自动固体排放管状转筒离心分离器
相关申请
本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求在2000年8月4日申请的临时专利申请No.60/223,409以及在2001年6月29日申请的实用专利申请No.09/896,551的优先权。
技术领域
本发明总体上涉及离心分离器,更具体地说,涉及一种能够使固体从分离的离心滤液中自动排出的离心分离器。
背景技术
众所周知,许多不同类型的离心分离器是根据“它们的特定比重组成”来分离多相混合物的。将多相混合物注射进分离器的转筒中,所述混合物也可以称作输送材料或液态进料。转筒高速旋转并迫使混合物的颗粒从液态离心滤液(净化液)中分离。因此,密实的固体块紧紧地压在转筒的表面上,并且液态离心滤液从固体块开始径向向内地形成。
转筒可以以足以产生出20,000克力的速度旋转,从而固体可以与离心滤液分离。一般来说,液体进料在通过进料孔被导入转筒之前以相对较低的速度运行,在转筒中液体进料立即被加速到转筒的角速度。但是,以这样的高速将液体进料导入转筒会产生出剪切力,该剪切力常常会在分离之前毁坏液体进料中的大量固体组分。
在这些固体沿着转筒壁聚集期间,该离心滤波被排出。一旦确定已经聚集了所要求数量的固体,则将分离器设置在排放模式中。在这样的排放模式中,在转筒长度上延伸的刮刀处于压靠着分离器壁的刮削位置,并且转筒以较低的刮削速度旋转。然后,固体从转筒侧面被刮掉并且朝着固体收集出口掉落。但是,这种刮削***不能有效地除去湿的或粘性固体,这些固体可能具有花生酱的稠度。在这些情况下,粘性固体保持附着在分离器壁和刮刀上或者从壁中掉落然后在到达收集出口之前重新附着到刮刀上。回此,固体回收率降低,并且留下的固体会弄脏分离器。
发明内容
根据本发明,提供一种离心分离器,它能够自动地排出固体并且通过最小的用户干预方式使固体回收数量和分离固体的干燥度最大化。通过这种离心分离器来实现分离过程的完全密封收集,从而可以进行自动的“就地清洗”(C.I.P.)和“就地消毒”(S.I.P.)。因此,本发明的离心分离器能够在生物技术、制药、化工、食品和饮料以及其它工业加工中进行大范围的液/固以及液/液分离。
该离心分离器包括由中空轴杆支撑的用于接收料液的可转动的分离器转筒;
用于可选择地转动所述分离器转筒并且设有通向所述转筒的液体进料通道的轴杆;
在所述分离器转筒内围绕着所述轴杆设置的刮削组件,所述刮削组件包括多个用于从所述分离器转筒的内表面中除去固体并且使所述液体进料通道延伸到所述分离器转筒的所述内表面的刮刀;
用于接合和脱离所述轴杆的离合器机构;
用于可选择地使所述分离器转筒沿着可变的方向并以可变的速度转动的转筒驱动器;
用于使所述刮削组件以轴向的方式在所述分离器转筒内上升和下降的刮削致动器;
用于使所述分离器转筒的转动停止的电子制动器;
可移动地直接设置在所述分离器转筒的排出口下面或远离所述排出口设置的残液容器,从而在所述残液容器直接设置在所述排出口下方时,可以收集从所述分离器转筒中排出的液体进料;
设置在所述排出口下面的固体接收容器,从而所述残液容器可以设置在所述排出口和所述固体接收容器中间,所述残液容器远离所述排出口设置,以便使固体能够被所述固体接收容器接收;
与所述液体进料通道相同的液体进料管,用来从所述分离器转筒的顶部将料液引导到所述液体进料通道。
上述轴杆还支撑着用来在分离器转筒内轴向移动的刮削和输送组件并使它们定位。刮削和输送组件包括多个具有较小表面区域(表面积)的刮刀,它们基本上延伸到分离器转筒的内部表面。料液通过液体进料通道提供给分离器转筒,该通道穿过轴杆通向刮削和输送组件,从而料液在基本上位于分离器转筒的内部表面处的刮刀端部附近排出。这就防止了料液由于分离器转筒的角速度而被立即过分加速。因此,料液受到的剪切力大大减小,并且与现有技术相比,料液更不容易受到损害。
分离器转筒优选是一种直径相对较小并且长度较长的管状转筒。通过使用这样的管状分离器转筒,可以使离心分离器进行高速操作,以在分离器转筒的内部表面处产生出高达30,000克的分离力。这就使得料液能够在分离器转筒内在更低的应力水平下进行安全而有效的分离。
