CN117917285A - 旋流分离器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于对液体悬浮液中的固体材料进行尺寸分级的旋流分离器，该旋流分离器包括头部、渐缩分离部和用于底流排放的尖端排放部，渐缩分离部被布置在头部与尖端排放部之间，其中，尖端排放部具有与渐缩分离部对准并附接的第一开口，并且在与第一开口相对的表面中具有用于底流排放的第二开口，第一开口大于第二开口，并且尖端排放部的内表面具有从第一开口延伸到第二开口的曲率，并且其中，在第二开口处的尖端排放部以距横向于渐缩分离部和尖端排放部的共同对称轴线限定的参考平面的切向角β的曲率结束，该切向角β在0°<β<40°的范围内。

Description

旋流分离器

技术领域

本公开涉及用于对液体悬浮液中的固体材料按颗粒尺寸进行分级的旋流分离器(hydrocyclone separator，旋液分离器)。更接近地，本公开涉及旋流分离器，该旋流分离器包括：头部，该头部具有入口导管，该入口导管被配置为将悬浮液引导到头部中，并且该头部具有溢流排放管，该溢流排放管被轴向地布置；渐缩分离部；以及尖端排放部，用于底流排放。渐缩分离部被布置在头部与尖端排放部之间。

背景技术

已知旋流分离器是用于对悬浮在液体中的固体的颗粒尺寸进行分离的成本有效的、大容量和高效的分级装置。

通常，旋流器是封闭的旋涡机器，通常包括短的圆柱形部段，其后是锥形部段。固体悬浮液的进料在预定压力下切向地或以涡形路径供应到头部中，以在其中产生流体的漩涡流，该漩涡流遵循这样一路径：该路径具有朝向锥体的最窄半径的点(通常称为尖端(apex，顶点)或龙头(spigot))逐渐减小的半径。

当螺旋路径接近旋流器的尖端时，其一部分转向并开始朝向相对端流动，即，朝向圆柱形部段流动。而且，该流动在沿相同方向旋转的同时，处于具有比第一螺旋的半径小的半径的螺旋路径中。因此，在旋流器内产生涡流。压力沿着涡流的中心轴线将会较低并且径向向外地增加。其构思在于，旋流器将根据形状、尺寸和比重从浆料的颗粒分离出朝向旋流器的外壁移动的、沉降较快的颗粒，沉降较快的颗粒最后通过尖端排放部离开旋流器。沉降较慢的颗粒将朝向中心轴线移动并向上行进，最终通过溢流排放管离开旋流器。排放管通常向下延伸到圆柱形部段中，从而防止进料的短流(short-circuiting，短路)。

该操作的效率，即，较粗颗粒与较细颗粒分离的强烈程度(sharpness)，取决于尖端开口的尺寸、进料速度以及待分离和分级的材料的密度。在某种程度上简化，可以说尖端几何形状驱动压力和流动。它还确定底流密度。从圆柱形部段到尖端开口的锥形部段的长度也已知对分离和/或分级的操作具有影响。

然而，目前的旋流器已经显示出在颗粒分级粒径(cut size)(d₅₀)在5-100μm范围内的情况下具有更高的效率，而在较粗的颗粒分级粒径下的效率较低。

现有技术已经建议使用较宽的旋流器和/或平底旋流器来分离100-1000μm范围内的颗粒分级粒径(d₅₀)。然而，尽管分级粒径(d₅₀)增加，但分离效率降低，据报告粗颗粒最终出现在溢流中，并且细颗粒进入底流。

先前的现有技术还提出了对头部中的入口设计的改变(诸如旋涡溢流管(vortexfinder)设计)以及分离部的锥角设计，以提高分离的强烈程度。

由此，本公开的目的是提供一种用于回收具有100-1000μm范围内的分级粒径(d₅₀)的粗颗粒的旋流分离器，与现有技术中已经公开的旋流分离器相比，该旋流分离器具有提高的分离效率。

发明内容

根据本公开的第一方面，这些和其他目的全部或至少部分地通过一种用于对液体悬浮液中的固体材料进行尺寸分级的旋流分离器来实现，该旋流分离器包括：头部，该头部具有入口导管，该入口导管被配置为将悬浮液引导到头部中，并且该头部具有溢流排放管，该溢流排放管被轴向地布置在头部中；渐缩分离部；以及尖端排放部，用于底流排放。渐缩分离部被布置在头部与尖端排放部之间，渐缩分离部具有与头部对准并布置于头部的宽开口端面和与尖端排放部对准并布置于尖端排放部的较窄开口端面。根据本公开，尖端排放部具有与渐缩分离部的较窄开口端面对准并附接的第一开口，并且在与第一开口相对的表面中具有用于底流排放的第二开口，第一开口大于第二开口，并且尖端排放部的内表面具有从第一开口延伸到第二开口的曲率。渐缩分离部和尖端排放部具有共同对称轴线。此外，在第二开口处的尖端排放部以距横向于(transverse to)共同对称轴线限定的参考平面的切向角β的曲率结束，该切向角β在0°<β<40°的范围内。

术语“旋流分离器”应被广义地解释为涵盖能够根据固体悬浮液的尺寸分离固体悬浮液的任何基于旋流器的装置。因此，如本文所用的术语“旋流分离器”也应被解释为涵盖旋流分级器。

如本文所用的措辞“宽开口端面”和“较窄开口端面”应被解释为较窄开口端面比宽开口端面窄。这些开口端面也可以表示为“宽开口端面”和“与宽开口端面相比较窄的开口端面”。换言之，宽开口端面可以具有宽开口端面直径，并且窄开口端面可以具有窄开口端面直径，其中，宽开口端面直径大于窄开口端面直径。

本文所用的措辞“尖端排放部的内表面的曲率”应被解释为在互连第一开口和第二开口的特定方向上限定的内表面的曲率。该特定方向由共同对称轴线限定。这可以替代地表示为尖端排放部的内表面与径向参考平面之间的相交线的曲率，该径向参考平面与共同对称轴线相交并平行于共同对称轴线且从共同对称轴线径向向外延伸。因此，径向参考平面被限定为横向于上述参考平面，该参考平面与共同对称轴线正交。换言之，本文提及的曲率可以替代地表示为在尖端排放部的内表面与径向参考平面之间限定的相交线的曲率。

渐缩分离部和尖端排放部具有共同对称轴线。这意味着渐缩分离部和尖端排放部中的每一个是轴对称的，或至少基本上是轴对称的。这样，其中一个的内表面可以由围绕共同对称轴线旋转的单个一维函数限定。这还意味着，对于沿着共同对称轴线的特定位置，到这样的内表面的径向距离将是恒定的。还应注意，头部不能被定义为轴对称的，因为它包括螺旋形的部分。然而，如本领域技术人员容易理解的，头部的面向渐缩分离部的部分可以是轴对称的，或者至少基本上是轴对称的。

从第一开口朝向第二开口的尖端排放部的内表面也可以被公开为碗形或凹形。本公开的尖端排放部提供了从分离部的锥形内壁以从参考平面看具有减小的切向角β的凹形曲率朝向第二开口的平滑过渡，并且以距参考平面的在0°<β<40°的范围内的切向角β的曲率结束。这意味着内壁是曲线的。这还意味着内壁不具有任何平面部分。内壁将第一开口和第二开口互连。

通过具有带有内壁的尖端排放部，该内壁具有距参考平面逐渐减小的切向角β并且在第二开口处在距参考平面的0°<β<40°的范围内结束，提供了具有改进的分离效率的在100-1000μm范围内的颗粒的分离。

改进的分离效率背后的原因被认为是流动的不同物理现象之间的权衡。在更靠近第一开口的部分处，即，在切向角β相对较大(诸如，例如>80°)的地方，轴向速度和切向速度通常较高。较高轴向速度的原因是由于外部涡流向下运动增强，因为存在到底流和排放的相对不受阻碍的流动路径。在较高的切向速度和轴向速度的影响下进入靠近壁的旋流器的较小颗粒倾向于在朝向尖端的方向上跟随粗颗粒。在更靠近第二开口的部分处，即，切向角β相对较小(诸如，例如<50°)的地方，轴向速度将减小，因为横向于共同对称轴线看到的逐渐减小的横截面轮廓有效地用作底流和排放的阻碍。该较低的轴向速度有助于增加保留时间，允许较小的颗粒在阻力下迁移到内部向上流动的涡流核心。

