離心分離技術(shù)在熟料溶出漿液分離過程中的應用研究

    在燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁工藝技術(shù)中,熟料溶出漿液的分離主要采用自然沉降分離技術(shù)。但是,該分離技術(shù)存在很大的局限性,首先是分離時間較長,赤泥和鋁酸鈉溶液會發(fā)生二次反應,造成氧化鋁和氧化鈉的損失;其二是在分離過程中對熟料質(zhì)量、漿液溫度、溶液濃度的要求苛刻,一旦上述工藝條件發(fā)生波動,粗液固含就會升高,分離指標不穩(wěn)定;其三是高濃度、高固含的溶出漿液因溶液粘度增大,很難通過自然沉降進行液固分離。因此,通過研究、探索,尋求一種對熟料溶出漿液進行快速的分離技術(shù)是優(yōu)化工藝指標,改善氧化鋁生產(chǎn)技術(shù)的迫切需要,對鋁工業(yè)的發(fā)展有重大意義。

    本文探討離心分離技術(shù)在熟料溶出漿液中的應用。

    1　理論分析 離心分離設備主要有旋流器、離心機等,現(xiàn)就旋流器、離心機和沉降槽對熟料溶出漿液的分離性能進行分析: 計算條件: 熟料溶出漿液的物理參數(shù) 顆粒密度:2890ｋｇ/ｍ3; 介質(zhì)密度:1235ｋｇ/ｍ3; 溶液粘度;1.116×10-3/ｍ·ｓ。 粒度分布:見表1。 計算中的設備尺寸以生產(chǎn)中實際運行的設備尺寸為準。

    1.1　沉降槽 介質(zhì)在沉降過程中,不僅受到浮力的作用,而且還受到阻力的作用,阻力產(chǎn)生的原因:其一是由切應力產(chǎn)生的摩擦力(粘性阻力),其二是顆粒形狀引起的壓差阻力(形狀阻力),一般說阻力是雷諾系數(shù)和物形的函數(shù)。 當雷諾系數(shù)Ｒｅ≤25時,介質(zhì)粘性起主要作用;當雷諾系數(shù)25Ｒｅ≤500時,兩者都起作用;當雷諾系數(shù)Ｒｅ500時,壓差阻力起主要作用。 經(jīng)過計算顆粒在沉降槽中運動時,雷諾系數(shù)小于25,可見粘性阻力較形狀阻力對顆粒的沉降速度影響大。 根據(jù)斯托克斯定律,懸浮液的雷諾系數(shù)小于或等于25時,即顆粒在層流沉降狀態(tài)下時,自由沉降速度按下式計算: 對連續(xù)操作的沉降槽,實際沉降速度的計算公式為: ｖ=1.33ｑｍ(1-ｃ0/ｃ1)/ρ漿Ａ⑶ 式中:Ａ———沉降槽的沉降面積,ｍ2; ｑｍ———原始礦漿的質(zhì)量流量,ｋｇ/ｓ; ｃ0、ｃ1———原始礦漿的固體濃度和沉渣中的固 體濃度(按重量計算); ρ漿———原始礦漿密度,ｋｇ/ｍ3; 1.33———經(jīng)驗修正系數(shù)。 已知:沉降槽尺寸Φ10.5×4ｍ,ρ漿=1310ｋｇ/ｍ3 體積流量Ｑ=200ｍ3/ｈ 沉降槽進料固含=100ｇ/ｌ;底流渣Ｌ/Ｓ=4.5。 經(jīng)計算得:ｄｋ=4.5×10-5(ｍ)=45(μｍ) 在不考慮進料和出料對赤泥沉降的影響,不添加絮凝劑時,Φ10.5×4ｍ沉降槽,所能分離顆粒的臨界粒徑為45μｍ。

    1.2　旋流器 旋流器屬于離心分離設備,顆粒在旋流器中不僅受重力的影響,而且還要受離心力的影響,沉降速度比沉降槽快。根據(jù)公式可以計算出旋流器對赤泥進行分離的臨界粒徑: 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———分別為顆粒和介質(zhì)的密度,ｋｇ/ｍ3; Ｈｅ———旋流器的有效高度,ｍ; ｖｉ———給料口的平均流速,ｍ/ｓ; Ｄｏ———溢流口的直徑,ｍ; Ｄｉ———給料口的當量直徑,ｍ。 Ｈｅ=0.74ｍ　Ｄｏ=0.03ｍ　Ｄｉ=0.023ｍ 旋流器處理量Ｑ=8.5ｍ3/ｈ 經(jīng)計算得:ｄｋ=3.01×10-5(ｍ)=30.1(μｍ) 當顆粒粒徑大于臨界粒徑時,可全部回收下來,當粒徑小于臨界粒徑于紊流的擴散,會造成理論與實際的差異,通常臨界粒徑以回收率為50%的粒徑來表示。

    1.3　離心機 物料在離心機內(nèi)受離心力Ｆ=ｍａ=ｍω2ｒ的作用,使固體顆粒在液層中向轉(zhuǎn)鼓內(nèi)側(cè)發(fā)生位移,積累的固體顆粒再由螺旋將其推出離心機,完成液固分離。同時在離心力的作用下,懸浮液的固體顆粒更傾向于凝聚,使小于臨界粒徑的微粒凝聚變成大顆粒,這種效應也稱離心凝聚效應。由于凝聚效應,對固液的快速分離有促進作用。離心機臨界粒徑的計算公式:

    1.4　沉降槽、旋流器、離心機對赤泥分離的理論分析 從以上分離設備赤泥分離的臨界粒徑計算公式可以看出,在沉降槽中進料量越大,溶液粘度越大,固液密度差越小,則沉降性能越差,分離時的臨界粒徑越大。在旋流器中,進料壓力越小,即進料速度越小,溶液粘度越大,液固密度差越小,則分離的臨界粒徑越大,分離效果越差。在離心機中,液固密度差越小,漿液溫度越高(即溶液粘度越小),分離效果越差,分離的臨界粒徑越大。這主要是因為在離心機中是采用布朗運動和擴散現(xiàn)象的規(guī)律來確定臨界粒徑的,擴散系數(shù)Ｄ∝溫度Ｔ,即Ｄ=ＫＴ/3πμｄ,微粒在時間ｔ內(nèi)的平均位移ｈ和擴散系數(shù)之間的關(guān)系為ｈ2=Ｄｔ,設在時間ｔ內(nèi),微粒于沉降速度ｖ時,所沉降的距離為ｈ=ｖｔ,由于粒子尺寸很小,沉降處于層流區(qū)域,故: ｖ=ｄ2·Δρ·ω2·ｒ/18μ(球狀粒子),所以可以推導出 ｈ=6·Ｋ·Ｔ/(π·ｄ3·Δρ·ω2·ｒ) 式中:Ｋ———波爾茨曼常數(shù),Ｋ=1.3805×10-6達因·ｃｍ/Ｋ; Ｔ———絕對溫度,Ｋ; Ｄ———粒子直徑,ｃｍ; Δρ———固液密度差,ｇ/ｃｍ3; ω———轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)角速度,弧度/秒; ｒ———轉(zhuǎn)鼓半徑,ｃｍ。 根據(jù)有關(guān)文獻ｈ=0.293ｄ,所以可以推導出 ｄｋ=1.734·〔Ｔ/(Δρ·ω2·ｒ)〕1/4 從上述公式可以看出離心機在進行液固分離時,進料量對臨界粒徑影響不大。

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