CN110121388A

CN110121388A - 颗粒分离器和颗粒分离方法

Info

Publication number: CN110121388A
Application number: CN201880005551.3A
Authority: CN
Inventors: 布莱恩·普赖斯
Original assignee: SABIC Global Technologies BV
Current assignee: SABIC Global Technologies BV
Priority date: 2017-01-09
Filing date: 2018-01-09
Publication date: 2019-08-13
Also published as: WO2018129527A3; US20190374956A1; WO2018129527A2; EP3565671A2

Abstract

公开了一种用于包含分散在其中的不同尺寸的固体颗粒的第一流体的颗粒分离器，其包括第一流体的流动路径。腔室设置在第一流体流动路径下方。腔室包括邻近第一流体流动路径并在第一流体流动路径下方的开口上部。第二密度的第二流体设置在腔室中，该第二密度大于第一密度。第二流体在腔室开口上部与第一流体流动路径接触。

Description

颗粒分离器和颗粒分离方法

背景技术

各种材料的固体颗粒用于大量应用中。仅举几个例子，固体颗粒可y以用作增材制造方法中的构建材料，作为分散在固体基质材料中的填料，作为液体的增稠剂或其它功能性添加剂，或作为化学或其它制造方法中的中间材料。固体颗粒可以是各种尺寸，并且用于制备或收集固体颗粒材料的方法可以导致具有不同粒度分布的固体颗粒的群体。在各种情况下，可以将不同尺寸的颗粒与具有更宽的粒度分布的颗粒群体分离。例如，市场实践或其它因素，例如各种应用的目标粒度要求，可以是促进固体颗粒按尺寸分离的因素。

发明内容

在一些实施方式中，用于包含分散在其中的不同尺寸的固体颗粒的第一流体的颗粒分离器包括第一流体的流动路径。腔室设置在第一流体流动路径下方。腔室包括邻近第一流体流动路径并在第一流体流动路径下方的开口上部。第二流体以第二密度设置在腔室中，该第二密度大于第一密度。第二流体在腔室的开口上部与第一流体流动路径接触。

在一些实施方式中，分离不同尺寸的颗粒的方法包括使处于第一密度并且包括不同尺寸的固体颗粒的第一流体流动穿过设置在腔室中的第二流体的上表面。第二流体处于第二密度，该第二密度大于第一密度。根据该方法，第一尺寸分布的颗粒从第一流体转移到第二流体。第二尺寸分布的颗粒留在第一流体中。

通过以下附图和详细描述例示说明上述和其它特征。

附图说明

以下附图是示例性实施方式，其中相同元件编号相同。

图1以侧视图示出了颗粒分离器的示例性实施方式。

图2以侧视图示出了多腔室颗粒分离器的另一示例性实施方式。

图3以侧视图示出了多腔室颗粒分离器的另一示例性实施方式。

图4以顶视图示出了图3的示例性实施方式。

图5以斜视图示出了图3的示例性实施方式。

图6示出了多腔室分离器的另一示例性实施方式。

具体实施方式

参考附图，图1示出了颗粒分离器10的示例性实施方式。如图1所示，粒度分离器10包括腔室11，腔室11可以如图1所示由前壁12、后壁14和底壁16形成。示出了沿着由箭头20表示的第一流体流动路径设置的第一密度的第一流体18。分散在第一流体18中的不同尺寸的颗粒，如由多个小颗粒22、多个中颗粒24和多个大颗粒26示出。示出了设置在由前壁12、后壁14和底壁16形成的腔室中的大于第一密度的第二密度的第二流体28。如图1中进一步所示，腔室中的第二流体28沿着流体边界30设置在第一流体路径的下方并且邻近第一流体路径穿过腔室11的开口上部。

