CN103347580A - 多室水力旋流器 - Google Patents

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Abstract

具有筒体(12)的水力旋流器(10)，筒体(12)包括流体入口(14)、过滤流体出口(16)、流出物出口(18)、工艺流体出口(20)和包封多个垂直排列的腔室(24，30，32)的内周壁(22)。在一个实施方式中，筒体(12)包括三个垂直排列的腔室，包括与流体入口(14)流体连通的涡流室(24)。过滤器组件(26)位于涡流室(24)内并包封滤液室(66)。涡流室(24)包括适于接收流入流体和产生围绕过滤器组件(26)流动的涡流流体的流体路径(28)。滤液室(66)与过滤流体出口(16)流体连通以使得流经过滤器组件(26)的流体进入滤液室(66)并可以经由过滤流体出口(16)离开筒体(12)。流出物分离室(30)位于涡流室(24)下方并与其流体连通，且适于从涡流室(24)接收未过滤流体。工艺流体室(32)位于流出物分离室(30)下方并与其流体连通，且适于从流出物分离室(30)接收工艺流体，其中工艺流体室(32)与工艺流体出口(20)流体连通，工艺流体可以通过其离开筒体(12)。涡流阻挡构件(34)位于涡流室与流出物分离室(24，30)之间和干扰涡旋流体从涡流室(24)流向流出物分离室(30)。流出物阻挡构件(36)位于流出物分离室(30)下方并引导流体从流出物分离室(30)流向工艺流体出口(20)，并且其中流出物阻挡构件(36)还包含与流出物出口(18)流体连通的位于中心的流出物开口(38)，流出物通过流出物出口(18)离开筒体(12)。具有筒体(12)的水力旋流器(10)，筒体(12)包括流体入口(14)、过滤流体出口(16)、流出物出口(18)、工艺流体出口(20)和包封多个垂直排列的腔室(24，30，32)的内周壁(22)。在一个实施方式中，筒体(12)包括三个垂直排列的腔室，包括与流体入口(14)流体连通的涡流室(24)。过滤器组件(26)位于涡流室(24)内并包封滤液室(66)。涡流室(24)包括适于接收流入流体和产生围绕过滤器组件(26)流动的涡流流体的流体路径(28)。

Description

多室水力旋流器
相关申请
本申请要求2011年5月6日提交的61/483221号美国临时申请的优先权，其全部主题通过引用引入。
技术领域
本发明一般地涉及水力旋流器和流体的旋流分离。
发明背景
水力旋流器通常用于从液体中分离悬浮的颗粒。在典型的实施方式中，加压的进料液体(如：废水)在腔室内产生旋涡的条件下被引入成圆锥形的腔室中。一般地，进料液体靠近圆锥形腔室的顶部引入，并且流出物流靠近腔室的底部排出。与涡流相关的离心力将更致密的颗粒推向腔室的外围。其结果是，位置靠近涡流中心的液体比在外围的液体具有更低的颗粒浓度。然后可以从水力旋流器的中心区域抽取这种“较清洁”的液体。在US3061098、US3529724、US5104520、US5407584和US5478484中描述了水力旋流器的实例。可以通过在腔室之中包括过滤器以使得流向腔室中心的一部分液体通过该过滤器而提高分离效率。在这样的实施方式中，旋流分离与错流过滤相结合。在US7632416、US7896169、US2011/0120959和US2012/0010063中描述了这样的实施方式的实例。虽然这种混合设计提高了分离效率，但仍需要进一步的改善。前面引用的各参考文献的全部主题通过引用并入本文。
发明概述
