离心沉降设备.doc

何桂春编写部分4.4 离心沉降设备的结构与性能离心沉降是以固体和液体间的密度差为基础的，即在二者有密度差点固液悬浮液，在离心力场中受到离心力的作用，当颗粒密度大于液体密度时，离心力使其沿径向向外运动，当颗粒密度小于液体密度时，在离心力作用下，液体迫使固体颗粒沿径向向内运动。因此，离心沉降可视为较细颗粒重力沉降的延伸，并且能够分离通常在重力场中稳定的乳状液，这一分离过程可视为最离心力场作用下悬浮液中固体颗粒的自由沉降过程。离心沉降通常有3个过程：（1）固体的沉降；（2）沉渣的压缩；（3）从沉渣孔隙中部分清除液体。离心沉降分离过程一般是在无孔的转鼓装置中进行，用无孔转鼓所产生的离心力来分离悬浮液或矿浆。离心分离设备中工业上得到了广泛应用，其形式很多，可按工作目的、操作方法、结构型式、离心力强度及卸料方式等分类。如按器身转动与否，离心沉降设备可分为器身固定的与器身旋转的两类，前者如水流旋流器，悬浮液在固定的器身内旋转；后者如各种沉降离心机，旋转的器身带动悬浮液作回旋运动。工业离心沉降设备又可按转鼓结构和卸渣方式分为五种主要类型：（1）管式离心分离机间歇操作、人工卸料；（2）室式离心分离机间歇操作、人工卸料；（3）无孔转鼓离心机半连续操作，间歇卸料（常为自动卸料）；（4）螺旋卸料离心机连续操作，连续卸料；（5）盘式（碟式）分离机，又分为：1）固体保留形间歇操作，人工卸料；2）固体抛出形（环阀排渣形）断续操作、间歇卸料；3）喷嘴形连续操作，连续卸料。沉降离心机的器身（转鼓）作回转运动，进而带动机内的待分离物料一起旋转。由于机内的物料层中无显著的剪切作用，因此沉降离心机很适合于分离作业，也常用于分级过程。沉降离心机分离出的固体含湿量较高，尤其对于无孔转鼓沉降离心机和螺旋卸料沉降离心机更是如此。但一般情况下，其分离效率仍然较高。4.4.1 管式离心分离机 管式离心分离机是转鼓呈管状的高速沉降离心分离机，其转鼓直径较小，长度较大，转速较高，适于处理难以分离的低浓度悬浮液和乳浊液。图5-28所示为管式分离机示意图。操作时，悬浮液或乳浊液自转鼓下端进料管1加入，被转鼓3内的纵向肋板带动与转鼓同速旋转。在离心力的作用下，乳浊液分成两层，重液层靠向转鼓壁，轻液层靠向转鼓中心，分别自转鼓顶端清夜溢流出口6和重液溢流出口5排出。分离含固体颗粒的悬浮液时，颗粒沉降到鼓壁上形成沉渣，运转一段时间后，转鼓内聚集的沉渣增多，分离液澄清度下降，当达不到要点澄清度时，需停机清除沉渣。图5-28 管式分离机示意图1-进料管；2、8-轴承装置；3-转鼓；4-机壳；5-重液出口；6-轻液出口；7-转鼓轴颈；9-皮带；10-电机；11-分离头该机为间歇操作、人工卸料。管式分离机的规格为：直径为40150mm，长径比48，分离因数可达1500065000，处理能力为0.10.4m3/h。适于处理固体颗粒浓度0.01100mm，固体密度差大于0.01g/cm3，体积浓度小于1%的难分离悬浮液或乳浊液，常用于油水、细菌、微生物、蛋白质的分离及香精油、硝酸纤维素的澄清作业。4.4.2 室式离心分离机室式离心机的构造如图5-29所示。图5-29 多室型离心机的构造室式离心机的转鼓内有若干个同心圆筒组成若干个同心环状分离室，各分离室的流道串联。悬浮液自中心进料管加入转鼓内的第一分离室中，由内向外依次流经各分离室。受逐渐增大的离心力作用，悬浮液中的粗颗粒沉降到靠内的分离室壁上，细颗粒则沉降到靠外的室壁上，澄清的分离液经溢流口或由向心泵排出。运转一段时间后，当分离液澄清度达不到要求时，需停机清理沉渣。这种分离机一般有37个分离室，分离因数为20008000，处理能力为2.510 m3/h。适于处理颗粒粒度大于0.1mm、固相浓度小于5%的悬浮液，常用于果汁、酒类、饮料及清漆的澄清作业。这种离心分离机由于清洗较为困难，清洗时间较长，且为人工卸料，因此这种离心机仅限于处理固体体积浓度45%的悬浮液。