改进离心过滤的方法 离心过滤器广泛用于各种颗粒材料的固体-液体分离中。在煤炭和采矿工业中，采用多种固体-液体分离方法来使一种类型的颗粒材料与另一种分离。由于该分离通常是在含水的介质中进行的，因此必须在运到顾客或下一步加工之前使产品脱水。在煤炭工业中，采用滚筒离心装置使颗粒大于约1mm的颗粒脱水，而较小的颗粒则采用筛选离心设备来脱水，后者可提供比传统的真空过滤器更低的湿度，部分原因是在过滤时小颗粒随着污水而损失了。通常，由于颗粒的表面积增大，脱水产品的湿度随着颗粒尺寸的增大而增加。因此，去除随着污水的细小颗粒将有助于降低脱水产品，但这必然伴有贵重物的损失，这是不可取的。
当颗粒的液态悬浮物引入间歇式离心过滤器时，该过滤器的壁是由泡沫介质制成的。较重的固体迅速沉积在介质上，而较轻地水在块状物上方形成一层。当离心旋转继续时，水流过块状物。在初始的脱水过程中，水流过块状物，而块状物由一层水覆盖，这个过程称作为过滤。水层迟早会从块状物表面消失，块状物中的毛细管浸透了水。这种在块状物上没有水时的脱水过程称作为排水。由于下述原因，该排水过程比过滤过程要慢得多，在控制最终的块状物湿度方面，控制排水率是很关键的。
通过块状物的排水率可由达西(Darcy)法则预测出：
Q=KΔPAμL---(1)]]>
其中：Q是流速，K是块状物的可渗透性，ΔP是越过块状物的压降，A是过滤面积，μ是水的动态粘度，L是块状物厚度。在过滤期间，越过块状物压降由下列关系式确定：
ΔP＝1/2ρω2(rs2-ro2)， (2)
其中：ρ是液体的密度，ω是角速度，ro和rs分别是离离心设备转动轴的不受约束的水和块状物表面的径向距离。从方程(1)和(2)可以看出，过滤速度将随着水在过滤器块状物上方的ω和厚度(rs-ro)而增大。
按照方程(2)，当块状物上的水消失、即ro＝rs时，ΔP为0。当块状物中的水位进一步增加、即ro＞rs时，块状物内的压力低于大气压，这由Zeitsch(in Solid-liquid Separation，3rd Edition，edited by L.Svarovsky，Buttreworth，London，1990，P.476)。研究的数学模式示出。该模式计算表明：块状物内的压力随着块状物厚度增大而负增长。
尽管在块状物内没有正压力，在排放期间由于块状物内的离心力超过毛细管内保持水的力的总和时，仍出现脱水，保持水的力是负压产生的力和流体阻力。仅靠离心力的排放过程必然会有高的能耗并要求有大量的维护工作以获得低的块状物湿度。在采用离心过滤器来进行固体-液体分离时，能量消耗和维护是人们主要关心的问题。在本发明中，讨论了克服这些问题的方法。它们包括增加离心设备内的气压和/或降低外部气压的方法。采用这些方法用来增大越过过滤的块状物的压降，从而能利用Darcy法则(方程1)的优点，在该方程中，建议了脱水率随着压降增大而增大。正如本发明中讨论的，增加压降的附加方法，对于在排放期间增大脱水率来说是特别有用的，这在获得低的块状物湿度方面也是很关键的。本发明中讨论的方法可在不产生高的能耗和维护问题的情况下获得低的块状物湿度。
授予Hultch的一系列的美国专利(No.3943056和4052303)讨论了一种在离心设备的外壁上产生负压、从而增大过滤率的方法。这是通过在过滤介质的外侧产生一个空腔来做到的，在该空腔中收集过滤的水。由于在该空腔中的水受到的离心力比保持在块状物中的离心力要大，就会由于虹吸作用产生一个负压(或真空压力)。因此这项技术称作为采用转动虹吸的方法。然而一旦空气通过过滤块状物进入过滤空腔，该方法的效率就降低，这就不可能使排放时间足够长，而较长排放时间常常对产生低的块状物湿度来说是必要的。
美国专利No.4997575教导了一种采用具有超高大气压的压力罩中的转动虹吸的方法，该压力是由过滤液腔中的过滤液面高度和过滤器后的环形空间的差异来控制的。该液体控制可防止过滤液体进入气体排放管线。
