CN106573210A - 用于对油砂细粒尾矿进行絮凝和脱水的管线内动态混合装置 - Google Patents

用于对油砂细粒尾矿进行絮凝和脱水的管线内动态混合装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种管线内混合装置以及其用于添加聚合物溶液和使水性矿物质悬浮液脱水的用途。所述方法包含对所述水性矿物质悬浮液与聚(氧化乙烯)(共)聚合物进行静态混合以形成面团样物料。然后使粘稠的混合物物料在管线内反应器40中动态混合以降低混合物粘度且形成微絮体且释放水。所述方法特别适用于处理微粒物料悬浮液，尤其是废弃矿物质浆液，尤其用于处理尾矿和由矿物质处理(具体地说，油砂尾矿处理)产生的其它废物。

Description

用于对油砂细粒尾矿进行絮凝和脱水的管线内动态混合装置
技术领域
本发明涉及一种使用聚合物絮凝剂组合物处理水性矿物质悬浮液(特别是废弃物矿物质浆液)的管线内动态混合装置和方法，所述组合物优选包含聚(氧化乙烯)均聚物或共聚物。本发明的方法特别适用于处理尾矿和在矿物质处理(具体地说，油砂尾矿处理)中所产生的其它废物。
背景技术
采矿操作(如油砂采矿操作)所产生的尾矿液流典型地由水和固体颗粒组成。为了回收水且使固体固结，必须应用固/液分离技术。在油砂处理中，典型的新鲜尾矿流包含水、沙子、粉砂、粘土和残余沥青。油砂尾矿典型地包含大量的细颗粒(其定义为小于44微米的固体)。
沥青萃取工艺是使用热水和化学添加剂(如氢氧化钠或柠檬酸钠)从矿体中除去沥青。这些化学添加剂的副作用是其会改变固有水化学性。水相中的无机固体以及残余沥青获得负电荷。由于静电排斥力强，因此细颗粒形成不容易通过重力沉降的稳定悬浮液，即使在相当长的时间后。实际上，如果悬浮液单独搁置3-5年，将形成凝胶样层(称为成熟细粒尾矿(MFT))且这种类型的尾矿非常难以固结，即使使用当前技术。
最新的MFT脱水方法揭露于WO 2011/032258和WO 2001/032253中，其描述经由导管(如管道)管线内添加絮凝剂溶液(如聚丙烯酰胺(polyacrylamide，PAM))到油砂尾矿流中。将絮凝剂分散于油砂尾矿中之后，絮凝剂和尾矿在其行进通过管道时继续混合且所分散的粘土、粉砂和沙子粘合在一起(絮凝)而形成较大结构(絮凝体)，所述结构当最后沉积于沉积区域时可以与水分离。然而，混合和剪切的程度依赖于物料通过管道的流速以及管道长度。因此，油砂细粒尾矿的流体性质或流速的任何变化对混合与剪切以及最后的絮凝均有影响。因此，如果有一段开放管道，那么会难以控制絮凝，因为仅通过改变流速难以独立地控制剪切速率与滞留时间。
CA专利申请第2,512,324号提出在尾矿作为流体转移到沉积区域期间(例如经由管道或导管将尾矿转移到沉积地点的同时)，向油砂细粒尾矿中添加水溶性聚合物。然而，由于尾矿物料通过管道的流速和流体性质发生变化，因此再次难以控制聚合物絮凝剂与尾矿的适当混合。
美国公开第2013/0075340号揭露了一种对油砂尾矿进行絮凝和脱水的方法，所述方法包含：将油砂尾矿作为水性浆液添加到搅拌槽反应器中；向含有油砂尾矿的搅拌槽反应器中添加有效量的聚合物絮凝剂，如带电荷或不带电荷的聚丙烯酰胺；将絮凝剂和油砂尾矿动态混合足以形成凝胶样结构的时间段；使凝胶样结构在搅拌槽反应器中经受剪切条件，经受的时间段足以使凝胶样结构破碎而形成絮凝体且释放水；以及当絮凝的油砂细粒尾矿的最大屈服应力开始下降时，但在絮凝的油砂细粒尾矿的毛细抽吸时间开始从其最低点实质上增加之前，从搅拌槽反应器中移出絮凝的油砂细粒尾矿。
虽然聚丙烯酰胺通常适用于尾矿固体的快速固结，但其对于细颗粒的絮凝具有高度的剂量敏感性且很难找到据以使大部分细颗粒絮凝的条件。因此，从PAM固结过程中回收的水通常品质较差且由于水中的细粒含量高，因此对于再循环来说可能不够好。另外，经PAM处理的尾矿对剪切敏感，因此将经处理的增稠尾矿运输到专门的处置区域(dedicateddisposal area，DDA)和一般物料处理可变得进一步具有挑战性。
或者，聚氧化乙烯(PEO)已知为尾矿絮凝剂，相较于PAM，聚氧化乙烯能够产生浊度更低的清液层，参见例如USP 4,931,190；5,104,551；6,383,282；WO 2011070218；Sharma,S.K.，Scheiner,B.J.，和Smelley,A.G.，(1992)，使用PEO对Alaska Pacer排出物进行脱水(Dewatering of Alaska Pacer Effluent Using PEO)，美国内政部矿务局(UnitedStates Department of the Interior,Bureau of Mines)，调查报告9442；以及Sworska,A.，Laskowski,J.S.，和Cymerman,G.(2000)，合成原油细粒尾矿的絮凝第II部分：流体动力学条件的影响(Flocculation of the Syncrude Fine Tailings Part II.Effect ofHydrodynamic Conditions)，《国际采矿工艺杂志(Int.J.Miner.Process)》，60，第153-161页。然而，由于PEO聚合物与粘土基浆液的高粘度导致混合和处理困难，因此尚未发现PEO聚合物在商业上广泛用于油砂尾矿处理。
