Устройство для обезвоживания и деминерализации мелких частиц
Изобретение относится к устройству и способу диспергирования агломератов гидрофобных частиц, например, угля и гидрофобных минералов, в непрерывной фазе из гидрофобной жидкости. Способ диспергирования гидрофобных частиц в гидрофобной жидкости предусматривает подачу агломератов гидрофобных частиц, содержащих капли воды и гидрофильное минеральное вещество, захваченное в них, в контейнер, причем указанный контейнер содержит гидрофобную жидкость; разрушение агломератов и высвобождение капель воды и гидрофильного минерального вещества из указанных агломератов путем перемещения агломератов а) по пути в насадочном материале, b) по пути в раздробленном материале или с) во встроенном статичном смесителе; удаление гидрофобной жидкости и гидрофобных частиц из контейнера через первое выпускное отверстие и выгрузку капель воды и гидрофильного минерального вещества из контейнера через второе выпускное отверстие. Изобретение обеспечивает создание турбулентного потока, который способствует дестабилизации агломератов в пригодной для повторного использования гидрофобной жидкости и облегчает диспергирование. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 10 табл., 9 ил.
Настоящее изобретение относится к устройству и способам диспергирования агломератов гидрофобных частиц, например, угля и гидрофобных минералов, в непрерывной фазе из гидрофобной жидкости. Дисперсия обезвоживает гидрофобные частицы путем высвобождения капель воды, захваченных в агломератах, вместе с гидрофильными частицами, диспергированными в каплях.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
Уголь представляет собой органический материал, который сжигают для получения тепла для производства энергии и для других промышленных и бытовых применений. Однако, он имеет включения минеральных веществ, которые могут содержать нежелательные элементы, такие как сера и ртуть. Сжигание угля может, таким образом, давать большие количества золы, сдуваемой пыли, ртути и SO2, которые может быть необходимо обрабатывать должным образом. Таким образом, рядовые (ROM) угли очищают от минеральных веществ перед использованием, что также способствует повышению полноты сгорания и, таким образом, снижает выбросы СО2. В общем, крупнокусковой уголь (50×0,15 мм) можно эффективно очищать путем использования разностей удельной массы (SG) между органическим веществом (углем) и неорганическим минеральным веществом.
ROM уголь может иметь большие колебания влаги и максимального размера частиц. Диапазон размера частиц охватывает от крупнокускового угля до тонкоизмельченного или пылевидного угля. Суспензии крупных частиц легче обрабатывать и обезвоживать, чем суспензии мелких частиц.
В публикациях патентных заявок США №2013/0111808 и №2013/0340328, которые включены в настоящий документ ссылкой, раскрыт способ очистки и обезвоживания угольной мелочи размером менее ~0,15 мм путем агломерации сначала гидрофобного (или органического) угля в водной суспензии в присутствии гидрофобной жидкости (или масла). Гидрофобные агломераты затем отделяют от минерального вещества, диспергированного в водной фазе, используя подходящий способ сортировки по размеру, такой как просеивание. В процессе образования агломератов капли воды захватываются между гидрофобными частицами, составляющими агломераты. Таким образом, гидрофобные агломераты разрушаются (или дестабилизируются) механическими средствами для высвобождения (или выделения) захваченных капель воды из частиц угля. Стадию разрушения проводят в гидрофобной жидкой фазе, так что гидрофобные частицы легко диспергируются. Если гидрофобные частицы полностью диспергируются, большинство капель воды высвобождаются из угля и падают на дно, образуя водную фазу. Когда капли воды отделяют от угля таким образом, гидрофильное минеральное вещество, диспергированное в них, также отделяется от угля.
Если процесс разделения гидрофобных и гидрофильных частиц (HHS), описанный выше, проводят в гидрофобной жидкости, которая может образовывать большие краевые углы смачивания (0) свыше 90° на частицах угля, суспендированных в воде, гидрофобная жидкость заменяет поверхностную воду или молекулы воды, прилипшие к поверхности частиц угля. Этот механизм, известный как обезвоживание замещением (DbD), был раскрыт в публикациях патентных заявок США №2013/0111808 и №2013/0340328. В этих заявках раскрыты способы одновременного использования механизмов (или процессов) HHS и DbD для получения угольных продуктов с низким содержанием влаги и золы из различных суспензий угольной мелочи, которые получают на углеобогатительных фабриках. Уровни влаги, которые можно получить при помощи стадий, описанных в вышеуказанных раскрытиях, сравнимы с уровнями, получаемыми при помощи термической сушки, которая является дорогостоящей и создает экологические проблемы.
Когда гидрофобные агломераты помещают в гидрофобную жидкость, такую как н-пентан, образуются эмульсии типа «вода в масле», причем гидрофобные частицы служат в качестве стабилизатора эмульсии или эффективно в качестве «твердых поверхностно-активных веществ». Количество энергии (Е), требуемое для отделения гидрофобных частиц от поверхности раздела вода-масло, можно оценивать при помощи следующего соотношения (Binks, В.Р., Current Opinion in Colloid and Interface Science, 7, 2002, p.7.21),
где yolw представляет поверхностное натяжение на границе масло/вода, r представляет радиус частиц, а θ представляет краевой угол смачивания, измеренный через водную фазу. Ур. [1] показывает, что, чем больше краевой угол смачивания, тем ниже энергия, требуемая для диспергирования гидрофобных частиц в гидрофобной жидкой (или масляной) фазе. Ур. [1] показывает также, что, чем меньше частицы, тем ниже энергия, требуемая для разрушения гидрофобных агломератов и диспергирования частиц в гидрофобной жидкости.
