CN1372484A - 具有增强液体脱除性能的深层澄清器/增稠器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种强化脱液的紧凑的深层增稠器/澄清器。这种设备包括接收液体和悬浮于液体中的固体颗粒的浆液的容器。该容器确定了自由沉降区,中间的受阻沉降区,上面的澄清区和下面的密实区。该容器中安装了脱液部件,向上延伸于至少两个区之间,以促进自由液体从下面的区域之一向上流动及颗粒的沉降。带有尖桩的旋转耙轴如此设计,以排放捕集在下面区域中的隙间液体。该尖桩为液体的垂直排放提供了路径。所排放的液体向上流至脱液部件并从上面进入澄清区。失去间隙水的低区进一步萎缩变得更加浓缩或密集。

Description

具有增强液体脱除性能的深层澄清器/增稠器
                发明背景
本发明涉及深层型的澄清器和增稠器。本发明还涉分离稠的浆液悬浮液中的液体和固体颗粒的相关方法及澄清器。
深层增稠器和澄清器(或称为增稠器/澄清器设备)已在例如美国专利第5,433,862号，第5,549,827号和第5,800,715号中说明和描述过，这些专利所公开的内容引入本文作为参考。
美国专利第5,433,862号中所描述的设备包括接收液体及悬浮于液体中的固体颗粒的浆液的容器。该容器规定了受阻沉降区，其中液体与固体趋于分离，固体向下沉降到位于受阻沉降区下方的密实区。在密实区，固体浓度趋于增加，同时液相上升至位于受阻沉降区上方的澄清区。邻近容器上端的溢流槽接收容器中分离的浆液的溢流相。接近容器底部的下溢流出料口接收增稠的或在容器中分离的浆液下溢相。容器中装有一个或多个如此称谓的分离部件，从受阻沉降区的或密实区中的下端向上延伸至澄清区的上端。优选该部件包括锥形物或其它向下倾斜的表面，它们促进固体向下沉降至密实区和自由液体从受阻沉降区或密实区向上流动至澄清区。
美国专利第5,800,715号公开的深层增稠器或澄清器设备与美国专利第5,433,862号中所公开的设备相似，但该设备在溢流澄清区与容器的其它区之间存在流体流动屏障，以及一个或多个穿过该屏障的澄清导管。每个这种导管均携带固体颗粒的悬浮絮凝层，该絮凝层过滤和进一步澄清从受阻沉降区向上流动至澄清区的液体。这种进一步的过滤除去了固体颗粒，否则该固体颗粒将会随“澄清的”液体一起带入溢流槽。因此，这些澄清导管的用途完全不同于分离部件的用途，并且独立地发挥其作用。
较之于常规增稠器和澄清器，深层增稠器/澄清器提供了一些设计和操作优点，但所提供的溢流澄清度和下溢的固体浓度却可与常规的增稠器/澄清器相比。常规的增稠器和澄清器一般为低断面(low-profile)设计的(即高度较短但直径却远大于深层增稠器)，但是像深层增稠器一样，一般都具有中央进料孔和下溢的下溢出料口。
常规的低断面增稠器依靠水平沉降区的径向展开来实现整个增稠器中的浆液沉降。为了获得这种沉降作用，流入的物料一般从中央进料孔沿径向向外分散，而一般具有犁形叶片的旋转耙臂聚集并沿增稠器/澄清器底部横向引导沉降的固体至增稠器/澄清器槽底部的中央出料口。这些耙叶片紧邻槽的底部，横向移动固体，且对通过受阻沉降区和密实区向下(或沉降的)浆液流型的破坏最小。为符合这种目的，耙以非常慢的速度旋转，例如，小于1转/分钟。举例来说，美国专利4,082,671，4,217,916和4,271,027描述并说明了具有这种功能的耙装置，即在常规低断面增稠器底部横向移动沉降固体以在中央下溢出口出料的耙装置。实际上，一些耙装置试图刮掉槽底部的沉降固体，参见美国专利4,247,400。
相比之下，“深层”增稠器/澄清器依靠受阻沉降的高度使浆液分离成澄清的液体和沉降的固相。深层增稠器/澄清器还有深的、大角度的锥形底，以引导沉降的固体至出料口。因此，在增稠器/澄清器内无须旋转耙来移动固体以实现固体的去除。实际上，耙在移动固体上起到的作用很少，然而却增加了费用和操作的复杂性。
