УЛУЧШЕННАЯ СИСТЕМА РАЗДЕЛЕНИЯ С ПОДАЧЕЙ ВОЗДУХА
IMPROVED SEPARATION SYSTEM WITH AIR SUPPLY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к улучшенной системе разделения с подачей воздуха.
Уровень техники
В горнодобывающей промышленности для классификации и разделения по плотности используют системы разделения с псевдоожиженным слоем или с разделением во взвешенном слое. Производительность и большая мощность таких систем разделения в горнозаводской промышленности делает их идеальными для подготовки сырья перед схемами флотации. Было обнаружено, что, когда в системах разделения такого типа внедряют псевдоожиженный поток с добавлением пузырьков воздуха, можно улучшить технические характеристики по сравнению с системами, в которых используют только воду. Эта разновидность устройств разделения называется системой разделения с подачей воздуха. Этими устройствами обычно управляют с использованием двух основных рабочих параметров: скорость псевдоожиженного потока и уровень псевдоожиженного слоя. В настоящей заявке предложены улучшения системы разделения с подачей воздуха, включающие в себя различные новые признаки, дополнительно улучшающие процесс разделения.
Раскрытие изобретения
Предложена система разделения, предназначенная для разделения множества частиц, содержащихся в пульпе. На эти частицы оказывают влияние псевдоожиженный поток, который содержит восходящий поток воды и пузырьки газа, и псевдоожиженный слой. Система разделения содержит резервуар для разделения, устройство подачи пульпы, разветвленный трубопровод для псевдоожиженного потока, систему введения газа и трубопровод нижнего отвода, которые все выполнены с целью создания псевдоожиженного слоя в резервуаре для разделения путем подачи пульпы через устройство подачи пульпы и предоставления пульпе возможности взаимодействовать с псевдоожиженным потоком из разветвленного трубопровода для псевдоожиженного потока. Резервуар для разделения содержит лоток для забора частиц, перемещенных в верхнюю часть резервуара для разделения. Система введения газа выполнена с возможностью оптимизации распределения размеров пузырьков газа в псевдоожиженном потоке. Система введения газа содержит трубопровод для введения газа и перепускной трубопровод для того, чтобы вода для восходящего потока обходила трубопровод для введения газа. Система введения газа может быть отрегулирована с целью оптимизации распределения размеров пузырьков газа путем изменения потока воды для восходящего потока через трубопровод для введения газа. Трубопровод для введения газа и перепускной трубопровод сходятся в одном месте с целью создания псевдоожиженного потока. Объемом псевдоожиженного потока управляют путем изменения потока через указанную систему введения газа.
В некоторых вариантах осуществления системы разделения предусмотрено устройство измерения давления, расположенное и выполненное с возможностью измерения плотности псевдоожиженного слоя. В некоторых вариантах осуществления изобретения устройство измерения давления содержит два датчика давления для измерения плотности псевдоожиженного слоя или датчик разности давлений, выполненный для измерения плотности псевдоожиженного слоя. В некоторых вариантах осуществления изобретения указывающий плотность контроллер используют для управления системой введения газа и трубопроводом нижнего отвода и для регулировки плотности и уровня псевдоожиженного слоя, что делают на основе вычислений, выполненных в указывающем плотность контроллере на основе сигналов из устройства измерения давления.
Некоторые варианты осуществления системы разделения содержат систему насыщения пульпы газом, направленную на насыщение газом подаваемой пульпы. Некоторые из этих вариантов содержат устройство разбрызгивания для насыщения газом ожижающей воды. Другие варианты осуществления системы разделения дополнительно содержат химический сборщик или поверхностно-активное вещество, введенное в псевдоожиженный поток для обработки частиц в пульпе или для облегчения насыщения газом псевдоожиженного потока.
Специалистам в рассматриваемой области ясно, что изобретение допускает наличие вариантов осуществления, отличных от показанных, и что детали устройств и способов могут быть изменены различным образом, не выходя при этом за пределы объема настоящего изобретения. Соответственно, чертежи и описание надо рассматривать как охватывающие такие эквивалентные варианты осуществления изобретения, как не выходящие за пределы идеи и объема настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
Для более полного понимания и оценки этого изобретения и его многочисленных преимуществ, далее приведено подробное описание со ссылками на приложенные чертежи.