尽管存在很多方法和其中所用的聚合物絮凝剂，但仍然需要进一步改善物料悬浮液的沉降和固结以及进一步改善废弃固体悬浮液脱水的絮凝方法，所述废弃固体已经作为流体或浆液转移到沉降区域进行处置。具体地说，希望提供已转移到处置区域的废弃悬浮液(如油砂尾矿)的更有效处理，从而确保固体浓度提高及所释放的水澄清度改善，同时使剪切稳定性改善且使剂量耐受范围更宽。
发明内容
本发明是一种对油砂细粒尾矿进行絮凝和脱水的方法，所述方法包含以下步骤：i)使得油砂细粒尾矿的水性悬浮液在管线内流动通过管道，所述管道具有内径；ii)向油砂细粒尾矿的水性悬浮液中引入絮凝剂组合物，所述絮凝剂组合物包含聚(氧化乙烯)(共)聚合物，优选聚(氧化乙烯)均聚物、聚(氧化乙烯)共聚物，或其混合物；ⅲ)在不使用动态混合器(例如不存在移动部件，如输入额外能量t的旋转叶轮)、不输入能量的情况下，将絮凝剂组合物与油砂细粒尾矿水性悬浮液混合足以形成面团样物料的时间段；iv)经由管道将面团样物料引入管线内反应器中，其中管线内反应器的内径等于或小于管道内径的五倍；v)使面团样物料在管线内反应器内经受动态混合，经受的时间段足以破碎面团样物料以形成微絮体且释放水，其中所得絮凝油砂尾矿具有等于或小于1,000cP的粘度以及等于或小于300Pa的屈服应力，且所述微絮体具有1微米到500微米的平均尺寸；vi)使絮凝油砂细粒尾矿从管线内反应器流经管道或一或多个静态混合器或管道与一或多个静态混合器的组合；以及vii)进一步处理所絮凝的油砂细粒尾矿或使所絮凝的油砂细粒尾矿沉积。
上文所述的本发明方法的一个实施例进一步包含以下步骤：viii)将絮凝的油砂细粒尾矿添加到至少一个离心机中以使絮凝的油砂细粒尾矿脱水且形成高含固量滤饼和低含固量离心分离液。
上文所述的本发明方法的另一个实施例进一步包含以下步骤：viii)将絮凝的油砂细粒尾矿添加到增稠器中，以使絮凝的油砂细粒尾矿脱水且产生增稠的油砂细粒尾矿和澄清水。
上文所述的本发明方法的另一个实施例进一步包含以下步骤：viii)将絮凝的油砂细粒尾矿添加到至少一个沉积槽中，如用于脱水的加速脱水槽。
上文所述的本发明方法的另一个实施例进一步包含以下步骤：viii)将絮凝的油砂细粒尾矿在倾斜的沉积地点铺展成薄层。
在上文所揭露的本发明方法的一个实施例中，聚合物絮凝剂是环氧乙烷与以下各物中的一或多种的聚(氧化乙烯)均聚物或聚(氧化乙烯)共聚物：表氯醇、环氧丙烷、环氧丁烷、氧化苯乙烯、环氧基官能化疏水性单体、缩水甘油醚官能化疏水性单体、硅烷官能化缩水甘油醚单体或硅氧烷官能化缩水甘油醚单体。
在上文所揭露的本发明方法的一个实施例中，聚(氧化乙烯)(共)聚合物具有等于或大于1,000,000Da的分子量。
附图说明
图1是本发明方法的实施例A到实施例D的示意图。
图2是本发明方法的一个实施例的动态混合装置的平面示意图，其用于絮凝剂与油砂细粒尾矿水性悬浮液的动态混合。
图3绘示了用于本发明的动态混合装置的两种不同转子设计。
图4绘示了用于本发明动态混合装置的两种不同定子设计。
图5是利用本发明方法所产生的微絮体的照片副本。
图6图示了实例2的沉降曲线，其中成熟细粒尾矿经本发明的方法处理。
图7提供了从转子/定子总成的CFD模拟获得的速度向量和剪切速率概况的图。
图8提供了从转子/壁挡板总成的CFD模拟获得的速度向量和剪切速率概况的图。
图9是本发明方法的第二个实施例的动态混合装置的示意性平面图，所述动态混合装置用于对絮凝剂与油砂细粒尾矿水性悬浮液进行动态混合。
具体实施方式
根据本发明，我们提供一种使水性矿物质悬浮液脱水的方法，所述方法包含将絮凝组合物引入所述悬浮液中，所述絮凝组合物包含聚(氧化乙烯)均聚物、聚(氧化乙烯)共聚物或其混合物，在下文中统称为“聚(氧化乙烯)(共)聚合物”。典型地，待絮凝的物料可以来源于或含有滤饼、尾矿、增稠器下溢物或未增稠的工厂废料流，例如其它矿物质尾矿、浆液或粘土，包括磷酸盐、钻石、金粘土、矿物砂、来自锌、铅、铜、银、铀、镍、铁矿石处理的尾矿、煤、油砂或红泥浆。物料可以是在矿物质处理操作的最后增稠器或洗涤阶段中沉淀的固体。因此，物料宜产生自矿物质处理操作。物料优选包含尾矿。优选地，矿物质物料是选自红泥浆和含有粘土的尾矿，如油砂尾矿等。
油砂尾矿或其它矿物质悬浮液可以具有5重量％到80重量％范围内的含固量。浆液或悬浮液通常具有10重量％到70重量％(例如25重量％到40重量％)范围内的含固量。典型细尾矿样品中粒子的尺寸基本上全部小于45微米，例如约95重量％的物料是小于20微米的颗粒且约75％小于10微米。粗尾矿实质上大于45微米，例如约85％大于100微米，但通常小于10,000微米。细粒尾矿和粗粒尾矿可以任何适宜的比率存在或合并在一起，其条件是物料可用泵抽取。
分散的微粒固体可具有粒度的单峰、双峰或多峰分布。分布通常将具有细粒部分和粗粒部分，其中细粒部分峰实质上小于44微米并且粗粒(或非细粒)部分峰实质上大于44微米。
本发明方法的絮凝剂组合物包含聚合物絮凝剂，优选聚(氧化乙烯)均聚物、聚(氧化乙烯)共聚物或其混合物。聚(氧化乙烯)(共)聚合物和制备所述聚合物的方法已为人知，参见例如WO 2013116027。在本发明的一个实施例中，可以使用锌催化剂(如US 4,667,013中揭露)制备本发明的聚(氧化乙烯)(共)聚合物。在一个优选实施例中，制备本发明的聚(氧化乙烯)(共)聚合物所用的催化剂是钙催化剂，如US 2,969,402；3,037,943；3,627,702；4,193,892；以及4,267,309中所揭露的那些钙催化剂，这些文献全部整体并入本案供参考。
