從慢速沉澱顆粒分離快速沉澱顆粒的方法和設備的製作方法
2023-05-25 19:53:56
專利名稱：從慢速沉澱顆粒分離快速沉澱顆粒的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明一般來說涉及用於分離顆粒的方法和設備，更具體來說，涉及採用一種根據顆粒的沉澱速度不同來分離顆粒的水力分離器的方法和設備。具體來說，本發明涉及一種在水力分離器中分離顆粒的方法和設備，其採用一股上流以使慢速沉澱的顆粒隨著該上流而上升，在該上流中，它們在溢流中被排除，而讓快速沉澱的顆粒在設備的底部沉澱，在該底部，它們在底流中被排除。本發明的方法和設備從直觀來說被稱為是有關從煙道氣體去硫過程中的煤灰顆粒來分離商業上有價值的石膏顆粒的。本發明的方法和設備也可以用於諸如通常是在採礦和礦石粉碎工序中產生的混合物的其他顆粒混合物。
分離大量的顆粒在許多工業中是個重大問題。當一種或者多種顆粒具有商業價值時，分離作業是需要的。當具有一種從環境保護來說不希望有的成份的顆粒混合物必須以損耗的方式予以去除時，也必須採用分離作業。在該情況下，希望將對環境有害的顆粒與其他顆粒分開，以便使必須以損耗的方式去除的材料量可以減少。採用將商業上有價值的顆粒與其他顆粒分離過程的一個實例，是將在煙道氣體去硫過程中的煤灰與石膏分離的作業。
在美國，燒煤來產生電是電力的主要來源之一。在過去，從燒煤中產生的副產品從煙囪排放到大氣中。由於公眾對這種顆粒的有害環境的作用的認識增多，所以，公眾要求，從動力工廠來的排氣在排放到大氣以前應當予以淨化。
煙道氣體去硫方法是在以煤作燃料的動力工廠中所採用的普通的淨化方法。該方法的一個缺點是，大量的沾染灰塵的與水化合的硫酸鈣，作為該方法的副產品而產生了。與水化合的硫酸鈣通常被稱為石膏，並且通常被用來製造熟石膏和牆板。處理沾染煤灰的石膏對於動力公司是個將大大增加淨化排氣費用的問題。因此，近幾年來，一直希望找到利用煙道氣體去硫工藝的副產品的途徑和其他淨化方法，以便補償淨化工藝的費用。
對在煙道氣體去硫過程中產生的石膏副產品的實際利用，包括利用石膏來形成熟石膏和製作牆板。可惜的是，直接從許多煙道氣體去硫過程中提取的石膏，不是立即在商業上可用的，因為其沾染有較大量的煤灰。雖然煤灰不會大大地改變石膏的結構性能，但是煤灰會使石膏的顏色變黑，使其喪失商業價值。更重要的是，煤灰會降低紙在牆板上的附著程度，也可增加牆板的重量。因此希望，在本技術領域中提供一種可有效地從較大量的石膏中清除煤灰的方法和設備。
用於從煙道氣體去硫系統中產生的石膏中分離煤灰的已知方法，是利用水力旋流器，濾網，或者水力分離器。石膏只有當其具有92％和以上的純度時，才是對牆板用途在商業上所需要的。至目前為止，在現有技術中已知的，用於從煙道氣體去硫系統的副產品中分離牆板品位的石膏的方法和設備，尚未經濟地和始終如一地生產出牆板等級的石膏。
一種這樣的已知系統利用水力旋流器來將煤灰與石膏分離。水力旋流器系統利用泵排出壓力來使水力旋流器中的顆粒加速。粗大的石膏顆粒由離心力推向水力旋流器的圓周並且聚集在底流中，而較小的顆粒和水一起流向水力旋流器的軸線，它們在那裡被溢流排走。在水力旋流器環境下，高的剪切速度和較短的停留時間，不能有效地分離顆粒，使得底流沾染有細微的煤灰顆粒。溢流也含有不希望的石膏量。增加串連的水力旋流器可提高分離的質量，但是也會增加製造和運行該系統的費用。
在應用中，濾網也在用來使細微顆粒與粗大顆粒分離，例如使煤灰與石膏分離。當顆粒尺寸的差別很小和當顆粒本身很小時，濾網難於有效地利用。在使煤灰與石膏分離的情況下，適當號碼的濾網易於堵塞和會受到不希望的一定量的磨蝕力。還發現，需要大量的濾網才能足以將石膏與煤灰分離。在使用濾網的情況下，除了其他問題以外，濾網的數目將增加系統的費用，這是不切實際的。
其他分離系統包括採用根據沉澱特性差別來分離顆粒的其他水力分離器裝置。這樣的裝置具有使它們效率低的各種問題，包括難於使上升液體和/或衝水達到均勻分布和不能充分地抑制供給懸浮物的動能。某些這種裝置也不能有效地從含有細微顆粒的母液中過濾出較粗的顆粒。利用浮力的分離系統，要求增加浮力劑的費用和供給空氣以形成泡沫的高能量費用。此外，為使浮力劑可有效地起作用，在細微顆粒和粗大顆粒的表面之間，必須有化學方面的差別。因此希望，在技術領域中提供這樣一種用於將石膏與煤灰分離的方法和設備，使得最終被分離的石膏純得足以在牆板製造作業中使用。
希望分離顆粒的其他情況是回收陶土。需要的陶土通常沾染有粗砂。在已知的回收工藝中，相當量的陶土仍然留在粗砂中，導致大約10％陶土製品的喪失。因此希望在本技術領域中提供用於更有效地分離陶土與粗砂的方法和設備。
因此，本發明的方法和設備，應當在廣泛的各種應用場合中，能夠將具有慢速沉澱性能的顆粒與具有快速沉澱性能的顆粒分離。所需要的系統必須效率高，有效，基本上不需要維護，運行經濟，易於調節，以便適應不同種顆粒的不同流速和濃度。
因此，本發明的目的是提供一種大量有效地分離顆粒的方法。
本發明的另外一個目的是，提供一種根據顆粒沉澱特性不同來分離顆粒的方法。
本發明的再另外一個目的是，提供一種不用充氣和絮凝方法來分離顆粒的方法。
本發明的再又另外一個目的是，提供一種易於根據顆粒進入系統的不同流速和不同濃度來控制和調節的，分離顆粒的方法。
本發明的又一個目的是，提供一種採用單個的水力分離器達到分離目的的分離顆粒的方法。
本發明的再又一個目的是，提供一種採用層流使具有較慢沉澱速率的顆粒上升，而讓具有較快沉澱速率的顆粒沉澱來分離顆粒的方法。
本發明的再又一個目的是，提供一種用於分離煤灰與石膏的方法。
