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。 篩分比較嚴格地按幾何尺寸分開，篩分產(chǎn)物具 有嚴格的粒度界限。 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 分級不是嚴格按粒級進行的，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 應用范圍 篩分 嚴格按粒 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 分離粒度指實際進人

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入沉砂中，小于分 離粒度的顆粒大多進入溢流中。 4 水力分級介質(zhì)流形式及判斷式 垂直運動。 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)進行分級。 在接近水平

4、流中進行分級時，最粗的顆粒較早 地沉降下來，中等及細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，作為準備作業(yè)，對原料進行分級，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 行分選。 3）對原礦或選后產(chǎn)物進行脫泥或脫水。 4）在實驗室內(nèi)，測定微細物料的粒度組成。 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，由細至粗將各粒級 物料淘析出來。 實驗裝置： 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）杯中補加清水，重復上述步驟，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。 對多粒級類似，多做幾步。 此法簡單、可靠，但費時、費工。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 入下一個分級管內(nèi)依次進行分級。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 )。然后用夾子夾住 各分級管下端的軟膠管，按粗細順序?qū)⒏髁＜壆a(chǎn) 物清洗排出，進行澄清、過濾、烘干、稱重、化 驗等一系列處理。 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。 實驗過程：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 入第 2號旋流器。以此類推，由第 l到第 5號旋流器 溢流口和進料口直徑依次逐漸減小，旋流器分級 粒度也相應逐漸減小。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。可見旋流水析儀比連續(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 進行分級，以獲得幾個窄級別物料，分別給入重 選設(shè)備中進行分級選礦，或用于重選廠原礦準 備。 本節(jié)介紹機械分級機和水力旋流器，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 機械分級機 機械分級機：具有提升運輸沉砂機構(gòu)的分級 機。 原理：借顆粒

11、在水介質(zhì)中的沉降速度差進行的。 應用：與磨礦機配合工作進行預先分級和檢查 分級，還可以用于含泥礦石的洗礦以及進行脫泥、 脫水。 分類：螺旋分級機、耙式分級機和浮槽分級機 等。 螺旋分級機是利用轉(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和 雙螺旋分級機。 根據(jù)分級機溢流堰的高低，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料口 7給入 ,在分級槽 下端的分級帶完成分級。 排料 : 細粒級經(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。 若分級機與磨礦機構(gòu)成閉路，則分級機的沉砂 經(jīng)溜槽進人磨礦機再磨，送回磨礦機的沉砂稱 “ 返砂 ” 。 2. 影響螺旋分級機工藝效果的因素， 分級機的工作質(zhì)量： 1) 沉砂中小于分級粒度的細粒級 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 . 分級機的生產(chǎn)能力： 1) 按溢流中固體含量計算的生產(chǎn) 量 ; 2)按沉砂中固體含量計算的生

13、產(chǎn)量。 影響分級機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?shù)V泥含量較高時，常采用降低分級濃度，但這又導 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）分級機結(jié)構(gòu) 分級面積 影響分級機處理能力并決定分 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。 運動方向是兩個速度的矢量和

14、。 粗顆粒運行到分級槽終端被溢流堰擋住，在槽 內(nèi)成沉砂，細顆粒運行到分級槽終端時，依然位 于溢流堰上面，隨水平流從溢流口排出機外。 分級機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。 分級機面積增大，按溢流的體積處理能 力便增大，分級精度便更細。 螺旋的轉(zhuǎn)速： 影響液面的攪動程度和運輸返 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。 細顆粒分級則應

15、避免強烈攪動，其螺旋運轉(zhuǎn) 速度達到足以將返砂沿外槽運出即可。 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 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、高了顆粒的運動速度。 實現(xiàn)礦漿作回轉(zhuǎn)運動的方法： 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動，例如 各種臥式離心選礦機和臥式離心脫水機屬于這種。 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)運動的角速度， rad/s; ut一一回轉(zhuǎn)運動的切向速度， m/s。 離心力強度為 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)速度達到最大，因而產(chǎn)生的離心力亦 最大。礦漿向周圍擴展運動的結(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)運動，又

18、有向內(nèi) 的徑向運動，而靠近中心的礦漿又沿軸向向上 (溢 流管 )運動，外圍礦漿則主要向下 (沉砂口 )運動。 所以它屬于三維空間運動。 零速包絡面 在軸向，礦漿存在一個方向轉(zhuǎn) 變的零速點，連接各點在空間構(gòu)成的一近似錐形 的面 (見圖 2-3-8)。 細小顆粒離心沉降速度小，被向心的液流推動 進入零速包絡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 包絡面外，最后由沉砂口排出，成為沉砂產(chǎn)物。 零速包絡面的位置大致決定了分級粒度。 3 水力旋流器的工藝計算 （ 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，進行粗分級時常選用較大直徑旋流器 ; 在細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。 由于這種進料方式易使礦漿在進入旋流器時與 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 細分級或脫水用較小的錐角，最小達 100150 ; 粗分級或濃縮用用大錐角，達 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，應盡可能采用低壓力 (0050.lMPa);只有在處理細粒及泥質(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 取 5%10%。 用于分級的旋流器最佳工作狀態(tài)應是沉砂呈 傘狀噴出，傘的中心有不大的空氣吸入口。