CN109562307A - 双锥形多相旋转过滤器 - Google Patents

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Abstract

一种用于过滤的设备，具有污泥进料，所述进料包含液体、固体和气体并被投入到罐中，所述罐包含至少一个旋转分离过滤器，所述旋转分离过滤器包括具有过滤网的过滤锥体组和屏障锥体，所述过滤锥体组和屏障锥体大致平行布置，并在所述过滤锥体组和屏障锥体之间限定锥形工作空间，所述锥形工作空间具有通向罐的外围开口和与支撑屏障锥体和过滤锥体的一个或更多个中空轴的内部连通的中心开口，支撑屏障锥体的上轴具有用于气体排出的上部轴向通道，支撑过滤锥体中心的下轴具有用于液体或油排出的下部轴向通道，用于在所述至少一个旋转分离过滤器中产生旋转的马达工具，和位于过滤锥体下方用于捕捉通过过滤网的滤液的滤液液体储存器。

Description

双锥形多相旋转过滤器
相关申请
本申请要求2016年6月6日提交的美国专利申请第62/392,657号的权益。
背景
污泥脱水过滤器通常包括螺旋压榨机和辊压机以及过滤网，它们通常需要反冲洗循环(backwash cycles)来防止过滤器堵塞。环形横流过滤器，如美国专利7,757,866(2010年7月20日)的McCutchen三相过滤器的特征在于至少一个旋转盘(spinning disk)中具有环形横流过滤器，其运动产生剪切提升效应(shear lift effect)，有助于防止固体堵塞过滤器。盘旋转速度越快，相对于进料的横流运动将越大且剪切提升效应越大。然而，来自快速旋转盘的离心力将使进料更快地向外移动穿过过滤器表面，并减少过滤发生的时间。虽然这种方法可以分离液相、固相和气相，但它不能也同时分离液体油相。所需要的是一种最佳利用剪切提升效应从旋转过滤器表面过滤的方法，增加停留时间，同时分离固相、液相、气相和油相。
概述
包含液体、固体和气体的污泥进料进入包含至少一个旋转分离过滤器的罐，该过滤器包括过滤锥体组，该过滤锥体组具有大致平行布置的过滤网和屏障锥体，并在它们之间限定锥形工作空间。这个工作空间具有通向罐的外围开口和中心开口。中心开口与支撑上部屏障锥体(upper barrier cone)和下部过滤锥体(lower filter cone)的一个或更多个中空轴的内部连通。支撑屏障锥体的上轴(upper shaft)具有用于气体排出的上部轴向通道，并且支撑过滤锥体中心的下轴具有用于液体或油排出的下部轴向通道。
滤液液体储存器位于过滤锥体下方，用于捕获通过过滤网的滤液。对于罐中的单个过滤锥体，旋转过滤锥体的外边缘由连接到静态圆柱形壁的防漏连接部支撑，该静态圆柱形壁限定滤液液体储存器。对于罐中的多个堆叠的过滤锥体组，滤液液体储存器被结合到每个旋转的过滤锥体组中，滤液通过回流管排出到中心轴向轴排放部，并且过滤锥体组的下侧用作屏障锥体，从而界定序列中更靠下的下一个过滤锥体组的工作空间。
在罐中，进料进入罐的进料区，进料区包括罐的在通向工作空间的开口上方的部分。与工作空间开口相对的部分是输入/输出区，而输入/输出区下方的部分是固体区，在固体区中，过滤锥体的运动弹出从过滤表面排出的固体。
旋转屏障锥体的背面上的叶片可用于平流输送(advect)进料以改善其进入工作空间的流动。当进料进入工作空间时，旋转屏障和过滤盘平流输送进料。当滤液液体通过过滤盘落入滤液液体储存器中以待提取时，排出的固体被向外旋转，以重新进入罐中的固体区，在那里，浓缩的固体通过固体排放部排出。同时，当气体通过低压从工作空间向内抽吸并通过上部轴向通道排出时，位于进料顶部的液体油将溢出到下部轴向通道中以用于提取。因此，液体、固体、气体和油的多相可以被连续分离。
对于堆叠的一组过滤锥体组，滤液进入中心轴向排放部。如果罐被竖直分成一个或更多个级，那么来自第一级的滤液可以从中心向外重新进入罐的下一级，然后通过下一级的一个或更多个工作空间从外部进入。每个级的过滤网、角度或旋转特性可以改变，以形成顺序处理序列，以便筛选到连续更精细的分离水平。