В вышеуказанных патентных заявках США гидрофобные жидкости выбирают из короткоцепочечных н-алканов и алкенов, как неразветвленных, так и разветвленных, и циклоалканов и циклоалкенов, с углеродным числом менее восьми. Эти и другие гидрофобные жидкости, такие как лигроин (легкая сольвент-нафта), нафта и бензино-лигроиновая фракция и их смеси, имеют краевые углы смачивания (θ) больше 90°, так что гидрофобные частицы можно отделять от границ раздела вода/масло с минимальным расходом энергии и легко диспергировать в органических жидкостях. Кроме того, эти гидрофобные жидкости имеют низкие вязкости и низкие температуры кипения, так что их можно легко извлекать разделением твердой и жидкой фаз (например, фильтрацией под давлением) и путем испарения/конденсации с целью рециркуляции. Жидкий диоксид углерода (СО2) является другой жидкостью, которую можно использовать в качестве гидрофобной жидкости в настоящем изобретении.
В промышленности нефтеносных песков битум извлекают флотацией, и извлеченный битум затем обрабатывают растворением пенного продукта в гидрофобной жидкости и затем удалением захваченной воды вместе с гидрофильными частицами, такими как глина, диспергированная в каплях воды. На этой стадии образуются эмульсии типа «вода в масле», вызывая сложности для обезвоживания. В настоящее время эмульсии типа «вода в масле» дестабилизируют при помощи различных химических веществ. Возможно, что способ и устройство, раскрытые здесь, можно использовать для дестабилизации эмульсий и облегчения процесса обезвоживания.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Объект настоящего изобретения относится к устройству для диспергирования гидрофобных агломератов и/или эмульсий типа «вода в масле», стабилизированных гидрофобными частицами в гидрофобной жидкости. Гидрофобные агломераты могут содержать уголь или другие мелкие частицы, которые являются или гидрофобными по природе, или гидрофобизированными при помощи гидрофобизатора(ов). Устройство содержит резервуар или полую трубу. Внутри резервуара или трубы находится по меньшей мере один механизм-турбулизатор, который может разрушать агломераты (или эмульсии) при помощи соответствующего механического устройства.
Другой объект настоящего изобретения относится к способам использования устройства для механического разрушения гидрофобных агломератов и диспергирования их в непрерывной фазе из гидрофобной жидкости.
Дополнительный объект настоящего изобретения относится к способам изготовления устройства для диспергирования гидрофобных агломератов.
Еще один объект настоящего изобретения относится к применению способов и устройства для дестабилизации эмульсий типа «вода в масле», стабилизированных асфальтенами, в процессе обезвоживания битума, извлеченного флотацией.
Краткое описание фигур
Вышеуказанные предшествующий уровень техники и краткое раскрытие, а также следующее подробное описание фигур будут лучше понятны при прочтении вместе с приложенными фигурами. С целью иллюстрации настоящего изобретения на фигурах показаны варианты осуществления, которые предпочтительны в настоящее время. Следует понимать, однако, что настоящее изобретение не ограничено точными показанными компоновками и средствами. На фигурах:
фиг. 1 представляет собой изображение, показывающее блок вибрационных сит, которые сконструированы для обеспечения достаточной механической силы для разрушения гидрофобных эмульсий;
фиг. 2 представляет собой изображение, показывающее соединение между блоком сит и двигателем;
фиг. 3 представляет собой изображение, показывающее блок сит и двигатель, установленные в цилиндрическом резервуаре;
фиг. 4 представляет собой набор турбинных мешалок Раштона, соединенных с вращающимся валом, которые можно использовать для создания турбулентности для разрушения гидрофобных агломератов и диспергирования гидрофобных частиц в гидрофобной жидкости;
фиг. 5 представляет собой изображение блока турбинных мешалок Раштона, установленных внутри цилиндрического резервуара;
фиг. 6 представляет собой изображение блока мешалки типа Wemco, установленного внутри цилиндрического резервуара с перегородками;
фиг. 7 представляет собой изображение встроенного смесителя, который сконструирован для создания турбулентного потока, который можно использовать для разрушения гидрофобных агломератов, когда они проходят по извилистому пути, создаваемому закрученными лопастями;
фиг. 8 представляет собой изображение устройства, в котором гидрофобные агломераты разрушаются турбулентным потоком, создаваемым пульсирующей жидкостью, движущейся вверх через слой насадки из рифленых материалов; и
фиг. 9 представляет собой изображение устройства, в котором гидрофобные агломераты разрушаются турбулентным потоком, создаваемым пульсирующей жидкостью, движущейся циклически вверх и вниз через раздробленный материал, расположенный на сите, таким же образом, как и в вибрационном грохоте, используемом для разделения твердых фаз в горнодобывающей и угольной промышленности.
Подробное описание предпочтительного варианта осуществления
Настоящее изобретение относится к устройству для дестабилизации гидрофобных агломератов и диспергирования гидрофобных мелких частиц в гидрофобной жидкости. Устройство содержит резервуар или трубчатый контейнер. Внутрь контейнера помещен механизм-турбулизатор, который может обеспечивать достаточную энергию для разрушения (или дестабилизации) агломератов и диспергирования частиц в гидрофобной жидкости. Механизмы-турбулизаторы включают, помимо прочего, i) по меньшей мере одно вибрационное сито, центр которого прикреплен к валу, ii) по меньшей мере одну динамическую мешалку, in) по меньшей мере один статический и динамический встроенный смеситель, iv) пневматический или механический создающий пульсацию механизм, который может двигать вперед и назад суспензию гидрофобных агломератов по извилистому пути, создаваемому слоем насадочных материалов, v) пневматический или механический создающий пульсацию механизм, который может двигать вперед и назад суспензию гидрофобных агломератов через слой частиц, находящихся на сите, и vi) ультразвуковой аппарат для создания достаточной механической силы для разрушения гидрофобных агломератов.
