CN101607153B - 用于在无膜颗粒分离系统中分开流体流的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在无膜颗粒分离系统中分开流体流的方法及设备。具体而言，提供了一种用于对颗粒分离装置的出口中的流体流进行分流的方法及系统。该系统可包括静止或被动的机构或子系统。这些机构还可模块化和可互换，以提供20∶80、30∶70、40∶60、50∶50等的预设流体分流划分。在当前所述实施例的其它形式中，该系统为可调且可变的。在当前所述实施例的另一种形式中，该系统容许出口处的压差控制，以促进不同尺寸的颗粒或颗粒带在相应的通道或路径中的流动。

Description

用于在无膜颗粒分离系统中分开流体流的方法及设备

技术领域

本申请涉及无膜颗粒分离系统，且具体地涉及用于在无膜颗粒分离系统中分开流体流的方法及设备。

背景技术

在共同未决的专利申请中，已描述了具有大致为螺旋或弯曲构造的若干不同类型的无膜颗粒分离装置。

一般而言，这些装置对于与水相比具有密度差异的颗粒较为有用，从而产生以分离为目的而横向移动穿过通道所必需的离心力或浮力。这些装置中的一些装置还对分离中性悬浮颗粒有用，这取决于其构造。参看图1，示出了分离装置20的一种示例性形式。这种形式示出了具有渐增曲率半径的示范性螺旋通道22。这种几何形状利用了压力变化率。任何适合的形式都将满足。然而，例如在另一种形式中，该装置可具有对于侧壁带有渐减曲率半径的收缩式螺旋通道。该通道还可保持大致恒定的曲率半径，以及恒定的通道尺寸。在这些情况的任何一种或其它情况下，通道22都展开成两个分离的通道24和26(例如，在图1中也称为通道#1和通道#2，以容许多个出口路径)。

这些类型的分离装置以多种方式来提供颗粒分离。例如，根据流速，颗粒分离可由穿过通道的流动流体所产生的离心力或压力驱动。在任何情况下，目标都在于产生颗粒分离。通常，流体流然后将具有带有一种类型的颗粒或条带的颗粒的第一部分，以及具有流体且在其中没有第一部分的颗粒的第二部分。

在这些类型的系统中，期望的是在装置出口处提供增强的分离能力。

发明内容

在当前所述实施例的一个方面，一种颗粒分离装置包括可操作用于接收在其中分布有颗粒的流体的入口，可操作用于产生包括第一部分和第二部分的流场的至少一个弯曲通道，以及包括用于分流而使得第一部分在第一路径上流动且第二部分在第二路径上流动的机构的出口。

