ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ СМЕСИ ЦЕННЫХ ВЕЩЕСТВ, НАПРИМЕР СМЕСИ МИНЕРАЛЬНЫХ СОЛЕЙ, С ПОМОЩЬЮ ТРУБЧАТОГО СЕПАРАТОРА, А ТАКЖЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ТАКОЙ СМЕСИ ЦЕННЫХ ВЕЩЕСТВ С ПОМОЩЬЮ ТРУБЧАТОГО СЕПАРАТОРА, А ТАКЖЕ СПОСОБ ЭЛЕТРОСТАТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ
ELECTROSTATIC SEPARATION OF MIXTURE OF VALUABLE MATERIALS, FOR EXAMPLE, MINERAL SALT MIXTURE, BY MEANS OF PIPE SEPARATOR, AND DEVICE FOR ELECTROSTATICALLY SEPARATING SUCH MIXTURE OF VALUABLE MATERIALS BY MEANS OF PIPE SEPARATOR, AND METHOD FOR ELECTROSTATIC SEPARATION

Изобретение касается трубчатого сепаратора для электростатического разделения смеси ценных веществ, а также устройства для электростатического разделения, содержащего трубчатый сепаратор, а также способа электростатического разделения.
Электростатическое разделение смеси ценных веществ происходит в электрическом поле, которое создается двумя полевыми электродами, при этом один полевой электрод примыкает к минусовому полюсу, а другой - к плюсовому полюсу. Напряжение составляет несколько 10 000 В, при этом ток, однако, варьируется в микроамперном диапазоне. Принцип электростатического разделения обычно применяется при разделении фосфатов, оксидов металлов, угля, полимерных материалов, а также смесей минеральных солей. Для сортировки частиц твердого вещества или иных частиц методом электростатического разделения исходное вещество находится в виде смеси сыпучих материалов из отдельных частиц с различными физическими и химическим свойствами. Цель электростатического разделения заключается в чистосортном разделении такой смеси сыпучих материалов.
Для электростатического разделения используется различная электрическая поляризуемость отдельных частиц. Для достижения как можно более чистосортного разделения такой смеси ценных веществ сначала поступают таким образом, чтобы смесь ценных веществ размалывалась как можно мельче, ввиду того, что частицы имеют очень высокое содержание того или иного ценного вещества. Обычные размеры частиц варьируются в диапазоне от 30 мкм до 3000 мкм. После такого размельчения смеси ценных веществ происходит электростатическая поляризация отдельных частиц. Для этого сначала смесь ценных веществ кондиционируется, а затем трибоэлектрически поляризуется. Вследствие различных физических и химических свойств и соответствующего кондиционирования, например, путем добавления реагентов отдельные частицы заряжаются положительно или отрицательно; другие частицы не обладают никаким потенциалом заряда.
Разделение отрицательно или положительно заряженных частиц происходит в электрическом поле, которое, например, создается в гравитационном сепараторе. При этом положительно заряженные частицы притягиваются электродом, который примыкает к отрицательному полюсу, в отличие от чего частицы, которые заряжены отрицательно, притягиваются электродом, который примыкает к положительному полюсу. Кроме того, имеется промежуточный материал, который не отклоняется ни в какую сторону, так как частицы не заряжены положительно или отрицательно или заряжены недостаточно.
Преимущество такого электростатического разделения заключается в том, что речь идет о сухом способе разделения, при котором не образуется загрязненная сточная вода, что, в частности, является преимуществом при разделении смесей минеральных солей, в частности, при производстве калия.
В противоположность электростатическому разделению известно так называемое магнитное разделение (DE 195 10 116 A1), при котором частицы подлежащей разделению смеси должны иметь ферритное происхождение.
Это значит, разделение в магнитном поле возможно только тогда, когда одна из подлежащих разделению частиц содержит доли железа, то есть является магнитной.
Из DE 36 03 167 C1 известно осуществление трибоэлектрической поляризации и кондиционирования высокодисперсных смесей солей в кипящем слое посредством длинной камеры псевдоожижения. Недостаток этой системы заключается в том, что на пути транспортировки между кипящим слоем и разделительной аппаратурой поверхностные заряды частиц стекают, при этом плотность заряда отдельных частиц уменьшается, вследствие чего разделение в электрическом поле происходит только с потерей качества.
Из DE-PS 12 49 181 в этой связи известен кольцеобразный сепаратор, который снабжен кольцеобразным трубопроводом, имеющим участок ионизации или без этого участка, а также участок с двумя по существу параллельными, создающими электростатическое поле электродами. Разделение основано при этом на принципе центробежной силы. Недостаток при этом заключается в том, что действующие на частицы центробежные силы негативно влияют на результат разделения.