本发明包括水力旋流器和使用该水力旋流器进行旋流分离的方法的多个实施方式。在一个实施方式中，本发明包括一种具有筒体(12)的水力旋流器(10)，其中筒体(12)包括流体入口(14)、过滤流体出口(16)、流出物出口(18)、工艺流体出口(20)和包封多个垂直排列的腔室的内周壁(22)。虽然可以使用不同数目的腔室，但在一个实施方式中的筒体(12)包括三个垂直排列的腔室，包括与流体入口(14)流体连通的涡流室(24)。过滤器组件(26)位于所述涡流室(24)内并包封滤液室(66)。该涡流室(24)包括适于接收流入流体和产生围绕所述过滤器组件(26)的涡流流体流动的流体路径(28)。滤液室(56)与过滤流体出口(16)流体连通，以使得流经过滤器组件(26)的流体进入滤液室(56)并可以经由过滤流体出口(16)离开筒体(12)。流出物分离室(30)位于涡流室(24)下方并与涡流室(24)流体连通，并适于从涡流室(24)接收未过滤的流体。工艺流体室(32)位于流出物分离室(30)下方并与该流出物分离室流体连通，并且适于从流出物分离室(30)接收工艺流体，其中该工艺流体室(32)与工艺流体出口(20)流体连通，工艺流体可以通过该工艺流体出口(20)离开筒体(12)。涡流阻挡构件(vortexflow barrier)(34)位于涡流室和流出物分离室(24，30)之间，其干扰涡流流体从涡流室(24)流向流出物分离室(30)。流出物阻挡构件(effluent barrier)(36)位于流出物分离室(30)下方并引导流体从流出物分离室(30)流向工艺流体出口(20)，并且其中该流出物阻挡构件(36)还包含与流出物出口(18)流体连通的位于中心的流出物开口(38)，流出物通过该流出物出口(18)离开筒体(12)。描述了多个实施方式。
附图简要说明
通过参考下面的描述连同附图可以更好地理解本发明的各个方面，其中在各种视图中始终使用类似的附图标记来指示类似的部件。该描述是说明性的，而不是意在按规定比例绘制，或者以其他方式限制本发明。
图1A是示出本发明的一个实施方式的正视图。
图1B是图1A沿线1B-1B截取的剖视图。
图2是图1A和B中所示的实施方式的分解透视图。
图3A-H是流出物阻挡构件的各种实施方式的透视图。
图4A-C是流出物阻挡构件的其它实施方式的透视图。
图5A-B是涡流阻挡构件的各种实施方式的透视图。
图6是带有流出物插入件的流出物阻挡构件的分解视图。
图7A是过滤器组件的局部剖面透视图的。
图7B是包括清洁组件的图7A的过滤器的透视图。
图8是示出本发明的替代实施方式的剖视图。
图9是图8的实施方式的分解透视图。
图10是包括根据实施例生成的测试数据的曲线。
详细说明
本发明一般地涉及水力旋流器过滤装置及进行旋流分离的相关方法。用于本说明书的目的，术语“水力旋流器”是指其中至少部分地依靠涡旋流体流动所产生的离心力以从流体混合物分离成分的过滤装置。其实例包括从液体混合物中分离固体颗粒和分离包括不同密度的液体(如油和水)的混合物。具体应用包括以下处理：造纸磨粉机产生的纸浆废水、油和气体开采所产生的工艺水、舱底水以及城市和工业废水。
在图1-3中示出了本发明的一个实施方式，其包括总体地以10表示的水力旋流器，包括筒体(12)，其具有可移除的盖(13)、流体入口(14)、过滤流体出口(16)、流出物出口(18)、工艺流体出口(20)和包封多个垂直排列的腔室(24，30，32)的内周壁(22)。虽然描述为包括三个垂直排列的腔室，但也可包括另外的腔室。同样地，可以包括另外的流体入口和出口。虽然显示为具有圆柱形上部和截头圆锥形底部，该筒体(12)可以具有其他的构型，包括完全圆柱体的形状，如结合图8和9将描述的。
该筒体(12)包括与流体入口(14)流体连通的涡流室(24)。过滤器组件(26)中心定位于涡流室(24)内并包封滤液室(66)(如图7A中最佳示出的)。滤液室(56)与过滤流体出口(16)流体连通。流出物分离室(30)位于涡流室(24)下方并与该涡流室(24)流体连通。该流出物分离室(30)适于从涡流室(24)接收未过滤的流体。工艺流体腔室(32)依次位于流出物分离室(30)下方并与该流出物分离室流体连通。该工艺流体室(32)适于从流出物分离室(30)接收工艺流体并且与工艺流体出口(20)流体连通，工艺流体可以通过该工艺流体出口(20)离开筒体(12)。