由于高速操作的结果,离心分离器能够更有效地使固体与残留的液体分离,从而使聚集的固体块的干燥度增加。即使刮刀具有相对较小的表面区域,也可以更容易且更有效地将固体从分离器转筒壁中刮掉。为了刮掉并排出所有的累积固体,刮削和输送组件慢慢地升起然后下降,同时分离器转筒慢慢地转动。通过使积累的固体更干并结合刮削表面区域较小的刮刀,从而可以大大地增加排出固体的数量。因此,根据本发明的离心分离器可以清洁地进行操作,并且能够提供C.I.P.或S.I..P.操作。
本发明所须解决的第二个技术问题在于提供一种用于在离心分离器中分离料液的方法,包括以下步骤:
(a)使分离器转筒和刮削组件以高分离速度围绕着轴杆转动,所述刮削组件包括多个延伸到所述分离器转筒的内表面处的刮刀;
(b)使料液通过包含在所述轴杆和所述刮削组件内的液体进料通道,从而该料液在接近所述分离器转筒的内表面处进入所述分离器套筒;
(c)使所述刮削组件和所述轴杆接合,以防止其转动;
(d)使所述分离器转筒以基本上小于所述分离速度的刮削速度转动;并且
(e)使所述刮削组件和所述轴杆在所述分离器转筒内上升然后下降,以用所述多个刮刀将已经沿着所述分离器转筒的所述内表面积累的固体刮掉。
本发明所须解决的第三个技术问题在于提供一种用于操作离心分离器的方法,包括以下步骤:
(a)通过由轴杆支撑的刮削组件将液体输送给可转动的分离器转筒,它包括:
(i)使用于所述轴杆的刮削离合器与所述刮削组件脱离;
(ii)使所述分离器转筒、所述刮削组件和所述轴杆一起以高分离速度转动;以及
(iii)通过包含在所述轴杆和所述刮削组件中的进料通道注入液体,并且通过靠近所述分离器转筒的内表面设置在所述刮削组件上的排出口排出;
(b)使液体排出所述分离器转筒,包括以下步骤:
(i)将残液容器设置在所述分离器转筒中的排放口下面,以接收从所述分离器转筒中排出的液体;
(ii)停止注入液体;并且
(iii)使所述分离器转筒和所述刮削组件的转动停止:
(c)将积累在所述分离器转筒的内表面上的固体刮进固体接收容器中,包括以下步骤:
(i)使所述残液容器移动离开所述排放口,所述固体接收容器被设置成用于接收来自所述排放口的被刮掉的固体;
(ii)接合所述刮削离合器,从而所述轴杆和所述刮削组件保持静止;
(iii)缓慢地使所述分离器转筒以基本上小于所述分离器速度的刮削速度转动;
(iv)使所述轴杆和所述刮削组件上升;然后
(v)使所述轴杆和所述刮削组件下降。
本发明须解决的第四个技术问题在于提供一种用于设置有中空轴杆的离心分离器的刮削组件,它包括:
具有基本上为圆形的垂直突起的轴套;
在所述轴套中用来接收轴杆的轴杆接口;
多个从所述轴套的所述基本上为圆形的垂直突起的圆周上的点处沿切线方向延伸的刮刀;
还包括多个用于将液体进料输送给所述多个刮刀的进料通道,所述进料通道从所述轴杆接口通过所述轴套延伸到所述多个刮刀的每一个上,从而使所述液体进料通过所述进料通道到达分离器转筒的内表面。
本发明须解决的最后一个技术问题在于提供一种用于分离料液的离心分离器,包括:
用于接收料液的可转动分离器转筒;
用于可选择地使所述分离器转筒转动的轴杆;
设置在所述分离器转筒下面的液体送给漏斗,用来提供从所述分离器转筒的底部进入到所述分离器转筒的液体进料通道;
在所述分离器转筒内围绕着所述轴杆设置的刮削组件,所述刮削组件包括多个用来从所述分离器转筒内表面将固体除去的刮刀;
还包括多个用于将液体进料输送给所述多个刮刀的进料通道,从而使所述液体进料通过所述进料通道到达分离器转筒的内表面。
附图说明
通过参照下面的详细说明并结合附图将能够更加全面地理解本发明,其中:
图1显示出根据本发明的一个实施例的离心分离器;
图2为根据本发明的一个实施例的刮削和输送组件的透视图;
图3显示出根据本发明的一个实施例的离心分离器在输送模式中的操作;
图4显示出根据本发明的一个实施例的离心分离器在排出模式中的操作;
