Результат интеллектуальной деятельности: ДИСПЕРГИРУЮЩАЯ ФОРСУНКА, ОСНАЩЕННАЯ ЕЮ ФЛОТАЦИОННАЯ УСТАНОВКА, А ТАКЖЕ СПОСОБ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Изобретение относится к диспергирующей форсунке для диспергирования жидкости, в частности суспензии, также содержащей по меньшей мере один газ, включающей газоподводящее сопло и трубообразное смесительное устройство, которое имеет входной участок для по меньшей мере одного газа и жидкости, и выходной участок для газо-жидкостной смеси, образованной из по меньшей мере одного газа и жидкости, а также к способу эксплуатации диспергирующей форсунки.

Кроме того, изобретение относится к флотационной установке, оснащенной по меньшей мере одной диспергирующей форсункой такого типа, способу эксплуатации флотационной установки, а также ее применению.

Диспергирующие форсунки указанного вначале типа уже применяются во флотационных установках, смотри патентные документы DE 3211906 С2, или также СА 2462740 А1.

Патентный документ GB 355211 раскрывает флотационный способ, в котором применяется диспергирующая форсунка, в которую вводится воздух, причем суспензия засасывается в диспергирующую форсунку.

Флотация представляет собой способ физического разделения для разделения масс мелкозернистых твердых материалов, например, таких как руды и жильная порода, в водной взвеси, или, соответственно, суспензии, с помощью воздушных пузырьков, на основе различной смачиваемости поверхностей содержащихся в суспензии частиц. Она используется для обогащения полезных ископаемых и при переработке преимущественно минеральных материалов с низким до умеренного содержанием полезного компонента и, соответственно, ценного вещества, например, в форме цветных металлов, железа, редкоземельных металлов и/или драгоценных металлов, а также неметаллических полезных ископаемых.

Флотационные установки уже являются общеизвестными. Патентный документ WO 2006/069995 А1 описывает флотационную установку с корпусом, который включает флотационную камеру, по меньшей мере с одной диспергирующей форсункой, здесь названной эжектором, кроме того, по меньшей мере с одним барботирующим устройством, при использовании воздуха называемым аэрационными установками или аэраторами, а также сборный резервуар для образующегося при флотации пенообразного продукта.

При флотации и, соответственно, пневматической флотации, как правило, суспензия, главным образом из воды и мелкозернистого твердого материала с добавленными в нее реагентами, подается во флотационную камеру. Реагенты должны действовать так, чтобы сделать гидрофобными особо ценные, предпочтительно отделяемые частицы в суспензии. Одновременно с суспензией по меньшей мере в одну диспергирующую форсунку подводится газ, в частности, воздух или азот, который приходит в контакт с гидрофобными частицами в суспензии. С помощью барботирующего устройства в суспензию вводится еще один газ. Гидрофобные частицы прилипают к образующимся газовым пузырькам таким образом, что структура из газовых пузырьков, также называемая аэрокоагулятом, всплывают и образуют на поверхности суспензии пенообразный продукт. Пенообразный продукт выводится в сборный резервуар и обычно подвергается дополнительному концентрированию.

Было показано, что качество пенообразного продукта или, соответственно, результат разделения во флотационном способе или при пневматической флотации, зависит, помимо всего прочего, от вероятности столкновения между гидрофобной частицей и газовым пузырьком. Чем выше вероятность столкновения, тем большее число гидрофобных частиц, которые прилипают к газовому пузырьку, поднимаются к поверхности и вместе с частицами образуют пенообразный продукт. При этом, наряду с прочим, на вероятность столкновения влияет диспергирование суспензии и газа в диспергирующей форсунке.

Диспергирующие форсунки применяются в технологии флотационных установок не только для того, чтобы вводить во флотационную камеру газ и суспензию в виде смеси. Они также используются, чтобы не содержащие или имеющие очень низкое содержание твердого вещества жидкости диспергировать с газом, и нагнетать смесь в находящуюся во флотационной камере жидкость или суспензию.

