JP2014512269A - 粒子分離のための方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】
【解決手段】 本発明は、抽出される鉱物またはリサイクルされる材料(ガラス、プラスチックなど)を破砕かつ粉砕することから得られる粒子などの、粒子の動的分離に関する。この分離は多段動的分離器(2、3)によって行われ、それらの分離器の間に流体を送ることによって調整が行われる。この流体は、上記ステージに送る流体と同様の重液であってよく、分離器の軸に対する回転成分を有することができる。
【選択図】 図5
【解決手段】 本発明は、抽出される鉱物またはリサイクルされる材料(ガラス、プラスチックなど)を破砕かつ粉砕することから得られる粒子などの、粒子の動的分離に関する。この分離は多段動的分離器(2、3)によって行われ、それらの分離器の間に流体を送ることによって調整が行われる。この流体は、上記ステージに送る流体と同様の重液であってよく、分離器の軸に対する回転成分を有することができる。
【選択図】 図5
Description
本発明は、粒子分離のための方法および装置に関する。
本発明は詳細には、採掘、抽出分野および同様の分野で適用される分離に関し、動的分離器(dynamic separators)(一般にサイクロンと呼ばれる円錐形のそれと、円筒形のそれ、または両形状の組合せ)に送られる流体に、所定のサイズに縮小された鉱石(minerals)から得られる分離すべき粒子が分散(dispersed)される。
動的分離器は、円筒形のまたは円錐台の幾何形状を有すると好ましいチャンバの内部で、懸濁粒子を含んだ流体に回転運動を与えることによって発生する遠心力を利用する機械である。
したがって、(気体または液体の)流体内に発生した遠心力の場により、同一の終端速度(terminal velocity、最終速度)を有する粒子同士が層になって配列する。終端速度は密度、サイズ、形状などに依存し、層は互いに同心である。その結果、より低い終端速度を有する粒子は分離器の軸に沿って浮上し、より高い終端速度を有する粒子は流れに乗って円筒のまたは円錐台の形状のチャンバの壁にぶつかることによって沈降する。
鉱業では、分離サイクロンは、鉱石を所定のサイズの粒体に破砕、粉砕(grounding)した後、抽出材料を分離するために一般に使用される装置である。
通称サイクロン分離器は、主に(mainly、ほぼ、大部分は、主として)円錐台の形状を有し、接線方向に配置された入口ダクトと、分離器の軸に沿った2つの出口を備える。具体的には、第1の出口は、円錐の頂点の近傍に配置され、より重い粒子の画分、またはより一般的にはより高い終端速度を有する粒子の画分を放出するためのものであり、第2の出口は、円錐の底面に配置され、より低い終端速度を有する粒子の画分を放出する働きをする。
主に円筒形の形状を有する動的分離器は通常、サイクロン分離器よりも正確な分離に使用される。所望の分離が主に粒子の密度によって行われる場合、所定の密度を有する重液が使用される。かかる分離器は、必要に応じて、好ましくは円筒または円錐台の形状を有することができる。これらの装置は、長年にわたって確立された従来技術の一部分である。
上述のサイクロン分離器および動的円筒形分離器は以前からよく知られており、それらの性能を改善するために、それらを順に直列に配置することで(円錐形の分離器と円筒形の分離器の両方)多段分離装置が得られることも知られている。
かかる装置の例が、Prominco S.r.l社によるイタリア特許第1152915号および英国特許第2164589号に記載されている。
多段装置の動作原理とは、分離を複数の連続したステージに分割することによって、粒子が、その一部分となる流れ(the e stream)へと放出される確率が高まることから、ステージごとに、重い部分から軽い部分を取り除くのにより良好な状態を有することが可能になるというものである。
実際、本明細書に添付されている、前述の英国特許第2164589号から引用した図1に示されているように、単一の分離ステージ(曲線A)で所定の密度を有する材料を除去できるパーセンテージは、分離ステージの数を増やすことによって得られるパーセンテージ(曲線B、C、D)よりも小さい(同一条件下)。こうして、分離の精度を高めること、したがってプロセス全体の性能を高めることが可能である。
特に興味深い事例は、高品位石炭(a high quality coal)が所望の場合である(密度1.1〜1.3kg/dm3)。