本發明的再又一個目的是，提供一種用於分離煤灰與石膏的方法，而該煤灰和石膏是在煙道氣體去硫過程中產生的，其分離的程度可以達到，使回收的石膏可以用於商用牆板和熟石膏。
本發明的再又一個目的是，提供一種用於分離顆粒的設備，該設備設計得可促使層流從下部分流向上部分。
本發明的再又一個目的是，提供一種用於分離顆粒的設備，它包括一個將設備的上部分與下部分分開的中央隔板。
本發明的再又一個目的是，提供一種用於分離顆粒的設備，其具有位於上部分和下部分之間的進口，使得進入設備的輸入懸浮物可與在兩部分之間的上流相碰撞。
本發明的再又一個目的是，提供一種用於分離顆粒的設備，其包括一個可保持在設備中的層流的出口。
本發明的再又一個目的是，提供一種用於分離顆粒的設備，該設備結構較為簡單，可以以簡單，有效和經濟的方式達到上述的目的，可以解決本技術領域中存在的問題和滿足其需要。
這些和其他目的和優點可以由本發明的水力分離器來獲得，其一般特性可以說成是包括一個水力分離器(10，150，200，300，400)，而該水力分離器包括 一個具有一個上端(12，152，212，312，412)和一個下端(13，151，213，313，413)的側壁(11.151，211，311，411)；一個連接在側壁的下端上的底板(14，154，214，314，414)，該底板關閉側壁的底部，以形成一個箱；一個連接在箱上，而將箱分成一個攪動部分(24，164，224，324，424)和一個層流部分(20，160，220，320，420)的隔板(26，166，226，326，426)；攪動部分布置在隔板之下；層流部分布置在隔板之上；該箱具有一個第一進口(40，170，240，340，440)，一個溢流出口(72，194，272，372，472)和一個底流出口(18，158，218，318，418)；溢流出口布置在側壁的上端附近；該底流出口布置在側壁的下端附近；第一進口布置在所述的攪動部分之上；布置在攪動部分的一個攪動器(58，188，258，358，458)；和用於驅動攪動器的裝置(54，184，254，354，454)。
其他目的和優點由本發明的用於分離煤灰與石膏的方法來達到，其一般的特性可以說成是包括下述步驟將顆粒懸浮物加入水力分離器中，一些顆粒具有較快的沉澱速度，而其他顆粒具有較慢的沉澱速度；將稀釋水加入水力分離器的底部；從水力分離器的上部去掉物料，以便產生上流；控制上流的流速，使得具有較慢沉澱速度的顆粒由上流提升，而具有較快沉澱速度的顆粒穿過上流落下；和從水力分離器的底部去掉具有較快沉澱速度的顆粒。
通過申請人企圖應用本發明原理的最佳模式的描述，本發明的最佳實施例在下文中予以說明，在附圖中予以展示，並且在後附的權利要求中清楚地予以指出和限定。
圖1是示意性流程圖，描述本發明的水力分離器在從煙道氣體去硫工藝中獲得高質量石膏的整個過程中的相對位置；圖2是本發明的水力分離器的正剖視圖；圖3是沿著圖2的3-3線所截取的剖視圖；圖4是沿著圖2的4-4線所截取的剖視圖；圖5是沿著圖2的5-5線所截取的剖視圖；圖6是與圖2相似的視圖，此時該水力分離器沿著箭頭指出在水力分離器中的流路運行；
圖7是本發明的水力分離器的第一可供選擇實施例的正剖視圖；圖8是本發明的水力分離器的第二可供選擇實施例的正剖視圖；圖9是本發明的水力分離器的第三可供選擇實施例的正剖視圖；圖10是本發明的水力分離器的第四可供選擇實施例的正剖視圖；在整個說明書中，相同的標號指的是相同的元件。
本發明的水力分離器在附圖中總地由標號10表示。水力分離器10這樣構成，即可根據顆粒沉澱特性的差別，來將供入水力分離器10的顆粒分離。水力分離器10這樣設計，即可將具有較慢速沉澱特性的顆粒提升到水力分離器10的上部，而讓具有較快速沉澱特性的顆粒下降到水力分離器10的底部。水力分離器10可以用於要被分離的顆粒具有不同的沉澱特性的廣泛的各種用途。
在本發明的第一實施例中，水力分離器10用來將在煙道氣體去硫過程中的石膏與煤灰分離。在圖1中描述了水力分離器10相對於石膏回收和與煙道氣體去硫過程相配合的提純過程的其他部件的位置。水力分離器10也可以用於要被分離的顆粒具有不同的沉澱速度的其他顆粒分離應用場合。例如，水力分離器10可以用來將在球碾磨工序中的粗大的石灰石與較細微的研磨過的石灰石分離，把在採礦工序中的陶土微粒與較粗大的礦石和母巖分離，把在石灰熟化工序中的較大的粗砂與充分熟化的石灰分離。水力分離器10僅就煙道氣體去硫過程予以描述，以便提供採用水力分離器10的實例，而下面的描述可以應用於混合顆粒必須予以分離的其他過程，而不脫離本發明的概念和精神。
在本發明的示範性實施例中，來自煙道氣體去硫過程的懸浮物，首先通過水力旋流器予以處理，以便去掉諸如粗砂和巖石等非常粗大的雜質。然後，所得到的懸浮物用已知的氧化方法予以適當地處理，再進入水力分離器10。
在水力分離器10的底流處，可以獲得已經與煤灰分離的高質量的石膏。該底流被引導到諸如離心分離機或者過濾器的脫水裝置，以便從石膏中去除水份，使石膏處於可以被出售給牆板製造作業的形式。水力分離器10的溢流含有從石膏中去除的煤灰。使溢流通過稠化階段或者稠化處理，以便從煤灰中去掉液體，同時使液體再循環回該處理過程的起點。
水力分離器10通過利用材料的不同沉澱速度，來將較小的煤灰顆粒與較大的石膏顆粒分離，從而把煤灰從石膏中分離出來。水力分離器10通過利用在顆粒上的拉力和在顆粒上的重力之間的差別來達到理想的分離。在層狀流體流中，Stoke法則概括地規定，球形顆粒的沉澱落速與其直徑的平方和顆粒與液體介質之間的比重之差的乘積成正比，而與流體粘度成反比。如果，周圍液體以柱狀上升的速度大於該最終的沉澱落速，則顆粒將上升並被進行溢流，如果不是，則顆粒將下降並且將來到底流中。
