CN101920226A - 用于工业分离的平台技术 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了处理流体流的方法和系统，包括向所述流体处理系统的输入部分输入流体流，并经由螺旋混合器-调理器接受所述流体流。螺旋混合器-调理器混合并调理输入液流。随后将已混合并调理的流体流输入到螺旋分离器中，在这里将已混合并调理的流体流分离成至少两股流体流，第一流体流中输入液流中的颗粒被除去，而第二流体流中输入流体流中的颗粒被浓缩。

Description

用于工业分离的平台技术
背景技术
常规大规模分离方法包括浮选、沉降、离心和过滤。在微流体中的最新进展包括使用小规模多物理力用于分离和富集。本发明提供用于处理流体流的方法和系统。
附图说明
图1为螺旋混合器-调理器；
图2说明在图1的装置内的流体流动的速率；
图3描述在图1的装置内的流动的横向速率矢量；
图4描述剪切速率与聚集体尺寸的关系的典型曲线；
图5为聚集体尺寸与在螺旋混合器-调理器内的时间的关系的特性曲线；
图6是未加工的海水或含盐水的处理的工序示意图；
图7未加工的海水或含盐水的处理的可选设施的示意图；
图8是由浓盐水产生氢氧化物沉淀物的示意图；
图9是在两阶段沉淀和分离之后，由海水或含盐水凝聚、絮凝和分离所有其他悬浮物的示意图；
图10是由用于膜蒸馏(MD)的海水凝聚、絮凝和分离悬浮的有机物的示意图；
图11是在两阶段粗颗粒分离之后，将细颗粒凝聚、絮凝和分离成中等细尾料(例如，尾料池水)的示意图；
图12是从污水中沉淀、聚集和分离二价金属离子的示意图；
图13是预处理未加工的海水或含盐水，以不采用化学凝聚而直接除去悬浮物的示意图；
图14是物质中悬浮的有机物的去除的示意图；
图15是藻类排水的示意图；
图16为采用图15的设施的系统；
图17是凝聚、絮凝和分离生产用水的示意图；
图18是生产用水的两阶段分离的示意图；
图19是用于高级氧化技术UV灭菌系统的容积分散(volumndispersed)的TiO2纳米颗粒的聚集和回收的示意图；
图20是废水处理的示意图；和
图21是废水处理的示意图。
发明内容
本发明提供以下(1)-(20)：
(1).通过流体处理系统处理流体流的方法，所述方法包括：
向所述流体处理系统的输入部分输入流体流；
通过与所述输入部分可操作地连接地安置的螺旋混合器-调理器接受所述流体流，所述螺旋混合器-调理器混合并调理所述输入流；
在螺旋分离器接受已混合并调理的所述流体流；
将由所述螺旋分离器接受的已混合并调理的所述流体流分离成至少两股流体流，第一流体流中所述输入流体流中的颗粒被除去，而第二流体流中所述输入流体流中的颗粒被浓缩；和
从所述螺旋分离器输出所述两股流体流。
(2).上述(1)的方法，所述方法还包括将物质溶解于所述流体流中，致使由已溶解于所述流体流中的物质形成沉淀物和悬浮物并调理所述已溶解的物质。
(3).上述(1)的方法，所述方法还包括将纳米颗粒和/或亚微米颗粒聚集成较大的结实的聚集体并调理所述聚集体，以用于通过所述螺旋分离器的流体动力学分离。
(4).上述(1)的方法，所述方法还包括通过所述螺旋分离器利用流体动力学分离来捕获容积分散的合成颗粒以用于再装填和再利用。
(5).上述(4)的方法，其中所述合成颗粒为官能化的合成颗粒。
(6).上述(1)的方法，所述方法还包括利用所述螺旋混合器-调理器中的通道宽度和进入所述螺旋混合器-调理器的所述输入流的速度，以确定所述螺旋混合器-调理器中的定制的剪切速率。
(7).上述(1)的方法，其中所述输入流的调理包括所述输入流中的颗粒生长为较大尺寸的聚集体。
(8).上述(7)的方法，其中所述聚集体生长分为三个阶段进行：通过颗粒浓缩和同向移动驱动的脉冲生长阶段、当流体剪切速率超过范德华力时生长的聚集体尺寸限制、和由于次级效应引起的生长尺寸下降。
(9).上述(1)的方法，其中所述流体流为市政水、海水、含盐水、污水、重盘式水、含藻类的水、农业用水、携带合成颗粒的水或废水中的一种。
(10).上述(1)的方法，其中所述输入流的混合、调理和分离达成以下的至少一种：输入流中的生物物质的检测、输入流的工业纯化、输入流的矫正、输入流的油/水分离。
(11).通过流体处理系统处理流体流的方法，所述方法包括：
向所述流体处理系统的输入部分输入流体流；
通过与所述输入部分可操作地连接地安置的螺旋混合器-调理器接受所述流体流，所述螺旋混合器-调理器混合并调理所述输入流；
在螺旋分离器接受已混合并调理的所述流体流；
将由所述螺旋分离器接受的已混合并调理的所述流体流分离成两股流体流中的至少一股，第一流体流中所述输入流体流中的颗粒被除去，而第二流体流中所述输入流体流中的颗粒被浓缩；和
从所述螺旋分离器输出所述两股流体流，其中在所述混合器部分中的所述输入流的流动等于或超过临界迪恩数150。
(12).上述(11)的方法，其中在所述调理器部分中的所述输入流的流动低于临界迪恩数150。
(13).流体流处理系统，所述系统包括：
输入部分，其用于接受流体流；
