使多相固体在重相排放流中高效地流动的离心液体分离机

摘要

本发明涉及离心液体分离机，并且特别地涉及以径向向内的方式从转鼓壁提升砂粒和其他固体并且使砂粒和其他固体再次悬浮到重相排放流内的螺旋式离心液体分离机。根据本发明的一个实施方式，机器具有外转鼓和输送器。转鼓和输送器同轴，并且背驱动组件使这些组成部件以不同速度转动以允许输送器在机器的分离区域内机械地扫动重相材料。砂粒沿着刮板被径向向内地输送并且翻滚至重相排放流内，在这里被再次悬浮并且与该流一起离开机器。还可以设置擦刮件以用于防止在固体挡板下方的重相流动的堵塞。

说明书

本美国发明专利申请要求2010年7月1日提交的临时申请 61/360,723的优先权，该临时申请的全部内容通过引用合并于 此。

技术领域

本发明涉及离心液体分离机，并且特别地涉及以径向向内 的方式从转鼓壁提升砂粒和其他固体并且使砂粒和其他固体再 次悬浮到重相排放流中的螺旋式离心液体分离机。

背景技术

离心机在多种类型的应用中有用。在一种应用中，期望污 水处理厂实现4%至6%的滤饼固体排放。需要该范围的滤饼固 体是为了厌氧消化池高效地操作。低于该范围需要增加消化池 容量。超过该范围典型地导致由于重相液体的厚度而引起的混 合问题。虽然关于一种类型的应用描述了本发明的原理，但是 应该理解为本发明决不限于该描述的应用。

在基本形式中，沉降式离心分离机具有转动的外转鼓、与 外转鼓同轴布置的内部螺旋输送器以及用于维持转动的外转鼓 与内部螺旋输送器之间在速度上的差异以允许机器的连续操作 的机构。转鼓以升高的速度转动导致在机器内由于升高的重力 水平而引起在机器的分离区域内的固液分离动作。诸如固体和 较重密度液体等材料因此将沉淀至分离区域的外径，并且较低 密度液体将转移至分离区域的内径。分离率随着由转鼓的转动 引起的重力的升高而增大。螺旋输送器具有大于或小于外转鼓 转动速度的转动速度。该速度上的差异使得螺旋输送器叶片能 够提供在分离区域内的机械扫动动作。砂粒趋向于不流动并且 需要被输送以从沉降离心机排放。然而，在固体排放为径向向 内的设计中，这可能产生积累问题。非流动材料的积累可能增 加操作马力、降低容量，除此以外可能破坏装置的正确操作。 砂粒还趋向于在部件上研磨并且使得这些部件过早遭受故障。 因此，充分地处理砂粒的设计将是有利的。

多年来已经具有多种离心机设计。为了说明离心机装置的 现状，在以下美国专利中说明了这些设计中的几个。

美国专利号（以下称作“USPN”）3,795,361是Lee的专利， 标题为离心机设备。该专利描述了在无孔转鼓内具有螺旋输送 器的沉降离心机如何设置有由螺旋输送器携带的环状挡板。重 相排放口被教示为位于转鼓的渐缩部内并且位于比轻相材料的 内表面距离转动轴线的距离大的径向距离处。挡板的外周部与 转鼓接近地隔开以便形成用于重相材料的从转鼓的筒状部内的 分离区至转鼓的渐缩部内的重相排放区的底流的受限通路。利 用圆锥形挡板，来路进料被导向到挡板的面朝内的表面上并且 被加速以便使分离区内的湍流最小化。因为充分地输送砂粒或 废物所需的浅锥角（beach angle）需要不期望的大比例的转鼓 长度，所以渐缩部或锥角的使用降低了机器的容量。

USPN 4,339,072是Hiller的专利，标题为用于分离固体/液 体混合物的离心机。在该发明中，具有外夹套的离心机鼓设置 有被定位在夹套中的开孔。通过开孔，集中的固相的至少部分 排放发生于开孔上。优选地为盘形式的控制装置提供了以小间 隔与开孔隔开的表面，以便除了当表面中的诸如凹陷或缺口等 不连续发生以使得流动能够通过开孔时之外防止固体/液体通 过开孔的流动。虽然该专利描述了用于通过从外转鼓排放来消 除截头圆锥(truncated cone)的解决方案，但是其设计并非没有 缺点。例如，其需要所有固体通过非常小的喷嘴。这可能导致 不期望的磨损损伤量和机器的堵塞，尤其是当存在砂粒时。