供給材料から3つ以上の副生成物(例えば原料炭、一般炭、尾鉱など)を分割する必要がある事例がある。このために、設置/運転にかなり費用がかかる完全に独立した分離ステージを使用する代わりに、複数のステージで異なる密度を有する重液を有利に使用することも可能である。ただしこうすると、2つの媒体の差が非常に大きい場合に(例えばd1=2.00kg/dm3、d2=1.45kg/dm3)相互の接続が不利になる。実際、この状況では、次の下流の分離器に入る流体とその分離器の重液とに密度差(例えばi1=1.8kg/dm3、d2=1.45kg/dm3)が生じる可能性があり、結果として、分離器が、その次のステージの少なくとも一部分で最適ではない運転状況下で動作し、したがってその分離器で低質の分離が行われたり、またはそのステージを大型にする必要が生じかねない。
明らかなことだが、一方で、より多段の分離ステージを使用することにより、分離プロセスの性能を最適化(2つのみの生成物を分離する場合は分離精度に関して、あるいは3つ以上の生成物を分離する場合にはコストの低さに関して)することが理論的に可能になる。その一方で、装置はより複雑になり、つまり実際面では、機能的にほとんど柔軟ではないことを意味する。というのは、分離のための設計条件を複数のステージで保つために、1つのステージに変更を行うと必ず後続のステージに影響が生じるからである。
従って、万一何らかの理由で懸濁粒子を有する流体の状態(例えば流量、密度など)が分離器のあるステージで変化(change into a stage)することがあれば、他のステージさえも関与し、装置全体の性能が悪化するはずである。
本発明が解決を目的とする技術的な問題は、上述の欠点を克服するということである。
かかる問題を解決するための案は、最適な動作を実現する安定状態が各ステージ内部で得られるように、そのステージ間で動作させる分離プロセスの制御を提供することである。
上述した技術的な課題は、添付の請求項1による分離方法によって解決される。
本発明はまた、上記方法によって粒子を分離するための装置を含み、その特徴もやはり添付の請求項に示されている。
上記の特徴および本発明の他の効果は、添付の図面に示されている本発明の実施形態の説明からさらに明らかになるであろう。この実施形態は単に例として提供され、限定するものではない。
上記に列挙した図面、特に図5〜10を参照すると、本発明による分離装置の様々な実施形態が示されている。図5には、そのような実施形態のうちの第1のものが、全体を1で示され、2つの分離ステージを備えている。第1のステージは分離サイクロン2からなり、第2のステージは円筒形の分離器3である。
この分離器のタイプは両方ともそれ自体すでに知られているので、この説明では本発明の理解に必要な部品のみに言及し、詳細については、この対象に関する既存の技術的な学術的特許公報を参照されたい(relesing to)。このような公報のうち、上述の文献(イタリア特許第1152915号および英国特許第2164589号)に加えて、サイクロン分離器に関する特許公報の英国特許第530309号または英国特許第542988号も指摘しておく。
分離装置1は特に、所定のサイズを有する粒子を得るなどのために破砕/粉砕された鉱業抽出に由来する材料を処理すること、またはプラスチック、ガラス、アルミニウムなどのリサイクルされる材料を処理することを意図したものである。分離器1によって処理される採掘材料は、炭酸塩、珪酸塩など他の不活性材料と混合される、様々な密度を有する石炭または(鉄および非鉄)金属であってよい。
上記材料が、流体における懸濁液(a suspension、サスペンション)として、第1のサイクロン分離ステージに送り込まれる。流体は、本発明の適用例および変形形態に応じて気体でも液体(水が好ましい)でもよい。サイクロン分離器内でその送り込みが行われると、より重い材料が、懸濁液内に分散された(dispersed)より軽い材料から分離され、軸方向の放出ダクト6を通って外に出る。逆に、軽い画分は、装置1内の出口マニホルド7を通って先に進む。出口マニホルド7はフランジ8を装備すると好ましく、フランジ8により中間の調整体(regulation body、制御部)10との連結が可能になる。
調整体10は、第1の分離ステージのマニホルド7と実質的に(substantially、ほぼ)同じ直径を有する中心管状部品11を形成し、その中心管状部品11の両端に、分離ステージ2および3に連結するための2つのフランジ12および13が設けられる。上記中間体にさらに調整流路(a regulation channel)15が入る。中間体は、分離装置1内に流体を供給することを意図したものである。
