CN102149440A - 用于从液体介质中过滤材料的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

用于从介质中过滤材料的装置(40，200)包括：第一壳体(44，204)，该第一壳体具有壁，该壁上形成有多个开口；输送机(46，206)，该输送机设置在所述壳体(44，204)中，用于将所述介质供应到所述装置(40，200)。所述第一壳体(44，204)和所述输送机(46，206)中的至少一个相对于中心轴线旋转以朝向所述壁引导所述介质，从而使所述材料与所述介质分离。一种用于从介质中过滤材料的方法包括：将介质供应到第一壳体，使所述介质在所述壳体中旋转，使所述介质穿过所述壳体的壁以使所述材料与所述介质分离，使所述材料沿着所述壳体移动，将流体引入位于所述壳体中的所述材料中，以及使用该流体冲洗所述材料。

Description

用于从液体介质中过滤材料的装置和方法
相关申请的交叉参考
本申请要求2008年5月5日提出的序号为61/050350的美国临时专利申请的优先权，其公开的全部内容作为参考明确地结合于此。
技术领域
本发明涉及从液体介质中过滤材料，更具体地，涉及一种用于在例如谷物湿磨加工中从浆液(slurry)或其他液体介质中分离纤维的装置和方法。
背景技术
大范围的工业应用需要通过例如一些使用液体介质进行的过滤工序来将粒状材料(bulk material)分离或隔离为多个成分(constituent)部分。一旦过滤，粒状材料与液体介质的分离的成分和/或剩余物可以进一步被加工，从而产生一种或多种希望得到的产品。举例来说，用谷物生产醇类的多种方法可能需要从谷物的淀粉和/或其他成分中分离出来的纤维成分。例如，谷物湿磨加工将纤维从谷物的淀粉中分离，然后使用淀粉生产可以用于汽车或其他机动车的乙醇。将成分从液体介质中分离出来的过滤工序也是其他工业应用中的一个步骤。在这一点上，纸浆和造纸工业通常需要将纤维从纤维粒状材料中分离。在纺织品制造工业、化学工业(例如形成结晶)和其他领域中也存在这种过滤工序。
在谷物湿磨加工中，为了便于谷物的多种成分的分离，谷物与水混合以形成具有相对较高含水量(例如80％或者更高)的浆液。然后，将纤维从浆液中过滤出来(除了水之外，所述浆液包含谷物中的淀粉和麸质成分)，并且进一步加工浆液以生产乙醇。在谷物湿磨加工中，用于将纤维从含有淀粉的浆液中过滤出的传统装置可以包括压力筛装置和搅拌筛(paddle screen)装置。压力筛装置引导浆液在相对较高的流体压力下流过静止的(static)筛。所述静止的筛包括足够大的开口从而允许水、淀粉和麸质(任何小于开口的其他成分)流过筛，但是阻止纤维流过，因此基本上将纤维从浆液中过滤出来。搅拌筛装置包括旋转叶片并具有静止筒(stationary drum)，该静止筒包括用作筛的外壁。所述叶片的旋转将浆液朝向具有筛的外壁引导，并且挤压浆液从而迫使水、淀粉和麸质穿过筛，同时阻止纤维穿过。叶片相对于筒的运动使纤维从外壁松开，并减少对筛的开口的堵塞。
在开始从浆液中过滤纤维之后，一些淀粉和/或麸质可能仍然与纤维相连。因此，可能需要清洗纤维并从纤维上去除额外的淀粉和/或麸质。在这一点上，通常将纤维与液体介质(例如冲洗水)混合，并且引导回通过压力或搅拌筛装置，从而将纤维从冲洗水中分离，该冲洗水中包含从纤维上冲洗下来的额外的淀粉和/或麸质。传统系统可能包括多个冲洗步骤从而将淀粉和/或麸质从纤维上去除。例如，使用压力或搅拌筛装置的加工系统通常包括六个或七个这样的步骤。这些多种多样的步骤通常包括单独的专用设备，从而便于利用冲洗水冲洗纤维，该冲洗水随后被引导至压力筛或搅拌筛，以从压力筛或搅拌筛过滤纤维。
尽管这种系统出于其想要的目的运转，但是这些系统具有很多缺点。例如，这些系统中的纤维冲洗通常效率很低，因此需要相对大量的步骤。这反而会因为需要大量装置(也就是冲洗装置和/或用于过滤的压力/搅拌筛装置)而增加系统的成本，增加资本(catipal)和/或运营成本，并增加用于这些装置的维护成本。此外，相对大量的步骤在生产设备中也需要大量的地面空间，地面空间在多种工业应用中可能是十分需要的。此外，上述系统容易堵塞和产生大量不运转时间。例如，压力筛系统通常需要大约每运转8小时进行一次高压冲洗，从而充分地发挥作用。
因此，需要一种用于从浆液或其他液体介质中以更加高效的方法过滤材料(例如纤维)的改进装置和方法。
发明内容
为了解决传统过滤系统中的这些或其他缺点，在一个实施方式中，用于从介质中过滤材料的装置包括：第一壳体，该第一壳体具有至少一个壁，该至少一个壁上形成有多个开口；输送机，该输送机设置在所述第一壳体中，用于至少使所述材料沿着所述第一壳体移动；和至少一个导管线路(conduit line)，该至少一个导管线路与所述第一壳体的内部流体连通，以将所述介质供应到所述装置。所述第一壳体和所述输送机中的至少一个相对于中心轴线旋转，以朝向所述至少一个壁引导所述介质，从而从所述介质中分离所述材料。
第二壳体可以基本上围绕所述第一壳体设置，并适于收集穿过所述第一壳体的壁上的所述开口的介质。此外，所述第二壳体可以包括至少一个内部板(interior panel)，该至少一个内部板有效地将所述第二壳体划分为多个区域。在一个实施方式中，所述第一壳体包括基本上为锥形的第一部分(section)和直筒形的第二部分。在另一实施方式中，所述第一壳体还可以具有基本上为锥形的第三部分。所述第一部分和/或所述第三部分可以延伸所述第一壳体的大约10％至大约30％之间的长度。所述装置可以包括：电机，该电机可操作地连接到所述第一壳体以使所述第一壳体和所述输送机中的至少一个旋转；和控制器，该控制器可操作地连接到所述电机以控制所述第一壳体和所述输送机中的至少一个的旋转速度。所述装置还可以包括齿轮机构，该齿轮机构用于允许所述第一壳体以与所述输送机不同的旋转速度旋转。这些部件的旋转在所述第一壳体的壁上提供介于大约100G至4000G之间的G力。此外，所述装置的长径比可以介于大约1和大约10之间。
在一个实施方式中，所述输送机可以配置为螺旋推运器，该螺旋推运器具有第一端、第二端、在该第一端和第二端之间延伸的侧壁、和从该侧壁延伸的至少一个螺纹(helical thread)。在另一个实施方式中，该螺旋推运器包括多个螺纹，该多个螺纹延伸所述螺旋推运器的长度的至少一部分。此外，所述至少一个螺纹的螺距可以沿着所述螺旋推运器的长度变化。在另一个实施方式中，所述螺旋推运器的侧壁的至少一部分包括允许流体从通过的多个开口。
在根据本发明一个方面的另一个实施方式中，用于从介质中过滤材料并冲洗材料的装置包括具有至少第一区域和第二区域的单独的壳体(single housing)。所述第一区域用于从所述介质中分离所述材料，所述第二区域用于利用引入所述壳体的所述第二区域中的流体冲洗所述材料。所述装置还可以包括第三区域。该第三区域可以是用于利用引入所述第三区域中的流体冲洗所述材料的另一个冲洗区域；用于从所述材料去除额外流体的脱水区域；用于压缩所述材料(也就是因此获得更小的体积)并从中去除额外流体的压缩区域；和用于使用加热流体(例如空气)来气体干燥所述材料的干燥区域。
用于从介质中过滤材料的方法包括将所述介质供应到第一壳体，使所述介质在所述壳体中旋转，使所述介质穿过所述第一壳体的壁以从所述介质中分离所述材料，至少使所述材料沿着所述第一壳体移动，将流体引入位于所述第一壳体中的所述材料中，以及使用所述流体冲洗所述材料。该方法还可以包括收集穿过所述第一壳体的壁的所述介质。此外，引入所述第一壳体的所述流体可以从所述材料中过滤。
在一种配置中，提供了第二壳体，该第二壳体被划分为多个区域。第一区域至少包括供应步骤、旋转步骤和穿过步骤。第二区域至少包括引入步骤、冲洗步骤和过滤步骤。可以提供第三区域，该第三区域可以包括使所述材料脱水、压缩所述材料、和/或使用加热气体(例如空气)干燥所述材料。在一个实施方式中，所述引入步骤和所述冲洗步骤可以重复一次或多次。在这种实施方式中，可以使用逆流冲洗方法。在另一实施方式中，收集在所述第一壳体中的所述材料可以用作过滤器以从第二介质中分离第二材料(该第二材料可以与第一材料相同，但是具有例如更小的尺寸)。
