具有軸向渦流分離器和分析器的裝置的製作方法
2023-05-24 19:43:11 2
專利名稱：具有軸向渦流分離器和分析器的裝置的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及油回收裝置的領域。更具體地，本發明涉及一種軸向渦流分離器(voraxial separator)和分析器裝置，用於從水中分離和回收油，例如在油輪裝載的油溢出後，並用於從工業雜質中分離和回收純淨水。該裝置包括一個混合流體流通管，該管包含被稱為旋轉加速葉片的第一組旋轉葉片，該組葉片連接到葉片旋轉裝置。該組旋轉加速葉片被定向為繞該管的縱向軸向管中的混合流體傳遞角加速度以達到給定旋轉速度，在該速度下構成混合流體的成分流體依照它們的密度分離為徑向層化的分層。被稱為旋轉保持葉片的第二組旋轉葉片有創造性地設置在旋轉加速葉片的管的下遊內，該組葉片優選地提供僅夠保持分層的成分流體旋轉的角向力，該旋轉要克服管壁的摩擦力和流體粘性，從而防止轉變為較低的角速度而產生的湍流，該湍流會導致流體層化的部分損失。
本發明的第二主要特徵是提供一種分析器系統，該分析器系統包括使兩個電機和兩個系統成為一體的集成裝置。提供有一個與計算機監視器相連的反饋迴路和旋轉流體的方法。轉速計與所述組旋轉保持葉片相連以便測量流體旋轉速率，並用電線連接在反饋迴路中。
背景技術：
每年從油井獲得數百萬加侖的珍貴的燃料油，但是大量的泥渣和水經常混入這種燃料油中並且必須從油中分離以便使油可以使用。世界上的一些地方，飲用水供應不足並且必須從雜質中分離出來。飲用水的主要汙染源為混入在金屬表面處理和其他化學浸蝕處理過程中使用的清洗水中的化學物和顆粒物質。這樣的雜質的分離意味著經濟負擔並且更多的是珍貴的飲用水的損失。在歐洲，使用現有淨化方法例如離子交換系統的水廠和水處理工廠的不斷增長的成本已經成為政府和工業界的主要關注點。進入供水系統的工業廢水和燃料也已對沿海魚場有嚴重的環境和經濟影響。為了快速淨化、獲得和貯存純淨水並回收損失的燃料和其他可再利用的汙染物，水和汙染物的混合物必須從貯水池中抽出並分離。能夠實現這一分離的軸向渦流分離系統在授予本申請人的美國專利5,084,189中被公開。本發明的分離器的很多詳細說明在美國專利號5,084,189中被描述，該美國專利作為參考包含於本文。然而，這種在先分離器的局限性在於，隨著角加速和徑向的成分層化而由轉變到較低的旋轉速度而產生的流動流內的湍流，該湍流引起層化分層之間的某些混合。
因此本發明的一個目的是提供一種混合流體分離裝置，該裝置通過介質的離心加速度和分層來分離由包括不同密度的雜質的一種或多種成分流體組成的混合流體介質，這種分離通過由一組旋轉加速葉片給予的力引起以便使該介質在混合流體流通管中沿軸線旋轉，產生作用在介質體上的力渦流，轉而使旋轉介質相應於它們各自的密度在不同的半徑上分離為它的成分流體和雜質，被分離的介質沿圓柱形管被軸向傳送並用徑向定位的管入口被分離。較輕的流體通過自由渦流作用和柏努利(Bernoulli)壓力沿旋轉介質的中心軸被推動入緊密的圓柱形流，同時較重顆粒沿旋轉介質的外部半徑旋轉。
本發明的又一個目的是提供這樣一種裝置，除了為了從流動流中單獨去除成分流體而軸向渦旋地加速和層化成分流體，該裝置還克服減速湍流保持所需要的層化速度直到成分流體去除完成。
本發明的又一個目的是提供這樣一種裝置，該裝置通過使用相連於計算機的傳感器和反饋迴路，自動監視並控制引起和保持流體分離所需的旋轉加速度和保持葉片速度。
