旋流分离器和旋流分离设备的制作方法

文档序号:5081605阅读:197来源:国知局
专利名称:旋流分离器和旋流分离设备的制作方法
技术领域
本发明涉及这样一种旋流分离器,包括竖直的分离管,其具 有位于分离管上前侧的用于供应液的上开口以及位于分离管下前侧 的用于排出清液的开口;至少切向布置的口,其位于分离管的下端并 用于排出浓縮悬浮液;以及过滤元件,其位于分离管的中心并水力连 接至清液排出口;本发明还涉及包括多个这种旋流分离器的旋流分离 设备。
背景技术
传统的旋流分离器由三个主要部件构成圆锥形的分离管,其 是浓縮悬浮液的下排出口;供应口,其切向地布置在分离管的上端; 以及分离管的上遮盖件,其具有用于排出清液的排出口,该排出口沿 轴向位于分离管的中心,延伸到分离管中并且朝向上方。决定于大量处理参数,对存在于供应液中的悬浮颗粒实施分离直至达到最小排出直径(drain diameter) dk。这些参数是a)供应 口的直径;b)载液(carrier liquid)的粘度;c)悬浮物质与载液之 间的密度差;d)清液与供应液的体积流量比;e)分离管的上部直径; f)供应液的体积流量;以及g)圆锥角的值。这些在D. Bradley所著 的"The Hydro Cyclone (旋流分离器)"Pergamon Press, London 1965 中有所描述。由于上述处理关系,如果人们想精确地分离悬浮颗粒直至最大 粒径,则对于给定的供应液的具体体积流量不可能随意地增大旋流分 离器的直径。因此,迫使人们将多个旋流分离器并行地连接并且从共 用歧管将供应悬浮液供应到这些旋流分离器中。这种分离设备中的每 个并行连接的旋流分离器对所供应的悬浮液均具有水阻力。在将多个旋流分离器逐个连接至笔直歧管的情况下,从第一个5旋流分离器至最后一个旋流分离器在歧管中形成压差,因此,流入到 每个单独的旋流分离器中的供应液的体积流量是不同的。因此,这种 旋流分离设备中的分离效果是不一致的。为了强制地获得更高的一致性,人们已经尝试将旋流分离设备 的各个旋流分离器与共用环形管连接,或者将各个旋流分离器径向地 连接至共用的供应容器。首先,该装置会产生足够的一致性。然而, 在操作期间,会由于分离管中的沉积物造成旋流分离器中水阻力的内 部不一致性。因此,在采用环形管或中心供应容器操作期间,同样会 迫使人们中断连续操作以在倾斜方向上和向后的方向上频繁地冲水, 并且在每个开始程序之后重新调节旋流分离设备。人们还尝试着借助于清液排出口和/或浓缩悬浮液排出口处的阀 门控制来强制性地获得单个旋流分离器的均一水阻力。然而,该方法 会造成送液泵的能耗激增,并且会造成出现与排出清液的纯度或分离 精确度相关的周期性变化。在旋流分离设备不安装成固定的而是安装在移动的平台上或未 精确地调节为水平方向的平台上的情况下,在操作旋流分离设备中出 现的上述问题会进一步恶化。这些实例包括在行驶时净化废水的废 物处理车,或者在位于倾斜位置时开始操作的容器内旋流分离设备。 另一个实例是用于压舱水处理的船载旋流分离设备的操作。发明内容本发明的目的在于提供这样一种旋流分离器在将多个旋流分 离器互连以构造旋流分离设备和/或在车辆上进行操作时,也能够保 证正确的、 一致的分离效率。为了达到该目的,根据本发明的旋流分离器其特征在于在分 离管中,在用于供应液的上开口与过滤元件之间布置旋转元件,该旋 转元件布置为沿着轴向位于分离管的中心并且被可旋转地支撑,该旋 转元件适于以可变的转速受到驱动。尽管采用了简单的构造,但能够 对具有悬浮固体颗粒的液体进行分离为排出清液和浓縮悬浮液的极 其可靠并且不受扰的分离操作。此外,在安装之后可 以简单的方式控制该旋流分离器。