在另一个实施方式中，用于从介质中处理材料的方法包括在单独的壳体中从所述介质中分离所述材料，并在所述壳体中冲洗所述材料。
附图说明
包含在说明书中并作为说明书的一部分的附图显示了本发明的实施方式，并与上文中给出的本发明的整体描述和下文给出本发明的详细描述一起用于解释本发明。
图1是显示用于生产乙醇(ethanol)的谷物湿磨加工的示例的流程图；
图2是根据本发明一个实施方式的过滤离心分离机的截面图；
图3是图2所示的过滤离心分离机的内壳体或转鼓(basket)的截面图；
图4是图2所示的过滤离心分离机的输送机的截面图；
图5是图2所示的过滤离心分离机一部分的放大视图；
图6是图2所示的过滤离心分离机一部分的放大视图，显示了预浓缩区域；
图7是图2所示的过滤离心分离机一部分的放大视图，显示了第一冲洗区域；
图8是图2所示的过滤离心分离机一部分的放大视图，显示了第二冲洗区域；和
图9是根据本发明另一实施方式的过滤离心分离机的截面图。
具体实施方式
实际上美国所有的燃料乙醇都是由湿磨加工或者干磨乙醇加工(dry grind ethanol process)生产的。尽管实际上任何类型和质量的谷物都可以用于生产乙醇，但是这些加工的原料通常为被称作“2号黄马齿玉米(No.2Yellow Dent Corn)”的玉米。“2号”指本领域公知的、具有由国家粮食检验协会(National Grain Inspection Association)所定义的特定特性的玉米的质量。“黄马齿”是本领域公知的一种特殊类型的玉米。高梁谷物也在非常小的范围内使用。一般而言，当前工业上干磨和湿磨设备的平均乙醇产量为每25.4千克(一(1)蒲式耳)2号黄马齿玉米大约生产10.2升(大约2.7加仑)乙醇。
玉米湿磨加工设备将玉米粒转化为多种副产品，例如胚芽(用于油萃取)，麸质饲料(高纤维动物饲料)，蛋白粉(gluten meal)(高蛋白动物饲料)和基于淀粉的制品例如乙醇、高果糖玉米糖浆(high fructose corn syrup)或食用淀粉和工业淀粉。图1是湿磨乙醇生产方法10的示例的流程图。该生产方法10从浸泡步骤12开始，在该浸泡步骤中玉米在水和二氧化硫的溶液中浸泡24至48小时从而为了将颗粒磨碎而使其软化，将可溶性成分溶滤到浸泡水中，并使具有胚乳的蛋白基质(protein matrix)松散。然后将浸泡的玉米和水的混合物供给到去芽破碎(degermination)碾磨步骤(第一碾磨)14，在该步骤中玉米以颗粒被撕开并将胚芽释放出来的方式磨碎。这一步骤之后是胚芽分离步骤16，该步骤通过浮选并使用水力旋流器(hydrocyclone)进行。
剩余的浆液现在不含有胚芽但是包含纤维、麸质(也就是蛋白质)和淀粉，然后使剩余的浆液经过细磨步骤(第二碾磨)18，在该步骤中进行彻底的胚芽破裂并使胚芽成分(也就是麸质和淀粉)与纤维分离。之后是纤维分离步骤20，在该步骤中，使浆液穿过一系列筛(screen)，从而使纤维与淀粉和麸质分离，并且使纤维上的麸质和淀粉冲洗干净。之后是麸质分离步骤22，在该步骤中，利用离心作用或水力旋流器将淀粉从麸质中分离。
然后，使生成的精制淀粉副产品进行喷煮(jet cooking)步骤24，从而使淀粉糊化(溶解)。喷煮指在提高的温度和压力下进行的糊化过程，尽管特定温度和压力可以大范围地变化。通常，喷煮在大约120至150℃(大约248至302°F)的温度和大约8.4至10.5kg/cm2(大约120至150lbs/in2)的压力下进行，然而当使用的压力为大约8.4kg/cm2(大约120lbs/in2)时，温度可以低至104至107℃(大约220至225°F)。这与非喷煮过程(non-jet cooking process)形成对比，该非喷煮过程指温度低于沸点的过程，例如大约90至95℃(大约194至203°F)或更低，低至大约80℃(176°F)。在这些低温下，可以使用外界环境大气压。
之后是液化步骤26，此时可以添加α-淀粉酶。当混合物或者“糊状物(mash)”保持在90至95℃下时发生液化，从而使α-淀粉酶将糊化的淀粉水解为麦芽糖糊精和低聚糖(葡萄糖分子链(chains of glucose sugar molecules))，以生产液化的糊状物或浆液。之后分别是糖化步骤28和发酵步骤30。在糖化步骤28中，液化的糊状物冷却至大约50℃并添加称为葡萄糖淀粉酶(gluco-amylase)的商品酶。该葡萄糖淀粉酶将麦芽糖糊精和短链低聚糖水解为单葡萄糖分子，从而生产液化的糊状物。在发酵步骤30中，添加普通的酵母品系(a common strain of yeast)(酿酒酵母(saccharomyces cerevisae))，从而将葡萄糖代谢为乙醇和CO2。糖化作用可以发生50至60小时。一旦完成，发酵糊状物(“啤酒(beer)”)会包含大约17％至18％的乙醇(容积/容积比)，加上来自于所有的剩余谷物成分的可溶的和不可溶的固体。酵母可以可选择地在酵母回收步骤32中回收。在一些实例中，CO2重新收集并作为商品出售。
在发酵步骤30之后是蒸馏和脱水步骤34，在该步骤中，啤酒泵送到蒸馏塔中，并在该蒸馏塔中煮沸以使乙醇蒸发。乙醇蒸汽在蒸馏塔中冷凝，液体醇(在本实例中为乙醇)以95％的纯度(190度)从蒸馏塔的顶端排出。然后190度的乙醇穿过分子筛脱水塔(molecular sieve dehydration column)，该分子筛脱水塔能够从乙醇中去除剩余的残留水，从而生产基本上为100％乙醇(199.5度)的最终产品。这种无水乙醇现在即可用作发动机燃料。在湿磨方法10中蒸馏和脱水步骤34之后产生的“釜馏物(stillage)”通常指“酒糟(whole stillage)”。可是，其他的湿磨生产可能会将这种类型的釜馏物称为“酒精废液(thin stillage)”。
如上所述，上述玉米湿磨方法10包括纤维分离步骤20，在该步骤中，纤维从浆液中过滤或分离。在根据本发明的实施方式中，用于实现从浆液中过滤纤维的装置在图2中显示。该装置(指过滤离心分离机40)是单独的自包含(self-contained)装置，该装置可以配置为执行浆液的初始过滤(有时指预浓缩)和纤维的冲洗，从而清洗纤维并去除在初始过滤或预浓缩之后仍然与纤维相连的额外的淀粉/麸质。
纤维的冲洗可以包括冲洗循环和随后的脱水循环，在冲洗循环中，纤维在冲洗水中混合和清洗，在脱水循环中，冲洗水与纤维分离。纤维的冲洗可以包括多个清洗/脱水循环。此外，可以应用逆流冲洗技术来节约冲洗水的使用。在冲洗纤维之后，但是在纤维离开离心分离机之前，可以使纤维经过增强脱水阶段、压缩阶段(compaction stage)和/或风干阶段(air dry stage)，从而使纤维进一步脱水或干燥。这可以节约干燥器的干燥能力(dryer capacity)或完全取消干燥器。参考图2，在本发明的一个实施方式中，过滤离心分离机40包括：外壳42；基本上呈筒形的内壳或转鼓(basket)44(过滤筛)，该内壳或转鼓44基本上设置在外壳42的内部；输送机(conveyor)46，该输送机46基本同轴地设置在转鼓44中；和多个导管线路48，该多个导管线路48基本上同轴地设置在输送机46中并用于接收经过的浆液和冲洗水。
外壳42包括第一端壁50、与第一端壁50相反并分隔开的第二端壁52、和连接第一端壁50和第二端壁52以限定内部56的至少一个侧壁54。外壳42可以具有任何适宜的形状。例如，在一个实施方式中，外壳42可以基本上为包括上侧壁部54a、下侧壁部54b、和上侧壁部54a与下侧壁部54b之间延伸的一对横向侧壁部54c(图2中显示了一个)。用于侧壁54的描述性术语“上”、“下”、和“横向”的使用都是用来便于描述过滤离心分离机40，不能解释为将离心分离机40限制为任意具体的方向。如图2所示，下侧壁部54b可以包括多个板，该多个板共同限定一个或多个(如图2所示为3个)漏斗形料斗(hopper)60a、60b、60c，每个料斗具有相应的出口62a、62b、62c。下面更详细地介绍，多料斗结构用于收集预浓缩阶段的浆液(去掉纤维)和冲洗阶段的冲洗水(如果使用了增强脱水阶段和压缩阶段的话，还用于收集来自于增强脱水阶段和压缩阶段的冲洗水)。多料斗结构还用于利用逆流冲洗水技术。