本發明的又一個目的是提供這樣一種裝置，該裝置包括傳感器和檢測裝置用以監視在雜質流出管和流體流出管中的雜質的濃度。
本發明的又一個目的是提供這樣一種裝置，該裝置提供一種監視在不同的徑向分離層中未分離的流體量的方法，此目的包括還計算反饋信號以便正確地確定和控制分離器的旋轉速度並實現最大程度的分離結果。
本發明的又一個目的是提供一種監視未分離的流體量的方法，並計算反饋信號以便控制排出閥、從而通過在分離前將空氣噴入介質而改變介質的密度。空氣流用來改變中心分離的流體流的密度，從而使較大密度流體到中心流的損失最小化。
為了成分回收和去除的目的，本發明的又一個目的是提供這樣一種裝置，該裝置有效地分離雜質流體的各種成分，例如混入泥、油和粘土的水，該目的還把這些成分區分為不同的密度，從而這些成分可以從流體流中去除。
為了成分回收和去除的目的，本發明的又一個目的仍是提供這樣一種裝置，該裝置依靠計算機化的分析器系統，該系統有效地分離雜質流體中的不同成分。
為了成分回收和/或去除的目的，本發明最後的一個目的是提供這樣一種裝置，該裝置依靠具有計算機化的分析器系統的反饋迴路，該分析器系統有效地確定雜質流體的不同成分的濃度。
本發明的以上和其他目的通過提供以下結構而實現一個軸流式泵，用於分離具有不同比重的不相溶的流體，以及與該流體泵相連的流體排出歧管，用於吸出具有較大比重的流體；一個附著於進入分離器的入口流的傳感器；一個附著於分離器的出口流的傳感器；一個附著於中心的較輕流體排出歧管的傳感器；來自傳感器的信號產生裝置；用於把產生在傳感器中的信號傳送給信號處理分析器並計算反饋控制信號的裝置；使用所計算的反饋信號以精確地控制分離器的速度和進入分離器的空氣量的裝置。
本發明是一種裝置，用於有效並可靠地分離流體中的成分，該裝置還具有內置的集成分析器，用以確定被分離的流體的每個成分的濃度。本發明的目的在於藉助軸向渦流分離器分離流體中不想要的成分並用完整的集成控制系統分析被分離的成分。本發明具有一體化和完整系統的優點，這樣的系統在一個單元內有分析器和軸向渦流分離器的所有的部件。該裝置由獨特設計的軸向渦流分離器組成，這種分離器依靠流體的自由旋轉而不是流體的強制旋轉，因此不受市場上通用的離心分離器的各種流體動力限制，該裝置還包括傳感器探針，其中傳感器探針通過探針的密度變化依靠電磁輻射的變化散射區域；一個通過光纖電纜接收電磁輻射的裝置；和一個計算流體在給定橫截面的密度範圍的裝置；和一個用以適當地控制軸向渦流分離器的分離速度的電機控制器裝置。根據在先技術的現有裝置的一個有區別的設計是使用特殊設計的導向表面和特殊形狀的葉片，用以在分離階段推動和控制流體的離心流。
發明內容
本發明實現上述和其他的目的，本發明可以通過清楚的閱讀和理解整個說明書來確定。
提供了一種軸向渦流分離器和分析器裝置，包括一個混合流體流通管，該管具有一個管上遊部分和一個管下遊部分；一個旋轉加速葉片結構可旋轉地安裝在管上遊部分內並被定向為繞管的縱向軸向管內的混合流體傳遞角加速度，用於按成分密度的順序把流體分離為管內的徑向分層的成分層並推動流體流向並經過管下遊部分；加速葉片驅動機構，可驅動地連接到旋轉加速葉片結構；旋轉保持葉片結構，可旋轉地安裝在管下遊部分並被定向為繞該管的縱向軸向管內的混合流體傳遞角加速度，用於通過旋轉加速葉片結構克服摩擦損失傳遞旋轉速度而保持流體的旋轉速度；和保持葉片驅動機構，可驅動地連接到旋轉保持葉片結構。
