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CN104870072A - 水力旋流器 - Google Patents

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CN104870072A
CN104870072A CN201380065706.XA CN201380065706A CN104870072A CN 104870072 A CN104870072 A CN 104870072A CN 201380065706 A CN201380065706 A CN 201380065706A CN 104870072 A CN104870072 A CN 104870072A
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effluent
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vortex
process fluid
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S·K·拉马林格姆
C·J·赛勒
S·D·琼斯
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Dow Global Technologies LLC
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Abstract

一种水力旋流器，其包含：涡流腔室(24)，其与入口(14)流体连通；过程流体腔室(32)，其与过程流体出口(20)流体连通；流出物分离腔室(30)，其位于所述涡流腔室(24)与过程流体腔室(32)之间并且包含外圆周表面(23)；涡流流动屏障(34)，其位于所述涡流腔室(24)与所述流出物分离腔室(30)之间；流出物屏障(36)；其位于所述流出物分离腔室(30)与所述过程流体腔室(32)之间，包含所述外圆周表面(23)附近的至少一个开口(42’)；以及流出物开口(38)，其居中位于与流出物出口(18)流体连通的流出物分离腔室(30)内；其中流出物分离腔室(30)具有所述涡流流动屏障(34)与流出物屏障(36)之间的可调节的中间距离(80)。

Description

水力旋流器
技术领域
本发明涉及水力旋流器和用于分离液体混合物的组分的系统。
背景技术
已经利用各种技术从液体中分离悬浮颗粒，包含凝固、絮凝、沉降、过滤和旋流分离。举例来说，在典型水力旋流器实施例中，加压供给液体在腔室内形成涡流的条件下被引入到圆锥形腔室中。供给液体被引入圆锥形腔室的顶部附近并且流出液流靠近底部排放。与涡流相关联的离心力推动更稠密的颗粒朝向腔室的外周。因此，位于涡流中心附近的液体具有比位于外周的液体更低的颗粒浓度。此“更干净的”液体可以随后从水力旋流器的中心区域中抽取。水力旋流器的实例描述于US3061098、US3529544、US4414112、US5104520、US5407584和US5478484中。分离效率可以通过在腔室内包含过滤器使得移动到腔室中心的液体的一部分穿过过滤器而得到改进。在此类实施例中，旋流分离与交叉流过滤相结合。此类实施例的实例描述于US7632416、US7896169、US8201697和US2012/0010063中。
尺寸和分离效率是任何给定分离系统的限制因素。举例来说，虽然絮凝和沉降技术是相对高效节能的，但是它们通常需要沉淀池和较长的分离时间。水力旋流器提供较小占据面积，但是具有较高能量需求并且在移除较小颗粒物质方面效率较低。交叉流过滤系统是较小的并且产生高品质分离，但是其倾向于积垢并且是能量密集的。寻求提供包含总体尺寸、分离效率和能量效率的改进的属性的平衡的新系统。
发明内容
