способ струйно-акустической дезинтеграции минеральной составляющей гидросмеси и гидродинамический генератор акустических колебаний

Формула изобретения

1. Способ струйно-акустической дезинтеграции минеральной составляющей гидросмеси, включающий скоростную подачу струи в гидродинамический генератор, обработку материала в условиях активных гидродинамических воздействий посредством влияния размещенных внутри корпуса соосно и последовательно соединенных стационарных кавитационных элементов, отличающийся тем, что глубокую дезинтеграцию минеральной составляющей (классифицированной по классу - 50 мм) гидросмеси до микроуровня (1-2 мкм) осуществляют посредством преобразования кинетической энергии потока жидкости в энергию акустических колебаний в гидродинамическом генераторе, на входе которого создают высокоскоростную затопленную струю, формирующую посредством отражательной сферической поверхности стационарного кавитационного элемента скачок уплотнения и тороидальную кавитационную зону с усилением осцилляции скачка и возникновением полей первичной гидродинамической и вторичной акустической кавитации в гидросмеси, а с помощью щелеобразных отверстий и лопастей конусообразных кавитационных поверхностей осуществляют двукратное тонкоструйное разделение гидросмеси, при этом с помощью дополнительно установленных пакетов подвижных упругих пластинчатых кавитационных элементов, выполненных с изгибами и провисанием относительно крепления, осуществляют дополнительное струйное разделение с усилением кавитационно-акустического воздействия на минеральную составляющую гидросмеси и получением заданного среднего значения объемной плотности мощности гидродинамического возмущения для обеспечения градиента давления с превышением предела прочности микрочастиц.

2. Гидродинамический генератор акустических колебаний, включающий корпус с входным и выходным отверстиями и размещенные внутри него соосно и последовательно соединенные стационарные кавитационные элементы, отличающийся тем, что корпус гидродинамического генератора выполнен составным, верхняя часть которого снабжена стационарным кавитационным элементом с отражательной сферической поверхностью, расположенной в верхней части корпуса и сопрягающейся в нижней своей части с последовательно установленными конусообразными кавитационными поверхностями, снабженными щелеобразными и эквидистантно расположенными вдоль образующей конуса конусообразных кавитационных поверхностей отверстиями с лопастями, установленными вдоль отверстий с одной стороны и выполненными с расширением в вертикальной плоскости по направлению от оси к кромкам конусообразных кавитационных поверхностей, причем кромки конусообразных кавитационных поверхностей установлены с зазором по отношению к стенке верхней части корпуса, при этом верхняя часть корпуса имеет зону расширения (диффузор) и сужения (конфузор), а нижняя часть корпуса выполнена в виде ступенчатого конфузора и снабжена пакетами упругих пластинчатых кавитационных элементов, выполненных с произвольными изгибами и свободно подвешенных с провисанием относительно крепления, установленного вдоль верхней стенки нижней части корпуса, с возможностью смещения в вертикальной плоскости, а промежуточные крепления нижнего пакета упругих пластинчатых кавитационных элементов расположены со значительным смещением в вертикальной плоскости по отношению к их креплениям в верхней стенке нижней части корпуса.

3. Гидродинамический генератор акустических колебаний по п.2, отличающийся тем, что выходное отверстие для гидросмеси выполнено в боковой стенке основания.

4. Гидродинамический генератор акустических колебаний по п.2, отличающийся тем, что выходное отверстие для гидросмеси выполнено соосно с входным отверстием и сопряжено с днищем основания.

5. Гидродинамический генератор акустических колебаний по п.2, отличающийся тем, что выходное отверстие для гидросмеси выполнено соосно с входным отверстием и сопряжено со ступенчатым конфузором.

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 газоструйной дезинтеграции материала и устройство для его осуществления на основе принципа струйно-акустического воздействия на материал [1].

Недостатком данного способа является использование энергозатратных систем подачи струи газа и регулировки перемещения струйно-акустического генератора.

Установлены также способы и устройства, осуществляющие генерацию акустических колебаний ультразвукового диапазона в жидкотекучих средах посредством возбуждения потоком жидкости стержней, пластин, мембран или в результате модуляции струи жидкости [2, 3, 4].

Основным недостатком данных устройств является то, что соотношения между геометрическими размерами элементов гидродинамических генераторов колебаний и гидродинамическими параметрами прокачиваемой дисперсионной среды сужают диапазон плотности прокачиваемой гидросмеси. Это не позволит эффективно обработать минеральную составляющую гидросмеси глинистых песков россыпей с включениями твердых частиц размером от 50 мм. Данным обстоятельством определяется ограничение по технологическим показателям, максимальной развиваемой мощности и производительности систем.