Существует непреходящая потребность в наличии по возможности малоизнашиваемых устройств для аэрации жидкостей, в частности, суспензий, с помощью которых могут создаваться особенно мелкие газовые пузырьки.

Во-первых, задача изобретения состоит в создании усовершенствованной диспергирующей форсунки, чтобы повысить содержание газовых пузырьков в жидкости, а также в разработке способа эксплуатации такой диспергирующей форсунки.

Кроме того, задача изобретения заключается в разработке флотационной установки с более высоким выходом продукта и создании способа ее эксплуатации.

Задача решена, во-первых, с помощью диспергирующей форсунки для диспергирования жидкости, в частности суспензии, также содержащей по меньшей мере один газ, включающей газоподводящее сопло и трубообразное смесительное устройство, которое имеет входной участок для по меньшей мере одного газа и жидкости и выходной участок для газо-жидкостной смеси, образованной из по меньшей мере одного газа и жидкости, причем смесительное устройство присоединено к газоподводящему соплу, причем газоподводящее сопло сужается по направлению к смесительному устройству и открывается в его входной участок, причем смесительное устройство на входном участке имеет по меньшей мере одно всасывающее отверстие для жидкости, причем соотношение диаметра D_G газовыпускного отверстия газоподводящего сопла и внутреннего диаметра D_M смесительного устройства на входном участке варьирует в диапазоне от 1:3 до 1:5, и причем газоподводящее сопло оснащено по меньшей мере одним газорегулировочным клапаном для дозирования количества газа подводимого в жидкость по меньшей мере одного газа.

Соответствующая изобретению диспергирующая форсунка обеспечивает возможность интенсивного введения газа в жидкость, в частности в суспензию, причем могут быть созданы особенно мелкие газовые пузырьки с диаметрами <1 мм при незначительном износе. В частности, возможна аэрация уже находящейся в резервуаре или тому подобном жидкости или, соответственно, суспензии. При этом жидкость, в частности суспензия, засасывается через всасывающее(-щие) отверстие(-тия) внутрь смесительного устройства. Здесь можно целесообразным образом отказаться от насосов, которые под давлением подают жидкость, в частности суспензию, в смесительное устройство.

Интенсивное перемешивание газа и жидкости внутри смесительного устройства соответствующей изобретению диспергирующей форсунки сравнимо с перемешиванием в общеупотребительной диспергирующей форсунке, через которую, однако, вводится как газ, так и жидкость. Соответствующая изобретению диспергирующая форсунка позволяет повысить содержание газа без одновременного увеличения доли аэрируемой жидкости. Тем самым соответствующая изобретению диспергирующая форсунка в особенности пригодна для того, чтобы достигнуть повышения вероятности столкновений между газовыми пузырьками и гидрофобными частицами во флотационной установке.

В случае диспергирования газа в суспензии, благодаря конструкции соответствующей изобретению диспергирующей форсунки, по сравнению с традиционными диспергирующими форсунками, через которые во флотационную установку под высоким давлением одновременно подаются суспензия и газ, явственно сокращается износ, в частности, в области места введения суспензии. От необходимых до сих пор предрасположенных к износу насосов, которыми во флотационную установку под высоким давлением одновременно подавались суспензия и газ, при соответствующей изобретению диспергирующей форсунке можно полностью отказаться.

Согласно изобретению, соотношение диаметра D_G газовыпускного отверстия газоподводящего сопла и внутреннего диаметра D_M смесительного устройства на входном участке смесительного устройства составляет величину в диапазоне от 1:3 до 1:5, в частности в диапазоне от 1:3 до 1:3,5.

Вследствие происходящего в результате этого сильного расширения газа в смесительном устройстве достигается особенно интенсивное перемешивание газа с жидкостью, в частности с суспензией.

Газоподводящее сопло оснащено по меньшей мере одним газорегулировочным клапаном для дозирования количества газа подводимого в жидкость по меньшей мере одного газа, чтобы можно было регулировать соотношение газа и жидкости в смесительном устройстве и скорость газа на участке газовыпускного отверстия.

