CN108367215A - 用于过滤悬浮物的设备 - Google Patents

Abstract

为了获得从液体中的悬浮物回收的固体颗粒的滤饼，颗粒在液体渗过的过滤器(15)后积聚，液体入口管(28)进入圆筒形腔室(30)的连接包括扩散器(29)，扩散器具有分散通道(31)，分散通道用于扩展流并且使得流速和流量在腔室(30)的截面中是均匀的，尤其是促进周缘流动，使得能够获得具有均匀特性的滤饼。

Description

用于过滤悬浮物的设备

技术领域

本发明的主题是一种用于过滤固体颗粒的悬浮物的设备，该悬浮物最初存在于液体中、通过过滤器保留并在过滤器上形成所谓的滤饼。

背景技术

固液分离是许多诸如药物、农业食品、能源、水处理、生物工程等的工业应用中的非常普遍的化学工程操作。已经开发了各种各样的分离技术，其中除了过滤之外，还涉及那些采取通过密度差异对材料进行分离的技术。

可以对通过固液分离形成的固体滤饼进行测试，以确定固体滤饼的一些特性，诸如固体滤饼的多孔结构的渗透性和压缩性。然而，滤饼的特性取决于所应用的分离技术，特别是取决于该分离技术对滤饼均一性的影响。

以上提出的两个特性可以利用测试来评估，在测试时，活塞逐渐下降到圆筒形单元中，在该单元中形成滤饼并且过滤器位于该单元末端处。对活塞施加连续的压力斜坡，以便逐渐压缩滤饼，使得活塞逐渐地压出含在滤饼中的液体。随时间推移排出的液体质量被测量并且能够确定滤饼的流动阻力和压缩性。然而，遇到了一些限制，特别是壁的影响，其由于边缘效应而会干扰结果并在测量单元上施加最小的半径，因此滤饼的体积相对较大，以免对结果造成偏差：根据标准NFT 97001，单元直径必须至少为5厘米。因此，这需要使用多于十克的固体物质来形成滤饼，并且对于弱浓缩混合物，使用达到数升的大体积悬浮物。应该补充的是，测试可能会持续数日。一些简化的设备包括装有过滤介质的真空过滤系统来代替活塞，并且由于抽吸使滤饼承受负压力。渗透性测量仍然是可能的，但是0巴到1巴之间的压力研究范围太小而不能获得由难以过滤的悬浮物形成的滤饼的压缩性参数。

然而，已经开发出了其他设备和方法。文献EP 0 104 785 A3描述了用于测量流体的过滤性的装置和方法。该装置由一个可加压的圆筒组成，并且在中等高度处容纳过滤介质。流量测量能够推断出流体的过滤性，从而说明过滤介质的阻力。但是，没有考虑其中流体被浓缩的悬浮物的影响，并且测量不涉及流动阻力。

文献WO 2007/054 146 A1描述了该方法的衍生方法，其然后根据温度的变化被实施。这里也没有提到过滤介质的固体悬浮物和流动阻力的影响。

WO 2002/066 140 A1详细描述了用于测量弱浓缩液体(诸如啤酒和葡萄酒)的过滤性的装置。由软件执行的程序能够使测量自动化。通过记录初始流量和最终流量并通过计算获得相对过滤性的比率来进行测量。该装置的单元具有12.5cm²的表面积。该装置不适于测量固体悬浮物的阻力。同样地，没有提出滤饼结构以及压缩性。

WO 1995/018 198 A1描述了一种用于过滤和燃烧来自内燃机的碳质材料的方法。它包括以下安排：

-以10ppm到500ppm(以质量计)、优选为20ppm到200ppm的浓度将稀土衍生物或稀土混合物引入燃料中；

-在过滤器上收集由内燃机产生的煤烟，进入过滤器的气体的温度被选择在100℃到350℃之间的范围内；

-允许煤烟累积，直到达到以下的状态：在该状态下，大部分进入的煤烟被过滤器上的煤烟滤饼中的煤烟的燃烧所抵消，并且只要由煤烟引起的压头损失没有超过预选值就不设想任何再生，该预选值不超过400毫巴。但是，它并未提出相关的测量，甚至没有为更高的压头损失提出改进。

US 4 514 306 A描述了用于确定为获得具有恒定和最佳阻力的滤饼所需的絮凝剂的量的方法和装置。该测量是通过记录压力和记录滤饼在3.5巴下在各个位置的流量进行的。然而，该方法是耗时的并且材料昂贵，并且不适合于测量滤饼压缩性。