螺旋混合器-调理器，其与所述输入部分可操作地连接地安置，以接受输入流体流，所述螺旋混合器-调理器包括混合器部分和调理器部分；
螺旋分离器设施，其与所述螺旋混合器-调理器可操作地连接地安置，以接受已混合并调理的所述流体流，所述螺旋分离器包括分离部分和设置为输出至少两股液流的输出部分，一股液流中来自所述输入流体流的颗粒通过所述分离部分除去，而第二液流中来自所述输入流体流的颗粒通过所述分离部分浓缩。
(14).上述(1)的方法或(13)的系统，所述系统包括螺旋混合器-调理器，所述螺旋混合器-调理器的通道宽度与输入至所述螺旋混合器-调理器的所述流体流的输入速度匹配，以在所述螺旋混合器-调理器的多个通道中的至少一些中产生流体流动的无序状态，并在所述螺旋混合器-调理器的多个通道的其他通道中产生平衡状态。
(15).上述(1)的方法或(13)的系统，其中所述螺旋混合器-调理器具有定制的剪切速率，选择所述定制的剪切速率使得所述螺旋混合器-调理器的调理部分的运行和所述螺旋分离器的分离运行最优化。
(16).上述(1)的方法或(13)的系统，所述系统包括沉淀和悬浮机构，用于将可溶解的物质注射至所述流体流中，以诱导由已溶解的所注射的物质形成沉淀物和悬浮物，且调理所述流体流以用于通过所述螺旋分离器的流体动力学分离；包括使用常规剪切速率，以使得所述螺旋混合器-调理器的调理部分和所述螺旋分离器的分离运行最优化。
(17).上述(1)的方法或(13)的系统，其中选择所述通道宽度和进入所述螺旋混合器-调理器的输入流体流的速度，以在所述螺旋混合器-调理器的通道中得到预定的剪切速率。
(18).上述(5)的方法或(17)的系统，其中所述预定的剪切速率使得在限定所述螺旋混合器-调理器的混合器部分的通道中的迪恩数大于150。
(19).上述(5)的方法或(17)的系统，其中所述预定的剪切速率使得在限定所述螺旋混合器-调理器的调理器部分的通道中的迪恩数小于150。
(20).上述(5)的方法或(17)的系统，其中所述螺旋混合器-调理器的调理器部分促进在所述流体流中颗粒的聚集体生长。
以往的螺旋混合器使得注射至流动液流的化学物质刚好在混合器入口的90度转角之前处湍流混合并且在整个混合器的螺旋通道中湍流混合。在图1的螺旋混合器-调理器100中，向该混合器添加聚集体调理功能。
在图1中，在螺旋混合器-调理器100的前两圈102、104中发生混合，其中设计流体流状态(regime)用于高迪恩数(Dean number)(即，等于或超过临界数150)操作。在该状态下，通道内的横向流体流动不能达到力平衡，因此颗粒(微粒)悬浮物继续螺旋状涡旋通过通道横截面。对上述的螺旋混合器的增强包括在相应于第106-112圈的通道中的流体流动，使其达到平衡。迪恩数为用于通道中的流动的无量纲量，通常用符号De表示，且如下定义：
De = ρVD μ ( D 2 R ) 1 / 2 ,
其中，ρ为流体的密度；μ为动态粘度；V为轴速率；D为水力直径(其他形状用等效直径表示，参见雷诺数)；且R为通道轨迹的曲率半径。
在横截面中各通道为正方形通道，但是，可使用其他通道横截面设计。同样，虽然这是6圈的半圆形螺旋，本文所述的螺旋混合器-调理器可为阿基米德螺旋且具有更多或更少的圈(即，n-圈)。流动液流在入口114处流入螺旋混合器-调理器100，且在出口116处流出。提供虚线出口118用于说明可使用两个或更多个出口。
在第108圈处在螺旋混合器-调理器100的通道横截面内的流体流动的速率分布描述于图2，图3表示在第108圈中相同通道横截面的横向速率矢量。
在图2中，在通道的左手侧的图像为在第108圈处的正方形通道内发生的流动速率的截面图200。流动的速度(speed)或速率(velocity)用代表高速率的较暗的图像202和代表较低或几乎零速率的较亮的图像204表示。该流动是由于离心力而引起的。该图像从通道的左手侧得到，而离心力朝向通道的外侧移动。
在图3中，相同流动的横向速率矢量示于300，代表如下设计：如箭头运动302所示，中性漂浮颗粒沿着速率矢量移动(参见美国专利序列号USSN 11/936,729，该文献讨论了中性漂浮颗粒的分离)。图3为横向视图，如果获得该视图的截面，则可显示作为沿着通道前进的视图的双涡旋。而且，存在横向速率矢量流动的分量，所述分量从图像的平面向外，因此，如果跟随着液流中的颗粒，则螺旋状轨迹跟随通道向下。
该螺旋混合器-调理器设计为6圈，但是，可存在其他圈数(n-圈)。
在该实施方案中，设计螺旋混合器调理器的前两圈和/或操作，以使所得到的迪恩数使得在前两圈102、104的通道中的流体流动为湍流状态。这意味着，即使存在横向速率矢量流动的设置(setting up)，其被设定为使得力不平衡，且由于该原因，颗粒继续环绕移动而不能达到平衡。仅在第三圈(即，从第三圈道第六圈)后，通道内的力进入力平衡状态，使得流动中的颗粒更接近一个侧壁移动，并在流动轨迹内进入停滞状态(stagnation state)。虽然流动在整个螺旋中看起来非常相似，差别在于横向速率的量级。在前两圈中，横向速率非常大，随后随着螺旋超出曲率半径的流动增加，其导致的力下降允许流动进入稳态层状状态，其中，采用剪切应力来调理流动内的颗粒。
