WO2014106558A1 - Düse zum mischen einer erzhaltigen suspension mit einem gas - Google Patents

Düse zum mischen einer erzhaltigen suspension mit einem gas Download PDF

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    • B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
    • B01F25/433—Mixing tubes wherein the shape of the tube influences the mixing, e.g. mixing tubes with varying cross-section or provided with inwardly extending profiles
    • B01F25/4338—Mixers with a succession of converging-diverging cross-sections, i.e. undulating cross-section

Definitions

  • a nozzle for mixing a metalliferous suspension with a gas The invention relates to a nozzle for mixing a erzhalti ⁇ gen suspension with a gas, said nozzle comprising an accelerator nozzle, a diffuser, and a mixing nozzle and the mixing nozzle comprises at least one Strö ⁇ mung tear-off edge in a mixing nozzle cavity.
  • the size of the gas bubbles is the one hand, sufficiently large to carry the value of ⁇ materials by means of the buoyancy force in the froth zone, on the other hand, a maximum of only so large that A possible ⁇ lichst large specific surface area of the gas bubble for receiving the value of materials present.
  • gas is introduced into the suspension via simple nozzles ("sparger") into an agitator cell. blow.
  • ej ektordüsen used for mixing.
  • These consist of an accelerator nozzle, a mixing nozzle and a diffuser.
  • the inner contour of the mixing nozzle is formed .rwei ⁇ se tapered. Disadvantageously occur during mixing in the mixing nozzle of Ejektordüse Berei ⁇ che near the wall, in which there is no homogeneous mixing. This results in a disadvantageous increase in gas consumption as well as in insufficient mixing and, as a result, a decreasing efficiency of the flotation process.
  • the object of the present invention is to specify a nozzle which overcomes the mentioned disadvantages.
  • the nozzle according to the invention for mixing a metalliferous Sus ⁇ board with a gas comprising an accelerator nozzle, a diffuser, and a mixing nozzle.
  • the mixing nozzle comprises at least one flow separation edge in a mixing nozzle cavity.
  • the mixing nozzle cavity is formed in the shape of at least two directly adjoining conical or truncated pyramids, wherein the top surface of a first conical or truncated pyramid connects directly to the base of a second cone or truncated pyramid.
  • the stall edge causes a disruption of the laminar flow of the ore-containing suspension with the gas. Flow vortices form behind the trailing edge, causing the gas to be mixed almost homogeneously with the suspension. The flotation process can therefore be carried out with sufficiently high efficiency.
  • the cover and base of the first and / or second truncated cone are circular or ellipsoidal.
  • the cover and base of the first and / or second truncated pyramid have a polygonal shape.
  • contour contours of the top and bottom surface of the pyramid or truncated cone may be wavy in particular.
  • these shapes of the top and bottom surfaces of the pyramidal or truncated cone cause a separation of the flow of a substantially circular in cross-section flow field of the ore-containing suspension with gas, resulting in a nearly homogeneous mixing.
  • the mixing nozzle comprises at least one ceramic Hart ⁇ material.
  • This hard material can advantageously be an oxide, in particular aluminum oxide, a carbide, in particular
  • Silicon carbide or a nitride, in particular boron nitride is silicon carbide or a nitride, in particular boron nitride.
  • these materials are harder than the components of the ore-containing mixture, so that the stall edge is not substantially removed during operation and does not decrease its effect on the flow with operating time of a flotation.
  • other materials can be used which are harder than the constituents of the ore-containing mixture, in particular mixed forms of the substances mentioned, such as carbonitrides.
  • FIG. 1 shows schematically a nozzle comprising a Accelerat ⁇ nigerdüse, a mixing nozzle and a diffuser.
  • Figure 2 shows schematically the structure of the mixing nozzle with Strö ⁇ mung lines in the mixing nozzle cavity.
  • Figure 3 shows a typical base and top surface of a
  • the nozzle 100 shown in Figure 1 comprises an accelerator 20, a mixing nozzle 1 and a diffuser 30.
  • the mixing nozzle 1 has a Mischdü- senhohl Sciences 2 with three directly adjoining truncated pyramids.
  • a cross section of a first top surface 38 of a first truncated pyramid and a first base surface 37 of a second truncated pyramid is shown in FIG 3.
  • a metalliferous suspension 12 is supplied by a first A ⁇ opening 23 of the nozzle 100 accelerated in the Accelerat ⁇ nigerdüse 20th
  • the accelerated metalliferous Sus ⁇ board 12 exits the accelerator nozzle 20 and into the mixing nozzle.