图5显示出根据本发明的一个实施例的离心分离器在刮削模式中的操作;并且
图6A和6B显示出在本发明的另一个实施例中采用了进给漏斗的离心分离器。
具体实施方式
图1中显示出根据本发明的一个实施例的离心分离器100。该离心分离器100包括一种圆筒形分离器转筒110,优选为一种直径D相对较小并且长度L较长从而L/D的比值大约为5/1的普通管状转筒。例如,可以使用转筒直径为500mm并且流量为100升/分钟的分离器转筒110,从而在分离器转筒110的内部表面处可以得到足够的转速,以产生出从20,000克到30,000克的分离力。对于相似的组合面积和重力来说,管状转筒在成本和性能方面优于其它已知的圆筒形转筒,例如“篮子”型离心分离器转筒。例如,因为管状转筒的半径更小,因而导致圆周速度更低,这就降低了风阻、摩擦和发热。同样,管状转筒的长度更长,使得液体稳定性更好,因为轴向液体波被减弱了。
刮削和输送组件120在分离器转筒110内可操纵地与中空刮削轴杆130连接。刮削轴杆130从分离器转筒11O中通向进料管14O而延伸。刮削轴密封件132设置在刮削轴130从分离器转筒110中伸出的位置处,以防止液体和固体跑出分离器转筒110。转动连接件142位进料管140与刮削轴杆130连接,从而可以将液态进料注射进分离器转筒110。
可变速驱动马达150通过传动带152与刮削轴杆130的主轴承组件134连接。驱动马达150与刮削轴离合器136一起可控制地操作,以使分离器转筒110以所要求的速度转动,以便分离液态进料。刮削致动器活塞126可操作地与刮削轴杆130连接,并与刮削轴离合器136结合,用来使刮削和输送组件120在刮削转筒110内上升和下降。在排放模式中,刮削轴离合器136被接合,以便使刮削轴忏130保持静止并且使分离器转筒110以较低的刮削速度缓慢地转动,从而刮刀与分离器转筒110的壁接触并从中刮掉固体。在其它操作模式中,刮削轴离合器136脱开,从而刮削和输送组件120以和分离器转筒110相同的速度和方向转动(即,刮削和输送组件120相对于分离器转筒110是静止的)。
在图2中显示出刮削和输送组件120的更详细的视图。图2显示出三个安装在刮削和输送组件120上的轴向刮刀。应该理解的是,根据分离器转筒110所要求刮削的表面积同时保持稳定而高速的转动,刮削和输送组件120可以设计有不同数量的刮刀。
刮削和输送组件120包括液体进料通道124,该通道引导来自刮削轴杆130的料液并且使之穿过刮削和输送组件120通向刮刀122上的第一和第二外部输送孔126和128,从而在分离器转筒110的表面处喷射出液料。由于刮削和输送组件120的转动而产生出的科利奥利力会使得料液朝着分离器转筒110表面处的第一外部输送孔126加速。如果由于固体的积累或其它方式而阻止了料液在第一外部输送孔126处排出,则液体会在第二外部输送孔128处以相当大的加速度朝着分离器转筒110的表面排出。通过使料液喷射离开刮削和输送组件120并射向分离器转筒110,从而使液体更缓慢地加速,并且防止了液体由于转筒转动的角速度而立即被加速。因而,料液受到的剪切力大大地减小,从而料液就更不容易受到损害。
要注意的是,在图2中所示的实施例中,在进料通道124形成期间形成在刮削和输送组件120上的钻孔随后被填满。其它制造技术可以避免钻这些表面孔并将它填满的必要。
根据离心分离器的操作,下面将参照图3对液体进料的进料模式进行说明。在进料模式中,通过进料管140导入料液。刮削离合器136脱开,从而刮削轴杆130与分离器转筒1 10一起自由地转动。料液沿着箭头所示的方向从进料管140通过刮削轴密封件130流向刮削轴杆130。该料液继续通过刮削和输送组件120的进料通道124,并且在其外表面处进入分离器转筒110。由于离心力的缘故,液体向上流动到分离器转筒110的结合表面处。任何溢出的料液倾倒在位于分离器转筒110的顶部处的溢流堰182上成为净化液(离心滤波),然后流进离心滤液箱180。当液体流过分离器转筒110时,通过作用在该液体上的高离心力而过滤掉所夹带的固体颗粒。这些固体被迫停留在离心器转筒110的内壁上,并且由于离心力的缘故而聚集成一种压缩的固体块。