Ссылаясь на фиг. 1 увидим, что показан вариант осуществления настоящего изобретения, где два сита 102 и 104 прикреплены к одному валу 106. В варианте осуществления вал 106 может представлять собой цилиндрический металлический стержень. Прикрепление каждого из сит 102 или 104 к валу 106 может быть при помощи втулки 108. Втулка 108 установлена вокруг вала и может быть прикреплена к валу подходящим крепежным элементом, таким как винты, болты, скобы и пр. Способ прикрепления не важен, поскольку сито 102 или 104 закреплено на валу 106 без допуска на скольжение сита по длине вала при работе. Вал соединен с поршневым двигателем 204, сконструированным для осуществления вибрации сита в вертикальном направлении, как показано на фиг. 2 и 3.
Сито 102 или 104 предпочтительно стабилизировано кольцом 110 по его наружному периметру. Кольцо может быть изготовлено из металла или полимера и обеспечивает достаточную жесткость для сохранения сита плоским без деформации при работе. Сито можно также дополнительно стабилизировать по меньшей мере одним поддерживающим стержнем 112, проходящим от центра сита к кольцу 110. Поддерживающий стержень 112 жестко прикреплен к кольцу 110 для дополнительной стабилизации сита. Хотя на фиг. 1 показаны стержни, пересекающиеся приблизительно под углом 90 градусов, любое число стержней можно использовать для стабилизации сита. Предпочтительно стержни расположены на одинаковом расстоянии по окружности сита для обеспечения равномерной поддержки сита. Подобно кольцу 110, поддерживающий стержень может быть изготовлен из металла или полимера, поскольку он обеспечивает достаточную жесткость для сохранения сита плоским без деформации при работе.
Один конец вала соединен с поршневым двигателем 204 фиг. 2 и 3. Ссылаясь на фиг. 2, показан механизм для такого прикрепления. Вал 106 соединен с валом 202 поршневого двигателя 204, например, при помощи переходника 206, который жестко и соосно прикрепляет вал 106 к валу двигателя 202. Соединение предусматривает передачу возвратно-поступательного движения вала двигателя 204 на вал 106.
В предпочтительном варианте осуществления опорная конструкция 208 обеспечивается для дополнительной стабилизации соединения между двигателем 204 и валом 106. Опорная конструкция предпочтительно содержит зажим 210, фланец 212 и соединительные стержни 214, соединяющие зажим 210 с фланцем 212. Зажим 210 устанавливается вокруг и зажимает корпус двигателя 204. Фланец 212 представляет собой по существу блок в виде плоского диска с отверстием в середине диска, через которое проходит вал 106. Отверстие обеспечивает прохождение вала 106 через него, но не так плотно, чтобы оно затрудняло вертикальное движение вала. Фактически, отверстие позволяет валу 106 перемещаться в направлении, приблизительно вертикальном плоскости диска, но препятствует перемещению вала в направлении, приблизительно параллельном плоскости диска. Зажим 210 и фланец 212 жестко соединены друг с другом при помощи соединительных стержней 214 с получением жесткой конструкции для сохранения соединения между двигателем 204 и валом 106, чтобы обеспечивать плавную передачу возвратно-поступательного движения валу 106.
На фиг. 3 показан блок сит, установленный в резервуаре. При использовании вал и сита затем помещают внутрь резервуара 305. Помещение происходит так, что кольцо 110 не находится в контакте со стенкой резервуара 305. В связи с этим предпочтительно, чтобы кольцо имело наибольший диаметр, который составляет приблизительно 70-95% внутреннего диаметра резервуара, предпочтительно приблизительно 80-90%. Для изоляции паров углеводородов из внешней атмосферы герметичную защитную оболочку 303 и уплотнение 304 можно устанавливать вокруг вала вне реактора.
При работе агломераты (полученные при смешивании мелких гидрофобных частиц в водной среде с гидрофобной жидкостью) и гидрофобную жидкость подают в резервуар 305 через впускную трубу 306. Двигатель 204 затем запускают для обеспечения возвратно-поступательного движения вала 106 и, таким образом, сит 102 и 104. Это обеспечивает вибрацию сит 102 и 104 в вертикальном направлении в резервуаре 305, чтобы способствовать диспергированию агломератов угля.
Гидрофобная жидкость, используемая в резервуаре 305, может представлять собой, помимо прочего, н-алканы (такие как пентан, гексан и гептаны), н-алкены, неразветвленные и разветвленные циклоалканы и циклоалкены с углеродным числом менее восьми, лигроин, нафту, бензино-лигроиновую фракцию, петролейный эфир, жидкий диоксид углерода и их смеси. Предпочтительной гидрофобной жидкостью является пентан.
Размер ячеек сита должен быть больше, чем размер наибольших частиц, составляющих гидрофобные агломераты, чтобы диспергированные частицы могли легко проходить через ячейки сита. Вибрационная прочность сита, измеренная при помощи ускорения из-за вибрации, нормализованной относительно ускорения свободного падения, находится в диапазоне от 0,5 до 10 для случая агломератов угля, образованных частицами менее 44 мкм. Вибрационная прочность задана как
где А является амплитудой вибрации в метрах, ω представляет собой угловую скорость двигателя, создающего вибрацию, ƒпредставляет собой частоту вибрации в Гц, a g
является ускорением свободного падения. Если ζслишком мало, агломераты не разрушаются, тогда как, если ζ слишком велико, образуются эмульсии типа «вода в масле».