外壳42还包括一个或多个内部板64，该内部板64大致将过滤离心机40划分为多个区域66。下面举例并更详细地描述，板64可以大致限定预浓缩区域66a和一个或多个冲洗区域66b、66c(如图2所示为2个)。尽管图2显示了两个冲洗区域，但本领域普通技术人员能够理解冲洗区域的数量可以根据应用来确定。例如，在上述玉米湿磨过程中，考虑可以在过滤离心分离机中40包括1至6个冲洗区域，优选地为2至4个冲洗区域。可是，更多的区域也在本发明的范围之内。除了上述板64和相应的区域66之外，与外壳42的第二端52相邻的内部板68还限定出料槽70，该出料槽70包括用于接收由过滤离心分离机40处理的被过滤和冲洗的材料(例如纤维)。
如上所述，如图2和3所示，转鼓44设置在外壳42的内部56，并包括由第一轮毂(hub)76限定的第一端74，由第二轮毂80限定的第二端78，和在第一端74和第二端78之间延伸并与第一轮毂76和第二轮毂80连接的至少一个侧壁82。转鼓44可以具有任何适宜的形状，在一个实施方式中，转鼓44可以大致为圆筒形并且具有大致为圆形的横截面形状，该截面形状由转鼓直径Db来表征。在一个实施方式中，转鼓直径Db可以沿着转鼓44的长度基本上恒定(例如直圆筒体)(未图示)。
可是，在另一个实施方式中，转鼓直径Db可以沿着转鼓44的长度Lb的至少一个或多个部分变化。通过示例的方式，并且如图3所示，转鼓44可以包括临近转鼓44的第一端74的第一转鼓体部分86。第一转鼓部分86包括在从第一端74朝向第二端78的方向上的大致向外呈锥形(tappered)(也就是扩张(diverging))或圆锥形结构。第一转鼓部分86可以后接基本设置为直圆筒形的第二转鼓体部分88。第一转鼓体部分86(例如锥形部分)可以延伸转鼓44的长度的0％至100％。可是，在一个实施方式中，第一转鼓体部分86延伸转鼓44的长度Lb的大约10％至大约30％，并且可以基本上与过滤离心分离机40(图1)的预浓缩区域66a的长度相应。第一转鼓体部分86的锥角的选择可以基于特定应用和/或其他因素，包括例如用水通过侧壁82去除的纤维或成分的所需的饼厚(cake thickness)或者其他所需的方面。
转鼓44的侧壁82可以设置为筛，从而将需要的材料从液体介质中分离或过滤出来。例如，为了从初始的浆液或冲洗水(根据具体的区域)中分离或过滤纤维，转鼓44的侧壁82可以设置为筛，该筛适用于允许浆液(去掉纤维)和冲洗水(和任何从纤维上洗掉的淀粉和/或麸质)通过所述筛并同时防止纤维通过。为了这个目的，筛状侧壁82可以具有多种结构。例如，在一种实施方式中，侧壁82可以基本上为实心件(solid)，该实心件中形成有多个孔或小窗，该孔或小窗的尺寸使得能够实现所需材料的过滤。在另一个实施方式中，筛状侧壁82可以由限定了多个开口的缠绕的楔形线(wrapped wedge wire)形成。在还另一个实施方式中，筛状侧壁82可以为格筛(barscreen)、薄金属筛(例如网筛)、或者具有金属加强设计的滤布。本领域技术人员能够根据本发明的实施方式想到能够使用的其他类型的筛。筛状侧壁82上的开口可以根据具体应用和被过滤材料的类型而变化。例如，对于纤维过滤，可以考虑将侧壁82上的开口的尺寸设置为大约35微米至大约1500微米。这些值是例举的，并且本领域技术人员能够知道如何确定开口的尺寸以实现所需材料的过滤。
在根据多种实施方式的一个方面，转鼓44设置为绕着中心轴线90旋转，从而朝向转鼓44的侧壁82驱动液体介质。例如，转鼓44的旋转产生离心力，该离心力朝向筛状外侧壁82驱动浆液或纤维/冲洗水混合物(根据沿着过滤离心分离机40的阶段)。这个力主要相对于筛挤压浆液或纤维/冲洗水混合物，从而在捕捉纤维的同时允许液体介质(和任何较小的成分)穿过筛。连接到筛状侧壁82上的第一轮毂76和第二轮毂78设置为便于使转鼓44在外壳42中旋转。就这一点而言，第一轮毂76包括：延伸部92，该延伸部延伸穿过外壳42的第一端壁50上的开口94(图2)；和凸缘部96，该凸缘部96连接到侧壁82。正如本领域所公知的，第一轮毂76可以包括多种密封件、轴承、和/或其他使得第一轮毂76能够相对于外壳42的端壁50上的开口94旋转的连接件。下面将更加详细地说明，第一轮毂76也相对于在转鼓44中延伸或延伸至转鼓44中的输送机46和导管线路48旋转(图2)。本领域技术人员也能够想到允许上述这种相对旋转的传统构件(例如密封件、轴承、连接件等)。
以类似的方式，第二轮毂80包括：延长部98，该延长部98延伸穿过外壳42的第二端壁52上的开口100(图2)；和凸缘部102，该凸缘部102连接到侧壁82。正如本领域所公知的，第二轮毂80可以包括多种密封件、轴承、和/或其他允许第二轮毂80相对于外壳42的端壁52上的开口100旋转的连接件。下面将更加详细地说明，第二轮毂80也相对于在转鼓44中延伸的输送机46旋转(图2)。本领域技术人员也能够想到允许上述这种相对旋转的传统构件(例如密封件、轴承、连接件等)。如图3所示，第二轮毂80的凸缘部102包括连接在侧壁82和第二轮毂80之间的连接件(coupling)，该第二轮毂80具有多个周向间隔的腿106，该间隔的腿106之间限定有开口(未显示)。该开口允许退出上一个冲洗阶段(例如图2中的冲洗区域66c(或者增强脱水阶段，压缩阶段，风干阶段，或者其他临近槽70的阶段))的经过滤的材料流入槽70，并穿过出口72，材料可以在该出口被收集以用于进一步加工。
参考图2，转鼓44的旋转可以通过适当的电机或者其他动力产生装置实现。通过示例的方式，第二轮毂80可以可操作地连接到(示意性的在110处表示的)电机，从而使第二轮毂80绕着中心轴线90旋转，并因此导致转鼓44绕着中心轴线90旋转。例如，适当的皮带(未图示)可以将电机110连接到过滤离心分离机40的皮带轮111，从而使转鼓44旋转。在一个实施方式中，电机110可以连接到控制器(例如计算机，并示意性的在112处表示)，用于控制转鼓44的旋转速度。这种控制器112通常为本领域技术人员所公知。因此，转鼓44的旋转速度可以根据特殊应用而选择性地变化。在一个实施方式中，转鼓44可以以在转鼓44的侧壁82上产生大约100G至4000G(可以根据转鼓直径，被过滤材料类型等)的力G的速度旋转(例如，每分钟转数)。在一个实施方式中，例如用于玉米湿磨加工，转鼓44可以以侧壁82上产生大约300G至1200G的力的速度旋转。这些值与通常分别具有最大G力为45G和200G的传统压力筛和搅拌筛装置形成对比。本领域的技术人员能够理解这些值是示例性的，可以选择和优化速度，从而适应特殊应用的需要。
在多种实施方式的另一个方面，过滤离心分离机运行的长径(L/D)比目前为止在工业上还没有被使用或认识。例如，由于多种设计限制和大多数应用为对介质脱水，因而传统系统通常具有小于2(通常小于1.2)的L/D比。与传统系统相比，过滤离心分离机40可以包括预浓缩区域、一个或多个冲洗区域和可能的其他区域(例如，脱水、压缩、风干等)，该过滤离心分离机40可以具有大于2的L/D比。在一个实施方式中，过滤离心分离机40可以具有介于大约2和10之间的L/D比，更优选地介于4和6之间。这些值是示例性的，本领域技术人员能够想到适用于特殊应用的其他比值。
可以通过使用相对较小的转鼓直径Db(例如，像沿着第二转鼓部分88的最大值)和相对较大的转鼓长度Lb来获得相对较大的L/D比。通过示例的方式，转鼓直径Db的最大值可以介于大约100mm和1500mm之间，更具体的，介于大约200mm和大约1000mm之间。过滤离心分离机40的相对较小的转鼓直径Db在筛状侧壁82将提供更高的G力施加于液体介质(例如浆液或纤维/冲洗水混合物)，并因此允许更大量的液体从被过滤材料(filtered material)中去除，以产生较干的产品。例如，可以预见到，通过出料槽70离开过滤离心分离机40的纤维材料中的水可以介于大约55％至75％之间。水的该浓缩范围表现出了超出传统系统(例如，压力筛装置和搅拌筛装置)的重要进步，传统系统通常提供大约80％至大约92％的水。此外，过滤离心分离机40的相对较大的转鼓长度Lb使每过滤面积的成本较低。例如，使转鼓直径Db加倍，可以估算成本增加5至7倍。可是，使转鼓的长度Lb加倍，可以估算成本增加大约50％至70％。因此，对于相同的过滤区域，具有相对较小的转鼓直径Db和相对较长的转鼓长度Lb的成本效率更高。这种布置也会导致在转鼓44的侧壁82上产生更高的G力。
