专利名称：利用加压空气促进固体传送的离心液体分离机的制作方法
技术领域：
本发明涉及离心液体分离机，并且特别地涉及具有连续沉降部且利用加压空气促进固体传送的螺旋式离心液体分离机。
背景技术：
离心机在多种类型的应用中有用。在一种应用中，期望污水处理厂实现4%至6%的滤饼固体排放。需要该范围的滤饼固体是为了厌氧消化池高效地操作。低于该范围需要增加消化池容量。超过该范围典型地导致由于重相液体的厚度而引起的混合问题。虽然关于一种类型的应用描述了本发明的原理，但是应该理解为本发明决不限于该描述的应用。在基本形式中，沉降式离心分离机具有转动的外转鼓、与外转鼓同轴布置的内部螺旋输送器以及用于维持转动的外转鼓与内部螺旋输送器之间在速度上的差异以允许机器的连续操作的机构。转鼓以升高的速度转动导致在机器内由于升高的重力水平而引起在机器的分离区域内的固液分离动作。诸如固体和较重密度液体等材料因此将沉淀至分离区域的外径，并且较低密度液体将转移至分离区域的内径。分离率随着由转鼓的转动引起的重力的升高而增大。螺旋输送器具有大于或小于外转鼓转动速度的转动速度。该速度上的差异使得螺旋输送器叶片能够提供在分离区域内的机械扫动动作。多年来已经具有多种离心机设计以处理比输送固体更难的软的挑战。在以下美国专利中说明了这些设计中的几个。美国专利号(以下称作“USPN”)3，795，361是Lee的专利，标题为离心机设备。该专利描述了在无孔转鼓内具有螺旋输送器的沉降离心机如何设置有由螺旋输送器携带的环状挡板。重相排放口被教示为位于转鼓的渐缩部内并且位于比轻相材料的内表面距离转动轴线的距离大的径向距离处。挡板的外周部与转鼓接近地隔开以便形成用于重相材料的从转鼓的筒状部内的分离区至转鼓的渐缩部内的重相排放区的底流的受限通路。利用圆锥形挡板，来路进料被导向到挡板的面朝内的表面上并且被加速以便使分离区内的湍流最小化。因为充分地输送砂粒或废物所需的浅锥角(beach angle)需要不期望的大比例的转鼓长度，所以渐缩部或锥角的使用降低了机器的容量。USPN4, 339，072是Hiller的专利，标题为用于分离固体/液体混合物的离心机。在该发明中，具有外夹套的离心机鼓设置有被定位在夹套中的开孔。通过开孔，集中的固相的至少部分排放发生于开孔上。优选地为盘形式的控制装置提供了以小间隔与开孔隔开的表面，以便防止除了当表面中的诸如凹陷或缺口等不连续发生以使得流动能够通过开孔时之外的固体/液体通过开孔的流动。虽然该专利描述了用于通过从外转鼓排放来消除截头圆锥(truncated cone)的解决方案，但是其设计并非没有缺点。例如，其需要所有固体通过非常小的喷嘴。这可能导致不期望的磨损损伤量和机器的堵塞。
USPN5, 542，903是Nishida等人的专利，标题为利用减速叶片的离心液体分离机。该专利教示，在转动转鼓和螺旋输送器的轴内单独地形成有用于集中的和分离的液体的排放通道。在从转动转鼓的内侧引导至轴内的排放通道的径向排放通道的入口通道中，环状空间被安装在螺旋输送器上并且从机器的轴在径向上延伸的多个减速叶片分成扇区。虽然该专利示出了针对由于无固定形状废物产生的问题的解决方案，但是并未解决由诸如砂粒等磨损材料引起的问题。USPN4, 898，571是Epper等人的专利,标题为固体转鼓离心机。该专利说明了用于将不同密度的混合物分离成较轻相和较重相的方法和设备，设备包括:在外壁处提供了筒状沉淀池的转动截头圆锥状鼓；可转动地位于鼓内的位移构件，在该位移构件与鼓壁之间形成了沉淀池；与沉淀池径向向内隔开的较轻相材料用的排放元件；在鼓的外周在最深位置处从沉淀池引导的较重相材料用的排放引导件；和连接至较重相材料用排放的有助于较重相材料的去除的压缩空气管道；以及在位移构件上的有助于材料通过鼓的移动的叶片。