JP2015521543A - 層流遠心分離機 - Google Patents

Abstract

この遠心分離機の回転ボウル（１）は、内部に円錐状構造物が詰められ（lined）、この円錐状構造物は、角度がずらされた間隙（９）により分離されたセクタ（７）に分割され、これにより、前記円錐状構造物内を流れる規則的な螺旋流を促進する。この螺旋流は層流であり、分離効率を大幅に高める。二相又は三相懸濁の場合、側壁（８）にて「固形物」（“cake”）が得られる。前記固体固形物を前記出口に導くことと連続的処理とを同時に可能にするために、僅かに異なる速度で回転するスクレーパ（１５）を付加し得る。

Description

本発明は、層流遠心分離機に関する。

この分離機は、固体、液体、又は気体を様々な比率で含む流体混合物（しかし、これらの混合物の全てが固体懸濁液を液相に含む）を、少なくとも１つの液体部分と、固体を含む１つの部分とに分離するために考案された。そして、混合物の構成要素の良好な分離を目的とし、コンパクトな形態又は固形物として存在する固体部分を、残留懸濁液の含有量が比較的少ないように得る。固形物の形成により流れ抵抗が高くなり、又は、流れが部分的にかなり低減される場合でも、この固体部分を分離機から引き出すこと（可能であれば、固体部分のコンパクトな性質に関係なく、固体部分が回転ボウル内で形成されるときに、回転ボウル内に蓄積させずに連続的に引き出すこと）が一般的に要求される。この目的は、既存の分離機によってはほとんど達成されていない。むしろ、既存の分離機の多くが、プロセスの定期的な停止を必要とし、これは、固形物を除去するための分離機の収量（yield）に不利である。固体部分の連続除去を想定した分離機は、通常、十分な乾燥固形分を得るためには適していない。

実際、多くの遠心分離機が存在する。特許文献１に関して言及すると、特許文献１に記載されている分離機は、本発明と外見上の類似点を幾つか有する。この分離機は、主要部分として、分離を行う双円錐形の回転ボウルを含む。混合物がボウル内に、ボウル支持体及び回転軸に対応する中空導管を通して導入される。重量がより大きい固体部分がボウル周囲に、より詳細には、コーンジャンクションに対応する隆起領域に送られる。このポイントにおける周囲ボアを開放することで、前記固体部分を引き出すことが可能であり、同時に、混合物が加えられると、流体部分がボウルの上部に向かって上昇し、そして、ボウルの上部に配置された、供給開口部に対向する開口部を通って排出される。ボウルの壁部と同時に作動される、裾広がり形状の円錐状構造物（ディッシュと称する）が、ボウルの内部容積の大部分を占めている。これらの構造物は、混合物の様々な部分を分割し、また、ボウル内部の分離状態の均一化を補助するために用いられる。しかし、この装置は、要求されるような均一な又はコンパクトな固体部分を得ることには適しておらず、また、この固体部分の連続的な引き出しは困難である。

また、分離機を記載している特許文献２に関しても言及すると、特許文献２においても、チャンバが分離ディッシュにより占められ、適切な位置が穿孔されて軸方向チャネルが設けられ、流体負荷を軸方向に向けさせ、また、流体負荷をディッシュのスタックにて分配させやすくしている。しかし、流体の求心運動が、半径方向外側の入口オリフィスと半径方向内側の出口オリフィスとの間でボウルに加えられ、これがさらに、別々の平行な流れの流路を基本的に生じる。従って、これは、上記の文献の設計とほとんど変わらない。流体は、固体部分から分離され、ボウルの周囲壁から側方開口部を通って出ていき、この壁により作動される外部スクリュー上に堆積する。さらなる、しかし速度が僅かに異なる回転壁が、このスクリューを含んで固体部分を保持し、そして同時にスクリューが回転壁上で動作して、最終的に装置を、回転壁とは異なる回転速度にしておくことを可能にする。この分離機においても、固体部分の分離が非常に効率的なわけではない。

回転する外側エンクロージャを備えた装置の分野において、内部ライニングされた回転モードとバレル形状の外側エンクロージャとを統合している特許文献３及び特許文献４の装置により、満足な排水性能が得られる。内部ライニングは、螺旋状に配置されたディッシュ又はプレートから成る。層流を用いることは全く構想されておらず、また、強化オプションとして言及されてもいない。

ディッシュ分離機は、固体物質の蓄積防止及び遠心分離機の非平衡発生防止の強化の課題であった。提案された解決方法の１つは、ディッシュに穿孔するか、又は、分離ディスクをライニングの下部及び上部に配置することから成る（特許文献５）。このタイプの開発は、特には、低濃度液体及びガスの処理（スクラビング）に関する。