深层增稠器主要依靠具有侧壁的锥形槽底部，所述侧壁沿水平方向张开一定的角度，该角度一般大于仅靠重力引导固体沿槽底部移动至出料口的静止角。这样消除了对旋转耙的需要，因此，较之于常规的增稠器/澄清器，简化了操作和增稠器/澄清器的结构，并降低了增稠器/澄清器的成本。这种成本降低的表现为耙装置资本支出的消除，并且表现为相关的扭矩驱动头和马达(经常超过1000000英尺磅的扭矩)及跨越槽顶部支撑驱动器的高强度支架的消除。
相比之下，常规的低断面增稠器/澄清器具有平面或倾斜一定角度的槽底部，该角度一般低于沉降固体的静止角，因而需要耙装置及相关的驱动器和支架(或支柱)结构，以将沉降的固体从增稠器/澄清器中除去。
                     发明简述
本发明强化了增稠器/澄清器中的液-固分离，从而生产了下溢产物或泥浆，其比存在于深层增稠器/澄清器中的泥浆稠。
更具体地，本发明的深层增稠器/澄清器释放并去除自由的或捕集在受阻沉降区和/或密实区的沉降固体隙间中的液体(一般为水)。这种液体释放是以不增加增稠器/澄清器的尺寸，不破坏沉降过程或者沿着锥形槽底部自然产生固体运动的方式进行的。
本发明的深层增稠器/澄清器包括具有溢流槽和下溢出料口的容器。该容器具有接收液体和悬浮于该液体里的固体颗粒的浆液的入口。在容器的上部，是具有低浓度固体浆液颗粒的自由沉降区，而在容器的下部，是具有高浓度固体浆液颗粒的密实区。溢流槽邻近容器的上端与容器相连，用于排放容器中已经分离的浆液的溢流相。下溢出料口邻近于容器的底部，用于排放容器中已经分离的浆液的增稠下溢相。
容器的上部包括自由沉降区，而容器的下部包括密实区。受阻沉降区延伸于自由沉降区和密实区之间，受阻沉降区和密实区构成了下部沉降区。容器中安置了脱液部件，其从邻近容器的下部向上延伸至邻近容器的上部，以便液体从至少一个下部区域流至自由沉降区。脱液部件还起隔离该液流与向下进入下部沉降区的浆液流的作用。安装耙装置是为了在容器的下部产生旋转，同时利用该耙装置在容器下部的浆液中形成通道，以释放至少一个所述下部沉降区中的液体，并使之流至脱液部件且从上面进入自由沉降区。
本发明的操作增稠器/澄清器的方法包括，将液体和悬浮于液体中的固体颗粒的浆液进料于容器中，并靠重力将浆液分离成液体-固体分离程度各不相同的区域，这些区域包括位于容器上部的具有较低固体浆液颗粒浓度的自由沉降区，还包括位于容器下部的具有较高固体浆液颗粒浓度的密实区。受阻沉降区位于这两个区域之间。该方法还包括，将澄清区中已经分离的浆液的溢流相排放到与所述容器上端附近相连的溢流槽中，并且通过固定在容器上至少接近于容器底部的下溢出料口，排放容器中已经分离的浆液的增稠下溢相。通过流动途径引导液体从至少一个下部沉降区流至自由沉降区，该流动途径与容器下部沉降区中的向下的浆液流相隔离。按照本发明，在容器下部的浆液中形成向上延伸的通道，以释放至少一个下部沉降区中的液体，并使之流入隔离的流动途径，然后流入自由沉降区。
本发明的其它目的部分是显而易见的，部分将在下面的附图和优选实施方案中进行描述和说明。
                    附图简述
为了具体地理解本发明，应当参考下面的优选实施方案详述并结合附图，在附图中相同的部件给予相同的编号，其中：
图1是本发明的增稠器/澄清器及其各种部件包括脱液部件和耙装置的纵断面图；
图2是本发明的具有穿过脱液部件内部的耙轴的第二增稠器/澄清器的纵断面图；及
图3是浆液中形成水流通道的耙尖桩(picket)的放大的详图。
                     优选实施方案描述
如图1所示，本发明的深层增稠器/澄清器一般是指10，其包括具有入口12的容器11，以接收包含液体和悬浮于该液体中的固体颗粒的浆液。浆液的组分在容器11中分离成重量较轻的溢流相(即主要的澄清液体)和重量较重的下溢相(即主要的高固体浓缩物)。容器11包括向下拔梢的截头锥形底14，其顶点(未指出)连接下溢出料口16，用于排出已在容器11内分离的浆液的增稠下溢相。变速泵与马达18通过阀65相连，所述阀65具有用以控制从容器11排除下溢相的出料口16。
