想要更加全面地了解和理解本发明及其众多优点，可以参考下面 结合附图而做出的具体实施方式部分。
图1是具有一个喷头单元的浮选分离室的立体图；
图2是具有三个喷头单元的浮选分离室的立体图；
图3是喷头单元的实施例；
图4是示出了喷射机构的旋转高剪切元件的喷头单元的实施例的 视图；
图5是示出了喷射机构的旋转及静止高剪切元件的喷头单元的实 施例的视图；
图6A是喷头单元的实施例的视图，其中喷射机构具有沿其长度方 向的气体入口；
图6B是图6A的喷头单元的喷射机构的视图；
图6C是图6A的气体入口的止回阀的特写；
图6D是图6A的气体入口；
图6E是图6D的气体入口的不同视图；
图7A是未使用电动机的喷头单元的实施例；
图7B是图7A的喷头单元的视图，其示出了具有包括一系列带槽 圆盘的高剪切元件的喷射机构；
图7C是图7B的高剪切元件的视图；
图7D是不具有带槽圆盘的图7B的高剪切元件的视图；
图7E是图7B的带槽圆盘的视图；
图8是图7B的带槽圆盘的可选实施例的视图；
图9A是具有喷射单元的清洁系统的喷头单元的实施例；
图9B是不具有带槽圆盘的图9A的喷头单元的特写；
图9C是图9A的喷头单元的拆分视图；
图10是喷头单元，其中喷射机构是高频线性位移装置；
图11是喷头单元的实施例的视图，示出了具有多个堆叠的旋转高 剪切元件的喷头机构；
图12是浮选分离室的控制系统的部分组件的表示；
图13示出了包括一系列模块化的竖直布置的浮选分离室的浮选分 离系统；
图14示出了包括一系列错开的水平布置的浮选分离室的浮选分离 系统；
图15是标出了对于各种线路结构，目标物质的回收率与处理速度 和持续时间的关系的图表；
图16A示出了浮选分离系统，其中浮选分离室从下溢排出口向传 统的浮选室的入口释放泥浆；
图16B示出了浮选分离系统，其中浮选分离室从下溢排出口向圆 柱形浮选室的入口释放泥浆；
图17A示出了装有中心井的浮选分离室的实施例；
图17B示出了图17A中所示的中心井，而图17A示出了中心井中 的喷头单元；
图18A示出了浮选分离室的不同实施例，其中中心井液体水平面 通过基于压力感应器的读数而调节中心井的端部的出口的尺寸而得以 保持；
图18B示出了浮选分离室的不同实施例，其中中心井中的液体水 平面通过调节流入浮选分离室的泥浆而得以保持；
图18C示出了浮选分离系统的不同实施例，其包括多个串联的浮 选分离室，其中每一浮选分离室的中心井中的液体水平面通过调节流 入到每一浮选分离室中的泥浆而得以保持；
图19是具有四个喷头单元的浮选分离室的立体图，该喷头单元从 分离罐的底部供给泥浆；
图20是具有四个喷头单元的浮选分离室的立体图，该喷头单元通 过分离罐的侧壁供给泥浆；以及
图21是浮选分离室的立体图，其中下溢排出口通过分离罐的一侧 而离开。

参考附图，部分附图标记用于表示在多个实施例和附图中所示和 所描述的相同或相应的部分。通过添加小写字母而在不同实施例中表 示相应的部分。相应的部分在形式或功能上的变化在附图中表示并进 行描述。应当了解，实施例中的变化能够基本上在不偏离本发明的范 围的情况下互换。
浮选分离一般被用于矿产工业中来分离悬浮在液体泥浆中的矿物 质。这些矿物质通常与不需要的组成物质的混合物悬浮在一起。当前 一般使用的浮选分离器需要广泛使用大量的能量来加压气体、加压泥 浆、提高泥浆的流速以及/或保持泥浆处于悬浮状态。
然而，有效的浮选分离能够通过下文所述的实施例而实现，其并 不需要高的能量消耗。在一个实施例中，如图1中所示，浮选分离系 统包括至少一个浮选分离室10，其处于液压系统之中，并且用于分离 及回收泥浆的组成物质。浮选分离室10包括至少一个喷头单元12，气 体在该喷头单元12中被引入到泥浆中。该喷头单元12包括喷射机构 42，其用于将气体在泥浆中喷射成气泡分散体。该喷射机构42设置成 使得从其中流过的泥浆基本上不受限制。在喷射机构42的上游和下游， 喷射机构42中的有效开口面积基本上与喷头单元12中的有效开口面 积相同。这保证了在喷射机构42中的低的压力下降，从而允许通过喷 头单元12的泥浆具有较小的压力和流速，并且体现了浮选分离系统的 明显的节能性。喷射机构42中的压力下降大约为10磅/平方英寸或者 更小。喷头单元12的各个实施例的工作过程将在下文中更加详细地描 述。