水力分離器10藉助產生通過煤灰和石膏的沉澱混合物的層流上流來分離顆粒。每個顆粒根據其直徑和與周圍液體和那種液體的粘度相比較的比重，而確定在上升的液體柱中的最終的沉澱落速。如果顆粒的沉澱速度超過液體的上升速度，則顆粒將沉澱在水力分離器的下攪動部分。具有較慢最終沉澱落速的顆粒由上升的液體柱向上攜帶，最終從水力分離器10的上方除去。在水力分離器10中的上流可以予以控制，以便提供使慢速沉澱顆粒上升的速度，而讓快速沉澱顆粒下降，即使慢速沉澱顆粒具有比快速沉澱顆粒較大的比重也然。然而，如上所述，Stone法則適用於層流區域，因此，本發明的重要目的是，在水力分離器的可以發生分離的地方提供層流。
分離的程度和質量，可以藉助調節通過水力分離器10的上流的流速，來嚴密地予以控制。該上流的流速應當稍稍小於開始將石膏顆粒帶出水力分離器10的溢流的流速。流速可以通過改變將懸浮物供入混合區的流速，和通過與加入水力分離器10的底部的稀釋液或者衝水的細微協調，來嚴格地予以控制。該稀釋液或者衝水的加入是提純粗大石膏產品的關鍵因素。衝水不但可以產生通過水力分離器10的層狀上流，而且可在水力分離器10的底部將細微的煤灰顆粒衝離石膏顆粒。
現在既然已經描述了在水力分離器10背後的理論，現在將參照附圖2-6描述水力分離器10的結構。水力分離器10包括一個具有一個圓筒側壁11的大致圓筒的箱，其帶有一個上端12和一個下端13，在下端處由底板14封閉起來，以形成該箱。底板14可以向排放管16和底流出口18傾斜。在本發明的某些實施例中，底板14可以向排放管16大致傾斜2度。底板14也可以是平的。出於舉例的目的，側壁11可以具有大致14英尺的直徑和大致30英尺的高度。側壁11和底板14可以由在本技術領域中已知的各種適用材料中的任何一種來製造，例如鋁，不鏽鋼，或者塑料。具體的材料根據在水力分離器10中的流體和物料的腐蝕和侵蝕特性來選擇。
水力分離器10通過圓周隔板26被分成層流部分20和攪動部分24。隔板26的橫截面是三角形的，如圖2所示，並且整個圍繞側壁11的內表面延伸。在示於圖2-6的本發明的實施例中，隔板26的徑向向內的截錐形區域，提供了一個布置在攪動部分24和層流部分20之間的中間或者過渡部分22。在本發明的其他實施例中，下面將對其某些部分更詳細地介紹，部分22基本上可以予以取消。隔板26包括上錐形壁28和底壁30，而底壁30基本上垂直於側壁11。隔板26可以大約為6英尺高，並且伸入水力分離器10大約4英尺，在攪動部分24和中間部分22之間留下一個具有6英尺直徑的開孔。在本發明的其他實施例中，隔板26可以形成其他形狀。另外，在這裡給予隔板26，側壁11和底板14的具體尺寸僅僅是為舉例的目的。本發明認為，可以採用其他尺寸，來實現本發明的概念。
水力分離器10還包括一個進口40，該進口與要被分離的顆粒流體源連通。進口40包括一個具有減速性質的進口側壁件42，該件可以基本上是圓筒形狀的，以便形成一個在中間部分22之上和通過進口40的底部與中間部分22流體連通的進口室46。
一個進口管48在進口室46和要混合材料的材料源之間提供流體連通。進口管48從側壁11延伸到進口側壁42，並且基本上是水平的。進口管48不是相對於側壁42徑向布置的，而是基本上與進口40相切，如圖4，5所示。進口管48的切向位置讓加入進口室46的物料在進口室46內旋轉，然後再掉入水力分離器10的中間部分22。旋轉作用緩緩地驅散進入的懸浮物的動能，使得流體緩緩地與水力分離器10的含物混合，以便讓層流在中間部分22之上和之下產生。
進口40由多個支承件50支承在水力分離器10內。每個支承件50從水力分離器10的側壁11延伸到進口側壁42。支承件50可以沿著徑向布置並且基本上是水平的，如圖所示。支承件50在上流的方向較簿，以便不會對水力分離器10內的上流產生重大幹擾。因此，支承件50可以是簿的矩形條或者機翼形狀的條，以便不會對水力分離器10內的上流產生重大幹擾。
進口40的直徑小於在中間部分22和攪動部分24之間的在隔板26的下端稜緣處的開孔52。進口40的尺寸可以確保，加入水力分離器10的物料將與從攪動部分24通過中間部分22上行的上流相接觸。
水力分離器10還包括一個變速馬達54，該馬達布置在水力分離器10的上方。驅動軸56與馬達54相連接，並且沿水力分離器10的中心向下延伸，通過進口40，再進入攪動部分24。馬達54和軸56可以由任何各種已知支承結構來支承。低剪力攪動器58連接在驅動軸56的端部，使得其完全布置在攪動部分24中，並且鄰近底板14。在本發明的其它實施例中，也可以採用其他相當的攪動器，而不脫離本發明的概念。例如。用於驅動攪動器的馬達可以布置在底板14之下，或者在攪動部分24內。馬達也可以布置在水力分離器10的其他部分22或者20中。
多個側隔板60布置在攪動部分24內。每個側隔板60連接在側壁11的內表面上，並且深入攪動部分24。每個側隔板60包括一對連接成直角的豎向壁62，同時在豎向壁62之間的連接部分64深入攪動部分24中。在本發明的優選實施例中，四個側隔板60圍繞攪動部分24均勻分布，並且從底板14延伸到底壁30。側隔板60將攪動部分24中的流體從底板14向上引向底壁30，而在該底壁處，流體沿著徑向向內轉移。
水力分離器10還包括一個布置在水力分離器10的上方的出口通道70。出口通道70向溢流出口72傾斜，使得進入出口通道70的顆粒向下朝著溢流出口72流動，並且脫離水力分離器10。在本發明的優選實施例中，出口通道70布置在側壁11的外側，並且包括一個出口側壁74和一個出口底板76。出口通道70整個地包圍著水力分離器10的上部，讓物料流過側壁11，進入通道70，不會產生會與在層狀流部分20中的層狀上流相干擾的注射流。