美国专利No.5771601和5956854教导了一种将诸如空气那样的气流喷入颗粒床、从而减小颗粒表面湿度的方法，由气流产生的废气流从颗粒表面夺走水。这项技术对在滚筒离心设备中脱水的、颗粒尺寸在0.5-30mm的颗粒来说是有用的。在这个发明中，气流喷入一个敞开的空间，因此它不能大大增加越过颗粒床的压降。另外在块状物受到滚筒离心设备中常用于移动颗粒的乱放而产生的连续的干扰时，也很难增大压降。另外，由鼓风机而不是压缩机来产生气流，也很难产生越过过滤块状物的高压降。
【发明内容】
按照上面的理论上的考虑，在离心过滤过程的排放期间，脱水率是低的，这可归结于缺乏越过块状物的正压降。这个问题可通过增加压降来克服，即用附加装置来增加空心过滤器内的气压和/或降低外部的气压。已经发现，这些方法大大增加了排放率，因而降低了块状物的湿度。
本发明实际上建议了将传统的离心过滤与压力和/或真空过滤相结合的方法。然而，采用该结合的方法所能获得的湿度减小大大低于单独采用不同的脱水方法所获得的湿度减小的总和。因此，该结合的方法呈现出协同作用。尽管由增大压降的附加装置引起的排放率增加可为已观察到的改进提供解释，但还可能有其它的机制在起到上述协同作用。
在一种典型的操作中，一种泥浆引入到一个滚筒式离心设备中，该离心设备的侧壁是由发泡介质(如：滤网，烧结的玻璃，烧结的陶瓷，烧结的金属或装在滤网上的过滤布)。该过滤设备的顶部和底部由固体材料制成，从而使引入到离心过滤容器内的空气仅通过发泡的侧壁排出。该离心设备可以垂直、水平、倒置或以任意角度放置，这是因为与离心力相比，重力是非常小的。引入的泥浆可以用稀释的悬浮物、也可用增稠的泥浆引入。
该分离设备可象间歇式的或连续的固体-液体分离装置那样操作。在间歇式操作中，泥浆中的颗粒在发泡的介质上迅速形成块状物，液体(水)穿过该块状物。当该块状物由一层水覆盖时，水穿过块状物的速度是快的，这是因为按方程(2)，越过块状物的压降是正的。当水层从块状物表面消失、即rs＝ro时，压降成为0，将使排放速度降低。在块状物的离心力越过将水保持在毛细管壁上和液压动态阻力的毛细管力的总和时，水将在这些条件下连续地流过块状物。在本发明中，通过外部装置增大压降能增加排放率、降低块状物的湿度。
在本发明的一个实施例中，通过引入压缩空气流来增加离心过滤容器内的压力，这将增大越过块状物的压降，因此增大过滤率和排放率。已经发现，在排放期采用压缩空气的真实的优点。正如已经看到的，根据块状物的厚度和旋转角速度的不同，在块状物内的压力变成0或负值，所加上的空气压力将提供纯的压降，这将大大增加排放率和降低最终块状物的湿度。
本发明的另一实施例是通过在上述离心过滤器壁的外侧上加上真空压力来增加越过过滤块状物的压降。
本发明另一实施例是在离心过滤容器内侧加上压缩空气，同时在其外侧抽真空。然而，该方法仅可用在脱水材料非常难以处理的情况。单独采用压缩空气或真空压力足以为许多煤和矿物细粒脱水，这在本发明公开文件中已给出许多例子。
本发明的又一实施例是增加颗粒材料的疏水性，从而增大离心脱水时的排放率。根据Laplace方程，疏水率的增加将导致毛细管压力降低，这将有助于增大排放率。这对于难于脱水的材料、如沉淀的碳酸钙(PPC)尤其重要。
在本发明中描述的利用其它方法来增大越过块状物的压降的方法比利用转动虹吸在整个排放期间增加压降的方法更具有优越性。利用转动虹吸的方法一旦气压穿过块状物时就停止工作，它通常用于该块状物具有不同直径的毛细管的情况。在大的毛细管中的水比小毛细管中的水更易排出，因此空气能非常迅速地穿过大的毛细管并使由转动虹吸产生的压降无效。这将难以排出小毛细管中的水份。另一方面，如本发明那样加上空气压力或真空压力的方法在整个排放期间是有效的，这将使捕获在小毛细管中的水有机会排出，从而产生低的块状物湿度。
【附图说明】
采用本发明中所用的实验室规模的离心过滤器的附图，可以更清楚地描述新的概念和它的实施例。