Известны различные системы роторного типа, использующие принцип струйной генерации акустических потоков [5, 6] и различные системы кавитационно-струйной диспергации [7].

Использование этих устройств ограничено пропускной способностью обрабатываемой среды (производительностью по массе), дисперсностью твердой фракции и не пригодно для дезинтеграции гидросмеси с включениями крупнокусковой составляющей с повышенным содержанием глин.

Наиболее близким по технической сущности является гидродинамический генератор акустических колебаний ультразвукового диапазона и способ создания акустических колебаний ультразвукового диапазона, включающий корпус в виде конусно-цилиндрический трубы с входным и выходным отверстиями и размещенное внутри него препятствие для потока жидкости, которое представляет из себя систему, состоящую из последовательно соединенных плохо обтекаемого тела, стержня и диска, установленных соосно с трубой [7].

Данный способ основан на создании резонансных акустических явлений в гидропотоке посредством системы (условно названных) стационарных кавитационных элементов, однако конструктивное выполнение стационарных излучателей не выдержит давления потока песково-глинистых гидросмесей и не обеспечит дезинтеграцию минеральных составляющих в пульпе.

Технический результат предлагаемого способа заключается в повышении эффективности разрушения и глубокой дезинтеграции минеральной составляющей гидросмеси (с конечным размером частиц до 1-2 мкм) глинистых песков россыпей путем использования резонансных акустических явлений в гидропотоке посредством стационарных элементов гидродинамического излучателя.

Технический результат достигается за счет того, что в способе струйно-акустической дезинтеграции минеральной составляющей гидросмеси, включающем скоростную подачу струи в гидродинамический генератор, обработку материала в условиях активных гидродинамических воздействий посредством влияния размещенных внутри корпуса соосно и последовательно соединенных стационарных кавитационных элементов, глубокую дезинтеграцию минеральной составляющей (классифицированной по классу - 50 мм) гидросмеси до микроуровня (1-2 мкм) осуществляют посредством преобразования кинетической энергии потока жидкости в энергию акустических колебаний в гидродинамическом генераторе, на входе которого создают высокоскоростную затопленную струю, формирующую посредством отражательной сферической поверхности стационарного кавитационного элемента скачок уплотнения и тороидальную кавитационную зону с усилением осцилляции скачка и возникновением полей первичной гидродинамической и вторичной акустической кавитации в гидросмеси, а с помощью щелеобразных отверстий и лопастей конусообразных кавитационных поверхностей осуществляют двукратное тонкоструйное разделение гидросмеси, при этом с помощью дополнительно установленных пакетов подвижных упругих пластинчатых кавитационных элементов, выполненных с изгибами и провисанием относительно крепления, осуществляют дополнительное струйное разделение с усилением кавитационно-акустического воздействия на минеральную составляющую гидросмеси и получением заданного среднего значения объемной плотности мощности гидродинамического возмущения для обеспечения градиента давления с превышением предела прочности микрочастиц.

В гидродинамическом генераторе акустических колебаний, включающем корпус с входным и выходным отверстиями и размещенные внутри него соосно и последовательно соединенные стационарные кавитационные элементы, корпус гидродинамического генератора выполнен составным, верхняя часть которого снабжена стационарным кавитационным элементом с отражательной сферической поверхностью, расположенной в верхней части корпуса и сопрягающейся в нижней своей части с последовательно установленными конусообразными кавитационными поверхностями, снабженными щелеобразными и эквидистантно расположенными вдоль образующей конуса конусообразных кавитационных поверхностей отверстиями с лопастями, установленными вдоль отверстий с одной стороны и выполненными с расширением в вертикальной плоскости по направлению от оси к кромкам конусообразных кавитационных поверхностей, причем кромки конусообразных кавитационных поверхностей установлены с зазором по отношению к стенке верхней части корпуса, при этом верхняя часть корпуса имеет зону расширения (диффузор) и сужения (конфузор), а нижняя часть корпуса выполнена в виде ступенчатого конфузора и снабжена пакетами упругих пластинчатых кавитационных элементов, выполненных с произвольными изгибами и свободно подвешенных с провисанием относительно крепления, установленного вдоль верхней стенки нижней части корпуса, с возможностью смещения в вертикальной плоскости, а промежуточные крепления нижнего пакета упругих пластинчатых кавитационных элементов расположены со значительным смещением в вертикальной плоскости по отношению к их креплениям в верхней стенке нижней части корпуса.

