Настоящее изобретение относится к сепарационной системе, предназначенной для очистки воды, которая загрязнена как органическими, так и неорганическими материалами. В одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к вращающемуся сосуду высокого давления, который отделяет твердые частицы от жидкостей с высокой производительностью. В другом варианте осуществления настоящее изобретение относится к сепаратору, который разделяет текучие среды и реагирует на радикальные скачки нагрузки.
Очистка воды представляет собой традиционную деятельность, целью которой является получение как питьевой воды, так и воды для промышленного применения. С развитием индустриализации очистка воды приобретает новое важное значение, поскольку использование воды для промышленного водоснабжения, как правило, предусматривает сброс загрязненной воды в окружающую среду. По мере того, как возрастает забота об окружающей среде, для воды, сбрасываемой в окружающую среду, устанавливаются все более высокие стандарты. Таким образом, предпринимаются все большие усилия для обеспечения способов обработки воды с целью существенного уменьшения количества как растворенных загрязняющих веществ, так и грубодисперсных примесей.
Один вариант очистки воды, который связан с особенно большими затратами времени и/или фондоемкостью, - это отделение жидкостей от твердых частиц. Традиционно использовались отстойные пруды, или сгустители, в которых обеспечивались возможность нахождения большого объема воды, содержащей твердые частицы, в спокойном состоянии. При наличии силы тяжести, действующей на смесь, твердые частицы, даже те, которые находятся в режиме стоксовского течения, будут отделяться от жидкости.
Один недостаток, связанный с использованием сгустителей, заключается в том, что они должны быть исключительно большими, чтобы обеспечить какую-либо существенную пропускную способность для потока. Таким образом, они не могут применяться на городских территориях плотной застройки, где необходимость в таких системах очистки воды часто является самой большой. Поэтому были разработаны сгустители, которые обеспечивают возможность поступления непрерывного потока содержащей твердые частицы жидкости в центр сгустителя с получением очищенной жидкости, находящейся на поверхности, и уплотненного осадка. Уплотненный осадок, выходящий из нижней части сгустителя, как правило, содержит воду в количестве, которое составляет от 10 до 30 процентов от всей воды, подаваемой в сгуститель.
Традиционные сгустители были усовершенствованы приблизительно в последнее десятилетие с появлением высокопроизводительного сгустителя. Высокопроизводительный сгуститель имеет центральную распределительную камеру, которая проходит ниже уровня ила материала нижнего продукта. Соответственно, вся вода, поступающая в сгуститель, должна проходить через осадок, который служит в качестве фильтрующего материала. При использовании осадка в качестве фильтра увеличиваются скорости отделения твердых веществ от жидкости, хотя только на некоторую величину по отношению к традиционным сгустителям. Кроме того, высокопроизводительные сгустители также должны быть очень большими, и, следовательно, они также занимают большую площадь, что делает их неприменимыми во многих ситуациях.
В данной области техники существует необходимость в системе для очистки текучей среды, содержащей твердые частицы, которая позволяет преодолеть проблемы, связанные с потребностями в пространстве и низкими скоростями отделения твердых частиц от текучей среды и с которыми сталкивались при использовании систем согласно известному уровню техники. Такое устройство, система и способ раскрыты и заявлены здесь.
Другой вариант сепарации связан с системами для разделения жидкостей, такими как системы для разделения масла и воды из отстойника в механическом цехе или из моечного отсека для поездов или автобусов и т.д. Другие системы разделения жидкостей используются в пищевой промышленности, где возникает необходимость в разделении масла и воды. Одной из проблем систем согласно известному уровню техники является воздействие скачков нагрузки, таких как резкое колебание уровня масла или воды при операции очистки, которое нарушает баланс соотношения масла и воды в смеси, подаваемой в сепаратор. Несмотря на то, что можно управлять сепаратором таким образом, чтобы предотвратить попадание одного компонента не в тот выходной поток, невозможно проконтролировать катастрофический выброс одного или другого компонента.
Другая сложная задача, стоящая перед системами разделения текучей среды, - это разделение двух несмешиваемых жидкостей, плотности которых отличаются приблизительно на 5% или меньше. Из-за того, что плотности очень близки друг к другу, сепарация существенно затрудняется.
Таким образом, в данной области техники существует необходимость создания сепаратора для разделения текучей среды, который позволяет преодолеть проблемы, связанные с известным уровнем техники.
Поставленная задача достигается посредством сепаратора для разделения текучей среды, включающей тяжелый компонент и легкий компонент, содержащий сосуд, имеющий периферийную стенку, ограничивающую камеру, при этом сосуд выполнен с возможностью вращения вокруг оси вращения, проходящей через сосуд, камера сообщается с входом и первым выходом, множество ребер, расположенных внутри камеры, выпускную трубу, расположенную вдоль, по меньшей мере, части оси вращения сосуда, при этом, по меньшей мере, часть выпускной трубы имеет первый конец, расположенный внутри камеры, и противоположный второй конец, сообщающийся по текучей среде с пространством, наружным по отношению к сосуду, отводную трубу, расположенную внутри камеры, при этом отводная труба имеет первый конец, сообщающийся по текучей среде с выпускной трубой, и противоположный второй конец, ограничивающий второй выход для камеры сосуда, при этом второй выход расположен на некотором расстоянии от оси вращения, первый выход расположен ближе к оси вращения, чем второй выход, так что во время использования граница раздела текучих сред, определяющая в основном разделение между легким компонентом и тяжелым компонентом, образована между первым выходом и вторым выходом, когда текучая среда вращается внутри сосуда, и средства установки давления текучей среды легкого компонента или тяжелого компонента относительно давления текучей среды другого легкого компонента или тяжелого компонента таким образом, чтобы контролировать расположение границы раздела между первым и вторым выходом.
Сепаратор дополнительно содержит первый диск, расположенный внутри камеры, при этом первый диск выступает наружу так, что он пересекает каждое из множества ребер, причем первый диск выступает радиально наружу по существу перпендикулярно оси вращения.
Сепаратор дополнительно имеет множество перфорационных отверстий, проходящих сквозь первый диск.
При этом первый диск имеет периферийный край с множеством образованных на нем канавок. Первый диск может быть расположен рядом с отводной трубой.
Сепаратор дополнительно содержит множество дисков, расположенных на определенном расстоянии друг от друга внутри камеры, при этом каждый диск выступает радиально наружу от оси вращения по существу перпендикулярно оси вращения так, что он пересекает каждое из множества ребер.
Предпочтительно, отводная труба в сепараторе выступает радиально наружу от выпускной трубы так, что она проходит по существу перпендикулярно выпускной трубе.
Сепаратор дополнительно содержит множество отводных труб, выступающих наружу от выпускной трубы внутри камеры, при этом каждая отводная труба имеет первый конец, сообщающийся по текучей среде с выпускной трубой, и противоположный второй конец, ограничивающий второй выход, причем каждый второй выход расположен на некотором расстоянии от оси вращения.
Предпочтительно, в сепараторе каждое из множества ребер имеет наружный край, при этом, по меньшей мере, часть каждого наружного края расположена рядом с периферийной стенкой с тем, чтобы образовать множество отдельных каналов для потока.
Сепаратор дополнительно содержит сосуд, имеющий экватор с максимальным диаметром окружности, окружающей ось вращения, и канал, проходящий между, по меньшей мере, двумя из отдельных каналов для потока у экватора.
Предпочтительно, камера в сепараторе может иметь по существу сферическую конфигурацию или конфигурацию двойного усеченного конуса.
Сепаратор дополнительно имеет отверстие, образованное на первом конце выпускной трубы, при этом отверстие обеспечивает сообщение по текучей среде между камерой и выпускной трубой.
Предпочтительно, сосуд выполнен с возможностью работы под давлением в диапазоне от приблизительно 6,90х104 Па до приблизительно 6,90х105 Па.
Средства установки давления текучей среды в сепараторе содержат клапан, приводимый в действие давлением в системе и соединенный с первым выходом сосуда. Причем средства установки давления текучей среды содержат первый клапан, соединенный с выпускной трубой, второй клапан, соединенный с выпускным каналом, при этом выпускной канал сообщается по текучей среде с первым выходом, первый датчик давления, сообщающийся с выпускной трубой перед первым клапаном, при этом первый датчик давления электрически соединен с первым клапаном, и второй датчик давления, сообщающийся с выпускной трубой перед первым клапаном, при этом второй датчик давления электрически соединен со вторым клапаном.
Первый клапан и второй клапан выполнены с возможностью поддержания перепада давлений между ними.
Предпочтительно, средства установки давления текучей среды содержат первый клапан, соединенный с выпускной трубой, второй клапан, соединенный с выпускным каналом, при этом выпускной канал сообщается по текучей среде с первым выходом, первый датчик давления, сообщающийся с выпускной трубой перед первым клапаном, второй датчик давления, сообщающийся с выпускным каналом перед вторым клапаном, устройство управления, электрически соединенное с первым клапаном, вторым клапаном, первым датчиком давления и вторым датчиком давления.
Предпочтительно, вход расположен у первого конца сосуда и первый выход расположен на противоположном втором конце сосуда, а ось вращения проходит через, по меньшей мере, часть входа и первый выход.
Каждое из множества ребер расположено в соответствующей плоскости, которая проходит через ось вращения или смещена от оси вращения, причем каждое ребро расположено по существу параллельно оси вращения.
Поставленная задача достигается также посредством способа разделения многокомпонентной смеси текучих сред, включающего подачу смеси текучих сред в камеру сосуда через впускной канал таким образом, что смесь текучих сред находится под давлением внутри камеры, при этом камера, по меньшей мере, частично ограничена периферийной стенкой и сообщается с выпускным каналом, причем смесь текучих сред содержит тяжелый компонент и легкий компонент, вращение сосуда вокруг оси вращения, проходящей через сосуд, так что тяжелый компонент скапливается у периферийной стенки сосуда радиально снаружи от оси вращения, а легкий компонент скапливается в направлении оси вращения, причем граница раздела текучих сред образуется между легким компонентом и тяжелым компонентом, при этом множество ребер, расположенных внутри камеры, выступают наружу относительно оси вращения, так что, по меньшей мере, часть смеси текучих сред расположена между множеством ребер в процессе вращения сосуда, удаление легкого компонента через выпускной канал, причем легкий компонент имеет положительное давление текучей среды, по меньшей мере часть выпускного канала проходит вдоль или окружает ось вращения, удаление тяжелого компонента через канал, расположенный внутри камеры, при этом канал проходит от тяжелого компонента к оси вращения и наружу из сосуда, причем тяжелый компонент имеет положительное давление текучей среды, по меньшей мере часть выпускного канала проходит вдоль или окружает ось вращения, и избирательное регулирование положительного давления текучей среды удаленного легкого компонента или удаленного тяжелого компонента, основанное на положительном давлении текучей среды другого удаленного легкого компонента или удаленного тяжелого компонента для контроля расположения границы раздела текучих сред относительно оси вращения сосуда.
Способ дополнительно включает удаление легкого компонента по существу непрерывно из вращающегося сосуда и удаление тяжелого компонента периодически из вращающегося сосуда.
Способ дополнительно включает удаление легкого компонента по существу непрерывно из вращающегося сосуда и удаление тяжелого компонента по существу непрерывно из вращающегося сосуда.
Предпочтительно, подача смеси текучих сред в камеру включает подачу более тяжелого компонента, содержащего твердые частицы.
Способ дополнительно включает повышение давления смеси текучих сред внутри камеры, а также прохождение по существу всей смеси текучих сред между периферийным краем диска, выступающего наружу от оси вращения, и периферийной стенкой.
