УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ, УДАЛЕНИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ВЫСОКОВЯЗКОЙ СУСПЕНЗИИ
UNIT TO PRODUCE, REMOVE AND TRANSFER HIGH-VISCOSITY SUSPENSION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к установке, пригодной для получения высоковязких суспензий в промышленных процессах, а также для удаления и перемещения этих суспензий после их получения. В частности, изобретение относится к загущению, удалению и перемещению суспензий, которые являются настолько вязкими, что их невозможно удалить из резервуара посредством простого дренирования или даже с использованием стандартных способов откачивания.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение далее будет описано с частной ссылкой на обработку «красного шлама», который представляет собой минеральную суспензию на водной основе, образующуюся в ходе экстракции оксида алюминия из бауксита в процессе Байера. Однако это описание приведено исключительно с целью иллюстрации, и настоящее изобретение можно использовать для загущения, удаления и перемещения суспензий и шламов различного рода, предпочтительно, но не исключительно, суспензий и шламов, содержащих глинистые частицы и обладающих псевдопластическими свойствами, полученных в ходе любого производственного процесса. Следует также отметить, что в ходе последующего описания термин «шлам» будет означать то же самое, что и «суспензия».
В ходе осуществления процесса Байера имеются различные стадии, во время которых красный шлам подают в резервуар и обрабатывают посредством проведения различных процедур, таких как осветление, промывание и загущение шлама. В ходе выполнения этих процедур шлам загущается (то есть отделяется суспензия с большим содержанием твердой фракции) по направлению к дну резервуара с образованием слоя загущенной суспензии под слоем осветленной жидкости, и этот шлам обычно перемещают или «активируют» в пределах слоя с помощью вращающейся гребенки или набора манипуляторов. Такая активация может еще больше увеличивать загущенность шлама в нижней части резервуара, так что на самом дне резервуара может образоваться высоковязкий шлам, который очень трудно удалить из резервуара на непрерывной или периодической основе. В некоторых участках резервуара густой и высоковязкий слой шлама может становиться застойным или неактивным, что делает его еще более вязким и трудно извлекаемым.
Обработка красного шлама таким способом описана, например, в Патенте США 4830507, который был выдан 16 мая 1989 г. Петеру Ф. Багатто (Peter F. Bagatto) и соавт. и передан компании Alcan International Limited, а также в Патенте США 5080803, который был выдан 14 января 1992 г. Петеру Ф. Багатто и соавт. и передан той же компании.
Также было обнаружено, что если в нижней части резервуара формируется высоковязкий слой шлама и этот шлам удаляют из нижней части резервуара или поблизости от этой нижней части с помощью отсасывающего насоса или сходного устройства, то существует тенденция к образованию предпочтительного пути шлама с низкой вязкостью (или разбавленного шлама из верхней части резервуара) внутри высоковязкого слоя шлама, в результате чего шлам с высокой концентрацией твердых веществ не удаляется и застаивается. Этот феномен неофициально называют «крысиными норами» или «образованием пончика», и он нежелателен.
Следствием такой ситуации является то, что несмотря на то, что некоторые резервуары для гравитационного осаждения позволяют получить высоковязкий шлам, образующийся шлам с высокой концентрацией твердых веществ оказывается частично разбавленным из-за образования предпочтительного пути экстракции, так что фактически удаляется более разбавленный шлам. Этот феномен разбавления вызывает нестабильность концентрации и вязкости шлама, удаляемого из такого резервуара, и поэтому создает большие сложности с управлением процессом.
Проблеме удаления высоковязких суспензий или шламов из такого рода резервуаров был специально посвящен Патент США 6340033, который был выдан 22 января 2002 г. Рональду Парадизу (Ronald Paradise) и соавт. и передан компании Аlсаn International Limited. Решение проблемы, описанное в данном патенте, включает в себя использование насоса или крыльчатки для удаления суспензии из резервуара за счет создания большого усилия сдвига и возвращение ее в резервуар в точке, несколько смещенной от точки удаления суспензии. Большое усилие сдвига, приложенное к суспензии, снижает вязкость суспензии (что называют разжижением при сдвиге) и поэтому обеспечивает подачу в резервуар шлама со сниженной вязкостью. Шлам со сниженной вязкостью после повторной подачи в резервуар создает внутри резервуара поток шлама, который захватывает частицы или сгустки суспензии с более высокой вязкостью, которые при этом удаляются из резервуара, рециркулируют, и вязкость их уменьшается. Во время процесса рециркуляции часть суспензии со сниженной вязкостью удаляется и перемещается в другое место, поэтому шлам непрерывно удаляется из системы.
Хотя это решение проблемы удаления суспензии с высокой вязкостью из резервуара является эффективным, оно обладает недостатком, состоящим в том, что удаляемая таким образом суспензия обязательно имеет несколько меньшую вязкость, поэтому необходимо дать ей осесть и отстояться, если необходим материал с большей вязкостью. Во многих случаях желательно получить суспензию с большей вязкостью, поскольку она обладает многими свойствами твердого вещества. А именно, она, по меньшей мере, частично сохраняет форму при выгрузке ее на свалке или в другом месте, и поэтому ее можно укладывать в штабель большей высоты, чем в случае суспензии с низкой вязкостью, которая при выгрузке склонна растекаться и рассеиваться. Суспензию с высокой вязкостью можно также транспортировать на открытой конвейерной ленте, в открытом грузовике и т.п., и всегда существует возможность приложить к ней большое сдвиговое усилие при помощи насоса или крыльчатки, если это желательно, так что ее можно перекачать по трубам в другое место. Кроме того, в Патенте США 6340033 не полностью раскрыта проблема «крысиных нор», которая обсуждалась выше, возникающая в том случае, когда шлам становится очень густым.
