CN1688392B - 在浆化稠密介质分离中控制介质颗粒尺寸 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于分离混和物的方法，系统和介质。提供含有分离液体和一或多种颗粒介质材料的浆料。对所述浆料机械能分级分离，生产具有颗粒介质材料的受控颗粒尺寸分布的分级介质。所述分级介质与待分离混和物组合，生成一种分离混和物。所述颗粒尺寸分布可以部分根据在随后的密度分离中使用的分离系统的部件特性进行控制。

Description

在浆化稠密介质分离中控制介质颗粒尺寸

相关申请的交叉引用

本申请要求2002年7月22日提交的临时申请No.60/397808的权利，在此通过引用而包含其内容。

发明领域

本发明涉及材料分离和回收塑料。

背景技术

使不同聚合材料互相分离的问题是从耐用品中经济地回收聚合材料的主要障碍。目前有三种主要的分离技术：手工分选，基于光学/分光镜的分选，主要基于材料密度差别的机械分选。手工分选是劳动密集型且在多数情况下由于成本而不允许。基于光学的分选技术，包括可见光，近红外，紫外光和X射线荧光，具有许多应用，且这些系统无疑将在将来的回收设备中占据角色，例如在2003年4月14日提交、共同转让的国际申请No.PCT/US03/11642中所述，在此通过引用而包含其内容。然而，当今没有可以广泛地适用于包含填料、油漆、涂料和其他污染物的聚合材料的系统。机械分选系统利用材料之间的物理性能差别而将其分离。这些技术采用的最共同的物理性能是材料密度的差别。

密度分选用于浓集包括混和塑料，煤和混和金属的各种原材料。通常需要在密度大于水的流体中进行这些分离。流体的密度可以通过向液体加入固体材料(将称为“介质”)形成浆料而增加。磁铁矿，二氧化钛，沙子，铁硅酸盐或其他材料通常加入水中，向上调节密度，而使密度高达2.6g/cc或更高的材料可以漂浮。利用这种浆化介质的分离将称作“浆化稠密介质分离(slurried dense media separations)”。

水力旋流器(hydrocyclone)或其他密度分离装置可以用来借助于密度分离材料。某些密度分离装置将待分离的液体和颗粒(混和物颗粒)导入锥形或圆柱形装置。在所述装置内产生旋涡，致使密度大于液体的颗粒到达所述装置的底部(下溢流)，密度小于液体的颗粒到达所述装置的顶部(上溢流)。当使用在水中的稠密矿物材料形成的浆料为分离液体时，浆料可能不稳定，而出现沉淀。用于增加流体密度的介质颗粒应当足够小，使它们不会与待分离的混和物颗粒一样快地分离。例如，如果用磁铁矿作介质，那么颗粒尺寸通常必须小于200微米，以确保磁铁矿不会快速地沉淀，而使液体不能起到稠密液体的作用。在共同转让的美国专利US6238579中描述了许多密度分离装置，在此通过引用而包含。

除了分离颗粒混和物之外，水力旋流器也可用于使固体脱水，并按尺寸对固体分级。图1示出了普通水力旋流器100的结构。水力旋流器能够从浆料中回收的固体颗粒尺寸由变量组合确定，所述变量包括旋流器直径110，入口面积120，旋涡探测器的直径130，分级部分的高度140，进入旋流器的进料流速，浆料中固体颗粒的密度和分离流体的密度。

发明内容

本发明提供了通过使用具有受控的颗粒尺寸分布的浆化稠密介质来改进密度分离性能的技术。所述颗粒尺寸分布通过对浆化介质分级而进行控制，去除通常在特定尺寸之下的碎屑，并去除在特定尺寸之上的粗糙颗粒-即，在分离装置的下溢流中浓缩的浆料部分。在下溢流中浓缩的介质颗粒尺寸将随着分离回路而变化。这些分级都可以重复，从而增加微细和粗糙颗粒的总去除。

通常，在一方面，本发明的特征是用于分离混和物的方法和系统。提供浆料，包括分离液体和一或多钟颗粒介质材料。对浆料进行分级分离，生产一种具有颗粒介质材料的受控颗粒尺寸分布的分级介质。分级介质与待分离的混和物组合，而产生分离混和物。对所述分离混和物进行密度分离。

具体的实现方式可包括一或多个下述特征。分级介质可以在完成了一或多次密度分离之后再生。分级分离可包括从浆料中分离粗糙部分和微细部分。粗糙部分和/或微细部分可以由分离系统的参数确定。粗糙部分可以在第一次密度分离之前加入浆料中。可以使用一或多个水力旋流分离器，一或多个圆柱形旋涡分离器，或水力旋流器和圆柱形旋涡分离器的组合，对浆料或分离混和物进行多次密度分离。所述介质可包括磁铁矿，二氧化钛，沙子或铁硅酸盐。待分离的混和物可包括塑料材料。所述介质可以是磁铁矿，分级浆料的颗粒尺寸分布可以从5至30微米或5至25微米。用于分离的系统可包括第一密度分离器，第二密度分离器，第三密度分离器和脱水筛。脱水筛可以连接于第二密度分离器，从而提取出液体。第二密度分离器可以由第一密度分离器供料。第三密度分离器可以由第一密度分离器以及提取出的液体供料。所述浆化介质可包括一或多种具有在两颗粒尺寸阈值之间的尺寸分布的材料。所述阈值可以由密度分离系统的部件特性来确定。

总的来说，在另一方面，本发明提供了一种用于分离混和物的方法。混和物在第一密度分离器中分离，产生第一部分和第二部分。第一部分在第二密度分离器中分离，产生第三部分。从第三部分中回收液体，且回收的液体和第二部分组合。然后，第二部分在第三密度分离器中分离。

总的来说，在另一方面，本发明提供了一种用于分离颗粒混和物的系统。所述系统包括具有第一出口和第二出口的第一密度分离器，由第一密度分离器的第一出口供料的第二密度分离器，由第一密度的第二出口供料的第三密度分离器，和连接于第二密度分离器的出口的脱水筛。所述脱水筛用于从第二密度分离器的出口排出的产品中去除液体，而使至少一部分去除的液体送入第三密度分离器。