根据本发明的可控旋流分离器可以更安全地防止出现非正常操 作情况,并且在操作期间在很大程度上不会受到分离管相对于竖直位 置的偏离的影响。尤其令人惊讶和重要的是,本发明人注意到在该 创新式的旋流分离器中,即使在间断性供应液体的情况下也可以在很 大程度上避免在排出清液中产生混浊度的趋势。由于设备紧凑并且借助于改变转速容易地控制效率,因此操作 和维修工作相对较少,并且由于在该创新式的旋流分离器中没有在供应液中设置控制阀门,因而使得水力能耗降至最低。此外,由于可以 在单个分离管之间节省大量空间,所以本发明的旋流分离设备实现了较小的占地面积。根据本发明的优选实施例,过滤元件是这样一种空心筒体其 上前侧闭合并且还形成为过滤表面,即所谓的筒式过滤器,该过滤器 提供良好的处理量以及良好的过滤效率。根据本发明的优选实施例,分离管具有筒形壁。由于该旋流分离器不需要圆锥形分离管,因此通过利用由钢、高级钢、塑料材料或 其它材料制成的标准管,可以极大地简化装置的制造。根据本发明的优选实施例,旋转元件具有杯形或底部敞开的钟 形,该杯形具有筒形壁或从上至下直径增大的圆锥形壁,其中旋转元 件的最大效率是借助于钟形获得的。根据本发明的优选实施例,旋转元件的与筒形过滤器相邻的端 部的直径为分离管直径的大约0.6倍至0.4倍,并且大约对应于过滤 元件的直径。旋转元件的长度与直径的比为大约1: l至大约2: 1。旋转元件 可以由金属或塑料或化合物材料制成。如果用于海水,那么旋转元件 优选地由高级钢或铜镍合金制成。此外,根据本发明的旋流分离设备的特征在于尤其在需要液 体流量较大的情况下,并行地水力连接的上述类型的多个旋流分离器 具有优势。根据本发明的优选实施例,各个旋流分离器具有自己的用于驱说明书第4/8页
动旋转元件的驱动电动机,如此可以对互连以形成旋流分离设备的可 控旋流分离器单独地进行控制,从而可以以灵活的方式有利地控制从
旋流分离设备排出的清液的量和浊度(haziness)。
根据本发明的优选实施例,受频率转换器控制的电动机用于驱 动旋转元件,从而实现对旋转元件的转速的有效控制,并且可以以简 单的方式用模拟或数字计算机系统来执行对本发明旋流分离器的控 制。
根据本发明的优选实施例,提供控制单元,其构造成根据各个 旋流分离器的处理参数控制各个旋转元件的转速。
根据本发明的优选实施例,处理参数是如下参数中的一个或几 个排出液的浊度、分离管中的压力、供应压力与分离管中的压力之 间的压差、以及体积流量。
根据本发明的优选实施例,基于压差的控制单元包括至少两个 压力传感器、以及如下测量转换器,该测量转换器构造为从压力传感 器的测量值确定压差,比较测量值和标称值并输出所得控制信号来控 制电动机的速度。


下面,参照附图描述本发明的实施例,其中 图1示意性示出具有钟形旋转元件的可控旋流分离器; 图2示意性示出具有杯形旋转元件的可控旋流分离器,该杯形 旋转元件具有圆锥形壁;
图3示意性示出具有杯形旋转元件的可控旋流分离器,该杯形
旋转元件具有筒形壁-,
图4示出由两个单独的旋流分离器构成的旋流分离设备。
具体实施例方式
如图1所示,待分离的悬浮液流量VE (体积/单位时间)流过 分离管T的中心上开口 O并且向下流过旋转元件R。从而强制地向 悬浮液流量VE施加切向的旋转分量。旋转元件R通过轴S与驱动电动机M连接。
向下流动的悬浮液VE的一部分在分离管T中被分成流过筒式 过滤器的排出清液VO,并且通过下开口U排出。比重比载液的比重 大的悬浮颗粒基本上被收集在分离管T的壁上,并且形成浓縮悬浮 液的部分流VS1和VS2。部分流VS1和VS2经由切向地布置在分离 管下端的短管D1和D2排出。
