一种颗粒分离和分级的方法及其装置与流程

本发明涉及颗粒分离和分级，涉及一种水力旋流器，尤其涉及颗粒分离和分级的方法及其装置。

背景技术：

1、水力旋流器是采矿和环保工艺中常见的分离和分级设备。水力旋流器的工作原理是通过对悬浮液施加较高的径向流速，使悬浮液受到离心力的作用，从而实现颗粒物的分离，颗粒在垂直于水力旋流器壁面的离心加速度作用下沉降。然而，如果固体浓度较高，沉降会受到阻碍，这就意味着颗粒物之间的分离会相互阻碍，无法进行直线沉降运动；特别是如果存在两种或两种以上密度不同的颗粒混合物，这种效应会更加明显，造成采用水力旋流器的分离和分级效果不好。

2、众所周知，颗粒在高浓度下的运动可以通过叠加二次运动来改善。这种二次运动可以克服颗粒之间的静摩擦，这样，颗粒就能根据大小、密度和形状以不同的沉降速度运动。现有技术的分离工艺一般会采用使沉降颗粒连续或不连续地受到额外的作用力，从而改善颗粒的分级。如在上流式分级器中，悬浮液被引入水槽，颗粒向底部沉降，水流与颗粒的沉降方向相反，这增加了流体和颗粒之间的相对速度，并产生湍流。湍流克服了颗粒之间的静摩擦力，从而提高了整体沉降速度，提高了分级效率。离心跳汰机为引入二次作用力的一种应用，使悬浮液在离心力作用下进行初级分离，颗粒沿径向朝着旋转的筒壁沉降，冲洗水通过筒壁上的开口脉冲注入。这种逆流导致颗粒团的释放，从而使颗粒以不同的速度整体沉降。还有一种方法是离心浓缩器，悬浮液被引入一个旋转的碗中，碗壁上有开口，通过开口引入连续的水流。水流方向与主要沉降方向相反，产生湍流，从而克服颗粒之间的静摩擦力。

3、上述现有解决方案都是通过引入额外的流体流量来传递二次作用力，这会稀释物料，增加工艺水耗量。而且使用辅助流体流要求注入的流体具有近似悬浮液的总流速，并且与颗粒沉降方向相反，这就限制了在悬浮液和分离筒壁之间速度梯度较小的罐和离心设备中的重力沉降的应用。而对于水力旋流器而言，如果从不动的外壁向悬浮液旋转流中注入与沉降方向相反的水是不可行的。

技术实现思路

1、针对以上技术问题，本发明公开了一种颗粒分离和分级的方法及其装置，该方法利用科里奥利效应，具有更好的颗粒分离分级效果，可用于高固体浓度的悬浮液的分级处理，而且不需要额外的冲洗水，更加环保，降低了成本。

2、对此，本发明采用的技术方案为：

3、一种颗粒分离和分级的方法，对含有颗粒的悬浮液施加离心力，并对离心分离中的颗粒叠加垂直于颗粒离心沉降方向的第二种力，产生二次外部加速度，使颗粒产生科里奥利加速度。进一步地，所述二次加速度为线性往复加速度、恒定离心加速度或往复切向加速度。

4、采用此技术方案，利用科里奥利效应，对离心分离的流体施加垂直于离心沉降方向的二次外部加速度，实现颗粒的科里奥利加速度，改进颗粒物分离和分级的方法。而且该方法降低了底流中轻小颗粒和溢流中重大颗粒的浓度，从而改善了悬浮液的粒度分布，并允许分离装置在较高的固体浓度下运行。

5、作为本发明的进一步改进，采用水力旋流器对悬浮液施加离心力，对水力旋流器施加平行于所述水力旋流器横断面的力以产生往复线性加速度，使颗粒和流体之间产生径向速度差。

6、作为本发明的进一步改进，所述往复线性加速度包括在水力旋流器的前进运动中产生的第一加速度和在返回运动中产生的第二加速度，所述第一加速度大于第二加速度。进一步优选地，所述第一加速度为所述水力旋流器内流体流动产生的离心加速度的0.02至0.1倍，所述第二加速度小于所述水力旋流器内流体流动产生的离心加速度的0.02倍。这里的前进运动和返回运动为线性往复运动，进一步地，所述第一加速度和第二加速度之比不小于5。

7、作为本发明的进一步改进，采用水力旋流器对悬浮液施加离心力，对水力旋流器整体施加第二种力，使水力旋流器绕外部旋转轴旋转产生离心加速度，所述外部旋转轴与所述水力旋流器的轴线之间的夹角不超过30度。当夹角为0度时，所述外部旋转轴与所述水力旋流器的轴线平行。

8、作为本发明的进一步改进，所述水力旋流器的离心加速度为水力旋流器内悬浮液的离心加速度的0.02-0.1倍。

9、作为本发明的进一步改进，采用水力旋流器对悬浮液施加离心力，对悬浮液的颗粒叠加第二种力以使颗粒产生往复切向加速度，使颗粒和流体之间产生径向速度差；所述往复切向加速度的二次角速度是水力旋流器内流体流动的角速度的0.1-0.4倍，即所述第二种力通过对水力旋流器内的悬浮液施加0.1-0.4倍流体流动的角速度产生往复切向加速度。

