Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ ПО ПЛОТНОСТИ МЕТОДОМ ТЯЖЕЛОСРЕДНОЙ СЕПАРАЦИИ

Изобретение относится к способам сепарации из состава смесей полезных компонентов, разделения смесей твердых частиц по плотности и размерам, в частности металлов, платины, золота из горнорудного сырья. Изобретение может быть использовано в технологических процессах по отделению пустой породы в горнодобывающей, обогатительной, химической и других областях промышленности.

При извлечении мелкого и тонкого свободного золота или других полезных ископаемых из руд и россыпей остро стоят вопросы реализации простых и экономичных технологических схем без использования токсичных реагентов на базе гравитационных методов с повышенной точностью разделения. Известен метод тяжелосредной сепарации, иначе называемый обогащением в тяжелой среде, как наиболее простой и применяемый процесс гравитационного обогащения. В настоящее время возрос интерес к проблемам гравитационного обогащения из-за необходимости освоения экологически чистых технологий и уменьшения энергоемкости обогатительных производств, из-за снижения содержания в рудах полезных компонентов. Метод тяжелосредной сепарации основан на разделении минеральных компонентов руды (песков) по их удельному весу в устойчивой тяжелой среде, заданная плотность которой больше плотности самого легкого минерала и меньше плотности самого тяжелого минерала (Баранова Т.В., Соловьева Л.С. «Обогащение руд процессом тяжелосредной сепарации», ОАО «Иргиредмет» Золотодобыча, №118, Сентябрь, 2008). Отличительной особенностью процесса тяжелосредной сепарации по сравнению с другими методами гравитационного обогащения является то, что он характеризуется наибольшей точностью разделения по плотности, а это позволяет получить высокое извлечение ценного компонента.

Известен способ обработки добытой руды методом тяжелосредной сепарации путем разделения частиц по плотности в жидкой среде, плотность которой лежит между плотностью включений и плотностью руды (патент FR 2564749, публик. 29.11.1985), затонувшее вещество подвергают выведению и дальнейшей переработке, а плавающее вещество неоднократно просеивают, чтобы отделить крупные частицы от более мелких частиц.

Таким образом, необходимость неоднократности просеивания частиц оказывает негативное влияние на экономическую полезность системы.

Известен способ разделения частиц по плотности, который включает подачу смеси частиц разной плотности в несущую среду, последующее расслоение частиц по глубине рабочего слоя среды и вывод их из ее объема, предварительное покрытие водой свободной поверхности разделительной жидкости, дробление или измельчение перед сепарацией разделяемых частиц. В качестве несущей среды используют квазиутяжеленный магнитным полем ферромагнитный коллоид, который покрывают слоем немагнитной жидкости, например, водой, слабо растворяющей ферромагнитный коллоид, при этом процесс осуществляют в ферромагнитном коллоиде с физической плотностью 0,96 г/см² и намагниченностью насыщения 18 кА/м и тока в катушках 3,5-8,5 А (патент RU 2486962, опублик. 10.07.2013).

Недостатками данного способа являются низкое извлечение золота в концентрат при переработке мелкозернистого сырья из твердых частиц с малой разницей в плотности или высоким содержанием легких и средних по плотности частиц. Это обусловлено образованием агрегатов из частиц в виде длинных прядей, за счет действия горизонтальных составляющих магнитных выталкивающих сил в объеме магнитной жидкости. Агрегаты частиц формируются вдоль силовых линий магнитного поля, то есть поперек движения потока частиц. Это замедляет движение общего потока и препятствует высвобождению из него тяжелых частиц. В результате извлечение золота в концентрат уменьшается.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является способ разделения частиц по плотности методом тяжелосредной сепарации, в частности, способ сепарации благородных металлов из горнорудного сырья по патенту RU 2275229 (опублик. 27.04.2006). Способ включает подачу через окно ввода в рабочую полость гравитационного сепаратора несущей среды (жидкость/вода/воздух/газ), содержащей разные по плотности частицы примеси. Несущая среда движется под действием перепада давления. Гравитационный сепаратор для выделения частиц примеси более плотных, чем несущая среда состоит из корпуса, верхней крышки, пластин, образующих рабочие слои, кювет с отверстиями для вывода концентрата частиц примеси, накопительных камер.

