具有入口流護(hù)罩的水力旋流器的制造方法
【專利摘要】水力旋流器(10)，其包含筒體(12)，所述筒體具有流體入口(14)、過(guò)濾流體出口(16)、流出物出口(18)、工藝流體出口(20)和腔室(24)，所述筒體包括以中央軸(X)為中心的內(nèi)周壁(22)。所述水力旋流器還包括：i)位于腔室(24)內(nèi)并具有外膜表面(44)的過(guò)濾器組件(26)，所述外膜表面圍繞中央軸(X)對(duì)稱定位并包圍與過(guò)濾流體出口(16)流體連通的濾液室(46)，和ii)圍繞膜表面(44)同心定位并可旋轉(zhuǎn)地接合膜表面(44)的清潔組件(50)。流體通路(28)從流體入口(14)延伸并在腔室(24)的內(nèi)周壁(22)與膜表面(44)之間限定渦流區(qū)(25)，并且適合于接收進(jìn)入的流體。入口流護(hù)罩(58)圍繞過(guò)濾器組件(26)同心定位并且適合于阻擋從流體入口(14)流入腔室(24)的至少一部分流體以避免沖擊膜表面(44)。
【專利說(shuō)明】具有入口流護(hù)罩的水力旋流器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及水力旋流器和流體的旋流分離。

【背景技術(shù)】
[0002]水力旋流器通常用于從液體中分離懸浮的顆粒。在典型的實(shí)施方式中，加壓的進(jìn)料液體(如，廢水)在腔室內(nèi)產(chǎn)生旋渦的條件下被引入成圓錐形的腔室中。進(jìn)料液體靠近圓錐形腔室的頂部引入，并且流出物流靠近底部排出。與渦流相關(guān)的離心力將更致密的顆粒推向腔室的外圍。其結(jié)果是，位置靠近渦流中心的液體比在外圍的液體具有更低的顆粒濃度。然后可以從水力旋流器的中心區(qū)域抽取這種“較清潔”的液體。在US3061098、US3529544、US5104520、US5407584和US5478484中描述了水力旋流器的實(shí)例?？梢酝ㄟ^(guò)在腔室之中包括過(guò)濾器以使得流向腔室中心的一部分液體通過(guò)該過(guò)濾器而提高分離效率。在這樣的實(shí)施方式中，旋流分離與錯(cuò)流過(guò)濾相結(jié)合。在US7632416、US7896169、US2011/0120959和US2012/0010063中描述了這樣的實(shí)施方式的實(shí)例。旋流分離的狀況對(duì)錯(cuò)流過(guò)濾造成了挑戰(zhàn)。例如，用于在旋流分離中產(chǎn)生渦旋的進(jìn)料流速可導(dǎo)致用于錯(cuò)流過(guò)濾的膜的加速磨損或結(jié)垢。當(dāng)利用具有高固體含量時(shí)的進(jìn)料流體時(shí)，加重了這種情況。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明包括水力旋流器和用其進(jìn)行旋流分離的方法的多種實(shí)施方式。在一種實(shí)施方式中，本發(fā)明包括包含筒體(12)的水力旋流器(10)，所述筒體具有流體入口(14)、過(guò)濾流體出口(16)、流出物出口(18)、工藝流體出口(20)和腔室(24)，所述筒體包括以中央軸(X)為中心的內(nèi)周壁(22)。所述水力旋流器還包括:i)位于腔室(24)內(nèi)并具有圓筒形外膜表面(44)的過(guò)濾器組件(26)，所述外膜表面圍繞中央軸(X)對(duì)稱定位并包圍與過(guò)濾流體出口(16)流體連通的濾液室(46)，和ii)圍繞膜表面(44)同心定位并可旋轉(zhuǎn)地接合膜表面(44)的清潔組件(50)。流體通路(28)從流體入口(14)延伸并在腔室(24)的內(nèi)周壁