旋转元件R的转速是可变的,这是因为例如,驱动电动机M是 借助于频率转换器控制转速的三相电动机。因为可以在操作期间改变
旋转元件R的转速,因此,不仅可以影响旋流分离器的分离效率, 而且还可以影响入口 O和出口 U之间的总体水阻力。由于该控制, 旋流分离器尤其适用于基于并行连接的多个此类创新式旋流分离器 来构造旋流分离设备。
可以看出,该可控旋流分离器的另一个优点是在供给液流量 VE发生改变的情况下,也能从旋流分离器排出始终均匀的浓縮悬浮 液VS。
本发明人惊奇地发现,如果分离管T没有布置成完全竖直的, 或者如果分离管T在操作期间发生移动并从竖向偏离几度,这对该 可控旋流分离器的分离效率不会产生显著影响。因此,该旋流分离器 尤其适用于在陆地车辆或海面运载工具上的操作。
在优选实施例中,旋转元件R具有如图1所示的钟形。然而, 其它形状也是有效的,例如,旋转元件可以具有如图2示意性示出的 带圆锥形壁的杯形。作为另一种选择,旋转元件可以具有如图3示意 性示出的带筒形壁的杯形。除了旋转元件的形状以外,图1的实施例 与图3的实施例是相同的,因此,不需要重复描述。
根据本发明的可控旋流分离器组包括如图4所示的靠近彼此并 行竖立的多个分离管T。例如,通过长颈瓶E2从共用歧管El向彼 此并行布置的这些分离管供应未处理的悬浮液VE,具有创新形状的 各个分离管与旋流分离器组的这种互连在需要分离较大水流量的悬 浮颗粒的情况下具有优势。
在图4中示出该创新式旋流分离设备的细节。根据该附图,浓縮悬浮液通过切向布置的短管Dl、 D2、 D3和D4进入一个或多个歧 管Ll ,并且作为液体流VS通过管法兰L2流出旋流分离设备。
以相同的方式,清液从滤筒F的底部通过开口 Ul和U2流出尺 寸相同的分离管T1和T2,通过管C1和C2进入歧管C3,并作为清 液流VO流出管法兰C4。
分离管中容纳有各自被电动机驱动的相同尺寸的钟形旋转元件
R。在图4中,驱动装置是三相电动机。在本发明的优选实施例中, 旋转元件R的驱动轴延伸通过液体歧管头El,并且利用密封件Z将 驱动轴与液体歧管头El密封。
从图4中可以看出,分别由频率转换器ACF1和ACF2来控制驱 动电动机Ml和M2的转速。这些频率转换器连接至共用的电流供应 线AC,并且从图4中的附图标记为API和AP2的控制及测量转换器 接收各自的控制信号,控制信号例如采用4mA-20mA的信号电流形 式或者0V-5V的信号电压形式。
在本发明的优选实施例中,每个分离管具有其各自的控制单元。 从图4中可以看出,每个控制单元分别连接至两个压力传感器Pa和 Pb、或者Pc和Pd。控制及测量转换器AP根据分别从压力传感器Pa、 Pb或者压力传感器Pc、 Pd所输入的信号来计算压差,并且将该压差 与预先限定的标称值进行比较。将标称值与实际值之间的偏差作为控 制信号输出到各个频率转换器ACF1和ACF2中。该控制电路保证从 歧管头E1向分离管T1和T2流动的液体流被均等地分配,因此该旋 流分离设备也可以按照与根据本发明的单个旋流分离器相同的方式 进行功能设定。
如果控制及测量转换器AP本身是压差传感器,那么测量传感器 Pa、 Pb和Pc、 Pd是压力测量法兰,并且在图4中以虚线示出并连接 至控制及测量转换器AP的导体是金属管或软管。
测量传感器对Pa、 Pb和Pc、 Pd可以固定在分离管T的不同位 置上或分离管T的外部。如图4所示的测量位置仅是测量位置的可 能的布置方式。
对整个旋流分离设备操作的控制没有采用阀门,而是仅采用旋转元件来控制。根据本发明的旋流分离设备可以包括三个、四个或更
多个分离管而不是两个分离管Dl和D2,这不会对分离精确度和装 置处理量产生不利影响。 实例1
