CN101072643A

CN101072643A - 使用直接供给的高功率超声能量处理磷酸盐材料

Info

Publication number: CN101072643A
Application number: CN 200580041905
Authority: CN
Inventors: 亚历山大·帕特斯特; 戴伦·迈尔斯·贝茨; 克伦·A·米科拉; 约翰·亚撒隆尼斯; 特伦特·万泽瓦克斯; 唐纳德·克拉克
Original assignee: Cargill Inc
Current assignee: Cargill Inc
Priority date: 2004-10-22
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2025-10-24
Also published as: AR051644A1; CN100540463C; ZA200704050B

Abstract

在磷酸盐矿石的选集工艺中提供了一种浆体，其具有30－70％重量的液相和含有粘土、砂和磷酸盐矿石的固相。在所述工艺中，使所述浆体接受被置于其中的超声焊极(sonotrode)所释放的超声能量。可使所述浆体接受的超声能量少于10秒钟。超声能量可由压电陶瓷换能器(piezoceramictransducer)产生以具有16－100kHz的共振频率。所述超声能量可具有0.0001W/cm³至约1000W/cm³的强度。超声能量可在所述浆体内产生空化力(cavitational forces)。在接受超声能量之后，粘土和砂从磷酸盐矿石中被分离，可能使用空气浮选(air flotation)方法和旋流(cycloning)方法。

Description

使用直接供给的高功率超声能量处理磷酸盐材料

相关申请的交叉引用

本申请基于并据此要求2004年10月22日向美国专利商标局提交的美国临时专利申请60/620,721和2005年9月2日向美国专利商标局提交的美国非临时专利申请11/217,446的优先权，在这里将其内容通过引用并入本文。

发明背景

图1是描绘磷酸盐矿石被挖掘后的处理的示意图。从地面回收的磷酸盐矿石是“基质”形式，它包括磷酸盐砂砾、砂和粘土。在采矿后，所述基质从索斗铲(dragline)1被抽入泵站3。所述基质被泵入洗涤设备5，生成卵石产品(pebble product)、废粘土和小颗粒。所述小颗粒被送至分筛设备7，并随后至浮选设备9。

图2是图1中所示的洗涤设备的示意图。基质从泵部分3被供给至接收部分501，其接收并降低进入基质的速度。然后将所述基质送至粗粒筛(scalping screens)503(“回旋筛”)。粗粒筛503的功能是筛出直径大于1英寸(+1英寸)的颗粒。直径小于1英寸(-1英寸)的颗粒进入基质槽505。+1英寸的物质进入泥球切碎机(mudball slicer)507。所述泥球以相对干的状态进入泥球切碎机507并使用高压水被切碎。所述水打碎泥球而不一定生成浆体。在打碎泥球之后，所述物质通过另外一个筛(未显示)被送走，以进行所示的+1英寸、-1英寸的分离。+1英寸的颗粒形成废流。-1英寸的颗粒被送至基质槽505。

在基质槽中加入水。一部分细粘土在该操作过程中悬浮。来自基质槽的悬浮的粘土被送至脱泥。剩余的颗粒被送至洗矿机(log washers)509。在洗矿机中，其上带有搅拌器的轴杆在槽中旋转，导致进入的物质被磨碎，以致较小粘土颗粒被分解。至洗矿机的进料是可能含有30％的固体的浆体。这些固体是直径小于1英寸的颗粒并含有磷酸盐颗粒、砂颗粒和粘土颗粒。由于连接于旋转轴杆的搅拌器的运动所引起的颗粒相互摩擦，洗矿机对进入的材料进行碾磨和擦洗。

从洗矿机509，材料被送至筛511，所述筛分离出直径大于1mm的磷酸盐卵石产品。该磷酸盐卵石产品是一种能够被随后被利用而无需进一步加工的磷酸盐浓缩物。直径小于1mm的颗粒对进一步加工没有足够高的磷酸盐含量。直径小于1mm的颗粒包括砂和磷酸盐颗粒，它们大约是同样的大小和重量，因而使其他分离技术变得困难。

