Способ и устройство для флотации микродисперсий

(51) 03 1/02 (2006.01) 03 1/14 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Технический результат изобретения заключается в улучшении показателей флотации глубоко измельчнных (до микродисперсного состояния) руд в упрощении оборудования для генерации упругих пульсаций с псевдокавитационным эффектом. Технический результат достигается тем, что в способе флотации микродисперсий, включающем флотацию с выделением газов из пульпы непосредственно на флотируемых гидрофобных частицах, пульпу подвергают псевдокавитационной аэрации в пульсационном поле упругих колебаний частотой 25 кГц, кроме того, что количество воздуха, поступающее из атмосферы в полость аэратора, не должно превышать 10 кратного количества газов, выделяемых из раствора. Устройство для осуществления способа флотации микродисперсий включает вал, на котором установлен стержневые ротор и закрепленный на корпусе аэратора статор, при этом величина зазора между статором и ротором выполнена равной 35 мм, а толщина стержней статора и ротора в 24 раза больше зазора между ними и больше или равна ширине щелей между стержнями статора.(72) Еремин Юрий Прокопьевич Ультаракова Джумакуль Джумартовна Загайнов Виктор Григорьевич(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан Министерства индустрии и торговли Республики Казахстан(54) СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФЛОТАЦИИ МИКРОДИСПЕРСИЙ(57) Изобретение относится к области обогащения полезных ископаемых, в частности, к способам и устройствам для флотации руд цветных,благородных, редких, редкоземельных и чрных металлов, угля и нерудного химического сырья, а также может быть использовано в пищевой и других отраслях промышленности. 19803 Изобретение относится к области обогащения полезных ископаемых, в частности, к способам и устройствам для флотации руд цветных,благородных, редких, редкоземельных и чрных металлов, угля и нерудного химического сырья, а также может быть использовано в пищевой и других отраслях промышленности. При флотации тонковкрапленных руд,требующих тонкого измельчения, большая часть минеральных частиц имеет размеры,не превышающие 10 мкм, которые не поддаются селективному разделению современными технологиями. По мере уменьшения размера минеральных частиц их поведение в гидродинамических потоках меняется при флотации они теряют массу и наступает граничный предел, ниже которого микрочастица не может накопить в движении кинетическую энергию,обеспечивающую ей преодоление водноструктурного энергетического барьера при встрече с пузырьками. Известен роторно-пульсационный аппарат (А.С. СССР 442841, 1974), в котором пульсации генерируются также гидродинамическим устройством, но для этого используются отверстия во вращающихся дисках, а не стержни, что является основным отличием от заявляемого устройства. Недостатки аппарата - очень сложное устройство и малая производительность, неприспособленность для ведения псевдокавитационной флотации. Известны флотационная машина Аджитейр с пальцевыми (стержневыми) ротором и статором(Мещеряков Н.Ф. Флотационные машины и аппараты. - М., Недра, 1982, с. 129 - 131),стержневые аэраторы (А.С. СССР 457494, 1975 г. 764726, 1980 г. 1084082, 1984 г. 1233945, 1986 г. 1792744, 1993 г. патенты РФ 2095155, 1997 г. 2209688, 2001 г.), которые предназначены для создания оптимальных (для флотации частиц традиционных размеров) пульпо-воздушных смесей,и ни один из которых не является пульсационным,так как у них большой зазор между статорам и ротором. Наиболее близким устройством, принятым за прототип, является флотационная машина со стержневыми аэраторами ФПМ-3,2 (Мещеряков Н.Ф. Флотационные машины и аппараты.М.,Недра, 1982, с. 104 - 105), импеллер которого состоит из диска, к которому по периметру прикреплены стержни. Воздух в машину подается принудительно от воздуходувок, и стержневым аэратором достигается тонкая диспергация воздуха. Недостатком устройства является большой межстаторно-роторный зазор,исчисляемый сантиметрами, который не приводит к механогидравлическому возбуждению пульсационного поля и не создает возможность для ведения псевдокавитационной флотации т.е. он не предназначен для увеличения доли газов,выделяемых из водного раствора, что необходимо для флотации микрои нанодисперсий,нефлотируемых в условиях традиционных способов флотации. Недостаточная эффективность флотации 2 микродисперсий, приводит к снижению извлечения полезных компонентов в концентраты. Известен способ флотации тонковкрапленных руд, требующих глубокого измельчения, с аэрацией газами, выделяющимися из водной фазы систем путм вакуумирования (Классен В.