同时，更靠近第二开口的这些部分中的切向速度不会减小到相同的程度。类似于对于平底旋流器已经发现的，更靠近第二开口的部分将确保较大的颗粒在共同对称轴线处经受向上流动的内部旋涡核心。这有效地允许这些颗粒的第二分级，同时还存在较小和中等尺寸的颗粒被吸入溢流。然而，与传统的平底设计相比，不同之处在于，相对于平底旋流器，也被吸入的较大颗粒现在经受较大的切向速度，由于尖端排放部的内表面的圆形形状而保持较大的切向速度。这导致较大的颗粒再次朝向外壁离心，并且以更高的可能性平移，使得它们最终将报告到底流。换言之，凸形在底部产生非常有效的二次淘析分级区，这将有效地增加分级的强烈程度。换言之，圆形形状(其可以被公开为碗形或凹形)因此引导轴向流动改变方向，但是略微地而不是突然地改变方向，从而不影响切向速度，并且因此可以有助于支持在尖端排放部内形成涡流，而不会干扰最大颗粒朝向底流的流动，从而避免沉积物形成。旋涡或涡流支持在底部处形成上述二次淘析分级区。不用说，一些颗粒可以通过所述二级淘析分级区输送多于一个额外的转弯。总之，尺寸大于但接近分级粒径(d₅₀)的颗粒将报告底流的可能性甚至进一步增加。简而言之，切向流提供颗粒尺寸的分离，而轴向流提供到底流或溢流的报告(reporting to underflow or overflow，对底流式溢流的影响)。

已经发现本公开的旋流分离器的颗粒分级粒径(d₅₀)显著大于传统锥形设计的颗粒分级粒径。这也可以通过上文描述的流动模式来解释。类似于传统的平底设计，较低的轴向速度可以极大地有助于增加保留时间，从而允许较大的颗粒在底部处积聚，从而报告到(report to，影响到)底流。当暴露于中心的轴向上流时，与传统锥形旋流器中的情况相比，较大部分的较粗颗粒将因此报告到溢流。这将导致颗粒分级粒径(d₅₀)变得比传统锥形旋流器中更粗糙，该颗粒分级粒径具有相等的概率报告到溢流或底流。根据本公开的旋流分离器的实施例，第二开口处的尖端排放部以如下范围的切向角β的曲率结束：距参考平面在0°<β<30°的范围内、距参考平面在1°<β<30°的范围内、距参考平面在2°<β<26°的范围内、距参考平面在3°<β<20°的范围内、或距参考平面在4°<β<20°的范围内。还可以想到的是，第二开口处的尖端排放部以角β的曲率结束，该角β在以下范围内：距参考平面在3°<β<6°的范围内、距参考平面在8°<β<12°的范围内、距参考平面在18°<β<22°的范围内、或距参考平面在24°<β<27°的范围内。

已经发现这些范围特别有利于平衡旋流器中的流体特性，特别是用于提高分离效率。特别地，如果第二开口处的尖端排放部以太大的切向角β的曲率结束，则上述阻碍效应可能太低而不能有效地减慢轴向流动。因此，这可能存在降低分离效率和/或分级粒径(d₅₀)的风险。

根据本公开的旋流分离器的实施例，渐缩分离部具有相对于共同对称轴线在0°<α<20°、0°<α<15°、0°<α<12°、0°<α<10°、2.5°<α<10°、2.5°<α<7.5°或3.5°<α<6.5°的范围内的切向角α。还可以想到，渐缩分离部具有相对于共同对称轴线约12°、约8°、约5°或约3.3°的锥角α。

术语“渐缩分离部”在本文中是指分离部从宽开口端面到较窄开口端面具有渐缩表面，该渐缩表面可以具有恒定的锥角α。因此，渐缩分离部可以具有截头圆锥形状。在另一实施例中，渐缩表面可以沿着渐缩分离部具有变化的切向角，这也可以称为曲线形状。变化的切向角可以例如在靠近宽开口端面的部分中大于在靠近较窄开口端面的部分中，如在旋流器形状中。对于这样的具有曲线形状的渐缩分离部，有效锥角α可以由共同对称轴线与参考线之间形成的角度限定，该参考线与径向参考平面平行并且与宽开口端面的内径和窄开口端面的直径相交。应当理解，对于截头圆锥形状限定的锥角α、对于曲线形状限定的变化切向角、以及有效锥角α均在径向参考平面中并且相对于共同对称轴线限定。

根据本公开的旋流分离器的实施例，渐缩分离部的宽开口端面与较窄开口端面之间的距离(F-h)相对于尖端排放部的第一开口与第二开口之间的距离(A-h1)，即(F-h):(A-h1)，大于2.4，在2.4：1至4.5的范围内，或在3至4的范围内。

“渐缩分离部的宽开口端面与较窄开口端面之间的距离”在本文中是指沿着共同对称轴线限定的两个开口端面之间的距离。由于两个开口限定渐缩分离部的相应端部，并且由于两个开口中的每个横向于共同对称轴线，因此参数(F-h)可以表示渐缩分离部的高度。

“尖端排放部的第一开口与第二开口之间的距离”在本文中是指沿着共同对称轴线限定的两个开口之间的距离。由于两个开口限定了尖端排放部的相应端部，并且由于两个开口中的每个都横向于共同对称轴线，因此参数(A-h1)可以表示限定在尖端排放部中的内室的高度。

根据本公开的旋流分离器的实施例，渐缩分离部的宽开口端面与较窄开口端面之间的距离(F-h)相对于渐缩分离部的宽开口端面的直径(F-d1)，即(F-h):(F-d1)，在1.5至5的范围内。

该范围可能是有益的，因为发现其导致本文公开的用于本发明构思的改进的特性。转过来，如果渐缩分离部制造得太长或太短，则存在这样的风险：当流从渐缩分离部进入尖端排放部以实现改进的特性时，旋流器中的流动模式将不是最佳的。

根据本公开的旋流分离器的一个实施例，头部的入口导管是被配置为将悬浮液切向地引导到头部中的入口导管，任选地还包括溢流管。

在根据本公开的旋流分离器的另一实施例中，头部的入口导管被配置为将悬浮液轴向地引导到头部中，其中，头部还包括用于在旋流器内引发悬浮液的涡流的旋流叶片。

根据本公开的旋流分离器的另一实施例，尖端排放部的第一开口与第二开口之间的距离(A-h1)相对于尖端排放部的第一开口的直径(A-d1)，即(A-h1):(A-d1)，在0.5至1的范围内，或在0.7至0.9的范围内。

这些比率可以是有利的，因为它们有助于旋流器内的力的平衡。如果该比率小于0.5，则由尖端排放部的内表面限定的过渡可能变得太尖锐。如果比率大于1，则尖端排放部将不必要地大，并且由于尖端排放部比渐缩分离部和头部磨损得更快，因此它将是必须在磨损时更换的不必要地大的磨损部件。

根据本公开的旋流分离器的另一实施例，尖端排放部的第一开口的直径(A-d1)相对于尖端排放部的第二开口的直径(A-d2)，即(A-d1):(A-d2)，在2至5的范围内，或在2至4的范围内，或在2.5至3.5的范围内。

这些范围可以是有益的，因为发现其导致本文公开的用于本发明构思的改进的特性。如果比率太小，则尖端排放部的内表面将变得对流动的阻碍较小，从而有效地导致分离效率较低。类似地，如果比率太大，则第二开口可能太小而不能提供足够的排放能力。而且，存在阻碍将变大的风险，从而有效地降低了分离效率朝向平底旋流器中发现的典型行为。

