用于形成浮选用乳液的设备和方法

技术领域

本发明涉及用于形成浮选用乳液的设备和方法。

背景技术

矿物和煤炭在销售进入市场之前，需要从矿石/精矿/原矿中进行选矿。在现有的选矿方法中，泡沫浮选广泛用于细粒度和超细粒度矿石分选。泡沫浮选是一种物理化学分离方法，其中应用空气气泡选择性地捕集某些矿物，并将其聚集体输送到上部泡沫区，而将其它矿物留在下部矿浆相中。为了提高产率，通常会向矿浆中加入捕集剂，该捕集剂为有助于目标产品粘附到空气气泡上的化学品。泡沫浮选是一种广泛采用的方法，为本领域技术人员所公知。

多种浮选方法应用油性或疏水性化学品来增加浮选回收率。例如，可以将柴油用于煤炭浮选以提高浮选回收率。柴油和其它油性化学品不溶于水，因此在煤浆中分散和在煤表面吸附的效率较低，或在矿物浆液中分散和在矿物表面吸附的效率较低。有资料表明，将柴油分散成细小液滴可以提高其分散和吸附效率，并因而改善煤的浮选和减少试剂的消耗。但据本发明人所知，在大规模浮选装置中目前还没有大规模应用柴油乳化技术。该领域的传统研究主要集中于化学乳化剂即表面活性剂。通过应用化学乳化剂，证实了柴油乳化对煤炭浮选的好处。但工业上通常不愿意使用化学乳化剂，因为它们会在浮选装置中造成严重的发泡问题。在工业中，应用非常弱的表面活性剂-起泡剂，但其即使在10ppm下应用也会造成发泡问题。

形成用于浮选装置的柴油或其它油性化学品的乳液，需要应用廉价但坚固耐用的设备。确认符合这些要求的现有设备一直是个问题。

应清楚认识到，如果本文引用了现有技术出版物，并不表示承认该出版物构成澳大利亚或任何其它国家的公知常识的一部分。

发明内容

本发明涉及用于形成浮选用乳液的设备和方法，其可以至少部分克服至少一个上述缺点，或为用户提供一种有用的或商业的选择。

鉴于上述情况，本发明主要涉及用于形成浮选用乳液的设备和方法。

在第一个方面，本发明提供用于形成乳液的设备，其中所述乳液包括水相和疏水相，所述疏水相包含柴油或油性组分或非水溶性组分，所述设备包括串联的文丘里混合器和静态混合器。

本发明可用于乳化浮选装置中应用的柴油和任何其它油性捕集剂和任何其它非水溶性化学试剂。一些例子包括通常用作非金属矿物质捕集剂的脂肪酸以及在铜、铅/锌和贵重矿物的浮选中用作捕集剂的硫代氨基甲酸酯。

在一个实施方案中，所述设备包括位于静态混合器上游的文丘里混合器。在这个实施方案中，可以使含水物流流过文丘里混合器的喷嘴，和可以将柴油或油性组分或非水溶性组分进料至文丘里喷嘴附近的低压区。这就产生包含水相和与水相混合的柴油或油性组分或非水溶性组分的液滴的混合物，和随后使该混合物流过静态混合器。静态混合器进一步减小乳液中柴油或油性组分或非水溶性组分的液滴尺寸。

在另一个实施方案中，所述设备包括位于文丘里混合器上游的静态混合器。在这个实施方案中，将水相和柴油或油性组分或非水溶性组分的混合物进料至静态混合器。这会产生在水相中包含柴油或油性组分或非水溶性组分的液滴的混合物。然后使该混合物流过文丘里混合器，以进一步减小混合物中柴油或油性组分或非水溶性组分的液滴的尺寸，从而产生想要的乳液。

在本发明的优选实施方案中，文丘里混合器位于静态混合器的上游。这样的好处是将柴油或油性组分或非水溶性组分提供给文丘里混合器的低压区，这意味着提供柴油或油性组分或非水溶性组分不需要高压泵。相反，文丘里混合器的低压区将柴油或油性组分或非水溶性组分吸入文丘里混合器，在其中与流过文丘里混合器喷嘴的含水物流混合。与之相比，如果静态混合器位于文丘里混合器的上游，则将柴油或油性组分或非水溶性组分提供给静态混合器的压力必须与将含水物流提供给静态混合器的压力相同或甚至更高。在大多数浮选装置中，这需要为柴油或油性组分或非水溶性组分提供额外的高压泵。与静态混合器位于文丘里混合器上游相比，文丘里混合器位于静态混合器上游的另一个优点是这种设置可以令人惊奇地获得更细小的液滴尺寸。

