1、第六章 颗粒分级设备及固液分离的洗涤效率MMu/E 总分离效率定义为底流固体质量占进料固体质量的比例。6.2 颗粒分级设备的理论基础。6.2 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。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
2、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。 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。ALVVVRWVW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）WWyyyyY 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，表示洗涤至某一时间时，洗
3、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。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：gkufWiW)()(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。在扩散洗涤（
4、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。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。并流与逆流洗涤方案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
5、多次后，再作排放处理。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。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。6.2.1 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
6、中，Q表示矿浆的体积流量，m3s-1；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，m3s-1；y表示矿浆的溶质质量浓度，kgm-3；L表示溶液流量，m3s-1。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)，V1V Li=L，i=1，2，n，LinL由物料平衡，即进料量等于出料量，有Qin+Vw=Qun+Qo1 (6-42)由溶液平衡，即进料溶液量等于出料溶液量，有Qu(1-u)in+Vw=Q
7、u(1-u)n+Qo1 (6-43)或 Lin+Vn+1=V1+Ln由溶质平衡，有Qu(1-u)inyin+Vwyw=Qu(1-u)nyn+Qo1y1 或 Linyin+Vn+1yw=V1 y1+Lnyn (6-44)令洗涤比为其中 Vi=V，i=2，3，（n+1），V1V Li=L，i=1，2，n，LinLLVLVii/n级的溶质平衡：Ln-1yn-1+Vwyw=Vnyn+Lnyn (6-45)或 yn-1=（1+）yn-yw根据数学归纳法的原理，可以推出 (6-49)令Li/Lin=，则Vi/Lin=；则总溶质平衡式（6-44）可化为yin=y1+yn-ywwnnnyyy)1/()1()1
8、/()1(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。wnninnnyyy)1/()1()1/()1(11wnninnnyyy)1/()1()1(/)1(定义洗涤效率 =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-yn/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=0时，=0；=1时，=1-1/n，当n时，1；1时
9、，且当n时，lim1；1时，且n时，lim。由式（6-54）可得：n=log(-)/(1-)/log-1 (6-56)inwnnnyy/)1/()1()1/()1(111)1/()1(11n)1/(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100m3s-1，溶质质量浓度为5kgm-3，洗涤级数为5，各级操作条件相同，每级的底流液量为100 m3s-1，洗水量为150 m3s-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。解：由公式（6-51）（6-52）（6-54）已知 yin=5kgm-3，yw=0，Lin=100 m3s-1，Li=100 m3s-1
10、，Vw=150 m3s-1，n=5；所以 =Vw/Li=1.5，=Li/Lin=1；故 yn=(1.5-1)/(1.55+1-1)5=2.5/10.39=0.241 kgm-3；y1=(1.55-1)/(1.55+1-1)5=32.97/10.39=3.173kgm-3。=1-(1.5-1)/(1.55+1-1)=95.2%。wnninnnyyy)1/()1()1/()1(11wnninnnyyy)1/()1()1(/)1(111)1/()1(11n)1/()1(6.3 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，
11、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。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1100m），在水中常温下终端速度约为0.10.01m/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
12、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。 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。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（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45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。