Из специального издания Winnacker. Küchler, Chemische Technik, Prozesse und Produkte, Band 8, 5. Auflage "Produkte der Kaliindustrie" (Wiley-VCH- Verlag GmbH & Co. KGaA) под ключевым словом «электростатическое разделение» на странице 68 и далее описано разделение в трубчатом гравитационном сепараторе. При этом смесь ценных веществ в свободном падении сыпется через поле высокого напряжения, положительно и отрицательно заряженные частицы соответственно своему заряду отталкиваются или, соответственно, притягиваются полюсами и отклоняются от своего вертикального направления падения. Частицы, которые не обладают однозначным зарядом, следуют вертикальному направлению свободного падения. Так в конце участка падения образуются два потока вещества, каждый из которых насыщен одним ценным веществом, а также третий поток веществ, который не обладает поверхностным зарядным потенциалом и по существу представляет собой смесь ценных веществ. Положительный полюс и отрицательный полюс аппаратуры выполнены в виде вращающихся трубок из электропроводящего материала. Чтобы избежать отложений частиц на электродах и, тем самым, ослабления электрического поля, предусмотрена очистительная аппаратура в виде щеток.
Недостаток при этом заключается в том, что из-за длины пути транспортировки и вида транспортировки между шагом способа трибоэлектрической поляризации и разделения в гравитационном сепараторе поверхностные заряды стекают с частиц, вследствие чего этот способ разделения осуществляется с потерей качества. При длинных путях транспортировки, кроме того, необходимо также промежуточное включение дополнительных устройств подачи.
Кроме того, этот известный гравитационный сепаратор непригоден для мелкозернистых и легких частиц, которые имеют диаметр < 150 мкм, не только потому, что эти вещества преимущественно следуют законам свободного падения, но и воздействия течения свободно падающих частиц проявляются в большей степени в окружающем газе. Результатом этого является, что такие мелкие частицы оседают на электродах, из-за чего уменьшается напряженность электрического поля, вследствие чего, в конце концов, снижается качество разделения. Образование отложений пыли на электродах хотя и может быть сокращено посредством уже упомянутой очистительной аппаратуры, однако, не может быть полностью предотвращено.
Кроме того, увеличение налипания соли может вызывать пробои, иногда короткие замыкания, вследствие чего весь гравитационный сепаратор должен выводиться из эксплуатации и снова вводиться в эксплуатацию с тем последствием, что экономичность такой установки уменьшается. Также согласно уровню техники расстояние между электродами относительно велико; поскольку должно создаваться сильное электрическое поле, что приводит к необходимости более высоких напряжений, а именно, порядка примерно 100 000 В. Хотя токи в микроамперном диапазоне относительно малы, однако, все же требуется значительная мощность.
Положенная в основу изобретения задача заключается в том, чтобы предложить трубчатый сепаратор, а также устройство с применением трубчатого сепаратора, а также способ, который осуществляется с помощью такого устройства, с помощью которых результат разделения при относительно низких капиталовложениях будет значительно повышен. К тому же аппарат должен быть в равной степени пригоден как для мелкого спектра зерна, так и для грубого спектра зерна.
Поэтому предметом изобретения является, прежде всего, трубчатый сепаратор для электростатического разделения электрически различно заряженных частиц смеси ценных веществ, например смеси минеральных солей, содержащий корпусную трубу, причем эта корпусная труба имеет два расположенных друг напротив друга полевых электрода для создания электрического поля, причем в соответствии с изобретением предусмотрено, что полевые электроды закрыты изоляционным слоем во внутреннем направлении, то есть в направлении к внутренней области трубы. Такой изоляционный слой, выполненный в виде диэлектрика, состоит, например, из стекла.
В другом месте уже объяснялось, что недостаток традиционных сепараторов заключается в том, что вследствие непосредственного расположения полевых электродов в потоке подлежащих разделению частиц ценного вещества образуются налипания на электродах. Это вызывает уменьшение напряженности поля. Это приводит также к ухудшению результата разделения, причем из-за этого, как уже пояснялось в другом месте, электроды должны через определенные интервалы очищаться вращающимися щетками, при этом временной интервал между двумя процессами очистки по существу определяется размером частиц подлежащей разделению смеси ценных веществ. Это значит, пылевидные частицы скорее приводят к образованию налипаний на электроде, чем большие, тяжелые частицы.