喷头单元12向分离罐14供给泥浆和气泡分散体混合物。分离罐 14包括溢流槽16、下溢排出口18和泡沫清洗系统20。溢流槽与溢流 排出管22相连接。浮选分离室10可以通过支柱24或者通过任何特定 应用所需的装置支承。如果安装有浮选分离室10的装置的设计允许的 话，浮选分离室10甚至可以直接被放置在地面上。分离罐14不需要 在罐中的其它的设备来帮助进行泡沫的形成(下文中将更详细讨论)或 者来保持泥浆处于悬浮状态。这与传统的浮选分离系统、圆柱形浮选 分离系统以及充填式圆柱形浮选分离系统相比，体现了在整个的工作 过程中的进一步节能性。浮选分离系统的工作过程将在下文中更详细 描述。
浮选泥浆典型地包括疏水物质和亲水物质。浮选分离则是利用了 这些物质的不同的疏水性。当气体的气泡被引入到泥浆中时，泥浆中 的疏水物质倾向于有选择地附着到气泡上，而亲水物质倾向于保持悬 浮状态。将这些气泡喷射或者分解成多个更小气泡的气泡分散体中增 大了可利用的用于疏水物质附着的气泡表面积。这些气泡和所附着的 疏水物质趋向于上升到泥浆上方并且在分离罐14中形成泡沫，这些泡 沫易于从泥浆的剩余物质中分离出来而用于进一步的处理从而回收这 些所附着的疏水物质。在图1所示的实施例中，泡沫的排出是通过将 这些泡沫从分离罐14溢流到溢流槽16中并且将收集到的泡沫通过溢 流排出管22排出到下游程序中而实现的。那些未附着到泡沫上的物质 仍留在泥浆中并且通过下溢排出口18排出而进行进一步的处理。进一 步的处理可以包括形成泡沫以获得疏水物质的后续步骤，这些疏水物 质基于某种原因而前面的步骤中没有被俘获。
浮选分离系统典型地为更大的液压系统的一部分，该液压系统通 过多个步骤来处理泥浆。泥浆的液体部分典型地为水。泥浆的化学性 质通常通过添加剂来进行调节，以基于泥浆的组成物质来帮助回收目 标成分。表面张力改变剂，又称为发泡剂，通常被添加到泥浆中以帮 助泡沫的形成。有许多种发泡剂，包括乙醇、乙二醇、甲基异丁基甲 醇(MIBC)和各种混合物。
有时，从泥浆中回收的目标物质具有天然的疏水性，例如煤。但 是在目标物质为非疏水性的泥浆中，则引入化学添加剂来化学地对他 们进行活化，该化学添加剂又称为捕收剂(collectors)。捕收剂包括燃油、 脂肪酸、黄原酸盐、各种胺等。
一些目标物质是半疏水性的。例如，氧化煤具有较差的疏水性且 比非氧化煤更加难于从泥浆中回收。称为补充剂的化学添加剂被用于 提高这些半疏水性物质的疏水性。补充剂的实例为，柴油燃料以及其 它燃油。
称为抑制剂的化学添加剂被用于降低物质的疏水性。例如，在铁 矿石的回收过程中，各种淀粉被用于抑制铁矿石的气泡附着响应，从 而只有硅石能够从泥浆中漂浮到泡沫中。如果未添加该抑制剂，一部 分铁矿石也将附着到气泡上并且漂浮在泡沫中。
因为泥浆的pH值能够影响泡沫的形成，所以引入其它的化学添加 剂来改变泥浆的pH值。酸性或碱性物质按照所需进行添加以基于泥浆 的成分来调节pH值。
在矿物浮选中，特定物质的回收率显著地被控制且与两个因素成 比例：反应比率和保持时间。回收率基本上能够通过下面的等式表示：
R＝kT                    [1]
在等式中，R为特定物质的回收率(recovery)，k为物质附着到气泡 的反应比率(reaction rate)，T为浮选分离系统中的泥浆的保持时间。所 述的两个因素中的某一个增大，则回收率R会相应地增大。反应比率 k，对于一个工作过程，表示浮选分离进行的速度，其可以是多个因素 的函数，这些因素包括但不限于：气体引入速度、气泡尺寸、物质尺 寸以及化学性质。当这些因素受到调节以使得疏水物质与泡沫相碰撞 及附着至气泡的几率最大化并且减小疏水物质与气泡分离的几率时， 反应比率k增大。附着的几率受到处理过程中的物质和气泡的表面化 学性质的控制，并且在疏水物质和气泡之间的碰撞的几率增大时增大。 所述的碰撞几率直接与喷射区域中的疏水物质的浓度成比例。分离的 几率受到浮选分离室的流体动力学条件的控制。因此，在泥浆引入到 分离罐之前使泥浆通风是喷射的优选的方法，因为这使得最大数量的 能够浮选的物质集中在喷射单元中以获得较高回收量的疏水物质。此 处所述的实施例旨在提高反应比率k，这就意味着较短的保持时间T 以及由此较小的分离罐能够被用于获得适当的回收率R。
在此所公开的实施例中，等式[1]的反应比率k通过促使气泡-颗粒 以较高的颗粒和空气气泡的浓度接触以及在气泡/颗粒接触区域中提供 较高的能量而增大。回收率R还能够在湍流系统中表示，在此描述为 气泡浓度Cb、颗粒浓度Cp以及特定能量输入E的函数：
R∝CbCpE                     [2]
