本申請要求2014年12月17日提交的美國臨時專利申請?zhí)?2/093142的優(yōu)先權(quán)，所述申請通過引用并入本文。

背景技術(shù)：

浮選分離器用于濃縮疏水和親水材料的顆粒混合物。通過氣泡的附著，可以從固體/液體混合物中提取疏水顆粒。提出一種浮選分離系統(tǒng)，所述浮選分離系統(tǒng)以多級途徑提供改進(jìn)的回收率，其允許每個過程階段獨(dú)立操作并且可以基于操作條件來調(diào)節(jié)每個過程階段。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

提供一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)用于濃縮流體介質(zhì)中的疏水材料和親水材料的顆粒混合物。所述系統(tǒng)包括分離腔，所述分離腔包括兩個或多個串聯(lián)處理隔室。每個處理隔室包括：歧管，所述歧管用于引入包含水和氣泡的混合物的攪拌水；懸浮固體，其使攪拌水向上移動通過懸浮固體從而形成流化床(也被稱為攪拌床或受阻床)；并且每個處理隔室可獨(dú)立操作。溢流槽位于分離腔的上方，并且脫水室位于分離腔的下方。

所述系統(tǒng)的一些實施方案包括內(nèi)部擋板，所述內(nèi)部擋板分離每個處理隔室。在一些實施方案中，脫水腔在分離腔中的每個處理隔室的下方延伸。在其它實施方案中，脫水腔僅在串聯(lián)的最后一個處理隔室的下方延伸。可以在一個或多個處理隔室中加入化學(xué)添加劑?？梢允褂玫谝粔毫鞲衅骱偷诙毫鞲衅鲝亩刂品蛛x腔內(nèi)的流化床的密度。處理隔室可以以非線性串聯(lián)或直線方式設(shè)置。

還提供一種方法，所述方法用于濃縮流體介質(zhì)中的疏水顆粒和親水顆粒的混合物。在該方法中，將顆粒和流體介質(zhì)引入分離器系統(tǒng)，所述分離器系統(tǒng)包括兩個或多個處理隔室。每個處理隔室包括懸浮固體，其使包含水和氣泡的混合物的攪拌水向上移動通過懸浮固體從而形成流化床。通過調(diào)節(jié)每個處理隔室中的攪拌條件從而允許顆粒經(jīng)受目標(biāo)分離條件。允許顆粒與流化床和攪拌水中的空氣相互作用使得疏水顆粒附著至氣泡并且到達(dá)流化床上方的分離器系統(tǒng)的上部，并且親水顆粒穿過流化床并且移動至分離器系統(tǒng)的下部。通過允許顆粒橫向和豎向移動通過分離器系統(tǒng)中的每個處理隔室從而在分離器系統(tǒng)中提供增加的顆粒保留時間。在分離器系統(tǒng)的上部除去疏水顆粒，并且在分離器系統(tǒng)的下部除去親水顆粒。可以在一個或多個處理隔室中加入化學(xué)添加劑。

附圖說明

為了更全面地理解和了解本發(fā)明及其許多優(yōu)點，將參考結(jié)合附圖的如下詳細(xì)說明。

圖1為顯示各種回路構(gòu)造的回收率與kτ的關(guān)系的圖表；

圖2顯示了多級流化床浮選分離器的立體圖；

圖3顯示了圖2的多級流化床浮選分離器的側(cè)視圖；

圖4顯示了圖2的多級流化床浮選分離器的俯視圖；

圖5顯示了圖2的多級流化床浮選分離器的仰視圖；

圖6顯示了多級流化床浮選分離器的另一個實施方案的立體圖；

圖7顯示了圖6的多級流化床浮選分離器的側(cè)視圖；

圖8顯示了圖6的多級流化床浮選分離器的仰視圖；

圖9顯示了具有五個處理隔室的多級流化床浮選分離器的另一個實施方案的立體圖；

圖10顯示了圖9的多級流化床浮選分離器的側(cè)視圖；并且

圖11顯示了不包括任何內(nèi)部擋板的多級流化床浮選分離器的另一個實施方案的立體圖。

參考附圖，貫穿所顯示和描述的數(shù)個實施方案和附圖，一些附圖標(biāo)記用于表示相同或相應(yīng)的部件。在不同實施方案中通過添加小寫字母表示相應(yīng)的部件。描述了附圖中所示的相應(yīng)部件的形狀或功能的變化。將理解實施方案中的變化通?？梢曰Q而不偏離本發(fā)明。