静态混合器和文丘里混合器可以有多种不同的尺寸和结构。本领域技术人员很容易理解如何选择用于本发明的具有合适尺寸和设计的静态混合器和具有合适尺寸和设计的文丘里混合器。在选择静态混合器和文丘里混合器时，需要考虑的主要因素有：想要的疏水相最终液滴尺寸、在文丘里混合器中流过静态混合器的液体的压力、水相和疏水相的相对量和对流过混合器的液体所施加的压力。

静态混合器通常包括在管道或管子内设有或固定有固定混合元件的管道或管子。静态混合元件可以有多种不同的形式，包括螺旋元件、挡板、叶片、板、棒或棒格栅。静态混合器中的混合作用是通过各组件的连续分拆、延伸和输送来实现的。静态混合器通常以简单的平头法兰管段形式提供，但也可以以弯头或T-型件形式提供。静态混合器没有活动部件，和几乎不用维护。

在本发明人现今进行的实验工作中应用的静态混合器是Koflo生产的带有12个元件的3/8英寸的静态混合器，如以下网址上所述：

https://www.koflo.com/static-mixers/stock-static-mixers/stock-clear-

当然，应理解在本发明中也可以应用大量的其它静态混合器。

文丘里混合器在本领域中也是公知的。文丘里混合器具有为喷嘴提供动力流体(在本例中为含水物流)的动力流体入口。喷嘴通入具有另一入口的室或壳，柴油或油性组分通过所述另一入口进入文丘里混合器。当含水物流流过喷嘴时产生低压区和所述低压区将柴油或油性组分吸入文丘里混合器。然后水相和柴油油性组分的混合物流过收束的入口喷嘴，然后流过发散的出口扩散器，和然后流过文丘里混合器的出口。

在本发明的一个实施方案中，动力流体入口直径与喷嘴出口直径的比为3:1至5:1或为约4:1。

在一个实施方案中，按本发明第一个实施方案的设备可以提供柴油或油性组分液滴尺寸为5-10μm、或6-10μm、或6.5-8μm、或6.5-7.8μm、或6.5-7.0μm的乳液。在本说明书中，液滴尺寸是按Malvern粒度分析仪测量的液滴尺寸分布计算的Sauter平均尺寸(D

在一个实施方案中，水相在300-1000kPa、或400-900kPa、或400-800kPa、或约750kPa、或600-750kPa的压力下提供给文丘里混合器。水相提供给文丘里混合器的实际压力部分取决于最终乳液中水相与疏水相的比、组成疏水相的组分的粘度和水相的盐度。有利地，在大多数浮选装置中很容易获得通常在最终乳液中实现想要液滴尺寸的压力。

文丘里混合器可以购自多个不同供应商。替代地，如在本发明人进行的试验工作中，文丘里混合器可以针对特定用途专门设计和制造。

在一个实施方案中，所述设备还包括位于文丘里混合器上游的颗粒去除设备。适当设置颗粒去除设备，以去除水相中尺寸等于或大于文丘里混合器的喷嘴开口的任何颗粒。应理解如果将尺寸与文丘里混合器喷嘴直径相近或更大的颗粒进料至文丘里混合器，则这些颗粒可能会堵塞喷嘴。因此，在本发明的工业实施方案中，希望在将含水物流进料至文丘里混合器之前，从含水物流中去除这些颗粒。在一个实施方案中，颗粒去除设备包括过滤器、滤网或筛网，和含水物流在进入文丘里混合器之前必须流过滤网、过滤器或筛网(尤其是滤网)。在一个实施方案中，可以布置本发明的设备，从而可以反洗所述滤网、过滤器或筛网(尤其是滤网)，以去除滤网、过滤器或筛网上收集的颗粒。

在第二个方面，本发明提供一种形成乳液的方法，所述乳液包括水相和疏水相，其中所述疏水相包含柴油或油性组分或非水溶性组分，所述方法包括使所述水相和疏水相流过文丘里混合器和静态混合器，以获得包括在其内具有疏水相液滴的水相的乳液，其中疏水相液滴的尺寸为5-10μm。

在一个实施方案中，水相在500-1000kPa、或600-900kPa、或700-800kPa、或约750kPa、或600-750kPa的压力下提供给文丘里混合器。

