Генератор кавитации
CAVITATION GENERATOR

Изобретение относится к технике генерации пузырьковой кавитации и может быть использовано в энергетике, в гидрометаллургии, в химической, строительной, пищевой и других отраслях промышленности для диспергирования минеральных комплексов, для очистки поверхности минеральных фаз от оксидных пленок и продуктов переосаждения в процессе выщелачивания.
Известен генератор кавитации (Патент РФ №2235950, F24J 3/00 2004), содержащий корпус с патрубками для подвода и отвода жидкости, расположенные внутри корпуса статор и ротор, привод ротора, причем статор и ротор выполнены в виде соосных дисков, перфорированных сквозными отверстиями. Статор выполнен в виде одного или нескольких кольцевых дисков, а ротор - в виде двух соосных дисков, установленных с зазором относительно друг друга. Диски ротора смонтированы на независимых валах, имеющих самостоятельные независимые приводы, и вращаются навстречу друг другу. При встречном вращении дисков ротора относительно друг друга или при их вращении относительно неподвижных дисков статора на кромках отверстий в дисках возникает пузырьковая кавитация. В узких зазорах между дисками может возникнуть вихревая кавитация.
Недостаток известного генератора заключается в том, что кавитация генерируется на стенках устройства. При работе данного генератора имеет место разрушение рабочих поверхностей и его эффективность значительно снижается.
Известен генератор кавитации (Патент РФ №2115176, G10K 15/04, 1998), содержащий корпус с внутренней рабочей камерой и патрубками для подвода в камеру и отвода из нее жидкости, размещенный в камере приводной вал и установленный на валу активатор. Активатор выполнен в виде диска, на котором по нормали к его боковым поверхностям вдоль двух или более радиусов на пилонах обтекаемой формы установлены подвижные цилиндрические кавитаторы, перекрывающие рабочую камеру с некоторым зазором от ее торцевых стенок, а на торцевых стенках рабочей камеры также на обтекаемых пилонах установлены со смещением по радиусу подобные неподвижные кавитаторы.
Из уровня техники известны способы нанесения различных покрытий на металлическую поверхность технологического оборудования, например, для защиты рабочих органов погружных центробежных насосных агрегатов, работающих в осложненных условиях. Все известные способы отличаются сложностью нанесения защитных покрытий, например, в патенте RU №2362053 предлагается формировать на рабочей поверхности защитного покрытия макро- и микрорельеф. Способ отличается сложностью его создания, невоспроизводимостью и не позволяет получать износостойкие защитные покрытия движущихся деталей, работающих в жестких условиях.
Наиболее близким техническим решением является генератор кавитации (Патент РФ №2346733, B01F 3/12, опубл. 20.02.2009), содержащий корпус с внутренней рабочей камерой и с патрубками для подвода в камеру и отвода из нее обрабатываемой среды, включающей жидкость. В камере размещен приводной вал. На валу закреплен активатор в виде диска с цилиндрами-кавитаторами, установленными вдоль радиусов диска на пилонах по нормали к его поверхностям. На торцевых стенках рабочей камеры установлены подобные неподвижные цилиндры-кавитаторы. Генератор кавитации имеет покрытие из полимерных материалов и изготовлен из антикоррозионного и химически стойкого материала.
Недостатком описанных выше генераторов кавитации является то, что они имеет низкую производительность на вязких системах и невысокую производительность и кавитаторы часто выходят из строя при выщелачивании руд кислотами при высоких температурах. Покрытие из полимерных материалов нередко имеет слабую адгезию с материалом диска и отслаивается от диска. Покрытие из полимерных материалов и изготовление из антикоррозионного и химически стойкого материала не увеличивает время между капитальными ремонтами.
Задачей изобретения является разработка эффективного генератора кавитации с защитным покрытием для увеличения срока его службы, в том числе и при работе в атмосфере с высокой кислотностью.
Поставленная задача решается с помощью генератора кавитации, включающего корпус с внутренней рабочей камерой и с патрубками для подвода в камеру и отвода из нее жидкости, размещенный в камере приводной вал и закрепленный на валу активатор в виде диска с цилиндрами-кавитаторами, установленными вдоль радиусов диска по нормали к его поверхностям, а на торцевых стенках рабочей камеры установлены подобные неподвижные кавитаторы, и имеющего защитное покрытие.
Диск-активатора имеет сквозные щели шириной 0,5-2 значения толщины диска и длиной 0,3-0,7 радиуса диска и/или отверстия диаметром порядка 0,5-2 значения толщины диска, сквозные отверстия и щели распределены по площади диска друг от друга, от внешних границ диска и от цилиндров-кавитаторов диска-активатора на расстояниях порядка 2-5 значений толщины диска.