具體實施方式

浮選分離器用于濃縮疏水和親水材料的顆?；旌衔?。通過氣泡的附著，可以從通?；谒牧黧w漿液中的疏水材料和親水材料的混合物中提取疏水顆粒。主要通過三個參數(shù)控制顆粒種類的回收率(r)：反應(yīng)速度、保留時間和混合條件。該關(guān)系總結(jié)于如下等式[1]：

r∝kτpe[1]

其中k為反應(yīng)速度常數(shù)并且τ為保留時間。peclet數(shù)(pe)對分離腔內(nèi)的軸向混合程度進(jìn)行量化。更大的pe值表示更多的活塞流條件，因此表示改進(jìn)的回收率?；钊鳁l件下的顆粒移動在豎直尺寸上移動并且以一定方式建模從而增加所述系統(tǒng)的可預(yù)見性。如等式[1]所示，任一參數(shù)的增加造成回收率的相應(yīng)增加。

此外已經(jīng)發(fā)現(xiàn)反應(yīng)速度可以描述為：

其中vg為超臨界氣體速度，db為氣泡尺寸，并且p為附著機(jī)率。應(yīng)注意附著機(jī)率是多個其它機(jī)率的函數(shù)，如下列[3]和[4]等式所示，其中：

p＝pcpa(1-pd)[3]

和

其中pc為碰撞機(jī)率，pa為粘合機(jī)率，并且pd為脫離機(jī)率，ci為顆粒濃度并且dp為顆粒直徑。pa通常為化學(xué)過程的函數(shù)，而pd涉及湍流。檢查這些等式發(fā)現(xiàn)，對于使用高氣體速度、小直徑氣泡、高進(jìn)料濃度、粗大顆粒、高peclet數(shù)(低軸向混合)和低湍流的系統(tǒng)而言，分離過程的反應(yīng)速度增加。

通過確定顆粒受浮選過程影響的時間來計算保留時間。該參數(shù)通常通過如下方式計算：槽體積(v)校正空氣滯留(ε)并且用槽體積(v)除以通過分離器的總流速(q)，正如下列等式[5]和等式[6]所示：

peclet數(shù)是氣體和液體速度(vg,l)、槽高度與直徑之比(l:d)和空氣滯留的函數(shù)。已發(fā)現(xiàn)浮選分離器的peclet數(shù)可以描述如下：

柱式浮選分離器和常規(guī)浮選分離器(也被稱為“機(jī)械浮選槽”)均采用等式[1]至[7]中呈現(xiàn)的關(guān)系所顯示的原理進(jìn)行操作。上述這些等式幫助理解與單個槽的操作相關(guān)的基本原理。然而在實踐中，常規(guī)浮選分離器僅以串聯(lián)釜的形式操作，而柱通常以平行回路構(gòu)造安裝。串聯(lián)釜(也被稱為“串聯(lián)反應(yīng)器”)方法的基本優(yōu)點是公知的。前提是概念簡單：對于相同的保留時間，一系列完全混合的釜將提供比單個浮選分離器更高的回收率。這一點通過等式[8]和圖1所示的圖表說明，所述圖表顯示了各個回路構(gòu)造的回收率與kτ的關(guān)系。它們顯示了對于具有恒定過程速度(k)和保留時間(τ)的系統(tǒng)而言，回收率隨著完全混合器的數(shù)目(n)而變化。

如圖1所示，在恒定的kτ值下，增加串聯(lián)混合器的數(shù)目造成回收率的增加。例如，對于為4的kτ值，從一個完全混合釜改變成四個串聯(lián)釜造成幾乎15％的增加的浮選回收率?？梢酝ㄟ^檢驗常規(guī)浮選分離器的基本操作來理解該概念。每個浮選分離器包括用于分散空氣并且維持固體懸浮的機(jī)構(gòu)(即轉(zhuǎn)子和定子)。因此，每個常規(guī)浮選分離器與單個完全混合反應(yīng)器的行為基本上相似。根據(jù)定義，完全混合反應(yīng)器(即分離器)在系統(tǒng)中的任何位置處具有相等的材料濃度。因此，進(jìn)料內(nèi)包含的疏水材料部分有機(jī)會直接以較短的回路至非漂浮流。在使用單個常規(guī)大型浮選分離器的系統(tǒng)中，這可能造成回收率損失。然而，通過排出至第二個常規(guī)浮選分離器，存在另外的機(jī)會來收集旁通的可漂浮材料。同樣地，所串聯(lián)的任何額外的第三個和第四個常規(guī)浮選分離器的情況也是如此。在某一時刻，將適用收益遞減法則。在常規(guī)浮選分離器中，通常在四個或五個浮選分離器串聯(lián)釜之后適用該法則。回收率增益隨著每個常規(guī)浮選分離器的增加還需要額外的能量。

