Способ обработки продукта в центробежном поле
Группа изобретений относится к способу обработки свободно текучего продукта при помощи по меньшей мере одной центрифуги и к такой центрифуге, работающей в непрерывном режиме. Способ обработки свободно текучего продукта при помощи по меньшей мере одной центрифуги, работающей в непрерывном режиме, содержит следующие этапы: a) подают свободно текучий продукт в барабан центрифуги, b) отделяют твердую фазу от свободно текучего продукта и/или разделяют указанный продукт на две или более жидких фаз, c) отводят одну или более жидких фаз и/или твердую фазу из барабана центрифуги и d) подачу обрабатываемого продукта выполняют в непрерывном или прерывистом пульсирующем объемном потоке. При этом подачу обрабатываемого продукта выполняют с постоянной частотой пульсации, имеющей длительность периода, зависящую от одного или более следующих параметров: внутренний радиус (ri) тарелки комплекта тарелок, внешний радиус (ra) тарелки, величина впускного потока (QТ) в промежуточном пространстве между тарелкой и соседней тарелкой, угол (α) тарелки и/или расстояние (h) от тарелки до соседней тарелки. Центрифуга, в частности сепаратор, имеет вращаемый барабан центрифуги, в частности барабан сепаратора с вертикальной осью вращения, в котором размещен комплект тарелок. При этом барабан сепаратора дополнительно имеет по меньшей мере один впуск для подачи обрабатываемого продукта и по меньшей мере один выпуск для отвода по меньшей мере одной жидкой фазы и по меньшей мере один выпуск для отвода по меньшей мере одной другой фазы, в частности жидкой фазы или твердой фазы. Центрифуга также содержит средство для обеспечения непрерывной или прерывистой пульсации объемного потока продукта, впускаемого в барабан центрифуги, при этом подача обрабатываемого продукта выполняется с постоянной частотой пульсации, имеющей длительность периода, зависящую от одного или более вышеуказанных параметров. Техническим результатом является повышение эффективности обработки жидкости. 2 н и 15 з.п. ф-лы, 4 ил.
Данное изобретение относится к способу согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения и к центрифуге, в частности к сепаратору согласно ограничительной части пункта 15 формулы изобретения.
В сепараторах с комплектами тарелок отделение частиц от жидкости или от объемных потоков происходит при стационарных условиях в промежуточных пространствах между тарелками, так называемых зазорах между тарелками. В данном изобретении предлагается оптимизировать этот режим эксплуатации.
Таким образом, задача данного изобретения состоит в создании улучшенного способа обработки жидкости, а также центрифуги, которые позволяют более эффективно обрабатывать жидкость.
В предлагаемом изобретении эта задача решается посредством признаков пунктов 1 и 15 формулы изобретения.
Согласно изобретению способ обработки, в частности осветления жидкости при помощи по меньшей мере одной центрифуги, предпочтительно работающей в непрерывном режиме, в частности сепаратора, имеющего комплект тарелок, содержит, по меньшей мере, следующие этапы:
a) подают свободно текучий продукт в барабан центрифуги,
b) отделяют твердую фазу от жидкости и/или разделяют жидкость на несколько жидких фаз и/или одну твердую фазу,
c) отводят жидкую фазу или фазы и/или твердую фазу из барабана центрифуги,
d) причем подача обрабатываемого продукта происходит в непрерывном или прерывистом пульсирующем объемном потоке.
Посредством пульсирующей подачи обрабатываемого продукта в барабан центрифуги в зазорах или промежуточных пространствах между тарелками центрифуги возникает пульсирующий впускной поток, так что в соответствующем зазоре между тарелками образуется флуктуирующий объемный поток или объемный поток, который временно уменьшается, начиная с максимума, и/или полностью прекращается. "Пульсирующий" означает, что впускной поток повторно изменяется "снова и снова несколько раз или множество раз", причем либо с постоянной частотой пульсации за единицу времени, либо не с постоянной частотой, но тем не менее множество раз за единицу Т1 времени (например, 1 минута или 1 секунда).
В интервалах времени с небольшим потоком или в отсутствие потока обеспечивают соскальзывание осажденных частиц с поверхности тарелок во внутреннее пространство барабана.