根据本公开的旋流分离器的另一实施例，在第一开口处的尖端排放部以相对于参考平面的切向角β的曲率开始，该切向角β在70°<β<90°的范围内。

如果第一开口处的切向角β太大，则它可能有效地使分离流动过程朝向第二开口移动太远，这可能导致更瞬态的流动模式，这又可能存在分离过程效率较低的风险。如果第一开口处的切向角β太小，则在靠近尖端排放部的第一开口的区域处的阻碍可能会太强，从而在该过程中太早地有效地减慢轴向速度，也存在分离过程效率较低的风险。

根据本公开的旋流分离器的另一实施例，在第一开口处的尖端排放部以切向角β的曲率开始，该切向角β等于或基本上等于90°-α，其中α是如相对于共同对称轴线限定的渐缩分离部的锥角。

保持尖端排放部的第一开口处的切向角β等于或基本上等于90°-α实现了在渐缩分离部与尖端排放部之间的相交部中限定的表面将不呈现任何突然的角偏移的效果。这可以是有益的，因为它防止了对沿着所述表面朝向尖端排放部前进的流动的干扰。

根据本公开的旋流分离器的另一实施例，尖端排放部的内表面的曲率沿着共同对称轴线从第一开口到第二开口逐渐增加。

提供曲率逐渐增加的内表面可以是有益的，因为它对流动提供逐渐增加的阻碍。这可以防止颗粒在尖端排放部的第二开口处或附近积聚。这种积聚可能对流动模式有害，并且可能存在降低旋流器效率的风险。

根据本公开的旋流分离器的另一实施例，由尖端排放部的共同对称轴线A限定的尖端排放部的内表面的内半径R(x)与从第一开口开始并朝向第二开口延伸的距离x_max之间的比率R(x)/x_max由非线性函数描述，该非线性函数对于沿着共同对称轴线从第一开口到第二开口的变化的相对距离x/x_max落入以下范围内：

距离x_max可以落在30mm至1000mm、或200mm至500mm、或300mm至450mm、或350mm至430mm的范围内，或者可以为约400mm。

应当理解，距离x_max是函数R(x)的总范围。因此，参数x_max可以等于第一开口与第二开口之间的距离(A-h1)。然而，对于尖端排放部的其他实施例，内表面可以仅沿着函数R(x)的一部分延伸。对于这样的实施例，x_max将大于第一开口与第二开口之间的距离(A-h1)，并且内表面将沿着函数R(x)的一部分延伸，该部分在x＝0处开始并且在x等于第一开口与第二开口之间的距离(A-h1)处结束。

已经发现，提供具有其内表面的该特定曲率的尖端排放部导致特别有益的分离特性。可以想到提供具有许多不同尺寸的该形状的尖端排放部。

本公开的其他目的、特征和优点将从以下详细公开内容、所附权利要求以及附图中显现。应注意，本公开涉及特征的所有可能组合。

通常，除非本文另有明确定义，否则权利要求中使用的所有术语将根据其在技术领域中的普通含义来解释。除非另有明确说明，否则对“一/一个/所述[元件、设备、部件、装置、步骤等]”的所有引用应被开放地解释为指代所述元件、设备、部件、装置、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则本文公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序执行。

如本文所用的，术语“包括”和该术语的变体不旨在排除其他添加剂、组分、整体或步骤。

附图说明

将参考所附示意图更详细地描述本公开，所附示意图示出了本公开的当前优选实施例的示例。

图1A是根据本公开的实施例的旋流分离器的立体图。

图1B是图1A的旋流分离器的立体剖切图。

图1C是图1A和图1B的旋流分离器的截面图。

图2是图1A-图1C的旋流分离器的渐缩分离部和尖端排放部的立体剖切图。

图3是图1和图2的旋流器的尖端排放部的内表面的示意性三维表示。

图4A是图1A-图1C和图2的旋流分离器的尖端排放部的耐磨本体的截面侧视图。

图4B是以相对比例描述图4A的耐磨本体的内壁的曲率的非线性函数的曲线图。

图4C是以绝对比例描述图4A的耐磨本体的内壁的曲率的非线性函数的曲线图。

图5A是图1A至图1C的尖端排放部的耐磨本体的截面侧视图。

图5B是根据本公开的替代实施例的尖端排放部的耐磨本体的截面侧视图。

图5C是根据本公开的又一替代实施例的尖端排放部的耐磨本体的截面侧视图。

图5D是根据本公开的另一替代实施例的尖端排放部的耐磨本体的截面侧视图。

图5E是根据本公开的另一替代实施例的尖端排放部的耐磨本体的截面侧视图。

图5F是根据本公开的另一替代实施例的尖端排放部的耐磨本体的截面侧视图。

图5G是根据本公开的另一替代实施例的尖端排放部的耐磨本体的截面侧视图。

图5H是根据本公开的另一替代实施例的尖端排放部的耐磨本体的截面侧视图。

图5I是根据本公开的另一替代实施例的尖端排放部的耐磨本体的截面侧视图。

图6A是现有技术的传统旋流分离器的示意性截面图。图6A将与表3一起描述在实验中用作参考的旋流分离器，在本文中称为“参考1”。

图6B是当传统旋流分离器以倾斜视图布置时图6A的传统旋流分离器的示意性截面图。图6B将与图6A和表3一起描述在实验中用作参考的另一旋流分离器，在本文中称为“参考2”。

图6C是根据本公开的旋流分离器的示意性截面图。图6C将与表3和表4一起描述根据所公开的发明构思的不同的实验研究的旋流分离器，在本文中称为“例1”至“例4”。

图7示出了图6A-图6C和表3中描述的不同测试对象的实验获得的颗粒尺寸分布。

图8示出了图6A和图6C以及表4中描述的不同测试的旋流分离器的实验获得的颗粒尺寸分布。

图9示出了图6A和图6C以及表4中描述的不同测试的旋流分离器的实验获得的颗粒尺寸分布。

图10是图1和图2的示例性实施例的渐缩分离部和尖端排放部的部分的示意性截面侧视图，其中示出了系统内不同位置中的大颗粒和小颗粒的相对丰度(abundance)。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更全面地描述本公开，在附图中示出了本公开的当前优选实施例。然而，本公开可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了彻底性和完整性，并且向本领域技术人员充分传达本公开的范围。相同的附图标记始终指代相同的元件。

图1A-图1C示出了本发明的一个实施例的旋流分离器1的立体图。图2是示出了旋流分离器的选定部的分解图，并且因此也可以参考以充分理解以下内容。旋流分离器1包括头部10。入口导管11被布置为将固体材料的悬浮液供给到头部10中，并且溢流排放管12(参见图1B和图1C)被布置为轴向穿过头部10。头部10与渐缩分离部20连接，该渐缩分离部又与用于底流排放的尖端排放部40连接。头部10的主要目的是通过头部10的内壁的螺旋几何形状产生向下前进的漩涡运动，以使固体材料沿着旋流分离器1的内壁悬浮。该类型的头部10可以以本领域已知的许多不同方式实施，并且在本文中不再进一步讨论。

渐缩分离部20被布置在头部10与尖端排放部40之间，该渐缩分离部20具有与头部10对准并布置于头部10的宽开口端面21和与尖端排放部40对准并布置于尖端排放部40的较窄开口端面23(参见图2)。渐缩分离部20包括耐磨本体22和包围耐磨本体22的分离部壳体24。分离部壳体24具有周向布置的凸缘27，用于与头部10的对应的周向布置的凸缘14附接。在示例性实施例中，通过紧固螺栓52实现附接，但是同样能想到其他紧固装置。分离部壳体24还具有周向布置的凸缘26，用于与尖端排放部40的对应的周向布置的凸缘46附接。在示例性实施例中，通过紧固螺栓50实现附接，但是同样能想到其他紧固装置。渐缩分离部20和尖端排放部40具有共同对称轴线A，参见图1B。因此，这意味着渐缩分离部20和尖端排放部40中的每个都是轴对称的。

