CN110433966A - 一种水力-声流空化微泡发生器及工作方法 - Google Patents

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Abstract

一种水力‑声流空化微泡发生器及工作方法，适用于矿浆混合中使用。包括方形的文丘里管气泡发生器和超声波发生器，文丘里管气泡发生器上下相对各设置有进气口，左右两侧相对设有收缩区管路和发散区管路，收缩区管路和发散区管路相对设置，与两个进气口位置相对应；带有压力的矿浆由管路进入文丘里管的收缩区管路，矿浆从文丘里管气泡发生器的收缩区管路进入到发散区管路后压力变化导致矿浆中析出大量气泡，文丘里管气泡发生器收缩区管路流向发散区管路时产生负压，两个进气口将空气吸入到文丘里管气泡发生器，然后将吸入的空气溶解在矿浆中并析出气泡；其结构简单，泡沫发生效果好，对不同细粒矿物分选时的气泡尺寸要求具有较强的适应性。

Description

一种水力-声流空化微泡发生器及工作方法
技术领域
本发明涉及一种微泡发生装置及方法，尤其是一种矿浆混合中使用的适用于<0.5mm细粒矿物浮选的水力-声流空化微泡发生器及方法。
背景技术
浮选是细粒及微细粒矿物分选的有效手段，但是随着机械化大规模开采的发展，煤粒受到越来越严重的破碎导致浮选入料的粒度越来越细，常规浮选气泡发生器所产生的气泡较大，难以获得较好的浮选回收率和选择性，而微泡相较于大气泡具有明显的优势，它可以作为桥梁连接颗粒和气泡，提高微细颗粒与气泡的碰撞概率，并有助于降低粗颗粒脱附概率等，因此，设计出一个微泡发生器就显得尤为重要。
空化是指当液体压强下降到足够低时液体中空泡的生成、发展和溃灭及其后续的动力学行为。按照空化的产生方式可分为超声空化和水力空化。
超声波是一种频率高于20kHz的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远。当超声波能量足够高时，就会产生超声空化现象，即指存在于液体中的微小气泡(空化核)在超声场的作用下振动、生长并不断聚集声场能量，当能量达到某个阈值时，空化气泡急剧崩溃闭合的过程。每个空化气泡都可以看做是一个“热点”，气泡中心会产生接近5 000K的高温，压力超过50MPa，持续很短一段时间，随后“热点”迅速冷却，并伴有强烈的冲击波和微射流，这一过程对气泡产生强烈的分散效应形成大量的空化微泡。然后，超声换能器的总能耗中只有5％-10％用于空化，其余90％-95％的能量是以热能的形式使系统升温，即超声空化存在有效反应区域小、能效低的突出的技术问题，这使得超声空化在工业中的应用受到极大的限制。
水力空化是不同于超声空化的另一种空化方法，其机理为当流体与固体作相对高速运动时，在流体内部产生局部低压，当压力降至空化初生压力时，就会产生大量不断产生又不断溃灭的空泡。目前，分选细粒矿物所用的浮选柱主要借助水力空化来产生气泡，水力空化从能效和规模化方面与超声空化相比，具有设备简单、成本低廉、能耗低、效率高、可在较大范围内形成比较均匀空化强化场(如孔板、文丘里管、各种哨等)。但水力空化的空化强度远远不及超声空化，往往不足以进行某些声化学反应，这很大程度上限制了产生气泡的数量和直径，难以获得较好的浮选效果。
鉴于超声空化和水力空化的优点和不足，有必要结合超声空化装置对现有的水力空化气泡发生器进行结构的改进，以适应大量、更稳定、更小气泡的细粒矿物分选需求。
发明内容
针对上述技术的不足之处，提供一种结构简单、应用广泛的微泡发生器，通过水力空化和超声空化的协同作用有效降低气泡直径，获得大量稳定的微气泡，提高细粒矿物的分选效果的水力-声流空化微泡发生器及方法。
为实现上述技术目的，本发明的水力-声流空化微泡发生器，包括方形的文丘里管气泡发生器和超声波发生器，文丘里管气泡发生器包括方形壳体，方形壳体上下相对各设置有一个进气口，方形壳体的左右两侧相对设有两支管路，其中一支管路在文丘里管气泡发生器内部设有收缩区管路，另一支管路在文丘里管气泡发生器内部设有发散区管路，收缩区管路和发散区管路相对设置，并正好与两个进气口位置相对应，
所述超声波发生器包括利用线路相互连接的超声波控制器和圆柱形超声波换能器，其中超声波换能器设置在文丘里管气泡发生器的壳体的外侧，超声波换能器的前段设有变幅杆，变幅杆通过固定夹具和螺丝固定在文丘里管气泡发生器的方形壳体上，超声波换能器设置在方形壳体内的部分为超声波变幅杆，超声波变幅杆顶部置于文丘里管气泡发生器发散区管路中2cm，并设有密封圈将变幅杆前段固定在文丘里管气泡发生器发散区管路上。
所述进气口的进气口直径为2cm，中文丘里管气泡发生器内部的收缩区管路管长为10cm，收缩区管路的倾斜管壁与管路水平中心线夹角为15°，文丘里管气泡发生器内部的发散区管路管长为20cm，发散区管路的倾斜管壁与管路水平中心线夹角为5°。
所述收缩区管路的口径小于发散区管路，一方面是由收缩区和发散区管路倾斜程度和管长不同造成的，另一方面，口径不一样比口径一致能够获得更大的压力梯度，从进气口吸取更多空气，吸气量更大，溶解更多空气的矿浆经扩散区时，也能够析出更多的气泡。
一种使水力-声流空化微泡发生器的工作方法，包括如下步骤：
