专利名称：一种混合物气浮式动态漩流分离方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明属于环境保护技术领域，具体分析涉及一种混合物的漩流分离方法及其装置，特别是一种利用气浮原理的动态漩流分离方法及其装置。
背景技术：
一般地，混合物的分离方法主要有三种沉淀，气浮和离心分离(包括水力漩流)三种。沉淀主要是依靠重力的作用将混合物分离；气浮主要是利用水中各种溶解的或悬浮的物质原来的或投加药剂产生的表面活性差异以进行分离的方法，例如油水分离，给水厂原水中藻类的去除等。离心分离则是依靠惯性离心力的作用而实现混合物的分离过程。旋流离心流场是19世纪末期随着流场力学的研究而发现的，从分离的原理上讲也是离心分离的一种。一般地，沉淀分离运行成本最低，但分离效果受到混合物性质的限制，而旋风或漩流分离器的离心沉降速度比重力速度约大5～2500倍，因而分离的效果远比重力沉降的效果好，但由于产生离心力所需要的能耗较高，因而能耗较低和分离效果较好的根据流场力学而研发的漩流器便成了最多的选择。
如对于两者密度相差较小，颗粒粒度较细的分散相系，通过常规的方式如固液分离的沉淀池，油水分离的气浮池等分离，离效率很低，若改用离心分离(或漩流分离)则可大大提高分离速度，设备尺寸可缩小很多。1891年，E.Bretney在美国申请了世界上第一个利用漩流离心流场进行分离的水力旋流器专利，并在1939年首先在荷兰的一座煤矿用于煤泥水的澄清作业。
旋流器是根据漩流离心流场远大于重力场的原理发展起来的用于分离液/液、固/液体混合物的设备，可分离几个微米以上的液液混合物或固液混合物。一般地，典型的漩流分离设备系统包括了几个方面泵、流量计、漩流分离器以及相关管道，混合物物料经过泵加压后高速沿切向进入旋流器，在漩流分离器的圆柱内产生高速旋转流场，混合物中密度大的组分在旋转流场的作用下同时沿轴向向下运动、沿径向向外运动，在到达锥体段沿器壁向下运动，并由底流口排出；这就形成了外旋涡流场；密度小的组分向中心轴线调和运动，并在轴线中心形成一向上运动的内旋涡，然后由溢流口排出，这就达到了两相分离的目的。中国专利CN85100767A、CN2405660Y，美国专利US4237006和US4231368分别给出了可用于互不相溶混合物分离的漩流装置及其内部结构、尺寸比例。中国ZL91109284、ZL01108251以及英国专利GB2211765B更是给出了漩流加速腔的母线公式，但这些静态漩流专利在应用过程中仍存在一些技术问题，例如液流供液压力高，压力损失大，额定处理量小以及产生的漩流离心力不强等，因而影响了分离的效果。
有一种加压溶气气浮式水力漩流油-水分离的装置专利(中国专利号200310119024)，通过在静态水力漩流器之前添加一个加压溶气设备，使得空气在较高的压力下溶解于料液达到饱和后，再进入水力漩流器，利用溶气在水力漩流中产生的气浮作用，将油-水分离，该专利能够取得较好的油-水分离效果，但仍未解决静态漩流技术漩流离心力相对较小而不能分离比重相近的混合物、额定处理量小、供液压力高等问题。
针对于静态漩流分离器存在的这种问题，国外在20世纪90年代开发了利用漩流分离原理的新型动态分离装置(美国专利US5084189)，该装置是在防堵塞轴流泵(美国专利US 3786996)的基础上发展起来的，通过壳体的高速旋转产生漩流，在内置螺旋叶片的作用下，流体发生高速旋转并以一种螺线型的运动方式前进，同时发生离心分离。这种外壳式的漩流产生的漩流离心力比静态漩流分离器的大很多，但该专利采用两片叶轮呈螺线状叶轮，对水流有较大的剪切力，扰动程度较大，因而装置的运行和推广应用受到限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效低耗的动态漩流分离方法及其装置。该装置和方法分离的混和物的典型例子是含油污水，它是人们生活或生产中产生的面广量大的污水，例如石油开采、炼制、运输、化工、机械制造、食品加工等领域内产生的污水，本发明涉及但并不局限于含油污水的去油。
本发明提出的动态漩流分离方法，是在原料料液进入动态水力漩流器之前充入适量溶气料液，再进入动态水力漩流器进行分离。电动机带动进入动态漩流分离器的料液高速旋转，溶气在水力漩流中因与料液的比重不同而产生气浮作用，在漩流和气浮的双重作用下发生油-水分离，从而使得油-水分离能力大为提高；同时，注入的溶气在漩流的作用下在轴心形成空气层，从而减少了排放时油中的含水量，从整体上更具有实用性，有利于环境保护。其中，控制溶气料液与原料料流的流量比为10∶1-1∶5，溶气压力为0.1-0.4MPa，，电动机转速为500-5000rmp。
