УСТРОЙСТВО ДЛЯ АЭРАЦИИ ЖИДКОСТИ
DEVICE FOR FLUID AERATION

Настоящее изобретение относится к области обогащения полезных ископаемых, а именно к флотационному процессу разделения минеральных частиц любой крупности. Может также использовано для очистки сточных вод, в химической промышленности и других отраслях производства, где необходима аэрация.
Из существующего уровня техники известен двухкамерный струйный аэратор (RU 2229926, опубл. 10.06.2004), содержащий цилиндрический коллектор и воздушный канал с, по меньшей мере, одним впускным отверстием, отличающийся тем, что коллектор выполнен с отверстиями, равномерно расположенными вдоль образующей, а воздушный канал выполнен в виде П-образного профиля с выпускными отверстиями, равномерно расположенными вдоль основания, размещенного на поверхности коллектора, причем отверстия коллектора размещены в полости воздушного канала.
Двухкамерный струйный аэратор снабжен входным источником водовоздушной пульпы, при этом коллектор аэратора выполнен незамкнутым. Впускные отверстия воздушного канала выполнены с регуляторами расхода. Отверстия воздушного канала расположены на оси отверстий коллектора. Кромки отверстий воздушного канала расположены на прямых, проходящих через кромки отверстий коллектора и пересекающихся на оси симметрии коллектора в его полости. Отношение радиусов отверстий коллектора и воздушного канала лежит в диапазоне 2,8-1,9.
Данный двухкамерный струйный аэратор не генерирует пузырьки близких размеров, а задает полидисперсную систему пузырьков, что не приемлемо при флотации, например, шламов. Для очистки сточных вод данный двухкамерный аэратор не оптимален, так как полидисперсная система пузырьков способствует усиленной их коалесценции, возникновению крупных не агруженных пузырьков, которые всплывают без каких-либо загрязнений.
Из существующего уровня техники известен импульсный аэратор (RU 2142433, опубл. 27.09.2000), содержащий резервуар, циркуляционный насос с трубопроводом подачи обрабатываемой жидкости и аэрационные трубы с конусными насадками. Он снабжен распределительными камерами, в каждой из которых установлены сифонный стакан с отводной трубой и воздушный стакан-регулятор с гидрозатвором, при этом воздушная трубка сифонного стакана присоединена к воздушному стакану-регулятору и нижний конец отводной трубы выполнен сужающимся в виде сопла и расположен соосно в конусной насадке аэрационной трубы с образованием кольцевой щели. Устройство дает полидисперсную систему пузырьков, которая не применима для флотационного разделения нано- и микрочастиц. В импульсном аэраторе образуются крупные пузырьки, которые механически выносят на поверхность аэрируемой жидкости все гидрофильные и гидрофобные нано- и микрочастицы.
Из существующего уровня техники известен струйно-эрлифтный аэратор (RU 2156746, опубл. 10.12.1999), содержащий аэрационный резервуар, подводящий трубопровод, эрлифтную аэрационную колонну, при этом эрлифтная колонна снабжена аэрационной трубой, верхний конец которой расположен в распределительной камере, а нижний - в первой трети высоты колонны эрлифта. Известный аэратор дает полидисперсную систему пузырьков, которая не применима для флотационного разделения нано- и микрочастиц. В струйно-эрлифтном аэраторе образуются крупные пузырьки, которые механически выносят на поверхность аэрируемой жидкости все гидрофильные и гидрофобные нано- и микрочастицы.
Из существующего уровня техники известен способ аэрации жидкости при флотации материалов (А.С. 1284600, опубл. 23.01.1987), в котором аэрация осуществляется путем захвата струей жидкости пузырьков газа через поверхность раздела газ-жидкость, отличающийся тем, что целью повышения эффективности аэрации за счет увеличения газонасыщения жидкости, струю направляют противоположно движению потока жидкости. Этот способ дает полидисперсную систему исходных пузырьков, которая приемлема для флотации частиц обычной флотационной крупности, но не применима для флотации нано- и микрочастиц.
Из существующего уровня техники известен способ аэрации жидкости при флотации (А.С. 1260026, опубл. 30.09.1986), включающий подачу свободной струи жидкости на поверхность раздела газ-жидкость с образованием воронки аэрируемой жидкости вокруг зоны соударения с указанной поверхностью, отличающийся тем, что, с целью увеличения газонасыщения жидкости, свободной струе придают вращательное движение, а вращению жидкости в воронке придают направление, противоположное направлению вращения свободной струи. Данный способ из-за высокой неконтролируемой турбулентности дает полидисперсную систему мелких исходных пузырьков, которые при последующей их коалесценции образуют крупные пузырьки, приемлемые для флотации частиц обычной флотационной крупности, но не применимы для флотации нано- и микрочастиц.
