專利名稱：懸浮液液體提取裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于從懸浮液中移除液體的裝置。更具體來說，本發(fā)明涉及利用真空壓力、壓縮空氣和輻射熱以促進(jìn)水從懸浮液中提取出來，并且利用真空艙室中的氣流移除蒸發(fā)物的過濾裝置，該裝置是過濾和干燥大量懸浮液中的固體以移除間隙結(jié)合和化學(xué)結(jié)合液體的成本有效和資源有效的手段，其產(chǎn)生多達(dá)100%的總固體量。
背景技術(shù)：
固液混合物，通稱懸浮液，對于產(chǎn)生它們的工業(yè)來說存在昂貴的處置問題。由于含水量的規(guī)章，未處理的懸浮液通常不能用垃圾掩埋法處置。即使對于更寬容些的規(guī)章，運(yùn)輸和處置未處理的懸浮液也比僅僅運(yùn)輸和處置固體成分要昂貴得多，因?yàn)檫\(yùn)輸費(fèi)和垃圾掩埋
費(fèi)與重量相對應(yīng)。另外，這種懸浮液的潛在使用范圍常常由于從固體成分移除液體成分而得到實(shí)質(zhì)性的增大。通常，干燥固體的價(jià)值產(chǎn)生于通過移除液體部分所引起的重量減少，這導(dǎo)致降低的處置成本和運(yùn)輸成本。另外，回收的干燥固體可以是有商業(yè)價(jià)值的，例如它們或許能用于其他的工業(yè)和市政用途(例如可再生燃料)或者可以在二級市場中出售，例如在懸浮液包含紙、纖維、煤泥或礦泥的情況下。不幸的是，有關(guān)懸浮液處置問題的工作成果通常都采用了缺乏環(huán)境可靠性的方法。例如，許多行業(yè)將懸浮液，例如工業(yè)廢物傾倒到存放池，其通常為大型的混凝土或塑料襯里的人造池，需要大片的不動(dòng)產(chǎn)。然后懸浮液靜置在這些存放池中，同時(shí)固體物質(zhì)僅借助于重力而隨時(shí)間的經(jīng)過沉淀在底部。除了這是一個(gè)緩慢的過程以外，存放池內(nèi)襯失效或者產(chǎn)生對周圍環(huán)境的污染的可能性使這種方法在效率和環(huán)境影響方面都是一種不那么可取的解決方案。工業(yè)的懸浮液池遭受了嚴(yán)重的實(shí)際困難。首先，存放池具有很差的所得生產(chǎn)率 (干燥固體的百分比含量)。作為被動(dòng)的方式，與依靠主動(dòng)分離的設(shè)備相比，對于給定量的懸浮液，將水與固體分離也要花費(fèi)很長時(shí)間。與使用主動(dòng)分離系統(tǒng)的情況相比，跟上任何給定的懸浮液流量的輸出需要更大的場所。兩種主動(dòng)分離系統(tǒng)，離心處理機(jī)和壓帶機(jī)，各自都產(chǎn)生比懸浮液池更高的固體含量生產(chǎn)率，然而它們都缺乏利用熱力學(xué)來獲得60-100%干燥固體百分產(chǎn)率的能力。這些主動(dòng)分離系統(tǒng)購買和操作起來都很昂貴，并且不易于按比例增高或降低以處理相應(yīng)量的工業(yè)懸浮液流量。便攜性的缺乏以及對在給定時(shí)間內(nèi)可處理的材料量的限制也是顯著的限制因素。因此，認(rèn)識到了需要將水從懸浮液中主動(dòng)分離出來并產(chǎn)生足夠干燥以用于其他用途中的所得固體的快速且有效的方法和設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