WO 2002/077 555 A1涉及一种用于测量冷冻干燥的滤饼的阻力的系统和方法。它包括利用活塞推动滤饼，因此具有上述缺点。

在石油工业中，土壤压缩性经常成为研究的主题。EP 1 553 260 A2开发了一种用于研究污泥压缩性的模块。该方法使用位于邻近钻孔的地下地层中的井底工具。因此压缩性测量对于实施来说仍然是局部的且复杂的；它不适于实验室，也不能直接测量流动阻力。

WO 2008/144 165 A涉及一种用于测量钻井液的特征的自动化方法，其包括量化通过过滤钻井液的样本而形成的固体的质量。该文献没有提及过滤性和/或压缩性的概念，因为它仅涉及钻井液的特征。

US 5 954 922 A描述了在造纸工业中也寻求流动阻力测量的方法，该方法通过现场检查来测量造纸纸浆悬浮物的压缩性和阻力。通过随时间推移测量过滤罐中剩余的高度来执行测试。所遇到的大约为数十厘米的尺寸以及约为一小时的时间尺度不适合小型化实验室的要求快速的测量。

发明内容

本发明的第一个优点是它能够处理几立方厘米的非常小体积的固体滤饼，而不用担心容纳滤饼的单元的壁的破坏性影响，并且测试时间非常短。

通过滤饼的均一的结构，能够确保滤饼特性的良好测量质量，均一的结构与通过滤饼的均匀的流动条件相关，这使得能够有利地应用测量方法，在该测量方法中，不使用压缩活塞而是对液体施加压力以测量压缩性和渗透性；实际上，这些方法具有对边缘效应具有非常低的灵敏度的优点，从而这些方法能够在不会明显干扰测量结果的情况下减小单元直径和待形成的滤饼体积，但是要保证通过滤饼的流的均匀性以及滤饼的均一性。

本发明的另外的优点是：通过高度模块化设备的部件来改变测试执行情况的容易性；以及容易将设备限制在防护罩中的可能性，由此由于被设备实现的小尺寸和简单设计而使得能够例如使用远程处理设备来容易地研究有害物质。

以一般的形式，本发明涉及一种对带有固体颗粒的液体进行过滤的设备，该设备包括单元和流体流动设备，单元包围用于形成固体颗粒的滤饼的腔室，流体流动设备包括导管和过滤器，所述导管通向腔室的上游侧，所述导管通过联接设备而被连接到腔室，所述联接设备具有比腔室的横截面小的横截面，所述过滤器止挡固体颗粒并且位于腔室的下游侧，其特征在于，联接设备包括流的与腔室邻近的扩散器，所述扩散器由将联接器连接到腔室的多个通道穿过，通道包括分散通道，所述分散通道具有通向腔室的以圆的形式布置的多个孔，所述圆具有比联接器的半径大的横截面。

扩散器能够将流体流分布在滤饼的整个横截面上，从而避免将所述流体集中在其中心轴线上，这对于这些设备通常是这种情况，其中圆柱形滤饼通常应该具有比流动管道更大的直径，以限制边缘效应对滤饼结构和测试质量的影响；甚至在单元和流的减少了这些边缘效应并因此能够稍微减小最小滤饼直径的有利布置的情况下，这种需要仍然存在。

它还能够使用带有悬浮物的液体的具有小很多的直径的入口导管，以便有利于导管中的流速度，该速度即使在非常低的流量下也足以防止液体沉降。

附图说明

现在将参考以下附图描述本发明的这个主要方面以及其进一步的方面、特征和优点：

-图1是存在于本发明中的过滤和测试装置的实施例的总体视图；

-图2示出了该装置的过滤单元；

-图3和图4示出了本发明的特征扩散器的两个可能的实施例；

-以及图5示出了过滤装置的另一个实施例。

具体实施方式

参考图1。罐1容纳有悬浮物，其中与液体平衡的固相旨在形成待研究的滤饼。在罐中包含搅拌器2，该搅拌器可选地由可远程移动的呈不带边缘的橄榄形状的磁棒组成。搅拌器的作用是通过剪切悬浮物来保持悬浮物的均一性而不影响固体的构型，这要归功于对混合物的温和的搅拌和棒的形状。该设备的主要部件是单元3，该单元通过导管4连接到罐1。在该特定实施例中，单元3包括三个相同的样式(exemplaires)，该三个相同的样式由分配阀27单独地服务，该分配阀将导管4的分支连接件28连接到单元3。每个单元3在其下部包括出口5，该出口由配备有阀并悬于天平6或悬于用于测量从该出口5流出的液体的体积或质量的其他设备上的管组成。该设备的其他部件是通过泵8连接到导管4的漂洗容器7、尤其连接到单元3的排液罐9、通过导管11连接到罐1的顶部并且通过另外的导管12连接到导管4的压缩空气供给部10，并且该导管12配备有压力调节器13。该压力调节器可以用具有类似压力测量的可调节减压器代替。操作或多或少是相同的，然而，操作者参与了对该设备的测试的控制和进程，使其变得更简单并且成本更低。液体的压力可以通过位于单元3上游的再循环泵来维持。