国際公開第２００７／１３３１６１Ａ号パンフレット 国際公開第２０１２／０２５４１６Ａ号パンフレット 国際公開第２００９／００５３５５Ａ号パンフレット 国際公開第２０１１／０２８１２２Ａ号パンフレット 国際公開第２０１２／０３３４４０Ａ号パンフレット

本発明により提供される強化は、基本的に、回転ボウル内での規則的な層流の生成に依存する。実際、より良好な相分離をもたらすこのような層流を用いることで、よりコンパクトで乾燥した固体固形物が得られることが観察されている。

本発明の１つの一般的な実施形態は、周囲壁を有する回転ボウルと、前記ボウル内に配置され且つ前記ボウルと同期して回転する分離構造物と、前記ボウルの回転軸上に配置された混合物入口導管と、前記ボウル内の開口部とを備えた遠心分離機であり、前記ボウルは、前記混合物の液体部分又は気体部分のための少なくとも１つの出口オリフィスを、前記ボウルの軸方向における第１の側に含み、前記分離構造物はコーンのスタックを含み、これらのコーンは、角度方向のセクタに分割されて、角度方向の間隙により分離されたセクタを形成している。これらの角度方向の間隙は、隣接するコーンのセクタにより覆われている。また、前記セクタは、前記周囲壁から同一の距離に周囲端を有する。

間隙により分離されたセクタから成る不連続の円錐状構造物が、前記混合物がこの構造物内で規則的で漸進的に軸方向運動することを可能にしている。流体流は、先行技術の設計による流れよりもはるかに規則的であり、基本的には螺旋状に、前記ボウルの両端間での突然の方向変更を生じずに行われる。速度の場も、非常により均一である。従って、層流が容易に得られ、また、流体部分と固体部分の分離が非常に良好である。固体部分は、通常のように、前記ボウルの前記周囲壁上に配置され、次いで除去される。固体部分の堆積も、固体部分の分離と同時に固体部分を任意に除去することも、実際、基本的に螺旋状を維持する前記流れを妨害しない。

流れの規則性を高めるために、前記ボウルの前記周囲壁が前記セクタの前で直線的に生じているラインにより画成されて（例えば、双円錐形とは異なって）いることが有利である。又は、より好ましくは、前記ボウルが円筒状であり、前記コーンが互いに同一である。

本発明は、概して、前記固体部分に対応する前記固形物が規則的且つ漸進的に除去できる場合に、より良好に実施される。そして、前記開口部が、前記ボウルの軸方向における第２の側（前記流体部分を排出させる前記第１の側に対向する）に配置され、前記ボウルの周囲にわたって延在し、且つ、前記ボウルの側壁の縁に隣接していることが推奨される。また、前記開口部を通って前記ボールの前記側壁の内面の前に延在する傾斜したスクレーパを付加することが可能である。トランスミッションが、前記ボウルと前記スクレーパとの差動回転速度を、単一の分離機駆動モータを用いて提供する。これは、前記スクレーパが前記ボウル内で低速の相対速度で動作することを要求し、これにより、目標のスクレーピングが行われる。遠心分離機が２つのモータを備えることも有利であろう。一方は、前記ボールを回転させるためのモータであり、他方は、固体を引き出すシステムのためのモータである。この構造は、遠心作用部と前記スクレーパと引き出し部分とを、ディファレンシャルに関連する連結制約を受けずに独立に制御することを可能にする。

ここで、本発明の１つの特定の、しかし単に例示的な実施形態を、以下の図面を参照しつつ記載し、本発明の様々な態様も開示する。

本発明の分離機の一実施形態の外面図である。 分離機の駆動部（単一駆動モータ構造）をより詳細に示す。 ２駆動モータ構造を示す。 本発明の分離機の、固形部分を分離及び除去する回転構成要素の図である。 本発明の分離機をさらに全体的に示した断面図である。 回転ボウルのライニング及び別の実施形態をより詳細に示す。 回転ボウルのライニング及び別の実施形態をより詳細に示す。 回転ボウルのライニング及び別の実施形態をより詳細に示す。