Другой вариант осуществления настоящего изобретения показан на фиг. 4 и 5, который по существу изображает турбинную мешалку Раштона в качестве примера использования динамической турбинной мешалки в качестве механизма-турбулизатора. Устройство содержит плоский диск 422, установленный на вращающемся валу 421 посредством кольцевых зажимов 424, причем плоские лопасти 423 установлены вертикально. Блок вала и турбинной мешалки вращается посредством электрического двигателя 502. Для изоляции паров углеводородов из внешней атмосферы герметичную защитную оболочку 303 и уплотнение 304 можно устанавливать вокруг вала вне реактора.
На фиг. 5 показана турбинная мешалка Раштона, установленная в цилиндрическом резервуаре 505. Гидрофобный агломерат подают в питающую трубу 506 для обеспечения агломератов, которые следует разрушать турбулентным потоком, создаваемым турбинными мешалками, закрепленными на валу 421. Разрушение агломератов диспергирует гидрофобные частицы в гидрофобной жидкой фазе 511, в то же время высвобождая (или выделяя) небольшие капли воды, которые были захвачены между гидрофобными частицами, составляющими агломераты. Дисперсия гидрофобных частиц в гидрофобной жидкости 511 перетекает в бак 507 для выгрузки, чтобы удаляться из резервуара 505, в то время как капли выделенной воды падают на дно под действием силы тяжести с получением водной фазы 509, образуя границу 510 раздела вода-гидрофобная жидкая фаза. Когда воду, захваченную в гидрофобных агломератах, удаляют из гидрофобных частиц, как описано выше, гидрофильное минеральное вещество, такое как глина, также удаляется. Таким образом, устройство, описанное выше, способно одновременно удалять как воду, так и минеральное вещество из мелких частиц. Процесс разделения, описанный для данного варианта осуществления, по существу такой же, как для варианта осуществления с вибрационным ситом (фиг. 1-3), за исключением того, что турбинные мешалки Раштона используют вместо вибрационных сит.
На фиг. 6 показан другой вариант осуществления настоящего изобретения, в котором агломераты угля подают в цилиндрическую емкость 608. Емкость показана оснащенной 4 отбойными перегородками 601, расположенными вблизи границы 600 раздела масло/вода между гидрофобной масляной фазой 603 и водной фазой 604, находящейся на дне емкости 608. Турбинная мешалка 602 представляет собой шестилопастную турбинную мешалку с радиальным потоком такой же формы, как флотационная машина типа Wemco®, продаваемая компанией FLSmidth, и соединена с вращающимся валом 606, который вращает турбинную мешалку 602 для создания турбулентного потока в середине емкости 608, а не около стенки емкости. Деагломерированные гидрофобные частицы угля в суспензии рециркулируют посредством выпускного отверстия, изображенного как 607, тогда как высвобожденные капли воды и минеральное вещество, диспергированное в ней, отделяют в виде нижнего слива из днища емкости 608 под перегородками 601.
На фиг. 7 показан дополнительный вариант осуществления настоящего изобретения, который представляет собой встроенный статичный смеситель. Встроенный статичный смеситель сконструирован для создания турбулентного потока, в то время как гидрофобные агломераты перемещаются по трубе 702. Степень турбулентности регулируют изменением числа и формы перемешивающих элементов 704, установленных в трубе, и скорости жидкости. Этот вариант осуществления главным образом содержит трубу 702, которая имеет перемешивающие элементы 704, установленные в трубе. Перемешивающие элементы 704 могут иметь различные формы и конструкции для создания турбулентного потока, когда жидкость, содержащая агломераты, проходит через трубу. Турбулентный поток достаточен для диспергирования или разрушения агломератов для высвобождения захваченной воды и связанных гидрофильных минералов.
На фиг. 8 показан дополнительный вариант осуществления настоящего изобретения, в котором гидрофобные агломераты разрушают при помощи подачи их импульсами по извилистому пути между насадочными материалами, помещенными в резервуар или колонну. Сырье подают через отверстие 800 в устройство 801, которое заполнено гидрофобной жидкостью 802 и насадочными материалами 803. Импульс сжатого воздуха подают через верхнее отверстие 809 в верхней части для проталкивания уровня 807 гидрофобной жидкости внутри расположенной по центру трубы 804 вниз, что, в свою очередь, выталкивает уровень жидкости 805 из трубы 804 вверх. Когда ход импульса останавливается, уровень жидкости 807 в трубе 804 восстанавливается, тогда как уровень жидкости 805 в наружной части снижается. Цикл подачи импульса и остановки перемещает агломераты вверх и вниз по извилистому пути между насадочными материалами 803, вызывая разрушение гидрофобных агломератов или эмульсии воды в гидрофобной жидкости и диспергирование отдельных гидрофобных частиц в гидрофобной жидкости. Гидрофобные частицы, полностью диспергированные в гидрофобной жидкости, удаляются через выпускное отверстие 811, тогда как капли воды, высвобожденные из агломератов, и гидрофобное минеральное вещество, диспергированное в воде, падают на дно и выгружаются через отверстие 815 в днище устройства. Эффективность установки регулируют циклом подачи импульса и остановки, временем удержания и насадочными материалами.
На фиг. 9 показан другой вариант осуществления настоящего изобретения, в котором агломераты угля подают в емкость 908 вибрационного грохота. Гидрофильные частицы 904 кварца (дробление) укладывают сверху сита 903, расположенного во внутреннем пространстве емкости 908. Размер ячеек сита меньше, чем размер частиц 904, так что частицы 904 не могут проходить через сито и остаются диспергированными в гидрофобной масляной фазе 901, тогда как высвобожденная вода и минеральное вещество объединяются на поверхности частиц 904, образуя капли. Когда размер капель становится достаточно большим, объединенные вода и минеральное вещество отпадают от поверхности частиц 904, проходят через сито и поверхность 900 раздела вода-масло, где они отделяются как нижний слив из водной фазы 902. При работе модифицированный диафрагменный насос 906 обеспечивает циклы выталкивания и всасывания (вибрации), которые проталкивают агломераты по извилистому пути между частицами кварцевой насадки, высвобождая захваченную воду и минеральное вещество, в то же время деагломерированные гидрофобные частицы угля в суспензии рециркулируют посредством выпускного отверстия, показанного как 907.