优选的锌催化剂是烷醇锌催化剂，如USP 6,979,722所揭露，所述文献整体并入本案供参考。
优选的碱土金属催化剂称为“改性的碱土金属六氨络合物(hexammine)”或“改性的碱土金属六氨合物(hexammoniate)”，技术术语“氨”和“氨合物”是同义的。生产本发明的聚(氧化乙烯)(共)聚合物所用的改性碱土金属六氨络合物是如下制备：将至少一种碱土金属(优选钙金属、锶金属或钡金属、锌金属，或其混合物，最优选钙金属)；液氨；环氧烷(任选地经芳香族基团取代)和具有至少一个酸性氢原子的有机腈混合，以制备改性的碱土金属六氨络合物于液氨中的浆液；将改性的碱土金属六氨络合物于液氨中的浆液连续地转移到汽提容器中且连续地蒸发氨，从而使改性催化剂在汽提容器中聚积；以及在改性的碱土金属六氨络合物浆液完全转移到汽提容器中后，使改性催化剂老化，以获得最终的聚合催化剂。在上文所述的本发明的碱土金属催化剂的一个优选实施例中，环氧烷是环氧丙烷且有机腈是乙腈。
所述方法中使用催化活性量的碱土金属催化剂制备本发明的聚(氧化乙烯)(共)聚合物，催化剂的用量优选每克环氧化物单体(所有单体的组合重量，例如环氧乙烷和硅烷官能化或硅氧烷官能化缩水甘油醚单体)0.0004g到0.0040g碱土金属，优选每克环氧化物单体0.0007g到0.0021g碱土金属，更优选每克环氧化物单体0.0010g到0.0017g碱土金属，且最优选每克环氧化物单体0.0012g到0.0015g碱土金属。
在常规的环氧化物聚合方法中，典型地在悬浮聚合方法中，催化剂可以干燥或浆液形式使用。按环氧化物单体进料的重量计，催化剂的使用浓度可以在0.02重量％到10重量％范围内，如0.1重量％到3重量％。
聚合反应可以在较宽的温度范围内进行。聚合温度可以在-30℃到150℃的范围内并且取决于多种因素，如所用环氧化物单体的性质、所用特定催化剂和催化剂的浓度。典型温度范围是0℃到150℃。
压力条件不受特别限制并且压力是根据聚合工艺中所用的稀释剂和共聚单体的沸点来设定。
一般来说，反应时间将依据以下因素而变：操作温度、所用共聚单体的性质、特定催化剂和所用浓度、惰性稀释剂的使用，和其它因素。如本文所定义，共聚物可以包含超过一种单体，例如可以存在两种共聚单体、三种共聚单体、四种共聚单体、五种共聚单体等。适合的共聚单体包括(但不限于)表氯醇、环氧丙烷、环氧丁烷、氧化苯乙烯、环氧基官能化疏水性单体、缩水甘油醚或缩水甘油基丙基官能化疏水性单体、硅烷官能化缩水甘油醚或缩水甘油基丙基单体、硅氧烷官能化缩水甘油醚或缩水甘油基丙基单体、胺或季胺官能化缩水甘油醚或缩水甘油基丙基单体，以及含有缩水甘油醚或缩水甘油基丙基官能化氟化烃的单体。特定的共聚单体包含(但不限于)2-乙基己基缩水甘油醚、苯甲基缩水甘油醚、壬基苯基缩水甘油醚、1,2-环氧癸烷、1,2-环氧辛烷、1,2-环氧十四烷、缩水甘油基2,2,3,3,4,4,5,5-八氟戊基醚、缩水甘油基2,2,3,3-四氟丙基醚、辛基缩水甘油醚、癸基缩水甘油醚、4-氯苯基缩水甘油醚、1-(2,3-环氧丙基)-2-硝基咪唑、3-缩水甘油基丙基三乙氧基硅烷、3-缩水甘油基氧基丙基二甲基乙氧烷硅烷、二乙氧基(3-缩水甘油基氧基丙基)甲基硅烷、封端的聚(二甲基硅氧烷)单缩水甘油基醚，以及(3-缩水甘油基丙基)三甲氧基硅烷。聚合时间可以持续数分钟到数日，这依据所用条件而定。优选时间是1小时到10小时。
按所述共聚物的总重量计，环氧乙烷的存在量可以等于或大于2重量％，优选等于或大于5重量％，且更优选等于或大于10重量％。按所述共聚物的总重量计，环氧乙烷的存在量可以等于或小于98重量％，优选等于或小于95重量％，且更优选等于或小于90重量％。
按所述共聚物的总重量计，一或多种共聚单体的存在量可以是等于或大于2重量％，优选等于或大于5重量％，且更优选等于或大于10重量％。按所述共聚物的总重量计，一或多种共聚单体的存在量可以是等于或小于98重量％，优选等于或小于95重量％，且更优选等于或小于90重量％。如果使用两种或超过两种共聚单体，那么所述两种或超过两种共聚单体的组合重量％按所述聚(氧化乙烯)共聚物的总重量计是2重量％到98重量％。
共聚反应优选在液相中进行。典型地，聚合反应是在惰性气氛(例如氮气)下进行。还非常期望聚合过程在实质上无水的条件下实现。应避免环氧化物进料和/或反应设备中可能存在的杂质，如水、醛、二氧化碳和氧气。本发明的聚(氧化乙烯)(共)聚合物可以通过本体聚合、悬浮聚合或溶液聚合路线制备，优选悬浮聚合。
共聚反应可以在惰性有机稀释剂存在下进行，如芳族烃，苯、甲苯、二甲苯、乙苯和氯苯；各种氧化有机化合物，如苯甲醚、乙二醇、丙二醇和二乙二醇的二甲基醚和二乙基醚；通常液态饱和烃，包括开链、环状和经烷基取代的环状饱和烃，如戊烷(例如异戊烷)、己烷、庚烷、辛烷、各种通常液态石油烃馏分、环己烷、烷基环己烷和十氢萘。
未反应的单体试剂通常可利用常规技术从反应产物中回收，如在减压下加热所述反应产物。在本发明方法的一个实施例中，聚(氧化乙烯)(共)聚合物产物可通过用通常液态的惰性有机稀释剂洗涤所述反应产物且随后在稍微高的温度下、在减压下干燥其而从反应产物中回收。
