CN1243590C - 具有轴向涡流分离器和分析器的装置 - Google Patents

Abstract

一种轴向涡流分离器和分析器装置，包含一个混合流体流通管(20)，该管(20)具有上游旋转加速叶片部件(22)，可旋转地安装在管(20)内并定向为向管(20)内的混合流体传递角加速度，用于按成分密度的顺序把流体在管(20)内分离为径向分层的成分层并推动流体经过管(20)的下游；第一叶片驱动机构(36)，可驱动地连接到旋转加速叶片部件(22)；下游旋转保持部件(32)，可旋转地安装在管(20)内并定向为绕该管的纵向轴向管(20)内的混合流体传递角加速度，用于保持流体的旋转速度；和第二叶片驱动机构(38)，可驱动地连接到旋转保持叶片部件(32)。

Description

具有轴向涡流分离器和分析器的装置

技术领域

本发明总体上涉及油回收装置的领域。更具体地，本发明涉及一种轴向涡流分离器(voraxial separator)和分析器装置，用于从水中分离和回收油，例如在油轮装载的油溢出后，并用于从工业杂质中分离和回收纯净水。该装置包括一个混合流体流通管，该管包含被称为旋转加速叶片的第一组旋转叶片，该组叶片连接到叶片旋转装置。该组旋转加速叶片被定向为绕该管的纵向轴向管中的混合流体传递角加速度以达到给定旋转速度，在该速度下构成混合流体的成分流体依照它们的密度分离为径向层化的分层。被称为旋转保持叶片的第二组旋转叶片有创造性地设置在旋转加速叶片的管的下游内，该组叶片优选地提供仅够保持分层的成分流体旋转的角向力，该旋转要克服管壁的摩擦力和流体粘性，从而防止转变为较低的角速度而产生的湍流，该湍流会导致流体层化的部分损失。

本发明的第二主要特征是提供一种分析器系统，该分析器系统包括使两个电机和两个系统成为一体的集成装置。提供有一个与计算机监视器相连的反馈回路和旋转流体的方法。转速计与所述组旋转保持叶片相连以便测量流体旋转速率，并用电线连接在反馈回路中。

背景技术

每年从油井获得数百万加仑的珍贵的燃料油，但是大量的泥渣和水经常混入这种燃料油中并且必须从油中分离以便使油可以使用。世界上的一些地方，饮用水供应不足并且必须从杂质中分离出来。饮用水的主要污染源为混入在金属表面处理和其他化学浸蚀处理过程中使用的清洗水中的化学物和颗粒物质。这样的杂质的分离意味着经济负担并且更多的是珍贵的饮用水的损失。在欧洲，使用现有净化方法例如离子交换系统的水厂和水处理工厂的不断增长的成本已经成为政府和工业界的主要关注点。进入供水系统的工业废水和燃料也已对沿海鱼场有严重的环境和经济影响。为了快速净化、获得和贮存纯净水并回收损失的燃料和其他可再利用的污染物，水和污染物的混合物必须从贮水池中抽出并分离。能够实现这一分离的轴向涡流分离系统在授予本申请人的美国专利5,084,189中被公开。本发明的分离器的很多详细说明在美国专利号5,084,189中被描述，该美国专利作为参考包含于本文。然而，这种在先分离器的局限性在于，随着角加速和径向的成分层化而由转变到较低的旋转速度而产生的流动流内的湍流，该湍流引起层化分层之间的某些混合。

因此本发明的一个目的是提供一种混合流体分离装置，该装置通过介质的离心加速度和分层来分离由包括不同密度的杂质的一种或多种成分流体组成的混合流体介质，这种分离通过由一组旋转加速叶片给予的力引起以便使该介质在混合流体流通管中沿轴线旋转，产生作用在介质体上的力涡流，转而使旋转介质相应于它们各自的密度在不同的半径上分离为它的成分流体和杂质，被分离的介质沿圆柱形管被轴向传送并用径向定位的管入口被分离。较轻的流体通过自由涡流作用和柏努利(Bernoulli)压力沿旋转介质的中心轴被推动入紧密的圆柱形流，同时较重颗粒沿旋转介质的外部半径旋转。

本发明的又一个目的是提供这样一种装置，除了为了从流动流中单独去除成分流体而轴向涡旋地加速和层化成分流体，该装置还克服减速湍流保持所需要的层化速度直到成分流体去除完成。