具体的实现方式可包括一或多个下述特征。在第二密度分离器中分离第一部分可包括产生第三部分和第四部分，其中第三部分包括比第四部分更多量的液体。第一密度分离器可以是水力旋流器，第二和第三密度分离器可以是圆柱形旋涡分离器(cylindrical vortexseparator)。第一密度分离器可以是圆柱形旋涡分离器，第二和第三密度分离器可以是水力旋流分离器。所述系统可包括一个有效地连接于第一，第二和第三密度分离器的泵。

总的来说，在另一方面，本发明提供了一种在使用密度分离系统对材料混和物进行浆化介质密度分离过程中使用的密度调节介质。所述介质包括一或多种材料的颗粒成分。所述颗粒成分包括具有在第一颗粒尺寸阈值和第二颗粒尺寸阈值之间的颗粒尺寸分布的颗粒。第一和第二颗粒尺寸阈值至少部分根据密度分离系统的部件特性进行选择。在具体的实现方式中，所述介质可包括磁铁矿，二氧化钛，沙子或铁硅酸盐。所述介质可以是磁铁矿，分级浆料的颗粒尺寸分布可以从约5至30微米或5至25微米。

总的来说，在另一方面，本发明提供了使用两个或多个密度分离器来分离混和物中的材料的多级分离系统。所述多级系统可包括多个水力旋流分离器，圆柱形旋涡分离器或其他密度分离器，包括这些的组合。

具体实施例可包括一或多个下述特征。在所述系统中第一密度分离器可以是水力旋流器，水力旋流器的上溢流和下溢流可以送入第二水力旋流器或圆柱形旋涡分离器。所述多级系统可与单独作为分离液体的水一起使用，或与盐溶液或浆化颗粒固体介质一起使用。浆化介质可以分级而形成受控的颗粒尺寸分布。受控的颗粒尺寸分布可以排除颗粒尺寸大于第一颗粒尺寸阈值和/或小于第二颗粒尺寸阈值的介质颗粒。分级介质可用于在串联的两个或多个密度分离器中以大致相同的分离密度控制两级分离。在已经制备了分级介质之后，可以选择性地导入非常粗糙的颗粒介质成分，它们将基本上在第一密度分离器的流体中去除。具有添加的非常粗糙的材料的分级介质可用于控制三种方式的分离。包括串联的两个水力旋流器，随后是圆柱形旋涡分离器的系统可用于生产稠密的、中等稠密和轻质的产品。所述工艺可以根据第二水力旋流器的进料密度和第一水力旋流器的顶端直径进行控制。所述圆柱形旋涡分离器可以由压头箱供料。

可以使用作为第一级的水力旋流器和作为第二级上溢流和下溢流分离器的水力旋流器或圆柱形旋涡分离器，对重质和轻质产品进行随后的两级分离。圆柱形旋涡分离器可以用于对混和物颗粒和浆料组合的轻质部分脱水，直到比水力旋流器更大的程度，该分离器倾向于对重质产品脱水。对第二级上溢流进料分离器的更大量的排出流体脱水，和将所述流体发送至第二级下溢流进料压头箱，能以相同的密度在每一分离器进行分离。将来自一次级密度分离器的不太稠密的流体与送入另一次级分离器的更稠密的流体一起输送的多级系统可以调节，而提供进入每一分离器的密度大致相同的进料。所述多级系统可以设有比每个分离器一个泵更少的泵。例如所述多级系统可以仅设有用于整个多级系统的一个泵。

漂洗水系统可用于通过使分离的漂洗水清洁水力旋流器的上溢流的一部分自动导流而去除微细颗粒。漂洗水系统使浆料中可接受的介质沉淀，并产生上溢流流体部分，该部分仅含有非常微细的介质颗粒，并产生下溢流部分，该部分浓缩中间的流体，以便返回主分离进料箱，使所述介质返回所述工艺。漂洗水可用于喷洒混和物颗粒，以便从湿固体中分离更多介质。如果分流阀位于分离旋流器下溢流上，分离回路本身可用于去除粗糙颗粒。

所述系统可用于对介质颗粒最初分级，并且一旦使用介质，就去除累积在液体中的微细或粗糙的颗粒。这可以使所述介质重新利用。去除不需要的颗粒比如碎屑，使用下面描述的技术不必要求所述介质是铁磁性的，所述方法不将用户限制于窄范围类型的介质。

本发明可以具有一或多个下述优点。通过降低流体的粘度，并减少泡沫，去除微细介质颗粒(通常小于5微米)改善了分离性能。泡沫捕获浆料中的空气，导致产生压力振荡，使分离器不稳定。去除微细的介质颗粒还使分离材料中产生更清洁的颗粒，因为微细介质颗粒污染了混和物颗粒的表面，并减少了混和物颗粒表面的磨损性清洁，否则这在分离过程中将发生。去除介质的微细颗粒还有助于混和物处理设施的清洁和卫生，通过减少可以在所述设施内空气传播的介质量。

去除粗糙介质颗粒改善了分离性能，因为介质颗粒不在分离旋流器的下溢流中浓缩，该浓缩使密度分选更不精确。从介质中去除粗糙颗粒使所述介质稳定，从而使所述介质在接近进料密度的密度下分离颗粒混和物。通过选择介质颗粒落入目标区域，所述分离装置可用于分离混和物颗粒，并在分离之前或过程中提高介质浆料的质量。因为所述分离装置可用于两个目的，所以需要更少的设备来优化这种分离工艺。使用与完成随后分离所使用的相同条件和设备结构，对所述介质进行分级可以产生分级的介质，该介质将在随后的分离中令人满意地发挥作用，无论介质中的颗粒材料如何，且无需知道颗粒尺寸阈值。在这些情况下，介质分级可完全由在分级过程中使用的分离条件和设备结构确定。