Является предпочтительным, когда смесительное устройство, начиная от газоподводящего сопла, последовательно подразделено на смесительную камеру, которая включает входной участок, смесительную насадку и, кроме того, диффузор, диаметр раструба в котором, начиная от смесительной насадки, расширяется, и который включает выходной участок. Смесительная камера здесь имеет по меньшей мере одно всасывающее отверстие для жидкости, в частности суспензии.

В альтернативном варианте, смесительное устройство, начиная с газоподводящего сопла, последовательно подразделяется на смесительную насадку, которая включает входной участок, и далее диффузор, диаметр раструба которого, начиная от смесительной насадки, расширяется, и который включает выходной участок. Смесительная насадка здесь имеет по меньшей мере одно всасывающее отверстие для жидкости, в частности суспензии.

Механическое соединение между газоподводящим соплом и смесительной камерой или, соответственно, смесительной насадкой, предпочтительно выполняется с помощью по меньшей мере одного соединительного элемента, который размещен снаружи и, соответственно, по окружности газоподводящего сопла и смесительного устройства.

Внутренний диаметр смесительной насадки для обоих вариантов исполнения выполнен либо непрерывно одинаково большим, либо сужающимся по направлению к диффузору.

Диффузор в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения выполнен изогнутым. Это является благоприятным в отношении занимаемой диспергирующей форсункой площади и ведет к созданию вихревого течения образующейся газо-жидкостной смеси, чем обеспечивается дополнительное улучшение диспергирования газа и жидкости.

Соотношение диаметра D_MR входного отверстия смесительной насадки в смесительной насадке и длины L_MR смесительной насадки предпочтительно составляет величину в диапазоне от 1:3 до 1:8, в частности в диапазоне от 1:4 до 1:6.

В одном предпочтительном варианте исполнения диспергирующей форсунки имеется только одно всасывающее отверстие на входном участке смесительного устройства.

В одном альтернативном варианте исполнения входной участок смесительного устройства имеет по меньшей мере количество N≥2, в частности N≥8, всасывающих отверстий, через которые жидкость, в частности суспензия, может быть втянута внутрь смесительного устройства. Это позволяет обеспечить более однородное и быстрое перемешивание жидкости с газом, вытекающим из газоподводящего сопла.

При этом всасывающие отверстия предпочтительно выполнены с круглым, прямоугольным или щелевидным контуром. Диаметр просвета круглых всасывающих отверстий предпочтительно сделан в зависимости от толщины стенки смесительного устройства на входном участке. Предпочтительно выбирается диаметр просвета, больший или равный толщине стенки.

Всасывающее(-щие) отверстие(-тия) предпочтительно расположено(-ны) перпендикулярно продольной центральной оси диспергирующей форсунки, но, в альтернативном варианте, также возможно размещение под углом к продольной центральной оси. Этим обеспечивается особенно интенсивное перемешивание жидкости, в частности суспензии, и вводимого газа, причем образуются особенно мелкие пузырьки.

Многочисленные всасывающие отверстия предпочтительно размещены центрированно на одинаковом расстоянии друг от друга по меньшей мере в один ряд по окружности вокруг продольной центральной оси диспергирующей форсунки, чтобы достигнуть по возможности равномерного со всех сторон поступления жидкости в газ.

Сужающееся по направлению к смесительному устройству газоподводящее сопло предпочтительно имеет внутреннюю стенку, которая ориентирована под углом α в диапазоне от 3° до 15°, в частности под углом α в диапазоне от 4° до 6°, к продольной центральной оси диспергирующей форсунки. Тем самым повышается скорость газа и давление газа в области газовыпускного отверстия.

Соответствующая изобретению диспергирующая форсунка предпочтительно используется для аэрации жидкостей, таких как вода, сточные воды, технологические воды и т.д. В частности, соответствующая изобретению диспергирующая форсунка предназначена для аэрации жидкостей в форме суспензий в процессах флотации.