在当前所述实施例的另一个方面，该出口包括刃形边缘(knifeedge)。

在当前所述实施例的另一个方面，该刃形边缘可操作用于枢转。

在当前所述实施例的另一个方面，该刃形边缘可操作用于滑动。

在当前所述实施例的另一个方面，该出口包括用以在第一路径与第二路径之间产生压差的系统。

在当前所述实施例的另一个方面，该系统包括位于第一路径中的第一阀以及位于第二路径中的第二阀。

在当前所述实施例的另一个方面，该装置还包括反馈系统。

在当前所述实施例的另一个方面，该反馈系统可操作用于基于压力、带宽和流速中的至少一项来控制该装置。

在当前所述实施例的另一个方面，该反馈系统可操作用于基于粘度和温度中的至少一项来控制该装置。

在当前所述实施例的另一个方面，该系统包括至少两条通道，在通道之间设置有促动器，其中，促动器有选择地使通道壁变形以产生压差。

在当前所述实施例的另一个方面，该系统包括至少两条通道，在通道之间设置有两个促动器，其中，各促动器均有选择地使其中的一个通道壁变形以产生压差。

在当前所述实施例的另一个方面，该系统包括定位成且可操作用于有选择地将压力施加到对应于第一路径和第二路径的通道上的压缩圈。

在当前所述实施例的另一个方面，该方法包括在分离装置中启动流体流，以及调整出口中的机构以改变第一出口路径与第二出口路径之间的流体流。

在当前所述实施例的另一个方面，调整包括在出口内移动刃形边缘。

在当前所述实施例的另一个方面，调整包括利用该装置来改变压力。

在当前所述实施例的另一个方面，基于至少一个促动器的操作来改变压力。

在当前所述实施例的另一个方面，基于对压缩圈和扩张圈中至少一个的操纵来改变压力。

在当前所述实施例的另一个方面，基于至少一个阀的启动来改变压力。

在当前所述实施例的另一个方面，基于反馈数据项来进行调整。

在当前所述实施例的另一个方面，数据项是基于压力、带宽、流速、粘度和温度中的至少一项。

附图说明

图1为示例性螺旋型颗粒分离装置的示图；

图2示出了当前所述实施例的一种形式；

图3示出了当前所述实施例的一种形式；

图4示出了当前所述实施例的一种形式；

图5示出了当前所述实施例的一种形式；

图6示出了当前所述实施例的一种形式；

图7示出了当前所述实施例的一种形式；

图8示出了当前所述实施例的一种形式；

图9示出了当前所述实施例的一种形式；

图10(a)至图10(b)示出了当前所述实施例的一种形式；

图11示出了当前所述实施例的一种形式；

图12示出了当前所述实施例的一种形式；以及

图13示出了当前所述实施例的一种形式。

具体实施方式

当前所述实施例提供了一种位于螺旋型分离装置的出口处用于使流体流分流或分叉的机构。这在螺旋或弯曲型装置中尤其有利，因为分离装置的出口通常将在通道的一侧相对于通道的另一侧上具有不同尺寸的颗粒。在一些形式中，通道的一侧可具有在其中流动的颗粒带，而通道的相对侧则具有很少的驻留颗粒。这在中性悬浮颗粒在流体中流动和分离的情形中尤其如此。在至少一种形式中，流体流中包含颗粒(或较多颗粒)的部分称为微粒流，而流体的其余部分称为流出流。

当前所述实施例提供了一种通向各个分离装置的出口的分流系统，其对于流体流是可透过的。也就是说，实现当前所述实施例通常不会引起分散或相反损害集中的颗粒带或颗粒组的完整性，不会造成过度的湍流，以及不会引起将削弱所期望的流体流的过大的压力波动。当前所述实施例容许流体流分流的适应性，例如在从20∶80的分流至80∶20的分流的范围内。适合的流动传感和计算机反馈控制也可应用于该系统。

当前所述实施例可采用多种形式，如本领域的技术人员将认识到的那些。如本文所述，当前所述实施例可包括静止或被动的机构或子系统。这些机构还可模块化或可互换，以提供20∶80、30∶70、40∶60、50∶50等的预设流体分流划分。在当前所述实施例的其它形式中，该系统是可调且可变的。在当前所述实施例的另一种形式中，该系统容许在出口处的压差控制，以促进不同尺寸的颗粒或颗粒带在相应的通道或路径中的流动。

参看图2至图12，应当认识到的是，所示机构还可在多种不同的环境或构造中实现。为了便于图示和说明，这些机构在本文中示为以简单形式和/或在典型环境中应用于单个通道中。例如，本领域的技术人员将理解到，可以多种和重复的方式来实现这些技术和结构，在这些方式中，例如，多个通道构造在装置或系统内。

现参看图2，示出了具有入口B、弯曲通道部分C和出口10的螺旋型分离装置A。应当认识到的是，为了便于说明，仅以典型形式示出了分离装置A。图3至图12并未明确地示出整个分离装置，但应当理解到的是，这些图中的任一出口都可应用于所构思出的分离装置，例如在图2中所示出的分离装置。

