Question

固液分离

Answer 1

固液分离的目的是回收悬浮液中的有用物质，它可以是悬浮液中的一相，也可以是两相。为达到固液分离的目的而采用的主要操作方法有重力沉降、离心分离和过滤。

一、重力沉降方法

悬浮液中固体颗粒的密度比液相大，它在重力的作用下发生相对运动而达到两相分离。

二、过滤

过滤是以某种多孔物质为介质，在外力作用下，悬浮液中固体颗粒被截留，液相通过介质的孔道流出而实现固液分离的方法。外力可以是重力、离心力和用机械方法在多孔物质的上、下游两侧施加的压强差。常见的过滤设备有真空过滤机、板框压滤机、离心式过滤机等。

图5－1 深层过滤机理

过滤主要有两种方式:一种为深层过滤，其过滤机理见图5－1。特点是固体颗粒黏附在过滤介质的孔洞内，适用于固体颗粒粒径小于过滤介质的孔洞直径，并且含固量小于0.1%的悬浮液。另一种为滤饼过滤，它应用织物、多孔固体或孔膜等作为过滤介质，这些介质的孔一般小于颗粒，过滤时流体可以通过介质的小孔，颗粒的尺寸大，不能进入小孔而被过滤介质截留形成滤饼。因此，颗粒的截留主要依靠筛分作用，见图5－2。其特点是固体颗粒呈饼状沉积在过滤介质上游一侧，适用固含量较高的悬浮液。

图5－2 滤饼过滤过程

1.过滤介质

织物介质:又称滤布，包括由棉、毛、丝、麻等天然纤维及由各种合成纤维制成的织造和非织造滤布，以及由金属或非金属材料织成的网。此类过滤介质在工业上应用最广。

粒状介质:包括砂、木炭、石棉、硅藻土、珍珠岩等坚硬颗粒物质，多用于深床过滤和助滤剂。

多孔类固体介质:它是一种具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷、多孔塑料、多孔氧化铝、多孔金属等制成的管和板。适用于处理只含少量细小颗粒的悬浮液。

2.过滤的操作方式

恒压过滤:它是在恒定压强差下进行的，是一种最常见的过滤操作方式。连续式过滤机上进行的过滤都是恒压过滤;间歇式过滤机上进行的过滤也多为恒压过滤。在恒压过滤时，因滤饼不断增厚，致使过滤阻力逐渐增加，但由于施加的压差是恒定的，故过滤速率逐渐减小。

恒速过滤:它是指过滤速率维持恒定的过滤操作方式。如板框压滤机，它的内部空间是一定的，当悬浮液充满内部空间后，继续以恒速供料保持滤液流量的恒定。恒速过滤时，因滤饼的厚度在不断增加，滤饼的过滤阻力也随之增加，要维持恒速过滤就必须不断提高过滤压力克服过滤阻力。所以实际操作上是不可能将恒速过滤进行到底的。

先恒速后恒压过滤:它是将恒压过滤和恒速过滤合理结合起来的过滤操作方式。一般是在过滤开始时先进行恒速过滤，避免滤液的浑浊和过滤介质孔洞的阻塞，当到达一定压力后进行恒压过滤以提高滤饼的固含量。

3.悬浮液的预处理

过滤过程中常会遇到过滤速率低，滤饼呈胶体或凝胶状态，滤液浑浊等现象。为了尽量避免这些情况的出现，提高设备的过滤效率，就需要对悬浮液进行预处理。预处理的方法有化学法和物理法两种。

(1)化学法

化学法可分为凝聚、絮凝和改变表面张力三种。

凝聚:在悬浮液中加入无机电解质，如明矾、石灰、铝离子和铁离子等，使颗粒相互黏结成较大颗粒而易于过滤分离。

絮凝:在悬浮液中加入高分子絮凝剂，使颗粒在絮凝剂作用下聚集成大颗粒或絮团，以利于过滤分离。絮凝剂有天然和合成的两种，如动物胶、淀粉、聚丙烯酸胺等。常用的合成高分子絮凝剂有以下三类。