尖端排放部40包括耐磨本体42和包围耐磨本体42的尖端壳体44。尖端排放部40具有与渐缩分离部20的较窄开口端面23对准并附接的第一开口41，以及被布置在与第一开口41相对的表面中的用于底流排放的第二开口43。如在图1B和图1C中可以看到的，第一开口41大于第二开口43。从所述图中还明显可见的是，尖端排放部40的内表面45具有从第一开口41延伸到第二开口43的曲率。尖端排放部40的从第一开口41朝向第二开口43的内表面45也可以被公开为碗形或凹形。内表面45、第一开口41和第二开口43一起限定尖端排放部40的第一内部子容积47(参见图2)。尖端排放部20还包括第二内部子容积48(参见图2)。第二内部子容积48在第二开口43处与第一内部子容积47连接，并且远离第一子容积47延伸，以限定用于尖端排放部40的排放导管，从而允许材料通过该排放导管从尖端排放部40排放。对于示例性实施例，第二内部子容积48是圆柱形的，其具有高度A-h2(参见图2)。然而，本发明构思与第二内部子容积48的确切形状无关，因此能想到许多替代几何形状。

在第二开口43处的尖端排放部20以与横向于或正交于共同对称轴线A限定的参考平面R_xy成切向角β的曲率结束，该切向角β在0°<β<40°的范围内。在图3中示出参考平面R_xy，图3是尖端排放部40的内表面45在笛卡尔坐标系中的三维示意图。重要的是要注意，本文所用的语句“尖端排放部的内表面的曲率”应被解释为内表面45的曲率，该内表面45在将尖端排放部的第一开口41和第二开口43互连的特定方向上限定。该特定方向由共同对称轴线A限定。这可以替代地表示为尖端排放部40的内表面45与径向参考平面R_xz之间的相交线I-L的曲率，该径向参考平面R_xz与共同对称轴线A相交并平行于共同对称轴线A且从共同对称轴线A径向向外延伸。因此，径向参考平面R_xz横向于上述参考平面R_xy限定，该参考平面R_xy与共同对称轴线A正交。换言之，本文提及的曲率可以替代地表示为在尖端排放部40的内表面45与径向参考平面R_xz之间限定的相交线I-L的曲率。

在相应的第一开口41和第二开口43处的曲率及其相关联的切向角β在图4A中示出，图4A是沿着尖端排放部40的耐磨本体42的径向参考平面R_xz的截面图。对于沿着内表面45的曲率的任意点P，可以在径向参考平面R_xz中在任意点P处的切线与参考平面R_xy之间限定切向角β。可以看出，对于沿着内表面45的所有点P，切向角β在0<β<90°的范围内。第一点P1限定曲率的端点，第一点P1设置在第一开口41处。第二点P2限定曲率的另一端点，第二端点设置在第二开口43处。从图4A中可以看出，切向角β＝β₁在第一点P1处将相对较大。在示例实施例中，角β₁为86.7°。随着沿着内表面45的曲率从第一点P1朝向第二点P2前进，角β将逐渐减小。减小的速率不是恒定的。相反，减小的速率首先相对较慢，而随着接近第二点P2逐渐增加。这是因为尖端排放部20的内表面45的曲率沿着共同对称轴线A从第一开口41到第二开口43逐渐增加。

本公开的旋流分离器不应被解释为限于图1A-图1C和图2中所示的示例实施例。特别地，已经发现内表面45的形状和尖端排放部40的相对尺寸的许多变化实现了本文呈现的有利分离特性，并且稍后也在实验部分中详述。现在将参考图5B至图5I描述内表面45的形状和尖端排放部40的相对尺寸的变化，图5B至图5I示出了本公开的耐磨本体142、242、342、442、542、642、742、842的替代示例实施例。为了完整起见，包括图5A，并且图5A以与图5B至图5I相同的截面图示出了根据第一示例实施例的已经描述的耐磨本体42。如本领域技术人员容易理解的，耐磨本体142-842的替代示例实施例中的每一个将同样良好地适合于被布置在先前描述的尖端壳体44内，或者尖端壳体的具有合适内部尺寸的替代实施例内。为了简化以下描述，在可能的情况下，将通过分组附图标记来参考这些替代示例实施例或其相应特征。因此，耐磨本体42、142、242、342、442、542、642、742、842将被称为耐磨本体42-842，第一开口41、141、241、341、441、541、641、741、841将被称为第一开口41-841等。

在全部为截面侧视图的图5A-图5I中，短划线分别标记每个示例实施例的第一开口41-841和第二开口43-843的位置，而图5B-图5I中的点线示出了图5A的第一示例实施例(即，耐磨本体42)的形状，并且在图5B-图5I中仅作为参考提供。下面将描述耐磨本体42-842的替代示例实施例。

图5A至5D具有某些共同的特征，因此用作简要的介绍性描述。观察图5A至图5D，明显地是，所示示例实施例之间的主要差异是第二开口43-343的直径，较大颗粒通过该第二开口从旋流分离器1排放。对于所示的示例实施例，图5A中的第二开口43的直径为130mm，图5B中的第二开口143的直径为150mm，图5C中的第二开口243的直径为190mm，并且图5D中的第二开口343的直径为210mm。观察图5A至图5D还明显地是，内表面45-345的几何形状可以由相同的曲率描述。由于明显的原因，由于第二开口43-343具有不同的直径，内表面45-345彼此不同，但是可以使用相同的功能来描述第一点P1与第二点P2之间的内表面45-345中的每一个的曲率。该曲率将在后面详细描述。此外，将在本文的单独部分中描述实验结果，并且这些结果基于对具有图5B和图5C的示例实施例之一的旋流分离器执行的实验。

如已经提到的，切向角β将在第二开口43-843处(即，在第二点P2处)在0°<β<40°(即，遵循图4A中的定义，0°<β₂<40°)的范围内。对于图1、图2和图5A所示的第一示例实施例，角β₂为5°。对于本公开的其他实施例，角β₂可以距参考平面R_xy在0°<β<30°的范围内，距参考平面R_xy在1°<β<20°的范围内，距参考平面R_xy在2°<β<10°的范围内，距参考平面R_xy在3°<β<8°的范围内，或距参考平面R_xy在4°<β<7°的范围内。作为示例，图5B的耐磨本体142具有角β₂＝9.4°，图5C的耐磨本体242具有角β₂＝20.1°，图5D的耐磨本体342具有角β₂＝25.5°。角β₂随着第二开口43-343的直径增加而增加的原因是内表面45-345遵循相同的曲率。为了增加第二开口43-343的直径，第二点P2将在朝向第一点P1的方向上沿着曲率移位到新位置，并且在所述新位置处，曲率具有另一个更陡的切向方向，因此具有更大的角β₂。作为另一示例，图5F示出了具有角β₂＝40°的耐磨本体542的实施例，并且图5G示出了具有角β₂＝0°的耐磨本体642的实施例。这两个示例实施例与图5A-图5D的前述示例实施例的不同之处在于曲率不相同。

在第一点P1中的第一开口41-841处，耐磨本体42-842以切向角β的曲率开始，该切向角β等于或基本上等于90°-α，其中α是渐缩分离部20的锥角，如相对于共同对称轴线A所限定的。对于第一示例实施例，这也在图4A中示出，图4A在尖端排放部40的耐磨本体42的顶部上还示出了渐缩分离部20的耐磨本体22的下部。如图4A所示，耐磨本体22的内表面25与共同对称轴线A形成角α(本文中称为锥角α)。保持尖端排放部的第一开口处的切向角β(即，图4A中的β₁)等于或基本上等于90°-α，实现了在渐缩分离部20与尖端排放部40之间的相交部中限定的表面将不呈现任何突然的角偏移的效果。这可能是有益的，因为它防止对沿着所述表面朝向尖端排放部40前进的流动的干扰。锥角α可以相对于共同对称轴线A在0°<α<20°、0°<α<15°、0°<α<12°、0<α<10°、2.5°<α<10°、2.5°<α<7.5°或3.5°<α<6.5°的范围内。对于图1和图2所示的示例实施例，锥角α为3.3°。对于旋流分离器的其他实施例，第一开口141-841处(即，在第一端点P1处)的耐磨本体142-842以相对于参考平面R_xy在70°<β<90°的范围内的切向角β的曲率145-845开始。作为示例，图5E示出了具有角β₁＝90°的耐磨本体442的实施例。如果第一开口41-841处的切向角β太大，则它可能有效地使分离流动过程朝向第二开口43-843移动太远，这可能导致更瞬态的流动模式，这又可能存在分离过程效率较低的风险。如果第一开口41-841处的切向角β太小，则在靠近第一开口41-841的区域处的阻碍可能反而太强，从而增加了轴向速度在该过程中减速太多和太早的风险，也存在分离过程效率较低的风险。