從最廣義的方面來說，本發(fā)明涉及將液體從固液混合物中分離出來的裝置和方法，其基本上消除了由現(xiàn)有技術(shù)的限制和缺點(diǎn)而引起的一個(gè)或多個(gè)問題。本發(fā)明特別適合于在所有類型的懸浮液中將水或其他液體與固體分離，所述懸浮液包括廢水(混合的水和廢料)或漿料。在整篇申請中，固液混合物可以被稱為懸浮液，其包括懸浮于或包含于顯著量的水或任何其他液體中的顆粒物質(zhì)(固體)的任何組合物。雖然預(yù)計(jì)本發(fā)明的主要用途是移除廢水中的水分，但是可以設(shè)想本發(fā)明的設(shè)備將可同等地用于需要從任何固液混合物中移除液體的任何應(yīng)用中。本發(fā)明涉及提供至少一個(gè)弧形容器以接收并至少暫時(shí)容納懸浮液，該懸浮液可從懸浮液排出管或其他來源流到傳送帶上。容器可包含艙室或隔間，艙室或隔間由內(nèi)部的彎曲側(cè)壁組成邊界，側(cè)壁具有與過濾器相關(guān)聯(lián)的多個(gè)有刻度的、拱形的管道。可以在容器上放置覆蓋物，例如基本上氣密的、優(yōu)選非滲透性的柔韌薄膜，以在容器內(nèi)形成氣密的密封。利用一裝置將容器進(jìn)一步分隔成一系列的艙室，一旦傳送帶將懸浮液移到艙室中，該裝置就鎖定到合適位置。所述裝置圍繞傳送帶密封以在容器中產(chǎn)生多個(gè)單獨(dú)的艙室。每個(gè)艙室都由容器密封件分隔開，容器密封件由非滲透性基底構(gòu)造以產(chǎn)生隔離壁密封件。懸浮液將被直接從一個(gè)艙室輸送到下一個(gè)艙室，同時(shí)對懸浮液進(jìn)行某些液體移除處理。優(yōu)選地，將懸浮液暫時(shí)儲(chǔ)存在每個(gè)艙室中大約6分鐘的時(shí)間，同時(shí)進(jìn)行脫水處理。使用傳送帶將懸浮液從第一艙室移到第二艙室以及隨后移到第三艙室。從下部支撐傳送帶以防止傳送帶在干燥處理過程中發(fā)生顯著扭曲。在單個(gè)6英尺 (1. 83m)乘以12英尺(3. 66m)的艙室中達(dá)到23英寸汞柱(77. 9kPa)壓力的真空條件可以產(chǎn)生從非滲透性薄膜到傳送帶上的1140001bs(51.2公噸)以上的力。支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)由能夠承受住該力的材料制造，例如多孔金屬結(jié)構(gòu)或金屬絲網(wǎng)，其裝配在傳送帶下方，并且在管道上方。多孔金屬結(jié)構(gòu)或金屬絲網(wǎng)進(jìn)一步由連在側(cè)壁上的一系列管道(優(yōu)選為金屬管道) 支撐。容器的蓋子可以由薄膜構(gòu)造，一旦施加真空，該薄膜也可以對懸浮液產(chǎn)生直接的力或壓力。通過管道將真空施加到容器內(nèi)的第一艙室，負(fù)壓迫使懸浮液的液體成分強(qiáng)行通過過濾器和管道以便回收。由真空產(chǎn)生的負(fù)壓作用于柔韌的非滲透性薄膜并且將薄膜朝真空拉伸，這又從上方將正壓施加到懸浮液上，迫使懸浮液中的液體通過過濾器。為了將液體從容器中的產(chǎn)物中提取出來，在每個(gè)艙室中在薄膜兩側(cè)產(chǎn)生壓力差從而對被朝真空拉伸的薄膜產(chǎn)生擠壓力。側(cè)壁和管道的刻度設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)液體的均勻流量，該液體通過位于裝置上部的過濾介質(zhì)，而該裝置的下部靠近排放口。這還導(dǎo)致基本相等的真空壓力被施加到懸浮液下方過濾器的整個(gè)表面積上，和被施加到懸浮液上方的柔韌的非滲透性薄膜上，并且使捕獲的 (濾過的)懸浮液中的固體均勻地散布在過濾介質(zhì)中。柔韌的覆蓋物起作用吸收所有真空壓力的大部分。通過這樣做，在干燥處理過程中真空的全部的力隨時(shí)間通過柔韌的薄膜施加到懸浮液。該力產(chǎn)生負(fù)壓或真空的艙室，在該艙室中，水在較低溫度下蒸發(fā)。