В публикации Европейского патента ЕР 0019538 А1, выданного на имя компании Alsthom-Atlantique SA, использован элемент в форме спирали, который способствует удалению суспензии из резервуара. Этот элемент в форме спирали размещают под резервуаром, и он способствует удалению суспензии, выходящей из резервуара через узкое центральное отверстие. Большая часть элемента находится внутри близко расположенной к нему трубы или цилиндра, и лишь дистальный его конец совмещен с центральным отверстием резервуара. Такое устройство, по-видимому, плохо применимо для удаления суспензии с очень высокой вязкостью, поскольку суспензия не будет свободно вытекать из узкого центрального отверстия, выполненного в нижней стенке резервуара.
Соответственно, целесообразно было бы обеспечить оборудование, которое могло бы генерировать, на постоянной основе, высоковязкую суспензию с высокой концентрацией твердых веществ при минимальном внутреннем разбавлении из-за образования предпочтительного пути в слое густой суспензии и без значительных колебаний вязкости суспензии в процессе ее удаления.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В примерах осуществления настоящего изобретения загущенную суспензию с высоким содержанием твердых веществ, полученную из суспензии, подаваемой в резервуар, функционирующий как гравитационный концентратор, удаляют из резервуара с использованием процедуры, в которой часть суспензии с высоким содержанием твердых веществ физически контактирует с удаляющим элементом, постоянно или временно находящимся во внутреннем пространстве резервуара (а именно, в той части резервуара, где первоначально образуется загущенная суспензия с высоким содержанием твердых веществ), и транспортируется этим элементом через выпускное отверстие, предусмотренное для суспензии с высоким содержанием твердых веществ. При этом можно полностью или частично избежать использования гравитационного дренирования через выпускное отверстие и использования отсасывающих насосов, крыльчаток и т.п. для удаления суспензии с высоким содержанием твердых веществ из резервуара: также преодолевается любая тенденция суспензии с высоким содержанием твердых веществ к затвердеванию или образованию пробок в выпускном отверстии.
Термин «физически контактирует» следует понимать так, что одна или несколько частей удаляющего элемента контактирует с частью загущенной суспензии с высоким содержанием твердых веществ во внутреннем пространстве резервуара таким образом, что эта часть суспензии во время работы элемента (то есть вращения или поступательного перемещения) перемещается в резервуаре по направлению к выпускному отверстию и через него без приложения чрезмерного сдвигового усилия к загущенной суспензии.
Некоторые примеры осуществления настоящего изобретения могут обеспечить усовершенствование конструкции гравитационного концентратора, включающей в себя резервуар для суспензии, в котором, по меньшей мере, часть суспензии с высоким содержанием твердых веществ аккумулируется в нижней части резервуара без значительного внутреннего разбавления, и устройство для удаления суспензии с высоким содержанием твердых веществ из резервуара. Устройство для удаления суспензии может содержать удлиненный, способный вращаться, имеющий форму открытой спирали элемент, находящийся в непосредственном и открытом контакте с внутренним пространством резервуара в той части резервуара, где скапливается суспензия с высоким содержанием твердых веществ, по меньшей мере, на большей части его длины, находящейся в резервуаре. Устройство для удаления суспензии также предпочтительно содержит приводной механизм, обеспечивающий вращательное движение и предназначенный для вращения элемента, имеющего форму открытой спирали, по меньшей мере, периодического.
Следующие примеры осуществления настоящего изобретения предусматривают способ получения, на непрерывной основе, суспензии с очень высоким содержанием твердых веществ и удаления этой суспензии с очень высоким содержанием твердых веществ из резервуара. Способ включает в себя введение в резервуар, содержащий суспензию с очень высоким содержанием твердых веществ, удлиненного элемента, имеющего форму открытой спирали, контактирующего с суспензией, по меньшей мере, на очень большом участке его длины, причем этот элемент в форме спирали вводят внутрь резервуара через его стенку вблизи от дна, и функционирование элемента в форме спирали по удалению суспензии из резервуара.
Изобретение можно использовать для минеральных суспензий, в частности для красного шлама, образующегося при экстракции бауксита, и для суспензий любого рода. Некоторые формы осуществления настоящего изобретения можно также без особых трудностей использовать для суспензий или шламов с высоким содержанием песка (то есть частиц, превосходящих характерные частицы суспензий, по меньшей мере, на порядок размера).
Под термином «элемент, имеющий форму открытой спирали» мы понимаем любой удлиненный элемент, имеющий продольную ось, которая предпочтительно является прямой, и состоящий из одной или нескольких деталей, имеющих лопасти, желобки или составные части, образующие спиральный проход для движения суспензии и ее перемещения от одного конца элемента до другого при вращении элемента или обеспечивающие ввинчивание элемента в суспензию с минимальным смещением суспензии при вращении элемента и его внедрении в объем суспензии. Обычно если элемент в форме спирали имеет лопасти, то эти лопасти ориентированы под углом (например, под прямым углом) к направлению движения и расположены на одинаковом расстоянии друг от друга (с одинаковым шагом). Такой элемент называют «открытым», если спиральный проход, то есть пространства между лопастями, желобками или составными частями, открыт к наружной поверхности элемента (к внутреннему пространству резервуара), так что шлам или суспензия могут проникать внутрь этого прохода вдоль всей открытой длины элемента. Элемент открыт, не экранирован, не ограничен и не блокирован никакой другой деталью, по меньшей мере, на большей части длины элемента и, по меньшей мере, с одной стороны (в периферической зоне). Это обеспечивает свободный и неограниченный доступ суспензии к спиральному проходу, образованному элементом, по меньшей мере, вдоль большей части его длины (более 50%), расположенной внутри резервуара, предпочтительно вдоль всей его длины, расположенной внутри резервуара. Суспензия предпочтительно имеет доступ к элементу, имеющему форму открытой спирали, так что по мере удаления суспензии из резервуара к элементу опускается дополнительное количество суспензии, причем исключительно под влиянием эффектов силы тяжести и присасывания, образующегося при удалении суспензии. Этот доступ к элементу не должен содержать каких-либо ограничений или сужений, которые вызывают закупоривание или блокирование потока суспензии при его перемещении к элементу. Поэтому суспензия из внутреннего пространства резервуара не должна проходить через узкие отверстия до достижения ею элемента. Суспензия с высокой вязкостью будет нормально течь под действием силы тяжести в отсутствие ограничивающих поверхностей или предметов, препятствующих направленному вниз потоку.