Поставленная задача достигается также посредством способа разделения смеси жидкость - жидкость, включающего подачу смеси жидкость - жидкость в камеру сосуда, при этом смесь жидкость - жидкость включает тяжелый компонент и легкий компонент, сосуд имеет вход, выход для легкого компонента и выход для тяжелого компонента, первый клапан, регулирующий поток легкого компонента через выход для легкого компонента, и второй клапан, регулирующий поток тяжелого компонента через выход для тяжелого компонента, вращение сосуда вокруг оси вращения, проходящей через сосуд, в процессе подачи смеси жидкость - жидкость в камеру, так что тяжелый компонент скапливается у периферийной стенки сосуда радиально наружу от оси вращения и более легкий компонент скапливается в направлении радиальной оси, настройку первого клапана таким образом, чтобы легкий компонент выходил через него при первом давлении, и настройку второго клапана таким образом, чтобы тяжелый компонент выходил через него при втором давлении, при этом второе давление отличается от первого давления, так что внутри камеры на некотором радиальном расстоянии от оси вращения образуется граница раздела между тяжелым компонентом и легким компонентом.
Способ дополнительно включает управление открытием и закрытием первого клапана и второго клапана так, чтобы граница раздела поддерживалась в пределах некоторого диапазона расстояний от оси вращения при изменении соотношения тяжелого компонента и легкого компонента, поступающих в сосуд.
При этом управление открытием и закрытием первого клапана и второго клапана включает управление открытием и закрытием первого клапана и второго клапана только на основе давления тяжелого компонента текучей среды.
Предпочтительно, управление открытием и закрытием первого клапана и второго клапана включает управление открытием и закрытием первого клапана и второго клапана только на основе давления легкого компонента текучей среды.
Также управление открытием и закрытием первого клапана и второго клапана включает непрерывное измерение давления легкого компонента и тяжелого компонента текучих сред.
Способ дополнительно включает пропускание тяжелого компонента через гидроциклон.
В первом варианте осуществления настоящего изобретения сепаратор для разделения текучей среды, включающей тяжелый компонент и легкий компонент, предназначен для отделения твердых примесей от жидкости. В данном варианте осуществления внутри сосуда высокого давления расположено множество ребер. Ребра выступают радиально наружу от продольной оси, проходя параллельно продольной оси. По меньшей мере, часть каждого ребра расположена рядом со стенкой сосуда, так что ребра взаимодействуют с сосудом для образования множества отдельных каналов для потока, которые проходят в продольном направлении через сосуд. Множество расположенных на определенном расстоянии друг от друга дисков выступают радиально наружу от продольной оси и расположены по существу перпендикулярно продольной оси. Диски пересекаются с ребрами так, что они частично блокируют каналы для потока. Диски обеспечивают направление потока текучей среды в сторону от продольной оси сосуда и вдоль стенки сосуда. Диски не проходят до самой наружной стенки сосуда высокого давления, а оставляют проход для потока между наружным краем дисков и стенкой сосуда высокого давления. Помимо того, что диски и ребра обеспечивают прохождение потока текучей среды, они также создают конструктивную опору друг для друга. Каждый из дисков и каждое из ребер выполнены с соответствующими пазами, с помощью которых каждое ребро входит в контакт с каждым диском с обеспечением сопряжения, в результате чего облегчается сборка и обеспечивается взаимная конструктивная опора. Таким образом, диски и ребра служат в качестве подпорок друг для друга, а также служат в качестве направляющих поток перегородок.
В одном варианте осуществления каналы для нижнего продукта проходят между заданными каналами для потока, которые находятся на расстоянии от продольной оси, соответствующем максимальному диаметру с центром на продольной оси. Каналы для нижнего продукта образованы или путем срезания конца ребра, или путем выполнения отверстий или других окон в наружном крае или вдоль наружного края ребра в заданных местах. Как будет рассмотрено ниже, каналы для нижнего продукта обеспечивают возможность прохождения отделенных твердых примесей между соседними каналами для потока так, чтобы эти примеси можно было отвести из сосуда высокого давления.
Выпускная труба расположена вдоль продольной оси сосуда. Выпускная труба имеет входной конец, расположенный центрально внутри сосуда, и выходной конец, соединенный по текучей среде с окружающим сосуд пространством. Множество отводных труб выступают радиально наружу от продольной оси. Каждая отводная труба имеет первый конец, соединенный по текучей среде с входным концом выпускной трубы, и противоположный второй конец, расположенный на небольшом расстоянии от стенки сосуда. Второй конец каждой отводной трубы расположен внутри соответствующего канала для потока. В одном варианте осуществления предусмотрена отводная труба для каждого канала для потока. В альтернативном варианте осуществления может быть предусмотрена только одна отводная труба для двух или более каналов для потока. В этом последнем варианте осуществления каналы для нижнего продукта используются для обеспечения сообщения по текучей среде между каналами для потока, которые не имеют отводной трубы, и каналами для потока, в которых расположена отводная труба.
В процессе работы сепаратора для отделения твердых частиц от жидкости жидкость, содержащая твердые примеси, нагнетается под давлением во вращающийся сосуд через впускной канал. Когда жидкость поступает в сосуд, обеспечивается направление ее в один из каналов для потока, образованных радиальными ребрами. Диск, установленный в определенном положении внутри каналов для потока, заставляет жидкость проходить радиально наружу к стенке сосуда. В этом месте жидкость подвергается воздействию максимальной центробежной силы, создаваемой вращающимся сосудом. В результате действия приложенной центробежной силы более тяжелые твердые примеси в жидкости проходят к зоне, соответствующей окружности максимального внутреннего диаметра сосуда и охватывающей по окружности продольную ось, и скапливаются в этой зоне. Оставшаяся жидкость, которая отделена от твердых примесей, продолжает проходить в направлении противоположного конца сосуда. Очищенная жидкость впоследствии выходит из сосуда по выпускному каналу через перепускной клапан.
Твердые примеси, которые, как правило, находятся в виде текучего шлама, удаляются из сосуда через отводные трубы. То есть обеспечивается возможность накапливания твердых примесей внутри сосуда до тех пор, пока скопившиеся твердые примеси не поднимутся выше второго конца отводных труб. В этот момент клапан, соединенный с выходным концом выпускной трубы, открывается. В результате перепада давлений между внутренней полостью сосуда высокого давления и окружающей средой твердые примеси всасываются в отводные трубы и затем выходят из сосуда по выпускной трубе.
Сепаратор для отделения твердых частиц от жидкости также выполнен таким образом, что он обеспечивает возможность выпуска газов, которые могут быть введены в сосуд высокого давления. В частности, небольшое отверстие для газов образовано на входном конце выпускной трубы так, чтобы создать сообщение по текучей среде между выпускной трубой и сосудом. Кроме того, образован канал для газов, который проходит от впускного канала до отверстия для газов на выпускной трубе. Канал для газов образован вдоль продольной оси сосуда и проходит между ребрами и через диски. Во время работы более легкий газ проходит к центру сосуда, где он поступает в канал для газов. Когда клапан открыт для облегчения удаления твердых примесей, газ поступает в выпускную трубу через отверстие и выходит вместе с твердыми примесями. В альтернативном варианте осуществления газ может быть удален из подаваемого потока до того, как он поступит в сепаратор для отделения твердых частиц от жидкости, за счет пропускания потока через промышленно изготовленный и имеющийся на рынке игольчатый клапан или другое устройство, предназначенное для удаления газов из потоков текучих сред.
Сепаратор для отделения твердых частиц от жидкости особенно хорошо подходит для создания по существу ячеек для отделения твердых частиц от жидкости (каналов для потока), находящихся в спокойном состоянии, между соседними ребрами и у внутренней стенки вращающегося сосуда. По существу обеспечивается противодействие явлениям турбулентного переноса, и не возникает эмульгирования органических жидкостей, неорганических жидкостей и суспендированных твердых частиц. Сепаратор для отделения твердых частиц от жидкости также имеет явные преимущества по сравнению с известным уровнем техники, заключающиеся в том, что он позволяет существенно уменьшить количество жидкости, которое выпускается вместе с твердыми примесями. В частности, та доля всей воды, подаваемой в сепаратор для отделения твердых частиц от жидкости, которая выходит как часть твердого материала, сохраняется на минимальном уровне.
Во втором варианте осуществления настоящего изобретения сепарационная система включает сепаратор для разделения текучей среды. Сепаратор для разделения жидкостей предназначен для разделения смеси двух или более несмешиваемых жидкостей, таких как масло и вода. Сепаратор для разделения жидкостей по существу идентичен сепаратору для отделения твердых частиц от жидкости, рассмотренному выше. Основное отличие состоит в том, что диски имеют множество перфорационных отверстий, проходящих сквозь них. Перфорационные отверстия позволяют различным жидкостям проходить непосредственно через диски в отличие от ситуации, когда жидкости должны проходить вокруг периферийного края дисков. Однако в возможном варианте, но не обязательно, диск, ближайший к впускному каналу сосуда, может быть выполнен цельным, чтобы установить режим течения, которое направлено к периферии сосуда. В данном варианте осуществления перфорированные диски служат главным образом для создания опоры для ребер.
В процессе работы сепаратора для разделения жидкостей смесь несмешиваемых жидкостей нагнетается под давлением во вращающийся сосуд через впускной канал. Когда жидкость поступает в сосуд, обеспечивается направление ее в один из каналов для потока, образованных радиальными ребрами. Первые цельные диски, установленные в определенном положении внутри каналов для потока, заставляют жидкость проходить радиально наружу к стенке сосуда. В результате действия приложенной центробежной силы более тяжелая жидкость проходит к зоне, соответствующей окружности максимального внутреннего диаметра сосуда и охватывающей по окружности продольную ось, и скапливается в этой зоне. Более легкая жидкость и любой захваченный газ проходят к центру сосуда. В результате между более тяжелой жидкостью и более легкой жидкостью образуется граница раздела. Граница раздела избирательно регулируется в пределах определенного расстояния от продольной оси.
Во время удаления из сосуда более легкая жидкость и газ проходят через перфорированные диски и выходят из выпускного канала через первый клапан. Поскольку газ выходит вместе с более легкой жидкостью, отсутствует необходимость в отверстии для газа, сообщающемся с выпускной трубой. Более тяжелая жидкость отводится по отводным трубам и выходит по выпускной трубе через второй клапан.
Сепаратором для разделения жидкостей управляют с помощью системы на основе перепада давлений, которая поддерживает положение границы раздела, например, такой как граница раздела масла и воды, в пределах предпочтительного диапазона радиальных расстояний от продольной оси сосуда высокого давления. А именно, такая система дает возможность сосуду высокого давления «справляться» с катастрофическими возмущениями нагрузки, такими как сдвиг смеси воды и масла или в сторону 100% масла, или в сторону 100% воды, при поддержании границы раздела в пределах заданного расстояния.
Эти и другие признаки настоящего изобретения станут более очевидными из нижеприведенного описания и приложенной формулы изобретения, или их можно осуществить за счет реализации изобретения на практике, как указано ниже.
