способ дезинтеграции минеральной составляющей гидросмеси в условиях резонансных акустических явлений в гидропотоке и геотехнологический комплекс для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ дезинтеграции минеральной составляющей гидросмеси в условиях резонансных акустических явлений в гидропотоке, включающий предварительный размыв и классификацию песков, отделение пустой породы, напорное гидротранспортирование между операциями, скоростную подачу струи в кавитационный реактор, обработку материала в условиях активных гидродинамических воздействий, разделение в тонкослойных потоках на винтовых шлюзах, отличающийся тем, что классификацию песков производят по классу - 10 мм, при этом последующую глубокую дезинтеграцию минеральной составляющей гидросмеси до микроуровня (1-2 мкм) осуществляют посредством преобразования кинетической энергии потока жидкости в энергию акустических колебаний в кавитационном реакторе, на входе которого создают высокоскоростную струю, формирующую посредством отражательной сферической поверхности гидродинамического излучателя тороидальную кавитационную зону с возникновением полей первичной гидродинамической и вторичной акустической кавитации, а с помощью стенок кавитационного реактора, образующих зоны расширения (диффузор) и сужения (конфузор), пластинчатых кавитационных элементов, распределенных по контуру цилиндрической части верхнего корпуса кавитационного реактора в два ряда, щелевых отверстий гидродинамического излучателя, отражательной стенки и соединительного элемента нижнего корпуса с гидродинамическим излучателем - последующие мощные гидродинамические возмущения в виде импульсов сжатия и разрежения производят вторичные акустические микропотоки с заданным средним значением объемной плотности мощности для обеспечения градиента давления с превышением предела прочности микрочастиц.

2. Геотехнологический комплекс, включающий насосные установки, системы напорного гидротранспортирования, гидромонитор, гидровашгерд, отвалообразователь, кавитационный реактор, установленный между гидровашгердом и винтовыми шлюзами, отличающийся тем, что кавитационный реактор снабжен гидродинамическим излучателем с отражательной сферической поверхностью, расположенной в верхней части гидродинамического излучателя, при этом верхний корпус кавитационного реактора имеет зону расширения (диффузор) и сужения (конфузор), соединенные цилиндрической частью, а цилиндрическая часть верхнего корпуса снабжена пластинчатыми кавитационными элементами, которые распределены по контуру цилиндрической части верхнего корпуса кавитационного реактора в два ряда и закреплены с одного конца, а в нижней части гидродинамического излучателя выполнены щелевые отверстия и зона выхода гидросмеси, при этом нижний корпус кавитационного реактора снабжен отражательной стенкой и соединительным элементом с гидродинамическим излучателем, выполненным на уровне щелевых отверстий.

3. Геотехнологический комплекс по п.2, отличающийся тем, что в кавитационном реакторе выходной патрубок выполнен в боковой стенке нижнего корпуса.

4. Геотехнологический комплекс по п.2, отличающийся тем, что в кавитационном реакторе выходной патрубок выполнен соосно с входным патрубком и сопряжен с зоной выхода гидросмеси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горнодобывающей отрасли и может быть использовано при освоении природных и техногенных высокоглинистых россыпных месторождений полезных ископаемых с повышенным содержанием мелкого и тонкого золота.

Известен способ кавитационно-акустического разупрочнения и дезинтеграции глинистых песков золотоносных россыпей, включающий вскрытие россыпи, формирование зумпфа, разупрочнение горной массы с помощью подачи воды и последующего фильтрационного процесса, монтаж установки напорного гидротранспортирования гидросмеси с гидродинамическим кавитатором, размыв и классификацию с предварительной дезинтеграцией и последующим ультразвуковым воздействием на минеральную составляющую гидросмеси [1].

Недостатком данного способа является использование для глубокой дезинтеграции минеральной составляющей гидросмеси глинистых песков энергозатратных ультразвуковых систем, потребляющих электрическую энергию и имеющих ограничение по максимальной развиваемой мощности и производительности (эффективности ультразвукового воздействия) при изменении влияния обрабатываемых сред даже при наличии системы автоматической подстройки рабочей частоты.

