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表层过滤特性和沉降的关系研究
2012-05-22
从料浆沉降和过滤成饼两个角度同时研究了过滤速度、成饼速率、滤饼的渗透性,提出了更全面的滤 饼比阻关系式,证明滤饼渗透率首先与料浆的浓度和沉降速度有关,因此,也和料浆的预处理及料浆的化学环境密 切相关。
Series No. 298  金 属 矿 山 总 第 298 期   2001年 第 4 期 April 2001 METAL MINE 非选 矿 工 程 非 表 层 过 滤 特 性 和 沉 降 的 关 系 研 究 艹 徐 新 阳罗 倩 ( 东 北 大 学 ) 摘 要 从 料 浆 沉 降 和 过 滤 成 饼 两 个 角 度 同 时 研 究 了 过 滤 速 度 、成 饼 速 率 、滤 饼 的 渗 透 性 ,提 出 了 更 全 面 的 滤 饼 比 阻 关 系 式 ,证 明 滤 饼 渗 透 率 首 先 与 料 浆 的 浓 度 和 沉 降 速 度 有 关 ,因 此 ,也 和 料 浆 的 预 处 理 及 料 浆 的 化 学 环 境 密 切 相 关 。 关 键 词 过 滤 理 论 滤 饼 滤 饼 比 阻 沉 降 Study on the Relationship Between the Characteristics of Surface Filtering and Settling Xu Xinyang Luo Qian ( Northeastern University) Abstract   From the viewpoints of both pulp settling and filter cake formation ,the filter speed ,cake formation rate and cake infiltration are studied and a more profound cake specific resistance relation formula is put forward. It is proved that cake infiltration rate is first related to pulp density and settling velocity ,therefore is closely related to the pulp pre2 treatment and chemical environment. Keywords   Filter theory ,Filter cake specific resistance ,Settling   WWW.KY114.CN 虽 然 表 层 过 滤 或 成 饼 过 滤 的 形 式 有 多 种 ,但 它 们 有 一 定 的 钻 隙 能 力 。 由 此 形 成 的 多 孔 介 质 结 构 (孔 的 一 个 共 同 特 点 是 过 滤 和 沉 降 同 时 进 行 ,从 渗 流 力 学 隙 率 、孔 隙 大 小 等 ) 是 动 态 和 不 均 匀 的 。 看 属 动 边 界 渗 流 问 题 。 与 单 一 的 沉 降 - 沉 积 过 程 的 液 相 从 滤 饼 的 孔 隙 中 流 出 时 受 到 颗 粒 和 介 质 的 区 别 是 : ① 沉 积 层 底 部 是 多 孔 过 滤 介 质 ,液 体 透 过 介 阻 力 ,同 时 对 颗 粒 有 推 动 、摩 擦 和 拖 曳 的 作 用 ,这 也 质 流 出 ; ② 在 悬 浮 液 及 滤 饼 两 端 有 较 大 压 差 。 就 是 渗 透 力 ,它 们 也 会 影 响 或 改 变 滤 饼 结 构 。 [ 1 ] 过 滤 时 ,悬 浮 液 中 固 液 相 均 在 重 力 、压 力 (或 由 真 空 度 引 起 的 吸 力 ) 及 由 液 相 粘 性 引 起 的 剪 切 力 作 用 下 向 过 滤 介 质 表 面 运 动 。 Yim 认 为 在 滤 饼 的 表 层 ,由 于 液 体 的 滤 速 很 大 ,颗 粒 的 动 能 也 大 ,滤 饼 被 压 缩 得 很 紧 密 ,故 比 阻 反 而 最 大 。 