10、进一步优选地，其中所述切向导致颗粒和流体之间的角速度差以及离心加速度差引起的径向速度梯度。

11、作为本发明的进一步改进，所述悬浮液的颗粒或其中部分颗粒为磁性颗粒，所述第二种力为施加磁场产生的磁力，所述磁场平行于所述水力旋流器的截面。进一步地，所述磁场可以是恒定的，也可以有规律或无规律地变化。

12、本发明还公开了一种颗粒分离和分级装置，包括水力旋流器和科里奥利加速度施加装置，所述科里奥利加速度施加装置对水力旋流器或水力旋流器内的颗粒叠加垂直于颗粒离心沉降方向的第二种力，产生二次外部加速度，使颗粒产生科里奥利加速度，采用如上所述的悬浮液的颗粒分离和分级的方法对颗粒进行分离和分级。

13、作为本发明的进一步改进，所述科里奥利加速度施加装置包括往复运动驱动平台和往复运动驱动机构，所述水力旋流器固定在往复运动驱动平台上，所述往复运动驱动机构与往复运动驱动平台连接，驱动往复运动驱动平台进行往复运动。

14、作为本发明的进一步改进，所述往复运动驱动机构包括驱动器和驱动杆，所述水力旋流器固定在固定框架上，所述固定框架固定在往复运动驱动平台上，所述驱动杆与往复运动驱动平台连接，所述驱动器的输出端与驱动杆连接，带动驱动杆进行线性往复运动，带动往复运动驱动平台以及水力旋流器进行往复运动。

15、作为本发明的进一步改进，所述科里奥利加速度施加装置包括旋转平台和旋转驱动机构，所述水力旋流器固定在旋转平台上，所述旋转驱动机构与旋转平台连接，驱动旋转平台及其上的水力旋流器进行旋转运动。

16、作为本发明的进一步改进，所述旋转平台包括支撑底座、旋转部、支撑杆，所述支撑底座通过旋转部与支撑杆连接，所述支撑杆与水力旋流器连接，所述旋转驱动机构通过驱动旋转部转动，带动水力旋流器旋转。

17、进一步地，所述支撑杆与所述转盘连接；所述水力旋流器装配于转盘上。

18、进一步地，所述转盘为圆环结构。

19、作为本发明的进一步改进，所述科里奥利加速度施加装置包括旋转平台和转动驱动机构，所述水力旋流器位于所述旋转平台上，且所述旋转平台的旋转轴与轴心线位于同一直线上，所述转动驱动机构驱动旋转平台旋转从而带动水力旋流器转动。

20、作为本发明的进一步改进，所述悬浮液的颗粒或其中部分颗粒为磁性颗粒，所述科里奥利加速度施加装置包括外部磁场产生装置，所述外部磁场产生装置的磁场方向与所述水流旋流器的中轴线方向垂直，所述外部磁场产生装置包括位于所述水力旋流器外侧的永磁铁磁块或电磁铁。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

22、第一，采用本发明的技术方案，利用科里奥利效应在流体内部垂直于颗粒沉降方向的离心场中对颗粒物产生二次加速，叠加的加速度使颗粒产生运动，与流体内颗粒的径向沉降运动方向垂直的运动。一般而言由于颗粒向外壁沉降，悬浮液的固体浓度会增加，这增加了受阻沉降的效应，即终端沉降速度较高的颗粒会挤压终端沉降速度较小的较轻和较小的颗粒，造成颗粒之间的摩擦。而本发明技术方案采用垂直作用的科里奥利力可减少颗粒之间的摩擦，使较小和较轻的颗粒得以释放，从而改善颗粒分离和分级性能。尤其是在高浓度情况下，消除了颗粒物沉降受阻的不利影响，具有更好的分离分级效果。

23、第二，由于科里奥利力是颗粒质量的函数，因此对于密度较大或直径较大的颗粒，垂直于离心沉降方向的运动会更大，增加了分级效果，降低了底流中轻小颗粒和溢流中重大颗粒的浓度，进一步改善了受阻沉降条件下悬浮液中粒径较小或密度较低颗粒的释放，从而改善了旋流器内悬浮液的粒度分布，并允许水力旋流器在较高的固体浓度下运行。而且根据颗粒的大小和密度、角速度和水力旋流器中的旋转半径，科里奥利加速度可能大于外部叠加加速度，叠加科里奥利加速度的总体效果是改善分离性能和颗粒分级。由于底流中的小颗粒和轻颗粒较少，溢流中的大颗粒和重颗粒较少，因此可以实现更精准的粒度分级。

24、第三，采用本发明技术方案，科里奥利力的传递无需注入额外的流体，不需要额外的冲洗水，水力旋流器进料中的固体浓度也可以更高，避免了稀释，降低了工艺水耗量和二次处理成本。该方法可应用于任何现有的水力旋流器类型，无论是单个还是多个单元的水力旋流器组。