Покрытие электродов электрически непроводящим слоем служит для того, чтобы взвешенные в транспортируемом потоке частицы хотя и отклонялись соответственно своему заряду к положительному полюсу или к отрицательному полюсу соответствующего электрода, но не прилипали к внутренней боковой поверхности сепаратора, или же это прилипание происходило по меньшей мере в меньшей степени. Частицы без потенциала заряда следуют линии потока смеси твердого вещества и газа и выносятся в середине трубчатого сепаратора.
Благодаря применению диэлектрика или непроводящего покрытия на электроде такие налипания, как описано выше, практически предотвращаются. В результате этого напряженность поля может быть относительно уменьшена, так как не происходит уменьшение напряженности поля, как в уровне техники, вследствие отложений солей, которое должно компенсироваться за счет более высокой напряженности поля. Уже поэтому результат разделения по сравнению с уровнем техники существенно лучше.
Предпочтительно в этом варианте осуществления выполненные в круглой форме полевые электроды расположены в боковой поверхности трубы трубчатого сепаратора, при этом боковая поверхность трубы, как уже излагалось, выполнена из диэлектрика, такого как, например, стекло.
Другой вариант отличается тем, что выполненная, например, из стекла корпусная труба имеет полевые электроды на наружной боковой поверхности трубы.
Чтобы добиться разделения частиц, отклоняемых к положительно или, соответственно, отрицательно заряженному электроду, от среднего потока, труба трубчатого сепаратора имеет на нижнем конце два сепарационных язычка для сепарации потоков твердого вещества.
Предметом изобретения является также устройство для электростатического разделения электрически различно заряженных частиц из смеси ценных веществ, например смеси минеральных солей, содержащее трубчатый сепаратор описанного выше рода, при этом в соответствии с изобретением предусмотрен аппарат, в частности так называемый аппарат с кипящим слоем и неподвижным слоем, в котором подлежащая разделению смесь ценных веществ кондиционируется, завихряется посредством газового потока и при этом трибоэлектрически поляризуется, при этом аппарат с кипящим слоем и неподвижным слоем по меньшей мере одним трубопроводом непосредственно соединен с трубчатым сепаратором, при этом смесь твердого вещества и газа подается по указанному по меньшей мере одному трубопроводу в сепаратор с заданной скоростью течения.
Существенным при выполнении устройства для электростатического разделения является то, что смесь твердого вещества и газа подается в сепаратор непосредственно из процесса завихрения, то есть как бы во взвешенном состоянии частиц твердого вещества. Это происходит по следующей причине.
Из уровня техники известно, что смесь ценных веществ сначала размалывается и кондиционируется, чтобы затем трибоэлектрически заряжать отдельные частицы. Обработанная таким образом смесь обычно в виде сыпучего материала подается в гравитационный сепаратор. Транспортировка сыпучего материала достаточно часто происходит также в металлических транспортерах непрерывного действия, в результате чего уменьшается плотность заряда отдельных частиц, так как заряды уходят частично через соседние частицы, а также, например, через описанные выше транспортеры непрерывного действия из металла. Поэтому тогда, когда смесь твердых веществ подается в гравитационный сепаратор, из-за низкой плотности заряда на частицах не может достигаться достаточно хорошее разделение.
Благодаря тому, что смесь твердого вещества и газа непосредственно после трибоэлектрической поляризации подается в трубчатый сепаратор, уменьшение плотности заряда по существу не происходит.
Кроме того, предметом изобретения является то, что смесь твердого вещества и газа с определенной скоростью течения подается в трубчатый сепаратор.
При эксплуатации гравитационного сепаратора по уровню техники скорость течения смеси на впуске в гравитационный сепаратор очень мала. Скорость возрастает в процессе прохождения отдельных частиц через гравитационный сепаратор. Эта возрастающая скорость отдельных частиц по длине гравитационного сепаратора способствует тому, что при заданной напряженности поля увеличиваются отложения мельчайших частиц на электроде. Это происходит потому, что у материала, который является особенно мелким, то есть имеет диаметр, равный < 150 мкм, сопротивление воздуха по отношению к силе гравитации так велико, что эти частицы, так как они как бы удерживаются во взвешенном состоянии, отлагаются на электродах и приводят там к проблемам, которые уже пояснялись в другом месте.
Если теперь в трубчатый сепаратор подается смесь твердого вещества и газа с повышенной скоростью, то есть, например, со скоростью течения, равной 10 м/с, то это означает, что по существу не существует никаких разностей скоростей между газом, с одной стороны, и частицами, с другой стороны. Поэтому воздействия сил вследствие гидравлических сопротивлений, в частности, у мелкозернистых частиц, по существу устранены. Но это значит также, что по длине трубчатого сепаратора имеются равные условия, что означает, что может устанавливаться оптимальное значение напряженности поля между электродами.
