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在烧结法生产氧化铝工艺技术中,熟料溶出浆液的分离主要采用自然沉降分离技术。但是,该分离技术存在很大的局限性,首先是分离时间较长,赤泥和铝酸钠溶液会发生二次反应,造成氧化铝和氧化钠的损失;其二是在分离过程中对熟料质量、浆液温度、溶液浓度的要求苛刻,一旦上述工艺条件发生波动,粗液固含就会升高,分离指标不稳定;其三是高浓度、高固含的溶出浆液因溶液粘度增大,很难通过自然沉降进行液固分离。因此,通过研究、探索,寻求一种对熟料溶出浆液进行快速的分离技术是优化工艺指标,改善氧化铝生产技术的迫切需要,对铝工业的发展有重大意义。
本文探讨离心分离技术在熟料溶出浆液中的应用。
1 理论分析 离心分离设备主要有旋流器、离心机等,现就旋流器、离心机和沉降槽对熟料溶出浆液的分离性能进行分析: 计算条件: 熟料溶出浆液的物理参数 颗粒密度:2890ｋｇ/ｍ3; 介质密度:1235ｋｇ/ｍ3; 溶液粘度;1.116×10-3/ｍ·ｓ。 粒度分布:见表1。 计算中的设备尺寸以生产中实际运行的设备尺寸为准。
1.1 沉降槽 介质在沉降过程中,不仅受到浮力的作用,而且还受到阻力的作用,阻力产生的原因:其一是由切应力产生的摩擦力(粘性阻力),其二是颗粒形状引起的压差阻力(形状阻力),一般说阻力是雷诺系数和物形的函数。 当雷诺系数Ｒｅ≤25时,介质粘性起主要作用;当雷诺系数25Ｒｅ≤500时,两者都起作用;当雷诺系数Ｒｅ500时,压差阻力起主要作用。 经过计算颗粒在沉降槽中运动时,雷诺系数小于25,可见粘性阻力较形状阻力对颗粒的沉降速度影响大。 根据斯托克斯定律,悬浮液的雷诺系数小于或等于25时,即颗粒在层流沉降状态下时,自由沉降速度按下式计算: 对连续操作的沉降槽,实际沉降速度的计算公式为: ｖ=1.33ｑｍ(1-ｃ0/ｃ1)/ρ浆Ａ⑶ 式中:Ａ———沉降槽的沉降面积,ｍ2; ｑｍ———原始矿浆的质量流量,ｋｇ/ｓ; ｃ0、ｃ1———原始矿浆的固体浓度和沉渣中的固 体浓度(按重量计算); ρ浆———原始矿浆密度,ｋｇ/ｍ3; 1.33———经验修正系数。 已知:沉降槽尺寸Φ10.5×4ｍ,ρ浆=1310ｋｇ/ｍ3 体积流量Ｑ=200ｍ3/ｈ 沉降槽进料固含=100ｇ/ｌ;底流渣Ｌ/Ｓ=4.5。 经计算得:ｄｋ=4.5×10-5(ｍ)=45(μｍ) 在不考虑进料和出料对赤泥沉降的影响,不添加絮凝剂时,Φ10.5×4ｍ沉降槽,所能分离颗粒的临界粒径为45μｍ。
1.2 旋流器 旋流器属于离心分离设备,颗粒在旋流器中不仅受重力的影响,而且还要受离心力的影响,沉降速度比沉降槽快。根据公式可以计算出旋流器对赤泥进行分离的临界粒径: ｄｋ=0.701×〔μ×ｇ/(ρｓ-ρ)×ｖｉ〕0.5×Ｄｏ1.5/(Ｄｉ×Ｈｅ)0.5 式中:μ———溶液粘度,ｋｇ/ｍ·ｓ; ρｓ、ρ———分别为颗粒和介质的密度,ｋｇ/ｍ3; Ｈｅ———旋流器的有效高度,ｍ; ｖｉ———给料口的平均流速,ｍ/ｓ; Ｄｏ———溢流口的直径,ｍ; Ｄｉ———给料口的当量直径,ｍ。 Ｈｅ=0.74ｍ Ｄｏ=0.03ｍ Ｄｉ=0.023ｍ 旋流器处理量Ｑ=8.5ｍ3/ｈ 经计算得:ｄｋ=3.01×10-5(ｍ)=30.1(μｍ) 当颗粒粒径大于临界粒径时,可全部回收下来,当粒径小于临界粒径于紊流的扩散,会造成理论与实际的差异,通常临界粒径以回收率为50%的粒径来表示。
1.3 离心机 物料在离心机内受离心力Ｆ=ｍａ=ｍω2ｒ的作用,使固体颗粒在液层中向转鼓内侧发生位移,积累的固体颗粒再由螺旋将其推出离心机,完成液固分离。同时在离心力的作用下,悬浮液的固体颗粒更倾向于凝聚,使小于临界粒径的微粒凝聚变成大颗粒,这种效应也称离心凝聚效应。由于凝聚效应,对固液的快速分离有促进作用。离心机临界粒径的计算公式:
1.4 沉降槽、旋流器、离心机对赤泥分离的理论分析 从以上分离设备赤泥分离的临界粒径计算公式可以看出,在沉降槽中进料量越大,溶液粘度越大,固液密度差越小,则沉降性能越差,分离时的临界粒径越大。在旋流器中,进料压力越小,即进料速度越小,溶液粘度越大,液固密度差越小,则分离的临界粒径越大,分离效果越差。在离心机中,液固密度差越小,浆液温度越高(即溶液粘度越小),分离效果越差,分离的临界粒径越大。这主要是因为在离心机中是采用布朗运动和扩散现象的规律来确定临界粒径的,扩散系数Ｄ∝温度Ｔ,即Ｄ=ＫＴ/3πμｄ,微粒在时间ｔ内的平均位移ｈ和扩散系数之间的关系为ｈ2=Ｄｔ,设在时间ｔ内,微粒于沉降速度ｖ时,所沉降的距离为ｈ=ｖｔ,由于粒子尺寸很小,沉降处于层流区域,故: ｖ=ｄ2·Δρ·ω2·ｒ/18μ(球状粒子),所以可以推导出 ｈ=6·Ｋ·Ｔ/(π·ｄ3·Δρ·ω2·ｒ) 式中:Ｋ———波尔茨曼常数,Ｋ=1.3805×10-6达因·ｃｍ/Ｋ; Ｔ———绝对温度,Ｋ; Ｄ———粒子直径,ｃｍ; Δρ———固液密度差,ｇ/ｃｍ3; ω———转鼓旋转角速度,弧度/秒; ｒ———转鼓半径,ｃｍ。 根据有关文献ｈ=0.293ｄ,所以可以推导出 ｄｋ=1.734·〔Ｔ/(Δρ·ω2·ｒ)〕1/4 从上述公式可以看出离心机在进行液固分离时,进料量对临界粒径影响不大。
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