一、沉降槽概念
1．沉降原理
在重力作用下，由于固体与液体的密度差，固体沉于底部，清液从槽上部沿周边溢流排出。最适合于处理固液密度差比较大，固体含量不太高，而处理量比较大的悬浮液。
2．沉降目的
浓缩：目的是将悬浮液增稠
澄清：从比较稀的悬浮中除去少量的悬浮物
3．沉降设备
（1）间歇式沉降槽：完成间歇沉降操作的设备.特点是清液和沉渣是经过一段时间后才能产出。
（2）连续沉降槽：保持沉降槽内的各个区域，即连续加入悬浮液，并连续产生清液和沉渣的沉降槽。
4．液固分离方法
固相颗粒分散在液体中所形成的物系称作悬浮液。将分散的粉粒聚集并与液体分离的操作，称为液固分离，其方法有重力沉降、离心沉降和过滤等。
重力沉降适于处理固、液相密度差比较大，固体含量不太高，而处理量比较大的悬浮液。工业上的沉降操作一般分为浓缩和澄清两大类。前者主要是为了将悬浮液增稠，后者主要是为了从比较稀的悬浮液中除去少量悬浮物，用于浓缩操作的设备称为增稠器，又叫沉降槽；用于澄清操作的设备称为澄清槽。
5．干扰沉降
工业上，悬浮液中固体含量较高，颗粒的沉降多属于干扰沉降。干扰沉降情况与自由沉降有明显区别：
（1）干扰沉降时，每个颗粒因受到附近颗粒的干扰，故受到比自由沉降时更大的阻力；
（2）干扰沉降中，大颗粒是相对于小颗粒的悬浮体进行沉降，所以介质的有效密度和有效粘度都大于纯净液体，有斯托克斯公式可知，d、p，一定时，介质的密度与粘度越大，沉降速度便越小。因此，大颗粒在有小颗粒存在的悬浮液中的沉降速度，比在澄清液中速度小；
（3）干扰沉降中，悬浮液中的小颗粒有被沉降较快的大颗粒向下拖拽的趋势。即小颗粒在悬浮液中沉降速度比在澄清液中速度大。
总之，干扰沉降时，悬浮液中大颗粒的沉降速度减慢而小颗粒加快。实验表明，对于粒度差别不超过6:1的悬浮液，所有粒子都以大体相同的速度沉降。悬浮液的沉降过程，可以通过间歇沉降试验来观测，实验中可取得的表观沉降速度与悬浮液浓度的关系，以及沉降浓度与压紧时间的关系数据。
6．沉降槽
生产中普遍应用是单层连续沉降槽，是一个底部稍带锥形的大直径圆筒形槽。料浆经中央下料筒送至液面以下0.3~1米出，即要插到悬浮液区。清液由槽壁顶端周圈上的溢流堰连续流出，称为溢流。颗粒下沉，沉渣由缓慢转动的耙集中到底部中央的卸渣口排出，称为底流。
在连续沉降槽中，上部的悬浮液很稀，颗粒的沉降速度快，而底部的密度和浓度都很高，虽然每一个颗粒的沉降终速很小，但单位时间单位面积上固体颗粒通过的总量要比槽的中部的多，因此，在连续沉降过程中，会出现一个质量速率为最小值的平面，它对沉降槽固体的产量起控制作用，称为极限平面。
7．影响沉降速度的因素
（1）干扰沉降；
（2）端效应；
（3）分子运动；
（4）颗粒形状的影响；
（5）连续介质运动。
二、沉降槽的设计
1．设计要求
车间年产量为50万吨氧化铝。反向洗涤，即往最后一个洗涤沉降槽内加热水，而往其他洗涤沉降槽内加下一次洗涤的洗水。每生产1吨氧化铝，进入分离沉降槽的稀释后溶出浆液重量是17518.03 kg，其中，铝酸钠溶液为
16668.92 kg，铝酸钠溶液苛性比a
k =1.5，铝酸钠溶液中含有：Al
2
O
3
2305.55 kg，
Na
2O
k
(苛性碱)2032.30 kg，Na
2
O
C
(碳酸钠)142.62 kg，CO
2
124.74 kg，H
2
O 12063.54
kg。整个分离沉降槽系统的料浆温度均不低于95 ℃。去稀释的一次洗液带有
6208.46 kg H