И., Мещеряков Н.Ф. Флотация тонких шламов воздухом,выделяющимся из раствора. // Цв. Металлы, 1959,1, с. 13.). Способ заключается в том, что из раствора выделяется с большой скоростью большое количество газа на гидрофобных частицах. Недостатком вакуумного способа является отсутствие зоны дополнительного растворения воздуха в воде и низкая эффективность флотации микродисперсий. Известен способ флотации руд, заключающийся в том, что аэрирование пульпы, содержащей гидрофобные микро- и нанодисперсии, ведтся путм псевдокавитационного выделения газов из раствора с частотой ультразвука 300 кГц Ермин Ю.П., Жарменов А.А Ультаракова Д.Д. и другие Теория и технология обогащения природного и техногенного минерального сырья. 2-й том 10-ти томника Комплексная переработка минерального сырья Казахстана (состояние, проблемы, решения),Астана, Фолиант, 2003, с. 163-199. Недостаток способа невозможность промышленного использования способа из-за отсутствия ультразвуковой аппаратуры,позволяющей подвергать УЗ-обработке с частотой пульсаций 300 кГц миллиарды тонн пульп,перерабатываемых на обогатительных фабриках. Наиболее близким, принятым за прототип,является способ флотации тонковкрапленных руд,требующих глубокого измельчения, с аэрацией газами, выделяющимися из водной фазы систем путм эжекции (Мещеряков Н.Ф. Флотационные машины и аппараты. - М., Недра, 1982, с. 33 - 36). Способ заключается в том, что гидрофобные микрочастицы,которые по условиям гидродинамики не могут встретиться и войти во флотационный контакт с уже имеющимися вофлотосистеме пузырьками при выделении газов из водного раствора являются зародышами для выделения газов из него. Недостатком эжекторного способа является ограниченное количество растворенного в воде воздуха,не обеспечивающее аэрационные потребности процессов флотации, приводящее к снижению извлечения гидрофобных микрочастиц в пенный продукт. Эжекторная флотация микродисперсий дает относительно низкий результат - степень извлечения цинка составила 54,64. Задачей изобретения является создание эффективного, простого и технологичного способа и устройства для селективной флотации микродисперсий с использованием поля упругих колебаний для повышения количества растворяемых газов, участвующих в процессах, в первом(высоконапорном) периоде,и их псевдокавитационного выделения на гидрофобных 19803 микро- и наночастицах во втором периоде пониженного давления каждого колебательного цикла. Технический результат изобретения заключается в улучшении показателей флотации глубоко измельчнных (до микродисперсного состояния) руд в упрощении оборудования для генерации упругих пульсаций с псевдокавитационным эффектом. Для решения этой задачи предлагается способ и устройство, в котором поле упругих колебаний в пульпе (зона А по периферии статора на фигуре 1 и 10 на фигуре 2), содержащей микродисперсии,создается при вращении стержневого ротора относительно стержневого статора за счет зазора между ними,составляющего 35 мм,обеспечивающий частоту создаваемых пульсаций 27 кГц по периферии статора, при этом образуется систематическое микромасштабное упругое пульсационное поле (зона А на фиг. 1) с псевдокавитационным выделением газов из раствора - гидрофобные микрочастицы при этом являются зародышами для выделения газов из водного раствора, что делает процесс флотационной аэрации селективным уже на стадии образования пузырьков. Колебания соответствуют предакустическим частотам, создают псевдокавитационный эффект и обеспечивают повышение извлечения цинка до 63,44. Предлагаемый способ флотации и устройство для его осуществления создают поле упругих пульсаций давления, в котором при наличии гидрофобных микрочастиц осуществляется их псевдокавитационная флотация, при этом зазормежду статором и ротором (фиг. 2) составляет 35 мм. Наибольший пульсационный и технологический эффект достигается при одинаковой толщине К статора и ротора и отношении /24 - при дальнейшем увеличении К/м кинетическая энергия порций пульпы, выбрасываемых из щелей ротора,не преобразуется в энергию упругих колебаний, и аэратор работает, как смеситель ширина щелей статора ст должна быть не меньше их толщины Кст(стст), иначе пульсационное