Другое преимущество повышенной скорости потока частиц в трубчатом сепараторе заключается в том, что в краевой области трубчатого сепаратора течение турбулентно, что вызывает как бы автоматическую очистку внутренней боковой поверхности и вместе с тем дополнительно снижена опасность налипаний. Это означает также, что поперечное сечение сепаратора может быть уменьшено, т.е. расстояние между электродами уменьшается, из-за чего при одинаковой мощности сепаратора необходимы меньшие напряжения, что, в свою очередь, снижает опасность налипаний на внутренней боковой поверхности.
Как уже пояснялось в другом месте, в уровне техники частицы, а здесь, в частности, мелкие частицы с диаметром < 150 мкм, вследствие напряженности поля непосредственно, причем, в частности, в верхней области гравитационного сепаратора оседают на внутренней боковой поверхности гравитационного сепаратора. Попадание частиц твердого вещества на внутреннюю боковую поверхность всегда вызывает износ.
Благодаря направленному течению вследствие заданной скорости течения перпендикулярное попадание частиц твердого вещества на внутреннюю боковую поверхность сокращается, и поэтому износ уменьшается. Это значит, достигаются долгие сроки службы трубчатого сепаратора. При этом, в частности, следует заметить, что солесодержащие смеси обладают сильными абразивными свойствами, откуда непосредственно следует преимущество ввода смеси твердого вещества и газа в направленном течении с повышенной скоростью течения.
Аппарат, в частности аппарат с кипящим слоем и неподвижным слоем, содержит, в частности, по меньшей мере две камеры, при этом в первой камере происходит кондиционирование частиц твердого вещества или частиц. Кондиционирование отдельных частиц происходит, например, посредством добавления кондиционирующего средства. Во второй камере происходит завихрение смеси твердого вещества и газа с целью трибоэлектрической поляризации частиц. Для непосредственного выноса частиц во второй камере предусмотрена по меньшей мере одна инжекционная форсунка для подачи смеси твердого вещества и газа, в частности, по прямо проходящему трубопроводу, в котором происходит другая трибоэлектрическая поляризация. Это значит, непосредственно из камеры завихрения, второй камеры, смесь твердого вещества и газа подается в трубчатый сепаратор. Прямо проходящий трубопровод обладает тем преимуществом, что потеря заряда трибоэлектрически заряженных частиц сокращена до минимума, так как, в противоположность изогнутому трубопроводу, частицы в небольшой степени попадают в соприкосновение с трубопроводом, который обычно является электрически проводящим. Трубопровод может быть сколь угодно коротким.
Это происходит в противоположность уровню техники, в котором смесь твердого вещества и газа подается в виде сыпучего материала по транспортеру непрерывного действия в гравитационный сепаратор.
Кроме того, аппарат с кипящим слоем и неподвижным слоем имеет третью камеру, при этом в третью камеру может подаваться смесь ценных веществ из фильтрационной установки в аппарат с кипящим слоем и неподвижным слоем, и эта третья камера имеет по меньшей мере одну инжекционную форсунку для подачи смеси ценных веществ в трубчатый сепаратор. Трубчатый сепаратор, в который подается эта мелкая смесь, может специально настраиваться на эту зернистость.
Все камеры находятся в сообщающемся соединении друг с другом. Но это также означает, что частицы в отдельных камерах непрерывно смешиваются друг с другом, что, в частности, в отношении смеси ценных веществ означает, что она в определенной мере обогащается в подключенной третьей камере. Отдельные инжекционные форсунки могут регулироваться в отношении принимаемого размера частиц смеси ценных веществ, т.е. происходит геометрическая регулировка инжекционных форсунок применительно к частицам, которые должны отводиться в трубчатый сепаратор. Благодаря этому в трубчатый сепаратор могут подаваться еще относительно мелкие частицы.
Предметом изобретения является также способ электростатического разделения различно заряженных частиц смеси ценных веществ, например смеси минеральных солей, с помощью устройства описанного выше рода. При этом смесь ценных веществ непосредственно после кондиционирования и трибоэлектрической поляризации с помощью газового потока в завихренном состоянии с определенной скоростью течения из камеры завихрения подается в трубчатый сепаратор, при этом скорость течения на впуске трубчатого сепаратора соответствует скорости на выпуске трубчатого сепаратора. Предпочтительно при этом, что скорость течения, с которой смесь ценных веществ и газа подается в трубчатый сепаратор, может регулироваться в зависимости, с одной стороны, от длины трубчатого сепаратора, а с другой стороны, от внутреннего диаметра трубчатого сепаратора.