对于反冲洗单个过滤锥体，紧靠过滤网的相对静止的反冲洗软管可以迫使液体通过旋转过滤器返回，例如软管的从一端到另一端的线性径向运动足以覆盖旋转过滤网的区域。
为了反冲洗堆叠的过滤器组，过滤器组旋转方向的反向将用于将液体或滤液从中心轴向排放部泵送回来，通过回流管和滤液液体储存器，并通过过滤网返回以将其清洗并向外排出固体。
附图简述
图1示出了双锥形多相旋转过滤器的实施例的横截面。
图2示出了用于切割过滤锥体的模式的实施例。
图3示出了显示扇形设计的过滤器边缘的细节。
图4示出了堆叠过滤器组的示意性半横截面。
图5示出了显示回流通道的示意性横截面。
图6示出了具有堆叠过滤器组的系统。
详细描述
列出的零件
2.进料
4.罐
6.进料入口
8.进料区
10.流型
12.叶片
14.旋转屏障锥体
16.轴向上轴
18.上轴向室
20.屏障锥体的旋转方向
22.上旋转马达
24.用于上部马达的机械联接装置
26.上部元件
28.带有气体出口的容纳罐
30.用于上部元件的旋转密封件
32.贮气罐
34.过滤锥体
36.锥体之间的工作空间
38.过滤网
40.滤液
42.滤液液体储存器
44.外锥体环
46.支撑肋
48.中心块
50.下部轴向轴
52.过滤锥体旋转方向
54.过滤锥体马达
56.过滤锥体的机械联接装置
58.下部元件
60.下部轴向通道
62.用于下部元件的旋转密封件
64.贮油罐
66.泵
68.液体储存器
70.排放部
72.滤液液体储存器壁的顶部
74.储存器壁
76.内密封条
78.外密封条
80.外部密封条的外表面上的叶片
82.固体区
84.固体出口
86.排出的固体流
88.输入/输出区
90.进入工作空间中的向内流
92.填充工作空间的最佳线
94.气体出口泵
96.中心空间
98.过滤网外边缘
100.重叠接缝
102.中心出口孔
104.锥体形状的横截面
106.扇形图案
108.旋转方向
110.流型
112.过滤锥体表面
114.进料区流型
116.旋转轴
118.堆叠组的滤液液体储存器
120.回流管
122.至中心排放部的回流
124.用于堆叠组的过滤锥体的下侧
126.通气孔
128.顶部封闭的轴向排放部
130.堆叠过滤器组
本公开可应用于过滤多种多样的进料，包括海水、粪便、开采材料、工业废物、食品加工、污染沉积物和废水。本公开的优点是该过程的连续性、旋转过滤轮的无堵塞性、同时分离几个相以及该方法的相对低成本和机械简单性。
将首先针对单个锥体组布置描述过滤锥体组及其相关部件，然后针对具有堆叠过滤锥体组的布置描述过滤锥体组及其相关部件，以增加紧凑空间内的有效过滤表面。
在图1中，示出了单个过滤锥体组，进料2通过进料入口6进入罐4，进入进料区8中。在罐4内，进料区中的进料可以通过旋转屏障锥体14上的叶片12以流型10平流输送。
屏障锥体14由轴向上轴16支撑。该轴是中空的，具有上部轴向通道18。屏障锥体通过例如由旋转马达22施加到上轴的机械力沿方向20旋转，旋转马达22联接到机械联接装置24，用于将力传递到轴，机械联接装置24例如是直接联接，或者间接装置例如是驱动轮、风扇带、链条或齿轮，带有适当的轴承和支撑框架。为了耐久性和便于维护，这些上部旋转元件26应该位于罐4的外部。上部元件还包括用于捕获从上部轴向通道18出来的任何提取气体的装置，例如带有气体出口的容纳罐28。为了防止泄漏，应该使用旋转密封件30，在此处其离开罐4并且在此处其进入贮气罐32。
