CN107206394A - 多级流化床浮选分离器 - Google Patents
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Abstract
提供一种系统，所述系统用于浓缩流体介质中的疏水材料和亲水材料的颗粒混合物。所述系统包括分离腔，所述分离腔包括三个或多个串联处理隔室。每个处理隔室包括：歧管，所述歧管用于引入包含水和气泡的混合物的搅拌水；悬浮固体，其使搅拌水向上移动通过悬浮固体从而形成流化床；并且每个处理隔室可独立操作。溢流槽位于分离腔的上方，并且脱水室位于分离腔的下方。
Description
本申请要求2014年12月17日提交的美国临时专利申请号62/093142的优先权，所述申请通过引用并入本文。
背景技术
浮选分离器用于浓缩疏水和亲水材料的颗粒混合物。通过气泡的附着，可以从固体/液体混合物中提取疏水颗粒。提出一种浮选分离系统，所述浮选分离系统以多级途径提供改进的回收率，其允许每个过程阶段独立操作并且可以基于操作条件来调节每个过程阶段。
发明内容
提供一种系统，所述系统用于浓缩流体介质中的疏水材料和亲水材料的颗粒混合物。所述系统包括分离腔，所述分离腔包括两个或多个串联处理隔室。每个处理隔室包括：歧管，所述歧管用于引入包含水和气泡的混合物的搅拌水；悬浮固体，其使搅拌水向上移动通过悬浮固体从而形成流化床(也被称为搅拌床或受阻床)；并且每个处理隔室可独立操作。溢流槽位于分离腔的上方，并且脱水室位于分离腔的下方。
所述系统的一些实施方案包括内部挡板，所述内部挡板分离每个处理隔室。在一些实施方案中，脱水腔在分离腔中的每个处理隔室的下方延伸。在其它实施方案中，脱水腔仅在串联的最后一个处理隔室的下方延伸。可以在一个或多个处理隔室中加入化学添加剂。可以使用第一压力传感器和第二压力传感器从而控制分离腔内的流化床的密度。处理隔室可以以非线性串联或直线方式设置。
还提供一种方法，所述方法用于浓缩流体介质中的疏水颗粒和亲水颗粒的混合物。在该方法中，将颗粒和流体介质引入分离器系统，所述分离器系统包括两个或多个处理隔室。每个处理隔室包括悬浮固体，其使包含水和气泡的混合物的搅拌水向上移动通过悬浮固体从而形成流化床。通过调节每个处理隔室中的搅拌条件从而允许颗粒经受目标分离条件。允许颗粒与流化床和搅拌水中的空气相互作用使得疏水颗粒附着至气泡并且到达流化床上方的分离器系统的上部，并且亲水颗粒穿过流化床并且移动至分离器系统的下部。通过允许颗粒横向和竖向移动通过分离器系统中的每个处理隔室从而在分离器系统中提供增加的颗粒保留时间。在分离器系统的上部除去疏水颗粒，并且在分离器系统的下部除去亲水颗粒。可以在一个或多个处理隔室中加入化学添加剂。
附图说明
为了更全面地理解和了解本发明及其许多优点，将参考结合附图的如下详细说明。
图1为显示各种回路构造的回收率与kτ的关系的图表；
图2显示了多级流化床浮选分离器的立体图；
图3显示了图2的多级流化床浮选分离器的侧视图；
图4显示了图2的多级流化床浮选分离器的俯视图；
图5显示了图2的多级流化床浮选分离器的仰视图；
图6显示了多级流化床浮选分离器的另一个实施方案的立体图；
图7显示了图6的多级流化床浮选分离器的侧视图；
图8显示了图6的多级流化床浮选分离器的仰视图；
图9显示了具有五个处理隔室的多级流化床浮选分离器的另一个实施方案的立体图；
图10显示了图9的多级流化床浮选分离器的侧视图；并且
图11显示了不包括任何内部挡板的多级流化床浮选分离器的另一个实施方案的立体图。
参考附图，贯穿所显示和描述的数个实施方案和附图，一些附图标记用于表示相同或相应的部件。在不同实施方案中通过添加小写字母表示相应的部件。描述了附图中所示的相应部件的形状或功能的变化。将理解实施方案中的变化通常可以互换而不偏离本发明。