现在将参考图2描述根据第一示例实施例的旋流分离器1的相对尺寸。如在图2中可以看到的，对于示例实施例，渐缩分离部20的宽开口端面21与较窄开口端面23之间的距离F-h相对于尖端排放部40的第一开口41与第二开口43之间的距离A-h1，即，比率(F-h):(A-h1)，约为3.8。对于其他未示出的示例实施例，该比率可以大于2.4，在2.4至4.5的范围内，或在3至4的范围内。具体地，已经测试并发现具有比率2.43、2.54、3.68和3.79的实施例实现了本文公开的本发明构思的改进特性。

此外，对于示例实施例，距离F-h将与渐缩分离部20的宽开口端面21的直径F-d1相关，即，比率(F-h):(F-d1)，约为2.3。对于其他未示出的示例实施例，该比率可以在1.5至5的范围内。该范围被发现能引起本文公开的用于本发明构思的改进特性。

此外，对于示例实施例，尖端排放部40的第一开口41与第二开口43之间的距离A-h1相对于第一开口41的直径A-d1，即，比率(A-h1):(A-d1)，为约0.8。对于其他未示出的示例实施例，该比率可以在0.5至1的范围内，或在0.7至0.9的范围内。作为示例，图5I示出了具有为0.64的比率(A-h1):(A-d1)的耐磨本体842的示例实施例。这些比率可能是有利的，因为它们有助于旋流器1内的力的平衡。如果该比率小于0.5，则由耐磨本体42-842的内表面45-845限定的过渡可能变得太强烈。如果该比率大于1，则耐磨本体42-842将不必要地大，并且由于耐磨本体42-842比渐缩分离部20的耐磨本体22和头部10磨损得更快，因此它将是不必要地大的磨损部，其必须在磨损时更换。

再次参考图2的定义，尖端排放部40的第一开口41的直径A-d1相对于尖端排放部40的第二开口43的直径A-d2((A-d1):(A-d2))在2至5的范围内，或在2至4的范围内，或在2.5至3.5的范围内。对于图1和图2的示例实施例，该比率为3.84。作为其替代示例，图5B的耐磨本体142具有的比率(A-d1):(A-d2)为3.33，图5C的耐磨本体242具有的比率(A-d1):(A-d2)为2.63，并且图5D的耐磨本体342具有的比率(A-d1):(A-d2)为2.38。作为又一示例，图5H示出了具有的比率(A-d1):(A-d2)为2.6的耐磨本体742的实施例。发现所公开的范围导致本文公开的用于本发明构思的改进特性。如果该比率太小，则耐磨本体42-842的内表面45-845将变得对流动的阻碍较小，因此有效地导致分离效率较低。类似地，如果比率太大，则第二开口43-843可能太小而不能提供足够的排放能力。而且，存在阻碍将太大的风险，因此有效地降低了分离效率，使其趋向于在平底旋流器中发现的典型行为。

现在将参考图4A至图4C更详细地描述图5A至图5D中的示例实施例的内表面45-345的曲率。如前所述，图5A至图5D的示例实施例具有内表面45-345，每个内表面可以被描述为遵循相同的曲率。该曲率在图4B中以相对项示出，并且在图4C中以绝对项示出。具体地，图4B示出了由尖端排放部20的共同对称轴线A限定的尖端排放部20的内表面45-345的内半径R(x)，其由距离x_max归一化，该距离x_max在第一开口41-341处开始并且沿着与共同对称轴线A重合的x轴朝向第二开口43-343延伸。x_max因此将用作用于描述不同尺寸的尖端排放部的特定曲率的缩放因子。应当理解，距离x_max是函数R(x)的总范围。因此，参数x_max可以等于耐磨本体42-342的第一开口与第二开口之间的距离A-h1。这是本文公开的第一示例实施例的情况，即，图5A的耐磨本体42，其中x_max＝A-h1＝400mm。然而，对于尖端排放部的其他实施例，诸如耐磨本体142、242和342，内表面145-345仅沿着函数R(x)的一部分延伸。对于这样的实施例，x_max将大于第一开口141-341与第二开口143-343之间的距离A-h1。具体地，对于图5A-图5D的每个示例实施例，x_max＝400mm。然而，对于耐磨本体142，A-h1将为399mm；对于耐磨本体242，A-h1为393mm；对于耐磨本体342，A-h1为389mm。因此，内表面145-345在x＝0处开始并且遵循函数R(x)，但不是一直到x_max，仅到A-h1以遇到第二开口143-343。

图4B中的y轴将是半径R(x)与x_max之间的无量纲比率。如本领域技术人员容易理解的，尖端排放部的示例实施例可以以许多不同的尺寸或比例提供，并且已经发现，图4B中描述的形状对于这样的尖端排放部的许多尺寸或比例是有益的。R(x)、x和x_max也在图4A中针对图5A的第一示例实施例定义。图4B的实线是沿着内表面45提取的数据点的三次样条插值(cubic spline interpolation)，用于改变距第一开口41的距离。实线上的圆圈标记沿着非线性函数的函数值，该函数值在表1中以数字方式提供。可以设想，可以由表1和图4B的R(x)/x_max描述的内表面，或至少在所公开的R(x)/x_max值的+/-0.02范围内的内表面，有利于在旋流分离器中提供良好的分离特性。

表1.共同对称轴线A与尖端排放部的内表面之间的径向距离R(x)除以从第一开口开始并朝向第二开口延伸的距离x_max，即R(x)/x_max，对于沿着共同对称轴线A距第一开口的不同距离x，由x_max归一化。

/>

如已经提到的，图4B和表1中提供的函数可以被转换为x_max的任何所选值的绝对值。对于图1、图2和图5A的示例实施例以及图5B-图5D的替代性示例实施例，其中x_max为400mm，可以转换表1的曲率以获得绝对尺寸。这些在图4C中以图形方式示出，并且在表2中以数字方式示出。图4C中的圆圈对应于根据图4A的定义的沿着共同对称轴线A的绝对径向距离值R(x)。这些绝对径向距离值R(x)在表2中提供。由图4C和表2限定的尺寸与用于已经实验测试的本公开的旋流器的示例实施例的尺寸相同。因此，本公开的新型旋流器的所有测试结果都是通过实验测试旋流分离器获得的，该旋流分离器具有带有内表面的尖端排放部，所述内表面由函数图4C描述并且与表2中列出的函数值相交。如前所述，应当注意，一些示例实施例不覆盖由x_max限定的范围的整个长度，即，A-h1<x_max。对于这样的示例实施例，图4C和表2的非线性函数仍然将描述针对该示例实施例限定的x值的内表面的形状，即，落入0至A-h1的范围内的x值。