在图1中示出处于运行状态的颗粒分离器10，其中具有分散在其中的不同尺寸的颗粒的第一流体18沿第一流体流动路径在由上部气体空间32和流体边界30限定的箭头20的方向上流动。根据斯托克斯定律在重力作用下流体中较大的颗粒可以获得比较小颗粒更高的终端速度，因为流体中颗粒的负浮力克服了阻止颗粒通过流体的运动的摩擦力。因此，当带有颗粒的第一流体18在箭头20的方向沿着第一流体流动路径水平移动了流体在流体边界30所代表的腔室11的开口部分上移动所需的时间段时，在重力作用下，大颗粒26倾向于比中颗粒24和小颗粒22更快地向下沉降。这导致大颗粒26穿过流体边界30进入第二流体28，而中颗粒24和小颗粒22沿着第一流体流动路径被携带。与小颗粒22和中颗粒24分离的大颗粒26在底壁16处继续沉降到腔室的底部，在那里可以收集它们。

在一些实施方式中，颗粒分离器可包括多个腔室，其邻近并沿着由箭头20表示的第一流体流动路径串联布置。图2中示出了包括多个腔室的颗粒分离器10a的示例性实施方式。如图2所示，颗粒分离器10a包括由前壁12、后壁14和底壁16形成的第一腔室11，由后壁14(用作第二腔室的前壁)、壁34和底壁16形成的第二腔室32，以及由壁34、壁38和底壁16形成的第三腔室36。根据斯托克斯定律，大颗粒26在重力作用下具有比中颗粒24更高的终端速度，中颗粒24具有比小颗粒22更高的终端速度。大颗粒26的较高的终端速度使得它们在第一流体18在第一腔室上方的空间上移动所消耗的时间内在重力作用下向下沉降到第一腔室中。在第一流体18移动经过第一腔室上方的空间并经过第二腔室上方的空间所消耗的更长时间段内，中颗粒24的较低的终端速度导致它们在重力作用下向下沉降到第二腔室中。在第一流体18移动经过第一腔室和第二腔室上方的空间并经过第三腔室上方的空间所消耗的甚至更长时间段内，小颗粒22的甚至更低的终端速度导致它们在重力作用下向下沉降到第三腔室中。

图1和图2中描绘的示例性实施方式可以在颗粒分离器的腔室中提供尺寸分离的颗粒的累积，这允许以分批或半分批模式操作。在一些实施方式中，腔室可以配备有出口或出口和入口和如图3和4所示的出口。在一些实施方式中，这样的出口或入口，或出口和入口两者可以允许在连续、半间歇或间歇操作模式之前、期间或之后，从腔室中除去颗粒或流体、除去颗粒和流体、除去和补充流体、循环流体或它们的任何组合(例如，流体循环和从循环流体中除去颗粒)。如图3侧视图和图4顶视图所示，第一腔室11配备有入口40和出口42，第二腔室32配备有入口44和出口46，且第三腔室36配备有入口48和出口50。在一些实施方式中，入口和出口可一起操作以提供由箭头52表示的通过腔室11的流动路径，或由箭头54表示通过腔室32的流动路径，或由箭头56表示的通过腔室36的流动路径，或通过腔室的所有这些流动路径，或通过腔室的任何流动路径的组合。在一些实施方式中，如图3和图4中所示，流动路径52、54、56穿过腔室的方向可以横向于第一流体流动路径20的方向。在一些实施方式中，如图3和图4中所示，穿过腔室的流动路径52、54、56可以位于腔室11、32、36的底部附近。

如上所述，当第一流体18在箭头20的方向沿着流动路径移动时，当颗粒在重力作用下沉降出第一流体18时，根据斯托克斯定律，颗粒的向下速度的基于粒度的差异可以提供水平地沿着第一流体流动路径的方向的颗粒的基于粒度的颗粒分离。在一些实施方式中，本文公开的颗粒分离器实施方式可以提供解决现有技术分离器遇到的问题的技术效果，现有技术分离器依赖于逆流布置，其中向上流动的流体携带小颗粒，同时较大颗粒向下沉降。然而，在这些颗粒中沿相反方向移动的颗粒可以彼此相互作用，使得向下移动的大颗粒干扰向上移动的小颗粒并向下携带它们，从而降低粒度分离的有效性。本文公开的颗粒分离器实施方式可以通过保持所有颗粒在相同的总体方向上向下移动同时依赖于基于尺寸的速度差来进行颗粒分离来解决该问题。

