倾斜板浓缩机的参数分析

收稿日期:2004-09-12
作者简介:陈　然(1920-),男,工程师,中国矿业大学在读工程硕士,现在中煤国际工程集团北京华宇工程有限公
司从事选煤厂设计及相关设备的开发工作。

倾斜板浓缩机的参数分析
陈　然1,2,时新芳2
(11中国矿业大学化工学院,江苏徐州　221008;21中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,北京　100011)
摘　要:论文从运动学和流体力学的角度,利用浅层沉降理论,对倾斜板浓缩机的各项参数进行分析,明确其相互关系,给出相应的计算方法,
为倾斜板浓缩机的结构设计或选型提供
理论依据。

关键词:倾斜板;浓缩机;异向流;同向流;横向流;颗粒;煤泥;澄清 中图分类号:TD463 文献标识码:B 文章编号:1671-0959(2005)01
200492021　概　述
倾斜板浓缩机主要用于细粒煤泥和浮选尾矿的澄清、浓缩,也可用于其它行业处理含有固体微粒的各种矿浆。

倾斜板浓缩机的工作原理和传统的耙式浓缩机一样,都是利用重力沉降作用把矿浆中的固体颗粒分离出来,但其沉降作用是发生在设备中的各倾斜板之间的空腔内,倾斜板之间的间距很小,其间流体易形成层流,且固体颗粒只需沉降很小的距离就可以落到板上,然后沿倾斜板下滑,进入机体下部的排料漏斗。

由于倾斜板层层叠放,充分利用了空间高度,所以同样占地面积的倾斜板浓缩机的沉降面积要远大于普通耙式浓缩机。

但是,相同沉降面积的倾斜板浓缩机的过流截面积要远小于普通耙式浓缩机,其机体内的流体速度远大于普通耙式浓缩机内的水流速度,因此,在确定倾斜板浓缩机的参数时,其内部流体速度成为一个重要因素。

2　倾斜板浓缩机的工作原理
根据倾斜板浓缩机内的液流方向与固体颗粒的沉降方向的关系,可分成异向流、同向流、侧向流三种。

图1为固体颗粒在异向流、同向流和横向流斜板沉降单元内的沉降规律图示。

图1　固体颗粒在斜板单元内的沉降规律
设斜板长为L ,宽为B ,倾角为α,板间净距为d ,单元内的水速为v ,颗粒沉速为u ,则颗粒的运动由v 和u 合成。

按图(a )中的几何关系,可得:
v/u =[L +d/(sin αcos
α)]/(d/cos α)=(L sin αcos
α+d )/(d sin α) 因为通过每个沉降单元的流量q =v dB ,即v =q/(d ・
B )。

将其代入上式,可得:
q =u (L B sin αcos
α+dB )/sin α 若沉降单元数为n ,斜板利用系数为k ,则设备处理量为:
Q =u[knB (L cos
α+d/sin α)](1)
同理,对与同向流有:
Q =u[knB (L cos
α-d/sin α)](2) 对于横向流,通过每个沉降单元的流量q =vdL ,即v
=q/(d ・L ),又由v/u =B/(L sin α
)则有:Q =ukndB/sin α
(3) L B cos α为一个沉降单元的斜板在水平方向上的投影面积,用a 1表示;dB/sin α为沉降单元的水平底面积,用a 2表示。

对于异向流,经演化得q =u (a 1+a 2)
a 1+a 2即为一个沉降单元的总沉降面积,n 个沉降单元
的总沉降面积为n (a 1+a 2),则有Q =ukn (a 1+a 2)
对于同向流q =u/(a 1-a 2),则有Q =ukn (a 1-a 2) 对于横向流,Q =ukndB/sin α=ukna 2
由以上计算可知,一个斜板沉降单元内,异向流的处理量q 为一个沉降单元的斜板在水平方向上的投影面积a 1与沉降单元的水平底面积a 2之和同颗粒沉降速度u 的乘积,即q =u (a 1+a 2);同向流的处理量q 为一个沉降单元的斜板在水平方向上的投影面积a 1与沉降单元的水平底面
积a 2之差同颗粒沉降速度u 的乘积,即q =u (a 1-a 2);横向流的处理量q 为沉降单元的水平底面积a 2同颗粒沉降速
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4　2005年第1期 煤　炭　工　程 研究探讨　
度u的乘积,即q=ua2。

因此在颗粒沉降速度u、沉降单元数n和倾角α一定时,以异向流的处理能力最大,同向流居中,横向流最小。

3　颗粒沉降速度的确定
需要注意的是,颗粒沉降速度u并不取决于a1、a2和q,它是由截留粒度、颗粒与液体的密度差及液体粘度决定的,当这些参数确定时,颗粒沉降速度u在上述诸式中相当于常数。