在水力分離器10中的上流通過控制各個部分20，22，和24的流入和流出來產生。底流出口18布置在攪動部分24並且容許底流從水力分離器10排走。在本發明的優選實施例中，底流出口18布置在排放管16之上。稀釋水進口84也布置在攪動部分24。該進口84處於與稀釋水源可選擇的，可控的流體連通中。通過進口40和進口84的流速與通過底流出口18和溢流出口72的流速相結合，限定了通過水力分離器10的上流流速。
水力分離器10在運行中的示意圖示於圖6中。出現在圖6中的各種箭頭，表示物料流通過水力分離器10的方向。具有不同沉澱速度的顆粒懸浮物100通過進口管48被加入水力分離器10中。雖然水力分離器10可以用於各種物料，但是為了提供一個該作業的實例，下面的描述僅僅具體涉及從石膏中分離煤灰。在該實例中，懸浮物100包括較慢沉澱的煤灰和較快沉澱的石膏。懸浮物100通過管48進入進口室46，並且立即與已經完全充滿水力分離器10的稀釋水相混合。懸浮物100的力和沿著切向的進入使其圍繞進口室46旋轉，如由標以號碼102的箭頭所示。進口40讓懸浮物減速和開始向下移動，然後才與在水力分離器10中的由標以號碼110的箭頭所示的上流相接觸。當懸浮物100通過進口40掉下時，其速度將減慢，並且旋轉運動也將減少。
當懸浮物掉出進口室46時，其立即與在水力分離器10中的上流相混合，該上流是由加入稀釋水至攪動部分24和從溢流出口72排走物料產生的。在水力分離器10中的幾乎所有流體，都從攪動部分24通過中間部分22，而進入層流部分20和出口通道70。優選的是，沒有流體從中間部分22進入攪動部分24。該上流的流速嚴格地予以控制，以便對較小的煤灰顆粒產生的拉力，足以防止煤灰顆粒通過上流而沉澱下來。希望沒有淨餘的流體流從混合部分22或者層流部分20進入攪動部分24。上流的流速不能太快以使較大的石膏顆粒隨上流上升。作用在較大石膏顆粒上的重力使它們落下來，如箭頭106所示，進入攪動部分24。向下移動的懸浮物102與水力分離器10中的上流的直接和突然的混合，導致在中間部分22中的煤灰顆粒與石膏顆粒的有效的分離。即使某些石膏顆粒起初從中間部分22向上移動到層流部分20的較下部分，在層流部分20中的層流上流也將允許重力克服拉力，從而將較大的石膏的顆粒向下拉回，穿過上流而到中間部分22，然後進入攪動部分24。上流的速度可以藉助監測通過溢流出口72的溢流來設定。當水力分離器10被起動時，稀釋水被加入，以產生上流，稀釋水的流速將增加，直至在溢流中檢測到石膏為止。然後上流的流速降下來，直至在溢流中的細微石膏固體的量在規定的範圍內為止。也可以在水力分離器10上設置各種視窗，以便檢查分離的進程。
雖然顯著量的分離發生在中間部分22中，但是一些較細微的煤灰顆粒將達到較下位置的攪動部分24。這些煤灰顆粒必須先從石膏上去掉，才能讓石膏流出底流出口18。稀釋水或者衝水被加入攪動部分24，以稀釋在液體中的煤灰固體的濃度，並且迫使這些液體向上流動，以便隨其攜帶著煤灰汙染物。低剪力攪動器58用來分散稀釋水和使其充分地與石膏懸浮物相混合，使得煤灰固體向上移動，進入中間部分22。低剪力攪動器58和隔板60也可確保，石膏保留從水力分離器10中衝洗和去掉的流體。攪動器58的速度和側隔板60相互配合，以產生某種環形流動，即從攪動器58向下朝底板14擴散，沿側壁11向上到底壁30，從該底壁30處流體朝水力分離器10的中心轉向，再向下返回到攪動器58。該基本上是環形的流動由箭頭108表示。由於石膏懸浮物重複地通過攪動器58，所以，本發明的一個重要方面的內容是，攪動器58較慢地和以小的剪切速率轉動，使得其不產生晶體破碎的小石膏顆粒。重要的還有，底壁30所提供的轉向作用要求使所有的攪動力保持在攪動部分24中，使得水力分離器10的上部仍然不受由攪動器58提供的動能的幹擾。
在攪動部分24底部的石膏通過底流出口18從水力分離器10去掉。從攪動部分24除掉的石膏純得足以用於高質量的熟石膏和商業上的牆板用途。
已經就分離石膏和煤灰，而採用水力分離器10的一個實例，在上面予以描述。在一個實施例中，煤灰具有大約2.4-3.2範圍內的比重，而在顆粒中具有大約10微米的直徑。石膏具有2.32的比重，同時具有大約70微米的直徑。當懸浮物的輸入供給率大約是每分鐘400-500加侖的流量時，水力分離器10可以用來有效地將石膏和煤灰分離。於是稀釋水的供給率是每分鐘100-300加侖。含有石膏的底流以大約每分鐘100加侖的流量被排掉，其餘流體從水力分離器10的上方去掉。當然，比流量由煤灰和石膏的精確濃度來確定，並且可以在整個過程中容易地予以調節。
採用水力分離器10的另外一個實例，是將陶土與存在在陶土中的粗砂分離。在該實例中，陶土具有通常小於15微米的顆粒尺寸，而必須與陶土分開的粗砂具有通常在44微米之上的顆粒範圍。最小的粗砂顆粒的沉澱速度快於最大的陶土顆粒的沉澱速度。水力分離器10因此可以用來產生這樣的上流，其讓大於大約44微米的顆粒穿過上流落入攪動部分中，而將較小顆粒隨著上流向上提升，以便由水力分離器10的溢流帶走。在該情況下，需要的顆粒由溢流帶走，而不需要的粗砂由底流帶走。
在該情況下，稀釋水的流率大約是每分鐘25加侖，而從攪動部分24撤走粗砂的流率大約是每分鐘10加侖。水或者上流從攪動部分24穿過層流部分20的淨升率大約是每分鐘15加侖。因此，隔板26的開孔的直徑必須大約是3英尺，才能給出需要的上流，以便防止陶土落入攪動部分24。希望水力分離器10的高度大約是22英尺，以便達到足夠的高度，來產生用於分離作用的均勻層流。因此，水力分離器10的層流部分20必須具有大約11英尺的直徑，以便產生需要的穿過層流部分20的上升率。該示範性的應用情況，只是提供了使用帶有大致尺寸的水力分離器10的一個附加實例，這些尺寸是產生用於分離細微陶土與粗砂的水力分離器10所需的。
