專利名稱：使用直接供給的高功率超聲能量處理磷酸鹽材料的制作方法
相關(guān)申請的交叉引用本申請基于并據(jù)此要求2004年10月22日向美國專利商標局提交的美國臨時專利申請60/620,721和2005年9月2日向美國專利商標局提交的美國非臨時專利申請11/217,446的優(yōu)先權(quán)，在這里將其內(nèi)容通過引用并入本文。
背景技術(shù)：


圖1是描繪磷酸鹽礦石被挖掘后的處理的示意圖。從地面回收的磷酸鹽礦石是“基質(zhì)”形式，它包括磷酸鹽砂礫、砂和粘土。在采礦后，所述基質(zhì)從索斗鏟(dragline)1被抽入泵站3。所述基質(zhì)被泵入洗滌設(shè)備5，生成卵石產(chǎn)品(pebble product)、廢粘土和小顆粒。所述小顆粒被送至分篩設(shè)備7，并隨后至浮選設(shè)備9。
圖2是圖1中所示的洗滌設(shè)備的示意圖?；|(zhì)從泵部分3被供給至接收部分501，其接收并降低進入基質(zhì)的速度。然后將所述基質(zhì)送至粗粒篩(scalping screens)503(“回旋篩”)。粗粒篩503的功能是篩出直徑大于1英寸(+1英寸)的顆粒。直徑小于1英寸(-1英寸)的顆粒進入基質(zhì)槽505。+1英寸的物質(zhì)進入泥球切碎機(mudball slicer)507。所述泥球以相對干的狀態(tài)進入泥球切碎機507并使用高壓水被切碎。所述水打碎泥球而不一定生成漿體。在打碎泥球之后，所述物質(zhì)通過另外一個篩(未顯示)被送走，以進行所示的+1英寸、-1英寸的分離。+1英寸的顆粒形成廢流。-1英寸的顆粒被送至基質(zhì)槽505。
在基質(zhì)槽中加入水。一部分細粘土在該操作過程中懸浮。來自基質(zhì)槽的懸浮的粘土被送至脫泥。剩余的顆粒被送至洗礦機(log washers)509。在洗礦機中，其上帶有攪拌器的軸桿在槽中旋轉(zhuǎn)，導致進入的物質(zhì)被磨碎，以致較小粘土顆粒被分解。至洗礦機的進料是可能含有30％的固體的漿體。這些固體是直徑小于1英寸的顆粒并含有磷酸鹽顆粒、砂顆粒和粘土顆粒。由于連接于旋轉(zhuǎn)軸桿的攪拌器的運動所引起的顆粒相互摩擦，洗礦機對進入的材料進行碾磨和擦洗。
從洗礦機509，材料被送至篩511，所述篩分離出直徑大于1mm的磷酸鹽卵石產(chǎn)品。該磷酸鹽卵石產(chǎn)品是一種能夠被隨后被利用而無需進一步加工的磷酸鹽濃縮物。直徑小于1mm的顆粒對進一步加工沒有足夠高的磷酸鹽含量。直徑小于1mm的顆粒包括砂和磷酸鹽顆粒，它們大約是同樣的大小和重量，因而使其他分離技術(shù)變得困難。
這些較小顆粒包被有粘土并被送至脫泥以去除粘土。圖3是脫泥過程的示意圖。在圖3中，水力旋流器(hydrocyclones)被用來分離較細和較粗的顆粒。較細的顆粒超出旋流器的頂部而排出并含有粘土。較細的顆粒被送至廢粘土(waste clays)。較粗的顆粒被認為是清潔的進料(feed)。較粗的顆粒從旋流器的底部排出并被送至分選(sizing)。
圖4是分選過程的示意圖。在圖4中，顆粒被送至一系列的分選機(sizers)。分選機包括細分選機701、粗分選機703和超粗分選機705。在被提供給浮選9之前，顆粒從不同的分選機被送至分開的儲存槽。浮選過程必須連續(xù)進行，三個儲存槽的一個目的是提供一個緩沖以補償分選之前或之中發(fā)生的任何流動問題。細、粗和超粗顆粒統(tǒng)稱為“進料”物質(zhì)。