分離機は、側壁８及び中央軸２を形成している円筒状バレルから成る回転ボウル１を含む。中央軸２及び回転ボウル１は、上側の固定（不動）ヘッド３と下側のフレーム４との間に保持され、ヘッド３とフレーム４とは不変の距離を保っている。混合物が、中央軸２に含まれている導管５を通して導入され、この場合、混合物は、上部から、固定ヘッド３を通り、開口部６を通って回転ボウル１に達する。開口部６は、導管５の底部に配置されても、或いは、導管５の高さに沿って分布していてもよい。中央軸２は、花のような形状の別々のセクタ７から成る円錐構造物を支持している。セクタ７は、バレルの液体回収マニホルド２０までの高さの全て又は一部において重ね合わせて配置され、且つ、回転ボウル１の側壁８に向かって下方に傾斜している。セクタ７は、１つの段と別の段とが所定の角度だけずれるように配置されている。このような配置により、セクタ間の間隙９が上側のセクタ７により覆われている。そして、構造物のスタックを通る軸方向流のみが生じるということはない。混合物の、分離により得られる液体部分（固体含有物が少ない、浄化された（clarified）液体を含む）が、回転ボウル１から、固定ヘッド３に収容された回転マニホルド２０により放出され、次いで、上側オリフィス１０から出ていく。固体部分は、側壁８の内面上に堆積し、その後、回転ボウル１を離れて下側オリフィス１１を通って分離機から出ていく。これに関しては以下に説明する。

例えば、図２に示した実施形態において、モータ１２が、引き出しスクリュー１９及びスクレーパ１５（以下に説明する）を、ディファレンシャル２６、及び、第１のトランスミッション１３（切欠きベルト２７及び歯付きホイールを含む）を介して回転させる。第２のトランスミッション１４も存在し、トランスミッション１４は、回転ボウル１（詳細には、回転ボウル１の側壁８、中央軸２、マニホルド２０、デフレクタ２２、及びセクタ７）を、スクレーパ１５及び引き出しスクリュー１９の回転速度とは異なり得る回転速度で駆動させ、また、切欠きベルト２８及び歯付きホイールを含む。支持部材２１が、回転ボウル１及び中央軸２の重量を支え、同時に、これらの回転を可能にしている。この支持部材２１は、回転ボウル１をその全周に沿って支持するための大きい直径を有する環状の形状であり得る。スクレーパ１５は、共通の円形支持部材１８上に取り付けられた１以上の傾斜したブレード１７を含み、ブレード１７は、回転ボウル１の内側にて、ボウルの高さの一部に沿って、側壁８の内面より前で延在している。支持部材１８は、回転ボウル１の中央軸２に関連付けられた逆円錐状のベース（デフレクタと称する）２２の下に延在している。ブレード１７が、ベース２２と側壁８の底部との間の回転ボウル１の底部開口部２３を通り、そして支持部材１８内に入っている。スクレーパ１５の回転速度が回転ボウル１の速度と僅かに異なるため、固体が排出されるときに、ブレード１７の傾斜が、回転ボウル１内でのブレード１７の運動と組み合わされて、固体固形物を分離機から徐々に落下させる。固体固形物は、開口部２３を通って回転ボウル１から出ていき、支持部材１８の下に配置された運搬スクリュー１９上に落下する。運搬スクリュー１９は固体固形物を出口オリフィス１１に運ぶ。

図３に示したわずかに異なる実施形態において、２つのモータ２９及び３０がモータ１２の代わりに用いられ、トランスミッション１３及び１４を、ディファレンシャルを必要とせずに、それぞれ所望の速度で駆動させる。

異なる速度で回転し得るスクレーパ１５のブレード１７及び引き出しスクリュー１９とは別に、回転ボウル１の構成要素（contents）全体が同一速度で回転し、これらは規則的な状態にされて、層流形成に有利である。さらに、側壁８の単純な幾何学的形状と、角度をずらして積み重ねられたセクタ７とが、規則的な角度方向の流れ成分を生成する。流れが規則的であるため、固体部分と流体部分との分離への妨害が非常に少なくなり、その結果、非常に良好な分離が得られる。

本発明は、処理される懸濁液の性質に応じて、固体部分の６５％よりも大きい乾燥固形分値を得ることを可能にする。本発明を、濾過が困難な固体（特には、不規則で且つ細長い形状の結晶、例えば、核産業で使用されるアクチニドシュウ酸共沈殿物）にも適用し得る。本発明を、この分野のその他の工程でも用いることが可能である。或いは、完全に異なる利用分野の例を挙げるならば、食品業界、医薬、美容、バイオ燃料、環境産業などである。これらの分野において、固体生成物は、不規則な形状の有機生成物である場合が多い。

