专利名称：一种实现溶液空化分离的旋流分离器及分离方法
技术领域：
本发明涉及一种旋流分离器及旋流分离方法，特别是涉及一种实现溶液空化并浓度分离的旋流分离器及溶液空化分离的旋流分离方法，更具体的涉及一种海水空化分离生成淡盐水和浓盐水的旋流分离器和分离方法。
背景技术：
旋流分离器，也叫旋液分离器，以其体积小、结构简单及较大的处理能力，在众多领域得到了广泛的应用。如图I所示，图I所示的旋流分离器I是现有技术中最典型的一款，其主要包括入口 2、圆柱形5和圆锥形6组成的柱-锥形分离腔和两个出口 3、4组成。入口 2可以是一个或多个，但以单入口和双入口最为常用，入口一般采用切向入口和渐开 线入口两种。分离腔一般有圆柱形、圆锥形和柱-锥形等三种基本形式，柱-锥形又有单锥和双锥两种形式。出口一般为两个，而且多为轴向出口，分布在旋流分离器的两端，靠近进口端的为溢流口 3，远离进料端的为底流口 4。如图2所示，互不相溶、且具有密度差的混合物以较高的速度沿切向从入口 2进入旋流分离器1，液体在旋流分离器内绕中心轴线高速旋转产生离心力场，在离心力场的作用下，密度大的相被甩向四周，形成外漩涡8，并顺页着壁面向下运动，作为底流排出；密度小的相向中间迁移，形成内漩涡7，并向上运动，最后作为溢流排出。这样底流口 4获得密度大的相，溢流口 3获得密度小的相，实现了液-液分离的目的。现有的旋流分离器，对处理的物料要求比较苛刻，只能是互不相溶且具有密度差的混合物。典型的应用包括固液分离、液气分离、固固分离(分选)、液液分离以及液气固三相同时分离等，其中液液分离也要求混合物料互不相溶且具有密度差。对于互溶的液体，只有对物料进行预处理以使互溶液体分离为互不相溶的两相后，才能进行旋流分离处理。现有技术中对互溶液体的分离，技术方式较多，比较典型的工艺有蒸馏处理、萃取处理和膜分离等。蒸馏处理，例如常压蒸馏或减压蒸馏，其采用加热设备比如加热炉将物料加热，进而在精馏塔或蒸馏釜中产生气液两相，然后利用物料冷凝温度的不同将其分离开来。该工艺所需设备庞大，需要将物料加热并冷凝，这就导致投资大、能耗较高，其无法分离高温分解或产生共沸点的液液混合物。另一种处理工艺为萃取分离，其在互溶物中添加溶剂(也称萃取剂)，利用化合物在两种互不相溶(或微溶)的溶剂中溶解度或分配系数的不同，使化合物从一种溶剂内转移到另外一种溶剂中，并形成互不相溶的两相，然后采用溶剂回收工艺将溶剂回收，并获得相应产品。在该工艺的基础上，发展出了超临界萃取、PH梯度萃取等工艺。但所述萃取工艺的普遍缺陷是，首先对溶剂要求较高，溶剂必须与互溶液体的溶剂不互溶，并且对目标物质溶解度要比互溶溶剂的溶解度大，这就导致溶剂的选择面较窄；其次，其必须要经过混合-反萃(溶剂回收)工序，整个工艺过程能耗较大。膜分离技术也是一项常用的技术，其在海水淡化领域应用较广，该技术根据生物膜对物质选择性通透的原理，对包含不同组分的混合物进行分离。分离中使用的膜是根据需要设计合成的高分子聚合物，根据孔径大小可以分为微滤膜(MF)、超滤膜(UF)、纳滤膜(NF)、反渗透膜(RO)等，膜分离都采用错流过滤方式。该工艺的普遍缺陷是对所用半透膜的要求较高，这就导致成本较高，另外受限与半透膜的性能，膜分离的处理量普遍较小。因此，如何利用现有的性能可靠和处理量大的旋流分离器，处理并分离互溶物，是本领域面对的技术难题。本发明利用空化效应，改进现有旋流分离器，实现了互溶物的分离。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种旋流分离器，该旋流分离器能够处理并分离现有旋流分离器无法分离的互溶物。