较轻和较重相材料两者都在设备的同一端离开设备。还有，转鼓和背驱动器两者都被示出为在作为进料导入位置的储蓄端(save end)，并且那个时代的传统背驱动系统不允许处理材料的中心轴线流动。USPN5, 176，616是Schlip等人的专利，标题为用于固体转鼓蜗杆离心机的厚材料排放区域的后处理的方法和设备。该专利教示具有外筒状鼓和内可转动的蜗杆的离心固体转鼓蜗杆分离机的使用，蜗杆的外表面具有螺旋形叶片，其中鼓被配置为接收待以轻、重成分(fraction)或相被分离的材料，并且机构提供用于在重成分材料离开鼓之前将流体化物质注射并混合到鼓内的重成分材料内，以使该流体化物质在转鼓内与重成分混合的方法。流体化物质降低了重成分的密度以使其能够通过蜗杆叶片排放。液体的液压压力帮助推动重成分从分离机分离，这防止反向流动且防止重成分与液体成分的混杂。然而，显然该专利未说明用于充分混合空气与污泥的适当结构，因此该设计能够被改进。USPN5, 244，451是Retter的专利，标题为用于操作具有加压气体导入的蜗杆离心机的方法。该专利示出用于通过在固体排放开口前以受控频率将连续的压力冲击波导入到转鼓分离机内的集中的污泥成分来操作和提高蜗杆离心机的吞吐量和效率的方法，由此压力的脉冲频率和水平是可控的并且能够作为通过分离机的污泥成分产量的函数而被控制。该专利示出作为克服滤饼排放路径内的空气分布短路的手段的脉动空气流动的使用。在这方面，未示出空气的连续导入。USPN4, 790，806是High的专利，标题为含有空气提升装置的沉降离心机。该专利示出包括环状转鼓、在转鼓的轴线上的中空管和用于将输入污泥的第一相从转鼓排放的部件的沉降离心机，该离心机的特征在于流体致动的空气提升装置，该装置包括被径向地支撑于中空管的排放线路和流体供应线路，该流体供应线路用于将来自中空管内的流体输送至排放线路的外端部，以达到通过污泥的另一相的所述线路从转鼓中去除流体的效果。在该发明中，空气被教示为由通过轮轴(hub)的管线来引导。重相材料的粗粒子由于通向空气提升装置的污泥入口与转鼓壁的内表面之间的窄间隙而被防止进入空气提升装置内。如果从进料浆去除了(或者进料浆中不存在)过大粒子，则所有沉积的固体都能够借助于空气提升装置被排放，并且无需沉降转鼓的锥角部(conical-beach portion)。该教示中暗含着当未从进料浆去除过大粒子时则需要岸锥(beach)的限制。将物品传送局部化的成功是单元的筒状部内的流体动力效应的短路，这也是个问题。这些专利均未示出通过背驱动系统进入的空气传输系统的设计。这些专利均未示出在螺旋式离心系统中的固体挡板后面的连续轴向空气入口的设计。这些专利均未示出跨过流动路线的径向截面的均匀间隔的细小空气粒子入口的设计。这些专利均未示出将砂粒至少部分再次悬浮地湍流导入排放流动路径内的设计。这些专利均未示出通过用传感器测量重相排放流的特性并相应地调节被供应的连续空气而操作的连续处理控制，以实现期望的重相排放连贯性。因此，存在着对于解决这些以及其他问题的离心液体分离机的需求。
发明内容