Чтобы понять, каким образом достигаются вышеприведенные и другие преимущества и задачи изобретения, более подробное описание изобретения, кратко описанного выше, приводится со ссылкой на конкретный вариант его осуществления, который проиллюстрирован в приложенных чертежах. При понимании того, что эти чертежи изображают только типовые варианты осуществления изобретения и поэтому их не следует рассматривать как ограничивающие его объем, изобретение будет описано и разъяснено с дополнительными деталями и подробностями посредством использования сопровождающих чертежей, на которых:
На фиг.1 показана блок-схема, которая дает общее представление о способе, при котором используется сепаратор для разделения текучей среды согласно настоящему изобретению;
На фиг.2 показано перспективное изображение одного варианта осуществления сепаратора для разделения текучей среды согласно настоящему изобретению;
На фиг.3 показано поперечное сечение варианта осуществления сепаратора для разделения текучей среды согласно настоящему изобретению;
На фиг.4А-В показаны сечения, выполненные соответственно по линии 4А-4А и 4В-4В на фиг.3;
На фиг.5 показано перспективное изображение в собранном виде части внутреннего пространства сосуда по варианту осуществления сепаратора для разделения текучей среды согласно настоящему изобретению, при этом показана часть узла, состоящего из ребер и дисков;
На фиг.6 показано перспективное изображение в собранном виде части внутреннего пространства сосуда сепаратора для разделения текучей среды, показанного на фиг.3, при этом показана более полная часть узла, состоящего из ребер и дисков;
На фиг.7А, В и С показаны виды сверху вариантов осуществления ребра и альтернативного варианта осуществления ребра, которые можно использовать в сепараторе для разделения текучей среды согласно настоящему изобретению;
На фиг.8 показано перспективное изображение в собранном виде части внутреннего пространства сосуда сепаратора для разделения текучей среды, показанного на фиг.3, при этом показан весь узел, состоящий из ребер и дисков;
На фиг.9 показано вертикальное сечение, выполненное по линии 9-9 на фиг.3;
На фиг.10 показано поперечное сечение сепаратора для разделения текучей среды, показанного на фиг.3, при этом сепаратор для разделения текучей среды в процессе работы;
На фиг.11 показано поперечное сечение одного варианта осуществления сепаратора для разделения жидкостей согласно настоящему изобретению;
На фиг.12 показано перспективное изображение в собранном виде части внутреннего пространства сосуда сепаратора для разделения жидкостей, показанного на фиг.11, при этом показана часть узла, состоящего из ребер и перфорированных дисков;
На фиг.13 показана блок-схема, показывающая один вариант осуществления клапанного узла, регулирующего поток жидкости, поступающий в сепаратор для разделения жидкостей и из него;
На фиг.14 показана блок-схема, которая показывает другой вариант осуществления клапанного узла, регулирующего поток жидкости, поступающий в сепаратор для разделения жидкостей и из него;
На фиг.15 показана блок-схема, которая дает общее представление об одном способе по настоящему изобретению, при котором используется сепаратор для разделения жидкостей совместно с гидроциклоном;
На фиг.16 показано поперечное сечение альтернативного варианта осуществления сепаратора, в котором сферический сосуд высокого давления был заменен сосудом высокого давления в виде двойного усеченного конуса; и
На фиг.17 показано перспективное изображение в собранном виде части внутреннего пространства сосуда сепаратора, показанного на фиг.16.
Настоящее изобретение относится к сепаратору для разделения текучей среды, включающей тяжелый компонент и легкий компонент, и, в частности, предназначен для очистки воды, которая была загрязнена твердыми примесями, включающими органические и неорганические загрязняющие вещества. Настоящее изобретение также относится к сепаратору для разделения несмешивающихся жидкостей, таких как смесь масла и воды. Далее сделана ссылка на чертежи, на которых аналогичные ссылочные номера относятся к аналогичным единичным операциям или конструкциям. Следует понимать, что чертежи являются схематическими и/или схематичными и не обязательно вычерчены в масштабе, а также их не следует воспринимать как чертежи, ограничивающие идею и объем настоящего изобретения.
На фиг.1 показана блок-схема, которая дает общее представление о способе, при котором используется сепаратор для разделения текучей среды. Как показано на фиг.1, сепаратор 10 для разделения текучей среды связан с множеством других технологических элементов. Одна конфигурация может предусматривать наличие подаваемого потока 12, который включает поток среды, подлежащей обработке. Подаваемый поток 12 может состоять из множества соединений, таких как вода, которая содержит загрязняющие вещества, подобные маслу, бактериальные загрязняющие вещества, растворенные металлы и минералы и коллоидально суспендированные твердые частицы. Источником подаваемого потока 12 могут быть промышленные установки, установки по переработке продуктов животноводства, установки для очистки сточных вод, установки для очистки городских сточных вод, оборудование нефтяной индустрии и т.д.
Подаваемый поток 12 поступает в уравнительный резервуар 14, который служит в качестве сборного резервуара, предназначенного для хранения большого притока воды. Уравнительный резервуар 14 может содержать любой промышленно изготовленный и имеющийся на рынке уравнительный резервуар, вырытый в земле пруд или другой резервуар для удерживания жидкости. Из уравнительного резервуара 14 текучая среда проходит по проходу 16 для потока в фильтр 18 грубой очистки, предназначенный для очистки от мусора для устранения частиц слишком большого размера, которые могут вызвать засорение системы. Выходя из фильтра 18 грубой очистки, предназначенного для очистки от мусора, текучая среда проходит по проходу 20 для потока в сепаратор 22 для отделения масла от воды, который отделяет поток 24 масла от потока 26 воды. Несмотря на то, что можно использовать множество сепараторов для отделения масла от воды, в одном варианте осуществления может быть применен сепаратор для отделения масла от воды, такой как сепараторы, раскрытые в патентах США No.No. 5387342, 5582724 и 5464536, причем данные патенты включены в данную заявку посредством ссылки.
Поток 26 воды может быть объединен с потоком 28 воды из фильтра в виде подаваемого потока 30 для электростатического коагулятора 32. Электростатический коагулятор 32 служит для электрической стерилизации воды путем уничтожения любых живых организмов, для разрушения коллоидальной суспензии примесей и коалесценции примесей в хлопьевидный материал. Такие системы поставляются фирмой Scott Powell Water Systems, Inc., Денвер, Колорадо.
Коагулированный выходящий поток 34 подается в подготовительный резервуар 36, продолжительность пребывания материала потока в котором, как правило, составляет от приблизительно одной до пяти минут или больше. Во время пребывания в подготовительном резервуаре размер частиц хлопьевидного материала увеличивается. Поток 38, выходящий из подготовительного резервуара, подается в сепаратор 10 для разделения текучей среды согласно настоящему изобретению. В сепараторе 10 для разделения текучей среды создается поток 40 нижнего продукта, состоящий из твердых примесей и газа, который был уловлен из выходящего потока 38, и поток 42 верхнего продукта, состоящий из очищенной воды или другой жидкости. Очищенная вода в потоке 42 верхнего продукта выпускается или непосредственно, или через контрольный фильтр 45 в окружающую среду. Поток 40 нижнего продукта подается в фильтр 46, в котором образуются поток 28 отфильтрованной воды и фильтровальный осадок 48.
В одном варианте осуществления газ и остаточное масло, скопившиеся в верхней части подготовительного резервуара 36, могут быть прямо выпущены по магистрали 49 и поданы в фильтр 46. Кроме того, рационально то, что все устройства - сепаратор 22 для отделения масла от воды, электростатический коагулятор 32, подготовительный резервуар 36, сепаратор 10 и фильтр 46 - могут работать при повышенном давлении, например, за счет применения насоса, с тем, чтобы способствовать созданию заданных потоков, проходящих через систему. Давление может варьироваться в одном или более из элементов 22, 32, 36, 10 и 46 с тем, чтобы обеспечить возможность регулирования потока, проходящего в заданных направлениях.
На фиг.2 показан один вариант осуществления сепаратора 10 для разделения текучей среды настоящему изобретению. Сепаратор 10 для разделения текучей среды включает сосуд 60 высокого давления, который приводится в движение двигателем 62. Несмотря на то, что сепаратор для разделения текучей среды по настоящему изобретению может быть изготовлен с различными размерами, показанный вариант осуществления предназначен для обработки приблизительно 40 литров в минуту. В таком варианте осуществления может быть использован электродвигатель мощностью 2,5 л.с. и частотой вращения 3440 оборотов в минуту.
Сосуд 60 высокого давления предпочтительно установлен внутри ограждения 64. Ограждение 64 создает просто защитный кожух или корпус в качестве предохранительного устройства, чтобы предотвратить ситуацию, при которой люди и предметы могут контактировать с быстровращающимся сосудом 60 высокого давления. В показанном варианте осуществления предусмотрен сборный каркас 66, к которому прикреплен защитный кожух 64 посредством монтажных ребер 68. Для специалиста в данной области очевидно, что ограждение 64 может быть выполнено и прикреплено к сборному каркасу 66 различными способами.
Кроме того, сборный каркас 66 выполнен с возможностью создания опоры для двигателя 62 и опорной конструкции, которая служит опорой сосуду 60 высокого давления. Сепаратор 10 для разделения текучей среды включает стационарный входной корпус 70, выполненный с возможностью приема входной магистрали 72. Аналогичным образом, на противоположном конце сосуда 60 высокого давления предусмотрен стационарный выходной корпус 74, к которому прикреплена выходная магистраль 76 для нижнего продукта и выходная магистраль 78 для верхнего продукта.
Насос 80 используется для приема выходящего потока 38 и подачи потока 38 в сепаратор 10 для разделения текучей среды по входной магистрали 72. Насос 80 обеспечивает повышение давления выходящего потока 38 во входной магистрали 72 так, что сепаратор 10 для разделения текучей среды работает при таком давлении. Таким образом, насос 80 должен обладать способностью нагнетать выходящий поток 38 со скоростью потока, соответствующей производительности сепаратора 10 для разделения текучей среды, при поддержании заданного давления. В одном варианте осуществления насос 80 поддерживает давление выходящего потока 38 в диапазоне от приблизительно 3 фунтов на кв. дюйм (2,07×104 Па) до приблизительно 500 фунтов на кв. дюйм (3,45×106 Па), при этом более предпочтительным является диапазон от приблизительно 15 фунтов на кв. дюйм (1,03×105 Па) до приблизительно 60 фунтов на кв. дюйм (4,14×105 Па). Насос 80 также обеспечивает подачу потока со скоростью в диапазоне от приблизительно 3 литров в минуту до приблизительно 1000 литров в минуту. Любой промышленно изготовленный и имеющийся на рынке насос 80, который может создавать вышеуказанные давления и заданные скорости потока, подходит для заданной цели.
Как показано на фиг.3, сосуд 60 высокого давления установлен с возможностью вращения вокруг оси 90 вращения, которая также совпадает с продольной осью сепаратора 10 для разделения текучей среды. Сосуд 60 высокого давления имеет периферийную стенку 92 с внутренней поверхностью 93, ограничивающей камеру 95. В показанном варианте осуществления камера 95 имеет форму сферы, в то же время могут быть использованы и другие конфигурации. Поскольку сосуд 60 установлен с возможностью вращения вокруг оси 90, сосуд 60 высокого давления, как правило, будет иметь геометрию, приводящую к созданию тела вращения вокруг оси 90.
Кроме того, желательно, хотя и необязательно, чтобы стенки сосуда 60 высокого давления были наклонены радиально наружу в сторону экватора 97, имеющего максимальный диаметр окружности, образованной вокруг продольной оси 90. Таким образом, несмотря на то, что сосуд высокого давления со сферическими стенками 92 представляет собой один вариант осуществления благодаря его способности эффективно выдерживать давление, могут быть использованы сосуды с другими криволинейными стенками, такие как сосуды, имеющие овальную, эллиптическую или симметрично неправильную форму. Кроме того, могут быть использованы конфигурации с прямолинейными стенками, такие как два усеченных конуса, широкие концы которых прикреплены друг к другу. Аналогичным образом, может быть использован сосуд, имеющий цилиндрическую конфигурацию на краях и центр, который образован усеченными конусами, соединенными вместе. В других вариантах осуществления сосуд 60 не обязательно должен иметь наклоняющиеся наружу стенки. Например, сосуд 60 может быть цилиндрическим или иметь поперечное сечение в виде многоугольника.
Сосуд 60 высокого давления может быть изготовлен из множества материалов, включая нержавеющую сталь, пластик, конструкции, полученные методом намотки, и другие обычные материалы. В одном варианте осуществления сосуд 60 высокого давления способен выдерживать давления в диапазоне от приблизительно 1 фунта на кв. дюйм (6,90×103 Па) до приблизительно 500 фунтов на кв. дюйм (3,45×106 Па), при этом более предпочтительным является диапазон от приблизительно 10 фунтов на кв. дюйм (6,90×104 Па) до приблизительно 100 фунтов на кв. дюйм (6,90×105 Па). В показанном варианте осуществления сосуд 60 высокого давления изготовлен из нержавеющей стали и имеет две половины для простоты изготовления и монтажа. Две половины скрепляют вместе, например, путем сварки, с помощью болтов или других традиционных способов так, что на экваторе 97 сосуда 60 образуется место соединения (шов).
Как показано на фиг.3, сепаратор 10 для разделения текучей среды имеет приводной вал 94 на своем входном конце 96, который жестко прикреплен к сосуду 60. Приводной вал 94 выполнен с возможностью сцепления с двигателем 62 (фиг.2), как известно в данной области техники. Приводной вал 94 установлен внутри полого вала 98, который закреплен внутри входной установочной втулки 100. Входная установочная втулка 100, в свою очередь, прикреплена к сосуду 60 с помощью множества монтажных болтов 102 способом, известным специалисту в данной области техники.