本發明的水力分離器的另外一個可供選擇的實施例示於圖7中，並且總地由標號150來表示。水力分離器150包括一個大致圓筒形狀的箱，該箱具有圓筒形狀的側壁151，該側壁具有一個上端152和一個下端153。該箱的下端153由一個底板154封閉起來，以便形成一個箱。底板154可以向一個排放管156和一個底流出口158傾斜。側板151和底板154可以由在本技術領域已知的各種適用材料中的任何材料來製造，例如鋁，不鏽鋼，或者塑料。
水力分離器150由隔板166分成一個層流部分160和一個攪動部分164。隔板166是一個環形板，其在攪動部分164和層流部分160之間提供一個基本上在箱中心的開孔。
水力分離器150還包括一個進口170，該進口170與被分離的顆粒的顆粒源處於流體連通狀態。該進口170包括一個進口管172，該管172以基本上水平的方式延伸到箱的中央，然後大約轉向90度，使得進口管172基本上垂直向下轉成一個豎向部分173。一個具有減速件性質的轉向板174由適當的裝置支承在進口管172的出口176的下方。轉向板174使從進口管172輸入箱中的顆粒懸浮物沿著徑向向外轉向，在那裡，它們喪失了它們的速度，然後流過板174的外稜邊，進入水力分離器150的上流中。因此，板174可防止輸入的懸浮物立即引向位於層流部分160和攪動部分164之間的開孔。板174的直徑優選小於隔板166上的開孔的直徑，以便大多數的(如果不是全部的話)加入水力分離器150中的物料，將接觸從攪動部分164流向層流部分160的上流。
水力分離器150還包括一個布置在水力分離器150上方的變速馬達184。一根驅動軸186連接在馬達184上，並且向下延伸到水力分離器150的中部，穿過進口管172，通過板174，進入攪動部分164。一個低剪力攪動器188連接在驅動軸186的端部，使得其完全布置在攪動部分164內，並且鄰近水力分離器150的下表面154。在本發明的其他實施例中，驅動軸186可以靠近進口管172通過，並且可以承載著板174。
多個側隔板190布置在攪動部分164中。每個側隔板190連接在側壁151的內表面上，並且伸入攪動部分164中。每個側隔板190基本上是垂直的，並且可能在結構上相似於上述的側隔板60。側隔板190將在攪動部分164中的流體從底板154向上朝隔板166的底部引導，在隔板166的底部，流體沿著徑向向內轉向。
水力分離器150還包括一個布置在水力分離器150上方的出口通道192。出口通道192向溢流出口194傾斜，使得進入出口通道192的顆粒，向下朝溢流出口194流動，和脫離水力分離器150。出口通道192在結構上相似於上述的出口通道70。
在水力分離器150中的上流通過控制流體在各個部分160和164流進和流出來產生。底流出口158布置在攪動部分164中，讓底流從水力分離器150洩走。稀釋水或者衝水進口196也布置在攪動部分164。進口196與稀釋水或者衝水水源處於有選擇地，可控制地流體連通中。通過進口170和進口196的流速與出自底流出口158和溢流出口的流速相結合，可限定通過水力分離器150的上流的流速。通過控制水力分離器150的上流，以在上面就水力分離器10所述的相同方式來分離顆粒。
本發明的水力分離器的可供選擇的第二實施例示於圖8中，並且總地由標號200來表示。水力分離器200包括一個大致圓筒形狀的箱，該箱具有圓筒側壁211，該側壁具有一個上端212和一個下端213。該箱在其下端由一個底板214封閉起來。底板214可以向一個排放管216和一個底流出口218傾斜。
水力分離器200由隔板226分成一個層流部分220和一個攪動部分224。隔板226包括多個基本上沿著水平方向放置的V形件228，該些V形件各具有一對連接在在共用稜邊232處的支腿230，共用稜邊是指向上方的，同時支腿230向下傾斜。該些V形件228基本上是平行的，在水力分離器200中處於相同的高度上。
在水力分離器200的其它實施例中，可以橫向於水力分離器200加入第二層V形件228。附加層的每個V形件228布置在每對下層V形件228之間和上方。該附加層可以防止在攪動部分224和層流部分220之間建立起直接的通路。該附加的V形件228層基本上平行於下V形件228層和隔板226。在本發明的再又一個實施例中，V形件228的附加層可以相對於V形件的下層成一定角度布置。在本發明的再另外的實施例中，可以在水力分離器200上再增加V形件228的附加層，以便在水力分離器200中提供理想的屏障效果。
水力分離器200還包括一個與要分離的顆粒的顆粒源流體連通的進口240。該進口240包括一個進口管242，該進口管242水平深入水力分離器200的中心附近，向下轉向大約90度，然後以一個垂直部分243向下延伸到一個進口孔口244。進口240還包括一個具有減速件性質的直接布置在進口孔口244之下的進口板246。進口板246是錐形的，該錐形板的頂部指向進口孔口244，而錐形板的底部指向下方。進口板246的作用是，當輸入的懸浮物從進口管242被引入水力分離器200時，使其分散和減速。進口板246可以由任何各種已知的裝置，例如從側壁211沿著徑向延伸的支承件，來支承在理想的位置上。
水力分離器200還包括布置在水力分離器200上方的變速馬達254。驅動軸256連接在馬達254上，向下朝水力分離器200的中部延伸，穿過或者靠近進口240，進入攪動部分224。一個低剪力攪動器258連接在驅動軸256的端部，使得其完全布置在攪動部分224中，並且靠近水力分離器200的下表面214。