屏障锥体14下方是过滤锥体34。两个锥体14和34被布置成大致平行，并且在它们之间限定了工作空间36。大致平行包括这样的情况，即工作空间在从轴线到工作空间外围的径向方向上在盘之间具有变化的分离距离，例如在外围分离更宽，并且朝着轴线以直线或曲线轮廓逐渐变细。锥体可以是同轴的，或者它们可以彼此偏移，使得工作空间在一侧比在另一侧宽。这允许这样一种布置，其中对于不同模式的进料的向内流动和固体的向外流动，工作空间在一侧更宽，例如，更宽的工作空间允许更多的向内和向外流动，并且更窄的空间具有更高的压力，以使更多的滤液流过过滤锥体。
过滤锥体主要包括通常成形为锥体的过滤网38。这里显示的锥体有30度的拐角角度。锥体形状被设计成允许在过滤器表面处用于过滤的力的最佳平衡。由于盘被淹没的事实，进料2首先被迫向内进入工作空间，由屏障锥体14上的叶片12引起的流型10增大，并且可选地施加在例如上部轴向通道18中的相对较低的压力帮助吸入进料2。过滤锥体的旋转和剪切提升效应相结合，以保持固体远离过滤网38表面，同时允许滤液液体作为滤液40通过孔隙进入滤液液体储存器42。
用于过滤锥体的形状的一个示例性支撑结构是外锥体环44，其通过支撑肋46连接到中心块48，该中心块48联接到下部轴向轴50，其通过例如由马达54施加到下轴的机械力沿旋转方向52转动，该下轴联接到机械联接装置56，用于将力传递到轴，例如直接联接或间接装置，例如驱动轮、风扇带、链条或齿轮，以及适当的轴承和支撑框架。这些下部元件58应该位于罐4的外部，以便于维护。下部元件58还包括用于捕获通过下部轴向通道60的任何提取的油或溢流的装置。为了防止泄漏，应该使用旋转密封件62，在此处其离开罐4并且在此处其进入贮油罐64，在贮油罐64处可以使用泵66提取油以供使用。类似地，滤液通过一个或更多个排放口70和可选的泵从液体储存器68中排出。
重要的是在液体储存器68和罐4内部的其余部分之间保持有效的密封，以防止滤液污染。出于这个原因，保持这种分离的一种可能的方法是具有在过滤锥体的外边缘44和液体储存器68的圆柱形壁74的顶部72之间形成旋转密封。这可以通过例如由合适材料如乙烯基或柔性塑料制成的柔性圆柱形条来实现，这些柔性圆柱形条附接到过滤锥体34并与其一起旋转。内密封条76将倾向于被锥体旋转的离心力压靠在储存器壁74上，从而保持密封，并且外密封条78也可以通过在密封条的外表面上增加叶片80而被向内压靠在壁上，叶片80由于来自叶片穿过固体区82中更致密材料的阻力而向内推动密封条，固体区82通向固体出口84。
固体区82接收来自来输入/输出区88的被过滤锥体34排出的固体流86，同时在输入/输出区中进入工作空间的同时向内的进料流如图1中90所示。
在操作中，用于填充工作空间的最佳近似线以92示出。这允许最大限度地利用过滤锥体的过滤表面积来去除液体，同时允许浮在进料顶部的任何油的偶尔溢流溢出到下部轴向通道60中以进行收集。为了保持该最佳线，气体出口泵94可用于升高或降低上部轴向通道18和中心空间96中的压力，以根据需要吸入或推回进料水平。
如果需要对锥形过滤器进行反冲洗清洁，则滤液液体储存器68可以填充有清洁流体，同时工作空间和外部罐被向下排放到固体区的管线中，并且清洁流体被迫通过过滤器返回。作为增加过滤网背面的局部压力的替代方案，反冲洗流体可以被泵送通过静态径向软管，该软管具有邻近旋转过滤表面的背面的出口槽，以迫使沉积物通过旋转网返回进入工作空间中，从而被排到固体区中。
根据任务需要，过滤锥体可以有不同类型的过滤网。例如，穿孔的不锈钢板可以形成锥体，带有密集图案的圆孔。由于横流，圆孔有利于在每个孔周围建立涡流图案，这有助于排除固体，如van Dinther等人所展示的“High-flux membrane separation usingfluid skimming dominated convective fluid flow”。可以使用由金属塑料、陶瓷或其它合适的过滤网制成的其它类型的过滤网或片，并且可以分段或作为大的连续表面结合到过滤锥体中。可以使用微过滤网，并且为了帮助迫使滤液通过细孔隙，进料室8和工作空间36可以相对于滤液液体储存器68加压。