为了将本发明的旋转元件与其他旋转体进行比较,在长度为 1050mm并且外径为168.33mm的分离管中使用长度为800mm、等级 为40pm并且外径为90mm的滤筒。底部敞开的滤筒连接至清液排出 口 U,即外径为88.9mm的短管。分离管在其下端具有两个直径为3/8 英寸的切向延伸管部,管部之一用作压力传感器Pb的压力测量位置。
分离管具有直径为92mm的上部圆形供应口 O,将外径为 88.9mm的90度DIN管弯头安装于该供应口 0。测量传感器Pa的测 量位置以45度外周角布置在管弯头外侧。旋转体的直径为19mm的 驱动轴穿过该管弯头延伸并穿过供应口 O延伸,利用相密封件(phase seal)将该驱动轴与管弯头密封。
有三种旋转体底部敞开的杯状物、钢板圆锥体(steel sheet cone)和钟状物,它们各自具有88.9mm的外径和160mm的长度, 并且它们布置为其下开口侧在同轴布置的滤筒F的上方20mm处。
测量传感器Pa和Pb与压差测量仪表连接。参数为2800rpm和 0.75kW的三相电动机由与主干线连接的频率转换器供电。在频率转 换器中,借助于分压器来显示和控制转速。
借助于旋转泵通过旋流分离器抽吸水。将供给液流量VE与流经 切向布置在分离管下端的3/4英寸短管的排出液流量VS的比值调整 为25。
如果在不同的流速下在不安装旋转体的情况下测量分离管中传 感器Pa、 Pb处的压差,那么会遇到出现负值(压降)的情况。通过 安装旋转体,在相关计算中压降分别变小或为正值。钟形获得最大的 效果,其次是圆锥形。杯形提供最小的效果,在下表1中将杯状物的 相对压力升高作为参照值1。
表1
Pa和Pb之间的相对压力升高
11流量VE 旋转体
m3/h 杯状物 圆锥体 钟状物
60 1 1.4 3.0
80 1 1.5 2.8
100 1 1.5 2.6
从表1中可以看出,沿着轴向位于中心的钟形旋转元件的效果 对流量的依赖程度较低,在这一点上明显优于作为对照物示出的其它 形状的旋转体。
实例2
将根据本发明实例1的旋流分离器安装外径为88.9mm的钟形旋 转元件,悬浮液的供给流量VE为80mVh,悬浮液包括重量比为1: 1的1%氧化钛(等级为2pm)与二氧化硅(等级为30]Lim)。载体介 质水还包含100卯m瓜尔胶生物聚合物。将下方排出流量VS调节为 供给液流量VE的5%。将三相电动机调节为680瓦特的能耗。
将整个旋流分离器可移动地悬挂在框架中,从而可以借助于电 动机驱动的外部装置使旋流分离器相对于分离管的竖直轴线倾斜。通 过软管实现液体流的供给和排出。
使所述旋流分离器相对于竖直方向以0.5赫兹的倾斜频率倾斜 +/-5度。
在本文中,以如下顺序操作以上述方式制备的旋流分离器以 0.5赫兹的频率进行90分钟的倾斜操作,再进行90分钟的静止操作 (分别不改变或相对于竖直方向倾斜)。
在6个小时的总操作时间内没有观察到对分离精确度(排出清 液的浊度(haziness))的影响。
实例3
用实例1中具有160mm长度和88.9mm外径的底部敞开的圆锥 形的旋转元件R来重复实例2的实验。在本文中,与用静止分离管 的90分钟检查时间相比,在利用0.5赫兹的频率进行倾斜操作的卯 分钟时间内观察到排出清液的浊度显著增加。
1权利要求
1.一种旋流分离器,包括竖直的分离管(T),其具有用于供应液的上开口、以及用于排出清液的下开口;至少短管(O),其位于所述分离管(T)的下端并用于排出浓缩悬浮液;以及过滤元件(F),其布置在所述分离管(T)的中心并水力连接至排出清液;其特征在于,在所述分离管(T)中,在用于所述供应液的上开口与所述过滤元件(F)之间沿着轴向在所述分离管的中心布置旋转元件(R),所述旋转元件(R)适于以可变转速受到驱动。