多级系统的使用可以改进分离的性能。其中第一水力旋流器的上溢流送入圆柱形旋涡分离器的多级系统，需要仅稍大于单级系统的竖直间隙，和仅稍大的泵压力。这种系统可以改进分离的精度，并降低分离产品脱水的需求，因为一部分水从分离的上溢流或下溢流去除。这可以有助于从原材料中生产高纯度的轻质产品，该产品含有进料中的变化或低含量的轻质材料。

在多级系统中使用圆柱形旋涡分离器可以改进从轻质产品去除介质密度的精度。圆柱形旋涡分离器还使混和物颗粒的轻质部分和浆料组合脱水，直到大于水力旋流器的程度，该分离器倾向于对重质产品脱水。对来自第二级上溢流进料分离器的更大量的排出流体进行脱水，并将该流体送至第二级下溢流进料压头箱，能以相同的密度对每一分离器进行分离。该流体输送技术消除或极大地减少了第二级下溢流分离器上高流体密度的问题。多级系统将从一次级分离器回收的不太稠密的流体加入送到另一次级分离器的更稠密的进料中，减小了进料的密度，且使其可以调节进料密度，而使进入多级分离系统的每一分离器中的进料密度大致相同。这降低了监测和控制送入每一分离器的浆料的需求。这也可以取消对每一分离器具有专用泵的需求，简化了系统，并降低了投资费用。在某些实施例中，仅需要一个泵用于整个多级系统。

这些技术可用于分离多种颗粒，包括混和塑料，混和矿物和混和金属，或这些材料的任何混和物。

本发明的一或多个实施例的细节在附图和下面的描述中公开。除非以其他方式限定，在此使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域的普通技术人员通常理解的意义。在此提到的所有出版物，专利申请，专利和其他文献通过引用而包含其全部内容。在冲突的情况下，本申请文件说明书，包括定义将对此进行控制。从说明书，附图和权利要求书中，本发明的其他特征和优点将更为明显。

附图说明

图1是典型水力旋流器的示意图。

图2A是ABS塑料的原子显微镜图像。

图2B示出了混和颗粒表面上的小介质颗粒和大介质颗粒的图。

图3示出了包括两个串联的水力旋流器的多级分离系统的示意图，其中第一水力旋流器的上溢流送入第二水力旋流器。

图4是竖直定向的圆柱形旋涡分离器的示意图。

在各附图中相同的标记和标识表示相同的元件。

图5是双精度密度分离系统的示意图，该系统将流体从一个第二级分离器送至另一第二级分离器。

详细描述

本发明提供了采用具有受控的颗粒尺寸分布的颗粒介质的密度分离技术。当介质颗粒在分离装置比如水力旋流器中沉淀时，下溢流的密度相对于进料流体上升，上溢流的密度下降。在下溢流和上溢流流体密度之间的差别称为“差值”。因为在下溢流中的流体量通常比到达上溢流的量更小，所以进料和下溢流之间的密度差别相应地比进料和上溢流之间的密度差别更大。

发生混和物粒子分离的流体密度称为分离密度。例如，为了分离密度为1.05g/cc和1.10g/cc的颗粒，分离密度将在1.05和1.10g/cc之间。对于浆化的稠密介质分离，分离密度通常高于进料流体的密度，因为介质在下溢流中浓缩，并阻止否则将到达下溢流的某些混和颗粒浓缩。进料密度和分离密度之间的差别通常称为“偏差”。随着偏差的增大，分离的质量通常下降。

当存在较大偏差时，难以精确地控制密度非常接近的两种材料分离的分离密度。在分离塑料材料的情况下，通常希望分离两种密度仅变化0.02g/cc或更小的塑料。在许多情况下，采用水力旋流器和浆化介质的分离回路的偏差可能高达0.1g/cc。相对于精确分离的密度分割点(到达下溢流和上溢流的颗粒尺寸)的这种偏差大小，使分离系统很难控制。偏差可能随着时间变化，如果介质颗粒的颗粒尺寸分布变化或流体温度变化。希望具有较小偏差的分离系统。

随着介质颗粒尺寸的减小，浆料的稳定性改善，但粘度通常增加。当混和物在稠密介质分离中分离时，浆料的粘度增加减缓了混和物颗粒在分离流体中下沉或漂浮的速度。保持浆料的粘度较低可以使更多的混和物颗粒经过分离流体朝向上溢流或下溢流运动。为此，在介质材料的选择上总是存在着折中，因为必须既不能过于粗糙，也不能过于微细。

在浆化稠密介质分离中可以使用直径约76mm(3英寸)至约760mm(30英寸)的许多不同尺寸的旋流器。到达上溢流的颗粒尺寸与旋流器尺寸和其他变量的作用如下表1所示。

表1

变量	变量增加对上溢流颗粒尺寸的影响
		旋流器直径	增加颗粒尺寸
旋涡探测器直径(Vortex Finder diameter)	增加颗粒尺寸
		入口面积	增加颗粒尺寸
旋流器流速	减小颗粒尺寸
		介质固体密度	减小颗粒尺寸

在更高的分离密度下，粗糙的介质颗粒更不可能沉淀，因为它们受到阻碍而不能自由地沉淀。在更高的分离密度下，粗糙的介质颗粒是所希望的，因为它们使介质粘度较低，同时仍然不产生过大的偏差。