图2示出用于切割或冲压过滤网的图案。网的外边缘98对应于锥体较大尺寸的外边缘。切口的具有可选重叠接缝100的边缘被联接以形成锥体形状，包括用于中心出口的孔102。所得锥体形状的横截面以104示出。
工作空间中的流型对于过滤锥体的操作非常重要。屏障盘的形状可以是光滑的锥体，或者它可以具有叶片或脊部，这些叶片或脊部可以冲压、3D打印、铸造或以其他成本有效的方式形成。如图3中一个示例的横截面所示，扇形图案106的屏障锥体在旋转方向108上时将工作空间36中的进料平流输送成流型110，该流型110间歇地迫使进料首先朝向和远离过滤锥体表面112。在屏障锥体的背面，进料区中的进料也将以流型114平流输送。屏障锥体中的脊部或叶片可以相对于轴线径向，或者倾斜以形成平流输送叶片。
屏障锥体内侧和外侧上的脊部或叶片引起的平流输送方向可能相同，或者可能需要不同。例如，如图1中以10所示，屏障锥体外侧上的叶片可将进料向轴平流输送，而面向工作空间38的叶片可能需要向远离轴的方向平流输送，以清除排出的固体。这意味着屏障锥体的内侧表面和外侧表面必须具有相对倾斜的叶片。
如图1所示，过滤器和屏障锥体可以同向旋转，或者反向旋转。锥体对也可以堆叠，只要每个锥体对有自己的工作空间，且过滤盘有自己的滤液液体储存器。例如，另一个锥体对可以位于滤液液体储存器68中，具有较小的直径以配合在滤液液体储存器68中，并且在第二过滤锥体下面具有用于再次过滤滤液的第二滤液液体储存器。
在图4的示意性半横截面中示出了集成堆叠过滤器组设计。旋转轴显示为116，罐的表示为4。在该设计中，有多个堆叠的过滤器组，每个过滤器组具有过滤网38下方的滤液液体储存器118和回流管120。过滤器组130的旋转运动用于迫使滤液以流122的形式通过回流管流出滤液储存器118，流122将滤液向内带到中心轴向排放部124。在这种情况下，过滤锥体的下表面126被设计成用作下面的过滤器组的屏障锥体。
在图5中，从下方看到了该堆叠过滤器组130的一个例子，其中屏障锥体表面126被移除。过滤器组的旋转运动132用于迫使滤液以流122的形式通过回流管流出滤液储存器118，流122将滤液向内带到中心轴向排放部124。回流管之间的中心支撑件中的通气孔以134示出，其允许气体在堆叠过滤器组的工作空间的顶部处竖直逸出。
图6示出了具有堆叠过滤器组的设备的视图。堆叠体被显示为封闭在罐4中，顶部的屏障锥体14由上部旋转马达22旋转，且堆叠的过滤器组由底部旋转马达54旋转。相对旋转可以是反向旋转、共同旋转或以不同速度的旋转。每个堆叠过滤器组130中的回流管120将滤液返回到中心排放部124，在那里滤液泵66有助于提取，特别是这时排放管的顶部被关闭，如这里所示，因此可以产生通过回流管的抽吸。为了反冲过滤网，滤液泵可以反转以迫使滤液通过过滤网返回，这可以通过反转过滤器组的旋转方向来辅助，也将有助于迫使滤液沿相反的方向通过回流管返回。被排出的固体，或者来自过滤网的反洗固体，将在罐中浓缩，以通过排放部提取，排放部可以包括诸如过滤器的部件，或者诸如螺旋输送机的装置。
如果罐和中心排放部被竖直分成一个或更多个级，那么来自第一级的滤液可以从中心向外重新进入罐的下一级，然后通过下一级的一个或更多个工作空间从外部进入。每个级的过滤网、角度或旋转特性可以改变，以形成顺序处理序列，以便筛选到连续更精细的分离水平。
为了反洗如图1所示的单个过滤锥体，紧靠过滤网的相对静止的反洗软管可以迫使液体通过旋转过滤器返回，例如软管从一端到另一端的线性径向运动足以覆盖旋转过滤网的区域。
罐应具有合适的尺寸和形状，以便长时间运行和低成本。它可以是圆柱形的，这可以在输入/输出区88中相对于盘的边缘产生对称的入口和出口流型。或者它可以是矩形或正方形，这可以在拐角处产生相对的“死区”，这有助于固体在固体区82中的沉降。一个例子是Den Hartog ST0120-32 120加仑聚乙烯罐，它大致呈高立方体的形状，并具有凹槽侧面，这增加了它的强度，还会进一步扰乱进料的运动，并鼓励沉降在排放出口所在的下角中。