这些较小颗粒包被有粘土并被送至脱泥以去除粘土。图3是脱泥过程的示意图。在图3中，水力旋流器(hydrocyclones)被用来分离较细和较粗的颗粒。较细的颗粒超出旋流器的顶部而排出并含有粘土。较细的颗粒被送至废粘土(waste clays)。较粗的颗粒被认为是清洁的进料(feed)。较粗的颗粒从旋流器的底部排出并被送至分选(sizing)。

图4是分选过程的示意图。在图4中，颗粒被送至一系列的分选机(sizers)。分选机包括细分选机701、粗分选机703和超粗分选机705。在被提供给浮选9之前，颗粒从不同的分选机被送至分开的储存槽。浮选过程必须连续进行，三个储存槽的一个目的是提供一个缓冲以补偿分选之前或之中发生的任何流动问题。细、粗和超粗颗粒统称为“进料”物质。

图5是图1中所示的浮选过程9的示意图。在进料经脱泥和分选后，细、粗和超粗颗粒被分别地悬浮。在分选之后，颗粒储存在水中。浮选的第一步是去除脱水旋流器901中的水。水被去除以便所述进料可能有70％的固体。在脱水旋流器901中，细粘土颗粒作为溢流排出(未显示)。贯穿上述处理过程，去除粘土是重要的，因为脱水后的步骤采用化学物质且所述粘土作为这些化学物质的稀释剂而起作用。由于较少的粘土，需要较小量的化学物质，从而减少了操作成本。颗粒从脱水旋流器901被送至调节过程903。在调节过程中，试剂被加至进料，所述进料在脱水旋流器之后基本上是不含粘土的。pH被升高，可能至大约9。例如，70％的碳酸钠(soda ash)溶液可被用来升高pH。在调节过程中还可加入脂肪酸/妥尔油(tall oil)试剂。由于表面化学反应，所述试剂包裹磷酸盐颗粒。所述试剂不包裹砂颗粒。经过调节903后，包被的颗粒被送至粗选(rougher)浮选过程905。

包被的磷酸盐颗粒是疏水性的。在粗选过程905中，空气通过浮选柱或其他浮选机而冒泡。包被的磷酸盐颗粒因为进入的空气而悬浮至所述柱或其他浮选机的顶部。悬浮离开所述柱顶部的磷酸盐颗粒被收集并送至酸擦洗907。砂颗粒未被包裹并未悬浮。砂颗粒从粗选过程905的底部排出。

疏水性磷酸盐颗粒连同一些细砂颗粒被送至酸擦洗907，其中一种酸(如硫酸)去除包裹磷酸盐颗粒的脂肪酸/妥尔油混合物。擦洗后，所述颗粒被送至清洗机浮选过程911，其中使用了胺溶液。所述胺溶液使砂漂浮离开所述柱的顶部而留下基本上清洁的磷酸盐浓缩产品。

尽管前述过程作用良好，但有很多步骤且运转昂贵。已经进行了不同的尝试来改良所述过程。例如，Jacobs Engineering Group，″New Technologyfor Clay Removal，″Publication No.02-138-177(Florida Institute of PhosphateResearch，2001)提出了使用震动坡道(vibrating ramp)来分离泥球。超声发生器在坡道(ramp)中引起震动。然而，超声波和物质之间没有直接的接触。不可能传递足够的能量来分离。

发明概述

为解决这些和其他关心的问题，本发明人提出了直接供给超声能量(ultrasonic energy)至不纯的磷酸盐中间体的系统。所述超声能量可通过设置与磷酸盐物质的浆体流直接接触的超声波导(waveguide)或焊极(sonotrode)而被供应。