本发明提出的动态漩流分离装置，由溶气料液分配器4、动态漩流分离器1、电动机10以及自动监控设备15等经管路连接构成；动态漩流分离器1由旋转外壳8和导流叶片组件13以及渐缩管11等组成，导流叶片组件13有两组，对称分布在旋转外壳8内，渐缩管11设置于旋转外壳8的下侧，渐缩管11下端设有出料口12；动态漩流分离器1的顶部设有进料口7，上部侧面设有进料管6；电动机10通过传动部件9与动态漩流分离器1连接，并驱动旋转外壳8旋转。其结构如图1、图3所示。
本发明中，动态漩流分离器1的旋转外壳8的直径记为D1，进水口和旋转外壳的长记为L1；进料管6截面为一矩形，采用切向进料，矩形的长和宽分别记为a、b；进料口7的直径记为D2，出料口12直径记为D3；渐缩管11的长度记为L2；如图2所示。其中，D2/D1为0.1～0.6，D3/D1为0.1～0.5，L1/D1为0.5～3.6，L2/D1为0.3～6，a＞b，ab为0.02～0.15[π(D1)2]。在旋转外壳8内有对称分布的两组导流叶片组件13，每组叶片有1～5片，叶片呈水滴流线型，其中心线分别与中心轴的夹角记为α1、α2…α5，0≤αi≤45°(i＝1～5)；旋转外壳8采用轴承固定，在电动机的带动下可发生高速旋转，其与两端固定件之间采用合理密封。动态漩流分离器1的旋转外壳8由电动机10通过传动构件9驱动，电动机的转速范围可调节，为0～5000rmp。
本发明的自动监测控制设备主要由流量阀门5、控制器15和在线监测仪14依次经管道连接组成，根据在线监测或人工监测的结果来调整电机10的转速、溶气料液3与原料料液的进料比，从而实现出水水质的达标排放与出油的低含水率；在线监测仪可根据分离的目标选定，控制器15为可编辑逻辑控制器(PLC)或计算机。
使用气浮式动态漩流分离的装置的使用方法是溶气料液3经过阀门5通过溶气料液分配器4与原料料液混和后，由切向进料口6进入动态漩流分离器1内，进行气浮式动态漩流分离，在电机10的带动下，高速旋转的导流叶片13带动物料发生高速漩流，混合物中轻的物料在漩流的作用下，向动态漩流分离器的轴心聚集，同时，由于溶气的加入，使得漩流过程中产生的气浮作用将混合料液中的轻的料液推向轴心；在混和料液的旋转轴心为一空气层，依次向外是油层和水层，因而可通过调节溶气料液3与原料料液的进料比，降低进料口7排出的轻料液的含水率，提高出料口12的出水水质；重的物料经过渐缩管11的漩流作用强化去除轻的物料后，再通过出料口12排出。
自动控制系统通过在线监测仪14或人工监测并输入结果来实现当出水水质达标时，出水可直接排放或回用，否则可通过调节溶气料液3与原料料液的进料比和电机10的转速来实现出水水质达标；当出水水质达标时，再测定出油中含水率，达到设定标准则排放，系统存储该工况(主要参数为溶气料液3与原料料液的进料比、电机10转速)为用户模式；如果出油中含水率过高，再通过调节(调高)溶气料液的进料比和调节电机10的转速来降低出油中的含水率；控制模式中，出水水质达标优先于出油含水率的控制，对溶气料液量的调节优先于对电机转速的调节。流程图见说明书附图4。
由于料液切向进入动态漩流分离器1中，因而在一定程度上避免了叶片加速时产生的扰动，同时，叶片的设计采用导流式，以产生旋转作用为主，叶片的轴向夹角逐渐减小以逐渐加大轴向推动力，避免了将大的油滴切碎乳化，在漩流和气浮原理的双重作用下，保证了混合物分离效果。自动监测系统可为不同料液的漩流分离选择工况，并确保系统处于最经济模式运行，从而达到节能降耗的目的。
气浮式动态漩流分离的装置的另外一种使用方法是，溶气料液3经过阀门5通过溶气料液分配器4与进料2混和后，由进料口7进入动态漩流分离器1内，进行气浮式动态漩流分离，轻的物料在漩流和气浮的作用下，聚向分离器轴心，在出料口12内增加一进料口7a，将轻的物料导出，而重的物料经过渐缩管11的漩流作用强化去除轻的物料后，再通过出料口12排出，如图3所示。该系统可通过调节溶气料液的进料比和电机10的转速实现出水的达标排放或回用，并降低出油的含水率，自动控制过程同上述，控制流程见附图4。进料口7a的直径记为D4，D2/D1为0.1～0.6，D4/D1为0.1～0.3，D3/D1为0.1～0.6，L1/D1为0.5～3.6，L2/D1为0.3～6。