本发明的又一个目的是提供这样一种装置，该装置通过使用相连于计算机的传感器和反馈回路，自动监视并控制引起和保持流体分离所需的旋转加速度和保持叶片速度。

本发明的又一个目的是提供这样一种装置，该装置包括传感器和检测装置用以监视在杂质流出管和流体流出管中的杂质的浓度。

本发明的又一个目的是提供这样一种装置，该装置提供一种监视在不同的径向分离层中未分离的流体量的方法，此目的包括还计算反馈信号以便正确地确定和控制分离器的旋转速度并实现最大程度的分离结果。

本发明的又一个目的是提供一种监视未分离的流体量的方法，并计算反馈信号以便控制排出阀、从而通过在分离前将空气喷入介质而改变介质的密度。空气流用来改变中心分离的流体流的密度，从而使较大密度流体到中心流的损失最小化。

为了成分回收和去除的目的，本发明的又一个目的是提供这样一种装置，该装置有效地分离杂质流体的各种成分，例如混入泥、油和粘土的水，该目的还把这些成分区分为不同的密度，从而这些成分可以从流体流中去除。

为了成分回收和去除的目的，本发明的又一个目的仍是提供这样一种装置，该装置依靠计算机化的分析器系统，该系统有效地分离杂质流体中的不同成分。

为了成分回收和/或去除的目的，本发明最后的一个目的是提供这样一种装置，该装置依靠具有计算机化的分析器系统的反馈回路，该分析器系统有效地确定杂质流体的不同成分的浓度。

本发明的以上和其他目的通过提供以下结构而实现：一个轴流式泵，用于分离具有不同比重的不相溶的流体，以及与该流体泵相连的流体排出歧管，用于吸出具有较大比重的流体；一个附着于进入分离器的入口流的传感器；一个附着于分离器的出口流的传感器；一个附着于中心的较轻流体排出歧管的传感器；来自传感器的信号产生装置；用于把产生在传感器中的信号传送给信号处理分析器并计算反馈控制信号的装置；使用所计算的反馈信号以精确地控制分离器的速度和进入分离器的空气量的装置。

本发明是一种装置，用于有效并可靠地分离流体中的成分，该装置还具有内置的集成分析器，用以确定被分离的流体的每个成分的浓度。本发明的目的在于借助轴向涡流分离器分离流体中不想要的成分并用完整的集成控制系统分析被分离的成分。本发明具有一体化和完整系统的优点，这样的系统在一个单元内有分析器和轴向涡流分离器的所有的部件。该装置由独特设计的轴向涡流分离器组成，这种分离器依靠流体的自由旋转而不是流体的强制旋转，因此不受市场上通用的离心分离器的各种流体动力限制，该装置还包括传感器探针，其中传感器探针通过探针的密度变化依靠电磁辐射的变化散射区域；一个通过光纤电缆接收电磁辐射的装置；和一个计算流体在给定横截面的密度范围的装置；和一个用以适当地控制轴向涡流分离器的分离速度的电机控制器装置。根据在先技术的现有装置的一个有区别的设计是使用特殊设计的导向表面和特殊形状的叶片，用以在分离阶段推动和控制流体的离心流。

发明内容

本发明实现上述和其他的目的，本发明可以通过清楚的阅读和理解整个说明书来确定。

提供了一种轴向涡流分离器和分析器装置，包括一个混合流体流通管，该管具有一个管上游部分和一个管下游部分；一个旋转加速叶片结构可旋转地安装在管上游部分内并被定向为绕管的纵向轴向管内的混合流体传递角加速度，用于按成分密度的顺序把流体分离为管内的径向分层的成分层并推动流体流向并经过管下游部分；加速叶片驱动机构，可驱动地连接到旋转加速叶片结构；旋转保持叶片结构，可旋转地安装在管下游部分并被定向为绕该管的纵向轴向管内的混合流体传递角加速度，用于克服摩擦损失保持由旋转加速叶片结构施加的流体的旋转速度；和保持叶片驱动机构，可驱动地连接到旋转保持叶片结构。

此外，该装置优选地包括一个在旋转保持叶片结构的管下游部分中的第二旋转保持叶片结构。旋转加速叶片结构可选择地包括一个皮带驱动的叶轮。旋转保持叶片结构可选择地包括一个皮带驱动的叶轮。

此外，该装置优选地包括一个延伸进入旋转加速结构的管的下游流体探测器，该探测器被安置以便在管内不同的径向位置检测流体的成分并产生探测信号，和一个流体分析器计算机，该计算机接收并分析探测信号并显示流体成分信息。