在另一实施例中，将反应产物溶解于第一惰性有机溶剂中，随后添加第二惰性有机溶剂，所述第二惰性有机溶剂可与第一溶剂混溶，但其是聚(氧化乙烯)(共)聚合物产物的非溶剂，从而使(共)聚合物产物沉淀。所沉淀的(共)聚合物的回收可通过过滤、倾析等，随后如此前所说明干燥其来实现。视处理条件而定，聚(氧化乙烯)(共)聚物将具有不同粒度分布。聚(氧化乙烯)(共)聚合物可以如下从反应产物中回收：过滤、倾析等，随后在稍微高的温度(例如30℃到40℃)下，在减压下干燥所述粒状聚(氧化乙烯)(共)聚合物。必要时，粒状聚(氧化乙烯)(共)聚合物可以在干燥步骤之前，用颗粒状聚合物不溶于其中的通常液态惰性有机稀释剂(例如戊烷、己烷、庚烷、环己烷)洗涤，且接着如上文所说明进行干燥。
不同于如上文所说明的由悬浮聚合路线产生的粒状聚(氧化乙烯)(共)聚合物，环氧乙烷与一或多种共聚单体的本体共聚或溶液共聚产生了非粒状树脂状聚(氧化乙烯)(共)聚合物，其实质上是完整的聚合物块团或聚结的聚合物块团或其溶解于惰性有机稀释剂中。当然，应理解，术语“本体聚合”是指在通常液态惰性有机稀释剂不存在下的聚合，且术语“溶液聚合”是指在所用单体和所产生的聚合物可溶于其中的通常液态惰性有机稀释剂的存在下的聚合。
如果使用，那么聚合反应的个别组分(即环氧化物单体、催化剂和稀释剂)可按任何可行的顺序添加到聚合系统中，因为引入顺序对于本发明来说并非关键。
在环氧化物单体的聚合中使用上文所描述的碱土金属催化剂可实现超高分子量聚合物的制备。不受理论束缚，人们相信碱土金属催化剂产生比在相同聚合系统中使用相同原材料和非碱土金属催化剂而另外获得的聚合物链更长的聚合物链的独特能力是因为较高反应性位点密度(视为活性)与内部粘合催化剂毒物能力的组合。
适用于本发明方法中的适合聚(氧化乙烯)均聚物和聚(氧化乙烯)共聚物的重量平均分子量等于或大于100,000道尔顿(Da)且等于或小于15,000,000Da，优选等于或大于1,000,000Da且等于或小于8,000,000Da。
在较高分子量聚合物的情况下，由于聚合物难以溶解于水性系统中，因此粘度测量具有挑战性。在溶解期间，混合物呈现胶凝倾向高的粘液样稠度。在一些情况下，极长的链对剪切力敏感且必须在极低的剪切条件下搅拌以便将机械性降解减到最少。用于溶解本发明聚合物的程序可见于由陶氏化学公司(Dow Chemical Company)于2003年3月公开并且名为“POLYOXTM水溶性树脂溶解技术(POLYOXTM Water-Soluble Resins DissolvingTechniques)”的公报第326-00002-0303AMS号中。
如在此所用，术语“1％水溶液粘度”意指聚合物于约32:1重量比的水与异丙醇混合物中的1重量％溶液的动态粘度。聚合物的重量百分比仅基于水的重量，即不包括异丙醇。制备聚合物的水溶液时，首先添加异丙醇以使得聚合物颗粒分散，随后添加水。这将凝胶形成减到最少且是提供可靠粘度测量结果的关键。根据本发明的环氧乙烷聚合物的1％水溶液粘度优选在25℃下大于1,200mPa·s并且在25℃下小于20,000mPa·s。在25℃下，使用BROOKFIELDTM DV-II+数字粘度计测定环氧乙烷聚合物的1％水溶液粘度。进行测量时，BROOKFIELD保护脚位于适当位置。使用2号RV转子和2RPM的速度进行测量。将转子浸没于聚合物溶液中，避免截留气泡，且附接到到粘度计轴杆上。调节高度以使得溶液液位达到转子上的刻痕。启动粘度计马达，并且在粘度计马达启动之后5分钟读取粘度。
聚(氧化乙烯)(共)聚合物特别适合作为微粒物质悬浮液(特别是废弃矿物质浆液)的絮凝剂用于本发明的方法中。聚(氧化乙烯)(共)聚合物特别适用于本发明的方法中处理尾矿和由矿物质处理(具体地说，油砂尾矿处理)产生的其它废物。
添加到矿物质悬浮液中的包含聚(氧化乙烯)(共)聚合物的絮凝剂组合物的适合量在每吨矿物质固体10克到10,000克范围内。一般来说，适当的剂量可以根据特定物料和物料固体含量而变化。优选剂量是在每吨30克到7,500克范围内，更优选每吨100克到3,000克范围内，甚至更优选剂量是在每吨500克到3,000克范围内。可以将包含聚(氧化乙烯)(共)聚合物的絮凝剂组合物添加到呈固体微粒形式的微粒矿物质物料的悬浮液(例如尾矿浆液)(已经通过将聚(氧化乙烯)(共)聚合物溶解于水或水基介质中所制备的水溶液，或溶剂中悬浮的浆液)中。
在本发明的方法中，包含聚(氧化乙烯)(共)聚合物的絮凝剂组合物可以进一步包含一或多种其它类型的絮凝剂(例如聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酰胺、部分水解的聚丙烯酰胺、聚丙烯酰胺的阳离子衍生物、聚二烯丙基二甲基氯化铵(polydiallyldimethylammonium chloride，pDADMAC)、DADMAC共聚物、纤维素材料、聚葡萄胺糖、磺化聚苯乙烯、线性和分支链聚乙烯亚胺、聚乙烯胺等)或絮凝剂组合物中典型的其它类型添加剂。
凝结剂，如钙盐(例如石膏、氧化钙和氢氧化钙)、铝盐(例如氯化铝、铝酸钠和硫酸铝)、铁(例如硫酸铁、硫酸亚铁、氯化铁和氯化硫酸铁)、碳酸镁、其它多价阳离子和预水解的无机凝结剂，也可以配合聚(氧化乙烯)(共)聚合物使用。
在一个实施例中，本发明涉及一种对油砂尾矿进行脱水的方法。如在此所用，术语“尾矿”意指来源于油砂萃取操作且含有细粒部分的尾矿。术语意味着包括流体细粒尾矿(FFT)和/或成熟细粒尾矿(MFT)尾矿和/或来自进行中的萃取操作(例如增稠器下溢或浮沫处理尾矿)的增稠尾矿(TT)，其可以绕过尾矿池和来自尾矿池。油砂尾矿通常具有10重量％到70重量％或更通常25重量％到40重量％的含固量，且可以用水稀释到20重量％到25重量％而用于本发明方法中。