具体实施方式
浮选分离器用于浓缩疏水和亲水材料的颗粒混合物。通过气泡的附着，可以从通常基于水的流体浆液中的疏水材料和亲水材料的混合物中提取疏水颗粒。主要通过三个参数控制颗粒种类的回收率(R)：反应速度、保留时间和混合条件。该关系总结于如下等式[1]：
R∝kτPe [1]
其中k为反应速度常数并且τ为保留时间。Peclet数(Pe)对分离腔内的轴向混合程度进行量化。更大的Pe值表示更多的活塞流条件，因此表示改进的回收率。活塞流条件下的颗粒移动在竖直尺寸上移动并且以一定方式建模从而增加所述系统的可预见性。如等式[1]所示，任一参数的增加造成回收率的相应增加。
此外已经发现反应速度可以描述为：
其中Vg为超临界气体速度，Db为气泡尺寸，并且P为附着机率。应注意附着机率是多个其它机率的函数，如下列[3]和[4]等式所示，其中：
P＝PcPa(1-Pd) [3]
和
其中Pc为碰撞机率，Pa为粘合机率，并且Pd为脱离机率，Ci为颗粒浓度并且Dp为颗粒直径。Pa通常为化学过程的函数，而Pd涉及湍流。检查这些等式发现，对于使用高气体速度、小直径气泡、高进料浓度、粗大颗粒、高Peclet数(低轴向混合)和低湍流的系统而言，分离过程的反应速度增加。
通过确定颗粒受浮选过程影响的时间来计算保留时间。该参数通常通过如下方式计算：槽体积(V)校正空气滞留(ε)并且用槽体积(V)除以通过分离器的总流速(Q)，正如下列等式[5]和等式[6]所示：
Peclet数是气体和液体速度(Vg,l)、槽高度与直径之比(L:D)和空气滞留的函数。已发现浮选分离器的Peclet数可以描述如下：
柱式浮选分离器和常规浮选分离器(也被称为“机械浮选槽”)均采用等式[1]至[7]中呈现的关系所显示的原理进行操作。上述这些等式帮助理解与单个槽的操作相关的基本原理。然而在实践中，常规浮选分离器仅以串联釜的形式操作，而柱通常以平行回路构造安装。串联釜(也被称为“串联反应器”)方法的基本优点是公知的。前提是概念简单：对于相同的保留时间，一系列完全混合的釜将提供比单个浮选分离器更高的回收率。这一点通过等式[8]和图1所示的图表说明，所述图表显示了各个回路构造的回收率与kτ的关系。它们显示了对于具有恒定过程速度(k)和保留时间(τ)的系统而言，回收率随着完全混合器的数目(N)而变化。
如图1所示，在恒定的kτ值下，增加串联混合器的数目造成回收率的增加。例如，对于为4的kτ值，从一个完全混合釜改变成四个串联釜造成几乎15％的增加的浮选回收率。可以通过检验常规浮选分离器的基本操作来理解该概念。每个浮选分离器包括用于分散空气并且维持固体悬浮的机构(即转子和定子)。因此，每个常规浮选分离器与单个完全混合反应器的行为基本上相似。根据定义，完全混合反应器(即分离器)在系统中的任何位置处具有相等的材料浓度。因此，进料内包含的疏水材料部分有机会直接以较短的回路至非漂浮流。在使用单个常规大型浮选分离器的系统中，这可能造成回收率损失。然而，通过排出至第二个常规浮选分离器，存在另外的机会来收集旁通的可漂浮材料。同样地，所串联的任何额外的第三个和第四个常规浮选分离器的情况也是如此。在某一时刻，将适用收益递减法则。在常规浮选分离器中，通常在四个或五个浮选分离器串联釜之后适用该法则。回收率增益随着每个常规浮选分离器的增加还需要额外的能量。
由于空气和进料浆液的流动特征，柱式浮选分离器也是混合分离腔。各种研究检验了矿物应用中的实验室和工业柱式浮选分离器的混合特征(Dobby and Finch，1990，Yianatos等人，2008)。这些研究的结果表明，柱式流体浮选分离器根据应用而在活塞流与完全混合设备之间操作。