Из существующего уровня техники известны устройства для аэрации жидкости Злобина М.Н. и соавторов (А.С. 1561452, опубл. 30.08.1994, А.С 1658577, опубл. 30.06.1994). Данные устройства дают полидисперсную систему пузырьков, так как водовоздушная струя многократно попадает на множество препятствий при выходе из устройства - пузырьки воздуха многократно коалесцируют друг с другом с образованием более крупных пузырьков. Менее дисперсная система в таком устройстве может получиться только при высокой концентрации пенообразователя, когда пузырьки бронируются молекулами пенообразователя, снижается их коалесценция.
Из существующего уровня техники известно устройство для аэрации жидкости Злобина М.Н. и соавторов (А.С. 1729090, опубл. 30.06.1994), в котором газожидкостная система проходит многократно через ряд гидродинамических свистков. Такое диспергирование при низкой концентрации пенообразователя дает полидисперсную систему пузырьков, так как в процессе прохождения через ряд препятствий (гидродинамических свистков) происходит как коалесценция пузырьков, так и их распад на более мелкие. Тонкодисперсная система пузырьков достигается за счет значительной концентрации пенообразователя в аэрирующем устройстве, которая приводит к незначительному уровню коалесценции пузырьков в объеме пульпы, но якобы способствует образованию необходимого флотокомплекса за счет той же коалесценции («слияние воздушных пузырьков») пузырьков на поверхности минеральной частицы. В такой трактовке минеральная частица покрывается тонкодисперсной системой пузырьков, не коалесцирующих с другими мелкими пузырьками в силу высокой концентрации пенообразователя. Объем тонкодисперсных воздушных пузырьков, закрепившихся на минеральной частице, во многих случаях не будет достаточен для подъема флотокомплекса вверх в пульпе и выхода в пенный продукт (концентрат). Через данное устройство нельзя пропускать даже тонкодисперсную пульпу из-за того, что оно засоряется, и гидродинамические свистки за счет абразивного на них воздействия быстро износятся. Кроме того, любой гидродинамический свисток имеет целый набор гармоник своего звукового спектра, приводящий к полидисперсному распылу на капли и пузырьки. Наличие большого количества препятствий, через которые проходит газожидкостная струя, значительно повышает энергозатраты, часть энергии уходит на разогрев пузырьков, капель и жидкости.
Из существующих аэраторов, производящих нано- и микропузырьки, следует упомянуть Nikuni КТМ Microbubble Generating Pump (http://www.dafpump.com/applications). Данный аэратор производит микропузырьки со средним размером 5 мкм. Создаются микропузырьки следующим образом: во-первых, производится смешение жидкости и газа, во-вторых, полученная газожидкостная смесь сепарируется с выделением микропузырьков, а крупные пузырьки выводятся через соответствующий патрубок, что не является оптимальным решением, так как не весь газ переходит в нано- и микропузырьки. Существует еще ряд аналогичных устройств, в которых нано- и микропузырьки создаются путем сепарации из газожидкостной смеси на мелкие и крупные пузырьки. Газ из крупных пузырьков выводится в атмосферу.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство аэрации жидкости (А.С. 1108078, опубл. 15.08.84), содержащее емкость для аэрируемой жидкости и аэратор с трубопроводами подвода к нему под избыточным давлением жидкости и газа, в котором с целью повышения производительности и эффективности использования устройства путем увеличения коэффициента эжекции аэратора, уменьшения износа и обеспечения равномерного распределения диспергированного газа в объеме емкости, аэратор выполнен из аэрационного и регулировочного блоков в виде открытых со стороны днища емкости камер, при этом камера аэрационного блока соединена с трубопроводом подвода жидкости и снабжена струенаправляющей насадкой и патрубком ввода газа, камера регулировочного блока снабжена перегородкой, нижний торец которой расположен выше нижних торцов стенок камеры, разделенной этой перегородкой на два отсека, первый из которых сообщен с трубопроводом подвода газа и патрубком ввода газа в камеру аэрационного блока, а второй отсек снабжен трубопроводом отвода избыточного газа из камеры регулировочного блока.