本发明人建议使用高能超声波引起在磷酸盐浆体中形成空化气泡(cavitation bubbles)。超声波是一系列的每秒中发生数千次的稀薄(rarefactions)中的压缩(compressions)。超声波压缩并扩张浆体中的水分子而引起一些水分子蒸发。这些水蒸汽的气泡连同夹带的气体(如空气)的气泡被认为可长到直径为1和10微米的大小。随着重复的压缩和稀薄，气泡中的温度被认为可接近5000℃，且气泡中的压力被认为可接近2000大气压。在这种能量的增加之后，所述气泡在一个压缩循环中瓦解而释放出强大的能量波。随着颗粒间的相互碰撞和颗粒与管道间的碰撞，磷酸盐基质分解。粘土从磷酸盐颗粒中去除。不同于Jacobs震动系统，颗粒能够有效地被分解。

附图简述

从接下来的优选实施方案的描述并结合下述附图，本发明的这些及其他目的和优点将变得更明显和更容易理解：

图1是描述磷酸盐矿石被挖掘后的处理的示意图；

图2是图1中所示的洗涤设备的示意图；

图3是图1中所示的脱泥设备的示意图；

图4是图1中所示的分选设备的示意图；

图5是图1中所示的浮选设备的示意图；

图6是超声流动小室(flow cell)的侧面剖视图；

图7是浆体流管道中超声设备的部分去除的侧面图；和

图8是图7中所示的设备的端视图。

优选实施方案的详细描述

现在将详细参考本发明的优选实施方案，其例子在附图中有所描述，其中同样的参考号在通篇代表同样的元件。

超声能量能够在许多不同的位置直接提供给图1系统，只要存在其中能容纳超声波导的磷酸盐物质的浆体。超声能量被提供的位置取决于系统效率能够被最有效增加的位置。

尽管许多位置是可能的，但有几个优选位置用于超声设备。首先，超声设备可在洗涤机5的接收部分501(见图2)之前使用。在这个位置，超声能量可被用来分解基质以致几乎所有颗粒具有小于1英寸的直径。这种情况下，泥球切碎机507可以不是必要的。

用于超声设备的第二个可能的位置是与泥球切碎机507串联或者取代泥球切碎机507。来自粗粒筛503的物质将被制成浆体并通过其中具有一个或多个超声波导的管道传送。在使用超声能量处理后，筛可被用来分离出任何剩余的直径大于1英寸的颗粒。直径小于1英寸的颗粒将被送至基质槽505。

用于超声设备的第三个可能的位置是增强或取代洗矿机509。存在于基质槽505的蒸汽是浆体。一个或多个超声波导能够被置于运送该浆体的管道中以打碎颗粒并将粘土从磷酸盐去除。如果超声设备充分处理来自基质槽505的浆体，则洗矿机509可被去掉。否则，洗矿机509能够与超声设备串联使用。

用于超声设备的第四个可能的位置是在浮选设备9之前。超声设备可被置于脱水旋流器901(见图5)与用于细、粗和超粗颗粒的储存槽之间。在这个位置，超声设备会将粘土从颗粒去除，从而降低调节903、酸擦洗907和清洗机浮选911所需要的化学物质的量。通过该超声设备从磷酸盐颗粒分离的粘土将作为溢流排出脱水旋流器。该粘土将不会供给至调节过程903。

图6是超声流动小室的侧面剖视图。超声流动小室是传递超声能量至细颗粒浆体的设备。照这样，超声流动小室可在第四位置使用，在浮选9之前。在所述过程中的这一点上，颗粒的直径小于1毫米。流动小室将在细、粗或超粗储存槽与脱水部分901之间的泵管中被连接。引用号601表示从储存槽的入口。浆体向上穿过内套管，超过超声波导(或“超声焊极”)603。在流动小室的顶端，浆体在内室壁605附近改变方向。浆体向下流至出口607。

含有外壁609、内壁605、进口601和出口607的套管可由单块材料或不同部分制成。所述套管可由具有良好反射性质的不锈钢构成。使用不锈钢，流动小室内的能量波被反射回入浆体而不是被吸收。其他材料，如塑料和玻璃，也可被使用。然而，塑料可吸收大部分能量波。塑料和玻璃都不能结实到足以在延长的时间内经受磷酸盐进料中砂和粘土的处理。