Кроме того, задача решена с помощью способа эксплуатации соответствующей изобретению диспергирующей форсунки, в котором через газоподводящее сопло в смесительное устройство вводится по меньшей мере один газ, причем по меньшей мере через одно всасывающее отверстие внутрь смесительного устройства засасывается жидкость, в частности суспензия, причем в смесительном устройстве образуется газо-жидкостная смесь, и подача газа через газоподводящее сопло производится таким образом, что по меньшей мере один газ на газовыпускном отверстии газоподводящего сопла имеет плотность пульсирующего потока в диапазоне от 5·10³ до 5·10⁴ кг/(м·с²).

Благодаря этому достигается особенно интенсивное и однородное диспергирование газа и жидкости, причем преимущественно обеспечивается предпочтительный диаметр пузырьков <1 мм диспергированного газа.

В особенности предпочтительно плотность пульсирующего потока составляет величину в диапазоне от 1·10⁴ до 5·10⁴ кг/(м·с²), но, в частности, в диапазоне от 3·10⁴ до 5·10⁴ кг/(м·с²).

Для способа хорошо зарекомендовало себя, если смесительное устройство включает смесительную насадку, что скорость сдвига в газо-жидкостной смеси на выходном отверстии смесительной насадки составляет величину в диапазоне от 500 до 5000 1/с, в частности от 1000 до 1500 1/с. Чем выше скорость сдвига, тем более мелкими получаются газовые пузырьки в газо-жидкостной смеси. Тем самым еще больше улучшается диспергирование газа и жидкости.

Задача в отношении флотационной установки решена тем, что она включает по меньшей мере одну соответствующую изобретению диспергирующую форсунку. Применение одной или нескольких соответствующих изобретению диспергирующих форсунок во флотационной установке обеспечивает возможность интенсивного примешивания газа в уже присутствующую во флотационной установке жидкость, в частности суспензию, без необходимости введения во флотационную установку дополнительной жидкости через диспергирующую(-щие) форсунку(-ки). Благодаря этому может быть значительно повышено содержание газа в жидкости, в частности суспензии. Возрастает вероятность столкновения между газовым пузырьком и выделяемой из суспензии частицей, и повышается выход.

В одном предпочтительном варианте исполнения флотационная установка включает корпус с флотационной камерой, в которую открывается по меньшей мере одна диспергирующая форсунка.

При этом смесительное устройство, включающее по меньшей мере одно всасывающее отверстие, размещено, в частности, во флотационной камере таким образом, что смесительное устройство омывается жидкостью, в частности суспензией, и жидкость без проблем может поступать внутрь смесительного устройства через всасывающее(-щие) отверстие(-тия). Происходит насыщение газом содержащейся во флотационной камере жидкости, без нужды в ее пополнении или разбавлении.

В альтернативном варианте, смесительное устройство также может быть размещено снаружи флотационной камеры, причем, правда, жидкость должна подводиться к всасывающему(-щим) отверстию(-ям), например, через дополнительный трубопровод или тому подобный. При этом жидкость может подаваться к всасывающим отверстиям в форме воды, технологической воды, суспензии и т.д., в частности суспензии, из флотационной камеры. В случае диспергирования воды или технологической воды с газом, и нагнетания во флотационную камеру флотационной установки, содержащей суспензию, суспензия, разумеется, разбавляется дополнительной водой или технологической водой. В случае диспергирования дополнительной суспензии газом и нагнетания во флотационную камеру флотационной установки, содержащей суспензию, разумеется, суспензия пополняется дополнительной суспензией. Тем самым в этом случае сокращается достижимое число газовых пузырьков в расчете на единицу объема жидкости.

Задача решена для способа эксплуатации соответствующей изобретению флотационной установки, в котором флотационная камера заполняется жидкостью, в частности суспензией, таким образом, что по меньшей мере одно всасывающее отверстие по меньшей мере одной диспергирующей форсунки находится ниже поверхности, образованной жидкостью, в частности суспензией.

По меньшей мере одна присутствующая соответствующая изобретению диспергирующая форсунка предпочтительно действует согласно вышеописанному соответствующему изобретению способу эксплуатации диспергирующей форсунки.

В частности, флотационная камера заполняется суспензией с содержанием твердых веществ в диапазоне от 30 до 60%. Подобные уровни содержания твердых веществ в суспензиях являются обычными, в частности, при флотации содержащих руду минералов.