本发明涉及离心液体分离机，并且特别地涉及具有连续沉降部且利用加压空气促进固体传送的螺旋式离心液体分离机。根据本发明的一个实施方式，机器具有外转鼓和输送器。转鼓和输送器同轴，并且背驱动(back drive)组件引起这些组成部件以相异速度转动，以使得输送器能够在机器的分离区域内机械地扫动重相材料。空气通过背驱动组件被导入到机器内，并且被注射到重相排放路径内。在第一位置，空气用作使砂粒至少部分地再次悬浮在重相材料内的湍流引发件。空气还在第二位置处通过关于固体挡板径向间隔开的提升注射件被注射，以提供均匀的固相驱动力。还设置了流动控制器，用于控制重相材料通过排放口的排放速率。在离心沉降部内被注射的空气具有能够用于影响离心分离机上的改进性能的多个特性。源于空气压力的有用特性包括气泡尺寸和密度，重力和运动黏度确定跨越相界面的空气渗透如何迅速。液池的表面下方的空气粒子也经受由这里如下限定的斯托克斯定律(Stokes Law)提示的重力和动态效应:Vs=d2 (Pp-P1) /18 μ XG,其中:Vs=粒子沉淀速率d=粒子直径Pp=粒子密度P1=液体密度G=重力加速度μ =液体的黏度然而，斯托克斯定律并未完全描述本发明的操作的物理过程。首先，由于空气气泡是可压缩的气体,所以气泡将随着空气粒子靠近液池表面而在尺寸上变大。该体积上的变
化可以通过理想气体定律=Vol1 = Voli 似计算并且压力是由重力作用放大的特定半
径处的水的静压头(hydrostatic head)。其次，由于这样的粒子遵循浮力定律并且以径向向内的方式移动，所以在动能上存在减速并且由于较高密度流体减速至由空气气泡占据的空间内而导致角成分被添加到空气粒子流动的方向。这些效应由本发明有利地加以利用。在这方面，被注射到沉降部内和液位下方的空气调节不同的压力驱动力并因此调节越过结构性挡板或固体挡板的流动速率。因为挡板两侧是平衡的，因此当液压力平衡时没有越过挡板的流动。该现象通过以下公式限定:PaGA= PbGbhb其中:a和b是障碍物的不同侧，并且h=流体的高度P=流体的密度由于系统试图通过调节不同高度来达到平衡，所以改变挡板一侧上的液体高度会产生流动速率。空气注射通过选择性地改变挡板一侧的流体密度而具有相同效果。此外，由于空气的密度接近于零，所以本发明所使用的空气量与流过结构性挡板的体积量成比例。因此,能够通过改变空气流动的体积来调节越过挡板的重相液体速率。因此,根据本发明的一个优点，能够将系统最优化成期望的输出。根据本发明的另一优点，空气传输系统通过背驱动系统进入机器。这提高了空气传输系统的可靠性并且允许其他有价值的成分的添加而不会干涉本发明的空气传输系统。根据本发明的进一步优点，防止了重相排放路径的短路。这在本发明中通过将空气均匀地注射到重相材料排放路径内的重相材料内来实现。根据本发明的又一优点，实时地提供了连续的处理控制。连续的处理控制如下地运行以实现期望的重相液体排放连贯性:用传感器测量重相排放流的特性，相应地调节连续空气的供应，以改变重相液体的排放速率。根据本发明的再一优点，在未使用岸锥(beach)的情况下将砂粒和其他细小粒子从螺旋式离心机排出。这在本发明中通过利用湍流引发件以使砂粒至少部分地再次悬浮在重相材料排放流动路径内来实现。根据本发明的再一优点，减小了对机器特别是对排放开口处的磨损损伤。这在本发明中通过消除对于非常小的排放开口的需求并且通过以减小了的转鼓直径排放来实现。对于本领域技术人员，在阅读本发明的详细描述并且研究附图时，本发明的其他优点、益处以及特征将变得显而易见。
图1是示出本发明的优选的控制组成部件的示意图。图2是本发明的机器的优选实施方式的侧视图。图3是示出机器的背驱动组件端部的沿图2中的线3-3截取的局部截面图。图4是本发明的固体挡板的优选实施方式的立体图。图5是沿图4中的线5-5截取的截面图。图6是示出本发明的优选的湍流引发件和提升空气注射件的闭合截面图。