表2.共同对称轴线A与尖端排放部20的内表面45-345之间的径向距离R(x)，对于沿着共同对称轴线A距第一开口41-341的不同距离x。

/>

实验结果

本公开的旋流分离器的若干示例实施例已经通过实验进行了严格测试，并且稍后将参考图7至图9描述从这些实验获得的选定结果。

按照下面描述的测量方法进行测试。首先将水添加到材料供应罐中。选择目标进料密度用于测试，并将固体材料的干燥样品添加到材料供应罐中，直到达到目标进料密度。对于所有实验，固体材料是矿石，更具体地是来自南非Mogalakwena铂矿工厂的铂礁矿石。然后经由VFD增加泵速度，直到达到用于测试的预定目标压力P。在稳态操作约15-20分钟后，测量输入进料流、通过尖端排放部40输出的底流和通过头部10输出的溢流排放流的样品。如本文所使用的，术语“粗流”可替代地用于表示通过尖端排放部40输出的底流。分析包括泵流速、旋流器入口压力、进料密度、泵功率、泵速度和材料流温度的测试数据，以确保它们的变化不超过2％。通过使用量筒和秤来确定材料密度。颗粒尺寸分布(particle sizedistribution，PSD)通过筛分分析使用范围在25μm至45,000μm(23个尺寸等级)之间的筛尺寸由样品流确定。随后对每个测试结果进行质量平衡。

图6A至图6C和表3一起公开了图7中的结果所基于的测试例。图6A示意性地示出了现有技术的传统旋流分离器设计，并且该设计在实验中用于形成用于参考例的基础，具有弯曲表面尖端部的新颖设计与该参考例进行比较。用不同的倾斜角φ进行了两个参考例的测试；本文中称为“参考1”的第一参考例是通过如图6A所示竖直对准地运行图6A中的旋流器(即，倾斜角φ＝0)来限定的。本文中称为“参考2”的第二参考例是通过将现有技术的另一传统旋流器倾斜到倾斜角φ＝110°来限定的。用于“参考1”和“参考2”的旋流器之间的区别仅仅是尖端输出直径d_a(见表3)。总体设计是相同的，并且在图6A中示出。用于“参考2”的倾斜旋流器有时被称为“半倒置旋流器”。图6C示意性地示出了本公开的新颖旋流器。测试了该旋流器的不同版本，参数列于表3中。本文总共报告了4个测试例，分别称为“例1”至“例4”。“例1”和“例2”仅在渐缩分离部20的尺寸上彼此不同，更特别地，其高度和锥角见表3。应当注意，“例1”的结构特征类似于本公开的旋流分离器1的先前描述的示例实施例，唯一的区别在于，取代具有尖端输出直径(d_a＝130mm)的第一示例实施例的耐磨本体42(见图5A)，“例1”和“例2”基于使用具有尖端输出直径(d_a＝190mm)的耐磨本体242。

表3.图7的测试例

*)对于“参考1”和“参考2”(见图6A)，角α是在宽开口端面处的渐缩分离部的曲线内壁的有效锥角，对于“例1”和“例2”(见图6C)，角α是锥角。有效锥角α由共同对称轴线A与参考线R_E之间形成的角限定，该参考线R_E与径向参考平面R_xz平行并且与宽开口端面21的内径d₁和窄开口端面23的内径d₂相交(见图6A)。

从图7中可以看出，从在竖直布置的传统旋流器上进行的实验获得的结果(即，“参考1”)在测试例中具有最小分级粒径(d₅₀)，～95μm。而且，曲线的斜率表明分离效率在四例中最低，并且悬浮液的相当大部分的小尺寸颗粒最终在过程流中(在30μm平均颗粒尺寸下为约26％)。不必说，最终在过程流中的任何小尺寸颗粒都是不希望的，并且改进旋流器分离过程的目的之一是使过程流中的小尺寸颗粒的分数最小化。“参考1”结果对于传统锥形旋流器是典型的，已知其产生更细的切割。转到从在另一个传统旋流器上进行的实验中获得的结果，该旋流器相对于竖直轴线(即，相对于用于“参考1”的布置)倾斜110°，即，“参考2”，可以清楚地看到颗粒分级粒径(d₅₀)显著增加，～310μm，即，大约是“参考1”的3.3倍大。此外，“参考2”曲线的斜率更陡，因此表明分离效率比“参考1”更高。最后，最终在过程流中的小尺寸颗粒的分数显著降低(对于“参考2”，在30μm平均颗粒尺寸下为约10％)。因此，结果表明，以倒置模式运行传统旋流器可能有利于获得增加的分级粒径(d₅₀)、改善的分离效率和过程流中小尺寸颗粒的分数降低。这些结果也来自该领域以前的研究。

转向基于本公开的旋流器的两个测试情况，即，“例1”和“例2”，可以看出，基于较长的渐缩分离部的测试例，“例2”显示出约230μm的分级粒径(d₅₀)，其显著大于传统旋流器“参考1”的分级粒径，但同时略小于半倒置传统旋流器“参考2”的分级粒径。然而，重要的是，“例2”的分离效率明显高于“参考1”的分离效率，如从“参考2”曲线的更陡梯度可以看出的。而且，过程流中的小尺寸颗粒的分数降低(在30μm平均颗粒尺寸下为约15％)。基于较短的锥形分离部的测试例，即“例1”，有趣地显示了与半倒置旋流器“参考2”大约相同的分级粒径(d₅₀)，但是具有相当高的分离效率，这由曲线的更陡梯度所证明。而且，过程流中的小尺寸颗粒的分数略低于“例2”(在30μm平均颗粒尺寸下为约12％)。因此，图7清楚地示出了本公开的旋流分离器的示例实施例，“例1”，其不仅允许获得比传统竖直布置的旋流器大超过三倍的分级粒径(d₅₀)，而且允许获得比传统竖直布置的旋流器显著更高的分离效率和在过程流中的小尺寸颗粒的显著更低的分数。更值得注意的是，本公开的旋流分离器还允许获得比半倒置旋流器更好的尺寸分离，如通过旋流分离器“例1”的分离效率高于半倒置旋流器“参考2”在约相同的分级粒径(d₅₀)～310μm下的分离效率和在过程流中的小尺寸颗粒的分数(在30μm平均颗粒尺寸下为10-12％)所证明的。图7还清楚地显示了半倒置旋流器“参考2”是本公开“例1”的旋流器的唯一严重竞争对手。如本领域技术人员容易理解的，由于尺寸限制，在工厂现场将旋流器以110°倾斜角布置通常是困难的。此外，半倒置旋流器倾向于更难以操作，因为它们克服重力操作，因此需要更高的启动压力，这可能导致不希望的振动。利用根据本公开提出的旋流分离器，因此将可以提供竖直布置的旋流器，其以至少与现有技术的半倒置旋流器一样好的分离特性操作，或如图7中呈现的结果所证明的可能甚至更好的分离特性操作。

图8和图9示出了针对不同操作条件在传统旋流器和根据另一示例实施例的旋流器的第二组实验中获得的测试结果。这些测试结果的数据总结在表4中。如从表4中可以看出，用于“参考3”和“参考4”的传统旋流器分别类似于用于“参考1”和“参考2”的旋流器，唯一的区别是稍小的尖端输出直径d_a，其对于用于“参考3”和“参考4”的传统旋流分离器为150mm。测试系列“例3”和“例4”基于本公开的旋流分离器的另一示例实施例。该示例实施例与先前描述的示例实施例不同，在该示例实施例中，“例1”仅基于稍小的尖端输出直径d_a，对于“例3”和“例4”，尖端输出直径d_a为150mm，而对于“例1”，尖端输出直径d_a为190mm。

表4.图8和图9的测试例。

/>

*)对于“参考3”和“参考4”(见图6A)，角α是在宽开口端面处的渐缩分离部的曲线内壁的有效锥角，对于“例3”和“例4”(见图6C)，角α是锥角。有效锥角α由共同对称轴线A与参考线R_E之间形成的角限定，该参考线R_E与径向参考平面R_xz平行并且与宽开口端面21的内径d₁和窄开口端面23的内径d₂相交(见图6A)。