图1概略表示离心过滤容器，该容器用于在加上空气压力条件下进行的间歇脱水试验。
图2概略示出一个离心过滤器，该过滤器用于在加上空气压力和/或真空条件下进行的间歇脱水试验。
【具体实施方式】
通过描述实验室实验的详细过程可以清楚地说明本发明的实施例。该试验工作是采用在采矿时得到的煤和矿泥浆来进行的。在进行一系列的脱水实验之前，已采用大的分离漏斗由重力作用过滤了泥浆，这个过程类似于在筛选离心设备的水池部分中出现的增稠加工。增稠后的泥浆在煤屑的情况下含有40-45％的湿度、在矿物屑和颜料的情况下具有20-72％的湿度，这些泥浆用来送到实验室离心过滤试验中。
图1表示该离心过滤容器1，它被用来进行在加上空气压力条件下的过滤试验。该容器由不锈钢制成，其尺寸为内径3.4英寸，高3英寸。它垂直放置在一个离心机内，该离心机能改变该容器的每分钟转数。侧壁用带孔的不锈钢制成，圆孔2的尺寸是1/8-3/32和1/16英寸。该过滤容器由螺钉4紧固到离心设备的转子3上。设计成与离心容器1形状一致的过滤布5放置在内侧。然后增稠的泥浆通过过滤布和过滤容器的侧壁，以形成块状物6，然后用一个盖7盖住过滤容器，盖7由螺钉8紧固到过滤容器1上。在盖7的中部，连接一个加压空气入口管9，管9的终端为抛光的平面10。一个双轴承连接器11用于加压空气入口管9与外部加入空气管线12相连，管线12装有开/关阀13。尽管在图1中未示出，在加压空气管线上还装有一个气流表和一个压力表。
图2表示该装置用于过滤试验，该试验是在加上压缩空气和/或真空压力的条件下进行的。用在这些试验中的离心式过滤器容器1与图1所示的相同。在增稠的泥浆以参照图1描述的方式粘贴过滤介质后，真空腔14放在离心过滤容器1上方。真空腔14由橡胶垫15和底板16与周围密封起来，底板16用螺钉17紧固到真空腔14上。该真空腔通过管线18连到一真空泵上，并由球轴承密封件19与转子3密封。
该离心脱水试验是采用变化的离心力、气压、真空压力、块状体厚度、旋转(或离心)时间来进行的。离心力是通过改变过滤容器的转动速度(或角速度ω)来变化的，该离心力可与重力加速度g有关，它们的关系是：
G=rω2g---(3)]]>
其中r是离心脱水容器的半径。在每次实验以后测量块状物厚度，然后块状物从过滤容器中取出、称重、在普通的烤箱中、在105℃上干燥一整夜，然后再次称重，以确定残留在块状物中的湿度。
例1
一种螺旋式浓缩和浮选产品的混合物以5加仑料斗的湿泥浆形式收到。该混合物来自一个工厂，该工厂在匹茨堡，煤层的煤已进行了清洗。泥浆的代表性部分被取出并由重力在粗糙的过滤纸上过滤，含有35.9％湿度的增稠的样品粘附到如图1所示的实验室离心过滤器内侧的过滤布上，在离心后测出的过滤块状物的厚度是0.7英寸、该试验是在不同的转速、旋转时间和空气压力下进行的。
表1是用匹茨堡煤层的煤在2000G下所获得的结果。通常，随着旋转时间的增加，块状物湿度减小。在没有加上气压的控制实验中，在旋转时间为150秒后，湿度从35.9％降低到21.0％。当在加上空气压力时进行该离心过滤实验时，湿度进一步降低。在空气压力为100200和300kPa、和旋转时间为150秒时，块状物的湿度分别降到12.1％，9.9％和9.3％。
表1 用匹茨堡的煤样品在2000G上不同空气压力下得出的结果旋转时间(秒) 块状物湿度(％重量) 无 空气压力(kPa) 100 200 300 0 35.9 35.9 35.9 35.9 30 22.5 15.3 14.2 13.5 60 21.3 13.9 12.5 11.3 90 21.1 13.2 11.5 10.4 120 21.0 12.4 10.6 9.5 150 20.6 12.1 9.9 9.3
例2