(22)與膜表面(44)之間限定渦流區(qū)(25)，并且適用于接收進(jìn)入的流體。入口流護(hù)罩(58)繞過(guò)濾器組件(26)同心定位并且適用于阻擋從流體入口(14)流入腔室(24)的至少一部分流體以避免沖擊膜表面(44)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0004]通過(guò)參考下面的描述連同附圖可以更好地理解本發(fā)明的各個(gè)方面，其中在各種視圖中始終使用類似的附圖標(biāo)記來(lái)指示類似的部件。該描述是說(shuō)明性的，而不是意在按規(guī)定比例或者以其他方式限制本發(fā)明。
[0005]圖1A是顯示本發(fā)明一種實(shí)施方式的正視圖。
[0006]圖1B是沿著圖1A的1B-1B線取的橫截面圖。
[0007]圖2A是過(guò)濾器組件的部分剖視圖。
[0008]圖2B是包括清潔組件的圖2A過(guò)濾器的透視圖。
[0009]圖2C是包括入口流護(hù)罩的圖2B組件的透視圖。
[0010]圖3是圖2C組件的一種替代實(shí)施方式的透視圖。
[0011]圖4是顯示本發(fā)明的一種替代實(shí)施方式的橫截面圖。
[0012]圖5是圖4的實(shí)施方式的分解透視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0013]本發(fā)明一般地涉及水力旋流器過(guò)濾裝置及進(jìn)行旋流分離的相關(guān)方法。用于本說(shuō)明書(shū)的目的，術(shù)語(yǔ)“水力旋流器”是指其中至少部分地依靠由渦旋流體流所產(chǎn)生的離心力以從流體混合物分離成分的過(guò)濾裝置。其實(shí)例包括從液體混合物(例如水性混合物)中分離固體顆粒和分離包括不同密度的液體(如油和水)的混合物。具體應(yīng)用包括以下處理:造紙廠產(chǎn)生的紙漿廢水、油和氣體開(kāi)采所產(chǎn)生的工藝水、艙底水以及生活和工業(yè)廢水。
[0014]本發(fā)明的一種實(shí)施方式在圖1A-B中示出，其包括總體以10顯示的水力旋流器，所述水力旋流器包括筒體(12)，所述筒體具有可卸式蓋(13)、流體入口(14)、過(guò)濾流體出口
(16)、流出物出口(18)、工藝流體出口(20)和包圍腔室(24)并以中央軸(X)為中心的內(nèi)周壁(22)。雖然描繪為包括單個(gè)腔室，但如結(jié)合圖4-5所述的也可以包括另外的腔室。類似地，也可以包括另外的流體入口和出口。雖然顯示為具有圓筒形上段和截頭圓錐形底部，但筒體(12)可以具有其他構(gòu)造，包括如結(jié)合圖4-5所述的更呈圓筒形的形狀。
[0015]過(guò)濾器組件(26)優(yōu)選居中位于腔室(24)內(nèi)并且與筒體(12)的內(nèi)周壁(22)等距間隔。如圖2A中最佳顯示的，組件(26)包括圓筒形外膜表面(44)，所述外膜表面圍繞中央軸(X)對(duì)稱定位并且包圍與過(guò)濾流體出口(16)流體連通的濾液室(46)。雖然顯示為簡(jiǎn)單圓筒形狀，但可以使用其他構(gòu)造，包括階梯形和圓錐形過(guò)濾器。如圖2A中最佳顯示的，過(guò)濾器組件(26)包括外膜表面(44)，所述外膜表面可以由多種材料制造，包括多孔聚合物、陶瓷和金屬。在一種實(shí)施方式中，所述膜比較薄，例如0.2-0.4mm，并且由下面的剛性框架或多孔載體(未顯示)支撐。代表性的例子在US2012/0010063中描述。膜(44)的孔尺寸(例如I至500微米)、形狀(例如V形、圓筒形、有槽縫的)和均勻性可以根據(jù)應(yīng)用而改變。在許多優(yōu)選實(shí)施方式中，膜(44)包含耐腐蝕金屬(例如電鑄成形鎳網(wǎng))，，其包括尺寸均一的孔，尺寸從10至100微米。這樣的材料的代表性例子描述于:US7632416，US7896169，US2011/0120959, US 2011/0220586和US2012/0010063中，所述文獻(xiàn)的全部主題內(nèi)容通過(guò)引用并入本文中。