調整流路15は、その各実施形態が示されている図6、6aおよび5aから分かるように、中間体10に対して接線方向に配置されると好ましい。ただし、他の流路配置、例えば、分離体10に対して径方向の配置や、分離体10に対して様々な形で向きをつけた(例えば傾斜した)配置も可能であり、αおよびβの値は図5aに示されているように正、負、ゼロの値をとる。
調整流路15にはまた、複数の配置を施すこともできる。例えば分離プロセスの必要性に応じてその長さを変更することもできる。いくつかの図では調整流路10の端部分のみが示されているが、調整流路10はプロセス流体を分離器内に送るために上流に延びることができる。
このために、図7、7aに、対応する流路15を介して調整流体を送るための各代替解決策が示されている(これは分離装置1が導入されるプラントの概略図である)。このプラントは、実際には、この適用例と整合していることから本願に内容が組み込まれると見なされるべきイタリア特許第11654948号に記載されている実施形態から指摘できるように、はるかに複雑である。
上記調整流体は、重力によってまたはポンプ圧送することによって送ることができる。このために、流路15の上流に制御弁16が設けられ、この制御弁16により、重力によって、またはポンプ18によって供給された圧力によってタンク17からの流体を送ることが可能になる。調整流体が気体の場合はポンプ18を圧縮機と置き換えることができる。
第2の分離ステージ3は、すでに述べたように、動的タイプのものであり、中間体10の下流で、それぞれのフランジ20によって連結される。動的分離器(dynamic separator)3は通常の主に円筒形の形状を有し、第1のステージ2から来る流体は、図5の矢印で示されている入口22を通って分離器に入るプロセス流体(すなわち重液)と合流するために、入口ダクト21から分離器に軸方向に入る。
次いで、プロセス流体22は、分離された粒子の重い画分(fraction、フラクション、かけら、破片、断片、留分)(当業者は「シンク(sink)」とも呼ぶ)と共に、出口マニホルド23を介して放出される一方、軸方向に前方へ移動する材料のより軽い画分(「フロート(float)」とも呼ぶ)が、そのままの経路に沿って分離器の下流にある出口24から外に出る。
上記で説明した分離器の動作は以下の通りである(図5)。
分離すべき鉱物材料からなる懸濁粒子を含んだ流体が第1のステージ2に送られる。そこで、より高い密度を有する粒子(シンク)の第1の分離が行われ、その粒子はサイクロン分離器2の円錐の口6を通って外に出る。軽い画分(フロート)は、出口マニホルド7へと進み、調整流路15が入る調整体10に達する。
マニホルド7および/または調整体10には、サイクロン分離器から来る流体(以下「フロート1」(すなわち第1の分離ステージに関係する)と略す)の特性用検出器が設けられると、たとえ任意選択であっても好ましい。流体フロート1の特性用検出器は、例えば光学式、磁気式またはその他のタイプなどの、それ自体知られているタイプのものであってよい(イタリアでは、Heinrichs社、Trimtec Sistemi社による市販のこういったタイプの密度計が入手可能である)。この検出器は、流体流で直接測定を行うためのものである。一方、測定を流体のサンプルについて行ってもよい。流体のサンプルは、分離プロセス中に中間体10から方向変更する(バイパス、図示せず)ことによって抽出される。別のタイプの調整(regulation、制御)では、ダクト24から出る生成物に含まれる(contained into)灰分または所望の元素の含有量のオンライン測定など、分離器3への分離の結果を利用することができる。
行われた測定に応じて、分離器1の制御システムはソレノイド弁16を動作させ、ソレノイド弁16は、流路15を介した調整体10への調整流体の供給および調整を作動させる。
このために、プロセス条件に応じて、タンク17に含まれる流体は、流体フロート1の密度を第2の分離ステージ3に入る前に調整するために、水または所定の密度の粒子を有する水溶液などにすることができる。
第2の事例では、上記水溶液は、フロート1に含まれ、その後動的分離器2に含まれるより軽い部分の分離の補助に適した適切な濃度を有する磁鉄鉱(magnetite)および/または珪素鉄(ferrosilicon)の懸濁液であると好ましい。動的分離器2は第2の分離ステージであり、流体の切り離しが、分離器3の出口23を介して放出されるより高い密度を有する粒子(シンク2と略す)から、流れによって出口24を介して放出されるより低い密度を有する粒子(フロート2(すなわち第2ステージに関係する)と略す)を分割するために行われる。