本发明的四个实施例A、B、C和D的示意图绘示于图1中。含有固体的水性悬浮液(如油砂成熟细粒尾矿(MFT))在管线10中是经由泵13、通过输送导管(优选第一管道：管线14)抽吸。必要时，可以在点X通过管线11向MFT中添加额外的水。包含聚(氧化乙烯)(共)聚合物(在下文中称为“PEO”)的絮凝剂组合物通过管线20、在点Y添加到水性MFT悬浮液中且将MFT与PEO管线内混合以形成面团样混合物。为了促进MFT与PEO之间的掺混和相互作用，合并的物料流可以经由管道流动，所述管道任选地含有静态混合装置，如管线内静态混合器或其类似物(附图中未绘示)可以位于第一管道14中的PEO Y添加点之后和管线内管道反应器40之前。
面团样混合物最初的粘度等于或大于MFT与PEO初始混合物粘度的两倍，优选等于或大于MFT与PEO初始混合物粘度的三倍。典型地，面团样物料的粘度等于或大于4,000cP，优选等于或大于6,000cP，更优选等于或大于8,000cP，更优选等于或大于10,000cP。宜使用具有V73转子的Brookfield DV3T粘度计测定粘度。
一般来说，包含聚(氧化乙烯)(共)聚合物输入和MFT输入的絮凝剂组合物在空间上是分离的。面团样混合物进入管线内管道反应器40中。管道反应器40包含一或多个转子41，优选与一或多个定子42组合，图2。优选地，一或多个转子41和一或多个定子42是按交替方式配置，即转子、定子、转子、定子等。应了解，管线内动态混合器40中所用的转子和/或定子尺寸、位置和数目依赖于特定操作所需的动态混合器的总体尺寸(容量)。
本发明方法的改善包括据以添加PEO且与含有固体的悬浮液混合的位置和条件，图1。本发明的方法是在位于管道内的管道反应器40中执行，所述管道包含供物料进入管道反应器40中的第一管道14和供物料离开管道反应器40的第二管道17。物料离开管线反应器40后，即可对其进一步调节、处理和/或在沉积区域中沉积。一般来说，进入管道反应器40的管线14与离开管道反应器40的管线17相同(即，相同直径)，然而进入管道反应器40的管线14的直径可以大于离开管线内反应器40的管线17，或进入管道反应器40的管线14的直径可以小于离开管线内反应器40的管线17。典型的工业尾矿管道14直径是在8吋到36吋范围内。
管道反应器40在本发明方法中相对于地面的特别定向不受限制，其可以是水平的、竖直的，或呈其间的任何角度。优选地，管道反应器40处于竖直定向，其中MFT与PEO的面团样混合物通过管线14在管道反应器40的底部直接进入或任选地通过反应器入口管15直接进入且接着从管道反应器40顶部流出后直接进入管线17中，或任选地通过反应器出口导管16进入管线17中。与反应器入口管15的内径相比，管道14的内径可以相同、更大或更小。与反应器出口管16的内径相比，管道17的内径可以相同、更大或更小。
反应器入口管15和反应器出口管16独立地具有内径。反应器入口管15的内径优选等于或小于管线内反应器40的内径。反应器出口管16的内径优选等于或小于管线内反应器40的内径。反应器入口管15的内径可以等于或不同于反应器出口管16的内径。在一个实施例中，反应器入口管15的内径等于反应器出口管16的内径。在另一个实施例中，反应器入口管15的内径可以大于反应器出口管16的内径。在另一个实施例中，反应器入口管15的内径可以小于反应器出口管16的内径。反应器入口管15内径与管线内反应器40内径的比率是1:1，优选1:2，更优选1:3，更优选1:4，更优选1:5。反应器出口管16内径与管线内反应器40内径的比率是1:1，优选1:2，更优选1:3，更优选1:4，更优选1:5。
管道14内径与管线内反应器40内径的比率是1:1，优选1:2，更优选1:3，更优选1:4，更优选1:5。
优选地，管道反应器40的内径至少等于或大于进入管线内反应器40的管道14的内径且等于或小于管道14内径的10倍，优选等于或小于管道14内径的6倍，优选等于或小于管道14内径的5倍，优选等于或小于管道14内径的4倍，优选等于或小于管道14内径的3倍，且优选等于或小于管道14内径的2倍。
本发明的管道反应器40不是单独储槽、搅拌槽式反应器、分离容器、分批式容器、半分批式容器或其类似物。管道反应器40可以具有各种组件和配置，其中一些将在下文描述，图2到图4。
将PEO引入油砂尾矿水溶液中的添加阶段包含添加PEO的任何适合构件，例如注射套管、单个或多三通注射器、冲击射流混合器、鼓泡器、多孔口注射器及其类似物。包含聚(氧化乙烯)(共)聚合物的絮凝剂组合物是以固体、浆液或分散液(优选水溶液)形式添加。添加阶段在下文中称为管线内添加。PEO的管线内添加是在不包括动态混合的条件下、通过管线20在点Y处进行；换而言之，添加是在两种进料初始接触点处、在不使用机械能量输入(即，不使用移动部件)的情况下进行。PEO注入点可以在静态混合器之前或在静态混合器内或在管道内。在一个实施例中，在注射器下游、在所添加的PEO的流动方向上存在的管线内静态混合器(图中未绘示)促进了混合。
包含聚(氧化乙烯)(共)聚合物的絮凝剂组合物添加且开始与油砂尾矿悬浮液混合后，形成粘稠、但屈服应力为零到低的面团样混合物。典型地，面团样混合物是在20秒内形成，优选15秒，更优选12秒，更优选10秒，更优选5秒，更优选2秒，更优选在1秒内。如本文中所定义，低屈服应力意指小于65Pa，更优选小于50Pa。