本发明包含水力旋流器、用于它们的对应的使用的水力旋流器系统和方法的多个实施例。在一个实施例中，本发明包含水力旋流器(10)，所述水力旋流器包含：槽(12)，其包括入口(14)、流出物出口(18)、过程流体出口(20)和内周壁(22)，所述内周壁包围：涡流腔室(24)，其与入口(14)流体连通；过程流体腔室(32)，其与过程流体出口(20)流体连通；流出物分离腔室(30)，其位于涡流腔室(24)与过程流体腔室(32)之间并且包含外圆周表面(23)；涡流流动屏障(34)，其位于涡流腔室(24)与流出物分离腔室(30)之间，涡流流动屏障(34)提供流出物分离腔室(30)的外圆周表面(23)附近的至少一个开口(42)，所述开口被适配成允许液体从涡流腔室(24)传递到外圆周表面(23)附近的流出物分离腔室(30)中；流出物屏障(36)；其位于所述流出物分离腔室(30)与所述过程流体腔室(32)之间，包含外圆周表面(23)附近的至少一个开口(42′)，所述开口被适配成允许液体从流出物分离腔室(30)传递到外圆周表面(23)附近的过程流体腔室(32)中；以及流出物开口(38)，其居中位于与流出物出口(18)流体连通的流出物分离腔室(30)内；其中流出物分离腔室(30)具有涡流流动屏障(34)与流出物屏障(36)之间的可调节的中间距离(80)。
在另一实施例中，本发明包含水力旋流器系统，所述水力旋流器系统包含：槽(12)，其具有入口(14)、流出物出口(18)、过程流体出口(20)和内周壁(22)，所述内周壁包围：涡流腔室(24)，其与入口(14)流体连通；过程流体腔室(32)，其与过程流体出口(20)流体连通，流出物分离腔室(30)，其位于涡流腔室(24)与过程流体腔室(32)之间并且包含：外圆周表面(23)；涡流流动屏障(34)，其位于涡流腔室(24)与流出物分离腔室(30)之间，涡流流动屏障(34)提供流出物分离腔室(30)的外圆周表面(23)附近的至少一个开口(42)，所述开口被适配成允许液体从涡流腔室(24)传递到外圆周表面(23)附近的流出物分离腔室(30)中；流出物屏障(36)；其位于所述流出物分离腔室(30)与所述过程流体腔室(32)之间，包含外圆周表面(23)附近的至少一个开口(42′)，所述开口被适配成允许液体从流出物分离腔室(30)传递到外圆周表面(23)附近的过程流体腔室(32)中；以及流出物开口(38)，其居中位于与流出物出口(18)流体连通的流出物分离腔室(30)内；流体处理路径(28)，其从槽入口(14)延伸并且连续地通过涡流腔室(24)、流出物分离腔室(30)和过程流体腔室(32)并且借助于过程流体出口(18)离开槽(12)；再循环回路(A)，其包括流体处理路径(28)并且从过程流体出口(18)延伸到入口(14)；再循环泵(Z)，其位于再循环回路(A)内，所述泵适用于通过再循环回路(A)移动液体。
描述了许多额外的实施例。
附图说明
通过参考结合附图获得的以下描述可以更好的理解本发明的各个方面，在附图中已经在各个视图的通篇中使用相同的编号来表示相同的部分。所述描绘是说明性的且并非意图是按比例的或限制本发明。
图1是标的水力旋流器的一个实施例的正视图。
图2是图1的水力旋流器的截面图以及包含再循环回路(A)和再循环泵(Z)的水力旋流器系统的示意性图示。
图3A-B是涡流流动屏障的各种实施例的透视图。
图4A-L是流出物屏障的各种实施例的透视图。
图5是水力旋流器的一个替代实施例的截面图。
图6是水力旋流器系统的一个替代实施例的截面图。
图7是图6的水力旋流器的分解视图。
图8A是过滤器组合件的截面透视图。
图8B是过滤器组合件和清洁组合件的透视图。
具体实施方式
本发明包含适用于分离液体混合物的组分的水力旋流器。可适用的液体混合物包含液-液混合物、液-固混合物及组合。实例包含从液体中分离固体颗粒以及包含不同密度的液体(例如，石油和水)的乳化混合物的分离。特定应用包含由纸张厂生成的纸浆流出物、由油气回收生成的过程用水、舱底污水以及城市和工业废水的处理。