4.4.3 无孔转鼓离心分离机 无孔转鼓沉降离心机是间歇操作的。工业上常用的转鼓直径为3001200mm，转鼓长径比一般为0.50.6。分离因数最大可达1800，最大处理量为18 m3/h。通常用于处理粒度大于540mm、固体密度差大于0.05g/cm3，浓度小于10%的悬浮液。无孔转鼓离心机常用的有三足式沉降离心机和卧式刮刀卸料沉降离心机两种。4.4.3.1 三足式沉降离心机图5-30所示为三足式沉降离心机转鼓截面示意图。其操作程序为：先启动到全速，然后加料进行沉降分离，待分离液澄清度不符合要求时停止加料，再停机用人工卸渣或降速后用机械刮刀卸渣，如沉渣具有流动性，可在高速下用排液管排出。图5-30 三足式沉降离心机转鼓截面示意图4.4.3.2 卧式刮刀卸料沉降离心机图5-31为卧式刮刀卸料沉降离心机示意图。其操作程序为：先启动转鼓，将悬浮液加到鼓底，分离液经转鼓挡液盖溢流入机壳后，由排液管排出，鼓壁上的沉渣逐渐增厚，液池的有效容积减小，分离澄清度降低。当分离澄清度不符合要求时停止加料，用机械刮刀卸出沉渣。图5-31 卧式刮刀卸料沉降离心机示意图4.4.4 螺旋卸料离心分离机 螺旋卸料沉降离心机有立式和卧式两种，如图5-32a、b所示。通常采用卧式的较多。图5-32 卧式和立式螺旋卸料沉降离心机结构示意图1- 进料管；2-三角皮带轮；3-右轴承；4-螺旋输送器；5-进料孔；6-机壳；7-转鼓；8- 左轴承；9-行星差速器；10-过载保护装置；11-溢流孔；12-排液孔悬浮液经加料管1进入螺旋内筒后，由内筒的进料孔5进入转鼓7，沉降到鼓壁的沉渣由螺旋4输送到转鼓小端的排渣孔12排出。螺旋与转鼓同向回转。但具有一定的转速差（由差速器实现）。分离液经转鼓大端的溢流孔11排出。转鼓有圆锥形、圆柱形和柱锥形三种基本形式。圆锥形有利于固相脱水，圆柱形有利于液相澄清，柱锥形则兼有二者的特点，是常用的转鼓形式。柱锥筒体的半锥角范围为518，常用的为712.螺旋卸料沉降离心机为全速运动，连续进料、分离和卸料的离心机，其最大分离因数可达6000，操作温度可高达300C，操作压力一般为常压（密闭型可从真空到0.98Mpa），处理能力0.460m3/h，适于处理颗粒粒度2mm5mm、固体密度差大于0.05g/cm3，固体浓度1%50%的悬浮液。该离心机广泛应用于石油化工、冶金、煤炭、轻工、食品、制药、环保等工业部门，如合成纤维树脂的脱水、矿砂与浸渍液的分离、煤粉、淀粉的脱水、低温提炼动物油脂中的油渣分离，活性污泥的脱水等。4.4.5 碟式（盘式）离心分离机 碟式（盘式）离心分离机的构造特点是转鼓内装有一叠锥形碟片，如图5-33所示。悬浮液由中心进料管进入转鼓，从碟片外缘进入碟片间隙向碟片内流动。由于碟片相互间隙很小，形成薄层分离，固体颗粒的沉降距离极短，分离效果较好。颗粒首先沉降到碟片内表面上，随后向碟片外缘滑动，最后沉积到转鼓壁上。澄清液经溢流口由离心泵排出。图5-33 蝶式离心分离机转鼓及物料流动示意图蝶式离心分离机的分离因数较高，可达300010000，且碟片多，增大了沉降面积，又碟片相互间隙小，缩短了沉降距离，因此分离效果较好。碟片数一般为50180，视机型而定；碟片间歇通常为0.51.5mm，由被处理物料的性质而定；锥形碟片的半锥角大多为3045，此角度应大于固体颗粒与碟片表面的摩擦角。蝶式分离机按卸渣方式可分为三种形式。4.4.5.1 固体保留型（人工卸渣）蝶式分离机这种蝶式分离机是间歇操作、人工卸料的，其转鼓及物料流动示意图如图5-33所示。操作运转一段时间后，转鼓壁上聚集的沉渣增多，致使分离液澄清度逐渐下降，当澄清度不符合生产要求时，停机拆开转鼓，人工清除沉渣后再投入生产运转。该分离机适于处理固相体积浓度小于1%的悬浮液，能分离的颗粒可小到0.1 mm，最大处理能力可达45m3/h。