CN105960286A - 具有改进的清洁组合件的水力旋流器 - Google Patents

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Abstract

水力旋流器包括：储槽(12)，其包含流体入口(14)、过滤后流体出口(16)以及包围至少一个腔室(24)的内周壁(22)；过滤器组合件(26)，其位于所述腔室(24)内并且包括以轴(X)为中心的圆形过滤网(27)；以及清洁组合件(48)，其包括至少一个清洁部件(52)，所述至少一个清洁部件相对于所述过滤网(27)的外周(29)偏置并且经调适以围绕所述过滤网(27)的所述外周(29)旋转；并且以下各项中的至少一个：a)所述过滤网(27)通过相对于所述过滤网(27)的所述外周(29)偏置的所述清洁部件(52)可逆地变形平均孔隙大小的0.1倍至10倍的径向距离(D)；以及b)压缩部件(58)提供使所述清洁部件(52)相对于所述过滤网(27)的所述外周(29)偏置的连续径向向内的力。

Description

具有改进的清洁组合件的水力旋流器
技术领域
本发明涉及流体的气旋和交叉流过滤。
背景技术
水力旋流器通常用于从液体中分离悬浮颗粒。在典型实施例中，在圆柱形或圆锥形腔室内产生涡流的条件下，加压供液(例如废水)被引入到所述腔室中。与涡流相关联的离心力推动更稠密的颗粒朝向腔室的外周。因此，位于涡流中心附近的液体具有比位于外周的液体更低的颗粒浓度。随后可以从水力旋流器的中心区域中抽取此“更干净的”液体。分离效率可以通过在腔室内包含过滤器组合件使得移动到腔室中心的液体的一部分穿过过滤网而得到改进。在一个已知实施例中，过滤网包括薄的圆形金属带，所述金属带包含具有防止较大大小的颗粒和碎屑通过的直径的槽或孔(即，“孔隙”)。如US2012/0010063和WO2012/154448中所描述，水力旋流器可以进一步包含具有刷子、刮板或刮刀的清洁组合件，所述清洁组合件围绕过滤网的外周旋转且清除碎屑。额外的实例描述于：US7632416、US7896169、US8201697和US2013/0126421中。尽管有效，但需要清洁组合件的进一步改进，包含提供更佳效率且需要较少维护的那些改进。
发明内容
在优选实施例中，目标水力旋流器(10)包含：储槽(12)，其包含流体入口(14)、过滤后流体出口(16)以及包围至少一个腔室(24)的内周壁(22)；过滤器组合件(26)，其位于腔室(24)内并且包括以轴(X)为中心的圆形过滤网(27)，其中过滤网(27)包围与过滤后流体出口(16)流体连通的滤液腔室(36)；以及清洁组合件(48)，其包括至少一个清洁部件(52)，所述至少一个清洁部件相对于过滤网(27)的外周(29)偏置并且经调适以围绕过滤网(27)的外周(29)旋转；其中：
a)过滤网(27)通过相对于过滤网(27)的外周(29)偏置的清洁部件(52)可逆地变形平均孔隙大小的0.1倍至10倍的径向距离(D)；和/或
b)压缩部件(58)提供使清洁部件(52)相对于过滤网(27)的外周(29)偏置的连续径向向内的力。
附图说明
通过参考结合附图获得的以下描述可以更好的理解本发明的各个方面，在附图中已经在各个视图的通篇中使用相同的编号来表示相同的部分。所述描绘是说明性的并且并非意图按比例绘制或限制本发明。
图1A是示出本发明的一个实施例的正视图。
图1B是沿着图1A中的线1B-1B截取的截面图。
图2是图1A和B中所示的实施例的分解的部分剖视透视图。
图3是过滤器组合件(26)的实施例的分解图。
图4A是过滤器组合件(26)和清洁(48)组合件的实施例的正视图。
图4B是沿着图4A中的线4B-4B截取的放大截面图。
图4C是图4B的放大视图，其示出响应于清洁部件(52)相对于其外周(29)偏置，过滤网(27)径向变形。
图5A是示出容纳于孔隙(32)中的理想化颗粒(56)的过滤网(27)的放大的简化正视图。
图5B是图5A的实施例，其示出响应于清洁部件(52)偏置以及跨越滤网(27)移动且从孔隙(32)中移去颗粒(56)，过滤网(27)径向变形。