在一个实施方案中，静态混合器位于文丘里混合器的上游。

在另一个实施方案中，文丘里混合器位于静态混合器上游。如在本发明第一方面的讨论中所提到的原因，文丘里混合器位于静态混合器上游具有许多优点，这也是本发明第二方面的方法的优选实施方案。

静态混合器和文丘里混合器可以如参考本发明第一方面所述。为简洁起见，本发明的第二方面不再重复这些。

在另一个实施方案中，本发明方法可以还包括测量或确定乳液中柴油或油性组分或非水溶性组分的液滴尺寸，并在液滴尺寸偏离预定的液滴尺寸时调整如下一个或多个参数来使液滴尺寸恢复到预定的液滴尺寸：液体压力、柴油或油性组分或非水溶性组分与水相的相对量。

在一个实施方案中，疏水相占乳液体积约2-15vol％或约2-10vol％或约5-10vol％。

在本发明的一个实施方案中，所述乳液可以在不需要添加任何乳化剂或乳化化学品的情况下形成。这显然有利于减少试剂成本。这也可以最小化过量泡沫的形成。

按本发明形成的乳液可以用于浮选过程。可以控制乳液中柴油或油相的液滴尺寸，使其在浮选装置中浮选煤或矿物质时最优。这可以提高浮选装置收率，和减少浮选装置所要应用的试剂量，从而提高浮选装置的经济性。在浮选方法的最优液滴尺寸小于5μm的实施方案中，由本发明第二方面的方法生产的乳液不是最优的，但由于柴油或油相的液滴尺寸小于常规浮选装置中目前可获得的液滴尺寸，与常规浮选装置相比，该浮选方法仍将得到改善。

在本发明的范围内，本文所述的任何特征均可以与本文所述的任何一个或多个其它特征任意组合。

在本说明书中对任何现有技术的引用并不是也不应视为承认或以任何形式暗示该现有技术是公知常识的一部分。

附图说明

本发明的优选特征、实施方案和变体均可以由以下详细说明看出，该详细说明为本领域技术人员实施本发明提供了足够的信息。但该详细说明不应视为以任何形式限制前述本发明内容的范围。该详细说明参考如下多个附图：

图1给出了考察仅应用静态混合器可以获得的液滴尺寸的实验装置的示意图；

图2给出了应用图1的实验装置获得的液滴尺寸与水压的关系图；

图3给出了应用图1的实验装置获得的在不同水盐度下液滴尺寸与水压的关系图；

图4给出了适用于本发明实施方案的文丘里混合器的示意图；

图5给出了按本发明实施方案的设备或布置的示意图；和

图6给出了在图5所示流程中允许在含水物流管线中反洗过滤器的布置的示意图。

具体实施方式

开发本发明的实验工作是基于对用于浮选(如煤炭浮选)的最佳液滴尺寸范围的研究。液滴尺寸是柴油/油乳化的最关键参数。液滴尺寸决定了浮选中乳化的好处以及生产乳液的成本。如果液滴尺寸太大，将无法在浮选中提供预期的好处。如果液滴尺寸太小，生产能耗将太高，浮选好处也更少。

这项实验工作发现，用于煤浮选的最优柴油液滴尺寸为2.4-10μm，具体取决于煤的类型和工艺水的盐度。在这些实验中，发现两个装置的最优液滴尺寸为6.7μm，和发现第三个装置的最优液滴尺寸为2.4μm。这项实验工作还证实，进一步减小液滴尺寸需要消耗更多的能量，但对煤浮选却没有更多好处。

为提供成本低廉、坚固耐用和几乎不需维护的混合装置，本发明人首先研究了应用静态混合器来获得水包油乳液。在图1中给出了所应用的实验装置。在图1中，通过泵11将水10提供给静态混合器13的第一入口12。静态混合器13为Koflo公司的透明PVC静态混合器，型号为3/8-40C-4-12-2，管径为3/8英寸，有12个混合元件和长度为11英寸。通过泵15将油14提供给静态混合器13的第二入口16。然后油和水的混合物流过静态混合元件17，该静态混合元件17将油和水混合在一起，并将油相分散成小液滴。形成了在水中含有油滴的乳液18。

分析乳液18以确定油相的液滴尺寸。液滴尺寸用Malvern粒度分析仪应用激光衍射技术分析液滴进行测量。该分析结果如图2所示。可以看出，当水压增加时，油相的液滴尺寸减小。但存在影响递减规律，和当水压增加至超过500kPa时，对进一步减小液滴尺寸来说效果很小。图2所示的实验工作表明，静态混合器可以达到约10μm的最小液滴尺寸。图2给出的液滴尺寸为Sauter平均尺寸(D32)。该尺寸由Malvern粒度分析仪测量的液滴尺寸分布计算获得。D32为评价乳液质量时通常应用的参数。