Известен способ кавитационной обработки потока жидкости и реактор для его осуществления, в котором поток жидкости пропускают сквозь резонансаную ячейку кавитационного реактора, где в жидкости устанавливают стоячую акустическую волну с заданным средним значением объемной плотности мощности, вызывающую возникновение в ней кавитации в виде одной или нескольких стационарных кавитационных областей. Плотность потенциальной энергии, выделяющейся за период акустической волны, в любой точке периметра любого сечения потока внутри реактора устанавливают не превышающей ее максимального значения на стенках резонансной ячейки. Реактор содержит резонансную ячейку и корпус, диафрагму с отверстием, размещенную в плоскости, параллельной колебательным смещениям стенок резонансной ячейки [2].

Недостатком данного способа также является использование энергозатратных ультразвуковых систем, потребляющих электрическую энергию и имеющих ограничение по максимальной развиваемой мощности и производительности, и способ не обеспечит в широком размерном диапазоне (от 50 мм до 1-2 мкм) глубокую дезинтеграцию твердой составляющей гидросмеси.

Наиболее близким по технической сущности является способ первичного обогащения россыпного золота мелких классов, включающий дезинтеграцию и промывку исходного материала в скруббер-бутаре, классификацию на виброгрохотах по классу - 2 мм, обработку материала в дезинтеграторе роторного типа и обогащение на винтовых шлюзах [3].

В данном способе в основе процесса глубокой дезинтеграции лежит использование аппарата роторного типа, который эффективно работает в более узком размерном диапазоне компонентов твердого в пульпе и за счет очень малых зазоров между ротором и статором, а также щелей, обеспечивающих пульсации в гидропотоке, имеет низкий уровень надежности и требуемую долговечность эксплуатации.

Технический результат предлагаемого способа заключается в повышении эффективности разрушения и глубокой дезинтеграции (с размером частиц от 50 мм до 1-2 мкм) минеральной составляющей гидросмеси глинистых песков россыпей путем использования первичной гидродинамической и вторичной акустической кавитации в гидропотоке посредством стационарных элементов гидродинамического излучателя и дополнительных кавитационных элементов.

Технический результат достигается за счет того, что в способе дезинтеграции минеральной составляющей гидросмеси в условиях резонансных акустических явлений в гидропотоке, включающем предварительный размыв и классификацию песков, отделение пустой породы, напорное гидротранспортирование между операциями, скоростную подачу струи в кавитационный реактор, обработку материала в условиях активных гидродинамических воздействий, разделение в тонкослойных потоках на винтовых шлюзах, отличающемся тем, что классификацию песков производят по классу - 50 мм, при этом последующую глубокую дезинтеграцию минеральной составляющей гидросмеси до микроуровня (1-2 мкм) осуществляют посредством преобразования кинетической энергии потока жидкости в энергию акустических колебаний в кавитационном реакторе, на входе которого создают высокоскоростную струю, формирующую посредством отражательной сферической поверхности гидродинамического излучателя торроидальную кавитационную зону с возникновением полей первичной гидродинамической и вторичной акустической кавитации, а с помощью стенок кавитационного реактора, образующих зоны расширения (диффузор) и сужения (конфузор), пластинчатых кавитационных элементов, распределенных по контуру цилиндрической части верхнего корпуса кавитационного реактора в два ряда, щелевых отверстий гидродинамического излучателя, отражательной стенки и соединительного элемента нижнего корпуса с гидродинамическим излучателем - последующие мощные гидродинамические возмущения в виде импульсов сжатия и разрежения производят вторичные акустические микропотоки с заданным средним значением объемной плотности мощности для обеспечения градиента давления с превышением предела прочности микрочастиц.

В геотехнологическом комплексе, включающем насосные установки, системы напорного гидротранспортирования, гидромонитор, гидровашгерд, отвалообразователь, кавитационный реактор, установленный между гидровашгердом и винтовыми шлюзами, кавитационный реактор снабжен гидродинамическим излучателем с отражательной сферической поверхностью, расположенной в верхней части гидродинамического излучателя, при этом верхний корпус кавитационного реактора имеет зону расширения (диффузор) и сужения (конфузор), соединенные цилиндрической частью, а цилиндрическая часть верхнего корпуса снабжена пластинчатыми кавитационными элементами, которые распределены по контуру цилиндрической части верхнего корпуса кавитационного реактора в два ряда и закреплены с одного конца, а в нижней части гидродинамического излучателя выполнены щелевые отверстия и зона выхода гидросмеси, при этом нижний корпус кавитационного реактора снабжен отражательной стенкой и соединительным элементом с гидродинамическим излучателем, выполненным на уровне щелевых отверстий.