此外，该装置还优选地包括一个控制加速叶片驱动机构的旋转速度的第一速度控制机构；和一个控制保持叶片驱动机构的旋转速度的第二速度控制机构；一个反馈回路机构，使流体分析器计算机机构、第一速度控制机构和第二速度控制机构相互连接；从而流体分析器计算机使第一速度控制机构改变旋转加速叶片结构的旋转速度，以便实现和保持径向分层成分的分离，并改变旋转保持叶片结构的旋转速度，以便用自动控制和反馈而实现和保持从旋转加速叶片结构排出的流体的旋转速度。

附图说明

对于本领域技术人员来说，本发明的各种其他目的、优点和特征将结合下列附图从下列讨论中变得清楚。图中：

图1是完整装置的透视图，主要表示外壳的外部、入口部分和控制器。

图2是去掉前面外壳壁的外壳的透视图，用以显示轴向涡流管、旋转加速和保持叶片结构。

图3是如图1中的装置的透视图，从相对的排出侧表示。

图4是轴向涡流分离装置，包括具有吸进和输出管末端凸缘的轴向涡流管并表示旋转加速和保持叶片结构以及驱动装置，还表示层式可去除管和一个探测器。

图5是另一个轴向涡流分离装置的透视图，表示两个探测器、旋转加速叶片结构的一个下游和旋转保持叶片结构的另一个下游。

图6是该装置的一个透视图。

图7是该装置去除外壳顶部的又一个透视图，用以显示轴向涡流分离组件的一部分。

图8是轴向涡流管和探测光反射镜和透镜以及层式可去除管的一部分的截面图。

图9是轴向涡流分离组件的不同的透视图，显示旋转加速和保持叶片结构、两个探测器、光纤纤维和两个层式可去除管。

图10是旋转叶片结构之一的解剖透视图。

图11是图10的结构的另一个透视图。

图12是该结构去除外壳前壁的透视图。

图13是一个操作流程图。

图14是一个操作流程图。

具体实施方式

按要求，这里揭示本发明的具体实施例；然而，应该明白所揭示的实施例只是本发明的范例，而本发明可以以各种形式体现。因此，这里所揭示的具体结构和功能的细节不是作为限制所解释，而是仅仅作为权利要求的基础并作为教导本领域技术人员本质上在任何适当的具体结构中不同地应用本发明的典型基础。

现在参考附图，其中各个附图中所示的相似的本发明的特性和特征用相同的参考数字标明。

第一优选实施例

参考图1-14，揭示了轴向涡流分离器和分析装置10。装置10包括一个混合流体通过的轴向涡流管20，该轴向涡流管包含一个被称为旋转加速叶片部件22的第一组旋转叶片，该组叶片与旋转装置相连。该组旋转加速叶片部件22被定向，以便沿管20的纵向轴线把角加速度传递给管20中的混合流体、使混合流体达到给定的旋转速度，在该速度下构成混合流体的各成分流体分离进入径向的层化分层。该组旋转加速叶片部件22也传递直线的轴向速度给混合流体以便当混合流体被分离时推动它通过管20。被称为旋转保持叶片部件32的第二组旋转叶片富有创造性地设置在该组旋转加速叶片部件22的下游管20内。旋转保持叶片部件32优选地提供仅仅足够保持分层的成分流体旋转的角向力，该旋转要克服管壁的摩擦力并克服由流体粘性引起的流体的内摩擦，从而防止转变为较低旋转速度而产生的湍流，该湍流导致流体层化的部分损失。若缺少旋转保持叶片部件32，那么流体流将达到瞬态流动的一点，即远于加速叶片的特定距离，在该位置会导致以角减速度和层化分层之间的交叉流动的形式的倒流，引起和产生结合的湍流。因此，用旋转保持叶片部件32提供从强制涡流到自由涡流的无湍流的瞬态流动。如需要保持分层速度和防止减速湍流，另一组旋转保持叶片(未示)可选择地定时地设在更远的下游，这取决于管20的长度。如上所述，该组旋转加速叶片和一组或多组旋转保持叶片每个都优选为皮带从动叶轮，但也可以采用其他形式。

本发明的第二主要特征是提供一个分析仪和反馈系统，它包括使两个电机和两个系统成为一体的集成装置。提供有一个与计算机监视器相连的反馈回路和旋转流体的方法。转速计与该组旋转保持叶片相连以便测量流体旋转速率，并用电线连接在反馈回路中。