Предпочтительно, в некоторых формах осуществления изобретения, элемент, имеющий форму открытой спирали, входит в резервуар (который обычно является цилиндрическим) горизонтально по радиусу резервуара через отверстие в боковой стенке резервуара, но это не обязательно. Например, элемент может быть смещен относительно центрального диаметра резервуара, но расположен параллельно ему. Отверстие, через которое элемент входит в резервуар, может быть сделано в боковой стенке или в наклонной части нижней стенки резервуара, и предпочтительно оно обычно имеет горизонтальную ориентацию. Поэтому резервуар не обязательно имеет центральное вертикально ориентированное отверстие или слив, которое обычно имелось в концентраторах такого рода. По существу, элемент, имеющий форму открытой спирали, входит во внутреннее пространство резервуара на уровне слоя суспензии с высоким содержанием твердых веществ и механически извлекает суспензию из резервуара; при этом суспензии не нужно проходить через отверстие ограниченного размера для удаления суспензии или через входной канал стандартного насоса.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Фиг.1 представляет собой график зависимости предела текучести конкретной суспензии от содержания твердых веществ в суспензии, иллюстрирующий различные виды суспензии, которые могут быть получены;
Фиг.2А, Фиг.2В и Фиг.2С являются фотографиями суспензий, удаленных из устройства для осаждения; эти суспензии имеют различные значения предела текучести и различные содержания твердых веществ;
Фиг.3 изображает упрощенное поперечное сечение резервуара для обработки суспензии, оборудованного устройством для удаления суспензии согласно одной из форм осуществления настоящего изобретения;
Фиг.4 является видом в перспективе внутреннего пространства резервуара, сходного с резервуаром, изображенным на Фиг.3, но имеющего элемент в форме спирали для извлечения суспензии, проходящий через нижнюю стенку корпуса резервуара;
Фиг.5 изображает упрощенное поперечное сечение резервуара для обработки суспензии и устройства для удаления суспензии согласно другой форме осуществления настоящего изобретения, и
Фиг.6 изображает вид, сходный с Фиг.5, но демонстрирующий другую стадию работы установки.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для облегчения понимания сущности настоящего изобретения целесообразно вначале описать типы суспензий, для которых может быть использовано настоящее изобретение. Для описания реологических свойств суспензий часто используют график, сходный с графиком, изображенным на Фиг.1. Это график зависимости предела текучести от процентного содержания твердых веществ в определенной суспензии (в данном случае это «красный шлам», полученный в ходе экстракции оксида алюминия из определенной баукситовой руды). Другие красные шламы или другие минеральные суспензии будут иметь другие значения предела текучести при различных содержаниях твердых веществ, но большинство из них будут иметь кривые сходной формы.
Как можно видеть из графика, предел текучести суспензии имеет очень низкое значение только при содержании твердых веществ меньше 40%. У суспензий с более высоким содержанием твердых веществ предел текучести вначале постепенно увеличивается (кривая 1 на чертеже - наклон примерно равен 1 или меньше). Суспензии такого рода называют «разбавленными суспензиями», и примером таких суспензий является шлам, полученный из обычного широкого и плоскодонного концентратора. Изображение таких суспензий приведено на Фиг.2А, и можно видеть, что, если оставить такую суспензию без поддержки на плоской поверхности, суспензия немедленно растекается в лужу. Для суспензий такого рода осадка конуса или коэффициент осадки имеют значения порядка 0.1 или меньше. В этой связи следует отметить, что вязкости суспензий и шламов часто оценивают посредством проведения испытания на осадку конуса, в котором шлам загружают в стандартный цилиндр, имеющий открытое дно и верхнюю часть, расположенную на опорной поверхности. Затем цилиндр поднимают вверх и через определенное время измеряют высоту и ширину оставшегося пятна. Без поддержки суспензия будет в большей или меньшей степени оседать. Более густая или более вязкая суспензия будет оседать меньше, чем менее вязкая суспензия, и поэтому у нее будут больше «высота пятна» или «коэффициент осадки» (отношение высоты конуса и ширины его основания).
Если снова обратиться к Фиг.1, то у суспензий с содержанием твердых веществ, примерно равным 45-52%, кривая поднимается быстрее (кривая 2 на чертеже - наклон варьируется от примерно 10 до 20). Это соответствует суспензиям, которые называют «пастообразными суспензиями», и изображение такой суспензии приведено на Фиг.2В. Такую суспензию получают из глубоких концентраторов, например таких, как описанный в Патенте США 4830507. Коэффициент осадки находится примерно в диапазоне от 0,2 до 0,5, и можно видеть, что у основания конуса происходит заметное растекание.
Наклон кривой на Фиг.1 начинает резко увеличиваться, начиная с содержания твердых веществ, примерно равного 52% (кривая 3 на чертеже - наклон фактически больше 20). Эта область соответствует суспензиям, которые называют «твердыми пастами». Изображение такой суспензии приведено на Фиг.2С; эта суспензия является твердой пастой, удаленной из концентратора согласно настоящему изобретению. Коэффициент осадки этого образца примерно равен 1,25 (любой коэффициент, превышающий примерно 0,5, считается указывающим на твердую пасту).