2. 根据权利要求1所述的旋流分离器,其特征在于,所述过滤 元件(F)包括上前侧闭合或者还形成为过滤表面的空心筒体。
3. 根据权利要求1所述的旋流分离器,其特征在于,所述分离 管(T)包括筒形壁。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的旋流分离器,其特征在 于,所述旋转元件(R)呈杯形或底部敞开的钟形,所述杯形具有筒 形壁或者从上至下直径变大的圆锥形壁。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的旋流分离器,其特征在 于,所述旋转元件(R)的面向所述过滤元件(F)的端部的直径为 所述分离管(T)的直径的大约0.6倍至0.4倍,并且对应于所述过 滤元件(F)的直径。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的旋流分离器,其特征在 于,所述旋转元件(R)的长度与直径的比为大约1: l至大约2: 1。
7. 根据上述权利要求中任一项所述的旋流分离器,其特征在于,用于驱动所述旋转元件(R)的驱动轴从上方延伸穿过用于所述供应液的上开口和所述分离管(T)的上前侧。
8. 根据上述权利要求中任一项所述的旋流分离器,其特征在于, 固定在所述分离管(T)的下端处的切向短管的排出流方向与旋转元 件(R)的旋转方向相同。
9. 一种旋流分离设备,其特征在于,根据权利要求1至8中任 一项所述的多个旋流分离器并行地水力连接。
10. 根据权利要求9所述的旋流分离设备,其特征在于,每个 旋流分离器包括自己的用于驱动所述旋转元件(R)的驱动电动机(M)。
11. 根据权利要求9或IO所述的旋流分离设备,其特征在于, 受频率转换器控制的电动机用作沿着轴向位于中心的钟形旋转控制 元件(G)的驱动装置。
12. 根据权利要求9至11中任一项所述的旋流分离设备,其特 征在于控制单元,所述控制单元构造为根据各个旋流分离器的处理参 数来控制各个所述旋转元件(R)的转速。
13. 根据权利要求2所述的旋流分离设备,其特征在于,所述 处理参数包括如下参数中一个或几个排出清液的浊度、所述分离管 中的压力、供应液的压力与所述分离管中的压力之间的压差、以及体 积流量。
14. 根据权利要求1所述的旋流分离设备,其特征在于,基于 压差的所述控制单元包括至少两个压力传感器、以及如下测量转换 器,所述测量转换器构造为确定压力传感器的测量值之间的压差、比较标称值与实际值、以及将所得控制信号输出到所述电动机的转速控 制单元中。
全文摘要
本发明公开一种旋流分离器,包括竖直的分离管(T),其具有位于分离管上前侧(O)的用于供应液的上开口以及位于分离管下前侧(U)的用于排出清液的下开口;至少切向管部(O),其位于分离管(T)的下端并用于排出浓缩悬浮液;以及过滤元件(F),其布置在分离管(T)的中心并且水力连接至排出清液;在分离管(T)中,在用于供应液的上开口与过滤元件(F)之间沿着轴向在分离管的中心布置旋转元件(R),该旋转元件(R)被可旋转地支撑并适于以可变转速受到驱动。一种旋流分离设备包括并行地水力连接的多个上述旋流分离器。
文档编号B04C5/28GK101657263SQ200780051690
公开日2010年2月24日 申请日期2007年11月28日 优先权日2007年2月21日
发明者霍尔格·布卢姆 申请人:霍尔格·布卢姆
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