增稠器/澄清器10还包括溢流堰或槽20，以便排除从容器11的浆液中分离出来的溢流相。溢流槽20的上缘10(未指明)定义为澄清液体的上液面。容器11中的圆柱壁26形成环形腔27，并在环形腔和容器内的剩余部分之间定义了流体屏障。通过环形腔27的下壁或底板28的突出一个或多个伸长的导管30，其具有大体垂直的延伸侧壁以维持悬浮于不同导管内的颗粒材料的流化絮凝层32，更详细的描述见美国专利第5,800,715号。图1示出了两根这种导管30。然而，其它的容器设计可能仅具有一根这种导管或者多于两根的导管。在断面图中示出的导管30是正方形或圆形的，但其断面可以是任何形状的。
为了促进容器11内的絮凝，可以将沉降剂如聚合电解质作为添加剂提供给浆液，或者如图1所示优选提供给容器中自由沉降的液体。如图1所示，沉降剂源如储罐36以液流的方式与容器11连通。液流控制装置，如遥控执行阀40，调节供给浆液的沉降助剂的剂量，从而控制容器11内的絮凝物的形成程度。
接收和保存在容器11中的浆液靠重力分离成位于密实区44上面和内部自由沉降澄清区44下面的受阻沉降区42，以及位于环形腔27中的溢流澄清区47。在受阻沉降区42内，液体和固体颗粒趋于分离，因为固体颗粒倾向于向下流到密实区44，而澄清的液体倾向于向上流到澄清区47。在密实区44内，固体浓度在容器底部的出料口或出口16处达到最高水平。
如美国专利第5,433,862号所描述的，脱液部件48在容器11内从大体上邻近密实区处向上延伸。脱液部件48一般是管状构型的，并接收密实区44释放的自由液体，且将该液体传送至脱液部件48的上端，其优选定位于自由沉降澄清区46的内部。在其上端，脱液部件48装有开口52，以便把挤出的液体送至自由沉降澄清区46。在图1的深层增稠器/澄清器10中，脱液部件48还作为旋转驱动部件或耙轴的一部分，更充分的描述请见下文。
该容器包括通常以81标明的上部和通常以83标明的下部，上部至少包括自由沉降澄清区46部分，而下部至少包括密实区44部分。受阻沉降区42可以延伸到容器的上部或下部。密实区44和受阻沉降区42构成下部沉降区。容器中的脱液部件48从容器的下部83向上延伸至容器的上部81，以使液液体从至少一个下部沉降区流到自由沉降区，同时使该液流与向下流入下部沉降区的浆液流隔离。在容器的下部83中安装耙装置63是为了进行如60所示的旋转，该耙装置63还具多个大体上垂直的尖桩62。如图3所示，由于耙装置旋转，尖桩62穿过浆液，如箭头80所示，并在容器下部的浆液中形成临时通道76。这些通道释放至少一个下部沉降区的空腔(pocket)75中的自由或隙间液体，并且使这些液体沿着大体上垂直的通道72流到脱液部件48。从那里，液体自由流向并从上面进入自由沉降区46。脱液部件48支撑并旋转耙装置63。在其上端，脱液部件48通过传动头(drivehead)61与马达70传动地相连。马达70可以是固定的或可变速度的马达，并且使用任何适宜的动力，如电力或水力马达或者内燃机。
因此，脱液部件48有助于从至少一个下部区域除去自由液体，使密实区中的固体增加至较高的浓度水平，并且比其它可能的方式更迅速。脱液部件48对受阻沉降区是开放的，以促进该区域的自由液体的释放。为此，脱液部件48安装了了一个或多个适宜的倾斜部件，如图1所示的按顺序成套排列的向上拔梢的锥形脱液挡板56。每个锥形脱液挡板56在其下端50处开放，并引导释放的液体沿其内表面(未示出)向上至脱液部件48上安装的各个开口或开孔54。沉降的固体颗粒沿着锥形脱液挡板56的外表面导向容器11的底部。因此，脱液部件48把向上液流与向下的浆液流隔离开。
脱液部件48为受阻沉降区42和密实区44如此释放的自由液体的流动提供了导管。在这些区域中的释放液体的通道作用影响其中的固体沉降速度。所示的脱液部件48为横断面为方形或圆形的管。但是，如美国专利第5,433,862号所描述的，脱液部件48也可以是其它形状的。这里所使用词“管状的”意思是指任何适宜横断面形状的中空剖面。
