技术领域
[0001] 本
发明关注一种用于分离
流体中至少两相的旋风分离器，和用于制造旋风分离器的
基座壳体、膨胀室和稳定器的注射模具，以及本发明的用于分离流体中至少两相的旋风分离器的应用。
背景技术
[0002] 流体，固体和气体经常被与待清洁介质的
密度不同的污染物污染。
[0003] 这些污染物可以是，例如：
[0004] -废
水处理厂，工艺用水和/或
废水中的微塑料颗粒和/或轻和/或重颗粒；
[0005] -作为含盐水脱盐过程中的纯化步骤中的盐水或微咸水中的微塑料颗粒和/或轻和/或重颗粒；
[0006] -造纸和纸浆工业的
纤维悬浮液和工艺用水中的微塑料颗粒和/或轻和/或重颗粒；
[0007] -用于常规清洁的液体中的微塑料颗粒和/或轻和/或重颗粒；
[0008] -气体混合物(例如
气溶胶，粉尘)中的重颗粒；
[0009] -来自石油或石油化学污染水中的石油成分的分阶段污染物。
[0010] 世界各地进行的大量研究表明，海洋，
沉积物以及河流和内陆水域中越来越多地堆积着微塑料物质。这已经导致几乎所有水生动
植物受到微塑料污染。
[0011] 这种污染的存在不仅由于存在对于
生物体而言是外来的
聚合物颗粒而带来了问题，而且由于这些颗粒的不利的化学性质而更加严重。它们具有与材料相关的疏水特性以及较大的
比表面积，使它们能够
吸附各种有机污染物，药物残留物和
激素。这使它们成为对人体潜在有害物质的最佳载体。可能积聚的物质可能包括致癌毒素，这些毒素可以通过食物链最终进入人类，并被怀疑会导致人类
疾病。
[0012] 工业过程用水和废水处理厂废水中的微塑料颗粒分离面临着目前的过程工程，实际上是无法解决的问题。尽管可以使用废水处理厂通过现有工艺在很大程度上分离出尺寸大于1mm的微塑料馏分，但尺寸小于1mm的颗粒显然对这些工艺提出了无法解决的问题。大量研究表明，河流，湖泊和海洋中大量的微塑料负荷是由废水处理厂在废水排放之前无法从废水中分离出来的馏分组成的。这些部分主要包括
化妆品和清洁剂的
磨料颗粒，以及在洗涤过程中进入废水的合成纤维的细纤维。在受影响的水域中，微塑料颗粒占总负担的很大一部分。
[0013] 根据我们目前的知识水平，此类颗粒主要通过主动或被动加工塑料的行业的废水处理厂进入水域。这些行业之一是造纸行业的废纸加工部
门。塑料是被处理废纸中的伴随物质。尽管塑料在纸浆处理过程中大部分被分离出来，但很大的馏分(在处理步骤中被
粉碎)进入工艺用水，然后进入工业公司的废水处理厂。
[0014] 除了其尺寸之外，所存在的微塑料颗粒的一个特殊特征是其比密度，无一例外地都非常接近水的密度。水与其中存在的微塑料颗粒之间的比重的最小差异以及它们的大小反映了特定的问题，即使用常规废水处理不可能或仅有不足以从废水中去除微塑料颗粒。这里的标准方法是应用粗清洁，生物分解，浮选，沉淀和精细过滤的原理。由于这些过滤方法的现有缺点和高工艺工程复杂性，以这种方式进行废水处理非常耗费成本，因此很少有利可图。
[0015] 此外，存在工艺技术上的限制，即这些基于过滤介质的方法只能用于将所有固体的整体从介质中滤出的过程中。如果需要根据固体的物理性质而不是绝对过滤，固体的分离或部分分离，例如在造纸过程中从纤维悬浮液中过滤微塑料的情况，则不能使用这些系统，因为这种
现有技术的分离标准系统仅根据颗粒的尺寸而不是根据其材料定义。
[0016] 因此，旋风分离器在造纸工业中在处理水和纸浆悬浮液的处理中也起着作用。定义纸张
质量和过程
稳定性的重要过程步骤是消除所谓的低密度污染。它的主要馏分包括微塑料颗粒(来自
包装废料的PE，PP和聚苯乙烯
泡沫)以及热熔颗粒和蜡。目前，使用反向清洁旋风分离器从纸浆悬浮液中去除了比密度低于水的低密度污染物。通常用于此的反向清洁器在分离效率和操作时间效率方面表现出明显的缺点，由于生产停工时间或降低的纸张质量，导致直接的财务损失。反向清洁器可以基于它们的密度来分离物质，这使得所述塑料颗粒能够与纸颗粒分离到一定程度，但通常不是令人满意的分离程度。然而，反向清洁器不能充分去除微塑料颗粒，因为颗粒的密度仅与水的密度略有不同，并且颗粒的尺寸太小。
[0017] 这些污染物的存在会导致所生产商品(例如纸张，纸板)的质量下降，还会导致工艺技术问题，例如由于不希望的污染物而损坏
泵，
压缩机或类似组件。此外，这也可能导致与环境相关的经济后果，因为去除污染物可能是遵守污染物限值的条件(例如废水处理厂废水中的微塑料负荷，废水中的生物量，
