专利名称：延长停留时间的反向旋液分离清洗器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于清洗悬浮造纸纤维(或者通常称为造纸原料)的旋液分离清洗器，更具体地，涉及延长停留时间的反向清洗的旋液分离器。
术语“正向清洗”和“反向清洗”已为清洗造纸原料技术领域中的人们所熟知，主要是涉及旋流式离心清洗器的工作方式问题。在Samson等人的美国专利No.2377524(1945.6.5授权)和Grundelius等人的美国专利No.3486619(1969，12，30授权)中公开过按正向清洗器连接和应用的旋流式清洗器的实施例，在这种清洗器中，合格料在锥体的底部排出，而废料则从顶部排出。在反向清洗装置中，旋流式清洗器的工作方式是，合格料从锥体的顶部排出，而较轻的废料从底部排出，如Braun的美国专利3912579(1975.10.14授权)和Braun等人的美国专利3,557956(1971.1.26授权)所示。
旋液分离清洗器已在造纸原料的生产中使用多年，特别是用来清洗那些要从水底去除不希望的较重和较轻的组分的造纸原料。在授与Braun美国专利No.3912579公开之前，上述的旋液分离清洗器一直是按下述的方式(以下称之为“普通”方式)工作在该清洗器中，较重的污染物从底部或者说顶部的出口抽出，而“好的”纤维和没有较重污染物的水则从锥体底部的上出口抽出。
在专利文献中已研究和报告过旋液分离器内的液流状况，有两项专利更为突出，因为它们详细地分析了旋液分离器并力图获得锥体的最佳直径和最佳锥度或者说锥壁的斜度。这就是Samson等人的美国专利2377524和Tomlinson的美国专利3,096,275。
Samson等人提出一种比先前所用锥体长得多的锥体长度，并推荐一种长度与底部直径比，约为11∶1(锥体底部直径为3英寸，锥体长度为33英寸，见专利说明书第4页、第2栏，第12～15行)至约为15∶1(第5页，第2栏，第30～50行)的锥体，后一个实施例得出的锥体夹角约为3.6°。
由于要分离的较重物质流向涡流的外面并沿锥体的内斜面流动，太大的锥夹角本身会对较重组分的分离产生阻力，因为大锥度会阻碍较重组分流到顶部出口。尽管Samson等人使用过小锥度角，但没有获得满意的结果，因为他们在通过底部废料口排除较重污染物的同时损失了20％～33％(净重)的好纤维(见第3页第2栏第15～30行和第5页，第1列，第29～51行)。这种好纤维的大量损失很可能是由于(至少部分地是由于)好的造纸纤维的比重大于水的比重，并且还容易附着到旋液分离器的壁上，然后才逐渐与较重污染物分离。
Tomlinson的专利US No.3,096,275重新研究了确定旋液分离器的有效尺寸和形状的问题，在他的实例13(表III)中，甚至试验过一种带有“由Samson和Group选用的”测量装置(第12列，第24～33行)，他推荐采用头部直径为7英寸至12英寸的大直径锥体(见说明书第4栏第38～45行)，他将夹角增大至10°～18°。结果，Tomlison能够将从废料出口排出的废料控制到仅含加入的固体的总量的1.31％的很小的排出量(见说明书第4栏第73行)。由于采用大的锥体和小的壁角，他获得了较高的内剪切力从而得到高的好纤维存留率(见说明书第7栏第55～75行)。
当Braun和其他人开始将旋液分离器作为“反向式清洗器”操作时，其旋液分离器的结构基本上仍保留Tomlinson优选的形式，这种装置用于清除轻质废料是有效的，因为它不再需要在较重的“好”纸纤维与重的污染物之间强制造成一种差异，但是，据知他们未曾努力(例如采用加长锥体的办法)去寻求旋液分离器的最佳形状，特别是用于反向清洗的旋液分离器的最佳形状，因为Tomlinson曾经指出过，较大的夹角可构成较好的分离机构。因此，需要专门设计一种可更有效地分离去造纸原料中的轻质污染物的反向式旋液分离器。