Таким образом, приводной вал 94, полый вал 98 и входная установочная втулка 100 жестко прикреплены друг к другу и к сосуду 60 с помощью любого из способов, известных в данной области техники, например, путем сварки или за счет использования болтов, таких как монтажные болты 102, которые ввинчены во входной крепежный фланец 104. Эти элементы составляют приводной узел, который жестко прикреплен к сосуду 60 и, следовательно, вращается вместе с сосудом 60.
Приводной узел выполнен с возможностью входа в контакт с входным корпусом 70. Входной корпус 70 создает опору для приводного узла с помощью входного подшипникового узла 106, который, в данном варианте осуществления, входит в контакт со входной установочной втулкой 100. Входной подшипниковый узел 106 представляет собой уплотненный шарикоподшипник, опирающийся на опорный корпус так, как хорошо известно специалисту в данной области техники.
Входной корпус 70 выполнен с входом 114 для подаваемого потока, при этом вход 114 выполнен с возможностью приема входной магистрали 72 (фиг.2) посредством любого из способов крепления, известных в данной области техники и предназначенных для создания сообщения по текучей среде. Как показано на фиг.3 и 4А, входной корпус 70 дополнительно предусмотрен с кольцевой распределительной полостью 108, которая окружает полый вал 98. Полый вал 98 имеет множество отверстий 110 для прохода. Уплотнения 112, предназначенные для механического насоса, предусмотрены между полым валом 98 и входным корпусом 70 с каждой стороны распределительной полости 108, чтобы тем самым создать уплотнение, не проницаемое для текучей среды, при одновременном обеспечении возможности вращательного движения полого вала 98 относительно входного стационарного корпуса 70. Уплотнения, предназначенные для механического насоса, такие как поставляемые фирмой A.W. Chesterton Co., Stoneham, Массачусетс, подходят для заданной цели.
Далее со ссылкой на фиг.3 описана показанная на данной фигуре опорная конструкция для сосуда 60 на выходном конце 120. Как и на входном конце 96, сосуд 60 на выходном конце 120 выполнен аналогичным образом с выходным крепежным фланцем 122. Выходная установочная втулка 124 прикреплена к выходному крепежному фланцу 122 с помощью ряда болтов 102. Выходная крепежная втулка 124 опирается на выходной корпус 74 через выходной подшипниковый узел 126.
Каждый из элементов - и выходной корпус 74, и выходная установочная втулка 124 - выполнен с полой внутренней частью для приема выпускной трубы 128, имеющей канал 130 для удаления, образованный в ней. Как показано на фиг.4В, полая внутренняя часть выходного корпуса 74 и выходной установочной втулки 124 и выпускная труба 128 выполнены с такой конфигурацией, что между ними образуется отводящий канал 132. Отводящий канал 132 проходит снаружи по отношению к выпускной трубе 128 и сообщается по текучей среде с выходом 134 для верхнего продукта, образованным в выходном корпусе 74. На фиг.3 можно видеть, что выход 134 для верхнего продукта имеет редукционный клапан 136, предназначенный для поддержания давления внутри сосуда 60. Редукционный клапан 136 может представлять собой одноходовой, подпружиненный предохранительный запорный клапан, в котором усилие пружины должно быть преодолено достаточным давлением текучей среды, чтобы заставить клапан открыться.
На выходной конец 129 выпускной трубы 128 надето уплотнение 138, предназначенное для механического насоса. Противоположный конец уплотнения 138, предназначенного для механического насоса, жестко закреплен внутри круглого уступа, образованного на конце внутренней полости выходного корпуса 74. Таким образом, уплотнение 138, предназначенное для механического насоса, служит в качестве барьера для текучей среды между каналом 130 для удаления и отводящим каналом 132 и обеспечивает возможность вращательного движения выпускной трубы 128 относительно выходного корпуса 74. На выходном конце выходного корпуса 74 дополнительно выполнено выпускное отверстие 140, стенки которого контактируют с выходной магистралью 76 для нижнего продукта. К выходной магистрали 76 для нижнего продукта имеется доступ через выпускной клапан 148 для нижнего продукта, который может представлять собой стандартный или электромагнитный клапан, такой как шаровой клапан, который промышленно изготавливается и имеется на рынке.
Выпускная труба 128 также имеет входной конец 131. В одном варианте осуществления пробка 162 вставлена внутрь отверстия на входном конце 131. Отверстие 164 для выхода газа проходит сквозь пробку 162 с тем, чтобы обеспечить сообщение по текучей среде между центром камеры 95 и каналом 130, проходящим через выпускную трубу 128. Отверстие 164 для выхода газа имеет диаметр в диапазоне от приблизительно 0,02 дюйма (0,05 см) до приблизительно 0,5 дюйма (1,3 см), при этом более предпочтительным является диапазон от приблизительно 0,02 дюйма (0,05 см) до приблизительно 0,125 дюйма (0,3 см). В альтернативном варианте осуществления входной конец 131 может быть просто выполнен с суженным отверстием, которое сообщается с каналом 130, в результате чего устраняется необходимость в наличии пробки 162.
Как показано на фиг.3, выпускная труба 128 проходит до центра сосуда 60. Сепаратор 10 для разделения текучей среды также имеет множество радиальных отводных труб 160 для нижнего продукта. Каждая отводная труба 160 имеет первый конец 161 и противоположный второй конец 163. Каждый первый конец 161 сообщается по текучей среде с выпускной трубой 128 у ее входного конца 131. Через каждую отводную трубу 160 проходит канал, имеющий диаметр в диапазоне от приблизительно 0,06 дюйма (0,15 см) до приблизительно 2 дюймов (5 см), при этом более предпочтительным является диапазон от приблизительно 0,125 дюйма (0,3 см) до приблизительно 0,5 дюйма (1,3 см). В одном варианте осуществления используются восемь отводных труб 160, каждая из которых удалена на 45 градусов от соседней трубы. В альтернативных вариантах осуществления может быть использовано любое количество отводных труб 160. В одном варианте осуществления типовое количество отводных труб 160 составляет от приблизительно 2 до приблизительно 144, при этом более предпочтительным является диапазон от приблизительно 4 до приблизительно 24.
В еще одном варианте осуществления отводные трубы 160 не обязательно должны выступать радиально наружу от выпускной трубы 128 таким образом, что отводные трубы 160 являются перпендикулярными выпускной трубе 128. Вместо этого отводные трубы 160 могут выступать наружу от выпускной трубы 128 под углом. Например, в одном варианте осуществления внутренний угол между каждой отводной трубой 160 и выпускной трубой 128 может находиться в диапазоне от приблизительно 90° до приблизительно 160°. В тех вариантах осуществления, в которых внутренний угол превышает 90°, выпускная труба 128 может быть выполнена более короткой, так что входной конец 131 выпускной трубы 128 соединяется с первым концом 161 каждой отводной трубы 160.
Каждая из отводных труб 160 проходит наружу на одинаковое расстояние от продольной оси 90 сепаратора для отделения твердых частиц от жидкости. Каждая отводная труба 160 имеет отверстие 166 на своем втором конце 163, предназначенное для приема отделенных твердых примесей. В процессе работы отводные трубы 160 обеспечивают образования границы раздела между скопившимися твердыми примесями и очищенной жидкостью. Таким образом, длину отводных труб 160 выбирают так, чтобы создать заранее заданную границу раздела внутри сосуда 60. В одном варианте осуществления, в котором сосуд 60 имеет максимальный внутренний диаметр, составляющий 19 дюймов, у экватора 97, отводные трубы 160 выполнены такими, чтобы оставить зазор шириной 0,25 дюйма (0,65 см) между отверстием 166 в трубах 160 и стенкой 92 сосуда 60. В альтернативных вариантах осуществления, включая варианты с сосудами других размеров, величина зазора между отверстием 166 в отводных трубах 160 и стенкой 92 сосуда 60, находится в диапазоне от приблизительно 0,125 дюйма (0,3 см) до приблизительно 2 дюймов (5 см), при этом более предпочтительным является диапазон от приблизительно 0,25 дюйма (0,6 см) до приблизительно 1 дюйма (2,5 см).
Сосуд 60 также выполнен с множеством ребер и дисков для направления потока текучей среды через сосуд 60. Один вариант осуществления сепаратора 10 для отделениях твердых частиц от жидкости включает центральный диск 170, расположенный в центре сосуда 60 и ориентированный перпендикулярно продольной оси 90, как показано на фиг.3. Центральный диск 170 выполнен с центральным отверстием, благодаря которому диск 170 может быть надет на пробку 162. Центральный диск 170 проходит в виде круга радиально наружу от пробки 162. Наружный край 172 диска 170 является круглым (соответствуя кривизне сосуда 60) и выполнен с возможностью создания аксиального канала 174 для потока между краем 172 диска 170 и стенкой 92 сосуда 60. Канал 174 для потока проходит кольцеобразно вокруг оси 90. Наружный край 172, как правило, хотя и необязательно, расположен радиально внутри по отношению к отверстию 166 отводных труб 160. В одном варианте осуществления расстояние между краем 172 диска 170 и стенкой 92 сосуда 60 находится в диапазоне от приблизительно 0,5 дюйма (1,3 см) до приблизительно 4 дюймов (10 см), при этом более предпочтительным является диапазон от приблизительно 0,8 дюйма (2 см) до приблизительно 1,2 дюйма (3 см).
Показанный вариант осуществления также включает четыре дополнительных диска 176, 178, 202 и 204. Диски 176 и 202 расположены с входной стороны сосуда 60, в то время как диски 178 и 204 расположены с выходной стороны. Диски 176, 178, 202 и 204 используются частично для того, чтобы облегчить сборку сепаратора 10 для разделения текучей среды и чтобы создать конструктивную опору в процессе его работы. В альтернативном варианте сепаратор 10 для разделения текучей среды может быть собран с меньшими или большими количествами дисков для сборки. Также предполагается, что сепаратор 10 для разделения текучей среды может быть выполнен без дисков путем крепления ребер, как будет рассмотрено ниже, непосредственно к выпускной трубе 128 и/или к стенке 92 сосуда 60.
Как показано на фиг.5 и 6, диски 176 и 202 имеют центральные отверстия 180, которые обеспечивают возможность отвода газа, который скапливается в центре сосуда 60. Диски 178 и 204 аналогичным образом выполнены с центральными отверстиями 182, диаметр которых немного превышает наружный диаметр выпускной трубы 128, что позволяет пропустить через эти отверстия трубу 128 для нижнего продукта. V-образные канавки 210 могут быть образованы, например, путем лазерной вырезки, в наружном крае 172 диска 170. Эти V-образные канавки позволяют свести к минимуму «возмущение» скопившихся твердых примесей, когда очищенная вода проходит вокруг диска 170. В одном варианте осуществления эти V-образные канавки 210 вырезаны на крае 172 диска 170 и имеют ширину в диапазоне от приблизительно 0,1 дюйма (0,25 см) до приблизительно 1 дюйма (2,5 см) и глубину в диапазоне от приблизительно 0,1 дюйма (0,25 см) до приблизительно 1 дюйма (2,5 см). Количество V-образных канавок 210, которые вырезаны в центральном диске 170 между каждой парой ребер 184, находится в диапазоне от приблизительно трех канавок до приблизительно восьми канавок. В альтернативном варианте число и размеры этих V-образных канавок 210 могут быть увеличены или уменьшены.
Как показано на фиг.5, сепаратор 10 для разделения текучей среды также имеет множество радиальных ребер 184. Каждое ребро 184 имеет внутренний край 186, который по существу параллелен продольной оси 90, и наружный край 188, который по существу соответствует кривизне сосуда 60. Таким образом, в проиллюстрированной здесь конструкции, в которой используется сферический сосуд 60, наружный край 188 ребер 184 имеет полукруглую форму.