图8和图9中所示的结果遵循图7中所见的一般趋势，因此将在本文中仅简要描述。

参考图8，可以看出，“例3”的分级粒径(d₅₀)为～710μm，其比传统旋流器的分级粒径(“参考3”的分级粒径为～220μm)大，约为3.2倍。“例3”曲线中的梯度比“参考3”曲线中的梯度更陡，这证明了其分离效率也更好。特别明显的是，在端点处(即，当分别接近最大和最小平均颗粒尺寸时)，分离变得更陡。最后，“例3”在过程流中的小尺寸颗粒分数相当低(“例3”为～4％，而“参考3”为～9％)。

参考图9，可以看出，“例4”的分级粒径(d₅₀)为～1600μm，其比传统旋流器的分级粒径(“参考4”的分级粒径为～800μm)大，约为2倍。“例4”曲线中的梯度比“参考4”曲线中的梯度更陡，这证明了其分离效率也更好。特别明显的是，最后，“例4”在过程流中的小尺寸颗粒分数相当低(“例4”为～18％，而“参考4”为～27％)。

将图8中呈现的结果与图9中呈现的结果进行比较，在图8中揭示了总体上更好的分离特性，特别是在过程流中的小尺寸颗粒的分数方面。而且，与图8中呈现的结果相比，对于图9中呈现的结果，相当大的小尺寸颗粒的分数被报告在底流。由于在两个例中在相同的一对旋流器几何形状上进行实验，因此差异的原因可以通过输入到旋流分离器的悬浮液的不同操作条件和材料性质来解释。图8中所示的实验结果是通过使用在95kPa的操作压力下供应到旋流分离器的具有55％固体w/w(重量百分比)的悬浮液获得的，而图9中所示的实验结果是通过使用在80kPa的操作压力下供应到旋流分离器的具有65％固体w/w的悬浮液获得的。通过在悬浮液中提供更大分数的固体，并在较低压力下操作，预期分离效率较低。通常，当在旋流分离器内建立合适的空气芯时，需要一定的操作进料压力。如果操作压力太低，则旋流分离器可能变得不稳定，并且空气芯可能自身塌陷。理论上，操作压力越低，空气芯塌陷的机会越高。塌陷的空气芯意味着不发生分离。因此，通过降低操作压力，可以接近几乎不稳定的空气芯的条件，这又将导致分离效率较低。关于进料密度，本领域的合理理论表明浆料粘度和密度是相互关联的性质，并且粘度和密度的增加将导致分离强烈程度的降低。对这种现象的一种合理解释是，细粒显著地受到湍流分散和由于浆料的高粘度而导致的流动阻力的量的影响，这两者都可能加剧到底流的短流，这将导致更差的强烈程度值。然而，这里重要的是，无论分离过程对于例4/参考4是更具挑战性的，还是对于例3/参考3是更具挑战性的，测试表明，本公开的旋流分离器总是优于用作所有三个关键参数(即，分级粒径(d₅₀)、分离效率和过程流中的小尺寸颗粒的分数)的参考的传统旋流器。

图7至图9中所示的结果仅是从对本公开的旋流分离器进行的广泛实验研究中获得的实验结果的总批次中的一小部分选择。测试了在本文要求保护的范围的若干操作压力、固体含量分数和旋流器尺寸，并且结果是结论性的。当在类似的测试条件下操作时，总是发现本公开的测试的旋流分离器优于用作该测试的参考的传统旋流分离器。

旋流器的性质

本公开的旋流器中改进的分离效率背后的原因被认为是流动的不同物理现象之间的权衡。现在将参考图10进一步描述这一点，图10使用Sankey图方法概念性地示出了本公开的旋流分离器1内的大颗粒L和小颗粒S的相对丰度。注意，为了清楚起见，图10的左侧仅示出了大颗粒L的相对丰度，并且右侧仅示出了小颗粒S的相对丰度。实际上，大颗粒L和小颗粒S当然将一起存在于旋流分离器1内。

在尖端排放部40的更靠近第一开口41的部分处，即，在切向角β相对较大(诸如例如>80°)的地方，轴向速度和切向速度通常较高。较高轴向速度的原因是由于外部涡流向下运动增强，因为存在到底流和排放的相对不受阻碍的流动路径。在较高的切向速度和轴向速度的影响下进入靠近壁的旋流器的较小颗粒S倾向于被粗颗粒捕获并且在朝向尖端排放部40的方向上跟随粗颗粒。在更靠近第二开口43的部分处，即，切向角β相对较小(诸如例如<50°)的地方，轴向速度将减小，因为横向于共同对称轴线A看到的逐渐减小的横截面轮廓有效地用作通过第二开口43的底流和排放的阻碍。该较低的轴向速度有助于增加保留时间，允许较小的颗粒在阻力下迁移到内部向上流动的涡流核心。

同时，更靠近第二开口43的这些部分中的切向速度不会减小到相同的程度。类似于对于平底旋流器已经发现的，第一子容积47的更靠近第二开口43的部分将确保较大的颗粒L在共同对称轴线A处经受向上流动的内部旋涡核心。这有效地允许这些颗粒的第二分级，同时还存在较小的颗粒被吸入溢流。然而，与传统的平底设计相比，不同之处在于，相对于平底旋流器，也被吸入的较大颗粒现在经受较大的切向速度，由于尖端排放部40的内表面45的圆形形状而保持较大的切向速度。这导致较大的颗粒L再次朝向外壁45离心，并且以更高的可能性平移，使得它们最终将到达底流。换言之，凸形在底部产生非常有效的二次淘析分级区E，这将有效地增加分级的强烈程度。换言之，第一内部子容积47的圆形形状(其可以被公开为碗形或凹形)因此迫使流动改变方向，但是略微地而不是突然地改变方向，从而影响切向速度，并且因此可以有助于支持在尖端排放部40内形成涡流，而不会干扰最大颗粒L朝向底流的流动，从而避免沉积物形成。旋涡或涡流支持在底部处形成上述二次淘析分级区E。不用说，一些颗粒可以通过所述二级淘析分级区E输送多于一个额外的转弯。总之，尺寸大于但接近分级粒径(d₅₀)的颗粒将报告底流的可能性甚至进一步增加。

已经发现本公开的旋流分离器的颗粒分级粒径(d₅₀)显著大于传统锥形设计的颗粒分级粒径。这也可以通过上文描述的流动模式来解释。类似于传统的平底设计，较低的轴向速度可以极大地有助于增加保留时间，从而允许较大的颗粒在底部处积聚，从而报告到底流。当暴露于中心的轴向上流时，与传统锥形旋流器中的情况相比，较大部分的较粗颗粒将因此报告到溢流。这将导致颗粒分级粒径(d₅₀)变得比传统锥形旋流器中更粗糙，该颗粒分级粒径具有相等的概率报告到溢流或底流。

本领域技术人员认识到，在不脱离在所附权利要求中限定的本公开的范围的情况下，本文描述的实施例的许多修改是可能的。

实施例：

1.一种用于对液体悬浮液中的固体材料进行尺寸分级的旋流分离器，包括：

头部，所述头部具有入口导管，所述入口导管被配置为将悬浮液引导到所述头部中，并且所述头部具有溢流排放管，所述溢流排放管被轴向地布置在所述头部中，

渐缩分离部，以及

尖端排放部，用于底流排放，

所述渐缩分离部被布置在所述头部与所述尖端排放部之间，所述渐缩分离部具有与所述头部对准并布置于所述头部的宽开口端面和与所述尖端排放部对准并布置于所述尖端排放部的较窄开口端面，

其中，所述尖端排放部具有与所述渐缩分离部的所述较窄开口端面对准并附接的第一开口，并且在与所述第一开口相对的表面中具有用于底流排放的第二开口，所述第一开口大于所述第二开口，并且所述尖端排放部的内表面具有从所述第一开口延伸到所述第二开口的曲率，其中，所述渐缩分离部和所述尖端排放部具有共同对称轴线，并且

其中，在所述第二开口处的所述尖端排放部以距横向于所述共同对称轴线限定的参考平面的切向角β的曲率结束，所述切向角β在0°<β<40°的范围内。

2.根据实施例1所述的旋流分离器，其中，所述第二开口处的所述尖端排放部以如下范围的切向角β的曲率结束：距所述参考平面在0°<β<30°的范围内、距所述参考平面在1°<β<30°的范围内、距所述参考平面在2°<β<26°的范围内、距所述参考平面在3°<β<20°的范围内、或距所述参考平面在4°<β<20°的范围内。