  • 1 Gas 13 also enters the mixing nozzle 1.
  • the ore-containing suspension 12 and the gas 13 are homogeneously mixed and leave the nozzle 100 through the diffuser 30, in which the homogeneous mixture 14 is slowed down before it enters a flotation cell.
  • the size of the gas bubbles to be generated is determined in particular by the flow conditions in the mixing nozzle. Decisive for the bubble size is the local product of the shear rate and the relative velocity of the gas bubble. containing suspension 12, at the same time a high degree of mixing of gas and Erzumbler suspension 12 is required.
  • a liquid jet forms in the axial region of the nozzle, which has low shear rates and also a very low degree of mixing with the gas. Thus, it is not possible to control and optimize mixing and shear rate distribution at a reasonable cost at the same time.
  • the mixing nozzle cavity 2 ensures that all three requirements (high shear rates, high relative velocity of gas to ore-containing suspension 12, high degree of mixing of gas and ore-containing suspension 12) are met. This makes it possible to set gas bubble size distributions in a targeted manner in the range from a few 10 micrometers up to typically 1 mm.
  • the ore-bearing suspension 12 typically comprises 0.6 parts by weight of water and 0.4 parts by weight of solids, into ⁇ particular ores.
  • the viscosity of the pulp depends on the shear rate ⁇ and thus has a non-Newtonian fluidic behavior. At a shear rate of 100 1 / s, the dynamic visco sity ⁇ is 20 mPas.
  • the mixing of gas and pulp is highly dependent on the flow state during mixing and the occurring shear rates. Typically, air is supplied as the gas.
  • FIG. 2 shows a mixing nozzle cavity 2 with a first flow separation edge 15, a second flow separation edge 16 and schematic flow lines 5.
  • the gas 13 and the ore-containing suspension 12 flow through a second inlet ⁇ opening 3 in the mixing nozzle cavity 2 a.
  • gas 13 and ore-containing suspension 12 flow in the laminar flow. From the first flow separation edge 15, the laminar flow is broken and vortex 6 arise.
  • the gas 13 and the ore-containing suspension 12 are subjected to increased shear rates, whereby a thorough mixing takes place. Thereafter, the mixture flows past the second flow separation edge 16, whereby in turn vortex 6 form.
  • the gas 13 and the ore-containing suspension 12 mix almost homogeneously.
  • the material of the mixing nozzle 1 should be harder than the components of the ore-containing suspension 12.
  • the mixing nozzle 1 consists of the hard material silicon carbide. Alternatively, other carbides, oxides, nitrides and mixed ⁇ forms of these materials can be used. Also, the accelera- nigerdüse 20 is in particular in the areas that are exposed to the Sus ⁇ board made of a hard material or coated with a hard material. Alternatively, the accelerator nozzle 20 or the mixing nozzle 1 may comprise inserts of these materials.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Düse zum Mischen einer erzhaltigen Suspension mit einem Gas, wobei die Düse eine Beschleunigerdüse, einen Diffusor und eine Mischdüse umfasst und die Mischdüse in einem Mischdüsenhohlraum wenigstens eine Strömungsabrisskante umfasst. Der Mischdüsenhohlraum ist in der Form wenigstens zweier sich direkt aneinander anschließender Kegel- oder Pyramidenstümpfe ausgebildet, wobei die Deckfläche eines ersten Kegel- oder Pyramidenstumpfs sich direkt an die Grundfläche eines zweiten Kegel- oder Pyramidenstumpfs anschließt und Grund- und Deckflächen senkrecht zur Düsenachse angeordnet sind.

Description

Beschreibung
Düse zum Mischen einer erzhaltigen Suspension mit einem Gas Die Erfindung betrifft eine Düse zum Mischen einer erzhalti¬ gen Suspension mit einem Gas, wobei die Düse eine Beschleunigerdüse, einen Diffusor und eine Mischdüse umfasst und die Mischdüse in einem Mischdüsenhohlraum wenigstens eine Strö¬ mungsabrisskante umfasst.
