正向或反向水力旋流系统与方法 本发明涉及采用了水力旋流清洗器的系统与方法，该系统和方法用于净化及浓缩造纸纤维的悬浮液，即通常所公知的造纸纸浆。该方法与系统包括一个正向水力旋流净化子系统，该子系统后接一个反向水力旋流净化子系统。在各净化装置中，输入流被分成至少一个净化所得物流与一个废料流。
“正向净化”与“反向净化”在造纸纸浆净化领域中已成为了公知技术，这两个技术中采用了旋流式离心净化装置的工作方式。在1945年6月5日出版的Samson等人的美国专利第2,377,524号与1969年12月30出版的Grundelius等人的美国专利第3,486,619号中示出了相应的旋流式净化器的例子，该净化器被用作正向净化器，在该旋流式净化器中净化所得物流从旋流器锥形物的底部排出，而废料流则从顶部排出。在反向净化器系统中，旋流式净化器按以下方式运行，净化所得物流从锥形物的顶部排出，而较轻的废料流则从底部排出，如1975年10月14日出版的Braun的美国专利第3,912,579号与1971年1月26日出版的Braun等人的第3,557,956号美国专利中所示。
正向水力旋流净化系统通常被用来清除较重的微粒和杂质，而反向水力旋流净化系统则被用于清除较轻地杂质。在正向与反向净化器中，较低的供给浓度会带来较高的杂质清除效率，这一点已普遍为人所知。在许多设备中，纸浆准备装备包括正向与反向旋流式净化器或净化系统，这两个正向与反向净化装置在该系统内独立设置以形成特殊的效果以使该净化系统具有较高效率。但是，仍需将正向与反向净化器合并成一个单独的整体系统，在该系统内，一系统的内在工作特性被用来提高另一系统的效率。
本领域技术人员还公知了所谓的“贯流式”净化器，在该净化器中，锥形体的底部有一输入口，锥形体的顶部有净化所得物与废料出口。TerryBliss在《纸浆与纸》(Pulp&Paper)一书中发表的“在低压降下提供高效率的贯流式净化器”一文中描述了这样一种净化器。该文还简便示意性地给出了贯流式净化器与常用正向与反向净化器的比较。
反向净化器的一常用系统应包括一个串联布置，因此从第一级出来的废料在第二级中被再次净化。第二级净化所得物被加入到主供给流中，而第二级废料则进入第三级。第三级净化所得物加入第二级供给流中，第三级的废料则可能被排出该系统，或以依此类推进入第四级。这样一个系统具有较高的效率，但是泵入第一、第二与第三级的容量非常之大，相应地泵的电消耗也非常高。鉴于从整个系统中流出废料流相对较少，从主净化器中流出的净化所得物的浓度约等于供给物浓度，也即，没有适当的浓缩或稀释效果。
出于降低该系统所需电力的目的，Bliss所写文章中的图4示出了对基本串联系统的一种修改。
如今，常用贯流式净化器被经常使用，因为其所需的输入压力较低，且废料率也较低。废料率较低可使第二级系统变小。其结果是所需的资金与电力都减少了。在Bliss所写文中的图6示出了这样一种系统。不幸地是，相对于反向净化器，其净化效率较低，为补偿其低效率，现今通常的做法是采用串接主贯流式净化器，也即，分两次净化纸浆。系统净化所得物浓度将会与输入浓度一致。
同样，主级反向净化器与第二贯流式净化器组合在一起已被使用了，如Bliss文中图5所示。明显地，在通常的串联方式中，第二级净化所得物重又循环到主级输入口。图5中的数据可以计算出输入该净化系统的纸浆的输入量、浓度、总吨位和流速，也即，标有“纸浆”的线。相应地，
输入总吨位＝150T/D
输入流速＝最大1645gpm(假定从清水罐中流出的为“0”)；因此：
输入浓度＝最小1.6％(再一次假定从清水罐中流出的为“0”)。
因此，可以达到很小的纸浆浓度。同样，允许一些清水流存在，将所需的输入纸浆浓度提高到更高的水平。
很明显，在该系统中不会有显著的浓缩效果，流过主反向净化器的流速以及该级所需的电力都很高。