Таким образом, применение соответствующей изобретению флотационной установки для отделения руды от жильной породы показало себя эффективным. Но флотационная установка может быть также использована по-другому, например, при флотации сточных вод, суспензий, включающих иные компоненты, нежели содержащие руду минералы, например, угленосной горной породы и т.д.

Фигуры 1-5 должны в порядке примера разъяснить соответствующие изобретению диспергирующие форсунки и их применение, а также их размещение во флотационных установках. Как показано:

ФИГ. 1 представляет первую диспергирующую форсунку в продольном разрезе;

ФИГ. 2 представляет увеличенный участок первой диспергирующей форсунки в области газоподводящего сопла;

ФИГ. 3 представляет принцип действия диспергирующей форсунки с изогнутым диффузором;

ФИГ. 4 представляет вторую диспергирующую форсунку с изогнутым диффузором в виде сбоку; и

ФИГ. 5 представляет флотационную установку в частичном продольном разрезе с одной диспергирующей форсункой.

ФИГ. 1 показывает в продольном разрезе первую диспергирующую форсунку 1 для диспергирования жидкости 6, в частности суспензии 6′, также содержащей по меньшей мере один газ 7. Первая диспергирующая форсунка 1 включает газоподводящее сопло 2 с газовыпускным отверстием 2а и трубообразным смесительным устройством 3, которое имеет входной участок по меньшей мере для одного газа 7 и жидкости 6 или, соответственно, суспензии 6′, и выходной участок 1а для газо-жидкостной смеси 8, образованной из по меньшей мере одного газа 7 и жидкости 6 или, соответственно, суспензии 6′. Перед газоподводящим соплом 2 размещен по меньшей мере один, здесь для наглядности не изображенный газорегулировочный клапан, для дозирования количества газа подводимого в жидкость 6 газа 7. Смесительное устройство 3 присоединено к газоподводящему соплу 2. Газоподводящее сопло 2 сужается по направлению к смесительному устройству 3 и открывается в его входной участок. Кроме того, смесительное устройство 3 на входном участке имеет многочисленные всасывающие отверстия 4 для жидкости 6 или, соответственно, суспензии 6′. Всасывающие отверстия 4 здесь размещены перпендикулярно продольной центральной оси 9 первой диспергирующей форсунки 1. В этом варианте исполнения смесительное устройство 3, начиная от газоподводящего сопла 2, последовательно подразделено на смесительную камеру 3а, которая включает входной участок, смесительную насадку 3b с выходным отверстием 5 смесительной насадки, и, кроме того, диффузор 3с, диаметр раструба которого расширяется, начиная от смесительной насадки 3b, и который включает выходной участок 1а. Но смесительная камера 3а и смесительная насадка 3b в равной мере могут быть выполнены в виде единой цельной детали. В альтернативном варианте, в виде единой цельной детали также могут быть выполнены смесительная насадка 3b и диффузор 3с, но также смесительная камера 3а, смесительная насадка 3b и диффузор 3с.

ФИГ. 2 показывает увеличенный участок первой диспергирующей форсунки 1 согласно ФИГ. 1, в области газоподводящего сопла 2. Одинаковые с ФИГ. 1 кодовые номера позиций обозначают такие же элементы. Газоподводящее сопло 2 здесь имеет внутреннюю стенку, которая ориентирована под углом α 4° к продольной центральной оси 9. Соотношение диаметра D_G газовыпускного отверстия 2а газоподводящего сопла 2 и внутреннего диаметра D_M смесительного устройства 3 на входном участке, здесь одновременно внутреннего диаметра смесительной камеры 3а, здесь варьирует от около 1:3 до 1:5.

Соотношение диаметра D_MR входного отверстия смесительной насадки в смесительной насадке 3b и длины L_MR смесительной насадки 3b здесь составляет около 1:5.