在一些实施方式中，通过避免或最小化第一流体18中的涡流或其它流体流(其可能干扰由重力引起的依赖于粒度的向下速度)可以促进本文公开的颗粒分离的有效性。在一些实施方式中，系统可以设计和操作使用小于或等于50的雷诺数的第一流体。在一些实施方式中，系统可以设计和操作使用小于或等于30的雷诺数的第一流体。在一些实施方式中，系统可以设计和操作使用小于或等于20的雷诺数下的第一流体。在一些实施方式中，系统可以设计和操作使用小于或等于10的雷诺数的第一流体。雷诺数由方程式Re＝ρvL/μ定义，其中ρ表示流体的密度，v表示流体相对于流体中的物体的特征速度，L表示第一流体中的特征长度，在这种情况下，其可以是第一流体流过的通道的宽度，且μ表示流体的动态粘度。因此，操作期间第一流体的雷诺数可以通过与流动的流体接触的设备组件的任何物体或表面的系统设计参数，操作流体速度(其转而可以取决于流体的动态压力和流体流动通道的横截面积的设计参数)，以及流体材料的密度和动态粘度特性的选择来控制。

在分离器的设计和操作中可以考虑流动不稳定性和速度场变化的几种潜在来源。流体的一种稳定性考虑因素仅是通道流动不稳定性，其可以在Re>1000下发生。另一个稳定性考虑因素是剪切驱动的不稳定性，其中移动的第一流体驱动第二致密流体中的不稳定性增加。在一些实施方式中，该第二不稳定性可以通过使用倾斜的壁来控制，如后壁14、34、38的角度，其显示与第一流体流动路径20的方向形成锐角。另一个考虑因素是速度场本身。即使是稳定的，速度的任何变化都会影响基于尺寸的颗粒分离的有效性。

在一些实施方式中，颗粒分离器的结构设计特征可以影响雷诺数和其它流动特性。例如，如图5所示，第一流体18在箭头20方向上的流动路径可以接近靠近底部的前壁12，从而在设置在腔室11、32和36中的第二流体28上水平行进之前，需要在前壁12上垂直上升，由流动方向箭头21所示。在一些实施方式中，第一流体流动路径的这种重定向可以降低流体速度并破坏在将流体泵送或输送到颗粒分离器期间可能形成的涡流。在一些实施方式中，流动引导件可以沿第一流体流动路径设置以减小涡流。例如，如图5所示，流动引导件57可以沿第一流体流动路径设置，包括沿第一流体流动路径的方向设置并平行于第一流体流动路径的挡板58。当然，这些仅是用于减小涡流的技术和部件的实例，并且也可以使用其它设计特征。此外，应该注意，尽管图5示出了第一流体(箭头21)和流动引导件57的重定向的流动路径，但这些特征和任何其它特征可以彼此独立地或组合地使用。