该旋流分离器主体结构与现有技术相同或类似，其主要包括入口、分离腔和两个出口。入口可以是一个或多个，优选单入口和双入口，优选采用切 向入口和渐开线入口。分离腔可以为圆柱形、圆锥形和柱-锥形三种基本形式，优选采用柱-锥形，更优选采用单锥或双锥。出口为轴向出口，分布在旋流分离器的两端，分别为靠近进口端的出口和远离进口端的出口，其对现有技术的改进在于其设置有使两个出口处实现低压环境(真空环境)的设备，其中，使远离进口端的出口实现低压环境的设备优选水泵或其他抽吸设备，使靠近进口端的出口实现低压环境的设备优选低压管道、真空泵或水栗。此外，本发明对现有技术的改进还在于该旋流分离器不仅可以竖直轴向放置，也可以水平轴向放置。本发明的目的之一还在于提供一种互溶物的分离方法，互溶物自旋流分离器的入口进入，互溶物在旋流分离器内绕中心轴线旋转以产生离心力场，远离进口端的出口保持低压(低于大气压)，靠近进口端的出口形成低于环境温度下水的饱和压力的负压，使得旋流器内部出现明显的低压环境，进而使旋流器内的互溶物在接近室温环境时就能发生空化作用，优选使其出现大量空化气泡或者闪蒸蒸发气泡，自远离进口端的出口获得富集液，自靠近进口端的出口获得贫液，从而获得浓度分离的富集液和贫液。具体而言，本发明的互溶物的分离方法包括如下步骤，互溶物自旋流分离器的入口进入，分离器入口可以保持常压(大气压)也可以为高压(高于大气压)，互溶物在旋流分离器内绕中心轴线旋转以产生离心力场，远离进口端的出口保持低压(低于大气压)，靠近进口端的出口形成低于环境温度下水的饱和压力的负压，使得旋流器内部出现明显的低压环境，该低压环境压强降低到液体的饱和蒸汽压，使旋流器内的互溶物在接近室温环境时就能在液体内部或液固交界面上出现蒸汽或气体空泡，发生空化作用，优选使其出现大量空化气泡或者闪蒸蒸发气泡。在旋流过程产生的离心力的作用下，空化气泡转移至旋流器中心位置，装置内部的空化气泡形成后会在旋流器内部发生破灭冷凝或依旧以蒸汽状态存在。由于空化过程是溶剂的相变过程，在形成气泡时不带走溶液中的溶质(例如盐组分)，这就实现了溶液在一定程度上的浓度分层，而对于已经实现分层的溶液可以保持一定的稳定性。故旋流分离器中心位置附近出现贫液层或贫液带；而旋流分离器外圈即远离中心位置处的溶液则由于溶剂的不断减少，导致溶质浓度升高，该处为浓溶液层或浓溶液带。最后，自远尚进口端的出口获得溶质浓度闻的富集液，自罪近进口端的出口获得溶质大大减少的贫液，从而获得浓度分离的富集液和贫液。本发明的目的之一还在于提供一种海水淡化的方法，海水自旋流分离器的入口进入，绕中心轴线旋转以产生离心力场，远离进口端的出口保持低压(低于大气压)，靠近进口端的出口形成低于环境温度下水的饱和压力的负压，使得旋流器内部出现明显的低压环境，进而使旋流器内的海水在接近室温环境时就能发生空化作用，优选使其出现大量空化气泡或者闪蒸蒸发气泡，自远离进口端的出口获得富含盐类的浓盐水，自靠近进口端的出口获得盐类含量较少的淡水，从而获得浓度分离的浓盐水和淡水。采用本发明的所限定的旋流分离器，能够使得互溶物实现浓度分离，而现有的旋流分离器无法分离互溶物，其主要原因是本发明的旋液分离器能够在其内部形成明显的低压环境，并在分离腔内发生空化作用，进而实现溶液浓度分离。