有两个通路经过流动小室，一个向上通路和一个向下通路。两个通路增加滞留时间。向下通路还控制流动以减少小室顶端的湍流。向下通路允许超声波在整个介质的平均分布。大部分分离在第一、内部通路中获得，其中浆体与超声焊极603直接接触。

超声焊极603能够具有不同的构型。超声波从超声焊极的所有部分发射出，包括底端。经典的放射超声焊极发射超声波，放射状向外穿过周围管道。超声焊极能够由钛、不锈钢、铝、哈斯特洛合金(hastalloy)(抗化学物质的)、铌合金(抗热的)或其他任何适宜的物质。钛是用于超声焊极的优选材料。

套管的外面是超声设备的剩余部分。超声焊极603是超声设备与浆体相互作用的唯一部分。发电机611(用于电力供应和功率控制)、压电陶瓷换能器613和放大器615提供超声振动至超声焊极603。AC电流从发电机611被提供给换能器613。发电机可接收480伏的输入信号并生成60赫兹的AC电流。在换能器613中，压电陶瓷晶体被供以AC电流。AC电流改变所述晶体的极性，引起膨胀和收缩，因而产生超声振动，所述振动被超声焊极603所放大。换能器613通过抗振动凸缘(flange)617与超声焊极603相连，所述凸缘限制了从流动小室到其他设备的经由振动的能量损失。

放大器615放大/强化超声波或减少所述波的振幅。所述波的振幅应该与超声焊极603的长度相对应。如果振幅太高，则发生去耦，其限制能量传递至浆体介质。放大器控制放大作用，从而控制从超声焊极释放的能量的量。

主要的共振频率部分取决于压电陶瓷晶体的振动频率。共振频率能够在16千赫至100千赫之间变化。20千赫频率已经被成功使用。系统内温度和压力的改变引起频率的改变。因此，系统必须被监测以追踪共振频率以在最大输出功率下操作。否则，效率会显著下降。压电陶瓷换能器在主要共振频率的任一侧扫描2千赫，为约4千赫的总带宽。超声信号的波长与超声焊极603的长度直接成比例。

图7是浆体流管道内超声设备的部分去除的侧视图。图8是图7中所示设备的端视图。当颗粒较大时，它们可轻易流经图6中所示的流动小室。在这种情况下，超声设备可被加至管道以致超声波导803垂直于流动方向(取代平行于流动方向)延伸，如图6中所示。图7和8中所示的实施方案可用于超声设备的第一至第三位置。

图7和8中所示的管道805可以是加工厂内的现有管道。例如，管道805可以是粗粒筛503和泥球切碎机507之间的20英寸的管道。管道805可运送“基质”的浆体从矿场至工厂。可在现有管道805中钻孔以插入超声焊极803。抗振动凸缘被安装在所述孔中。包括放大器615、压电陶瓷换能器613和AC发电机在内的电设备将保持在管道外。

重要的是，递送至浆体的功率要足以分离物质。所述功率的定额是基于管道的横截面积和/或基于总体积。为增加功率，至超声焊极803的信号能够被放大。如果使用单个超声焊极803不能获得足够的功率，则可使用附加的超声焊极。附加的超声焊极可围绕管道周围分开和/或沿着管道的长度而分开。1998年11月20日提交的英国专利申请9825349.5描述了超声焊极的不同构型，据此通过引用将其并入本文。

显然，图7和8中所示的超声焊极803与图6中所示的超声焊极603具有不同的构型。不同的超声焊极构型是可能的。图7和8中所示的超声焊极803具有齿，该齿增加了超声波的表面积和强度。所述齿还改变了通过管道的流动，产生涡旋回流效应。这增加了介质在超声焊极803附近的滞留时间。所述齿进一步产生介质中的湍流，使颗粒相互碰撞和颗粒与超声焊极803的碰撞增加。