如上所述，如密度和动态粘度的流体性质可以影响用于获得通过尺寸的颗粒分离的流体流动性质。当然，流体应该具有比颗粒更低的密度，使得颗粒在流体中向下沉降而不是上升。在一些实施方式中，第一和第二流体可以是液体。在一些实施方式中，第一和第二流体可以是气体。在一些实施方式中，第一流体可以是气体，且第二流体可以是液体。在其中第一流体是气体的一些实施方式中，由于如流体密度和粘度的因素对流动的第一流体中的颗粒向下的速度的影响，粒度可能小于其中第一流体为液体的实施方式。在其中第一和第二流体是液体的一些实施方式中，液体可以是彼此可混溶的。在其中第一流体和第二流体是液体的一些实施方式中，液体可以是彼此不混溶的，尽管可能需要注意避免在流体边界30处的表面活性效应，其可能干扰从第一流体进入第二流体的颗粒的向下路径。如上所述，第二流体具有比第一流体更高的密度。在一些实施方式中，该密度差可以促进第一流体的水平流动，并且有助于避免第一流体向下迁移到腔室中，其可能破坏颗粒的基于重力的向下沉降，其速度根据斯托克斯定律取决于粒度。在一些实施方式中，流体可已包括单一的化合物(例如，一种流体可以是水，且另一种可以是醇)，或者它们可以是包括不同化合物的混合物的组合物。在一些实施方式中，可以通过包括溶质(例如，在水中或极性溶剂中的溶解的盐)来控制流体的密度。在包括邻近第一流体流动路径和在第一流体流动路径下方设置的多个腔室的一些实施方式中，在每个腔室中可以使用相同的流体作为第二流体，其密度大于第一流体。在包括邻近第一流体流动路径和在第一流体流动路径下方设置的多个腔室的一些实施方式中，不同的流体(例如，不同的组成)可以在不同的腔室中用作“第二”流体，其密度大于第一流体。例如，由于根据斯托克斯定律较小的颗粒在流体中更缓慢地沉降，在一些实施方式中，将接收较小颗粒的下游腔室可以包括较高密度的“第二”流体(与将接收更大的颗粒的上游腔室中的第二流体的密度相比)，在一些实施方式中，这可以有助于促进下游腔室中较小颗粒的更快速的沉降速率。

如上所述，可以选择操作参数(例如，第一流体流速)、设计参数(例如，流体的选择及其性质，沿第一流体流动路径的方向的腔室的长度)以为颗粒沿着水平流动的第一流体流动路径沉入其中的腔室的水平差异提供不同尺寸的颗粒的目标向下速度。在斯托克斯定律小，颗粒的向下沉降速度由下式提供：V＝2R²(ρ_颗粒–ρ_流体)g/9μ，其中V表示颗粒在重力下的向下速度，R代表颗粒的半径，ρ_颗粒表示颗粒的密度，ρ_流体表示流体的密度，g表示重力加速度，且μ表示流体的动态粘度。通过适当选择操作和设计参数，例如流体选择和流速，以及腔室沿第一流体流动路径的间隔，可以通过粒度分离很宽的粒度范围。在一些实施方式中，待通过尺寸分离的颗粒的尺寸可以在0.1-1000m的范围内。在一些实施方式中，待通过尺寸分离的颗粒的尺寸可以在0.1-100m的范围内。在一些实施方式中，待通过尺寸分离的颗粒的尺寸可以在1-100m的范围内。

在一些实施方式中，通过颗粒多次通过分离腔室可以促进粒度分离的分辨力。例如，来自分离器的任何腔室的每个部分也可以通过使部分再次通过相同的分离器或者操作以更好地分辨特定尺寸部分的类似分离器来进一步拆分，从而增加每个单独组分分离器的拆分功能。图6示出了一个示例性实施方式，其中小颗粒22与来自第一腔室分离器的第一流体18一起保留，而中颗粒24和大颗粒26与流体28一起从腔室中除去，流体28在包含较高密度的流体60的下游腔室中用作第一流体用于分离中颗粒24与大颗粒26。

本公开还包括以下编号的实施方式。

实施方式1.一种用于第一流体(18)的颗粒分离器(10，10a，10b，10c)，该第一流体包括分散在其中的不同尺寸的固体颗粒(22，24，26)，该颗粒分离器包括：