本発明が、固体がより重い、固体−液体二相混合物の分離に限られないことに留意されたい。むしろ、本発明は、全てのタイプの流体混合物に適用可能である。また、第３の引き出し点を付加すれば、三相分離の構想にも用いることができる。基本的に想定される用途による、本文中で述べる固体部分は、より一般的には重量部であり、流体部分は軽量部である。

固体部分を分離と同時に除去することは分離機の十分な動作にとって必須ではない（これは、連続動作を可能にし、非常に高評価であろうが）。有利な分離特徴は、やはり、固体部分の多くが堆積することにある。

本発明は、固体部分を溶媒を用いて再懸濁し、第２の分離を行って分離の質を高める、固体リパルプスクラビング（repulping solid scrubbing）法にも同様に適している。

本文中に記載した実施形態は、部品（回転ボウル１、及び、セクタ７を支持している中央軸２）を交換することによるモジュール式に適しており、特には、必要に応じた様々な寸法の、様々な幾何学的形状のその他の内部ライニングに容易に交換することに適している。

セクタにおける、１つのスタックと別のスタックとの間の角度のずれは、スタックの形状、及び、要求される流れ特徴に応じて決められよう。セクタ７のさらなる特徴も変更できるであろう。例えば、セクタ７に延長部を接続して設けることもできる。図６Ａは、上記の説明に従うセクタ７のスタックを示す。図６Ｂのセクタ７のスタックにおいては、隣接するスタックに属するセクタ７が、装置内で軸方向及び半径方向に延在するインサートである。最後に、図６Ｃは、さらにより長い延長部３２を示す。この延長部３２も同様に、隣接するスタックのセクタ７へと延在する（しかし、この場合、より大きい距離延在する）。延長部３１又は３２は、混合物の、より良好な回転のために用いられ、また、液体部分を規則的な螺旋路を通して循環させることを補助する。これにより、導入される分割部（partitioning）が流れを変えることはほとんどない。

セクタ７は、例えば、金属又は強化プラスチックからつくられ得る。遠心力によるセクタ７の変形は許容範囲内である場合が多く、また、シム又はスペーサにより低減し得る。

本発明の分離機の様々な改良及び変更について以下に記載する。

隣接するコーンのセクタ７を連続的に角度ずれさせて、所定のコーン間隙値のための十分な螺旋流の成分を生成することが可能である。

目盛り付きスペーサ３３によりコーンを分離することが可能であり、これは、例えば、中央軸２上にコーンと交互に取り付けることにより行われ、コーンの距離を変化させうる。ばね３４をコーンのスタックに、例えば、上側コーンとマニホルド２０との間に配置し得る。このばね３４は、ロックワッシャ、又は、同一の目的のその他の任意の装置であり得る。

積み重ねられたセクタ７間の一定の距離を保つために、スペーサ３３に加え、セクタ７上にスパイク又は突起部を配置することも有利であろう。

流体部分が複合的であり、密度が異なる複数の構成要素から形成されている場合、本発明の分離機に、複数の出口オリフィス１０を設けることが可能である。

出口オリフィスに可動リング３５を設置して調節可能な開口部を設け、それにより、分離機内を流れる流れの特性、及び、特には、分離機の流量を調節することが可能である。

運搬スクリューは、図５に明確に示されているように下方に向かって幅狭にされてもよく、これにより、固形物が益々圧縮されて、固形物から残留液体が絞り出され続ける。

スクレーパ１５及び運搬スクリュー１９は、これらの同軸性を維持して分離機の十分な一体性を高めるように中央軸２上に取り付けられた、部分３６を有し得る。

最後に、回転ボウル１の側壁８が、本発明の方法の完了を監視することを補助するように透明であることが有利である。

１ 回転ボウル
２ 中央軸
３ 固定ヘッド
４ フレーム
５ 導管
６ 開口部
７ セクタ
８ 側壁
９ 間隙
１０ 出口オリフィス
１１ 下側オリフィス
１２ モータ
１３ トランスミッション
１４ トランスミッション
１５ スクレーパ
１７ ブレード
１８ 支持部材
１９ 引き出しスクリュー
２２ デフレクタ
２３ 開口部
２６ ディファレンシャル
２７、２８ 切欠きベルト
２９ モータ
３１ 延長部
３２ 延長部
３３ スペーサ
３４ ばね

Claims (19)