图6A是过滤器组合件(26)和清洁组合件(48)的另一实施例的正视图。
图6B是沿着图6A中的线6B-6B截取的示出压缩部件(弹簧负载组合件)(58)的放大截面图。
图7是包含压缩部件(弹性带)(58)的清洁组合件(48)的另一实施例的分解透视图。
具体实施方式
本发明大体上涉及水力旋流器过滤装置以及进行气旋分离的相关方法。出于本说明书的目的，术语“水力旋流器”是指至少部分依赖通过涡流流体流动产生的离心力来分离流体混合物的组分的过滤装置。实例包含从液体混合物中分离固体颗粒以及分离包含不同密度的液体(例如，石油和水)的混合物。特定应用包含由造纸厂产生的制浆废水、由油气回收产生的工艺用水、舱底污水以及城市和工业废水的处理。
图1至2中说明本发明的一个实施例，其包含一般以10示出的水力旋流器，所述水力旋流器包含储槽(12)，其具有可拆卸盖子(13)、流体入口(14)、过滤后流体出口(16)、流出物出口(18)、任选的过程流体出口(20)以及包围至少一个，但优选地多个垂直对准腔室(24、30)的内周壁(22)。尽管描绘为包含两个垂直对准的腔室(24、30)，但是还可以包含额外的腔室。类似地，还可以包含额外的流体入口和出口。尽管示出为具有以中心轴为中心的圆柱形上部部分和截头圆锥形基底，但储槽(12)可以具有包含完全圆柱形形状的其它配置。
过滤器组合件(26)位于腔室(24)(即，“涡流腔室”)内并且包括圆形过滤网(27)，所述过滤网以轴(X)为中心且界定围绕轴(X)同轴定位的外周(29)，并且包含穿过所述过滤网的具有1μm至250μm的平均孔隙大小的多个孔隙(32)。过滤网(27)包围与过滤后流体出口(16)流体连通的滤液腔室(36)。任选的流出物分离腔室(30)可以位于涡流腔室(24)下方并且与涡流腔室(24)流体连通。流出物分离腔室(30)适用于从涡流腔室(24)接收未过滤的流体。任选的涡流流动阻挡层(34)可以位于涡流和流出物分离腔室(24、30)之间并且可以经调适以将涡流和流出物分离(24、30)腔室之间的流体流动引导至邻近于储槽(12)的内周壁(22)的位置。涡流流动阻挡层(34)可以经设计以维持流出物分离腔室(24)中的涡流流体流动并且在流体从涡流腔室(24)流动到流出物分离腔室(30)中时扰乱涡流流体流动(28)。更具体地说，涡流流动阻挡层(34)包含延伸到邻近于储槽(12)的内周壁(22)或与所述内周壁接触的位置的外周(40)，并且可以进一步包含位于外周(40)附近且穿过其延伸的多个孔口(42)。在所说明的实施例中，孔口(42)为扇形，但还可以使用替代形状。流出物开口或路径(例如导管)(18′)居中位于储槽(12)的下部部分中并且与流出物出口(18)流体连通，流出物可以通过所述流出物出口离开储槽(12)。尽管未示出，但是开口(18′)或出口(18)可以任选地包含用于选择性地准许流出物从储槽(12)流动的阀门(例如，单向止回阀)。
在操作中，加压供液(例如，优选地从4psi至120psi)经由流体入口(14)进入储槽(12)并且跟随流体路径(28)且围绕过滤器组合件(26)产生涡流。离心力推动更稠密材料朝向储槽(12)的内周壁(22)，而不太稠密的液体朝向过滤网(27)径向向内流动。此液体的一部分流过过滤网(27)的孔隙(32)进入到滤液腔室(36)中并且可以借助于过滤后流体出口(16)作为“滤液”离开储槽(12)。剩余的“非滤液”从涡流腔室(24)向下流动到流出物分离腔室(30)。涡流流动阻挡层(34)将此类向下流体的大部分(例如，优选地至少75％并且在一些实施例中至少90％)引导到沿着或邻近于储槽(12)的内周壁(22)的位置。此布置被认为有助于维持涡流腔室(24)内的涡流流动同时随着流体进入流出物分离腔室(30)扰乱涡流流动。流体流在流出物分离腔室(30)中减速，并且更稠密材料(例如，颗粒)优先地朝向储槽(12)底部沉淀且随后可以进入流出物开口(18′)中，接着可以借助于流出物出口(18)离开储槽。流出物分离腔室(30)中的剩余液体(下文称为“过程流体”)向上流入与过程流体出口(20)流体连通的居中定位的过程流体开口或路径(例如，导管)(20′)中。在大多数应用中，过程流体表示可以重新使用、弃置或回收到流体入口(14)以用于进一步处理的中间级产物。“滤液”通常表示可以重新使用或弃置的高级别产物。“流出物”表示可以进一步处理或弃置的低级别产物。然而，应了解在一些应用中，流出物可以表示有价值的产物。