本发明的有益效果是由于采用了漩流和气浮两种原理对混合物进行分离，与单纯的动态分离装置相比，在降低运行的能耗的同时，提高了出水水质；采用外壳旋转方式产生动态漩流，从而大大提高了分离的效率。与静态漩流分离技术相比较，本发明装置的处理量范围大，分离强度加大，入口供液压力降低，压力损失小。采用自动监测控制系统控制溶气料液的进料比和电机的转速以达到出水水质的达标排放和有效地降低出油的含水率，从而使得分离的效果更具有实用性。该系统可将含油水降到10mg/l以下，满足了废水排放的要求。
图1为本发明装置的结构图示(1)。
图2为本发明的动态漩流分离装置结构图示。
图3为本发明装置的结构图示(2)。
图4气浮式动态漩流系统自动控制流程图。
图中标号1为动态漩流分离器，2为进料口，3为溶气料液，4为溶气料液分配器，5为阀门，6为进料管，7为进料口，7a为出料口。8为旋转外壳，9为传动部件，10为电动机，11为渐缩管，12为出料口，13为导流叶片组件，14为在线监测仪，15为控制器。
具体实施例方式
一气浮式动态漩流分离装置，进水与旋转外壳直径为D1＝55mm，其进料口6中a＝18mm，b＝45mm，进料口7的直径D2＝15mm，出料口12的直径D3＝15mm，进水与旋转外壳长度L1＝100mm，渐缩管11的长度L2＝200mm。含油废水含油量4000ppm，流量为13.84L/s，通过自动控制系统进行工况选择，选定运行工况中溶气料液3与原料料液的流量比为1∶3，溶气压力为0.3Mpa，电机10的转速2980rmp，在分流比为4～5％时，出水含油量为15.8ppm，达到了较好的除油效果。
权利要求
1.一种混合物气浮式动态漩流分离方法，其特征在于在原料料液进入动态水力漩流器之前充入溶气料液，再进入动态水力漩流分离器进行分离，由电动机带动进入动态漩流分离器的料液高速旋转，使其在漩流和气浮的双重作用下发生油-水分离，从而提高油水分离能力；其中，控制溶气料液与原料料液的流量比为10∶1-1∶5，溶气压力为0.1-0.4MPa，电机转速为500-5000rmp。
2.一种混合物气浮式动态漩流分离的装置，其特征在于，由溶气料液分配器(4)、动态漩流分离器(1)、电动机(10)以及自动监控设备经管路连接构成；动态漩流分离器(1)由旋转外壳(8)、导流叶片组件(13)以及渐缩管(11)组成，导流叶片组件(13)有两组，对称分布在旋转外壳(8)内，渐缩管(11)设置于旋转外壳(8)的下侧，渐缩管(11)下端设有出料口(12)；动态漩流分离器(1)的顶部设有进料口(7)，上部侧面设有进料管(6)；电动机(10)通过传动部件(9)与动态漩流分离器(1)连接，并驱动旋转外壳(8)旋转。
3.根据权利要求2所说的气浮式动态漩流分离的装置，其特征在于，动态漩流分离器(1)的旋转外壳(8)的直径记为D1，进水和旋转外壳长记为L1；进料管(6)截面为一矩形，采用切向进料，矩形的长和宽分别记为a、b；进料口(7)的直径记为D2，出料口(12)直径记为D3；渐缩管(11)的长度记为L2；其中，D2/D1为0.1～0.6，D3/D1为0.1～0.5，L1/D1为0.5～3.6，L2/D1为0.3～6，a＞b，ab为0.02～0.15[π(D1)2]。
4.根据权利要求2所说的气浮式动态漩流分离的装置，其特征在于，在旋转外壳8内有对称分布的两组导流叶片组件(13)，每组叶片有1～5片，叶片呈水滴流线型，其中心线分别与中心轴的夹角记为α1、α2…α5，0≤αi≤45°，i＝1～5。
5.根据权利要求2所说的气浮式动态漩流分离的装置，其特征在于，在出料口(12)内有出料口(7a)，出料口(7a)的直径记为D4，其中，D2/D1为0.1～0.6，D4/D1为0.1～0.3，D3/D1为0.1～0.6，L1/D1为0.5～3.6，L2/D1为0.3～6。
6.根据权利要求2所说的气浮式动态漩流分离的装置，其特征在于，自动监测控制设备由流量阀门(5)、控制器(15)和在线监测仪(14)依次经管路连接组成。
全文摘要
本发明涉及一种混合物的漩流分离方法及其装置，特别是一种利用气浮原理的动态漩流分离方法及其装置。料液经过溶气料液混和后进入动态漩流分离器内，在电机的带动下，物料发生高速漩流，混合物中轻的物料在气浮以及漩流的作用下，向分离器的轴心聚集，通过出料管排出；重的物料经过漩流作用强化去除轻的物料后，再通过出料管排出。该装置可通过在线控制系统调节溶气料液与原料料液的流量比和电机的转速来实现出料的达标排放或回用，并降低被分离物料的含水率。该装置适用范围广泛，对于比重不同的各种类型混合物的分离均具有较好的分离效果，在节能环保等领域有广阔的应用前景。
文档编号B03B5/30GK1686615SQ20051002550
公开日2005年10月26日 申请日期2005年4月28日 优先权日2005年4月28日
发明者何坚, 侯惠奇 申请人:复旦大学