このため、重液が接線方向の入口22を介して動的分離器内に送られる。この重液はやはり、流れのより軽い粒子(フロート2)と出口23から放出されるより重い粒子(シンク2)との中間の密度を一般に有する磁鉄鉱および/または珪素鉄の水溶液からなると好ましい。
これまで行った説明を考慮すると、本発明の根本的な技術的問題を、上記分離方法およびそれを実行するための関連する分離装置によって、どのように解決できるか理解することが可能である。
流路15を介した調整流体の制御された供給によって上記分離器の一方のステージともう一方のステージの間で行われる調整により、第2のステージ3の入口でのプロセス状態を正確に調整することが可能になり、それによってその箇所において動的分離に最適な状態が保たれる。この結果は、第1のステージの動作に変更を行うことなく得られ、したがって第1のステージは通常通り動作することができる。
弁16を適切に調整かつ/またはポンプ18のモータの1分間あたりの回転数を適切に調整することによって、2つの分離ステージ2と3の間で、プロセス流体に追加する制御流体の流量を調整することが可能であることが明らかである。
その結果得られる第2の分離器に入る流体の密度は、2つの流体(部分的に分離された流体と制御重液)の密度の加重平均になる(この2つの体積流量を重量として使用する)。
これによって、行われる変更は、直列に配置されたステージを接続する中間領域のみに影響を及ぼすので、本発明の適用は既存の分離プラントにとって特に有利である。
本発明はまた、単段分離プラントで適用することを意図したものでもある。1つまたは複数のステージを直列に追加することによって(円錐台形のものと主に円筒形のものの両方)、その単段分離プラントを多段プラントに変形することができ、その動作を上記の教示による中間調整により、最適にすることができる。
これにより、性能を高めることが可能になり、すでに述べたように、品質と量の両観点に関してよりよい分離を実現することが可能になる。
第2のステージ3から出る生成物の出力(フロート2)は、粒子のより軽い部分の含有量が多く、その結果プロセス全体の性能がより高まる。第1のステージのサイクロン分離器2に送るために使用したものと同様の流体を、分離ステージ3用の重液として使用することによって、この結果をコストに関して有利に得ることができることに留意する必要がある。
明らかに、これまで説明した例に関する本発明の変形形態が可能である。そういった変形形態を、各代替実施形態を示す図8以降を参照して考察する。各代替実施形態では、可能であれば、構造的または機能的に等価な部品を示すために、簡単にするため同じ参照番号を使用する。
図8における変形形態が前述の変形形態と異なる点は、第1のサイクロン分離ステージ2においてテーパが逆の形で配置される点である。その配置は、その第1のサイクロン分離ステージ2に送られた懸濁液のうちより重い部分(シンク)が分離され、上記ですでに説明した内容に従って特性の調整が行われる中間体10に移行した後、第2の分離ステージ3に送られるようになっている。
この変形形態では、第2のステージ3は、前述の事例と完全に同種の動的分離器からなり、したがってその動作およびそれに関連して得られる利点は、上記ですでに説明したものになる。
ただし、分離された粒子のより重い画分(シンク)が放出され第2の分離ステージ3に送られるように、サイクロン分離器2の配置が逆転しているので、中間体10における調整は、流体が第1の実施形態と異なる特徴を有し、その他の条件は同等で行うことができると理解することができる。
本発明の他の変形形態として、本発明に使用可能な分離器は、必ずしも互いに異なる必要はなく、すなわち最初の2つの事例のようにサイクロン/動的タイプのものである必要はなく、図9に示されている分離器など、2つ以上の同一の分離器であってもよいことを指摘する必要がある。
その図9で、第1のステージ2について、サイクロン分離器に使用されたものと同じ参照番号が使用されていても、そのステージが、重液用の接線方向の入口5を備える動的分離器であることは明らかである。ただし、この事例でも、第1のステージから出る流体フロート1のステージ間における調整は、すでに述べた教示に従って、その教示に由来する関連効果により行われる。
