BRPI0900768A2 - método e aparelho para separar fibras de um gás em uma centrìfuga - Google Patents

Abstract

MéTODO E APARELHO PARA SEPARAR FIBRAS DE UM GáS EM UMA CENTRìFUGA. A presente invenção refere-se a um separador para separar particulados de uma corrente de gás incluindo: um alojamento que inclui uma primeira câmara cilíndrica definindo uma trajetória de fluxo curva para a corrente de gás que passa através do separador e uma segunda câmara cilíndrica, em que a primeira câmara cilíndrica é adjacente à segunda câmara cilíndrica, e as câmaras são separadas por uma parede divisória; uma montagem de rotor na primeira câmara cilíndrica; a primeira câmara cilíndrica tendo uma zona radial externa que se estende radialmente entre a montagem de rotor e uma superfície interna da primeira câmara cilíndrica; um orifício de entrada de fluxo para a primeira câmara cilíndrica e um orifício de saida de fibra para a primeira câmara cilíndrica, em que o orifício de entrada e o orifício de saída são dispostos alinhados com a zona radial externa da primeira câmara, e em que a segunda câmara cilíndrica está a uma pressão menor tal que o gás da corrente de gás é extraído através da passagem de gás.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO EAPARELHO PARA SEPARAR FIBRAS DE UM GÁS EM UMA CENTRÍ-FUGA".

PEDIDO RELACIONADO CRUZADO

Este pedido reivindica o benefício do Pedido de Patente Provisó-rio U.S. 61/031.848, depositado em 27 de fevereiro de 2008, a totalidade doqual é incorporado por referência.Antecedentes da Invenção

A presente invenção refere-se em geral, à separação de partícu-las sólidas aprisionadas em uma corrente de gás e, mais particularmente,refere-se à separação de fibras de madeira aprisionadas em vapor de modoa separar pelo menos uma parte do vapor da corrente restante de fibras evapor.

Na fabricação de papel, aparas de madeira são submetidas auma ação química ou a uma combinação de ação mecânica e química, ereduzidas a fibras finas. Convencionalmente, estas fibras são conduzidaspara uma estação de processamento adicional através de um tubo a umavelocidade entre 1525 e 9150 metros (5000 e 30000 pés) por minuto pormeio do vapor.

Quando as fibras aprisionadas no fluxo de vapor chegam na es-tação de processamento, tem sido convencional passar o aprisionamento devapor e fibras através de um separador de ciclone para separar a fibra dovapor. Alternativamente, uma centrífuga de separação de fibra-vapor é des-crita na Patente U.S. 4.253.857 (Patente '857) para separar fibras de madei-ra do vapor. Como descrito na Patente '857, as fibras entram em um aloja-mento da centrífuga que inclui um rotor no alojamento. O rotor tem pontas delâmina que engatam diretamente a fibra e o vapor que fluem através do alo-jamento. As forças centrífugas aplicadas pelo rotor nas fibras tendem a mo-ver as fibras para o perímetro externo do alojamento e em um orifício dedescarga de fibra do alojamento. Em contraste à trajetória das fibras atravésdo alojamento, o vapor que flui através do alojamento é extraído para o cen-tro do rotor por sucção criada por um ventilador que roda em uma câmara deseparação adjacente ao alojamento.

O separador de fibra-vapor do tipo descrito na Patente '857 ex-perimentou dificuldades devido ao atrito das pontas de lâmina de rotor contrao alojamento e o acúmulo de fibras em pequenos vazios entre as bordas dorotor e do alojamento. Consequentemente, permanece uma necessidade hámuito sentida por um método aperfeiçoado e aparelho para separar fibras dovapor em uma corrente de fibras e vapor.Breve Descrição da Invenção

Um separador foi desenvolvido para separar particulados deuma corrente de gás (tais como fibras de madeira da corrente de vapor), oseparador compreendendo; um alojamento incluindo uma primeira câmaraque define uma trajetória de fluxo curva para a corrente de gás que passaatravés do separador; uma montagem de rotor na primeira câmara; a câma-ra tendo uma zona radial externa tendo um lado radial interno definido porum raio externo da montagem de rotor e um lado radial externo definido poruma superfície interna da câmara; um orifício de entrada de fluxo para a pri-meira câmara e um orifício de saída de fibra para a primeira câmara, em queo orifício de entrada e o orifício de saída são alinhados com a zona radialexterna da primeira câmara, e uma segunda câmara acoplada à primeiracâmara por uma passagem de gás, em que a segunda câmara está a umapressão menor que a primeira câmara de modo que o gás da corrente degás é extraído através da passagem de gás, em que a abertura para a pas-sagem de gás na primeira câmara é radialmente interna da zona radial ex-terna.