Разбавленные суспензии не требуют специальных средств для их удаления и легко транспортируются из концентраторов или других резервуаров. Для такой транспортировки достаточно обычного центробежного насоса. Для пастообразных суспензий может потребоваться использование специализированного оборудования и специальных способов, например, таких, которые описаны в Патенте США 6340033. С другой стороны, твердые пасты невозможно удалить из концентратора с помощью всасывающего насоса, и они не вытекают из выпускного отверстия под действием силы тяжести. Настоящее изобретение предназначено для использования как с пастообразными суспензиями, так и с твердыми пастами, но преимущественно - для использования с последними.
Фиг.3 из прилагаемых чертежей изображает в упрощенной форме установку 10, используемую для обработки суспензии красного шлама, которую получают во время осуществления процесса Байера, например, для промывки и загущения красного шлама посредством гравитационного осаждения.
Установка 10 включает в себя резервуар-концентратор 12 в форме открытого сверху бака, имеющего боковую стенку 14 и плоскую нижнюю стенку 16. Боковая стенка 14 имеет сужающийся участок 18 на нижнем конце 20 резервуара. Установка содержит распределительную камеру 22, через которую суспензию загружают в резервуар с минимальным возмущением объема жидкости 24, уже содержащегося в резервуаре. Распределительная камера окружает центральный вертикальный вал 26 гребенчатого устройства 28 (мешалки), который вращается вокруг своей центральной вертикальной оси в направлении стрелки А, изображенной на чертеже. Гребенчатое устройство 28 содержит направленные вверх наклонные кронштейны 30 V-образной формы и вертикальные элементы мешалки 32, поддерживаемые горизонтальным кронштейном 34. По мере оседания твердых частиц суспензии под действием силы тяжести по направлению к дну резервуара вода выжимается из пространств между твердыми частицами с помощью гребенчатого устройства 28 и шлам приобретает большее содержание твердых веществ и большую вязкость, когда он достигает дна резервуара. Вода, вытесняемая из пространств между твердыми частицами, образует осветленную жидкость 33, которая уходит из резервуара через верхний выпускной канал 35.
В области перемешивания 36 вязкость шлама снижается из-за способности этого типа шлама к разжижению при сдвиге, но под краями гребенчатого устройства 28 обычно образуется и увеличивается область 38 или слой загущенного и неперемешиваемого шлама с высоким содержанием твердых веществ и высокой вязкостью (что показано пунктирной линией). Вязкость загущенного шлама может быть экстремально высокой, например он может иметь начальный предел текучести, равный 30 Па и выше, более вероятно - равный 50 Па и выше, обычно - равный 500 Па и выше, в норме - равный 1000 Па и выше или даже равный 3000 Па и выше.
Следует отметить, что термин «начальный предел текучести» в контексте настоящего изобретения означает минимальную силу, приходящуюся на единицу площади, которая необходима для того, чтобы вызвать движение или смещение данной суспензии из состояния покоя. Это количественная характеристика, которая используется в промышленности в качестве показателя вязкости шлама, но она не является истинной мерой самой вязкости. Вязкость псевдопластичного материала изменяется в зависимости от приложенного сдвигового усилия, созданного при перемешивании или турбулентности.
Загущенный красный шлам, полученный в изображенной на чертеже установке, может иметь содержание твердых веществ, превышающее 56 массовых процентов, а обычно превышающее 57 массовых процентов, например 57,9 массовых процентов твердых веществ и более. Красный шлам с такой консистенцией невозможно удалить из резервуара с помощью силы тяжести, например посредством создания обычного выпускного отверстия в центральной точке дна резервуара и предоставления шламу возможности вытекать через него. Также трудно или невозможно удалить шлам такой консистенции при помощи всасывающего насоса или крыльчатки, даже если обратиться к изобретению, описанному в Патенте США №6340033, указанном выше. Шлам такой консистенции является твердой пастой такого типа, который описан выше.
В изображенной на чертеже установке шлам с высоким содержанием твердых веществ и высокой вязкостью, находящийся в неперемешиваемой области 38, удаляется с помощью удлиненного, способного вращаться, имеющего форму открытой спирали элемента 40, проникающего в резервуар снаружи через отверстие 50 в сужающейся области 18 боковой стенки 14 в нижнем конце 20 резервуара. Элемент 40 предпочтительно проникает в бак на расстояние , так что свободный (дистальный) конец 42 элемента 40 располагается непосредственно под валом 26, расположенным в центре резервуара 12. Высоковязкая суспензия проникает между спиральными лопастями 48 элемента 40 и удаляется из резервуара 12 через отверстие 50 (которое, соответственно, функционирует в качестве выпускного отверстия для суспензии) за счет вращения элемента 40 вокруг его продольной оси 44 в направлении стрелки В, как показано на Фиг.3. Элемент, соответственно, физически захватывает порции высоковязкой суспензии во внутреннем пространстве резервуара и удаляет их из резервуара через выпускное отверстие 50 ограниченного размера.
Изображенный на чертеже элемент 40 имеет форму архимедова винта, то есть цельного продольного вала, несущего одну или несколько охватывающих его спиральных лопастей, но он может быть спиральным элементом другой формы, например элементом, у которого отсутствует центральный вал (чего можно добиться посредством скручивания плоской ленты или стержня, имеющего поперечное сечение типа пропеллера) вокруг его продольной оси. Необходимо отметить, что наружная поверхность элемента 40 находится внутри резервуара, и она полностью открыта и находится в непосредственном контакте с внутренним пространством 46 резервуара 12 на уровне области 38, так что витки его спирали или лопасти 48 открыты и находятся в контакте с высоковязким шламом по всей длине , на которую элемент заходит внутрь резервуара. Элемент 40 практически полностью погружен в шлам, предпочтительно он не имеет контакта с шламом меньшей вязкости в перемешиваемой области 36. Пространства между лопастями свободны (то есть они не закрыты, не экранированы и не перекрыты другими деталями установки), и поэтому они открыты во внутреннее пространство резервуара и могут непосредственно заполняться суспензией во всех точках, где имеется контакт с суспензией.