В варианте осуществления, показанном на фиг.8, используются два типа ребер 184: обрезанные ребра 212 и необрезанные ребра 214. Как показано на фиг.7А, каждое обрезанное ребро 212 имеет по существу плоский внутренний край 186 и противоположный наружный край 188. Наружный край 188 имеет по существу плоский боковой участок 187, который выступает перпендикулярно от каждого конца внутреннего края 186, расположенный центрально и по существу плоский передний участок 189, который расположен по существу параллельно внутреннему краю 186, и криволинейный, имеющий форму плеча участок 191, проходящий от каждого бокового участка 187 до противоположных концов переднего участка 189.
Как показано на фиг.7В, каждое необрезанное ребро 214 имеет по существу плоский внутренний край 186 и противоположный наружный край 188. Наружный край 188 имеет по существу плоский боковой участок 187, выступающий перпендикулярно от каждого конца внутреннего края 186, и криволинейный передний участок 193, проходящий между боковыми участками 187. На переднем участке 193 образована расположенная центрально полукруглая канавка 194.
Альтернативное ребро 215 показано на фиг.7С. Ребро 215 имеет по существу такую же конфигурацию, как необрезанное ребро 214, за исключением того, что канавка 194 заменена отверстиями 196, проходящими сквозь ребро 215. Такие отверстия 196 имеют диаметр в диапазоне от приблизительно 0,5 дюйма (1,3 см) до приблизительно 1,5 дюйма (3,8 см).
Ребра 184 расположены внутри камеры 95 сосуда 60 перпендикулярно дискам 170, 176, 178, 202 и 204, как лучше всего показано на фиг.5 и 6. Каждый диск выполнен с пазом 198, который соответствует каждому ребру 184. Пазы 200, которые соответствуют каждому диску 170, 176, 178, 202 и 204, также выполнены в каждом ребре 184. В одном варианте осуществления ребра 184 и диски 170, 176, 178, 202 и 204 выполнены из нержавеющей стали, но они также могут быть изготовлены из пластика, композиционных материалов и другого достаточного прочного материала. Пазы 198 и 200 могут быть образованы путем использования любого обычного способа, например путем лазерной резки. Пазы 198 и 200 имеют такую конфигурацию, чтобы обеспечить возможность соединения ребер и дисков друг с другом с сопряжением по скользящей посадке. Таким образом, пазы 198, образованные в дисках 170, 176, 178, 202 и 204, имеют ширину, которая не меньше толщины ребер 184. Аналогичным образом, пазы 200, образованные в ребрах 184, имеют ширину, которая не меньше толщины дисков 170, 176, 178, 202 и 204, соответствующих данным пазам.
Таким образом, узел, состоящий из ребер и дисков и расположенный внутри сосуда 60, собирают, как показано на фиг.5, путем установки выходных дисков 204 и 178 на выпускную трубу 128. После этого, как видно на фиг.6, центральный диск 170 устанавливают вокруг пробки 162 и некоторые ребра 184 вставляют в соответствующие им пазы на дисках 170 и 178 при одновременном введении дисков в соответствующие пазы на ребрах 184. Когда ребро 184 будет таким образом установлено в контакте с диском с обеспечением сопряжения, по существу предотвращается любое относительное смещение между диском и ребром. После этого входные диски 176 и 202 устанавливают с обеспечением сопряжения их с пазами 200 на ребрах 184. Теперь, когда все пять дисков 170, 176, 178, 202 и 204 находятся в заданном положении, оставшиеся ребра устанавливают путем плавного смещения их в радиальном направлении в заданное положение до тех пор, пока образование внутренней конструкции сосуда 60 не будет завершено и она не приобретет конфигурацию, показанную на фиг.8. Пазы 198 и 200 просто обеспечивают реализацию одного способа крепления ребер и дисков друг к другу. В альтернативных вариантах осуществления ребра и диски могут быть приварены друг к другу, прижаты друг к другу с помощью зажимов, отлиты как одно целое или иным образом скреплены вместе путем использования традиционных способов.
В показанном варианте осуществления в сосуде 60 используются двадцать четыре ребра 184, как показано на фиг.8 и 9. В альтернативных вариантах осуществления количество ребер 184 находится в диапазоне от приблизительно 8 до приблизительно 144, при этом более предпочтительным является диапазон от приблизительно 12 до приблизительно 48. Как лучше всего показано на фиг.3, 8 и 9, ребра 184 в собранной конструкции выступают радиально наружу от продольной оси 90, проходя по существу параллельно продольной оси 90. Каждое внутреннее ребро 186 удалено на некоторое расстояние от центра или продольной оси 90, так что образуется канал 219, показанный на фиг.3, который проходит от входного конца 96 до отверстия 164 для выхода газа. Канал 219 имеет диаметр, находящийся в диапазоне от приблизительно 0,25 дюйма (0,6 см) до приблизительно 2 дюймов (5 см), при этом более предпочтительным является диапазон от приблизительно 0,25 дюйма (0,6 см) до приблизительно 1 дюйма (2,5 см). Как показано на фиг.7А и 7В, внутренний край 186 каждого ребра 184 вырезан так, чтобы предотвратить образование столкновение с выпускной трубой 128 и пробкой 162 для выхода газа.
Для размещения восьми радиальных отводных труб 160 обрезанные ребра 212 выполнены с центральной канавкой 216, как показано на фиг.5. Канавка 216 выполнена с такими размерами, чтобы обеспечить возможность пересечения в некоторой степени обрезанных ребер 212 с отводными трубами 160, как показано на фиг.9. Следовательно, в показанном варианте осуществления шестнадцать обрезанных ребер 212, выполненных с канавкой 216, используются в комбинации с восемью необрезанными ребрами 214, которые выполнены без такой канавки.
В альтернативном варианте осуществления ребра 184 не обязательно должны выступать радиально наружу с обеспечением выравнивания их относительно продольной оси 90. Вместо этого внутренний край 186 каждого ребра 184 может быть расположен со смещением относительно продольной оси и тем не менее может удерживаться в заданном положении дисками.
Когда ребра и диски окажутся в собранном положении вокруг выпускной трубы 128, как показано на фиг.8, внутренний узел заключают в камеру 95 сосуда 60. В одном варианте осуществления сосуд 60 состоит из двух половин, которые скреплены вместе, например, путем сварки или с помощью болтового соединения с уплотнением, таким как прокладка или уплотнительное кольцо, расположенное между ними. За счет размещения внутреннего узла на фиг.8 таким образом, что он оказывается закрытым стенкой 92 сосуда 60, ребра и диски становятся зафиксированными друг относительно друга в соответствующем зацеплении, и не требуется никакой сварки для надежного удерживания их вместе.
В частности, как показано на фиг.10, плоские боковые участки 187 каждого ребра 184 расположены рядом с монтажными фланцами 104 и 122. Криволинейные, имеющие форму плеча участки 188 обрезанных ребер 212 расположены рядом со стенкой 92. Аналогичным образом, криволинейный передний участок 193 необрезанных ребер 214 также расположен рядом со стенкой 92. Боковые участки 187, имеющие форму плеча участки 188 и передний участок 193 ребер 184 могут быть поджаты непосредственно к сосуду 60. В альтернативном варианте небольшой зазор, ширина которого составляет менее приблизительно 1/4 дюйма, может быть образован между сосудом 60 и участками 187, 188 и 193. Как показано на фиг.9, размещение ребер 184 рядом со стенкой 92 приводит к образованию множества обособленных каналов 218 для потока, проходящих через сосуд 60 вдоль продольной оси. Однако каждый канал 218 для потока частично заблокирован за счет пересечения с различными дисками 170, 176, 178, 202 и 204. В результате наличия дисков текучая среда, проходящая через каналы 218 для потока, «вынуждена» проходить вокруг наружного края дисков.
Как показано на фиг.10, канал 190 для нижнего продукта образуется между плоским передним участком 189 обрезанных ребер 212 и стенкой 92. Канал 190 для нижнего продукта обеспечивает текучей среде прохождение между обособленными каналами 218 для потока в зоне экватора 97. В одном варианте осуществления максимальная величина зазора между плоским передним участком 189 обрезанного ребра 212 и стенкой 92 находится в диапазоне от приблизительно 0,125 дюйма (0,3 см) до приблизительно 2 дюймов (5 см), при этом более предпочтительным является диапазон от приблизительно 0,25 дюйма (0,6 см) до приблизительно 1 дюйма (2,5 см). В одном варианте осуществления плоский передний участок 189 каждого ребра 184 расположен радиально внутри по отношению к отверстию 166 каждой соответствующей отводной трубы 160.
При этом ребра 184 могут быть выполнены с множеством различных конфигураций для того, чтобы обеспечивать прохождение по каналу 190 нижнего продукта между каналами 218 для потока. Например, обрезанные ребра 212 могут быть заменены альтернативными ребрами 215. В этом варианте осуществления отверстия 196 обеспечивают прохождение по каналу 190 нижнего продукта. В других вариантах осуществления вырезы, пазы, отверстия, канавки и т.п. могут быть образованы в ребре 184 с тем, чтобы обеспечивать прохождение по каналу 190 нижнего продукта.
Канавка 194 (фиг.7В), образованная в необрезанных ребрах 214, предназначена для выполнения двух функций. Во-первых, в варианте осуществления, в котором у экватора 97 образован соединительный элемент, такой как внутренний фланец, канавка 194 создает пространство для приема соединительного элемента. Канавка 194 также служит для того, чтобы обеспечить возможность, по меньшей мере, некоторого потока между каналами 218 для потока, которые отделены друг от друга необрезанными ребрами 214. Таким образом, поток текучей среды через канавку 194 гарантирует то, что граничные слои и скорости потока будут одинаковыми в каждом канале 218 для потока.
Когда внутренний узел будет заключен внутрь сосуда 60, входную и выходную установочные втулки 100, 124, подшипниковые узлы и корпуса, собранные, как описано выше, прикрепляют с помощью болтов или иным образом к сосуду 60, используя обычные способы, известные специалистам в данной области техники.
При эксплуатации, как показано на фиг.2, вращение сосуда 60 начинается при включении двигателя 62. Двигатель 62 заставляет сосуд 60 вращаться с частотой вращения в диапазоне от приблизительно 600 оборотов в минуту до приблизительно 10000 оборотов в минуту, при этом более предпочтителен диапазон от приблизительно 1200 оборотов в минуту до приблизительно 3600 оборотов в минуту. Поток 38 поступает в насос 80, который нагнетает поток 38 в сепаратор 10 для разделения текучей среды по входной магистрали 72. Насос 80 предпочтительно обеспечивает повышение давления потока 38 таким образом, что давление поддерживается внутри сосуда 60 во время работы сепаратора 10 для разделения текучей среды. Один вариант осуществления сепаратора 10 для разделения текучей среды работает под давлением в диапазоне от приблизительно 15 фунтов на кв. дюйм (1,03×105) до приблизительно 600 фунтов на кв. дюйм (4,13×106 Па), при этом более предпочтительным является диапазон от приблизительно 75 фунтов на кв. дюйм (5,17×105 Па) до приблизительно 125 фунтов на кв. дюйм (8,61×105 Па). Поток 38 может содержать по существу любую жидкость, которая была загрязнена компонентом в виде частиц, имеющим плотность, превышающую плотность жидкости. Однако в большинстве случаев применения жидкость представляет собой воду. Таким образом, несмотря на то, что в качестве очищаемой жидкости в данном случае рассматривается вода, следует понимать, что сепаратор 10 для отделения твердых частиц от жидкости согласно настоящему изобретению может быть использован для очистки множества жидкостей.
Как показано на фиг.10, входной поток 38 поступает в сепаратор 10 для разделения текучей среды через вход 114 для подаваемого потока. Когда подаваемый поток 38 достигнет вращающегося полого вала 98, он нагнетается через отверстия 110 для прохода (см. также фиг.4) в полый вал 98, где поток ускоряется до той же частоты вращения, что и сосуд 60.
Поток, проходящий через вращающийся полый вал 98, проходит в направлении стрелки А. Когда этот поток достигнет входа в сосуд 60 рядом с входным монтажным фланцем 104, центробежная сила, возникающая благодаря вращению сосуда 60, заставляет поток отклоняться радиально наружу к стенке 92 сосуда 60. Когда поток поступает в сосуд 60, он поступает в один из каналов 218 для потока (фиг.9) и продолжает заполнять сосуд 60.