В гидродинамическом генераторе акустических колебаний выходное отверстие для гидросмеси выполнено в боковой стенке основания.

В гидродинамическом генераторе акустических колебаний выходное отверстие для гидросмеси выполнено соосно с входным отверстием и сопряжено с днищем основания.

В гидродинамическом генераторе акустических колебаний выходное отверстие для гидросмеси выполнено соосно с входным отверстием и сопряжено со ступенчатым конфузором.

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

На фиг.1 - общий вид гидродинамического генератора акустических колебаний; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1, вид сверху на конусообразную кавитационную поверхность со щелеобразными отверстиями с лопастями, установленными вдоль отверстий с одной стороны; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1, показаны упругие пластинчатые кавитационные элементы; на фиг.4 показан вариант исполнения выходного отверстия для гидросмеси соосно с входным отверстием и сопряжением с днищем основания; на фиг.5 показан вариант исполнения выходного отверстия для гидросмеси соосно с входным отверстием и сопряжением со ступенчатым конфузором.

Способ выполняется с помощью гидродинамического генератора 1 акустических колебаний, который включает корпус 2 с входным и выходным отверстиями 3, 4 и размещенные внутри него соосно и последовательно соединенные стационарные кавитационные элементы 5. Корпус 2 гидродинамического генератора 1 выполнен составным, верхняя часть 6 которого снабжена отражательной сферической поверхностью 7, сопрягающейся в основании 8 нижней части 9 с последовательно установленными конусообразными кавитационными поверхностями 10, 11. Конусообразные кавитационные поверхности 10, 11 снабжены щелеобразными и эквидистантно (на равном удалении) расположенными вдоль образующей конуса конусообразных кавитационных поверхностей 10, 11 отверстиями 12. Отверстия 12 снабжены лопастями 13, установленными вдоль отверстий 12 с одной стороны 14 и выполненными с расширением в вертикальной плоскости 15 по направлению от оси 16 к кромкам 17, 18 конусообразных кавитационных поверхностей 10, 11. Между кромками 17, 18 конусообразных кавитационных поверхностей 10, 11 и стенкой 20 верхней части 6 корпуса 2 образован зазор 19. Верхняя часть 6 корпуса 2 имеет зону расширения (диффузор) 21 и сужения (конфузор) 22. Нижняя часть 23 корпуса 2 выполнена в виде ступенчатого конфузора 24 и снабжена пакетами 25 упругих пластинчатых кавитационных элементов 26. Упругие пластинчатые кавитационные элементы 26 выполнены с произвольными изгибами и свободно, с провисанием 27, подвешены относительно крепления 28, установленного вдоль верхней стенки 29 нижней части 23 корпуса 2 с возможностью смещения в вертикальной плоскости 30. Промежуточные крепления 31 нижнего пакета 32 упругих пластинчатых кавитационных элементов 26 расположены со значительным смещением 33 в вертикальной плоскости 30 по отношению к их креплениям 28 в верхней стенке 29 нижней части 23 корпуса 2. Нижняя часть 23 корпуса 2 установлена в основание 34. В гидродинамическом генераторе 1 акустических колебаний выходное отверстие 4 для гидросмеси может быть выполнено в боковой стенке 35 основания 34 или может быть выполнено соосно с входным отверстием 3 и сопряжено с днищем 36 основания 34 или со ступенчатым конфузором 24. Днище 36 основания имеет неровности 37.

Способ струйно-акустической дезинтеграции минеральной составляющей гидросмеси выполняется следующим образом.