在这个例子中，在例1中所用的匹茨堡的煤样品在200目上进行了筛选，采用-0.074mm×0的细粒来进行离心过滤实验。表2表示在2000G和0.5英寸厚的块状物的、在变化的空气压力和旋转时间上获得的结果。由于颗粒尺寸很小，因此在控制实验中获得的湿度降低很不理想。在30秒的旋转时间后，湿度从42.3％降到37.1％。在更长的旋转之后，湿度降低并没有很大的改进。然而，当加上空气压力时，块状物的湿度进一步降低。通过加上压缩空气得出的湿度降低的范围随着空气压力和旋转时间的增加而增大。在400kPa的空气压力和150秒的旋转时间时，块状物的湿度降到16.8％那样低。
表2 用匹茨堡的煤样品在2000G和0.5英寸厚的块状物在细度
为(-0.074mm)时得出的结果 旋转时间(秒) 块状物湿度(％重量) 无 空气压力(kPa) 100 200 300 400 0 42.3 42.3 42.3 42.3 42.3 30 37.1 31.9 27.6 24.5 22.5 60 36.9 31.2 24.6 21.2 19.7 90 36.7 30.2 23.8 20.2 18.4 120 36.6 29.7 23.0 19.1 17.8 150 36.5 28.5 22.5 18.8 16.8
例3
一种从Virginia州的Middle Fork制煤厂的MicrocelTM浮选塔获得的浮选产品在400目的筛网上进行筛选，以除去小于0.038mm的颗粒，-0.3+0.038的2500克的细粒、在块状物厚度为0.5英寸的情况经受离心过滤试验。表3给出了在变化的空气压力和旋转时间的情况下得出的试验结果。在控制试验中，在150秒的旋转时间后，湿度从41.1％降到25.0％。在旋转时间30秒后得出的块状物湿度是27.5％。因此，在没有空气压力下的离心过滤，即使在除去矿泥后对降低残留的块状物的湿度是不起作用的。然而，在采用压缩空气时，块状物的湿度降到10％以下。在150秒旋转时间的250kPa的空气压力下，湿度降到3.9％那样低。
表3 用Deslimed MicrocelTM浮选产品在2500G和变化的空气压
力下得出的结果 旋转时间(秒) 块状物湿度(％重量) 无 空气压力(kPa) 50 150 250 0 41.1 41.1 41.1 41.1 30 27.5 12.2 10.0 9.1 60 26.2 10.9 8.0 7.1 90 25.9 8.9 7.1 6.1 120 25.4 8.0 6.3 4.6 150 25.0 7.6 6.0 3.9
例4
用本发明公开的离心过滤技术试验由浮选法得出的闪锌矿浓缩物，该浓缩物是从一个运行的矿物加工厂得出的闪锌矿浓缩物(0.15mm×0)。样品在进行2000G和0.62英寸厚的块状物的离心过滤试验之前增稠到20.3％的湿度。表4给出的结果表明，块状物的湿度在300kPa的空气压力下和120秒旋转时间后降低到3.3％。在30秒旋转时间和100kPa空气压力下，湿度降到7.2％，该湿度对实用目的来说已足够了。
表4 用2000G和0.6英寸厚的块状物得出的结果旋转时间(秒) 块状物湿度(％重量) 无 空气压力(kPa) 50 100 200 300 0 20.3 20.3 20.3 20.3 20.3 30 13.2 8.4 7.2 5.8 5.0 60 13.1 8.1 6.5 4.7 4.2 90 12.8 7.2 6.1 4.5 3.5 120 12.4 7.1 5.9 4.2 3.3
例5
表5表示在从一个运行的工厂收到的黄铜矿浓缩物(0.15mm×0)上进行的离心过滤试验的结果。试验是在2000G和0.7英寸的块状物厚度的样品上进行的。试验在没有空气压力下进行，在90秒离心后块状物的湿度从22.9％降到14.1％。更长的旋转时间对湿度进一步降低影响不大。然而在加上空气压力的情况下，可获得非常低的块状物湿度。在100kPa的空气压力下、仅在30秒旋转时间后，湿度降到6.9％。
表5 用2000G和0.7英寸的块状物厚度的黄铜矿浓缩物得到的