可以优化供液入口压力和过滤器组合件(26)的外周(29)与储槽(12)的内周壁(22)之间的间隔以产生且维持涡流腔室(24)内的涡流流体流动。例如，参看US2013/0126421。为了进一步促进涡流流体流动的形成和维持，流体入口(14)优选地围绕涡流腔室(24)引导切向路径上的进入供液，如通过图1A中的虚线箭头所指示。
如图1至2中示出，过滤器组合件(26)优选地居中定位在涡流腔室(24)内并且与储槽(12)的内周壁(22)均匀间隔开。尽管示为圆柱形的，但是可以使用包含圆锥形过滤器的其它配置。
如图3中所示，过滤器组合件(26)包含以轴(X)为中心的圆形过滤网(27)，所述过滤网包含同轴定位的外周(29)，所述外周具有穿过滤网的多个孔隙(32)。孔隙(32)的形状不受特别限制(例如，V形、圆柱形、槽形网状等)并且可以取决于供液的成分改变。过滤网(27)可以由包含聚合物、陶瓷和金属的各种材料制造。在优选实施例中，过滤网(27)相对较薄，例如，从0.1mm至0.4mm。在优选实施例中，过滤网(27)包括防腐金属(例如，电铸镍滤网)，所述防腐金属包含具有(如通过SEM测量到)1μm至250μm，更优选地5μm至200μm的平均尺寸的均匀尺寸孔隙(32)。此类材料的代表性实例描述于US7632416、US7896169、US2011/0120959、US 2011/0220586和US2012/0010063，其全部标的物以引用的方式并入本文中。尽管过滤网(27)可以浇铸、模制或以其它方式制造为连续的圆形组件，但是在优选实施例中，滤网由弯曲成圆形且在其末端处固定以形成圆形配置的材料带制造。用于固定带的末端的方式不受特定限制并且包含焊接、铆接或粘合剂的使用。在图3中示出的优选实施例中，滤网的末端借助于卷曲稳定组合件(38)固定，所述卷曲稳定组合件包含防止管接头由下文所述的旋转清洁部件(52)过度磨损的外部磨损板(39)。
过滤网(27)任选地由底层支撑框架(44)支撑。在操作期间，支撑框架(44)将滤网(27)维持在通常圆形的配置中。在一个优选实施例中，任选的柔性部件(46)位于过滤网(27)与支撑框架(44)之间。在所说明的实施例中，柔性部件(46)包括多个弹性O型环(46)(例如，3/32OD维通A中空管)。尽管示出为单独组件，但是支撑框架(44)和柔性部件(46)可以集成到单一组件中。如将在下文更详细地描述，柔性部件(46)准许过滤网(27)可逆地变形预定径向距离，优选地平均孔隙大小的0.1倍至10倍(更优选地，0.25倍至2倍)的预定径向距离。此变形程度改变孔隙(32)的形状和/或大小并且将能量存储于柔性部件(46)和过滤网(27)两者中，同时防止过滤网的过度断裂或开裂。尽管取决于应用，但是柔性部件(46)优选地具有20至100的肖氏硬度硬度计A值(如通过ASTM D2240-05(2010)测量到)，但将通过1psi-8psi的压力折叠，因此优选地选择中空管。
如图2和4A-C所示，水力旋流器(10)进一步包含用于从过滤网(27)的外周(29)清除碎屑的清洁组合件(48)。清洁组合件(48)可以安装在过滤器组合件(26)的顶部表面上并且包含径向向外延伸的一个或多个辐条(50)。清洁部件(52)(例如，尼龙或黄铜刷)从辐条(50)的末端向下延伸并且与过滤网(27)的外周(29)接合。尽管示出为刷子(52)，但是可以使用替代清洁部件，例如雨刮器、刀片、滚轮、刮刀、刮板等。使用2至60个清洁部件，并且更优选地使用6至24个清洁部件。如通过图2中的箭头表示，清洁组合件(48)围绕过滤器组合件(26)旋转，使得刷子(52)清扫滤网(27)的外周(29)并且清除碎屑。