此外，該裝置優選地包括一個在旋轉保持葉片結構的管下遊部分中的第二旋轉保持葉片結構。旋轉加速葉片結構可選擇地包括一個皮帶驅動的葉輪。旋轉保持葉片結構可選擇地包括一個皮帶驅動的葉輪。
此外，該裝置優選地包括一個延伸進入旋轉加速結構的管的下遊流體探測器，該探測器被安置以便在管內不同的徑向位置檢測流體的成分並產生探測信號，和一個流體分析器計算機，該計算機接收並分析探測信號並顯示流體成分信息。
此外，該裝置還優選地包括一個控制加速葉片驅動機構的旋轉速度的第一速度控制機構；和一個控制保持葉片驅動機構的旋轉速度的第二速度控制機構；一個反饋迴路機構，使流體分析器計算機機構、第一速度控制機構和第二速度控制機構相互連接；從而流體分析器計算機使第一速度控制機構改變旋轉加速葉片結構的旋轉速度，以便實現和保持徑向分層成分的分離，並改變旋轉保持葉片結構的旋轉速度，以便用自動控制和反饋而實現和保持從旋轉加速葉片結構排出的流體的旋轉速度。
對於本領域技術人員來說，本發明的各種其他目的、優點和特徵將結合下列附圖從下列討論中變得清楚。圖中圖1是完整裝置的透視圖，主要表示外殼的外部、入口部分和控制器。
圖2是去掉前面外殼壁的外殼的透視圖，用以顯示軸向渦流管、旋轉加速和保持葉片結構。
圖3是如圖1中的裝置的透視圖，從相對的排出側表示。
圖4是軸向渦流分離裝置，包括具有吸進和輸出管末端凸緣的軸向渦流管並表示旋轉加速和保持葉片結構以及驅動裝置，還表示層式可去除管和一個探測器。
圖5是另一個軸向渦流分離裝置的透視圖，表示兩個探測器、旋轉加速葉片結構的一個下遊和旋轉保持葉片結構的另一個下遊。
圖6是該裝置的一個透視圖。
圖7是該裝置去除外殼頂部的又一個透視圖，用以顯示軸向渦流分離組件的一部分。
圖8是軸向渦流管和探測光反射鏡和透鏡以及層式可去除管的一部分的截面圖。
圖9是軸向渦流分離組件的不同的透視圖，顯示旋轉加速和保持葉片結構、兩個探測器、光纖纖維和兩個層式可去除管。
圖10是旋轉葉片結構之一的解剖透視圖。
圖11是圖10的結構的另一個透視圖。
圖12是該結構去除外殼前壁的透視圖。
圖13是一個操作流程圖。
圖14是一個操作流程圖。
具體實施例方式
按要求，這裡揭示本發明的具體實施例；然而，應該明白所揭示的實施例只是本發明的範例，而本發明可以以各種形式體現。因此，這裡所揭示的具體結構和功能的細節不是作為限制所解釋，而是僅僅作為權利要求的基礎並作為教導本領域技術人員本質上在任何適當的具體結構中不同地應用本發明的典型基礎。
現在參考附圖，其中各個附圖中所示的相似的本發明的特性和特徵用相同的參考數字標明。
第一優選實施例參考圖1-14，揭示了軸向渦流分離器和分析裝置10。裝置10包括一個混合流體通過的軸向渦流管20，該軸向渦流管包含一個被稱為旋轉加速葉片部件22的第一組旋轉葉片，該組葉片與旋轉裝置24相連。該組旋轉加速葉片部件22被定向，以便沿管20的縱向軸線把角加速度傳遞給管20中的混合流體、使混合流體達到給定的旋轉速度，在該速度下構成混合流體的各成分流體分離進入徑向的層化分層。該組旋轉加速葉片部件22也傳遞直線的軸向速度給混合流體以便當混合流體被分離時推動它通過管20。被稱為旋轉保持葉片部件32的第二組旋轉葉片富有創造性地設置在該組加速葉片部件22的下遊管20內。旋轉保持葉片部件32優選地提供僅僅足夠保持分層的成分流體旋轉的角向力，該旋轉要克服管壁的摩擦力並克服由流體粘性引起的流體的內摩擦，從而防止轉變為較低旋轉速度而產生的湍流，該湍流導致流體層化的部分損失。