而 根 据 以 往 的 一 些 论 点 和 试 验 结 果 ,高 的 流 体 速 度 容 易 导 致 开 孔 较 大 的 滤 饼 结 构 ,使 滤 饼 颗 粒 在 液 相 中 的 沉 降 主 要 有 3 种 情 况 :自 由 沉 降 、干 涉 沉 降 和 压 缩 沉 降 。 自 由 沉 降 仅 限 于 稀 薄 料 浆 ,沉 降 速 度 与 浓 度 无 关 ,而 后 两 种 的 沉 降 速 度 均 为 料 浆 浓 度 的 函 数 。 颗 粒 在 运 动 着 的 流 体 中 沉 降 时 要 受 到 流 体 的 压 力 、阻 力 、浮 力 、曳 力 及 加 速 度 作 用 力 等 的 作 用 。 颗 粒 在 这 些 力 的 综 合 作 用 下 ,迅 速 在 过 滤 介 质 表 面 上 沉 积 形 成 滤 饼 。 一 般 是 粗 颗 粒 首 先 沉 积 在 介 质 表 面 ,细 颗 粒 逐 渐 沉 积 在 其 上 ,但 因 具 有 加 速 度 和 能 量 而 可 能 透 过 由 粗 颗 粒 形 成 的 较 大 的 孔 隙 钻 到 下 层 ,由 这 种 滤 饼 所 构 成 的 多 孔 介 质 不 仅 是 动 态 增 长 的 ,而 且 颗 粒 是 非 静 止 的 ,是 由 具 有 动 能 的 颗 粒 逐 渐 形 成 的 ,每 个 颗 粒 在 沉 积 到 滤 饼 上 时 均 将 其 动 能 转 变 为 压 能 ,给 予 已 形 成 的 滤 饼 以 压 缩 压 力 ,并 [ 2 ] 比 阻 较 小 1   过 滤 速 率 。 总 之 ,流 体 滤 速 肯 定 影 响 滤 饼 结 构 。 假 设 悬 浮 液 容 积 浓 度 λ 为 常 数 , t 为 成 饼 时 间 , A 为 过 滤 面 积 , C为 浆 体 浓 度 , x 为 滤 饼 厚 度 ,ε 为 滤 饼 的 孔 隙 率 , m 为 介 质 被 堵 塞 的 比 例 , us u1 分 别 和 为 固 相 和 液 相 的 速 度 , V s V 1 分 别 为 沉 积 到 介 质 和 上 的 滤 饼 体 积 和 流 出 的 滤 液 体 积 ,ρ 则 有 为 固 体 密 度 , s d V s = A (1 - ε ) (1 - m) d x 3 教 育 部 高 校 博 士 点 专 项 基 金 资 助 项 目 (96014511) 。 徐 新 阳 ,东 北 大 学 资 源 与 土 木 工 程 学 院 ,副 教 授 ,110006 辽 宁 省 沈 阳 市 。 非 25 非 © 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 总 第 298 期 金 属 矿 山 2001 年 第 4 期 A C ( us - u1) ρ s P +ρ c gh +ρ g ( L + xc) = d t , (1) (2) (3) kc u1 = μ xc + kc (9) k 式 中 , P 为 过 滤 压 差 ; kc 、k 分 别 为 滤 饼 及 介 质 的 渗 透 率 ;ρ 和 ρ 分 别 为 浆 体 和 滤 液 的 密 度 ; h 和 xc 分 别 , 同 时 : d V s λ = ( us - ul)λ , d V 1 = 12λ u1 c 为 料 浆 和 滤 饼 表 面 距 介 质 表 面 的 距 离 ; L 为 过 滤 介 质 的 厚 度 。此 式 是 瞬 时 过 滤 速 率 ,比 较 完 整 地 体 现 了 过 滤 速 率 与 压 力 、悬 浮 液 料 浆 浓 度 (密 度 ρ c) 、深 度 、 粘 度 以 及 过 滤 介 质 和 滤 饼 的 渗 透 率 间 的 关 系 。