поле будет иметь микровихри, с низкой интенсивностью. Оптимум ширины шелей ротора т определяется необходимостью пропускать через них достаточное количество массы пульпы с достаточной линейной скоростью, чтобы обеспечить пульсационное преобразование кинетической энергии отсеченной порции пульпы в энергию упругих колебаний. Также установлено, что при превышении 10 кратного отношения количества газов,поступающих в процесс из атмосферы, к количеству газов, выделяемых из раствора, пульсационный процесс прекращается, устройство работает как традиционный импеллерный аэратор и микродисперсии не флотируются. Изобретение поясняется чертежами на фиг. 1 общий вид устройства, на фиг. 2 фрагмент Б фиг. 1,на фиг. 3 фотоснимки лабораторного аэратора статора и ротора. Устройство для осуществления способа включает стержневые ротор 1 и статор 2 статор закреплен на корпусе аэратора 3, в котором предусмотрены каналы для регулируемого питания пульпой 4 и воздухом 5. С целью предотвращения попадания в роторно-статорный объем нерегулируемых количеств воздуха предусмотрен сальник 6 между валом и полой трубой корпуса. На фрагменте Б показаны рабочие плоскости стержней ротора 7 и статора 8, а также вектор напорного потока натекания 9, и пульсационная зона развитой микротурбулентности 10,в которой идет высокоактивное выделение газов, 11 - расходомер для подачи воздуха а также размеры стержней роторно-статорного блока- величина зазора между ротором и статором Кст - толщина стержней и Кщ - толщина щелей ст - ширина стержней и щ ширина щелей. Устройство работает следующим образом. Во время вращения ротора 1 в его полости возникает вакуум, благодаря чему через отверстие в корпусе 3, по каналам 4 и 5 непрерывно засасывается пульпа из камеры и воздух из окружающей среды через регулируемый расходомер 11. Смесь пульпы и воздуха, выбрасываемая порциями 9 из щелей ротора 7 с большой окружной скоростью, ударяется о грани стержней статора 8 и благодаря высокому давлению происходит дополнительное растворение газов в водной фазе. В щелях статора 2 и при набегании на переднюю грань стержня 7 поток в определенной степени остатся ламинарным, хотя общее направление потока меняется. По мере приближения к рабочей грани стержня статора 8 вырывающиеся из щелей ротора 1 потоки затухают, при этом энергия расходуется на упругое сжатие. В этот момент пульпа испытывает наибольшее давление, величина которого зависит от скорости набегания и от плотности пульпы. В высоконапорной зоне, благодаря повышенному давлению, создаются условия для растворения газов. При больших скоростях вращения ротора 1 в кормовой области стержней статора 8, позади линии отрыва, начинается порционный отрыв вихрей от граней этих стержней и движение струй пульпы турбулизуется 10. Условия диффузии газов до и позади линии отрыва различны. Пульсации позади стержня постепенно затухают. Затухание это происходит на расстояниях, сравнимых с масштабом сечения стержней и превышающих эти расстояния по величине. Одновременная пульсация пульпы из всех щелей статора 2 упорядочивает е движение, образуя пульсационное поле А. В центрах многочисленных пульсационных вихрей образуются участки с пониженным давлением 10, в которых начинается образование полостей,выделение воздуха из раствора и образование газовых пузырьков, т.е. псевдокавитационный процесс, в котором отсутствует фаза захлопывания полости. Присутствие в пульпе гидрофобных минеральных частиц, не связанных энергетически с водой, приводит к выделению газа из раствора на их поверхностях и положительно влияет на увеличение прочности и срока жизни пузырьков, а также 3 19803 смещает процесс из кавитационного в направлении псевдокавитации. Способ реализуется следующим образом. При вращении внутреннего цилиндра (ротора 1) относительно внешнего неподвижного цилиндра(статора 2) происходит чередование совмещения и несовмещения стержней и прорезей этих цилиндров с частотой, определяемой количеством щелей в роторе и скоростью его вращения. Это вызывает упругие пульсации частотой от 2 до 5 кГц(дальнейшее увеличение частоты пульсаций за счет увеличения скорости вращения ротора приводит к значительному поступлению воздуха в полость аэратора извне, и это отрицательно влияет на характер пульсаций), при этом элементом,генерирующим пульсации, является каждая щель статора, в результате чего по периферии статора образуется пульсационное поле, подчиняющееся законам