專利名稱：延長停留時間的反向旋液分離清洗器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于清洗懸浮造紙纖維(或者通常稱為造紙原料)的旋液分離清洗器，更具體地，涉及延長停留時間的反向清洗的旋液分離器。
術語“正向清洗”和“反向清洗”已為清洗造紙原料技術領域中的人們所熟知，主要是涉及旋流式離心清洗器的工作方式問題。在Samson等人的美國專利No.2377524(1945.6.5授權)和Grundelius等人的美國專利No.3486619(1969，12，30授權)中公開過按正向清洗器連接和應用的旋流式清洗器的實施例，在這種清洗器中，合格料在錐體的底部排出，而廢料則從頂部排出。在反向清洗裝置中，旋流式清洗器的工作方式是，合格料從錐體的頂部排出，而較輕的廢料從底部排出，如Braun的美國專利3912579(1975.10.14授權)和Braun等人的美國專利3,557956(1971.1.26授權)所示。
旋液分離清洗器已在造紙原料的生產中使用多年，特別是用來清洗那些要從水底去除不希望的較重和較輕的組分的造紙原料。在授與Braun美國專利No.3912579公開之前，上述的旋液分離清洗器一直是按下述的方式(以下稱之為“普通”方式)工作在該清洗器中，較重的污染物從底部或者說頂部的出口抽出，而“好的”纖維和沒有較重污染物的水則從錐體底部的上出口抽出。
在專利文獻中已研究和報告過旋液分離器內的液流狀況，有兩項專利更為突出，因為它們詳細地分析了旋液分離器并力圖獲得錐體的最佳直徑和最佳錐度或者說錐壁的斜度。這就是Samson等人的美國專利2377524和Tomlinson的美國專利3,096,275。
Samson等人提出一種比先前所用錐體長得多的錐體長度，并推薦一種長度與底部直徑比，約為11∶1(錐體底部直徑為3英寸，錐體長度為33英寸，見專利說明書第4頁、第2欄，第12～15行)至約為15∶1(第5頁，第2欄，第30～50行)的錐體，后一個實施例得出的錐體夾角約為3.6°。
由于要分離的較重物質流向渦流的外面并沿錐體的內斜面流動，太大的錐夾角本身會對較重組分的分離產生阻力，因為大錐度會阻礙較重組分流到頂部出口。盡管Samson等人使用過小錐度角，但沒有獲得滿意的結果，因為他們在通過底部廢料口排除較重污染物的同時損失了20％～33％(凈重)的好纖維(見第3頁第2欄第15～30行和第5頁，第1列，第29～51行)。這種好纖維的大量損失很可能是由于(至少部分地是由于)好的造紙纖維的比重大于水的比重，并且還容易附著到旋液分離器的壁上，然后才逐漸與較重污染物分離。
Tomlinson的專利US No.3,096,275重新研究了確定旋液分離器的有效尺寸和形狀的問題，在他的實例13(表III)中，甚至試驗過一種帶有“由Samson和Group選用的”測量裝置(第12列，第24～33行)，他推薦采用頭部直徑為7英寸至12英寸的大直徑錐體(見說明書第4欄第38～45行)，他將夾角增大至10°～18°。結果，Tomlison能夠將從廢料出口排出的廢料控制到僅含加入的固體的總量的1.31％的很小的排出量(見說明書第4欄第73行)。由于采用大的錐體和小的壁角，他獲得了較高的內剪切力從而得到高的好纖維存留率(見說明書第7欄第55～75行)。
當Braun和其他人開始將旋液分離器作為“反向式清洗器”操作時，其旋液分離器的結構基本上仍保留Tomlinson優(yōu)選的形式，這種裝置用于清除輕質廢料是有效的，因為它不再需要在較重的“好”紙纖維與重的污染物之間強制造成一種差異，但是，據知他們未曾努力(例如采用加長錐體的辦法)去尋求旋液分離器的最佳形狀，特別是用于反向清洗的旋液分離器的最佳形狀，因為Tomlinson曾經指出過，較大的夾角可構成較好的分離機構。因此，需要專門設計一種可更有效地分離去造紙原料中的輕質污染物的反向式旋液分離器。