具有内表面和外表面的管道反应器40包含一或多个转子41。转子是为了向流体赋予剪切力所设计的旋转叶轮。转子41可以由以下各物组成：从轮轴45伸出的简单圆销(图3)(左侧)、刀刃型刀片、锯齿型刀片(如Morehouse Cowles高剪切叶轮)、方销，或其组合(图3)(右侧)，或适于赋予动态混合的多种其它刀片设计中的任一种。单个管线内动态混合器的不同阶段内可以使用一或多个不同转子类型。第一转子最佳刚好位于管线内反应器40的进料入口点之后，以在面团样混合物进入时提供即刻的剪切力。
在一个实施例中，定子42放置于转子41之后，优选放置于两个转子41之间。适合的设计是具有给定深度的固定轮辐的“轮轴”且设计成防止固体本体在管道反应器40内旋转。定子42可以通过任何适合的构件(如壁挡板、锚索或焊接)固持就位。混合器轴杆44穿过定子轮轴46，但定子42不附接到混合器轴杆44上。定子42可以由以下各物组成：从轮轴伸出的简单圆销(图2)、刀刃型刀片、方销，或其组合，或多种其它刀片设计中的任一种。另外，定子轮辐或插销可以从轮轴46延伸到管线内反应器40的内壁，或可以在外径处阻挡(图4)。单个管线内动态混合器40的不同阶段内可以使用一或多个不同定子42类型。
本发明的管线内反应器40可以具有1到100个转子41，优选1到75个转子41，更优选1到50个转子41，更优选1到40个转子41，更优选1到30个转子41，更优选1到25个转子41，更优选1到20个转子41，更优选1到15个转子41，更优选1到10个转子41，且更优选1到5个转子41。独立于转子数目，本发明的管线内反应器40可以具有1到100个定子42，优选1到75个定子42，更优选1到50个定子42，更优选1到40个定子42，更优选1到30个定子42，更优选1到25个定子42，更优选1到20个定子42，更优选1到15个定子42，更优选1到10个定子42，且更优选1到5个定子42。
单个转子41任选地与定子42的组合称为一“级”。一级提供位于转子41与定子42之间的名义剪切区段，其赋予流体剪切作用。另外，转子还通过在转子尖端附近产生局部化高剪切区段而对由MFT和聚合物组成的面团提供切碎/剪切作用(图7和图8)。定子的一个额外功能是抑制流体的切向速度以改善转子的有效性。本发明方法中的管道反应器包含至少一级，优选最少两级或超过两级，优选1到5级，优选1到10级，优选1到15级，优选1到20级，1到25级，优选1到30级，优选1到40级，优选1到50级，优选1到75级，优选1到100级，级数不受限制且特定操作可以使用多个。
在本发明的一个实施例中，管线内反应器40具有一或多个转子41和一或多个定子42。优选地，转子41与定子42之间存在紧公差以便根据给定的旋转速率提供最大名义剪切。名义剪切可以定义为转子顶端速度(π·叶轮直径·叶轮每秒转数)除以转子与定子之间的间隙47。优选地，最小名义剪切速率等于或大于1000s-1。顶端速度除以定子与转子之间的间隙距离47是用于计算名义剪切。适合的间隙宽度47可以根据管道内径、利用间隙宽度:管道内径的比率测定，其中所述比率等于或大于1:200且等于或小于1:8。举例来说，对于具有200mm内径的管道来说，所述间隙可以是1mm、2mm、3mm、4mm、5mm，最高25mm。每个转子/定子之间的间隙47可以是相同的或独立地是不同的。
在本发明的另一个实施例中，管线内反应器具有沿着动态混合器壁定位的一或多个转子41和一或多个挡板48以扰乱动态混合器中的主要切向流动且从而增强混合器中的混合和平均剪切，图9。优选地，转子41与挡板48之间存在紧公差以便根据给定的旋转速率提供最大名义剪切。优选地，最小名义剪切速率等于或大于1000s-1。利用尖端速度除以转子41与挡板48之间的间隙49距离计算名义剪切。适合的间隙宽度49可以根据管道内径、利用间隙宽度:管道内径的比率测定，其中所述比率等于或大于1:200且等于或小于1:8。每个转子/挡板之间的间隙49可以是相同的或独立地是不同的。
转子尖端与管线内动态混合器内壁和/或挡板之间的间隙50优选为小的。适合的间隙宽度50可以根据管道内径、利用间隙宽度:管道内径的比率测定，其中所述比率等于或大于1:200且等于或小于1:8。
优选的是，管道反应器中不出现明显的绕过，即，进入混合室的所有流体成分有相当大机率进入高剪切环境。定子42可以安装成在外径形成部分阻挡，以便将流体压向混合室中心，从而防止一些流体在壁处绕过，图4(右侧)。
转子41连接到混合器轴杆44上，混合器轴杆44通过驱动机43发生旋转以便向具有零到低屈服应力的MFT与PEO的面团样混合物提供剪切。在一个实施例中，在面团样混合物进入管线内反应器的相反末端提供的所述驱动机可以是例如变速马达或恒速马达。剪切调节作用使面团样混合物碎裂成MFT微絮体，从而允许水的流动更容易。然而，过度剪切会引起絮凝体发生不可逆的分解，导致细粒再悬浮于水中，因此阻碍了水释放和干燥。所得微絮体溶液的粘度等于或低于1,000cP且屈服应力等于或低于300Pa，优选等于或小于40Pa，更优选等于或低于30Pa。屈服应力宜使用Brookfield DV3T流变仪测定。