阳离子型:聚胺、聚2－羟丙基－N－甲基氯化铵、聚2－羟丙基－l、聚丙烯酸胺曼尼希反应衍生物、甲基丙烯酸－N。

阴离子型:聚丙烯酸钠、聚苯乙烯羧酸钠。

非离子型:聚丙烯酸胺、聚氧化乙烯。

改变表面张力:在悬浮液中加入表面活性剂降低液体的表面张力，使分离后滤饼中残存水分减少，固含量提高。

(2)物理法

包括陈化、结晶、改变悬浮液的温度、降低悬浮液的黏度以及加入助滤剂等。

4.常见过滤设备

(1)板框压滤机

板框压滤机是由许多块滤板和滤框交替排列而成，板和框都用支耳架在一对横梁上，可用压紧装置压紧和拉开。板框压滤机的结构及工作原理见图5－3。板框自动压滤机外形见图5－4。

图5－3 板框压滤机工作原理

图5－4 板框自动压滤机外形图

板和框多做成正方形，板和框的角端开有工艺用孔，孔的数目同工艺要求有关，从2个到4个不等，板框合并压紧后即构成供滤液、洗液和悬浮液流通的孔道。框的两侧覆以滤布，空框与滤布围成了容纳待滤液及滤饼的空间。滤板的作用有两点:一点是支撑滤布;另一点是提供滤液通道。为此滤板上制成各种凹凸纹路，凸者支撑滤布，凹者形成滤液通道。对于可洗滤饼的板框压滤机，滤板又分为洗涤板和非洗涤板两种，两种滤板的结构和作用有所不同。

板框压滤机的操作十分重要。过滤时进料的压力应逐步缓慢增加，防止压力过大导致滤布表面的孔隙被堵塞，过滤不能正常进行。

板框压滤机的滤液排出方式分为明流和暗流两种。若滤液由每块滤板底部直接排出称为明流。明流的优点是便于观察各滤板的工作情况。若滤液不宜暴露于空气中，则需要将各板排出的滤液汇集后经总管排出，称为暗流。

板框压滤机具有结构简单，制造方便，附属设备少，单位过滤面积较大，过滤压力高，对各种悬浮液适应性强等特点，应用比较广泛。但因为是间歇操作，故生产效率低，劳动强度大，滤布损耗严重，洗涤效果较差。

图5－5 箱式压滤机工作原理

板框压滤机的规格较多，过滤面积可以从几平方米到几百平方米。

(2)箱式压滤机

箱式压滤机是板框压滤机的改进型式，国外称为凹板压滤机，它保留了板框压滤机的优点，克服了板框压滤机的一些缺点，它可以在过滤中对滤饼进行洗涤。箱式压滤机结构及工作原理见图5－5。

(3)带式压滤机

带式压滤机是一种结构简单，操作方便，性能优良的连续压滤机。它在结构上借鉴了造纸机连续滚压的机构;各种聚合电解质絮凝剂的应用，为带式压滤机提供了工艺上的条件;多聚酯纤维滤网为它提供了良好的滤带，这三个因素创造了带式压滤机出现和应用的条件。

目前，带式压滤机被广泛应用于过滤各种污泥、选煤产品、湿法冶金的残渣、管道输送的物料等。但在选矿产品中应用较少。

带式压滤机主要由一系列按顺序排列的、直径大小不同的辊轮、两条缠在这系列辊轮上的过滤带，以及给料装置、滤布清洗装置、高速调偏装置、张紧装置等部分组成。

带式压滤机的工作包括四个基本的过程:絮凝和给料，重力脱水，挤压脱水，卸料和清洗滤带。带式压滤机的结构和工作原理见图5－6，对置滚压式带滤机结构及工作原理见图5－7。