Объем V1 продукта предпочтительно подают в течение периода Т1 времени определенной продолжительности, причем подачу обрабатываемого продукта выполняют в пульсирующем режиме таким образом, что объем V1 продукта, направленный в барабан за период Т1 времени, не изменяется или остается постоянным относительно подачи в не пульсирующем режиме. Это является особенно предпочтительным, поскольку в целом скорость обработки не снижается относительно не пульсирующего режима, при этом, однако, используются преимущества пульсирующего режима.
Кроме того, особенно предпочтительно, если подачу обрабатываемого продукта выполняют пульсирующим образом так, что увеличение и уменьшение впускного потока относительно среднего значения происходит в зависимости от времени, в частности, таким образом, что впускной поток не прерывается полностью в пульсирующем режиме.
Из патентного документа WO 2005/065835 А1 известно, что для предотвращения закупоривания каналов прохождения потоков в сепараторе при разделении молока на сливки и обезжиренное молоко определяют концентрацию жира в фазе вытекающего продукта и смещают зону разделения путем краткосрочного изменения рабочих параметров, например интенсивности подачи, если превышено предельное значение. В этом случае интенсивность подачи кратковременно увеличивают только один раз, если происходит закупоривание, то есть в исключительном случае при превышении предельного значения.
Кроме того, из патентного документа DE 566199PA известно, что в центрифуге с закрытым корпусом подачу продукта под давлением выполняют прерывистым образом при одновременном закрытии линии отвода жидкости. Это также используется для устранения засорений. Однако в отличие от предлагаемого изобретения при прерывистой подаче линию отвода закрывают. В отличие от этого согласно данному изобретению диаметр линии отвода для жидкой фазы или фаз остается неизменным, то есть подаваемый объемный поток продукта подают пульсирующим образом, без закрытия или дополнительного дросселирования линии или линий отвода для жидкой фазы или фаз. Это происходит потому, что согласно изобретению в зазоре между тарелками используется измененный процесс отделения, при этом не требуется пульсация выпуска продукта.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Изобретение описано более подробно ниже на основе варианта его осуществления со ссылками на чертежи, на которых:
на фиг. 1 изображен частичный вид в разрезе схематично показанного барабана сепаратора;
на фиг. 2 схематично изображен зазор между тарелками;
на фиг. 3а, b изображены зависимости степени отделения в случае пульсирующего и не пульсирующего объемных потоков.
На фиг. 1 изображен барабан центрифуги, в данном случае барабан 1 сепаратора, который имеет вертикально расположенную ось Z вращения.
Вращаемый барабан 1 сепаратора установлен на приводном шпинделе 2, который приводится в движение непосредственно или посредством, например, ремня и который установлен с возможностью вращения (в данном случае не показано). В данном случае приводной шпиндель 2 в его верхней периферийной части выполнен коническим. Барабан 1 сепаратора окружен неподвижным кожухом 3, который не вращается вместе с барабаном. Барабан 1 сепаратора, предпочтительно в виде двойного конуса, содержит входное отверстие, имеющее впускную трубу 4 для обрабатываемого продукта Р, к которой присоединен распределитель 5, содержащий по меньшей мере одно или более выходных отверстий 6, через которые подаваемый продукт или центрифугируемый материал проходит во внутреннюю часть барабана 1 сепаратора в комплект 8 тарелок. В данном случае комплект 8 тарелок опционально заканчивается сверху отделяющей тарелкой 9. В качестве альтернативы допустима также подача из распределителя 6 в подъемный канал 7 комплекта тарелок. Предпочтительно в барабане 1 сепаратора размещен комплект разделительных тарелок.
Режим является непрерывным, то есть во время обработки центрифугируемого материала он непрерывно обрабатывается и непрерывно отводится из центрифуги. По сравнению с закрытой установкой, как, например, в документе DE 566199PS, твердые частицы также отводятся из барабана при осветлении - путем открытия цилиндрического золотника или через направляющие наконечники - без необходимости прерывания вращения и открытия для этой цели корпуса барабана.
В данном случае в центробежном поле выполняют комбинированное разделение и/или осветление впускаемого свободно текучего продукта на две жидкие фазы L1 и L2 с различной массой и одну твердую фазу S.