從廣義上說，本發(fā)明是一種反向式旋液分離的造紙原料的清洗器，它含有一個沿其長度的大部分是圓錐形并在靠近其底部處帶有一個切向進口的長形空心體，上述的錐形部分的長度與直徑之比至少約為20∶1，最好是至少約為23∶1。該長度與直徑之比值僅僅局限于至少大部分作用于液流的界面條件是“錐形的”而不是“圓柱形的”，例如，空心體必須具有足夠的錐度以便當液體向下流出清洗器時使液流中產生某種環(huán)狀加速。錐體段的夾角小于3°，通?？商峁┲辽?秒的平均滯留時間或者說停留時間。
錐形空心體的底部端接在一個安裝截頭錐形旋渦溢流管的端蓋上。錐形部分和旋渦溢流管分別形成潛流(合格料)出口和溢流(廢料)出口，潛流出口的面積大致等于或者稍為大于溢流出口的面積。潛流出口和溢流出口位于截頭錐通道的相對端部，并且分別向著空心錐體內部發(fā)散。在一個最佳實施例中，其切向進口的面積大致與溢流(廢料)出口的面積相同。
應用本發(fā)明的典型反向旋液分離清洗器，其壓力降約為30～90磅/英寸2，可以在低達0.5％(或更低)的原料濃度和高約2％(或更高)的原料濃度下工作，其液體廢料率約為30％～70％，其主直徑通常約為6英寸或更小。
業(yè)已發(fā)現，最佳的反向清洗器產生的廢料溢流中纖維的含量很低。其重要原因是流體盤旋通過長的錐形體所花的停留時間(或者說滯留時間)比移動通過長度與直徑之比值小得多的普通反向清洗器長。增加了停留時間為各種比重的組分分別提供了較多的向內或向外的徑向移動機會，從而改善了分離的徹底度。
停留時間可以按照“必需的平均徑向速度”來確定，所述的必需的平均徑向速度是廢料顆粒離開錐體最大直徑處的內表面區(qū)域并進入錐體芯部或者說中央處的向上盤旋的廢料流而流到頂部的旋渦溢流管所要求的。這個停留時間(如以每秒英尺為單位)越小，則輕質廢料與好纖維之間的分離就越完全。必需的平均徑向速度的計算方法是將錐體底部的半徑或最大的直徑除以平均滯留時間。而平均滯留時間等于進口處的物質流量(英尺3/秒)除以內部容積(英尺3)。本發(fā)明的清洗器具有較小的必需的平均徑向速度值，即小于0.10英尺/秒。
廢料中纖維含量少的另一原因是由于加長了錐體長度以及由出口形成的與錐體相反的向內呈錐形的截頭錐形通道提高了流體的穩(wěn)定性，從而減少了在顆粒開始徑向分離時環(huán)狀流體層之間混合的可能性。在用熱塑性材料鑄造空心錐體的過程中形成的光滑內表面同樣有助于流體的穩(wěn)定流動，并可補償由于清洗器內表面積的增大帶來的動力損失。除了流動穩(wěn)定作用外，截頭錐形的旋渦溢流管的外表面沿清洗器軸向向內呈向外的錐形也可阻止來自切向進口的纖維走“捷徑”流至溢流出口。
本發(fā)明的反向清洗器是以使錐體長度變得很重要的兩項主要條件為基礎的，即下列兩種情況1)廢料從外壁切向進入，并且必須移動至軸線中心。但是在正向式清洗器中，污染物從外壁切向進入并且必須保持在外壁上。在正向式清洗器中，比水重的好纖維必須被液壓拖動至中央溢流中。
2)好纖維徑向向外移動，與此同時，污染物徑向向內移動。
根據向心加速方程(CA＝切向速度的平方除以離中心軸線的徑向距離)，流體在它通過錐體移動的過程中是連續(xù)加速的，因為錐體直徑連續(xù)地減小。比重比流體介質(通常是水，比重為1.0)大的顆粒向著旋液分離器的內壁徑向向外移動。在反向清洗器中去除的污染物比重小于流體介質，并向著軸線中心徑向向內移動。由于整個流體是在鄰近外壁處開始流動的，所以這些較輕的物質流到軸線中心要有一定的時間。這一必須的時間取決于清洗器的直徑以及污染物的物理特性與流體和纖維濃度間的關系。內部混合會阻止上述粒子向軸線中心移動，而且也干擾纖維和其他物質向外壁的移動。當由于不穩(wěn)定液流的混合干擾纖維的移動或干擾纖維本身保持在外壁上時，纖維就會被液壓拖動至廢料流中，從而使廢料中的纖維含量提高5～8倍甚至更多。