На фиг. 1 показан вид, схематично показывающий систему разделения;
на фиг. 2 - вид в перспективе ячейки разделения с псевдоожиженным слоем;
на фиг. 3 - вид, показывающий сечение резервуара для разделения и иллюстрирующий компоненты обычного псевдоожиженного слоя;
на фиг. 4А - вид, показывающий сечение резервуара для разделения и иллюстрирующий компоненты менее плотного псевдоожиженного слоя;
на фиг. 4В - вид, показывающий сечение резервуара для разделения и иллюстрирующий компоненты более плотного псевдоожиженного слоя.
Осуществление изобретения
На чертежах некоторые ссылочные позиции используются для обозначения одинаковых или соответствующих частей в нескольких описанных вариантах осуществления изобретения и показанных на чертежах. Описаны изменения по форме или функции соответствующих показанных на чертежах частей. Ясно, что в вариантах осуществления изобретения изменения могут быть осуществлены без выхода за пределы изобретения.
Системы разделения, в которых внедрены псевдоожиженные слои (также называемые взвешенными слоями или слоями с восходящим потоком воды или псевдоожиженными взвешенными слоями), обычно используют в горнодобывающей промышленности для разделения на части множества видов минералов в виде частиц, содержащихся в жидких суспензиях или пульпе. Эти пульпы состоят из смеси ценных и менее ценных видов минералов. Системы разделения, в которых используют насыщенный газом псевдоожиженный поток (восходящий поток воды с газом, введенным в форме пузырьков газа) и псевдоожиженный слой, называют системами разделения с подачей воздуха. Примером описанной здесь системы разделения с подачей воздуха является система HYDROFLOAT™, изготовленная компанией Eriez Manufacturing Company, г. Эри, штат Пенсильвания. Как показано на фиг. 1-3, система 10 разделения с подачей воздуха содержит ячейку 12 разделения с псевдоожиженным слоем со связанной системой 38 введения газа, систему 62 насыщения пульпы газом и устройство 70 измерения давления, которые будут подробно описаны ниже. Как наиболее хорошо понятно из сравнения фиг. 1 и 2, пульпу подают в резервуар 14 для разделения через устройство 16 подачи пульпы, в целом расположенное в верхней трети резервуара 14 для разделения. Минеральная масса в форме частиц в пульпе перемещается вниз навстречу направленному вверх восходящему потоку воды. Восходящий поток воды подают в резервуар 14 для разделения через разветвленный трубопровод 18 для псевдоожиженного потока, в целом расположенный вокруг центра резервуара 14 для разделения и соединенный с входным трубопроводом 17.
Сравнивая фиг. 2 и 3, когда пульпу вводят в верхнюю часть резервуара 14 для разделения через устройство 16 подачи пульпы, восходящий поток воды и пузырьков газа сталкивается с текущей вниз пульпой, в результате чего частицы из пульпы разделяются, так как некоторые частицы в пульпе прикрепляются к пузырькам газа. Небольшие/легкие частицы гидравлически переносятся вверх восходящим потоком воды, а те частицы, которые прикрепились к пузырькам газа, всплывают вверх, оставаясь в верхнем слое 20, чтобы в конечном счете быть перенесенными через верх резервуара 14 для разделения. После переноса через верх резервуара 14 для разделения, эти частицы поступают или во внешний сливной лоток 22, или во внутренний сливной лоток 24 и переносятся из системы с помощью сливного трубопровода 25, который является отводом для обоих сливных лотков 22 и 24.