Согласно фиг. 1 твердую фазу S транспортируют, после разделения в комплекте 8 тарелок, в камеру 10 для отвода твердых частиц, откуда их отводят прерывистым образом через отверстия 11 для отвода твердых частиц, которые могут открываться и закрываться посредством цилиндрического золотника 12. Однако работа центрифуги, то есть фактическая обработка центрифугируемого материала, происходит тем не менее в непрерывном режиме, поскольку твердые частицы могут быть отведены снова и снова, без необходимости остановки для этой цели вращения.
Более легкую жидкую фазу L1 проводят из барабана по внутреннему радиусу ri при помощи первого устройства вихревой обработки (здесь не показано). В отличие от этого, поток тяжелой жидкой фазы L2 течет вокруг внешней окружности тарелки 9 сепаратора и отводится через второе устройство вихревой обработки (также здесь не показано) из барабана 1 сепаратора.
На фиг. 2 схематично изображен зазор между тарелками, то есть промежуточное пространство 13 между двумя соседними тарелками или разделительными тарелками 14 и 15 комплекта 8 тарелок. Впускной поток является частью подаваемого объемного потока, который течет в зазор между тарелками, например между радиальными накладками, которые удерживают тарелки на расстоянии друг от друга в осевом направлении и которые опционально разделяют зазоры между тарелками на сегменты.
На фиг. 2 впускной поток содержит две частицы, причем первая частица 16 находится на внешнем радиусе ra тарелок 14 и 15, расположенных на расстоянии друг от друга с шириной h зазора. Вторая частица 17 находится непосредственно между тарелками 14 и 15 и в момент времени t расположена на радиусе r относительно оси Z вращения, который меньше, чем внешний радиус ra тарелки 14 или 15 и больше, чем внутренний радиус ri тарелки.
Впускной поток направляют от внешнего радиуса ra тарелки 14 или 15 в направлении внутреннего радиуса, причем твердые фракции, например частицы 16 и 17, оседают на разделительных тарелках. Твердые частицы соскальзывают оттуда вследствие угла α наклона тарелки в камеру 10 для отвода твердого вещества.
Из уровня техники известно, что процессы отделения происходят при непрерывном впускном потоке в зазоре между тарелками. Это происходит по существу при стационарных условиях. Однако предпочтительно было обнаружено, что нестационарные впускные потоки могут приводить к улучшенному режиму отделения.
Это объясняется нижеследующим образом.
Небольшая частица первоначально плывет во впускном потоке с пренебрежимо малым действием ускорения. Скорость v впускного потока или частицы может быть описана как функция расстояния, проходимого в радиальном направлении r(t) за определенное время t посредством впускного потока на один зазор QТ между тарелками и на одну боковую поверхность А зазора между тарелками следующим образом:
Боковая поверхность является функцией радиуса r частицы относительно оси Z вращения, ширины h зазора между тарелками и угла α наклона тарелки:
С учетом боковой поверхности А получается дифференциальное уравнение первого порядка для скорости частицы и впускного потока на радиусе r:
Решение при граничном условии r(t=0)=ra и с учетом направления впускного потока в зазоре между тарелками дает следующее уравнение для радиального расстояния от частицы до оси Z вращения по прошествии времени t:
Максимальное время Tend, в течение которого частица остается в зазоре при r(t)=ri, равно:
Скорость погружения частицы в центробежном поле зависит от ее радиального расстояния до оси вращения и поэтому зависит также от времени, причем Δφ является разностью плотностей твердой фазы и жидкой фазы, d - диаметр частицы, ω - угловая скорость, а η - динамическая вязкость жидкости.
Расстояние h(T) отделения, которое проходит частица в перпендикулярном направлении за определенное время, является функцией скорости погружения и равна:
Посредством интегрирования и замены переменной времени Т на t получается:
Частица считается отделенной, когда она достигла верхней тарелки зазора между тарелками за время t. Таким образом, частица отделена, если
hp,Start+hp(t)≥h,
при условии t=Tend.
Таким образом:
Степень ϕ(d) отделения в зависимости от диаметра частицы может, следовательно, быть выражена следующим уравнением:
Степень ϕ(d) отделения может быть численно найдена более легко при помощи временного пошагового способа для нестационарных впускных потоков QТ(t) с различными функциями.
На фиг. 3а изображены различные варианты управления относительно объема впускного потока в зависимости от времени. Например, в данном случае впускной поток равен 1 м3/ч на одну тарелку.