Недостатками данного технического решения являются:
1. Полидисперсность исходных пузырьков в силу распада эжектирующей струи жидкости на полидисперсную систему капель.
2. Нерегулируемость крупности исходных пузырьков, так как без необходимого резонансного воздействия на струю, образуются пузырьки практически любой крупности, возникающие при эжекции газа через поверхность раздела фаз газ-жидкость.
3. Выброс излишков газа, что снижает коэффициент полезного действия аэратора.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства, позволяющего получить любую, требуемую по технологии дисперсность исходных пузырьков газа. Для разной дисперсности минеральных частиц при флотации требуются различные исходные пузырьки газа. Необходимы ультрамелкие пузырьки, закрепляющиеся на минеральной поверхности флотируемой частицы, а также транспортные крупные пузырьки, коалесцирующие с этими мелкими пузырьками и придающими флотокомплексу требуемую плавучесть. Диаметр крупных пузырьков не должен превышать определенный предел, при котором они, во-первых, могут иметь такую скорость подъема, при которой они успеют провзаимодействовать с каким-либо флотокомплексом и всплыть ненагруженными, во-вторых, крупные пузырьки за счет своей большой кинетической энергии всплытия могут разрушить уже сформированный флотокомплекс, в-третьих, крупные пузырьки не применимы для флотации, например, шламов.
Техническая задача достигается за счет того, что устройство для аэрации жидкости, содержащее емкость аэрируемой жидкости, ограниченную перегородками, газовую емкость, открытую в сторону днища емкости аэрируемой жидкости, струенаправляющую насадку, размещенную в газовой емкости, патрубки для подвода жидкости, патрубки для подвода газа, патрубки для отвода газа, согласно заявляемому изобретению дополнительно содержит источник колебаний, соединенный с газовой емкостью, при этом газовая емкость содержит верхнюю крышку, выполненную в виде подвижного поршня, струенаправляющая насадка выполнена подвижной в поршне, а емкость аэрируемой жидкости содержит не менее 3-х перегородок, образующих между собой камеры сепарации пузырьков газов.
Большее количество камер сепарации, образованных перегородками в емкости аэрируемой жидкости, способствуют лучшей оценке дисперсности исходных пузырьков, созданных аэрирующем устройством, а также позволяют распределить по камерам пузырьки в соответствии с их крупностью по заданной технологии.
Способствуют достижению указанной технической задачи следующие частные случаи реализации заявляемого изобретения.
Струенаправляющая насадка выполнена с возможностью формирования струи через отверстие, расположенное на выходе жидкости из насадки.
Отверстие струенаправляющей насадки выполнено в виде щели.
Отверстие струенаправляющей насадки может быть выполнено круглым или овальным.
Отверстие струенаправляющей насадки может быть выполнено конусообразным.
В качестве источника колебаний используют электродинамический источник звука, усилитель и генератор частоты. При этом газовая емкость, струенаправляющая насадка, генератор, усилитель, электродинамический источник звука представляют собой источник резонансного воздействия на струю жидкости.
Патрубок повода газа расположен тангенциально по отношению к газовой емкости.
Емкость аэрируемой жидкости может быть выполнена цилиндрической формы, а камеры сепарации разделены цилиндрическими поверхностями.
Струенаправляющая насадка введена в емкость аэрируемой жидкости тангенциально.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг. 1  показано устройство аэрации жидкости с камерами сепарации с полидисперсной системой пузырьков, где наибольшая высота пены в последней камере сепарации с наиболее мелкими пузырьками;
на фиг. 2 - устройство аэрации жидкости с камерами сепарации с полидисперсной системой пузырьков, где наибольшая высота пены в первой камере сепарации с крупными пузырьками;
на фиг. 3 - устройство аэрации жидкости, где в средней камере сепарации наибольшая высота пены с пузырьками среднего размера;
на фиг. 4 - устройство аэрации жидкости с близкой к монодисперсной системой пузырьков в предпоследней камере сепарации с мелкими пузырьками, близкими по размерам;
на фиг. 5 - устройство аэрации жидкости с близкой к монодисперсной системой мелких пузырьков в последней камере сепарации.