若缺少旋轉保持葉片部件32，那麼流體流將達到瞬態流動的一點，即遠於加速葉片的特定距離，在該位置會導致以角減速度和層化分層之間的交叉流動的形式的倒流，引起和產生結合的湍流。因此，用旋轉保持葉片部件32提供從強制渦流到自由渦流的無湍流的瞬態流動。如需要保持分層速度和防止減速湍流，另一組旋轉保持葉片(未示)可選擇地定時地設在更遠的下遊，這取決於管20的長度。如上所述，該組旋轉加速葉片和一組或多組旋轉保持葉片每個都優選為皮帶從動葉輪，但也可以採用其他形式。
本發明的第二主要特徵是提供一個分析儀和反饋系統，它包括使兩個電機和兩個系統成為一體的集成裝置。提供有一個與計算機監視器相連的反饋迴路和旋轉流體的方法。轉速計與該組旋轉保持葉片相連以便測量流體旋轉速率，並用電線連接在反饋迴路中。
裝置10包括外殼12，該外殼設計為滿足石化和化學加工廠的防火要求。外殼12把裝置10的所有元件保持在密封環境中。設置清洗氣體入口42使包括管20的裝置10的元件的內部被清洗並在電力與裝置10的元件相連之前清除所有爆炸性氣體。在石化工廠中，這種清除可以當電力供給到裝置10時不引起爆炸的危險的情況下允許裝置10被使用。清洗氣體被控制在大於大氣壓力的固定的輸入壓力，從而在裝置10的初始操作中，通過裝置10的內部引入惰性氣體如氮氣，並使惰性氣體清除和置換可能聚集在裝置10內部的任何雜質氣體。設置第二清洗出口44用以去除裝置10內部的雜質氣體。這樣，在清洗口42和44之間確立了在操作過程中用來清洗裝置10的穩定的氣流。
裝置10具有流體入口52，用來接收用於軸向渦流分離的任何可流動的流體F。入口52可以是工業中標準設計的螺栓-法蘭連接。入口52是與軸向渦流管20的入口相連的連接部件。軸向渦流管20設計為允許流體F非常平滑的流動，所以在流動流體中產生儘可能小的湍流。導向錐56使流體加速進入流體驅動外殼12。
在操作中，流體入口52與被加工並分離的流體貯存器的進氣管(未示)相連。軸向渦流管20的一部分密封地相連於較大的流體驅動外殼62。在流體驅動外殼62內部，一個加速葉片部件22設計為由流體驅動加速葉片電機36驅動。加速葉片部件22經過一組中心密封軸承64相對流體驅動外殼62而旋轉。電機36通過齒輪(未示)或細摩擦皮帶72與葉片部件22的旋轉驅動凸緣66相連。電機36驅動皮帶72，然後皮帶把旋轉能量傳給加速葉片部件22。葉片部件22與軸向渦流管20內的流體相連。加速葉片部件22的旋轉速度由連接在驅動凸緣66的轉速計74來測量。力矩傳感器76也設置在驅動凸緣66上用以確定按給定旋轉速度通過加速葉片部件22旋轉流體和其成分所需的力矩。
加速葉片部件22與流體F結合，產生一個快速牽引流體通過葉片部件22的低壓渦流。由於作用在流體成分A-C上的離心力，流體F的快速旋轉導致流體和其成分的不受阻礙按密度差別而徑向分離。流體成分A、B和C表示流體F成分的極限密度範圍。因為流體的旋轉是強制旋轉，所以由流體F經歷很陡的密度梯度，致使流體F中較重的成分向軸向渦流管20的外圍移動，同時較輕的成分被推向軸向渦流區域的中心。強制渦流結構僅發生在流體在加速葉片部件22中被推動並旋轉時。當允許自由渦流被形成並保持在加速葉片部件22的下遊時，情況變得明顯的不同。在強制渦流尾部的下遊僅僅幾釐米處，自由渦流開始形成並且流體作為自由渦流開始變得動態穩定。雖然純淨的流體具有恆定的密度，但是壓力區域發展從而在自由渦流中產生中心低壓區域。