Каналы 218 для потока устраняют ситуацию, при которой возникает поворотное ускорение Кориолиса. То есть, если бы ребра 184 были удалены, то при поступлении текучей среды в сосуд 60 текучая среда завихрялась бы с образованием вихря. Такое завихрение приводит к созданию турбулентного потока, который вызывает суспендирование частиц в текучей среде. Как будет рассмотрено ниже, сепаратор 10 для разделения текучей среды работает за счет осаждения твердых примесей у стенки 92 сосуда 60, откуда они впоследствии удаляются. За счет прохождения текучей среды через отдельные каналы 218 для потока по существу устраняется завихрение текучей среды. Текучая среда проходит в виде по существу ламинарного потока, при этом текучая среда вращается с той же частотой, что и сосуд 60. В результате обеспечивается максимальная возможность осаждения твердых частиц, находящихся в жидкости.
Когда поток 38 поступает в сосуд, он принудительно отклоняется для прохода вокруг диска 176 вдоль направления стрелок В. Внутри сосуда 60 поток подвергается воздействию огромных центробежных сил, действующих на него благодаря вращению сосуда 60. Таким образом, более плотный компонент проходит радиально наружу, в то время как менее плотный компонент проходит радиально внутрь или остается наверху. Вследствие центробежных сил, создаваемых в сепараторе для отделения твердых частиц от жидкости и составляющих в среднем от приблизительно 500 г до приблизительно 2000 г в данном варианте осуществления, происходит по существу полная очистка текучего компонента, и за секунды образует более плотный компонент из твердых частиц, имеющий низкое содержание жидкости. Таким образом, сепаратор 10 для разделения текучей среды согласно изобретению может за несколько секунд обеспечить такую степень сепарации, какую сепаратор со статическим резервуаром обеспечивает за несколько часов.
За счет вращения сосуда 60 твердые примеси в потоке 38 принудительно смещаются к стенке 92 у экватора 97 и скапливаются там. Скопившиеся твердые примеси называются нижним продуктом 224. Граница 228 раздела образуется между нижним продуктом 224 и очищенной водой 226 радиально внутри по отношению к нижнему продукту 224. Обеспечивается возможность скапливания нижнего продукта 224 и подъема границы 228 раздела до тех пор, пока граница 228 раздела не окажется расположенной радиально внутри по отношению к отверстию 166 отводных труб 160 (состояние, показанное на фиг.10). Нижний продукт 224 затем отводится из сосуда 60 высокого давления по отводным трубам 160, как будет описано ниже.
Вода, проходящая вокруг края диска 170 через аксиальный канал 174 для потока, может вызывать встряхивание нижнего продукта 224, который скопился в зоне максимального радиального размера или у экватора 97 сосуда 60 высокого давления. Это встряхивание, вызванное вихревыми эффектами, противодействует нормальной работе сепаратора для отделения твердых частиц от жидкости. Следовательно, канавки, такие как V-образные канавки 210, рассмотренные ранее со ссылкой на фиг.6, могут быть выполнены на наружной периферии диска 170. Канавки сводят к минимуму встряхивание путем уменьшения силы, действующей со стороны потока воды вокруг диска 170, в результате чего уменьшаются вихревые эффекты. Таким образом, V-образные канавки 210 обеспечивают поддержание пограничного слоя 228 между нижним продуктом 224 и очищенной водой 226.
Помимо того, что различные диски, в частности диск 170, служат для создания опоры для ребер 184, эти диски способствуют удалению твердых примесей. То есть вся текучая среда, которая поступает в сосуд 60, должна проходить или в сторону наружного края диска 170, или вокруг этого наружного края перед тем, как она сможет выйти из сосуда 60. За счет того, что обеспечивается принудительное прохождение всей текучей среды в сторону наружного края диска 170 у экватора 97, вся текучая среда подвергается воздействию наибольшей центробежной силы, создаваемой при вращении сосуда 60, тем самым гарантируется то, что наибольшее количество твердых частиц будет удалено из поступающей текучей среды. Кроме того, при размещении дисков 176 и 178 с противоположных сторон диска 170 текучая среда проходит радиально внутрь и наружу при перемещении ее между дисками. Это движение текучей среды в радиальном направлении приводит к увеличению продолжительности пребывания текучей среды внутри сосуда, в результате чего текучая среда подвергается воздействию центробежной силы, создаваемой в сосуде, в течение более длительного периода времени. В результате удаляется большая часть твердых примесей. Однако в альтернативном варианте осуществления сепаратор для разделения текучей среды может работать без использования дисков, в частности диска 170.
Поскольку иногда во входном потоке 38 можно обнаружить газы, слой 230 газа может образоваться вокруг оси 90 на входной стороне сосуда 60. Диск 170 служит в качестве эффективного барьера между входной стороной и выходной стороной сосуда 60. Следовательно, газы, обнаруженные во входном потоке, как правило, можно будет обнаружить только на входной стороне сосуда 60, поскольку скорее всего они будут отделены до того, как жидкость пройдет через аксиальный канал 174 для потока.
По мере того, как входной поток 38 продолжает поступать в сосуд 60, жидкость проходит через канал 174 для потока на выходную сторону сосуда 60. Жидкость или вода 226 заполняет выходную сторону сосуда 60 и затем выходит из него по отводящему каналу 132. Очищенная вода 226 впоследствии выходит из сепаратора 10 для разделения текучей среды через выход 134 для верхнего продукта и редукционный клапан 136. Редукционный клапан 136 открывается только тогда, когда противодавление в выходе 134 для верхнего продукта превысит усилие пружины для клапана, тем самым гарантируя то, что заранее заданное давление будет поддерживаться внутри сосуда 60. В альтернативном варианте осуществления редукционный клапан 136 может быть заменен другими работающими системами, которые выполняют ту же функцию. Например, редукционный клапан 136 может быть заменен клапаном с электронным управлением и датчиком давления. Клапан открывается по сигналу электронного управления, когда датчик давления определит заранее заданное давление внутри сосуда 60.
Граница 228 раздела поддерживается на заданном уровне путем периодического открытия клапана 148 и обеспечения возможности отвода нижнего продукта 224 по отводным трубам 160. Когда клапан 148 открыт, создается градиент давления между внутренней полостью сосуда 60 и выходной магистралью 76 для нижнего продукта. Поток отделенного компонента из твердых частиц (нижнего продукта 224) будет проходить из среды с более высоким давлением внутри сосуда 60 в зону более низкого давления по отводным трубам 160. Этот перепад давлений может быть создан различными способами, например, за счет работы сосуда 60 при давлении окружающей среды и приложения давления ниже атмосферного к отводным трубам 160, или, как показано в данном случае, за счет работы сосуда 60 под давлением и приложения к отводным трубам 160 давления, близкого к давлению окружающей среды.
С учетом того, что восемь отводных труб 160 проходят только в восьми из каналов 218 для потока (фиг.9), граница 228 раздела опускается в этих каналах 218 для потока по мере отвода нижнего продукта 224. Когда граница 228 раздела в этих каналах 218 для потока опускается, нижний продукт 224 из соседних каналов 218 для потока проходит через канал 190 для нижнего продукта для поддержания границы 228 раздела на по существу постоянном уровне по всей периферии сосуда 60. В альтернативном варианте осуществления предусмотрено, что отводная труба 160 может быть подана в каждый отдельный канал 218 для потока. В данном варианте осуществления отсутствует необходимость в наличии канала 190 для потока между каналами 218 для потока.
Когда выпускной клапан 148 для нижнего продукта открывается, любой газ, который скопился внутри сосуда 60 с образованием слоя 230 газа, немедленно начинает выходить через отверстие 164 пробки 162, которое сообщается по текучей среде с каналом 130 для удаления. Таким образом, отверстие 164 предпочтительно должно быть выполнено с такими размерами, чтобы любой ожидаемый скопившийся газ можно было удалить посредством периодического открытия клапана 148. Однако отверстие 164 должно быть достаточно малым с тем, чтобы обеспечить возможность создания силы тяги в отводных трубах 160, достаточной для удаления нижнего продукта 224. Таким образом, размер отверстия 164 частично зависит от состава и свойств потока текучей среды. В одном варианте осуществления отверстие 164 имеет диаметр приблизительно 0,375 дюйма (1 см) и выполнено с резьбой. Это отверстие диаметром 0,375 дюйма (1 см) выполнено резьбовым для того, чтобы в него можно было ввести вставку, тем самым диаметр отверстия может быть уменьшен, или отверстие может быть даже полностью закрыто, в зависимости от выбранной вставки. Вставка может быть ввинчена в отверстие 164 даже после сборки сосуда 60 высокого давления, поскольку возможность доступа к отверстию 164 сохраняется за счет выпускного отверстия 140 и канала 130 для удаления. Возможность регулирования диаметра этого отверстия позволяет подгонять отверстие 164 к потокам различных текучих сред при использовании одного и того же сепаратора 10 для отделения твердых частиц от жидкости.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения сферический сосуд 60 имеет внутренний диаметр, составляющий приблизительно 19 дюймов (48 см), и способен обрабатывать приблизительно 38 литров воды в минуту. Это обеспечивает продолжительность пребывания воды в сепараторе 10 для разделения текучей среды, составляющую приблизительно 1,5 минуты, при одновременном подвергании воды воздействию сил, составляющих в среднем приблизительно 700 г. Это примерно равноценно продолжительности пребывания, составляющей 2 часа, в статическом очистителе, имеющем ту же емкость. Сепаратор для разделения текучей среды согласно настоящему изобретению способен очищать воду с удалением не менее 99% твердых частиц. В альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что могут быть созданы типовые сосуды с максимальным внутренним диаметром в диапазоне от приблизительно 6 дюймов (15 см) до приблизительно 120 дюймов (300 см), при этом более предпочтительным является диапазон от приблизительно 12 дюймов (30 см) до приблизительно 60 дюймов (150 см). Такие сосуды могут быть предназначены для обработки текучей среды со скоростью, находящейся в диапазоне от приблизительно 0 литров в минуту до приблизительно 4000 литров в минуту, при этом более предпочтительным является диапазон от приблизительно 1 литра в минуту до приблизительно 1000 литров в минуту.
Образующийся в результате поток 70 нижнего продукта пропускают через мешочный фильтр, фильтр-пресс или ленточный фильтр для удаления оставшейся воды и «слеживания» твердых частиц. Твердые частицы в виде фильтровального осадка затем могут быть удалены путем компостирования или с помощью другого способа, известного в данной области техники. В конечном счете способ удаления будет зависеть от состава фильтровального осадка из твердых частиц. Например, твердые частицы, содержащие тяжелые металлы, нельзя компостировать, и в этом случае используются другие подходящие способы удаления.
Для выключения сепаратора для разделения текучей среды насос и двигатель выключают, затем из сосуда сливают оставшееся содержимое и его промывают. В альтернативном случае текучая среда может быть просто оставлена внутри сосуда во время использования его.
Как следует из вышеизложенного, сепаратор для разделения текучей среды согласно настоящему изобретению позволяет преодолеть проблемы, связанные с известным уровнем техники. В частности, варианты осуществления настоящего изобретения, описанные здесь, обеспечивают отделение твердых частиц от жидкости во вращающемся сосуде за счет использования центробежной силы и за счет направления потока материала, содержащего твердые частицы. Такие варианты осуществления также включают сепаратор для отделения твердых частиц от жидкости, который выполняет отделение твердых частиц от жидкости со скоростью, которая в несколько раз превышает скорость отделения, характерную для традиционных сгустителей и высокопроизводительных сгустителей, при этом данный сепаратор занимает площадь, которая является рациональной для по существу любого случая применения. В завершение, предпочтительные варианты осуществления сепаратора для разделения текучей среды согласно настоящему изобретению обеспечивают отделение твердых частиц от жидкости таким образом, что уплотненное твердое вещество содержит жидкость в количестве, которое составляет приблизительно пять процентов или менее от всего количества жидкости в жидком исходном подаваемом материале, содержащем твердые примеси.