在图1和2中说明本发明的一个实施例。所说明的水力旋流器(10)包括可加压槽(12)和盖(13)。槽(12)优选地围绕中心轴χ对称旋转。代表性配置包含：大体上圆柱形、圆锥形和截头圆锥形。槽(12)包含三个端口：入口(14)、流出物出口(18)和过程流体出口(20)。其它实施例可以包含额外端口，如将结合图6描述。槽(12)进一步包含包围至少三个腔室(每个优选地围绕中心轴χ对称旋转)的内周壁(22)：涡流腔室(24)、流出物分离腔室(30)和过程流体腔室(32)。流出物分离腔室(30)在其外圆周表面(23)附近在每个相对端处具有至少一个开口(42、42′)，所述开口允许流体在邻近腔室之间流动。
涡流腔室(24)与入口(14)流体连通。操作期间，加压液体混合物借助于入口(14)进入槽(12)并且围绕在涡流腔室(24)内与中心轴χ同心放置的可选中心部件(15)形成涡流。如在图中所说明，中心部件(15)可以在圆周上改变，并且在一些实施例中可以包括过滤器组合件(如将结合图6和7描述)。
如图1所示，涡流可以通过将入口(14)与涡流腔室(24)近似相切置放而生成。替代地，流体流冲击在其上的挡板(未示出)可以在入口(14)接近于垂直时或甚至在入口(14)沿中心轴χ对齐时诱发旋转流体运动。在其它实施例中，驱动桨状物可用于在涡流腔室(24)内形成涡流。
流出物分离腔室(30)位于涡流腔室(24)下方并且与涡流腔室(24)流体连通。流出物分离腔室(30)具有在槽(12)的内周壁(22)附近的外圆周表面(23)。在操作中，流出物分离腔室(30)接收来自涡流腔室(24)的液体，并且使得大部分液体在其外圆周表面(23)附近的位置处进入和离开流出物分离腔室(30)。在图2的实施例中，流出物分离腔室(30)的外圆周表面(23)与槽(12)的内周壁(22)一致。在操作中，液体的较小组分和更稠密流出物的较大组分(例如，颗粒物质)通过在流出物分离腔室(30)内居中定位的流出物开口(38)移除。流出物开口(38)提供穿过流出物屏障(36)到流出物出口(18)的路径，通过所述路径流出物可以离开槽(12)。流出物出口(18)可以视情况与阀门(47)流体连通以选择性地控制来自槽(12)的流出物的移除。
过程流体腔室(32)示出位于流出物分离腔室(30)下方并且与流出物分离腔室(30)流体连通。过程流体腔室(32)也与过程流体出口(20)流体连通，通过所述过程流体出口过程液体可以离开槽(12)。
涡流流动屏障(34)位于涡流腔室与流出物分离腔室(24、30)之间。涡流流动屏障(34)设计为维持涡流腔室(24)中的涡流流体流、随着流体从涡流腔室(24)流动到流出物分离腔室(30)中而破坏涡流并且减少流出物分离腔室(30)内的旋转流体流。涡流流动屏障(24)在涡流腔室和流出物分离(24、30)之间将流体流引导到邻近于流出物分离腔室(30)的外圆周表面(23)的位置。
涡流流动屏障(34)包含延伸到邻近于(例如，在50mm、25mm或甚至10mm内)或接触流出物分离腔室(30)的外圆周表面(23)的位置的外围(40)。涡流流动屏障(34)在流出物分离腔室(24)的外圆周表面(23)附近提供至少一个开口(42)，所述开口允许来自涡流腔室(24)的旋转流体进入流出物分离腔室(30)。在图2的实施例中，涡流流动屏障(34)具有外围(40)，所述外围不包含孔隙并且延伸到邻近于(例如，50mm、25mm或甚至10mm内)流出物分离腔室(30)的外圆周表面(23)的位置，形成腔室之间的环形开口。替代地，涡流流动屏障(34)可以包含位于其外周(40)附近并且延伸穿过其中的多个孔隙(42)。孔隙(42)的尺寸和形状不受特定限制，例如，扇形的、狭槽、椭圆形的等。非限制性实例在图3中说明。
涡流流动屏障(34)设计为控制液体通过槽(12)的腔室的流动，其中传递到流出物分离腔室(30)中的体积流量的大部分(例如，优选地至少75％、至少80％，以及在一些实施例中全部)优选地被引导到其外圆周表面(23)附近(例如，在至少50mm、25mm或甚至10mm内)的位置。据此，流体流的少数(例如，小于50％并且更优选地小于25％且再更优选地小于10％)可以被引导到包含中心位置的替代位置。虽然在图2到3中所说明的实施例描绘具有平坦表面(35)或板配置的涡流流动屏障(34)，但是屏障(34)可以采用包含具有成角度的或弯曲的表面的其它表面配置。举例来说，取决于表面(35)是否大体上向上或向下凹陷的，锥形或碗形表面可以减小或增大流出物分离腔室(30)的中心区域的体积。在图5中所示的又一替代实施例中，在涡流腔室(24)内与中心轴χ同心放置的中心部件(15)的下边缘(35)充当涡流流动屏障(34)。