Более крупные/плотные частицы и те частицы, которые не прикрепились к пузырькам газа и которые обладают достаточной массой, чтобы оседать вопреки восходящему потоку воды, поступают вниз через резервуар 14 для разделения и образуют псевдоожиженный слой 26 взвешенных частиц. Псевдоожиженный слой 26 действует как зона большой плотности в резервуаре 14 для разделения. В псевдоожиженном слое 26 небольшие узкие проходы создают высокие промежуточные скорости жидкости, сопротивляющиеся проникновению частиц, которые могут оседать вопреки восходящему потоку воды, но которые слишком малы/легки для проникновения через уже сформировавшийся псевдоожиженный слой 26. В результате эти частицы сначала падают вниз до контакта с псевдоожиженным слоем 26 и далее поднимаются назад вверх, где они накапливаются в верхнем слое 20. Эти частицы, в конце концов, переносятся в верхнюю часть резервуара 14 для разделения и оказываются в одном из сливных лотков 22 или 24.
Частицы, которые слишком крупны/плотны для того, чтобы остаться выше псевдоожиженного слоя 26, и те частицы, которые не прикрепились к пузырькам газа, будут, в конечном счете, проходить вниз через псевдоожиженный слой 26 в нижний слой 28. После попадания в нижний слой 28, эти частицы, в конце концов, выходят из нижнего слоя 28 через трубопровод 30 нижнего отвода. Клапан 32 нижнего отвода регулирует количество крупных/плотных и не прикрепленных частиц, выгружаемых из резервуара 14 для разделения. Тип клапана 32 нижнего отвода зависит от приложения и может изменяться от резинового запорного клапана до эксцентрикового пробкового клапана, но надо понимать, что может работать любой клапан 32 нижнего отвода, который может адекватно регулировать выгрузку крупных/плотных частиц.
Устройство разделения с тормозящим слоем отделяет малые/легкие частицы от крупных/плотных частиц на основе их размера и относительной плотности. Эффектом разделения управляют принципы замедленного осаждения, которые описываются большим количеством равенств, в том числе следующим:
t
s
f
max
2
3
-1
-1
где U - скорость замедленного осаждения частицы (м/с), g - ускорение свободного падения (9,8 м/с), d - размер частицы (м), ρ - плотность твердых частиц (кг/м), ρ - плотность псевдоожиженной среды (кг/м), η - динамическая вязкость жидкости (кг⋅м⋅с), φ - объемная концентрация взвешенных частиц, φ - максимальная концентрация взвешенных частиц, получаемая для заданного материала, и β - функция числа Рейнольдса (Re). При рассмотрении этого равенства специалист в рассматриваемой области может определить, что размер и плотность частицы сильно влияют на то, как частица будет опускаться в режиме замедленного осаждения.
Специалист в рассматриваемой области также может видеть, что насыщение газом восходящего потока воды путем введения газа (то есть воздуха) в восходящий поток воды с целью создания пузырьков газа влияет на характеристики осаждения частиц, которые прикреплены к этим пузырькам газа. Псевдоожиженный поток системы разделения с подачей воздуха насыщают газом путем введения газа в воду для восходящего потока до входа в резервуар 14 для разделения. Следовательно, для известных составов пульпы псевдоожиженный поток может быть изменен с целью оптимизации взаимодействия пузырьков газа с целевыми частицами и перемещения этих целевых частиц в верхнюю часть резервуара 14 для разделения с целью их удаления.
Как показано на фиг. 1, систему 34 введения газа используют для оптимизации введения пузырьков газа в псевдоожиженный поток. Система 34 введения газа содержит два трубопровода, расположенных параллельно, трубопровод 36 для введения газа и перепускной трубопровод 38. Оба трубопровода расположены ниже по течению относительно линии 40 подачи воды для восходящего потока, которая обеспечивает подачу воды для восходящего потока в систему 34 введения газа, и расположены выше по течению относительно входного трубопровода 17 и разветвленного трубопровода 18 для псевдоожиженного потока. Когда поток воды для восходящего потока поступает в систему 34 введения газа, он разделяется, так что первая часть потока воды для восходящего потока течет через трубопровод 36 для введения газа, а вторая часть воды для восходящего потока течет через перепускной трубопровод 38.