USPN 5,542,903是Nishida等人的专利，标题为利用减速叶 片的离心液体分离机。该专利教示，在转动转鼓和螺旋输送器 的轴内单独地形成有用于集中的和分离的液体的排放通道。在 从转动转鼓的内侧引导至轴内的排放通道的径向排放通道的入 口通道中，环状空间被安装在螺旋输送器上并且从机器的轴在 径向上延伸的多个减速叶片分成扇区。虽然该专利示出了针对 由于无固定形状废物产生的问题的解决方案，但是并未解决由 诸如砂粒等磨损材料引起的问题。

USPN 4,449,967是Caldwell的专利，标题为输送器叶片构 造。该专利示出，离心机设备的螺旋输送器的叶片可以被改进 以降低操作设备时所需的转矩量以及产生比利用传统叶片排放 出的固体干的排放固体。该专利教示如下改进：在离心机转鼓 的至少截头圆锥形端部处的或者附近的叶片的引导面的末端具 有在固体排放口的方向上凹的大体弧形构造使得更加末梢的叶 片部以最小转矩需求将分离的固体材料从转鼓壁剥离，而较少 末梢的弧形部使固体翻滚（tumble）以降低含水量。典型地， 通过添加被附接至背板的耐磨构件来形成叶片的弧形引导面， 背板被安装在叶片的引导面上。

USPN 5,653,673是Desai等人的专利，标题为离心机设备中 的清洗管道构造及其使用。该专利示出，用于固体-液体混合物 的连续分离和分离的固体的内部清洗的离心设备，该设备具有 一个以上管道以将清洗液体传输成离心地沉降的固体翻滚物， 这使得清洗液体能够更好地贯通较少压实的固体堆。各清洗管 道的末端以靠近离心机转鼓的内表面的方式被定位在适于在分 离时接触固体并且朝向固体排放口推动分离的固体的输送器叶 片附近。该发明包括设置有适于切割和分离沉降的固体的诸如 刀片等多个切割工具。在该发明的另一方面中，离心机设备设 置有将转鼓中的离心分离液体池分成轴向相邻区的一个以上的 浸堰，在相邻区之间具有用于液体和固体的传递的适宜的通道。 在该发明的另一方面中，输送叶片的引导面的至少一部分设置 有与引导面中限定的凹度的其末梢边缘邻近的弧形表面部，并 且设置有适于接触沉淀的固体并且使沉淀的固体在清洗液体中 翻滚的形状。该发明提供了母液的从排放固体的改进分离和/ 或为了获得重新获得的固体产品的期望纯度所需的清洗液体的 减少。

这些专利均未教示从转鼓壁径向向内提升砂粒和其他固体 的方式。

这些专利均未教示使砂粒和其他固体在重相排放流中再次 悬浮的方法。

这些专利均未说明用于防止固体挡板的堵塞的擦刮件。

因此，存在着对于解决这些以及其他问题的离心液体分离 机的需求。

发明内容

本发明涉及离心液体分离机，并且特别地涉及以径向向内 的方式从转鼓壁提升砂粒和其他固体并且使砂粒和其他固体再 次悬浮到重相排放流中的螺旋式离心液体分离机。根据本发明 的一个实施方式，机器具有外转鼓和输送器。转鼓和输送器同 轴，并且背驱动组件使这些组成部件以不同速度转动以允许输 送器机械地扫动机器的分离区域内的重相材料。砂粒沿着刮板 被径向向内地输送并且掉到重相排放流内，砂粒被再次悬浮并 且与该流一起离开机器。也可以设置擦刮件以用于防止在固体 挡板下方的重相流的堵塞。刮板可以可拆卸地被插在固体挡板 上。

根据本发明的一个优点，砂粒被径向向内地输送。有利地， 材料由于刮板相对于被保持的滤饼的角度而从转鼓壁被切割。 在一个实施方式中，刮板面部的形状为弧形，导致砂粒和其他 固体的进入到重相排放流内的抛出或翻滚。