支撑罐的框架以及顶部和底部上的机械部件应与罐相匹配，并设计为耐用和易于维护。
这种简单且可扩展的过滤方法应该有许多应用。例如，低至0.5微米(霍乱病毒的宽度(the width of the rod of a cholera virus))的过滤将保护水源，包括船只上的压载水。脱水污泥，包括农业和工业废物，允许水被循环利用，同时固体可以通过诸如申请人的用于热解的剪切干馏器(Shear Retort)(美国专利9,011,646)转化为产品。
虽然以上已经具体示出和描述了本实施例，但是本领域的普通技术人员将理解，在不脱离由以下权利要求限定的本实施例的精神和范围的情况下，可以在其中在形式和细节上进行各种改变。

Claims (14)

1.一种用于过滤的设备，包括：
污泥进料，所述污泥进料包含液体、固体和气体，所述污泥进料被供给到罐中；
所述罐包含至少一个旋转分离过滤器，所述至少一个旋转分离过滤器包括过滤锥体组，所述过滤锥体组包括：
过滤网和屏障锥体，所述过滤网和所述屏障锥体大致平行布置，并在所述过滤网和所述屏障锥体之间界定锥形工作空间；
所述锥形工作空间具有通向所述罐的外围开口和与支撑所述屏障锥体和所述过滤锥体的一个或更多个中空轴的内部连通的中心开口；
支撑所述屏障锥体的所述上轴具有用于气体排出的上部轴向通道，支撑所述过滤锥体的中心的所述下轴具有用于液体或油排出的下部轴向通道；
马达装置，其用于在所述至少一个旋转分离过滤器中产生旋转，以及
滤液液体储存器，所述滤液液体储存器位于所述过滤锥体下方，用于捕获通过所述过滤网的滤液。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述过滤锥体的外边缘由连接到静态圆柱形壁的防漏连接部支撑，所述静态圆柱形壁限定所述滤液液体储存器。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述屏障锥体的背面上的叶片平流输送所述罐中的所述进料。
4.如权利要求1所述的设备，其中，紧靠所述过滤网的相对静止的反冲洗软管迫使液体通过所述旋转过滤器返回。
5.如权利要求1所述的设备，其中，所述反冲洗软管具有足以覆盖所述旋转过滤网的区域的线性径向运动。
6.如权利要求1所述的设备，其中，多个分离过滤器被堆叠地布置。
7.如权利要求6所述的设备，其中，所述滤液液体储存器被结合到每个旋转的过滤锥体组中，其中滤液通过回流管排出到中心轴向轴排放部，并且所述过滤锥体组的下侧用作所述屏障锥体，界定了序列中更靠下的下一个过滤锥体组的工作空间。
8.如权利要求6所述的设备，其中，所述罐被竖直分成一个或更多个级，并且来自第一级的滤液从中心向外重新进入所述罐的下一级，然后通过下一级的一个或更多个工作空间的外围开口从外部进入。
9.如权利要求6所述的设备，其中，每个级的所述过滤网、角度或旋转特性是变化的，以形成顺序处理序列。
10.如权利要求6所述的设备，其中，所述分离过滤器组的旋转方向的反向将液体或滤液从所述中心轴向排放部泵送回来，通过所述回流管和所述滤液液体储存器，并通过所述过滤网返回，以清洁液体或滤液并向外排出固体。
11.如权利要求1所述的设备，其中，浓缩固体通过所述罐中的固体排放部排出。
12.如权利要求1所述的设备，其中，气体通过所述上部轴向通道排出。
13.如权利要求1所述的设备，其中，位于所述进料的顶部的液体油溢流到所述下部轴向通道中以用于提取。
14.一种用于多相过滤的方法，包括：
将含有液体、固体和气体的进料引入具有输入/输出区的罐中；
与至少一个旋转分离过滤器中的锥形工作空间连通，所述旋转分离过滤器包括屏障锥体和具有过滤网的过滤锥体；和
收集通过所述过滤网的滤液，同时将排出的固体浓缩在所述罐中的固体区中。
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