广义上讲，本发明是一个净化系统，该系统包括一个反向净化器主级和一个贯流式净化器第二级。从第二级中流出的净化所得物被以一迄今为止还未公开的方式使用。本发明认识到了第二级净化所得物流的独特品质，也即，其非常低的浓度与极好的净化度。换句话说，水是如此清洁如此的浓度低，以至于其可被用作上游的稀释液，与现有技术相同，采用了一种层状过滤。与输入浓度相比，该系统可输出一较高浓度的主净化所得物流作为一输出物。流过主反向净化器的流速相对较低，因此所需的电力也相对较低。因此，本发明的该系统即可作为一纸浆净化器又可作为一纸浆浓缩器之用。
本发明的另一方面是在一个公共的整体系统中采用了正向与反向旋流器，这两个旋流器具有公共的冲洗箱，在该冲洗箱中的要被净化的纸浆被送入一正向净化子系统，而后又被直接送入一反向净化子系统中。正向子系统的第一级采用正向连接的旋流器。从正向净化子系统的第一级流出的净化所得物被直接送到反向净化子系统中的主旋流器的泵的入口。主反向旋流器具有若干输出口，这些输出口被加工成一定的尺寸以提供一较高的约为35％或更高的水力废料率。从主反向旋流器中流出的净化所得物被直接输出该系统以便由后序设备进一步处理或加工。
从正向净化子系统中的主旋流器中流出的废料流被相串接的第二旋流器和可选择的第三或更多的旋流器处理，每一级旋流器都被连接起来以接收来自冲洗箱的补充流体。
从主反向流旋流器中流出的废料流，其浓度很低，在一个低损失回路中被处理，该回路包括一个低水力分割(低废料率)贯流式旋流净化器，其中大部分的净化所得物聚集于此并直接返回到一冲洗箱。从贯流式净化器中流出的一少部分废料可以由一第三反向净化器进一步处理或简单地排出系统。
各子系统的冲洗箱可以连在一起，以便使从反向净化子系统的冲洗箱中溢出的流体流入该公共冲洗箱以稀释正向净化子系统。一个恰当的控制系统可能会包括利用一个水位控制阀，通过从一外部清水回路中汲取补充水将正向冲洗箱中的清水的水位保持在一给定的水平以保持并控制稀释度或浓度。正向净化与反向净化子系统都在一较低的输入浓度下工作以保持各旋流器能高效分离，同时从反向净化系统中输出的净化所得物被提供给后序设备，其浓度约为输入正向净化系统的净化所得物的浓度的两倍。
通过利用反向净化器的固有能力来浓缩一纸浆悬浮液，可以为后序处理程序提供浓度至少为进口浓度的1.5到2倍的净化了的纸浆悬浮液，因此可以使浓度增加约100％，等于含水量减小了50％。高浓度输出对于使用者来说有许多有利之处。例如，如果本发明之系统置于细滤网的下游，那么后面的脱水装置的尺寸可以变的很小，从而节省很多成本。
如果本发明系统置于细滤网的上游，那么，由于其正向净化效率较高，可除去较小的磨损物质，因此可减小磨损，从而使曲线形细滤网的使用寿命延长。由于在本发明下通过细滤网的液流的浓度高于通常液流的浓度，所以浓缩费用也得以减少。
本发明净化器系统本身可以在很高的效率下运转。鉴于主正向净化器在较低的浓度下工作，因此在较高效率下工作是其固有特性，其将浓度依然很低的纸浆经其底部的净化所得物出口排入到主反向流净化器。因此，提供给主反向流旋流器的是一低浓度的纸浆，这也提高了其效率，即使是在90°F或更低的相对较低的分离温度下也会提高其效率。通过对来自冲洗箱的稀释水的再次利用来保持输入浓度，该冲洗箱收集从第二级贯流式净化器中流出的干净的低浓度净化所得物流。该装置还利用主反向净化器本身的浓缩作用来不仅提供高浓度的净化所得物，而且将一低浓度的输入流直接提供给贯流式净化器。
本发明的一方面，用一种方法将不想要的轻质成分从造纸纸浆悬浮液中除掉，这种方法包括如下步骤：将纸浆悬浮液输入一反向净化器的主级，并以流率的约30-65％的容积率从该反向净化器将净化所得物排出及从该反向净化器中将一废料流排出，将该废料流提供给一贯流式净化器的入口，由该贯流式净化器排出净化所得物并将其用作上述主级的上游稀释液，及将该贯流式净化器的废料流排出以便进一步处理。在另一方面，贯流式净化器的净化所得物被输送到稀释步骤中所用的一冲洗箱。