不纠结于任何特定理论，我们相信相对于较大絮凝体结构(正如使用常规絮凝剂)，本发明方法中的微絮体性质使得水截留量减少，从而在其沉降且固结时，使水更容易地从固体中释放。此外，与其中水主要在沉积过程后初始几小时中释放的常规MFT絮凝方法相比，本发明的方法产生连续脱水系统。本发明的方法还避免了常规絮凝方法中所教示的多个调节步骤。另外，微絮体对高剪切条件的耐受性明显更强且可以在絮凝体碎裂/细粒产生减少的情况下进行输送且处置，所述絮凝体碎裂/细粒产生会降低脱水性能。脱水典型地使用刻度量筒中的重力沉降、毛细管抽吸时间(CST)测量、离心、随后测量所得固体高度或使用大型应变固结计来测定。重力沉降可以在大型刻度量筒中进行，其中使用数字图像收集和分析来随时间而变的泥浆高度。然后可以利用泥浆高度，根据初始浆液含固量计算固体百分比。除非另外指出，否则在此报道的脱水是通过刻度量筒中的重力沉降来测定。
优选地，本发明方法中因动态混合而产生的微絮体具有10微米到50微米之间的平均尺寸，图5。平均微絮体尺寸优选等于或大于1微米，更优选等于或大于5微米，更优选等于或大于10微米，更优选等于或大于15微米，甚至更优选等于或大于25微米。平均微絮体尺寸优选等于或小于1000微米，更优选等于或小于500微米，更优选等于或小于250微米，更优选等于或小于100微米，甚至更优选等于或小于75微米。测量微絮体尺寸的适宜方式是依据显微镜照片。
优选地，在本发明的方法中，含有30重量％到40重量％固体的初始MFT溶液在20小时之后，固体浓度达到至少45重量％。优选连续地增稠，其中在100小时到10,000小时的时间范围内，固体增加等于或大于50重量％。
优选地，本发明的方法使得絮凝体在100小时或大于100小时期间的沉降速率等于或大于4重量％/log10小时，优选等于或大于4.5重量％/log10小时，优选等于或大于5重量％/log10小时，且更优选等于或大于5.5重量％/log10小时。沉降速率定义为泥水分界线下方固体的固体重量百分比随时间的变化。
在图1所示的本发明方法的一个实施例(A)中，絮凝的MFT被输送到简陋的提升倾斜沉积地点50，所述沉积地点具有0.5％到4％的斜率以允许水排出。此排水允许物料以更快速率干燥且更早达到可运输等级。可以增添额外的层且相应地允许排出。
在图1所示的本发明方法的另一实施例(B)中，絮凝的MFT经由管线17被转移到离心机60。离心机60中形成含有大部分细粒的离心固体滤饼和固体浓度较低的相对透明离心分离液。离心滤饼然后可以通过例如卡车、管道或诉讼带输送，且沉积于干燥槽中。
在图1所示的本发明方法的另一个实施例(C)中，除去絮凝MFT且放入增稠器70中，所述增稠器70可以包含耙(图1中未绘示)以产生澄清的水和增稠的尾矿供进一步处置。
本发明方法的又另一个实施例(D)绘示于图1中，絮凝的MFT以可控的速率沉积于加速脱水槽80中，例如尾矿坑、盆地、围坝、围壁、暗渠或池塘，或充当流体围阻结构的类似物。可以向围阻结构中连续填充絮凝MFT或经处理的MFT可以沉积于不同厚度的层中。所释放的水可以使用泵(图1未绘示)除去。沉积物填充速率应使得在沉积期间或刚好沉积之后释放的水最多。沉积的微粒矿物质物料优选达到实质上干燥的状态。此外，微粒矿物质物料典型地因同时沉降和脱水而宜进行例如固结和坚实，以使得陆地能够承受显著重量。
实例
实例1
向获自加拿大北阿尔伯塔(northern Alberta,Canada)的一个尾矿池塘(经由1英寸管道抽吸)的32重量％固体MFT中添加0.4重量％聚(氧化乙烯)均聚物水溶液，所述聚(氧化乙烯)均聚物具有8,000,000Da的重量平均分子量和至少10,000cP的粘度，从陶氏化学公司以POLYOXTM WSR 308聚(氧化乙烯)聚合物购得。
合并的流以每分钟1.75加仑(gpm)的速率抽吸通过所述系统。合并PEO(按每吨1,900g干燥固体投与)与MFT流之后，形成粘度大于10,000cP的面团样混合物。将面团样混合物引入2级管线内反应器中，以提供动态混合。此管线内反应器具有2英寸内径且包含两个旋转的6销转子和3扁刀式定子，其配置是按如下交替配置：定子、转子、定子、转子和定子。转子是按每分钟1500转的速度(rpm)旋转。面团样混合物碎裂而形成絮凝的油砂尾矿，其由尺寸通常为1微米到500微米的微絮体组成。絮凝的油砂尾矿离开管线内反应器且进入一系列十一个KOMAXTM静态混合器中。每个静态混合器单元具有12个混合元件且具有0.75英寸内径。混合物离开静态混合器系列且直接流入刻度量筒中且允许沉降。记录固体含量(毫升(ml))相对于时间(分钟(min))。
表1提供所得混合物的沉降数据。虽然大部分脱水是在前3个小时发生，但是额外的脱水持续超过40小时。
表1
时间[min] 泥浆高度[ml] 固体wt％
0 1545 26.7
141 920 40.6
201 905 41.2
1111 860 42.8
1461 850 43.2
2556 840 43.6
实例2
向获自加拿大北阿尔伯塔的一个尾矿池塘(经由1英寸管道抽吸)的36重量％固体MFT中添加0.4重量％聚(氧化乙烯)均聚物水溶液，所述聚(氧化乙烯)均聚物具有8,000,000Da的重量平均分子量和至少10,000cP的1％粘度，其可以从陶氏化学公司以POLYOX WSR308聚(氧化乙烯)聚合物获得。以1.85gpm的流速抽吸混合物通过所述系统。合并PEO与MFT流之后，形成粘度大于10,000cP的面团样混合物。为了提供动态混合，将面团样混合物引入具有2英寸内径的13级(每一级包含交替的转子/定子)管线内反应器中。动态混合器的入口管和出口管均是0.824英寸。管线内反应器中的13个转子是以1700rpm速度旋转的6销叶轮。面团样混合物碎裂而形成絮凝的油砂尾矿，其由尺寸通常为1微米到500微米的微絮体组成。絮凝的油砂尾矿离开管线内反应器且进入12元件3英寸直径SMX静态混合器中。流体混合物离开3英寸静态混合器且经由30英尺的0.75英寸弹性软管抽吸到30加仑储槽中。通过视觉观察固体-水界面(通常称为泥水分界线)的沉降来测定所得混合物的沉降曲线且绘示于图6中。