如图所示，螺旋通道C的末端12分成第一通道或路径14和第二通道或路径16。该通道构造示为驻留在基底18中。然而，应当认识到的是，可存在其它出口形式或用于出口的环境。值得注意的是，通道14和16从螺旋型装置C的末端12起的分裂通过由具有突入末端12的刃形边缘17的大致为静止的壁15所形成的刃部机构(knifemechanism)11而得到促进和增强。因此，增强了流体的流动及其分离。

应当认识到的是，刃形边缘的形状可充分地取决于通道的截面。例如，矩形通道可具有矩形刃形边缘，而椭圆形通道(例如，通过使管道竖直变形而形成的)可具有抛物线形刃形边缘。当然，由当前所述实施例可构思出用于刃形边缘和对应的壁的其它形状。

现参看图3，示出了当前所述实施例的另一种形式。抛物线形流体流30示为流过螺旋型装置(未示出)的末端12，并且在出口10中分开，以流入第一通道14或第二通道16。然而，在这些实施例中，刃形边缘机构32以通道分离处附近的点34而进行枢转。尽管仅代表性地进行了显示，但刃形边缘机构32包括壁36和刃形边缘部分38。如可看到的那样，刃形边缘装置32可枢转经过如由箭头和虚线所示范性地示出的位置范围。如上文所述，在至少一种形式中，该范围将在两个通道内提供范围从20∶80至80∶20的相对的流体流。本领域的技术人员将认识到，可使用多种不同的技术来以多种不同的方式完成刃形边缘装置32的枢转。通道的尺寸可规定用以促动在刃形边缘装置32中的枢转的技术。例如，在一种形式中，可利用压电装置或液压装置来完成枢转。还应当认识到的是，可人工地完成枢转。

现参看图4，抛物线形流体流30示出为在螺旋型装置(未示出)的通道末端12中流动，并且在出口10中分裂成或分叉成沿第一通道14和第二通道16的流体流。然而，在该实施例中，刃形边缘机构40适于例如在外部促动器42的轨道上滑动。如同其它实施例一样，应当认识到的是，刃形边缘装置40包括壁46，以及适合的刃形边缘部分48。还应当认识到的是，外部促动器可采用多种形式。此外，根据分离装置的相对尺寸和其它环境因素，外部促动器可为压电促动器、液压促动器或人工促动器。

现参看图5，分离装置(未示出)的出口10具有流过分裂成第一通道14和第二通道16的通道的末端12的抛物线形流体流30。还示出了刃形边缘机构40和外部促动器42。然而，在该实施例中，滑动销50分别设置到第一通道14和第二通道16的通道壁部52和54上。应当认识到的是，壁部52和54由柔性膜形成。柔性膜可由多种适合的材料形成。这样就容许销50滑入外部促动器42中，从而改变刃形边缘装置40的位置。壁部52和54的柔性容许保持通道的完整性。

在图2至图5中所示的实施例示出了刃形边缘伸入位于分离装置末端处的通道末端中的构造。然而，当前所述实施例还构思出了刃形边缘未伸入通道而是例如仅邻接通道或适合的通道叠层的构造。例如，现参看图6，示出了分离装置的出口100。如图所示，分离装置的通道102由刃部机构108分成第一通道104和第二通道106。如同其它实施例一样，刃部机构108包括壁部110以及刃形边缘112。在该构造中，还示出了外壁114和116。在操作中，在该实施例中，刃形边缘机构108沿轨道或借助其它类型的促动器进行滑动，以便以可变且可适用的方式来分开流体流。如图所示，颗粒带或组或集中区可流入第一通道104，而未包括颗粒带(组或集中区)的其余流体可流经第二通道106。