涡流阻挡构件(34)位于涡流室和流出物分离室(24，30)之间并将在涡流室和流出物分离腔室(24，30)之间的流体流引导至邻近筒体(12)的内周壁(22)的位置。涡流阻挡构件(34)可以设计为将涡流流体流保持在流出物分离室(24)中并在流体从涡流室(24)流入流出物分离室(30)时干扰涡流流体流。更具体地，涡流阻挡构件(34)包括延伸到邻近筒体(12)的内周壁(22)或与筒体(12)的内周壁(22)接触的位置的外缘(40)，并且可以进一步包括多个位于外缘(40)附近并延伸穿过它的孔(42)。在图示的实施方式中，孔(42)是圆齿形的，但也可以使用替代的形状(如在图6中最佳示出的)。
流出物阻挡构件(36)位于流出物分离室(30)下方，并适于引导流体从流出物分离室(30)流向工艺流体出口(20)。流出物阻挡构件(36)包括延伸到邻近筒体(12)的内周壁(22)或与筒体(12)的内周壁(22)接触的位置的外缘(40′)，并且可以进一步包括多个位于外缘(40′)的附近并延伸穿过它的孔(42′)。在图示的实施方式中，孔(42′)是圆齿形的，但也可以使用替代的形状(如在图4中最佳示出的)。在优选的实施方式中，涡流阻挡构件(34)的孔(42)相对于流出物阻挡构件(36)的孔(42′)垂直地偏置，如图2中的虚线箭头所示。流出物阻挡构件(36)还包括一个与流出物出口(18)流体连通的位于中心的流出物开口(38)，流出物通过该流出物开口(38)离开筒体(12)。
在操作中，加压的进料流体(例如，优选从4至120psi)通过流体入口(14)进入筒体(12)，并沿着在过滤器组件(26)周围产生涡流的流体通路(28)流动。离心力将更致密的物质推向筒体(12)的内周壁(22)，而密度较小的液体径向向内地流向过滤器组件(26)。一部分该液体通过过滤器组件(26)流入滤液室(66)中和随后可以经由过滤流体出口(16)作为“滤液”离开筒体(12)。剩余的“非滤液”从涡流室(24)向下流向流出物分离室(30)。涡流阻挡构件(34)将大部分(例如，优选至少75％，和在一些实施方式中，至少90％)这种向下的流引导至沿筒体(12)的内周壁(22)或与其邻近的位置。这种安排被认为有助于将涡流维持在涡流室(24)中，而在流体进入流出物分离室(30)时干扰涡流。流体流动在流出物分离室(30)中减速且更致密的物质(例如颗粒)优先朝向流出物阻挡构件(34)的中心沉降并进入流出物开口(38)中，并且然后可以经由流出物出口(18)离开筒体。流出物出口(18)可任选地包括阀(48)(例如，单通止回阀)，以选择性地控制流出物从筒体(12)移除。在流出物分离室(30)中的剩余液体(以下称为“工艺流体”)向下流入工艺流体室(32)中。流出物阻挡构件(36)将流出物分离室和工艺流体腔室(34，36)之间流动的大部分(例如，优选至少75％和在一些实施方式中至少90％)流体引导至沿筒体(12)的内周壁(22)或与其邻近的位置，即通过孔(42′)。在大多数应用中，工艺流体代表可重新使用、处置或再循环回到流体入口(14)用于进一步处理的中等级产物(mid-grade product)。“滤液”通常代表可重新使用或处置的高等级产物。“流出物”代表可进一步处理或处置的低等级产品。然而，应当认识到，在某些应用中，流出物可以代表有价值的产物。
进料流体入口压力及过滤器组件(26)的外周缘与筒体(12)的内周壁(22)之间的间距可以进行优化以建立并维持涡流室(24)内的旋流流体流动。为了进一步促进涡流流体流动的产生和维持，流体入口(14)优选将进入的进料流体沿涡流室的切向路径进行引导，如在图1A中的虚线箭头所指示的。