其具体机理如下互溶物自分离器入口常压或高压进入，在旋流分离器的底流口布置低压环境或者水泵(外界为大气压)，在分离器的顶端出口布置低压管道、真空泵或水泵，此处形成的负压要低于一般环境温度下水的饱和压力，进而使得旋流器内部出现明显的低压环境，从而使得旋流器内的溶 液在接近室温环境时，就能出现大量空化气泡或者闪蒸气泡，发生空化作用，然后在旋流过程产生的离心力的作用下，气泡转移至旋流器中心位置，装置内部的空化气泡形成后会在旋流器内部发生湮灭冷凝或依旧以蒸汽状态存在，该中心位置附近为净水层或净水带，而旋流器外圈即远离中心位置处的溶液则浓度升高，该处为浓溶液层或浓溶液带。这就实现了溶液的分层旋流，进而将不同层的流体通过两个出口分别引出，实现溶液浓度的分离。申请人:申明，不应将该旋流分离器的工作机理视为对本发明的限定，其仅仅用于帮助理解本发明。即使不明了本发明的工作机理，采用本发明工艺装置或按照本发明的工艺方法，仍然可以实现互溶物的浓度分离。与现有技术相比，本发明的有益技术效果是其对现有的旋流分离器做出改进，使其内部液体发生空化作用，并利用产生的大量空化气泡实现互溶物的浓度分离。
图I现有技术中柱-锥形旋流分离器示意2现有技术中旋液分离器原理示意3 —种实现溶液空化分层分离的旋流分离器装置4实现溶液空化分层分离旋流分离器的原理示意图
具体实施例方式本发明所述的旋流分离器，所处理的物料不仅包括互溶物，比如海水、工厂废水等，还包括现有旋流分离器所处理的物料，即互不相溶且具有密度差的液体混合物。本发明为便于描述，对旋流分离器工艺过程及工艺原理的描述中，均以互溶物为例，但不应据此认定本发明的旋流分离器仅能处理分离互溶物，其如同现有技术的旋流分离器一样，同样能够实现普遍意义上的固液分离、液气分离、固固分离(分选)、液液分离以及液气固三相同时分离。如图3所示，本发明的旋流分离器主要包括入口 2、分离腔和两个出口 3、4三部分。旋流分离器的入口 2数目、形状和位置不做特别限定，其如同现有技术的设定，为便于理解，本发明描述如下。入口 2数目可以设置为一个或多个，优选采用单入口和双入口。入口 2截面可以为方形、圆形或椭圆形。入口 2与分离腔的连接设置，优选采用切向入口或渐开线入口。分离腔同样如同现有技术的设置，本发明不做特别限定，其可以为圆柱形、圆锥形或柱-锥形三种基本形式之一，优选采用柱-锥形，更优选采用单锥或双锥。为增加其旋流分离的效果，优选在分离腔内设置绕中心轴线旋转的旋流流道。旋流分离器的两个出口为轴向出口，其分布在旋流分离器的两端，靠近进口端的出口 3，远离进口端的出口 4。自远离进口端的出口 4导出密度大的液体产物，自靠近进口端的出口 3导出密度小的液体产物。本发明相对于现有技术的改进在于其设置有使两个出口处实现低压环境(真空环境)的设备9，进而使旋流分离器内部形成低压环境。其中，使远离进料口的出口 4实现低压环境的设备9优选水泵或其他抽吸设备，使靠近进料口 3的出口实现低压环境的设备 9优选低压管道、真空泵或水泵。流体从如图4所示入口 2切向进入旋流分离器，并被分离为两股流体分别从两个出口流出。分离器入口 2可以保持常压也可以为高压，自入口 2进入分离腔的液体，在高压的驱动或原有高速驱动下，沿分离腔的内壁绕中心轴线高速旋转向分离器另一端运动。在旋流分离器的远离进料口的出口 4布置有低压环境或者水泵(外界为大气压)，此处产生低压环境，在分离器的靠近进料口的出口 3布置有低压管道或真空泵或水泵，此处形成的负压要低于一般环境温度下水的饱和压力，该两出口的低压设置使得旋流器内部出现明显的低压(真空)环境，旋流器内的互溶物在接近室温环境就能发生空化作用，出现大量空化气泡10或者闪蒸蒸发气泡10。