Обработка материала осуществляется в условиях активных гидродинамических воздействий посредством влияния размещенных внутри корпуса 2 гидродинамического генератора 1 соосно и последовательно соединенных стационарных кавитационных элементов 5. Начальный этап дезинтеграции минеральной составляющей (классифицированной по классу - 50 мм) гидросмеси осуществляется посредством скоростной подачи затопленной струи через входное отверстие 3 непосредственно на отражательную сферическую поверхность 7, расположенную в верхней части 6 корпуса 2 и сопрягающуюся в основании 8 нижней своей части 9 с последовательно установленными конусообразными кавитационными поверхностями 10, 11. Отражательная сферическая поверхность 7 со стенками диффузора 21 формирует скачок уплотнения, переходящий в тороидальную кавитационную зону с усилением осцилляции скачка и возникновением полей первичной гидродинамической и вторичной акустической кавитации в гидросмеси. С высоким градиентом давления гидросмесь последовательно попадает на конусообразные кавитационные поверхности 10, 11 со щелеобразными отверстиями 12 и лопастями 13, установленными вдоль отверстий 12 с одной стороны 14 и выполненными с расширением в вертикальной плоскости 15 по направлению от оси 16 к кромкам 17, 18 конусообразных кавитационных поверхностей 10, 11. Лопасти 13 играют роль дополнительных кавитаторов. Зазор 19, образованный между стенкой 20 и конусообразными кавитационными поверхностями 10, 11, обеспечивает снижение забуторивания отверстий 12, так как часть твердой составляющей гидросмеси не успеет подвергнуться окончательной обработке. Гидросмесь кавитирует и разделяется на тонкие струи, проходя сквозь щелеобразные отверстия 12. Осуществляется двукратное тонкоструйное разделение гидросмеси с образованием множественных зон кавитации за счет гидродинамических воздействий, возникающих с помощью щелеобразных отверстий 12 и лопастей 13, которые обеспечивают микрогидроудары. Поверхность конфузора 22 усиливает влияние на поток так же, как и нижняя часть 23 корпуса 2, установленная в боковых стенках 34 основания 35 и выполненная в виде ступенчатого конфузора 24. Далее гидросмесь попадает в зону ступенчатого конфузора 24. С помощью пакетов 25 подвижных упругих пластинчатых кавитационных элементов 26, выполненных с изгибами и провисанием 27 относительно крепления 28, установленного вдоль верхней стенки 29 нижней части 23 корпуса 2 с возможностью смещения в вертикальной плоскости 30, осуществляется дополнительное струйное разделение с усилением кавитационно-акустического воздействия на минеральную составляющую гидросмеси и получение заданного среднего значения объемной плотности мощности гидродинамического возмущения для обеспечения градиента давления с превышением предела прочности микрочастиц. Учитывая варианты исполнения гидродинамического генератора 1, гидросмесь может поступать сразу из ступенчатого конфузора 24 в выходное отверстие 4 (п. ф-лы 5) либо закручивается с помощью неровностей 37 днища 36 основания 34 и поступать в выходное отверстие 4, расположенное в боковой стенке 35 или сопрягающееся с днищем 36 (п. ф-лы 3, 4). На выходе обеспечивается получение минеральных компонентов гидросмеси с размером частиц в пределах 1-2 мкм. Расположение промежуточных креплений 31 нижнего пакета 32 упругих пластинчатых кавитационных элементов 26 со значительным смещением 33 в вертикальной плоскости 30 обеспечивает значительное вихреобразование как по направлению потока гидросмеси, так и перпендикулярно ему. Частотный диапазон получаемого излучения при кавитации в процессе дезинтеграции может находиться в интервале 0,4-40 кГц [2], а максимум звукового давления регулироваться скоростью истечения струи из входного отверстия. Интенсивность гидродинамической кавитации, обеспечивающей разрушение минеральной составляющей гидросмеси на конечной стадии, 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.

Предлагаемый способ дезинтеграции минеральной составляющей гидросмеси высокоглинистых золотоносных россыпей в условиях резонансных акустических явлений струйного типа 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 использования реагентов.

Источники информации

1. Патент № 2425719 RU, МПК B03B 5/02. Способ газоструйной дезинтеграции материала и устройство для его осуществления. - опубл. 10.08.2011. Бюл. № 22.

2. 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.

3. Патент № 2015749 RU, МПК B06B 1/20, F15B 21/12. Гидродинамический генератор колебаний. - опубл. 15.07.1994.

4. Патент № 2229947 RU, МПК B06B 1/20. Способ глубокой обработки жидких и газообразных сред и генератор резонансных колебаний для его осуществления. - опубл. 10.06.2004.

5. Промтов М.А. Пульсационные аппараты роторного типа: теория и практика: Монография. М.: Машиностроение - 1, 2001. - 260 с. ISBN 5-99275-006-8.

6. Балабышко A.M., Юдаев В.Ф. Роторные аппараты с модуляцией потока и их применение в промышленности. - М.: Недра, 1992. - с: 176 ил. ISBN 5-247-02380-3.

7. Федоткин И.М., Немчин А.Ф. Использование кавитации в технологических процессах. - Киев.: Вища школа. Изд-во Киев. Ун-те, 1984, - 68 с., с.52, рис.22.

8. Патент № 2325959 RU, МПК B06B 1/18. Гидродинамический генератор акустических колебаний ультразвукового диапазона и способ создания акустических колебаний ультразвукового диапазона. - опубл. 10.06.2008. Бюл. № 16.