物质分离装置 【技术领域】
本发明涉及一种物质分离装置，特别是涉及一种从液体中分离出固体、不同密度的液相和/或气体的分离装置，它通过若干过滤元件的旋转进行分离。这些元件被安装在一个外壳内，并可以围绕一个旋转轴转动，而液体则可以透过这些元件。外壳上有一个待滤液进口，而且还至少有一个出口，用于排放从液体中被旋转分离出来而又不能通过过滤元件的物质，另外它至少还有一个为滤液而设置的出口。
这种装置可被用于废水处理。在对废水的物理处理中，根据废水中所含物质的物理特性，如颗粒直径、密度和沉降速度，采用不同的处理方法而将其浓缩。这些方法包括所有利用固体助剂(吸附、过滤、离子交换)、液体助剂(萃取)、气体助剂(浮选、洗提)、热能(蒸馏、蒸发)、重力或离心力(沉淀、悬浮)等来分离的方法。特别地，这种分离装置可以在膜分离技术，即借助于膜的分离过程中，被应用。
背景技术
除了水处理领域，膜分离技术还被用于许多其它的工业领域。通过利用不同孔径的膜可以滤除≥5nm的颗粒。在分离过程中，固体物质可以至少直接在膜上聚集，而过滤液则会透过膜。这种浓差极化作用会产生沉积物，也就形成膜堵塞。沉积物的产生受到不同运行方式的影响。传统的过滤操作方式两种两种，其一为死端过滤(DEF)，其二为错流过滤(CFF)。原则上，这两种方式的区别在于：对于死端过滤，不会出现液体对膜的强迫入流，因而沉积物会不受控制地增长；而对于错流过滤，膜被液体溢流，这样沉积物的增长将会受到控制并被限制在一定的范围内。但是，在长时间的运转后，滤液透过量将会减少，这是由一种可逆的沉积物的形成造成的。因此，不论采用DEF还是采用CFF，均应对膜定期进行反流冲洗，以使滤液透过量保持恒定。
从特定地典型例子来看，在CFF操作模式下，当滤液透过量为100～1501/m2h且透过膜的压力为3～5巴时，能耗达3～7kWh/m3；而在DEF操作模式下，当滤液透过量为50～801/m2h且压力为0.5～2巴时，能耗为0.1到0.5kWh/m3。在处理生活和工业废水或从地表水中提取饮用水时，液体流量很大但产品所创造的价值却很低，这导致运行成本高昂，从而在很大程度上限制了该技术的应用。
未被公开的德国专利DE 100 04 096建议采用可进行旋转中的滤板作为过滤元件。滤板以层叠的方式排列，保证在一个较小的空间内有较大的有效过滤面积。而滤板上沉积物的形成将仅受离心力的影响和控制，这种离心力在运行时会对悬浮液产生作用。在这一发明的框架内所进行的试验表明，由于过滤元件的旋转而使液体柱也处于旋转状态，从而使轻组分如油、油脂和已溶解的气相物质在轴区域内聚集，并导致过滤表面出现堵塞。
【发明内容】
本发明的目的就在于提供一种本说明书开头所描述的那种类型的装置，在这种装置中，过滤元件之间旋转轴区域或其周围的轻组分的积聚将得以避免。本发明的装置将是结构简单、成本低廉。
上述目的将由一种从液体中分离出物质并具有权利要求1所述之特征的装置完成。在压差的作用下，液体错流通过过滤元件。过滤元件的旋转轴基本上以垂直方向为优选布置，这样就可以充分利用与地球重力相反的轻组分的上浮力。而通孔保证了在装置工作过程中，位于过滤元件之间并聚集在旋转轴区域或其周围的轻组分可以在外壳内游动。对于密度比液体小的物质，如气体、油、脂类或汽油，除了可滤过的组分外，无法通过过滤元件。
这个装置的一个优选实施例的特征在于，过滤元件呈圆盘状，尤其是呈环形圆盘状；过滤元件的内腔与一个空心轴的内腔相连，滤液则通过这一空心轴被排出，即滤液透过过滤元件到达空心轴的内腔。在每个过滤元件上靠近空心轴的位置应优先为未滤过的液体设置至少一个通孔。液体中的轻组分由于自身密度较小而聚集在过滤元件旋转轴区域，但它们可以通过附加的通孔透过过滤元件。因为过滤元件在工作时围绕其旋转轴旋转，所以在外壳中上浮的轻组分将能在上升时穿过所有的过滤元件，即使每个过滤元件只有一个唯一的通孔。