在多种实施方式的另一方面，过滤离心分离机40还包括输送机46，该输送机46用于使液体介质中的材料从转鼓44的第一端74向转鼓44的第二端78移动或形成涡流(scrolling)并保持筛状侧壁82处的过滤区域清洁。如图2和图4所示，在一个实施方式中，输送机46通常可以设置为同轴布置于转鼓44内的螺旋体(screw)或螺旋推运器114(auger)。螺旋推运器114包括由第一轮毂118限定的第一端116，由第二轮毂122限定的第二端120，和在第一端116和第二端120之间延伸并连接到第一轮毂118和第二轮毂122的至少一个侧壁124。螺旋推运器114的第一轮毂118和第二轮毂122可以可操作地连接到转鼓44的第一轮毂76和第二轮毂80。通过示例的方式，转鼓44的第一轮毂76和第二轮毂80可以分别包括用于将螺旋推运器114的第一轮毂118和第二轮毂122容纳在其中的空腔126、128(图3)。螺旋推运器114可以具有任意适当的形状，在一个实施方式中，螺旋推运器114基本为圆筒形并且具有大致为圆形的横截面形状，其特征为螺旋推运器直径Da。在一个实施方式中，螺旋推运器直径Da可以沿着螺旋推运器114的长度基本恒定。可是，在一个替代实施方式中，螺旋推运器直径Da可以沿着螺旋推运器114的长度变化，例如通过具有大致为圆锥形(未图示)来使推运器直径Da沿着螺旋推运器114的长度变化。正如本领域技术人员所知道的，也可以应用其他结构。
为了便于使所需的被过滤材料(例如纤维)沿着过滤离心分离机40运动，螺旋推运器114可以包括至少一个大致径向延伸的螺纹130，该螺纹130从螺旋推运器114的侧壁124突出。螺纹130包括外边缘132，该外边缘132设置为紧邻转鼓44的侧壁82的内表面(图2)。例如，在螺纹130的外边缘132和转鼓44的侧壁82之间可以存在小缝隙(大约0.3mm-2.0mm)，从而适于例如二者之间的相对运动，并且另外的效果就是保持筛状侧壁82处的过滤区域清洁。下面更加详细地进行说明，限定在螺旋推运器114和转鼓44之间并被螺纹130占据的基本为环形的间隔134(图2)在材料(例如纤维)过滤过程中为液体介质(例如浆液或冲洗水)提供流体流动通道。因此，环形的间隔134的尺寸必须与过滤离心分离机40的设计通过量相适应。在一个示例性的实施方式中，例如，螺旋推运器114可以具有介于大约0.4Db和0.8Db之间的螺旋推运器直径Da，并且螺旋推运器114和转鼓44之间的距离(大约等于螺纹130的高度)介于大约0.01Db和0.4Db之间。这些值是示例性的，本领域的技术人员可以很容易地确定用于特殊应用的螺旋推运器直径Da和/或螺旋推运器114和转鼓44之间的径向间隔。
在一个实施方式中，如图4和图5所示，螺旋推运器114可以具有多阶(multi-flight)结构(例如，具有多个沿螺旋推运器114的长度的至少一部分延伸的螺旋状螺纹)。通过示例的方式，螺旋推运器114可以包括2至6个阶段(flight)，更优选地为沿螺旋推运器的长度的至少一部分具有3至4个阶段(图示为4个)。在一个实施方式中，虽然每个阶段130a、130b、130c、130d可以延伸螺旋推运器114的全长，但这些阶段中的一个或多个可以延伸少于螺旋推运器114的全长。更具体地，在一个示例性实施方式中，螺纹130a、130b、130c、130d的多阶结构可以沿着螺旋推运器114的相应于预浓缩区域66a的长度延伸，只有螺纹中的一个(例如130a)可以在这之后沿着冲洗区域66b、66c延伸。在这一点上，可以相信，螺纹130的多阶结构在预浓缩区域66a中至少部分有效地增强了从液体介质中过滤材料的效果，并同时防止转鼓44堵塞。本领域技术人员可以认识到便于使材料穿过过滤离心分离机40以适应特殊应用的需要的螺纹130的其他结构，并且本发明不限于如图5所示的特殊结构。例如，螺旋推运器114可以具有单阶结构，例如图10所示。
除了螺旋推运器114上的螺纹130的多阶结构之外，允许螺旋推运器114配置为用于特殊应用的另一个可变化的设计是螺纹130的沿着螺旋推运器114长度的螺距P(图4)。在一个实施方式中，例如，螺距P可以沿着螺旋推运器114的长度变化。更具体地，在一个示例性实施方式中，螺纹130的螺距P在预浓缩区域66a中可以相对较大(例如介于0.1Db和0.6Db之间)，并在冲洗区域66b、66c减小。例如，冲洗区域66b、66c中的螺距可以介于0.1Db和0.4Db之间。在这一点上，可以相信螺纹130在预浓缩区域66a中相对较大的螺距的结构至少部分有效地增强了从液体介质中过滤材料的效果，并同时防止转鼓44堵塞。本领域的技术人员能够认识到便于使材料穿过过滤离心分离机40以适应特殊应用的需要的螺纹130的其他可变化的螺距结构，本发明并不限于如图4和图5所示的特殊螺距结构。例如，螺距P可以沿着螺旋推运器114的长度相对恒定。
在根据多种实施方式的另一个方面，螺旋推运器114适于绕中心轴线90旋转。螺旋推运器114的旋转导致螺纹130旋转，从而使被过滤材料(例如纤维)向过滤离心分离机40的下方移动。连接到螺旋推运器114的侧壁124的第一轮毂118和第二轮毂122的结构设置为便于使螺旋推运器114在转鼓44中旋转。在这一点上，第一轮毂118包括延伸到转鼓44的第一轮毂76的空腔126中的延伸部136，和连接到侧壁124的凸缘部138。正如本领域所公知的，第一轮毂118可以包括多种密封件、轴承、和/或允许第一轮毂118相对于转鼓44的第一轮毂76旋转的其他连接件。螺旋推运器114的第一轮毂118也相对于在螺旋推运器114内部延伸的导管线路48旋转。本领域技术人员会认识到允许它们之间的这种相对运动的传统部件(例如密封件、轴承、连接件等)。
以类似的方式，第二轮毂122包括延伸到转鼓44的第二轮毂80的空腔128中的延伸部140(图1)，和连接到侧壁124的凸缘部142。正如本领域所公知地，第二轮毂122可以包括多种密封件、轴承、和/或允许第二轮毂122相对于转鼓44的第二轮毂80的旋转的其他连接件。因为可能没有导管线路穿过第二轮毂122延伸，所以该轮毂可以具有封闭结构(图4)。
可以通过适当的电机或者其他动力产生装置实现螺旋推运器114的旋转。例如，第一轮毂118和第二轮毂122中的一个能够可操作地连接到电机，从而使螺旋推运器114围绕中心轴线90旋转(未图示)。在一个示例性的实施方式中，如图2所示意性地显示，尽管使螺旋推运器114旋转地电机可以与使转鼓44旋转的电机110分离，但电机110也可以用于使螺旋推运器114旋转。本领域的技术人员会认识到，如果将用于使转鼓44和螺旋推运器114旋转的电机分离，这些电机可以通过相同的控制器(例如控制器112)或者通过单独的控制器(未图示)来控制。
在图2所示的实施方式中，相同的电机110和控制器112用于提供和控制转鼓44和螺旋推运器114的速度。在一个示例性实施方式中，尽管过滤离心分离机40可以设置为使转鼓44和螺旋推运器114以相同的速度旋转，但转鼓44和螺旋推运器114可以设置为以不同的速度旋转。在这一点上，过滤离心分离机40可以包括齿轮箱(以144示意性地显示)，以在转鼓44和螺旋推运器114之间提供不同的旋转速度。这种齿轮箱144及其内部部件为本领域公知，此处省略了对其的细节描述。例如，在一个实施方式中，齿轮箱144可以设置为相对于转鼓44降低螺旋推运器114的旋转速度。可替代地，齿轮箱144的可以设置为相对于转鼓44增加螺旋推运器114的旋转速度。
齿轮箱144可以可操作地连接到控制器112以控制旋转速度的差速(图2中示意性地显示)。例如，齿轮箱144可以连接到控制转鼓44和螺旋推运器114之间的差动旋转速度的小电机(未图示)，该小电机可操作地连接到控制器112。在一个实施方式中，齿轮箱144的结构设置为使得转鼓44和螺旋推运器114之间的差动旋转速度介于0和大约200rpm之间。这个范围是示例性的，并且取决于齿轮箱144的结构，本领域的技术人员能够认识到这个范围能够调整从而适应特殊应用。本领域的技术人员还能够想到其他用于在转鼓44和螺旋推运器114之间产生差动速度的公知设备，包括例如多种齿轮减速装置和液压传动(hydraulic drive)。