圖5是圖1中所示的浮選過程9的示意圖。在進料經(jīng)脫泥和分選后，細、粗和超粗顆粒被分別地懸浮。在分選之后，顆粒儲存在水中。浮選的第一步是去除脫水旋流器901中的水。水被去除以便所述進料可能有70％的固體。在脫水旋流器901中，細粘土顆粒作為溢流排出(未顯示)。貫穿上述處理過程，去除粘土是重要的，因為脫水后的步驟采用化學物質(zhì)且所述粘土作為這些化學物質(zhì)的稀釋劑而起作用。由于較少的粘土，需要較小量的化學物質(zhì)，從而減少了操作成本。顆粒從脫水旋流器901被送至調(diào)節(jié)過程903。在調(diào)節(jié)過程中，試劑被加至進料，所述進料在脫水旋流器之后基本上是不含粘土的。pH被升高，可能至大約9。例如，70％的碳酸鈉(soda ash)溶液可被用來升高pH。在調(diào)節(jié)過程中還可加入脂肪酸/妥爾油(tall oil)試劑。由于表面化學反應(yīng)，所述試劑包裹磷酸鹽顆粒。所述試劑不包裹砂顆粒。經(jīng)過調(diào)節(jié)903后，包被的顆粒被送至粗選(rougher)浮選過程905。
包被的磷酸鹽顆粒是疏水性的。在粗選過程905中，空氣通過浮選柱或其他浮選機而冒泡。包被的磷酸鹽顆粒因為進入的空氣而懸浮至所述柱或其他浮選機的頂部。懸浮離開所述柱頂部的磷酸鹽顆粒被收集并送至酸擦洗907。砂顆粒未被包裹并未懸浮。砂顆粒從粗選過程905的底部排出。
疏水性磷酸鹽顆粒連同一些細砂顆粒被送至酸擦洗907，其中一種酸(如硫酸)去除包裹磷酸鹽顆粒的脂肪酸/妥爾油混合物。擦洗后，所述顆粒被送至清洗機浮選過程911，其中使用了胺溶液。所述胺溶液使砂漂浮離開所述柱的頂部而留下基本上清潔的磷酸鹽濃縮產(chǎn)品。
盡管前述過程作用良好，但有很多步驟且運轉(zhuǎn)昂貴。已經(jīng)進行了不同的嘗試來改良所述過程。例如，Jacobs Engineering Group，″New Technologyfor Clay Removal，″Publication No.02-138-177(Florida Institute of PhosphateResearch，2001)提出了使用震動坡道(vibrating ramp)來分離泥球。超聲發(fā)生器在坡道(ramp)中引起震動。然而，超聲波和物質(zhì)之間沒有直接的接觸。不可能傳遞足夠的能量來分離。
發(fā)明概述為解決這些和其他關(guān)心的問題，本發(fā)明人提出了直接供給超聲能量(ultrasonic energy)至不純的磷酸鹽中間體的系統(tǒng)。所述超聲能量可通過設(shè)置與磷酸鹽物質(zhì)的漿體流直接接觸的超聲波導(waveguide)或焊極(sonotrode)而被供應(yīng)。
本發(fā)明人建議使用高能超聲波引起在磷酸鹽漿體中形成空化氣泡(cavitation bubbles)。超聲波是一系列的每秒中發(fā)生數(shù)千次的稀薄(rarefactions)中的壓縮(compressions)。超聲波壓縮并擴張漿體中的水分子而引起一些水分子蒸發(fā)。這些水蒸汽的氣泡連同夾帶的氣體(如空氣)的氣泡被認為可長到直徑為1和10微米的大小。隨著重復的壓縮和稀薄，氣泡中的溫度被認為可接近5000℃，且氣泡中的壓力被認為可接近2000大氣壓。在這種能量的增加之后，所述氣泡在一個壓縮循環(huán)中瓦解而釋放出強大的能量波。隨著顆粒間的相互碰撞和顆粒與管道間的碰撞，磷酸鹽基質(zhì)分解。粘土從磷酸鹽顆粒中去除。不同于Jacobs震動系統(tǒng)，顆粒能夠有效地被分解。
附圖簡述從接下來的優(yōu)選實施方案的描述并結(jié)合下述附圖，本發(fā)明的這些及其他目的和優(yōu)點將變得更明顯和更容易理解圖1是描述磷酸鹽礦石被挖掘后的處理的示意圖；圖2是圖1中所示的洗滌設(shè)備的示意圖；圖3是圖1中所示的脫泥設(shè)備的示意圖；圖4是圖1中所示的分選設(shè)備的示意圖；圖5是圖1中所示的浮選設(shè)備的示意圖；圖6是超聲流動小室(flow cell)的側(cè)面剖視圖；圖7是漿體流管道中超聲設(shè)備的部分去除的側(cè)面圖；和圖8是圖7中所示的設(shè)備的端視圖。
優(yōu)選實施方案的詳細描述現(xiàn)在將詳細參考本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，其例子在附圖中有所描述，其中同樣的參考號在通篇代表同樣的元件。
