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黑龙江科技学院 备课笔记 第3次课 授课时间2004年3月9日 章节及主要内容 第二章的第一节中离心场中的分级设备 主要内容离心场中的分级设备、旋液分离器 重点内容旋液分离器的应用及原理优缺点。 难点内容旋液分离器的基本原理及速度分布状况。 参考资料重力选矿、分离技术。 教学手段面授。 扩展内容 教学后记 （二）离心力场的分级设备 前面我们学习了分级的实质，我们也知道在分级过程中起主要作用的是颗粒的粒度，同时，颗粒的密度和悬浮的浓度对分级也有一定影响。本节主要研究密度对分级的影响。 在自由沉降的条件，设密度分别为δ1，δ2，直径分别为d1、d2的两个颗粒，其沉降速度可由式（2-1）计算。当两个颗粒的沉降速度相等时，下式成立 d12δ1-ρ d22δ2-ρ e d1/ d2 由式可知，如果有δ11.4、δ21.8的两个矿物颗粒，在自由沉降速度相等时，其等沉比约为1.5。由此可见，在重力场的分级设备中，即使矿物处于自由沉降的情况下，如保证使δ11.4、d1≥0.5mm的低灰矿物颗粒能成为沉物，则δ21.8、d2≥0.34mm的高灰矿物颗粒也将成为沉物。这些未经分选的细颗粒高灰矿物将污染己分选的低灰粗颗粒矿物，使分级效果恶化。所以，颗粒的密度对分级的影响是很明响的，这也是重力场中水力分级设备分级效率不高的原因。 另外随着选煤技术的进步，选煤厂主选设备的分选下限已降至0.30.2mm，这要求分级粒度更细，对分级粒更细，对分级要求更严。为保证分级的粒度和精度，人们开发研制出离心力场中的水力分级设备。 1、电磁振动旋流筛 电磁振动旋流筛构造如图210所示。该筛的外壳由钢板焊制而成，上、下壳体用螺栓连接。其主要工作部件是导向筛和锥形筛。导向筛固定不动，筛面向外倾斜15角。由三块或四块筛板组成，可根据磨损情况及时进行更换。锥形筛支撑在外壳下部四个支柱橡胶弹簧上，圆形防水电磁振动器与锥形筛下部底部用螺栓固定，振动时使锥形筛面沿垂直方向上下振动。锥形筛的外形是倒圆台形，筛面与坚直成45度角，筛条上部是坚直布置，下部呈圆环状水平排列且筛缝比上部宽50。主要因为由于物料运动到下部已经脱出了一部分水而使物料的浓度增高，阻力加大，因此横向布置筛条有利于物料的运输。另外，浓度增大后， 其运动速度变小，透筛机率降低，为保证同一分级粒度而加大了筛缝的宽度。 工作情况旋流筛工作时，将固液混合物料用定压箱或泵导入旋流筛喷嘴，物料经喷嘴沿切线方向进入导向筛。在离心力、摩擦力和物料重力的联合作用下，混合物料由直线运动转变为沿筛壁呈螺旋下降的旋流运动。大颗粒物料因重量大，受离心力也大，所以贴着导向筛和锥形筛网旋转形成外物料层，而含有细颗粒的液流形成内层，外层和内层均分别作螺旋式向下流动。 工作过程在沿筛网的纵向旋流运动中，外层大颗粒物料受的摩擦阻力增大，因而旋流速度低（切向运动速度小），向下螺旋坡度大（即纵向运动速度大）；而内层含液体较多，物料颗粒小，密度小，受的阻力小，因而旋流速度高（即切向运动速度小），向下螺旋坡度小（即纵向运动速度小）。因此，由于切向运动速度和纵向运动各自大小的不同，造成合成运动的明显差异，从而使内层液体与外层物料错开。含有小颗粒固体（或高灰细泥）的内层液体透过精粒固体间和筛缝排出，外层的大颗粒筛上物经留任形筛底部排出。 主要应用及要求主要应用于选煤厂粗矿物的预先脱水、脱泥、分级等粗矿物回收作业。允许的入料粒度013mm。在用于水力分级时作业时，它可代替斗子捞坑。 主要缺点是筛网（特别是导向筛网）使用寿命较短。