2O。每生产1吨氧化铝，赤泥中未洗净的Na
2
O
T
(苛性碱与碳酸碱浓
度之和)不应超过4.5 kg(Al
2O
3
同样不能超过4.5 kg)。（年生产天数335天）
根据以上条件，查阅相关资料，设计一个拜耳法年产50万吨氧化铝的高效深锥沉降槽。依据设备选型与整机尺寸计算，撰写设计说明书，进行整体布局，并用CAD等画出设计图，按比例标明相应的计算尺寸。
2．设计计算
（1）洗涤次数的计算
赤泥浆液流量：500000?17518.03÷335÷24=1089429.73 kg/h
由冶金计算可知，分离沉降槽底流固含流量为36608 kg/h（考虑返料量）。一级洗涤、二级洗涤、和三级洗涤的固含流量与分离沉降槽的一样。
清液流量：500000?16668.92÷335÷24=1036624.39 kg/h
1）假设采用3次洗涤
进水量计算：
沉降时水的蒸发量=16668.92?0.326%=54.34 kg；
16668.92kg铝酸钠溶液中固含=16668.92?0.200%=33.34 kg；
又损失0.05 kg，则这三项合计87.73 kg；
每生产一吨氧化铝沉降槽产出赤泥量=17518.03-16668.92-87.73=761.38 kg 来自分离沉降槽的液固比为3.0的底流带入水量=3.0?761.38=2284.14 kg 加入到最后一台洗涤沉降槽的水量设为x kg，总计为（2284.14+x）kg
耗水量计算：
液固比为2.5的弃赤泥带走的液量=761.38?2.5=1903.45 kg
送稀释的一次洗液带走的液量=6639.55 kg
总计：6639.55+1903.45=8543 kg
由进水量与耗水量相等可得：
2284.14+x=8543
x=6258.86kg=6.259 t
可见，生产1 t氧化铝需要在第3台洗涤沉降槽内加入6.259 t水。
验算洗涤次数
从分离沉降槽排入第1台洗涤沉降槽的底流量
G沉=761.38?3.0=2284.14kg=2.284 t
从第1台洗涤沉降槽排入第2台洗涤沉降槽的底流量
G1=761.38?2.85=2169.93kg=2.170 t
从第2台洗涤沉降槽排入第3台洗涤沉降槽的底流量
G2=761.38?2.7=2.056 t
从第3台洗涤沉降槽（即随赤泥）排出的溶液量
G3=761.38?2.5=1.903 t
根据每台洗涤沉降槽的液相平衡方程计算溢流量，其液相平衡方程为：用于第3台洗涤沉降槽的溢流量
S3=x+G2-G3=6.259+2.056-1.903=6.412 t
用于第2台洗涤沉降槽的溢流量
S2=S3+G1-G2=6.412+2.170-2.056=6.526 t
用于第1台洗涤沉降槽的溢流量
S1=S2+G沉-G1=6.526+2.284-2.170=6.64 t
进入第2台洗涤沉降槽的泥浆和溢流合量
G3+S1=1.903+6.64=8.543 t
采用三次洗涤是每台洗涤沉降槽中Na2O t浓度计算
计算按照1吨溶液进行。
每台洗涤沉降槽中Na2O t浓度：C沉、C1、C2、C3
C沉=（2032.5+140.62）/16668.92=0.130
碱平衡方程：
①G沉C沉+S2C2=S1C1+G1C1即2.284?0.130+6.526C2=8.81C1
②G1C1+S3C3=S2C2+G2C2 即2.17C1+6.412C3=8.582C2
③G2C2+x?0=S3C3+G3C3 即2.056C2=8.316C3
解得C 3=0.00336