化学需氧量(COD)/
生化需氧量(BOD)，持久性有机污染物(POP)，可吸附有机卤化物(AOX))。
[0018] 旋风分离器的现有技术通常由相同的基本设计来限定。其特征在于通常为锥形的基体，其具有不少于三个入口和出口。入口通常切向位于圆锥的较宽端。用于轻馏分的出口通常位于圆锥体顶侧的中央，而用于重馏分的出口则位于圆锥体的锥形端。在运行过程中，引入的用于处理的流体通常在切线方向上送入锥体的上侧，并由此引入旋转流中。在恒定的流入量的驱动下，这种流动以螺旋方式向下流向旋风分离器的锥形端。该流动路径导致自由逆流，这导致部分流动在流体(涡旋)的(螺旋)圆形流动的中心向上运动。该部分流的特征在于，具有较高比密度(即质量)的较重污染物的较低的负荷按比例在旋风分离器的上部中心喷出。将富含比重较大的颗粒的馏分在旋风分离器的锥形端排出。在旋风分离器中，借助于旋转引起的离心
力，分离成不同密度的组分。这意味着
离心力越大，分离
精度越高。现有技术基于这种众所周知的技术为旋风分离器定义了多种不同的设计选择。但是，无论这些旋风分离器的总体结构如何被
修改，它们的一个共同特征都是无例外地是内部
涡流的自由逆流。
[0019] 已知的旋风分离器的缺点尤其归因于由结构特征引起的内部涡流中的自由逆流。由于逆流的
位置和强度以及分离效率在很大程度上取决于结构以及工艺技术条件，因此旋风分离器的经典设计是其对外部因素变化敏感的原因(例如，体积流量，流入-接受-拒绝比率，压差，介质
粘度，污染程度)。这也在涡旋内引起各种不利的流动条件，因此，在分离流体的相中具有更高的精度，因此在分离流体的相中没有实现更高的效率。因此，缺乏动态适应情况条件，特别是适应所述外部条件变化的能力是不利的。
发明内容
[0020] 本发明的目的是至少部分地克服现有技术中已知的缺点。
[0021] 通过根据本发明的
权利要求1的旋风分离器解决了上述目的。旋风分离器的优选
实施例是
从属权利要求的主题。
[0022] 根据本发明的用于分离流体的至少两相的旋风分离器，其具有基座壳体，通过所述基座壳体所述流体可以以基本上螺旋形的方式流入，所述旋风分离器具有带有上端和下端的分离室，其中，所述上端和所述下端分别具有壁，和在所述两端之间延伸的中
心轴线，并且在圆锥形的所述分离室内还设置有与所述基座壳体的所述中心轴线同心的中心分离管，所述中心分离管具有基本为圆柱形的壁，所述壁具有面对具有第一表面轮廓的所述内横截面的表面，和背离具有第二表面轮廓的所述内横截面的表面。根据本发明的所述旋风分离器具有特征在于，所述基座壳体具有在所述上端的头部，所述头部具有内半径和具有至少一个基本沿切向地连接的用于所述流体的入口，以及至少一个具有横截面的轻馏分出口，和在所述下端上的至少一个膨胀室以及至少一个重馏分出口。
[0023] 根据本发明的旋风分离器的特征在于，所述分离室至少在截面上递增地在所述下端的方向上呈锥形地逐渐变细，优选以恒定的锥
角α。这基本上有利地均衡了涡流中的流动条件。因此，这可以施加更大的离心力并引起较少的破坏性和不利流动。
[0024] 在本发明的意义上，“圆锥形”是指基本上垂直于中心轴线的变窄的横截面。
[0025] 在本发明的含义内，“流体”涵盖任何可流动的，即固体，气体和/或流体介质。特别地，这包括具有至少两个相的气态和/或基于固体的流体，尤其是相对于其堆积密度而不同的这样的流体。
[0026] 在本发明的含义内，“具有至少两相的流体”是指至少两相的任何异质混合物，其相可通过物理或物理化学方法或其组合彼此至少部分地分离。特别地，这包括至少两种不完全混溶的流体或固相的混合物，或至少一种气相和至少一种流体相和/或至少一种固相的混合物，以及至少一种流体相和至少一种固相的混合物，以及气溶胶，固体混合物，泡沫，乳液，分散体和悬浮液。这也包括多相混合物，其中一种或多种物质(第二相)分布在另一种连续物质(主要介质，连续相)中。
[0027] 在本发明的含义内，“相”是指在其内部不发生任何物理值突然变化并且化学成分均匀的空间区域。这些相可以是全部或部分或单独为流体和/或固体和/或气态。这些相可以是
离析物或产物，或两者。
[0028] 具有至少两相的流体的预期相分离可以是例如：
[0029] -来自流体的流体(例如，分离两相乳液的相)
[0030] -来自气态的流体(反之亦然)
[0031] -来自固体的流体(反之亦然)