Без дополнительного описания считается, что специалист в данной области может, используя предыдущее описание и следующие иллюстративные примеры, получать и использовать устройства настоящего изобретения и осуществлять на практике заявленные способы. Следующие примеры даны для иллюстрации настоящего изобретения. Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено конкретными условиями или элементами, описанными в этих примерах.
Примеры
Вышеуказанные конструкции и устройства тестировали на механическое диспергирование гидрофобных агломератов угля в гидрофобной жидкости как на лабораторной, так и опытно-экспериментальной установке (РОС). Последняя была маломощной установкой для испытания в непрерывном режиме, которая могла производить 50-100 фунтов/час чистого угля. Уголь является гидрофобным по природе и, таким образом, может образовывать агломераты в воде в присутствии относительно небольших количеств гидрофобной жидкости (или углеводородного масла) и диспергироваться в жидкости.
Большинство минералов, встречающихся в природе, таких как апатит и халькопирит, гидрофильны по природе. Когда данный минерал соответствующим образом гидрофобизируют, однако, устройства, раскрытые в настоящем изобретении, можно также использовать сначала для агломерации минеральной мелочи при помощи гидрофобной жидкости, а затем диспергирования их в гидрофобной жидкости таким же образом, как описано для угольной мелочи.
Образцы угля, используемые в примерах, показанных ниже, представляли собой свежеприготовленные водные суспензии, а не те, которые уже находились в накопителях угольной мелочи. Тестировали три различных типа угольной мелочи: флотационное сырье 100 меш×0 (или 0,15 мм×0), перелив из 6-дюймовых циклонов для удаления илистых частиц и выходящие потоки из центрифуг обезвоживания чистого угля (центрифуг-грохотов). Два последних образца состояли из угля и минеральной мелочи с высоким содержанием глины размером < 44 мкм, диспергированных в воде, с содержанием твердых веществ в диапазоне от 3 до 10% твердых веществ. Все образцы угля использовали в том виде, как получали.
В данном лабораторном тесте объем угольной суспензии перемешивали в кухонном блендере, оборудованном 600 мл стеклянным контейнером, при высокой угловой скорости в течение 40-60 секунд в присутствии н-пентана. Гидрофобные агломераты, образовавшиеся при этом условии, обычно были малы. Путем перемешивания суспензии дополнительно при низкой скорости в течение 2-5 минут агломерат становился достаточно крупным для отделения от диспергированного гидрофильного минерального вещества путем просеивания. Гидрофобные агломераты, извлеченные в виде верхнего продукта грохочения, обычно содержат 45-70% влаги. Существует две причины высокого содержания влаги; одна состоит в прилипании воды на поверхность угля (поверхностная влага), а другая - капли воды, захваченные в пористой структуре гидрофобных агломератов. Гидрофобные агломераты также показывают высокое содержание золы, обычно в диапазоне 8-15%, поскольку значительные количества минерального вещества диспергированы в захваченных каплях воды.
Гидрофобные агломераты затем помещали в лабораторное устройство, содержащее достаточный объем н-пентана. Механическое усилие прикладывали для разрушения агломератов и последующего диспергирования гидрофобных (или угольных) частиц в гидрофобной жидкости (н-пентане). Механические усилия создавали посредством вибрационного сита, динамического смесителя, ультразвукового аппарата и вибрационного грохота. Когда гидрофобные агломераты разрушались (или дестабилизировались), захваченные капли воды высвобождались из угля и осаждались на дно устройства вместе с гидрофильным минеральным веществом, диспергированным в каплях воды. Дисперсии угля в пентане позволяли перетечь в химический стакан, тогда как вода и минеральное вещество осаждались на дно. Дисперсию угля в пентане, извлеченную в химический стакан, подвергали разделению на твердую и жидкую фазы, а уголь затем анализировали на содержание влаги и золы.
Устройство, оборудованное набором вибрационных сит (фиг. 1, 2 и 3), также тестировали на опытно-экспериментальной установке (РОС) при непрерывной работе. Обычно четыре-пять 55-галонных барабанов угольной суспензии подавали в РОС установку, в то же время собирая как чистый уголь, так и потоки отходов. Первый анализировали на содержание золы и влаги, тогда как последние - на содержание золы.
Пример 1
В этом примере два образца угля из Питтсбурга с различными размерами частиц агломерировали при условиях перемешивания с большим усилием сдвига, а затем перемешивания с низким усилием сдвига в присутствии небольших количеств н-пентана. Гидрофобные агломераты, извлеченные в виде верхнего продукта грохочения, анализировали на влагу. Как показано в таблице 1, содержание влаги в материалах размером 44 мкм×0 и 150 мкм×0 составляло 51,2 и 45,2 масс. %, соответственно. Высокое содержание влаги гидрофобных агломератов наблюдалось из-за капель воды, захваченных в структурах агломератов или эмульсиях типа «вода в масле», стабилизированных гидрофобными частицами.
Когда гидрофобный агломерат затем диспергировали в лабораторном устройстве, содержание влаги снижалось до 3,9 и 1,8, соответственно, что можно объяснить за счет разрушения гидрофобных агломератов, что, в свою очередь, высвобождает капли воды из угля. Устройство, используемое в данном примере, было оборудовано вибрационным ситом, как показано на фиг. 1-3. Данный пример показывает важную роль этого устройства для получения углей с низким содержанием золы и влаги из суспензии угольной мелочи.