通過對艙室另外施加外部熱，該裝置可進(jìn)一步有效降低懸浮液中的含水量。液體移除處理可發(fā)生在多個(gè)艙室上以獲得容器中產(chǎn)物的固體成分的所需干燥水平。另外，可采用加熱以加速分離過程，為此還可以混合或攪動(dòng)產(chǎn)物。加熱的壓縮空氣注入、輻射熱、壓力、微波和真空都可用來以快速方式將液體成分從產(chǎn)物或懸浮液的固體成分移除。傳感器和自動(dòng)釋放閥可用來確保內(nèi)部的真空壓力不會(huì)達(dá)到不能接受的高水平。本發(fā)明的第一艙室可用來分離液體含量大于95%的懸浮液中的固體和液體。為了提高第一艙室移除大部分水分的效率，可以將密封的剛性罩放置于柔韌薄膜上。當(dāng)對懸浮液施加真空時(shí)，真空產(chǎn)生的力可被過濾器捕獲的固體部分吸收。在這種情況下，真空產(chǎn)生的力可能花去較長時(shí)間才能到達(dá)懸浮液上方的柔韌薄膜。在柔韌薄膜上使用剛性罩能夠在只有很少能量消耗的情況下使壓力從上方施加到柔韌薄膜上。一旦真空鎖定到薄膜上，來自罩的壓力幫助柔韌薄膜對懸浮液施壓并且讓壓力作用實(shí)現(xiàn)。因此來自罩和來自真空的壓力共同起作用將液體從懸浮液中擠壓出來。例如，在23英寸汞柱或11. 3磅每平方英寸(“psi”)(77.9kPa)的真空度和6pSU41.4kPa)的來自罩的壓力中，共計(jì) 17. 3psi (119. 3kPa)將被施加到懸浮液上。在6英尺(1. 83m)寬和12英尺(3. 66m)長的艙室中，17. 3psi(119. 3kPa)的力將對懸浮液產(chǎn)生1793661bs (81. 4公噸)的壓力。在第二和第三艙室中，結(jié)合壓縮和加熱空氣注入、加熱和/或微波中的一種或多種來施加真空。類似于第一艙室，第二和第三艙室包括有刻度的側(cè)壁，該側(cè)壁有管道以收集從懸浮液中移除的液體。在這些艙室中，將壓縮和加熱空氣注入到真空艙室中是為了水的蒸發(fā)和移除。將壓縮和加熱空氣注入到包含至少一個(gè)由非滲透性薄膜構(gòu)造的壁的艙室中。 當(dāng)在真空下將壓縮和加熱空氣引入艙室中時(shí)，空氣膨脹和/或流量增加，從其壓縮狀態(tài)例如IOOpsi (689kPa)經(jīng)由大氣壓進(jìn)入膨脹狀態(tài)，例如23英寸汞柱(77. 9kPa)的真空壓力。第二和另外的艙室包含第一艙室的過濾器和管道設(shè)計(jì)。通過結(jié)合過濾器提供間隙結(jié)合和化學(xué)結(jié)合液體的有效蒸發(fā)，第二和另外的艙室的真空和壓縮和加熱空氣提供懸浮液的固液分離，其中過濾器允許液體和蒸汽通過但防止懸浮液組合物中的固體通過。當(dāng)液體和蒸汽通過過濾器時(shí)，其被收集到管道中并單獨(dú)儲(chǔ)存。真空的主更好處在于，在23英寸汞柱(77.9kPa)的壓力下，它將沸點(diǎn)降低到 146° F(63.3°C)。輻射熱、微波輻射、和壓縮的加熱空氣被施加到懸浮液以將懸浮液加熱至沸點(diǎn)。壓縮空氣提供較低的空氣流速以加熱更大面積的懸浮液。當(dāng)壓縮空氣膨脹經(jīng)過大氣壓時(shí)，加熱的空氣散開以加熱更廣的面積。壓縮空氣被從上方連續(xù)注入。當(dāng)懸浮液由于熱作用于降低的沸點(diǎn)而開始沸騰時(shí)，壓縮空氣迫使水蒸汽通過過濾器并進(jìn)入管道從而將液體和水蒸汽從懸浮液中移除。微波和輻射熱加快了這個(gè)過程。二十三03)英寸汞柱(77.9kPa)的壓力代表了這樣的真空壓力，在該真空壓力下，需要最少量的熱或潛熱以從懸浮液內(nèi)的沸水產(chǎn)生水蒸汽。在23英寸汞柱(77.9kPa)壓力以外，需要更大量的熱來產(chǎn)生水蒸汽。