Um separador foi desenvolvido para separar particulados deuma corrente de gás incluindo: um alojamento que inclui uma primeira câma-ra cilíndrica definindo uma trajetória de fluxo curva para a corrente de gásque passa através do separador e uma segunda câmara cilíndrica, em que aprimeira câmara cilíndrica é adjacente à segunda câmara cilíndrica, e ascâmaras são separadas por uma parede divisória; uma montagem de rotorna primeira câmara cilíndrica; a primeira câmara cilíndrica tendo uma zonaradial externa, em que a zona se estende radialmente entre a montagem derotor e uma superfície interna da primeira câmara cilíndrica; um orifício deentrada de fluxo para a primeira câmara cilíndrica e um orifício de saída defibra para a primeira câmara cilíndrica, em que o orifício de entrada e o orifí-cio de saída são dispostos alinhados com a zona radial externa da primeiracâmara, e em que a segunda câmara cilíndrica está a uma pressão menorque a primeira câmara cilíndrica tal que o gás da corrente de gás é extraídoatravés da passagem de gás, em que a abertura na passagem de gás naprimeira câmara cilíndrica é radialmente para dentro da zona radial externa.

Um método foi desenvolvido para separar partículas de uma cor-rente de gás, em que o separador inclui um alojamento que inclui uma pri-meira câmara cilíndrica que define uma trajetória de fluxo curva para a cor-rente de gás que passa através do separador e uma segunda câmara, emque a primeira câmara cilíndrica é adjacente à segunda câmara, o métodocompreendendo: introduzir a corrente de gás em uma zona radial da primei-ra câmara cilíndrica; gerar um fluxo de gás rotacional na primeira câmaracilíndrica com uma montagem de rotor na primeira câmara cilíndrica, em quea montagem de rotor tem uma borda radial externa radialmente para dentroda zona radial externa da primeira câmara cilíndrica; aplicar o fluxo rotacio-nal para mover a corrente de gás através da zona radial externa e para apli-car força centrífuga nas partículas na corrente de gás em uma periferia radialexterna da zona radial externa; descarregar as fibras da corrente de gás a-través de um orifício de saída de fibra em uma parede de perímetro da pri-meira câmara cilíndrica; extrair a corrente de gás da zona radial externa emuma abertura na primeira câmara cilíndrica, em que a abertura é radialmentepara dentro da zona radial externa.

Breve Descrição dos Desenhos

A figura 1 é um diagrama em seção transversal mostrando umavista lateral de uma centrífuga de fibra-vapor.

A figura 2 é um diagrama mostrando uma vista em perspectivade uma seção transversal parcial da centrífuga de fibra-vapor.

A figura 3 é um diagrama em seção transversal mostrando outravista da centrífuga de fibra-vapor.A figura 4 é uma vista em perspectiva de uma montagem de ro-tor, ventilador e haste para a centrífuga de fibra-vapor.

Descrição Detalhada da Invenção

A figura 1 é uma vista lateral de uma seção transversal de umacentrífuga de fibra-vapor 10 tendo um alojamento principal 12 que é em geralcilíndrico e inclui uma primeira câmara cilíndrica 14 e uma segunda câmaracilíndrica 16. Uma parede lateral circular 18 separa as câmaras. Uma mon-tagem de haste 20 se estende através do centro de alojamento e é montadaem mancais 22 no alojamento.

Uma pequena montagem de rotor 24 é fixada na haste, tal comosendo soldada na haste. A pequena montagem de rotor tem lâminas de rotor26 que se estendem em geral radialmente para fora da haste e parcialmentepara dentro da primeira câmara cilíndrica 14. A largura das lâminas 26 seestende substancialmente a largura inteira (w) da primeira câmara 14.