理想的涡流阻挡构件(34)和流出物阻挡构件(36)的构型可以根据水力旋流器的操作条件和进料流体的组成来确定。在图3A-I中示出了流出物阻挡构件(36)的多种实施方式。例如，不是利用如在图1-3中示出的平板状的构型(例如，具有外缘40的圆形平坦表面)，流出物阻挡构件(36)可以包括可选的构型，其中中心区域(即直接与流出物开口(38)相邻)处于相对于周缘较低或较高的位置。代表性的例子示于图3A-D，如图3A示出了包括朝上的凹面(44)的碗状构型。虽然显示为包括恒定的曲率水平，但曲率水平可以在整个表面(44)上发生变化。图3B示出了类似的设计，其包括朝上的凸形表面(46)。图3C示出了包括平板样构型的实施方式，其包括在流出物开口(38)周围的凸起壁(48)。图3D示出了包括与图3A和图3C共有的特征的实施方式，即凹形表面(44′)和在流出物开口(38)周围的凸起壁(48′)。图3E-F示出可包括一个或更多径向延伸的脊(50)和沟槽(52)的类板状构型，而图3G显示使用了螺旋形沟槽(52)。虽然未显示，脊和沟槽(不论是径向或螺旋形的)也可被结合在一起，或与图3A-D中示出的构型分开使用。将各个所示的实施方式设计为根据具体的进料流条件和组成促进较致密的物质或颗粒的收集。图3H示出了包括锥角约为80°(即距垂直轴80°，距水平轴10°)的圆锥形形状的优选实施方式。优选的锥角是从45°到85°。虽然未示出，这些图示的特征许多也适用于涡流阻挡构件(34)，如凸面和凹面朝上的表面。
虽然在一个实施方式中，流出物阻挡构件(36)包括圆齿形孔(42′)，但也可以使用可选形状的孔，包括径向狭槽，成角狭槽和位于外缘(40′)周围的三角开口，如图4A-C中示出的。同样，如在图5A-B所示的，对于涡流阻挡构件(34)，可以使用可选形状的孔(42)。孔(42，42′)的形状和大小可以进行设计以控制流体向下通过筒体(12)的腔室(24，30，32)的流动，优选将流动导向筒体(12)的内周壁(22)。据此，少部分(例如，小于50％，和更优选小于75％，和更优选小于90％)的向下流动(即相对于流出物阻挡构件(36)的非流出物流体)可能会发生在可选的位置，包括阻挡构件(42，36)中的一个或两个的中心位置。而在另外的未示出的实施方式中，涡流阻挡构件(34)和流出物阻挡构件(36)中的一个或两者可以包括不接触筒体(12)的内周壁(22)的外缘，且不包括孔。
图6示出了任选的流出物插入件(54)，其适于装配在流出物阻挡构件(36)的流出物开口(38)内。虽然结合类平板状构型的阻挡构件(36)显示，插入件(54)也可以结合如在图3A-H和图4A-C中示出的其它实施方式使用。流出物插入件(54)包括同心管构型，其包括适于贴合地装配在流出物开口(38)中并由此向上延伸的末端(56)。内管(58)沿插入件(54)长度的至少一部分延伸，并提供了流体向上流动的通路。外管(60)包括一个或多个位于流出物阻挡构件(36)的上表面(44)和插入件(54)相交处的孔(62)，例如狭槽。插入件(54)被设计为减慢流体流动和促进更致密的物质流入流出物开口(38)，而同时允许密度较小的流体向上流出插入件(54)。虽然显示为单独的组成部件，插入件(54)可以形成为流出物阻挡构件(36)的整合部分。
如图1-3所示，过滤器组件(26)优选位于涡流室(24)中央并均匀地与筒体(12)的内周壁(22)间隔开。虽然显示为圆筒形，也可以使用其他的构型包括梯级形和锥形的过滤器。如图7A最佳地显示的，过滤器组件(26)包括多孔膜(64)，其可以由各种各样的材料制造，包括聚合物，陶瓷和金属。在一个实施方式中，该膜是相对薄的，例如，从0.2-0.4mm，并由一个底层刚性框架或多孔支撑体(图中未示出)支持。在US2012/0010063中描述了代表性的例子。膜(64)的孔径(例如，1至500μm)、形状(如V形，圆柱形，带槽的)和均匀性可以根据应用不同而发生变化。在许多优选的实施方式中，所述膜(64)包括耐腐蚀的金属(例如，电铸镍网)，其包括具有从10到100μm的大小的尺寸均匀的孔。这类材料的代表性例子被描述于：US7632416、US7896169、US2011/0120959、US2011/0220586和US2012/0010063中，其全部主题通过引用并入本文。膜(64)围绕与过滤流体出口(16)流体连通的滤液室(66)。