在第106-112圈离心力下降，产生力平衡。横向流动矢量用于吹扫中性漂浮颗粒，并将它们移动至平衡位置。达到期望的平衡是基于离心力的下降。期望的离心力下降对应于迪恩数下降低于临界值150。
可采用两种方式达到螺旋混合器-调理器的调理(或聚集)功能。第一是通过改变螺旋混合器的几何形状横截面。第二是改变流动速率。这两种方法均试图控制在调理螺旋中的系统的剪切速率。剪切速率为横向速率的梯度，并且是使由混合器-调理器形成的聚集体的尺寸与下游分离器的截流尺寸相关的参数。
图4有助于说明所述构思观念。
螺旋混合器-调理器100设计为含有用作混合部分的前两圈102、104。包括前两圈的通道在临界迪恩数(即，等于或大于150)之上操作，使得在前两圈中的流动无序且无流动平衡。在该无序状态下的混合圈数可变化，因此，螺旋混合器可包括3圈、4圈或更多混合圈，只要在这些圈中的流动在临界迪恩数(即，等于或大于150)之上即可。设计螺旋混合器调理器100的第106-112圈以达到所需的剪切速率。例如，基于图4的曲线选择剪切速率，图4表明，当剪切速率提高时，流动中的颗粒的聚集体尺寸下降(即，聚集体尺寸基于剪切速率)。通过提高在所选的通道尺寸内的流动的速率来提高剪切速率。随着剪切速率的提高，颗粒往往破碎成较小的聚集体。
螺旋混合器-调理器100的结构具有被选择为在整个螺旋中尺寸相同的通道宽度。在这种情况下，将流动速率控制为在前两圈(102-104)中具有超过无序值的迪恩数，而在螺旋的其余圈(106-112)中的流动引起迪恩数下降至低于临界值150。该下降是由初始流动速率、通道的尺寸以及螺旋圈106-112的数量增加引起的。
选择进入入口114的输入流体的速率，使得在前两圈102、104中的剪切速率超过用于无序作用的迪恩数，但是其余圈106-112的剪切速率迪恩数低于临界值。
图4说明图形400，其说明相对于聚集体尺寸的剪切速率。从页面底部到上部，剪切速率轴从低剪切速率到高剪切速率变化，而聚集体尺寸轴从左手侧的低聚集体尺寸到右手侧的较大尺寸变化。曲线402表示结实悬浮物的特性，曲线404表示松散悬浮物的特性，其中标记了每种悬浮物的最大剪切速率的轨线。
在本申请中的螺旋混合器-调理器可设计为可用于具有许多不同几何形态的聚集体。人们可使用非常结实且在粉碎前承受非常高的剪切速率的粘土颗粒，或者人们可使用蓬松且在非常低剪切速率下易于粉碎的絮凝物。因此，应理解的是，这些曲线为表明本发明要旨的一般性曲线。
相对于粒径的剪切速率的实例包括结实聚集体，例如对高剪切力具有弹性的粘土颗粒。在剪切速率g＝10,000/秒(g＝剪切速率)下，在该范围内的聚集体尺寸为直径(d)5μm。对于松散悬浮物，该聚集体可为在较低剪切力下成碎片的化学絮凝物(例如，经明矾处理的胶体污垢)。在剪切速率g＝500/秒下，这些松散悬浮物聚集体具有d＝30μm-50μm的聚集体尺寸。
在图4中，考虑结实悬浮物的上部曲线402。曲线402通常表示该结实类型的颗粒的最大剪切速率的轨线。基本上，这种类型的结实颗粒的聚集体没有可超过曲线402的。曲线404提供了含有松散颗粒的悬浮物的类似图像。如曲线的右侧所示，在低剪切速率下较大的聚集体保持完整。当通过提高泵送速率来提高剪切速率时，那么聚集体将破碎至在曲线的左侧给出的新剪切速率下稳定的尺寸。因此，图4可用于系统设计。给定某一所期望的粒径，人们可确定相应的适当的剪切速率。
按照图4所示的曲线，进行螺旋混合器-调理器100的操作和/或设计，以在第106-112圈的通道中具有定制设计的剪切速率，来控制聚集速率和尺寸。未受控的聚集导致非常疏松结合的悬浮物快速生长。较高剪切速率将聚集体破碎至可通过范德华力而维持的尺寸。与较低曲线相比，图4中的较高的曲线意味着更强聚集的悬浮物。控制聚集体生长和尺寸的经设计的剪切速率导致致密的均匀尺寸的悬浮物，其适于例如通过螺旋分离器的有效的下游流体动力学分离。
该调理(聚集)特征可扩展至以下目的：
1.由已溶解的材料(例如二价金属以防止结垢，例如Mg和Ca(镁和钙))诱导沉淀或悬浮物形成；
2.促进较小的悬浮物聚集成更大且更结实的附聚物(例如二氧化钛(TiO2)纳米颗粒的聚集，以作为高级紫外(UV)氧化系统中的光催化剂进行再生和再利用)；和
3.为了再利用容积分散的载体悬浮物而进行捕获，所述悬浮物被官能化以处理液体中的污染物(例如活性炭颗粒用于吸收有机物和烃，或官能化的聚苯乙烯珠粒用于选择性地捕获用于威胁试剂的生物检测的靶分析物)。
悬浮物在聚集储罐中生长以达到适于下游截流分离的尺寸。生长速率根据悬浮物的几何形态、化学性质以及材料类型而变。如果完全在聚集储罐中生长，则某些悬浮物可能不需要很长的滞留时间。图5说明特性聚集尺寸与时间的关系，所述时间分为三个序贯的时程：T1、T2、T3，对应于脉冲生长、聚集体尺寸限制和尺寸下降。典型的曲线具有三个序贯的时程：
●T1：脉冲生长—当聚集由颗粒浓缩和同向运动(对流驱动)来驱动以提高碰撞事件概率时，在窄通道中在快速混合期间发生；
●T2：聚集体尺寸限制—当流体剪切超过范德华力时，聚集体尺寸受到限制；和