4.4.5.2 固体抛出型（环阀（活塞）排渣）蝶式分离机这种蝶式分离机利用活塞启、闭排渣孔进行断续自动排渣，其示意图如图5-34所示。位于转鼓底部的环板状阀门在操作时可上下移动，位置在上升时，关闭排渣口，停止卸渣；其位置下降时，则开启排渣口，沉渣被抛出排渣口而卸渣，排渣时可不停车。该分离机的分离因数范围为50009000，最大处理能力可达40 m3/h，适于处理颗粒直径0.1500mm、固液密度差大于0.010.1mm、固相浓度小于10%的悬浮液。图5-34 环阀（活塞）排渣蝶式分离机示意图图5-35 喷嘴型排渣蝶式分离机示意图4.4.5.3 喷嘴型排渣蝶式分离机喷嘴型排渣蝶式分离机为连续操作、连续卸料型分离机，其转鼓呈双锥形，其示意图如图5-35所示。转鼓周边具有若干个（一般为1224个）喷嘴，喷嘴孔径0.53.2mm。由于排渣（底流）的含液量较高，具有流动性，故喷嘴型蝶式分离机多用于浓缩过程，浓缩比可达520.该分离机的转鼓直径可达900mm，最大处理量300 m3/h，适于处理颗粒直径0.1100mm、固相浓度小于25%的悬浮液。4.4.6 沉降离心机的选型选用沉降离心机时，首先可参考拉范奇（Lavanchy）等提出的各种沉降离心机的性能范围如图5-36所示进行设备选型。该图给出了各类沉降离心机的处理能力及沉降能力范围，它是按固液密度差为g/cm3、液相黏度PaS的条件作出的。若需分离悬浮液的性质与条件不符时，可按下式予以换算：图5-36 各种沉降离心机的性能范围沉降离心机的选型，还需考虑其他物料特性和工艺要求，如进料的固相浓度、粒度组成、液体性质（如腐蚀性、与空气接触的敏感性等）、爆炸的可能性、间歇或连续操作的必要性等。如果这些因素已知，还需查阅所选择的每一类设备的有关资料（包括制造厂家提供的样本、操作说明书等技术性文件），对基本满足所有要求的被选用设备作出综合分析比较后，再予以确定设备选型。此外，在工业生产中也可根据以下几方面来进行离心分离机的选型。4.4.6.1 对分离的任务和要求生产中对分离的任务和要求，主要是指生产规模的大小、操作方式及分离目的，回收产品是固体、液体或是两者都需要等，可分别编号为a、b、c、d、e、f、g、h、i示于图5-37中。a分离任务和要求生产规模操作方式大100m3/h中10m3/h小1m3/h间歇操作连续操作澄清的液体无其他要求要求洗涤现场干燥回收液体回收固体要求bcdefghi图5-37 分离任务和要求4.4.6.2 根据物料的性质和要求要了解待分离的悬浮液性质：如固体颗粒粒度组成、固体密度、固体亲水性和疏水性；液体的密度、黏度、pH值、腐蚀性；悬浮液的浓度等，这些性质对设备选型有直接的关系。在初选分离设备时，还需了解物料的沉降特性。以上这些都要在实验室中对物料进行测定和试验，为选型提供依据。悬浮液的沉降特性是通过沉降试验而获得。沉降试验一般采样1000mL，加入量筒内，测定沉降速度，至少取值0.5h，观察上面液层的澄清度；待静止24h后测定沉渣容积比，即沉渣视容积占总容积的百分比。悬浮液的沉降特性按图5-38划分。其中沉降速度分低、中、高三级以编号A、B、C表示；澄清度分差、好两类以D、E表示；沉渣容积比分低、中、高三等以F、G、H表示。低5cm/h低20%差好沉降速度预处理再作处理澄清度沉渣容积比沉降特性ABCDFEGH图5-38 悬浮液沉降特性4.4.6.3 离心分离机的性能和适用范围将沉降离心机的各种机型的性能和适用范围与分离任务和目的、悬浮液的沉降特性联系起来，并归纳为表5-10所示表5-10 各种沉降离心机的适应性能序号沉降离心机型式分离的任务和目的悬浮液的沉降特性1管式离心分离机g(b)或cdf或gHA或BD或EF2三足式撇液管排液沉降离心机b或cdf或gB或（A）D或EF、G或H3蝶式离心分离机a、b或cd或eA或BD或E4螺旋卸料沉降离心机a、b或cef、g（h或i）B、C或AE或D F、G或H4.4.6.4沉降离心机选型的举例某项目生产任务和要求为：分离油类的乳浊液，中等生产规模，要求连续操作，按图5-37应是b、e、f，再根据表5-10查出适合此任务要求的（即b、e、f）有两种机型：蝶式离心分离机和螺旋卸料沉降分离机。