本發(fā)明開創(chuàng)了從懸浮液中移除水的最有效方式。所述裝置的熱力學(xué)分析顯示了降低的沸點(diǎn)和壓縮、加熱空氣與輻射熱的利用對于間隙和化學(xué)結(jié)合液體的蒸發(fā)和移除的好處。優(yōu)選實(shí)施例在大約300° F(148.9°C)的最低注入溫度和約900標(biāo)準(zhǔn)立方英尺每小時(shí)(“SCFH”)的注入速率(在15. 56°C和101. 325kPa 條件下25. 5立方米每小時(shí))以及IOOpsi (689kPa)每10平方英尺(0. 93m2)的過濾器表面積下使用壓縮加熱空氣以增加系統(tǒng)的性能。將空氣連續(xù)注入到懸浮液中并通過真空迅速移除水和水蒸汽，同時(shí)通過輻射加熱器加入熱。也可以利用另外的加熱空氣注入量和另外的輻射或微波熱來降低懸浮液的處理(或干燥)時(shí)間。系統(tǒng)的熱力學(xué)模型的第一定律可以寫作
m空氣· h空氣+m水· h水+m固體· h固體+Q熱=m空氣· h空氣+m水· h水+m固體· h固體在等式的左側(cè)，三種流(水、夾帶的固體和被加熱的空氣)的引入能量利用相應(yīng)的質(zhì)量乘以入口焓(h)進(jìn)行計(jì)算，輻射熱項(xiàng)是(K4kW乘以加熱的持續(xù)時(shí)間)。在等式的右側(cè)， 系統(tǒng)的最終所得能量通過在沸點(diǎn)溫度下的各種質(zhì)量乘以焓而確定。使用裝置的已執(zhí)行的測試條件(各種成分的質(zhì)量、空氣流量和溫度)，在大約146° F(63. 3°C )下使液體沸騰并移除液體所花的4到5分鐘與上面的等式相一致。加熱的空氣的能量作用以及由輻射加熱器提供的能量有效促進(jìn)了在約19-23英寸汞柱(64. 3-77. 9kPa)艙室真空度的真空條件下的蒸發(fā)。下表針對加熱的空氣和輻射熱顯示了溫度升高。使用微波輻射進(jìn)一步改善了到達(dá)沸點(diǎn)的時(shí)間和裝置的能量效率。
權(quán)利要求
1. 一種懸浮液液體提取裝置，包括a.包括第一艙室的容器，所述第一艙室包括至少一個(gè)排放口和過濾器；b.能密封所述第一艙室的蓋子，所述蓋子包括支撐柔韌薄膜的剛性框架；c.用于通過所述至少一個(gè)排放口在所述第一艙室中產(chǎn)生真空的裝置；d.其中所述過濾器位于所述柔韌薄膜和所述至少一個(gè)排放口之間；e.由此通過所述產(chǎn)生真空的裝置產(chǎn)生的真空1.將負(fù)壓應(yīng)用于位于所述柔韌薄膜和所述過濾器之間的懸浮液，以使得所述負(fù)壓迫使所述懸浮液的液體成分通過所述過濾器；和2.將負(fù)壓應(yīng)用于所述柔韌薄膜，以使得所述柔韌薄膜能對位于所述柔韌薄膜和所述過濾器之間的所述懸浮液施加正壓，以使得所述正壓迫使所述懸浮液的液體成分通過所述過1 ' O
2.如權(quán)利要求1所述的懸浮液液體提取裝置，還包括傳送帶，其通過所述容器以使得所述傳送帶能將懸浮液輸送通過所述容器并將懸浮液輸送出所述容器。
3.如權(quán)利要求1所述的懸浮液液體提取裝置，其中所述容器還包括包括至少一個(gè)排放口和過濾器的第二艙室；能密封所述第二艙室的蓋子，所述蓋子包括支撐柔韌薄膜的剛性框架；其中所述過濾器位于所述柔韌薄膜和所述至少一個(gè)排放口之間；和由此所述第二艙室連續(xù)地聯(lián)接到所述第一艙室。
4.如權(quán)利要求3所述的懸浮液液體提取裝置，其中所述第二艙室包括多個(gè)入口，由此被加熱的壓縮空氣的氣流通過所述多個(gè)入口進(jìn)入所述第二艙室，所述氣流的至少一部分通過懸浮液，并且所述氣流通過所述至少一個(gè)排放口離開所述第二艙室。