在将泥浆和气体混合物注入到分离罐14中之前，在此所公开的实 施例充分地对浮选分离室10的喷头单元12中的泥浆进行预通风。引 入到喷头单元12中的泥浆通过喷射机构42，这在下文中将更详细地进 行描述。喷射机构42将泥浆中的气体喷射成气泡分散体，这些气泡分 散体为喷头单元12中疏水物质的附着创造相对较大的表面积，从而在 泥浆和气泡分散体被释放到分离罐14中之前，疏水物质到气泡的附着 过程基本上在喷头单元12中发生。这一途径保证了在使用清洗水(如果 使用的话)进行任何的稀释之前，气泡在泥浆中产生，从而保持了最大 的颗粒浓度(Cp)。此外，喷头组件30在非常高的空气比例(＞40％)下工 作，确保了气泡浓度(Cb)被最大化。最后，喷头单元12中的喷射机构 42设计成只是为了气泡-颗粒相接触的目的而使得最大的能量提供至 泥浆中。结果，接触时间对于现有技术中的圆柱形以及传统浮选分离 器被缩短了多个数量级。在接触之后，泥浆被释放到分离罐14中以进 行阶段分离(泥浆和泡沫)和泡沫清洗(如果需要的话)。因为阶段分离是 相对较快的过程，所以整个分离罐14的尺寸被明显减小。
喷射机构42构造成使得从其中流过的泥浆基本上不受限制。在喷 射机构42的上游和下游，喷射机构42中的有效开口面积基本上与喷 头单元12中的有效开口面积相同。这确保了喷射机构42中的较低的 压力下降，这允许通过喷头单元12的泥浆的较小的压力和流速并且表 明了浮选分离系统的明显的节能性。喷射机构42中的压力下降大约为 10磅/平方英寸或者更小。然而，此处所描述的实施例能够在大约1磅 /平方英寸或者更小的压力下降下工作。
因为大块的疏水物质到气泡的附着过程发生于喷射单元12中，所 以浮选分离室10不需要在较高的速度下和/或在较大的压力下引入泥 浆。如果浮选分离系统的水力条件需要的话，泥浆可以在压力下被泵 入到喷头单元12中，但是这只需要向泥浆提供足够大的液压而使其流 过浮选分离系统即可。泥浆能够在喷头单元12的泥浆入口处在大约25 磅/平方英寸或者更小的液压下被引入到浮选分离室10中。此处所描述 的实施例能够在2磅/平方英寸或者更小的泥浆引入液压下工作。
泥浆必须克服的相对较小的液压变化率体现了在浮选分离室10的 工作过程中的节能性。浮选分离室10的水力条件能够在各个实施例中 获得调节，例如，相对于分离罐14中的泥浆的高度调节喷头单元12 的高度，或者调节到浮选分离室10的泥浆的进入点。
类似地，喷射结构42将在下文中更详细地描述，其不需要气体在 高压下被引入。气体引入压力的大小只需足够高以在泥浆中形成气泡 即可并且此处所述的喷射机构42将这些气泡喷射成有效的气泡分散 体。与传统的浮选分离系统、圆柱形浮选分离系统以及充填式圆柱形 浮选分离系统相比，泥浆和气体引入的较低的压力和流动要求体现了 明显的节能性。
如上文所述，通过由预通风的方法而获得的反应比率的增加，所 给应用的所需的保持时间相应地缩短。因此，在比现有技术的系统更 小的体积中可以获得与之相同的浮选回收率。因为气泡和物质的附着 基本上发生于喷头单元12中的接近喷射机构42的位置上，这将在下 文中更详细描述，并且未发生在分离罐14自身之中，所以分离罐14 只需要向泥浆及气泡状态提供时间而进行分离。与传统的浮选分离系 统、圆柱形浮选分离系统以及充填式圆柱形浮选分离系统相比，在分 离罐中可以使用不带有其它装置的较小的分离罐14。较小且较简单的 浮选分离室10在设计用于特定应用的浮选分离系统中允许有更大的弹 性。也不用消耗能量来维持泥浆在分离罐14中的悬浮状态。
因为分离罐14仅是用于泡沫分离，并且不需要任何其它的设备来 维持泥浆处于悬浮状态，则本申请所述的实施例能够在分离罐14中维 持相对深的泡沫，而没有其它的湍流提供于分离罐14。因此，与传统 的浮选分离系统不同的是，所加入的来自泡沫清洗系统20(在下文中更 详细地描述)以清洁所述泡沫的清洗水并不影响分离罐14中的泡沫的 保持时间。因此能够在此处所述的浮选分离系统中进行有效的泡沫清 洗。
因为输入到系统中的能量特别地关注于产生细小的泡沫而不是保 持颗粒处于悬浮状态，所以减小了总的能量输入。虽然压缩机可以被 用于将气体引入到浮选分离系统中，但是因为喷射机构42在大气压下 工作，所以并不需要压缩机来克服静液压系统压差(hydrostatic system head)。取而代之，可以使用简单的风箱来使得节省能量以及节省维护 费用。当然，能量减少意味着减小运行成本。最后，较小的分离罐14 的需求减小了设备和装置的成本。由于减小了罐的重量和活负载，结 构钢的需求被大大减小。空间的需求小于等效的传统圆柱形浮选分离 所需的空间。因为所述的单元能够完全组装而进行运输且不用现场焊 接而进行安装，所以运输和安装也变得简单。