Устройство состоит из следующих конструктивных элементов:
1 - трубопровод;
2 - насос;
3 - емкость аэрируемой жидкости (или раствором жидкости с пенообразователями) и емкость, из которой подается жидкость;
4 - расходомер жидкости;
5 - поршень для изменения резонансной камеры;
6 - струеформирующая насадка;
7 - газовая емкость цилиндрической формы (или любой другой формы);
8 - источник колебаний (например, электродинамический громкоговоритель или любой другой источник колебаний и вибрации);
9 - усилитель;
10 - генератор заданной частоты;
11 - камеры для сепарации пузырьков по крупности;
12 - регулируемые патрубки для подвода и отвода газа;
13 - патрубок для тангенциального подвода газа в резонансную газовую емкость.
Устройство аэрации жидкости (акустический струйный аэратор) работает следующим образом.
струи
струи
Через трубопровод 1 посредством насоса 2, далее через струенаправляющую насадку 6 подается жидкость, расход которой определяется расходомером 4. Струя, выходящая из струенаправляющей насадки 6, направляется под углом на поверхность раздела фаз газ-жидкость и эжектирует газ из газовой емкости 7 в емкость аэрируемой жидкости 3. На генераторе 10 задается частота, которая подается на усилитель 9 и затем на источник колебаний 8 (например, на электродинамический громкоговоритель), соединенный с газовой емкостью 7. Производится подбор объема резонансной газовой камеры 7 с помощью поршня для изменения газовой емкости 7 для эжекции необходимого дисперсного состава пузырьков жидкости, который оценивается с помощью камер сепарации 11. При подборе частот на генераторе 10 и объема газовой емкости 7 можно получить практически любую дисперсность исходных пузырьков - монодисперсную или полидисперсную (Фиг. 1-5). Оценка дисперсности в камерах сепарации 11 производится по высоте пенного слоя. Например, при флотационной концентрации пенообразователя ОПСБ (окись пропилена спирт бутиловый) - смесь монобутиловых эфиров пропиленгликоля, равной 16 мг/л, диаметре струи d=0,8 мм, скорости струи V=5 м/с, частоте, задаваемой генератором, 3420 Гц в пенном слое камер сепарации создаются пузырьки: 80% диаметром 0,3 мм; 12% диаметром  от 0,2 до 0,3 мм; 8% диаметром от 0,3 до 0,5 мм. Данные измерения приближенные, так как производились по фотографиям пенного слоя. При низких частотах получаются более крупные пузырьки и полидисперсные. При высоких частотах получаются более мелкие пузырьки одинакового размера. Существенно более высокий пенный слой, получаемый в одной из камер сепарации, показывает, что он образовался за счет близких (одинаковых) по крупности пузырьков. Мелкие пузырьки одного размера значительно меньше коалесцируют и, следовательно, образуют высокий пенный слой обводненной пены.
Камеры сепарации предназначены для оценки дисперсного состава получаемых исходных пузырьков газа/воздуха. Крупные пузырьки попадают в ближайшую камеру сепарации, более мелкие в последующие камеры сепарации.
Для коротковолнового распыла озвученной струи на одинаковые капли, эжектирующие одинаковые пузырьки, применялся вихревой свисток, образованный газовой емкостью 7 и газовым патрубком 13, тангенциально вставленным в газовую емкость. При частотах более 10 кГц образуется туманообразная система пузырьков от 5 до 20 мкм. Оценка размеров пузырьков производилась по времени осветления воды. Осветление воды происходило от нескольких минут до нескольких десятков минут.
Для более равномерного разделения пузырьков по крупности и уменьшения их коалесценции емкость аэрируемой жидкости 3 может быть выполнена в виде цилиндра и разделена соосными с ней цилиндрическими камерами сепарации.
Ввод струи жидкости через поверхность раздела фаз газ-жидкость производится тангенциально в емкость аэрируемой жидкости 3 с цилиндрическими камерами сепарации, разделенными цилиндрическими соосными перегородками. Такой ввод струи приводит к равномерному распределению пузырьков по емкости аэрируемой жидкости 3, меньшей их коалесценции и быстрой их сепарации по камерам сепарации 11.
Регулируемые патрубки 12 предназначены для поддержания точного резонансного объема в резонансной камере 7. Точный объем входящего воздуха (газа) невозможно создать только одним компрессором или другим подобным устройством, поэтому требуется некоторый дополнительный отвод воздуха (газа) из резонансной камеры 7.
Для нужд той или иной флотации минеральных частиц различной крупности и дисперсности можно отбирать из камер сепарации 11 требуемую систему пузырьков.
Таким образом, данное техническое решение решает проблему аэрации при крупнозернистой флотации крупными пузырьками и ультрамелкими пузырьками при флотации нано- и микрочастиц без излишних энергетических затрат  на диспергирование газа (воздуха).