●T3：尺寸下降—由于次级效应引起的聚集体尺寸下降，次级效应可归因于化学消耗、压实和聚集体-聚集体相互作用。
生长是指颗粒聚集。特别地，目前在更有限的空间中存在有在狭窄通道中的相同的流动量(包括颗粒)。该变窄提高在下述速率下可能发生的颗粒碰撞，所述速率中平衡态引起所述颗粒或特定百分比的颗粒在脉冲生长阶段(T1)期间粘在一起并生长为较大的聚集体颗粒。
在T2阶段，已形成的聚集体达到生长停滞状态，根据几何形态(材料的类型)和在通道内施用的剪切，颗粒仅抱持在一起。对于某一种类型的材料，当剪切速率超过某一值时，通过剪切速率限制聚集体生长，从而限制整个聚集体尺寸。在T3时，在停滞状态之后，由于次级效应(例如可引起聚集体尺寸从T2状态下降多达10％的其他情况中的系统内化学消耗、压实、絮凝物-絮凝物相互作用)而存在尺寸下降。
当将颗粒挤压在一起但实际上未粘着在一起时产生压实，且挤压将水从聚集体中除去，使得它们更紧密(例如，更小)，但是不将单独的聚集体结合在一起。
絮凝物-絮凝物相互作用是指聚集体彼此磨耗并且从聚集体的一方或两方中除去部分颗粒。
上述新型方法可用作用于许多工业分离的平台技术，包括：
●市政水处理—该应用受益于本发明的调理讨论
●海水和含盐水脱盐—用于反渗透(RO)和防垢剂除去(图6、7、8和9)和膜蒸馏(图10)的预处理
●污水—压裂水(frac water)、流回水、油/水分离(图11和12)
●压载水—从海水中分离有机物和其他悬浮物(图13和14)
●藻类排水(Algea dewatering)-生物燃料生产和在精炼废水排放(polished wastewater discharge)前(图16)
●农业用水—葡萄洗涤水、棕榈油磨坊流出液(图17和15)
●容积分散的TiO2或官能化的合成颗粒的聚集和回收(图19)
●废水处理—将初级流出液浓缩以进行消化，用于提高速率和甲烷产生(图20和21)。
图6-21举例说明该技术的许多不同的应用。其他应用包括：
●生产用水—例如清洁乳品厂乳清水
●生物流体—药物加工，例如从RBC中分离WBC、疫苗流体净化
●生物检测—用于提高选择性和灵敏度的高生产量筛分
●工业水纯化—例如Si切口(Si kerf)回收
●防垢剂除去—发电厂冷却，海水预处理
●地下水矫正(remediation)-二价离子沉淀
●石油精炼—油/水分离
●胶态化学—化学加工
●采矿
●食品和饮料。
图6是在使用化学凝聚的脱盐配置的反渗透(RO)之前的未加工的海水或含盐水处理的示意图。RO膜需要非常高品质的进料水以有效操作。
系统600包括第一输入过滤器602，其可为2-5mm过滤尺寸的进料筛，用于过滤未加工的海水。在过滤器602之后，提供用于进一步过滤的第二过滤器604，其可为100μm筛网过滤器。将已过滤的水通过凝结剂注射系统606，该凝结剂注射系统将适当类型的凝结剂注射至水流中。将注射有凝结剂的水流在螺旋混合器-调理器608中混合。随后将螺旋混合器-调理器608的输出移动至聚集储罐610，在这里聚集的颗粒进一步生长，例如，对于某一絮凝物，生长约4分钟。随后将含有聚集体的流动从聚集储罐610移动至包含流出液输出614的螺旋分离装置612(其中聚集体已通过螺旋分离器612除去)，且将该流动通过保险过滤器616进一步过滤并提供作为RO进料水618。来自螺旋分离器612的第二输出的水包含已分离出的聚集体，提供所述水作为废液流620。未加工的海水输入至系统600中的速率可通过箭头622表示的泵来控制。
系统600使用在线凝聚、絮凝和分离来预处理RO进料水，且具有以下特性：
1)聚集亚微米的有机/无机颗粒，用于流体动力学分离，以净化RO进料水；
2)与标准罐试验方案(即，快速混合2分钟，接着缓慢混合28分钟，并长时间沉降)相比，使用螺旋混合器-调理器减少50％的凝结剂剂量；
3)没有正式的絮凝步骤且无需沉降；
4)快速工序—需要数分钟而不是数小时；
5)流动受控制的连续流动或间歇操作。
图7是在使用电凝聚的脱盐配置的反渗透(RO)之前的未加工的海水或含盐水处理的示意图。优点为原位产生凝结剂。
系统700与图6的系统600类似。但是，在第二过滤器604之后，用电凝聚装置702代替凝结剂注射系统606。随后使用例如示于图6的元件。其他区别在于注射防垢剂氯704，接着通过保险过滤器616进行过滤。在一个实施方案中，未加工的海水输入至系统700中的速率可通过箭头722表示的泵来控制。
系统700可在装置内产生化学物质，淤渣体积更小，且不需要不良的化学物质。系统700使用在线凝聚、絮凝和分离来利用电凝聚进行预处理RO进料水。该方法包括以下特性：
1)电凝聚使得化学物质在装置内产生；
2)聚集亚微米有机/无机颗粒，用于流体动力学分离，以净化RO进料水；
3)与标准罐试验方案(即，快速混合2分钟，接着缓慢混合28分钟，并长时间沉降)相比，使用螺旋混合器-调理器减少50％的凝结剂剂量；
4)没有正式的絮凝步骤且无需沉降；
5)快速工序—需要数分钟而不是数小时；
6)流动受控制的连续流动或间歇操作。
图8是由浓盐水产生氢氧化物沉淀物，以防止来自盐水浓缩物的多价金属产生的RO膜结垢。