装置10包括外壳12，该外壳设计为满足石化和化学加工厂的防火要求。外壳12把装置10的所有元件保持在密封环境中。设置清洗气体入口42使包括管20的装置10的元件的内部被清洗并在电力与装置10的元件相连之前清除所有爆炸性气体。在石化工厂中，这种清除可以当电力供给到装置10时不引起爆炸的危险的情况下允许装置10被使用。清洗气体被控制在大于大气压力的固定的输入压力，从而在装置10的初始操作中，通过装置10的内部引入惰性气体如氮气，并使惰性气体清除和置换可能聚集在装置10内部的任何杂质气体。设置第二清洗出口44用以去除装置10内部的杂质气体。这样，在清洗气体入口42和第二清洗出口44之间确立了在操作过程中用来清洗装置10的稳定的气流。

装置10具有流体入口52，用来接收用于轴向涡流分离的任何可流动的流体F。入口52可以是工业中标准设计的螺栓-法兰连接。入口52是与轴向涡流管20的入口相连的连接部件。轴向涡流管20设计为允许流体F非常平滑的流动，所以在流动流体中产生尽可能小的湍流。导向锥56使流体加速进入流体驱动外壳62。

在操作中，流体入口52与被加工并分离的流体贮存器的进气管(未示)相连。轴向涡流管20的一部分密封地相连于较大的流体驱动外壳62。在流体驱动外壳62内部，一个旋转加速叶片部件22设计为由流体驱动加速叶片电机36驱动。旋转加速叶片部件22经过一组中心密封轴承相对流体驱动外壳62而旋转。电机36通过齿轮(未示)或细摩擦皮带72与旋转加速叶片部件22的旋转驱动凸缘66相连。电机36驱动皮带72，然后皮带把旋转能量传给旋转加速叶片部件22。旋转加速叶片部件22与轴向涡流管20内的流体相连。旋转加速叶片部件22的旋转速度由连接在驱动凸缘66的转速计来测量。力矩传感器也设置在驱动凸缘66上用以确定按给定旋转速度通过旋转加速叶片部件22旋转流体和其成分所需的力矩。

旋转加速叶片部件22与流体F结合，产生一个快速牵引流体通过旋转加速叶片部件22的低压涡流。由于作用在流体成分上的离心力，流体F的快速旋转导致流体和其成分的不受阻碍按密度差别而径向分离。流体成分表示流体F成分的极限密度范围。因为流体的旋转是强制旋转，所以由流体F经历很陡的密度梯度，致使流体F中较重的成分向轴向涡流管20的外围移动，同时较轻的成分被推向轴向涡流区域的中心。强制涡流结构仅发生在流体在旋转加速叶片部件22中被推动并旋转时。当允许自由涡流被形成并保持在旋转加速叶片部件22的下游时，情况变得明显的不同。在强制涡流尾部的下游仅仅几厘米处，自由涡流开始形成并且流体作为自由涡流开始变得动态稳定。虽然纯净的流体具有恒定的密度，但是压力区域发展从而在自由涡流中产生中心低压区域。然后，自由涡流开始把较重颗粒和流体成分牵引到轴向涡流管20的中心。第一采集管82去除流体中大部分的较重成分，过滤流体F中大约百分之99.9的固体和较重的液体成分。在过滤以后，流体F基本上脱离比该流体密度更重的大部分固体和化学成分。然后，清洗流体流进入保持叶片部件32。保持叶片部件32基本上为与旋转加速叶片部件22相似的设计，并由电机38所驱动。然而，保持叶片部件32的旋转速度被非常好地控制以便和流体F的自由旋转速度相配。

在通常的离心分离机中，从强制涡流区域到自由涡流区域的过渡引起一些湍流，该湍流会使较浓成分的过渡区域变得不稳定。于是，本装置10有利地设计为通过以下方法解决这一问题：首先用旋转加速叶片部件22在流体F上应用离心机技术，然后迅速地使保持叶片部件32脉动以便把旋转向量传给流体F，从而在每个脉动过程中，流体F的旋转能量的摩擦损失通过由保持叶片部件32传给在流体F上的能量而被补偿。取代建立在旋转加速叶片部件22下游的湍流，保持叶片部件32使流体保持自由涡流结构而没有曾经进入保持叶片部件32的过渡区域。这样更好的分离总由装置10保持。装置10装备有一个计算机分析器系统100，该系统接收来自旋转加速叶片部件22和保持叶片部件32的信息，然后由从转速计和力矩传感器接收的数据来计算并控制电机36和电机38的旋转速度。这样，通过减小保持叶片部件32的旋转速度以便精确地和已由旋转加速叶片部件22在强制涡流中传递的流体的旋转相匹配，旋转加速叶片部件22不会把除了克服摩擦损失所需的能量之外的任何能量传给到该流体。于是，计算机分析器系统100用来仅仅按理想的分离速度驱动流体F，同时使在流体F上的强制涡流条件最小化。于是，从强制涡流到自由涡流的过渡或转变被相当大地最小化。这也使装置10的分离效率最大化。另外，旋转加速叶片部件22也可以被控制为仅传给旋转能量以补偿摩擦损失。因此，在流体F初始的快速旋转之后，流体本质上以自由涡流模式旋转。