在一方面，本发明提供了用于控制介质的颗粒尺寸的技术，而使其可以在离心流体分离装置中用于分选固体混和物时，形成具有有益性能的浆料。为了确保一旦制备介质就可靠地运行，所述介质进行分级，而使选择范围之外的小颗粒和大颗粒或不同材料的颗粒在介质用于分离工艺之前从介质中去除。这些技术生产了更清洁的混和物颗粒，因为易于粘附在混和物颗粒表面上的微细介质颗粒被去除，且因为介质磨损地清洁了所述材料的外表面。所述技术可用于分离混和塑料，但它们也可用于分离金属或矿物混和物的分离，或可以根据密度分离的任何材料混和物。通常，介质颗粒尺寸小于待分离混和物颗粒平均尺寸的50％。在本发明的一种方法中，用于颗粒材料分离系统，比如水力旋流器或圆柱形旋涡分离器中的一种分离介质，选择为具有在特定颗粒尺寸范围内的颗粒尺寸分布。通过使运载流体中未分级颗粒介质形成的浆料经过密度分离器，比如水力旋流器而制备分级介质。所述介质包括颗粒材料，该材料可以是矿物，比如磁铁矿，二氧化钛，沙子，铁硅酸盐或其他矿物，或其他非矿物材料。运载流体通常是水，具有溶解盐的水，或其他液体。通常，由于在分离过程中它们抗磨损的能力，选择硬介质颗粒。

在一个实施例中，用于对介质分级的密度分离器是与其中所述介质用于分离材料混和物的分离器相同的。或者，所述介质可以在不同的分离器中处理，比如具有等同或类似分级条件的分离器。含有大于第一预定颗粒尺寸阈值的颗粒的介质粗糙部分在密度分离器中生产，并去除，且保留材料的剩余部分。例如，当介质在水力旋流分离器中处理时，介质的粗糙部分在下溢流或旋流器的顶部生产，并去除，且保留到达上溢流的介质材料部分，下面将详细描述。

该工艺可以重复一或多次，其中保留的材料送入相同或不同的密度分离器，去除附加的粗糙材料部分。虽然去除粗糙颗粒一遍通常足以在很大程度上减小分离器偏差，但第二和第三遍可以使介质随后在相同的分离条件下用于稠密介质分离时会遇到的偏差进一步减小，使其可以更加精确地分离混和物。或者，在粗糙部分去除时流速可能增加。

然后去除小于第二预定尺寸阈值的微细颗粒。已经去除了粗糙部分的保留材料送入密度分离器，该分离器可以是与去除粗糙颗粒相同的分离器，或不同的分离器。在该分离器中，小于更小尺寸阈值的非常微细的介质颗粒从浆料中分离，生产可接受的介质，即具有在所需范围内的颗粒尺寸分布的介质。例如，微细分级可以在分离的漂洗水力旋流器中进行，该旋流器使比通常用于去除介质的粗糙部分(和混和物分离)更大水力旋流器的更小直径的颗粒沉淀，下面将详细描述。该水力旋流器生产上溢流部分，仅含有非常微细的介质颗粒，且在下溢流部分中从浆料中浓缩剩余的可接受介质，该介质可以返回主分离进料箱。

针对给定的分离而选择的具体介质颗粒尺寸范围(即，上述的第一和第二颗粒尺寸阈值)将根据介质材料和形成分离回路的设备，从一种分离到另一种变化。可以采用简单的方法来确定粗糙尺寸阈值，在该阈值之上的介质颗粒将被去除。如上所述，水力旋流器分离系统可以处理未分级的介质，从而可以去除到达下溢流的粗糙部分。每连续通过旋流器一遍将能去除剩余固体介质的粗糙部分。如果最后使用的遍数过多，则几乎所有的颗粒介质都被去除。因此，在一和五遍之间通常实现了大多数或所有预期的实际益处，而基本上没有降低可接受介质的产量。通过使用预期的分离系统和条件对浆化介质执行预分级步骤，该行为可用于消除在分离条件下沉淀的介质颗粒，从而生产基本上没有粗糙颗粒的介质，所述粗糙颗粒将沉淀至下溢流，并不利地影响由此得到的分离性能，即使可能不知道数量和特性(即，粗糙颗粒尺寸阈值)。通常，介质的适当颗粒尺寸取决于介质的密度。例如，在5和30微米之间的磁铁矿介质形成稳定的浆料。不比磁铁矿稠密的其他矿物或介质颗粒，比如二氧化硅形成具有粗糙颗粒的稳定浆料。

基本上去除了在特定颗粒尺寸下和特定颗粒尺寸上的所有颗粒，通常会改善混和物中颗粒的分离，下面将详细描述。针对介质选择的具体颗粒尺寸分布随着介质材料的选择和分离系统的结构而变化，通常由用于实现颗粒尺寸的分级技术描述。

小于目标范围的颗粒的去除避免了利用所述介质进行分离的多个问题。例如，微细的颗粒尺寸材料可能在处理含有浆化颗粒的流体时导致形成丰富的泡沫。微细介质颗粒还导致浆料的观测粘度增加，这使其相对于离心分离装置内的流体，更难使混和物颗粒上升或沉淀。如果变干，微细介质颗粒还更可能空气传播，且可能是保持设施清洁和卫生的问题所在。微细介质颗粒还污染待分离的某些种类颗粒的表面，尤其是塑料。

微细颗粒造成的表面污染可能尤其有问题。图2A示出了注塑的丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)塑料试样的切片部分表面的原子显微图。原子显微术以正常的穿刺模式进行。在图2A中的原子显微照片示出了多个不同尺寸的表面孔和轮廓。颜料颗粒的孔205看起来通常小于2微米，在ABS内的橡胶区域210通常小于0.5微米，且表面槽和轮廓通常小于5微米。虽然AFM中的轮廓来自切片机，但可以推断塑料造粒将产生类似的轮廓。如图2B所示，尺寸大于5微米的介质颗粒215基本上不太可能找到附着于所述表面的位置，但小于5微米的介质颗粒，比如直径3微米的介质颗粒220可能配合在3微米的空隙225中。因此，在浆料中用于分选混和物颗粒的颗粒介质不太可能污染塑料表面，其中所述混和物颗粒含有数目极大减少的小于5微米的介质颗粒。冲洗含有更大量和更小量小于5微米的介质颗粒的浆料中的塑料试样，表明利用具有小于5微米的颗粒的浆料进行冲洗的塑料，具有比利用含有大于5微米的颗粒的浆料重新的塑料更大的污染率。微细介质颗粒越少，浆料越不可能污染塑料表面。