G 3C 3=0.006394 t=6.394 kg
生产一吨氧化铝得损失Na 2O t 约为6.394 kg ＞4.5 kg ，所以三级洗涤沉降槽不符合要求。
2）假设采用四次洗涤
验算洗涤次
数 从分离沉降槽
排
入第1台洗涤沉降槽G 沉=761.38?3=2.284 t 从第1台带入第2台： G 1=761.38?2.875=2.189 t 从第2台带入第3台： G 2=761.38?2.75=2.094 t 从第3台带入第4台：
G 3=761.38?2.625=1.999 t 从第4台带入赤泥堆积厂：
G 4=761.38?2.5=1.903 t
根据每台洗涤沉降槽的液相平衡方程计算，其平衡方程为： 用于第4台洗涤沉降槽：S 4=x+G 3-G 4=6.355 t 用于第3台洗涤沉降槽：S 3=S 4+G 2-G 3=6.45 t 用于第2台洗涤沉降槽：S 2=S 3+G 1-G 2=6.545 t
用于第1台洗涤沉降槽：S 1=S 2+G 沉-G 1=6.64 t
采用四次洗涤是每台洗涤沉降槽中Na 2O t 浓度计算 计算按照1吨溶液进行，
每台洗涤沉降槽中Na 2O t 浓度：C 沉、C 1、C 2、C 3 、C 4
碱平衡方程：
①G 沉C 沉+S 2C 2=S 1C 1+G 1C 1 即2.284?0.130+6.545C 2=8.829C 1 ②G 1C 1+S 3C 3=S 2C 2+G 2C 2 即2.189C 1+6.45C 3=8.639C 2 ③G 2C 2+S 4C 4=S 3C 3+G 3C 3 即2.094C 2+6.355C 4=8.449C 3 ④G 3C 3+x ?0=S 4C 4+G 4C 4 即1.999C 3=8.258C 4
故C 3=4.131C 4，C 2=13.633C 4，C 1=41.631C 4，C 4=0.001067 G 4C 4 =2.031 kg
生产一吨氧化铝得损失Na 2O t 约为2.031 kg ＜4.5 kg ，所以四级洗涤沉降槽符合要求，假设合理。 Al 2O 3浓度
同理，C ’沉，1C ’，2C ’，3C ’，4C ’为23Al O 浓度
C ’沉=2305.55/16668.92=0.138
1C ’=0.04713，2C ’=0.01543，3C ’=0.004676，4C ’=0.001132
（2）溶液浓度计算
Na 2O c 所占比例=142.62/（462.62+2032.3）?100%=6.56% Na 2O k 所占比例=1-6.56%＝93.44%
表（3）由此得出洗涤沉降槽各组分浓度（%）
N c =+0.009a+0.00425N ρρ液
式中：a ，Nc ——Al 2O 3和Na 2O c 的浓度，%；
N ρ——苛性钠溶液密度，3g /cm ；
代入数据得
第1台洗涤沉降槽：
N ρ=1.086+（1.097-1.086）?（4.442-4.325）/(5.10-4.325)=1.088 g/cm 3
ρ1液=1.088+0.009×4.713+0.00425×0.2914=1.132 g/cm 3
第2台洗涤沉降槽：
N ρ=1.027+(1.102-1.091) ?（1.445-0.929）/（1.704-0.929）=1.034 g/cm 3
ρ2液=1.034+0.009?1.543+0.00425?0.0954=1.048 g/cm 3
由ρ2液推知其余各台洗涤沉降槽中溶液ρ液近似为1.000 3g /cm .