超聲能量能夠在許多不同的位置直接提供給圖1系統(tǒng)，只要存在其中能容納超聲波導的磷酸鹽物質(zhì)的漿體。超聲能量被提供的位置取決于系統(tǒng)效率能夠被最有效增加的位置。
盡管許多位置是可能的，但有幾個優(yōu)選位置用于超聲設(shè)備。首先，超聲設(shè)備可在洗滌機5的接收部分501(見圖2)之前使用。在這個位置，超聲能量可被用來分解基質(zhì)以致幾乎所有顆粒具有小于1英寸的直徑。這種情況下，泥球切碎機507可以不是必要的。
用于超聲設(shè)備的第二個可能的位置是與泥球切碎機507串聯(lián)或者取代泥球切碎機507。來自粗粒篩503的物質(zhì)將被制成漿體并通過其中具有一個或多個超聲波導的管道傳送。在使用超聲能量處理后，篩可被用來分離出任何剩余的直徑大于1英寸的顆粒。直徑小于1英寸的顆粒將被送至基質(zhì)槽505。
用于超聲設(shè)備的第三個可能的位置是增強或取代洗礦機509。存在于基質(zhì)槽505的蒸汽是漿體。一個或多個超聲波導能夠被置于運送該漿體的管道中以打碎顆粒并將粘土從磷酸鹽去除。如果超聲設(shè)備充分處理來自基質(zhì)槽505的漿體，則洗礦機509可被去掉。否則，洗礦機509能夠與超聲設(shè)備串聯(lián)使用。
用于超聲設(shè)備的第四個可能的位置是在浮選設(shè)備9之前。超聲設(shè)備可被置于脫水旋流器901(見圖5)與用于細、粗和超粗顆粒的儲存槽之間。在這個位置，超聲設(shè)備會將粘土從顆粒去除，從而降低調(diào)節(jié)903、酸擦洗907和清洗機浮選911所需要的化學物質(zhì)的量。通過該超聲設(shè)備從磷酸鹽顆粒分離的粘土將作為溢流排出脫水旋流器。該粘土將不會供給至調(diào)節(jié)過程903。
圖6是超聲流動小室的側(cè)面剖視圖。超聲流動小室是傳遞超聲能量至細顆粒漿體的設(shè)備。照這樣，超聲流動小室可在第四位置使用，在浮選9之前。在所述過程中的這一點上，顆粒的直徑小于1毫米。流動小室將在細、粗或超粗儲存槽與脫水部分901之間的泵管中被連接。引用號601表示從儲存槽的入口。漿體向上穿過內(nèi)套管，超過超聲波導(或“超聲焊極”)603。在流動小室的頂端，漿體在內(nèi)室壁605附近改變方向。漿體向下流至出口607。
含有外壁609、內(nèi)壁605、進口601和出口607的套管可由單塊材料或不同部分制成。所述套管可由具有良好反射性質(zhì)的不銹鋼構(gòu)成。使用不銹鋼，流動小室內(nèi)的能量波被反射回入漿體而不是被吸收。其他材料，如塑料和玻璃，也可被使用。然而，塑料可吸收大部分能量波。塑料和玻璃都不能結(jié)實到足以在延長的時間內(nèi)經(jīng)受磷酸鹽進料中砂和粘土的處理。
有兩個通路經(jīng)過流動小室，一個向上通路和一個向下通路。兩個通路增加滯留時間。向下通路還控制流動以減少小室頂端的湍流。向下通路允許超聲波在整個介質(zhì)的平均分布。大部分分離在第一、內(nèi)部通路中獲得，其中漿體與超聲焊極603直接接觸。
超聲焊極603能夠具有不同的構(gòu)型。超聲波從超聲焊極的所有部分發(fā)射出，包括底端。經(jīng)典的放射超聲焊極發(fā)射超聲波，放射狀向外穿過周圍管道。超聲焊極能夠由鈦、不銹鋼、鋁、哈斯特洛合金(hastalloy)(抗化學物質(zhì)的)、鈮合金(抗熱的)或其他任何適宜的物質(zhì)。鈦是用于超聲焊極的優(yōu)選材料。
套管的外面是超聲設(shè)備的剩余部分。超聲焊極603是超聲設(shè)備與漿體相互作用的唯一部分。發(fā)電機611(用于電力供應(yīng)和功率控制)、壓電陶瓷換能器613和放大器615提供超聲振動至超聲焊極603。AC電流從發(fā)電機611被提供給換能器613。發(fā)電機可接收480伏的輸入信號并生成60赫茲的AC電流。在換能器613中，壓電陶瓷晶體被供以AC電流。AC電流改變所述晶體的極性，引起膨脹和收縮，因而產(chǎn)生超聲振動，所述振動被超聲焊極603所放大。換能器613通過抗振動凸緣(flange)617與超聲焊極603相連，所述凸緣限制了從流動小室到其他設(shè)備的經(jīng)由振動的能量損失。