结果旋转时间(秒) 块状物湿度(％重量) 无 空气压力(kPa) 50 100 200 300 0 22.9 22.9 22.9 22.9 22.9 30 15.1 9.5 6.9 6.1 6.0 60 14.5 9.0 5.8 5.1 4.9 90 14.1 8.4 5.7 4.6 4.1 120 14.0 8.0 5.5 4.0 3.1 150 13.9 7.8 5.1 3.6 2.5
例6
一种最难脱水的材料是来自东Georgia的细高岭土(95％低于2μm)。该样品在具有300克/吨为Super Floc 241的情况下增稠，脱水到湿度为62％，然后再用2000G和4英寸厚的块状物进行离心过滤实验。其结果如表6所示。在不具有空气压力的情况下，在210秒旋转时间后，湿度降到47.9％。在600kPa空气压力和210秒旋转时间后，块状物的湿度降到25.7％。尽管压力是高的，但气流速度仅为2标准立方英尺/分钟。这种情况下应避免要求低湿度，这种低湿度要求采用化费很高的喷射干燥。
表6 用2000G和0.4英寸厚的块状物东Georgia高岭土得到的
结果旋转时间(秒) 块状物湿度(％重量) 无 空气压力(kPa) 150 300 450 600 0 62.0 62.0 62.0 62.0 62.0 30 52.1 43.2 40.8 38.5 34.6 60 50.3 39.1 35.6 34.4 31.3 150 48.4 35.4 32.5 30.1 28.9 210 47.9 33.6 30.1 27.6 25.7
例7
沉淀的碳酸钙(PPC)是一种非常难以脱水的材料。在该例子中，一种PPC的2μm的样品用作离心过滤试验。在加入少量(500克/吨)的草酸钠之前由石灰添加剂将pH值调节到9.5，加入草酸钠用于获得有利于脱水的表面疏水性。在过滤试验以前，将泥浆增稠到70.3％的湿度。用2000G和0.35英寸厚的块状物进行试验。正如表7所示，在旋转时为3分钟后，块状物的湿度降到57.8％。在600kPa的空气压力下，湿度进一步降到34.2％，湿度大约降低了52％。已经发现，在过滤期间在空气压力下块状物出现破裂。如果发现一种方法能防止由块状物收缩引起的破裂问题，该块状物的湿度可进一步降低。
表7 用2000G和0.35英寸厚的块状物的PCC样品得出的结果旋转时间(秒) 块状物湿度(％重量) 无空气 空气压力(kPa) 150 300 450 600 0 70.3 70.3 70.3 70.3 70.3 30 62.1 51.2 46.7 41.6 37.9 60 60.6 49.3 43.6 38.5 36.3 120 58.3 47.3 41.1 36.9 35.1 180 57.8 46.7 40.0 35.5 34.2
例8
来自Florida的磷酸盐矿(-0.42+0.038mm)用松浆油脂肪酸作为浮选促集剂和用燃料油作中性pH的补充剂来进行浮选。该浓缩物用作离心过滤试验。一组试验采用图1所示装置利用压缩空气来进行，另一组试验在真空压力下用图2的装置来进行。表8示出试验结果。在控制试验中，在两分钟的旋转后，块状物的湿度从40.4％降到17.2％。在-80kPa的真空压力和80kPa的空气压力，湿度分别降到9.3％和8.8％。这两组数据的差异很小，这说明，需要改进离心过滤性能的是越过块状物的压降(ΔP)，与是否由过滤容器内的压缩空气和外侧的真空压力助推无关。
表8 磷酸盐样品在2000G上采用真空和空气压力进行离心过滤
时的比较旋转时间(秒) 块状物湿度(％重量) 无 真空压力(kPa) 空气压力(kPa) -40 -80 -40 -80 0 40.4 40.4 40.4 40.4 40.4 30 19.7 14.1 12.3 13.3 12.6 60 18.2 12.6 10.2 12.9 10.3 90 17.9 12.2 9.6 11.9 9.5 120 17.2 11.8 9.3 11.6 8.8