然後，自由渦流開始把較重顆粒和流體成分牽引到軸向渦流管22的中心。第一採集管82去除流體中大部分的較重成分，過濾流體F中大約百分之99.9的固體和較重的液體成分。在過濾以後，流體F基本上脫離比該流體密度更重的大部分固體和化學成分。然後，清洗流體流進入保持葉片部件32。保持葉片部件32基本上為與加速葉片部件22相似的設計，並由電機38所驅動。然而，保持葉片部件32的旋轉速度被非常好地控制以便和流體F的自由旋轉速度相配。
在通常的離心分離機中，從強制渦流區域到自由渦流區域的過渡引起一些湍流，該湍流會使較濃成分的過渡區域變得不穩定。於是，本裝置10有利地設計為通過以下方法解決這一問題首先用加速葉片部件22在流體F上應用離心機技術，然後迅速地使保持葉片部件32脈動以便把旋轉向量傳給流體F，從而在每個脈動過程中，流體F的旋轉能量的摩擦損失通過由保持葉片部件32傳給在流體F上的能量而被補償。取代建立在加速葉片部件22下遊的湍流，保持葉片部件32使流體保持自由渦流結構而沒有曾經進入保持葉片部件32的過渡區域。這樣更好的分離總由裝置10保持。裝置10裝備有一個計算機和分析器系統100，該系統接收來自加速葉片部件22和保持葉片部件32的信息，然後由從轉速計74和力矩傳感器76接收的數據來計算並控制電機36和電機38的旋轉速度。這樣，通過減小保持葉片部件32的旋轉速度以便精確地和已由加速葉片部件22在強制渦流中傳遞的流體的旋轉相匹配，葉片部件22不會把除了克服摩擦損失所需的能量之外的任何能量傳給到該流體。於是，計算機分析器系統100用來僅僅按理想的分離速度驅動流體F，同時使在流體F上的強制渦流條件最小化。於是，從強制渦流到自由渦流的過渡或轉變被相當大地最小化。這也使裝置10的分離效率最大化。另外，加速葉片部件22也可以被控制為僅傳給旋轉能量以補償摩擦損失。因此，在流體F初始的快速旋轉之後，流體本質上以自由渦流模式旋轉。
為了確定分離的精確性，光纖探測器110連接在軸向渦流管20的側壁以便確定正在被分離的流體成分的濃度。近紅外線(NIR)光由包含在裝置10的分光光度計或分光計112所產生。光L通過雙向光纖電纜112傳送到光纖探測器110。光纖探測器110包括管狀外殼114，該外殼容納聚焦透鏡116和118。光L通過光纖探測器110，並由透鏡116和118被校準並通過流體F投影在不鏽鋼反射鏡130上。反射鏡130通常在軸向渦流管20上沿直徑正相對於光纖探測器110安裝。當光L穿過流體F時，在那個位置特定的光譜被流體F所吸收。然後該光譜由計算機分析器系統100所使用以確定呈現在那個位置的流體成分的濃度。被反射的光L又被雙向光纖電纜112所獲得並傳送到分光攝譜儀112。於是通過計算機分析器100能夠確定在流體F的掃描點的譜特徵。優選的計算機分析器100在授予安東尼的美國專利號5,489,900中被描述。光纖探測器110也在授予安東尼等人的美國專利號5,044,755中被描述。這兩個在先專利的揭示內容作為參考包含在本申請中。因此分離過程的效率可以由單一的一體化裝置10精確地確定，如本發明中所描述的。
雖然本發明已經以各種術語或假設在實際的特定實施例或修改來描述、揭示、解釋並表示，但並不想也不認為是由此限制本發明的範圍，並且尤其當由本文的教導所啟示的其他的修改或實施例落入下面的權利要求的廣度和範圍內，它們也將涵蓋於本發明。
權利要求