基于安装有浮选分离系统的系统的运行要求，如2示出了如何能 够将浮选分离室10a设计为具有多个，在该实例中是3个，喷头单元 12a并且具有尺寸合适的分离罐14a。供给多支路分配器26a具有分配 器管28a，其被用于均匀地将泥浆分配到每一喷头单元12a。
在一个喷头单元的实施例中，其通过比较图3和图4能够最好地 理解，每一喷头单元12b包括喷头组件30b，其形成将泥浆供给到分离 罐(图1和2中的14和14a)中的通道。喷头组件30b的尺寸由浮选分离 系统的尺寸所决定，喷头单元12b安装在该浮选分离系统中并且首先 要引导泥浆释放到分离罐14中的适当位置。所述的泥浆应当被释放到 分离罐14中的足够低的位置上，从而不和该分离罐14的顶部的泡沫 形成相干涉。
泥浆通过泥浆入口38b而被引入到喷头单元12b中并且其通过喷 射机构42b。如上文所述，喷射机构42b被设置成使从其通过的泥浆基 本上不受限制。在喷射机构42b的上游和下游，喷射机构42b中的有 效开口面积基本上与喷头单元12b中的有效的开口面积相等。喷射机 构42b中的压力下降大约为10磅/平方英寸或者更小。
在图3和图4所示的实施例中，喷射机构42b包括旋转高剪切元 件32b，其连接于转轴34b上，该转轴34b由电动机36b所驱动。如果 具有足够的液压来保证泥浆将流过浮选分离系统，则所述泥浆可以通 过重力来供给。如果系统的水力条件要求对泥浆施以泵压，则所述泥 浆只需使用足够大的压力进行泵压来确保泥浆通过浮选分离系统。然 而，喷头单元12b在较宽范围的泥浆流速和压力的范围内发挥作用。 泥浆能够在大约25磅/平方英寸或者更小的液压下被引入到喷头单元 12b的泥浆入口38b中。喷头单元12b能够在大约2磅/平方英寸或者 更小的泥浆液压下工作。
气体(典型地为空气)通过气体入口40b被引入到喷头单元12b中， 该气体由气体注射系统(将在下文中更详细描述)供给。在气体通过气体 入口40b进入喷头单元12b中时，通过的泥浆液流立即剪切所述气体 以形成气泡。所述气体不需要处于较高压力下以在泥浆中有效地形成 气泡。甚至在较高的泥浆供给速度下，所述的气流和压力的大小只需 能够在泥浆中形成气泡即可。
所述气泡在泥浆通过喷射机构42b的时候被剪切成更小的气泡并 且在泥浆中形成细小的气泡分散体。在喷头单元12b中的气泡分散体 的形成将更多的泥浆暴露于所述气泡的表面。这增大了疏水物质与气 泡发生碰撞的几率并且提高了疏水物质附着到气泡上的可能性。在图3 和图4所示的实施例中，这种气体剪切过程由旋转高剪切元件32b协 助。该旋转高剪切元件32b将只会剪切气体气泡而不会搅动或混合所 有的泥浆体，因此，电动机36b的功率只需要足够大以驱动旋转高剪 切元件32b即可。这与需要搅动泥浆而进行气泡剪切的浮选分离系统 相比具有明显的节能性。
使用喷头单元12b形成的气泡分散体将所有的泥浆暴露于气泡的 表面。因此，大块的疏水物质附着于气泡上将在喷头组件30b中、喷 射机构42b中和其下游形成。
一旦泥浆已经通过了喷射机构42b，泥浆和气泡分散体则通过泥浆 出口51b而被释放到分离罐中(图1和图2中的14和14a)。通过使用调 整闩46b来改变分配器板44b的位置来调节泥浆的释放速度。
如在图5中所示的实施例所示，喷头组件30c能够包括相对的静 止叶片48c以在喷射机构42c中增加气体气泡的剪切。将理解的是， 如图4和图5所示的旋转高剪切元件32b和32c以及只在图5中所示 的静止叶片48c只是作为实例目的而给出，其它结构的旋转高剪切元 件和静止叶片也能够并且意欲被包括于此。
在图4和图5所示的实施例中，气体入口40b和40c设置在喷射 机构42b和42c的上游位置上。然而，图6A和图6B中所示的喷射机 构42d的实施例在喷射机构42d的长度上具有气体入口40d。气体从外 套筒45d被供给到气体入口40d，该外部套筒45d通过管链接件47d 而连接到气体注射系统(将在下文更详细描述)上。所述的气体入口40d 在图6C至图6E中更详细的表示并且包括弹性止回阀49d，该弹性止 回阀防止了泥浆逆流至外套筒45d中。
喷射机构42b和42c中的旋转高剪切元件32b和32c以及静止叶 片48c用于将气体入口40b和40c处形成的气泡切碎成较小的气泡以 增加累积表面积。可以对空气喷射单元进行改变，其中气体通过喷射 机构而被引入到泥浆中，从而所形成的气泡具有适当的尺寸以形成气 泡分散体。