Quando as lâminas rodam na primeira câmara, as bordas laterais das lâmi-nas estão estreitamente adjacentes à parede lateral 30 da primeira câmara.Não existem de preferência vazios entre as bordas laterais da lâmina 26 e aparede lateral 30 da primeira câmara cilíndrica 14. A estreita proximidadeentre as bordas laterais das lâminas e as paredes laterais da câmara impedeo acúmulo substancial de fibras na parede lateral e bordas das lâminas.

As pontas 28 das lâminas 26 se estendem parcialmente dentroda primeira câmara cilíndrica 14 e, de preferência, não se estendem radial-mente além da borda radialmente interna 32 do orifício de entrada 34 para oalojamento 12. As lâminas não se estendem para dentro de uma zona radialexterna 36 da primeira câmara 14, em que a zona 36 tem um formato anulartendo uma espessura (R) se estendendo da ponta 28 das lâminas para aparede interna 38 no perímetro cilíndrico da primeira câmara. Por meio deexemplo, a espessura (em uma direção radial) da zona radial externa 36 po-de ser aproximadamente igual à altura (h) das lâminas 26 do rotor. No entan-to, a espessura da zona radial externa pode ser mais estreita ou mais largaque a altura das lâminas dependendo do desenho da centrífuga 10.

A zona radial externa 36 é um volume anular substancialmenteaberto na primeira câmara cilíndrica 14 que é radialmente para fora das lâ-minas de rotor. As fibras que fluem através da zona radial 36 não são dire-tamente impactadas pelas lâminas de rotor e, assim, não são danificadas oudesgastadas pelas lâminas. O orifício de entrada 34 se abre diretamente nazona radial externa 36 tal que as fibras e outras partículas podem entrar nazona sem colidir nas lâminas de rotor. Adicionalmente, uma extremidade deum transportador helicoidal ou outro mecanismo que é inserido, embora i-nadvertidamente, através do orifício de entrada 34 pode se estender dentroda zona radial 36 sem causar dano nas lâminas de rotor ou no mecanismo.

A rotação das lâminas de rotor 26 na primeira câmara cilíndrica14 gera um fluxo rotacional das fibras e vapor na zona radial externa 36. Ofluxo rotacional de vapor e fibras induzido pelas lâminas se estende por todaa câmara 14, incluindo na zona anular externa 36. O fluxo rotacional na pri-meira câmara cilíndrica 14 cria uma sucção parcial no orifício de entrada 34que extrai a fibra e o vapor de dentro da zona radial externa 36. A velocidadeda fibra e vapor que entra no orifício de entrada 14 pode fornecer força mo-tora adicional para a fibra e o vapor se moverem em uma direção rotacionalatravés da primeira câmara cilíndrica 14.

O fluxo rotacional das fibras e vapor na primeira câmara cilíndri-ca 14 aplica forças centrífugas pára as fibras no fluxo que tende a empurraras fibras para dentro da zona radial anular externa 36 e para longe das lâmi-nas de rotor 26. O vapor no fluxo, que tem menos massa que as fibras, ten-de a ser deslocado radialmente para dentro na câmara cilíndrica 14 pelasfibras. Em adição, o vapor, ou pelo menos uma parte do mesmo, é extraídopor sucção para uma abertura 40 na parede divisória 18 entre as primeira esegunda câmaras cilíndricas 14, 16. A abertura 40 serve como uma passa-gem de gás para o vapor que flui da primeira câmara cilíndrica para a se-gunda câmara cilíndrica. A abertura 40 é de preferência coaxial com a haste20 e se estende substancialmente em torno da haste. A abertura pode seruma série de aberturas ou uma abertura se estendendo somente parcial-mente em torno da haste. A abertura 40 permite que o vapor seja exauridoda primeira câmara cilíndrica 14 e flua dentro da segunda câmara cilíndrica16.