然后，根据分离物料的沉降特性，经试验得出沉降速度低，从图5-38可得出物料沉降特性为A，而另一沉降特性澄清度要求好，从图5-38可得出为E，再从表5-10可查出适应A、E的机型还是蝶式离心分离机和螺旋卸料沉降离心机这两种，但分离的物料为油类的乳浊液，需要高速的分离机，所以卧式螺旋卸料离心机不适合而淘汰，就选用蝶式离心分离机符合生产要求。上述选型方法，由表5-10所列举的是沉降离心分离机的各种基本机型。本例中选用的蝶式分离机也就是该类的基本机型。而蝶式离心机又有人工卸料型、环阀（活塞）排渣型、喷嘴排渣型等，需根据生产要求和具体情况再进一步选择哪个型式的蝶式离心分离机。4.5水力旋流器选矿设备工艺设计原理4.5.1 水力旋流器的构造水力旋流器是一种利用旋转液流使物料进行分级的设备，图2-16为水力旋流器构造示意图，上部呈圆筒形，下部呈圆锥形。矿浆在压力作用下由给矿口沿筒体的切线方向给入旋流器内，并在其中旋转。靠近器壁的旋转液流方向向下，为外旋流；靠近中央的旋转液流方向向上，为内旋流。粗颗粒在旋转液流中的惯性离心力大，被甩向器壁并被外旋流带到底部的沉砂口排出，成为沉砂。细颗粒的惯性离心力小，向器壁移动的速度慢，被内旋流从上部的溢流口带出，成为溢流。图2-16 水流旋流器水力旋流器的优点是：构造简单，没有运动部件，体积小，占地面积少，生产率高。缺点是排砂口磨损快。4.5.2 水力旋流器的生产能力和分离粒度的计算矿浆在旋流器内作三维空间的运动，任何一点的速度都可以个方向速度的大小分解成切向速度、径向速度和轴向速度。这与旋流器的结构参数和操作参数有关，并对旋流器的生产能力和分离粒度产生影响。旋流器的生产能力和分离粒度可用下列公式计算。生产能力：(1-22)或 (1-23)分离粒度：(1-24)式中： 生产能力，L/min； 旋流器直径，cm； 给矿口直径，cm； 溢流管直径，cm； 分离粒度，mm； 沉砂管直径，cm； 给矿压力，Pa； 重力加速度，9.8m/s2； 矿石和水的密度，kg/m3； 给矿浓度，%； 系数，见表1-4，；表1-4 值0.10.150.200.250.300.580.780.981.221.565.85.24.94.95.24.5.3 水力旋流器结构参数的设计选择1）旋流器的直径 旋流器的直径指圆筒部分的直径，它表示旋流器的规格。旋流器直径的确定原则主要是根据分离粒度和生产能力的要求。从式（1-23）和（1-24）可见，增大旋流器的直径，处理能力随之增大，但分离粒度变粗。若要用大直径的旋流器得到细的溢流，则要增大给矿压力，这是不经济的。因此，当要分出较细的溢流时，一般采用小直径的旋流器，如当分离粒度为0.01mm时，锡选厂一般采用直径为750mm或610mm的旋流器；分离粒度为0.074mm的旋流器；一般采用直径为400mm或250mm的旋流器；分离粒度为0.019mm时采用直径为125mm的旋流器；分离粒度为0.010mm时，采用直径为75mm或50mm的旋流器。单个小直径的旋流器生产能力较低，一般采用小直径旋流器组。大直径旋流器的优点是处理量大 不易堵塞，使用简单可靠，所以，在获得相近工艺指标的情况下，首先应该考虑采用大直径的旋流器；在国外的一些选矿厂磨矿回路中，采用大直径（直径超过750mm ）的旋流器，并配以稍低的给矿浓度和稍高的给矿压力，且适当增大沉砂口直径的操作制度，就可以获得近似中等直径为250500mm的旋流器的溢流粒度，这样，旋流器的台数大大减少，生产管理甚为方便。选择旋流器直径时，还应该考虑给料的性质，如果给料中与分离粒度相近的“难分颗粒”的含量较少或者给矿浓度不高，可以选择大直径的旋流器；当给矿浓度较高并且细泥的含量较多时，采用中等直径或小直径的旋流器。