流出物屏障(36)位于流出物分离腔室(30)与过程流体腔室(32)之间。流出物屏障(36)在流出物分离腔室(30)的外圆周表面(23)附近提供至少一个开口(42′)，所述开口允许液体的大部分进入流出物分离腔室(30)以传递到过程流体腔室(32)中。如相对于涡流流动屏障(34)所描述，开口(42′)可以是形成于流出物屏障(36)与流出物分离腔室(30)的外圆周表面(23)之间的环形区域。流出物屏障(36)的优选配置的选择将取决于操作条件和供给混合物的组成。然而，在图4A-L中说明了用于流出物屏障(36)的多种代表性实施例。举例来说，并非利用平板状配置(例如，具有外围(40′)的圆形平坦表面)，流出物屏障(36)可以包含替代配置，其中中心区域(即，直接邻近流出物开口(38))位于相对于外周(40′)的较低或较高位置处。图4A说明包含面向上的凹面(44′)的碗状配置。虽然示出为包含恒定曲率度数，但是曲率度数可以跨越表面(44′)改变。图4B说明包含面向上的凸面(46)的类似设计。图4C说明具有包含围绕流出物开口(38)的凸起壁(48)的板状配置的实施例。图4D说明包含来自图4A和4C两者的共有特征的实施例，即，凹面(44′)和围绕流出物开口(38)的凸起壁(48′)。图4E-F说明可以包含一或多个径向延伸的隆脊(50)和凹槽(52)的板状配置，而图4G说明螺旋形凹槽(52)的使用。虽然未示出，但是隆脊和凹槽(无论径向或螺旋形的)也可以图4A-D中说明的配置组合在一起或单独地使用。所说明的实施例中的每一个设计为有助于基于特定的供给流动条件和组成收集更稠密的材料或颗粒。图4H示出包含圆锥形形状的优选实施例，圆锥形形状包含大约80°的圆锥形角度(即，距离纵轴80°，距离横轴10°)。优选的圆锥形角度是45°到85°。虽然未说明，但是这些说明的特征中的许多也适用于涡流流动屏障(34)，例如，凸形和凹形的面向上的表面。而在一个实施例中流出物屏障(36)包含扇形孔隙(42′)，替代地形状的孔隙也可以使用，包含位于围绕外围(40′)处的径向狭槽、有角狭槽和三角形开口，如图4I-L中所说明。类似地，相对于涡流流动屏障(34)可以使用替代地形状的孔隙(42′)。孔隙(42′)的形状和尺寸可以设计为控制向下通过槽(12)的腔室(24、30、32)的流体的流动，其中流动优选地被引导到流出物分离腔室(30)的外圆周表面(23)附近的区域。据此，向下的流(即，相对于流出物屏障(36)的非流出物流体)的少数(例如，小于10％并且更优选地小于2.5％且再更优选地小于1％)可以出现在包含一个或两个屏障(34、36)的中心位置的替代位置处。如图2中所说明，涡流流动屏障(34)和流出物屏障(36)中的一或两者可以包含槽(12)的并不接触内周壁(22)的外周并且并不包含孔隙。
涡流流动屏障(34)和流出物屏障(36)包含相应的上表面和下表面(35、37)，所述表面界定流出物分离腔室(30)的中间(竖直)距离(80)。流出物分离腔室(30)的中间直径(82)还可以从外圆周表面(23)上的相对点之间的距离中确定。优选的中间距离(80)介于3cm与50cm之间，更优选地介于6cm与30cm之间。优选的中间距离(82)介于10cm与60cm之间，更优选地介于20cm与50cm之间。
在一个优选实施例中，中间距离(80)是可调节的。举例来说，取决于各种操作参数，例如，液体供给混合物的组成、操作压力、回收速率、所需渗透质量等，沿中心轴χ的涡流流动和流出物屏障(34、36)的位置可以针对给定应用设定(或改变)。此可调节性特征可以使用多种方法实现，例如，通过用不同尺寸的屏障替换屏障(34、36)、通过用可调节的定位螺丝装配屏障(34、36)等。在一个实施例中，一个或两个屏障(34、36)配备有弹簧、弹性体，或当经受预定负载时允许沿中心轴χ移动的其它可偏转构件。在另一实施例中，在操作期间涡流流动屏障(34)与流出物屏障(36)之间的中间距离(80)是可调节的。