Пример 2
В таблице 2 показаны результаты, полученные с двумя различными видами флотационного сырья 100 меш×0 (или 0,15 мм×0), один - из Пенсильвании, а другой - из южной части Западной Виргинии. Продукты агломерации диспергировали в н-пентане в лабораторном устройстве, оборудованном двумя вибрационными ситами, как показано на фиг. 3. Используемая вибрационная прочность составляла в диапазоне 0,8-10, как рассчитано при помощи ур. [2]. Для угля из Пенсильвании содержание золы снижалось от 44,9% в сырье до 3,4% в чистом продукционном угле с 1,6% влаги. Для угля из южной части Западной Виргинии содержание золы в сырье снижалось от 52,6% до 3,6% с 1,0% влаги. Как содержание золы, так и влаги значительно ниже, чем получаемые в процессах флотации или масляной агломерации. Основной причиной для превосходных результатов было удаление капель воды и минерального вещества, захваченных в структуре гидрофобного агломерата. Количество энергии, требуемое для разрушения агломератов, было небольшим, поскольку движущая сила для агломерации была гидрофобной силой, которая является слабой.
Пример 3
В угольной промышленности США угольную мелочь размером 100 меш×0 очищают от шлама при помощи 6-дюймовых классификаторов циклонного типа для удаления значительной части частиц размером 44 мкм×0. Очищенные от шлама угли затем очищают флотацией, а затем обезвоживают при помощи центрифуг-грохотов. В данном примере два различных перелива циклона, один - из центральной части Западной Виргинии, а другой - из северной части Западной Виргинии, подвергали процессу разделения гидрофобных и гидрофильных частиц (HHS) при помощи устройства, оборудованного вибрационным ситом (фиг. 3). Как показано в таблице 3, процесс HHS давал продукты с низким содержанием золы и влаги, что можно объяснить за счет высвобождения захваченной воды и минерального вещества из гидрофобных агломератов при помощи механических сил, создаваемых вибрационными ситами.
Пример 4
Как указано в примере 3, очищенные от шлама продукты флотации (чистый уголь) обезвоживают при помощи центрифуг-грохотов. Центрифуги сконструированы для удаления части частиц размером 44 мкм×0 для улучшения обезвоживания. Однако влага обычно составляет в диапазоне 18-25% в зависимости от типа угля и распределения частиц по размерам. Выходящие потоки центрифуг-грохотов отводят в накопители. В данном примере три различных выходящих потока центрифуг-грохотов подвергали лабораторным тестам HHS при помощи устройства, оборудованного вибрационными ситами (фиг. 3). Содержание золы в сырье было низким, поскольку оно было по существу чистым продукционным углем. Как показано в таблице 4, чистый продукционный уголь с низким содержанием золы и влаги получали с извлечением горючего материала свыше 96%. Эти примеры показывают эффективность процесса HHS и устройства, оборудованного вибрационными ситами.
Пример 5
Когда гидрофобные агломераты подавали в устройство, им требовалось время, для разрушения механическими силами и для полного диспергирования. В общем, чем дольше время удержания агломератов, тем ниже содержание золы и влаги, что, однако, вызывает снижение производительности. Одним путем преодоления данной проблемы будет увеличение содержания твердых веществ в устройстве. В таблице 5 показано влияние содержания твердых веществ и времени удержания на влажность продукта. Тесты проводили на переливах циклонов из угля из юго-западной Виргинии при помощи устройства, оборудованного вибрационными ситами (фиг. 3). Как показано, влажность продукта повышается с повышением содержания твердых веществ или с повышением производительности; однако содержание влаги не было чрезмерно высоким даже при высоких содержаниях твердых веществ.
Пример 6
В таблице 6 показаны результаты непрерывного теста на РОС установке, полученные на трех различных суспензиях угольной мелочи. Производительность тестовой РОС установки находилась в диапазоне от 50 до 100 фунтов/час в зависимости от содержания твердых веществ и размера частиц суспензии сырья. Первый пример представляет результаты, полученные для выходящего потока из центрифуги (центрифуги-грохота) чистого угля. Содержание твердых веществ в суспензии сырья составляло 3,8% твердых веществ (или 96,2% воды), а сырьевой уголь имел 7,0% золы. Из этого угля на РОС установке получали чистый уголь с 2,1% золы, 4,0% влаги и 14123 БТЕ/фунт. Несмотря на относительно низкое количество золы в отходах, извлечение горючего материала теста на РОС установке составляло 97 масс. %.
Второй и третий примеры, данные в таблице 6, представляют результаты теста на РОС установке, полученные на ультратонких угольных отбросах (сливах верхнего продукта циклона с удаленными илистыми частицами), направленных в накопители. Как угли из юго-западной Виргинии, так и северной части Западной Виргинии были глинистыми коксующимися углями в разбавленных суспензиях (7,3 и 3,8% твердых веществ) с >50% золы. После одного прогона через РОС установку получали чистый продукционный уголь, имеющий 2,4 и 3,4% золы с 6,1 и 8,5% влаги, соответственно.
Устройство, используемое в этих примерах, было оборудовано вибрационными ситами для создания генерируемой решеткой турбулентности, которую можно использовать для разрушения гидрофобных агломератов (или дестабилизации эмульсий вода в пентане) и диспергирования отдельных частиц угля в гидрофобной жидкости (н-пентане).