由于空氣和進(jìn)料漿液的流動特征，柱式浮選分離器也是混合分離腔。各種研究檢驗了礦物應(yīng)用中的實驗室和工業(yè)柱式浮選分離器的混合特征(dobbyandfinch，1990，yianatos等人，2008)。這些研究的結(jié)果表明，柱式流體浮選分離器根據(jù)應(yīng)用而在活塞流與完全混合設(shè)備之間操作。

通過應(yīng)用上述浮選基本原理，構(gòu)造了多級流化床浮選分離器。在第一個實施方案中，多個流化床浮選腔基本上串聯(lián)設(shè)置使得沉淀至懸浮固體的充氣流化床的進(jìn)料材料必須橫穿多個處理隔室(或“區(qū)域”)，所述處理隔室基本上建立串聯(lián)回路從而模仿活塞流反應(yīng)器。應(yīng)理解多級流化床浮選分離器還可以被稱為“多級受阻床分離器”和/或“多級攪拌床分離器”。

圖2和圖3顯示了用于濃縮進(jìn)料混合物的多級流化床浮選分離器系統(tǒng)10(下文稱為“分離器系統(tǒng)”)，所述進(jìn)料混合物為疏水材料和親水材料的顆粒混合物。進(jìn)料引入器12將顆?；旌衔镙斔椭练蛛x器10中用于處理。溢流槽14收集漂浮顆粒(下文更詳細(xì)描述)和攪拌水(下文更詳細(xì)描述)然后將其組合流引導(dǎo)至濃縮液排放器16，所述濃縮液排放器16將漂浮顆粒和攪拌水引導(dǎo)至下游過程。濃縮液排放器16包括排放噴嘴18。

分離腔26充當(dāng)整個分離器系統(tǒng)10的核心處理單元。分離器系統(tǒng)10的橫截面通常為矩形，但是也可以非限制性地是圓形或正方形。分離腔26包括多個處理隔室28。在圖2和圖3所示的實施方案中，存在通過內(nèi)部擋板30分離的三個處理隔室28。擋板30可以被設(shè)計成使得內(nèi)部流化流圍繞每個內(nèi)部擋板上的特定形狀的路徑移動、在所述路徑下方移動或穿過所述路徑移動。這些路徑被設(shè)計成改進(jìn)分離腔內(nèi)的混合條件從而造成活塞流型。處理隔室28的數(shù)目還可以少至兩個并且根據(jù)系統(tǒng)需要可以盡可能的多。

在該實施方案中，每個處理隔室28被構(gòu)造成進(jìn)行任一個如下任務(wù)，(1)尺寸分級，(2)調(diào)節(jié)，(3)粗選分離過程，和(4)清掃分離過程。在不具有空氣和試劑的一個示例中，最接近進(jìn)料引入器12的處理隔室28可以充當(dāng)分離腔26的分級或預(yù)調(diào)節(jié)室。在該構(gòu)造中可以以受阻沉淀設(shè)備的形式操作從而進(jìn)行尺寸分級。這最終以優(yōu)選條件制備用于粗選過程階段的進(jìn)料材料。在一些應(yīng)用中，有可能通過在攪拌水供應(yīng)器中直接引入化學(xué)試劑從而使進(jìn)料材料在預(yù)調(diào)節(jié)處理隔室28中反應(yīng)。分離器10的多處理隔室構(gòu)造允許每個處理隔室在不同的攪拌和充氣條件下獨(dú)立操作(例如之前描述的清掃室、粗選處理隔室或預(yù)調(diào)節(jié)室)，最終使冶金性能達(dá)到最大化。在一些應(yīng)用中，預(yù)調(diào)節(jié)處理隔室28還可以具有與粗選處理隔室等效的功能，其將在分離腔內(nèi)提供額外的清掃步驟(對于包括多于三個隔室的分離腔26的應(yīng)用是有用的)。至少一個處理隔室28(通常為作為串聯(lián)中的第一個處理隔室28的預(yù)調(diào)節(jié)處理隔室)可以具有不含空氣的流化攪拌水流，之后的其它處理隔室28具有充氣的流化流。應(yīng)理解所述隔室都不需要在加入空氣的條件下操作。