a.带有压力的矿浆由与文丘里管收缩区连接的管路进入文丘里管的收缩区管路，
b.带有压力的矿浆从文丘里管气泡发生器的收缩区管路进入到发散区管路后，发散区管路管径的增大导致流速降低，发散区管路管内压力变化导致矿浆中析出大量气泡，矿浆在文丘里管气泡发生器收缩区管路流向发散区管路时会在文丘里管气泡发生器壳体内产生负压，此时两个进气口就在内部负压的作用下将空气吸入到文丘里管气泡发生器壳体内，然后将吸入的空气溶解在矿浆中并析出气泡；
c.超声波控制器向超声波换能器输出电功率，超声波换能器将电功率转换为超声波的机械功率传递出去同时减少消耗功率，变幅杆配合超声波换能器改变超声波振动幅度，增大改变换能器的振幅，提高振速比、提高效率，发生超声空化效应，将大气泡分散为大量稳定的微泡，之后通过管路进行细粒矿物分选。
所述超声波控制器的超声波频率为20-100kHz，超声功率设定为20-400W。
有益效果：由于采用了上述技术方案，具有如下优点：
(1)在文丘里管气泡发生器的基础上安装超声空化微泡发生装置，整合了水力空化和超声空化的优点，超声空化的引入避免了传统文丘里管产生的水力空化强度小、气泡大的缺点，而文丘里管与超声波的联用可降低设备能耗和设备运行成本，大幅提高设备效率，并且操作简单。
(2)依靠文丘里管气泡发生器将空气溶解于矿浆中并产生大量气泡，而超声波的主要作用是将文丘里管气泡发生器产生的大气泡分散成大量微气泡，同时超声空化也能产生一部分的微泡从而获得更加稳定、直径更小的微气泡，显著提高细粒矿物分选时的矿化效率，提高矿物分选效果。
(3)本装置所采用可调频率和功率的超声波发生器，通过超声功率和频率决定了超声空化的强度，通过调整超声频率和功率不仅有利于产生稳定存在的微泡，有利于将大气泡分散成大量的微气泡，从而有利于细粒矿物的分选，微泡更有利于微细颗粒的分选，因此调整超声频率和功率可灵活调控该装置所产生微泡的数量，并对不同细粒矿物分选时的气泡尺寸要求具有较强的适应性，并满足大规模生产的需求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的壳体俯视图；
图中：1-超声波控制器，2-换能器，3-变幅杆，4-文丘里管气泡发生器，5-管路，6-固定夹具，7-密封圈，8-螺丝。4-1-文丘里管气泡发生器收缩区，4-2-文丘里管气泡发生器发散区，4-3-文丘里管气泡发生器进气口,4-4-文丘里管气泡发生器壳体。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1和图2所示，本发明的水力-声流空化微泡发生器，其特征在于：它包括方形的文丘里管气泡发生器和超声波发生器，文丘里管气泡发生器4包括方形壳体4-4，方形壳体4-4上下相对各设置有一个进气口4-3，方形壳体4-4的左右两侧相对设有两支管路5，其中一支管路5在文丘里管气泡发生器4内部设有收缩区管路4-1，另一支管路5在文丘里管气泡发生器4内部设有发散区管路4-2，收缩区管路4-1和发散区管路4-2相对设置，并正好与两个进气口4-3位置相对应，所述进气口4-3的进气口直径为2cm，中文丘里管气泡发生器内部的收缩区管路4-1管长为10cm，收缩区管路4-1的倾斜管壁与管路水平中心线夹角为15°，文丘里管气泡发生器内部的发散区管路4-2管长为20cm，发散区管路4-2的倾斜管壁与管路水平中心线夹角为5°，收缩区管路4-1的口径小于发散区管路4-2，一方面是由收缩区和发散区管路倾斜程度和管长不同造成的，另一方面，口径不一样比口径一致能够获得更大的压力梯度，从进气口4-3吸取更多空气，吸气量更大，溶解更多空气的矿浆经扩散区时，也能够析出更多的气泡；
所述超声波发生器包括利用线路相互连接的超声波控制器1和圆柱形超声波换能器2，其中超声波换能器2设置在文丘里管气泡发生器的壳体4的外侧，超声波换能器2的前段设有变幅杆3，变幅杆3通过固定夹具6和螺丝8固定在文丘里管气泡发生器的方形壳体4-4上，超声波换能器2设置在方形壳体4-4内的部分为超声波变幅杆3，超声波变幅杆3顶部置于文丘里管气泡发生器发散区4-2管路中2cm，并设有密封圈7将变幅杆前段固定在文丘里管气泡发生器发散区4-2管路上。
一种水力-声流空化微泡发生器的工作方法，包括如下步骤：
a.带有压力的矿浆由与文丘里管收缩区连接的管路进入文丘里管的收缩区管路4-1，
b.带有压力的矿浆从文丘里管气泡发生器的收缩区管路4-1进入到发散区管路4-2后，发散区管路4-2管径的增大导致流速降低，发散区管路4-2管内压力变化导致矿浆中析出大量气泡，矿浆在文丘里管气泡发生器收缩区管路4-1流向发散区管路4-2时会在文丘里管气泡发生器壳体内产生负压，此时两个进气口4-3就在内部负压的作用下将空气吸入到文丘里管气泡发生器壳体4-4内，然后将吸入的空气溶解在矿浆中并析出气泡；
c.超声波控制器1向超声波换能器2输出电功率，超声波控制器1的超声波频率为20-100kHz，超声功率设定为20-400W，超声波换能器2将电功率转换为超声波的机械功率传递出去同时减少消耗功率，变幅杆3配合超声波换能器2改变超声波振动幅度，增大改变换能器2的振幅，提高振速比、提高效率，，发生超声空化效应，将大气泡分散为大量稳定的微泡，之后通过管路进行细粒矿物分选。