Пример 7
В этом примере турбинные мешалки Раштона, показанные на фиг. 4 и 5, использовали для механического разрушения агломератов угля, образованных в кухонном блендере в присутствии небольшого количества н-пентана. Образец угля представлял ~44 мкм х 0 слив верхнего продукта классификатора циклонного типа, имеющий 53,6% золы, направленный в накопитель угольной мелочи. Агломераты угля, образованные после перемешивания с малыми усилиями сдвига, подавали в лабораторное устройство, оборудованное двумя слоями турбинных мешалок Раштона, как показано на фиг. 5. Турбинные мешалки перемешивали при скоростях конца лопасти в диапазоне от 30 до 60 футов/минуту, что было достаточным для разрушения агломератов и поддержания частиц суспендированными в н-пентане. Суспензиям угля в пентане позволяли перетекать постоянно в химический стакан, тогда как высвобожденные капли воды и минеральное вещество, диспергированное в них, падали на дно. После соответствующих разделений твердой и жидкой фаз чистый уголь и отходы анализировали на содержание влаги и золы, и результаты представлены в таблице 7. В зависимости от скорости подачи, скорости турбинной мешалки и расположения турбинных мешалок в устройстве содержание золы и влаги чистых продукционных углей изменяется в диапазонах от 1,7 до 12,5 и от 2,6 до 5,3%, соответственно.
Пример 8
В таблице 8 показаны результаты, полученные при помощи лабораторного устройства, оборудованного ультразвуковым датчиком (Qsonica, Model-Q700) для разрушения гидрофобных агломератов. В ней показаны результаты тестов, полученные с углями из южной части Западной Виргинии и Пенсильвании. Оба были ультратонкими выходящими потоками центрифуг-грохотов. Каждый тест проводили непрерывно при частоте вибраций 20 кГц в течение 15-20 минут перед отбором образцов. Как показано, продукты с очень низким содержанием золы и влаги получали при помощи устройства, с высоким содержанием золы в отходах и высоким извлечением горючих материалов.
Пример 9
В данном примере гидрофобные агломераты получали из образцов слива верхнего продукта циклонов с 54,2% золы (сухой) и 94% воды, как получали с установки получения битуминозного угля. Агломераты угля подавали в цилиндрическую емкость диаметром 3 дюйма. Емкость была оборудована четырьмя идентичными 0,25×2,5 дюймовыми отбойными перегородками, расположенными на 1 дюйм выше днища емкости. Емкость заполняли водой и пентаном (гидрофобное масло) и позволяли образоваться отчетливой поверхности раздела вода-масло на расстоянии 0,5 дюйма от днища емкости. Емкость была оборудована одной (или несколькими) шестилопастной турбинной мешалкой с радиальным потоком с диаметром 2 дюйма, которая была присоединена к вращающемуся валу. Тесты проводили с турбинной мешалкой, расположенной в центре зоны с перегородками емкости, как показано на фиг. 6.
Турбинная мешалка, описанная выше, была такой же формы, что и флотационная машина Wemco, продаваемая компанией FLSmidth. Турбинную мешалку выбирали для создания турбулентного потока в середине емкости, а не вблизи стенки емкости. Тесты проводили при 450-850 об/минуту, что было достаточным для дестабилизации гидрофобных агломератов и для обеспечения суспензии деагломерированных частиц. Суспензии угля в пентане без капель воды позволяли перетекать, в то время как капли воды осаждались на дно емкости вместе с минеральным веществом, диспергированным в них. Дополнительное гидрофобное масло добавляли при тестировании для облегчения перетока суспензии угля в пентане. Суспензию угля в пентане подвергали фильтрации при давлении воздуха 2-4 бар, что давало по существу сухой уголь с небольшими количествами минерального вещества, как показано в таблице 6. Как показано, чистый продукционный уголь имел 2,7-3,1% золы и 1,4-2,9% влаги. Извлечение органического вещества (или угля) и отходы минерального вещества составляли постоянно >96% и >97%, соответственно.
Зола в сырье=54,2% (по массе)
Пример 10
Агломераты угля, образованные при помощи пентана в качестве агломерирующего средства, подавали в лабораторный вибрационный грохот, показанный на фиг. 9. Частицы кварца размером 2-6 мм помещали на сито, размер ячеек которого был меньше, чем частицы, так что частицы оставались в гидрофобной жидкой фазе при их перемещении вверх и вниз, следуя циклам выталкивания и всасывания при возвратно-поступательном движении. В данном примере панель сита размещали вблизи поверхности раздела вода-масло.
Циклы выталкивания и всасывания (или возвратно-поступательного движения) генерировались путем модификации диафрагменного насоса. Насос герметизировали на одном конце, тогда как другой конец соединяли с водной фазой в стеклянной колонне. Грохот работал при 3-6 Гц и ходе 4-7 мм. Турбулентное движение, создаваемое в грохоте, дестабилизировало гидрофобные агломераты и позволяло частицам угля полностью диспергироваться в масляной фазе, в то же время высвобождая захваченную воду. Когда высвобожденные капли воды сталкиваются с гидрофильными частицами кварца, они стремятся оставаться на гидрофильной поверхности и повышают возможность объединения, вызывая рост размера капель. Когда размер капель становится больше, они отпадают с поверхности, быстро оседают и входят в водную фазу на дне вместе с гидрофильными частицами, диспергированными в них. Когда уровень воды повышается, регулирующий клапан открывается для поддержания поверхности раздела вода-масло вблизи установленной панели сита.
Дополнительное гидрофобной масло (пентан) добавляют с постоянным расходом для сбора дисперсии угля в пентане в виде перетока. В данном примере расход масла поддерживали таким, что содержание твердых веществ в органической фазе было менее 10-12 масс. %. Анализ чистого угля и отходов давал результаты, представленные в таблице 9. Как показано, чистый продукционный уголь имел <4,2% золы и <2,7% влаги. Извлечение органического вещества и отходы минерального вещества составляли постоянно >95% и >97%, соответственно.