第一流体的流动路径(20)；

在第一流体流动路径下方的腔室(11，32，36)，包括邻近第一流体流动路径并在第一流体流动路径下方的开口上部(30)；和

以大于第一密度的第二密度设置在腔室中的第二流体(28)，第二流体在腔室开口上部与第一流体流动路径接触。

实施方式2.实施方式1的颗粒分离器，包括多个腔室(11，32，26)，其包括开口上部，以及密度高于第二密度的，在腔室开口上部与第一流体流动路径接触的流体。

实施方式3.实施方式2的颗粒分离器，其中多个腔室中的至少两个包含第二流体。

实施方式4.实施方式2的颗粒分离器，其中多个腔室中的每一个包含第二流体。

实施方式5.实施方式2的颗粒分离器，其中多个腔室中的至少一个包括不同于第二流体的流体。

实施方式6.实施方式1的颗粒分离器，包括串联布置的多个腔室，腔室包括开口上部和流体，其中串联的每个腔室的第一流体流动路径由来自串联的相邻的上游腔室的流体供给。

实施方式7.实施方式1-6中任一项的颗粒分离器，其中每种流体是液体。

实施方式8.实施方式1-7中任一项的颗粒分离器，其中一个或多个腔室包括入口(40，44，48)、出口(42，46，50)和在横向于第一流体流动路径(20)的入口和出口之间的流动路径(52，54，56)。

实施方式9.实施方式8的颗粒分离器，其中入口和出口设置在一个或多个腔室的底部(16)附近。

实施方式10.实施方式1-9中任一项的颗粒分离器，其中一个或多个腔室包括侧壁表面，其设置在相对于第一流体流动路径的下游并且与第一流体流动路径成锐角的腔室的一侧上。

实施方式11.实施方式1-10中任一项的颗粒分离器，包括沿第一流体流动路径并与第一流体流动路径平行设置的挡板(56，58)。

实施方式12.一种分离不同尺寸的颗粒(22，24，26)的方法，包括

使第一密度的并且包括不同尺寸的固体颗粒的第一流体(18)沿着流动路径(20)穿过设置在腔室(11，32，36)中的第二流体(28)的上表面，所述第二流体处于大于第一密度的第二密度；和

使第一尺寸分布的颗粒从第一流体转移到第二流体，在第一流体中留下第二尺寸分布的颗粒。

实施方式13.实施方式12的方法，包括使第一流体以小于或等于10的雷诺数流动。

实施方式14.实施方式12或13的方法，包括使第一流体流过沿第一流体流动路径并与第一流体流动路径平行设置的挡板(56，58)。

实施方式15.实施方式12-14中任一项的方法，包括使第一流体以第一密度流过设置在多个腔室(11，32，36)中的第二流体或其它流体的上表面，第二流体或其它流体的密度大于第一流体密度。

实施方式16.实施方式15的方法，其中多个腔室中的每一个包含第二流体。

实施方式17.实施方式15的方法，其中多个腔室中的至少一个包含不同于第二流体的流体。

实施方式18.实施方式11-17中任一项的方法，其中每种流体是液体。

实施方式19.实施方式11-18中任一项的方法，还包括使密度大于第一密度的第二流体或其它流体沿着横向于第一流体流动路径的流动路径(52，54，56)流动通过一个或多个腔室。

实施方式20.实施方式19的方法，其中第二或其它流体流动路径设置在一个或多个腔室的底部(16)附近。

组合物、方法和制品可以可替换地包含本文公开的任何适当的材料、步骤或组分，由其组成或基本上由其组成。组合物、方法和制品可以另外地或可替换选地配制为不含或基本上不含另外对于实现组合物、方法和制品的功能或目的不是必需的任何材料(或物质)、步骤或组分。

本文公开的所有范围包括端点，并且端点可彼此独立地组合(例如，“至多25wt.％，或更具体地，5wt.％至20wt.％”的范围，包括“5wt.％至20wt.％”的范围的端点和所有中间值等)。“组合”包括共混物、混合物、合金、反应产物等。术语“第一”，“第二”等不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个元件与另一个元件区分开。本文中的术语“一个”和“一种”和“该”不表示数量的限制，并且应被解释为涵盖单数和复数，除非本文另有说明或上下文明显矛盾。除非另有明确说明，否则“或”表示“和/或”。术语“上部”、“下部”、“上方”、“下方”、“顶部”和“底部”用于表示相对于重力的向下矢量的相对位置。整个说明书对“一些实施方式”、“一个实施方式”等的提及意思是结合实施方式描述的特定元素包括在至少一个本文描述的实施方式中，并且可能或可能不存在于其它实施方式中。此外，应该理解，在各个实施方式中描述的元素可以任何适当的方式组合。