液体混合物与涡流流动屏障(34)和流出物屏障(36)的相互作用有助于旋转速度的转换以循环占用流出物分离腔室(30)的中心区域的径向流动路径。这些流动路径引起朝向流出物开口(38)引导更稠密流出物(例如，颗粒物质)的流速。在一个优选实施例中，流出物分离腔室(30)的中间距离(80)与中间直径(82)的比介于0.1与0.8之间并且更优选地介于0.3与0.5之间。取决于液体混合物的本质，较小比率可能缺乏优选的径向流动以占用中心区域并且较大比率可能生成不对称的循环。
水力旋流器(10)可以包含传感器(84)以用于检测和监控穿过水力旋流器(10)的各个位置的液体的本质的变化。通过传感器收集的信息可用于优化中间距离(80)或其它操作条件，例如，流动速率、回收速率等。传感器(84)可以位于槽(12)或端口内并且可用于评估来自特定区域(例如，流出物开口(38)或过程流体腔室(32)下方的区域)的液体。在水力旋流器(10)并入到包括再循环回路(A)的系统中的实施例中(如图2和6)中示出，传感器(84)可以定位成检测再循环回路中的颗粒的数目或类型的变化。实例传感器是测量包括(但不限于)以下项的广泛范围的参数的那些传感器：浑浊度、吸光度、密度、导电率或粒度分布。
如图6和7中示出，可选过滤器组合件(26)可以居中位于涡流腔室(24)内并且与槽(12)的内周壁(22)均匀地间隔开。虽然圆柱形形状是优选的，但是可以使用包含阶梯式和圆锥形形状过滤器的其它配置。如图8A-B中最佳的示出，过滤器组合件(26)包含多孔膜(64)，所述多孔膜可以由包含聚合物、陶瓷和金属的多种材料制造。在一个实施例中，膜相对较薄，例如，从0.2到0.4mm并且由底层刚性框架或多孔支撑物(未示出)支撑。代表性实例描述于US2012/0010063中。膜(64)的孔隙尺寸(例如1到500微米)、形状(例如，v形、圆柱形、槽形)以及均匀性可取决于应用而改变。在许多优选实施例中，膜(64)包括防腐金属(例如，电成型镍丝网)，所述金属包含具有从10微米到100微米的尺寸的均匀尺寸的孔。此类材料的代表性实例描述于US7632416、US7896169、US2011/0120959、US 2011/0220586和US2012/0010063，其全部标的物以引用的方式并入本文中。膜(64)围绕与经过滤的流体出口(16)流体连通的滤过物腔室(66)。
标的水力旋流器系统(10)可进一步包含清洁组合件(68)以用于从过滤器组合件(26)的膜表面(64)移除碎片。在图7B中说明代表性实施例，其中组合件(68)安装在过滤器组合件(26)的顶部表面上并且包含径向向外延伸的一或多个辐条(70)。刷子(72)从辐条(70)的端部向下延伸并且啮合(例如，触碰或非常接近)膜衬底(64)的表面。虽然示出为刷子(72)，但是可以包含的替代的清洁构件包含刮片、刮板或刮光机。在大多数实施例中使用2到50把刷子并且优选地使用18到24把刷子。如由弯曲箭头所表示，清洁组合件(68)围绕过滤器组合件(26)旋转使得刷子(72)掠过膜衬底(54)的表面并且移除碎片，例如，通过在表面附近形成湍流或通过直接接触表面。一或多个桨状物(74)可以安装到至少一个辐条(70)的端部使得流入涡流腔室(24)中的流体使清洁组合件(68)围绕过滤器组合件(26)旋转。使桨状物(74)围绕过滤器组合件均匀地间隔开为清洁组合件(68)的旋转移动增添了稳定性并且可帮助维持涡流腔室(24)中的涡流流体流。虽然示出为从膜衬底(64)的表面径向向外延伸，但是桨状物可以是倾斜的(例如，距离径向轴从-5°到-30°或5°到30°)以增大旋转速度。在过滤器与清洁组合件(26、68)之间可以使用轴承以进一步有助于旋转而不会阻碍涡流流体流。在未示出的替代实施例中，清洁组合件(68)可以由例如电机、磁力等替代方法驱动。在又一实施例中，过滤器组合件可相对于固定清洁组合件移动。在另一实施例中，清洁组合件(68)可以同心地位于周围膜表面(64)内并且与所述周围膜表面旋转啮合。