В кавитационном реакторе выходной патрубок выполнен в боковой стенке нижнего корпуса или может быть выполнен соосно с входным патрубком и сопряжен с зоной выхода гидросмеси.

Совокупность новых существенных признаков позволяет решить новую техническую задачу - обеспечить эффективность процесса разработки высокоглинистых золотоносных россыпей с высоким содержанием мелкого золота за счет глубокой дезинтеграции минеральной составляющей гидросмеси путем использования резонансных акустических явлений в гидропотоке, формируемых посредством стационарных гидродинамических излучателей.

На фиг.1 - общий вид геотехнологического комплекса с кавитационным реактором; на фиг.2 - кавитационный реактор; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2, показаны пластинчатые кавитационные элементы, на фиг.4 - показан вариант исполнения выходного патрубка соосно с входным патрубком и сопряженным с зоной выхода гидросмеси.

Способ выполняется с помощью добычного гидромеханизированного комплекса, включающего насосные установки 1, системы напорного гидротранспортирования 2, гидромонитор 3, гидровашгерд 4, отвалообразователь 5, кавитационный реактор 6, винтовые шлюзы 7. Кавитационный реактор 6 имеет входной 8 и выходной 9 патрубки, гидродинамический излучатель 10 с отражательной сферической поверхностью 11, расположенной в верхней части гидродинамического излучателя 10. Верхний корпус 12 кавитационного реактора 6 имеет зону расширения (диффузор) 13 и сужения (конфузор) 14, соединенные цилиндрической частью 15. Цилиндрическая часть 15 верхнего корпуса 12 снабжена пластинчатыми кавитационными элементами 16, которые распределены по контуру цилиндрической части 15 верхнего корпуса 12 кавитационного реактора 6 в два ряда 17, 18, закреплены с одного конца, имеют толщину достаточную для балансировки и под влиянием пульсирующего потока усиливают резонансные колебания в гидросмеси. В нижней части гидродинамического излучателя 10 выполнены щелевые отверстия 19 и зона выхода 20 гидросмеси. Нижний корпус 21 кавитационного реактора 6 снабжен отражательной стенкой 22 и соединительным элементом 23 с гидродинамическим излучателем 10. Соединительный элемент 23 сопрягается с гидродинамическим излучателем 10 на уровне щелевых отверстий 19 для исключения скопления твердой составляющей пульпы. Также для исключения забуторивания минеральной составляющей гидросмеси промежутки между щелевыми отверстиями 19 в горизонтальной плоскости минимальные на столько, чтобы обеспечить прочность при гидродинамических нагрузках. Для снижения кавитационного влияния на материал верхнего корпуса 12 и нижнего 21 корпуса кавитационного реактора 6 между стенками диффузора 13, конфузора 14, цилиндрической частью 15, отражательной стенкой 22, соединительным элементом 23 и самими корпусами 12 и 21 имеются прослойки материала с акустическим сопротивлением поглощающего типа.

В кавитационном реакторе 6 выходной патрубок 9 может быть выполнен в боковой стенке 24 нижнего корпуса 21 или может быть выполнен соосно с входным патрубком 8 и сопряжен с зоной выхода 20 гидросмеси.

Способ дезинтеграции минеральной составляющей гидросмеси высокоглинистых песков золотоносных россыпей в условиях резонансных акустических явлений выполняется следующим образом.