过滤离心分离机40包括多个基本同轴的导管线路48，该多个导管线路48基本同轴地设置在螺旋推运器114中，以将液体介质(例如浆液和冲洗水)供应给离心分离机40。导管线路48的数量通常与过滤离心分离机40中的区域66的数量相对应。通过示例的方式，如图2和4所示，过滤离心分离机40包括一个预浓缩区域66a和两个冲洗区域6b、66c。因此，流体导管线路48包括一个浆液供应线路48a和两个冲洗水供应线路48b、48c。浆液供应线路48a包括用于接收浆液的入口146(图1和图6)，和设置在过滤离心机40的预浓缩区域66a并位于螺旋推运器114中的出口148。以相似的方式，第一冲洗水供应线路48b包括用于接收冲洗水的入口150(图1和图6)，和设置在第一冲洗区域66b并位于螺旋推运器114中的出口152。第二冲洗水供应线路48c包括用于接收冲洗水的入口154(图1和图6)，和设置在第二冲洗区域66c并位于螺旋推运器114中的出口156。
现在介绍过滤离心分离机40的操作。为了便于理解本发明的各个方面，在玉米湿磨加工中的纤维过滤情况下介绍过滤离心分离机40的操作。可是，可以理解的是，过滤离心分离机40可以用于较宽的应用范围，并不限于用于此处描述的玉米湿磨加工。启动电机110以使转鼓44和螺旋推运器114以设计的速度开始旋转，如上所述。如图6中最佳地显示，浆液供应到浆液导管48a的入口146，从而流经出口148并进入位于螺旋推运器114内的腔室158，并基本上与预浓缩区域66a相关。腔室158包括基本为锥形的引导件160，该引导件160将浆液引导至螺旋推运器114和转鼓44之间的环形间隔134中。在这一点上，螺旋推运器114可以包括至少一个开口162(图示了两个)，该开口提供腔室158和环形间隔134之间的流体连通。由于螺旋推运器114旋转和所导致的螺纹130的运动，浆液沿着预浓缩区域66a的长度移动，并且将纤维从浆液中过滤出来，这是通过允许水、淀粉、麸质、和浆液中其他可能的相对较小的成分穿过转鼓44的筛状侧壁82并排入料斗60a，同时使纤维和浆液中可能尺寸相对较大的成分保留在转鼓44中来实现的。
由于导管线路48和螺旋推运器114之间的相对旋转，纤维可能通过螺旋推运器114内部的锥形导向件160并进入冲洗区域66b、66c。为了防止或减少这种情况的可能性，过滤离心分离机40可以包括围绕导向件160的端部设置的泄露腔室164。腔室164可以由位于腔室164一端的挡板168和位于腔室164的相反端的封闭板(closed web)170限定并在导向件160和螺旋推运器114之间延伸。螺旋推运器114可以包括至少一个开口172(图示了2个)，该开口提供泄露腔室164和环形间隔134之间的流体连通。因此，如果有纤维经过导向件160的端部泄露并进入到泄露腔室164中，则纤维将会流经开口172并流入环形间隔134中。通过这种方式，纤维等穿过挡板168的可能性会大大减少。下面更详细地说明，冲洗区域66b、66c中的纤维是不合需要的，因为可能堵塞在这些区域中使用的喷嘴。
在预浓缩区域66a的端部，纤维充分地浓缩从而允许纤维被冲洗。例如，在一个实施方式中，在预浓缩区域66a的端部，纤维中的水大约介于55％和75％之间。在这种明显低于传统装置的浓缩级别中，纤维可以更加有效地被冲洗，以去除在初始预浓缩区域66a(例如使用置换冲洗技术)之后仍然与纤维相连的额外的淀粉和/或麸质。为此目的，螺纹推运器114的螺纹130使纤维沿着过滤离心分离机40的长度移动并将纤维移动到第一冲洗区域66b(图1)。参考图2、图6和图7，冲洗水供应到第一水导管48b，从而流过出口152并流入基本与第一冲洗区域66b相关(associate with)的腔室174。腔室174在一侧由挡板168限制，并在相反侧由锥形构件176限制，该锥形构件176包括与导管线路48相邻的端部。腔室174还可以包括在腔室174内支撑水导管线路48b、48c的支撑构件180。
第一冲洗区域66b包括至少一个清洗阶段181a和至少一个脱水阶段181b。例如，如图7所示，第一冲洗区域66b包括两个清洗/脱水循环。这是示例性的，并且本领域技术人员能够认识到清洗/脱水循环的数量可以根据具体应用而变化。在清洗阶段181a，冲洗水被添加到纤维以去除与纤维相连的额外的淀粉和/或麸质。脱水阶段181b通过去除冲洗水和从纤维上冲洗下来的所有淀粉/麸质而将纤维分离。
在这一点上，在清洗阶段181a，冲洗水从导管线路48b流入腔室174，然后通过至少一个(并且优选为多个)喷嘴182注入环形间隔134。在一个实施方式中，例如，喷嘴182可以在固定的轴向位置上围绕螺旋推运器114周向地间隔(例如以环形结构的形式)。喷嘴182可能容易被纤维堵塞，至少因为这个原因在腔室174中不希望出现纤维。注入位于冲洗区域66b中的环形间隔134中的冲洗水有效地冲洗纤维。此外，通过使纤维/冲洗水混合物经过脱水阶段181b而使纤维从冲洗水中过滤出来。这允许冲洗水和任何额外的淀粉和/或麸质穿过转鼓44的筛状侧壁82，并排入料斗60b中，同时使纤维保留在转鼓44中。如上所述，纤维在第一冲洗区域66b中进行第二清洗/脱水循环181a、181b。在第一冲洗区域66b的端部，纤维被冲洗和过滤(例如两次)，从而可以具有与预浓缩区域66a基本相同的水浓度(例如，介于大约55％和大约75％之间)。根据添加到第一冲洗区域66b中的水的量和过滤离心分离机40的具体结构，可以进一步地在减少纤维的水浓度的同时提供有效的冲洗。
在第一冲洗区域66b之后，螺旋推运器114的螺纹130继续使纤维沿着过滤离心分离机40的长度移动，并使纤维进入具有清洗/脱水阶段189a、189b的第二冲洗区域66c。参考图2和图6至图8，冲洗水供应到第二水导管48c的入口154，从而流经出口156并流入基本与第二冲洗区域66c相连的腔室184。腔室184在一侧由锥形构件176限制，并在相反侧由板186限制。冲洗水从导管线路48c流入腔室184，然后通过至少一个(优选为多个)喷嘴188注入环形间隔134，该喷嘴可以与喷嘴182相似。注入位于冲洗区域66c中的环形间隔134中的冲洗水有效地冲洗纤维。此外，通过使纤维/冲洗水混合物移动穿过脱水阶段189b而使纤维从冲洗水中过滤出来。这允许冲洗水和所有额外的淀粉和/或麸质穿过转鼓44的筛状侧壁82并排入料斗60c，同时使纤维保留在转鼓44中。如上所述，纤维在第二冲洗区域66c中经历第二清洗/脱水循环189a、189b。在第二冲洗区域66c的端部，纤维被冲洗和过滤，从而使纤维具有与浓缩区域66a的端部基本相同的水浓度。可是，如上所述，可以减少在第二冲洗区域66c中的水浓度。
被冲洗和过滤的纤维临近转鼓44的第二端78离开并流入出料槽70并流到出口72。当纤维离开槽70时，纤维可以运送到距离较远的地点，并且还进一步加工以产生需要的产品。此外，在预浓缩区域66a中穿过筛状侧壁82的浆液，还有在冲洗区域66b、66c穿过筛状侧壁82的冲洗水、淀粉和/或麸质也可以被进一步加工，例如根据上述的玉米湿磨加工。
在根据多种实施方式的一个方面中，用于冲洗区域66b、66c的冲洗水可以应用逆流冲洗方法。例如，清洁的冲洗水可以通过第二水导管48c的入口154供应到最后一个冲洗区域66c。由料斗60c收集的冲洗水可以包括水、淀粉、和/或麸质，该冲洗水然后被引导穿过出口62c并供应到第一水导管48b的入口150。这些使用过一次的冲洗水然后用于在第一冲洗区域66a中冲洗纤维。被料斗60b收集的冲洗水然后可以与料斗60a收集的浆液(去掉收集的纤维)合并，并传递到例如玉米湿磨加工的下一个步骤。本领域的技术人员能够认识到当过滤离心分离机40中具有额外的冲洗区域或其他区域时如何实现逆流冲洗方法。