从广义上说，本发明是一种反向式旋液分离的造纸原料的清洗器，它含有一个沿其长度的大部分是圆锥形并在靠近其底部处带有一个切向进口的长形空心体，上述的锥形部分的长度与直径之比至少约为20∶1，最好是至少约为23∶1。该长度与直径之比值仅仅局限于至少大部分作用于液流的界面条件是“锥形的”而不是“圆柱形的”，例如，空心体必须具有足够的锥度以便当液体向下流出清洗器时使液流中产生某种环状加速。锥体段的夹角小于3°，通常可提供至少2秒的平均滞留时间或者说停留时间。
锥形空心体的底部端接在一个安装截头锥形旋涡溢流管的端盖上。锥形部分和旋涡溢流管分别形成潜流(合格料)出口和溢流(废料)出口，潜流出口的面积大致等于或者稍为大于溢流出口的面积。潜流出口和溢流出口位于截头锥通道的相对端部，并且分别向着空心锥体内部发散。在一个最佳实施例中，其切向进口的面积大致与溢流(废料)出口的面积相同。
应用本发明的典型反向旋液分离清洗器，其压力降约为30～90磅/英寸2，可以在低达0.5％(或更低)的原料浓度和高约2％(或更高)的原料浓度下工作，其液体废料率约为30％～70％，其主直径通常约为6英寸或更小。
业已发现，最佳的反向清洗器产生的废料溢流中纤维的含量很低。其重要原因是流体盘旋通过长的锥形体所花的停留时间(或者说滞留时间)比移动通过长度与直径之比值小得多的普通反向清洗器长。增加了停留时间为各种比重的组分分别提供了较多的向内或向外的径向移动机会，从而改善了分离的彻底度。
停留时间可以按照“必需的平均径向速度”来确定，所述的必需的平均径向速度是废料颗粒离开锥体最大直径处的内表面区域并进入锥体芯部或者说中央处的向上盘旋的废料流而流到顶部的旋涡溢流管所要求的。这个停留时间(如以每秒英尺为单位)越小，则轻质废料与好纤维之间的分离就越完全。必需的平均径向速度的计算方法是将锥体底部的半径或最大的直径除以平均滞留时间。而平均滞留时间等于进口处的物质流量(英尺3/秒)除以内部容积(英尺3)。本发明的清洗器具有较小的必需的平均径向速度值，即小于0.10英尺/秒。
废料中纤维含量少的另一原因是由于加长了锥体长度以及由出口形成的与锥体相反的向内呈锥形的截头锥形通道提高了流体的稳定性，从而减少了在颗粒开始径向分离时环状流体层之间混合的可能性。在用热塑性材料铸造空心锥体的过程中形成的光滑内表面同样有助于流体的稳定流动，并可补偿由于清洗器内表面积的增大带来的动力损失。除了流动稳定作用外，截头锥形的旋涡溢流管的外表面沿清洗器轴向向内呈向外的锥形也可阻止来自切向进口的纤维走“捷径”流至溢流出口。
本发明的反向清洗器是以使锥体长度变得很重要的两项主要条件为基础的，即下列两种情况1)废料从外壁切向进入，并且必须移动至轴线中心。但是在正向式清洗器中，污染物从外壁切向进入并且必须保持在外壁上。在正向式清洗器中，比水重的好纤维必须被液压拖动至中央溢流中。
2)好纤维径向向外移动，与此同时，污染物径向向内移动。
根据向心加速方程(CA＝切向速度的平方除以离中心轴线的径向距离)，流体在它通过锥体移动的过程中是连续加速的，因为锥体直径连续地减小。比重比流体介质(通常是水，比重为1.0)大的颗粒向着旋液分离器的内壁径向向外移动。在反向清洗器中去除的污染物比重小于流体介质，并向着轴线中心径向向内移动。由于整个流体是在邻近外壁处开始流动的，所以这些较轻的物质流到轴线中心要有一定的时间。这一必须的时间取决于清洗器的直径以及污染物的物理特性与流体和纤维浓度间的关系。内部混合会阻止上述粒子向轴线中心移动，而且也干扰纤维和其他物质向外壁的移动。当由于不稳定液流的混合干扰纤维的移动或干扰纤维本身保持在外壁上时，纤维就会被液压拖动至废料流中，从而使废料中的纤维含量提高5～8倍甚至更多。