As fibras não fluem através da abertura porque a força centrífu-ga do fluxo rotacional na primeira câmara 14 empurra a fibra para a zonaanular externa 36 que está além da borda radial externa 42 da abertura anu-lar 40. Porque a abertura 40 não se estende para as pontas 28 das lâminasde rotor ou dentro da zona radial externa 36 onde a fibra é concentrada, e-xiste nenhuma ou pouca fibra que flui através da abertura 40. O vapor é se-parado do fluxo de fibra direcionando o vapor através da abertura 40.

Uma pressão de sucção para extrair o vapor através da abertura40 é criada por um ventilador 44 rodando na segunda câmara cilíndrica 16.As lâminas 46 do ventilador empurram vapor e ar na segunda câmara cilín-drica para a saída de gás 48 se estendendo ao longo de uma linha tangenteà segunda câmara cilíndrica 16. A pressão na segunda câmara cilíndrica édiminuída pelo fluxo de vapor e ar sendo puxados pelo ventilador para foradesta câmara. O decréscimo em pressão na segunda câmara cilíndrica criauma sucção que extrair vapor através da abertura 40 e para fora da primeiracâmara cilíndrica. As pás do ventilador 46 podem se estender substancial-mente a largura inteira e altura radial da segunda câmara cilíndrica.

O ventilador 44 é coaxial a e fixado, por exemplo, por solda, namontagem de haste 20. O ventilador, a montagem de rotor e a haste de pre-ferência rodam na mesma velocidade rotacional. É preferido que a velocida-de rotacional da haste esteja entre 1800 revoluções por minuto (RPM) e1100 RPM, tal como em 1500 RPM. Estas velocidades são relativamentelentas, e pretendem fazer a montagem do rotor e o ventilador gerar os fluxosrotacionais de gás em suas primeira câmara cilíndrica e segunda câmaracilíndrica respectivas. O fluxo de rotação na primeira câmara cilíndrica estáem uma velocidade anular suficiente para empurrar as fibras para a paredede perímetro interno 38 da primeira câmara cilíndrica.

A figura 2 é um diagrama de centrífuga de fibra-vapor 10 mos-trando o alojamento 12 em seção transversal. A haste é acoplada a um mo-tor elétrico 50 por um acionamento de correia 52. A velocidade rotacional damontagem de rotor, ventilador e haste, é determinada pelo acionamento decorreia e o motor.

Um conduto de saída de fibra 54 se estende verticalmente parabaixo a partir do fundo da primeira câmara cilíndrica 14. A fibra e uma partedo vapor não retirado da segunda câmara, são esgotadas através do condu-to de saída de fibra. De preferência, o conduto de saída de fibra 54 se es-tende para fora da primeira câmara cilíndrica ao longo de uma linha tangenteà primeira câmara 14. Adicionalmente, o conduto de saída 54 é de preferên-cia desviado do orifício de entrada 34 por aproximadamente 90 graus emtorno do perímetro da primeira câmara cilíndrica 14. o fluxo de fibra e vaporentra na primeira câmara cilíndrica 14 através do orifício de entrada 34, semove através de 90 graus da primeira câmara cilíndrica, e a fibra deixa acâmara para o conduto de saída de fibra 54.

A figura 3 é uma vista lateral, mostrada parcialmente em seçãotransversal, da centrífuga de fibra-vapor 10. A trajetória de fluxo 56 da fibraatravés da centrifuga é mostrada pelas setas que passam através do condu-to de entrada 58 para o fluxo de fibra e vapor. Quando o fluxo passa atravésdo orifício de entrada 34, o fluxo é forçado através da primeira câmara cilín-drica 14 pelo momentum da velocidade de entrada do fluxo e o fluxo rotacio-nal gerado na câmara pela montagem de rotor rodando 24 e sua lâminas derotor correspondentes 26.

O fluxo gira na primeira câmara cilíndrica 14 devido ao perímetroem geral circular da câmara (ver parede interna 38). O fluxo gira da direção,por exemplo, horizontal, quando o fluxo passa através do orifício de entrada34 para a direção, por exemplo, vertical, de fluxo no orifício de saída 60 edentro do conduto de saída 54. A quantidade de giro, por exemplo, 90 graus,do fluxo na primeira câmara cilíndrica deve ser suficiente para permitir queas fibras no fluxo sejam forçadas na direção da parede de perímetro interno38 da primeira câmara cilíndrica e para permitir que o vapor seja extraído dedentro da abertura e desse modo separado das fibras.