[0032] -来自流体的气体(反之亦然)
[0033] -来自固体的固体(反之亦然)
[0034] -来自气态的固体(反之亦然)，
[0035] 其中至少两相具有彼此不同的密度，使得至少一更轻相通过中心分离管通过轻馏分出口分离出来，并且至少一重相通过重馏分出口分离出来。
[0036] 流体的相分离可主要用于清洁或纯化物质。因此，通过本发明的方式，可以在另一相和/或其他相中使流体，固体或气态主流摆脱不希望的物质相。
[0037] 在本发明的含义内，“微塑料”是指尺寸等于或小于约5毫米的任何聚合物塑料颗粒。从而那些小于1mm对于本发明特别重要。
[0038] 根据当前情况的锥角α是指与基座壳体的中心轴线的偏离；特别地，正角和负角被理解为锥角。
[0039] 根据本发明的旋风分离器的优选实施例，所述锥角α在大约0.1°至5°之间，优选为大约0.2至3°之间，尤其优选为0.5和1.5°之间。
[0040] 根据本发明的旋风分离器的另一个优选实施例，所述中心分离管沿其长度基本上是连续的，并且基本上延伸至所述分离室的所述下端，其中，所述中心分离管和所述下端的所述壁之间设置有间隙。
[0041] 作为对根据本发明的旋风分离器的修改的结果，具有连续的中心分离管，该中心分离管基本上延伸到分离室的下端，并且其中，在中心分离管和下部分离器的壁之间留有间隙，令人惊讶地，在旋风分离器的上部区域中，逆流受到抑制。由于以这种方式引起的旋转，在中心分离管的下端的入口区域，即所谓的分离区域，重力场显着增加。换句话说，通过根据本发明的该实施例，被处理的流体以限定的方式被迫以围绕中心分离的螺旋状通过整个分离室，从而抑制了常规旋风分离器的典型内部涡流的形成，该典型内部涡流在中心延伸，其流动沿中心分离方向。这意味着直到分离区的发生轻馏分分离的区域内部才发生逆流。因此，逆流以限定的方式
定位在涡旋内，并且有利地，不会像现有技术那样受到外部因素的影响。因此，令人惊讶地，一方面，与现有技术相比，获得了更高的重力，另一方面，避免了具有不确定的
湍流的区域，从而显着提高了筛渣的分离精度和分离效率。这样，根据本发明的本实施例中的分离过程不仅基于现有技术旋风分离器的技术的基本原理，而且还基于由人工重力引起的
加速沉降和浮选的那些原理，去除分离区中的轻馏分相。从而显着改善了旋风分离器的先前已知的现有技术中用于去除污染物的分离工艺。因此，在本发明的范围内，采用了旋风分离器的基本原理并对其进行了创新性的修改，以便能够进一步清洁甚至仅被少量异物和具有比密度接近要清洗的介质的密度的异物的非常干净的介质，并至少部分去除异物，例如与液相相比密度差最小的微粒，例如与水相相比的微塑料。
[0042] 在根据本发明的旋风分离器的另一优选实施例中，所述中心分离管的所述壁在所述基座壳体的所述下半区域中具有径向的周向穿孔。
[0043] 所述中心分离管的壁上的有穿孔的区域定义了一个区域，在该区域中，被引导流动的引入流体的轻馏分和重馏分被分离。
[0044] 在根据本发明的旋风分离器的另一个优选实施例中，所述穿孔基本上是直线形、锯齿形、蛇形、弧形、螺旋形、曲折形、点形、环形、椭圆形、矩形、正方形、梯形、星形、新月形、三角形、五边形和/或六边形和/或上述形状的混合形式。
[0045] 引入的流体的轻馏分通过穿孔从其重馏分中去除。根据本发明，在底座壳体的下半部分的区域中的中心分离管的壁上的孔的尺寸，形状，位置布置和分布的修改使得对于特定的轻馏分的去除参数能够单独地控制。例如，这允许精细地调节分离速度和/或在固体轻馏分的情况下，还允许调整用于分离出固体轻馏分的排除尺寸。补充地，中心分离管的表面结构也可以根据本发明进行修改。总体而言，借助于所提及的可能的修改，旋风分离器的效率可以以高度个性化和取决于情况的方式来调节。
[0046] 根据本发明的旋风分离器的另一个优选实施例，相对于所述轻馏分出口的横截面的所述中心分离管的所述壁的所述穿孔面积在大约50％至1000％之间，优选为在75％和200％，并且尤其优选在大约100％和150％之间。
[0047] 根据本发明的旋风分离器的另一个优选实施例，所述中心分离管的所述圆柱形壁的所述第一和/或第二表面轮廓基本上是波浪形，阶梯形或斜坡形和/或上述表面轮廓的混合形式。