这个装置的另一个优选实施例的特征在于，过滤元件上的通孔到空心轴的径向距离基本相同，并且为对中心布置。通过这种方式，特别是当过滤元件静止或缓慢旋转时，若干在空心轴上按轴向相互间隔排列的过滤元件将确保形成一条直接通道。
这个装置的另一个优选实施例的特征在于，过滤元件基本上为环形圆盘状，并且过滤元件的内腔通过若干切线方向上相互间隔开的空心轮辐，同与过滤元件旋转轴同心的空心轴内腔相连，滤液则通过这一空心轴被排出。空心轮辐具有双重功能。一方面，它在过滤元件和空心轴之间提供了液体通道连接；另一方面，它使轻组分能够在空心轴附近沿过滤元件旋转轴的方向通过过滤元件。
这个装置的另一个优选实施例的特征在于，在外壳的上部靠近空心轴的地方有一个附加出口。这一附加出口用于排放轻组分，而轻组分则是借助于自身的上浮力穿过过滤元件上或空心轮辐之间的通孔上升到外壳的上部。通过液体柱的旋转，密度大于主要液体密度的重组分被沿着外壳壁的方向分离出，然后它们可以通过外壳壁上靠近外壳底部的出口排出。
这个装置的另一个优选实施例的特征在于，过滤元件基本上为环形圆盘状，并且同一个与过滤元件旋转轴同心并在径向上位于过滤元件之外的环形空腔相连。这一环形空腔用于收集过滤液。这一在径向上位于过滤元件之外的环形空腔有以下优点：环形空腔内的液体流动得到分离装置工作时产生的离心力的支持。另外，从径向上看，在过滤元件中形成了一个中央通道，这保证了轻组分的上浮畅通无阻。
这个装置的另一个优选实施例的特征在于，过滤元件与一个转鼓相连并固定在其上，转鼓安装在外壳内并可旋转，滤液则可以穿过转鼓与过滤元件相连接的区域。通过转鼓，过滤元件可共同旋转。转鼓上与过滤元件相连的区域的通孔的设计，确保滤液能从过滤元件中排出。
这个装置的另一个优选实施例的特征在于，转鼓基本上为圆柱体状，转鼓的正下方为液体进口，转鼓的正上方为轻组分的出口。这种布置保证了轻组分借助于自身的上浮力畅通无阻地到达出口。
这个装置的另一个优选实施例的特征在于，进口和出口与过滤元件同心，并被用于转鼓的定位。这就使装置的结构变得简单，并因而降低了制造成本。此外还有一个优点，即转鼓和过滤元件可以一起预装。
这个装置的另一个优选实施例的特征在于，外壳下部在径向外部有一个出口，它与转鼓的内部相连。由于出口处于外壳下部径向外部的位置，因此它用于排放从液体中过滤出的密度大于液体的固体物质。
【附图说明】
图1为本发明的装置的第一个实施例的纵向剖面示意图。
图2为图1所示装置中的一个过滤元件的俯视图。
图3为图1所示装置的第二个实施例的一个过滤元件的俯视图。
图4为本发明的装置的第三个实施例的纵向剖面示意图，以及
图5为图4所示装置中的一个过滤元件的俯视图。
【具体实施方式】
下面将通过附图和各实施例对本发明的其它优点、特征和细节进行详细的说明。
图1中所示的装置包括一个外壳1，其内装有一个可以围绕旋转轴3旋转的空心轴2。众多形状相同的过滤元件5、6和7与空心轴2相连接并固定在其上。在图1所示的实施例中，有19个过滤元件与空心轴2相连并固定在其上。空心轴2可以为一个整体或分成多段。过滤元件由膜组成，并且中央为空心。液体由外部经由膜进入过滤元件的内部，再从那里通过空心轴外壳表面上的开口进入到空心轴的内部。套筒10、11和14将过滤元件5、6和7沿轴的方向固定。可以在套筒10、11和14上装上垫圈来密封过滤元件和空心轴之间的接口。