[0016]如圖1B中最佳顯示的，流體通路(28)從流體入口(14)延伸并在腔室(24)的內(nèi)周壁(22)與膜表面(44)之間限定渦流區(qū)(25)。在運(yùn)行中，加壓的進(jìn)料流體(例如優(yōu)選4至120psi)經(jīng)由流體入口(14)進(jìn)入筒體(12)并沿著流體通路(28)流動(dòng)，其在過(guò)濾器組件(26)周圍產(chǎn)生渦旋。離心力促使較致密的材料朝向筒體(12)的內(nèi)周壁(22)，而較不致密的液體徑向向內(nèi)流向過(guò)濾器組件(26)。該液體的一部分經(jīng)過(guò)膜表面(44)流入濾液室(46)中，并隨后可以作為“濾液”通過(guò)過(guò)濾流體出口(16)離開(kāi)筒體(12)。剩余的“非濾液”從腔室(24)向下流動(dòng)。流體流動(dòng)減慢并且較致密的材料(例如顆粒)優(yōu)先向所述筒體的中央下部沉降并且然后可以通過(guò)流出物出口(18)離開(kāi)所述筒體。流出物出口(18)可以任選包括閥(例如單向止回閥)以從筒體(12)選擇性地控制流出物的除去。剩余液體(以下稱為“工藝流體”)向下流動(dòng)并且可以經(jīng)由工藝流體出口(20)離開(kāi)所述筒體。在大部分應(yīng)用中，工藝流體表示中等級(jí)的產(chǎn)物，其可以再利用、處置或再循環(huán)回到流體入口(14)供進(jìn)一步處理。“濾液”通常表示可以再利用或處置的高等級(jí)產(chǎn)物?！傲鞒鑫铩北硎究梢赃M(jìn)一步處理或處置的低等級(jí)產(chǎn)物。然而，應(yīng)該理解，在一些應(yīng)用中，流出物可以表示有價(jià)值的產(chǎn)物。
[0017]所述水力旋流器(10)還可以包括清潔組件(50)，其用于從過(guò)濾器組件(26)的膜表面(44)除去殘?jiān)４硇缘膶?shí)施方式在圖2B示出，其中組件(50)圍繞膜表面(44)同心定位并可旋轉(zhuǎn)地接合膜表面(44)，并且包括徑向向外延伸的一個(gè)或多個(gè)輻條(52)。刷子
(54)從輻條(52)末端向下延伸并接合(例如觸及或非常接近)膜基底(44)的表面。雖然顯示為刷子(54),但可以包括替代的清潔工具,包括刮板(wiper)、刮刀(squeegee)或刮凈器(scrapper)。大多數(shù)實(shí)施方式中使用2到50個(gè)刷子，并優(yōu)選18到24個(gè)刷子。如彎箭頭所表示，清潔組件(50)圍繞過(guò)濾器組件(26)旋轉(zhuǎn)，致使刷子(54)清掃膜基底(54)的表面并除去殘?jiān)缤ㄟ^(guò)在所述表面附近產(chǎn)生紊流或通過(guò)直接接觸所述表面。一個(gè)或多個(gè)葉片(56)可以安裝在至少一個(gè)輻條(52)的末端，使得流入渦流室(24)中的流體圍繞過(guò)濾器組件(26)轉(zhuǎn)動(dòng)清潔組件(50)。圍繞過(guò)濾器組件均勻間隔的葉片(56)增加了清潔組件
(50)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性并可以幫助維持渦流室(24)中的渦旋流體流。雖然顯示為從膜基底(44)的表面徑向向外延伸，但所述葉片可以偏斜(例如與徑向軸成-5°至-30°或5°至30° )以增加旋轉(zhuǎn)速度。在所述過(guò)濾器組件和清潔組件(26，50)之間可以使用軸承以在不阻礙渦旋流體流下進(jìn)一步促進(jìn)旋轉(zhuǎn)。在未顯示的替代實(shí)施方式中，清潔組件(50)可以通過(guò)替代手段驅(qū)動(dòng)，例如電動(dòng)機(jī)、磁力等等。在又一種實(shí)施方式中，所述過(guò)濾器組件可以相對(duì)于固定的清潔組件移動(dòng)。