系统800包括反渗透(RO)单元802，其接受RO进料水并最终输出产品水804。来自RO单元802的第二输出包括水流(含有盐水)，在提供给螺旋混合器-调理器808之前，向该水流注射沉淀剂806。液流进入聚集储罐810，使得沉淀物生长。一旦已进行足够的生长，将该液流提供给螺旋分离器812，该螺旋分离器进行螺旋分离以分离出沉淀物。流出液输出814(其中沉淀物被除去)可任选在再循环盐水回路816中再循环回RO单元802。来自螺旋分离器812的第二输出为具有沉淀物的废液流818。在一个实施方案中，RO进料水输入至系统800中的速率可通过箭头820表示的泵来控制。
该系统提供沉淀物的形成(例如，氢氧化镁)和所述沉淀物在RO工序期间从盐水浓缩物中的分离。该工序还关于从含盐水中除去二价金属离子。该方法包括以下特性：
1)为流体动力学分离而沉淀二价/三价金属离子；
2)使用螺旋混合器Ca(OH)2剂量的减少；
3)没有正式的絮凝步骤且无需沉降；
4)快速工序—数分钟规模；
5)流动受控制的连续流动或间歇操作。
图9是在两阶段沉淀和碳酸盐和氢氧化物沉淀物分离之后从海水或含盐水中凝聚、絮凝和分离所有其他悬浮物的示意图。
系统900包括输入过滤器902，在一个实施方案中，其可为具有100μm尺寸开孔的过滤器，用于在将液流输入至第一阶段螺旋分离器904之前除去大颗粒，其中第一阶段螺旋分离将分离出5-10μm尺寸的沉淀物。流出液输出906传送已除去低于5-10μm的已沉淀材料的流体流且所述流体流通过凝结剂注射装置908注射凝结剂。随后将该液流提供给类似于图6-7的螺旋混合器-调理器910和聚集储罐912，以处理直径低于5μm的颗粒或聚集体。来自第一阶段螺旋分离器904的第二输出提供沉淀物输出914。在一个实施方案中，沉淀剂(percipitator)输入至系统900中的速率可通过箭头924表示的泵来控制。
将来自聚集储罐912的输出输送至第二阶段螺旋分离器916，用于螺旋分离已絮凝的聚集体。第二阶段螺旋分离器916包括提供给RO进料水系统920的第一流出液输出918和作为输出废液流922的第二流出液输出。
该系统使用两阶段：(i)初始螺旋分离，用于沉淀物回收；和(ii)凝聚、絮凝、分离，用于预处理RO进料水。该方法包括以下特性：
1)快速提取5μm-10μm尺寸范围的沉淀物；
2)聚集亚微米有机/无机颗粒，用于流体动力学分离，以净化RO进料水；
3)与标准罐试验方案(即，快速混合2分钟，接着缓慢混合28分钟，并长时间沉降)相比，使用螺旋混合器-调理器减少50％的凝结剂剂量；
4)没有正式的絮凝步骤且无需沉降；
5)快速工序—数分钟而不是数天；
6)流动受控制的连续流动或间歇操作。
图10是从海水凝聚、絮凝和分离悬浮的有机物，以提供经净化的进料水用于膜蒸馏(MD)的示意图。MD使用在比热蒸馏更低的温度下加热的废液。
系统1000包括用于未加工的海水的两个过滤器输入，其中第一过滤器1002具有2-5mm滤筛，而第二过滤器1004具有100μm滤筛。将已过滤的水流提供给螺旋分离器1006，该螺旋分离器具有用于分离的10μm聚集体尺寸截流。第一流出液输出1008将具有除去聚集体的流出液提供给任选提供的过滤器1010，该过滤器将已过滤的水供应至MD水储罐1012。螺旋分离器1006的第二输出为用于输出海水的废液流1014。在一个实施方案中，未加工的海水输入至系统1000的速率可通过箭头1016表示的泵来控制。
该系统提供了用于膜蒸馏的预处理。该方法包括以下特性：
1)在未加工的海水中分离颗粒，小至10μm；
2)流动受控制的连续流动或间歇操作。
图11是两阶段分离的示意图；第一阶段为粗颗粒，之后将在上清液中的细颗粒凝聚、絮凝和分离成中等细尾料(例如尾料池水)。该应用适用于来自表面油提取(例如沥青砂)的污水。
系统1100包括过滤器1102，其可为100μm筛过滤器，用于过滤旋液分离器溢流水，使得将已过滤的水提供给第一阶段螺旋分离器1104。在一个实施方案中，第一阶段螺旋分离器用于聚集体分离的截留值可为5-10μm。第一细屑输出1106提供了含有细屑的液流，凝聚系统1108向该液流中注射凝结剂。将注射有凝结剂的液流提供给螺旋混合器-调理器1110，该螺旋混合器-调理器混合并调理所述液流，并将含有聚集的细屑的液流提供给聚集储罐1112保持长达4分钟。来自第一阶段螺旋分离器1104的第二输出提供含有粗尾料1114的水流。将来自聚集储罐1112的输出输送至第二螺旋分离器1116，所述第二螺旋分离器分离其余的絮凝物聚集体。最后，来自第二螺旋分离器1116的第一输出为再循环水储器1120提供澄清的流出液1118。第二输出1122提供浓缩的陈化细尾料(MFT)。在一个实施方案中，旋液分离器溢流水输入至系统1100中的速率可通过箭头1124表示的泵来控制。
该方法包括以下特性：
1)快速提取5-10μm尺寸范围内的沉淀物；
2)聚集亚微米的粘土颗粒，用于分离；
3)与标准罐试验方案(即，快速混合2分钟，接着缓慢混合28分钟，并长时间沉降)相比，使用螺旋混合器-调理器减少50％的凝结剂剂量；