根据本发明的另一优点，机器由于降低的转矩需要而以较 低功率消耗操作。大于15度至25度的切割角度是有效的，以25 度至45度的角度更加高效地工作并且在45度至80度之间的角度 最高效地工作。被推进到叶片的表面上的固体由于固体的重力 在沿着螺旋推动固体堆时对摩擦阻力产生较少贡献而显示出减 小了的转矩。还有，消除沿着轴向传输路径的砂粒积累消除了 可能在接触点处引起严重磨损的砂粒积聚。

根据本发明的又一优点，砂粒一旦被径向向内输送就被抛 到重相流内，砂粒被再次悬浮在流内并且能够被传送离开机器。

根据本发明的再一优点，重相液体流动路径中的限制将增 加固体从刮板抛出的位置处的流动的速率。此外，使固体在径 向向内位置处再次悬浮降低了作用在该固体上的重力。

根据本发明的又再一优点，刮板可以与固体挡板一体化并 且在固体挡板的后面延伸。该特征促进了将固体输送到重相液 体流内。

根据本发明的又再一优点，设置有擦刮件以防止能够防止 重相液体流的固体挡板的堵塞。

根据本发明的另一优点，可以为具有特定磨损特征的刮板 设置可拆卸的插入件。

根据本发明的又再一优点，由于消除了具有固体岸锥的需 要，所以能够提高液池深度并且能够提高整个机器的容量。

对于本领域技术人员来说，在阅读本发明的详细描述并且 研究附图之后，本发明的其他优点、益处以及特征将变得显而 易见。

附图说明

图1A是本发明的机器的实施方式的端视图。

图1B是沿着图1A中的线1B-1B截取的截面图。

图2是沿着图1B中的线2-2截取的截面图。

图3是与图2中的视图相反的截面图。

图4是固体挡板或本发明的优选实施方式的立体单独视图。

图5是固体挡板的优选实施方式的截面图。

图6是示出邻近转鼓壁的擦刮件（wiper）和刮板（plow） 的实施方式的近视图。

图7是示出具有流动辅助结构的斜道的本发明的优选实施 方式的截面图。

图8是示出具有增加的浪涌能力的斜道的本发明的优选实 施方式的截面图。

图9是示出刮板的优选位置的立体图。

图10A是本发明的选择性的插入件的立体图。

图10B是示出优选的切割角度（slicing angle）的立体图。

图11是含有图10A的插入件的固体挡板的端视图。

图12是图11的侧视图。

具体实施方式

虽然将结合一个以上优选实施方式描述本发明，但是应该 理解为并不意图将本发明限制于这些实施方式。相反，意图覆 盖可能被包括在由随附权利要求书限定的本发明的精神和范畴 内的所有变更、修改和等同替换。

现在转向图1，看出的是，设置机器100。机器100具有相反 的端部101和102。在实际中，端部101通常被称作背驱动端（back drive end）并且端部102通常被称作进料端。

保持参见图1，并且还参见图7，机器100具有外转鼓110。 外转鼓包括具有环状的内筒体壁的筒体111，该内筒体壁生成处 理材料的环状容积，升高的重力作用于处理材料。

还设置了具有叶片121的输送器120。筒体111与输送器120 之间的机器100内的容积限定了分离区域130或液池（pool）。分 离区域130具有邻近外转鼓110的筒体111的外径131和邻近输送 器120的内径132。液位133被限定为分离区域内液体的深度。在 优选的实施方式中，液位在整个分离区域中是恒定的。

背驱动系统被设置，用于维持外转鼓110和输送器120之间 的在转动速度上的差异。在转动速度上的差异引起输送器的叶 片121在分离区域130内进行机械扫动动作，以朝向端壁150对重 相液体施力，该端壁150贯通有重相排放开口151。开口151通常 被称作固体排放堰（weir）。优选地，具有液体排放开口156的 端壁155与重相端壁150相对。