Первую часть потока воды для восходящего потока насыщают газом в трубопроводе 36 для введения газа. В точке 44 введения газа вводят газ в поток воды для восходящего потока с целью выработки пузырьков при прохождении потока воды для восходящего потока через трубопровод 36 для введения газа. Устройство 42 разбрызгивания разбрызгивает или разбивает выработанные пузырьки газа на более мелкие пузырьки газа. Может быть использовано устройство разбрызгивания любого типа, которое может достаточным образом разбрызгивать пузырьки, такие как, помимо прочего, совмещенный статический смеситель или система разбрызгивания с большим сдвигом. В целом, эффект разбрызгивания устройства 42 разбрызгивания изменяется при изменении расхода воды для восходящего потока. Трубопровод 36 для введения газа также содержит устройство 46 измерения расхода для отслеживания расхода воды для восходящего потока через трубопровод 36 для введения газа. Обычно это устройство 46 измерения расхода расположено выше по течению относительно точки 44 введения газа с целью уменьшения влияния пузырьков газа на работу устройства 46 измерения расхода.
Система 34 введения газа может объединять системы других, отличных от показанного, типов, выполненные для введения газа и разбрызгивания пузырьков. На фиг. 1 показана точка 44 введения газа, приспособленная для подачи в систему газа под давлением. Ясно, что могут быть использованы системы, в которых для работы не нужен сжатый газ, такие как аспирационные устройства, в которых для втягивания газа в поток воды для восходящего потока используют эффект Вентури.
Перепускной трубопровод 38 позволяет второй части потока воды для восходящего потока обходить трубопровод 36 для введения газа, не мешая при этом эффективной работе устройства 42 разбрызгивания. Перепускной трубопровод 38 содержит автоматический клапан 47, который управляет объемом потока, проходящего через перепускной трубопровод 38. В конце системы 38 введения газа, когда сходятся первая и вторая части потока воды для восходящего потока, части объединяются с целью создания псевдоожиженного потока, который поступает в ячейку 12 разделения с псевдоожиженным слоем.
При использовании системы 10 разделения, устройство 46 измерения расхода обменивается информацией с вычислительным механизмом 49, который обменивается информацией с автоматическим клапаном 47 и регулирует его с целью изменения потока воды для восходящего потока через перепускной трубопровод 38. При таком подходе поддерживают постоянный поток воды для восходящего потока через трубопровод 36 для введения газа. Линия 40 подачи воды для восходящего потока также содержит систему 48 управления, которая состоит из устройства 78 измерения расхода, клапана 80 управления потоком и указывающего плотность контроллера 76, которые будут описаны ниже. Система 48 управления изменяет объем потока воды для восходящего потока до входа в систему 34 введения газа, что в дальнейшем оптимизирует объем псевдоожиженного потока, попадающего в ячейку 12 разделения с псевдоожиженным слоем.
В определенных приложениях, в системах разделения с подачей воздуха используют реагенты, такие как химические сборщики для обработки частиц с целью улучшения прикрепления целевых частиц к пузырькам газа. Поверхностно-активные вещества также используют для облегчения общей выработки пузырьков газа. Для введения этих реагентов существующие в технике системы разделения (не показаны) обычно содержат несколько устройств обработки со смесительными баками (не показаны). Тем не менее, устройства обработки со смесительными баками потребляют большое количество энергии и занимают значительную площадь в помещении. По сути, в рассматриваемой области существует потребность во введении реагентов в системы разделения с меньшим потреблением энергии и пространства по сравнению с необходимостью использования нескольких устройств обработки со смесительными баками.
Возвращаясь к фиг. 1, было обнаружено, что реагенты могут быть введены в систему 10 разделения просто путем впрыска в линию 40 подачи воды для восходящего потока с использованием насоса 58 для сборщика или насоса 60 для поверхностно-активных веществ. Когда реагент введен в линию 40 подачи воды для восходящего потока, он перемещается с водой для восходящего потока в систему 34 введения газа. Впрыск реагентов в систему 34 введения газа приводит к их прямому и полному смешиванию с псевдоожиженным потоком до входа в резервуар 14 для разделения. Также было обнаружено, что такое смешивание реагентов и псевдоожиженного потока с помощью системы 34 введения газа приводит к более равномерно распределенной и тщательно перемешанной смеси по сравнению со смесью, созданной при использовании смесительного бака.