在反向清洗器中，希望纖維留在合格料潛流中，污染物留在廢料溢流中，由于纖維和污染物沿徑向相反的方向移動，所以移過徑向距離時需要較長的滯留時間以及具有較高的旋流穩(wěn)定性都有助于接受纖維和廢棄污染物。長的錐形體可在增加穩(wěn)定性的同時連續(xù)提高旋轉速率，因此，與正向清洗器相反，在反向清洗器中，污染物的徑向移動情況可達到最佳狀態(tài)。雖然Samson等人以L/D約為15∶1表明好纖維的損失率高，但是，進一步減小夾角和/或進一步增大相對長度也會進一步違反生產規(guī)律，正如Tomlinson在正向清洗器中所發(fā)現的那樣。
本發(fā)明清洗器設計上的另一重要考慮是，清洗器長度的大部分應當為錐形。實際上，雖然清洗器的本體在大致沿其端蓋中的旋渦溢流管的軸向長度部位可以是圓柱形而不是錐形。但是，工作清洗器的大部分不應當單純是圓柱形的。任何這樣的圓柱形段的長度(沿軸向測量)均不應明顯大于清洗器本體中旋渦溢流管的伸入深度。
在發(fā)明名稱為“正向/反向清洗裝置及造紙原料的懸浮方法”的未決PCT申請(No.PCT/US96/10679，1996.6.20提出)中，敘述了包括反向清洗器的應用和裝置，該項專利申請的內容作為本發(fā)明的參考。
于是，本發(fā)明的一個重要目的是提供一種用于造紙原料的反向型旋液分離清洗器，其清洗器本體的主要部分是錐形的，并且其長度與直徑之比值至少為20∶1，錐形部分的夾角小于3°。
本發(fā)明的另一目的是，提供一種反向流清洗器，它可在較高的液流穩(wěn)定性的條件下達到長得多的停留時間，以便使輕質污染物與好的滯留纖維之間的分離達到最佳的效果。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種上述的旋液分離清洗器，其中旋渦溢流管的外表面做成截頭錐形，并且隨著它向清洗器內的延伸而發(fā)散。
本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點從下面的說明、附圖和所附權利要求中將會更加明白，附圖中

圖1是本發(fā)明反向清洗器的局部剖視圖；圖2是與本發(fā)明的反向清洗器相結合的兩級清洗裝置的示意簡圖；圖3是圖1圖示說明的反向清洗器的最佳實施例的局部橫剖視圖；和圖4是通過圖3的清洗器進口端的放大剖視圖。
首先參看圖1和3，一種反向清洗器10含有一個長形的空心體12，該空心體12由一種熱塑性材料制成，在靠近其底部16處有一個切向進口14，該空心體12沿其長度的大部分(最好是其工作長度的至少90％)是錐形的，在其底部的一小部分可以是圓柱形的(如前所述)。上述的熱塑性材料最好是未填充的尼龍和聚氨酯?？招腻F形體12的底部16與一個也是用熱塑性材料制成的端蓋18相連接，該端蓋18形成一個包圍截頭錐形旋渦溢流管22的基本平坦的環(huán)形面20。長形錐形體12在鄰近端蓋18處的一小部分可以是圓柱形的，但是，這一圓柱形部分的任何部位在軸向上均不應有看得出超過旋渦溢流管22的內端的地方。
長形錐形體12和旋渦溢流管22分別設有潛流出口26和溢流出口24。切向進口14的面積與溢流出口24大致相同，而潛流出口26的面積則大致等于或者稍微大于溢流出口24。上述溢流出口24和潛流出口26位于相對的向外逐漸變細的截頭錐通道28和30的端部。
錐形體12底部的內徑不應超過6英寸，最好為3英寸或更小，錐形體12內部形成的夾角應小于3°，使L/D比值至少為20∶1。
使用時，夾帶著紙漿纖維和污染顆粒的水通過切向入口14沿切向進入錐形體12的內部。錐形體12內部的流體形成兩個分別沿同一方向旋轉的環(huán)形結構的流圈；一個是靠近錐形體12的內壁向著潛流出口26盤旋的外流圈，一個是位于外流圈與形成的中央空氣芯之間向著溢流出口24盤旋的內流圈。
正如在現有技術所熟知的，作用在流體上和作用在較低比重的污染顆粒上的力使較輕的污染顆粒向著內流圈移動，從而也向溢流出口24即廢料出口移動。作用在較高比重的纖維上的力使纖維向外流圈移動，因而向潛流出口26移動，這就是向合格料出口移動。旋渦溢流管22出口的截頭錐外形(如圖1所示，稍有夸大)可阻止纖維和污染顆粒從切向進口14走“捷徑”流至溢流出口24。