Bei der Gewinnung von Mineralien aus gemahlenen Erzen werden häufig Flotationsverfahren eingesetzt. Mit Hilfe der Flotati¬ onsverfahren werden Wertmaterialien von wertlosen Gangmate- rialen getrennt. Dabei wird in eine Suspension aus gemahlenen Erzen und Wasser, Aufschlämmung oder Pulpe genannt, Gas in
Form von Gasblasen eingebracht. Dabei entsteht eine Schaumzo¬ ne, in welcher sich die Wertmaterialien des Erzes anreichern. Um ein Anreichern der Wertmaterialien zu erreichen, werden diese zuvor chemisch, beispielsweise durch eine hydrophobe chemische Gruppe, funktionalisiert . Die Gangmaterialien hin¬ gegen bleiben hydrophil. Die hydrophoben Wertmaterialen binden an die ebenfalls hydrophobe Oberfläche der Gasblasen. Die Gasblasen steigen dann mit den hydrophoben Wertmaterialen auf und sammeln sich in der Schaumzone. Mittels eines Überlaufs wird dann mit Wertmaterialien angereichertes Konzentrat ge- samme11.
Bei einer optimalen Flotation erfolgt eine komplette homogene Durchmischung der Suspension mit dem Gas. Weiterhin ist die Größe der Gasblasen einerseits ausreichend groß, um die Wert¬ materialien mit Hilfe der Auftriebskraft in die Schaumzone zu befördern, andererseits nur maximal so groß, dass eine mög¬ lichst große spezifische Oberfläche der Gasblase zur Aufnahme der Wertmaterialien vorliegt.
Derzeit erfolgt das Einbringen von Gas in die Suspension über einfache Düsen (engl.: „Sparger") in eine Rührwerkszelle. Durch das Rührwerk erfolgt eine teilweise Zerteilung der Gas- blasen. Nachteilig ist es dabei nicht möglich, die Größe der Gasblasen einzustellen. Alternativ werden zum Durchmischen dreistufige Düsen, sogenannte Ej ektordüsen, eingesetzt. Diese bestehen aus einer Beschleunigerdüse, einer Mischdüse und ei- nem Diffusor. Die Innenkontur der Mischdüse ist typischerwei¬ se konisch zulaufend ausgebildet. Nachteiligerweise treten bei der Durchmischung in der Mischdüse der Ejektordüse Berei¬ che in Wandnähe auf, in denen keine homogene Durchmischung stattfindet. Dies hat eine nachteilige Erhöhung des Gasver- brauchs sowie eine unzureichende Durchmischung und, daraus folgend, eine sinkende Effizienz des Flotationsverfahrens zur Folge .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Düse an- zugeben, welche die genannten Nachteile überwindet.
Die Aufgabe wird mit der in Anspruch 1 angegebenen Düse gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausge¬ staltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Düse zum Mischen einer erzhaltigen Sus¬ pension mit einem Gas umfasst eine Beschleunigerdüse, einen Diffusor und eine Mischdüse. Die Mischdüse umfasst in einem Mischdüsenhohlraum wenigstens eine Strömungsabrisskante. Der Mischdüsenhohlraum ist in der Form wenigstens zweier sich direkt aneinander anschließender Kegel- oder Pyramidenstümpfe ausgebildet, wobei die Deckfläche eines ersten Kegel- oder Pyramidenstumpfs sich direkt an die Grundfläche eines zweiten Kegel- oder Pyramidenstumpfs anschließt. Weiterhin sind
Grund- und Deckflächen senkrecht zur Düsenachse angeordnet, wobei die Düsenachsen aufeinander liegen. Unter Strömungsabrisskante wird dabei eine treppenstufenartige
Querschnittserweiterung im Mischdüsenhohlraum verstanden. Vorteilhaft bewirkt die Strömungsabrisskante einen Abriss der laminaren Strömung der erzhaltigen Suspension mit dem Gas. Es bilden sich Strömungswirbel hinter der Abrisskante, wodurch das Gas mit der Suspension nahezu homogen durchmischt wird. Das Flotationsverfahren kann daher mit ausreichend hoher Effizienz durchgeführt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung und Ausgestaltung der Erfindung sind die Deck- und Grundfläche des ersten und/ oder zweiten Kegelstumpfs kreisförmig oder ellipsoid.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung und Ausgestaltung der Erfindung weisen die Deck- und Grundfläche des ers- ten und/ oder zweiten Pyramidenstumpfs eine polygonale Form auf .
Weiterhin können die Umrisskonturen der Deck- und Grundfläche des Pyramiden- oder Kegelstumpfs insbesondere wellenförmig sein.