溢流槽14被顯示為圍繞分離器系統(tǒng)10的整個外周安裝，但是其它構(gòu)造是可能的，例如用于每個處理隔室28的獨(dú)立溢流槽。來自每個隔室的溢流可以如本文所示的方式結(jié)合或者每個處理隔室28獨(dú)立地進(jìn)行輸送。例如，來自第一處理隔室28的產(chǎn)物可以被直接輸送至串聯(lián)操作的另一個浮選分離器，而來自剩余隔室的溢流可以被輸送至別處和/或通常在每個處理隔室28之間橫穿分離器。

分離器系統(tǒng)10包括被置入第一處理隔室28中的進(jìn)料，但是其它進(jìn)料設(shè)置也是可能的，例如在高于或低于建立的攪拌床的水平處沿著分離器系統(tǒng)10的長度或?qū)挾冗M(jìn)料。這些進(jìn)料系統(tǒng)也可以合并預(yù)充氣系統(tǒng)。進(jìn)料系統(tǒng)還可以設(shè)置在初始處理隔室的側(cè)面使得將進(jìn)料引入第一處理隔室的沖擊達(dá)到最小化。

在該實施方案中，處理隔室28各自通過內(nèi)部擋板30劃分。這些內(nèi)部擋板30的構(gòu)造和物理尺寸可以被設(shè)置和設(shè)計成適應(yīng)不同應(yīng)用的不同需要。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，處理隔室28的構(gòu)造(本質(zhì)上為兩個擋板30之間的距離，擋板30與分離腔26的一側(cè)之間的距離，每個擋板30下方的距離或每個擋板30上方的距離)可以以各種布置針對不同應(yīng)用進(jìn)行構(gòu)造，從而實現(xiàn)最大分離效率。正如上文簡要描述的，還應(yīng)理解隔室的數(shù)目可以根據(jù)分離器10的應(yīng)用和每個隔室的單獨(dú)應(yīng)用而變化。

本領(lǐng)域已理解分離器系統(tǒng)10的基本操作。通過穿過懸浮固體的向上流動的攪拌水將懸浮固體床流化成攪拌床。每個處理隔室28具有其自己的獨(dú)立攪拌水源32。攪拌水包含水和氣泡的混合物。第一壓力傳感器20連同第二壓力傳感器22一起操作從而通過調(diào)節(jié)進(jìn)入分離器系統(tǒng)10中的攪拌水的流速來控制攪拌床密度。為了調(diào)節(jié)攪拌水的流速，將來自第一壓力傳感器20和第二壓力傳感器22的測量信號提供至密度指示控制器(未顯示)，在所述密度指示控制器中確定計算的密度。加入或排出攪拌水從而維持恒定的床密度或攪拌床膨脹程度。此外，第二壓力傳感器22還將攪拌床水平信息饋送至水平指示控制器從而調(diào)節(jié)來自底流排放閥的流以用于連續(xù)和穩(wěn)態(tài)操作。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，其它水平和密度控制系統(tǒng)(包括浮選目標(biāo)或虹吸方法)是可能的。還有可能使用單個壓力傳感器來調(diào)節(jié)攪拌床密度。

顆?；旌衔飪?nèi)的疏水顆粒與攪拌水中的氣泡相互作用并且維持在流化攪拌床的上方或者被一些攪拌水帶到溢流槽14并且從系統(tǒng)中收集出來。顆?；旌衔飪?nèi)的親水顆粒不能附著至氣泡并且穿過流化攪拌床。重力造成該材料逐漸向下遷移并且到達(dá)受阻沉淀區(qū)域下方的脫水室24。經(jīng)處理的進(jìn)料然后通過位于脫水室24的底部的底流閥25排出。