具体实施例方式虽然将结合一个以上优选实施方式描述本发明，但是应该理解为并不意图将本发明限制于这些实施方式。相反，意图覆盖作为可能被包括在由随附权利要求书限定的本发明的精神和范畴内的所有变更、修改和等同替换。现在请参见图1，示意性地看出的是，多个组成部件与机器100相互作用，其操作实现了本发明的至少一个优点。可以从空气供应部10供应压缩空气。可以设置脉冲空气阀15和过滤器20。进一步设置压力调节器25和空气调节器30。组成部件10、15、20、25和30形成外部空气传输系统。压力调节器25能够在5p si与500psi之间调节压力，优选地在30psi与IOOpsi之间操作。空气调节器能够在ISCFM与50SCFM之间供应，优选地在2SCFM与10SCFM之间传输。经由进料器50供应需处理或分离的液体。经处理的液体作为离心滤液(centrate) 50和滤饼(cake) 60离开机器100。还设置了传感器65a (滤饼传感器)和65b (离心滤液传感器)以及控制器70。滤饼传感器65a能够例如经由密度计直接测量固体，或者例如经由材料的黏度上的变化间接地测量固体。离心滤液传感器65b能够例如经由总悬浮固体分析仪测量水的清澈度。应该理解的是，这些传感器可以在不脱离本发明的广义方面的情况下可选择地测量其他物理特性。下面描述这些组成部件的操作。现在转向图2至图6，看出的是，设置机器100。机器100具有相反的端部101和102。在实际中，端部101通常被称作背驱动端(back drive end)并且端部102通常被称作进料端。机器100具有外转鼓110。外转鼓包括具有环状的内筒壁的筒体111。还设置了具有叶片(flight) 121的输送器120。筒体111与输送器120之间的机器100内的容积限定了分离区域130或液池(pool)。分离区域130具有邻接外转鼓110的筒体111的外径131和邻接输送器120的内径132。液位133被限定为分离区域内液体的深度。在优选的实施方式中，液位在整个分离区域中是恒定的。背驱动系统140被设置用于维持外转鼓110和输送器120之间的在转动速度上的差异。在转动速度上的差异引起输送器的叶片121在分离区域130内进行机械扫动动作以朝向端壁150对重相液体施力，该端壁150贯通有重相排放开口 151。开口 151通常被称作固体排放堰(weir)。优选地沿着背驱动系统140的轴线中心将空气导入机器内，并且将其引导至分布结构。根据本发明进一步设置有固体挡板160。固体挡板160也是固体堰，不过为了清楚起见在这里称作挡板。固体挡板160远离机器中心轴线径向地延伸，并且终止于外转鼓的筒体111内部的选定距离处。固体挡板160从端壁150向内以选定距离被隔开。因此，具体参见图6，看出的是，重相流动路径170从固体挡板160与外筒的筒体111之间的分离区域130开始在固体挡板160与端壁150之间沿径向向内延伸，并且通过重相排放堰151离开。在图4和图5中最佳地示出本发明的固体挡板160的优选实施方式。然而，理解的是，固体挡板的设计可以在不脱离本发明的广义方面的情况下进行改变。固体挡板160优选地具有在外周缘162终止的渐缩末端161。多个径向上间隔开的空气注射件163在固体挡板160的一侧上被间隔开。应该在液池表面下方、优选地在液池表面下方的大于0.25英寸的距离处并且更优选地在液池表面下方大于0.5英寸的距离处注射空气。优选的是，存在最小密度以上的均匀(或接近均匀)的空气径向注射以防止重相流动路径170的短路。优选的是，具有至少16个0.125英寸直径的在共用半径上均匀地间隔开的孔。