Предпочтительно щели в диске-активаторе выполнены радиально с шагом через 30-45 градусов.
Предпочтительно щели в диске-активаторе выполнены концентрическими дугами окружностей.
Предпочтительно на обе стороны диска и поверхность цилиндров-кавитаторов нанесен слой полипропилена.
Предпочтительно защитное покрытие выполнено с помощью плазменно-электролитического оксидирования поверхности диска-активатора, цилиндров-кавитаторов и внутренних стенок камеры.
Предпочтительно генератор кавитации использован для активизирующего воздействия на рудно-минеральное сырье.
Предпочтительно генератор кавитации использован для активизирующего воздействия на процесс цианидного выщелачивания золота из упорных золотосодержащих руд.
Для защиты цилиндров-кавитаторов и диска с цилиндрами-кавитаторами от вредного воздействия эксплуатационных отложений и выхода цилиндров-кавитаторов из строя из-за усилий, приходящихся на них во время обработки, особенно больших объемов, предлагается на диске активатора перед нанесением покрытия выполнить сквозные отверстия или трещины определенным образом.
Во избежание коррозии при кислотной обработке и абразивного износа оборудования стенки рабочей камеры, поверхности дисков активатора и поверхности всех кавитаторов могут иметь защитные покрытия из следующего ряда полимерных материалов: полиуретан, сверхвысокомолекулярный полиэтилен, фенилон, полиамид, полисульфон, фторопласт, резина. Предпочтительно использование полипропилена.
При нанесении защитного покрытия в виде, например, жидкого полипропилена под давлением с помощью пресс-формы на обе поверхности диска происходит заполнение щелей и отверстий в диске. После затвердевания полипропилена его слои, лежащие на разных сторонах диска, оказываются связанными между собой перемычками, заполняющими щели и отверстия в диске, что удерживает их от отслоения от диска.
Возможен вариант нанесения расплава термоплавкой композиции на основе заданного состава на нагретые поверхности генератора кавитации с проведением полимеризации и вулканизации. Защитное покрытие может быть нанесено с помощью плазменно-электролитического оксидирования поверхности диска-активатора, цилиндров-кавитаторов и внутренних стенок камеры. Кроме перечисленных вариантов нанесения защитных покрытий могут быть использованы и другие известные из уровня техники способы.
Важным результатом в предлагаемом решении явилось значительное увеличение производительности генераторов кавитации (мощности генератора) при увеличении их объема и увеличение времени работы без повреждений защитного покрытия цилиндров-кавитаторов.
На фиг. 1 показана схема генератора кавитации в продольном сечении.
На фиг. 2 показана схема диска-активатора в поперечном сечении со сквозными щелями и/или отверстиями.
Генератор содержит корпус 1 с рабочей камерой и с патрубками для подвода жидкости и для отвода жидкости. Внутри корпуса 1 установлен приводной вал с закрепленным на нем диском-активатором 2. На боковых поверхностях активатора 2 и на торцевых стенках рабочей камеры установлены цилиндры-кавитаторы, подвижные 4 и неподвижные 3 с соответствующим смещением их относительно друг друга по радиусу.
Диск-активатора 2 имеет сквозные щели 6, выполненные радиально, или сквозные щели 7, выполненные в виде концентрических щелей, с шириной 0,5-2 значения толщины диска-активатора 2, и длиной 0,3-0,7 радиуса диска-активатора 2 и/или отверстия 5 диаметром порядка 0,5-2 значения толщины диска-активатора 2, распределенные по площади диска на расстояниях порядка 2-5 значений толщины диска-активатора 2 друг от друга, от внешних границ диска 2 и от подвижных цилиндров-кавитаторов 4.
Сквозные щели 6, 7 имеют определенные размеры, связанные с размерами диска-активатора 2. Размеры отверстия 5 также зависят от размеров толщины диска. Испытания, проведенные на опытном образце генератора кавитации, описанные ниже, показали, что только в заявленных интервалах значений выполнения сквозных щелей 6, 7 и отверстий 5 достигается технический результат.
