設(shè)備的處理能力和 分選效果亦難以提高。 為了強(qiáng)化分級和選分作業(yè)，利用回轉(zhuǎn)流產(chǎn)生的 慣性離心力大大提

16、高了顆粒的運(yùn)動速度。 實(shí)現(xiàn)礦漿作回轉(zhuǎn)運(yùn)動的方法： 1）礦漿在壓力作用下沿切線給人圓形分選容 器中 ,例如各種型式的旋流器 ; 2）借回轉(zhuǎn)的圓鼓帶動礦漿作圓周運(yùn)動，例如 各種臥式離心選礦機(jī)和臥式離心脫水機(jī)屬于這種。 離心加速度 a a = 2 r = ut2 / r 式中 r 一一圓形分選器的半徑， m; 一一回轉(zhuǎn)運(yùn)動的角速度， rad/s; ut一一回轉(zhuǎn)運(yùn)動的切向速度， m/s。 離心力強(qiáng)度為 i = a /g = 2 r /g 重力選礦中所用離心力有的可比重力大數(shù)十 倍以上，因此大大強(qiáng)化了分選過程。 分級的設(shè)備，并也用于濃縮、脫泥 (也可以脫 砂 )、以至于分選。它的構(gòu)造簡單，便于制造，處

17、理量大，且工藝效果良好，因而在問世后迅速得以推廣應(yīng)用。 旋流器的結(jié)構(gòu)： 空心圓柱體和圓錐體連接而成。 圓柱體的直徑代表旋流器的規(guī)格 . 溢流管，沿切 線方向給礦管，沉砂 (或稱底流 )口。 2. 水力旋流器分級原理 礦漿在一定壓力下通過切向進(jìn)料口給人旋流器， 于是在旋流器內(nèi)形成一個回轉(zhuǎn)流。在旋流器中心 處礦漿回轉(zhuǎn)速度達(dá)到最大，因而產(chǎn)生的離心力亦 最大。礦漿向周圍擴(kuò)展運(yùn)動的結(jié)果，在中心軸周 圍形成了一個低壓帶。此時通過沉砂口吸入空氣， 而在中心軸處形成一個低壓空氣柱。 作用于旋流器內(nèi)礦粒上的離心力與礦粒的質(zhì) 量成正比，因而在礦粒密度接近時便可按粒度大 小分級。 礦漿在旋流器內(nèi)既有切向回轉(zhuǎn)運(yùn)動，又

18、有向內(nèi) 的徑向運(yùn)動，而靠近中心的礦漿又沿軸向向上 (溢 流管 )運(yùn)動，外圍礦漿則主要向下 (沉砂口 )運(yùn)動。 所以它屬于三維空間運(yùn)動。 零速包絡(luò)面 在軸向，礦漿存在一個方向轉(zhuǎn) 變的零速點(diǎn)，連接各點(diǎn)在空間構(gòu)成的一近似錐形 的面 (見圖 2-3-8)。 細(xì)小顆粒離心沉降速度小，被向心的液流推動 進(jìn)入零速包絡(luò)面由溢流管排出成為溢流產(chǎn)物 ; 而較粗顆粒則借較大離心力作用，保留在零速 包絡(luò)面外，最后由沉砂口排出，成為沉砂產(chǎn)物。 零速包絡(luò)面的位置大致決定了分級粒度。 3 水力旋流器的工藝計(jì)算 （ 1） 旋流器的處理能力 Q （ L/min） （ 2）旋流器的分離粒度 4 影響水力旋流器的因素 影響水力旋流

19、器工作的因素包括結(jié)構(gòu)參數(shù)、操 作條件和礦石性質(zhì)等。旋流器的直徑 D、給礦口 直徑 dG 和溢流口直徑 dy，是影響處理量 Q和分級 粒度 df 的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。 gpddKQ yG1 )( 75.0 2 Qh dd x G F 礦漿體積處理量與旋流器直徑的關(guān)系為 : Q D2 分級粒度與旋流器直徑的關(guān)系： dF D 因此，進(jìn)行粗分級時常選用較大直徑旋流器 ; 在細(xì)分級時則用小直徑旋流器。處理能力不夠 時，可以將多臺并聯(lián)使用。 （ 1） 給礦管直徑 dG 對旋流器工作的影響 給礦口的大小對處理能力、分離粒度以及分級 效率均有一定影響。其直徑常與旋流器直徑呈一 定比例，大多 dG=(008025)

20、D。給礦口的橫斷面 形狀以矩形為好。而縱斷面常為圖 2-3-9(a)所示的 切線形。 由于這種進(jìn)料方式易使礦漿在進(jìn)入旋流器時與 器壁沖擊產(chǎn)生局部旋渦影響分級效率。因此出現(xiàn) 了如圖 2-3-9(b)的漸開線形及其他型式的給礦管。 (2) 溢流管直徑 dY 對旋流器工作的影響 溢流管大小應(yīng)與旋流器直徑呈一定比例，一般 為 dY = (0204)D。增大溢流管直徑，溢流量增 加，溢流粒度變粗，沉砂中細(xì)粒級減少，沉砂濃 度增加。 (3)沉砂口直徑 dY 對旋流器工作的影響 沉砂口直徑常與溢流口直徑比值稱為角錐 比。 試驗(yàn)得出，角錐比值以 3一 4為宜，它是改變分級 粒度的有效手段。 沉砂口常因磨損而增

21、大排出口面積，使沉砂 產(chǎn)量增加，沉砂濃度降低。 如果沉砂口過小，粗顆粒在錐頂越積越多， 會引起沉砂口堵塞。 沉砂口大小的變化對旋流器處理能力影響不大。 (4)錐角對旋流器工作的影響 細(xì)分級或脫水用較小的錐角，最小達(dá) 100150 ; 粗分級或濃縮用用大錐角，達(dá) 200一 450。 旋流器圓柱體高度 h 一般取 h (0.61.0)D。 溢流管插入深度 hy， (0708)h，過長或過短 均將引起溢流跑粗。 (5)給礦壓力 p對旋流器工作的影響 提高給礦壓力，礦漿流速增大，可以提高分級 效率和沉砂濃度 ; 處理粗粒物料時，應(yīng)盡可能采用低壓力 (0050.lMPa);只有在處理細(xì)粒及泥質(zhì)物料時，才 采用較高壓力 (0103MPa) 。 旋流器的給礦主要有兩種方式 : a 穩(wěn)壓箱給礦 b 砂泵直接給礦 (6)給礦性質(zhì)對旋流器工作的影響 給礦濃度高，分級粒度變粗，分級效率亦將 降低。當(dāng)分級粒度為 0074mm時，給礦濃度以 10% 一 20%為宜 ;分級粒度為 0019mm 時，給礦濃度應(yīng) 取 5%10%。 用于分級的旋流器最佳工作狀態(tài)應(yīng)是沉砂呈 傘狀噴出，傘的中心有不大的空氣吸入口。