多個側隔板260布置在攪動部分224中。側隔板260在結構上，可以與上述的側隔板60相似或者具有相當結構，伸入攪動部分224中，以便防止或者抑制渦流在軸256的軸線附近產生。側隔板260將在攪動部分224中的流體，從底板214向上引向隔板226，在隔板226處，流體沿著徑向朝軸256向內轉向。流體然後再向下回到攪動器258。
水力分離器200還包括一個布置在水力分離器200的上方的出口通道270。該出口通道270朝溢流出口272傾斜，使得進入出口通道的顆粒朝溢流出口272向下流動，並且脫離水力分離器200。
在水力分離器200中的上流通過控制流體進入和流出各個部分220，224來產生。底流出口218布置在攪動部分224中，讓底流可從水力分離器200排走。稀釋水會衝水進口284也布置在攪動部分224上，進口284與稀釋水或者衝水水源處於可選擇的，可控制的流體連通中。通過進口240和284的流速與流出底流出口218和溢流出口272的流速相結合，可限定通過水力分離器200的上流的流速。上流的流速這樣來控制，使得具有快速沉澱速率的顆粒通過隔板226落入攪動部分224中，而具有較慢沉澱速率的顆粒隨著上流上升，然後在溢流中流走。
本發明的水力分離器的可供選擇的第三實施例示於圖9中，並且總地由標號300來表示。水力分離器300包括一個箱，該箱具有一對由第一圓筒側壁301和第二圓筒側壁302限定的圓筒部分。壁301的直徑小於壁302的直徑。第一圓筒側壁301的底部，通過一個基本水平的環形的中間壁303，連接在第二圓筒側壁302的頂部。第二圓筒側壁的底部由一個底板314封閉起來，以形成一個箱。底板314可以向一個排放管316和一個底流出口318傾斜。
水力分離器300由一個起隔板326作用的壁303分成一個層流部分320和一個攪動部分324。隔板326對在攪動部分324中的流體提供一種屏障，使得在攪動部分中的顆粒不易於流入層流部分320，以及防止在部分320中的層流受到幹擾。
水力分離器300還包括一個與要分離的顆粒的顆粒源流體連通的進口340。該進口340包括一個進口管342，該進口管342基本上水平地深入水力分離器300的中心附近，向下轉向大約90度，然後以一個垂直部分343向下延伸到一個進口孔口344。進口孔口344直接布置在具有減速件性質的進口板346的上方。進口板346的作用是，當懸浮物達到水力分離器300時，使其減速，和當輸入的懸浮物被輸入水力分離器300時，使其分散。進口板346可以由任何各種已知的裝置，例如從側壁301延伸的徑向支承件，來支承在進口孔口344的下方。
水力分離器300還包括布置在水力分離器300上方的變速馬達354。驅動軸356連接在馬達354上，向下朝水力分離器300的中部延伸，穿過或者靠近進口340，進入攪動部分324。一個低剪力攪動器358連接在驅動軸356的端部，使得其完全布置在攪動部分324中，並且靠近水力分離器300的下表面314。板346可以由軸356來支承。
多個側隔板360布置在攪動部分324中，從側壁302延伸。側隔板360的作用，與就本發明的其他實施例在上面所述的側隔板相似。水力分離器300還包括一個布置在水力分離器300的上方的出口通道370。該出口通道370朝溢流出口372傾斜，使得進入出口通道370的顆粒朝溢流出口372向下流動，並且脫離水力分離器300。
在水力分離器300中的上流通過控制流體進入和流出各個部分320，324來產生。底流出口318布置在攪動部分324中，讓底流可從水力分離器300排走。稀釋水或者衝水進口384也布置在攪動部分324上。進口384與稀釋水或者衝水水源處於可選擇的，可控制的流體連通中。通過進口340和進口384的流速與流出底流出口318和溢流出口372的流速相結合，可限定通過水力分離器300的上流的流速。通過水力分離器300的上流的流速這樣來控制，使得具有較快沉澱速率的顆粒穿過上流向下落入攪動部分324中，在那裡，它們由底流帶走。而同一上流使具有較慢沉澱速率的顆粒上升到溢流出口372。
本發明的水力分離器的可供選擇的第四實施例示於圖10中，並且總地由標號400來表示。水力分離器400包括一個大致圓筒形狀的箱，該箱具有一個圓筒側壁411，該側壁具有一個上端412和一個下端413。下端413由一個底板414封閉起來，以形成一個箱。底板414可以向一個排放管416和一個底流出口418傾斜。
水力分離器400由一個圓周隔板426分成一個層流部分420和一個攪動部分424。隔板426是環形的，並且整個圍繞側壁411的內表面延伸。在圖10所示的本發明的實施例中，從隔板426徑向向內的圓筒形的區域，提供了一個布置在攪動部分420和層流部分424之間的中間或者過渡部分422。隔板426包括一個上壁428和一個下壁430，該上壁和下壁在它們的內稜邊處由一個內壁432連接起來。上壁428，下壁430和內壁432與側壁411配合起來，形成一個稀釋水進口室433。上壁428和內壁432由多個孔434穿過，這些孔434可讓稀釋水或者衝水輸過隔板426，在下面詳細加以描述。
水力分離器400還包括一個與要分離的顆粒的顆粒源流體連通的進口440。該進口440包括一個具有減速件性質的進口箱442，該進口箱442由多個穿孔壁443製成。這些壁中至少一個壁具有實心部分444，懸浮物起初在這裡被導向，如箭頭445所示。懸浮物由一個進口管448引向實心部分444，該進口管448基本上水平地穿過水力分離器400，進入箱442，並且靠近實心部分444。進口440的結構使輸入水力分離器400的顆粒喪失速度和動能，並且開始沉澱下來，然後才進入水力分離器400中的上流。在箱442中的進口管448可以由任何各種適當的裝置支承在水力分離器400中。