当 忽 略 重 力 相 时 ,此 式 即 为 : 由 此 得 : 2 1 - λ us = - λ ul 1 把 上 式 代 入 式 (1) : C ( us - u1) d x d t = ρ s (1 - m) (1 - ε ) kc u1 = μ P xc + k c . (10) λ 1 - λ ) (1 - ε ) (1 - = ( m) u1 , (4) (5) (6) k 若 令 由 式 (4) 及 式 (10) 可 导 出 滤 饼 渗 透 率 kc 为 : λ ω = (1 - ε ) (1 - λ ) (1 - m) , us (1 - λ ) xc μ kc = L 1 k (11) 并 称 其 为 沉 积 因 子 ,则 式 (4) 可 变 为 如 下 形 式 : P(2 - λ ) - us (1 - λ )μ d x d t 此 式 表 明 滤 饼 的 渗 透 率 也 与 料 浆 沉 降 速 率 和 浓 度 有 关 ,这 再 次 说 明 过 滤 和 沉 降 的 密 切 关 系 。 若 取 Rm = 1/ k 、Rc = xc/ kc 分 别 表 示 介 质 阻 力 = ω ul 1 我 们 把 式 (6) 称 为 沉 积 定 律 。根 据 式 (3) , 实 际 上 可 以 简 单 地 通 过 固 体 沉 降 速 率 us 和 料 浆 浓 度 C (或 λ ) 对 滤 液 流 速 进 行 粗 略 的 估 算 。沉 降 速 度 快 , 料 浆 浓 度 小 ,滤 液 流 速 也 快 ;成 饼 速 率 则 可 由 (6) 式 估 算 。固 体 颗 粒 的 沉 降 速 度 , 也 是 料 浆 的 沉 降 速 度 , - 1 和 滤 饼 阻 力 (m ) ,则 式 (10) 即 为 Ruth 过 滤 方 程 。 2 成 饼 速 率 和 滤 饼 渗 透 率 由 式 (6) 和 式 (9) 可 得 : P C +ρ c gh N +ρ g ( L + xc) WWW.KY114. 可 通 过 沉 降 试 验 获 知 , 沉 积 因 子 ω 中 的 料 浆 浓 度 λ 为 定 值 ,介 质 堵 塞 的 m 值 在 一 定 时 间 后 也 基 本 固 定 ,反 映 滤 饼 结 构 的 孔 隙 率 ε 比 较 难 估 计 ,而 且 会 随 时 间 而 变 。可 认 为 式 (6) 体 现 了 整 个 过 滤 和 沉 降 过 程 ,由 此 式 , 料 浆 浓 度 越 大 ,λ 、ω 值 越 大 , 成 饼 的 速 率 越 快 , 这 就 是 过 滤 - 沉 降 的 一 致 性 。对 于 凝 聚 或 絮 凝 料 浆 也 是 如 此 。 d x d t kc μ = ω u1 = ω kc , x c + k (12) 由 于 h = h0 - xc - Q/ A (1 - λ ) ,式 中 h0 为 悬 浮 液 原 始 高 度 , Q 是 在 t 时 刻 流 出 的 滤 液 体 积 量 , Q = t 0 qd t ; Q/ A (1 - λ ) 即 为 由 滤 液 流 出 所 减 少 的 悬 浮 ∫ [ 3 ] 液 高 度 ,可 由 积 分 (6) 式 得 到 : Q = A xc/ ω , 在 恒 压 和 在 忽 略 重 力 作 用 时 ,由 (12) 式 可 得 : Theliander 的 研 究 也 表 明 ,固 体 的 沉 降 速 度 越 大 ,过 滤 速 率 越 大 ,进 而 可 推 论 沉 降 速 度 快 的 料 浆 的 kc P ω d x d t 固 体 颗 粒 或 密 度 可 能 较 大 ,形 成 的 滤 饼 孔 隙 尺 寸 可 (13) ≈ . + kc μ xc L 能 也 较 大 。 k 对 于 上 部 给 料 的 过 滤 模 型 而 言 ,Darcy 渗 流 经 此 式 表 明 成 饼 速 率 首 先 和 沉 积 因 子 成 正 比 , 恒 验 公 式 为 : 压 过 滤 时 积 分 上 式 可 得 : 1 kc 99xP +ρ g 1 2 (7) kkcL + kc + 2 kc Pω 2 u1 = μ xc = L t 1 (14) k μ 由 于 液 体 是 不 可 压 缩 的 , 根 据 连 续 性 方 程 及 模 此 式 表 示 在 t 时 刻 形 成 的 滤 饼 厚 度 xc 与 诸 因 素 的 关 系 。