4)没有正式的絮凝步骤且无需沉降；
5)快速工序—数分钟而不是数天；
6)流动受控制的连续流动或间歇操作。
图12是由污水中沉淀、聚集和分离二价金属离子的示意图。由地下提取1桶油可产生高达10桶污水。将污水运离钻探部位用于蒸发以及随后用新鲜的水替换的运输成本过高。示于图12的方法可现场处理且可进一步提高至产生适用于再注射和蒸汽产生的高品质水上清液。
系统1200包括第一输入过滤器1202，其可体现为100μm滤筛，该滤筛接受并过滤未加工的污水流，随后使用机构1204向所述污水流中注射氢氧化钙(Ca(OH)2)。将注射有Ca(OH)2的该水流提供给螺旋混合器-调理器1206，该螺旋混合器-调理器将所述材料混合，并将其传送至反应储罐1208，保持约1分钟的反应处理，以产生氢氧化镁(Mg(OH)2)沉淀物。随后，经由注射系统1210将碳酸钾(K2CO3)注射入所述水流。随后将该经处理的液流输送至第二螺旋混合器-调理器1212，在第二螺旋混合器-调理器中将所述液流混合、调理并输出至沉淀储罐1214，保持约1分钟，以沉淀碳酸钙(CaCO3)。随后，将沉淀流提供给螺旋分离器1216，该螺旋分离器分离出聚集体并产生流出液输出1218以及沉淀物输出1220。应指出的是，根据反应速率，在图12中的第一反应储罐可为非必要的。
在一个实施方案中，来自储罐1214的沉淀物流可经由回料路径1222将部分流作为回料提供给反应储罐1208的输入，其中，所述注射在第一螺旋混合器1206中螺旋混合之后发生。该回料引入沉淀物来“加晶种”并生长较大的沉淀物聚集体。
在一个实施方案中，通过经由注射机构1224注射氯化铁(FeCl3)可将来自沉淀储罐1214的流凝聚，随后第三螺旋混合器-调理器1226混合并调理经进一步注射的流。随后可将来自螺旋混合器-调理器1226的流动液流放置在聚集储罐1228中用于进一步生长，随后提供给螺旋分离器1216。在一个实施方案中，未加工的污水输入至系统1200中的速率可通过箭头1230表示的泵来控制。
该系统使用污水的在线沉淀、聚集和分离来除去二价离子。该方法包括以下特性：
1)沉淀氢氧化镁(Mg(OH)2)和碳酸钙(CaCO3)；
2)没有正式的絮凝步骤且无需沉降；
3)快速工序；
4)流动受控制的连续流动或间歇操作。
图13是海水中的悬浮有机物质的直接去除并将海水(废液)流倾泄回来源以不破坏生态学(其仍需要灭菌步骤)的示意图。
系统1300包括输入滤筛1302，其可为约50-100μm筛过滤器，以接受输入海水。将已过滤的海水提供给螺旋分离器1304，用于分离出残留在已过滤的海水流中的颗粒。将螺旋分离器1304的流出液输出1308提供给任选的过滤器1308，随后提供给压载水储罐1310。来自螺旋分离器1304的废液输出1312为废海水1314。在一个实施方案中，输入海水输入至系统1300的速率可通过箭头1316表示的泵来控制。
该系统使用截流尺寸分离技术提供压载水处理。该方法包括以下特性：
1)高生产量，连续流动分离；
2)减少任选的过滤器堵塞，其导致较低频率的反向冲洗—可将反向冲洗倾泄，而无需在输入口处理；
3)废液流直接倾卸，而无需在输入口处理。
图14是下述示意图：预处理未加工的输入海水或含盐水，以除去大多数悬浮的固体，随后将澄清的流出液送至压载水储罐(其仍需要灭菌步骤)。
系统1400包括第一输入过滤器1402，以过滤输入海水。在一个实施方案中，输入过滤器1402可体现为50-100μm过滤器筛。随后经由注射机构1404向该已过滤的液流注射凝结剂。随后将已注射的流提供给螺旋混合器-调理器1406，该螺旋混合器-调理器将已混合、调理的流输出至聚集储罐1408，用于另外的絮凝物生长。将来自聚集储罐1408的输出提供给螺旋分离器1410，该螺旋分离器根据所选的尺寸截留分离出聚集的絮凝物。来自螺旋分离器1410的流出液输出1412为提供给任选的过滤机构1414、提供给压载水储罐1416的流出液流。来自螺旋分离器1410的第二输出为废液输出1418，其为输出海水。在一个实施方案中，输入海水输入至系统1400的速率可通过箭头1420表示的泵来控制。
该方法包括以下特性：
1)聚集亚微米有机/无机颗粒，用于分离；
2)与标准罐试验方案(即，快速混合2分钟，接着缓慢混合28分钟，并长时间沉降)相比，使用螺旋混合器-调理器减少50％的凝结剂剂量；
3)没有正式的絮凝步骤且无需沉降。
图15是用于生物燃料生产、供料和在表面排放之前的精炼的废水的净化的藻类排水。藻类通常在非常稀的浓度下生长。通常通过离心、过滤或浮选实现排水、或收获和去除水。离心耗能高，过滤维修成本高，而浮选缓慢且需要大土地面积。
系统1500包括用于接受开放的水池水的双重筛输入。第一输入筛1502可体现为2-5mm尺寸，而第二输入筛1504可体现为100μm尺寸。将已过滤的水移动至第一阶段螺旋分离器1506，将包括浓缩的藻类的流动液流的第一输出1508提供给聚集储罐1510，用于聚集体藻类进一步生长。来自第一阶段螺旋分离器1506的第二输出为可经任选的回料路径1514提供给开放的水池的流出液输出1512。随后将来自聚集储罐1510的输出输送至第二阶段螺旋分离器1516，在这里将浓缩的聚集体(在该实施方案中，为藻类)在输出1518处输出。可选的输出为还可经任选的回料路径1514提供给开放的水池的流出液输出1520。在一个实施方案中，开放的水池水输入至系统1500中的速率可通过箭头1522表示的泵来控制。