1. 周囲壁（８）を有する回転ボウル（１）と、前記ボウル内に配置され且つ前記ボウルと同期して回転する分離構造物と、前記ボウルの回転軸（２）上に配置された混合物入口導管（５）と、前記ボウル内の開口部（６）とを備えた遠心分離機であって、
   前記ボウルが、前記混合物の少なくとも１つの軽量部のための少なくとも１つの出口オリフィス（１０）を、前記ボウルの軸方向における第１の側に含み、前記分離構造物が、角度方向の間隙（９）により分離された角度方向のセクタ（７）に分割されているコーンのスタックを含み、前記角度方向の間隙が、隣接するコーンの前記セクタ（７）により覆われ、前記セクタ（７）が前記周囲壁から同一の距離に周囲端を有する、遠心分離機。
2. 前記周囲壁（８）が、前記セクタ（７）の前にある直線的に生じているラインにより画成されていることを特徴とする、請求項１に記載の遠心分離機。
3. 前記ボウルが円筒状であり、且つ、前記コーンが同一であるか又は組立ての結果異なる幾何学的形状となることを特徴とする、請求項２に記載の遠心分離機。
4. 前記コーンが連続的に角度方向にずらされていることを特徴とする、請求項３に記載の遠心分離機。
5. 前記セクタが延長部（３１，３２）を含み、前記延長部が前記回転ボウル（１）内で軸方向及び半径方向に延在し、且つ、前記延長部の各々が、隣接するコーンに属する別のセクタにつながっていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の遠心分離機。
6. 前記コーンが目盛り付きスペーサ（３３）により分離されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の遠心分離機。
7. 前記積み重ねられたセクタ（７）間の間隙が、スパイク又は突起部を配置することにより一定に維持されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の遠心分離機。
8. 端部コーンと前記マニホルドとの間のばね（３４）により特徴づけられる、請求項６に記載の遠心分離機。
9. 前記ボウルが、前記混合物の重量部を回収するための開口部（２３）を含み、且つ、前記開口部が、前記ボウルの軸方向における、前記第１の側に対向する第２の側を通って配置されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の遠心分離機。
10. 前記開口部（２３）が前記ボウルの周囲に沿って延在し、且つ、前記ボウルの前記周囲壁の縁に隣接していることを特徴とする、請求項９に記載の遠心分離機。
11. 前記開口部（２３）を通って前記ボウルの前記周囲壁の内面の前に延在する傾斜ブレード（１７）を含むスクレーパ（１９）と、
    前記ボウルと前記スクレーパとの差動回転速度を、ディファレンシャル（２６）が設けられた単一の駆動モータ（１２）、又は２つの別々のモータ（２９，３０）を用いて提供するトランスミッション（１３，１４）と、を備えていることを特徴とする、請求項１０に記載の遠心分離機。
12. 前記回転ボウル（１）を支持するための部材（２１）を備えていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載の遠心分離機。
13. 前記出口オリフィス（１０）が、調節可能な開口部を有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の遠心分離機。
14. 前記混合物の前記重量部を回収するための前記開口部（２３）の下に配置された、固体部分を運ぶためのスクリュー（１９）を備えていることを特徴とする、請求項９に記載の遠心分離機。
15. 前記運搬スクリュー（１９）がその底部にて、より幅狭であることを特徴とする請求項１１又は１４に記載の遠心分離機。
16. 前記スクレーパ（１５）及び前記運搬スクリュー（１９）が、前記ボウルの前記回転軸に取り付けられた部分（３６）を有する、請求項９、１１、１４又は１５いずれかに記載の遠心分離機。
17. 前記回転ボウルと、前記分離構造物、任意選択的には前記スクレーパと、前記運搬スクリューとが分離可能である、請求項１〜１６のいずれかに記載の遠心分離機。
18. 周囲壁（８）を有する回転ボウル（１）と、前記ボウル内に配置され且つ前記ボウルと同期して回転する分離構造物と、前記ボウルの回転軸（２）上に配置された混合物入口導管（５）と、前記ボウル内の開口部（６）とを備えた遠心分離機を用いて前記混合物の重量部と軽量部とを分離するための方法であって、前記ボウルが、前記混合物の少なくとも１つの軽量部のための少なくとも１つの出口オリフィス（１０）を、前記ボウルの軸方向における第１の側に含み、前記分離構造が、角度方向の間隙（９）により分離された角度方向のセクタ（７）に分割されているコーンのスタックを含み、前記角度方向の間隙が、隣接するコーンのセクタ（７）により覆われ、且つ、前記セクタが前記周囲壁から同一の距離に周囲端を有し、前記コーンのスタックにおいて前記混合物に層流が与えられる、分離方法。
19. 前記流れが螺旋状であり、且つ、前記コーン間及び前記角度方向の間隙を通過することを特徴とする、請求項１８に記載の分離方法。

Images