Известный случай непрерывного впускного потока показан сплошной линией.
Прерывистой линией изображено временное полное прекращение впускного потока. Например, за короткое время подают четырехкратное количество, прерываемое четырехкратной паузой. Таким образом, в результате впускной поток снова равен 1 м3/ч на одну тарелку.
Точечной линией показано увеличение и уменьшение впускного потока относительно среднего значения в зависимости от времени, однако при этом не происходит полного прерывания впускного потока. В данном примере впускной поток в результате снова равен 1 м3/ч на одну тарелку.
На фиг. 3b изображена функция степени отделения в зависимости от диаметра частиц и диаметра частицы предельного размера. При этом можно видеть, что диаметр частицы предельного размера отделенных частиц ухудшается при пульсирующем впуске (прерывистые и точечные линии).
Однако преимущества пульсирующего режима работы превалируют, поскольку в этом случае твердые частицы собираются на поверхности тарелок без препятствия со стороны объемного потока и могут соскальзывать в камеру для твердых частиц сепаратора, что приводит в целом к улучшенному осветлению жидкости.
В случае комбинации двух сепараторов в последовательном соединении отрицательное смещение степени отделения, показанное на фиг. 3а и 3b, может быть полностью устранено посредством комбинации двух сепараторов, то есть комбинации одного сепаратора, который загружается не пульсирующим образом, и другого сепаратора, который загружается пульсирующим образом, при этом тем не менее может быть обеспечено улучшенное осветление относительно последовательного соединения из двух не пульсирующих сепараторов.
В идеальном случае длительность периода пульсации составляет:
где QТ - средний впускной поток на одну тарелку. Частота пульсации должна быть низкой для лучшего управления процессом. Таким образом, предпочтительно, если частота пульсации меньше 10 Гц во избежание опасности усреднения (f=1/Т).
В качестве альтернативы трапециевидной форме, показанной на фиг. 3а, форма функции впуска в случае постоянной пульсации также может быть синусоидальной, треугольной, прямоугольной или пилообразной.
Согласно изобретению центрифуга, в частности сепаратор, содержит средства или устройство, которые обеспечивают возможность пульсации впускного объемного потока обрабатываемой жидкости.
Подобные средства могут содержать входное отверстие с впускной трубой 4, выполненной изогнутой в зоне распределителя, причем пульсация происходит на одно ребро в распределителе.
В качестве альтернативы или дополнительно подобные средства могут содержать дифференциальный механизм, расположенный между впускной трубой и барабаном центрифуги, в частности сепаратора. Период циклов предварительно задается в зависимости от шага дифференциального механизма.
В качестве альтернативы или дополнительно на впуске или во впуске предпочтительно в направлении потока снаружи барабана или выше по потоку от барабана может быть расположен регулирующий клапан, предпочтительно поворотный шаровой клапан, или впуск может обеспечиваться поршневым насосом с постоянной пульсацией.
Список номеров позиций
| барабан сепаратора | 1 |
| приводной шпиндель | 2 |
| кожух | 3 |
| впускная труба | 4 |
| распределитель | 5 |
| выходные отверстия | 6 |
| подъемный канал | 7 |
| комплект тарелок | 8 |
| отделяющая тарелка | 9 |
| камера для отвода твердого вещества | 10 |
| отверстия для отвода твердого вещества | 11 |
| цилиндрический золотник | 12 |
| зазор между тарелками | 13 |
| разделительная тарелка | 14 |
| разделительная тарелка | 15 |
| частица | 16 |
| частица | 17 |
| впуск продукта | Р |
| твердая фаза | S |
| ось вращения | Z |
| угол наклона тарелки | α |
| ширина зазора | h |
| внутренний радиус тарелки | ri |
| внешний радиус тарелки | ra |
| радиальное расстояние частицы до оси Z | |
| вращения в момент времени t | r(t) |
| усредненный впускной поток | QТ |
| время | t |
| степень отделения | Ф(d) |
| диаметр | d |
1. Способ обработки свободно текучего продукта при помощи по меньшей мере одной центрифуги, работающей в непрерывном режиме, в частности, по меньшей мере одного сепаратора с вертикальной осью вращения, и имеющей вращаемый барабан (1) центрифуги, в котором, предпочтительно, размещен комплект (8) тарелок, содержащий следующие этапы:
a) подают свободно текучий продукт в барабан (1) центрифуги,
b) отделяют твердую фазу от свободно текучего продукта и/или разделяют указанный продукт на две или более жидких фаз;