Было обнаружено, что при размещении такого устройства внутри слоя материала суспензии с высокой вязкостью и плотностью (в частности, пастообразной суспензии или твердой пасты) суспензия, окружающая элемент 40, ограничивает суспензию, находящуюся между лопастями 48, что приводит к тому, что суспензия остается в контакте с элементом, и вызывает продольное перемещение материала. Это обеспечивает прохождение материала через отверстие 50 в боковой стенке резервуара при вращении элемента, и предпочтительно материал поступает во внешнюю камеру или трубу (не изображено на Фиг.3), из которой его можно удалить из установки. По мере удаления суспензии дополнительное количество суспензии нагнетается в пространство между лопастями 48 элемента 40 под действием веса и давления окружающей суспензии. Фактически суспензия, замкнутая между лопастями, принуждается к аксиальному движению вращающимся элементом 40, при этом дополнительное количество суспензии проникает в пространство между лопастями, замещая суспензию, удаляемую из резервуара.
Несмотря на то что к материалу суспензии может быть приложено некоторое локальное сдвигающее усилие, когда на него воздействует элемент 40 (например, в тонком слое, где суспензия контактирует с материалом лопастей), это не приводит к значительному или неприемлемому снижению общей вязкости материала суспензии на выходе из резервуара. Не желая быть связанными теорией, тем не менее, можно сказать, что некоторое разжижение при сдвиге может быть полезным, поскольку оно действует как смазка между суспензией и лопастями (что способствует продольному перемещению суспензии, заключенной в пространстве между лопастями, а не вращению ее совместно с элементом). Однако желательно вращать элемент 40 довольно медленно во избежание значительного разжижения суспензии при сдвиге и нежелательной компрессии или дополнительного обезвоживания суспензии. Фактическая частота вращения, являющаяся желательной в каждом конкретном случае, зависит от размера и шага лопастей 48, а также от природы суспензии. Обычно желательно, чтобы элемент 40 вращался со скоростью не более 130 об/мин. Скорость потока суспензии обычно линейно увеличивается с увеличением частоты вращения элемента 40 при условии, что выпускная труба, подсоединенная к отверстию 50, имеет практически такой же диаметр, что и элемент 40.
Хотя элемент 40, изображенный на Фиг.3, имеет постоянный диаметр по всей своей длине, элемент может (при желании) иметь коническую форму с уменьшением диаметра по направлению к свободному концу 42 для обеспечения одинаковой скорости экстракции по всей длине элемента.
Следует также отметить, что по периметру резервуара 12 можно предусмотреть более одной точки экстракции, причем каждая из них будет снабжена своим собственным спиральным элементом 40, для повышения скорости удаления суспензии и минимизации зон, в которых может скапливаться неактивная суспензия. Такие точки экстракции могут быть расположены под углом 90° друг к другу или под другими углами, которые лучше соответствуют конструкции гребенчатого устройства 28, которое проталкивает материал к точкам экстракции. Кроме того, элемент (или несколько элементов) могут быть расположенными не радиально, если это желательно.
Таким образом, в проиллюстрированной форме осуществления изобретения использован элемент в форме спирали, который полностью открыт относительно внутреннего пространства бака (то есть не ограничен), по меньшей мере, на значительной части его длины (например, по меньшей мере, на 20% или, по меньшей мере, на 25% его длины). Более предпочтительно, элемент полностью открыт во внутреннее пространство бака, по меньшей мере, на большей части (50% и более) расстояния  между свободным концом 42 элемента 40 и стенкой резервуара 18, и еще более предпочтительно (по порядку увеличения предпочтительности) - на 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95% и наиболее желательно - на 100% расстояния . Таким образом, в идеале элемент в форме спирали полностью открыт во внутреннее пространство резервуара вдоль всей его длины.
Как уже отмечалось, в форме осуществления, изображенной на Фиг.3, элемент в форме спирали 40 открыт во внутреннее пространство резервуара (а следовательно, открыт для материала суспензии с высокой вязкостью) со всех сторон элемента (то есть все 360 градусов окружности элемента в форме спирали полностью открыты и расположены внутри внутреннего пространства резервуара). Однако, как станет ясно из других форм осуществления изобретения, описанных ниже, необходимым является открытие во внутреннее пространство резервуара хотя бы только одной стороны (например, продольной полосы, предпочтительно расположенной на верхней стороне) окружности элемента в форме спирали, чтобы установка был эффективной, например, посредством размещения элемента внутри открытого сверху прохода прямоугольной формы, проделанного в нижней стенке резервуара. Однако латеральная ширина прохода (открытой верхней части) предпочтительно должна быть достаточно широкой для того, чтобы высоковязкая суспензия могла проникать в этот проход без значительного ограничения или сдерживания и извлекаться элементом в форме спирали. Такая конструкция более подробно изображена на Фиг.4.
Фиг.4 изображает внутреннее пространство резервуара 12, имеющего боковую стенку 14 и нижнюю стенку 16, сходного с изображенным на Фиг.3, за исключением того, что в форме осуществления изобретения, изображенной на Фиг.4, боковая стенка 14 не скошена внутрь относительно нижней стенки 16, которая является плоской и горизонтальной. Как и в предыдущей форме осуществления изобретения, резервуар снабжен гребенчатым устройством 28, состоящим из вертикального вала 26 и кронштейнов мешалки 34 (которые в этой форме осуществления изобретения расположены горизонтально).