[0018]可優(yōu)化進(jìn)料流體入口壓力和過(guò)濾器組件(26)的外周與筒體(12)的內(nèi)周壁(22)之間的間距以在腔室(24)內(nèi)產(chǎn)生并維持渦旋流體流。為了進(jìn)一步促進(jìn)渦旋流體流的產(chǎn)生和維持，流體入口(14)優(yōu)選將流入的進(jìn)料流體引導(dǎo)到圍繞渦流室的切線路徑上，如圖1A指示。即使按著這樣的切線路徑，加壓的進(jìn)料流體也可能直接沖擊過(guò)濾組件(26)的膜表面(44)并導(dǎo)致過(guò)早磨損或結(jié)垢——特別是對(duì)于具有高固體含量的進(jìn)料流體。為了保護(hù)膜表面
(44)，入口流護(hù)罩(58)可以位于流體入口(14)和膜表面(44)之間，例如圍繞過(guò)濾器組件
(26)同心定位。非限制性實(shí)施方式在圖2C和3中示出。如所示的，護(hù)罩(58)優(yōu)選包含材料(例如塑料)的無(wú)孔圓筒形帶，其阻擋從流體入口(14)流入腔室(24)的至少一部分流體以避免直接沖擊(碰撞)膜表面(44)，在圖3中最佳顯示。所述帶可以由連續(xù)的材料環(huán)或通過(guò)獨(dú)立的弧形物形成。在優(yōu)選實(shí)施方式中，護(hù)罩(58)具有的高度接近于膜表面(44)的高度，致使護(hù)罩(58)和膜表面(44)形成同心圓筒。在優(yōu)選實(shí)施方式中，所述護(hù)罩可以可拆卸地安裝于清潔組件(50)上。作為非限制性例子，清潔組件(50)的葉片(56)可以包括用于接收護(hù)罩(58)的豎直狹槽(60)，如圖2B-C和圖3所示。
[0019]本發(fā)明的一種替代實(shí)施方式在圖4-5中說(shuō)明，其中筒體(12)基本上是圓筒形的并且包括至少兩個(gè)和優(yōu)選三個(gè)豎直排列的室，包括渦流室(24)、流出物分離室(30)和工藝流體室(32)。渦流室(24)與流體入口(14)流體連通。過(guò)濾器組件(26)中心定位于渦流室
(24)內(nèi)并包圍濾液室(46)。濾液室(56)與過(guò)濾流體出口(16)流體連通。流出物分離室(30)位于渦流室(24)下方并與該渦流室(24)流體連通。該流出物分離室(30)適于從渦流室(24)接收未過(guò)濾的流體。工藝流體腔室(32)依次位于流出物分離室(30)下方并與該流出物分離室流體連通。該工藝流體室(32)適于從流出物分離室(30)接收工藝流體并且與工藝流體出口(20)流體連通，工藝流體可以通過(guò)該工藝流體出口(20)離開(kāi)筒體(12)。
[0020]渦流阻擋構(gòu)件(34)位于渦流室和流出物分離室(24，30)之間并將在渦流室和流出物分離室(24，30)之間的流體流引導(dǎo)至鄰近筒體(12)的內(nèi)周壁(22)的位置。渦流阻擋構(gòu)件(34)可以設(shè)計(jì)為在流出物分離室(24)中維持渦流流體流并在流體從渦流室(24)流入流出物分離室(30)時(shí)干擾渦流流體流(28)。更具體地，渦流阻擋構(gòu)件(34)包括延伸到鄰近筒體(12)的內(nèi)周壁(22)或與筒體(12)的內(nèi)周壁(22)接觸的位置的外緣(40)，并且可以進(jìn)一步包括多個(gè)位于外緣(40)附近并延伸穿過(guò)它的孔(42)。在圖示的實(shí)施方式中，孔(42)是扇形的，但也可以使用替代的形狀。
[0021]任選的流出物阻擋構(gòu)件(36)位于流出物分離室(30)下方，并適于引導(dǎo)流體流從流出物分離室(30)流向工藝流體出口(20)。流出物阻擋構(gòu)件(36)包括延伸到鄰近筒體