操作中，脱液部件48在重力沉降过程中慢速旋转。跟随一起运动的尖桩62穿过下部区域中的增稠浆液或泥浆，释放收集在隙间的液体71。如图3所示，这种自由的液体71一般以层流途径沿尖桩62从密实区44排出。设备10的整个增稠或澄清过程是通过调节相对于进料量的下溢排出量和溢流排放速度来控制的。与在常规深层的或低断面大直径的增稠器/澄清器中处理浆液可能出现的结果相比，装备了旋转耙装置63的增稠器/澄清器10提供更高的下溢固体浓度，提高溢流的澄清度，增加进料速度，降低沉降助剂的用量，或者提供这些优点或结果的组合。
增稠器/澄清器10包括带有传动头61和马达70的盖板或上面板74。在容器11的上端安装了出口75，以排放从溢流堰或溢流槽20中溢出的澄清液相。脱液部件48可旋转地悬挂于盖板或上面板74上。
图2描述增稠器/澄清器110的第二实施方案，其包括对图1所示设备的某些修改。图1和图2中相同的结构用相同的编号来标明。
在图2中，脱液部件148与图1中的脱液部件48不同，不起旋转耙装置的作用，并且可以刚性地固定在盖板或上面板74上。所示的脱液部件148还终止于最下面的锥形脱液挡板56的上端。
增稠器/澄清器110包括可旋转的耙163，其上带有多个大体平行的垂直延伸的尖桩162。耙163起增加或加速下部区域脱液的作用。耙163通过传动轴166旋转，该轴一般同轴纵向地安置在脱液部件148中。传动轴166在盖板或上面板74中具有可旋转的轴颈，并且传动地与传动头61和马达70相连。
上面的三个锥形脱液挡板56通过管状液流部件148中提供的开口或孔154与液流部件148的内腔或内部(未指明)连通。如上文所讨论的，沉降的固体颗粒沿着锥形脱液挡板56的外表面导向容器11的底部。
图2的实施方案与图1实施方案的另外不同点在于没有加入澄清导管(如管道30)，并且于脱液部件148的内部将絮凝剂导入自由沉降区。
虽然已依照优选实施方案对本发明进行了描述，但本领域的技术人员将会认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以作出各种修改和变化。例如，耙63和耙163各自的尖桩62和尖桩162互相平行地垂直穿过密实区44进入受阻沉降区42。作为选择，尖桩62和尖桩162可以是倾斜的与垂直方向成一定的角度。另外，锥形脱液挡板56的数量可以多于或少于四个。位于腔27下面的锥形脱液挡板可以更大。此外，尖桩可以位于并且长度足以延伸至密实区44和受阻沉降区42。脱液部件48和148可以只在邻近其下端开口以接收一个下部区域的液体，并在邻近其上端开口以排放该部件传输的液体。作为选择，该部件也可以在多个位置及其长度的大部分上开口。
因此，应当理解，以实施例的方式提供本发明的附图和说明书的目的是为了有助于对本发明的理解而不是对本发明的范围的限制。

Claims (23)

1.一种增稠器/澄清器，包括：
(a)容器，该容器具有接收液体和悬浮于该液体中的固体颗粒的浆液的入口，该容器具有包括固体浆液颗粒浓度较低的自由沉降区的上部，并且具有包括固体浆液颗粒浓度较高的密实区的下部，以及介于所述密实区和所述自由沉降区之间的受阻沉降区，所述密实区与所述受阻沉降区一起构成下部沉降区；
(b)溢流槽，该溢流槽与所述容器的上端相邻，用于排放容器中已经分离的浆液的溢流相；
(c)下溢出料口，该下溢出料口与所述容器的底部相邻，用于排放容器中已经分离的浆液的稠化下溢相；
(d)脱液部件，该脱液部件位于所述容器内部，从所述容器的下部向上延伸至所述容器的上部，用于使液体从至少一个所述的下部沉降区流到所述的自由沉降区，同时使所述液流与所述下部沉降区中向下的浆液流分离；和
(e)耙装置，该耙装置旋转地安装在所述容器的下部，所述耙装置具有至少一个拉长的大体上垂直的尖桩，在所述容器的下部的浆液中形成通道，利用该通道将至少一个下部沉降区中的液体排放至所述的脱液部件并从上面进入所述的自由沉降区。
2.权利要求1的增稠器/澄清器，其中所述耙装置进一步包括使该耙装置绕大体上垂直的轴旋转的旋转驱动器。
3.权利要求2的增稠器/澄清器，其中所述旋转驱动器通过向下垂直延伸至所述容器中的伸长驱动部件与所述的耙装置相连。
4.权利要求3的增稠器/澄清器，其中所述驱动部件是管状构型，以使其至少部分长度用于接收从下部沉降区中释放出来的液体。