通过应用上述浮选基本原理，构造了多级流化床浮选分离器。在第一个实施方案中，多个流化床浮选腔基本上串联设置使得沉淀至悬浮固体的充气流化床的进料材料必须横穿多个处理隔室(或“区域”)，所述处理隔室基本上建立串联回路从而模仿活塞流反应器。应理解多级流化床浮选分离器还可以被称为“多级受阻床分离器”和/或“多级搅拌床分离器”。
图2和图3显示了用于浓缩进料混合物的多级流化床浮选分离器系统10(下文称为“分离器系统”)，所述进料混合物为疏水材料和亲水材料的颗粒混合物。进料引入器12将颗粒混合物输送至分离器10中用于处理。溢流槽14收集漂浮颗粒(下文更详细描述)和搅拌水(下文更详细描述)然后将其组合流引导至浓缩液排放器16，所述浓缩液排放器16将漂浮颗粒和搅拌水引导至下游过程。浓缩液排放器16包括排放喷嘴18。
分离腔26充当整个分离器系统10的核心处理单元。分离器系统10的横截面通常为矩形，但是也可以非限制性地是圆形或正方形。分离腔26包括多个处理隔室28。在图2和图3所示的实施方案中，存在通过内部挡板30分离的三个处理隔室28。挡板30可以被设计成使得内部流化流围绕每个内部挡板上的特定形状的路径移动、在所述路径下方移动或穿过所述路径移动。这些路径被设计成改进分离腔内的混合条件从而造成活塞流型。处理隔室28的数目还可以少至两个并且根据系统需要可以尽可能的多。
在该实施方案中，每个处理隔室28被构造成进行任一个如下任务，(1)尺寸分级，(2)调节，(3)粗选分离过程，和(4)清扫分离过程。在不具有空气和试剂的一个示例中，最接近进料引入器12的处理隔室28可以充当分离腔26的分级或预调节室。在该构造中可以以受阻沉淀设备的形式操作从而进行尺寸分级。这最终以优选条件制备用于粗选过程阶段的进料材料。在一些应用中，有可能通过在搅拌水供应器中直接引入化学试剂从而使进料材料在预调节处理隔室28中反应。分离器10的多处理隔室构造允许每个处理隔室在不同的搅拌和充气条件下独立操作(例如之前描述的清扫室、粗选处理隔室或预调节室)，最终使冶金性能达到最大化。在一些应用中，预调节处理隔室28还可以具有与粗选处理隔室等效的功能，其将在分离腔内提供额外的清扫步骤(对于包括多于三个隔室的分离腔26的应用是有用的)。至少一个处理隔室28(通常为作为串联中的第一个处理隔室28的预调节处理隔室)可以具有不含空气的流化搅拌水流，之后的其它处理隔室28具有充气的流化流。应理解所述隔室都不需要在加入空气的条件下操作。
溢流槽14被显示为围绕分离器系统10的整个外周安装，但是其它构造是可能的，例如用于每个处理隔室28的独立溢流槽。来自每个隔室的溢流可以如本文所示的方式结合或者每个处理隔室28独立地进行输送。例如，来自第一处理隔室28的产物可以被直接输送至串联操作的另一个浮选分离器，而来自剩余隔室的溢流可以被输送至别处和/或通常在每个处理隔室28之间横穿分离器。
分离器系统10包括被置入第一处理隔室28中的进料，但是其它进料设置也是可能的，例如在高于或低于建立的搅拌床的水平处沿着分离器系统10的长度或宽度进料。这些进料系统也可以合并预充气系统。进料系统还可以设置在初始处理隔室的侧面使得将进料引入第一处理隔室的冲击达到最小化。
在该实施方案中，处理隔室28各自通过内部挡板30划分。这些内部挡板30的构造和物理尺寸可以被设置和设计成适应不同应用的不同需要。本领域技术人员将理解，处理隔室28的构造(本质上为两个挡板30之间的距离，挡板30与分离腔26的一侧之间的距离，每个挡板30下方的距离或每个挡板30上方的距离)可以以各种布置针对不同应用进行构造，从而实现最大分离效率。正如上文简要描述的，还应理解隔室的数目可以根据分离器10的应用和每个隔室的单独应用而变化。
