離心分離技術在熟料溶出漿液分離過程中的應用研究?

    在燒結法生產氧化鋁工藝技術中,熟料溶出漿液的分離主要采用自然沉降分離技術。但是,該分離技術存在很大的局限性,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量、漿液溫度、溶液濃度的要求苛刻,一旦上述工藝條件發生波動,粗液固含就會升高,分離指標不穩定;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是優化工藝指標,改善氧化鋁生產技術的迫切需要,對鋁工業的發展有重大意義。

    本文探討離心分離技術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 顆粒密度:2890ｋｇ/ｍ3; 介質密度: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中實際運行的設備尺寸為準。

    1.1　沉降槽 介質在沉降過程中,不僅受到浮力的作用,而且還受到阻力的作用,阻力產生的原因:其一是由切應力產生的摩擦力(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和物形的函數。 當雷諾系數Ｒｅ≤25時,介質粘性起主要作用;當雷諾系數25Ｒｅ≤500時,兩者都起作用;當雷諾系數Ｒｅ500時,壓差阻力起主要作用。 經過計算顆粒在沉降槽中運動時,雷諾系數小于25,可見粘性阻力較形狀阻力對顆粒的沉降速度影響大。 根據斯托克斯定律,懸浮液的雷諾系數小于或等于25時,即顆粒在層流沉降狀態下時,自由沉降速度按下式計算: 對連續操作的沉降槽,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———經驗修正系數。 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 物料在離心機內受離心力Ｆ=ｍａ=ｍω2ｒ的作用,使固體顆粒在液層中向轉鼓內側發生位移,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象的規律來確定臨界粒徑的,擴散系數Ｄ∝溫度Ｔ,即Ｄ=ＫＴ/3πμｄ,微粒在時間ｔ內的平均位移ｈ和擴散系數之間的關系為ｈ2=Ｄｔ,設在時間ｔ內,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,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———轉鼓旋轉角速度,弧度/秒; ｒ———轉鼓半徑,ｃｍ。 根據有關文獻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。