（3）沉降槽主要尺寸计算
1）沉降槽面积计算。沉降槽的面积采用下式计算：
=0.0417G /F θθωρ-沉稀浓干赤泥液（）
N c =+0.009a+0.00425N ρρ液
式中：F 沉——沉降槽的面积，2m ；
θ稀，θ浓——沉降槽进出浆液固液比；
ω——沉降槽流出液占流入液的比例，根据浆液的可沉降性在0.2~0.5
之间取值，在此取0.4；
ρ液——沉降槽流出液的密度，3g /cm ；
a ，Nc ——Al 2O 3和Na 2O c 的浓度，%；
N ρ——苛性钠溶液密度，3g /cm
ρ沉=1.187+0.009?1.383+0.00425?0.853=1.315 g/cm 3
每生产1吨氧化铝产出赤泥761.38 kg ，
每天赤泥量，G 干赤泥=0.76138?500000/335=1136.39 t/d
每小时 G 干赤泥=1136.39/24=47.35 t/h θ稀=16668.92/761.38=21.89，θ浓=3.0
F 沉=0.0417?（21.89-3）?47.35/（1.315?0.4）=70.91 m 2
分离沉降槽利用系数η=0.95时，必需的沉降面积为
F 沉=70.91/0.95=74.64 2m
计算得洗涤沉降槽 1θ稀=11.60，θ稀2=11.35
θ稀3=11.10，θ稀4=10.85
洗涤沉降槽利用系数η=0.98
1F 洗=0.0417?（11.60-2.875）?47.35/（0.4?1.132?0.98）=38.82 m 2
F 洗2=0.0417?（11.35-2. 75）?47.35/（0.4?1.048?0.98）=41.33 m 2
F 洗3=0.0417?（11.10-2.625）?47.35/（0.4?1.000?0.98）=42.69 m 2 F 洗4=0.0417?（10. 85-2. 5）?47.35/（0.4?1.000?0.98）=42.06 m 2
π/4沉沉F D = = 9.75，取沉D =10 m
1D 洗
D 洗2
D 洗3
=7.37 m D 洗4
所以4台洗涤沉降槽直径取8 m ，另外，生产中需要备用一台。共记5台直径8 m 的洗涤沉降槽。1台直径10 m 的分离沉降槽。 2）沉降槽高度
沉降槽高度可按压缩区的容积等于底流体积流量与压缩时间的乘积求得，即
1/(1)s s L
L S Q h F ρτ
ρρ?=+
78.31200321001210064.742473501=??
?
???+???=
h m
式中：1h ——槽的压紧区高度，m ；
Q ——沉降槽的固相处理量，/kg h ； τ——矿浆在槽内的停留时间，h ；
F ——沉降槽的面积，2m ； s ρ——底流密度，3kg /cm ； L ρ——清液密度，3kg /cm ； /L S ——清液与底液的流比。
大型沉降槽的清液区高度2h ，加料区高度3h 和过渡区高度4h 按经验取值，通常
为0.5～1 m 。
则槽的总高度为：
1234H h h h h =+++=3.78+0.5+0.5+0.5=5.28 m 故取高度为6 m
3）溢流堰
其尺寸通常按经验取值，溢流堰截面尺寸为300 mm ?300 mm 。 4）排泥口
通常按经验取值，排泥口截面尺寸为 φ400 mm 。
5）锥角
锥角一般取20～30°，此次设计取26°
（4）热损失的计算
按照经验观点，单层沉降槽的外表面积是沉降面积的2.7～3.0倍，此处取2.7，则
5.784/1014.34/14.322=?==D F 沉 m 2 24.504/814.34/14.322=?==D F 洗 m 2 混合槽的直径设为：D=4 m ；H=6 m,
此时，S 混=3.14D （H+D/2）=3.14?3?(6+4/2)=100.48 2
m
S 总=S 沉+4S 洗+4S 混
=78.5?2.7+4?50.24?2.7+4?100.48
=1156.46 2
m
根据实践数据设饲料箱和溢流箱以及矿浆管道的表面积，占分离沉降槽、洗涤沉降槽和混合槽总表面积的6.5％。
则S 总=1.065?1156.46=1231.63 2
m ，取1232 2
m 。
1212()()
Q Q a a S t t =?+??-
设1t =95 ℃，2t =25 ℃，那么无保温时： a 总=4.2?（8+0.05 1t ）=53.55 kJ/cm 2·h ·℃ Q=53.55?1232?(95-25)=4.62 ?106 kJ/h 其中：