然而，通过利用较大数量的孔可以实现本发明的增强了的效果。例如，图示了具有0.08”宽度厚度的200个孔的固体挡板160。值得注意的是，虽然示出了等距间隔开的槽，但是可以在不脱离本发明的广义方面的情况下包括其他开口形状和间隔配置。固体挡板160优选地位于距离端壁150近似2英寸内的位置，并且更优选地在端壁150的0.5英寸内以便确保重相流动路径170内的均匀的空气分布。也可以在径向注射件163的区域设置窄刮刀(plow) 164。应该理解的是，如上所述，固体挡板具有用于深度、径向间隔和轴向间隔的参数。这三个参数的组合使得设计者能够针对各种进料和重相流动条件而定制本发明。进一步设置了湍流引发件165，并且其位于固体挡板160的外周缘162处或附近。湍流引发件165通过在沿着输送路线170的关键位置处导入被局部化的湍流和对流力而促进被输送的固体到径向内侧的排放位置的粒子传送。密集的砂粒粒子随着输送叶片的推动力。输送器的终止点内和周围的空气的添加随着空气上升至表面而将湍流导入到重相液体内。物理平衡的剧烈变化具有被高度局部化的强的径向向内的力成分，由此该力成分使砂粒与之前被隔离的生物量混合，同时朝向排放位置径向向内输送它们。现在转向本发明的质量流控制，传感器65a能够测量重相流滤饼排放水平。控制器70接着通过将空气流动速率向上或向下调节来使空气传输系统产生变化，以维持滤饼连贯性(cakeconsistency)或者获得具有期望特征的排放。因此，通过调节在均勻的空气分布位置处的空气流动速率在实时中起作用，能够实现具有期望特征的排放。因此，显然根据本发明已经提供了完全满足以上所阐述的目的、目标和优点的离心液体分离机。虽然已经结合其特定实施方式描述了本发明，但是显而易见的是，鉴于之前描述的，多种变更、修改和变化对于本领域技术人员是显然的。因此，意图包含落入随附权利要求的精神和广义范畴内的所有这样的变更、修改和变化。
权利要求
1.一种机器,其包括: 外转鼓； 输送器； 由所述外转鼓和所述输送器限定的分离区域； 固体挡板； 通过所述固体挡板和所述外转鼓之间的重相流动路径；和 维持所述外转鼓和所述输送器之间的不同的转动速率的背驱动器，其中，所述不同的转动速率提供了所述外转鼓与所述输送器之间的扫动动作，并且通过所述背驱动器提供了空气传输路径，所述空气传输路径向所述固体挡板附近传输空气以使沉淀物再次悬浮并进入所述重相流动路径内。
2.根据权利要求1所述的机器，其特征在于，所述背驱动器具有背驱动器中心轴线，并且所述空气传输路径沿着所述背驱动器中心轴线。
3.根据权利要求1所述的机器，其特征在于，所述空气传输路径通过所述固体挡板。
4.根据权利要求3所述的机器，其特征在于， 所述固体挡板具有外周缘；并且 所述空气传输路径通过所述外周缘附近的至少一个湍流引发件离开所述固体挡板。
5.根据权利要求4所 述的机器，其特征在于， 所述固体挡板具有在所述外周缘终止的渐缩端部；并且 所述至少一个湍流引发件通过所述渐缩端部。
6.根据权利要求3所述的机器，其特征在于， 所述机器进一步包括端壁，所述重相流动路径进一步通过所述端壁和所述固体挡板之间， 所述分离区域具有液池表面；并且 所述固体挡板具有在所述液池表面下方注射空气的多个空气注射件，以将空气注射到所述重相流动路径内。
7.根据权利要求6所述的机器，其特征在于，所述空气注射件在所述液池表面下方至少0.25英寸处注射空气。
8.根据权利要求7所述的机器，其特征在于，所述空气注射件在所述液池表面下方至少0.50英寸处注射空气。
9.根据权利要求6所述的机器，其特征在于，具有至少16个径向间隔开的空气注射件。