水力分離器400還包括布置在水力分離器400上方的變速馬達454。驅動軸456連接在馬達454上，並且向下朝水力分離器400的中部延伸，穿過進口箱442，進入攪動部分424。一個低剪力攪動器458連接在驅動軸456的端部，使得其完全布置在攪動部分424中，並且靠近下表面414。
多個側隔板460布置在攪動部分424中。側隔板460在攪動部分424中控制流體的作用，與就本發明的其他實施例在上面所述的相似。水力分離器400還包括一個布置在水力分離器400的上方的出口通道470。該出口通道470朝溢流出口472傾斜，使得進入出口通道470的顆粒朝溢流出口472向下流動，並且脫離水力分離器400。
在水力分離器400中的上流通過控制流體進入和流出各個部分420，422和424來產生。底流出口418布置在攪動部分424中，讓底流可從水力分離器400排走。設置稀釋水進口484和486來讓稀釋水或者衝水加入水力分離器400中。第一進口484布置得靠近攪動部分424的底壁414。第一進口484可讓稀釋水直接加入攪動部分424中。第二進口486與室433處於流體連通中，使得稀釋水可進入室433，和通過壁428或者432出去，進入中間部分422或者層流部分420。通過每個進口484和486輸入水力分離器400的稀釋水的量，可以根據要分離的顆粒來予以控制。通過進口440，484和486的流量與流出底流出口418和溢流出口472的流量相結合，可限定通過水力分離器400的上流的流速。該上流的流速這樣來控制，使得具有較快沉澱速率的顆粒落入攪動部分424中，在那裡，它們由底流帶走，而使具有較慢沉澱速率的顆粒上升到溢流出口472，在那裡，它們在溢流中被帶走。
因此，用於使快速沉澱的顆粒與慢速沉澱的顆粒分開的改進方法和設備被簡化了，提供了有效，安全，經濟，和高效率地達到所有列舉目的的裝置和方法，為消除在先的裝置和方法所遇到的困難提供了保證，並且解決了本技術領域中的問題和活得了新的結果。
在上面的描述中，為了簡短，明白和理解，採用了某些術語，但是決不是意味著由其帶來超出現有技術要求的不必要的限制，因為這樣的術語僅僅用於描述的目的，應當給予廣義的解釋。
另外，本發明的描述和展示是通過舉例的方式，因而本發明的範圍不限於所展示和所描述的具體細節。
現在既然已經描述了本發明的特徵，發現和原理，其方法和設備的構成和使用方式，結構特點，所獲得的新的和有用的有利結果；新的和有用的結構，裝置，部件，布置，零件和組合限定在附後的權利要求中。
權利要求
1.一種水力分離器，包括一個具有一個上端和一個下端的側壁；一個連接在所述的側壁的所述的下端上的底板，所述的底板關閉側壁的底部，以形成一個箱；一個隔板，其連接在所述的箱上，從而將所述的箱分成一個攪動部分和一個層流部分；所述的攪動部分，其布置在所述的隔板之下；所述的層流部分，其布置在所述的隔板之上；所述箱具有一個第一進口，一個溢流出口，和一個底流出口；所述的溢流出口布置在所述的側壁的所述的上端附近；所述的底流出口布置在所述的側壁的所述的下端附近；所述的第一進口布置在所述的攪動部分之上；一個攪動器，其布置在攪動部分的；用於驅動所述的攪動器的裝置。
2.如權利要求1所述的水力分離器，其特徵在於，它還包括一個布置在所述的隔板的徑向內部的中間部分。
3.如權利要求2所述的水力分離器，其特徵在於，所述的隔板形成一個截錐形的中間部分。
4.如權利要求3所述的水力分離器，其特徵在於，所述的隔板包括一個上壁和一個下壁，所述的下壁基本上垂直於所述的側壁。
5.如權利要求1所述的水力分離器，其特徵在於，所述的隔板是布置得基本上垂直於所述的側壁的平板，所述的平板具有至少一個開孔，所述開孔在所述的攪動部分和所述的層流部分之間提供流體連通。
6.如權利要求1所述的水力分離器，其特徵在於，所述的隔板包括多個隔開的V形件，各V形件基本上垂直於所述的側壁。
7.如權利要求6所述的水力分離器，其特徵在於，每個所述的V形件包括一對在一個稜邊處連接的支腿，所述的支腿從所述的稜邊向下傾斜開來。
8.如權利要求7所述的水力分離器，其特徵在於，所述的V形件彼此平行。
9.如權利要求1所述的水力分離器，其特徵在於，所述的隔板形成一個進口室。
10.如權利要求9所述的水力分離器，其特徵在於，所述隔板包括多個可在所述的進口室和所述箱之間提供流體連通的穿孔。
11.如權利要求10所述的水力分離器，其特徵在於，所述的隔板包括一個與下壁隔開的上壁和連接著所述的上和下壁的內稜邊的內壁。
12.如權利要求9所述的水力分離器，其特徵在於，它還包括一個與所述的進口室處於流體連通的稀釋水進口。
13.如權利要求12所述的水力分離器，其特徵在於，它還包括另外一個與所述的攪動部分處於流體連通的稀釋水進口。
14.如權利要求1所述的水力分離器，其特徵在於，所述的側壁包括由一個一個中間壁連接起來的一個第一側壁和一個第二側壁；所述的第一側壁布置在所述的第二側壁之上；所述的第一側壁的直徑小於所述的第二側壁的直徑；所述的中間壁起所述的隔板的作用。
15.如權利要求14所述的水力分離器，其特徵在於，所述的中間壁基本上垂直於所述的第一和第二側壁。
16.如權利要求1所述的水力分離器，其特徵在於，所述的第一進口包括一個進口管和一個減速件，所述的進口管具有一個布置在所述的減速件附近的進口孔口。
17.如權利要求16所述的水力分離器，其特徵在於，所述的減速件包括一個形成一個進口室的進口側壁，所述的進口管沿著切向連接在所述的進口側壁上。
18.如權利要求17所述的水力分離器，其特徵在於，所述的進口側壁是圓筒形的。
19.如權利要求17所述的水力分離器，其特徵在於，它還包括多個支承件，每個所述的支承件在所述的側壁和所述的進口側壁之間延伸，以便從所述的箱的所述的側壁來支承所述的第一進口。