图3基本上重复了应用图1所示设备的实验，但应用的水具有不同的盐度。在这方面，在澳大利亚的浮选装置中可获得的大多数工艺用水包括中低盐度的盐水。在图3所示的实验工作中，将三种不同类型的水用作含水进料，它们分别为淡水、中低盐度的盐水(电导率为3.2mS/cm)和高盐度的盐水(电导率为9.9mS/cm)。

这些试验的结果如图3所示。一般来说，盐度增加会导致油相中油/柴油的液滴尺寸增加。但对于中低盐度来说，与淡水相比，该液滴尺寸增加相对较小。

图2和3所示的结果表明只应用静态混合器不足以使柴油/油相中的液滴尺寸达到浮选所需的最优液滴尺寸，要知道所测试的两个煤装置的最佳液滴尺寸为6.7μm。仅应用静态混合器和中低盐度的水，在水压为750kPa时发现柴油/油相中的液滴尺寸为11.5μm。还应理解必须在与水压相同或更高的压力下将柴油/油提供给静态混合器，从而防止水反流至柴油/油罐。

为了进一步减小液滴尺寸，本发明人考虑应用串联的两个静态混合器。但本发明人发现，一旦静态混合元件超过10-12个，简单地增加静态混合元件的个数已不能进一步减小液滴尺寸。因此，使第二静态混合器与第一静态混合器串联将不能进一步减小柴油/油相中的液滴尺寸。

本发明人随后开发了其中组合应用文丘里混合器与静态混合器的实验装置。文丘里混合器32的示意图如图4所示。文丘里混合器32具有用于动力流体(在本例中为水相)的入口1。入口1与喷嘴2流体连通。入口1的直径为约1/2英寸，和喷嘴的开口直径为约4mm。文丘里混合器32具有第二入口7，其为柴油/油组分提供入口。当水离开喷嘴2中的开口时，在喷嘴2附近产生低压区，该低压区将使柴油/油吸入文丘里混合器32。离开喷嘴2的水处于高速下和将柴油/油分散为小液滴。水和油液滴的这种混合物流过收束的入口喷嘴3，流过扩散器喉管6，和通过发散的出口扩散器4喷出。水和柴油/油的液滴的混合物通过出口5离开文丘里混合器。图3所示的文丘里混合器32在结构上基本上是常规的，和为本领域技术人员所公知。

图5所示的流程图详细说明了用于形成包含尺寸为约6.5μm的柴油液滴的水/柴油乳液的可能混合器布置。在图5所示的流程中，装置的工艺水管线20提供来自煤处理装置的工艺水。大多数澳大利亚的煤处理装置的工艺水都包括中低盐度的盐水。所述工艺水将流过任选的在线过滤器22。

在线过滤器22为任选单元，和仅适用于工艺水物流中可能含有大量碎屑或污染物的处理装置。大于1mm的碎屑可能会堵塞文丘里和静态混合器。在这种情况下，可以安装带有自动反洗的在线过滤器。示例设计如图6所示。在管道中安装筛网过滤器。应用压差来检测筛网过滤器的堵塞。如果确认存在堵塞，则自动调节一组阀门对过滤器进行反洗。如图6所示，控制过滤器22的设备基本上是常规的，和为本领域技术人员所公知。也可以应用商购的Y型过滤器和T型过滤器用作这种用途的在线过滤器。

然后使工艺水任选流过水电导率探头24。水电导率探头24可用于监测水的电导率，而水的电导率对柴油乳化有显著影响。这对于工艺水电导率变化较大的处理装置来说非常有用。

然后工艺水流过流量控制阀26。水压变送器28监测水压，和将压力信号送至压力控制器30。流量控制阀26、水压变送器28和压力控制器30可以实现自动水压控制。通过调节流量控制阀26将水压调节至设定值。这对静态混合器来说很重要，因为水压是确定液滴尺寸的最重要参数。

然后工艺水流过文丘里32，更具体地进入文丘里混合器32的入口1(参见图4)。

图5所示的流程图还包括为乳液提供柴油的装置柴油计量管线34。当将装置柴油管线与乳化系统相连时，一些控制措施需要到位。阀门35用于连接装置柴油计量管线34、柴油旁路管线42和至文丘里32的管线。添加止逆阀36来避免水反流至柴油管线。添加流量变送器38来监测柴油流率。添加柴油旁路控制阀40，以便在乳化系统出现任何问题时调节阀的位置使其旁通过乳化系统。例如，如果静态混合器堵塞，柴油流率将会减小，从而触发旁路控制阀，由此柴油将流过柴油旁路管线42。这将确保在乳化系统出现故障时装置的操作不会中断。