有多种分离技术，比如摩擦静电分离和泡沫浮选，它们依赖清洁的塑料表面。通过从浆化的密度分离介质剥离小于5微米的微细颗粒，极大地增加了摩擦充电的性能，因为所述介质不含有附着在混和物颗粒表面上的颗粒(因此不改变分离装置内混和物颗粒的行为)，然后进行磨损性清洁粗糙的介质颗粒。

当磨损性材料，比如磁铁矿，二氧化钛，沙子，铁硅酸盐或其他硬质材料是所述介质，且所述介质具有大于5微米的颗粒尺寸时，出现聚合混和物颗粒(例如塑料)的表面磨损。在经过浆化稠密介质分离之后，所述颗粒具有不太光滑的外观，且微细塑料呈现在从湿式分离系统中去除的废弃材料中。这种摩擦动作具有清洁聚合物表面的作用，从而改善它们在表面分离技术中的性能，比如摩擦电分离，因为表面污染可能改变混和物颗粒的性能，而使具有相同物理属性的颗粒在分离过程中行为不同。通过使用浆化的稠密介质尤其增强了清洗过程，其中颗粒尺寸分布使微细(＜5微米)材料的含量最小化，因为微细材料被覆在混和物颗粒表面上，可能阻碍上述的磨损。因此，使塑料混和物暴露于分级的浆料而在使用基于表面的分离技术分选之前排除小于5微米的颗粒，可以改善随后的分离。

比选择的颗粒尺寸更粗糙的介质颗粒也有问题，因为它们在处理设备中沉淀，尤其是在离心分离装置中，其中相当快地出现沉淀。如果浆料的介质颗粒在离心分离器中沉淀到较大的程度，那么混和物颗粒的分离密度改变。浆料颗粒沉淀的越多，有效的分离密度升高越大，分离的精度越小。

在密度分离器中发生分离的密度倾向于接近分离器下溢流的密度。对于任何在给定分离条件下工作的任何给定离心分离器，将有在上溢流和下溢流之间均匀分布的颗粒直径。流速的增加导致到达下溢流和上溢流的颗粒直径减小。例如，如果经水力旋流器的流体流速加倍，那么均匀分布的颗粒尺寸减小，因为在旋流器内的离心力增加。

在另一方面，本发明提供了分离系统和使用这些系统的方法，减小制备浆化介质和完成浆化介质密度分离所需的设备总数量。所述设备可以以两种谨密模式运行。第一种模式产生具有受控颗粒尺寸分布的介质。第二模式使用所述颗粒介质分离塑料，塑料和其他材料，金属，或矿物混和物，从运载流体的固有密度向上调节所述密度。

在一个实施例中，所述介质通过使未分级的介质经过用于分离粗糙(1-25mm)颗粒，比如混和塑料的相同水力旋流器(或具有等同分级条件的不同水力旋流器)而制备。浆料的密度可以是在待分离的混和颗粒中的至少两种材料之间的密度。例如，大多数塑料具有在0.9和1.3g/cc之间的密度。因此，浆料的密度可以选择(例如根据介质的加入)落入0.9至1.3内，或更窄的范围1.01和1.15g/cc。介质的粗糙部分在旋流器的下溢流或顶部生产。所述粗糙部分被去除，保留到达上溢流的介质材料的部分。通过重复这种操作，可以选择性地减小当所述介质在相同的水力旋流器条件下用于稠密介质浆料分离中使用时出现的偏差。一遍通常足以极大地减小所述偏差。然而，希望第二或第三遍，尤其是如果希望有精确的混和物分离。作为多遍的替代，流速可以增加，同时去除粗糙部分。经过水力旋流器的体积流速增加，增加了下溢流中粗糙颗粒的捕获，并减小上溢流中保留的平均颗粒尺寸。

在浆化稠密介质回路中到达下溢流的颗粒倾向于是介质中的粗糙颗粒。如果这些粗糙的介质颗粒在制备所述介质时去除，那么可以极大地减小分离回路的偏差。此外，通过去除在确定的尺寸之下的介质颗粒，所述介质将表现出粘度减小，泡沫减少，污染表面的倾向减小，磨损地清洁表面的倾向增加，而进一步改进了利用所述介质进行的分离性能。

随着每连续一遍和剩余粗糙部分的去除，保留的浆料变得更稳定。这意味着所述介质将以接近进料密度(较小的分离偏差)的密度分离混和物，且上溢流将具有更接近下溢流的密度(低差值)。如果所述介质通过随后去除粗糙颗粒而稳定，那么通过使第一旋流器305的上溢流310直接连接于第二水力旋流器320的进料口315可以进行两级分离，如图3所示。

两级串联连接可以在第二水力旋流器中进行第二次分离，从而进一步将介质颗粒分成更窄的尺寸范围。如果在分离过程中每次经过水力旋流器时，从上溢流去除给定密度颗粒的90％，那么上溢流的第二次分离具有去除剩余材料的90％的作用，以至净去除为99％。当在稠密介质浆料分离中使用时，第一水力旋流器的上溢流与第二旋流器的进料口连接导致在第二水力旋流器中在比第一次分离更低的密度下发生分离，因为第一旋流器的上溢流含有更多的水，且不比进料稠密。随着介质变得更稳定(盐水介质相当稳定，将导致分离密度差别较小)，分离密度的差别减小。第一水力旋流器的下溢流与第二水力旋流器的进料口直接相连通常限制了空气进入旋流器顶部，而在旋流器内形成空气芯。空气芯改善了分离，因此直接连接可能折中第一水力旋流器中发生的分离。