本发明已经通过具体参考其优选实施方案和例子而被详细描述，但要理解，变形或改进可以在本发明构思和范围内有效。

Claims

1.一种用于选集磷酸盐矿石的工艺，其包括：

提供一种具有重量比为30％至70％的液相和含有粘土、砂和磷酸盐矿石的固相的浆体，所述浆体以0℃-95℃的温度和不超过约20帕的回压被提供；

将所述浆体暴露于所述浆体中设置的超声焊极所释放的超声能量，所述浆体暴露于所述超声能量少于10秒钟，所述超声能量由压电陶瓷换能器产生以具有16千赫至100千赫的共振频率，所述超声能量具有0.0001W/cm³至约1000W/cm³的强度，所述超声能量在所述浆体内产生空化力；和

使用空气浮选方法和旋流方法将所述粘土和砂从所述磷酸盐矿石分离。

2.一种用于选集磷酸盐矿石的工艺，其包括：

提供一种含有粘土、砂和磷酸盐矿石的浆体；

将所述浆体暴露于所述浆体中设置的超声焊极所释放的超声能量；和

将所述粘土和砂从所述磷酸盐矿石分离。

3.如权利要求2所述的工艺，其中所述浆体经受所述超声处理少于约10秒钟。

4.如权利要求2所述的工艺，其中所述浆体包含液相和固相，所述固相包含所述粘土、砂和磷酸盐矿石。

5.如权利要求4所述的工艺，其中所述粘土基本存在于所述磷酸盐矿石的表面，以致所述浆体具有粘土包被的磷酸盐矿石，且所述砂颗粒与所述粘土包被的磷酸盐矿石颗粒在尺寸上相似。

6.如权利要求5所述的工艺，其中所述砂颗粒和所述粘土包被的磷酸盐矿石颗粒具有的尺寸大于约106微米(150目Tyler标准筛)。

7.如权利要求2所述的工艺，其中使用空气浮选方法和旋流方法将所述粘土和砂从所述磷酸盐矿石分离。

8.如权利要求2所述的工艺，其中所述浆体包含液相和固相，所述固相具有至少一个粘土球，所述粘土球包含所述粘土、砂和磷酸盐矿石的紧密混合物，且所述粘土球大于1mm(16目Tyler标准筛)。

9.如权利要求8所述的工艺，其中所述粘土球包括所述粘土对砂对磷酸盐矿石的重量比约为1∶1∶1。

10.如权利要求8所述的工艺，其中所述粘土球基本上被分解为它的组成部分的所述粘土、砂和磷酸盐矿石。

11.如权利要求2所述的工艺，其中所述超声能量在所述浆体内产生空化力。

12.如权利要求2所述的工艺，其中所述超声能量在所述浆体内产生声微流。

13.如权利要求2所述的工艺，其中所述超声能量由压电陶瓷换能器产生。

14.如权利要求13所述的工艺，其中所述超声能量具有约0.0001W/cm³和约1000W/cm³之间的强度范围。

15.如权利要求2所述的工艺，其中所述浆体以0℃至95℃的温度被提供。

16.如权利要求2所述的工艺，其中所述浆体以不超过约20帕的回压被提供。

17.如权利要求4所述的工艺，其中所述液相占所述浆体质量的约30％至约70％。

18.如权利要求2所述的工艺，其中所述超声能量具有从16千赫到100千赫的共振频率。

19.一种用于选集磷酸盐矿石的装置，其包括：

一进口，以接收粗制磷酸盐矿石浆体；

一出口，用于喷射处理过的磷酸盐矿石浆体；

一传送套管，其连接所述进口至所述出口以传送所述浆体从所述进口至所述出口；

一压电陶瓷换能器，以产生超声能量；和

一超声焊极，其位于所述传送套管内以直接放射超声能量至所述浆体。

20.如权利要求19所述的装置，其中所述超声焊极是钛超声焊极。

21.如权利要求19所述的装置，其中所述压电陶瓷换能器提供在约0.0001W/cm³至约1000W/cm³之间的强度至所述粗制磷酸盐矿石浆体。

22.如权利要求19所述的装置，其中所述压电陶瓷换能器提供约1微米至约150微米的振幅。