[0048] 根据本发明的旋风分离器的另一个优选实施例，在所述旋风分离器的所述上端的所述基座壳体的所述内壁上设置有绕着中心分离管同心延伸的导流元件，所述导流元件的弯曲的半圆形内壁面积基本上是相对于由所述导流元件形成的侧向半径r的内部容积在截面上为凹形，所述导流元件具有基本上为螺旋部分，所述螺旋部分基本上直接与所述入口连接。
[0049] 在本发明的意义上，“螺旋部分”是指螺旋形和/或螺旋形的缠绕区段。
[0050] 导流元件的设计使流体的体积流切向地引入到基本为圆锥形的分离室的上端中，并且具有最小的流量损失，并且以这种方式引起旋转。通过这种修改，在分离室的上端内部的体积流被导流元件转移，从而使得从第一基本螺旋形的旋转开始，其可以围绕中心分离管在分离区的方向以接近恒定的径向和垂直速度旋转。
[0051] 在本发明的另一个优选实施例中，所述螺旋部分的坡角β大约在3至23°之间，优选在大约8°至18°之间，尤其优选在大约12至14°之间。
[0052] 在本发明的意义内，“坡角”是指螺旋形部分的内壁表面相对于中心轴线的角度，所引入的流体将沿着该中心轴线独立地流动。
[0053] 在本发明的另一个优选的实施方式中，所述螺旋部分的径向倾斜角γ约为+/-15°，优选为大约+/-5°，并且尤其优选为大约+/-1°。
[0054] 在本发明的意义上，“倾斜角”是指基座壳体的内壁表面相对于垂直地将中心轴平分的平面之间的角度。
[0055] 在本发明的另一个优选的实施方式中，所述导流元件的侧向半径和所述头部的内径之间的比率大约在0.04至1之间，优选大约为0.1至0.7之间，并且尤其优选为大约在0.2至0.4之间。
[0056] 在当前情况下，“内半径”是指从头部的内壁表面到旋风分离器的中心轴线的半径。
[0057] 根据本发明的旋风分离器的另一个优选实施例，所述中心分离管尤其通过
锁定可拆卸地连接到头部的轻馏分出口，和/或尤其通过锁定可拆卸地连接到膨胀室的底部。根据本发明的优选实施例，膨胀室由至少两部分构成，特别是由几部分构成。可替代地，中心分离管和头部被制造为一个部件。进一步可选地，中心分离管的保持器可以通过中心分离管的压/粘胶结合的实施方式被拆卸。
[0058] 在本发明的意义上，“可拆卸地连接”是指至少两个部件彼此连接，优选地直接和/或间接地彼此连接，尤其是例如通过
法兰连接，插塞连接和/或对技术人员而言似乎合适的另一种方式锁定或夹紧。
[0059] 此外，所述分离室可通过旋风分离器的入口例如以加紧的方式可拆卸地连接到所述头部。替代地，分离室和具有入口的头部被制造为一个部件。
[0060] 根据本发明的旋风分离器的又一优选实施例，所述膨胀室在所述底部具有相对于所述中心轴线同心布置的中心销以便接收所述中心分离管，所述中心销基本上延伸到所述中心分离管的所述下端的高度。
[0061] 在根据本发明的旋风分离器的另一优选实施例中，至少一个重馏分出口基本上切向地附接。以这种方式，排出体积流(重相)以尽可能小的流损失从分离室中移出，并因此被引导到重馏分出口中。
[0062] 在根据本发明的旋风分离器的另一优选实施例中，所述膨胀室尤其是通过锁定可拆卸地连接到圆锥形的所述分离室的所述下端。
[0063] 根据本发明的旋风分离器的另一优选实施例，在所述分离室和所述膨胀室之间的过渡处设有稳定器，用于稳定所述中心分离管和控制所述轻馏分的所述流动。
[0064] 根据本发明的旋风分离器的另一个优选实施例，所述稳定器具有第一和第二环形且基本同心的壁，每个壁均具有面对所述内横截面的表面和背离所述内横截面的表面，其中，两个壁均布置在一个平面中，并且其中所述第一壁和/或第二壁具有翅片角为δ的翅片，其中，所述稳定器尤其通过锁定由径向延伸的穿孔的方式在所述基座壳体的内侧上可拆卸连接到所述基座壳体，并且所述第一壁至少用所述膨胀室的所述中心销的一部分锁定。
[0065] 根据本发明的旋风分离器的另一优选实施例，所述第一壁在背向所述内横截面的所述表面上具有所述翅片，所述第二壁在面向所述内横截面的所述表面上具有所述翅片。
[0066] 根据本发明的旋风分离器的另一个优选实施例，所述第一壁的所述翅片和所述第二壁的所述翅片基本上不
接触。
[0067] 根据本发明的旋风分离器的另一优选实施例，所述第一壁的所述翅片和所述第二壁的所述翅片一起形成至少一个桥连接。
[0068] 在根据本发明的旋风分离器的另一个优选实施例中，所述至少一个形成的桥连接是无缝的，或者在另一个优选实施例中是非无缝的并且设计成形成间隙，或者根据另一个优选实施例，具有至少两个形成的桥连接，桥连接是无缝和非无缝桥连接的混合形式。