本发明的另一方面，一个用于净化来自一造纸纸浆源的纸浆的水力旋流式净化系统包括一个反向旋流净化器，圆锥状的该净化器的底部有一入口，顶部有一净化所得物出口，底部还有一废料出口，该净化器具有一约为35％或更高的水力废料率，该净化系统还包括将来自纸浆源的纸浆悬浮液提供给反向旋流净化器入口的装置、用于将该反向旋流净化器排出的净化所得物流从该系统的出口排出的装置和一个贯流式旋流净化器，该贯流式净化器具有一入口、位于底部的一废料出口和位于底部的一净化所得物出口，该贯流式净化器具有一约为10％或更低的水力废料率，该系统另处还包括将反向旋流净化器的废料出口流出的废料流送到贯流式净化器入口的装置、将贯流式净化器净化所得物出口排出的流体用作纸浆悬浮液源的上游稀释液的装置及将贯流式净化器废料出口排出的液体流排出以便处理或处置的装置，而从反向旋流净化器的净化所得物出口排出的液体形成系统的输出物，该输出物具有一基本高于纸浆源浓度的浓度并且基本不含轻质杂质。
相应地，本发明的一个重要的目的是提供一种用于造纸纤维悬浮液的旋流式净化器系统和方法，该系统和方法的净化效率较高，但所需能量相对较少，可以提供一浓度基本比输入浓度高的输出物，并可以减小纸浆悬浮液后序处理所需的下游设备的尺寸及成本。
本发明的另一个目的是提供一种用于造纸纸浆的旋流净化系统，该系统具有一个正向净化子部分，该部分直接将其输出物提供给一反向净化子部分，在该系统中这些子部分共用一个公共冲洗箱。
本发明的另一个目的是提供一种采用旋流净化器的系统和方法，用于净化造纸纤维的纸浆悬浮液，该系统与方法采用了一个正向净化子系统，在该子系统中的一主正向净化器所得的净化所得物直接被输送到一反向净化子系统中的主反向净化器的输入泵，在该系统与方法中反向净化子系统具有一废料净化回路，该回路采用了一个第二级净化器，该第二级净化器为一个贯流式净化器，该贯流式净化器在较低浓度下工作，其效率较高且具有一较低的水力废料率。主反向净化器及第二级贯流式净化器的效率应相互匹配以防杂质集存在回路中。
本发明的另一个目的是提供一种用于造纸纸浆的旋流式净化系统，该系统最佳地利用了正向净化与反向或清除轻质净化间固有的区别，最优化了这些净化器使其达到最高效率并同时提供一种浓度基本比输入浓度高的输出物。
从下面结合附图及权利要求书对本发明的描述中可以更加清楚本发明的这些目的与优点。
附图是一幅示出本发明系统与方法的流程图。
在附图中示出了净化系统，该系统包括一个正向净化子系统10，该子系统10直接与一反向净化子系统12相连，该净化系统具有一与子系统10及12都相连的冲洗箱15。冲洗箱15可隔成或分成两部分，也即主要与正向净化分部10相连的部分15a和与分部12相连的部分15b，这两部分15a与15b通过一公共的溢流挡板或坝16相互连接在一起，通过该挡板或坝16从反向净化冲洗箱部分15b流出的清水流被以一受控制的方式提供给了正向净化箱部分15a。从一系统清水源19a给冲洗箱15补充的水受一水位控制阀18控制，该阀18受一水位控制器19控制。
系统分部10和12相互协作，形成新颖的净化系统装置，并实现一新颖的方法，按照该方法重的和轻的杂质将被从造纸纸浆中清除出去。但是，分部12可以独立于分部10或在分部10不存在的情况下工作，这时仅简单地通过将一低浓度纸浆源经进口部分(在泵57处)输入到分部12即可。本发明的新颖之处包括反向净化系统在一很低的输入浓度下用作主净化器，该低输入浓度纸浆中可能包含较轻的杂质。从反向净化器中流出的废物流被导入一贯流式净化器，而与通常的层状过滤相比，从其流出的净化所得物流被认为是干净的，浓度较低的。因此这些净化所得物可与层状过滤相组合或单独用于上游稀释。子系统10和12工作所需能量相对较少。这是千真万确的，因为第二级净化所得物不必再次净化，而且主净化所得输出液浓度较高，可以采用较小的下游系统浓缩装置。