图5－6 带式压滤机的工作原理

图5－7 对置滚压式带滤机

(4)转鼓真空过滤机

转鼓真空过滤机是一种连续操作的过滤设备。广泛用于矿物加工和化工等部门。它主要适用于固体颗粒粒径在0.01～1mm的悬浮液的过滤。设备的主体是一个能转动的水平圆筒，圆筒表面为有孔的金属板或金属丝网，网上再覆盖滤布，悬浮液在圆筒的下部与圆筒接触。接触的部位可以是圆筒的内表面，也可是外表面，工业上最常见的是外表面接触。转鼓真空过滤机工作原理见图5－8。

图5－8 转鼓真空过滤机工作原理

转鼓内部沿径向分隔成若干扇形格，每格均有单独孔通道通向分配头。当转鼓转动时，凭借分配头的作用使这些孔道依次与真空管及压缩空气相通，故转鼓在回转一周的过程中每个扇格可按顺序进行过滤、洗涤、脱水、吹松、卸饼等操作。分配头由紧密贴合的转动盘和固定盘构成，转动盘随转轴一起旋转，固定盘侧面的各四槽分别与不同作用的管道相通。固定盘有三个凹槽，故整个转鼓可分为三个区域:过滤区、洗涤及脱水区、卸料和再生区。

外滤面转鼓真空过滤机能连续自动操作，生产能力大，特别适宜于处理量大并易过滤的悬浮液;附属设备较多，投资费用高，过滤面积不大，滤饼含水量较高，洗涤不充分。

(5)动态过滤机

动态过滤机是利用现代动态过滤技术生产的新型过滤设备，它主要是为解决用滤饼层过滤难以过滤的悬浮液的高效过滤和洗涤问题。它可以在密闭、高温、高压等条件下用一台设备连续完成过滤、增浓、洗涤和脱水等过滤操作。

动态过滤是在传统固定滤饼层过滤理论上发展起来的，但两者在机理上完全不同。在动态过滤过程中，悬浮液在介质上高速平行流动，当滤液穿过过滤介质时，固体颗粒在介质上不沉积或只有极少量沉积产生极薄的滤饼。因此动态过滤的过滤阻力就主要由过滤介质所决定，这样对于颗粒细小、形成的滤饼为可压缩性滤饼的悬浮液，用动态过滤就可得到快速有效的分离效果。

图5－9 旋叶式过滤机

动态过滤机的洗涤效果也特别优异。当洗涤液进入过滤机时，由于滤渣是高速流动的，故洗涤液和滤渣能得到充分混合，防止了洗涤液短路和洗涤死区的现象出现，提高了洗涤效率并节省了洗涤液。动态过滤机通过降低过滤阻力使过滤效率有了很大的提高。在相同的过滤面积和操作条件下，动态过滤机的生产能力比板框过滤机的生产能力能提高6倍以上，并且能连续过滤，可实现自动化操作。常见的动态过滤机有旋叶式、旋管式和平板式压滤机。旋叶式过滤机结构见图5－9。三、离心分离方法

是悬浮液依靠惯性离心力的作用而实现固液分离的过程。

常见的离心分离设备有旋流分离器，沉降离心机等。主要用于脱水、浓缩、分离、澄清、净化及固体颗粒的分级等工艺过程。离心机的主要构件为一快速旋转的转鼓，转鼓安装在垂直或水平的轴上，当料浆进入转鼓内后，随转鼓旋转而旋转，在离心力作用下实现分离。转鼓的外壁分为有孔和无孔两种;有孔的转鼓在内表面覆以滤布，当转鼓快速旋转时滤液在离心力作用下穿过滤布而被甩出，颗粒被滤布所截留，这个操作称为离心过滤;无孔的转鼓是当转鼓快速旋转后料浆在离心力作用下按密度不同而分层，密度大的靠近转鼓外壁，密度小的靠近转鼓中央，这个操作称为离心沉降。离心沉降通常又根据所处理的料浆不同分为两类:一类是对悬浮液进行的离心沉降继续操作，称为离心沉降;另一类是对乳浊液或含有微量团体颗粒的悬浮液进行的离心沉降操作，称为离心分离。