除非本文规定相反的情况，否则所有测试标准均为本申请提交日期的最新标准，或者，如果要求优先权，则为其中出现测试标准的最早优先权申请的提交日期。

除非另有定义，否则在此使用的技术和科学术语具有与由本申请所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。所有引用的专利、专利申请和其它参考文献都通过引用其全部内容并入本文。然而，如果本申请中的术语与并入的参考文献中的术语相矛盾或冲突，则本申请中的术语优先于并入的参考文献中的冲突术语。

尽管描述了具体实施方式，但申请人或本领域技术人员可能想到是或可能是目前未预见的替代方案、修改、变型、改进和实质等同物。因此，如提交的和可能对它们进行修改的所附权利要求意图包括所有这样的替代方案、修改、变型、改进和实质等同物。

Claims

1.一种用于第一流体的颗粒分离器，所述第一流体包括分散在其中的不同尺寸的固体颗粒，所述颗粒分离器包括：

所述第一流体的流动路径；

第一流体流动路径下方的腔室，包括邻近所述第一流体流动路径并在所述第一流体流动路径下方的开口上部；和

设置在所述腔室中的第二密度的第二流体，所述第二密度大于第一密度，所述第二流体在腔室开口上部与所述第一流体流动路径接触。

2.根据权利要求1所述的颗粒分离器，包括多个腔室，所述多个腔室包括开口上部以及在腔室开口上部与所述第一流体流动路径接触的密度高于所述第二密度的流体。

3.根据权利要求2所述的颗粒分离器，其中，所述多个腔室中的至少两个包含所述第二流体。

4.根据权利要求2所述的颗粒分离器，其中，所述多个腔室中的每一个包含所述第二流体。

5.根据权利要求2所述的颗粒分离器，其中，所述多个腔室中的至少一个包含不同于所述第二流体的流体。

6.根据权利要求1所述的颗粒分离器，包括串联布置的多个腔室，所述多个腔室包括开口上部和流体，其中串联的每个腔室的所述第一流体流动路径由来自串联的相邻的上游腔室的流体供给。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的颗粒分离器，其中，每种所述流体是液体。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的颗粒分离器，其中，一个或多个腔室包括入口、出口和所述入口和所述出口之间的横向于所述第一流体流动路径的流动路径。

9.根据权利要求8所述的颗粒分离器，其中，所述入口和所述出口设置在一个或多个腔室的底部附近。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的颗粒分离器，其中，一个或多个腔室包括侧壁表面，所述侧壁表面设置在相对于所述第一流体流动路径为下游并且与所述第一流体流动路径成锐角的所述腔室的一侧上。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的颗粒分离器，包括沿所述第一流体流动路径平行设置的挡板。

12.一种分离不同尺寸的颗粒的方法，包括

使处于第一密度并且包括不同尺寸的固体颗粒的第一流体流动穿过设置在腔室中的第二流体的上表面，所述第二流体处于大于所述第一密度的第二密度；和

将第一尺寸分布的颗粒从所述第一流体转移到所述第二流体，在所述第一流体中留下第二尺寸分布的颗粒。

13.根据权利要求12所述的方法，包括使所述第一流体以小于或等于10的雷诺数流动。

14.根据权利要求12或13所述的方法，包括使所述第一流体流过沿第一流体流动路径平行设置的挡板。

15.根据权利要求12-14中任一项所述的方法，包括使第一密度的第一流体流过设置在多个腔室中的密度大于所述第一流体的密度的所述第二流体或其它流体的上表面。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述多个腔室中的每一个包含所述第二流体。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述多个腔室中的至少一个包含不同于所述第二流体的流体。

18.根据权利要求11-17中任一项所述的方法，其中，每种所述流体是液体。

19.根据权利要求11-18中任一项所述的方法，还包括使密度大于第一密度的所述第二流体或其它流体沿着横向于第一流体流动路径的流动路径流动通过一个或多个腔室。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第二流体或所述其它流体的流动路径设置在所述一个或多个腔室的底部附近。