Осуществляют предварительный размыв, классификацию песков и отделение пустой породы с помощью гидромонитора 3, гидровашгерда 4 и от-валообразователя 5. С помощью систем напорного гидротранспортирования 2 от гидровашгерда 4 к кавитационному реактору 6 и от него к винтовым шлюзам 7 осуществляют подачу гидросмеси. Выделенную на гидровашгерде 4 фракцию по классу - 50 мм с помощью одной из насосных установок 1 подают в кавитационный реактор 6 для последующей глубокой дезинтеграции минеральной составляющей гидросмеси до микроуровня (1-2 мкм). Через входной патрубок 8, расположенный в верхнем корпусе 12 кавитационного реактора 6, подают скоростную струю гидросмеси, формирующую посредством отражательной сферической поверхности 11 гидродинамического излучателя 10 в зоне расширения (диффузоре) 13 верхнего корпуса12 кавитационного реактора 6 торроидальную кавитационную зону. Часть струи веерообразно расходится, попадая на заостренные выступы и отражаясь затем от стенки диффузора 13. Возникают поля первичной гидродинамической и вторичной акустической кавитации. Мощные гидродинамические возмущения в виде импульсов сжатия и разрежения производят вторую волну возмущений - вторичные акустические микропотоки. Отраженные вихри гидросмеси попадают на пластинчатые кавитационные элементы 16, которые распределены по контуру цилиндрической части 15 верхнего корпуса 12 кавитационного реактора 6 в два ряда 17, 18. Закрепление пластинчатых кавитационных элементов 16 с одного конца и наличие толщины, достаточной для балансировки, обеспечивает под влиянием пульсирующего потока усиление резонансных колебаний в гидросмеси. Частотный диапазон получаемого излучения может находиться в интервале 0,4-40 кГц [4], а максимум звукового давления регулироваться скоростью истечения струи из входного патрубка 8. В достаточно возбужденном состоянии гидросмесь поступает в зону сужения (конфузор) 14, где происходит усиление скоростного режима и разрежение (понижение) давления в потоке. Это обеспечивает кавитационный дополнительный эффект, способствующий дезинтеграции частиц на микроуровне. При этом интенсивность воздействия кавитирующих процессов, разрушающих минеральную составляющую гидросмеси, будет пропорциональна изменению скорости водного потока [5]

I=(V-V_кр )ⁿ,

где V - начальная скорость потока при входе в конфузор; V_кр- критическая скорость, соответствующая моменту начала кавитационных разрушений; n - показатель степени, равный (по экспериментальным данным) от 5 до 6.

Вырываясь из конфузора 14, гидросмесь ударяется о стенки между щелевыми отверстиями 19 и, частично отражаясь, попадает на отражательную стенку 22 и соединительный элемент 23 нижнего корпуса 21 с гидродинамическим излучателем 10, что дополнительно увеличивает гидродинамические эффекты. Часть гидросмеси направляется в щелевые отверстия 19 гидродинамического излучателя 10 сразу. Удары о кромки щелевых отверстий 19 и их стенки усиливают акустические эффекты в гидросмеси, а образующиеся последующие кавитационные явления обеспечивают градиент давления с превышением предела прочности микрочастиц. Гидросмесь поступает в зону выхода 20 и затем через патрубок 9, который может быть выполнен в боковой стенке 24 нижнего корпуса 21 или может быть выполнен соосно с входным патрубком 8 и сопряжен с зоной выхода 20 гидросмеси, с помощью напорного гидротранспортирования поступает на винтовые шлюзы 7, где в тонкослойных потоках осуществляется разделение по плотности минеральной составляющей гидросмеси.

Предлагаемый способ дезинтеграции минеральной составляющей гидросмеси высокоглинистых золотоносных россыпей в условиях резонансных акустических явлений повысит технологический уровень добычи полезного ископаемого (снизит потери ценного компонента), уменьшит энергозатраты, улучшит эксплуатационные показатели по обслуживанию комплекса, повысит рентабельность производства и экологическую безопасность за счет исключения из технологического цикла использование реагентов.

Источники информации

1. Патент № 2426595 RU, МПК В03В 5/00, Е21С 41/30. Способ кавитацион-но-акустического разупрочнения и дезинтеграции глинистых песков золотоносных россыпей. - опубл. 20.08.2011. Бюл. № 2.

2. Патент № 2246347 RU, МПК B01J 19/10. Способ кавитационной обработки потока жидкости и реактор для его осуществления. - опубл. 20.02.2005.

3. Патент № 2024318 RU, МПК В03В 7/00. Способ первичного обогащения россыпного золота мелких классов. - опубл. 15.12.1994.

4. Агранат Б. А. Основы физики и техники ультразвука/Б.А. Агранат, М.Н. Дубровин, Н.Н. Хавский, Г.И. Эскин. - М.: Высш. шк., 1987. - 352 с.

5. Кулагин В.А. Суперкавитация в энергетике и гидротехнике: Монография. Красноярск: КГТУ, 2000. - 157 с.