在反向清洗器中，希望纤维留在合格料潜流中，污染物留在废料溢流中，由于纤维和污染物沿径向相反的方向移动，所以移过径向距离时需要较长的滞留时间以及具有较高的旋流稳定性都有助于接受纤维和废弃污染物。长的锥形体可在增加稳定性的同时连续提高旋转速率，因此，与正向清洗器相反，在反向清洗器中，污染物的径向移动情况可达到最佳状态。虽然Samson等人以L/D约为15∶1表明好纤维的损失率高，但是，进一步减小夹角和/或进一步增大相对长度也会进一步违反生产规律，正如Tomlinson在正向清洗器中所发现的那样。
本发明清洗器设计上的另一重要考虑是，清洗器长度的大部分应当为锥形。实际上，虽然清洗器的本体在大致沿其端盖中的旋涡溢流管的轴向长度部位可以是圆柱形而不是锥形。但是，工作清洗器的大部分不应当单纯是圆柱形的。任何这样的圆柱形段的长度(沿轴向测量)均不应明显大于清洗器本体中旋涡溢流管的伸入深度。
在发明名称为“正向/反向清洗装置及造纸原料的悬浮方法”的未决PCT申请(No.PCT/US96/10679，1996.6.20提出)中，叙述了包括反向清洗器的应用和装置，该项专利申请的内容作为本发明的参考。
于是，本发明的一个重要目的是提供一种用于造纸原料的反向型旋液分离清洗器，其清洗器本体的主要部分是锥形的，并且其长度与直径之比值至少为20∶1，锥形部分的夹角小于3°。
本发明的另一目的是，提供一种反向流清洗器，它可在较高的液流稳定性的条件下达到长得多的停留时间，以便使轻质污染物与好的滞留纤维之间的分离达到最佳的效果。
本发明的再一个目的是提供一种上述的旋液分离清洗器，其中旋涡溢流管的外表面做成截头锥形，并且随着它向清洗器内的延伸而发散。
本发明的其他目的和优点从下面的说明、附图和所附权利要求中将会更加明白，附图中
图1是本发明反向清洗器的局部剖视图；图2是与本发明的反向清洗器相结合的两级清洗装置的示意简图；图3是图1图示说明的反向清洗器的最佳实施例的局部横剖视图；和图4是通过图3的清洗器进口端的放大剖视图。
首先参看图1和3，一种反向清洗器10含有一个长形的空心体12，该空心体12由一种热塑性材料制成，在靠近其底部16处有一个切向进口14，该空心体12沿其长度的大部分(最好是其工作长度的至少90％)是锥形的，在其底部的一小部分可以是圆柱形的(如前所述)。上述的热塑性材料最好是未填充的尼龙和聚氨酯。空心锥形体12的底部16与一个也是用热塑性材料制成的端盖18相连接，该端盖18形成一个包围截头锥形旋涡溢流管22的基本平坦的环形面20。长形锥形体12在邻近端盖18处的一小部分可以是圆柱形的，但是，这一圆柱形部分的任何部位在轴向上均不应有看得出超过旋涡溢流管22的内端的地方。
长形锥形体12和旋涡溢流管22分别设有潜流出口26和溢流出口24。切向进口14的面积与溢流出口24大致相同，而潜流出口26的面积则大致等于或者稍微大于溢流出口24。上述溢流出口24和潜流出口26位于相对的向外逐渐变细的截头锥通道28和30的端部。
锥形体12底部的内径不应超过6英寸，最好为3英寸或更小，锥形体12内部形成的夹角应小于3°，使L/D比值至少为20∶1。
使用时，夹带着纸浆纤维和污染颗粒的水通过切向入口14沿切向进入锥形体12的内部。锥形体12内部的流体形成两个分别沿同一方向旋转的环形结构的流圈；一个是靠近锥形体12的内壁向着潜流出口26盘旋的外流圈，一个是位于外流圈与形成的中央空气芯之间向着溢流出口24盘旋的内流圈。
正如在现有技术所熟知的，作用在流体上和作用在较低比重的污染颗粒上的力使较轻的污染颗粒向着内流圈移动，从而也向溢流出口24即废料出口移动。作用在较高比重的纤维上的力使纤维向外流圈移动，因而向潜流出口26移动，这就是向合格料出口移动。旋涡溢流管22出口的截头锥外形(如图1所示，稍有夸大)可阻止纤维和污染颗粒从切向进口14走“捷径”流至溢流出口24。