Двигаясь вдоль пластин, несущая среда через какое-то время приобретает ламинарное стационарное и преимущественно одномерное течение в горизонтальном направлении под действием градиента давления, созданного, например, за счет перепада уровней жидкости на входе и выходе сепаратора. Для придания требуемой формы движению несущей среды - течения типа Хилли-Шоу требуется выполнение двух неравенств:

где: H - высота пластин, м; L>4H - длина пластин, м; d - характерный зазор между пластинами 0,001≤d≤0,01, м; А<Н - продольный размер окна ввода сепарируемой среды, м; ρ, μ - плотность кг/м³ и вязкость, кг/мс несущей среды (жидкости или газа); q - объемный расход жидкости или газа через слой, м³/с; Re^*=1000 - критическое число Рейнольдса разрушения ламинарного стационарного и преимущественно одномерного течения в слое; ρТ - плотность частиц примеси, кг/м³; а - характерный размер частиц примеси м; n=1 - характерная величина перегрузки в слое; ϕ - угол наклона пластин к линии действия гравитационной силы, град; Ф(ϕ) - безразмерная функция влияния угла ϕ, определяемая по формуле Ф(ϕ)=(1+0,17|φ|)cos(πϕ/180) для диапазона ϕ≤20°. Таким образом, устраняется паразитный эффект вторичного перемешивания и под действием гравитационной силы более плотные, чем несущая среда частицы примеси смещаются вниз, концентрируются в кюветах вдоль нижней стенке рабочей полости и через специальные отверстия выводятся из нее в накопительную камеру и далее в выходной трубопровод, а более легкие частицы всплывают, и далее рабочую среду с легкими частицами выводят из рабочей полости сепаратора через окно выпуска на верхней крышке корпуса.

К недостаткам ближайшего аналога следует отнести сложность конструкции, из-за необходимости формирования в несущей среде тонких слоев, образованных параллельными или почти параллельными плоскими удлиненными пластинами и требования выполнения вышеприведенных неравенств. Кроме того, при сепарации некоторых полезных ископаемых такой способ не всегда применим, т.к. накладывает жесткие требования на выбор материала пластин, который не должен взаимодействовать с элементами руды. Все это ведет к снижению его функциональных возможностей.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение функциональных возможностей способа.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе разделения частиц по плотности методом тяжелосредной сепарации, включающем смешение твердых веществ с несущей тяжелой средой, заданная плотность которой больше плотности легких частиц и меньше плотности тяжелых, придание несущей среде движения в рабочей полости сепаратора под действием перепада давления, в результате чего более плотные частицы под действием гравитационной силы смещаются относительно потока несущей среды, а более легкие - под действием Архимедовой силы всплывают, обеспечивая разделение частиц на тяжелую и легкую фракции с последующим их выводом из рабочей полости, новым является то, что, в качестве несущей среды используют ксенон, плотность которого выбирают в зависимости от плотности разделяемых частиц путем изменения давления ксенона на входе в сепаратор с последующим снижением давления по мере оседания разных по плотности частиц, причем после вывода ксенона из рабочей полости сепаратора обеспечивают возврат ксенона к исходному состоянию для осуществления замкнутого цикла.

Использование в качестве несущей среды ксенона позволяет реализовать простую и экономичную технологическую схему процесса разделения, применяя инертный газ, который не вступает в реакцию с металлами или другими минеральными веществами руды, при этом не надо использовать токсичные реагенты и дополнительные узлы, утяжелители среды.

Изменение плотности ксенона в зависимости от плотности разделяемых частиц путем изменения давления ксенона на входе в сепаратор позволяет расширить диапазон плотностей разделяемых частиц простым способом, т.к. возможность регулировки давления несущей среды и обеспечения требуемого значения легко выполнить, используя при этом серийно выпускаемые агрегаты. Кроме того, можно регулировать величину результирующей силы, действующей на частицы, то есть задавать режим выделения частиц заданной плотности.

Последующее постепенное снижение давления несущей среды в процессе оседания плотных частиц до вывода ксенона из рабочей полости сепаратора, позволяет обеспечить гравитационное расслоение всех частиц, плотность которых меньше плотности несущей среды. Граничной плотностью частиц, выделяемых в тяжелую фракцию, является плотность несущей среды, что увеличивает выход ценного компонента, уменьшая количество отвального продукта, расширяя функциональные возможности способа.

Возврат ксенона к исходному состоянию после его вывода из рабочей полости для осуществления замкнутого цикла обеспечивает рентабельность способа при технологичности и экономичности процесса, что расширяет область практического применения заявляемого способа.