沿清洗器的壓力降一般為約30～90磅/英寸2，原料進口濃度一般為約0.5％～2％。當合格料出口和廢料出口的直徑約為5/8英寸或更小時，壓力降一般為40～60磅/英寸2。如果按上述規(guī)定的NARV(必需的平均徑向速度)的測量值約為0.07英尺/秒，則表示平均停留時間約為1.5～2秒。
液壓排泄率為30～70％。錐形分離器部分的主直徑約為3英寸或更小。實際的保持率并不重要，但停留時間與輕顆粒向內移動必須經過的徑向距離之間的關系則是重要的。徑向移動距離和所需的時間可換算成輕顆粒移至進入廢料出口的中央液流時必須保持的一般的徑向速度。錐形段的20∶1或更大的比值保證了上述的分離作用。
通過下述實施例可清楚地說明反向清洗器10的優(yōu)點。清洗器10是這樣構成的它有一個具有內徑為2.75英寸(～7cm)的底部16和工作長度約為65英寸(～1.65m)的錐形體12，該錐形體12的長度與直徑之比值約為24∶1，錐體的夾角為2.4°。錐形體12有一個直徑為0.469英寸(～1.19cm)的切向進口14。上述的反向清洗器10還含有一個帶有直徑為0.625英寸(～1.59cm)的進口32的旋渦溢流管22(見圖1)。清洗器10在出口24處具有0.469英寸(～1.19cm)的溢流直徑，在出口26處具有0.500英寸(～1.27cm)的潛流直徑。旋渦溢流管22伸入進口端1.28英寸(～3.25cm)，反向錐形面22A的最大外徑(O.D)為1.06英寸(～2.7cm)，而在壁20處的外徑(O.D)為1.0英寸(～2.54cm)。
以進口壓力為60磅/英寸2(～405千帕)、流量約為30加侖/分鐘(～130升/分鐘)通過切向進口14將濃度為1％(重量)的原料液體泵入錐形體內。大約60％的流體從潛流口退旋(合格料)，大約40％的流體從溢流口退旋(廢料)。在出口26處合格料的原料濃度接近2％(重量)，并含有約95％(重量)的原始原料，而在出口24處的廢料的原料濃度為0.018～0.025％(重量)，并且僅含有約5％(重量)的原始原料。
如果對按照本發(fā)明生產的基本上具有全錐形體的反流式清洗器的性能與一種在同樣條件下工作的其本體的主要部分在進口或者說底端處為圓柱形的清潔器相比較。兩種清洗器的規(guī)格如下全錐形清潔器的底部直徑為2.75英寸，錐夾角為3°，故長度約為53英寸(理論值)。該清潔器的進口直徑、合格料出口直徑、廢料出口直徑如前一段所述。第二種清洗器采用相同的錐體，但其大端與一個導向進口端的長16英寸、直徑也是2.75英寸的圓柱體段相連接，故其全長約69英寸。兩種清洗器供入相同的原料并在相同的條件下運行，即進口濃度約1％，溫度120°F，沿清洗器的壓力降為60磅/英寸2。兩種清洗器的進口端都采用相同的蓋子和旋渦溢流管。
全錐形體清洗器的固體排泄率為3％，這意味著97％的固體留在合格料中，但是，局部錐形體的清洗器的固體排泄率為12.9％，這意味著僅有87.1％的好纖維被留下。從效率看，全錐形體清洗器在節(jié)約纖維的有效性方面為局部圓柱體局部錐形體的清洗器的四倍，據認為這種效率上的差異是由于在局部圓柱形清洗器中存在著一節(jié)隔開錐形段與進口蓋的大致為圓柱形的部分。
如圖2所示，上述反向清洗器10的一種用途是用作兩級清洗機構40(圖2)中的第一級清洗器，在這種機構40中，反向清洗器10的溢流(廢料)被送入一種穿流式清洗器42中，而該清洗器42的合格料被作為稀釋料回收到反向清洗器10中。上述的穿流式清洗器42的結構可參見美國專利No.4,155,839(Seifert等人，1979.5.2)，它由Black Clawson公司的Shartle分公司制造和出售，品名為3”“X-Clone”清洗器。
圖3示出本發(fā)明的反流式清洗器的最佳實施例的剖視圖，圖中各種零件的標號與圖1所用的相同，圖中的錐體角和相對長度按接近于真實比例的尺寸畫出。圖4是通過上述清洗器10的進口端部的放大剖視圖，該圖示出端蓋18的最佳形狀。