在这方面，较轻相液体跨越液池容积的内环状面流动并且 通过在驱动端端壁155中的开口156排放。较重相液体跨越外环 状液池面流动并且在径向向内转向之前在固体挡板（下面描述） 的下方流动，以通过在进料管端端壁150中的开口151排放。密 集砂粒材料在被输送器在轴向卷轴顶端处和输送器的推动面扫 动至固体挡板之前沉淀至处理容积的外边缘。

根据本发明进一步设置有固体挡板160，并且可以在图2至 图6中最佳地看出。固体挡板160也是固体堰，不过为了清楚起 见在这里称作挡板。固体挡板160远离机器中心轴线径向地延 伸，并且终止于外转鼓的筒体111内部的选定距离处。形成的环 状空间是垂直于重相液体的流动的截面区域。固体挡板160从端 壁150向内以选定距离与端壁150隔开。因此，具体参见图7，看 出的是，重相流动路径210从分离区域130开始、经固体挡板160 与外转鼓的筒体111之间、在固体挡板160与端壁150之间沿径向 向内延伸，并且通过重相排放堰151离开。

固体挡板160优选地具有在外周缘162终止的渐缩末端161。

几个刮板170被附接至固体挡板160。各刮板170均具有相反 的端部171和172、面部173和倾斜部（tip）174。面部173优选 地向内凸并因此具有弧形轮廓。砂粒能够沿着刮板170的倾斜部 174被输送。

固体在远离筒体壁111的径向向内方向上被沿着倾斜部174 输送，并且掉进重相的流动路径210内。该输送跟随着在刮板170 的面部173上转向的弧形路径。固体当被从刮板抛出时再次在重 相流内悬浮，在这里它们能够通过重相排放开口151被排放。应 该理解的是，再次悬浮的位置位于径向内侧处并因此在较小直 径处。因此，在再次悬浮的位置处的重力小于转鼓壁111处的重 力。

应该理解的是，优选的切割角度为60度。虽然60度的切割 角度是最优选的，但是45度至80度的角度是高效的，25度至45 度的角度是次高效的，并且15度至25度的角度虽然效率不高但 仍然是有效的。

在图示实施方式中示出四个刮板170。然而，应该理解的是， 可以在不脱离本发明的广义方面的情况下使用更多或更少的刮 板。

设置了具有端部181和182的擦刮件180。擦刮件180防止固 体挡板的堵塞。虽然示出四个擦刮件180，但是应该理解的是， 可以在不脱离本发明的广义方面的情况下使用更多或更少的擦 刮件。

擦刮件180通过促进沉淀材料的从处理环状容积跨越限制 并进入到重相流的排放区域内的传送来维持恒定面积环状间 隙。沉淀固体经由叶片被传送跨越筒体的轴向长度。擦刮件180 将砂粒和其他沉淀固体跨越固体挡板传送至砂粒路径220中的 刮板170。刮板170然后使砂粒和沉淀固体再次悬浮到重相流体 的液力流动路径210内。

通过输送、抛出固体并使固体再次悬浮到固体挡板160后面 的重相流内，应该理解的是，可以在无需岸锥的情况下提供恒 定深度的液池。因此可以提高离心机的容量。

比较图7和图8看出，可以设置两个斜道构造。斜道可以被 构造成用于浪涌能力（surge capacity）或用于流动辅助。当被 构造成用于流动辅助时，可以在流动路径210内设置带角度结构 211以帮助提升重相液体。

现在转向图9至图12，看出的是，图示了选择性的优选实施 方式。特别地，示出了具有可拆卸插入件191的固体挡板190。 插入件191可以铜焊在烧结碳化钨瓦(Sintered Tungsten Carbide tile)192上，该瓦192被安装在与输送路线的双复合角度（double compound angle）相一致的固定件（harness）上。瓦192的倾斜 部优选地具有与筒体壁111接近的间隙。

现在再次参见图3，可以看出，空气入口230可以可选择地 被导入到重相流动路径210内，以通过气压或液压效应来促进固 体排放。

因此，显然根据本发明已经提供了完全满足以上所阐述的 目的、目标和优点的离心液体分离机。虽然已经结合其特定实 施方式描述了本发明，但是显而易见的是，鉴于之前的描述， 多种变更、修改和变化对于本领域技术人员是显然的。因此， 意图包含落入随附权利要求书的精神和广义范畴内的所有这样 的变更、修改和变化。