参考图2。单元3是圆筒形的，并且其轴线是竖直的。单元的侧壁19是连续的。单元的底部由塞子14构成，塞子容纳有过滤组件15(在此由过滤器和镂空式过滤器支架组成)。塞子14包括位于过滤组件15下方的下部孔口16，并且该下部孔口用作连接到出口5的导管的连接件。塞子进一步包括凸缘17，该凸缘延伸过两个相对的回转型部段并适于进入侧向壁19的凹槽18，该凹槽延伸过类似的部段。最后，在塞子14的外部设置有操作挺杆(taquets)20以实现手动旋转。在所示的位置中，凸缘17容纳在凹槽18中并且塞子14保持在单元3的底部。如果执行直角回转，则凸缘17从凹槽18出来并且塞子可以从单元3分离。

单元3的壁19的顶部被穿孔以在相应的分支连接件28处接纳扩散器29。扩散器29的形状为圆筒形并界定了存在于单元3中的腔室30的顶部面，其中过滤元件15形成底部面。扩散器29将在图3顶部螺纹连接的分支连接件28连接到腔室30，但是用于调节流量的喷嘴33插入在分支连接件28和扩散器29之间。分支连接件28与腔室30之间的联接器具有比腔室31的横截面更窄的横截面，在腔室中，应当形成具有足够的直径的滤饼以使所测量的特征摆脱边缘效应。作为联接器的与腔室30相邻的部分的扩散器29适配于分支连接件28和腔室30之间的具有最大直径的流道直径。事实上，扩散器包括分散通道31，该分散通道通过使源自分支连接件28的流分散而将该流分布在腔室30的整个横截面上并且特别是分布在腔室的边缘附近。

如图3所示，示出了可设想的第一实施例，通道31的数量为八个、沿着扩散器29的圆周被均匀地分布，并且通道的在腔室30中的开口接近其外直径。

该特定实施例提供了关于液体穿过腔室30的横截面的流量和速度的令人满意的均匀性，从而在形成滤饼时，确保了滤饼的结构和特性的令人满意的均匀性。

通道网的另外的构型显然是可能的，并且例如可能提出图4中的设计，其中中心通道32已被添加到前面的通道中，以优化单元30的中心处的流动，如果需要的话。通道31和32的直径对于获得流的均匀性没有重要意义。

测试可以如下进行。罐1经由导管4上的阀的开口连接到单元3中的一个单元。压力由压缩空气供给部10施加。单元3在最好的情况下已经充有带有悬浮物的液体。然后打开出口5，液体逐渐流入位于天平6上的收集容器中，并且悬浮物积聚在单元4中，以形成滤饼。计算函数t/V＝f(V)并给出流动阻力；t表示时间，V表示排放的且被天平称量的液体的体积。

一旦过滤完成，压缩空气供给部10就通过打开位于导管12和4的接合处的阀25经由导管12和4连接到单元3。对滤饼进行干燥。然后可以通过使用压缩空气的机械压力移除塞子14来移除滤饼而没有任何不利影响。

在该方法的最后步骤中，借助于容器7的内容物并通过打开阀26将该容器连接至导管4来产生漂洗。液体冲洗导管4、单元3并终止于排液罐9。

图5示出了过滤和测试装置的另一个实施例。许多部件类似于图1的实施例中的部件，该类似的部件为罐1、磁性搅拌器2、单元3、出口5和天平6，并且将不再对这些部件作进一步描述。然而，单元3是单个单元，并且罐1正好位于该单元上方并且通过替代导管4的竖直导管34与该单元连接。开关阀35被放置在导管34上。开关阀连接到压缩空气网37的下部分支连接件36，该压缩空气网进一步包括通向罐1的顶部的上部分支连接件38和通向分支连接件36和38的进气分支连接件39。进气分支连接件39连接到未示出的压缩空气源并且包括关闭阀40；并且上部分支连接件38包括减压器41和关闭阀42。因此，打开阀40使得能够将压力引入罐1中(在阀42打开时)或者引入单元3中以便排流。减压器41使得能够施加各种压力设定点。已经示出了一些也存在于前述实施例中的常规传感器，但是未示出的是，即罐1中的温度传感器43和压力传感器44。配备有关闭阀46的上部导管45使得能够向罐1填充待研究的液体。