在进行倾斜板浓缩机设计或选型时,可先确定颗粒沉降速度u,再根据选定的其它设计参数计算a1和a2的值,然后可利用上述公式确定所需的沉降单元数n。

以上各式均是在斜板单元内流体处于层流状态下得出的,为保证在斜板单元内水流处于层流状态,流体的雷诺数Re应小于200,最好在50左右。

设计时雷诺数应按Re =v R/μ[1]复核,式中v———液体流速,m/s;μ———液体的动力粘度,Pa・s;R———断面的水力半径,m。

流体中颗粒受到的阻力有两种形式,一是流体相对颗粒作层流绕流时的粘性阻力,二是紊流绕流由紊流旋涡及惯性力产生的压力差阻力。

求阻力时需要根据雷诺数判断颗粒周围的流态,以球体颗粒直径d为当量直径的雷诺数为:Re=dvρf/μ[2]。

当雷诺数10-4<Re<1且阻力系数ξ=24/Re时,流体相对颗粒作层流绕流,球状颗粒在液体中的自由沉降速度遵守Stokes公式:u0=d2(ρs-ρf)g/(18μ)[2];
其中　u0———颗粒自由沉降速度,m/s;
　d———颗粒直径,m;
　ρs———颗粒密度,kg/m3;
　ρf———流体密度,kg/m3;
　g———重力加速度,m/s2;
　μ———流体的粘度,Pa・s。

考虑煤粒形状及水的粘度,经演化得煤粒在水中的自由沉降速度u0=5415X(ρs-ρf)d2[3]
式中　u0———颗粒自由沉降速度,cm/s;
　d———煤粒直径,mm;
　ρs———煤的比重;
　ρf———水的比重,一般取ρf=1;
　X———煤粒的形状系数,一般取X=017。

当悬浮液浓度达到一定程度时,固体颗粒作为与液相有界面的群体而沉降,这种类型的沉降即为干扰沉降。

煤粒在水中的干扰沉降速度u=u0(1-λ)n[3];
式中　u———煤粒干扰沉降速度,m/h;
　n———实验指数,一般取n=5～6;
　λ———给料煤泥水中的固体容积浓度(%),λ=1/ (Rρs+1);
　M———给料煤泥水的液固比。

当X=017,ρf=1时,得如下公式
u=1368(ρs-1)d2[1-1/(Mρs+1)]n[3](4) 由于在计算所需沉降面积时取溢流速度等于截留粒度的沉降速度,因此,煤粒在水中的干扰沉降速度u实际上就是沉降设备单位沉降面积按溢流量计算的处理能力F (m3/m2・h)。

4　倾斜板浓缩机各项结构参数的确定
411　斜板长、宽及数量的确定
由以上分析可知,当已知煤泥比重ρs、给料煤泥水的液固比M、截留粒度d,即可利用式4求得煤粒干扰沉降速度u;在初步确定倾斜板的长L和宽B,以及倾角α、间距d后,即可根据所需的流量Q,利用式1、式2、式3求出层数n。

412　斜板倾角及间距的确定
倾斜板倾角的确定主要考虑沉淀煤泥能否顺利下滑,一般在55°～60°之间;间距d的确定应考虑倾斜板上的料层厚度和器壁效应,一般定为40mm～80mm,太小不利于煤泥下滑,也影响沉降,太大则降低效率;倾斜板长和宽的确定主要从结构设计上考虑,应便于安装、更换,保证适当的刚度和厚度。

当然,为保证煤粒有足够的滞留时间,倾斜板长度不能过短,这就要求倾斜板的层数和长宽有一个协调的比例,可通过式1、式2、式3反复计算调整求得。

5　倾斜板浓缩机设计选用时的注意事项
倾斜板浓缩机工作效率的高低还与其内部结构的设计有很大关系,比如上升异向流倾斜板浓缩机中,入流区一般是向下或横向给料,流体在进入沉降区即斜板区转为上升流时将产生紊流,常采取设截流孔等措施减小紊流区,沉降区与溢流区之间也有同样的问题,因此,最终确定的斜板长度应考虑紊流区的影响。

倾斜板浓缩机对入料的各项参数较为敏感,入料量、浓度、粒度分布、温度等因素的变化会对设备的工作效率产生较大的影响,但该设备的性价比较高,因此利用系数k可根据具体情况给得适当富余一些。

由此可见,在倾斜板浓缩机的选型时除了流量、浓度、粒度分布、温度等参数外,其利用系数也是一个重要的参数,应由供货方明确给出;而在倾斜板浓缩机的设计中,应采取一切措施,减少紊流;在确定倾斜板长度时还应充分考虑沉降区与入流区和溢流区交界处紊流区的大小。

参考文献:
[1]　孙尚勇,主编.流体力学与流体机械[M].煤炭工业出版
社,1990.
[2]　曾凡,胡水平.矿物加工颗粒学[M].中国矿业大学出版
社,1995.
[3]　选煤厂设计手册[M].煤炭工业出版社,1978.
(责任编辑　李振涛)
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　研究探讨 煤　炭　工　程 2005年第1期　。