Также было обнаружено, что предварительное насыщение пульпы газом в устройстве 68 подачи пульпы позволяет контактировать пузырькам газа и частицам, попадающим в резервуар 14 для разделения. Для осуществления предварительного насыщения газом система 62 насыщения пульпы газом внедрена в систему 16 подачи. В системе 62 насыщения пульпы газом насыщенную газом воду вводят в пульпу при ее одновременном перемещении по трубопроводу 16 подачи пульпы или непосредственно в устройство 68 подачи пульпы. Система 62 насыщения пульпы газом содержит две линии: линию 64 подачи воды и линию 67 подачи воздуха. Вода и воздух проходят через устройство 42 разбрызгивания и далее попадают в трубопровод 16 подачи пульпы или устройство 68 подачи пульпы. Добавление воздуха в загружаемую пульпу улучшает кинетику флотации путем уменьшения времени контакта, нужного в резервуаре 14 для разделения.
Также было обнаружено, что если изменять плотность псевдоожиженного слоя 26, то возможно влиять на тип частиц, которые текут через псевдоожиженный слой 26. Как показано на фиг. 4А и 4В, когда псевдоожиженный слой 26 становится более плотным, более крупные/плотные частицы могут удерживаться в псевдоожиженном слое 26 без осаждения вниз в нижний слой 28. Противоположный эффект имеет место, если псевдоожиженный слой 26 более разбавленный и менее плотный. Когда псевдоожиженный слой 26 становится менее плотным, мелкие/легкие частицы осаждаются вниз через псевдоожиженный слой 26 в нижний слой 28. При условии, что система разделения может осуществлять разделение на основе размера и/или плотности частиц в пульпе, полезно регулировать плотность псевдоожиженного слоя 26 так, чтобы управлять работой ячейки 12 разделения с псевдоожиженным слоем.
Возвращаясь к фиг. 1, для регулировки псевдоожиженного слоя 26, в ячейке 12 разделения с псевдоожиженным слоем установлено устройство 70 измерения давления с целью измерения давления в псевдоожиженном слое 26 и передачи этой информации на вычислительное средство (не показано), в котором вычисляют плотность псевдоожиженного слоя 26. Вычислительное средство обычно является программируемым логическим контроллером, но можно использовать любое устройство, способное вычислить плотность псевдоожиженного слоя 26.
В резервуаре 14 для разделения расположено по меньшей мере два измерительных преобразователя для давления: верхний измерительный преобразователь 72 для давления и нижний измерительный преобразователь 74 для давления. Измерительные преобразователи 72 и 74 для давления обычно являются отдельными датчиками давления, которые содержат датчики внутренней деформации, используемые для измерения давления, созданного смесью жидкости и пульпы, окружающей датчики давления в резервуаре 14 для разделения. Как верхний измерительный преобразователь 72 для давления, так и нижний измерительный преобразователь 74 для давления выполнены для получения плотности псевдоожиженного слоя 26, непосредственно их окружающего в резервуаре 14 для разделения. Заметим, что, хотя обычно используют измерительные преобразователи для давления с датчиками внутренней деформации, специалисту в рассматриваемой области ясно, что может работать любое устройство, способное получать и передавать данные об окружающем давлении псевдоожиженного слоя, например, помимо прочего, датчик разности давлений, предназначенный для дискретного измерения плотности псевдоожиженного слоя, или одиночный датчик разности давлений. В устройстве 70 измерения давления собирают показания измерительных преобразователей 72 и 74 и направляют их в вычислительное средство для проведения вычислений.
b
Плотность псевдоожиженного слоя 26, ρ, вычисляют в вычислительном средстве с использованием следующего равенства:
z
где ΔР - показание перепада давлений, вычисленное по показаниям верхнего измерительного преобразователя 72 для давления и нижнего измерительного преобразователя 74 для давления, А - площадь поперечного сечения устройства разделения, V - объем зоны между двумя измерительными преобразователями 72 и 74 и Н - перепад высот между этими измерительными преобразователями 72 и 74.