对于在分离器系统中的使用，比如图3所示，通过首先使浆料经过所述系统，并去除到达下溢流的介质部分，浆化的颗粒固体介质可以稳定化。所述系统可以设计为使阀仅在介质分级过程中将两旋流器下溢流改向存储器的方向。一旦已经制成所述介质，则来自下溢流和上溢流的所有介质返回到分离进料箱。作为一个水力旋流器的上溢流与另一个之间连接的替代，可以提升第一水力旋流器，从而可以使上溢流在大气压力下为压头箱供料。压头箱位于第二水力旋流器上方约第二旋流器的直径的10倍，这是驱动任何分离旋流器的足够压头高度。例如，如果第二水力旋流器为24.5cm直径的旋流器，那么驱动它的压头箱将在旋流器入口上方约10×25.4cm或254cm处。这种结构具有不对第一旋流器的下溢流提供额外压力的优点，可能驱动比所需更多的流体流出第一下溢流。也可以在第一旋流器中形成空气芯，增加分离性能。然而，这种压头箱结构需要较大的竖直高度-在38cm直径的旋流器的情况下，安装这种系统将需要约4米的额外竖直间隙。

为水力旋流器串联供应上溢流的实际困难是需要高压力，且能处理磨损性和粗糙固体的泵倾向于不适于驱动多级所需的高压力。无论水力旋流器是否直接连接或经压头箱连接都是这样。如果使用如美国专利US6238579中所述的圆柱形旋涡分离器，代替水力旋流器，该困难可以克服。该装置具有需要较小压力来驱动分离的优点。驱动流速等于38cm的水力旋流器流速的圆柱形旋涡分离器需要小至1.5米的竖直距离。这1.5米是从重质产品排出口测量的，该排出口可以位于分离器的底部。如果圆柱形旋涡分离器竖直定向，且长度为1米，那么第一水力旋流器的出口可以位于圆柱形旋涡分离器顶部上方0.5米处。竖直定向的圆柱形旋涡分离器的一个示例在图4中示出。进料进入压头箱405，并送入圆柱形旋涡分离器400，在此分离过程导致重质产品在出口410排出，而轻质产品在第二端口415排出。距离420是从压头箱405到轻质出口415测量的。

向为圆柱形旋涡分离器供料的压头箱供料的水力旋流器上溢流的组合，能实现更实际的两级分离，因为极大地减小了竖直间隙和泵的压力需求。这种结构具有另一优点，即圆柱形旋涡分离器将60和90％之间的进料流体导向重质产品，但水力旋流器将60和90％之间的流体导向轻质产品。因此，圆柱形旋涡分离器作为轻质产品的脱水单元，就象水力旋流器用作重质产品的脱水装置一样。如果水力旋流器输送来自湿式分离单元的重质产品，且其上溢流发送至圆柱形旋涡分离器，该旋涡分离器导流来自所述单元的轻质产品，且使重质产品再循环到进料箱，那么几乎一半经过所述系统发送的流体不需要脱水而捕获固体。这表示通过简化脱水筛和潜在地简化所需的漂洗系统，明显节省了成本。如果在仅用水的分离系统中使用水力旋流器，其中其上溢流经脱水箱供应给圆柱形旋涡分离器，那么重质和轻质产品可以直接送至甩干机，如果处理塑料材料，那么在甩干机之前不需要单独的脱水单元。这种两级系统需要仅比单级系统大约1米的竖直间隙。虽然两级系统需要泵上有稍高的压力，但当与单级系统比较时产生了更精确的分离。

如果来自第一旋流器的上溢流送至第二旋流器，且使用浆化颗粒介质，该介质没有在预分级阶段去除粗糙颗粒，那么在第一旋流器中的分离在比第二旋流器中的分离更高的密度下进行，因为浆料中的粗糙颗粒倾向于到达第一分离器的下溢流。如果密度监测装置放在第二旋流器的入口处，那么可以在第二旋流器中进行非常精确控制的分离。在第一旋流器上发生的分离精度较低，因为粗糙介质在该阶段沉淀(导致较高的差值和偏差)。

如果使用预分级的介质，但非常粗糙的介质部分(而使第一旋流器基本上全部捕获)加回进料箱，那么去除重质杂质(比如混和塑料的橡胶，金属，PVC和电路板)的第一级分离可以先于非常精确和更低密度的第二级分离。例如，如果颗粒混和物含有三种聚合物类型，A，B和C，分别具有密度1.20，1.11和1.09g/cc，那么具有加入的非常粗糙的介质部分的分级介质可以用于生产三种分离。颗粒和介质的混和物(包括添加的非常粗糙的部分)导入第一旋流器，在此大多数最稠密的聚合物A和基本上所有非常粗糙的介质颗粒到达下溢流。上溢流包括不太稠密的塑料B和C。这种上溢流，现在包括最初分级介质中的不太稠密的塑料B和C，送入第二旋流器，在此B颗粒大部分到达下溢流，而C颗粒大部分到达上溢流。两旋流器系统已经将混和颗粒分离成三种A，B和C聚合物流。所述方法可以用于分离第一旋流器中的重质杂质(比如混和塑料中的橡胶，金属，PVC和电路板)，并在第二旋流器中分离两种聚合物类型或级别。一种改变分离密度的方法是限制第一旋流器的顶部。当顶部受到限制时，流至下溢流的水量减小，但(在限度内)基本上不减少非常粗糙的固体回收。

使用这种方案，一个分离单元可以同时以两种不同的密度进行旋流分离(即，在上述示例中含有不同稠密的聚合物A和B的轻质部分可以送回第一旋流器)，其中第二分离在更低的密度下发生且更精确地分离混和物颗粒。生产三种产品：高密度重质产品，中间范围密度产品，和更低密度的轻质产品。

在一个实施例中，通过使含有所述介质的浆料经过与最初对所述介质分级而产生受控颗粒尺寸分布所使用的相同分级条件，分级介质可以在它已经在一或多次密度分离中使用之后再生。这样，在一或多次分离过程中产生或导入的微细和粗糙颗粒，例如在混和物分离过程中通过磨损较大的介质颗粒而产生的微细颗粒，或作为污染物导入的粗糙颗粒，-可以去除，且在多次分离中可以保持所述介质的有用性。