На изображении представлена схема сепарационной системы, позволяющей реализовать заявляемый способ, где: 1 - баллон с ксеноном; 2 - бункер с рудой; 3 - вентиль для ввода ксенона; 4 - гравитационный сепаратор; 5 - расширение рабочей полости сепаратора; 6 - накопительная камера для концентрата плотных частиц; 7 - накопительная камера для концентрата менее плотных, чем ксенон частиц; 8 - выходной трубопровод для вывода концентрата более плотных, чем ксенон частиц; 9 - выходной трубопровод для вывода концентрата менее плотных, чем ксенон частиц; 10 - вентиль для вывода ксенона из рабочей полости; 11 - компрессор.

Примером конкретного выполнения сепарационной системы для осуществления заявляемого способа может служить система сепарации благородных металлов (золота, платины, палладия, редкоземельных металлов) или других полезных минералов (например, алмазов) из горнорудной руды. Сепарационная система включает баллон с ксеноном, бункер с рудой в виде сыпучей смеси из частиц разной плотности, гравитационный сепаратор для выделения частиц более плотных, чем ксенон. Большое влияние на показатели процесса разделения имеют физические характеристики исходного сырья и несущей среды, а также взаимодействия их друг с другом. Выбор ксенона (при состоянии ниже критической точки) в качестве несущей среды связан с тем, что он из числа химически чистых газов является одним из самых тяжелых. Ксенон имеет высокую плотность 5,9 кг/м³ (при температуре 0°C и нормальном давлении). Удобство использования ксенона связано также с его естественной радиационной чистотой. Сепаратор состоит из корпуса, с образованием рабочей полости, которая соединяется патрубками с системой трубопроводов. Рабочая полость выполнена с расширением. В нижней части сепаратора расположены кюветы с отверстиями для вывода концентрата более плотных, чем ксенон частиц в накопительную камеру, соединенную с выходным трубопроводом. В верхней части - расположены кюветы для сбора менее плотных, чем ксенон частиц для вывода концентрата в соответствующую накопительную камеру, соединенную с соответствующим выходным трубопроводом. Система трубопроводов снабжена вентилями для подачи в рабочую полость ксенона и для вывода из нее. Сепарационная система снабжена компрессорной установкой для осуществления процесса газоподготовки (сжатия газа до необходимого рабочего давления) перед закачкой ксенона в баллон и дальнейшего использования в цикле.

Способ разделения частиц по плотности осуществляли следующим образом.

После газоподготовки ксенон под давлением 20 атмосфер и плотностью, например, 7 кг/м³ (для извлечения золота, плотность которого 14 кг/м³) из баллона 1 через открытый вентиль 3 закачивают в зону сепарации - рабочую полость гравитационного сепаратора 4, после чего вентиль 3 закрывают. При этом сыпучую смесь из частиц разной плотности из бункера 2 также подают в рабочую полость сепаратора 4. Под действием гравитационной силы более плотные частицы смеси смещаются вниз, при этом сначала осаждаются самые плотные частицы, далее по направлению движения потока осаждаются остальные частицы, имеющие плотность большую, чем ксенон, который двигаясь в рабочей полости и попадая в ее расширенную часть, теряет давление и, соответственно снижается его плотность. При этом частицы, плотность которых меньше плотности ксенона под действием Архимедовой силы продвигаются по ходу потока, всплывают и концентрируются в верхней части рабочей полости. Плотные частицы концентрируются в кюветах на нижней стенке сепаратора 4 и через специальные отверстия (не показано на изображении) выводятся из его рабочей полости в накопительную камеру 6, а далее выводятся по выходному трубопроводу 8. Частицы, плотность которых меньше плотности ксенона, выводятся в накопительную камеру 7 и далее выводятся по выходному трубопроводу 9. Меняя давление ксенона можно регулировать величину результирующей силы, действующей на частицы, то есть задавать режим выделения частиц нужной плотности, что обеспечивает расширенные функциональные возможности способа разделения. Ксенон без полезного компонента и отвала через открытый вентиль 10 выводится из рабочей полости для дальнейшего использования после газоподготовки с помощью компрессорной установки 11.

Таким образом, заявляемый способ имеет расширенные функциональные возможности и обеспечивает более полное извлечение полезного компонента из руды и высокую производительность.