Показанный на фиг.11 и 12 другой вариант осуществления настоящего изобретения относится к сепаратору 244 для разделения жидкостей, в котором используется конструкция, аналогичная конструкции сепаратора 10 для разделения текучей среды, изображенного на фиг.2-10. В отличие от сепаратора 10 для разделения текучей среды, который в основном предназначен для удаления твердых примесей из жидкости, сепаратор 244 для разделения жидкостей предназначен в первую очередь для разделения жидкой смеси двух или более несмешивающихся жидкостей, таких как масло и вода.
На фиг.11 показан подузел 232 сепаратора 244 для разделения жидкостей. Подузел 232 включает сплошной, расположенный на входной стороне меньший диск 234, аналогичный расположенному на входной стороне меньшему диску 176, показанному на фиг.6. Показано, что центральный диск 236 имеет множество перфорационных отверстий 238. Перфорационные отверстия 238 обеспечивают возможность прохода жидкостей через них. Кроме того, также показан расположенный на выходной стороне, меньший диск 240, имеющий множество перфорационных отверстий 238, проходящих сквозь него.
Как показано на фиг.11, остальная часть подузла 232 и сосуда, в котором расположен подузел 232, выполнена по существу так же, как в конструкции, рассмотренной выше в связи с сепаратором 10 для разделения текучей среды. По существу аналогичные элементы обозначены аналогичными ссылочными позициями. Кроме того, альтернативные варианты, рассмотренные выше в отношении сепаратора 10 для разделения текучей среды, также применимы для сепаратора 244 для разделения жидкостей.
Сепаратор 244 для разделения жидкостей также работает аналогично сепаратору 10 для разделения текучей среды. Например, когда сосуд 60 вращается, жидкая смесь нагнетается во вход 114 так, что она проходит вниз через полый вал 98 вдоль направления стрелки А. При достижении входа в сосуд 60 жидкая смесь поступает в один из каналов 218 для потока (фиг.9) и продолжает заполнять сосуд 60. В результате действия центробежной силы, создаваемой при вращении сосуда 60, и столкновения жидкой смеси с меньшим диском 234 жидкая смесь отталкивается в радиальном направлении наружу к стенке 92 сосуда 60 и перемещается вокруг диска 234.
Жидкая смесь включает тяжелую жидкость 241 и легкую жидкость 243, которые характеризуются их относительными плотностями. В том случае, если жидкая смесь включает более двух несмешивающихся жидкостей, тяжелая жидкость 241 или легкая жидкость 243 могут быть определены как содержащие более одной жидкости. Отведенная жидкость, которая содержит более одной жидкости, может быть затем обработана с помощью второго сепаратора 244 для разделения жидкостей с тем, чтобы разделить содержащиеся в ней жидкости.
В результате действия приложенной центробежной силы тяжелая жидкость 241 проходит к стенке 92 у экватора 97. Легкая жидкость 243 проходит к центру или продольной оси сосуда 60. В результате между тяжелой жидкостью 241 и легкой жидкостью 243 образуется граница 245 раздела. Граница 245 раздела поддерживается на радиальном расстоянии от оси 90 вращения, находящемся в некотором диапазоне значений. Эта граница 245 раздела жидкостей аналогична границе 228 раздела, показанной на фиг.10 для сепаратора 10 для разделения текучей среды. Однако, в отличие от границы 228 раздела, граница 245 раздела расположена на радиальном расстоянии от оси вращения, находящемся в диапазоне значений, составляющих от приблизительно 1/5 до приблизительно 4/5 расстояния между осью 90 вращения и максимальным диаметром на экваторе 97 (между осью 90 вращения и стенкой 92 у экватора 97), предпочтительно составляющих от приблизительно 1/4 до приблизительно 3/4 этого расстояния, и - даже более предпочтительно - составляющих от приблизительно 1/3 до приблизительно 2/3 этого расстояния.
В результате наличия перфорационных отверстий 238, проходящих сквозь диски 236 и 240, легкая жидкость 243 и газ 230 могут проходить через диски 236 и 240 и наружу из отводящего канала 132. Поскольку газ 230 выходит вместе легкой жидкостью 243, отсутствует необходимость в наличии отверстия для выхода газа на входном конце 131 выпускной трубы 128. В данном варианте осуществления диски 236 и 240 служат в основном в качестве опор для ребер 184 и, таким образом, могут иметь любую заданную конфигурацию. В альтернативном варианте диски 236 и 240 могут быть удалены.
Тяжелая жидкость 241 удаляется из сосуда 60 по отводным трубам 160 и выпускной трубе 128. В том случае, если количество отводных труб 160 меньше числа отдельных каналов 218 для потока, каналы 190 для нижнего продукта будут образованы между отдельными каналами 218 для потока, так что граница 245 раздела будет постоянной для всех каналов 218 для потока. Поскольку граница 245 раздела, как правило, расположена ближе к продольной оси 90, чем граница 228 раздела, второй конец 163 отводных труб 160 может быть смещен ближе к продольной оси 90.
На фиг.13 показан один вариант осуществления системы 290 управления, предназначенной для удаления разделенных жидкостей из сепаратора 244 для разделения жидкостей. А именно, подаваемый поток 30, содержащий две несмешивающиеся жидкости, подается в сепаратор 244 для разделения жидкостей, в котором две жидкости разделяются, как было рассмотрено выше. Система 290 управления включает первый датчик 246 давления, соединенный с соответствующим первым клапаном 248, при этом и датчик, и клапан расположены вдоль первого выходного потока 250. Кроме того, второй датчик 252 давления также расположен в первом выходном потоке 250. Второй клапан 256 расположен во втором выходном потоке 258. Сигнальная магистраль 254 обеспечивает передачу сигнала от второго датчика 252 давления к второму клапану 256.
Согласно настоящему изобретению перепад давлений поддерживается между первым клапаном 248 и вторым клапаном 256. Перепад давлений необходим для того, чтобы сохранять границу 245 раздела на определенном радиальном расстоянии от продольной оси 90 так, чтобы только тяжелая жидкость 241 выходила по выпускной трубе 128 (первый выходной поток 250) и только легкая жидкость 243 выходила через отводящий канал 132 (второй выходной поток 258). То есть, если не будет перепада давлений, граница 245 раздела может, в зависимости от выбранных переменных, теоретически проходить за стенкой 92 сосуда 60 высокого давления. В результате как тяжелая жидкость 241, так и легкая жидкость 243 будут выходить наружу в первом выходном потоке 250.
Величина требуемого перепада давления определяется частотой вращения сепаратора 244 для разделения жидкостей, плотностью, по меньшей мере, двух несмешивающихся жидкостей, содержащихся в подаваемом потоке 30, и заданным местоположением границы 245 раздела. На практике перепад давлений может быть определен эмпирически. Например, вначале первый клапан 248 настраивают для работы при первом давлении. То есть, первый клапан 248 обеспечивает поддержание первого выходного потока 250 при первом давлении, одновременно обеспечивая первому выходному потоку 250 непрерывное прохождение через первый клапан 248. Соответственно, если первый выходной поток 250 уменьшается, первый клапан 248 закрывают в соответствующей степени с тем, чтобы поддерживать первое давление. Величина первого давления по существу является произвольной, поскольку именно перепад давлений «управляет» положением границы 245 раздела. Тем не менее, в одном варианте осуществления первое давление находится в диапазоне от приблизительно 5 фунтов на кв. дюйм (3,45×104 Па) до приблизительно 500 фунтов на кв. дюйм (3,45×106 Па), при этом более предпочтительным является диапазон от приблизительно 15 фунтов на кв. дюйм (1,03×105 Па) до приблизительно 60 фунтов на кв. дюйм (4,14×105 Па).
Как только первое давление для первого клапана 248 будет установлено, второй клапан 245 настраивают для работы при том же давлении. В этом случае сепаратор 244 для разделения жидкостей приводят в действие с некоторой скоростью подаваемого потока 30 и с заданной частотой вращения сосуда 60. Поскольку клапаны 248 и 256 настроены для работы при одинаковом рабочем давлении, как тяжелая жидкость 241, так и легкая жидкость 243 выходят наружу в первом выходном потоке 250. Затем с определенным шагом уменьшают рабочее давление для второго клапана 256. По мере уменьшения рабочего давления для второго клапана 256 перепад давлений между первым клапаном 248 и вторым клапаном 256 увеличивается, и граница 245 раздела смещается радиально внутрь в сторону продольной оси 90. Экстремальные значения рабочего давления второго клапана 256 могут быть определены путем отслеживания содержимого потока в выходных потоках 250 и 258 по мере снижения с определенным шагом рабочего давления второго клапана 256. Эти экстремальные значения рабочего давления представляют собой рабочие давления второго клапана 256 в те моменты, когда легкая жидкость 243 впервые начинает выходить из первого выходного потока 250 и тяжелая жидкость 241 впервые начинает выходить из второго выходного потока 258. Затем клапан 256 настраивают таким образом, чтобы он работал при давлении, значение которого находится между двумя экстремальными значениями давления. Это приводит к тому, что граница 245 раздела будет расположена центрально между отверстием в отводящий канал 132 и отверстием 166 в отводные трубы 160. Полученная в результате разность давлений между первым клапаном 248 и вторым клапаном 256 определяет перепад давлений.
Одно из уникальных преимуществ сепаратора заключается в его способности компенсировать изменения в соотношении двух несмешивающихся жидкостей в подаваемом потоке 30. Например, подаваемый поток 30, состоящий из масла и воды, поступает в сепаратор 244 для разделения жидкостей. Подаваемый поток 30, состоящий из масла и воды, представляет собой смесь в соотношении 50/50. В определенный момент времени смесь с соотношением 50/50 неожиданно испытывает изменение нагрузки до 10% масла и 90% воды. В том случае, если частота вращения сепаратора 244 для разделения жидкостей остается по существу постоянной, увеличенное количество воды приведет к тому, что граница 245 раздела будет стремиться сместиться к оси 90 вращения. Соответственно, давление, измеряемое первым датчиком 246 давления и вторым датчиком 252 давления, увеличивается из-за увеличивающегося объема воды внутри сепаратора 244 для разделения жидкостей. В результате наличия сигналов от датчиков 246 и 252 второй клапан 256 будет автоматически немного закрываться, а первый клапан 248 будет автоматически немного открываться. В результате этого рабочие давления клапанов 248 и 256 и перепад давлений между клапанами 248 и 256 будут непрерывно поддерживаться относительно постоянными, даже несмотря на то, что соотношение жидкостей в подаваемом потоке 30 может непрерывно изменяться.
Также можно управлять работой сепаратора при подаваемом потоке 30, на 100% состоящем из воды, или подаваемом потоке 30, на 100% состоящем из масла, путем поддержания границы 245 раздела в пределах предпочтительного диапазона расстояний от оси 90 вращения. Например, в том случае, когда в сепаратор 244 для разделения жидкостей подается поток 30, на 100% состоящий из масла, первый клапан 248 в конце концов полностью закроется, чтобы сохранить границу раздела жидкостей в пределах предпочтительного диапазона расстояний от оси 90 вращения. Соответственно, в том случае, если вся жидкость в подаваемом потоке 30 представляет собой масло, масло будет проходить через сепаратор 244 для разделения жидкостей по существу без какого-либо смешивания с водой, которая в данной ситуации будет по существу неподвижной в сепараторе. В одном варианте осуществления первый клапан 248 может представлять собой регулятор противодавления, такой как Fisher 98L. Второй клапан 256 может представлять собой регулятор перепада давлений, такой как Fisher 98LD. Эти клапаны изготавливаются фирмой Fisher Controls International, Inc., Marshall Town, Айова. Для специалиста в данной области техники очевидно, что другие типы клапанов и конструкций клапанов также могут быть использованы в системе 290 управления.