比较图7A至图7E中的可选装置可最好地了解到，喷头单元12e 的顶部包括连接到气体注射系统(将在下文中更详细描述)上的气体供 给连接器50e。气体通过气体供给管52e而被供给到喷射机构42e中。 供给管52e的下端以一系列槽56e结束，他们限定了喷射机构42e的长 度。在该实施例中，喷射机构42e包括一系列圆盘58e，这些圆盘至少 在槽56e的长度上堆叠在气体供给管52e中。每一圆盘58e具有一系列 槽60e，他们从气体供给管52e中的槽56e延续到圆盘58e的外边缘上。 当圆盘58e分别堆叠在各自上方时，槽60e限定出气体与所通过的泥 浆进行混合的通道。在该实施例中，每一槽60e均作为喷头单元12e 的气体入口。槽60e的数量和尺寸以及圆盘58e的厚度和数量由特定 的应用所决定。槽60e越小，在通过的泥浆液流喷射气体的时候所形 成的气泡越小。在该实施例中由喷射机构42e所产生的较小的气体气 泡具有适当的尺寸来形成气泡分散体。因此槽60e也用做喷头单元12e 的该实施例的高剪切元件。该喷头单元12e甚至比上文所述的实施例 需要更少的能量来工作。
然而，喷射机构42e被设置成从其中通过的泥浆液流基本上不受 限制。在喷射机构42e的上游和下游，喷射机构42e中的有效开口面 积基本上于喷头单元12e中的有效开口面积相同。喷射机构42e中的 压力下降大约为10磅/平方英寸或者更少。
喷头单元12e能够简单地与气体注射系统(将在下文中更详细描述) 分离，并且水、气体或者清洁剂能够被压过槽60e以帮助清洁喷射机 构42e。圆盘58e可以由金属、塑料、聚亚安酯、陶瓷或者任何其它适 于特定应用的材料而制成。虽然图7A至图7E中示出的圆盘58e只在 一面具有槽60e，但图8示出了在两面上均具有槽60f的圆盘58f。
图9A至图9C中所示的喷头单元12g是图7A的喷头单元12e的 变化形式。该实施例结合有用于喷射机构42g的清洁机构。通过比较 图9A至图9C可最好地了解，喷头单元12g包括内气体供给管52g， 该内气体供给管被气体供给连接器50g连接到气体注射系统(将在下文 中更详细描述)。清洁流体连接器53g允许清洁流体引入到喷头单元12g 中。所述流体可以是水、压缩气体、或者能够在日常保养时或所需时 在高压下被供给来清理碎屑或者清理圆盘58g上的槽的其他流体。
图10中所示的喷头单元12h的实施例示出了包括高频位移装置 54h的喷射机构42h。在该实施例中，与上述实施例相似的是气体被引 入到喷头单元12h中，但是其能够使用其它的气体注射机构。高频位 移装置54h在高剪切元件32h处产生高频震动，所述高剪切元件32h 在气体入口(未示出)所形成的气泡通过喷射机构42h时喷射所述气泡。 所述的震动剪切气泡以在泥浆中产生细小的气泡分散体。然而，喷射 机构42h被设置成泥浆从其中流过而基本上不受限制。在喷射机构42h 的上游和下游，喷射机构42h中的有效开口面积基本上与喷头单元12h 中的有效开口面积相等。喷射机构42h中的压力下降大约为10磅/平方 英寸或者更小。
如图11中所示，喷头单元12i还可具有其它实施例，其中喷射机 构42i在跨越喷头组件30i的长度上延伸。这些实施例的功能与上文图 4中所示及所描述的喷头单元12b相似，然而任何上文所述的其它实施 例也会同样地运行良好。图11中所示的喷射机构42i包括一系列旋转 高剪切元件32i，他们用于进一步打碎及剪切引入的气体成为细小气 泡。在该实施例中，高剪切元件32i的刀口具有切入其中的开口以进一 步剪切气泡。堆叠的旋转高剪切元件32i增大了每单元体积喷射的泥浆 在其通过喷头单元12i时暴露出的总量。如上文中的实施例所述，输入 到喷头单元12i中的能量是用于剪切引入的气体为细小的气泡分散体 而不是用于搅拌泥浆。喷头单元12i也能够结合例如图5中所示的静止 叶片以增加喷射机构中的气体气泡的剪切。图11中所示的实施例示出 了来自喷头单元12i的出口51i，该出口为切入到喷头组件30i的侧面 上的孔。
不管喷头单元12j使用哪个实施例，浮选分离系统的工作过程均在 图12中所示的浮选分离室10j中表示。浮选分离室10j示出了三个喷 头单元12j，但是所述的工作过程能够应用于任何数量的喷头单元12j。 仅具有一个喷头单元的浮选分离室(例如图1所示的实例)将不需要如 图12中所示的供给多支路分配器。
泥浆从上游的工序被供给到供给多支路分配器26j中，浮选分离室 10j安装在该供给多支路分配器26j中。如上文所述，如果系统的水力 条件需要，所述泥浆可以在压力下被泵压到喷头单元中，但是这只需 提供足够大的液压以使泥浆流过浮选分离室10j即可。泥浆能够在大约 25磅/平方英寸或者更小的液压下在喷头单元12j的泥浆入口38j处被 引入浮选分室10j中。所述的供给多支路分配器26j均匀地通过分配器 管28j将泥浆分配到喷头单元12j的泥浆入口38j中。喷头单元12j的 喷射机构中的压力下降大约为10磅/平方英寸或者更小。