放大器615放大/強化超聲波或減少所述波的振幅。所述波的振幅應(yīng)該與超聲焊極603的長度相對應(yīng)。如果振幅太高，則發(fā)生去耦，其限制能量傳遞至漿體介質(zhì)。放大器控制放大作用，從而控制從超聲焊極釋放的能量的量。
主要的共振頻率部分取決于壓電陶瓷晶體的振動頻率。共振頻率能夠在16千赫至100千赫之間變化。20千赫頻率已經(jīng)被成功使用。系統(tǒng)內(nèi)溫度和壓力的改變引起頻率的改變。因此，系統(tǒng)必須被監(jiān)測以追蹤共振頻率以在最大輸出功率下操作。否則，效率會顯著下降。壓電陶瓷換能器在主要共振頻率的任一側(cè)掃描2千赫，為約4千赫的總帶寬。超聲信號的波長與超聲焊極603的長度直接成比例。
圖7是漿體流管道內(nèi)超聲設(shè)備的部分去除的側(cè)視圖。圖8是圖7中所示設(shè)備的端視圖。當顆粒較大時，它們可輕易流經(jīng)圖6中所示的流動小室。在這種情況下，超聲設(shè)備可被加至管道以致超聲波導803垂直于流動方向(取代平行于流動方向)延伸，如圖6中所示。圖7和8中所示的實施方案可用于超聲設(shè)備的第一至第三位置。
圖7和8中所示的管道805可以是加工廠內(nèi)的現(xiàn)有管道。例如，管道805可以是粗粒篩503和泥球切碎機507之間的20英寸的管道。管道805可運送“基質(zhì)”的漿體從礦場至工廠。可在現(xiàn)有管道805中鉆孔以插入超聲焊極803。抗振動凸緣被安裝在所述孔中。包括放大器615、壓電陶瓷換能器613和AC發(fā)電機在內(nèi)的電設(shè)備將保持在管道外。
重要的是，遞送至漿體的功率要足以分離物質(zhì)。所述功率的定額是基于管道的橫截面積和/或基于總體積。為增加功率，至超聲焊極803的信號能夠被放大。如果使用單個超聲焊極803不能獲得足夠的功率，則可使用附加的超聲焊極。附加的超聲焊極可圍繞管道周圍分開和/或沿著管道的長度而分開。1998年11月20日提交的英國專利申請9825349.5描述了超聲焊極的不同構(gòu)型，據(jù)此通過引用將其并入本文。
顯然，圖7和8中所示的超聲焊極803與圖6中所示的超聲焊極603具有不同的構(gòu)型。不同的超聲焊極構(gòu)型是可能的。圖7和8中所示的超聲焊極803具有齒，該齒增加了超聲波的表面積和強度。所述齒還改變了通過管道的流動，產(chǎn)生渦旋回流效應(yīng)。這增加了介質(zhì)在超聲焊極803附近的滯留時間。所述齒進一步產(chǎn)生介質(zhì)中的湍流，使顆粒相互碰撞和顆粒與超聲焊極803的碰撞增加。
本發(fā)明已經(jīng)通過具體參考其優(yōu)選實施方案和例子而被詳細描述，但要理解，變形或改進可以在本發(fā)明構(gòu)思和范圍內(nèi)有效。
權(quán)利要求
1.一種用于選集磷酸鹽礦石的工藝，其包括提供一種具有重量比為30％至70％的液相和含有粘土、砂和磷酸鹽礦石的固相的漿體，所述漿體以0℃-95℃的溫度和不超過約20帕的回壓被提供；將所述漿體暴露于所述漿體中設(shè)置的超聲焊極所釋放的超聲能量，所述漿體暴露于所述超聲能量少于10秒鐘，所述超聲能量由壓電陶瓷換能器產(chǎn)生以具有16千赫至100千赫的共振頻率，所述超聲能量具有0.0001W/cm3至約1000W/cm3的強度，所述超聲能量在所述漿體內(nèi)產(chǎn)生空化力；和使用空氣浮選方法和旋流方法將所述粘土和砂從所述磷酸鹽礦石分離。
2.一種用于選集磷酸鹽礦石的工藝，其包括提供一種含有粘土、砂和磷酸鹽礦石的漿體；將所述漿體暴露于所述漿體中設(shè)置的超聲焊極所釋放的超聲能量；和將所述粘土和砂從所述磷酸鹽礦石分離。