[0069] 根据本发明的旋风分离器的另一个优选实施例，所述第一壁的所述翅片和所述第二壁的所述翅片可旋转地安装，例如，通过枢轴或
铰链轴承。
[0070] 以这种方式，可以灵活地将翅片角δ调整为相应的工艺要求。
[0071] 根据本发明的旋风分离器的另一优选实施例，设计有引导元件以使得所述翅片沿圆弧移动路径移位，所述第一壁的所述翅片和所述第二壁的所述翅片安装在所述引导元件上。
[0072] 根据本发明的旋风分离器的另一优选实施例，所述引导元件均是
导轨，且其中，所述翅片均可旋转地安装在绕垂直于所述移动路径的旋
转轴线的所述导轨上。
[0073] 以这种方式，可以灵活地将翅片角δ调整为相应的工艺要求。
[0074] 根据本发明的旋风分离器的另一个优选实施例，所述翅片角δ大约在5至90°之间，优选为大约20至70°之间，尤其优选为大约30至60°之间。彼此形成无缝桥连接的翅片具有相同的翅片角δ。彼此形成非无缝桥连接的翅片可以具有相同或不同的翅片角δ。
[0075] 所述稳定器一方面用于稳定中心分离管并控制反压并由此控制涡旋旋转，另一方面用于控制轻馏分的流量。
[0076] 通过调节翅片角δ，翅片角δ被定义为翅片的水平面和斜率之间的角度，可以控制垂直速度分量，从而控制旋风分离器中的保持时间和旋转强度。这样就可以在安装和调试后使现有设备适应不断变化的环境和要求，例如，要分离出的相的类型和性质，例如通过改变翅片角δ来获得微塑料
载荷，平均粒径和密度或不同的流体特性。这可以通过更换具有固定翅片角δ的翅片的稳定器来完成，或者在存在引导元件的情况下，根据情况调整翅片角δ来实现。替代地，为了影响流动参数或者也仅仅是辅助地影响流动参数，可以在分离室的内壁上和/或在面对内横截面的中心分离管的圆柱形壁的表面上布置流动杆。在确定尺寸和安装后，还可以使用通过稳定器影响流量的能力，以响应不断变化的工艺条件。因此，这种类型的旋风分离器提供了高度的可定制性，这有助于显着扩展应用领域。
[0077] 根据本发明的旋风分离器的另一个优选实施例，所述稳定器是可更换的。
[0078] 此外，根据本发明的另一优选实施例，中心分离管被设计为在其下端的区域中沿分离室的方向可膨胀。这允许根据存在的外部条件来调节中心分离管的横截面。用于设计管以便可膨胀的相应修改是本领域技术人员已知的，在此引用。这些包括例如在中心分离管中使用略微弹性的材料和/或在中心分离管中平行于中心轴凹陷延伸的材料。此外，为此目的，中心分离管可以由两个或更多部分构成。作为稳定器的补充，这样的修改用于控制/调节分离锥中的设定压力(压力补偿)，从而稳定中心分离管中的流动条件并控制轻馏分流量，例如，以提高分离性能。
[0079] 根据设计成可扩展的中心分离管的优选实施例，可以在中心分离管的下部区域中设置适当的紧固装置以限制其周长，例如，法兰，用于将膨胀室的中心销连接到中心分离管。
[0080] 根据本发明的旋风分离器的另一优选实施例，所述基座壳体，所述膨胀室和所述稳定器均至少部分地由耐磨损的材料制成，所述耐磨损的材料选自硬
橡胶、聚酰胺、纤维增强的聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚甲
醛、聚对苯二
甲酸乙二酯、纤维增强的聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚醚
酮、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、乙烯-氯三氟乙烯、全氟烷氧基烷
烃共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯、四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚、
钢、
不锈钢、
铝和/或它们的混合物。
[0081] 除了使这些单独的组件易于生产外，例如使用注射成型方法，这种材料选择旨在确保最大的耐用性和使用寿命。
[0082] 在另一个优选的实施方式中，所述基座壳体，所述膨胀室和所述稳定器均至少部分地由耐磨塑料，优选聚酰胺制成。由于其热塑性，聚酰胺可以在
注塑成型过程中出色地形成，并可以通
过热焊接进行改性。这使得可以以直接且成本有效的方式生产相关组件。