气体，典型的为空气，被从气体注射系统62j供给到喷头单元12j 中。如上文所述，气体引入压力只需足以使气泡在泥浆中形成即可。 气体注射系统62j由压力调节器64j、气流计66j、流量调节阀70j以及 气体多支路分配器72j组成。该气体多支路分配器72j将气体注射系统 连接到喷头单元12j上。低压气体风箱(未示出)将优选地将气体供给到 气体注射系统62j中。可选地，可以使用压缩气体罐(未示出)或者气体 压缩机(未示出)。
喷头单元12j的工作过程如上文所述。泥浆和气泡分散体被释放到 分离罐14j中，该分离罐使得能够漂浮和不能够漂浮的疏水物质发生分 离。带有附着的能够漂浮的疏水物质的气泡的泡沫在分离罐14j的顶部 形成于泥浆的上方。所述泡沫能够从分离罐的顶部被排出以进行进一 步的处理。在一个实施例中，所述泡沫从分离罐溢流到产品流出槽16j 中。所述的泡沫溢流从所述的产品流出槽16j通过溢流排出管22j被释 放出来以进行进一步的处理。
不能够漂浮的疏水物质、未附着到泡沫上的较重的颗粒以及不论 什么原因而未附着到泡沫上的任何疏水物质落入到分离罐14j的底部 上，并且通过下溢排出口18j而排出以进行进一步的处理。该下溢释放 的速度通过控制阀74j进行控制，该控制阀74j基于程序控制器76j所 提供的信号而起动。该程序控制器76j的输出与来自压力传感器78j的 输入信号成比例，该压力传感器78j位于分离罐14j的侧面上。可选地， 能够使用各种其它水平面控制系统，例如泵、排砂门和溢流堰系统。
使用泡沫清洗系统20j来清洗分离罐顶部的泡沫。用于泡沫清洗的 水或者任何其它清洗液体受到泡沫清洗控制系统80j的控制。在泡沫清 洗系统20j中，使用带孔的清洗盘而将清水均匀地分配在泡沫的顶部 上。可选地，泡沫清洗系统20j能够包括多圈带孔的管(未示出)。使用 流量计82j和流量控制阀84j来控制清洗水的液流。
目前工作的是与图1中所示的浮选分离室相似的试验性规模的浮 选分离系统。该试验性浮选分离室包括分离罐，该分离罐直径为48英 寸，深度大约为60英寸，并且具有直径大约为4英寸的单个喷头单元。 该喷头单元以大约600加仑/分钟的速度处理煤矿泥浆。该喷射机构与 图4中所示的实施例类似。该喷头单元的高剪切元件以大约1200转/ 分钟的速度旋转。气体以大约60标准立方英尺/分钟的速度被引入。泥 浆通过重力进入喷射机构中并且已经在喷射机构处测量而具有小于1 磅/平方英寸的液压。在常规工作状态下，泥浆充满分离罐到距离底部 3英尺的位置，在泥浆上方泡沫填充另外的2英尺。这些泡沫通过带孔 的管的装置来使用以高达60加仑/分钟的速度撒落在泡沫顶部的清水 而通过清水进行清洗。
几个煤矿种类的浮选结果被调查，包括：Amburgy、Hazard No.4、 Red Ash、Gibert和Pocahontas No.3矿层。对于Amburgy和Hazard No.4 矿层(图5)，浮选供给的粉尘重量含量平均为52％。可燃物回收率基于 工作参数为30％至78％。对于处理的单一阶段的平均可燃物回收率大 约为60％，产品粉尘含量为6％。类似地，在处理Red Ash、Gilbert、 或者Pocahontas No.3煤炭矿层时，能够实现平均可燃物回收率为40％ 至50％。对于这些煤矿，产品粉尘的重量百分比平均小于4％。这些矿 层的较少的供给粉尘(例如18％)导致了稍低的可燃物回收率。考虑到当 供给粉尘减少时，对于给定的流量和保持时间，能够漂浮的煤的总量 增加，则所述的发现并不是未预料的。
虽然在喷头单元12j中附着到气泡分散体上的疏水物质使得泥浆 中的疏水物质能够较多地回收，但并非全部的泥浆中的疏水物质都将 附着到气泡上。此外，分离罐14j中的泡沫和泥浆的交界处的气泡表面 积减小，这使得部分附着的疏水物质掉落并且掉落至下溢喷嘴18j中。 如上文所述，本文所述的浮选分离系统需要比传统浮选分离系统更小 尺寸的分离罐。如图13和14所示，这使得多个浮选分离室10j易于串 联连接起来以减少混合物和疏水物质漏过所述气泡分散体的发生。
优选串联罐方法的基本原理简单且众所周知：对于相同的保持时 间，串联的优选的混合罐将提供比单一浮选室提供更高的回收率。这 一点通过下面的等式表示：
$R=1-{\left(\frac{N}{N+\mathrm{k\tau }}\right)}^N---\left[3\right]$
其中回收率的变化R是具有恒定的处理比率(k)以及保持时间(τ)的系统 的完好混合器的数量(N)的函数。如图15中所示，以恒定的kτ值，增 加串联的混合器的数量会导致回收率的提高。例如，如果kτ值为4， 从一个完好的混合罐变为四个串联的浮选室导致提高的回收率为接近 15％。