(12)的內(nèi)周壁(22)或與筒體(12)的內(nèi)周壁(22)接觸的位置的外緣(40’)，并且可以進(jìn)一步包括多個(gè)位于外緣(40’)的附近并延伸穿過(guò)它的孔(42’)。在圖示的實(shí)施方式中，孔(42’)是扇形的，但也可以使用替代的形狀。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，渦流阻擋構(gòu)件(34)的孔
(42)相對(duì)于流出物阻擋構(gòu)件(36)的孔(42’)垂直地偏置，如圖2中的虛線箭頭所示。流出物阻擋構(gòu)件(36)還包括與流出物出口(18)流體連通的位于中心的流出物開(kāi)口(38)，流出物通過(guò)流出物出口(18)離開(kāi)筒體(12)。
[0022]在操作中，加壓的進(jìn)料流體(例如，優(yōu)選從4至120psi)通過(guò)流體入口(14)進(jìn)入筒體(12)并沿著流體通路(28)流動(dòng)，其在過(guò)濾器組件(26)周圍產(chǎn)生渦流。離心力將更致密的物質(zhì)推向筒體(12)的內(nèi)周壁(22)，而較不致密的液體徑向向內(nèi)地流向過(guò)濾器組件
(26)。一部分該液體通過(guò)過(guò)濾器組件(26)流入濾液室(46)中并隨后可以經(jīng)由過(guò)濾流體出口(16)作為“濾液”離開(kāi)筒體(12)。剩余的“非濾液”從渦流室(24)向下流向流出物分離室(30)。渦流阻擋構(gòu)件(34)將大部分(例如，優(yōu)選至少75%，和在一些實(shí)施方式中，至少90%)的這種向下的流引導(dǎo)至沿筒體(12)的內(nèi)周壁(22)或與其鄰近的位置。這種安排被認(rèn)為有助于將在渦流室(24)中維持渦流，而在流體進(jìn)入流出物分離室(30)時(shí)干擾渦流。流體流在流出物分離室(30)中減慢且更致密的物質(zhì)(例如顆粒)優(yōu)先朝向流出物阻擋構(gòu)件
(34)的中心沉降并進(jìn)入流出物開(kāi)口(38)中，并且然后可以經(jīng)由流出物出口(18)離開(kāi)筒體。流出物出口(18)可任選地包括閥(48)(例如，單向止回閥)以選擇性地控制流出物從筒體
(12)的移除。在流出物分離室(30)中的剩余液體(以下稱為“工藝流體”)向下流入工藝流體室(32)中。流出物阻擋構(gòu)件(36)將流出物分離室和工藝流體室(34，36)之間的大部分(例如，優(yōu)選至少75%和在一些實(shí)施方式中至少90%)的流體流引導(dǎo)至沿筒體(12)的內(nèi)周壁(22)或與其鄰近的位置，即通過(guò)孔(42’)。
[0023]雖然在一個(gè)實(shí)施方式中，流出物阻擋構(gòu)件(36)包括扇形孔(42’)，但也可以使用可選形狀的孔，包括徑向狹槽，成角狹槽和位于外緣(40’)周圍的三角形開(kāi)口。同樣，對(duì)于渦流阻擋構(gòu)件(34)，可以使用可選形狀的孔(42)。孔(42，42’)的形狀和大小可以進(jìn)行設(shè)計(jì)以控制流體向下通過(guò)筒體(12)的腔室(24，30，32)的流動(dòng)，優(yōu)先將流導(dǎo)向筒體(12)的內(nèi)周壁(22)。據(jù)此，少部分(例如，小于50%，和更優(yōu)選小于75%，和更優(yōu)選小于90% )的向下流(即相對(duì)于流出物阻擋構(gòu)件(36)的非流出物流體)可能會(huì)出現(xiàn)在可選的位置，包括阻擋構(gòu)件(42，36)中一個(gè)或兩個(gè)的中心位置。而在另外的未示出的實(shí)施方式中，渦流阻擋構(gòu)件(34)和流出物阻擋構(gòu)件(36)中的一個(gè)或兩者可以包括不接觸筒體(12)的內(nèi)周壁(22)的外緣，且不包括孔。