如圖4可見，每個處理隔室28的攪拌水源32包括歧管34，所述歧管34設(shè)置在分離腔26中并且設(shè)置在脫水室24的上方。每個歧管被設(shè)置成貫穿分離腔26中的各個處理隔室28來分布攪拌水和空氣。攪拌水源32包括用于每個處理隔室28的分離的水和充氣控制。每個攪拌水源32能夠獨(dú)立操作，使得如果條件允許，可以在任何處理隔室28中加入化學(xué)添加劑。此外，可以獨(dú)立地控制攪拌水流速或空氣流速。通過對比圖3、4和5可以最佳地理解，在該實施方案中，可見脫水室24設(shè)置在分離腔26的本體中的串聯(lián)的最后一個處理隔室28的下方。第一個處理隔室之后的每個額外的處理隔室28允許顆粒橫向和豎向移動通過每個處理隔室28從而提供分離器系統(tǒng)10中的增加的顆粒保留時間。

所顯示和描述的分離器系統(tǒng)10不需要維持完全獨(dú)立的流化床浮選分離器操作。其不具有兩個串聯(lián)設(shè)置的流化床浮選分離器單元(或任何數(shù)目的串聯(lián)設(shè)置的獨(dú)立的流化床浮選分離器單元)，而是使用重力流或通過機(jī)械輸送，所顯示和描述的分離器系統(tǒng)10使用處理隔室28從而模仿單個低階流化床浮選分離器內(nèi)的串聯(lián)浮選分離器回路。

分離器系統(tǒng)10顯著減少相同數(shù)目的串聯(lián)流化床浮選分離器所需的足跡和高度。在單個分離腔26中可以實現(xiàn)與多個串聯(lián)浮選分離單元相同的回收率(基于上述等式)。

上述設(shè)置可以延伸從而覆蓋典型的攪拌床或流化床分離器，所述攪拌床或流化床分離器不使用空氣進(jìn)行操作并且可以用于密度濃縮或分級(即攪拌床分離器)?？梢钥紤]該分離器系統(tǒng)10用于密度和浮選分離應(yīng)用(利用氣泡的附著)并且之后的分離基于密度差和浮選基本原理。

圖2至圖5中顯示的分離器系統(tǒng)10包括除了最終處理隔室之外的所有處理隔室28的平坦底部的設(shè)置，所述最終處理隔室合并了脫水室24。然而，其它實施方案是可能的。圖6-8顯示了分離器系統(tǒng)10a的另一個實施方案，其中脫水室24a是在尾閥25a處具有頂點的偏心倒金字塔形狀。在該實施方案中，脫水室24a在每個處理隔室28a的下方延伸穿過整個分離腔26a。該實施方案具有三個處理隔室28a。在未顯示的另一個實施方案中，系統(tǒng)的底部完全平坦并且脫水排水器在一端離開系統(tǒng)。

將理解處理隔室的數(shù)目還可以在不同實施方案中變化。圖9顯示了一個分離器系統(tǒng)10b的實施方案，所述分離器系統(tǒng)10b具有五個處理隔室28b和四個內(nèi)部擋板30b。處理隔室的數(shù)目實際上不受限制。

圖10顯示了一個分離器系統(tǒng)10c的實施方案，其中不通過擋板描繪處理隔室28c并且分離器系統(tǒng)10c以敞口槽的形式操作。其顯示了每個處理隔室28c的操作條件受攪拌水源32c的控制，并且不需要其它實施方案中的擋板來描繪每個處理隔室28c。

雖然所顯示的實施方案都具有在其內(nèi)部包括開口的擋板，將理解擋板的數(shù)目和構(gòu)造并不固定。擋板不需要沿著處理隔室的整個長度延伸并且開口的尺寸不固定。實際上，擋板完全是任選的并且可以除去擋板或者完全不包括擋板。

所顯示的實施方案具有以線性和通常為直線構(gòu)造設(shè)置的處理隔室。然而，還將理解當(dāng)處理隔室的數(shù)目增加時，連續(xù)處理隔室可以以非直線的其他方式設(shè)置?？梢岳斫庖幌盗刑幚砀羰铱梢砸苑蔷€性或圓形模式設(shè)置并且實現(xiàn)相同結(jié)果。此外，顆粒流可以分開成平行處理流并且在平行處理隔室中進(jìn)行顆?；厥?。

本發(fā)明已經(jīng)參考數(shù)個優(yōu)選實施方案進(jìn)行描述。在閱讀和理解前述說明書時，他人可以進(jìn)行許多修改和變化。旨在構(gòu)建本發(fā)明從而包括所有這些變化和修改，只要它們落入所附權(quán)利要求或這些權(quán)利要求的等價形式的范圍內(nèi)。