实例3
利用动态混合器的几何形状来进行单相、非牛顿流体、层流、计算流体力学(Computational Fluid Dynamic，CFD)模拟，以了解动态混合器内的流型且从而预测临界设计参数。假设粘度μ遵循如下给定的幂定律模型：
其中K是流动稠度指数且n是流动状态指数且是剪切速率。参数K和n的值分别设定成1.973和0.3，其近似地代表通过管线内动态混合器的MFT和聚合物混合物的状态。选择2GPM流速用于模拟。应注意，管线内动态混合器的几何形状与上文实例中所述的具有2英寸内径的管线内动态混合器相同且以1800RPM旋转的6销叶轮形成转子。图7绘示了管线内动态混合器内的剪切速率的向量图(左侧)和等高线图(右侧)。图7(右侧)绘示了管线内动态混合器中的高剪切区段存在于转子尖端，尖端近旁以约3000sec-1开始且距离转子尖端1mm处快速降低到1000sec-1。
实例4
利用动态混合器的几何形状进行单相、非牛顿流体、层流、CFD模拟，以了解动态混合器内的流型且从而预测临界设计参数。假设粘度μ遵循如下给定的幂定律模型：
其中K是流动稠度指数且n是流动状态指数且是剪切速率。参数K和n的值分别设定成1.973和0.3，其近似地代表通过管线内动态混合器的MFT和聚合物混合物的状态。
此CFD模拟所用的动态混合器的几何形状不同于实例3中所用的几何形状。图9绘示了动态混合器的几何形状，其特征是存在挡板48。动态混合容器的直径是8英寸且长度是34英寸。存在4个相隔90°定位的挡板，每个挡板具有0.25英寸的厚度。此模拟中使用16销叶轮，每个插销由0.325英寸×0.375英寸矩形横截面片组成。使用总共12个叶轮，其间的间距是2英寸。选择900RPM的搅拌速度。
图8绘示了从CFD模拟获得的速度向量(左侧)和剪切速率概况(右侧)的图。挡板可以扰乱切向流动且从而提供较好的混合和较高的剪切速率，如图8中所示。

Claims (10)

1.一种用于对聚合物絮凝剂和油砂细粒尾矿水性悬浮液的面团样混合物进行动态混合的管线内装置，
其中一或多个连接到混合器轴杆(44)的转子(41)通过驱动机(43)旋转，所述转子配置于管线内反应器(40)中，所述面团样混合物通过第一管道(14)流入管线内反应器中且通过第二管道(17)离开管线内反应器，
其中一或多个具有供所述混合器轴杆(44)穿过且不附接的定子轮轴(46)的固定定子(42)与所述一或多个转子(41)按交替方式配置。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述管线内反应器(40)具有内径，所述第一管道(14)具有内径，且所述管线内反应器(40)的所述内径等于或小于所述第一管道(14)的所述内径的五倍。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征是存在1到100个转子(41)并且独立于所述转子(41)数目，存在1到100个定子(42)。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述一或多个转子(41)由从轮轴(45)伸出的圆销、刀刃型刀片、方销或其组合组成。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征是一或多个定子(42)由从轮轴(46)伸出的圆销、刀刃型刀片、方销或其组合组成。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征是每个转子(41)与每个定子(42)通过间隙(47)分隔，其中所述间隙(47)具有1mm到25mm的距离。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述转子(41)的尖端与所述管线内反应器(40)的内表面之间存在间隙(47)，其中所述间隙(47)的宽度是利用所述间隙宽度:管道内径的比率测定，其中所述比率等于或大于1:200且等于或小于1:8。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征是沿着所述管线内反应器(40)的内表面可以存在一或多个壁挡板(48)，其中所述转子(41)的所述尖端与所述挡板(48)之间的间隙(49)的宽度是利用所述间隙宽度:管道内径的比率测定，其中所述比率等于或大于1:200且等于或小于1:8。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述聚合物絮凝剂是聚(氧化乙烯)均聚物或环氧乙烷与以下各物中的一或多种的聚(氧化乙烯)共聚物：表氯醇、环氧丙烷、环氧丁烷、氧化苯乙烯、环氧基官能化疏水性单体、缩水甘油醚官能化疏水性单体、硅烷官能化缩水甘油醚单体或硅氧烷官能化缩水甘油醚单体。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述聚(氧化乙烯)(共)聚合物具有等于或大于1,000,000Da的分子量。
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