可以通过调整入料方向使混合物料在导向筛网内作左旋或右旋运动，以增加筛网的使用寿命。 1、煤泥离心筛分器 煤泥离心筛分器是中国科学院唐山分院新研制的一种高效矿物筛分设备。该设备以离心力作为筛分动力源。其构造由圆形筛篮、切向入料管、筛上物收集漏斗和筛下水收集室组成。 工作过程入料由切线方向给入筛篮内，由于离心力的作用，悬浮液沿筛篮内表面向下作螺旋运动并使煤粒进行筛分。细粒物料和大部分水透过筛篮缝隙由筛下水收集室收集后排出；粗粒物料则运动至筛篮下端的收集漏斗，其中所夹带的部分细粒物料随上升的内旋流返回筛篮再次进行筛分，而最终的粗粒物料则由收集漏斗的排出口排出。 优点结构简单，无运动部件，占地面积小，操作容易等优点；还有 ① 采用封闭式结构，入料压力可较高，因而可增大离心力场，提高单位面积筛篮的处理能力和筛分效率。 ② 由于自身离心力场较大，允许采用较小的筛缝，能实现降低分级粒度的目的。 ③ 它完全按粒度筛分，其筛上物中含高灰细泥小，而筛下水中不含低灰粗矿物。 ④ 筛上物浓度和筛分效率可凭借改变筛上物收集漏斗排出口的口径的大小进行调节。 ⑤ 筛篮安装方便，筛缝调节容易。 从煤泥筛分器的工作效果看，其筛上物性质可满足高频振动筛的要求，即筛上物可直接用高频筛进行脱水。 3、旋液分离器 （1）旋液分离器的优缺点 旋液分离器是利用旋转液体产生的离心力将其中所含液体颗粒物或另一种不相溶液体分离出来的装置，通常称为水力旋流器。广泛应用于化工、冶金、石油加工、动力发电、废水处理、造纸等部门。 优点 ① 旋液分离器有许多功能，可根据应用需要在不同的场合下使用。 ② 结构十分简单，内部没有任何需要维修的运动部件、易损件和支承件，也无需滤料等。 ③ 占地面积小，安装方便，运行费用低。 ④ 使用方便、灵活。它可以单台使用，也可以并联使用以加大处理量，又可以串联使用以增加处理的深度。 ⑤ 处理工艺比较简单，运行参数确定后可长期稳定运行，管理方便，社会效益和经济效益明显。 缺点 ① 虽然各种旋液分离器的结构相似，分离原理相同，但其应用都须根据处理介质的性质、进料浓度、流量等的不同而专门设计并确定其操作条件。 ② 同其它许多分离装置一样，旋液分离器属不完全分离。 ③ 旋液分离器依靠液体在其内部高速旋转所产生的涡流的作用而使介质分离，因而在分离过程中会造成絮凝体或聚结团块的破裂，或者使液滴破碎为更小的液滴而加大了分离的难度。 ④ 在固液旋液分离器中，固液颗粒在其内部高速旋转运动时可能会严重损伤旋液分离器体的内表面，从而影响分离效果和使用寿命。 （2）旋液分离器的应用范围 ① 净化主要是含固体杂质的液体的净化，其目的是获得清洁溢流而使底流中固体含量尽可能提高。这是最普遍的应用。如水的净化、回收石油化工生产中的催化剂、从冷却液中除去金属屑等固体杂质。 ② 稠化这种用途是用旋液分器来稠化底流，所以要尽可能多地回收进料中固体的总质量。典型例子是在过滤器、筛网或离心式脱水之臆前的预稠化。 ③ 固固分离固固分离又称分级，是根据固体颗粒的大小、形状或密度的并非别而进行的。 ④ 液液分离主要用于两种互不相溶液体混合介质的分离，如最常用的油水分离。 ⑤ 液液固三相分离目前这方面的应用较少，主要用于两种液体混合介质中含有少量固体悬浮物的情况。 ⑥ 冲洗用于产吕为固体的情况，经旋液他离器处理而使固体产品中的固体杂质除去。 ⑦ 用做分析工具旋液分离器的效率与被分离颗粒尺寸有密切关系，可利用这一点间接测定悬浮液中颗粒的尺寸。其原理是以切割尺寸概念为基础，以筛选进行直接分析。 （3）旋液分离器的分离原理 结构它由圆筒和圆锥筒连结而成，同时包括溢流管、底流管、进料管等主要部件。 