воздействия упругих колебаний на среду. Ширина щели между ротором и статором 2 мм 3 мм 5 мм 6 мм При этом относительно малые колебания давления обеспечивают эффективность функционального использования двух периодов- растворение дополнительного количества газов в высоконапорном периоде сжатия, что обеспечивает процесс аэрации необходимым количеством растворенных газов- псевдокавитационное выделение газов в периоде разрежения среды, чем и обеспечивается псевдокавитационная аэрация с выделением газов из водной фазы непосредственно на гидрофобных минеральных микрочастицах, то есть селективная флотация микродисперсий. Для определения оптимальной ширины зазора щели между ротором и статором проведены опыты в открытом свинцовом цикле на свинцово-цинковой руде Акжальского месторождения, при тонине помола 10044 мкм. Данные приведены в таблице 1 Таблица 1 Показатели флотации Содержание,Извлечение,48,5 75,9 50,6 78,6 51,1 77,9 43,7. 69,4, Полученные результаты показывают, что при прочих равных условиях при ширине зазора от 3 до 5 мм получены лучшие показатели флотации свинцовых минералов. Для определения оптимальных значений частоты пульсаций, определяемой количеством щелей в роторе и скоростью его вращения проведены опыты в открытом свинцовом цикле на свинцово-цинковой руде Акжальского месторождения, при тонине помола 10044 мкм. Данные приведены в таблице 2 Таблица 2 Показатели флотации свинца Содержание,Извлечение,41,84 64,54 51,86 56,07 50,81 77,5 57,35 79,17 58,08 84,81 49,41 78,53 45,41 65,62 Из приведнных экспериментальных результатов видно, что заявляемый способ и устройство для его осуществления обеспечивают весьма существенный положительный эффект при флотации микродисперсий не только по извлечению свинца,но и по качеству получаемого концентрата в пределах частоты пульсаций от 2 до 5 кГц. Увеличение частоты пульсаций свыше 5 кГц (за счет увеличения скорости вращения ротора) приводит к значительному поступлению воздуха в полость аэратора извне, и это отрицательно влияет Тип аэратора устройство прототип Заявляемое устройство Заявляемое устройство Заявляемое устройство Заявляемое устройство Заявляемое устройство Заявляемое устройство на характер пульсаций и, как следствие, на технологические результаты. Аэраторы для флотации микро- и нанодисперсий испытаны на той же руде, измельчнной до 80 90 - 100 по классу 44 мкм. Результаты,полученные в замкнутом цикле флотации,имитирующий фабричные условия, при частоте пульсаций 3,38 кГц, с прототипом (лабораторный аэратором ФПМ 3,2) и с предлагаемым устройством сведены в таблице 3 Прототип заявляемый Прототип заявляемый Прототип заявляемый Прототип заявляемый Прототип заявляемый Прототип заявляемый Из приведнных экспериментальных результатов видно, что заявляемое устройство обеспечивает весьма существенный положительный эффект при флотации микродисперсий не только по извлечению металлов, но и по качеству получаемых концентратов. Сравнительные опыты заявляемого и эжекторного способа флотации (прототип) в лабораторных условиях проведены в открытом цикле на цинковой руде Акжальского месторождения, при тонине помола 10044 мкм. Данные приведены в таблице 4 Таблица 4 Показатели флотации цинка Содержание,Извлечение,18,86 54,64 31,3 63,44 Как видно из данных таблицы 4, эффективность флотации цинковых минералов по заявляемому способу превышает известный на 8,8. Таким образом, проведенные опыты по предлагаемому способу, который реализован в предложенном устройстве,подтвердили эффективность, простоту и технологичность селективной флотации микродисперсий. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ флотации микродисперсий,флотацию с выделением газов непосредственно на флотируемых частицах, отличающийся тем,подвергают псевдокавитационной включающий из пульпы гидрофобных что пульпу аэрации в пульсационном поле упругих колебаний частотой 25 кГц. 2. Способ по п.1 отличающийся тем, что количество воздуха, поступающее из атмосферы в полость аэратора, не должно превышать 10 кратного количества газов, выделяемых из раствора. 3. Устройство для флотации микродисперсий,включающее вал,на котором установлен стержневые ротор и закрепленный на корпусе аэратора статор, отличающийся тем, что величина зазора между статором и ротором выполнена равной 35 мм, при этом толщина стержней статора и ротора в 24 раза больше зазора между ними и больше или равна ширине щелей между стержнями статора.