现参看图7，示出了刃形边缘未伸入通道末端的另一实施例。如图所示，用于分离装置末端122的出口120包括第一通道124和第二通道126。使用包括旋转柱体130和刃形边缘132的机构128来实现流体流的分裂或分叉。通道124由外壁134和内壁135限定。同样，通道126由外壁136和内壁137限定。应当认识到的是，刃形边缘132进行旋转以改变在通道122末端处的分流比。内壁135和137构造成用以提供这样的旋转。例如，内壁135和137实质上可为柔性的，这样可容许其附接到旋转柱体上。在其它形式中，内壁135和137实质上可仅为静止的，利用适合的密封技术来确保内壁135和137与旋转柱体130之间没有渗漏。

现参看图8，分离装置(未示出)的出口120包括分成第一通道124和第二通道126的通道122的末端。在该构造中，机构140设置到系统中用以使流体流分裂。该机构140包括滑动柱体142以及刃形边缘144。如同上述实施例一样，该通道124可由外壁134和内壁135限定。同样，通道126可由外壁136和内壁137限定。在该实施例中，内壁135和137在至少一种形式中是由柔性膜形成的，以容许柱体142滑动，同时仍将流体保持在通道124和126内。

现参看图9至图11，还可使用在相应出口处的压差或流量控制来实现本文所构思出的螺旋型分离装置中的流体流的分裂或分叉的改变。在当前所述实施例中，可使用独立控制的促动器或对于相邻通道的同时双路促动来完成压差和/或流量控制。用于出口通道的柔性膜壁通常用来容许变形。该壁的变形将改变流动截面，且因此改变上游流体上的压力。流量控制阀可独立地在出口通道上实现。在这种情况下，通道不必为柔性的。

现参看图9，示出了显示旋转型分离装置(未示出)的通道末端202的出口200。通道202在第一通道204与第二通道206之间分开。通道204由刚性外壁208以及柔性内壁210限定。通道206由刚性外壁212和柔性内壁214限定。在该实施例中，具有柱塞218(例如，螺线管)的促动器216受到促动，以通过多种不同的方式使壁210变形而在通道中的上游产生压差。同样，具有柱塞222的促动器220用来使壁214变形，以实现期望的压差或流量控制。应当认识到的是，促动器可以多种不同的方式受到控制，以达到当前所述实施例的目标。例如，其中的一个促动器可受到促动，以产生压差和流量控制。或者，两个促动器都可协力地或以互补的方式受到促动，以相同的或不同的速率来产生压差和流量控制。

参看图10(a)和图10(b)，系统200仅包括单个促动器250。该单个促动器250包括柱塞252，其尺寸设定成用以操纵柔性壁210和214。如图10(a)所示，柱塞252显示在左侧的极限位置中。图10(b)示出了在右侧的相对极限位置。

在图9和图10的实施例的任何一个中，将认识到的是执行促动器将在通道中产生压差和流量控制，其将容许改变各通道204和通道206中的颗粒流动程度。

实现此结果的另一种方式在于在出口路径或通道中的每一个或至少一个中设置可调阀。如图11中所示，一种系统200包括第一通道230和第二通道232。第一通道230具有位于其中的阀234。第二通道232具有位于其中的阀236。因此，两个单独的阀能够控制通道中的流动。在这种情况下，通道230，232的壁不必为柔性的。此外，阀可采用多种公知的形式；然而，在至少一种形式中，阀为管线式阀(in-line valve)。阀的选择性操作将在系统中产生期望的压差和流量控制。应当认识到的是，一个阀就足以分开两个出口之间的流动而不影响入口压力。

现参看图12，示出了依靠系统内的压差和/或流量控制来分开流体流的另一个实施例。在该实施例中，分叉的出口的径向压缩也用于此。示出了出口300的端视图。出口包括自适应式外圈302、刚性圈304，以及自适应式内圈306。第一组通道310设置在外圈302与刚性圈304之间。第二组通道312设置在刚性圈304与自适应式内圈306之间。应当认识到的是，第一组通道310对应于已分开的第一组出口通道，例如图10(a)中的通道204。第二组通道312涉及已从出口分开的第二组通道，例如图10(a)的通道206。如图所示，本领域的技术人员将认识到，该构造是由执行多个分离装置以及适当聚集流动路径或通道而产生的。