ФИГ. 3 показывает принцип действия диспергирующей форсунки со смесительным устройством 3, имеющим изогнутый диффузор 3с. Одинаковые с ФИГ. 1 кодовые номера позиций обозначают те же элементы. Изогнутый диффузор 3с сокращает габариты диспергирующей форсунки и позволяет использовать ее даже в стесненных условиях недостатка пространства. Образованной газо-жидкостной смеси 8 придается вихревое движение, которое ведет к дополнительному улучшению диспергирования газа 7 и жидкости 6, соответственно, суспензии 6′.

ФИГ. 4 показывает вторую диспергирующую форсунку 1′ с изогнутым диффузором 3с, в виде сбоку. Одинаковые с ФИГ. 1 и 3 кодовые номера позиций обозначают такие же элементы.

ФИГ. 5 показывает флотационную установку 100 с известной в принципе конструкцией в частичном продольном разрезе, причем правая половина показана в разрезе. Флотационная установка 100 включает корпус 101 с флотационной камерой 102, в которую открывается по меньшей мере одна обычная диспергирующая форсунка 10 для подведения газа 7 и суспензии 6′ во флотационную камеру 102. Встраивание традиционной диспергирующей форсунки 10 выполнено обычным образом так, что продольная ось диспергирующей(-щих) форсунки(-нок) 10 ориентирована горизонтально. Корпус 101 имеет цилиндрический участок 101а корпуса, на нижнем конце которого необязательно размещено аэрационное устройство 103.

Внутри флотационной камеры 102 находится пеносборный желоб 104 с полками 105 для выведения образующегося пенообразного продукта. Верхний край наружной стенки корпуса 101 находится выше верхнего края пеносборного желоба 104, благодаря чему исключается переливание пенообразного продукта через верхний край корпуса 101. Кроме того, корпус 101 имеет донное выпускное отверстие 106. Частицы суспензии 6′, поверхность которых, например, гидрофобизирована в недостаточной степени, или которые не столкнулись с газовым пузырьком, а также гидрофильные частицы, опускаются по направлению к донному выпускному отверстию 106 и выводятся наружу. Пенообразный продукт из флотационной камеры 102 поступает в пеносборный желоб 104 и по полкам 105 выводится и при необходимости концентрируется.

Встраивание соответствующей изобретению диспергирующей форсунки 1, 1′, через которую здесь во флотационную камеру вводится только газ 7, который диспергируется в уже находящейся во флотационной камере 102 суспензии 6′, выполняется здесь предпочтительно таким образом, что продольная центральная ось 9 диспергирующей форсунки 1, 1′ ориентирована горизонтально. Но возможно также размещение соответствующей изобретению диспергирующей форсунки 1, 1′ во флотационной установке 100 под наклоном продольной центральной оси 9 относительно горизонтали.

С помощью необязательного аэрационного устройства 103, которое присоединено к газопроводу 103а, в цилиндрический участок 101а корпуса необязательно вдувается дополнительный газ 7, чтобы связывать им и поднимать дополнительные гидрофобные частицы. В идеальном случае прежде всего гидрофильные частицы опускаются дальше и выпускаются наружу через донное выпускное отверстие 106.

Встраиванием по меньшей мере одной соответствующей изобретению диспергирующей форсунки 1, 1′, например, с изогнутым диффузором, во флотационную установку 100 дополнительно улучшается диспергирование суспензии 6′ и газа, и тем самым повышается вероятность столкновения между газовым пузырьком и отделяемой от суспензии 6′ частицей. В результате повышаются скорости выделения, и может быть получен оптимальный пенообразный продукт. Изогнутая конструкция смесительного устройства 3 в целом экономит занимаемое место и поэтому может быть оптимально размещена также внутри флотационной камеры с небольшим диаметром.

Однако применение соответствующей изобретению диспергирующей форсунки не ограничивается флотационной установкой вообще или флотационной установкой с конструкцией согласно ФИГ. 5, в частности. Соответствующая изобретению диспергирующая форсунка может быть использована во флотационных установках с любой конструкцией, или в установках, в которых по меньшей мере один газ должен быть тонко и однородно распределен в жидкости, в частности в суспензии. Разумеется, соответствующая изобретению диспергирующая форсунка тем самым может быть применена, независимо от предпочтительного использования для флотационных установок, также для аэрации воды, сточных вод, технологической воды и т.д.