所述的水力旋流器(10)可以进一步包括用于从过滤器组件(26)的膜表面(64)除去残渣的清洁组件(68)。代表性的实施方式如图7B所示，其中所述组件(68)被安装在过滤器组件(26)的顶表面上，并包括一个或多个径向向外延伸的辐条(70)。刷子(72)从辐条(70)的端部向下延伸并接合(例如，触及或非常靠近)膜基体(64)的表面。虽然显示为刷子(72)，但可以包括替代的清洁装置，包括擦拭器、涂刷器或刮片。大多数实施方式中使用2至50个刷子，并优选18到24个刷子。如弯曲的箭头表示的，清洁组件(68)绕过滤器组件(26)旋转以使得刷子(72)扫过膜基体(54)的表面并去除残渣，例如通过在表面附近产生紊流或通过直接接触表面。可以在至少一个辐条(70)的端部安装一个或多个桨(74)，以使得流入涡流室(24)的流体使清洁组件(68)围绕过滤器组件(26)旋转。在过滤器组件周围均匀间隔的浆(74)增加了清洁组件(68)旋转运动的稳定性，并可以有助于维持涡流室(24)中涡流流体流动。虽然显示为从膜基体(64)的表面径向向外延伸，但桨可以是倾斜的(例如相对于径向轴-5°到-30°或5°到30°)以提高旋转速率。在过滤器组件和清洁组件(26，68)之间可以使用轴承以进一步促进旋转而不阻碍涡流流体流动。在未示出的替代实施方式中，清洁组件(68)可以由替代方式驱动，例如电子马达、磁力等。而在另一个实施方式中，过滤器组件可以相对于固定的清洁组件移动。
在图8-9中示出了包括圆筒形筒体(12)的水力旋流器(10)的替代实施方式，包括在图7B中示出的清洁组件(68)。所图示的实施方式还包括图3I中所示的流出物阻挡构件(36)。
实施例
作为进一步的说明，使用包括具有比重为1.1的2000ppm的200μm塑料颗粒的水性进料流体对四个不同的水力旋流器进行了测试。水力旋流器具有如图1-3所示的一般结构，但进一步包括图7B中示出的包括20μm孔隙的清洁组件。流出物开口(38)的内径为约2英寸。
水力旋流器1(◆)不包括流出物阻挡构件(36)。
水力旋流器2(■)包括平面的圆形流出物阻挡构件(36)，其无孔(42′)，并具有比筒体(12)内径小约10毫米的直径。
水力旋流器3(●)包括平面的圆形流出物阻挡构件，其具有延伸到筒体(12)的内周壁(22)的直径，并具有如在图1B和2中示出的圆齿形孔(42′)。
水力旋流器4(▲)包括锥形流出物阻挡构件，其具有延伸到筒体(12)的内周壁(22)的直径，并包括如在图3I中所示的圆齿形孔(42′)。
所有水力旋流器在相同的条件下进行测试。更具体地，将100加仑(378.5升)的进料流体以30gpm(112.6升/分钟)的速率从贮箱泵入水力旋流器的进料口(14)。滤液以30gpm(112.6升/分钟)的速率从过滤流体出口(16)除去，并返回到贮箱。过滤器基体(54)两侧的压力差为约0.5psi(3.5KPa)。来自工艺流体出口(20)的工艺流体重新循环，并以120gpm(454.2升/分)的速度重新引入到流体进料口(14)中。每六分钟，打开阀(48)以除去和分析流出物(塑料颗粒)。测试的结果总结在图10中，其中Y轴代表以6分钟的时间间隔从进料流体去除的累积百分质量，而X轴代表试验的运行时间。从这些实验结果可以很清楚地看出，包括所述流出物阻挡构件的各种实施方式的水力旋流器显示了显著改善的分离效率。虽然实施例中突出从水性液体分离固体颗粒，所述水力旋流器也能有效地分离包括具有不同密度的液体(例如水和油)的液体混合物，或包括液-液混合物中包括各种固体物质的复杂混合物。