可通过由外圈302和内圈306的彼此相反的径向压缩/扩张来操纵流体的内部流和外部流的通道直径和相对流速而调整通道中的压力。圈环302和306可同时地或单独地进行压缩和/或扩张，以在系统中产生压差和/或流量控制。本领域的技术人员将认识到，圈的压缩可提供更为均匀和平滑的过渡。然而，圈的压缩也将实现当前所述实施例的目标。还应当理解的是，所有内部通道和外部通道最终将合并，在一种形式中，在下游合并，这取决于整个系统的构造。

应当理解的是，本文所示的实施例仅用作实例。还可构思出变型。例如，本文所示和所述的各出口均分裂成或分叉成两个通道。出口(以及当前所述实施例的该应用场合)的分裂可扩充到三个或多个通道。

并且，应当理解的是，用于构成本文所构思出的各种构造的材料将取决于系统的尺寸、应用场合和环境而变化。同样，所构思出的系统的尺寸是可变的。

如所述，当前所述实施例可包括各种传感和反馈控制，以容许增强流体流的分流。例如，光学传感器可放置在系统中的分流点或分叉点之前，以及在中间点处，可用来检测带宽和位置。反馈信号可发送到分流机构上，以最大限度地增大通道中的条带俘获量和流体回收率。流量传感器还可沿通道设置，以检测速度变化。该数据然后可用来反馈到必需的泵中，以保持恒定的流速，且因此保持速度。压力传感器还可用来调整各通道中的流速，以最大限度地减小条带的分散，以及最大限度地提高流动恢复。温度传感器可用来修正流体的运行，而粘度传感器可用来修正操纵参数的调整。

应当认识到的是，这些类型的传感和反馈控制装置可在系统内以各种不同的方式来实现，以达到本文所述的传感和反馈目标以及其它目标。因此，可使用适于该环境和系统构造的不同的硬件构造和/或软件技术来实现这些类型的装置。

现参看图13，示出了一种示例性反馈和/或控制系统400。该系统400包括分离器，例如接收输入流体404的螺旋型分离器402。在操作中，分离器402将输入流体404分离成流出流406和微粒流408。如图所示，通过使用本文所构思出的各种分流器400中的任何一种来加强该过程。应当理解的是，可基于采集到各种数据项来控制分流器。这些数据项包括，例如压力、带宽和流速。如上文所述，温度传感器和粘度传感器也可用于采集期望的数据。这些数据项提供给控制器420。如将会从以上实施例中所理解到的那样，控制器420控制用于流体分流的促动器430。应当理解的是，促动器430和分流器可在相同的装置中形成为一体。

Claims (4)

1.一种颗粒分离装置，包括：

可操作用于接收流体的入口，所述流体具有分散于其中的颗粒；

可操作用于产生流场的至少一个弯曲通道，所述流场包括第一部分和第二部分，所述流场的第一部分和第二部分由在所述弯曲通道中的所述流场所产生的流动驱动力形成，所述流动驱动力包括离心力和压力或浮力；

出口，其包括将所述流体分开成使得所述第一部分在第一路径上流动且所述第二部分在第二路径上流动的机构；以及

控制器，所述控制器构造成基于压力、流速、带宽、温度或粘度控制所述机构。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括反馈系统。

3.一种用于在具有第一出口路径和第二出口路径的颗粒分离装置的出口处分开流体流的方法，所述方法包括：

在所述分离装置中启动流体流，其中在所述第一出口路径和第二出口路径之间的颗粒分离由流动驱动力引起，所述流动驱动力由所述颗粒分离装置的弯曲通道中的流体流产生，所述流动驱动力包括离心力和压力或浮力；以及

基于压力、带宽、流速、粘度或温度中的至少一种用控制器调整位于所述出口中的机构以改变所述第一出口路径与所述第二流体路径之间的所述流体流。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述调整基于反馈数据项。