一个或多个桨叶(54)可以安装到至少一个辐条(50)的末端，使得流入涡流腔室(24)中的流体使清洁组合件(48)围绕过滤器组合件(26)旋转。使桨叶(54)围绕过滤器组合件(26)均匀地间隔开为清洁组合件(48)的旋转移动增加了稳定性并且可以帮助维持涡流腔室(24)中的涡流流体流动。桨叶(54)和/或清洁部件(52)可以垂直于过滤网(27)的外周(29)放置或可以倾斜(例如，倾斜-5°至-30°或从径向轴倾斜5°至30°)。在过滤器与清洁组合件(26、48)之间可以使用轴承以进一步有助于旋转而不会阻碍涡流流体流动。在未示出的替代实施例中，清洁组合件(48)可以由例如电子电动机、磁力等替代方式驱动。
尽管未按比例示出，但是图4B-C说明清洁部件(52)固定且相对于过滤网(27)的外周(29)径向向内偏置，使得滤网(27)向内可逆地变形平均孔隙大小的0.1倍至10倍的径向距离(D)。在操作中，清洁部件(52)围绕滤网(27)的周边行进，其中所述清洁部件的前边缘使滤网(27)变形。变形程度可以由位于滤网(27)的相对侧上的柔性部件(46)控制。如先前所提及，对于修改孔隙(32)的大小或配置，同时防止滤网(27)的过早开裂或断裂而言，滤网变形的距离(D)是非常重要的。如在图5A-B中提供的理想化视图中所说明，孔隙(32)的大小或配置的变化促进包覆在过滤网(27)的孔隙(32)内的颗粒(56)的清除。清洁部件(52)的机械动作以及扰流流体流动提供额外的清扫动作以有助于颗粒(56)清除。在优选实施例中，清洁部件(52)以至少60RPM的速率围绕外周(29)旋转。
在图6A-6B以及7中所说明的替代实施例中，清洁部件(52)不固定，但是在径向方向上可移动以与过滤网(27)的外周(29)接合。清洁组合件(48)进一步包含以及与清洁部件(52)接合的压缩部件(58)。压缩部件(58)相对于清洁部件(52)提供径向向内的力。压缩部件(58)不受特别限制并且包含弹簧负载装置(包含各种类型的弹簧，例如线圈)、悬臂、螺旋管、扭转、气体(具有压缩气体的圆柱体)等等。在图7中示出的替代实施例中，压缩部件(58)包括围绕清洁组合件(48)的外周伸展和定位的拉伸弹性带以相对于清洁部件(52)提供径向向内的压缩力并且使部件(52)相对于过滤网(27)的外周(29)偏置。在优选实施例中，当清洁部件(52)和过滤网(27)的接合部分开始磨损时，压缩部件(58)相对于清洁部件(52)提供连续(例如，+/-10％)径向向内的力。以此方式，清洁部件(52)相对于过滤网(27)的外周(29)维持所需的预定偏置力并且提供最佳操作的更长周期。可以选择压缩部件(58)的压缩力以基于微孔尺寸、碎屑的尺寸和性质、过滤器类型以及清洁部件的类型(例如，黄铜纤维、尼龙纤维等)最优化性能。优选的压缩力范围在0.05牛顿至1牛顿之间。
在另一优选实施例中，清洁组合件(48)包含围绕过滤网(27)的外周(29)均匀间隔开且相对于过滤网(27)的外周(29)可压缩地加载的多个清洁部件(52)。在又更优选的实施例中，清洁部件(52)中的每一个相对于过滤网(27)的外周(29)施加基本上等效的径向向内的力(例如，+/-5％)。在扰流流体穿过水力旋流器且清洁部件(52)跨越过滤网(27)移动时，此实施例使过滤器组合件(26)稳定(例如，减少振动)。此稳定性会减少磨损和操作低效并且当在高供给速率下操作时尤其有益，其中清洁部件(52)超过60RPM、100RPM以及甚至1000RPM围绕过滤网旋转。
在另一优选实施例中，水力旋流器包含在图4和6中所说明的特征。也就是说。过滤网(27)通过清洁部件(52)可逆地变形，清洁部件(52)在径向方向上可移动，并且压缩部件(58)与清洁部件(52)接合且相对于清洁部件(52)提供径向向内的力。优选地选择压缩部件(58)的压缩力以符合使过滤网(27)可逆地变形平均孔隙大小的0.1倍至10倍的径向距离(D)所必需的力。当清洁部件(52)磨损时，压缩部件(58)径向向内移动清洁部件(52)以施加维持过滤网(27)的所需变形所必需的压缩力。