3.如權(quán)利要求2所述的工藝，其中所述漿體經(jīng)受所述超聲處理少于約10秒鐘。
4.如權(quán)利要求2所述的工藝，其中所述漿體包含液相和固相，所述固相包含所述粘土、砂和磷酸鹽礦石。
5.如權(quán)利要求4所述的工藝，其中所述粘土基本存在于所述磷酸鹽礦石的表面，以致所述漿體具有粘土包被的磷酸鹽礦石，且所述砂顆粒與所述粘土包被的磷酸鹽礦石顆粒在尺寸上相似。
6.如權(quán)利要求5所述的工藝，其中所述砂顆粒和所述粘土包被的磷酸鹽礦石顆粒具有的尺寸大于約106微米(150目Tyler標準篩)。
7.如權(quán)利要求2所述的工藝，其中使用空氣浮選方法和旋流方法將所述粘土和砂從所述磷酸鹽礦石分離。
8.如權(quán)利要求2所述的工藝，其中所述漿體包含液相和固相，所述固相具有至少一個粘土球，所述粘土球包含所述粘土、砂和磷酸鹽礦石的緊密混合物，且所述粘土球大于1mm(16目Tyler標準篩)。
9.如權(quán)利要求8所述的工藝，其中所述粘土球包括所述粘土對砂對磷酸鹽礦石的重量比約為1∶1∶1。
10.如權(quán)利要求8所述的工藝，其中所述粘土球基本上被分解為它的組成部分的所述粘土、砂和磷酸鹽礦石。
11.如權(quán)利要求2所述的工藝，其中所述超聲能量在所述漿體內(nèi)產(chǎn)生空化力。
12.如權(quán)利要求2所述的工藝，其中所述超聲能量在所述漿體內(nèi)產(chǎn)生聲微流。
13.如權(quán)利要求2所述的工藝，其中所述超聲能量由壓電陶瓷換能器產(chǎn)生。
14.如權(quán)利要求13所述的工藝，其中所述超聲能量具有約0.0001W/cm3和約1000W/cm3之間的強度范圍。
15.如權(quán)利要求2所述的工藝，其中所述漿體以0℃至95℃的溫度被提供。
16.如權(quán)利要求2所述的工藝，其中所述漿體以不超過約20帕的回壓被提供。
17.如權(quán)利要求4所述的工藝，其中所述液相占所述漿體質(zhì)量的約30％至約70％。
18.如權(quán)利要求2所述的工藝，其中所述超聲能量具有從16千赫到100千赫的共振頻率。
19.一種用于選集磷酸鹽礦石的裝置，其包括一進口，以接收粗制磷酸鹽礦石漿體；一出口，用于噴射處理過的磷酸鹽礦石漿體；一傳送套管，其連接所述進口至所述出口以傳送所述漿體從所述進口至所述出口；一壓電陶瓷換能器，以產(chǎn)生超聲能量；和一超聲焊極，其位于所述傳送套管內(nèi)以直接放射超聲能量至所述漿體。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其中所述超聲焊極是鈦超聲焊極。
21.如權(quán)利要求19所述的裝置，其中所述壓電陶瓷換能器提供在約0.0001W/cm3至約1000W/cm3之間的強度至所述粗制磷酸鹽礦石漿體。
22.如權(quán)利要求19所述的裝置，其中所述壓電陶瓷換能器提供約1微米至約150微米的振幅。
全文摘要
在磷酸鹽礦石的選集工藝中提供了一種漿體，其具有30－70％重量的液相和含有粘土、砂和磷酸鹽礦石的固相。在所述工藝中，使所述漿體接受被置于其中的超聲焊極(sonotrode)所釋放的超聲能量?？墒顾鰸{體接受的超聲能量少于10秒鐘。超聲能量可由壓電陶瓷換能器(piezoceramictransducer)產(chǎn)生以具有16－100kHz的共振頻率。所述超聲能量可具有0.0001W/cm
文檔編號C01B25/01GK101072643SQ200580041905
公開日2007年11月14日 申請日期2005年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月22日
發(fā)明者亞歷山大·帕特斯特, 戴倫·邁爾斯·貝茨, 克倫·A·米科拉, 約翰·亞撒隆尼斯, 特倫特·萬澤瓦克斯, 唐納德·克拉克 申請人:嘉吉有限公司