分离原理 悬浮液以较高的速度进料管沿切线方向进入旋液分离器之后，由于受到外筒壁的限制，迫使液体做自上而下的旋转运动，通常将这种运动称为外旋流或下降旋流。外旋流中的固体颗粒受到离心力的作用，如果其密度大于四周液体的密度，它受到的离心力就较大，一旦这个力大于因运动所产生的液体阻力的话，固体颗粒就会克服这一阻力而向器壁方向移动，与悬浮液分离。到达器壁附近的固体颗粒受到连续而来的液体的推动，沿器壁向下运动，到达底流口附近至今而成为大大稠化的悬浮液，从底液流口排出。而分离净化后的液体旋转着向下继续运动，进入圆锥段后旋液分离器的内径逐渐缩小，液体旋转速度加快。由于液体产生涡流运动时沿径向方向的压力分布不均，越接近轴线处越小至轴线时趋近于零，成为低压区甚至为真空区，因而液体趋向于向轴线方向移动。同时由于旋液分离器底流口大大缩小，液体无法迅速从底流口排出；而旋流腔顶盖中央的溢流口由于处于低压区而使一部分液体向其移动，因而形成向上的旋转运动。而从溢流口排出。称为内旋流或上升旋流。 值得指出旋流分离器中含固体的悬浮液的分离是不完全分离。 （4）旋液分离器简图和旋流分离器内流型示意图 结构旋液分离器结构简图如图2-11所示，主要由圆筒、圆锥筒、进料管、溢流管和底流管五部分构成。圆筒也叫旋流腔，它和圆锥筒构成旋液分离器的主体结构，是旋液分离器完成分离操作的工作区域。 内流型示意图（如图2-12）除切向进口管内及附近区域外，旋液分离器内的流型具有轴对称性。在旋液分离器中任一点的流速可分解成为三个速度切向速度ν、径向速度μ和垂直速度ω（又叫轴向速度）。 ①切向速度在低于溢流管下缘的水平面上，切向速度ν随着半径减小而明显增大，直到半径小于溢流管出口半径的某一给定值。这可用下述关系式表示νrn常数 当半径继续减小时，切向速度却随之降低并与r成比例，这种关系一直延续到气核为止。在高于溢流管下缘的各个水平面上，切向速度随半径减小而增加的现象会在某一较大半径处便中断了。 ②轴向速度从图2-14可以看出，沿圆锥和圆柱内壁均有高速度向下的液流。这种液流对旋液分离器的操作是很重要的，因为它运送已被分离的颗粒至底流管口。因此是否一定将旋液分离器安装成锥顶向下并非重要。 在中心区域低于溢流管下缘的位置内，从器壁开始，随半径的减小液流向下运动的速度逐渐降低，在某一半径处向下的液流与向上的液流逐渐趋于平衡，这一半径大小取决于流量比的大小； 半径继续减小直至气核为止，液流向上运动的速度逐渐增加，从图2-14可以看出有一个明确的轴向速度为零的轨迹，它与旋液分离器外形相符。 在高于溢流管下缘的区域内，最大的向下流速仍然出现在接近旋液他离器器壁处。在器壁至溢流管间的半径上，轴向速度由向下变为向上。在溢流管周围可观察到向下的高速的短路液流，这是由于旋液分离器顶部的轴向涡流产生的壁效应所致，这些短路流的一部分将与旋流器内中心部分向上流动的液流汇合并从溢流口排出。 ③径向速度图2-15为旋液分离器内部径向速度的分布图。径向速度通常比其他两个分速度小得多，其本身难以准确定。从图可以看出，径向速度向内，在旋液分离器器壁处最大，其值随着半径减少而降低。 在高于溢流器下缘的水平面上，可能会出现向外的环流，而且接近旋液分离器平顶处有朝向溢流器根部的向内的高速径向分流，因此引起沿溢流管外壁的向下的短路溢流。 注意旋液分离器内这种速度分布是定性的，因为即使粘度和相对密度较低的水的流型也是非常复杂的。因此，如果认为几何形状明显不同的或处理沆粘度液体的旋液分离器也会出现恰好相似的流型是错误的。 11
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