正向净化分部10包括一个通常结构的主旋流器30。该旋流器的输入液由一通常的泵35提供，该泵35与一稀释纸浆调制剂或造纸纸浆悬浮液的供给源40相连以净化或清除不想要的重的和轻的成分。为了恰当地稀释，补充液体通常从正向冲洗箱部分15a提供给泵30的入口，如图所示。用作旋流器30的这种型式的正向净化旋流器包括美国俄亥俄州的Black Clawson公司生产的Shartle-Pandia分公司的“超旋流(ULTRA-CLONE)”净化器。在Peseh的美国专利第3,085,927及Malm的美国专利第3,352,745号中可以发现另外一些例子。
从主正向净化器30排出的较重的废料经顶部32输送到另一个与输送泵35相对应的输送泵42的入口，进而输送到一第二级正向净化器45的入口，从净化器45排出的净化所得物又经线路46送回到净化器30的泵35的入口，同时较重的废料经顶部输送到一泵48进而提供给一可选的第三正向净化器50，该净化器50的净化所得物又经线路52送回到泵42的入口。净化器50分离出的较重的废料通常被送到废物收集处53，如填埋厂或下水道。
在子系统10中，第二正向净化器45与可选的第三正向净化器50以本领域所公知的常用的串接方式连接，如Grundelius等人的美国专利3,486,619中图2所示。各正向净化器均应有一相对较低的水力废料率，如20％或更低。
需着重理解本发明的一方面是，从主正向净化器30出来的净化所得物由底部的净化所得物出口34被抽出并被沿线路55直接送到反向净化器分部12的输入泵57。对此，应理解最好使由泵35提供原料的正向输入分部10在相对较低的浓度下工作。净化器30的输入浓度最好在约0.7％到1.2％之间，该低浓度可通过混入来自供给源40或正向冲洗箱15的一定量液体来保持。认识到下面一点也是很重要的，输入到子系统12的输入物具有较低的浓度，这是由于净化器30工作的固有特性所决定的。因此，在线路55上的干净纸浆，其中的较重杂质已被清除，将具有一约为0.1％的浓度，该浓度比输入浓度或源头浓度还要低。所以，如果来自供给源40的输入液的浓度在0.6％至1.1％时，提供给子系统12的供给液的浓度约在0.5％至0.8％之间。
在某些不需要子系统10具有特殊净化功能的例子中，如较重杂质存在量很小或不必考虑的情况下，来自供给源40的纸浆可直接提供给形成子系统12入口的泵57，如通过替换线路57a。
主正向净化器30的输出端经线路55通往泵57的入口，进而通向主反向净化器60的入口。该净化器60可包括一个美国俄亥俄州45042，Middletown市，Clark街605号的Black Clawson公司的Shartle-Pandia分公司生产的“逆旋流(CONTRA-CLONE)”净化器，并如Seifert等人的美国专利US4,155,839中所示。为了达到本发明之目的，该净化器具有一高水力废料率，约为35％或更高。如上所述，其在相对较低浓度下工作，所以其工作效率较高。但是，为了达更高的效率，最好采用长停顿(extended dwell)反向水力旋流净化器，如McCarthy在1995年8月11日申请的系列申请第60/002,177号专利中所述，在此就不再重复该申请所公开内容了。
由净化器60排出的净化所得物经顶部62沿一线路63从该系统中输出以便进行后序处理。既然净化器30具有一约为50％的水力废料率，所以输出线路63上的净化所得物流的浓度约为供给源40或泵57处的输入浓度的两倍。因此，在所给的例子中，如果输入浓度在0.5％至1.0％之间，那么输出浓度将相应在约1.0％至1.6％之间。这就意味着约有一半的液体成分被清除掉了。与此同时，所不想要的轻重杂质也被清除出去，轻的杂质已由底部或废料出口65排出，以便进一步在子系统12中处理。
子系统12的另一重要特征是持续处理大量废料液体的方法。废料液体将具有一很低的浓度，但是其量很大，这部分液体从废料出口65排出后通到一泵66，该泵又将这部分液体泵向一贯流式净化器70的入口，该净化器具一相对较低的水力废料率，约为5％到10％。