2）给矿口尺寸及形状旋流器的给矿口的大小对处理能力和分离粒度有影响。给矿口的断面形状一般为矩形，矩形的长边应与旋流器的轴线平行，矩形的短边应尽量靠近上盖，以避免矿浆进入旋流器后向上扩散形成局部涡流，影响矿浆沿圆筒切线方向的流动，并且可以减小一部分给入的矿浆未经分级而直接由给矿口流进溢流管的短路流。给矿口形状也有正方形或圆形的，矩形或正方形的给矿口用等面积圆的当量直径表示。 给矿口的直径与旋流器圆筒直径之间要有适当的比例，一般为。当给矿粒度较粗、给矿压力不高时取高值，反之取低值。当给矿口直径时，分级效率会降低。因此，不宜用单纯增大给矿口尺寸的办法来提高旋流器的生产能力。3）溢流管直径溢流管直径对旋流器生产能力和分离粒度有重要的影响。随着溢流管直径的增大，旋流器的生产能力和分离粒度都随之增大，沉砂浓度增加，沉砂中细粒级含量减少。适宜的溢流管直径应使旋流器溢流的质量产率与给矿中小于分离粒度的产率相当，只有这样才能获得高的分级效率。通常，溢流管直径 。当给矿中小于分离粒度的颗粒含量为40%70%时，以0.220.26较为恰当。溢流管直径一般稍大于给矿口的直径，即。4）沉砂管直径沉砂管直径主要影响旋流器的分离粒度，而对生产能力影响较小。减小沉砂管直径，则溢流粒度变粗，沉砂产率减少，并且沉砂中夹带的细粒级减少，沉砂浓度增高；但沉砂浓度增高到一定程度后，继续减小沉砂管直径，沉砂浓度变化不大，对于重而粗的给料，沉砂浓度可以达到适宜的沉砂管直径应使沉砂以具有一定浓度的伞状喷出，伞的中心有不大的空洞能吸入空气。沉砂管直径与溢流管直径之比称为锥比。锥比的变化对旋流器的工作指标有重要的影响。锥比增大，沉砂产率增大，浓度变稀，溢流粒度变细。不同的给料粒度和给料浓度应采用不同的锥比。通常，旋流器的锥比为0.30.5，在此范围内分级效率最高。 5）溢流管插入深度溢流管插入过深，沉砂容易混入溢流，溢流中的沉砂粒度变粗；插入过浅，则因给料中的短路流也使溢流中的沉砂粒度变粗。这两种情况都会使分级效率降低。溢流管插入深度一般要低于给矿口而高于圆筒的下边缘。当分离粒度为0.019mm时，溢流管插入深度与圆筒高度之比约为0.50.7；当分离粒度大于0.019mm时，这一比值约为0.70.9。6）圆筒高度旋流器圆筒部分的高度对分离粒度有一定的影响。圆筒高度越高，分离粒度越细；但当圆筒高度超过一定值后，给矿压力损失增大，在旋流器的下部分级作用减弱。通常，粗粒物料的分级，筒体高度宜小些，圆筒高度与旋流器直径之比约为0.51.0；当进行细粒物料的脱泥时，圆筒高度要大些，其与直径之比约为1.51.6。 7）锥体角度锥角增大，旋流器内的流体阻力随之增大，在相同的进口压力下，旋流器的体积生产能力将会减小，并且由于溢流口与沉砂口距离变小，分级粒度将会变粗，沉砂中含泥量减少。在处理稀矿浆并要求得到较细的溢流时，脱泥用的旋流器可采用锥角在以内的旋流器，但锥角不能过小，否则旋流器的高差太大，并容易引起堵塞。分级用的旋流器的锥角一般为1520，分级粒度粗时锥角可以增加到30或60。作选别用的旋流器如重介质旋流器、选金用的旋流器，锥角一般较大，约为60120。在设计和选择水力旋流器时，先选旋流器的直径，按照其他结构参数与直径的关系选择结构参数的尺寸，然后按式（1-22）或式（1-23）计算旋流器的生产能力，并按照要求的分离粒度用式（1-24）进行分离粒度的验算，如果计算的分离粒度与要求的相差太远则需重新设计。4.5.4 水力旋流器的配置安装方式旋流器的给料有3种方式：静压池给料、用泵送至压力池再由压力池给料和用泵直接给料。前两种给料方式，给料较均匀且压力较稳定，第1种给料方式不耗动力，但要有自然高差。多台旋流器组的给料常由1根总给料管分出支管并联给料。