Предлагаемый генератор работает следующим образом. Обрабатываемая жидкость (суспензия) подается через входной патрубок в рабочую камеру с корпусом 1. Диском-активатором 2 с размещенными на нем кавитаторами 4 жидкость увлекается во вращательное движение. Неподвижными стенками рабочей камеры совместно с кавитаторами 3 жидкость тормозится. В результате образуется турбулентное движение жидкости относительно как подвижных 4, так и неподвижных 3 кавитаторов. При этом за подвижными и неподвижными кавитаторами (с разных сторон) формируются отрывные зоны с мощными пульсационными полями и, как следствие, облачка возникающих и схлапывающихся паровых пузырьков, то есть пузырьковая кавитация. Периодическое проскакивание подвижных кавитаторов относительно неподвижных усиливает динамичность кавитации и тем самым повышает интенсивность кавитационной обработки суспензий.
Одним из актуальных направлений деятельности в области переработки твердых полезных ископаемых на сегодняшний день является интенсификация технологического процесса. Интенсификация определяется следующими параметрами: степенью извлечения ценного компонента в концентрат, качеством готовой продукции и временем протекания процесса.
Ниже показаны примеры использования предлагаемого генератора кавитации с защитным покрытием для переработки минерального сырья.
Пример 1.
Применение генератора кавитации для повышения обогащения кварцевых песков. Генератор кавитации имеет диск-активатор со сквозными щелями шириной, равной толщине диска, и длиной, равной 0,5 радиуса диска, щели в диске-активаторе выполнены радиально с шагом через 40 градусов, который имеет защитное покрытие из полипропилена.
На экспериментальном генераторе кавитации были испытаны кварцевые пески трех месторождений Приволжского региона России. Первоначально было установлено оптимальное время обработки песка. Для этого кварцевый песок в отношении твердого к жидкому 1:4 (мас.) обрабатывали на экспериментальной установке в течение 5, 10, 15, 30 сек. При каждой обработке образовывалась устойчивая взвесь желтовато-бурого цвета, которую убирали декантацией.
2
3
Обработанные пески исследовались под бинокуляром, в результате чего было установлено, что при 5, 10 и 15-секундном воздействии происходит эффект очищения поверхности кварца от посторонних примесей (в основном пленок гидрослюд и каолинита, пропитанных гидроксидами железа, и собственно гидроксидов железа), частичное разрушение интенсивно измененных полевых шпатов (каолинизированных и ожелезненных). Помимо этого, при увеличении времени воздействия до 30 сек удаляется часть гидроксидов железа из зародышей и неровностей поверхности зерен кварца, в большей степени разрушаются полевые шпаты. Химический анализ показал, что после 5 сек воздействия содержание FeO в пробе составило 0,90%, а в пробе обработанной в течение 10 сек, - 0.076%, в обработанной в течение 30 сек - 0,052%, при содержании в исходной пробе 0.128%. Полученные данные свидетельствуют об эффективности применения данного генератора кавитации, что подтверждено данными микроскопического анализа.
Пример 2.
Генератор кавитации содержит щели в диске-активаторе, выполненные концентрическими дугами окружностей.
Проводили кавитационную обработку исходных песков действующей обогатительной фабрики и проб гравитационного концентрата. Для песков, в которых основными носителями железа являются тяжелые железосодержащие минералы (ильменит, магнетит, гидроксиды железа, ставролит), присутствующие в виде свободных мелких зерен, кавитационная обработка в предлагаемом генераторе кавитации способствует очистке поверхности зерен кварца, на которую налипают мельчайшие частицы тяжелых минералов, и за счет этого более эффективному их разделению на винтовых аппаратах в процессе сепарации минералов. Контроль эффективности процесса обеспечивался классификацией по классу крупности 0,1 мм и определением содержания железа в зернистой части песков.
Кавитационная обработка песков позволила из песков с содержанием оксида железа 0,08%, 0,09% получить пески марки ВС-040 (0,038%) с выходом 34,52% и пески марки ВС-050 (0,047%) при выходе 70,38%.
Пример 3.
Генератор кавитации содержит отверстия диаметром, равным толщине диска, и сквозные отверстия распределены по площади диска друг от друга, от внешних границ диска и от цилиндров-кавитаторов диска-активатора на расстояниях 3 значений толщины диска.
Предлагаемый генератор кавитации использован для интенсификации процессов вскрытия золотосодержащих сульфидных минералов с образованием множественных микротрещин в минеральной матрице, обеспечивающих контакт цианистого раствора с золотом и вывод его в виде комплексов в продуктивные растворы выщелачивания, а также происходящей при этом очистки поверхности минеральных фаз от продуктов переосаждения в процессе выщелачивания.