本领域已理解分离器系统10的基本操作。通过穿过悬浮固体的向上流动的搅拌水将悬浮固体床流化成搅拌床。每个处理隔室28具有其自己的独立搅拌水源32。搅拌水包含水和气泡的混合物。第一压力传感器20连同第二压力传感器22一起操作从而通过调节进入分离器系统10中的搅拌水的流速来控制搅拌床密度。为了调节搅拌水的流速，将来自第一压力传感器20和第二压力传感器22的测量信号提供至密度指示控制器(未显示)，在所述密度指示控制器中确定计算的密度。加入或排出搅拌水从而维持恒定的床密度或搅拌床膨胀程度。此外，第二压力传感器22还将搅拌床水平信息馈送至水平指示控制器从而调节来自底流排放阀的流以用于连续和稳态操作。本领域技术人员将理解，其它水平和密度控制系统(包括浮选目标或虹吸方法)是可能的。还有可能使用单个压力传感器来调节搅拌床密度。
颗粒混合物内的疏水颗粒与搅拌水中的气泡相互作用并且维持在流化搅拌床的上方或者被一些搅拌水带到溢流槽14并且从系统中收集出来。颗粒混合物内的亲水颗粒不能附着至气泡并且穿过流化搅拌床。重力造成该材料逐渐向下迁移并且到达受阻沉淀区域下方的脱水室24。经处理的进料然后通过位于脱水室24的底部的底流阀25排出。
如图4可见，每个处理隔室28的搅拌水源32包括歧管34，所述歧管34设置在分离腔26中并且设置在脱水室24的上方。每个歧管被设置成贯穿分离腔26中的各个处理隔室28来分布搅拌水和空气。搅拌水源32包括用于每个处理隔室28的分离的水和充气控制。每个搅拌水源32能够独立操作，使得如果条件允许，可以在任何处理隔室28中加入化学添加剂。此外，可以独立地控制搅拌水流速或空气流速。通过对比图3、4和5可以最佳地理解，在该实施方案中，可见脱水室24设置在分离腔26的本体中的串联的最后一个处理隔室28的下方。第一个处理隔室之后的每个额外的处理隔室28允许颗粒横向和竖向移动通过每个处理隔室28从而提供分离器系统10中的增加的颗粒保留时间。
所显示和描述的分离器系统10不需要维持完全独立的流化床浮选分离器操作。其不具有两个串联设置的流化床浮选分离器单元(或任何数目的串联设置的独立的流化床浮选分离器单元)，而是使用重力流或通过机械输送，所显示和描述的分离器系统10使用处理隔室28从而模仿单个低阶流化床浮选分离器内的串联浮选分离器回路。
分离器系统10显著减少相同数目的串联流化床浮选分离器所需的足迹和高度。在单个分离腔26中可以实现与多个串联浮选分离单元相同的回收率(基于上述等式)。
上述设置可以延伸从而覆盖典型的搅拌床或流化床分离器，所述搅拌床或流化床分离器不使用空气进行操作并且可以用于密度浓缩或分级(即搅拌床分离器)。可以考虑该分离器系统10用于密度和浮选分离应用(利用气泡的附着)并且之后的分离基于密度差和浮选基本原理。
图2至图5中显示的分离器系统10包括除了最终处理隔室之外的所有处理隔室28的平坦底部的设置，所述最终处理隔室合并了脱水室24。然而，其它实施方案是可能的。图6-8显示了分离器系统10a的另一个实施方案，其中脱水室24a是在尾阀25a处具有顶点的偏心倒金字塔形状。在该实施方案中，脱水室24a在每个处理隔室28a的下方延伸穿过整个分离腔26a。该实施方案具有三个处理隔室28a。在未显示的另一个实施方案中，系统的底部完全平坦并且脱水排水器在一端离开系统。
将理解处理隔室的数目还可以在不同实施方案中变化。图9显示了一个分离器系统10b的实施方案，所述分离器系统10b具有五个处理隔室28b和四个内部挡板30b。处理隔室的数目实际上不受限制。
图10显示了一个分离器系统10c的实施方案，其中不通过挡板描绘处理隔室28c并且分离器系统10c以敞口槽的形式操作。其显示了每个处理隔室28c的操作条件受搅拌水源32c的控制，并且不需要其它实施方案中的挡板来描绘每个处理隔室28c。