旋流器溢流的排出要有溢流导管，溢流导管的尺寸要大于溢流管直径，以减少溢流流出的阻力，并且溢流导管的末端不应低于溢流管的下端，否则会造成虹吸作用，影响分级效率。水力旋流器一般是垂直安装，但也可以是倾斜安装或水平安装，重介质旋流器则常采用倾斜安装的方式。在组装旋流器时，各部件的几何中心线必须要安装准确，接合处要平滑，没有凸台，否则矿浆在此部分的运动将产生涡流，降低分级效率和加速局部磨损。4.5.5 水力旋流器的磨损水力旋流器容易磨损，普通铸铁的水力旋流器大约只能使用6个月，因此，减少磨损是研究和设计水力旋流器的一个主要问题，它主要包括寻求减少磨损的合理结构和寻找耐磨材料两个方面。旋流器磨损最严重的是沉砂口，其次是圆锥的尖部和给矿口附近，圆筒和溢流管的磨损较轻。旋流器的磨损与给料粒度、形状、密度、给料浓度和给料压力有关。当给料粒度越粗、矿粒密度越大、形状呈多角形及给料浓度越大和压力越高时，旋流器越容易磨损。此外，旋流器制造或安装质量较差或结构设计不合理时，也将容易引起某些局部的严重磨损。采用如图1-13所示的螺旋线形的给料结构，能使给料流畅，避免颗粒特别是粗颗粒集中不易分散的缺点，可以减少给料口的磨损，并且这种形状的给料结构有利于提高分级效率。渐开线或同心圆环形或弧线形的给料结构也有类似的作用。采用耐磨材料是解决旋流器磨损的主要途径，耐磨材料主要有：橡胶、合金铸铁、铸石、树脂、陶瓷和硬质合金等。几种耐磨材料的耐磨性能见表1-5表1-5 几种耐磨材料的耐磨性能材料名称铸铁中碳钢“水-2”硬橡胶玻璃普通陶瓷耐磨度112122345材料名称衬胎胶胎面胶硬质陶瓷“水-6”软橡胶耐磨度566710121520生产上解决旋流器的磨损常用的办法是在旋流器内部衬橡胶、衬铸铁或者涂耐磨涂料或者整个旋流器由耐磨橡胶制成。当处理的物料要求产品含铁很低（如高岭土的分级）时，则更应采用衬橡胶的或由橡胶制成的旋流器。水力旋流器结构简单，体积小，生产能力大，分级效率高，本身不需动力，是一种良好的细粒物料分级、脱泥或脱水的设备。4.6 重力沉降分离的理论 4.6.1 概述 重力沉降是利用固体颗粒与液体的密度差，颗粒受到重力作用而沉降，达到悬浮液分成澄清液和浓浆的目的，这种过程成为浓缩（浓密）过程。重力沉降可用于处理固体浓度为1%25%的各种悬浮液，其浓缩产品浓度可达5070%以上，溢流接近于澄清。由于耗电低，费用低廉，通常是液固分离的第一道工序。在浓缩过程中不仅较粗粒级容易沉降，而且微细物料可通过凝聚或絮凝也能达到较好的沉降效果。因此，重力浓缩在固液分离中占有非常重要的地位，并得到广泛应用。4.6.2 沉降过程的分区现象悬浮液在浓缩机在进行沉降浓缩时，浓缩机的作业空间由上到下一般可分为5个区，如图5-1所示。A区为澄清区，得到的澄清液作为溢流产物从溢流堰排出。B区为自由沉降区（也称等浓区），需要浓缩的悬浮液（浆体）首先进入B区，固体颗粒依靠自重迅速沉降，进入压缩区（D区，也称变浓区），在压缩区，悬浮液中的固体颗粒已形成较紧密的絮团，仍然继续沉降，但其速度已较缓慢；E区为浓缩物区（也叫压实区），因在此处设有旋转刮板（有时该区的一部分呈浅锥形表面），浓缩物中的水又会在刮板的挤压作用下渗出，使悬浮液浓度进一步提高，最终由浓缩机底口排出，成为浓缩机的底流产品。在自由沉降区B与压缩区D之间，有一个过渡区C，在该区中，部分颗粒由于自重作用沉降，部分颗粒则受到密集颗粒的阻碍，难以继续沉降，故又称为干涉沉降区或成层沉降区。图5-1 浓缩机的浓缩过程在上述5个区中，B、C、D区反映了浓缩过程，A、E两区则是浓缩的结果。因此，根据液体中固体物质的浓度和性质，可将整个沉降过程分为自由沉降，絮凝沉降，成层沉降和压缩沉降等四类。4.6.3 自由沉降去除率的计算水处理工程实验技术作者:张学洪，张力，梁延鹏主编在颗粒自由沉降过程中，设沉降柱内有效水深为，如图12-14所示。通过不同的沉降时间t求得不同等颗粒沉降速度。对指定的沉降时间可求得颗粒沉降速度。