5.如權(quán)利要求4所述的懸浮液液體提取裝置，還包括與所述至少一個(gè)排放口流體連通的至少一個(gè)存放艙室，以使得所述氣流從所述第二艙室通到所述至少一個(gè)存放箱，其中與所述氣流相關(guān)聯(lián)的水蒸汽或水的至少一部分存放在所述至少一個(gè)存放箱中。
6.如權(quán)利要求3所述的懸浮液液體提取裝置，其中所述第二艙室還包括一個(gè)或多個(gè)能加熱所述第二艙室中的懸浮液的輻射加熱元件。
7.如權(quán)利要求3所述的懸浮液液體提取裝置，其中所述第二艙室還包括能加熱所述第二艙室中的懸浮液的微波輻射發(fā)射器。
8.如權(quán)利要求3所述的懸浮液液體提取裝置，其中所述容器還包括包括至少一個(gè)排放口和過濾器的第三艙室；能密封所述第三艙室的蓋子，所述蓋子包括支撐柔韌薄膜的剛性框架；其中所述過濾器位于所述柔韌薄膜和所述至少一個(gè)排放口之間；和由此所述第三艙室連續(xù)地聯(lián)接到所述第二艙室。
9.如權(quán)利要求1所述的懸浮液液體提取裝置，其中所述容器包括彎曲的內(nèi)側(cè)壁，所述內(nèi)側(cè)壁具有多個(gè)形成于其中的管道，由此所述管道將所述容器中的液體引導(dǎo)到所述至少一個(gè)排放口。
10.如權(quán)利要求1所述的懸浮液液體提取裝置，還包括剛性罩，所述剛性罩位于所述蓋子上并能對所述柔韌薄膜施加壓力，由此所述剛性罩增大所述柔韌薄膜能對位于所述柔韌薄膜和所述過濾器之間的懸浮液施加的壓力。
11.一種懸浮液液體提取裝置，包括a.彎曲的容器，所述容器包括1.至少一個(gè)排放口；2.限制固體通向所述至少一個(gè)排放口的過濾器；b.蓋子，所述蓋子包括1.剛性框架；2.由所述剛性框架支撐的柔韌薄膜；3.多個(gè)入口，由此被加熱的壓縮空氣的氣流通過所述多個(gè)入口進(jìn)入所述容器，所述氣流的至少一部分通過懸浮液，并且所述氣流通過所述至少一個(gè)排放口離開所述容器；c.能密封所述容器并將所述容器分成一個(gè)或多個(gè)艙室的密封機(jī)構(gòu)；d.能將懸浮液連續(xù)地輸送通過所述一個(gè)或多個(gè)艙室中的每一個(gè)并將懸浮液輸送出所述容器的傳送帶；e.產(chǎn)生真空的裝置，所述裝置與所述至少一個(gè)排放口流體連通；f.由此通過所述用于產(chǎn)生真空的裝置所產(chǎn)生的真空1.將負(fù)壓應(yīng)用于在所述傳送帶上輸送的懸浮液，以使得所述負(fù)壓迫使所述懸浮液的液體成分通過所述過濾器；和2.將負(fù)壓應(yīng)用于所述柔韌薄膜，以使得所述柔韌薄膜能對在所述傳送帶上輸送的所述懸浮液施加正壓，以使得所述正壓迫使所述懸浮液的液體成分通過所述過濾器；g.由此來自所述被加熱的壓縮空氣的氣流的熱和來自所述真空的降低的壓力能將懸浮液的液體成分轉(zhuǎn)變成蒸汽相，并且所述被加熱的壓縮空氣的所述氣流的膨脹能通過所述至少一個(gè)排放口將所述蒸汽輸送出所述容器。
12.一種從懸浮液提取液體的方法，包括a.將懸浮液輸送到第一艙室中，所述第一艙室包括限制通向排放口的過濾器；b.用蓋子密封所述第一艙室，所述蓋子包括接觸所述懸浮液的柔韌薄膜；c.通過所述排放口向所述第一艙室應(yīng)用真空，由此所述真空1.將負(fù)壓應(yīng)用于所述懸浮液，以使得所述負(fù)壓迫使所述懸浮液的液體成分通過所述過濾器；2.將負(fù)壓應(yīng)用于所述柔韌薄膜，以使得所述柔韌薄膜對所述懸浮液施加正壓，以使得所述正壓迫使所述懸浮液的液體成分通過所述過濾器。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括下列附加步驟d.