虽然所显示的实施方案都具有在其内部包括开口的挡板，将理解挡板的数目和构造并不固定。挡板不需要沿着处理隔室的整个长度延伸并且开口的尺寸不固定。实际上，挡板完全是任选的并且可以除去挡板或者完全不包括挡板。
所显示的实施方案具有以线性和通常为直线构造设置的处理隔室。然而，还将理解当处理隔室的数目增加时，连续处理隔室可以以非直线的其他方式设置。可以理解一系列处理隔室可以以非线性或圆形模式设置并且实现相同结果。此外，颗粒流可以分开成平行处理流并且在平行处理隔室中进行颗粒回收。
本发明已经参考数个优选实施方案进行描述。在阅读和理解前述说明书时，他人可以进行许多修改和变化。旨在构建本发明从而包括所有这些变化和修改，只要它们落入所附权利要求或这些权利要求的等价形式的范围内。
Claims (16)
1.一种用于浓缩流体介质中的疏水材料和亲水材料的颗粒混合物的系统，所述系统由如下组成：
分离腔，所述分离腔包括两个或多个串联处理隔室，其中每个处理隔室包括：
歧管，所述歧管用于引入搅拌水；
悬浮固体，其使所述搅拌水向上移动通过所述悬浮固体从而形成流化床；并且
每个处理隔室能够独立操作；
溢流槽，所述溢流槽位于所述分离腔的上方；和
脱水室，所述脱水室位于所述分离腔的下方。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括内部挡板，所述内部挡板分离每个所述处理隔室。
3.根据权利要求1所述的系统，进一步包括在所述分离腔中的每个所述处理隔室的下方延伸的所述脱水腔。
4.根据权利要求1所述的系统，进一步包括仅在串联的最后一个所述处理隔室的下方延伸的所述脱水腔。
5.根据权利要求1所述的系统，进一步包括在一个或多个所述处理隔室中引入化学添加剂。
6.根据权利要求1所述的系统，进一步包括第一压力传感器和第二压力传感器，从而控制所述分离腔内的流化床的密度。
7.根据权利要求1所述的系统，进一步包括以非线性串联设置的所述处理隔室。
8.根据权利要求1所述的系统，进一步包括以直线设置的所述处理隔室。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述搅拌水包含水和气泡的混合物。
10.根据权利要求1所述的系统，其中搅拌水包含水。
11.根据权利要求1所述的系统，其中每个所述处理隔室独立操作从而进行任一个如下任务：尺寸分级、调节、粗选分离，和清扫分离。
12.一种用于浓缩流体介质中的疏水颗粒和亲水颗粒的混合物的方法，所述方法包括如下步骤：
将颗粒和流体介质引入分离器系统中，所述分离器系统包括两个或多个处理隔室，其中每个处理隔室包括悬浮固体，其使搅拌水向上移动通过悬浮固体从而形成流化床；
通过调节每个处理隔室中的搅拌条件从而允许颗粒经受目标分离条件；
允许颗粒与流化床和搅拌水中的空气相互作用使得疏水颗粒附着至气泡并且到达流化床上方的分离器系统的上部，并且亲水颗粒穿过流化床并且移动至分离器系统的下部；
通过允许颗粒横向和竖向移动通过分离器系统中的每个处理隔室从而在分离器系统中提供增加的颗粒保留时间；
在分离器系统的上部除去疏水颗粒；并且
在分离器系统的下部除去亲水颗粒。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括在一个或多个处理隔室中引入化学添加剂。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，搅拌水包含水和气泡的混合物。
15.根据权利要求12所述的方法，其中搅拌水包含水。
16.根据权利要求12所述的方法，其中每个所述处理隔室中的目标分离条件是尺寸分级、调节、粗选分离，和清扫分离的任一者。
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