当然のことながら、本発明は、機能的に柔軟であり、したがって様々な分離器配置に適用可能であるという重要な利点を有する。各図から指摘できるように、第1の例では、分離器の軸が水平に配置され、図8および9では、分離器は軸が傾斜した状態で配置される。ただし、これは拘束力を有さず、図10のように第1および第2のステージがそれぞれ勾配の異なる軸を有する、様々な配置を有することが可能である。図10では、第1のステージがサイクロン分離器であり、第2のステージが円筒形の分離器である。
中間体10に流体を供給することによって行われる調整についても、複数の変形形態が可能である。
かかる流体の組成については、適用例に応じて検討することができる。したがって、流体を、単なる水、または粒子を含んだ水溶液(粒子は分離器内に存在するものと異なっていることもある)、または懸濁液代わりの水溶液、または液体に微細に分散された気体の混合物などとして有することが可能である。
圧力、速度、量など、流路15を介して調整流体を導き入れるためのパラメータについても、行われる分離プロセスに応じて定義される。
このことは、例えば材料粒子の組成が変化したときなど、分離ステージ2、3への流体組成が変化したときに有利である。
ただし、各図面に示されている単一の入口流路15の代わりに、分離ステージの間に複数の入口流路15を設けることができることが明らかである。かかる流路は、流体塊(the fluid mass)が流入する際に分離点に調整流体を導き入れることが可能になるように、中間体10に沿って様々な位置に配置することができる。
さらに注目する必要があるのは、流路15を中間体10の片側または反対側で接線方向に配置すると、そこに送られる流体に対して時計回りまたは反時計回りの回転成分を加えることに役立つということである。
最後に、本発明が、図2、3および4に示されている公知の装置など、2個を上回る複数のステージを有する装置に適用されることを指摘することが重要である。
具体的には、ステージの数に比例して2つ、3つまたはそれ以上の調整流路を備える装置を有するように、ステージとステージの間に調整流路を挿入することが可能である。
しかし、図4に示されているものなど、分離ステージのグループを有し、その間に1つ(またはそれ以上)の調整流路を前述の例の教示に従って適用することも可能である。
図4を参照すると、すでに説明したようにプロセスを調整できるように、図5〜10の10で示されているものなどの中間体を、分離器のグループを連結するフランジの間に挿入できることが明らかである。
最後に、本発明の原理を分離すべき粒子が分散された気体タイプの流体にでさえ適用できることを指摘する必要がある。
本発明の教示から逸脱することなしに、本明細書で説明した変形形態間でのその他の組合せが可能である。
Claims (10)
- 粒子の分離方法であって、
異なる終端速度を有する粒子を分離するために、粒子が中に分散された流体が少なくとも2つの連続したステージ(2、3)で遠心力の作用を受け(is subjected to)、
前記ステージ間における中間位置で行われる調整ステップを含むことを特徴とする方法。 - 前記調整ステップが、前記ステージ(2、3)の間における流体の導入を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記導入が前記調整流体に回転速度成分を与えることによって行われる、請求項2に記載の方法。
- 前記調整流体が、分離されるべき粒子と同様の粒子を含む、請求項3に記載の方法。
- 分離されるべき前記粒子を含んだ前記流体および前記調整流体(the regulation fluid)が、水ベース(water−based)の液体である、前記各請求項のいずれかに記載の方法。
- 粒子の分離装置であって、
少なくとも2つのステージ(2、3)を備え、
異なる終端速度を有する粒子を分離するために、前記粒子が中に分散された流体が遠心力の作用を受け(is subjected to)、
前記ステージ間における中間位置で動作調整手段(operating regulation means)(15、16、17、18)を備えたことを特徴とする装置。 - 前記調整手段が、前記分離ステージ(2、3)の間における中間位置で調整流体を導入するための流路(15)を含む、請求項6に記載の装置。
- 前記分離ステージ(2、3)が、サイクロン分離器または主に円筒の形状を有する分離器である、請求項6または7に記載の装置。
- 前記分離ステージ(2、3)の間に延びる中間体(an intermediate body)(10)を備える、前記請求項5〜8のいずれかに記載の装置。
- 前記調整流路(15)が前記中間体(10)に入る、請求項9に記載の装置。
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