净化器70可以是一种按照Bliss的美国专利US4,564,443所制的“X-旋流(X-CLONE)”型式的净化器，也由上述的Shartle-Pandia分公司提供。这种净化器以其具有在浓度很低的纸浆悬浮液中工作时提供一定浓度轻质杂质的能力著称，同时还以其低压降著称。图中所示贯流式净化器70处一闭合回路中，其净化所得物线路72直接连回到冲洗箱部分15b。由于其具有较高的效率，大部分输入液被净化并返回，一小部分，按照5％到10％的样子，直接排出系统或由一泵79排到一第三反向净化器78。该净化器78可以是净化器60的复制物，其废料路线81包含非常轻的杂质，这些杂质被排出该系统以便进一步处理，其净化所得物线路82从其顶部引出，后又返回输入线路80，通向贯流式净化器70的泵66。补充液体经线路81从冲洗箱15b抽出。
当贯流式净化器70排出的净化所得物流，如图所示，直接返回到冲洗箱15b，净化所得物的浓度非常低，其是如此干净以至于可以按照通常层状过滤所用的方式使用。因此，净化所得物流最好以一回路返回冲洗箱15，用于上游稀释或排到清水回路中。
本发明系统的优点在于两子系统的旋流净化器以很高的效率工作，由于输入浓度较低。另一优点是整个系统很紧凑，采用了一种公共的冲洗箱布置，在该布置中净化所得物最终被排出该系统，排出浓度增加了近100％，进而降低了下游纸浆的预处理费用及处理设备成本。
从反向净化器60进入冲洗箱的输入流，如上所述，以一很低的浓度进入贯流所限定的回路中，这些输入流进而将冲洗箱中的纸浆保持在一低浓度。在主正向净化器30的入口处所用的这部分液体用于将浓度保持一较低的水平，这将导致主净化器在较高的效率下运行，同时尽可能地减小了废料流中的纤维。
不用第三净化器78时，从贯流式净化器70出来的废料可排入一个常用的过滤器中。
由于液体在系统中停留的时间被增到最大，尤其是通过公共冲洗箱的使用，各旋流器内的旋转流是稳定的，因此提高了对固态清除物的清除能力。将冲洗箱部分15b与15a分开的挡板或坝16控制流入部分15a的流量并确保冲洗箱部分15b始终具有一足够量的纸浆提供给净化器60和70。充入冲洗箱15的补充液体由一清水源19a提供，提供补充液受补充控制器19控制，按照水位控制阀18的要求提供。
本发明实施的方法对于从造纸浆的纸浆悬浮液中清除所不想要的轻质成分尤其实用，该方法包括向一反向净化器的主级提供纸浆悬浮液的步骤和按照输入液的大约30％到65％容积率从该主级排出一净化所得物流的步骤，在该步骤排出的净化所得物流具有一比输入纸浆悬浮液的浓度高约30到60％的浓度。废料流被导向一贯流式净化器级，该贯流式净化器级的净化所得物具有一较低的浓度并被用作上游稀释液。贯流式净化器的废料流被排出以便进一步净化或处理。因此，该方法可以增加浓度，运行时效率较高且能量所需较少。
在本发明的另一方面，实施本发明的方法包括如下步骤：将需要净化的低浓度的纸浆提供给一正向净化器，将该正向净化器的净化所得物提供给一具有较高水力废料率的反向净化器，将该反向净化器的高浓度净化所得物排出，及将该反向净化器的废料排到一闭环连接的贯流式净化器，在该方法中提供给主正向净化器的输入液的浓度约为1％或更低，输入主反向净化器的输入液的浓度比提供给正向净化器的输入液的浓度低。
反向净化系统的新思路在于采用了主净化器，在该净化器中废料流的浓度非常低且饱含轻质杂质。该废料流被导入贯流式反向净化器70，而其净化所得物流被认为是干净的且浓度与非正常的层状滤液一样低。因此这些净化所得物可以与一层状滤液相混合，或单独用于上游稀释。该系统设计可由主反向净化器60获得一高的净化所得物浓度，因此降低了对后面的浓缩器或脱水器的能力要求，电动泵所需的电力，及投资所需资金。
这种新的系统使反向净化器具有较高的净化效率，由于第二净化器净化所得物不必再次净化所以所需能量相对较低，且主净化所得物浓度相对较高因此可采用一较小的系统浓缩器。
以上描述了本发明方法以及实施该方法的装置，其构成了本发明的最佳实施例，应理解到本发明不限于这些具体的方法以及装置的型式，在不离开本发明范围的前提下可对其做各种变化，本发明的范围由后面的权利要求限定。