在與所述懸浮液相反一側(cè)上將剛性罩應(yīng)用于所述柔韌薄膜，所述剛性罩對所述柔韌薄膜施加壓力以使得所述柔韌薄膜對所述懸浮液施加的壓力增大。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括下列附加步驟d.解除所述第一艙室的密封；e.將所述懸浮液輸送到第二艙室中，所述第二艙室包括限制通向排放口的過濾器；f.用蓋子密封所述第二艙室，所述蓋子包括接觸所述懸浮液的柔韌薄膜；g.通過所述排放口將真空應(yīng)用于所述第二艙室，由此所述真空·1.將負(fù)壓應(yīng)用于所述懸浮液，以使得所述負(fù)壓迫使所述懸浮液的液體成分通過所述過濾器；·2.將負(fù)壓應(yīng)用于所述柔韌薄膜，以使得所述柔韌薄膜對所述懸浮液施加正壓，以使得所述正壓迫使所述懸浮液的液體成分通過所述過濾器；h.將被加熱的壓縮空氣的氣流應(yīng)用于所述懸浮液，由此所述氣流的至少一部分通過所述懸浮液以使得來自所述氣流的熱和來自所述真空的降低的壓力將所述懸浮液的液體成分轉(zhuǎn)變成蒸汽相，并且所述氣流的膨脹通過所述至少一個(gè)排放口將所述蒸汽輸送出所述第二艙室。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中在步驟g.中應(yīng)用真空還包括向所述懸浮液應(yīng)用微波加熱。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中在步驟a.中將所述懸浮液輸送到第一艙室中還包括在所述第一艙室中向所述懸浮液應(yīng)用輻射熱，和其中在步驟e.中將所述懸浮液輸送到第二艙室中還包括在所述第二艙室中向所述懸浮液應(yīng)用輻射熱。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述真空是大約19-23英寸汞柱(64.3-77. 9kPa) 的壓力并且在步驟h中在應(yīng)用氣流的過程中保持所述真空。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其中通過多個(gè)間隔開的入口將所述被加熱的壓縮空氣的氣流應(yīng)用于所述懸浮液。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，其中螺線管使所述被加熱的壓縮空氣的氣流脈動(dòng)通過歧管以使得不到全部的所述入口同時(shí)接收氣流。
20.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述懸浮液達(dá)到至少146°F(66.3°C )的溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于從懸浮液中移除液體的裝置。更具體來說，本發(fā)明涉及使用真空壓力、壓縮空氣和輻射熱以促進(jìn)水從懸浮液中提取出來，并且利用真空艙室中的氣流移除蒸發(fā)物的過濾裝置，該裝置是過濾和干燥大量懸浮液中的固體以移除間隙結(jié)合和化學(xué)結(jié)合液體的成本有效和資源有效的方式，其產(chǎn)生多達(dá)100％的總固體量。
文檔編號B01D1/28GK102227242SQ200980147595
公開日2011年10月26日 申請日期2009年10月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月2日
發(fā)明者J·邁克爾-詹姆斯·迪爾蒙德, 威廉·T·史密斯·格里芬 申請人:格萊風(fēng)環(huán)境有限公司