3.根据实施例1所述的旋流分离器，其中，所述渐缩分离部具有相对于所述共同对称轴线在0°<α<20°、0°<α<15°、0°<α<12°、0°<α<10°、2.5°<α<10°、2.5°<α<7.5°或3.5°<α<6.5°的范围内的切向角α。

4.根据实施例1所述的旋流分离器，其中，所述渐缩分离部包括截头圆锥形分离部，所述截头圆锥形分离部具有相对于所述共同对称轴线的一个锥角α，所述锥角α在0°<α<20°、0°<α<15°、0°<α<12°、0°<α<10°、2.5°<α<10°、2.5°<α<7.5°或3.5°<α<6.5°的范围内。

5.根据实施例1所述的旋流分离器，其中，所述渐缩分离部的所述宽开口端面与所述较窄开口端面之间的距离(F-h)相对于所述尖端排放部的所述第一开口与所述第二开口之间的距离(A-h1)，即(F-h):(A-h1)，大于2.4，在2.4至4.5的范围内，或在3至4的范围内。

6.根据实施例1所述的旋流分离器，其中，所述渐缩分离部的所述宽开口端面与所述较窄开口端面之间的距离(F-h)相对于所述渐缩分离部的所述宽开口端面的直径(F-d1)，即(F-h):(F-d1)，在1.5至5的范围内。

7.根据实施例1所述的旋流分离器，其中，所述尖端排放部的所述第一开口与所述第二开口之间的距离(A-h1)相对于所述尖端排放部的所述第一开口的直径(A-d1)，即(A-h1):(A-d1)，在0.5至1的范围内，或在0.7至0.9的范围内。

8.根据实施例1所述的旋流分离器，其中，所述尖端排放部的所述第一开口的直径(A-d1)相对于所述尖端排放部的所述第二开口的直径(A-d2)，即(A-d1):(A-d2)，在2至5的范围内，或在2至4的范围内，或在2.5至3.5的范围内。

9.根据实施例1所述的旋流分离器，其中，在所述第一开口处的所述尖端排放部以相对于所述参考平面的切向角β的曲率开始，所述切向角β在70°<β<90°的范围内。

10.根据实施例1所述的旋流分离器，其中，在所述第一开口处的所述尖端排放部以切向角β的曲率开始，所述切向角β等于或基本上等于90°-α，其中α是如相对于所述共同对称轴线限定的所述渐缩分离部的锥角。

11.根据实施例1所述的旋流分离器，其中，所述尖端排放部的内表面的曲率沿着所述共同对称轴线从所述第一开口到所述第二开口逐渐增加。

12.根据实施例1所述的旋流分离器，其中，由所述尖端排放部的共同对称轴线A限定的所述尖端排放部的内表面的内半径R(x)与从所述第一开口开始并朝向所述第二开口延伸的距离x_max之间的比率R(x)/x_max由非线性函数描述，所述非线性函数对于沿着所述共同对称轴线从所述第一开口到所述第二开口的变化的相对距离x/x_max落入以下范围：

/>

13.根据实施例12所述的旋流分离器，其中，所述距离x_max落在30mm至1000mm、或200mm至500mm、或300mm至450mm、或350mm至430mm的范围内，或为约400mm。

Claims (13)

1.一种用于对液体悬浮液中的固体材料进行尺寸分级的旋流分离器，包括：

头部，所述头部具有入口导管，所述入口导管被配置为将悬浮液引导到所述头部中，并且所述头部具有溢流排放管，所述溢流排放管被轴向地布置在所述头部中，

渐缩分离部，以及

尖端排放部，用于底流排放，

所述渐缩分离部被布置在所述头部与所述尖端排放部之间，所述渐缩分离部具有与所述头部对准并布置于所述头部的宽开口端面和与所述尖端排放部对准并布置于所述尖端排放部的较窄开口端面，

其中，所述尖端排放部具有与所述渐缩分离部的较窄开口端面对准并附接的第一开口，并且在与所述第一开口相对的表面中具有用于底流排放的第二开口，所述第一开口大于所述第二开口，并且所述尖端排放部的内表面具有从所述第一开口延伸到所述第二开口的曲率，其中，所述渐缩分离部和所述尖端排放部具有共同对称轴线，并且

其中，在所述第二开口处的尖端排放部以距横向于所述共同对称轴线限定的参考平面的切向角β的曲率结束，所述切向角β在0°<β<40°的范围内。

2.根据权利要求1所述的旋流分离器，其中，所述第二开口处的尖端排放部以如下范围的切向角β的曲率结束：距所述参考平面在0°<β<30°的范围内、距所述参考平面在1°<β<30°的范围内、距所述参考平面在2°<β<26°的范围内、距所述参考平面在3°<β<20°的范围内、或距所述参考平面在4°<β<20°的范围内。

3.根据权利要求1或2所述的旋流分离器，其中，所述渐缩分离部具有相对于所述共同对称轴线在0°<α<20°、0°<α<15°、0°<α<12°、0°<α<10°、2.5°<α<10°、2.5°<α<7.5°或3.5°<α<6.5°的范围内的切向角α。

4.根据权利要求1或2所述的旋流分离器，其中，所述渐缩分离部包括截头圆锥形分离部，所述截头圆锥形分离部具有相对于所述共同对称轴线的一个锥角α，所述锥角α在0°<α<20°、0°<α<15°、0°<α<12°、0°<α<10°、2.5°<α<10°、2.5°<α<7.5°或3.5°<α<6.5°的范围内。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的旋流分离器，其中，所述渐缩分离部的所述宽开口端面与所述较窄开口端面之间的距离(F-h)相对于所述尖端排放部的所述第一开口与所述第二开口之间的距离(A-h1)，即(F-h):(A-h1)，大于2.4，在2.4至4.5的范围内，或在3至4的范围内。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的旋流分离器，其中，所述渐缩分离部的所述宽开口端面与所述较窄开口端面之间的距离(F-h)相对于所述渐缩分离部的所述宽开口端面的直径(F-d1)，即(F-h):(F-d1)，在1.5至5的范围内。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的旋流分离器，其中，所述尖端排放部的所述第一开口与所述第二开口之间的距离(A-h1)相对于所述尖端排放部的所述第一开口的直径(A-d1)，即(A-h1):(A-d1)，在0.5至1的范围内，或在0.7至0.9的范围内。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的旋流分离器，其中，所述尖端排放部的所述第一开口的直径(A-d1)相对于所述尖端排放部的所述第二开口的直径(A-d2)，即(A-d1):(A-d2)，在2至5的范围内，或在2至4的范围内，或在2.5至3.5的范围内。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的旋流分离器，其中，在所述第一开口处的尖端排放部以相对于所述参考平面的切向角β的曲率开始，所述切向角β在70°<β<90°的范围内。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的旋流分离器，其中，在所述第一开口处的尖端排放部以切向角β的曲率开始，所述切向角β等于或基本上等于90°-α，其中α是如相对于所述共同对称轴线限定的所述渐缩分离部的锥角。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的旋流分离器，其中，所述尖端排放部的内表面的曲率沿着所述共同对称轴线从所述第一开口到所述第二开口逐渐增加。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的旋流分离器，其中，由所述尖端排放部的共同对称轴线A限定的所述尖端排放部的内表面的内半径R(x)与从所述第一开口开始并朝向所述第二开口延伸的距离x_max之间的比率R(x)/x_max由非线性函数描述，所述非线性函数对于沿着所述共同对称轴线从所述第一开口到所述第二开口的变化的相对距离x/x_max落入以下范围内：

13.根据权利要求12所述的旋流分离器，其中，所述距离x_max落在40mm至1000mm、或200mm至500mm、或300mm至450mm、或350mm至430mm的范围内，或为约400mm。