乳化系统包括文丘里混合器32和与文丘里混合器32串联的静态混合器44。静态混合器44可以如参考图1所示静态混合器13所述。水和柴油的混合物(为与水混合的柴油液滴形式)离开文丘里混合器32，流入静态混合器44，在其中进一步混合和减小尺寸。包含在其中含有柴油液滴的水相的乳液通过管线46离开静态混合器。

包含取样口48，用于应用FBRM(聚焦光束反射率测量法)测量乳化过程中的液滴尺寸。如在50处示意性所示，添增一个控制面板，用于监测和控制关键参数，包括水压、柴油流率和水电导率。液滴尺寸将基于这些关键参数应用开发的算法计算得出。液滴尺寸基本上是水压、柴油流率和水电导率的函数。通过调节这些参数，可以将液滴尺寸自动控制在设定值。

然后可以通过柴油计量点52为浮选池提供乳化柴油。

为了装置实施，静态混合器44和文丘里混合器32适当地由不锈钢或其它金属合金制成，以减小磨损和腐蚀，增加其使用寿命。

图5所示文丘里混合器32直接位于静态混合器44上游的实施方案是本发明的优选实施方案。在这方面，当将文丘里混合器置于静态混合器之前时，由于文丘里效应，柴油进料压力将为负值，这对柴油进料压力有限的处理装置来说更可行。与之相比，如果静态混合器直接位于文丘里混合器上游，则柴油进料压力需要高于水管线压力。这可能需要提供额外的较高压力的柴油泵。

对只应用静态混合器、只应用文丘里混合器、应用静态混合器和文丘里混合器两者且静态混合器位于文丘里混合器之前以及应用静态混合器和文丘里混合器两者且文丘里混合器在静态混合器之前，本发明人均实施了制备水中柴油乳液的试验。表1给出了应用750kPa的进料水压所获得的乳液中的柴油液滴尺寸：

表1：

如表1所示，单独应用静态混合器和单独应用文丘里混合器不能达到6.7μm的液滴尺寸，该尺寸为所测试的两个煤装置中用于煤浮选的最优液滴尺寸。应用置于文丘里混合器之前的静态混合器，可以使柴油液滴尺寸减小至7.8μm，这明显接近于所测试的两个煤装置的最优液滴尺寸。应用置于静态混合器之前的文丘里混合器，得到6.5μm的液滴尺寸，这几乎正好是所测试的两个煤装置的最优浮选性能所需要的。

静态混合器与文丘里混合器的组合出乎意料地使柴油/水乳液中获得的柴油液滴明显更小。对于一些煤装置来说，用于浮选性能的最优液滴尺寸为6.7μm，和图5所示设备可以达到该液滴尺寸。对于具有更小最优液滴尺寸的其它装置，即使液滴尺寸不是最优，应用本发明的设备和方法仍可以明显改进浮选性能。

如图5所示，与静态混合器组合应用文丘里管混合器，可提供没有活动部件、坚固耐用、成本低廉且几乎不需要维护的混合设备。该混合设备只需要水压即可运行，而该水压已经存在于大多数煤处理装置的工艺水管线中。因此，在煤浮选装置中实施这种方法和设备需要最小的额外资本支出。由于浮选过程可以在其最优或接近其最优状态下运行，因此也可以提高浮选收率和降低试剂成本。

在本说明书和权利要求书中，"包括"一词及其包括"包含"和"含有"在内的派生词包括所述的每个整数，但不排除包括一个或多个其它整数。

在本说明书中，当称"一个实施方案"或"实施方案"时，指针对所述实施方法描述的特定特征、结构或特性均包含在本发明的至少一个实施方案中。因此，本说明书各处出现的"在一个实施方案中"或"在实施方案中"的短语并不一定都指相同的实施方案。另外，特定的特征、结构或特性可以以任何合适的方式存在于一个或多个组合中。

根据法规，本发明已经以或多或少具体针对结构或方法特征的语言进行了描述。应理解本发明并不局限于所示或所述的具体特征，因为这里描述的方法包括实施本发明的优选形式。因此，要求本发明的任何形式或调整均在本领域技术人员适当理解的所附权利要求的合适范围内。