[0083] 根据本发明的旋风分离器的另一个优选实施例，所述中心分离管由高度稳定和/或耐磨的材料制成，尤其是由钢、不锈钢、铝、镁、纤维增强的聚酰胺、纤维增强的聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚和/或它们的混合物。
[0084] 所述中心分离管必须由高度稳定和/或耐磨的材料制成，因为它一方面起着稳定部件的作用，另一方面必须非常坚硬，以免由于湍流遭受破坏性振动。
[0085] 根据本发明的旋风分离器的另一个优选实施例，旋风分离器由几部分构成。
[0086] 本发明的另一个目的是一种用于制造基座壳体，膨胀室和/或稳定器的注射模具。这使得容易制造根据本发明的旋风分离器和/或旋风分离器的(中央)组件。进而，这使得组装好的旋风分离器易于维护和检查。特别地，这使得旋风分离器可以由一个人来安装和维护，而对工具的需求最少并且对现有技术的了解程度较低。
[0087] 本发明进一步涉及根据本发明的旋风分离器用于分离流体的至少两相的用途。
附图说明
[0088] 下面参考优选的示例性实施例对本发明进行说明，其中要指出的是，诸如对本领域技术人员直接显而易见的变化和/或扩展也可以应用于这些示例。而且，这些示例性实施例不代表本发明的任何限制，因为变化和扩展均落入本发明的范围内。
[0089] 他们展示：
[0090] 图1至图5：旋风分离器的优选实施例的俯视图和两个侧视图，以及图2和图4中根据本发明的旋风分离器的底座壳体的横截面；
[0091] 图6：通过图3中的分离室的下端的横截面的放大截面；
[0092] 图7：根据本发明的模
块化构造的旋风分离器的分解图；
[0093] 图8：根据本发明的旋风分离器的底座壳体的横截面，其具有锥角α；
[0094] 图9至图14：根据本发明的具有导流元件的旋风分离器的头部的优选实施例的底侧的俯视图，底侧的侧视图，三个径向的纵向截面，一个具有倾斜角γ(图13)，和一个具有侧面半径为r(图12)的图11中的纵向截面的细节图(F)，以及另一个纵向剖面图，该纵向剖面图具有导流元件的螺旋部分的垂直截面平面(HH)和属于其的具有坡角β(图14)的垂直的纵向截面图；
[0095] 图15至图17：根据本发明的用于旋风分离器的创造性的稳定器的第一优选的实施例的具有翅片角δ(图15)和切向截面(图16)的两个俯视图，以及切向纵向截面(图17)；
[0096] 图18至20：根据本发明的旋风分离器的创造性的稳定器的第二优选实施例的透视图，俯视图以及切向纵向截面；
[0097] 图21：根据本发明的旋风分离器在使用期间的分离原理的示意图；
[0098] 图22：基于优选实施方式的根据本发明的旋风分离器的三级级联连接图，该优选实施方案用于旋风分离器在工业中处理被微塑料颗粒污染的废水(废水处理厂)；
[0099] 图23至图28：根据本发明的旋风分离器的
原型的体积流量和微塑料载荷与入口压力和稳定器的翅片角δ的函数关系。
具体实施方式
[0100] 图1至图5示出了旋风分离器的优选实施例的图1中的俯视图和图2和图4中的侧视图，以及在图2和图4中根据本发明的旋风分离器的基座壳体的横截面。图1、2和4显示了带有入口，头部，中心分离管，中心轴线，轻馏分出口，重馏分出口的基座壳体。显然，用于入口和轻馏分出口的连接位于头部上。除了图1、2和4中的元件之外，图3和图4还示出了具有上端和下端的分离室，具有导流元件的头部，膨胀室，具有直线形状的穿孔的中心分离管，和分离室下端的壁。中心分离管在头部内部有法兰连接。锥形分离腔通过一个夹具(此处未显示)法兰连接到头部(带有入口)。同样明显的是中心销和带有围绕中心销布置的翅片(未示出)的稳定器。用夹具(未示出)将膨胀室法兰连接到分离室的下端。
[0101] 图6公开了通过图3中的分离室的下端的横截面的放大截面。由中心销限定的膨胀室是明显的。稳定器围绕中心销布置，并且通过在下端的基座壳体的内侧上的径向延伸的穿孔而被夹持在基座壳体中，并且由此被可拆卸地连接，并且稳定器的第一壁被夹紧在其中，膨胀室的中心销的一部分并由此锁定在适当的位置。
[0102] 根据图7的示例性实施例示出了根据本发明的旋风分离器的分解图。可以看出，旋风分离器以模块化的方式由各个部件构成。装有翅片的稳定器可以在从圆锥形分离腔到膨胀腔的过渡处被夹紧。
[0103] 图9至图14示出了根据本发明的具有导流元件的旋风分离器的头部优选的实施例：图9中的底侧的顶视图和图10中的侧视图，以及图11中的径向纵向截面，图12中具有侧半径r的图11的详细视图(F)，以及图13中具有倾斜角γ的纵向截面，和图14中具有绘制的截面(HH)的径向纵向截面，和带有坡角β的垂直纵向截面的示意图。