1.一種軸向渦流分離器和分析器裝置，該裝置包括一個混合流體流通管，該管具有一個管上遊部分和一個管下遊部分；旋轉加速葉片裝置，可旋轉地安裝在所述管上遊部分內並被定向為繞所述管的縱向軸向所述管內的混合流體傳遞角加速度，用於按成分密度的順序在所述管內把流體分離為徑向分層的成分層，並推動流體流向並經過所述管下遊部分；加速葉片驅動裝置，可驅動地連接到所述旋轉加速葉片裝置；第一旋轉保持葉片裝置，可旋轉地安裝在所述管下遊部分並被定向為繞所述管的縱向軸向所述管內的混合流體傳遞角加速度，用於通過所述旋轉加速葉片裝置克服摩擦損失傳遞旋轉速度而保持流體的旋轉速度；以及保持葉片驅動裝置，可驅動地連接到所述第一旋轉保持葉片裝置。
2.如權利要求1所述的裝置，還包括位於所述第一旋轉保持葉片裝置下遊的所述管下遊部分內的第二旋轉保持葉片裝置。
3.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述旋轉加速葉片裝置包括一個皮帶傳動葉輪。
4.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述旋轉保持葉片裝置包括一個皮帶傳動葉輪。
5.如權利要求1所述的裝置，還包括流體探測器裝置和流體分析器計算機裝置，其中該流體探測器裝置延伸進入所述旋轉加速裝置的所述管的下遊，並安置為用於在所述管內的多個徑向位置檢測流體的成分並產生探測信號，該流體分析器計算機裝置接收並分析所述探測信號並顯示流體成分信息。
6.如權利要求5所述的裝置，還包括控制所述加速葉片驅動裝置的旋轉速度的第一速度控制裝置；控制所述保持葉片驅動裝置的旋轉速度的第二速度控制裝置；相互連接所述流體分析器計算機裝置、所述第一速度控制裝置和所述第二速度控制裝置的反饋迴路裝置；從而所述流體分析器計算機裝置使所述第一速度控制裝置改變所述旋轉加速葉片裝置的旋轉速度，以便實現和保持徑向分層成分的分離，並改變旋轉保持葉片裝置的旋轉速度，以便用自動控制和反饋實現和保持由所述旋轉加速葉片裝置產生的所述流體的旋轉速度。
7.如權利要求5所述的裝置，其特徵在於，所述流體探測器裝置包括一個光纖探測器和一個與所述光纖探測器相連的分光光度計，以及雙向光纖電纜和一個位於所述管內相對於所述光纖探測器的反射器元件；從而所述分光光度計產生光，並且光通過所述雙向光纖電纜到達並通過所述流體而到達所述反射器元件，因此光中的特定光譜被流體吸收，並且剩餘的光由所述反射器元件反射到所述光纖探測器，用以由所述流體分析器計算機裝置分析。
全文摘要
一種軸向渦流分離器和分析器裝置，包含一個混合流體流通管(20)，該管(20)具有上遊旋轉加速葉片部件(22)，可旋轉地安裝在管(20)內並定向為向管(22)內的混合流體傳遞角加速度，用於按成分密度的順序把流體在管(22)內分離為徑向分層的成分層並推動流體經過管(20)的下遊；第一葉片驅動機構(62)，可驅動地連接到葉片部件(22)；下遊旋轉保持部件(32)，可旋轉地安裝在管(20)內並定向為繞該管的縱向軸向管(22)內的混合流體傳遞角加速度，用於保持流體的旋轉速度；和第二葉片驅動機構(62)，可驅動地連接到旋轉保持葉片部件(32)。
文檔編號B01D17/038GK1516612SQ01823190
公開日2004年7月28日 申請日期2001年4月27日 優先權日2001年4月27日
發明者阿爾貝託·迪貝拉, 麥可·M·安東尼, M 安東尼, 阿爾貝託 迪貝拉 申請人:軸向渦流環保技術公司