Зола в сырье=60,0% (по массе)
Хотя некоторые предпочтительные сейчас варианты осуществления настоящего изобретения были конкретно описаны в настоящем документе, специалистам в области техники, к которой относится настоящее изобретение, будет очевидно, что изменения и модификации различных вариантов осуществления, показанных и описанных в данном документе, можно сделать без отклонения от сущности и объема настоящего изобретения. Следовательно, предполагается, что настоящее изобретение ограничено только в той степени, которая требуется приложенной формулой изобретения и применимыми правовыми нормами.
1. Способ диспергирования гидрофобных частиц в гидрофобной жидкости, предусматривающий:
подачу агломератов гидрофобных частиц, содержащих капли воды и гидрофильное минеральное вещество, захваченное в них, в контейнер, причем указанный контейнер содержит гидрофобную жидкость;
разрушение агломератов и высвобождение капель воды и гидрофильного минерального вещества из указанных агломератов путем перемещения агломератов а) по пути в насадочном материале, b) по пути в раздробленном материале или с) во встроенном статичном смесителе;
удаление гидрофобной жидкости и гидрофобных частиц из контейнера через первое выпускное отверстие и
выгрузку капель воды и гидрофильного минерального вещества из контейнера через второе выпускное отверстие.
2. Способ по п. 1, в котором гидрофобную жидкость подают импульсами для перемещения агломератов вверх и вниз по путям в насадочном материале.
3. Способ по п. 1, в котором указанные агломераты пропускают через раздробленный материал при помощи циклов выталкивания и всасывания.
4. Способ по п. 1, в котором указанные агломераты представляют собой капли эмульсии типа «вода в масле», стабилизированные гидрофобными частицами и суспендированные в гидрофобной жидкости.
5. Способ по п. 1, в котором указанные агломераты стабилизируют асфальтенами.
6. Способ по п. 1, в котором встроенный смеситель создает турбулентный поток для разрушения агломератов.
7. Устройство для диспергирования агломератов гидрофобных частиц, содержащее:
контейнер, содержащий:
трубу, прикрепленную к контейнеру, причем труба находится в связи с любым из 1) нагнетателя сжатого воздуха или 2) диафрагменного насоса для обеспечения пульсации;
первое выпускное отверстие, находящееся ближе всего к продольной оси контейнера;
второе выпускное отверстие, находящееся дальше всего от продольной оси контейнера;
загрузочное отверстие, расположенное между первым и вторым выпускными отверстиями; и
гидрофобную жидкость, находящуюся в указанном контейнере; и
насадочный материал или раздробленный материал, содержащийся в контейнере, причем указанный насадочный материал или раздробленный материал обеспечивает извилистый путь.
8. Устройство по п. 7, в котором первое выпускное отверстие расположено на днище контейнера.
9. Устройство по п. 7, в котором указанное второе выпускное отверстие расположено на боковой стенке указанного контейнера.
10. Устройство по п. 7, в котором указанный раздробленный материал располагается на сите.
11. Устройство для диспергирования агломератов гидрофобных частиц, содержащее:
контейнер, предназначенный для подачи гидрофобной жидкости и приема агломератов гидрофобных частиц, содержащих капли воды и гидрофильное минеральное вещество, при этом указанный контейнер содержит:
по меньшей мере, одно из насадочного материала, раздробленного материала или встроенного статичного смесителя, и при этом насадочный материал, раздробленный материал и встроенный статичный смеситель обеспечивают возможность разрушения агломератов и высвобождения капель воды и гидрофильных минеральных веществ из агломератов;
первое выпускное отверстие, выполненное с возможностью удаления гидрофобной жидкости и гидрофобных частиц из контейнера; и
второе выпускное отверстие, выполненное с возможностью выпуска капель воды и гидрофильных минеральных веществ из контейнера.
12. Устройство по п. 11, дополнительно содержащее насос, обеспечивающий пульсацию гидрофобной жидкости для перемещения агломератов вверх и вниз через насадочный материал.
13. Устройство по п. 12, в котором насос представляет собой нагнетатель сжатого воздуха.
14. Устройство по п. 12, в котором насос представляет собой диафрагменный насос.
15. Устройство по п. 11, дополнительно содержащее насос, создающий циклы пульсации и всасывания для пропускания агломератов через раздробленный материал.
16. Устройство по п. 11, в котором указанные агломераты представляют собой капли эмульсии типа «вода в масле», стабилизированные гидрофобными частицами и суспендированные в гидрофобной жидкости.
17. Устройство по п. 11, в котором указанные агломераты стабилизированы асфальтенами.
18. Устройство по п. 11, в котором встроенный смеситель создает турбулентность для разрушения агломератов.
19. Устройство по п. 11, в котором контейнер включает:
трубу, прикрепленную к контейнеру, причем труба находится в связи с любым из 1) нагнетателя сжатого воздуха или 2) диафрагменного насоса для обеспечения пульсации;
при этом первое выпускное отверстие, находящееся ближе всего к центральной оси контейнера;
при этом второй выпускное отверстие, находящееся дальше всего от центральной оси контейнера;
загрузочное отверстие, расположенное между первым и вторым выпускными отверстиями; и
насадочный материал или раздробленный материал обеспечивает извилистый путь.
20. Устройство по п. 19, в котором первое выпускное отверстие расположено на днище контейнера.
21. Устройство по п. 19, в котором второе выпускное отверстие расположено на боковой стенке контейнера.
22. Устройство по п. 19, в котором указанный раздробленный материал располагается на сите.