[0024]與以往的設(shè)計(jì)相比，本發(fā)明所述水力旋流器提供了優(yōu)異的分離效率。這樣的效率使得水力旋流器可用于更廣泛的應(yīng)用中，特別是在工藝流體被循環(huán)和任選地與補(bǔ)充的進(jìn)料流體共混的實(shí)施方式中。概括地說(shuō)，在單一裝置內(nèi)使進(jìn)料流體經(jīng)歷多個(gè)分離過(guò)程的協(xié)同組合。具體而言，對(duì)進(jìn)料流體進(jìn)行至少部分地基于密度的旋流分離，使較致密的物質(zhì)(例如，顆粒、液體)被推向筒體的內(nèi)周緣。通過(guò)過(guò)濾器組件的流體另外進(jìn)行錯(cuò)流過(guò)濾。所述入口進(jìn)料護(hù)罩防止用于錯(cuò)流過(guò)濾的膜經(jīng)受由于與旋流分離有關(guān)的進(jìn)料壓力和進(jìn)料含量造成的過(guò)度磨損或結(jié)垢。本文中參考文獻(xiàn)提到的美國(guó)專利每一個(gè)的全部主題內(nèi)容通過(guò)引用完全并入本文。
【權(quán)利要求】
1.水力旋流器(10)，其包括:筒體(12)，所述筒體包括流體入口(14)、過(guò)濾流體出口(16)、流出物出口(18)、工藝流體出口(20)和腔室(24)，所述筒體包括以中央軸(X)為中心的內(nèi)周壁(22)； 位于腔室(24)內(nèi)并包含外膜表面(44)的過(guò)濾器組件(26),所述外膜表面圍繞中央軸(X)對(duì)稱定位并包圍與所述過(guò)濾流體出口(16)流體連通的濾液室(46)； 圍繞膜表面(44)同心定位并可旋轉(zhuǎn)地接合膜表面(44)的清潔組件(50)； 流體通路(28)，其從流體入口(14)延伸并在所述腔室(24)的內(nèi)周壁(22)與膜表面(44)之間限定渦流區(qū)(25)，其適合于接收進(jìn)入的流體；和 入口流護(hù)罩(58)，其圍繞過(guò)濾器組件(26)同心定位并且適用于阻擋從流體入口(14)流入腔室(24)的至少一部分流體以避免沖擊膜表面(44)。
2.權(quán)利要求1的水力旋流器(10)，其中所述入口流護(hù)罩(58)安裝在清潔組件(50)上。
3.權(quán)利要求1的水力旋流器(10)，其中所述入口流護(hù)罩(58)包含無(wú)孔的圓筒形帶。
4.權(quán)利要求1的水力旋流器(10)，其中所述清潔組件(50)適用于由于流體沿著流體通路(28)流動(dòng)而圍繞過(guò)濾器組件(26)旋轉(zhuǎn)。
5.權(quán)利要求1的水力旋流器(10)，其中所述筒體(12)包含由渦流阻擋構(gòu)件(34)隔開(kāi)的至少兩個(gè)室，包括渦流室(24)和流出物分離室(30)，其中過(guò)濾器組件(26)、清潔組件(50)和入口流護(hù)罩(58)位于渦流室(24)內(nèi)并且其中所述渦流阻擋構(gòu)件(34)干擾從渦流區(qū)(25)到流出物分離室(30)的流體流。
6.權(quán)利要求1的水力旋流器(10)，其中所述渦流阻擋構(gòu)件(34)將在所述渦流室和流出物分離室(24，30)之間的大部分流體流引導(dǎo)到鄰近筒體(12)的內(nèi)周壁(22)的位置。
【文檔編號(hào)】B01D36/04GK104302374SQ201380025509
【公開(kāi)日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2013年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月17日
【發(fā)明者】G·D·卡弗爾, G·A·麥凱, S·E·奧賴?yán)? 申請(qǐng)人:陶氏環(huán)球技術(shù)有限責(zé)任公司