在根据多种实施方式的另一方面，过滤离心分离机40可以设置为包括吹气区域。这种吹气区域还能适于通过向纤维吹送热空气(或其他适当流体)而进一步干燥纤维(例如，减少纤维的水浓度)。在这一点上，热空气源可以与邻近转鼓44的第二端78的环形间隔134流体连通，例如利用适当的导管。热空气可以通过例如过滤离心分离机40的第二端供应到过滤离心分离机40。热空气可以在例如最后一个冲洗区域66c的脱水阶段中引入纤维。可替代地，为了使用热空气或其他适当流体干燥纤维，可以对过滤离心分离机40添加单独的阶段。
在根据多个实施方式的另一方面中，过滤离心分离机40可以包括可调节的刷子(brush)组件，该刷子组件用于提高过滤速率和使沿转鼓44的筛状侧壁82的过滤表面再生。在这一点上，螺旋推运器114，更具体地是螺纹130的外边缘132可以包括用于沿着转鼓44的筛状侧壁82清扫的刷子(未图示)。例如，当被过滤材料的尺寸大约与螺纹130的外边缘132和转鼓44的侧壁82的内表面之间的缝隙尺寸相当时可以使用所述刷子。在这个应用中，刷子可以延伸穿过所述缝隙，从而使材料从筛状侧壁82松脱下来，并因此防止或减少堵塞，并便于材料沿着离心分离机运动。
如上所述，相对于当前的过滤系统，过滤离心分离机40提供了很多优势。过滤离心分离机40的多种特征最终产生了在工业中还没有被完全理解的综合效应。过滤离心分离机40的特征包括例如：螺旋推运器114的螺纹130的多阶设计，预浓缩区域66a中的转鼓44的锥形，离心分离机能够以其运转的相对较大的L/D比，和/或其他使得过滤离心分离机具有改进的、更紧凑的设计。在这一点上，一个或多个特征允许过滤离心分离机40为单独的自包含装置，该装置执行液体介质的初始过滤从而去除需要的被过滤材料，并冲洗材料从而从该材料上去除额外的成分，例如额外的淀粉和/或麸质等。
迄今为止，这种过滤和冲洗已经通过依次连接的多个独立的专用装置来实现。此外，过滤离心分离机40的一个或多个特征提供有效的冲洗区域，从而使冲洗区域的数量可以相对于传统装置减少。在这一点上，过滤离心分离机40使用置换冲洗技术(displacement washing technique)，其中具有相对较高的成分浓度的冲洗水被具有较低成分浓度的冲洗水替换。这与传统过滤系统相对比，传统过滤系统使用稀释冲洗技术(dilution washing technique)，其中材料在没有替换的水中清洗。结果，水的成分可能变得饱和，从而进一步从被过滤材料中去除成分变得最小。因此，过滤离心分离机40在预浓缩区域66a中的更有效地“干燥”的能力(也就是减少被过滤材料中的水浓度)允许使用这种置换冲洗技术。如果被过滤材料中的水浓度过高(和在传统系统中一样)，置换冲洗技术可能不是有利的，则应用效率较低的稀释冲洗技术。除了上述之外，由于多个装置的功能合并到单独的装置中，并且由于更有效地处理被过滤材料的冲洗，过滤离心分离机40的结构可以更加紧凑，因此在生产设备中以更加有效地方式使用占地面积。此外，这种设计还可以减少装置、劳动的资本成本和维持装置的相关成本，以及运转成本(例如，使用较少的水等)。
此外，过滤离心分离机40的一个或多个特征允许被过滤材料以与现有过滤系统相比“更干燥”的状态离开离心分离机。例如，过滤离心分离机40可以提供的被过滤材料的水浓度介于大约55％和大约75％之间，该水浓度与传统过滤系统相比大大降低。提供更干燥的产品可以产生额外的好处。例如，在很多情况下，在玉米湿磨过程中，在过滤系统中收集的纤维还要通过引导纤维经过压力以从纤维中挤压出多余的水，然后将纤维引导经过干燥器来进行进一步加工。各种挤压纤维的装置很昂贵，并且维持和运转的费用也很高。此外，与干燥器的运转相关的能量花费也很大。通过从过滤离心分离机40中提供更干状态下的纤维，能够从纤维的后续处理中省略挤压。此外，关于干燥步骤，只通过对材料的水浓度进行相对较小的改变就能实现显著的能量节约。可选择地，根据应用，干燥步骤可以在纤维的后续处理中省略。因此，过滤离心分离机40提供干燥材料的能力可以允许制造者放弃或减少与这些后续处理步骤相关的花费。
此外，一个或多个特征导致过滤离心分离机40的使用灵活并且耐用。例如，过滤离心分离机40能够有效地运行较宽范围的操作参数。例如，过滤离心分离机40能够有效地用于较大范围的被过滤材料(例如纤维)，较大范围的材料尺寸，还有材料可以是形状锋利的或者很难处理的。此外，过滤离心分离机40能够用于具有较宽浓度范围的输入浆液或供给(也就是说，过滤离心分离机40对输入材料的浓度不敏感)。
此外，过滤离心分离机40包括很多可变设计，可以选择和/或变化该可变设计以对于特殊应用实现需要的结果。通过示例的方式，并且如上所述，螺旋推运器114包括很多可变设计，该可变设计包括选择的螺纹130的可变螺距，和/或各阶段的数量，和/或各阶段的长度。这些可以根据具体应用而变化。能够表示离心分离机40灵活性的另一个特征是能够设置并控制转鼓44和螺旋推运器114之间的旋转速度差。在一个实施方式中，例如，离心分离机40可以包括用于测量螺旋推运器114的扭矩的传感器(未图示)。这个信息可以传递给控制器112并用于控制速度差(和/或生产量(throughput)或给进速度)从而提高过滤离心分离机40的性能。这可以例如以自动的方式进行优化。此外，可以理解的是，可以通过改变螺旋叶片、螺距、和/或转鼓44和螺纹推运器114之间的速度差中的一个或多个来控制沿转鼓44的长度的不同位置的被过滤材料的滤饼厚度。
过滤离心分离机的另一个实施方式如图9所示。过滤离心分离机200的结构和操作类似于上文所述的过滤离心分离机40。因此，认为过滤离心分离机200的细节描述并不是必须的。相反，将会提供过滤离心分离机40和200之间的修改的详细描述。图9中相似的附图标记指图2至图8中相似的特征。过滤离心分离机200包括外壳202、内壳或转鼓204、基本上同轴地设置于转鼓204中的输送机206、和基本上与输送机206同轴设置的多个导管线路208。输送机206可以与上述描述相类似地配置为螺旋推运器210。
一个修改是针对设置在过滤离心分离机200中的区域的数量和/或类型。例如，根据下面更详细地描述，过滤离心分离机200可以包括预浓缩区域212a、冲洗区域212b、脱水区域212c、和压缩区域212d。预浓缩区域212a的沿着预浓缩区域212a的导管线路208、螺旋推运器210、转鼓204、和壳体202与上文描述的结构和操作方式相似，因此，此处不再进行进一步的描述。可是，冲洗区域212b已经被修改。关于过滤离心分离机40，每个冲洗阶段(stage)66b、66c包括两个清洗/脱水循环，该两个循环沿过滤离心分离机的中心轴线90轴向地间隔。如图9所示，在预浓缩区域212a之后，只有一个冲洗区域212b。此外，作为沿离心分离机轴向间隔的一个或多个清洗/脱水循环的替代，螺旋推运器210包括沿冲洗区域212b基本上均匀地轴向和周向间隔的多个喷嘴214。这种布置使冲洗水相对均匀地注入冲洗区域212b。实质上，冲洗区域212b变成清洗循环而没有相应的脱水循环。本领域的技术人员可以认识到，由于作用在材料上的离心力的作用，会从转鼓204喷射出流体(例如水，淀粉，麸质等)。可是，这在(通过喷嘴214)引入相对大量的冲洗水的位置发生。相反地，当没有冲洗水或可选择地引入相对少量的流体时发生脱水。
在操作中，清洗水供应到第一水导管208b，从而流过该第一水导管的出口并进入位于螺旋推运器210中的腔室216中，该腔室基本上与冲洗区域212b相关。腔室216在一侧通过挡板168限制，并在相反侧通过锥形构件218限制。锥形构件218包括有缺口的或者网状(webbed)的支撑件220，该支撑件220允许冲洗水流过。腔室216中的冲洗水通过喷嘴214注入到环形间隔134中以冲洗纤维并去除所有可能在初始预浓缩区域212a之后与纤维相连的残余的淀粉和/或麸质。在冲洗区域212b中，具有第一成分(例如淀粉，麸质)浓度的冲洗水注入，具有高于第一浓度的第二成分浓度的水从转鼓204的侧壁82喷射出来。这个流体排入一个或多个料斗222b、222c，并穿过各自的出口224b、224c。虽然可以使两个料斗222b、222c与冲洗区域212b相连，但本领域技术人员能够认识到可以只为冲洗区域212b提供一个料斗。当冲洗区域变得相对较长，单独的冲洗区域中具有多个料斗可能会有一些优势。例如，使用多个料斗的逆流冲洗技术可以更有效。本发明并不限制于每个区域具有一个料斗，但是本领域技术人员会认识到料斗的数量(和/或由内部板64限定的隔间(compartment))可以根据具体应用变化。