对于沉降速度的颗粒将全部去除，在悬浮物的总量中，其去除的百分率为，其中为沉降速度颗粒与悬浮物质总量比。对于沉降速度只有一部分去除，而且按的比例去除，考虑到颗粒的各种比例不同粒径，这一类颗粒的去除率为总去除率为 式中，用图解法求得，即图12-15中的阴影部分沉降速度小于u0的颗粒与全部颗粒之比。 图12-14 沉降筒 图12-15 沉降速度曲线4.6.4 成层沉降水处理工程实验技术作者:张学洪，张力，梁延鹏主编对于高浓度悬浮液，不论其颗粒性质如何，颗粒的下沉均表现为浑浊液面的整体下沉。这与自由沉降、絮凝沉降完全不同，后两者研究的都是一个颗粒沉降时的运动变化特点（考虑的是悬浮液中的个体），而对成层沉降的研究却是针对悬浮液整体，即整个浑液面的沉降变化过程。成层沉降时颗粒间相互位置保持不变，颗粒下沉速度即为浑液面等速下沉速度。该速度与原悬浮液浓度、悬浮物性质等有关而与沉降深度无关。但沉降有效水深影响变浓度区沉降速度和压缩区压实程度。为了研究浓缩，提供从浓度角度设计澄清浓缩池所需要的参数，应该考虑沉降柱的有效水深。此外，高浓度悬浮液沉降过程中，器壁效应更为突出，为了能真实地反映客观实际状态，沉降柱直径一般小于200mm，而且柱内还应装有慢速度搅拌装置，以消除器壁效应和模拟沉降池内刮泥机的作用。澄清浓缩池中连续稳定运行中，池内可分为五区，如图5-1所示。池内颗粒浓度沿池高度分布如图12-8所示。进入沉降池的混合液，在重力作用下进行泥水、污泥分离下沉，清水上升，最终经过等浓区后进入水区而流出。因此，为了满足澄清要求，流出水不带走悬浮物，则水流上升速度一定小于或等于等浓去污泥沉降速度，即工程中：式中 处理水量，m3/h； 等浓区污泥沉降速度，m3/h； 沉降池按澄清要求所需平面面积，m2； 修正系数，一般=1.051.2。图12-8 池内固体浓度沿池高分布进入沉降池后分离出来的浓浆，从上至下逐渐浓缩，最后由池底排除，这一过程是在两个作用下完成的：其一是重力作用下形成静沉固体通量，其值取决于每一断面处固体质量浓度及固体沉降速度，即其二是连续排泥造成浓浆下降，形成排泥固体通量，其值取决于每一断面处固体浓度和由于排泥而造成的浓浆下沉速度式中 回流的浓浆体积，m3/h。因而，浓浆在沉降池内单位时间通过单位面积下沉的浓浆体积，取决于浓浆性能和运行条件，即固体通量。该关系由图12-9、图12-10可以看出。由图12-10可见，对于某一特定运行或设计条件下，沉降池某一断面处存在一个最小的固体通量，称为极限固体通量，当进入沉降池的固体通量大于极限固体通量时，浓浆在下沉到该断面时，多余固体量将在此断面积累。长此下去，回流浓浆不仅得不到应有的浓度，池内泥面反而会上升，最后随水流流出。因此，按浓缩要求，沉降池的设计应满足，即，从而保证进入沉降池中的固体通过各断面达到池底，即式中 回流比； 曝气池混合液污泥质量浓度，kg/m3； 极限固体通量，kg/(m2.h)； 沉淀池按浓缩要求所需平面面积，m2。式（12-8）、式（12-13）中设计参数值，均应通过成层沉淀实验求得。成层沉淀实验，是指静止状态下，研究浑液面高度随沉淀时间的变化规律。以浑液面高度为纵轴，以沉淀时间为横轴，所绘得的H-t曲线，称为成层沉淀过程线，它是求二次沉淀池断面面积设计参数的基础资料。成层沉淀过程线分为四段，如图12-11所示。a-b段，称之为加速段或污泥絮凝段。此段所用时间很短，曲线略向下弯曲，这是浑液面形成的过程，反映了颗粒絮凝性能。b-c段，浑液面等速沉淀段或称为等浓沉淀区。此区由于悬浮颗粒的相互牵连和强烈干扰，均衡了它们各自的沉淀速度，使颗粒群体以共同历时的不同而变化。表现在沉淀过程线上，b-c段是一斜率不变的直线段，故称为等速沉淀段。c-d段，过渡段又称为变浓区，此段为污泥由等浓区向压缩区的过渡段。其中既有悬浮物的干扰沉淀，也有悬浮物的挤压脱水作用，沉淀过程线上，c-d段所表现出的弯曲，便是沉淀和压缩双重作用的结果，此时等浓区沉淀区消失，故c点又称为成层沉淀临界点。