端蓋18與做成空心體12的向后伸長段的圓柱形凹進部分80相配合，它由空心帽罩82固緊，并由密封圈84保持它與凹進部分80表面間的密封。
旋液分離清洗器10的合格料出口端部最好在剛好包圍合格料出口26的部位90處擴大，以便接納一個液流矯正芯件92，該芯件92通常設置有多個內肋，用于破壞從出口26排出的原料懸浮物的旋轉速度。另外，在出口端還裝有也是由擴大端92固定的目視玻璃管95，用于觀察旋液分離器的工作。
雖然上述裝置的結構是本發(fā)明的一個最佳實施例，但是，必須明白，本發(fā)明并不局限于這種特定的形式，在不背離所附權利要求規(guī)定的本發(fā)明的范圍的情況下可以進行各種改動。
權利要求
1.一種用于離心分離懸浮造紙纖維中夾帶的輕質廢物的反向旋液分離器，含有一個具有圓形橫截面并從第一端向第二端均勻收斂的空心錐形體；一個位于上述第一端附近的切向進口；一個穿過上述第一端進入上述空心錐形體的旋渦溢流管，該旋渦溢流管形成一個溢流出口；和一個位于上述第二端的潛流出口；上述的空心錐形體在上述第一端的附近形成一個內徑，在上述第一端與第二端之間是其長度，該長度與上述內徑之比值至少約為20∶1，從而構成一個小于3°的夾角。
2.根據權利要求1的反向旋液分離器，其特征在于，上述的空心錐形體具有一個沿上述第一端延伸并構成上述旋渦溢流管的端蓋。
3.根據權利要求1的反向旋液分離器，其特征在于，上述的旋渦溢流管的外表面是截頭錐體形的，并且隨著它從上述第一端向上述空心錐形體內的延伸而發(fā)散。
4.根據權利要求1的反向旋液分離器，其特征在于，上述的溢流出口隨著它穿過上述第一端進入上述空心體而逐漸擴大。
5.根據權利要求1的反向旋液分離器，其特征在于，上述的切向進口的面積大致等于上述溢流出口的面積。
6.根據權利要求1的反向旋液分離器，其特征在于，上述潛流出口的面積不小于上述切向進口或上述溢流出口的面積。
7.根據權利要求1的反向旋液分離器，其特征在于，上述的比值至少為23∶1，這就形成一個2.5°或更小的夾角。
8.一種用于造紙原料的反流式旋液分離清洗器，含有一個空心的長形體，該長形體沿其長度的大部分是錐形的，并具有一個底部、一個頂部和一條延伸穿過上述底部與頂部的軸線，上述的空心體從上述的底部向上述頂部收斂；一個蓋住上述底部的端蓋；一個安裝在上述端蓋中的旋渦溢流管，該溢流管形成一個與上述軸線同軸線的溢流出口，并且向上述頂部相反的方向收斂；一個在上述底部附近穿過上述空心錐形體的切向進口；和一個位于上述頂部的潛流出口；上述的空心錐形體在上述底部附近形成一個內徑在上述底部與上述頂部之間是其軸向長度，該長度與上述內徑之比值至少約為20∶1。
9.一種反流式旋渦清洗器，含有一個至少大部分為錐形的空心體，該空心體有一個底部、一個頂部和一條延伸穿過上述底部與上述頂部的軸線，上述空心體部分從上述底部向上述頂部收斂；一個蓋住上述空心體的上述底部的端蓋；一個安裝在上述端蓋上并伸入上述空心體內的旋渦溢流管，該溢流管隨著它向上述空心體內的延伸而發(fā)散；一個由上述旋渦溢流管內形成的、并與上述軸線同軸線的反向清洗器的溢流出口，該出口沿著與頂部相反的方向收斂；一個位于上述底部附近的穿過上述空心體的切向進口；一個位于上述頂部的潛流出口；上述反向清洗器的溢流出口的面積大致等于上述進口的面積，上述潛流出口的面積不小于上述溢流出口或上述進口的面積；并且上述的空心體在其底部附近形成有一個內徑，在其底部與頂部之間是其軸向長度，該長度與上述內徑之比至少約為20∶1。
全文摘要
一種用于離心分離懸浮造紙纖維中夾帶的輕質污染物的反向旋液分離清洗器(10),具有一個其橫截面是圓形的并從第一進口端向第二頂端均勻收斂的長形空心體(12,),其中上述錐形體的長度與其最大直徑之比值至少約為20∶1,并形成一個小于3°的夾角。
文檔編號D21D5/24GK1196000SQ96196873
公開日1998年10月14日 申請日期1996年8月8日 優(yōu)先權日1995年8月11日
發(fā)明者克里斯托弗·E·麥卡錫 申請人:塞莫·布萊克·克勞森公司