分离沉降槽：661079.01232/7.25.781062.4?=??? kJ/h 洗涤沉降槽：661003.21232/24.507.241062.4?=???? kJ/h 混合槽：661051.11232/48.10041062.4?=??? kJ/h 管道：()661029.0101.51-2.03-0.79-62.4?=? kJ/h 保温效率取90％，则热损失为：
51079.0?=沉Q kJ/h ，51003.2?=洗Q kJ/h ，51051.1?=混Q kJ/h ，
51029.0?=管Q kJ/h ，51062.4?=总损Q kJ/h
此种情况下生产1吨氧化铝得单位热损失（氧化铝每小时产能是500000/(335?24)=62.19吨）是：
351027.119.62/1079.0q ?=?=沉 kJ/h 351026.319.62/1003.2q ?=?=洗 kJ/h 351043.219.62/1051.1q ?=?=混 kJ/h 351047.019.62/1029.0q ?=?=管 kJ/h 351043.719.62/1062.4q ?=?=总 kJ/h 矿浆因外界热损失的温度降低，
生产1吨氧化铝，进入沉降和洗涤系统的物料量： ①进入分离沉降槽：
稀释浆液带入的铝酸钠溶液：16668.92 ㎏
干赤泥：761.38 ㎏
②进入洗涤沉降槽 ：
浓缩浆液带入的铝酸钠溶液：2284.41㎏
干赤泥：761.38 ㎏ 热水：6258.86 ㎏
溶液、赤泥和水的热容分别为：3.65，0.90，4.2 kJ/（kg ·℃） 则C 沉=16668.92?3.65+761.38?0.9=61526.8 KJ/℃
C 洗=2284.41?3.65+761.38?0.9+6258.86?4.2=35310.6 KJ/℃ 则各部分的温度降低值为：
分离沉降槽：021.08.61526/1027.1/3
=?==沉沉c q T ℃
洗涤沉降槽：092.06.35310/1026.3/3=?==洗洗c q T ℃
混合槽：069.06.35310/1043.2/3=?==混混c q T ℃
管道：013.06.35310/1047.0/3=?==管管c q T ℃
所以总的温度降为：0.021+0.092 +0.069+0.013=0.195 ℃
因此，为使系统中所有地点的赤泥浆液的温度均不低于95 ℃，要求加入分离沉降槽的稀释料浆温度保持在100 ℃，而加入洗涤系统的热水温度应为96～97 ℃。
三、工作原理
1．工作原理：
沉降槽的中央下料筒插入到悬浮液区，待分离的悬浮液（料浆）经中央下料筒送到液面以下0.1-1.0 m 处，在尽可能减小扰动的条件下，迅速分散到整个横截面上，液体向上流动，清液经由槽顶端四周的溢流堰连续流出，称为溢流；固体颗粒下沉至底部，缓慢旋转的耙机（或刮板）将槽底的沉渣逐渐聚拢到底部中央的排渣口连续排出，排出的稠泥浆称为底流。耙机的缓慢转动是为了促进底流的压缩而又不至于一起搅动。料液连续加入，溢流及底流则连续排出。当连续式沉降槽的操作稳定之后，各区的高度保持不变，如下图所示。
2．使用条件：
（1）处理单位固体量所需沉降面积为0.028-0.056 )/(2d t m ?，甚至低于0.014 )/(2d t m ?。
（2）末次洗涤清液固含不高于0.2 g/L,末次洗涤底流固含为46％-53％，末次洗涤底流附碱不大于5 kg/t 。
（3）测控系统的先进性。
四、设计小结
为期2周的冶金设备课程设计结束了，通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关沉降槽方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。通过查阅了相关的文献与资料，我对沉降槽的原理、结构、特点有了一定的了解，明确了设计思路；学会了设计沉降槽的相关计算及计算时的注意事项；对于用CAD 用于画图有了一定的了解和掌握。在以后的学习和工作中遇到相同的问题时，能借鉴此次设计的一些经验进行处理，对以后的学习和工作有很大帮助。
此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。
五、参考文献
1．朱云.冶金设备[M].北京：冶金工业出版社，2013:154-156
2．朱云，徐瑞东.冶金设备课程设计[M].北京：冶金工业出版社，2010:54-60 3．朱龙，陈磊.AutoCAD 2012基础教程.北京：科学出版社，2013.1 4．吴艳萍.机械制图.北京.中国铁道出版社.2007.7（2012.8重印）