c) отводят одну или более жидких фаз и/или твердую фазу из барабана (1) центрифуги,
отличающийся тем, что
d) подачу обрабатываемого продукта выполняют в непрерывном или прерывистом пульсирующем объемном потоке,
при этом подачу обрабатываемого продукта выполняют с постоянной частотой пульсации, имеющей длительность периода, зависящую от одного или более следующих параметров:
внутренний радиус (ri) тарелки (14) комплекта (8) тарелок,
внешний радиус (ra) тарелки (14),
величина впускного потока (QТ) в промежуточном пространстве (13) между тарелкой (14) и соседней тарелкой (15),
угол (α) тарелки и/или
расстояние (h) от тарелки до соседней тарелки.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обработку выполняют в непрерывном режиме.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выполняют мониторинг, управление и/или регулировку частоты пульсации.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длительность периода пульсации объемного потока меньше времени Tend, в течение которого частица (16, 17) остается в промежуточном пространстве (13) между тарелкой (14) и соседней тарелкой (15), причем 
где ra обозначает внешний радиус тарелки (14), ri обозначает внутренний радиус тарелки (14), h обозначает расстояние от тарелки (14) до соседней тарелки (15), QТ обозначает средний впускной поток на одну тарелку (14), а α обозначает угол тарелки.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длительность периода более, чем в десять раз, превышает Tend.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительное осветление осветляемой жидкости выполняют перед впуском на этапе а) в первом сепараторе, имеющем не пульсирующий впуск.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что последующее осветление жидкости выполняют после этапа с) во втором сепараторе, имеющем не пульсирующий впуск.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что объем V1 продукта подают в течение периода Т1 времени определенной продолжительности, причем подачу обрабатываемого продукта выполняют в пульсирующем режиме таким образом, что объем V1 продукта за период Т1 времени не изменяется или остается постоянным относительно подачи в не пульсирующем режиме.
9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу обрабатываемого продукта выполняют пульсирующим образом так, что увеличение и уменьшение впускного потока относительного среднего значения происходит в зависимости от времени.
10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу обрабатываемого продукта выполняют таким образом, что впускной поток не прерывается полностью в пульсирующем режиме.
11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что впускной поток изменяется пульсирующим образом много раз в минуту, предпочтительно много раз в секунду.
12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что впускной поток изменяется синусоидально.
13. Центрифуга, в частности, сепаратор, имеющая вращаемый барабан центрифуги, в частности, барабан сепаратора с вертикальной осью вращения, в котором размещен комплект тарелок, причем барабан (19) сепаратора дополнительно имеет по меньшей мере один впуск для подачи обрабатываемого продукта и по меньшей мере один выпуск для отвода по меньшей мере одной жидкой фазы и по меньшей мере один выпуск для отвода по меньшей мере одной другой фазы, в частности, жидкой фазы или твердой фазы, отличающаяся наличием средства для обеспечения непрерывной или прерывистой пульсации объемного потока продукта, впускаемого в барабан центрифуги, при этом подача обрабатываемого продукта выполняется с постоянной частотой пульсации, имеющей длительность периода, зависящую от одного или более следующих параметров:
внутренний радиус (ri) тарелки (14) комплекта (8) тарелок,
внешний радиус (ra) тарелки (14),
величина впускного потока (QТ) в промежуточном пространстве (13) между тарелкой (14) и соседней тарелкой (15),
угол (α) тарелки и/или
расстояние (h) от тарелки до соседней тарелки.
14. Центрифуга по п. 13, отличающаяся тем, что указанное средство содержит изогнутую на конце впускную трубу.
15. Центрифуга по пп. 13 или 14, отличающаяся тем, что указанное средство содержит дифференциальный механизм, который расположен между впускной трубой и внутренней частью барабана или во впускной трубе.
16. Центрифуга по любому из пп. 13 или 14, отличающаяся тем, что указанное средство содержит поворотный шаровой клапан, установленный во впуске выше по потоку от барабана.
17. Центрифуга по любому из пп. 13 или 14, отличающаяся тем, что указанное средство содержит поршневой насос.