[0104] 图15至图17示出了通过本发明的用于旋风分离器的创造性的稳定器的第一优选的实施例：图15中的翅片角为δ的俯视图，和图16中具有示例性的切向剖切面(A-A)的俯视图，以及图16中的切向纵截面。显然，第一壁和第二壁的翅片接触，从而形成桥连接。
[0105] 图18至20示出了根据本发明的旋风分离器的创造性的稳定器的第二优选实施例：图18的透视图，图19的俯视图以及图20的切向纵向截面。显然，第一和第二壁的翅片基本上不接触。
[0106] 图21示出了在使用根据本发明的具有连续的中心分离管的旋风分离器的优选实施例期间的一般分离原理的示意图。引入的
多相流体通过入口进入头部分中的分离室的上端。在将流体径向引入圆锥体中之后，该圆锥体在向下方向上以恒定的锥角α逐渐变细，然后，该流体呈旋转运动。由于重力和位移，流体现在沿圆锥形
顶点的方向沿圆形路径运动。在那里，流体的轻相通过中心分离管的穿孔在分离区的区域中被中心抽出。由于在根据本发明的旋风分离器中人工产生的离心力和逆流，比重比流体的主要介质(重相)重的颗粒被压向分离室的内壁，从而比重较轻(次级轻质)的流体颗粒在中心凝聚。可以通过控制体积流量来利用这种效果，以便通过位于下端的重馏分出口将重颗粒(重相)分离出来，从而通过轻馏分出口分离出主要介质或通过位于上端的轻馏分出口将轻质颗粒(轻质第二相)分离出来，然后通过重馏分出口将重质主要介质分离出来。
[0107] 在涉及大量边界条件的广泛模拟的初步工作中，对本发明的旋风分离器的潜力进行了分析和评估(一方面是作为功能性
涡轮机，另一方面是作为分离设备)目前的案例，以被微塑料污染的水为例)。在这项工作过程中进行的测试表明，单个旋风分离器应能够处理500L/min至700L/min的体积流量。在分析结果时，表明该设计尺寸是有利的，其中离心力的大小在200m/s2至3000m/s2之间，优选在500m/s2至2500m/s2之间，特别优选在700m/s2至
2000m/s2之间，尤其是900m/s2至1750m/s2之间。
[0108] 为了验证在先前的开发工作中进行的分离模拟的理论结果，根据本发明的旋风分离器的原型使用SLS快速成型工艺以1：4.4的比例设计，并由纤维增强聚酰胺制成，然后在实验室范围内进行操作和评估。在理想条件下，CFD对1：4.4原型分离效率的仿真表明，在2.5bar的工作压力下，分离效率可望达到约30％。该原型机以30升供气的闭路运行。为了达到预期的入口最大压力2.5bar(足以评估分离原理)，
串联安装了两个
离心泵，每个泵的功率为800W，0米扬程下的流量为60L/min。借助于球
阀手动调节进出根据本发明的旋风分离器的原型的入口压力以及出口压力。用重量分析法测定轻馏分和重馏分的体积流量，并由此确定入口处的相应体积流量。还通过对轻和重馏分体积流进行微过滤，通过重量分析法评估了微塑料的分离效率。
[0109] 通过改变入口压力的变量和所用稳定器的翅片角δ来评估分离效率。作为微塑料参考，使用了Pallmann公司的高密度聚乙烯(HDPE)粉末，其平均粒径<500μm。作为参考物质，该粉末在粒度和材料密度方面最能代表未来工艺中可能发现的污染。HDPE的密度非常接近水，因此在评估范围内被认为是最难去除的颗粒类别。执行的测试系列的测试参数为：
[0110] -进气压力：1bar；1.6bar；2.5bar
[0111] -进料速度：21L/min–33L/min
[0112] -稳定器的翅片角δ：32.5°；45°；57.5°；70°
[0113] -微塑性负载：0.1g/L–1.0g/L
[0114] -微塑料颗粒：HDPE/～0.96g/cm3/平均尺寸<500μm