Как верхний измерительный преобразователь 72 для давления, так и нижний измерительный преобразователь 74 для давления установлены на различных высотах, но вблизи друг друга. Обычный перепад высот между верхним измерительным преобразователем 72 для давления и нижним измерительным преобразователем 74 для давления составляет 12 дюймов (305 мм), что сделано для минимизации любых помех сигналам, вызванных турбулентностью псевдоожиженного слоя 26, но специалисту в рассматриваемой области ясно, что возможно любое расстояние между измерительными датчиками.
При увеличении объема псевдоожиженного потока, введенного в резервуар 14 для разделения, он разбавляет псевдоожиженный слой 26 и приводит к расширению этого слоя, в результате чего уменьшаются показания плотности от измерительных преобразователей 72 и 74 для давления. В отличие от этого, при уменьшении объема псевдоожиженного потока, введенного в резервуар 14 для разделения, псевдоожиженный слой 26 сжимается и становится плотнее, в результате чего увеличиваются показания плотности от измерительных преобразователей 72 и 74 для давления. Для управления объемом псевдоожиженного потока, поступающего в резервуар 14 для разделения и выходящего из него, в указывающем плотность контроллере 76 отслеживают показания двух измерительных преобразователей 72 и 74 для давления и далее регулируют поток воды для восходящего потока в систему 34 введения газа. В указывающем плотность контроллере 76 также могут управлять уровнем псевдоожиженного слоя 26 путем отслеживания показания только одного из двух измерительным преобразователей 72 и 74 для давления, обычно нижнего измерительного преобразователя 74 для давления, и далее путем тонких регулировок на основе этого единственного показания.
Второй указывающий плотность контроллер 75 также могут использовать для управления уровнем псевдоожиженного слоя 26 путем отслеживания показания только одного из двух измерительных преобразователей 72 и 74 для давления, обычно нижнего измерительного преобразователя 74 для давления, и далее путем регулировки скорости выхода материала, покидающего резервуар 14 для разделения с помощью нижнего управляющего клапана 32.
При внедрении измерительных преобразователей 72 и 74 для давления, регулировка объема псевдоожиженного потока, поступающего в резервуар 14 для разделения и выходящего из него, обычно должна быть установлена так, чтобы происходить очень медленно, с небольшими увеличениями, иначе изменения объема псевдоожиженного потока могут привести к большим отклонениям в двух измерительных преобразователях 72 и 74 для давления, что приведет к неточностям при вычислениях плотности. Целесообразно внедрять задержку времени между двумя измерительными преобразователями 72 и 74 для давления и указывающим плотность контроллером 76. Эта задержка времени позволит более аккуратно измерять плотность псевдоожиженного слоя 26, так как в указывающем плотность контроллере 76 будут делать регулировки потока воды для восходящего потока, поступающего в резервуар 14 для разделения или выходящего из него, на основе показания плотности для псевдоожиженного слоя 26, который между двумя разными регулировками имел время для того, чтобы установиться. Вычисление среднего показания за небольшой период времени также может позволить получить более точное измерение плотности псевдоожиженного слоя 26.
Может быть целесообразно запрограммировать указывающий плотность контроллер 76 так, чтобы в нем управлять минимальным и максимальным объемом псевдоожиженного потока, поступающего в резервуар 14 для разделения и выходящего из него. Например, самая низкая граница объема псевдоожиженного потока должна быть установлена так, чтобы она была приблизительно на 10-20% меньше минимального фактического объема псевдоожиженного потока, идеального для конкретного типа используемой пульпы, это действие ограничит потенциальные проблемы абразивности. Самая высокая граница объема псевдоожиженного потока должна быть установлена так, чтобы она была приблизительно на 10-20% больше максимального фактического объема псевдоожиженного потока, идеального для конкретного типа используемой пульпы в резервуаре 14 для разделения, это действие предотвратит случайное попадание более крупных/плотных частиц в лотки 22 или 24.
Это изобретение описано со ссылками на несколько предпочтительных вариантов осуществления изобретения. После прочтения и понимания приведенного выше описания можно предложить много модификаций и изменений. Предполагается, что изобретение толкуется так, что оно покрывает такие модификации и изменения, как находящиеся в пределах объема приложенной формулы изобретения и ее эквивалентов.