通过研究传统的浮选室的基本工作过程能够理解这一原理。每一 浮选室均包括混合元件，其用于使空气弥散以及保持固体处于悬浮状 态。结果，每一浮选室“几乎”作为单独的完好的混合罐而发挥作用。 通过定义可知，完好的混合罐在系统中的任何位置上具有相同的材料 浓度。因此，供给材料的部分有机会通过立即缩短的线路至尾矿释放 点。在使用单一大浮选室的系统中，这将意味着回收率的降低。然而， 通过释放至第二个罐，则存在另一个收集能够漂浮的材料的机会。同 样地，这对于串联中的第三和第四浮选室也是适用的。当然，在某种 情况下，要应用减少回收物的规则。在传统的浮选系统中，这在四个 或五个串联的浮选室之后是典型的。然而，每一浮选室的回收所得需 要另外的能量。
基于相同的原理，图13和图14中举例所示的串联的布置减少了 来自单独的浮选分离室10j的供给泥浆的偶然漏过的几率。在这种模块 化的串联的布置中，通过一个分离罐14j的下溢喷嘴18j而离开的泥浆 重新流向下一浮选分离室10j的喷头单元12j。这种布置提高了泥浆流 中的颗粒的回收率。浮选分离室10j能够设置成模块化的竖直布置的形 式(如图13所示)、错开的水平布置的形式(如图14所示)、或者任何能 够提供充足的液压以将泥浆从一个浮选分离室运送到另一浮选分离室 的布置的形式。如果这种结构在特定的应用中是不可行的，则泥浆能 够被泵压到串联的每一相继的浮选分离室中。所需的浮选分离室10j 的数量将基于特定的应用来决定。
在本申请的任一实施例中，还能够使从下溢排出口18或者溢流排 出管22释放出来的部分泥浆转移回到初始的喷头单元12(或者具有多 个于一个喷头单元12a的浮选分离系统中的供给多支路分配器26a)。 这将用于使用于促进泡沫形成的化学添加剂发生在循环，并且将减小 工作过程中的材料消耗。类似地，在图13和图14中所示的实施例中， 从下溢排出口18j或者来自最后的浮选分离室10j的溢流排出管(未示 出)释放的部分能够被转移回到第一浮选分离室10j的供给多支路分配 器26j中。
在处理的泥浆总量近似且回收率结果相当的情况下，本申请所述 的浮选分离系统的能量要求的数量级小于传统的浮选分离系统、圆柱 形浮选分离系统以及充填式圆柱形浮选分离系统。处理3000加仑/分钟 的煤矿泥浆的传统的浮选分离系统可能典型地包括6-8个串联的分离 罐，其中每一分离罐含有20-30马力的电动机来转动叶轮以混合罐中的 泥浆，总共是大约200马力的功率用于机械搅动。这种传统的系统将 需要另外的150马力来驱动喷射气体的空气风箱系统。处理3000加仑 /分钟的煤矿泥浆的典型的圆柱形浮选分离系统需要泥浆再循环泵，这 些泵可能需要大约200马力的功率来工作。另外的200马力将需要用 于运行空气压缩机以喷射气泡。具有类似的3000加仑/分钟容量的充填 式圆柱形浮选分离系统典型地将具有与典型的圆柱形浮选分离系统相 似的要求，即大约200马力用于再循环泵以及大约200马力用于空气 压缩机。
相对而言，本申请所述的处理3000加仑/分钟的煤矿泥浆的浮选分 离系统将需要明显更少的能量，其包括三个串联的浮选分离室，每一 个浮选分离室具有单独的具有喷射机构的喷头单元，该喷射机构包括 一系列旋转高剪切元件(和图11中所示的那些类似)。在这种系统中驱 动每一喷头单元所需的能量为大约20马力，而对于全部三个喷头单元 来说是总共60马力。气体供给系统所需要的能量对于全部的三个喷头 单元来说大约为70马力。在这种结构中的每一分离罐将具有大约11 英尺的直径和大约6英尺的深度。这表明了在能量消耗和材料需求上 的明显的节省。
浮选分离室10j所需的较小的规格表明其能够被用于在如例如图 16A中所示的现存的传统浮选室85j上释放负载。在这种布置中，已经 在浮选分离室10j中进行处理且通过下溢排出口18j释放的泥浆被供给 到传统的浮选室85j的入口86j中。从浮选分离室10j的溢流槽16j和 溢流排出管22j收集到的泡沫与从传统浮选室85j的释放口87j收集的 产品相结合。因为泥浆中的疏水物质的主要部分已经被浮选分离室10j 所排出，所以加在传统浮选室85j上的减小了的负载引起其性能的全面 提升并且提高了经过浮选分离而获得的疏水物质的回收百分比。