由 此 可 得 滤 饼 渗 透 率 的 又 一 表 现 形 式 为 : xc2μ k 型 的 边 界 条 件 ,可 以 导 出 : kc P +ρ c gh + Lρ g 1 - 9P = x k (15) kc = 2 ( μ xc L ) . Pk t + . (8) ω 9 xc + kc 此 式 是 t 时 刻 形 成 的 滤 饼 的 总 渗 透 率 , 比 较 完 k 代 入 式 (7) 可 得 : 整 地 反 映 了 滤 饼 渗 透 率 、滤 饼 的 形 成 过 程 和 其 它 许 非 26 非 © 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net   徐 新 阳 等 :表 层 过 滤 特 性 和 沉 降 的 关 系 研 究 2001 年 第 4 期 多 因 素 间 的 关 系 , 包 括 物 料 的 沉 降 - 沉 积 特 性 、成 饼 的 孔 隙 率 、介 质 堵 塞 情 况 等 。由 上 式 可 知 , 在 测 知 滤 饼 厚 度 xc 和 相 应 滤 液 体 积 Q 下 ,可 计 算 出 ω 值 , 笔 者 建 议 根 据 Darcy 定 律 ,直 接 测 定 清 洁 介 质 和 被 该 料 浆 污 染 过 的 介 质 阻 力 Rm 或 渗 透 率 kc , 这 样 计 算 才 更 符 合 实 际 。 还 可 以 从 沉 积 因 子 ω A xc/ Q 的 关 系 式 ,在 测 得 滤 液 体 积 Q 和 饼 厚 度 xc 的 情 况 下 ,根 据 算 出 的 ω 值 ,估 算 出 介 质 被 堵 塞 的 状 况 。 = 便 可 算 出 滤 饼 的 渗 透 率 值 kc 。 [ 4 ] , kc 随 压 力 升 高 而 降 低 , 表 据 Binkly 的 试 验 明 滤 饼 随 压 力 升 高 而 更 加 密 实 。 实 践 表 明 越 是 难 沉 降 的 料 浆 其 滤 饼 的 可 压 缩 性 越 大 ,ε av 值 则 越 小 ,则 ω 值 也 越 小 ;易 沉 降 ,ω 值 就 较 大 ;料 浆 浓 度 λ 值 大 ,沉 积 因 子 也 大 。实 际 上 沉 积 因 子 包 含 了 料 浆 的 沉 降 特 性 和 滤 饼 的 可 压 缩 性 。 3   结 语 本 部 分 从 沉 降 - 过 滤 统 一 的 观 点 提 出 了 过 滤 速 率 、成 饼 速 率 、渗 透 率 及 滤 饼 比 阻 的 新 的 关 系 式 。 已 有 资 料 表 明 ,利 用 新 的 比 阻 式 计 算 的 滤 饼 比 阻 值 ,与 实 测 比 较 接 近 。 但 由 于 在 推 导 中 是 忽 略 了 重 力 相 , 所 以 此 式 对 小 于 一 个 大 气 压 的 真 空 过 滤 的 计 算 误 差 大 ,即 更 适 合 于 压 滤 。 由 滤 饼 比 阻 的 定 义 , Rc = αω = α Xcρ s (1 - ε ) 和 Rc = xc/ kc 及 xc = Qω / A 的 关 系 ,可 导 出 滤 饼 比 阻 α 为 : a 2 α a = ( 1 - λ ) (1 - λρ s m) 2 PtA + 2 A Rm , (16) 参 考 文 献 2 Q μ Q 式 中 Rm 为 介 质 阻 力 , Q 为 流 出 的 滤 液 体 积 。由 此 可 1 Tim Sung Sam. The role of the first solid layer compres sion in solid - liquid separation application in the filtration ,expression ,sedimen2 tation , filtration by centrifugal force and tangential filtration. 7th WFC Budapest ,Hungry ,1997 见 ,滤 饼 的 比 阻 首 先 和 压 力 成 正 比 ,且 随 时 间 延 长 而 [ 3 ] 。按 此 式 的 增 大 , 这 些 和 Ruston 的 论 点 是 一 致 的 关 系 ,滤 饼 比 阻 直 接 与 料 浆 浓 度 有 关 , 且 浓 度 越 大 , 比 阻 越 小 ;在 t 时 间 内 得 到 的 滤 液 体 积 越 多 ,表 示 滤 速 越 快 ,滤 饼 比 阻 越 小 ,而 且 比 阻 和 ε 无 关 。 