10.根据权利要求9所述的机器，其特征在于，具有200个槽状的空气注射件，每个均具有0.08英寸的宽度。
11.根据权利要求6所述的机器，其特征在于， 所述端壁具有贯通所述端壁的重相排放开口 ；并且 所述固体挡板距离所述端壁0.5英寸或更小。
12.根据权利要求1所述的机器，其特征在于，所述空气传输路径是连续的进料空气传输路径。
13.根据权利要求12所述的机器，其特征在于，所述空气以30psi与IOOpsi之间的压力经由所述空气传输路径而被传输。
14.根据权利要求12所述的机器，其特征在于，所述空气以2SCFM与IOSCFM之间的流量经由所述空气传输路径而被传输。
15.一种机器,其包括: 外转鼓； 输送器； 由所述外转鼓和所述输送器限定的分离区域； 固体挡板； 端壁，所述端壁具有贯通 所述端壁的重相排放开口 ； 先通过所述固体挡板和所述外转鼓之间然后通过所述固体挡板和所述端壁之间的重相流动路径； 维持所述外转鼓和所述输送器之间的不同的转动速率的背驱动器，其中，所述不同的转动速率提供了所述外转鼓与所述输送器之间的扫动动作；和 向所述固体挡板附近连续地传输空气并且使该空气进入到所述重相流动路径内的空气传输路径。
16.根据权利要求15所述的机器，其特征在于， 所述固体挡板具有外周缘；并且 所述空气传输路径通过所述外周缘附近的至少一个湍流引发件离开所述固体挡板，并且使沉淀物再次悬浮并进入到所述重相流动路径内。
17.根据权利要求15所述的机器，其特征在于， 所述分离区域具有液池表面；并且 所述固体挡板具有至少16个径向间隔开的空气注射件，所述注射件在所述液池表面下方至少0.25英寸处注射空气，以将空气注射到所述重相流动路径内。
18.一种机器,其包括: 外转鼓； 输送器； 由所述外转鼓和所述输送器限定的分离区域； 固体挡板； 端壁，所述端壁具有贯通所述端壁的重相排放开口 ； 先通过所述固体挡板和所述外转鼓之间然后通过所述固体挡板和所述端壁之间的重相流动路径； 维持所述外转鼓和所述输送器之间的不同的转动速率的背驱动器，其中，所述不同的转动速率提供了所述外转鼓与所述输送器之间的扫动动作； 测量所述重相流动路径的特征的传感器； 向所述固体挡板附近传输可变量的空气并且使空气进入到所述重相流动路径内的空气传输路径；和 用于响应于由所述传感器感应到的特征而使所述空气的量改变的控制器。
19.根据权利要求18所述的机器，其特征在于，所述空气以30psi至IOOpsi以及从2SCFM至10SCFM的范围经由所述空气传输路径而被传输。
20.根据权利要求18所述的机器，其特征在于，所述传感器测量以下参数之一:所述重相流动路径的密度；和所述重相流动路径的黏度变 化。
全文摘要
提供了一种螺旋式离心液体分离机，其具有连续沉降部并且利用加压空气促进固体传送。机器具有同轴的外转鼓和输送器。设置了背驱动组件以维持转鼓与输送器之间的速度差异，使得输送器在机器的分离区域内具有机械扫动动作。空气通过背驱动组件被导入机器内，并且被注射到重相排放路径内。在一个位置中，空气用作使砂粒至少部分地再次悬浮在重相材料内的湍流引发件。空气还通过关于固体挡板径向间隔开的提升注射件被注射，以提供均匀的固相驱动力。还设置了流动控制器，以用于控制重相材料通过排放口的排放速率。
文档编号B04B1/20GK103097032SQ201180029898
公开日2013年5月8日 申请日期2011年6月14日 优先权日2010年6月15日
发明者迈克尔·科佩尔, 罗伯特·哈瑞恩 申请人:迈克尔·科佩尔, 罗伯特·哈瑞恩