在混合物绕轴线高速旋转产生的离心力的作用下，气泡10转移至旋流器中心位置，空化气泡10形成后会在旋流器内部发生湮灭冷凝或依旧以蒸汽状态存在，这就实现了溶液在一定程度上的浓度分层，而对于已经实现分层的溶液可以保持一定的稳定性。该旋流分离器中心位置附近为净水层(贫液层)或净水带(贫液带)。旋流器外圈即远离中心位置处的溶液则浓度升高，该处为浓水层(富集层)或浓水带(富集带)。浓水层沿旋流分离器内壁旋转向下，自远离进料口的出口 4排出旋流分离器，净水层进入中心位置旋转向上，自靠近进料口的出口 3排出旋流分离器。这样就实现了溶液的分层旋流，进而将不同层的流体通过两个出口分别引出，实现溶液浓度的分离。以海水为例，海水从如图3所示入口切向进入旋流分离器，并被分离为两股流体，分别从两个出口流出靠近进料口的出口 3获得淡水，远离进料口的出口 4获得浓盐水。分离器入口 2可以保持常压也可以为高压，自入口 2进入分离腔的海水，在高压的驱动或原有高速驱动下，沿分离腔的内壁绕中心轴线高速旋转向下运动。由于在旋流分离器远离进料口的出口 4布置有低压环境或者水泵(外界为大气压)，此处产生低压环境，在分离器靠近进料口的出口 3布置有低压管道或真空泵或水泵，此处形成的负压要低于一般环境温度下水的饱和压力。如图4所示，该两个出口的低压设置使得旋流器内部出现明显的低真空环境，旋流器内的互溶物在接近室温环境就能发生空化作用，出现大量空化气泡10或者闪蒸蒸发气泡10。在混合物绕轴线高速旋转产生的离心力的作用下，气泡10转移至旋流器中心位置，空化气泡10形成后会在旋流器内部发生破灭冷凝或依旧以蒸汽状态存在。在该过程中，由于空化过程是水的相变过程，在形成气泡10时不带走溶液中的盐组分，故旋流分离器中心位置附近由气泡10聚集形成淡水层或淡水带；而旋流分离器外圈即远离中心位置处的海水则由于淡水形成气泡10离开，导致盐份富集，海水中盐分浓度升高，该处为浓盐水层或浓盐水带。浓盐水层沿旋流分离器内壁旋转流动(附图标记8所示)，自远离进料口的出口 4排出分离器，淡水层进入中心位置反向旋转流动(附图标记7所示)，自靠近进料口的出口 3排出旋流分离器。这样就实现了海水的浓度分离，即实现海水的淡化处理。本发明的旋流分离器可以单独使用，也可以多级串联使用，或者多级并联使用，其使用方式是掌握本领域专业知识的本领域技术人员必备技能，本发明不再就此赘述。从靠近进料口的出口获得的淡水，可以直接作为工业用水使用，也可以根据纯度要求继续进行净化处理，例如，通入下一级旋流分离器继续浓度分离得到更为纯净的水。海水通过多级旋流分离器净化，可以获得符合饮用标准的淡水。本发明所述的继续进行净化处理不局限于继续采用本发明的旋流分离器进行，其还可以采用其他具有相同技术效果的技术手段实现，比如膜分离等技术手段。从远离进料口的出口获得的浓盐水，可以进行制盐工艺，或者其他深度加工工序。
对比例采用图I所示旋流分离器，以含盐量为35%。的海水为原料，以一定的进口速度进料，经过一段时间稳定运行后，经检测，底流口获得的海水含盐量仍为35%。，溢流口获得的极少量液体含盐量也为35%。。即，现有技术的旋流分离器无法实现对海水的淡化处理。实施例I采用图2所示本发明的旋流分离器，其原料与操作条件均与对比例相同。经一段时间稳定运行后，经检测，典型的，b出口获得的海水含盐量为43. 4%。，&出口获得的液体含盐量为I. 5%0。将本发明实施例与对比例对比可知，本发明的旋流分离器实现了对互溶物的分离，而现有技术的旋流分离器无法分离互溶物，本发明相对于现有技术取得了预料不到的技术效果。尽管本申请实施例仅就海水做了实施例描述，但这并不意味本发明的旋流分离器仅适用于海水淡化处理。所属技术领域的技术人员均能从本发明获知，除海水外，含污染物的污水、含盐类物质的有机溶剂等，均适用于本发明的旋流分离器分离，本发明不再就此赘述。本发明采用上述方式进行详细描述，但不意味着本发明必须依赖上述详细设置才能实施。基于所属技术领域技术人员的理解，任何技术手段的等效替换或具体方式的选择等改进，均落在本发明保护范围之内。