Vorteilhaft bewirken diese Formen der Deck- und Grundflächen des Pyramiden- oder Kegelstumpfs ein Ablösen der Strömung eines im Wesentlichen im Querschnitt runden Strömungsfelds der erzhaltigen Suspension mit Gas, was zu einer nahezu homogenen Durchmischung führt.
Als Material für die Düse können verschleißarme zähe, harte Stähle, verschleißresistente Polymere oder
Polymerbeschichtungen eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung umfasst die Mischdüse wenigstens einen keramischen Hart¬ werkstoff. Dieser Hartwerkstoff kann vorteilhaft ein Oxid, insbesondere Aluminiumoxid, ein Karbid, insbesondere
Siliziumkarbid oder ein Nitrid, insbesondere Bornitrid sein.
Vorteilhaft sind diese Werkstoffe härter als die Bestandteile der erzhaltigen Mischung, so dass die Strömungsabrisskante im Betrieb im Wesentlichen nicht abgetragen wird und ihre Wirkung auf die Strömung mit Betriebsdauer einer Flotation nicht abnimmt. Weiterhin sind weitere Werkstoffe einsetzbar, welche härter sind als die Bestandteile der erzhaltigen Mischung, insbesondere Mischformen der genannten Stoffe wie Carbonitride .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei- spiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch weiter erläutert .
Figur 1 zeigt schematisch eine Düse umfassend eine Beschleu¬ nigerdüse, eine Mischdüse und einen Diffusor.
Figur 2 zeigt schematisch den Aufbau der Mischdüse mit Strö¬ mungslinien im Mischdüsenhohlraum.
Figur 3 zeigt eine typische Grund- und Deckfläche einer
Mischdüse.
Die in Figur 1 dargestellte Düse 100 gemäß einem Ausführungs¬ beispiel umfasst eine Beschleunigerdüse 20, eine Mischdüse 1 und einen Diffusor 30. Die Mischdüse 1 besitzt einen Mischdü- senhohlkörper 2 mit drei sich direkt aneinander anschließenden Pyramidenstümpfen. Einen Querschnitt einer ersten Deckfläche 38 eines ersten Pyramidenstumpfs und einer ersten Grundfläche 37 eines zweiten Pyramidenstumpfs zeigt Figur 3. Eine erzhaltige Suspension 12 wird durch eine erste Ein¬ trittsöffnung 23 der Düse 100 zugeführt und in der Beschleu¬ nigerdüse 20 beschleunigt. Die beschleunigte erzhaltige Sus¬ pension 12 tritt aus der Beschleunigerdüse 20 aus und in die Mischdüse 1 ein. Gas 13 tritt ebenfalls in die Mischdüse 1 ein. In der Mischdüse 1 werden die erzhaltige Suspension 12 und das Gas 13 homogen vermischt und verlassen die Düse 100 durch den Diffusor 30, in welchem das homogene Gemisch 14 verlangsamt wird, bevor es in eine Flotationszelle eintritt. Die Größe der zu erzeugenden Gasblasen wird insbesondere durch die Strömungsverhältnisse in der Mischdüse bestimmt. Maßgebend für die Blasengröße ist das lokale Produkt aus Scherrate und der Relativgeschwindigkeit von Gasblase zu erz- haltiger Suspension 12, wobei gleichzeitig ein hoher Durchmischungsgrad von Gas und erzhaltiger Suspension 12 erforderlich ist. Bei der herkömmlichen Bauweise einer Ejektordüse zur Flotati¬ on bilden sich insbesondere im Wandbereich Strömungsverhält¬ nisse mit sehr hohen Scherraten, aber sehr geringer Durchmischung aus, da hier vorwiegend Gas strömt. Dementsprechend bildet sich im axialen Bereich der Düse ein Flüssigkeits- strahl aus, der geringe Scherraten und ebenfalls einen sehr geringen Durchmischungsgrad mit dem Gas aufweist. Damit ist es nicht möglich, mit vertretbarem Aufwand Durchmischung und Scherratenverteilung gleichzeitig zu kontrollieren und zu optimieren .
Mithilfe des Mischdüsenhohlraums 2 wird hingegen erreicht, dass alle drei Anforderungen (hohe Scherraten, hohe Relativgeschwindigkeit von Gas zu erzhaltiger Suspension 12, hoher Durchmischungsgrad von Gas und erzhaltiger Suspension 12) er- füllt werden. Damit ist es möglich, Gasblasengrößenverteilun- gen gezielt im Bereich von einigen 10 Mikrometern bis zu typischerweise 1 mm einzustellen.