接下来描述的是过滤过程中涉及的物理现象。压头损失包括由滤饼引起的部分和由基底(即过滤器15)引起的另一部分。通过滤饼(该滤饼被认为是由全部相同且断开的圆筒形毛细管穿过的固体块)的压头损失可以通过下式估算：其中μ是动态流体粘度，U₀是毛细管中的流体的平均速度，L是滤饼厚度，是滤饼相对于球体的形状因子，De是与滤饼具有相等体积的球体的直径，ε是其基于常规泊肃叶(Poiseuille)方程的孔隙度，该方程给出了在层流条件下针对粘度参数为μ和速度参数为U的流体在具有长度为I和直径为d的尺寸的圆筒形导管(在此为毛细管)中的压头损失，该压头损失在此鉴于低流量和孔径而被强有力地证明。

此外，通过达西(Darcy)方程给出了过滤基底的阻力，其中，ΔPs是由于基底引起的压头损失，Ω为过滤横截面，μ再次表示流体粘度，是随时间获得的体积变化，以及Rs是阻力。然后由方程 给出总压头损失，对于在恒定压力下进行操作的情况，其可以被积分成形式，其中w表示悬浮物相对于滤液的体积单位的干燥的固体质量，并且α是适合于表达流动阻力的系数 ΔP_T实际上与施加于液体的超压相对应。因此可以看出，曲线的斜率与该流动阻力成正比：因此，该斜率的测量结果给出了系数α，因为参数ΔP_T和Ω对用户是已知的，并且可以通过进一步的测试来获得μ和w。通过致动调节器23来以不同的压力重复过滤，获得α的不同的值，并且可以根据公式推断出滤饼的压缩系数n。

不偏离单元3的侧壁的层流和有规律的流的条件通过扩散器29以改进的方式提供。用大约1克的固体物质可以获得足够的测量结果。设备上所需的处理操作可大幅减少，并可经由防护罩通过远程处理来完成。由于能够容易地拆卸塞子14，所以流体容易收回，固体滤饼也容易收回。

因此，根据本发明的配备有扩散器29的设备使得能够在满意的条件下同样出色地研究具有低流动阻力(对于低流动阻力，形成均匀的滤饼通常是困难的)和高流动阻力的悬浮物：在高流动阻力下，测量结果于是容易受到由于滤液流量的降低而引起悬浮物在的单元3上游的流中沉降的影响，但是扩散器29允许使用相对于单元具有非常小内直径(可选地为0.5cm或更小；例如1cm)的导管4、28、34，其中速度保持足以通过使腔室30中的流扩宽到远大于该内直径(例如5倍大或更多)来避免该沉降。

扩散器29可以有利地由PTFE(polytetrafluoroethylene，聚四氟乙烯)制成，以防止被液体和悬浮物润湿。

Claims (6)

1.对带有固体颗粒的液体进行过滤的设备，所述设备包括单元(3)和流体流动设备，所述单元包围用于形成所述固体颗粒的滤饼的腔室(30)，所述流体流动设备包括导管(4，28和34)和过滤器(15)，所述导管通向所述腔室的上游侧，所述导管通过联接设备被连接到所述腔室，所述联接设备包括比所述腔室的横截面小的横截面，所述过滤器止挡所述固体颗粒并且位于所述腔室的下游侧，其特征在于所述联接设备包括流的与所述腔室邻近的扩散器(29)，所述扩散器由将联接器连接到所述腔室(30)的多个通道(31，32)穿过，并且所述通道包括分散通道(31)，所述分散通道具有通向所述腔室的以圆的形式布置的多个孔，所述圆具有比联接器的半径大的横截面。

2.根据权利要求1所述的对带有颗粒的液体进行过滤的设备，其特征在于，在所述圆上具有至少八个分散通道。

3.根据权利要求1或2所述的对带有颗粒的液体进行过滤的设备，其特征在于，所述通道包括由所述分散通道(31)围绕的中心通道(32)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的对带有颗粒的液体进行过滤的设备，其特征在于，所述导管具有0.5cm或更小的内直径。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的对带有颗粒的液体进行过滤的设备，其特征在于，所述腔室(30)的直径与所述导管(4，28，34)的内直径之比为5或更大。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的对带有颗粒的液体进行过滤的设备，其特征在于，所述扩散器(29)由PTFE制成。