Несмотря на то, что на фиг.13 показано, что датчики 246 и 252 оба связаны с первым выходным потоком 250, в альтернативном варианте осуществления каждый из датчиков 246 и 252 может быть связан со вторым выходным потоком 258. В еще одном варианте осуществления, показанном на фиг.14, устройство 260 управления может быть использовано для отвода разделенных текучих сред из сепаратора 244 для разделения жидкостей. Сигналы передаются от первого датчика 246 давления посредством использования первого передатчика 262, который работает с сигналом 4-20 мА, при этом данные значения приведены в качестве неограничивающего примера. Аналогичным образом, первый клапан 248 передает сигнал посредством использования первого I/Р-преобразователя 264, также работающего с сигналом 4-20 мА. Первый I/Р-преобразователь 264 преобразует управляющий сигнал 4-20 мА в пневматический сигнал для управления первым клапаном 248. Второй выходной поток 258 также предусмотрен со вторым датчиком 252 давления, вторым передатчиком 266 и вторым I/Р-преобразователем 268.
Согласно настоящему изобретению, когда возмущение нагрузки имеет место в подаваемом потоке 30, первый датчик 246 давления и второй датчик 252 давления обнаруживают изменение соответствующих давлений тяжелой жидкости, проходящей в виде первого выходного потока 250, и легкой жидкости, проходящей в виде второго выходного потока 258. Согласно настоящему изобретению такое возмущение нагрузки будет замечено устройством 260 управления, и будет произведена регулировка соответствующих клапанов 248 и 256 с тем, чтобы сохранить границу 245 раздела в предпочтительном диапазоне расстояний от оси 90 вращения. Согласно данному варианту осуществления настоящего изобретения перепад давлений поддерживают за счет управления первым клапаном 248 и вторым клапаном 256. Соответственно, местоположение границы 245 раздела может поддерживаться в пределах предпочтительного диапазона расстояний от оси 90 вращения.
Одно особое преимущество настоящего изобретения, относящееся к управлению системой разделения жидкостей, заключается в способности разделять несмешивающиеся жидкости, которые имеют плотности, отличающиеся друг от друга менее чем приблизительно на 5%. Настоящее изобретение пригодно для разделения несмешивающихся жидкостей, которые имеют разницу плотностей, находящуюся в диапазоне от приблизительно 5% до приблизительно 0,5%, более предпочтительно - от приблизительно 4% до приблизительно 0,5% и наиболее предпочтительно - от приблизительно 3% до приблизительно 0,5%. Таким образом, настоящее изобретение пригодно для разделения несмешивающихся жидкостей, которые имеют разницу плотностей, превышающую 5%. В том случае, если предусмотрена определенная система разделения жидкостей, такая, что плотности двух жидкостей известны, управление такими системами обеспечивается с помощью настоящего изобретения. Калибровка может быть выполнена для определенного вращающегося сосуда высокого давления, как раскрыто в данном описании. Первая частота вращения в об/мин может быть задана, и различные перепады давлений могут быть зафиксированы для различных соотношений двух жидкостей. На основе этих данных может быть построена кривая. Аналогичным образом могут быть проведены испытания при других значениях частоты вращения, чтобы провести калибровку вращающегося сосуда высокого давления. Путем использования типовых способов управления, таких как использование пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора (ПИД-регулятора), значение частоты вращения вращающегося сосуда высокого давления может быть отслежено, и может быть обеспечено разделение жидкостей в системе сепарации путем поддержания границы 245 раздела в пределах заданного диапазона.
Один случай применения сепаратора 244 для разделения жидкостей показано на фиг.15. При определенных условиях правила сброса в окружающую среду могут потребовать очистки воды от захваченного ею масла до уровня ниже приблизительно 100 частей на миллион. В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, показанным на фиг.15, подаваемый поток 12 по существу не содержит никаких несвязанных твердых примесей, за исключением какого-либо случайного мусора, который может быть удален в фильтре 18 грубой очистки, предназначенном для удаления мусора. Подаваемый поток 30 поступает в сепаратор 244 для разделения жидкостей, и две несмешивающиеся жидкости разделяются, как описано выше.
В том случае, когда первый выходной поток 250 содержит тяжелый жидкий компонент, такой как вода в системе масла и воды, первый выходной поток 250 поступает в гидроциклон 270 для разделения жидкостей, в котором выполняется разделение и удаляется больше легкого жидкого компонента, концентрация которого снижается от свыше приблизительно 100 частей на миллион до менее чем приблизительно 10 частей на миллион. Предпочтительно, в том случае, когда имеется система из масла и воды, первый выходной поток 250, содержащий воду или тяжелый жидкий компонент, может иметь содержание масла приблизительно 100 частей на миллион. Гидроциклон 270 для разделения жидкостей создает поток 272 очищенного тяжелого жидкого компонента, который имеет содержание масла в диапазоне от приблизительно 0,1 до приблизительно 100 частей на миллион, предпочтительно - от приблизительно 1 до приблизительно 10 частей на миллион и наиболее предпочтительно - от приблизительно 2 до приблизительно 5 частей на миллион. Поток 274 повторно используемого легкого жидкого компонента отводится из гидроциклона 270 для разделения жидкостей и смешивается с потоком 20 для образования подаваемого потока 30. Как правило, при потоке 20, содержащем масло и воду в соотношении 50/50, содержание воды в потоке 274 повторно используемого легкого жидкого компонента будет находиться в диапазоне от приблизительно 50% воды до приблизительно 80% воды. Гидроциклон 270 может представлять собой любой гидроциклон, известный специалистам в данной области техники. Один пример гидроциклона раскрыт в патенте США No. 5133861, который в целях раскрытия включен в данное описание посредством особой ссылки.
Соответственно, способ разделения смеси жидкости и жидкости путем использования конструкции, показанной на фиг.14, может подразумевать использование одного из управляемых вариантов осуществления, показанных на фиг.12 и 13, и дополнительно предусматривать использование гидроциклона, который соединен с выходом для тяжелого жидкого компонента.
На фиг.16 показан еще один вариант осуществления настоящего изобретения, в котором более дорогой сферический сосуд 60 высокого давления заменен сосудом 276 высокого давления в виде двойного усеченного конуса. На фиг.16 изображены отводные трубы 160, длина которых больше длины их эквивалентов, показанных на фиг.3. Кроме того, отбортованный край 278 двойного усеченного конуса 276 предусмотрен с болтом 280 для сборки двойного усеченного конуса 276. Прокладка или уплотнительное кольцо (непоказанное) может быть установлено между сопряженными поверхностями отбортованного края 278 с тем, чтобы получить не проницаемое для жидкости уплотнение, которое выдерживает давление, предусмотренное для настоящего изобретения.
На фиг.16 также показано, что аксиальный канал 174 для потока в большей степени проходит под углом из-за формы двойного усеченного конуса 276. Одно явное преимущество двойного усеченного конуса 276 заключается в отсутствии уменьшающегося наклона потока. Другими словами, наклон потока вдоль стенки 92 сосуда является постоянным для твердых примесей или тяжелого жидкого компонента, когда он перемещается вдоль стенки 92 сосуда в направлении отверстия 166 радиальной отводной трубы.
На фиг.17 показано перспективное изображение подузла 292 сепаратора, включающего дополнительные диски 202, 204 наряду с, по меньшей мере, одним основным диском, таким как центральный диск 170. На фиг.17 показана форма радиальных ребер 184, которая соответствует форме двойного усеченного конуса 276 сосуда высокого давления. Дополнительное различие между подузлом 292 и соответствующими элементами в сепараторе 10 для отделения твердых частиц от жидкости заключается в том, что отводная труба 160 расположена между соседними ребрами 184 в подузле 292. В данном варианте осуществления отсутствует необходимость в образовании канала 190 для потока нижнего продукта между соседними каналами 218 для потока. Согласно настоящему изобретению двойной усеченный конус 276, показанный на фиг.16 и 17, может быть использован или в сепараторе для отделения твердых частиц от жидкости, или в сепараторе для разделения жидкостей.
В еще одном варианте осуществления предусмотрено, что один сепаратор может быть выполнен с возможностью одновременного разделения двух или более несмешивающихся жидкостей и отделения твердых примесей от потока текучей среды. Сепаратор может быть выполнен по существу идентично сепараторам, показанным на фиг.10 и 11. Однако в данном варианте осуществления твердые примеси скапливаются в зоне наибольшего радиального расстояния от оси вращения, более легкая из двух несмешивающихся жидкостей скапливается вокруг оси вращения, а более тяжелая из двух несмешивающихся жидкостей скапливается между твердыми примесями и более легкой жидкостью. Используются два отдельных комплекта отводных труб. Первый комплект проходит до твердых примесей для отвода их. Это аналогично тому, что было рассмотрено ранее в связи с фиг.10. Отводные трубы из второго комплекта проходят до более тяжелой жидкости для отвода ее. Более легкая жидкость выходит таким же образом, как было рассмотрено выше в связи с фиг.11.
Настоящее изобретение может быть реализовано в других конкретных вариантах, не отходя от его идеи или существенных признаков. Описанные варианты осуществления следует рассматривать во всех отношениях только как иллюстративные и неограничивающие. Следовательно, объем изобретения определяется приложенной формулой изобретения, а не предшествующим описанием. Все изменения, которые находятся в рамках сущности и объема эквивалентности пунктов формулы изобретения, следует рассматривать как находящиеся в рамках объема этих пунктов.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ЦИКЛОННЫЙ СЕПАРАТОР ДЛЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ | 2009 |
|
RU2509272C2 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ | 2005 |
|
RU2349364C1 |
| СЕПАРАТОР ДЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ ИЗ ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ (ВАРИАНТЫ) | 2005 |
|
RU2350763C2 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕПАРАЦИИ КОМПОНЕНТОВ ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ | 2018 |
|
RU2754564C2 |
| СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ОБРАБОТКИ БИОМАССЫ | 2011 |
|
RU2568470C2 |
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ ТЕКУЧИХ СРЕД | 2003 |
|
RU2367498C2 |
| КЛАПАН ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ | 2014 |
|
RU2659705C2 |
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕСМЕШИВАЮЩИХСЯ ТЕКУЧИХ СРЕД | 2009 |
|
RU2514989C2 |
| ЦИКЛОННЫЙ СЕПАРАТОР ДЛЯ ТЕКУЧИХ СРЕД | 2008 |
|
RU2424038C2 |
| СИСТЕМА И СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ПОТОКА ФЛЮИДА | 2006 |
|
RU2412738C2 |
Изобретение относится к центробежной сепарационной системе, предназначенной для очистки воды, которая загрязнена органическими и неорганическими материалами. Сепаратор для разделения текучей среды, включающей тяжелый и легкий компоненты, содержит сосуд, имеющий ось вращения и периферийную стенку, ограничивающую камеру, сообщающуюся с входом и первым выходом. Внутри камеры расположено множество ребер, выступающих радиально от оси вращения. Сепаратор содержит также выпускную трубу, отводную трубу и средства установки давления текучей среды. Выпускная труба имеет первый конец, расположенный в камере, и противоположный второй конец, сообщающийся по текучей среде с пространством, наружным по отношению к сосуду. Отводная труба расположена внутри камеры и имеет первый конец, сообщающийся по текучей среде с выпускной трубой, и противоположный второй конец, ограничивающий второй выход для камеры сосуда. Первый выход расположен ближе к оси вращения, чем второй выход, расположенный на некотором расстоянии от оси вращения. При вращении текучей среды внутри сосуда граница раздела между легким и тяжелым компонентами расположена между первым и вторым выходом. Средства установки давления текучей среды контролируют расположение границы раздела между первым и вторым выходом. Описан также способ разделения многокомпонентной смеси текучих сред и способ разделения смеси жидкость-жидкость. Изобретение позволяет повысить скорость разделения компонентов, уменьшить попадание одного компонента в другой. 3 н. и 32 з.п. ф-лы, 17 ил.
| US 3168474 А, 02.02.1965 | |||
| US 3991935 А, 16.11.1976 | |||
| US 4846780 А, 11.07.1989 | |||
| GB 1491036 А, 09.11.1977 | |||
| СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩАЯ ЖИДКОСТЬ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ | 2001 |
|
RU2185425C1 |
| Сепаратор для разделения суспенз | 1972 |
|
SU484895A1 |