如果希望两级分离，那么可以由来自第一级分离旋流器505的上溢流510和下溢流515进料，如图5所示。如上所述，当使用水力旋流器时，来自第一级分离器505的下溢流515含有比进入第一级分离器505的进料流体520更少的水，而使下溢流515的密度比进料520的密度明显高。上溢流510具有比进料流体520更多的水，因此不太稠密，但上溢流510的密度与进料520的密度的不同小于下溢流515的密度。这导致进入第一级和上溢流进料分离器525的进料520与进入下溢流进料分离器535的进料530不同。在这种配置中，通常没有足够的流体来驱动下溢流进料分离器535。为解决这一问题，流体可以从第二级上溢流进料水力旋流器525的上溢流540去除，例如利用脱水筛单元545，且所述液体可以加入下溢流进料分离器535的进料中，以校正下溢流进料密度。

当第二级上溢流进料分离器是圆柱形旋涡分离器时，脱水筛单元可以放在第二级上溢流进料分离器的下溢流排放口上，以平衡所述密度，并提供足够三种进料的流体。

利用这种脱水箱去除的流体被送至第二级下溢流进料分离器的压头箱。加入该流体补充了进入下溢流进料分离器的进料，且能使第二级下溢流单元工作，尤其是如果浆化稠密介质用作分离流体。如果没有流体加入第二级下溢流进料分离器中，那么第二级下溢流进料分离器的分离密度高于第一级分离器和下溢流进料分离器。因此，来自第二级上溢流进料分离器的大体积排放口的流体校正了进入第二级下溢流进料分离器的进料密度，且可以使第二级分离在与第一级分离器相同或类似的密度下进行。如果第一级分离器是水力旋流器，那么第二级上溢流不需要校正，因为在任何情况下大多数流体都从第一级流向该单元。脱水筛或单元实际上去除了流体，与仅去除水相对。该流体含有密度调节浆化介质，该介质具有比标准脱水筛开口更微细的颗粒尺寸。这种脱水筛上的开口通常大于1000微米。

在上述工艺中使用的第二级分离器可以是圆柱形旋涡分离器。如果水力旋流器用作第二级上溢流进料分离器，那么来自该分离器的上溢流的水可以脱去，并送至第二级下溢流进料分离器的压头箱。这样，第二级下溢流分离器可以是水力旋流器或圆柱形旋涡分离器。

如上所述，水力旋流器使大多数流体到达上溢流，而圆柱形旋涡分离器使大多数进料流体到达下溢流。如果第一级分离器是圆柱形旋涡分离器或其他离心式分离器，将更高的流体部分输送至下溢流，那么来自第二级下溢流进料分离器的更大体积排放流的流体可以送至第二级上溢流分离器的压头箱。无论在第一和第二级分离中使用的分离器，可以对整个多级工艺使用一个泵。相反，普通的分离工艺通常需要每个分离器需要一个泵，增加了分离设备的成本和复杂性。

为了保存颗粒介质，通常漂洗混和物的排出颗粒。混和物颗粒可以在筛网上漂洗，该筛网包括起“脱水”部分作用的第一部分。来自所述脱水部分的流体可以送回分离器箱，以便直接再使用。这种筛过的流体的一部分可以转向漂洗水系统。漂洗水系统包括捕获所述转向的流体并将其输送至漂洗泵的分离箱。漂洗泵可以对所述流体加压，并为分离水力旋流器供料，该旋流器的结构可以使比用于分离混和物以及潜在地去除所述介质粗糙部分的通常更大的水力旋流器使用的更小直径的颗粒沉淀。漂洗水力旋流器可以用于实现多种功能。它从所述浆料沉淀可接受的介质，并产生上溢流流体部分，该部分仅含有非常微细的介质颗粒，还产生下溢流部分，该部分浓缩中间流体，以便返回主分离进料箱，使所述介质返回工艺。漂洗水可以用于喷淋混和物颗粒，以便使更多的所述介质从湿固体脱离。

这种漂洗水系统也是一种控制主分离单元内流体密度的方便方式。如果发现密度过低，那么一部分漂洗水可以从所述工艺分流，浓缩所述箱内的流体。如果发现主分离流体的密度过高，那么一部分下溢流可以从所述工艺分流，稀释分离流体。

漂洗旋流器也可用于在介质分级过程中去除过于微细的介质(对于磁铁矿浆料通常约在5微米之下)，如上所述。分流系统可用于将来自未分级介质的上溢流送至沉淀系统。这种分流系统可以是自动启动的，如果密度监测器(比如核密度计)放在漂洗旋流器上溢流上。如果上溢流密度在给定值(例如约1.01g/cc)上方，那么上溢流自动分流，且代替新鲜的漂洗水。如果主分离流体回路密度监测器指示流体过于稀释，则这种代替不会发生。

使用这种简单的系统，可以控制和保持介质的特性，且主分离回路的密度可以维持。与设计用于仅浓缩回收磁铁矿颗粒的更昂贵的磁性介质浓缩系统相比，由于颗粒按大小被浓缩，这具有明显的优点。漂洗水控制系统能使用任何颗粒固体作为介质，无论其磁性如何。

所述介质可以使用这种直接的方案首先分级，并调节而去除存在问题的微细材料。然后所述设备可用于连续地去除由所述工艺产生的碎屑，或通过进料加入所述系统中。这可以使浆料再生和重新利用。漂洗喷射的使用基本上增加了浆料颗粒的回收，并减轻了对下游设备的磨损。混和物颗粒，如果是塑料，送至各种称作甩干机的离心式干燥器中，该机器包括在静止不同的筛网圆柱体内的中心转动桨叶配置。筛网圆柱体其轴线竖直定向。

示例

下面的示例仅是示例性的，并不意味着限制在权利要求中描述的本发明的范围。

示例1：介质颗粒尺寸对塑料表面污染的作用

颗粒尺寸分布在0.1至100微米范围内的磁铁矿放在水中且搅拌。所述浆料可以沉淀几分钟，且补充流体注入第二容器中。这种浆料可以沉淀几分钟，然后补充流体注入第三容器中。每个容器装有粗糙、中间或微细介质尺寸的部分。