Было исследовано влияние кавитационного воздействия предлагаемого генератора кавитации на технологические свойства частиц золото- и серебросодержащего гравитационного концентрата из упорной руды месторождения «Нежданинское» и частиц золотосодержащих лежалых сульфидных хвостов Гайского горно-обогатительного комбината. Общей характерной особенностью выбранных материалов являлось наличие в них тонкодисперсного золота, значительная часть которого тесно ассоциирована с сульфидными минералами, главным образом, с пиритом и арсенопиритом. В гравитационном концентрате значительная доля золота находилась в сростках. Эти материалы характеризуются как достаточно упорные, трудные для переработки традиционными методами.
В пробе гравитационного концентрата содержание золота составляло 82,1 г/т, серебра - 247,5 г/т. При этом 41,2% (33,8 г/т) золота находилось в сростках и в свободном состоянии, 56,3% (46,2 г/т) - в виде рассеянной вкрапленности было ассоциировано с сульфидами, 1,4% - с породой, 1,1% - с кислоторастворимыми минералами. Серебро в основном тонкое и тонкодисперсное и более, чем на 68% связано с сульфидами. Для предотвращения возможности влияния крупного свободного золота на результаты последующего цианирования предварительно удаляли крупные золотины с помощью центробежного концентратора итомак, после чего содержание золота в пробе концентрата составило 69,5 г/т, серебра - 221 г/т.
В пробе хвостов Гайского ГОКа содержание золота составляло 1,5 г/т, при этом 76,3% золота ассоциировано с сульфидами (1,14 г/т), 7% - с породой, 2,2% - с кислоторастворимыми минералами и 14,5% золота свободно цианируемо. Образцы гравитационного концентрата в суспензии с водой (Т:Ж=1:2) подвергали воздействию гидродинамической кавитации в генераторе кавитации, показанном на Фиг. 1 и Фиг. 2 Активированную суспензию переносили в реактор-выщелачиватель, добавляли расчетное количество крепкого раствора цианида натрия, защитную щелочь и проводили сорбционное цианидное выщелачивание золота в режиме CIL. Абсолютный прирост извлечения золота в результате обработки пробы в режиме гидродинамической кавитации составил 66,05% и серебра - 54.07% по сравнению с базовым опытом. Для материалов хвостов Гайского ГОКа абсолютный максимальный прирост извлечения золота составил 63% (с 10% до 73%). Полученные результаты свидетельствуют об эффективности вскрытия упорной руды за счет частичного разрушения минеральных комплексов, разрушения сростков, создания микротрещин, обеспечивающих доступ продуктивного раствора к частицам золота и серебра, очистки поверхности минеральных фаз от продуктов переосаждения в процессе выщелачивания.
Из приведенных примеров следует, что кавитационная обработка минерального сырья интенсифицирует сепарационные процессы. Кавитация, при которой образуется множество воздушных пузырьков, излучающих ударную волну в местах естественных неоднородностей, способствует разрушению минеральных агрегатов.
Эффективно применение гидродинамической кавитации с помощью предложенного генератора кавитации с защитным слоем для:
- интенсивной дезинтеграции минеральных комплексов;
- обесшламливания материала;
- интенсификации процессов промывки за счет эффективного отделения глинистых частиц;
- очистки минеральных зерен от гидроксильных пленок;
- интенсификации процесса флотации за счет снятия с поверхностного слоя минералов оксидных пленок;
- интенсификации процесса выщелачивания за счет повышения эффективности воздействия выщелачивающих агентов на минеральные частицы;
- очистки поверхности минеральных фаз от продуктов переосаждения в процессе выщелачивания.
Применение кавитационного воздействия для золотосодержащих руд позволяет значительно повысить долю цианируемого золота благодаря эффективному разрушению агрегатов и сростков золота с породообразующими минералами, а также высвобождению золота из образующихся трещин.
Использование предлагаемого генератора кавитации позволяет производить получение однородных смесей, диспергирование, эмульгирование, мелкодисперсное измельчение руд и их механо-химическую активацию с высокой производительностью (с увеличением мощности кавитаторов).
Предлагаемое выполнение защитного покрытия цилиндров-кавитаторов и диска-активатора в рабочей камере позволяется увеличить одновременно срок службы генератора кавитации и эффективно производить измельчение до необходимого размера.
Для каждого конкретного использования генератора кавитации нами выявлены его оптимальные параметры воздействия, наиболее эффективно активизирующие механизм вскрытия минеральных комплексов и извлечения ценных компонентов, и определены оптимальные интервалы значений выполнения сквозных щелей и/или отверстий, приводящих к достижению технического результата.
Техническим результатом является разработка эффективного генератора кавитации с защитным покрытием для увеличения срока его службы, в том числе и при работе в атмосфере с высокой кислотностью.