箭头16指示出空心轴2及过滤元件5、6和7的旋转方向。空心轴2的下端18是闭合的，它位于底盖20内并可旋转。底盖20则从下面封住外壳1，并通过螺栓连接22和23固定在位于外壳1下部外边缘处的凸缘25之上。在底盖20上有一个待滤液的进口28，箭头30代表待滤液。此处还有一个出口56紧靠着外壳壁，用来排出密度大于液体的重组分。在旋转中重组分被分离出来，然后被送到外壳壁处并聚集，最后排出。
空心轴2的上端32位于从上面盖住外壳1的顶盖34之内。上端32构成一个为滤液而设置的出口。箭头36代表排出的滤液。
待滤液30通过进口28进入到外壳1的内部，从那里，它穿过过滤元件5、6和7后变成滤液，然后进入空心轴2，再从那里经空心轴2的上端32排出。
顶盖34通过螺栓连接38和39固定在位于外壳1上部外边缘处的凸缘41之上。顶盖34中靠近圆柱体状外壳1的壳壁处有一个出口44，它用来排放从待滤液30中产生的浓缩物。径向上在出口44的左侧靠近空心轴2的地方，在顶盖34中有一个为轻组分而设的出口46。
由于装置运行中空心轴2和与之相连的过滤元件的旋转运动，在外壳1中的液体柱也发生旋转。由此而产生的离心力引起液体中所含物质在离心力场作用下发生位移。较重的组分按与较轻的组分相反的方向移动。较重的组分是指其密度大于液体的组分。较轻的组分是指其密度小于液体的组分。分离装置工作时，待滤液30中所含的较重组分沿径向向外加速并在外壳1的壳壁区聚集，从那里它们通过出口44、56从外壳1中排出。轻组分由于其密度较小而在空心轴2的外壁处聚集。装置内部从下向上的液体流动，使重组分产生运动。
按照本发明，在环形圆盘状或圆盘状的过滤元件5、6和7中具有通孔48。如图1所示，各通孔48到空心轴2的旋转轴3的径向距离相同。空心轴2及过滤元件5、6和7的旋转运动，保证了在分离装置工作时，由于密度较小而聚集在空心轴2区域的轻组分能上升(即移动或流动)到出口46。
如图2所示，图1中所示的分离装置上的一个过滤元件5呈环形圆盘状，并带有一个中心孔49。内部中空的过滤元件的中心孔49保证了滤液能够从过滤元件内部经相应的孔进入到空心轴2。在离心力作用下，环形圆盘状或圆盘状的过滤元件表面上的沉积物(浓化极差作用)被不断带走，并使液体持续均匀地通过膜。滤液透过量和进液量的比例关系决定不能被滤过的物质在出口44、56处的浓度。
图3展示的是过滤元件50的另一种实施形式。过滤元件50同样为环形圆盘状，但其中心孔51大于图2中所示的过滤元件5的中心孔。空心轮辐52、53、54和55从中心孔51出发，沿径向向内延伸并将过滤元件50的内部同空心轴2相连。当然，位于空心轴2中的轮辐52至55与空心轴2之间的接口处有相应的孔，这样滤液就能通过。同时，在过滤元件50被装入装置后，轮辐52至55将保证轻组分能够沿空心轴2的旋转轴3的方向，畅通无阻地从轮辐52至55之间通过。这样就保证了在空心轴2区域的轻组分能够几乎畅通无阻地上升。
图4中是本发明的分离装置的另一个实施例。这一分离装置包括一个外壳60，其内装有一个可以旋转的圆柱状转鼓61。在转鼓61的正面下端是一个空心的末端开口62，它使待滤液能够进入转鼓61的内部。在转鼓61的正面上端是一个空心的末端开口63，它使轻组分能够从转鼓61的内部排出。
外壳60的上下两面分别由一个底座65和一个顶盖64封住。外壳60同转鼓61一样，也是圆柱体状，但其直径大于转鼓61。转鼓61上的空心轴颈62位于外壳60的底座65之中，另一空心轴颈63则位于外壳60的顶盖64之中。