Нижняя стенка 16 имеет диаметрально расположенный проход 52, расположенный между противоположными сторонами боковой стенки резервуара. Проход 52 имеет открытую верхнюю сторону и содержит элемент в форме открытой спирали 40, продолжающийся по всей длине прохода 52. В этой форме осуществления изобретения элемент в форме спирали состоит из двух коаксиальных и имеющих одинаковую длину взаимно телескопических, имеющих форму штопора спиральных деталей 53 и 54 различного диаметра. Обе эти детали имеют форму открытой спирали с открытой аксиальной центральной частью (типа штопора). Деталь меньшего диаметра 53 проходит через центральное пространство детали большего диаметра 54 и идет вдоль него, как показано на чертеже. Опора 56 соединена с поворотным устройством (не показано на чертеже), расположенным вне резервуара, которое способно вращать две детали 53 и 54 с одинаковой частотой или с различными частотами вращения в одном и том же направлении или в различных направлениях. Было обнаружено, что такая конструкция и такое расположение особенно эффективно удаляют высоковязкую суспензию из резервуара, поскольку деталь большего диаметра 54 действует как распределительное/гомогенизирующее устройство, которое может создавать разжижение при сдвиге приемлемого уровня и действовать как прерыватель дуг. Эта деталь перемещает суспензию к своему центру и вдоль своей длины. Деталь меньшего диаметра 53 осуществляет удаление суспензии, так что деталь большего диаметра подает суспензию к детали меньшего диаметра. Комбинированный элемент 40 особенно эффективен в том случае, когда детали 53 и 54 вращаются с различными скоростями в одном направлении. В идеале существует фиксированное отношение скоростей вращения двух деталей, так что, если одна деталь ускоряется для повышения скорости экстракции суспензии, другая деталь также настолько же ускоряется. Если детали 53 и 54 вращаются с различными скоростями, то мала вероятность заполнения шнеков суспензией и вращения их как целого вместо продольного перемещения суспензии. Обычно деталь меньшего диаметра вращается со скоростью до примерно 130 об/мин, а деталь большего диаметра вращается со скоростью до примерно 8 об/мин.
Детали 53 и 54 вращаются в таком направлении, что суспензия перемещается влево, где расположено выпускное отверстие для суспензии, как показано на Фиг.4. Таким образом, эти детали вызывают перемещение суспензии через выпускное отверстие и, соответственно, удаление ее из резервуара. В альтернативной форме осуществления изобретения опору 56 можно разместить за пределами резервуара, так что суспензия может перемещаться вправо по каналу 52. Это дает преимущество, состоящее в том, что исключается воздействие полного давления суспензии, находящейся в баке, на прокладки и т.п. в опоре 56.
Как указано выше, прямоугольная верхняя часть 51 прохода 52 является достаточно широкой и достаточно длинной для того, чтобы высоковязкая суспензия опускалась в проход под действием силы тяжести и давления окружающей суспензии. Поэтому отсутствуют сужение прохода или ограничение выпускного отверстия, которые могли бы вызвать закупоривание или образование пробок на входе в проход 51, и фактически проход образует часть внутреннего пространства резервуара, поскольку слой суспензии с высокой вязкостью образуется прямо в проходе. Как можно видеть, в данной форме осуществления изобретения вход 51 в проход шире, чем ширина детали большего диаметра 54. На практике было обнаружено, что ширина прохода 52 и ширина входа 51 должны быть, по меньшей мере, равны диаметру наибольшей части элемента в форме спирали, а предпочтительно - быть, по меньшей мере, в полтора раза больше этого диаметра. Общая площадь входа 51 в проход должна быть, по меньшей мере, равна произведению (1,5 наружного диаметра элемента в форме спирали) на (50% радиуса резервуара вблизи его дна).
В идеале проход 52 имеет вертикальные боковые стенки или стенки, которые имеют крутой уклон (либо внутрь, либо наружу относительно дна резервуара), для предотвращения образования пробок из суспензии, опускающейся в проход. Кроме того, глубина прохода предпочтительно должна быть равна диаметру элемента 40 или ненамного превышать его для предотвращения образования зоны неактивной суспензии под элементом 40.
При размещении элемента в форме спирали 40 в проходе 52, сформированном в нижней стенке 16 резервуара, кронштейны мешалки 34 можно разместить ближе к нижней стенке 16, чем в форме осуществления изобретения, изображенной на Фиг.3, минимизируя таким образом накапливание неактивного шлама над нижней стенкой 16 резервуара и обеспечивая направление его к проходу 52.
В описанных выше формах осуществления настоящего изобретения высоковязкую суспензию удаляют из резервуара за счет вращения элемента в форме спирали 40, который захватывает суспензию из внутреннего пространства резервуара в пространство между лопастями элемента в то время, когда элемент приводят во вращение на месте на непрерывной основе.
В альтернативной форме осуществления настоящего изобретения суспензию удаляют, вначале вводя вращающийся элемент в форме спирали в резервуар (так что он «ввинчивается» в высоковязкую суспензию, не вызывая заметного смещения), а затем физически извлекая спиральный элемент, заполненный суспензией, из резервуара, не допуская его вращения, так что из резервуара en masse (целиком) удаляется пробка или цилиндр, состоящие из высоковязкой суспензии, находящейся между лопастями элемента в форме спирали. Это более подробно проиллюстрировано на Фиг.5 и 6.