该方法包括以下特性：
1)分离藻类；
2)90∶10分流的两阶段，以得到两个数量级的浓度；
3)分布式设备—单个装置处理4个水池，使排水最大化、泵送最小化并确保循环；
4)快速工序；
5)流动受控制的连续流动或间歇操作。
图16为可实现系统1500的结构的应用。具体而言，将具有多个输入的系统1500或多个系统1500包括于或通常提供给4个水池1602、1604、1606和1608。通过使系统1500位于相对于水池1602-1608为中心的位置，可完成有效收集聚集体(例如藻类形式)。
图17是在表面排放之前凝聚、絮凝和分离生产用水(例如葡萄洗涤水)或灰色洗涤水的示意图。废液流同时含有细菌和营养物，其可被引导至厌氧消化器以用于水和二氧化碳(CO2)的转化。
系统1700包括第一过滤器1702，该过滤器具有约2mm的过滤器开孔。过滤器1702将灰色洗涤水过滤至含有经由注射机构1704注射的凝结剂的液流。将含有已注射的凝结剂的液流提供给螺旋混合器1706，该螺旋混合器进而将已注射的凝结剂和已过滤的灰色洗涤水移动至聚集储罐1708，用于流中的絮凝物进一步生长。将来自聚集储罐1708的输出提供给螺旋分离器1710，其中螺旋分离进行小于约4分钟。螺旋分离器1710的输出为流出液输出1712，随后将该液流提供给任选的过滤器1714并储存于灰色水储器1716中。来自螺旋分离器1710的第二输出为废液输出1718。在一个实施方案中，灰色洗涤水输入至系统1700中的速率可通过箭头1720表示的泵来控制。
该系统提供用于例如葡萄洗涤水的在线凝聚、絮凝和螺旋分离。该方法包括以下特性：
1)聚集亚微米有机/无机颗粒，用于分离；
2)与标准罐试验方案(即，快速混合2分钟，接着缓慢混合28分钟，并长时间沉降)相比，使用螺旋混合器-调理器减少50％的凝结剂剂量；
3)没有正式的絮凝步骤且无需沉降；
4)快速工序—数分钟而不是数天；
5)流动受控制的连续流动或间歇操作。
图18是两阶段初始分离的示意图：第一阶段用于除去较大的碎屑，接着凝聚、絮凝和分离，以产生适用于表面排放的经处理的水。可将废液流引导至厌氧消化器，以产生水和CO2。该工艺可适用于具有极高丰度的亚微米碎屑的生产用水(例如棕榈油磨坊流出液)。
系统1800包括输入液流过滤器1802，其可为100μm筛，用于在将液流供应至第一阶段螺旋分离器1804之前过滤以筛滤棕榈油磨坊流出液(POME)，其中，第一阶段螺旋分离器分离5-10μm尺寸的聚集体。在螺旋混合器-调理器1810的入口之前，来自螺旋分离器1804的流出液输出1806具有经由注射机构1808注射的凝结剂。将螺旋混合器-调理器1810的输出提供给聚集储罐1812，使得絮凝物进一步生长(例如，保持约4分钟)。来自螺旋分离器1804的第二输出为废液输出1814。将来自聚集储罐1812的液流提供给第二螺旋分离器1816，其中聚集的絮凝物的分离操作保持约4分钟。来自螺旋分离器1816的流出液输出1818为葡萄水1820和废液输出1822。在一个实施方案中，棕榈油磨坊流出液输入至系统1800中的速率可通过箭头1824表示的泵来控制。
该系统运行两阶段：(i)初始螺旋分离；和(ii)POME的凝聚、絮凝和分离，以产生经处理的水。该方法包括以下特性：
1)初始分离在未加工的POME中的颗粒，小至5-10μm；
2)聚集亚微米有机/无机颗粒，用于分离以净化；
3)与标准罐试验方案(即，快速混合2分钟，接着缓慢混合28分钟，并长时间沉降)相比，使用螺旋混合器-调理器减少50％的凝结剂剂量；
4)没有正式的絮凝步骤且无需沉降；
5)快速工序—数分钟而不是数天；
6)流动受控制的连续流动或间歇操作。
图19是用于高级氧化技术紫外(UV)灭菌系统的容积分散的二氧化钛(TiO2)纳米颗粒的聚集和回收的示意图。在UV存在下TiO2的光催化活性有效破坏细胞膜。这是一种用于灭菌的可选的非化学方法，与将它们固定在流动导管的表面上相比，该方法对于容积分散的TiO2最有效。纳米颗粒小(通常为25nm)且回收是通过繁琐的过滤。
系统1900包括第一输入过滤器1902，其可为100μm输入筛，其被设置为从输入废水中筛滤颗粒。将来自输入筛1902的经过滤的输入废水通向高级氧化处理(AOT)系统1904。在将经pH调节的流提供给螺旋混合器-调理器1908之前，通过调节机构1906将来自AOT1904的输出流进行pH调节。在通过螺旋混合器-调理器1908混合之后，将该流提供给聚集储罐1910，用于聚集的材料进一步生长。将聚集储罐1910的输出提供给螺旋分离器1912，其中，螺旋分离器分离出TiO2聚集体。随后将来自螺旋分离器1912的除去聚集体的流出液输出1914通过过滤器1916，用于将该流的输出提供给灭菌水储罐1918。来自螺旋分离器1912的可选的输出为回收的TiO21920，并将其在AOT 1904的输入处作为TiO2注射1922输送回系统。在一个实施方案中，输入废水输入至系统1900的速率可通过箭头1924表示的泵来控制。