Die erzhaltige Suspension 12 umfasst typischerweise 0,6 Ge- wichtsanteile Wasser und 0,4 Gewichtsanteile Feststoffe, ins¬ besondere Erze. Die Viskosität der Pulpe hängt von der Scher¬ rate ab und weist demnach ein nicht-newtonsches fluidisches Verhalten auf. Bei einer Scherrate von 100 1/s beträgt die dynamische Visko¬ sität 20 mPas . Die Durchmischung von Gas und Pulpe ist stark vom Strömungszustand bei der Durchmischung und den jeweils auftretenden Scherraten abhängig. Typischerweise wird als Gas Luft zugeführt.
Figur 2 zeigt einen Mischdüsenhohlraum 2 mit einer ersten Strömungsabrisskante 15, einer zweiten Strömungsabrisskante 16 und schematischen Strömungslinien 5. Das Gas 13 und die erzhaltige Suspension 12 strömen durch eine zweite Eintritts¬ öffnung 3 in den Mischdüsenhohlraum 2 ein. Zunächst strömen Gas 13 und erzhaltige Suspension 12 im laminaren Fluss. Ab der ersten Strömungsabrisskante 15 wird die laminare Strömung aufgebrochen und Wirbel 6 entstehen. Dadurch sind das Gas 13 und die erzhaltige Suspension 12 erhöhten Scherraten ausgesetzt, wodurch eine Durchmischung stattfindet. Danach strömt die Mischung an der zweiten Strömungsabrisskante 16 vorbei, wobei sich wiederum Wirbel 6 bilden. Das Gas 13 und die erz- haltige Suspension 12 vermischen sich nahezu homogen.
Um ein Aufbrechen der Strömung zu gewährleisten, müssen die Strömungsabrisskanten 15, 16 auch bei langen Betriebszeiten derart stabil sein, dass kein Abtragen des Mischdüsenmateri- als erfolgt. Daher sollte der Werkstoff der Mischdüse 1 här¬ ter als die Komponenten der erzhaltigen Suspension 12 sein. Die Mischdüse 1 besteht aus dem Hartwerkstoff Siliziumkarbid. Alternativ können weitere Karbide, Oxide, Nitride und Misch¬ formen dieser Werkstoffe verwendet werden. Auch die Beschleu- nigerdüse 20 ist insbesondere in den Bereichen, die der Sus¬ pension ausgesetzt sind aus einem Hartwerkstoff gefertigt oder mit einem Hartwerkstoff beschichtet. Alternativ kann die Beschleunigerdüse 20 oder die Mischdüse 1 Einsätze aus diesen Werkstoffen umfassen.

Claims

Patentansprüche
1. Düse (1) zum Mischen einer erzhaltigen Suspension (12) mit einem Gas (13) umfassend eine Beschleunigerdüse (20), einen Diffusor (30) und eine Mischdüse (1), wobei die Mischdüse (1) in einem Mischdüsenhohlraum (2) wenigstens eine Strömungsabrisskante (15, 16) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass der Mischdüsenhohlraum (2) in der Form wenigstens zweier sich direkt aneinander anschlie- Bender Kegel- oder Pyramidenstümpfe ausgebildet ist, wobei die Deckfläche eines ersten Kegel- oder Pyramidenstumpfs sich direkt an die Grundfläche eines zweiten Kegel- oder Pyrami¬ denstumpfs anschließt und Grund- und Deckflächen senkrecht zur Düsenachse angeordnet sind, wobei die Düsenachsen aufei- nander liegen.
2. Düse nach Anspruch 1, wobei die Deck- und Grundfläche des ersten und/ oder zweiten Kegelstumpfs kreisförmig oder ellip- soid sind.
3. Düse nach Anspruch 1, wobei die Deck- und Grundfläche des ersten und/ oder zweiten Pyramidenstumpfs (37, 38) eine poly¬ gonale Form aufweist.
4. Düse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die
Mischdüse wenigstens einen keramischen Hartwerkstoff umfasst.
5. Düse nach Anspruch 4, wobei der keramische Hartwerkstoff ein Oxid, insbesondere Aluminiumoxid, ist.
6. Düse nach Anspruch 4, wobei der keramische Hartwerkstoff ein Karbid, insbesondere Siliziumkarbid, ist.
7. Düse nach Anspruch 4, wobei der keramische Hartwerkstoff ein Nitrid, insbesondere Bornitrid, ist.
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