На Фиг.5 резервуар 12 сходен с резервуаром, изображенным на Фиг.4, поскольку он имеет сквозной проход 52, расположенный под нижней стенкой 16 резервуара и сообщающийся с ней через входное отверстие 51. Сквозной проход 52 содержит элемент в форме спирали 40, проходящий через всю ширину дна резервуара при полном введении в резервуар. Элемент в форме спирали 40 прикреплен к вращающемуся стержню 60, размещенному внутри камеры для удаляемой суспензии 62. Вращающийся стержень 60 на противоположном конце проходит через торцевую стенку 64 камеры для удаляемой суспензии для периодического вращения вращающегося стержня 60 вокруг его продольной оси, который, в свою очередь, периодически вращает элемент в форме спирали 40 вокруг его продольной оси. Мотор 66 установлен на направляющей 68 и может совершать возвратно-поступательные движения по направляющей при помощи пневматического или гидравлического цилиндра или при помощи механического или электрического привода (не изображены на чертеже).
Когда элемент в форме спирали 40 находится в положении, изображенном на Фиг.5 (уже «ввинчен» в шлам), вращение элемента в форме спирали прекращается и срабатывает цилиндр 70, который выдвигает мотор 66 обратно по направляющей 68, так что стержень 60 и элемент в форме спирали 40 перемещаются вправо, как показано на чертеже. На Фиг.6 изображена та же установка с элементом в форме спирали 40, смещенным в крайнее правое положение, в котором он полностью находится внутри камеры 62. После того как элемент приходит в это положение, начинается вращение стержня 60 и элемента в форме спирали 40, и цилиндр 70 перемещает мотор 66 вперед со скоростью, достаточной для того, чтобы элемент в форме спирали 40 «ввинчивался» в суспензию с высокой вязкостью, находящуюся внутри прохода 52. В идеале скорость вращения элемента 40 и скорость его поступательного движения при внедрении подбирают так, чтобы минимизировать возмущение суспензии в резервуаре и прикладываемое к ней сдвигающее усилие. Элемент в форме спирали 40 на свободном конце имеет открытое острие, которое обеспечивает возможность внедрения элемента в высоковязкую суспензию, содержащуюся в резервуаре, наподобие сверла или штопора. Суспензия, которая уже находится в пространстве между лопастями элемента после предыдущего рабочего цикла, остается в камере 62, тогда как элемент «ввинчивается» в свежую суспензию, находящуюся в основной части резервуара. После достижения положения, показанного на Фиг.5, вращение прекращается, как описано выше, и цикл повторяется. Движение элемента в форме спирали вправо, как показано на Фиг.5, приводит к перемещению пробки или цилиндра, состоящих из суспензии и связанных с элементом в форме спирали 40, в камеру 62, а материал суспензии, уже находящийся в камере после предыдущего рабочего цикла, выталкивается из камеры через выпускной канал 72 в направлении стрелки С. В идеале между элементом 40 и соседними стенками камеры 62 должно быть очень мало свободного пространства, чтобы элемент действовал как поршень, перемещающий суспензию из камеры.
Следует указать, что устройство, изображенное на Фиг.5 и 6, предусматривает вытягивание неподвижного спирального элемента 40 из резервуара после его внедрения во время вращения. Однако в настоящем изобретении может быть использовано и проталкивание. Это значит, что элемент 40 может приводиться в движение со стороны, являющейся левой на Фиг.5 и 6, и проталкиваться в камеру 62 до тех пор, пока он не займет крайнее правое положение. В этом случае элемент вращается, когда его вытягивают из камеры в резервуар.
Для формы осуществления настоящего изобретения, изображенной на Фиг.5 и 6, было обнаружено, что энергия, необходимая для внедрения элемента в форме спирали 40 в проход 52, заполненный высоковязкой суспензией, относительно мала из-за винтообразного движения элемента, которое вызывает малое смещение суспензии. Это обеспечивает преимущество, состоящее в возникновении минимального нарушения внутренней структуры суспензии. Затем при вытягивании элемента в форме спирали из резервуара без вращения, но за счет силы, развиваемой цилиндром 70, суспензия сохраняет свою ненарушенную внутреннюю сетчатую структуру, а значит, и свое исходное значение вязкости. При многократном повторении этого цикла высоковязкая суспензия выталкивается в трубу 72, и ее можно переместить в другой резервуар, в транспортное средство или непосредственно на свалку.
В нормальных условиях установка может совершать до 30 полных рабочих ходов в минуту, но это значение, конечно же, можно изменять в соответствии с размером и типом оборудования, типом суспензии и т.п.
Предполагается, что элемент в форме открытой спирали 40 согласно настоящему изобретению, в частности элемент согласно формам осуществления, изображенным на Фиг.5 и 6, должен быть винтообразным устройством, которое может «ввинчиваться» в слой материала, вызывая минимальное разрушение материала. Существует несколько конструкций элемента в форме спирали, которые могут обеспечивать это, включая даже многокомпонентные элементы, как показано, например, на Фиг.4.
Установка согласно настоящему изобретению может перемещать высоковязкую суспензию на расстояние от резервуара, равное 100 метрам и более, в частности в формах осуществления изобретения, изображенных на Фиг.5 и 6.
Как уже указывалось, установка на Фиг.5 и 6 изображена в упрощенном виде; в реальности она может быть гораздо более сложной, что должно быть очевидным специалисту в данной области техники. Например, может быть желательным избежать использования корпуса мотора 66 для передачи усилия от цилиндра 70 к стержню 60. Вместо этого цилиндр 70 можно соединить непосредственно со стержнем 60 и использовать зубчатую передачу для того, чтобы мотор вращал стержень.
Во всех описанных выше формах осуществления изобретения элемент в форме спирали движется горизонтально. Это типично, но не обязательно. Например, в форме осуществления изобретения, изображенной на Фиг.3, элемент в форме спирали 40 может быть расположен таким образом, чтобы он входил в резервуар 12 параллельно скошенной части боковой стенки 14, особенно в том случае, если он остается погруженным в шлам с высоким содержанием твердых веществ. Также возможно, но в настоящее время не является предпочтительным, такое расположение элемента в форме спирали, чтобы он входил в резервуар вертикально снизу через отверстие в нижней стенке при условии, что элемент не будет пронизывать весь слой высоковязкой суспензии.