沿清洗器的压力降一般为约30～90磅/英寸2，原料进口浓度一般为约0.5％～2％。当合格料出口和废料出口的直径约为5/8英寸或更小时，压力降一般为40～60磅/英寸2。如果按上述规定的NARV(必需的平均径向速度)的测量值约为0.07英尺/秒，则表示平均停留时间约为1.5～2秒。
液压排泄率为30～70％。锥形分离器部分的主直径约为3英寸或更小。实际的保持率并不重要，但停留时间与轻颗粒向内移动必须经过的径向距离之间的关系则是重要的。径向移动距离和所需的时间可换算成轻颗粒移至进入废料出口的中央液流时必须保持的一般的径向速度。锥形段的20∶1或更大的比值保证了上述的分离作用。
通过下述实施例可清楚地说明反向清洗器10的优点。清洗器10是这样构成的它有一个具有内径为2.75英寸(～7cm)的底部16和工作长度约为65英寸(～1.65m)的锥形体12，该锥形体12的长度与直径之比值约为24∶1，锥体的夹角为2.4°。锥形体12有一个直径为0.469英寸(～1.19cm)的切向进口14。上述的反向清洗器10还含有一个带有直径为0.625英寸(～1.59cm)的进口32的旋涡溢流管22(见图1)。清洗器10在出口24处具有0.469英寸(～1.19cm)的溢流直径，在出口26处具有0.500英寸(～1.27cm)的潜流直径。旋涡溢流管22伸入进口端1.28英寸(～3.25cm)，反向锥形面22A的最大外径(O.D)为1.06英寸(～2.7cm)，而在壁20处的外径(O.D)为1.0英寸(～2.54cm)。
以进口压力为60磅/英寸2(～405千帕)、流量约为30加仑/分钟(～130升/分钟)通过切向进口14将浓度为1％(重量)的原料液体泵入锥形体内。大约60％的流体从潜流口退旋(合格料)，大约40％的流体从溢流口退旋(废料)。在出口26处合格料的原料浓度接近2％(重量)，并含有约95％(重量)的原始原料，而在出口24处的废料的原料浓度为0.018～0.025％(重量)，并且仅含有约5％(重量)的原始原料。
如果对按照本发明生产的基本上具有全锥形体的反流式清洗器的性能与一种在同样条件下工作的其本体的主要部分在进口或者说底端处为圆柱形的清洁器相比较。两种清洗器的规格如下全锥形清洁器的底部直径为2.75英寸，锥夹角为3°，故长度约为53英寸(理论值)。该清洁器的进口直径、合格料出口直径、废料出口直径如前一段所述。第二种清洗器采用相同的锥体，但其大端与一个导向进口端的长16英寸、直径也是2.75英寸的圆柱体段相连接，故其全长约69英寸。两种清洗器供入相同的原料并在相同的条件下运行，即进口浓度约1％，温度120°F，沿清洗器的压力降为60磅/英寸2。两种清洗器的进口端都采用相同的盖子和旋涡溢流管。
全锥形体清洗器的固体排泄率为3％，这意味着97％的固体留在合格料中，但是，局部锥形体的清洗器的固体排泄率为12.9％，这意味着仅有87.1％的好纤维被留下。从效率看，全锥形体清洗器在节约纤维的有效性方面为局部圆柱体局部锥形体的清洗器的四倍，据认为这种效率上的差异是由于在局部圆柱形清洗器中存在着一节隔开锥形段与进口盖的大致为圆柱形的部分。
如图2所示，上述反向清洗器10的一种用途是用作两级清洗机构40(图2)中的第一级清洗器，在这种机构40中，反向清洗器10的溢流(废料)被送入一种穿流式清洗器42中，而该清洗器42的合格料被作为稀释料回收到反向清洗器10中。上述的穿流式清洗器42的结构可参见美国专利No.4,155,839(Seifert等人，1979.5.2)，它由Black Clawson公司的Shartle分公司制造和出售，品名为3”“X-Clone”清洗器。
图3示出本发明的反流式清洗器的最佳实施例的剖视图，图中各种零件的标号与图1所用的相同，图中的锥体角和相对长度按接近于真实比例的尺寸画出。图4是通过上述清洗器10的进口端部的放大剖视图，该图示出端盖18的最佳形状。
端盖18与做成空心体12的向后伸长段的圆柱形凹进部分80相配合，它由空心帽罩82固紧，并由密封圈84保持它与凹进部分80表面间的密封。