例9
一种-0.6mm×0的Pittsburgh煤样品用1磅/吨的煤油和100克/吨MIBC进行浮选，浮渣产品(2000克和0.45英寸块状物)进行离心试验，该试验在具有和没有溶解在4份柴油中的脱水助剂(2磅/吨山梨糖醇酯类80)情况下进行的。表9给出了试验结果。正如表9所示，采用低HLB表面活性剂进一步降低了块状物的湿度，超出了在具有空气压力情况下的离心过滤中能得到的湿度。
表9 用Pittsburgh煤在不同的气压下进行离心过滤时的利用脱
水助剂的影响旋转时间(秒) 湿度(％重量) 50kPa 100kPa 200kPa 无助剂 Span 80 2磅/吨 无助剂 Span 80 2磅/吨 无助剂 Span 80 2磅/吨 0 36.5 36.5 36.5 36.5 36.5 36.5 30 18.3 14.9 14.2 11.1 13.2 10.1 60 16.3 13.6 12.9 10.5 10.6 8.2 120 15.1 12.8 10.6 8.6 9.1 7.3
例10
一种-28目×0的Pittsburgh煤样品进行了一系列试验：i)在100kPa的空气压力下进行压力过滤试验，ii)用2000G进行离心过滤试验，iii)在100kPa空气压力上进行离心过滤试验。表10给出了比较性的在不同的脱水或离心时间上获得的结果。采用高G和空气压力的联合所获得的结果要比仅具有空气压力或离心力所得的结果要好得多。采用该联合所获得的改进结果大大优于采用空气压力或G力的一种所获得的结果，这说明有协同性的效果。
表10 Pittsburgh煤脱水时用离心力和压缩空气的协同效果干燥循环或离心时间(秒) 块状物湿度(重量％) 仅空气压力1 仅离心力2 离心力2和空气压力1 30 27.5 24.4 14.2 60 25.8 22.6 12.9 120 23.8 21.0 10.6
1100kPa空气压力；22000G；30.45英寸的块状物。
例11
在这个例子中，用-100目的滑石样品来说明在过滤时的空气压力和G力的联合产生的协同效果。试验是在0.46英寸厚的块状物在变化的干燥循环时间或旋转时间的情况下进行的。象采用煤样品的情况一样，在离心过滤期间采用空气压力说明了在小颗粒脱水时的协同性的改进。
表11 滑石样品脱水时采用离心力和压缩空气的协同效果干燥循环或旋转时间(秒) 块状物湿度(重量％) 仅空气压力 (kPa) 仅离心力 空气压力和离心力 100 200 1000G 2000G 1001& 1000G2 2001& 2000G2 30 30.2 25.7 26.0 25.1 19.1 15.4 60 27.2 22.3 25.8 24.8 16.8 13.2 120 25.8 21.9 25.5 24.6 15.2 11.6
1空气压力(kPa)；2离心力(G)；30.46英寸厚的块状物
例12
在这个例子中，离心过滤试验是采用过滤容器内侧的压缩空气和其外侧真空(图2)来进行的。该试验是用由中性pH的松浆油和燃料油浮选获得的磷酸盐浓缩物(-0.42+0.038mm)来进行的。该矿样来自于Florida，表12给出试验结果。在该表中，正压力表示空气压力，负数表示真空压力。
表12 在2000G下采用压缩空气和真空压力在磷酸盐浓缩物上
得出的结果旋转时间(秒) 块状物湿度(重量％) 空气&真空压力(kPa) 无 40&-40 80&-80 0 40.4 40.4 40.4 30 19.7 11.9 8.7 60 18.2 10.2 7.3 90 17.9 9.5 7.6 120 17.2 9.0 6.4
10.45英寸厚的块状物
正如表中所示，空气和真空压力的联合得出极佳的结果。这说明需要做到的是增加越过块状物的压降，看来不一定是通过空气压力、真空压力或两者的联合带来的增加。