权利要求
1.一种实现溶液空化分离的旋流分离器，所述旋流分离器主要包括入口、分离腔和两个出口，所述两个出口为轴向出口，分布在旋流分离器的两端，分别为靠近进口端的出口和远离进口端的出口，其特征在于，所述旋流分离器设置有在所述两个出口处实现低压环境或真空环境的设备。
2.根据权利要求I所述的旋流分离器，其特征在于，使远离进口端的出口实现低压环境的设备为水泵或其他抽吸设备，使靠近进口端的出口实现低压环境的设备为低压管道、真空泵或水泵。
3.根据权利要求I或2所述的旋流分离器，其特征在于，所述入口为单入口或双入口，采用切向入口或渐开线入口，所述分离腔为圆柱形、圆锥形或柱-锥形。
4.根据权利要求I或2所述的旋流分离器，其特征在于，所述旋流分离器竖直轴向放置或水平轴向放置。
5.一种实现溶液空化分离的旋流分离方法，其特征在于，溶液自旋流分离器的入口进入，在旋流分离器内绕中心轴线旋转以产生离心力场，远离进口端的出口保持低压或低于大气压的压力，靠近进口端的出口形成低于环境温度下水的饱和压力的负压，使得所述旋流分离器内部出现低压环境，以使得旋流器内的互溶物在接近室温环境时就能发生空化作用，进而使得溶液在旋流器内出现浓度分层，自远离进口端的出口获得富集液，自靠近进口端的出口获得贫液，从而获得浓度分离的富集液和贫液。
6.如权利要求5所述的旋流分离方法，其特征在于，所述旋流分离器内发生空化作用，并出现空化气泡或者闪蒸蒸发气泡。
7.如权利要求5或6所述的旋流分离方法，其特征在于，所述旋流分离器采用柱-锥形，柱-锥形为单锥或双锥。
8.—种海水淡化方法，其特征在于，海水自旋流分离器的入口进入，绕中心轴线旋转以产生离心力场，远离进口端的出口保持低压或低于大气压的压力，靠近进口端的出口形成低于环境温度下水的饱和压力的负压，使得旋流器内部出现低压环境，以使得旋流器内的海水在接近室温环境时就能发生空化作用，进而使得海水在旋流器内部出现浓度分层，自远离进口端的出口获得富含盐类的浓盐水，自靠近进口端的出口获得盐类含量较少的淡水，从而获得浓度分离的浓盐水和淡水。
9.如权利要求8所述的海水淡化方法，其特征在于，所述旋流分离器内发生空化作用，并出现空化气泡或者闪蒸蒸发气泡。
10.如权利要求8或9所述的海水淡化方法，其特征在于，所述旋流分离器采用柱-锥形，柱-锥形为单锥或双锥。
全文摘要
本发明公开了一种旋流分离器以及利用空化作用实现互溶物浓度分离的旋流分离方法。该旋流分离器主要包括入口、分离腔和两个出口，两个出口保持低压环境(真空环境)，其中，使远离进口端的出口实现低压环境的设备优选水泵或其他抽吸设备，使靠近进口端的出口实现低压环境的设备优选低压管道、真空泵或水泵。本发明对现有的旋流分离器做出改进，使其内部液体发生空化作用，并利用产生的大量空化气泡实现了互溶物的浓度分离。
文档编号B04C5/14GK102764703SQ20111011308
公开日2012年11月7日 申请日期2011年5月3日 优先权日2011年5月3日
发明者张振涛, 戴群特, 杨鲁伟 申请人:中国科学院理化技术研究所