5.权利要求3的增稠器/澄清器，其中所述驱动部件容纳在围绕所述轴的管状部件中，所述管状部件接收从下部沉降区中释放出来的液体。
6.权利要求1的增稠器/澄清器，其中所述耙装置包括多个大体上互相平行的尖桩。
7.权利要求6的增稠器/澄清器，其中所述尖桩延伸至密实区中。
8.权利要求7的增稠器/澄清器，其中所述尖桩延伸至所述的密实区和所述的受阻沉降区中。
9.权利要求1的增稠器/澄清器，其中所述脱液部件在邻近其下端开口，以接收来自至少一个所述下部沉降区的液体，并且在邻近其上端开口以排放液体，通过所述脱液部件将液体传输至所述自由沉降区。
10.权利要求9的增稠器/澄清器，其中所述脱液部件在其大部分长度上开口以接收液体。
11.权利要求9的增稠器/澄清器，其中所述脱液部件是具有液流开口的管子。
12.权利要求9的增稠器/澄清器，其中所述脱液部件进一步包括倾斜部件，该倾斜部件在与其下端相邻的脱液部件中遍布开口。
13.权利要求11的增稠器/澄清器，其中所述脱液部件在沿其长度方向的间隔排列位置上具有开口。
14.权利要求13的增稠器/澄清器，其中所述脱液部件在所述容器下部中的脱液部件中具有遍布开口的倾斜部件。
15.权利要求12的增稠器/澄清器，其中所述倾斜部件包括锥形挡板。
16.权利要求7的增稠器/澄清器，其中所述脱液部件邻近其下端开口，以接收来自至少一个下部沉降区的液体，并且至少一个所述尖桩在邻近该脱液部件下端的开口之下延伸。
17.权利要求7的增稠器/澄清器，其中所述尖桩中至少有一个这样定位，即其上端低于所述脱液部件的下端。
18.一种操作具有上部和下部的增稠器/澄清器的方法，包括：
(a)将液体及悬浮于其中的固体颗粒的浆液进料于容器中；
(b)通过重力将所述浆液分离成固体-液体分离程度的各不相同的区，这些区包括位于所述容器上部的固体浆液颗粒浓度较低的自由沉降区，还包括位于所述容器下部的固体浆液颗粒浓度较高的密实区及介于所述自由沉降区和所述密实区之间的受阻沉降区，所述受阻沉降区和所述密实区构成下部沉降区；
(c)将所述容器中已经分离的浆液的溢流相排放到与所述容器上端相邻的溢流槽中；
(d)通过邻近于所述容器底部的下溢出料口排放容器中已经分离的浆液的稠化下溢相；
(e)通过流动途径引导来自至少一个下面沉降区的液体向上流到所述的自由沉降区，该流动途径与所述容器内下部沉降区中的向下的浆液流相分离；和
(f)在所述容器下部的浆液中形成大体向上延伸的通道，以排放至少一个下部沉降区中的液体，使其流至所述分离的流径，然后从上面进入所述的自由沉降区。
19.权利要求18的方法，进一步包括在所述容器的下部移动耙装置。
20.权利要求19的方法，其中所述耙装置绕着大体上垂直的轴旋转。
21.一种增稠器/澄清器，包括：
(a)容器，该容器具有接收液体和悬浮于该液体中的固体颗粒的浆液的入口，该容器具有包围固体浆液颗粒浓度较低的自由沉降区的上部，并且具有包围固体浆液颗粒浓度较高的密实区的下部，以及介于所述密实区和所述自由沉降区之间的受阻沉降区，所述密实区与所述受阻沉降区一起构成下部沉降区；
(b)溢流槽，该溢流槽与所述容器的上端相邻，用于排放容器中已经分离的浆液的溢流相；
(c)下溢出料口，该下溢出料口与所述容器的底部相邻，用于排放容器中已经分离的浆液的稠化下溢相；
(d)脱液部件，该脱液部件位于所述容器内部，从所述容器的下部向上延伸至所述容器的上部，用于使液体从至少一个所述的下部沉降区流到所述的自由沉降区，同时使所述液流与所述下部沉降区中向下的浆液流分离；和
(e)喷射器，该喷射器用于将絮凝剂喷射到流向所述自由沉降区的水流中，以促进水中固体颗粒的沉降。
22.权利要求21的增稠器/澄清器，其中该喷射器延伸至所述脱液部件中。
23.权利要求21的增稠器/澄清器，其中所述脱液部件包括邻近于其上端的开口，用于将液体排放至所述的自由沉降区中，而所述喷射器安置与所述脱液部件中的开口相邻的位置上。
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