离心机的分类方法有很多，如按操作方式可分为过滤式离心机、沉降式离心机和分离式离心机;按操作过程可分为间歇操作离心机和连续操作离心机;当然离心机的分类方法还有许多，如按结构型式、分离因素、卸料方式等进行分类。

1.三足式离心机

图5－10 三足离心机

1.三足式离心机

三足式离心机是工业上最早应用的间歇式离心机，也是目前我国应用最广、制造最多的一种离心机。其最重要的特征是转鼓悬挂在机座的三根支柱上。三足式离心机有过滤式和沉降式两种，常用的多为过滤式。其卸料方法有人工卸料和机械卸料两种，每种方法又有各种方式。三足离心机结构见图5－10。

三足式离心机具有结构简单、价格低、运转平稳、适应性强等优点，适用于过滤周期长，处理量不大，要求滤渣含湿量低的场合;其缺点是操作周期长，生产能力低，只能用于中小型生产。

2.卧式刮刀卸料离心机

卧式刮刀卸料离心机是一种间歇式离心机，有过滤式和沉降式两种，以过滤式使用较多。主要用于处理含有中等或小颗粒且颗粒不怕被刮刀破坏的悬浮液。其特点是对料液的浓度和数量变化不敏感;过滤时间、洗涤时间、分离以及卸料时间均可自由调节;滤渣较干;并能得到较好的洗涤效果;操作周期短，生产能力大。但对颗粒破碎严重，电机负荷不均匀，并且滤渣也不能除尽。虹吸刮刀卸料离心机是过滤式刮式刮刀卸料离心机的重要改进型式。它利用虹吸原理增加了过滤的推动力，使生产效率明显提高。并且还可以根据过程的需要自由调节过滤速度，以利滤渣的洗涤和干燥。

3.卧式活塞推料离心机

卧式活塞推料离心机是一种连续加料、脉动卸料的过滤式离心机。它具有效率高、产量高、生产连续化、操作稳定可靠等特点。但对料液的浓度变化较敏感，并且需要固体颗粒的粒径较大才能正常进行操作。卧式活塞推料离心机的活塞级数除单级外，还有双级、三级、四级等。我国生产的主要为单级和双级活塞两种。卧式刮刀卸料离心机结构及工作原理见图5－11。

4.卧式螺旋卸料沉降离心机

卧式螺旋卸料沉降离心机简称卧螺离心机。其结构及工作原理见图5－12。它是一种在全速运转条件下连续进料、分离和卸料的连续式沉降离心机。它适用于各种粒径以及固含量为1%～50%的悬浮液的固液分离;对于三相混合物、粒子分级、活性污泥脱水和其他难分离物料的分离也能得到满意的分离效果。它的主要优点是:自动连续操作，无滤网和滤布，能长期运转，维修方便;应用范围广，能完成固相脱水、液相澄清、液－液－固三相分离、粒度分级等工作过程;对物料适应性强，适用于较宽的粒度分布和较大的浓度波动;结构紧凑，易于密封。某些机型能在加压和低温下操作;单机生产能力大，分离质量高，操作费用低。但卧螺离心机也有不足之处，如沉渣含湿量较高，洗涤效果不好，结构复杂，造价高等。

图5－11 活塞推料离心机

图5－12 卧式螺旋转筒离心机结构示意图

四、常见固液分离设备的型式及适用范围

目前固液分离的设备种类繁多，选型的范围也广，如何选择合适的、合理的固液分离设备是一个十分复杂的问题。常见固液分离设备的适用范围见表5－1。不同过滤方式的分离效果见表5－2。

表5－1 常见固液分离设备的适用范围

表5－2 不同过滤方式的分离效果