Claims (5)

1.一种水力-声流空化微泡发生器，其特征在于：它包括方形的文丘里管气泡发生器和超声波发生器，文丘里管气泡发生器(4)包括方形壳体(4-4)，方形壳体(4-4)上下相对各设置有一个进气口(4-3)，方形壳体(4-4)的左右两侧相对设有两支管路(5)，其中一支管路(5)在文丘里管气泡发生器(4)内部设有收缩区管路(4-1)，另一支管路(5)在文丘里管气泡发生器(4)内部设有发散区管路(4-2)，收缩区管路(4-1)和发散区管路(4-2)相对设置，并正好与两个进气口(4-3)位置相对应，
所述超声波发生器包括利用线路相互连接的超声波控制器(1)和圆柱形超声波换能器(2)，其中超声波换能器(2)设置在文丘里管气泡发生器的壳体(4)的外侧，超声波换能器(2)的前段设有变幅杆(3)，变幅杆(3)通过固定夹具(6)和螺丝(8)固定在文丘里管气泡发生器的方形壳体(4-4)上，超声波换能器(2)设置在方形壳体(4-4)内的部分为超声波变幅杆(3)，超声波变幅杆(3)顶部置于文丘里管气泡发生器发散区(4-2)管路中2cm，并设有密封圈(7)将变幅杆前段固定在文丘里管气泡发生器发散区(4-2)管路上。
2.根据权利要求1所述的水力-声流空化微泡发生器，其特征在于：所述进气口(4-3)的进气口直径为2cm，中文丘里管气泡发生器内部的收缩区管路(4-1)管长为10cm，收缩区管路(4-1)的倾斜管壁与管路水平中心线夹角为15°，文丘里管气泡发生器内部的发散区管路(4-2)管长为20cm，发散区管路(4-2)的倾斜管壁与管路水平中心线夹角为5°。
3.根据权利要求1或2所述的水力-声流空化微泡发生器，其特征在于：所述收缩区管路(4-1)的口径小于发散区管路(4-2)，一方面是由收缩区和发散区管路倾斜程度和管长不同造成的，另一方面，口径不一样比口径一致能够获得更大的压力梯度，从进气口(4-3)吸取更多空气，吸气量更大，溶解更多空气的矿浆经扩散区时，也能够析出更多的气泡。
4.一种使用权利要求1所述水力-声流空化微泡发生器的工作方法，其特征在于：包括如下步骤：
a.带有压力的矿浆由管路进入文丘里管的收缩区管路(4-1)，
b.带有压力的矿浆从文丘里管气泡发生器的收缩区管路(4-1)进入到发散区管路(4-2)后，发散区管路(4-2)管径的增大导致流速降低，发散区管路(4-2)管内压力变化导致矿浆中析出大量气泡，矿浆在文丘里管气泡发生器收缩区管路(4-1)流向发散区管路(4-2)时会在文丘里管气泡发生器壳体内产生负压，此时两个进气口(4-3)就在内部负压的作用下将空气吸入到文丘里管气泡发生器壳体(4-4)内，然后将吸入的空气溶解在矿浆中并析出气泡；
c.超声波控制器(1)向超声波换能器(2)输出电功率，超声波换能器(2)将电功率转换为超声波的机械功率传递出去同时减少消耗功率，变幅杆(3)配合超声波换能器(2)改变超声波振动幅度，增大改变换能器(2)的振幅，提高振速比、提高效率，发生超声空化效应，将大气泡分散为大量稳定的微泡，之后通过管路进行细粒矿物分选。
5.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于：所述超声波控制器(1)的超声波频率为20-100kHz，超声功率设定为20-400W。
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