已经描述了本发明的多个实施例并且在一些情况下，已将某些实施例、选择、范围、组分或其它特征描述为“优选的”。“优选的”特征的此类指定决不应解释为本发明的必需或重要方面。尽管在垂直定向(即，X轴是垂直的)上示出，但是组合件(10)可采用替代定向，例如，水平定向。尽管示出为单个操作单元，但是多个组合件可以通过并联和串联布置耦合，其中滤液或流出物用作下游组合件的供给。

Claims (10)

1.一种水力旋流器(10)，其包括：
储槽(12)，其包含流体入口(14)、过滤后流体出口(16)、流出物出口(18)以及包围至少一个腔室(24)的内周壁(22)；
过滤器组合件(26)，其位于所述腔室(24)内并且包括圆形过滤网(27)，所述过滤网以轴(X)为中心且界定包含穿过其的多个孔隙(32)的同心外周(29)，其中所述过滤网(27)包围与所述过滤后流体出口(16)流体连通的滤液腔室(36)，使得穿过所述孔隙(32)的流体进入所述滤液腔室(36)并且可以借助于所述过滤后流体出口(16)离开所述储槽(12)；以及
清洁组合件(48)，其包括至少一个清洁部件(52)，所述至少一个清洁部件相对于所述过滤网(27)的所述外周(29)偏置并且经调适以围绕所述过滤网(27)的所述外周(29)旋转；
其中所述水力旋流器(10)的特征在于以下各项中的至少一个：
a)所述过滤网(27)通过相对于所述过滤网(27)的所述外周(29)偏置的所述清洁部件(52)可逆地变形平均孔隙大小的0.1倍至10倍的径向距离(D)；以及
b)压缩部件(58)提供使所述清洁部件(52)相对于所述过滤网(27)的所述外周(29)偏置的连续径向向内的力。
2.根据权利要求1所述的水力旋流器，其中所述过滤网(27)通过相对于所述过滤网(27)的所述外周(29)周围偏置的所述清洁部件(52)可逆地变形所述平均孔隙大小的0.1倍至10倍的径向距离(D)。
3.根据权利要求2所述的水力旋流器，其中所述过滤器组合件(26)进一步包括支撑框架(44)，其用于在操作期间将所述过滤网(27)维持在通常圆形的配置中；以及柔性部件(46)，其位于所述过滤网(27)与所述支撑框架(44)之间，所述支撑框架准许所述过滤网(27)可逆地变形所述平均孔隙大小的0.1倍至10倍的预定径向距离(D)。
4.根据权利要求2所述的水力旋流器，其进一步包括：
流体路径(28)，其适用于接收进入的流体并且围绕所述过滤器组合件(26)产生涡流流体流动；
两个垂直对准的腔室，其包含与所述流体入口(14)流体连通的涡流腔室(24)以及适用于从所述涡流腔室(24)接收未过滤流体的流出物分离腔室(30)；
过程流体出口(20)，其与所述流出物分离腔室(30)流体连通，过程流体可以通过所述流出物分离腔室离开所述储槽(12)；以及
流出物出口(18)，其与所述流出物分离腔室(30)流体连通，流出物可以通过所述流出物分离腔室离开所述储槽(12)。
5.根据权利要求1所述的水力旋流器，其中所述清洁部件(52)在径向方向上可移动并且压缩部件(58)提供使所述清洁部件(52)相对于所述过滤网(27)的所述外周(29)偏置的连续径向向内的力。
6.根据权利要求5所述的水力旋流器，其中所述压缩部件(58)包括弹簧负载装置。
7.根据权利要求5所述的水力旋流器，其中所述压缩部件(58)包括弹性带。
8.根据权利要求6所述的水力旋流器，其中所述清洁组合件(26)包含围绕所述过滤网(27)的所述外周(29)均匀间隔开的多个清洁部件(52)。
9.根据权利要求7所述的水力旋流器，其中所述清洁部件(52)各自相对于所述过滤网(27)的所述外周(29)施加基本上等效的径向向内的力。
10.根据权利要求1所述的水力旋流器，其中：
a)所述过滤网(27)通过相对于所述过滤网(27)的所述外周(29)偏置的所述清洁部件(52)可逆地变形所述平均孔隙大小的0.1倍至10倍的径向距离(D)；以及
b)所述压缩部件(58)提供使所述清洁部件(52)相对于所述过滤网(27)的所述外周(29)偏置的连续径向向内的力。
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