De preferência, o orifício de saída 60 para o fluxo de fibra é umafenda abrindo na parede de perímetro interno 38. As dimensões da aberturada saída 60 podem ser selecionadas para permitir que as fibras se movendoao longo da parede de perímetro 38 fluam para fora da câmara 14 sem venti-lar desnecessariamente quantidades excessivas de gás da câmara. Comomostrado na figura 3, a saída 60 é uma saída de área relativamente peque-na tendo uma área e formato equivalentes à abertura de entrada 34 mostra-da na figura 1. A saída de fibra 60 abre diretamente para o conduto de saídade fibra 54. A área de seção transversal deste conduto 54 pode ser substan-cialmente maior que a área da saída de fibra 60 como é evidente a partir daparte 62 da parede interior 38 no perímetro da primeira câmara cilíndrica 14.

A figura 4 é uma vista em perspectiva da montagem de rotor 24mostrando as lâminas de rotor 26, o ventilador 44 e as pás do ventilador, e amontagem de haste 20. A montagem de rotor 24 e o ventilador 44 são coa-xialmente montados lado a lado na montagem de haste 20, tal como por sol-da. Um suporte de anel 64 pode ser incluído com cada uma da série de lâ-minas de rotor e pás de ventilador. O suporte de anel fornece rigidez estrutu-ral e suporte para as lâminas, e ajuda a mantê-las em um alinhamento radialapropriado.

O separador centrífugo de fibra-vapor 10 não é limitado a sepa-rar fibras de vapor. O separador descrito aqui é uma modalidade exemplarde um separador útil para separar particulados aprisionados em uma corren-te de gás, e particularmente um vapor gasoso. O separador tem várias van-tagens incluindo uma habilidade de separar particulados de uma correntesem contatar diretamente os particulados. O separador pode ser aplicadopara separar particulados que poderiam ser danificados por contato com aslâminas de rotor ou outros componentes móveis mecânicos.

Enquanto a invenção foi descrita em conexão com o que é pre-sentemente considerado ser a modalidade mais prática e preferida, é paraser entendido que a invenção não deve ser limitada à modalidade descrita,mas ao contrário, é pretendido cobrir as várias modificações e disposiçõesequivalentes incluídas dentro do espírito e escopo das reivindicações anexas.

Claims (18)

1. Separador para separar particulados de uma corrente de gás,o separador compreendendo:um alojamento incluindo uma primeira câmara que define umatrajetória de fluxo curva para a corrente de gás que passa através do sepa-rador;uma montagem de rotor na primeira câmara;a câmara incluindo uma zona radial externa tendo um lado radialinterno definido por um raio externo da montagem de rotor e um lado radialexterno definido por uma superfície interna da câmara;um orifício de entrada de fluxo para a primeira câmara e um ori-fício de saída de fibra para a primeira câmara, em que o orifício de entrada eo orifício de saída são alinhados com a zona radial externa da primeira câ-mara, euma segunda câmara acoplada à primeira câmara por uma pas-sagem de gás, em que a abertura para a passagem de gás na primeira câ-mara é radialmente interna da zona radial externa.

2. Separador, de acordo com a reivindicação 1, em que a mon-tagem de rotor inclui lâminas de rotor e as pontas das lâminas de rotor sãoadjacentes ao lado circunferencial interno da zona externa.

3. Separador, de acordo com a reivindicação 1, em que a zonaradial externa define uma passagem de fluxo entre o orifício de entrada defluxo e o orifício de saída de fibra que é substancialmente livre de compo-nentes mecânicos móveis.

4. Separador, de acordo com a reivindicação 1, em que a primei-ra câmara é uma câmara cilíndrica e uma segunda câmara é uma câmaracilíndrica, em que a primeira câmara é adjacente à segunda câmara e ascâmaras são separadas por uma parede divisória.