约10克聚丙烯塑料颗粒球在三种浆料的每一种中搅拌约1分钟。然后去除小球，漂洗并在炉中干燥。与微细颗粒浆料一起搅拌的小球看起来明显比与粗糙或中间磁铁矿浆料一起搅拌的小球更黑。

然后在聚碳酸酯容器中旋转之后，测量干燥小球的电荷。表2示出了暴露于水，微细和粗糙颗粒的小球上每质量单位的电荷。对于暴露于微细颗粒的小球来说电荷更少，这表明有某些表面污染影响。

表2：在暴露于水，微细磁铁矿介质和粗糙磁铁矿介质之后，干燥的聚丙烯每单位质量的电荷

试样	每单位质量的电荷(nC/g)
		仅水	-0.36
微细介质	-0.17
		粗糙介质	-0.34

示例2

具有6英寸旋涡探测器，11平方英寸的入口和4.5英寸的顶部的由亚利桑那州Tucson市的Krebs Engineers制造的15英寸D15B型水力旋流器在约7psi的压力下供应磁铁矿，去除直径在约30微米之上的颗粒。或者，通过重复处理或通过增加送料速度降低分离分割点，或改变另一旋流器分离参数，可以去除直到约25微米的额外颗粒，产生非常接近尺寸5-25微米的介质，如表1所示。水力旋流器沿与水平方向约22度的方向定位。水力旋流器将大约一半约30微米的颗粒分配给下溢流，其中更高百分比的粗糙颗粒分配给下溢流。约总流体的30-40％被送至下溢流，这样将不能有效地对仅30-40％的回收到下溢流的颗粒进行分级，因为它与所述流体一起到来，且不受旋流器作用。

示例3

选择介质尺寸的另一示例如下。由Krebs Engineers制造的D4B-12型水力旋流器，具有1.2平方英寸的入口面积，1.25英寸的旋涡探测器，且在约30psi的压力下进料，希望将约一半的10微米颗粒磁铁矿浆料回收至下溢流。利用0.625的顶部直径，这种旋流器将总流体的约10％发送至下溢流。这样，它浓缩了比10微米更粗糙的颗粒，且可以具有非常小的在下溢流中捕获5微米或更小颗粒的能力。所有较小颗粒的约10％被导流至下溢流，因为它们与到达下溢流的流体一起行进。在每一遍，在10微米下的所有颗粒的50和90％之间的部分被从到达下溢流的介质去除。通过旋流器1-5遍，回收到下溢流的磁铁矿将基本上没有5微米和以下的颗粒。

本发明已经根据具体的实施例进行了描述。其他的实施例也在下述权利要求的范围内。例如，本发明的步骤可以按不同的顺序执行，而仍然实现所需的结果。

Claims (15)

1.一种用于分离混和物的方法，所述方法包含：

对含有分离液体和一或多种颗粒介质材料的浆料执行一或多次分级分离，其中，执行一次或多次分级分离从所述浆料分离出含有所述一种或多种颗粒介质材料的粗糙颗粒的粗糙部分，所述粗糙颗粒具有大于第一颗粒尺寸阈值的颗粒尺寸；

执行一次或多次分级分离以从所述浆料中分离出含有所述一种或多种介质材料的微细颗粒的微细部分，所述微细颗粒具有小于第二颗粒尺寸阈值的颗粒尺寸，其中，从所述浆料分离出粗糙部分的一次或多次分级分离和从所述浆料分离出微细部分的一次或多次分级分离生产一种具有所述颗粒介质材料的受控颗粒尺寸分布的分级介质；

将所述分级介质与待分离的混和物组合而产生分离混和物，其中混和物包括一种或多种塑性材料；并且

对所述分离混和物执行一或多次密度分离。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包含：

通过在对所述分离混和物执行至少一次密度分离之后，执行所述分级介质的分级分离，使所述分级介质再生。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：使所述分级介质再生包括从具有比微细尺寸的颗粒阈值更小的颗粒尺寸的分级介质中去除颗粒材料。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述第一颗粒尺寸阈值和第二颗粒尺寸阈值由分离系统的参数确定。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

对所述浆料或所述分离混和物执行一或多次分级或密度分离，分别包括使用一或多个水力旋流器分离器分离所述浆料或所述分离混和物。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

对所述浆料介质或所述分离混和物执行一或多次分级或密度分离，分别包括使用一或多个圆柱形旋涡分离器分离所述浆料或所述分离混和物。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

对所述浆料执行一或多次分级分离包括使用一或多个密度分离器形成的装置分离所述浆料；并且

对所述分离混和物执行一或多次密度分离包括使用一或多个密度分离器形成的装置分离所述分离混和物。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述一或多种颗粒介质材料包括一或多种磁铁矿，二氧化钛，沙子或铁硅酸盐。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

待分离的所述混和物包括一或多种金属。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述一或多种颗粒介质材料包括磁铁矿，所述分级介质包括具有在约5至约30微米范围内的颗粒尺寸分布的磁铁矿颗粒。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：

所述一或多种颗粒介质材料包括磁铁矿，所述分级介质包括具有在约5至约25微米范围内的颗粒尺寸分布的磁铁矿颗粒。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于对所述浆料或所述分离混和物执行一或多次分级或密度分离分别包含：

在第一密度分离器内分离所述浆料或所述分离混和物，从而产生第一部分和第二部分；

在第二密度分离器中分离第一部分而产生第三部分；

从第三部分中回收液体；

组合回收的液体和第二部分；以及

在第三密度分离器中分离所述第二部分。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：

在第二密度分离器中分离所述第一部分包括产生第三部分和第四部分，所述第三部分包括比第四部分更多的液体。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于：

所述第一密度分离器是水力旋流器，所述第二和第三密度分离器是圆柱形旋涡分离器。

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于：

所述第一密度分离器是圆柱形旋涡分离器，所述第二和第三密度分离器是水力旋流器分离器。

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