Ниже изобретение поясняется подробнее на примерах с помощью чертежей.
фиг.1, фиг.1a: показан аппарат с кипящим слоем и неподвижным слоем с подключенными трубчатыми сепараторами;
фиг.2-фиг.4: показаны различные варианты осуществления и исполнения трубчатого сепаратора.
Обозначенный на фиг. 1 и 1a позицией 1 аппарат с кипящим слоем и неподвижным слоем содержит три камеры 17, 18 и 21. Подача смеси ценных веществ, например смеси солей, происходит по трубопроводу 6 в так называемую первую камеру, камеру кондиционирования. В эту камеру 17 происходит также подача реагентов по трубопроводу 16. Трубопровод 16 помещен в область дна камеры 17. По трубопроводу 11 при необходимости через теплообменник 22 с помощью воздуходувки 22a газ, например воздух, вводится в камеры 17, 18, 21. Этот газ, в частности воздух, служит для завихрения и вместе с тем для трибоэлектрической поляризации отдельных частиц смеси ценных веществ. В верхнем конце аппарата с кипящим слоем и неподвижным слоем предусмотрены один или несколько выпусков 19 для отвода мельчайших частиц с помощью газового потока в фильтр 7. Размер выведенных частиц зависит от силы воздушного потока, который подается через трубопровод 11. При более сильном течении по этому трубопроводу выносятся также соответственно частицы большего размера. Из фильтра 7 эти отфильтрованные частицы определенного размера подаются в камеру 21 в аппарат с кипящим слоем и неподвижным слоем. Благодаря возврату мельчайших частиц в участок 21 аппарата 1 технологические параметры смеси твердого вещества и газа и напряженность электрического поля в трубчатом сепараторе могут настраиваться на сепарацию частиц большего размера из камеры 18 и более мелких частиц из камеры 21 в соответствии со способом.
Как уже пояснялось в другом месте, отдельные камеры 17, 18 и 21 соединены друг с другом, сообщаясь. Это способствует постоянному перемешиванию отдельных частиц внутри аппаратов с кипящим слоем и неподвижным слоем. В камере 18 и в камере 21 установлены инжекционные форсунки 3, которые питаются воздушным потоком 2 посредством воздуходувки 2a из фильтра 7. Применение этого газового потока предпочтительно для снабжения инжекционных форсунок 3 потому, что этот газовый поток, за счет того, что он уже находился в аппарате 1, обогащен реагентами для кондиционирования, что способствует дополнительной трибоэлектрической поляризации частиц при транспортировке по трубопроводам в трубчатом сепараторе.
Обе инжекционные форсунки внутри камеры 18 завихрения соединены трубопроводами 4 непосредственно с двумя трубчатыми сепараторами 5. Другая инжекционная форсунка 3 находится в камере 21 и подает преимущественно мелкие частицы в другой трубчатый сепаратор 5. На изображении, показанном на фиг.1a, в противоположность фиг.1 соответствующий трубчатый сепаратор 5 соединен с инжекционными форсунками 3 неотогнутыми или неизогнутыми трубопроводами 4, вследствие чего потеря зарядов трибоэлектрически заряженных частиц сокращена до минимума.
Смесь из твердого вещества и газа, которая подается через инжекционные форсунки 3 в трубчатые сепараторы 5, поступает в трубчатые сепараторы с определенной скоростью, а именно, например, 10 м/с. При этом скорость течения по длине трубчатого сепаратора по существу остается неизменной. На нижнем конце находятся сепарационные язычки 12, 13, которые служат для выноса положительно заряженных частиц или, соответственно, также отрицательно заряженных частиц, а также промежуточного материала.
Предметом фиг.2-4 является расположение полевых электродов 8, 9 на стенках корпусной трубы 10 трубчатого сепаратора. В соответствии с фиг.2 при этом полевой электрод 8, 9 установлен в боковой поверхности трубчатого сепаратора. Боковая поверхность трубчатого сепаратора выполнена в виде диэлектрика, например стекла.
На изображении, показанном на фиг.3, выполненный в форме дуги окружности электрод находится на наружной боковой поверхности стеклянной трубки 10 трубчатого сепаратора. Исполнение, показанное на фиг.4, отличается только квадратной трубой трубчатого сепаратора с установленными снаружи полевыми электродами 8, 9.