图2和6说明进一步包含流体处理路径(28)的水力旋流器系统，所述流体处理路径从槽入口(14)延伸并且连续地通过涡流腔室(24)、流出物分离腔室(30)和过程流体腔室(32)并且借助于过程流体出口(18)离开槽(12)。在操作中，加压供给流体(例如，优选地从4到120psi)经由入口(14)进入槽(12)并且遵循流体处理路径(28)，所述流体处理路径围绕过滤器组合件(26)生成涡流。离心力推动更稠密材料朝向槽(12)的内周壁(22)而不太致密的液体朝向过滤器组合件(26)径向向内流动。此液体的一部分流过过滤器组合件(26)进入到滤过物腔室(66)中并且可随后借助于经过滤的流体出口(16)作为“滤过物”离开槽(12)。剩余的“非滤过物”从涡流腔室(24)向下流动到流出物分离腔室(30)。涡流流动屏障(34)优选地引导此类向下的流体的大部分(例如，优选地至少75％并且在一些实施例中至少90％)到沿着或邻近于槽(12)的内周壁(22)的位置。此布置被认为有助于维持涡流腔室(24)内的涡流流动同时随着流体进入流出物分离腔室(30)破坏涡流流动。流体流在流出物分离腔室(30)中减缓并且更稠密材料(例如，颗粒)优选地朝向流出物屏障(34)的中心沉淀并且进入到流出物开口(38)中并且随后可借助于流出物出口(18)离开所述槽。流出物出口(18)可视情况包含阀门(47)(例如，单向止回阀)以选择性地控制从槽(12)中移除流出物。流出物分离腔室(30)中的剩余的液体(下文称为“过程流体”)向下流动到过程流体腔室(32)中。流出物屏障(36)将流出物分离腔室与过程流体腔室(34、36)之间的流体流的大部分(例如，优选地至少75％并且在一些实施例中至少90％)引导到沿着或邻近于流出物分离腔室的外圆周表面的位置，即，贯穿孔隙(42′)。在大多数应用中，过程流体表示可以重新使用、弃置或回收回入口(14)以用于进一步处理的中间级产物。“滤过物”通常表示可以重新使用或弃置的高级别产物。“流出物”表示可以进一步处理或弃置的低级别产物。然而，应了解在一些应用中，流出物可表示贵重的产物。
图2和6中所示的系统进一步包含：再循环回路(A)，所述再循环回路包含流体处理路径(28)，所述流体处理路径从过程流体出口(18)延伸到入口(14)；以及位于再循环回路(A)中的再循环泵(Z)，其适用于通过再循环回路(A)移动液体。流出物出口(18)驻存在再循环回路(A)外部。在一个操作模式中，水力旋流器(10)通过基本上关闭的阀门(47)操作以防止流出物从槽(12)中释放。在优选操作子模式中进入流出物分离腔室(30)的时间平均流体体积的大于95％或甚至大于99％传送到过程流体腔室(32)。因此，并入再循环回路(A)增大通过槽(12)的通路的数目以及流出物(例如，给定颗粒)将与流体流分离的概率。
在另一实施例中，再循环回路(A)是可加压的。图6示出了具有两个泵的此类实施例。再循环泵(Z)适用于通过再循环回路(A)移动加压流体，并且供给泵(Y)驻存在再循环回路(A)外部并且被适配成在高压下将供给液体引入到再循环回路(A)中。在一个优选实施例中，供给泵(Y)被适配成提供与由再循环泵(Z)提供的相比更大的压力增大，并且再循环泵(Z)被适配成驱动与通过供给泵(Y)引入的相比至少两倍的体积的液体通过再循环回路(A)。更优选地，再循环泵(Z)驱动至少四倍的体积的液体通过再循环回路(A)。
当系统包含沿流体处理路径(28)串联的过滤器组合件(26)和流出物分离腔室(30)这两者时，分离泵(Y、Z)的使用提供进一步的优点。因为沿流体处理路径(28)的每一个通路仅引起流出物从系统中的部分移除，所以通常所需若干个通路。为了使交叉流过滤在涡流腔室(24)内有效，最初施加的供给液体压力必须超过过滤器组合件的跨膜压力。当系统设计为用于较高跨膜压力时更容易达到沿流体处理路径(28)的均匀的流量，因此交叉流过滤器组合件(26)的相对端之间的压降是施加到所述膜的较小组分(例如，小于20％、10％或1％)。由于与每个操作区域和通路相关联的压降是累积的，所以设计成围绕单个泵的系统可以通过每个通路的重新加压而具有很大的效率损失。相比之下，如果供给泵(Y)用于将加压液体提供到由再循环泵(Z)驱动的加压再循环回路，那么避免了与重新加压到跨膜压力和任何滤过物反向压力相关联的连续通路上的能量损失。再循环泵(Z)仅需要供应能量以驱动流体通过再循环回路，并且在一些实施例中，形成膜表面(64)与清洁组合件(68)之间的相对运动。当再循环泵(Z)驱动由供给泵(Y)引入到再循环回路的供给液体的体积的至少两倍、更优选地至少四倍的体积的液体通过再循环回路时，使用分离泵来提供压力和体积要求是尤其有利的。