与以往的设计相比，所述水力旋流器提供了出乎意料的优异分离效率。这样的效率使得水力旋流器可用于更广泛的应用中，特别是在工艺流体被循环和任选地与补充的进料流体共混的实施方式中。概括地说，在单一装置内使进料流体经历多个分离过程的协同组合。具体而言，对进料流体进行至少部分地基于密度的旋流分离，更致密的物质(例如，颗粒、液体)被推向筒体的内周缘。通过过滤器组件的流体另外进行错流分离。尽管通过过滤器组件的分离可以基于颗粒的大小，但也可使用其他分离手段，这取决于过滤器组件中使用的分离介质的选择。例如，分离也可以至少部分地基于亲水性或电荷密度。虽然不希望被理论所束缚，据信当较致密的物质或较大的颗粒的流动减缓和径向流体速度的曳力超过由涡流施加的任何残留离心力时，流出物阻挡构件提供了再另一种分离手段，使得这些较致密的物质(例如，颗粒、液体)被收集到流出物开口内。通过使用将流体流动限制在水力旋流器筒体内周壁附近的限定区域中的阻挡构件(34，36)，进一步增强了这些协同分离作用。清洁组件的使用还可以通过聚集来自过滤器组件的残渣并从而增加其有效颗粒尺寸或密度(这两者都被认为改善了流出物室中的分离)而进一步增加分离。

Claims (8)

1.一种具有筒体(12)的水力旋流器(10)，筒体(12)包括流体入口(14)、过滤流体出口(16)、流出物出口(18)、工艺流体出口(20)和包封多个垂直排列的腔室的内周壁(22)，其包括：
与流体入口(14)流体连通的涡流室(24)、位于所述涡流室(24)内并包封滤液室(56)的过滤器组件(26)、适于接收流入流体和产生围绕所述过滤器组件(26)的涡流流体流动的流体路径(28)，其中滤液室(66)与过滤流体出口(16)流体连通以使得流经过滤器组件(26)的流体进入滤液室(56)并经由过滤流体出口(16)离开筒体(12)，
位于涡流室(24)下方并与该涡流室流体连通的流出物分离室(30)，其适于从涡流室(24)接收未过滤的流体，
位于流出物分离室(30)下方并与该流出物分离室流体连通的工艺流体室(32)，其适于从流出物分离室(30)接收工艺流体并且其中该工艺流体室(32)与工艺流体出口(20)流体连通，工艺流体通过工艺流体出口(20)离开筒体(12)，
位于涡流室与流出物分离室(24，30)之间的涡流阻挡构件(34)，其在流体从涡流室(24)流向流出物分离室(30)时干扰涡流流体流(28)，和
位于流出物分离室(30)下方的流出物阻挡构件(36)，其引导流体从流出物分离室(30)流向工艺流体出口(20)，并且其中该流出物阻挡构件(36)还包括与流出物出口(18)流体连通的位于中心的流出物开口(38)，流出物通过流出物出口(18)离开筒体(12)。
2.如权利要求1的水力旋流器(10)，其中所述的涡流阻挡构件(34)将大部分的在涡流室和流出物分离室(24，30)之间的流体流引导向与筒体(12)的内周壁(22)邻近的位置。
3.如权利要求1的水力旋流器(10)，其中所述的流出物阻挡构件(36)将大部分的在流出物分离室和工艺流体室(34，36)之间流体流限制在与筒体(12)的内周壁(22)邻近的位置。
4.如权利要求1的水力旋流器(10)，其中所述的流出物阻挡构件(36)还包括延伸到与筒体(12)的内周壁(22)邻近的位置的外缘(40′)，并且还包括延伸穿过它的多个孔(42′)。
5.如权利要求1的水力旋流器(10)，其中所述的涡流阻挡构件(34)和流出物阻挡构件(36)中至少一个包括板形的构型。
6.如权利要求1的水力旋流器(10)，其中所述的涡流阻挡构件(34)和流出物阻挡构件(36)都包含包括延伸到与筒体(12)的内周壁(22)相邻的位置的外缘(40，40′)的构型，且还包括多个在与它们的外缘(40，40′)相邻的位置处延伸穿过阻挡构件(34，36)的孔(42，42′)，孔(42，42′)允许流体流过。
7.如权利要求6的水力旋流器(10)，其中所述涡流阻挡构件(34)的孔(42)相对于所述流出物阻挡构件(36)的孔(42′)垂直偏置。
8.如权利要求1的水力旋流器(10)，其中所述流出物阻挡构件(36)包括低于或高于外缘(40)的中心区域。
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