2 3 F M Tiller ,et al. Solid - liquid separation :an overview. Chemical En2 gineering Progress ,1997 A Ruston. Cake filtration theory & practice : past ,present & fu2 ture13th China - Japan international conference on F &S ,Wuxi Chi2 实 际 应 用 (16) 式 计 算 滤 饼 比 阻 α 值 时 ,料 浆 浓 a WWW.KY114.CN na ,1997 度 已 知 ,在 P 压 强 下 、t 时 间 内 得 到 的 滤 液 体 积 流 量 4 达 尔 斯 著 1 杨 富 民 译 1 多 孔 介 质 、流 体 渗 移 与 孔 隙 结 构 1 北 京 : 石 油 工 业 出 版 社 ,1990 很 容 易 测 得 ,若 能 知 道 介 质 阻 力 Rm ,便 可 计 算 出 α a 值 。 ( 收 稿 日 期 2001202227) 非信 息 苑 非 首 钢 球 团 厂 截 窑 改 造 效 果 显 著   首 钢 球 团 厂 采 用“ 链 篦 机 - 回 转 窑 - 环 冷 机 ”国 而 且 使 余 热 得 到 充 分 回 收 利 用 。 先 进 的 密 封 技 术 和 环 保 设 施 的 引 入 ,创 造 了 良 好 的 作 业 环 境 和 生 态 效 益 。 球 团 生 产 工 艺 的 6 大 系 统 ,170 个 点 位 的 现 场 信 号 ,通 过 检 测 仪 表 的 实 时 采 集 ,输 入 3 个 PLC 可 编 程 控 制 子 站 ,进 行 信 息 处 理 ,一 方 面 将 信 号 传 给 工 业 控 制 微 机 进 行 信 号 显 示 ;另 一 方 面 经 过 DP 总 线 把 各 种 工 艺 参 数 传 给 (主 控 室 ) PLC 可 编 程 控 制 总 站 ,经 过 系 统 软 件 ,对 链 篦 机 、回 转 窑 、环 冷 机 等 主 体 设 备 实 施 监 视 和 自 动 控 制 。 再 经 过 主 控 室 的 工 业 控 制 微 机 ,把 信 号 传 给 二 级 服 务 器 ,与 厂 计 算 机 管 理 系 统 对 接 ,形 成 了 履 盖 全 厂 的 计 算 机 管 理 网 络 ,达 到 了 国 内 自 动 化 控 制 第 一 流 的 技 术 等 级 。 际 先 进 技 术 实 施 球 团 截 窑 改 造 ,取 得 显 著 效 果 。 投 产 25 天 便 达 到 日 产 氧 化 球 3 315 t 的 水 平 ,超 过 了 3 226 t 的 设 计 能 力 。 针 对 我 国 酸 性 球 团 矿 不 足 的 现 状 ,首 钢 球 团 厂 投 资 2 850 万 元 进 行 技 术 改 造 ,用 强 力 混 合 机 取 代 圆 筒 混 合 机 ,均 匀 混 料 ,大 大 改 善 了 生 球 质 量 。 链 篦 机 由 52 m 缩 短 到 46 m ,改 善 了 链 节 结 构 ,侧 板 由 1 34 mm 加 高 到 170 mm ,增 加 了 布 料 厚 度 ,提 高 了 透 气 性 和 设 备 作 业 效 率 。 回 转 窑 体 由 74 m 缩 短 到 5 m ,倾 角 由 2 %提 高 到 415 % ,生 球 焙 烧 时 间 缩 短 3 了 3/ 4。 用 环 冷 机 的 直 接 冷 却 取 代 冷 取 筒 的 间 接 冷 却 ,不 仅 使 终 端 产 品 的 冷 却 速 度 和 效 果 大 幅 度 提 高 , (刘 春 ) 非 27 非 © 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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