该方法包括以下特性：
1)高级氧化技术
●容积分散和回收TiO2
●流动通过UV反应器
2)螺旋装置
●螺旋混合器-调理器混合聚集剂
●螺旋分离器回收聚集的TiO2。
图20是废水处理的示意图，其中将悬浮的有机物(包括细菌和营养物)再循环回初级净化器。为了表面排放可将已净化的流出液流灭菌并处理。该系统提供用于废水处理的在线凝聚、絮凝和分离系统，代替沉降并显著降低淤渣微生物消化所需的时间之外的滞留时间。
系统2000包括输入过滤器2002，其可为100μm筛过滤器，设计该过滤器以用于接受来自来源的输入液流，该来源具有各阶段的流体，这些流体定义为淤渣2004、初级净化器2006和浮渣2008。通过输入过滤器筛2002(例如，100μm筛)过滤来自上述输入的流，随后向该已过滤的流经由凝结剂注射系统2010注射凝结剂。将已注射的流提供给螺旋混合器2012，并将混合流提供给聚集储罐2014，用于来自输入液流的聚集体的进一步絮凝物生长。将来自聚集储罐2014的输出提供给螺旋分离器2016，用于分离流内的絮凝物。随后，将流出液输出2018提供给任选的过滤器2020，并将该流储存于净化储罐2022。将来自螺旋分离器2016的废液输出2024经由回料路径2026提供给具有淤渣2004、初级净化器2006和浮渣2008的输入。在一个实施方案中，输入(2004、2006、2008)输入至系统2000的速率可通过箭头2028表示的泵来控制。
该方法包括以下特性：
1)聚集亚微米有机/无机颗粒，用于分离；
2)与标准罐试验方案(快速混合2分钟，接着缓慢混合28分钟，并长时间沉降)相比，使用螺旋混合器-调理器减少50％的凝结剂剂量；
3)没有正式的絮凝步骤且无需沉降；
4)快速工序、连续流动、占地面积小、低动力、低压力；
5)废液流再循环回初级净化器。
图21是废水处理的示意图，其中将废液流引导至厌氧消化器，以较快的速率产生水、CO2和甲烷。
系统2100与系统2000基本上相同。但是，不是将废液输出2024再循环回输入液流，而是提供厌氧消化器2102来接受废液流2024。该分离提供的浓缩提高了生物反应的速率和甲烷产生的速率。在一个实施方案中，输入(2004、2006、2008)输入至系统2100的速率可通过箭头2104表示的泵来控制。
该系统将浓缩的初级处理流出液提供给消化器，用于废水处理。该方法包括以下特性：
1)聚集亚微米有机/无机颗粒，用于分离；
2)与标准罐试验方案(即，快速混合2分钟，接着缓慢混合28分钟，并长时间沉降)相比，使用螺旋混合器-调理器减少50％的凝结剂剂量；
3)没有正式的絮凝步骤且无需沉降；
4)快速工序、连续流动、占地面积小、低动力、低压力；
5)废液流为送至厌氧消化器的浓缩的生物体和营养物。

Claims (4)

1.通过流体处理系统处理流体流的方法，所述方法包括：
向所述流体处理系统的输入部分输入流体流；
通过与所述输入部分可操作地连接地安置的螺旋混合器-调理器接受所述流体流，所述螺旋混合器-调理器混合并调理所述输入流；
在螺旋分离器接受已混合并调理的所述流体流；
将由所述螺旋分离器接受的已混合并调理的所述流体流分离成至少两股流体流，所述输入流体流中的颗粒被除去的第一流体流和所述输入流体流中的颗粒被浓缩的第二流体流；和
从所述螺旋分离器输出所述两股流体流。
2.权利要求1的方法，所述方法还包括利用所述螺旋混合器-调理器中的通道宽度和进入所述螺旋混合器-调理器的所述输入流的速度，以确定所述螺旋混合器-调理器中的定制的剪切速率。
3.通过流体处理系统处理流体流的方法，所述方法包括：
向所述流体处理系统的输入部分输入流体流；
通过与所述输入部分可操作地连接地安置的螺旋混合器-调理器接受所述流体流，所述螺旋混合器-调理器混合并调理所述输入流；
在螺旋分离器接受已混合并调理的所述流体流；
将由所述螺旋分离器接受的已混合并调理的所述流体流分离成两股流体流中的至少一股，所述输入流体流中的颗粒被除去的第一流体流和所述输入流体流中的颗粒被浓缩的第二流体流；和
从所述螺旋分离器输出所述两股流体流，其中在所述混合器部分中的所述输入流的流动等于或超过临界迪恩数150。
4.流体流处理系统，所述系统包括：
输入部分，其用于接受流体流；
螺旋混合器-调理器，其与所述输入部分可操作地连接地安置，以接受输入流体流，所述螺旋混合器-调理器包括混合器部分和调理器部分；
螺旋分离器设施，其与所述螺旋混合器-调理器可操作地连接地安置，以接受已混合并调理的所述流体流，所述螺旋分离器包括分离部分和设置为输出至少两股液流的输出部分，一股液流中来自所述输入流体流的颗粒通过所述分离部分除去，而第二液流中来自所述输入流体流的颗粒通过所述分离部分浓缩。
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