众多的过滤元件66、67在其径向外端与转鼓61的内壁相连并固定在上面。紧固环68、69、70将过滤元件66、67沿旋转轴3的方向固定。此外，紧固环68、69、70还用于将过滤元件66、67和转鼓61内壁之间的接口密封。转鼓上与过滤元件相连的部位可以允许滤液通过。特别是如图5所示，过滤元件66、67为环形圆盘状，并有一个中央通孔72。这一中央通孔72保证在分离装置工作时聚集在转鼓61的旋转轴3处的轻组分，能够畅通无阻地上升并到达出口63。径向上位于转鼓61上部边缘之外有一个为重组分而设的出口73。重组分通过这一出口73进入空心的顶盖64，并从那里到达径向上位于顶盖64之外的出口74。径向上位于转鼓61下部边缘之外有一个为重组分而设的另一个出口80。重组分通过这一出口80进入空心的底座65，并从那里到达径向上位于底座65之外的出口79。
在过滤元件66、67的径向外端处是沿转鼓61的旋转轴3的方向排列的通孔78。通孔78保证固体物质的通过，并防止在过滤元件的外圆半径处出现附着物。有一个或若干个通孔(图中未示)在径向上位于转鼓61前壁下方之外。这使得密度大于待滤液的固体物质能够通过，并到达至少一个在径向上位于外壳60前壁下方之外的出口79。环形圆盘状的过滤元件也可以分成多段，以使固体物质能通过各段之间的间隙；或者采用在涡轮机中的布置形式。
当图1到5中所示的过滤分离装置工作时，会采用一台泵将被过滤的液体，例如悬浮液，通过进口28、62压入到外壳1或转鼓61中。液体透过过滤元件并穿过与过滤元件存在液体连接的空心轴或滚筒61和外壳60之间的环形空腔。过滤元件的旋转使液体产生运动，同时离心力也对液体产生影响；而液体运动和离心力将使过滤元件上的沉积物的形成受到有效地抑制。为了获得过滤所必需的膜两侧间的压差，可在为滤液而设置的出口处施加负压，或在分离装置的进口处施加正压。此外，在许多适合使用本说明书所涉及的分离装置的水处理设备中，利用已有的液静压或液动压来产生必需的膜两侧间的压差是一种很好的方法。例如，现代的废水处理设备常带有最高可达20米的活化反应站，这样，在液静压约为2巴时，就可以在膜两侧间产生压差。
过滤元件可以是膜或由膜包覆的空心体或空心框架。这里可以采用在膜分离技术中广泛使用的传统工业用膜，如：聚合物膜、膜片过滤器、超滤膜、微滤膜或纳滤膜。
图1中所示的空心轴2可以是一块整体，或由多个如管状的空心部分组成，这时，空心轴的各段由位于它们之间的过滤元件，特别是滤板分隔开，并由这些过滤元件连接起来，并达到良好的水密封性以防止待滤液的渗入。原则上，在空心轴内部或转鼓和外壳之间的环形空腔中存在以至少一个孔为形式的液体连接，从而使得滤液得以通过。
这一分离过滤装置既可用于在好氧环境下工作的系统，也可用于在厌氧环境下工作的工作系统，如废水处理系统或水净化系统。例如，这一过滤装置可用于净化装置的活化阶段，并形成一个用于保持生物量从而使生物量得到集中的现代系统。当然，这一过滤装置也可用于预净化之后对净化装置进液的分离处理，甚至取代预净化工序。通过这种方式，进入的液体被分离成一种高碳的、在厌氧环境下可被转换为生物气的浓缩物，和一种低碳的、可在好氧环境下通过高效废水处理站转换的滤液。当然，这种过滤装置也可用于从地表水中提取饮用水。为了实现好氧环境下的运转，这种分离装置还可带有空气或气体进入装置。
基本上，外壳1、60优先采用圆柱体形状，其纵轴优先为垂直方向，即与水平的底座垂直。过滤元件的旋转轴也优先为垂直方向，即与水平的底座垂直。此外，开口28位于外壳1的底盖20中，开口62位于转鼓61的正下方。这种布置保证了外壳1或转鼓61中的轻组分沿着过滤元件的旋转轴3上升。按照本发明，通孔48、轮辐52至55和/或中央通孔72使得分离装置中的轻组分能够几乎不受阻拦地上升。