離心分離技術(shù)在熟料溶出漿液分離過程中的應(yīng)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(shí)間較長,赤泥和鋁酸鈉溶液會發(fā)生二次反應(yīng),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(dòng),粗液固含就會升高,分離指標(biāo)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(jìn)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(jìn)行快速的分離技術(shù)是優(yōu)化工藝指標(biāo),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(yīng)用。

    1　理論分析 離心分離設(shè)備主要有旋流器、離心機(jī)等,現(xiàn)就旋流器、離心機(jī)和沉降槽對熟料溶出漿液的分離性能進(jìn)行分析: 計(jì)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(jì)算中的設(shè)備尺寸以生產(chǎn)中實(shí)際運(yùn)行的設(shè)備尺寸為準(zhǔn)。

    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(yīng)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(dāng)雷諾系數(shù)Ｒｅ≤25時(shí),介質(zhì)粘性起主要作用;當(dāng)雷諾系數(shù)25Ｒｅ≤500時(shí),兩者都起作用;當(dāng)雷諾系數(shù)Ｒｅ500時(shí),壓差阻力起主要作用。 經(jīng)過計(jì)算顆粒在沉降槽中運(yùn)動(dòng)時(shí),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(shí),即顆粒在層流沉降狀態(tài)下時(shí),自由沉降速度按下式計(jì)算: 對連續(xù)操作的沉降槽,實(shí)際沉降速度的計(jì)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(jì)算); ρ漿———原始礦漿密度,ｋｇ/ｍ3; 1.33———經(jīng)驗(yàn)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(jìn)料固含=100ｇ/ｌ;底流渣Ｌ/Ｓ=4.5。 經(jīng)計(jì)算得:ｄｋ=4.5×10-5(ｍ)=45(μｍ) 在不考慮進(jìn)料和出料對赤泥沉降的影響,不添加絮凝劑時(shí),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(shè)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(jì)算出旋流器對赤泥進(jìn)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(dāng)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(jì)算得:ｄｋ=3.01×10-5(ｍ)=30.1(μｍ) 當(dāng)顆粒粒徑大于臨界粒徑時(shí),可全部回收下來,當(dāng)粒徑小于臨界粒徑于紊流的擴(kuò)散,會造成理論與實(shí)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(jī) 物料在離心機(jī)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(jī),完成液固分離。同時(shí)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(yīng)也稱離心凝聚效應(yīng)。由于凝聚效應(yīng),對固液的快速分離有促進(jìn)作用。離心機(jī)臨界粒徑的計(jì)算公式:

    1.4　沉降槽、旋流器、離心機(jī)對赤泥分離的理論分析 從以上分離設(shè)備赤泥分離的臨界粒徑計(jì)算公式可以看出,在沉降槽中進(jìn)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(shí)的臨界粒徑越大。在旋流器中,進(jìn)料壓力越小,即進(jìn)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(jī)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?yàn)樵陔x心機(jī)中是采用布朗運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散現(xiàn)象的規(guī)律來確定臨界粒徑的,擴(kuò)散系數(shù)Ｄ∝溫度Ｔ,即Ｄ=ＫＴ/3πμｄ,微粒在時(shí)間ｔ內(nèi)的平均位移ｈ和擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系為ｈ2=Ｄｔ,設(shè)在時(shí)間ｔ內(nèi),微粒于沉降速度ｖ時(shí),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(dǎo)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(dá)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(xiàn)ｈ=0.293ｄ,所以可以推導(dǎo)出 ｄｋ=1.734·〔Ｔ/(Δρ·ω2·ｒ)〕1/4 從上述公式可以看出離心機(jī)在進(jìn)行液固分離時(shí),進(jìn)料量對臨界粒徑影響不大。