Установка согласно настоящему изобретению обычно, но не обязательно, используется с резервуарами, диаметр которых равен 8 метрам и более (в идеале 12 метрам и более), и максимальное расстояние, на которое элемент в форме спирали входит в резервуар, обычно составляет не менее примерно одной трети диаметра резервуара, более предпочтительно оно равно половине диаметра резервуара или даже всему диаметру резервуара (как показано на Фиг.3).
Хотя обычно бывает желательно, чтобы во время работы установки как можно меньше изменялась вязкость суспензии, удаляемой из резервуара, шаг элемента в форме спирали (то есть число лопастей на единицу длины) и скорость его вращения альтернативно могут быть выбраны такими, чтобы вязкость и скорость доставки суспензии, выходящей из установки, изменялись. Мотор, используемый для вращения элемента в форме спирали, в частности в форме изобретения, изображенной на Фиг.3 и 4, может быть мотором с переменной скоростью вращения, так что скорость вращения может быть задана оператором или компьютером на рабочем месте так, чтобы на выходе была получена суспензия с желаемой вязкостью.
Настоящее изобретение можно использовать для суспензий, имеющих значения начального предела текучести не менее 30 Па (более предпочтительно не менее 50 Па) и до нескольких тысяч Па. Хотя суспензии, для которых используется настоящее изобретение, обычно бывают разжижающимися при сдвиге, это не обязательно. Например, шламы с высоким содержанием песка могут не обладать свойствами разжижения при сдвиге, но их также можно использовать в соответствии с настоящим изобретением. Можно также использовать суспензии или пасты из многих промышленных процессов, в которых исходный материал измельчают до частиц малого размера перед экстракцией или выделением желаемого материала, например хвосты, образующиеся в процессе экстракции золота, меди, цинка и свинца.
Настоящее изобретение будет описано более подробно с обращением к приведенным ниже примерам, которые не следует рассматривать как ограничивающие объем изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Сравнительный пример 1
Было проведено испытание в глубоком концентраторе (12 метров в диаметре) такого типа, который описан в Патенте США 4830507, модифицированном посредством включения элемента в форме спирали для удаления суспензии, изображенного на Фиг.5 и 6 из прилагаемых к данному описанию графических материалов. Концентратор был также оборудован стандартным центробежным насосом с системой рециркуляции нижнего слива, как описано в Патенте США 6340033.
3
В концентратор загружали суспензию, образующуюся после обработки бауксита (красный шлам), с объемной скоростью, равной 500-550 м/час. Содержание твердых веществ в суспензии составляло 100-150 г/л (в пересчете на сухое вещество) при общей скорости подачи, равной 55-60 т/ч.
Суспензию удаляли из резервуара при помощи центробежного насоса с рециркуляцией. Результаты суммированы в строке 1 Таблицы 1, приведенной ниже.
Таблица 1
Характеристики шлама из нижнего слива промышленного концентратора
№ строки
Место получения образца
Концентрация твердых веществ (%)
Начальный предел текучести (Па)
Комментарии
1
Выход центробежного насоса (с рециркуляцией)
49.8
65
Густой шлам, требующий рециркуляции для удаления
2
Выход червячного устройства
50.0
270
Густой шлам, требующий рециркуляции для удаления
3
Выход червячного устройства
51.1
475
Густой шлам, требующий рециркуляции для удаления
4
Выход червячного устройства
56.1
2900
Шлам слишком густой для рециркуляции
5
Выход червячного устройства
56.6
4300
Шлам слишком густой для рециркуляции
Пример 1
Испытание было проведено в экспериментальном глубоком концентраторе (0,6 метров в диаметре при 1,5 м высоты), модифицированном посредством включения элемента в форме спирали для удаления суспензии, как показано на Фиг.4.
В концентратор при помощи насоса загружали суспензию, образующуюся после обработки бауксита (красный шлам), с объемной скоростью, равной 1 л/мин. Содержание твердых веществ в суспензии составляло 100 г/л (в пересчете на сухое вещество) при общей скорости подачи, равной 6 кг/ч.
Суспензию удаляли из резервуара с помощью элемента в форме спирали для удаления суспензии. Концентрация твердых веществ в нижнем потоке была постоянной и равной 52,2% при осадке конуса, равной 0,5.
Пример 2
Была повторена процедура из сравнительного примера за исключением того, что суспензию удаляли при помощи элемента в форме спирали. Результаты суммированы в строке 2 Таблицы 1. Можно видеть, что в суспензии сохранялась та же концентрация твердых веществ, но предел текучести был гораздо более высоким (270 Па).
Процедура была повторена еще раз с использованием суспензии с большим содержанием твердых веществ (51,1%), и измеренный предел текучести был значительно выше (475 Па). Результаты суммированы в строке 3 Таблицы 1.
Суспензии, полученные в обоих случаях, являются примерами пастообразных суспензий (предел текучести меньше 500 Па), которые можно удалять и при помощи рециркуляционного насоса. Разница состоит в том, что предел текучести шлама на выходе из «винтового насоса» (то есть насоса согласно настоящему изобретению) почти в четыре раза выше предела текучести «эквивалентного» шлама на выходе из стандартного центробежного насоса.
Пример 3
Процедура из сравнительного примера 1 была повторена с использованием суспензий с еще более высоким содержанием твердых веществ (56,1 и 56,6%), и были получены суспензии с экстремально высоким пределом текучести (2900 и 4300 Па). Результаты суммированы в строках 4 и 5 Таблицы 1. Эти суспензии являются примерами твердых паст, и их невозможно извлечь из концентратора другими способами, кроме элемента в форме спирали.