在冲洗区域212b之后，螺纹推运器210的螺纹130将纤维沿着过滤离心分离机200移动并进入脱水区域212c。脱水区域212c设置为从纤维去除冲洗水和任何额外的淀粉/麸质，但是只有很少或者基本没有添加更多的冲洗水(例如没有通过注入喷嘴沿脱水区域212c向环形间隔134中注入冲洗水)。沿着脱水区域212c，穿过转鼓204的筛状侧壁82的水、淀粉、和麸质排入料斗222d，并且使纤维保留在转鼓204中。因此，可以在脱水区域212c中降低被过滤材料中的水浓度。
在本实施方式中的另一个修改是过滤离心分离机200包括压缩区域212d。在这点上，转鼓直径Db可以沿着与转鼓204的第二端相邻的转鼓204的长度变化。通过示例的方式，转鼓204可以包括与转鼓的第二端78相邻的第三转鼓部分(basket section)226。该第三转鼓部分226可以包括沿从第一端74朝向第二端78的方向基本向内渐缩(也就是收缩)或呈锥形的结构。在一个实施方式中，第三转鼓部分226可以延伸转鼓204长度的大约10％至30％，并且可以基本上与过滤离心分离机200的压缩区域212d的长度相应。可以相信的是，由于沿着这个区域减小的横截面积(因此减小体积)，转鼓204的沿着这部分的锥形主要压缩被过滤材料(例如纤维)。在压缩区域212d穿过转鼓204的筛状侧壁82的水、淀粉、和麸质排入料斗222d并穿过出口224d。这种压缩还使被过滤材料中的水浓度减小，导致从过滤离心分离机200输出更干燥的纤维。第三转鼓部分226的锥角可以根据具体应用和/或其他因素选择，该其他因素包括例如所需的滤饼厚度或者纤维或随水一起穿过侧壁82而去除的成分的其它所需的方面。
在一个实施方式中，可以在压缩区域212d中设置用于使因挤压被过滤材料导致的水排出的额外的路径。在这一点上，沿压缩区域212d的长度的至少一部分，螺旋推运器210可以具有配置为过滤筛228的侧壁124。通过这个方式，流体不仅能够通过转鼓204的筛状侧壁82排出，还能通过螺旋推运器210的侧壁124沿着该压缩区域的至少一部分排出。正如下文更加详细地描述，穿过过滤筛228的流体可以被引导至脱水区域212c的环形间隔134中。可替代地，流体可以通过其他方法从螺旋推运器210中去除，例如穿过过滤离心分离机200的第二端的排水管道。
在另一个实施方式中，过滤离心分离机200可以用于在多种工业加工(例如玉米湿磨加工)中处理额外的问题。在这一点上，参考图1，为了从玉米中释放淀粉、胚芽、麸质、纤维和其他成分，玉米经历第一碾磨过程14和第二精磨过程18。这些磨制过程可以使一定量的特殊成分被碾磨成相对精细的颗粒(例如小于大约50微米)。例如，通常通过碾磨步骤14、18而产生相对较小块的纤维(指工业上的细纤维)。因此，当相对较大百分比的纤维没有碾磨成小颗粒时，相对较小百分比的纤维可能碾磨成小颗粒。足够小的成分颗粒在纤维分离步骤20中可能不会从浆液中过滤出来。在这一点上，传统过滤系统中的最小筛孔尺寸大约为50微米。因此，尺寸小于该最小筛孔尺寸的纤维可以穿过过滤筛并进入玉米湿磨加工的后续步骤中。
关于玉米湿磨加工，细纤维的产生具有很多缺点。一个缺点是穿过过滤系统的成分的纯度降低。在这一点上，淀粉、麸质、和其他穿过过滤器的成分实际上(in effect)被稀释或者被不希望的量的纤维(尽管纤维是小片的)稀释或者污染。第二，细纤维的产生可以减少淀粉、麸质、或其他可以从玉米中提取出的所需成分的产量。在这一点上，玉米在碾磨步骤14、18中碾磨得越精细，则从谷粒中释放出来更多的淀粉、麸质、和其他成分。可是，精磨也增加了产生的细纤维的量，并因此降低了过滤系统从浆液中去除纤维的能力(也就是更多细纤维穿过过滤系统)。因此，由于传统过滤系统不能从浆液中去除细纤维，在当前的玉米湿磨加工的执行中，玉米并没有进行有效的碾磨，因而没有从玉米中释放出所需要的玉米的成分(淀粉、麸质等)，而是实际上被浪费了。在一个实施方式中，过滤离心分离机200可以用于处理从液体介质中过滤细纤维(或者其他小的成分)。结果，不仅可以提高穿过过滤离心分离机200的成分的纯度，而且现在还通过能够碾磨得更加精细但是仍然能从浆液中去除细纤维的能力而从玉米中获得更高的产量。
在这一点上，根据本发明的一个方面，收集在转鼓204中的纤维实质上可以用作细纤维的过滤介质。更具体地，位于转鼓204中接近转鼓204的第二端78的纤维相对较厚(例如，水浓度介于大约55％至大约75％之间)，因此有效地包括相对紧密的纤维网，实质上共同形成了编织材料(matted material)。这种收集在转鼓204中的纤维的编织网可以用作“过滤器”，从而使液体介质中的细纤维分离出来。为了这个目的，可以相信，纤维网可以包括小于细纤维的孔隙(void)或开口，从而能够在已经收集在转鼓204中的纤维形成的网中捕捉细纤维。
为了这个目的来设置过滤离心分离机200，带有细纤维的浆液(例如，来自预浓缩区域212a的输出物)可以供应到第二水导管208c，该导管的出口位于腔室230中，腔室230基本上与脱水区域212c相关。腔室230在一侧由锥形构件218限制，并在相反侧由板232限制。螺旋推运器210包括用于提供腔室230和环形间隔134之间的流体连通的一个或多个孔234。带有细纤维的浆液从导管线路208c流入腔室230，然后通过孔234流入环形间隔134。由于通过转鼓204和/或螺旋推运器210的旋转施加的力，携带有细纤维的液体介质流过已经收集在转鼓204中的编织纤维，流过转鼓204的侧壁82，并排入料斗222d。可以相信，收集在料斗222d中的流体中的细纤维的量大大减少。此外，细纤维可以使用相同的装置从液体介质中过滤，其中所述装置执行对大片物初始过滤并冲洗纤维。这显著地降低了与传统的用于过滤细纤维的装置相关的成本、维护等。从液体介质中去除细纤维后，可以将收集在料斗222d中的流体运送到玉米湿磨加工的另一工序中。
虽然本发明通过多种优选实施方式的描述进行了说明，并且虽然这些实施方式已经进行了详细描述，但是本发明的目的并不是限制或以任何方式将附加的权利要求的范围限定为这些细节描述。额外的优点和修改对于本领域技术人员来说能够理解。例如，虽然在此说明的过滤离心分离机40、200基本设置为水平方向，但其他方向也有可能，包括基本为竖直方向的离心分离机。此外，离心分离机40、200可以为开放型系统或者设置为封闭操作。过滤离心分离机40、200还可以设计为加压操作。另外，过滤离心分离机40、200可以连续操作或者设置为在定量操作模式(batch mode of operation)下工作。如图2和图10所示，过滤离心分离机40、200可以包括转鼓清洁系统192，该转鼓清洁系统192包括多个喷嘴194，该多个喷嘴194例如分别沿外壳42、202的上壁54a排列设置。转鼓清洁系统192提供用于清洁转鼓44、204的逆向冲洗(backwashing)。此外，本领域的技术人员能够认识到区域的数量和类型可以基于特殊应用而选择。例如，根据具体实施方式的过滤离心分离机可以包括预浓缩区域而没有任何冲洗区域。这种实施方式可以进一步包括脱水区域，和/或压缩区域，和/或吹气区域。因此，区域的数量和类型可以基于特殊应用而选择。
除了上述之外，如上所述的过滤离心分离机40、200可以在其他工业应用中具有优点。通过示例的方式，例如化学工业使用结晶形成过程(crystal formation process)，该过程需要引入粒状材料，分离包含在其中的结晶体，然后冲洗结晶体。如上所述的过滤离心分离机可以用于这种过程来实现单独装置的效果。此外，果汁工业类似地包括在其中引入并过滤粒状材料的多个过程。也可能需要冲洗水果或者其他粒状材料。再次，在此说明的过滤离心分离机可以用于这种应用。另外，其他玉米或谷物碾磨过程可以从本发明公开的过滤离心分离机获得益处。此外，其他需要从介质(例如，液体介质或其他介质)中过滤材料和/或冲洗材料的工业也可以从上述离心分离机获益。