旋液分离清洗器10的合格料出口端部最好在刚好包围合格料出口26的部位90处扩大，以便接纳一个液流矫正芯件92，该芯件92通常设置有多个内肋，用于破坏从出口26排出的原料悬浮物的旋转速度。另外，在出口端还装有也是由扩大端92固定的目视玻璃管95，用于观察旋液分离器的工作。
虽然上述装置的结构是本发明的一个最佳实施例，但是，必须明白，本发明并不局限于这种特定的形式，在不背离所附权利要求规定的本发明的范围的情况下可以进行各种改动。
权利要求
1.一种用于离心分离悬浮造纸纤维中夹带的轻质废物的反向旋液分离器，含有一个具有圆形横截面并从第一端向第二端均匀收敛的空心锥形体；一个位于上述第一端附近的切向进口；一个穿过上述第一端进入上述空心锥形体的旋涡溢流管，该旋涡溢流管形成一个溢流出口；和一个位于上述第二端的潜流出口；上述的空心锥形体在上述第一端的附近形成一个内径，在上述第一端与第二端之间是其长度，该长度与上述内径之比值至少约为20∶1，从而构成一个小于3°的夹角。
2.根据权利要求1的反向旋液分离器，其特征在于，上述的空心锥形体具有一个沿上述第一端延伸并构成上述旋涡溢流管的端盖。
3.根据权利要求1的反向旋液分离器，其特征在于，上述的旋涡溢流管的外表面是截头锥体形的，并且随着它从上述第一端向上述空心锥形体内的延伸而发散。
4.根据权利要求1的反向旋液分离器，其特征在于，上述的溢流出口随着它穿过上述第一端进入上述空心体而逐渐扩大。
5.根据权利要求1的反向旋液分离器，其特征在于，上述的切向进口的面积大致等于上述溢流出口的面积。
6.根据权利要求1的反向旋液分离器，其特征在于，上述潜流出口的面积不小于上述切向进口或上述溢流出口的面积。
7.根据权利要求1的反向旋液分离器，其特征在于，上述的比值至少为23∶1，这就形成一个2.5°或更小的夹角。
8.一种用于造纸原料的反流式旋液分离清洗器，含有一个空心的长形体，该长形体沿其长度的大部分是锥形的，并具有一个底部、一个顶部和一条延伸穿过上述底部与顶部的轴线，上述的空心体从上述的底部向上述顶部收敛；一个盖住上述底部的端盖；一个安装在上述端盖中的旋涡溢流管，该溢流管形成一个与上述轴线同轴线的溢流出口，并且向上述顶部相反的方向收敛；一个在上述底部附近穿过上述空心锥形体的切向进口；和一个位于上述顶部的潜流出口；上述的空心锥形体在上述底部附近形成一个内径在上述底部与上述顶部之间是其轴向长度，该长度与上述内径之比值至少约为20∶1。
9.一种反流式旋涡清洗器，含有一个至少大部分为锥形的空心体，该空心体有一个底部、一个顶部和一条延伸穿过上述底部与上述顶部的轴线，上述空心体部分从上述底部向上述顶部收敛；一个盖住上述空心体的上述底部的端盖；一个安装在上述端盖上并伸入上述空心体内的旋涡溢流管，该溢流管随着它向上述空心体内的延伸而发散；一个由上述旋涡溢流管内形成的、并与上述轴线同轴线的反向清洗器的溢流出口，该出口沿着与顶部相反的方向收敛；一个位于上述底部附近的穿过上述空心体的切向进口；一个位于上述顶部的潜流出口；上述反向清洗器的溢流出口的面积大致等于上述进口的面积，上述潜流出口的面积不小于上述溢流出口或上述进口的面积；并且上述的空心体在其底部附近形成有一个内径，在其底部与顶部之间是其轴向长度，该长度与上述内径之比至少约为20∶1。
全文摘要
一种用于离心分离悬浮造纸纤维中夹带的轻质污染物的反向旋液分离清洗器(10),具有一个其横截面是圆形的并从第一进口端向第二顶端均匀收敛的长形空心体(12,),其中上述锥形体的长度与其最大直径之比值至少约为20∶1,并形成一个小于3°的夹角。
文档编号D21D5/24GK1196000SQ96196873
公开日1998年10月14日 申请日期1996年8月8日 优先权日1995年8月11日
发明者克里斯托弗·E·麦卡锡 申请人:塞莫·布莱克·克劳森公司