5. Separador, de acordo com a reivindicação 4, em que a pas-sagem de gás é uma abertura na parede divisória.

6. Separador para separar particulados de uma corrente de gás,o separador compreendendo:um alojamento que inclui uma primeira câmara cilíndrica defi-nindo uma trajetória de fluxo curva para a corrente de gás que passa atravésdo separador e uma segunda câmara cilíndrica, em que a primeira câmaracilíndrica é adjacente à segunda câmara cilíndrica, e as câmaras são sepa-radas por uma parede divisória;uma montagem de rotor na primeira câmara cilíndrica;a primeira câmara cilíndrica tendo uma zona radial externa, emque a zona se estende radialmente entre a montagem de rotor e uma super-fície interna da primeira câmara cilíndrica;um orifício de entrada de fluxo para a primeira câmara cilíndricae um orifício de saída de fibra para a primeira câmara cilíndrica, em que oorifício de entrada e o orifício de saída são dispostos alinhados com a zonaexterna da primeira câmara, eem que a abertura na passagem de gás na primeira câmara ci-líndrica é radialmente para dentro da zona radial externa.

7. Separador, de acordo com a reivindicação 6, ainda compre-endendo um ventilador na segunda câmara que reduz a pressão na segundacâmara quando comparada com a pressão na primeira câmara cilíndrica, emque o ventilador inclui lâminas de ventilador se estendendo radialmente parafora além das lâminas de rotor da montagem de rotor.

8. Separador, de acordo com a reivindicação 7, ainda compre-endendo uma haste no alojamento em que a montagem de rotor e o ventila-dor são coaxialmente montados na haste.

9. Separador, de acordo com a reivindicação 6, em que a mon-tagem de rotor inclui lâminas de rotor se estendendo não mais que uma me-tade de uma dimensão radial da primeira câmara.

10. Separador, de acordo com a reivindicação 6, em que a mon-tagem de rotor inclui lâminas de rotor e as pontas das lâminas de rotor seestendem para um lado radial interno da zona externa.

11. Separador, de acordo com a reivindicação 6, em que a zonaexterna define uma passagem de fluxo entre o orifício de entrada de fluxo eo orifício de saída de fibra que é substancialmente livre de componentesmecânicos móveis.

12. Separador, de acordo com a reivindicação 6, em que o sepa-rador de entrada de fluxo e o orifício de saída de fibra são tangentes à su-perfície interior da primeira câmara.

13. Separador, de acordo com a reivindicação 12, em que o ori-fício de entrada de fluxo é desviado por pelo menos noventa graus do orifíciode saída de fibra com respeito à primeira câmara cilíndrica.

14. Método para separar partículas de uma corrente de gás, u-sando um separador que inclui uma primeira câmara que define uma trajetó-ria de fluxo curva para a corrente de gás que passa através do separador euma segunda câmara, em que a primeira câmara é adjacente à segundacâmara, o método compreendendo:introduzir a corrente de gás em uma zona radial da primeira câ-mara;gerar um fluxo de gás rotacional na primeira câmara com umamontagem de rotor na primeira câmara cilíndrica, em que a montagem derotor tem uma borda radial externa radialmente para dentro da zona externada primeira câmara;aplicar o fluxo rotacional para mover a corrente de gás atravésda zona externa e para aplicar força centrífuga nas partículas na corrente degás em uma periferia radial externa da zona externa;descarregar as fibras da corrente de gás através de um orifíciode saída de fibra em uma parede de perímetro da primeira câmara;sugar gás da corrente de gás da zona radial externa em umaabertura na primeira câmara, em que a abertura é radialmente para dentroda zona externa.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, em que a abertu-ra leva a uma segunda câmara em uma pressão inferior que a primeira câ-mara, e a sucção do gás é devido a uma diferença de pressão entre a pri-meira câmara e a segunda câmara.

16. Método, de acordo com a reivindicação 14, em que as partí-culas fluem através da zona externa sem impactar um componente mecâni-co móvel do separador.

17. Método, de acordo com a reivindicação 14, em que a intro-dução da corrente de gás na zona radial externa inclui a corrente de gás semovendo ao longo de uma trajetória em geral tangente à zona externa.

18. Método, de acordo com a reivindicação 14, em que a corren-te de gás inclui vapor e as partículas incluem fibras de madeira.