实验已经表明移除流出物分离腔室(30)中的流出物(例如，颗粒)强烈的取决于粒度。对于具有小于50微米的中值粒径的颗粒移除效率可以是较低的。在过滤期间，颗粒可以凝聚和/或压实并且随后由清洁组合件移除，增大了它们在流出物分离腔室(30)中的去除速率。同时，通过流出物分离腔室(30)的颗粒的移除有助于维持过滤中的高流量。
在另一实施例中，系统可以包含与共同再循环泵(Z)并行的聚集在一起的多个流出物分离腔室(30)和/或过滤器组合件(26)。再循环泵(Z)可同时驱动流经过再循环回路内的两个或两个以上平行过滤器组合件(26)。类似地，再循环泵(Z)可驱动流经过再循环回路(A)内的两个或两个以上流出物分离腔室(30)。优选地，再循环泵(Z)驱动流经过平行可加压槽(12)，所述槽包括过滤器组合件(26)和流出物分离腔室(30)两者。加压再循环回路(A)可以由共同供给泵(Y)供给。
过滤器组合件(26)优选地以小于50％、25％或甚至10％的回收率操作，允许高交叉流速和高清洁速率。虽然连续地执行清洁，但是在膜(64)上的任何给定位置处在可旋转清洁组合件(68)的离散啮合之间存在较短时间。穿过流出物分离腔室(30)的给定通路内的颗粒也具有相对低的移除概率。举例来说，200微米塑料球体(密度1.09)在给定通路中移除的概率可以小于30％，或甚至小于10％。然而，由于多次穿过再循环回路(A)，流出物分离腔室(30)对流出物移除具有显著影响。
如先前描述，通过组合的供给泵(Y)和再循环泵(Z)的使用来自连续通路的压力损失是最小化的。在使用过滤器组合件(26)的实施例中，跨越膜(从流体处理路径(28)到滤过物腔室(66))的压降可以随后是由供给泵(Y)提供的压力的较小组分，小于50％、25％或甚至10％。在一个优选实施例中，由供给泵(Y)提供的至少50％、更优选地80％的压力用于驱动下游操作(例如，微过滤、超过滤、纳米过滤或逆渗透)。在交叉流过滤器组合件(26)的相对端处位于流体处理路径(28)上的位置之间的压降也优选地较小，例如，小于由供给泵(Y)供应的压力的20％、10％或1％。
发明性水力旋流器系统(10)可最好与过滤组合件(26)结合。由于通过流出物分离腔室的颗粒的连续清洁、高再循环、移除和浓缩，以及过滤和流出物分离腔室中的相对低的回收率，系统可以在高含固量下很好的操作。在操作中，系统优选地以至少85％、90％、95％或甚至99％的平均容积回收率(即，作为滤过物通过膜离开系统的液体的组分)操作。优选的特定移除系统可用具有按质量计大于0.2、0.5或1％的固体含量的液体混合物操作。
本文中参考的提到的每个美国专利的整个标的物全部以引用的方式并入。

Claims (10)

1.一种水力旋流器(10)，其包括：槽(12)，其包括入口(14)、流出物出口(18)、过程流体出口(20)和内周壁(22)，所述内周壁包围：
涡流腔室(24)，其与所述入口(14)流体连通，
过程流体腔室(32)，其与所述过程流体出口(20)流体连通，
流出物分离腔室(30)，其位于所述涡流腔室(24)与过程流体腔室(32)之间并且包含外圆周表面(23)，
涡流流动屏障(34)，其位于所述涡流腔室(24)与所述流出物分离腔室(30)之间，所述涡流流动屏障(34)提供所述流出物分离腔室(30)的所述外圆周表面(23)附近的至少一个开口(42)，所述开口被适配成允许液体从所述涡流腔室(24)传递到所述外圆周表面(23)附近的所述流出物分离腔室(30)中；
流出物屏障(36)；其位于所述流出物分离腔室(30)与所述过程流体腔室(32)之间，包含所述外圆周表面(23)附近的至少一个开口(42′)，所述开口被适配成允许液体从所述流出物分离腔室(30)传递到所述外圆周表面(23)附近的过程流体腔室(32)中；以及
流出物开口(38)，其居中位于与所述流出物出口(18)流体连通的所述流出物分离腔室(30)内；