20.如權利要求16所述的水力分離器，其特徵在於，所述的減速件包括一個基本上平行地布置在所述的進口孔口之下的板。
21.如權利要求20所述的水力分離器，其特徵在於，所述的進口管包括一個垂直部分，所述的板布置在所述的垂直部分之下。
22.如權利要求16所述的水力分離器，其特徵在於，所述的減速件包括一個布置在所述的進口孔口之下的錐形進口板。
23.如權利要求22所述的水力分離器，其特徵在於，所述的進口管包括一個垂直部分，所述的進口板布置在所述的垂直部分之下。
24.如權利要求16所述的水力分離器，其特徵在於，所述的減速件包括一個進口箱，該箱具有至少一個開孔和至少一個實心部分，所述的進口孔口布置在所述的實心部分附近。
25.如權利要求24所述的水力分離器，其特徵在於，所述的進口箱包括多個穿孔壁。
26.如權利要求16所述的水力分離器，其特徵在於，所述的第一進口基本上在所述的箱的徑向中央。
27.如權利要求1所述的水力分離器，其特徵在於，它還包括多個連接在所述的側壁上並且伸入所述的攪動部分中的側隔板。
28.如權利要求27所述的水力分離器，其特徵在於，每個所述的側隔板包括一對在一個稜邊處連接起來的垂直壁，所述的連接稜邊伸入所述的攪動部分中。
29.如權利要求1所述的水力分離器，其特徵在於，所述的用於驅動所述的攪動器的裝置布置在所述的箱的上方。
30.如權利要求29所述的水力分離器，其特徵在於，所述的用於驅動所述的攪動器的裝置包括一個馬達，一個驅動軸，所述的驅動軸穿過所述的層流部分。
31.如權利要求1所述的水力分離器，其特徵在於，所述的攪動器是低剪力攪動器。
32.如權利要求1所述的水力分離器，其特徵在於，它還包括一個布置在所述的側壁下端附近的排放管。
33.如權利要求32所述的水力分離器，其特徵在於，所述的底部向所述的排放管傾斜。
34.如權利要求1所述的水力分離器，其特徵在於，它還包括一個連接在所述的側壁的所述的上端的出口通道，所述的出口通道圍繞所述的側壁的圓周延伸，並且向所述的溢流出口傾斜。
35.如權利要求34所述的水力分離器，其特徵在於，所述的出口通道布置在所述的側壁的徑向外側。
36.如權利要求1所述的水力分離器，其特徵在於，它還包括一個與所述的攪動部分處於流體連通的稀釋水進口。
37.一種在水力分離器中將小顆粒與大顆粒分離的方法，它包括下述步驟將顆粒懸浮物加入水力分離器中，一些顆粒具有較快的沉澱速度，而其他顆粒具有較慢的沉澱速度；將稀釋水加入水力分離器的底部；從水力分離器的上部去掉物料，以便產生上流；控制上流的流速，使得具有較慢沉澱速度的顆粒由上流提升，而具有較快沉澱速度的顆粒穿過上流落下；和從水力分離器的底部去掉具有較快沉澱速度的顆粒。
38.如權利要求37所述的方法，其特徵在於，加入顆粒懸浮物的步驟包括將懸浮物引入上流，使得上流與懸浮物混合，並且由於混合的結果，使大多數的較慢沉澱的顆粒與較快沉澱的顆粒分離。
39.如權利要求38所述的方法，其特徵在於，它還包括在懸浮物已經加入水力分離器中之後立即降低懸浮物速度的步驟。
40.如權利要求39所述的方法，其特徵在於，降低懸浮物速度的步驟包括，使在輸入室中的輸入懸浮物產生渦流和讓懸浮物在與上流混合以前向下移動的步驟。
41.如權利要求39所述的方法，其特徵在於，降低懸浮物速度的步驟包括將懸浮物引向一個板以便降低懸浮物的速度的步驟。
42.如權利要求39所述的方法，其特徵在於，降低懸浮物速度的步驟包括將懸浮物引入一個穿孔箱的實心部分的步驟。
43.如權利要求37所述的方法，其特徵在於，它還包括控制加入稀釋水和懸浮物和控制從水力分離器中去掉物料的步驟，使得上流至少在水力分離器的一部分中是層流。
44.如權利要求37所述的方法，其特徵在於，它還包括在水力分離器的底部聚集較快沉澱顆粒的步驟。
45.如權利要求44所述的方法，其特徵在於，它還包括攪動在水力分離器底部的較快沉澱顆粒的步驟，使得保留在較快沉澱顆粒中的任何較慢沉澱顆粒與較快沉澱顆粒分離，並且由上流帶到水力分離器的上部，在那裡它們被去掉。
46.如權利要求45所述的方法，其特徵在於，它還包括控制攪動器速度的步驟，使得所有的在較下部分的顆粒運動起來，但是僅僅較慢沉澱顆粒由上流從水力分離器的較下部分提升，並且從較下部分向上移動到上部分，在那裡它們被從水力分離器中去掉。
47.如權利要求46所述的方法，其特徵在於，它還包括阻擋在水力分離器底部的物料，以便形成基本環形流型式的步驟，該環形流沿著水力分離器的底板徑向向外，轉為向上，然後徑向向內轉向。
48.如權利要求37所述的方法，其特徵在於，加入顆粒懸浮物的步驟包括將沾染煤灰的石膏懸浮物加入水力分離器的步驟。
49.如權利要求37所述的方法，其特徵在於，它還包括將附加稀釋水加入到水力分離器的底部之上的一個位置的步驟。
50.如權利要求49所述的方法，其特徵在於，加入附加稀釋水的步驟包括通過穿孔壁分散附加稀釋水的步驟。
全文摘要
一種用於根據沉澱速度的不同來分離顆粒的水力分離器,其包括圓筒形的側壁,該側壁由一個底板在其下端封閉起來。水力分離器由一個圍繞側壁的內部延伸的隔板來分成至少兩個部分。一個進口布置在水力分離器的中央,稍稍高於隔板,使得被加入水力分離器的要被分離的物料落入水力分離器的完全由隔板包圍的部分中。一個攪動器設置在水力分離器的下部分。
文檔編號B03B5/66GK1265341SQ99122299
公開日2000年9月6日 申請日期1999年11月10日 優先權日1998年11月17日
發明者R·馬克·戈萊特利, 菲利普·G·摩根, 詹姆斯·H·威廉, 約翰·W·科來奇 申請人:第一能源風險投資公司, 科丹合夥公司, 德拉沃·利姆公司