因为刮削离合器136没有接合,所以分离器转筒110与刮削和输送组件120沿着相同的方向一起高速转动,例如沿着箭头所示的顺时针方向转动。因此,通过刮削轴130的液体进料通过进料通道124被逐渐加速为刮削和输送组件120的角速度。在分离器转筒110转动时,固体184沿着分离器转筒110的表面聚集并且旋转的液体组合物186从固体184开始向内形成。
接着,在通常通过离心滤液的浑浊度来确定分离器转筒110已经聚集了足够多的固体时,将离心分离器100设置在如图4所示的排出模式中。液体进料被切断,然后转筒驱动器通过电子方式使分离器转筒110完全停止。分离器转筒110中的残液排进残液杯160中,而固体保持在分离器转筒110的表面上。残液杯160优选设有特别设计的底部表面,以便将残液引导到位于残液杯160底部处的用来将残液送回液料存储室(未示出)的残液排出口162。转筒排放模式还可以包括使分离器转筒110短暂地高速转动的步骤,以使液体进一步从积累的固体中排出。在这个可选的转动步骤之后,这些固体变得更干了,这就提高了随后刮削步骤的效率。
当分离器转筒110已经完全排干了残液时,如图5所示的离心分离器100进入刮削模式。残液杯160从分离器转筒110的底部旋开,从而使分离器转筒110的固体排出口170设置在转筒110的下方以收集落下的固体,从而不与残液混合。
刮削轴130由刮削离合器136接合,以防止刮削轴130转动。分离器转筒110沿着与进料模式相反的方向(沿图5中箭头所示的逆时针方向)缓慢地转动。然后,如箭头所示,刮削致动器126慢慢地朝着分离器转筒110的顶部向上拉起刮削轴130和刮削和输送组件120。从分离器转筒110的壁中并朝着分离器转筒110的中央将固体块刮掉,从而被刮掉的固体能够自由地从排出口170落下并进入接收容器(未示出)。在刮削和输送组件120达到分离器转筒110的顶部附近的反转位置之后,刮削致动器120反向运动,从而刮削轴130和刮削和输送组件120朝着分离器转筒110的底部下降。刮削过程一直持续到到达分离器转筒110的底部附近的停止位置。可以理解的是,从分离器转筒110中刮削固体可以沿着任意方向进行(逆时针或顺时针)。
根据本发明的另一个实施例,图6A和6B中显示出具有可选的液体进料通道的离心分离器290。设置在分离器转筒110的底部处的进给漏斗200用来将液体向上输送进分离器转筒110。通过进给漏斗200上的塑料销204和分离器转筒110上的金属叶轮202使进给漏斗200转动。使进给漏斗200与分离器转筒110一起转动的方法使得分离器转筒110能够经受适度的振荡;分离器转筒110保持其转动中心,同时保持充满液体并且不受进给漏斗200限制。当将进给漏斗200设置在用于进料模式中与分离器转筒110连接的上连接位置时,通过进料口230注入料液。包括轴承、轴密封件和致动器活塞在内的定位机构220用来使进料漏斗200在如图6A中所示进料模式和如图6B中所示的液体排出模式之间上升和下降。在排出模式中,进料漏斗200在定位机构的作用下下降,从而残液从分离器转筒110向下通过残液口240排出。随后,进料漏斗200从分离器转筒110下面开始转动,以使得被刮掉的固体能够掉进固体排出口170。
图1-5或图6A和6B的液体输送设备还可以用来通过在液体输送通道中引入适当的液态清洗剂来清洗离心分离器和相关的元件。
在优选的实施例中,所有分离、排出和刮削操作都在密封的环境中进行,从而使得能够以不同的压力和温度进行操作。污染也被降低到最小程度。
可以理解的是,为了能使填充、排出和刮削操作自动化,优选设有多种具有适宜的人和/或计算机界面的控制机构。或者可以通过设置各种致动器来进行手动操作。
对于那些本领域普通技术人员来说,显而易见的是,在不脱离这里所公开的发明内容的情况下,上述技术方案可以有其它的改进和变化。因此,应该将本发明看作是仅由附属的权利要求的范围和精神来限制。