虽然玉米湿磨过程典型地使用压力筛装置或搅拌筛装置，而且已经在上文介绍了过滤离心分离机相对于这些装置的优势，但此处描述的过滤离心分离机也可以为使用其他类型的过滤系统的工业提供益处。例如，一些工业使用沉降式离心机和/或锥形筛碗式离心机(conic screen bowl centrifuge)。然而，这些离心分离机也具有利用此处所描述的过滤离心分离机所能解决的缺点。通过示例性地方式，沉降式离心机不具有冲洗区域，因此如果需要清洗被过滤材料就必须使用单独的装置。当然这些附加装置非常昂贵并且占用生产设备的空间。此外，此处描述的过滤离心分离机能够提供与沉降式离心机的输出物相比状态更加干燥的被过滤材料。如上所述，提供更加干燥的材料可以显著减少与材料后期加工相关的能量成本。类似地，锥形筛碗式离心机不能提供被过滤材料的冲洗。此外，这些离心分离机还具有相对较小的L/D比，并且以与上述过滤离心分离机相比大大降低的G力进行操作。
本领域技术人员能够认识到如何修改过滤离心分离机的结构，从而在这些其他工业中有效地运转。因此，本发明的多种特征可以单独使用或者根据使用者的需要和喜好而以多种合并的方式使用。

Claims (36)

1.一种用于从介质中过滤材料的装置，该装置包括：
第一壳体，该第一壳体具有至少一个壁，该壁上形成有多个开口；
输送机，该输送机设置在所述第一壳体中，用于至少使所述材料沿着所述第一壳体移动；和
至少一个导管线路，该至少一个导管线路与所述第一外壳的内部流体连通，以将所述介质供应到所述装置，
其中，所述第一壳体和所述输送机中的至少一个相对于中心轴线旋转，以朝向所述至少一个壁引导所述介质，从而从所述介质中过滤所述材料。
2.根据权利要求1所述的装置，该装置还包括：
第二壳体，该第二壳体基本上围绕所述第一壳体，所述第二壳体适于收集经过所述第一壳体中的所述开口的所述介质。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第二壳体包括将所述第二壳体划分为多个区域的至少一个内部板。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一壳体包括基本为锥形的第一部分和直筒形的第二部分。
5.根据权利要求4所述的装置，该装置还包括基本为锥形的第三部分。
6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一部分延伸所述第一壳体的长度的大约10％至大约30％。
7.根据权利要求1所述的装置，该装置还包括：
电机，该电机可操作地连接到所述第一壳体，用于使所述第一壳体绕所述中心轴线旋转；和
控制器，该控制器可操作地连接到所述电机，用于控制所述第一壳体的旋转速度。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一壳体以使所述材料承受介于大约100G和大约4000G之间的G力的速度旋转。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一壳体的长径比介于大约2和大约10之间。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述输送机设置为螺旋推运器，该螺旋推运器具有第一端、第二端、在所述第一端和所述第二端之间延伸的侧壁以及从所述侧壁延伸的至少一个螺纹。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述螺旋推运器具有多个螺纹，该多个螺纹延伸所述螺旋推运器的长度的至少一部分。
12.根据权利要求10所述的装置，其中，所述至少一个螺纹的螺距沿着所述螺旋推运器的长度变化。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述输送机绕所述中心轴线旋转。
14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一壳体和所述输送机以不同旋转速度绕所述中心轴线旋转。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述输送机以低于所述第一壳体的旋转速度绕所述中心轴线旋转。
16.根据权利要求1所述的装置，该装置还包括：
电机，该电机可操作地连接到所述第一壳体和所述输送机，用于使所述第一壳体和所述输送机绕所述中心轴线旋转；
控制器，该控制器可操作地连接到所述电机，用于控制所述第一壳体和所述输送机中的至少一个的旋转速度；和
齿轮机构，该齿轮机构用于允许所述第一壳体以与所述输送机不同的速度旋转。
17.根据权利要求1所述的装置，其中，所述输送机包括侧壁，该侧壁的至少一部分具有形成于所述侧壁上的多个开口。
18.一种用于从介质中过滤材料并冲洗该材料的装置，该装置包括：
单独的壳体，该单独的壳体至少具有第一区域和第二区域，所述第一区域设置为将所述材料从所述介质中分离出来，所述第二区域设置为利用引入所述第二区域中的流体冲洗所述材料。
19.根据权利要求18所述的装置，该装置还包括第三区域，该第三区域设置为执行下列之一：i)利用引入所述第三区域中的流体冲洗所述材料；ii)使所述材料在所述第三区域内脱水；iii)在所述第三区域内压缩所述材料；或iv)在所述第三区域内风干所述材料。
20.一种从介质中过滤材料的方法，该方法包括：
将所述介质供应到第一壳体；
使所述介质在所述壳体内旋转；
使所述介质穿过所述第一壳体的壁，以使所述材料与所述介质分离；
至少使所述材料沿着所述第一壳体移动；
将流体引入位于所述第一壳体中的所述材料中；和
使用所述流体冲洗所述材料。
21.根据权利要求20所述的方法，该方法还包括：
收集穿过所述第一壳体的所述壁的所述介质。
22.根据权利要求20所述的方法，该方法还包括：
从引入所述第一壳体中的所述流体中过滤所述材料。
23.根据权利要求22所述的方法，该方法还包括：
将第二壳体划分为多个区域，第一区域包括供应、旋转和穿过步骤，第二区域包括引入、冲洗和过滤步骤。
24.根据权利要求23所述的方法，该方法还包括第三区域，该第三区域包括使所述材料脱水、压缩所述材料或干燥所述材料中的一个。
25.根据权利要求20所述的方法，该方法还包括在所述第一壳体中压缩从所述介质中过滤出来的所述材料。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，压缩所述材料包括使所述材料沿着所述第一壳体的基本为锥形的部分移动。
27.根据权利要求20所述的方法，该方法还包括重复所述引入步骤和冲洗步骤，其中，使用逆流冲洗方法来执行多次引入和冲洗步骤。
28.根据权利要求20所述的方法，其中，使所述介质在所述壳体内旋转包括：
至少使所述第一壳体绕中心轴线旋转。
29.根据权利要求36所述的方法，其中，使所述材料沿着所述第一壳体移动包括使所述输送机旋转以移动所述材料。
30.根据权利要求29所述的方法，该方法还包括使所述第一壳体以与所述输送机不同的旋转速度旋转。
31.根据权利要求20所述的方法，该方法还包括：
将第二介质流导入收集在所述第一壳体中的所述材料中；和
将所述第一壳体中的所述材料用作用于从所述第二介质中分离第二材料的过滤器。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述第二材料的尺寸基本上小于收集在所述第一壳体中的所述材料的尺寸。
33.一种从介质中处理材料的方法，该方法包括：
在单独的壳体中从所述介质分离所述材料；和
在所述壳体中冲洗所述材料。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，从所述介质中分离所述材料包括使用离心分离处理。
35.根据权利要求33所述的方法，其中，冲洗所述材料包括至少一个循环，该至少一个循环具有清洗部和脱水部。
36.根据权利要求33所述的方法，该方法还包括执行下列至少一项：i)使所述材料脱水；ii)压缩所述材料；或者iii)风干所述材料。
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