相似地，如图16B所示，浮选分离室10j能够位于现存的圆柱形 浮选室88j的上游。在这样的布置中，已经在浮选分离室10j中处理并 且通过下溢排出口18j释放的泥浆被供给到传统的圆柱形浮选室88j的 入口89j中。从浮选分离室10j的溢流槽16j和溢流排出管22j收集到 的泡沫与从圆柱形浮选室88j的释放口91j收集的产品相结合。因为泥 浆中的疏水物质的主要部分已经被浮选分离室10j所排出，所以加在圆 柱形浮选室88j上的减小了的负载引起其性能的全面提升并且提高了 经过浮选分离而获得的疏水物质的回收百分比。
试验规模的试验表明，如果如图17A所示的中心井90k被合并到 分离罐14k中，本申请公开的浮选分离系统将具有其他优点。通过比 较图17A和17B，将最好地理解这点，中心井90k安装在喷头单元12k 的外部周围，并包括延伸分离罐14k的高度的管子。在中心井90k的 底部附近的出口92k使得从喷头单元12k释放的泥浆进入分离罐14k。
中心井90k的目的是确保中心井90k中的喷头组件保持在液体水 平面以下并且有助于高效地形成气泡以及促进气泡/泡沫间的高效地相 互作用。流速较低时，中心井90k的液体水平面和周围的分离罐14k 的水平面相同。然而，流速较高时，中心井90k中的水平面将高于周 围的分离罐14k的水平面。较高的水平面确保了空气没有机会在喷头 单元12k中结合并且最终减少了在喷头单元12k中的打嗝现象以及不 充分的接触。中心井90k中的液体水平面能够通过读取安装在泥浆入 口38k上的低压压力计(未示出)来确定。为了确保中心井90k保持充满 液体的状态，中心井90k必须设计成其流出速度恰好稍稍慢于其填充 速度。只要显示有正压力则说明中心井90k已经充满。
中心井中的水平面控制能够以图18A至图18C中所示的多种方式 得以保持。如图18A中所示，中心井90l设置成出口92l的尺寸能够连 续地进行调节。安装在泥浆入口38l处的低压计94l监视喷头单元12l 中的压力。PID控制回路96l回应压力读数的变化而调节出口92l的尺 寸-压力提高到预置限制值以上将引发PID控制回路96l增大出口92l 的尺寸以允许更多的泥浆离开喷头单元12l和中心井90l；压力下降到 预置限制值以下将触发PID控制回路96l减小出口92l的尺寸，这将保 持更多的泥浆在中心井90l中并且保持喷头单元12l没于液体中。按设 想，分离罐14l的水平面的直接水平面控制能够通过使用PID程序控 制器来完成以基于读取分离罐14l中的压力而调节从下溢喷嘴18l排出 的溢流。虽然这种方法将确保分离罐14l中的稳定水平面，但是其将不 能确保中心井90l中存在足够的压力。
一种更简单的控制方案在图18B中所示，其不需要将控制机构设 置在分离罐14m中。实质上，中心井90m的水平面通过控制从流入至 浮选分离系统的液流而得以保持，这是通过PID控制回路96m而使补 给阀98m自动操作来实现的，从而来自低压压力计94m的低压读数引 发其它的液体，并且从而液流，被发送到分离室10m。
这种方法能够轻易地应用到串联的分离罐10n中，如图18C中所 示。对于包括串联的浮选分离室10n的浮选分离系统的串联的下一个 浮选分离室来说，第二个PID控制回路100n控制串联中的前一浮选分 离室10n的下溢喷嘴18n。按照已经接受的工业实践，这些实施例只要 求下溢喷嘴18n的自动操作。
浮选分离室还可能具有其它的设计。图19使出了浮选分离室10o， 其中泥浆从分离罐14o的下方进入喷头单元12o。供给多支路分配器 26o通过连接至喷射机构42o的分配器管28o将泥浆分配到每一喷头单 元12o。如上文所述，气体被供给到喷头单元中。通过转轴34o而驱动 旋转高剪切元件(未示出)的电动机36o设置在分离罐14o上方。电动机 36o通过支撑环90o而安装到合适位置。泥浆向上流过喷射机构42o 并且流进分离罐14o中。
图20示出了浮选分离室10p的实施例，其中喷头单元12p设置在 分离罐14p的侧面上。在这个实施例中，供给多支路分离器26p显示 了从分离罐14p的下方供给喷头单元12p。如上文实施例中所示，供给 多支路分配器26p还能够设置在分离罐14p的上方。
下溢排出口18q不需要设置在浮选分离室10q的底部上。图21中 所示的实施例示出了下溢排出口18q如何能够从分离罐14q的一侧排 出泥浆。下溢排出口18q具有朝向浮选分离罐14q的底部定向的直角 弯曲以允许泥浆从分离罐14q的底部均匀地排出。所述泥浆能够通过 重力排出或者使用泵、排砂门、溢洪堰系统、或者任何其它适当的机 构从下溢排出口18q中排出。
本发明已经通过参考多个优选地实施例而进行了说明。多个修改 和变化将通过阅读和理解前述的说明书内容而在其它的实施例上实 现。本发明旨在推论为包括在所附的权利要求或者这些权利要求的等 效内容的范围中所有的这种变化和修改。