为了确定分离的精确性，光纤探测器110连接在轴向涡流管20的侧壁以便确定正在被分离的流体成分的浓度。近红外线(NIR)光由包含在装置10的分光光度计或分光计所产生。光L通过双向光纤电缆112传送到光纤探测器110。光纤探测器110包括管状外壳114，该外壳容纳聚焦透镜116和118。光L通过光纤探测器110，并由透镜116和118被校准并通过流体F投影在不锈钢反射镜130上。反射镜130通常在轴向涡流管20上沿直径正相对于光纤探测器110安装。当光L穿过流体F时，在那个位置特定的光谱被流体F所吸收。然后该光谱由计算机分析器系统100所使用以确定呈现在那个位置的流体成分的浓度。剩余的光由反射镜130反射到光纤探测器110。被反射的光L又被双向光纤电缆112所获得并传送到分光摄谱仪。于是通过计算机分析器100能够确定在流体F的扫描点的谱特征。优选的计算机分析器100在授予安东尼的美国专利号5,489,900中被描述。光纤探测器110也在授予安东尼等人的美国专利号5,044,755中被描述。这两个在先专利的揭示内容作为参考包含在本申请中。因此分离过程的效率可以由单一的一体化装置10精确地确定，如本发明中所描述的。

虽然本发明已经以各种术语或假设在实际的特定实施例或修改来描述、揭示、解释并表示，但并不想也不认为是由此限制本发明的范围，并且尤其当由本文的教导所启示的其他的修改或实施例落入下面的权利要求的广度和范围内，它们也将涵盖于本发明。

Claims (7)

1.一种具有轴向涡流分离器和分析器的装置，该装置包括：

一个混合流体流通管，该管具有一个管上游部分和一个管下游部分；

旋转加速叶片装置，可旋转地安装在所述管上游部分内并被定向为绕所述管的纵向轴向所述管内的混合流体传递角加速度，用于按成分密度的顺序在所述管内把流体分离为径向分层的成分层，并推动流体流向并经过所述管下游部分；

加速叶片驱动装置，可驱动地连接到所述旋转加速叶片装置；

第一旋转保持叶片装置，可旋转地安装在所述管下游部分并被定向为绕所述管的纵向轴向所述管内的混合流体传递角加速度，用于克服摩擦损失保持由所述旋转加速叶片装置施加的流体的旋转速度；以及

保持叶片驱动装置，可驱动地连接到所述第一旋转保持叶片装置。

2.如权利要求1所述的装置，还包括位于所述第一旋转保持叶片装置下游的所述管下游部分内的第二旋转保持叶片装置。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旋转加速叶片装置包括一个皮带传动叶轮。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一旋转保持叶片装置包括一个皮带传动叶轮。

5.如权利要求1所述的装置，还包括流体探测器装置和流体分析器计算机装置，其中该流体探测器装置延伸进入所述旋转加速叶片装置的所述管的下游，并安置为用于在所述管内的多个径向位置检测流体的成分并产生探测信号，该流体分析器计算机装置接收并分析所述探测信号并显示流体成分信息。

6.如权利要求5所述的装置，还包括：

控制所述加速叶片驱动装置的旋转速度的第一速度控制装置；控制所述保持叶片驱动装置的旋转速度的第二速度控制装置；将所述流体分析器计算机装置、所述第一速度控制装置和所述第二速度控制装置相互连接的反馈回路装置；

从而所述流体分析器计算机装置使所述第一速度控制装置改变所述旋转加速叶片装置的旋转速度，以便实现和保持径向分层成分的分离，并改变第一旋转保持叶片装置的旋转速度，以便用自动控制和反馈实现和保持由所述旋转加速叶片装置产生的所述流体的旋转速度。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述流体探测器装置包括一个光纤探测器和一个与所述光纤探测器相连的分光光度计，以及双向光纤电缆和一个位于所述管内与所述光纤探测器相对的反射器元件；

从而所述分光光度计产生光，并且光通过所述双向光纤电缆到达并通过所述流体而到达所述反射器元件，因此光中的能被流体吸收的部分光谱被流体吸收，并且剩余的光由所述反射器元件反射到所述光纤探测器，用以由所述流体分析器计算机装置分析。

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