[0115] 该测试通过统计测试计划的方法和基于Umetrics Modde 10.1程序的评估来计划和执行。图23至28以等高线图的形式显示了测试结果。这些基于完整的阶乘测试计划和测试结果的MLR拟合。在它们中，入口压力显示在x轴上，使用的稳定器的翅片角δ显示在y轴上。根据该图，各个阴影区域表示以L/min为单位的体积流速值，或者以％表示轻馏分和重馏分的微塑性负载。图23示出了以L/min为单位的进给速度值，图24示出了以L/min为单位的轻馏分体积值，图25示出了以L/min为单位的重馏分体积值，图26示出了以％为单位的轻馏分负载，图27示出了在施加1-2.5bar的入口压力时以％为单位的重馏分负荷，图28示出了在高达7bar的较高入口压力下以％为单位的重馏分负荷。测试结果表明，有利的是，可以使用入口压力仅为1.0bar，最终体积流量为约21L/min，并使用32.5°的稳定器，将重质组分中的微塑性负载降低约16％。当入口压力增加到2.5bar，因此流速增加50％，达到越33L/min，并使用32.5°的稳定器时，在重馏分中微塑性负载的降低约23％实现了有利的降低。同时，从所有测试点显而易见的是，将翅片角δ从32.5°增加到70°通常具有降低重馏分中的微塑料分离效率的作用。相反，这意味着较大的翅片角δ在分离密度大于水的颗粒时具有提高效率的效果。总体而言，测试结果表明，原型设备的分离能力(迄今为止已达到23％)仅比理想系统中CFD模拟的结果低约7％。考虑到在原型测试期间使用的应用程序到目前为止还不对应于理想化模拟的边界条件，因此实现的分离效率超出了最初的预期。使用创建的MLR模型将分离效率外推至7bar的入口压力时(图28，右下图)，其提供的分离效率为50％。该值，即所谓的X 50，其被定义为分离出50％的粒径，可以用来突出根据本发明的旋风分离器与常规旋风分离器相比的效率。该比较给出了旋风分离器的分离效率，在X50值下测得的分离效率超过可比的传统旋风分离器的分离效率的56倍。
[0117]
[0118] 其中：
[0119] 分离圆锥体的长度：L＝0.280m
[0120] 水的运动粘度[25℃/6bar]：η＝89.3x 10-8m2s-1
[0121] 进料中轻馏分的比重：RR＝0.57
[0122] 进料体积流量：VI＝0.00122m3/s
[0123] 颗粒密度(HDPE)：ρP＝960.000kg/m3
[0124] 流体密度(水)[25℃/6bar]：ρH2O＝997.000kg/m3
[0125] 轻馏分出口直径：DLF＝0.006m
[0126] 分离圆锥体直径：DC＝0.016m
[0127] 轻馏分入口直径：DE＝0.012m。
[0128] 出人意料地，这表明，根据本发明的旋风分离器的创新性分离原理具有现有技术中以前无法实现的潜力。将结果外推至1：1比例时，由于旋风分离器的边界条件可以更好地与模拟的理想条件匹配，因此可以预期效率会显着提高。
[0129] 根据图22的示例性实施例示出了用于根据本发明的旋风分离器用于工业处理被微塑料颗粒污染的废水(废水处理设备)的三级级联连接图。其表明：
[0130] 表示
控制阀； 表示阻断阀； 表示泵体。
[0131] 通过借助于根据本发明的旋风分离器来处理受污染的废水和工艺用水，总体积流的微塑性负载被移动到轻馏分体积流中。由于这仍然约等于单级过程中总体积流量的30％，这代表需要处理的大量轻质馏分，尤其是在较大的系统中。为了减少此数量并同时增加最终排除馏分的微塑料浓度，应将整个过程的工艺管理顺序设计为完全封闭的级联。该原理可以同样地扩展到工业过程用水中。在这种情况下，待处理的废水和/或处理水通过并联连接的一排高性能离心泵从相关的缓冲罐供入根据本发明的旋风分离器中。从第一阶段获得的清洁馏分，仅包含初始微塑料浓度的1％-3％，然后可以送入工业过程用水，化学清洁级或废水中的出口通道(地表水或海洋)处理厂的应用。在这种情况下，通过图示的全级联进行进一步的清洁，其中各个轻馏分被送入下一阶段，并且各个重馏分被返回到前一阶段。到第三阶段，这导致微塑料的浓缩和同时体积流量的减少。通过集成的过程控制系统(例如西门子PCS 7)以完全自动化的方式调节和控制该过程。这样，仅需要人员最少的外部支持，控制，检查和维护。特别地，旋风分离器的易于维护和检查有利地使得旋风分离器可以由一个人来安装和维护，而对工具的需求最少并且对现有技术的了解最少。在微塑料分离之后，后续处理步骤是使用各个废水处理厂或各个工业公司可用的选件处理微塑料。如今，几乎所有废水处理厂都配备了
污泥干燥阶段，以减少产生的污泥量。几乎所有造纸工业公司都配备了废纸印刷机。在这些干燥阶段之前，应将过程中的废料馏分(其中含有最大浓度的微塑料)加入污泥或造纸工业的废料流中。这使得污泥或废料流在干燥过程中可用作过滤介质，从而将微塑料保留在
滤饼中。由于这些干燥阶段的滤液返回到废水处理或工艺用水中，因此不存在通过该过程再次释放微塑料的风险。