d-e段，压缩段。此区内颗粒相互直接接触、机械支托，形成松散的网状结构，在压力作用下颗粒重新排列组合，它所挟带的水分也逐渐从网中脱出，这就是压缩过程，此过程也是等速沉淀过程，只是沉速相当小，沉淀极缓慢。利用成层沉淀求二次池设计参数、的一般实验方法为肯奇单筒测定法和迪克多筒测定法。由于采用迪克多筒测定推求极限固体通量值时，污泥在各断面处的沉淀固体通量值中的污泥沉速，均取自同浓度污泥静沉曲线等速段斜率，用它代替了实际沉淀池中沉淀泥面的沉速，这一作法没有考虑实际沉淀池中污泥浓度的连续分布，没有考虑污泥的沉速不但与周围污泥浓度有关，而且还要受到下层沉速小于它的污泥层的干扰，因而迪克法求得值偏高，与实际值出入较大。本次采用肯奇单筒测定法进行实验。肯奇单筒测定法是取曝气池的混合液进行一次较长时间的成层沉淀，得到一条浑液面沉淀过程线，如图12-12所示，并利用肯奇式（12-12）式中 实验时，试样质量浓度，g/L； 实验时，沉淀初始高度，m； 当沉降历时时，在H-t曲线上通过点i作曲系的切线，与y轴相交所得的截距； 某沉淀断面i处的污泥浓度。式中 某沉淀断面i处泥面沉降速度，m/h； 某沉淀断面i处泥面高度，m。求出各断面处的污泥质量浓度及泥面沉降速度（图12-12所示）从而得出关系线。利用关系线并按上述方法，绘制曲线，采用叠加法后，可求得值。思考与讨论（1）观察实验现象，阐述成层沉淀不同于自由沉淀段地方何在，原因是什么？（2）简述成层沉淀实验的重要性及如何应用到二沉池的设计中？4.6.5絮凝沉降去除率的计算悬浮物浓度不太高，一般在600700mg/L，以下的絮状颗粒的沉淀属于絮凝沉淀，如给水工程中的混凝沉淀，污水处理中，初沉池内的悬浮物沉淀均属此类。絮凝沉淀过程中由于颗粒相互碰撞，使颗粒的粒径和质量絮凝变大，从而沉降速度不断变大，因此，颗粒沉降实际是一个变速沉降过程。沉淀池内颗粒的去除率不仅与颗粒沉淀速度 ，而且与沉淀有效水深有关。因此在沉淀柱内，不仅要考虑器壁对悬浮颗粒沉淀的影响，还要考虑柱高对沉淀效率的影响。静置中絮凝沉淀颗粒去除率的计算基本思想与自由沉淀，但方法有所不同。自由沉淀采用累积曲线计算法，而絮凝沉淀采用纵深分析法，颗粒的总去除率按式（12-3）计算：（12-3）式中 颗粒总去除率； 时刻那部分颗粒的去除率； 时刻各曲线之间的中点高度； 沉淀池有效水深。根据絮凝沉淀等去除率曲线，应用图解法近似求出不同时间、不同高度的颗粒去除率，图解法就是在絮凝沉淀曲线上作中间曲线，计算见图12-2。去除率与分散颗粒一样，也分为被全部去除的颗粒和部分去除的颗粒两部分。（1） 被全部去除的颗粒。全部去除的颗粒是指在给定的停留时间，以及给定的沉淀有效水深时，两直线的相交点的等去除率线的值，如图12-2中的，即在沉淀时间，沉降有效水深时具有沉速的哪些颗粒能全部被去除，其去除率为。（2）部分被去除的颗粒。悬浮物在沉淀时，虽然有些粒径较小的颗粒沉速较小，不能由池顶下沉至池底，但是在池中某一深处的颗粒，当下沉至池底所用时间时也可被去除。这些颗粒的沉速，大颗粒沉速较快，去除率大。计算方法及原理与分散颗粒一样，用代替了分散颗粒的。式中表示颗粒沉速降到时的颗粒占全部颗粒的百分比。这些颗粒状沉淀时间时，不能全部沉至池底，只有符合条件的那部分颗粒才能沉至池底，即，故有同自由分散沉淀一样，由于为未知数，故采用近似计算法，用代替，工程上多采用等分间的中点水深代替，则近似地代表了这部分颗粒中所能沉到池底的颗粒所占百分数。所以，为沉速的这些颗粒的去除量所占全部颗粒的百分比，即为的全部颗粒的去除率。思考与讨论（1） 仔细观察沉淀现象，并比较与自由沉淀、成层沉淀的区别。（2） 不同性质的污水絮凝沉淀实验所得的同一去除率曲线的曲率不同，分析其原因。（3） 在实际工程中，哪种沉淀现象属于絮凝沉淀？水处理工程作者:符九龙