其中所述流出物分离腔室(30)具有所述涡流流动屏障(34)与流出物屏障(36)之间的可调节的中间距离(80)。
2.根据权利要求1所述的水力旋流器(10)，其中所述流出物分离腔室(30)具有中间直径(82)并且其中所述中间距离(80)与所述中间直径(82)的比介于0.1和0.8之间。
3.根据权利要求1所述的水力旋流器(10)，其中所述流出物分离腔室(30)具有中间直径(82)并且所述中间距离(80)与所述中间直径(82)的比介于0.3和0.5之间。
4.根据任一前述权利要求所述的水力旋流器(10)进一步包括传感器(84)，所述传感器被适配成检测穿过所述水力旋流器(10)的液体的本质变化。
5.根据权利要求1所述的水力旋流器(10)进一步包括过滤器组合件(26)，所述过滤器组合件位于所述涡流腔室(24)内并且包围与经过滤的流体出口(16)流体连通的滤过物腔室(66)，使得穿过所述过滤器组合件(26)的液体进入所述滤过物腔室(66)并且借助于所述经过滤的流体出口(16)离开所述槽(12)。
6.一种水力旋流器系统，其包括：
i)根据权利要求1所述的水力旋流器，其包含流体处理路径(28)，所述流体处理路径从所述槽入口(14)延伸并且连续地通过所述涡流腔室(24)、流出物分离腔室(30)和过程流体腔室(32)并且借助于所述过程流体出口(18)离开所述槽(12)；
ii)再循环回路(A)，其包括所述流体处理路径(28)并且从所述过程流体出口(18)延伸到所述入口(14)；以及
iii)再循环泵(Z)，其位于所述再循环回路(A)内，适用于通过所述再循环回路(A)移动液体。
7.根据权利要求6所述的水力旋流器系统，其进一步包括供给泵(Y)，所述供给泵位于所述再循环回路(A)外部并且被适配成将供给液体引入到所述再循环回路(A)中。
8.根据权利要求6所述的水力旋流器系统，其中所述再循环泵(Z)被适配成驱动与通过所述供给泵(Y)引入的相比至少两倍的体积的液体通过所述再循环回路(A)，并且其中所述供给泵(Y)被适配成提供与由所述再循环泵(Z)提供的相比更大的压力增加。
9.一种水力旋流器系统，其包括：槽(12)，其包括入口(14)、流出物出口(18)、过程流体出口(20)和内周壁(22)，所述内周壁包围：
涡流腔室(24)，其与所述入口(14)流体连通，
过程流体腔室(32)，其与所述过程流体出口(20)流体连通，
流出物分离腔室(30)，其位于所述涡流腔室(24)与过程流体腔室(32)之间并且包含外圆周表面(23)，
涡流流动屏障(34)，其位于所述涡流腔室(24)与所述流出物分离腔室(30)之间，所述涡流流动屏障(34)提供所述流出物分离腔室(30)的所述外圆周表面(23)附近的至少一个开口(42)，所述开口被适配成允许液体从所述涡流腔室(24)传递到所述外圆周表面(23)附近的所述流出物分离腔室(30)中；
流出物屏障(36)；其位于所述流出物分离腔室(30)与所述过程流体腔室(32)之间，包含所述外圆周表面(23)附近的至少一个开口(42′)，所述开口被适配成允许液体从所述流出物分离腔室(30)传递到所述外圆周表面(23)附近的过程流体腔室(32)中；以及
流出物开口(38)，其居中位于与所述流出物出口(18)流体连通的所述流出物分离腔室(30)内；
流体处理路径(28)，其从所述槽入口(14)延伸并且连续地通过所述涡流腔室(24)、流出物分离腔室(30)和过程流体腔室(32)并且借助于所述过程流体出口(18)离开所述槽(12)；
再循环回路(A)，其包括所述流体处理路径(28)并且从所述过程流体出口(18)延伸到所述入口(14)；以及
再循环泵(Z)，其位于所述再循环回路(A)内，适用于通过所述再循环回路(A)移动液体。
10.根据权利要求9所述的水力旋流器系统，其中所述流出物分离腔室(30)具有所述涡流流动屏障(34)与流出物屏障(36)之间的中间距离(80)和中间直径(82)，并且其中所述中间距离(80)与所述中间直径(82)的比介于0.1与0.8之间。
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