專利名稱：濃縮漿化固體的方法和設(shè)備的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明是關(guān)于漿化顆粒的濃縮，例如，濃縮沉淀的碳酸鈣漿料從中間固體濃度到較高的固體濃度。
在許多材料的處理中，這些材料可以漿料形式分散，它接著要經(jīng)過進一步的處理，以濃縮漿化的顆粒，或者是采用常規(guī)技術(shù)如脫水、過濾和預(yù)壓所述脫水材料以回收所述漿化顆粒。已經(jīng)有多種工業(yè)方法企圖采用真空柱或容器，用來從固體材料中除去液體部分如水。
例如，在US4687546中公開了一種用來濃縮高嶺土的方法，是采用間接熱交換從部分濃縮粘土漿料中蒸發(fā)除水，接著真空分離以在低于正常水沸點溫度下汽化除去水份。在對含有15重量％固體的起始原料進行熱交換和閃蒸分離之前，專利權(quán)人要求一個過濾步驟，使固體濃度達到50-60％之間。
US5036599(它是對前述專利的改進)包括有一個再循環(huán)回路，但是，在熱交換之前，產(chǎn)物要從所述再循環(huán)回路中取出，且用于固體濃縮的新原料要引入到分離容器之中。
US4504355公開并要求保護一種用來濃縮乙酰纖維素聚合物溶液的真空蒸發(fā)系統(tǒng)。
US4530737公開并要求保護一種用于濃縮溶液的方法，是采用間接熱交換以濃縮來自硫酸鹽制漿工藝的黑液。
US5209828公開了從精煉廠的廢堿物流中真空分離水和揮發(fā)性有機化合物的方法。
發(fā)明概述本發(fā)明為一種通過在一個單一實施裝置中除去液體如水以濃縮漿料的方法和設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明，有待濃縮的漿料，被輸送到一個容器中，例如，真空閃蒸塔，維護其壓力在低于4psia，對有待濃縮的引入的漿料進行加熱，使得所述真空閃蒸塔內(nèi)的溫度維持在低于150°F的溫度，這樣，水進行汽化并以蒸汽形式與其它氣體成分一同被除去。所述真空閃蒸塔內(nèi)的漿料處于所希望的濃度，并通過帶有的兩個可以再循環(huán)所述漿料的再循環(huán)系統(tǒng)使之維持在所述的濃度。一個再循環(huán)系統(tǒng)包括用來輸入有待濃縮附加漿料的裝置，所述漿料已經(jīng)過外部加熱以保持供料溫度。另一個再循環(huán)系統(tǒng)，位于與第一再循環(huán)系統(tǒng)的不同地點，是用來排放作為產(chǎn)物的濃縮漿料。本發(fā)明的方法和裝置，可用來提高中間固體漿料(例如，50-60重量％)到最終具有72-76重量％的固體濃縮物，并具有伴隨的益處，與常規(guī)脫水技術(shù)然后過濾和壓制塊狀分散體相比，能夠可靠地改進其它性能，如粘度和處理能力。
因此，本發(fā)明的一個方面，是一種濃縮液體漿料中固體的方法，包括以下步驟穩(wěn)定真空室中一定體積漿料維持在低于4psia的真空狀態(tài)下，所述漿料具有的固體濃度低于所希望的較高固體濃度，連續(xù)地從所述真空室中排放出所述漿料物流并再循環(huán)所述物流經(jīng)過一個熱交換器，以加熱所述物流到足以維持所述室內(nèi)的漿料溫度處于低于150°F最低溫度所需要的溫度；連續(xù)地混合和/或再循環(huán)存在于所述真空室中的漿料，直到在所述漿料中獲得所需要的較高固體濃度；連續(xù)地添加另外的具有較低固體濃度的漿料，在所述再循環(huán)物流進入到所述熱交換器之前，進料到所述再循環(huán)物流中；和連續(xù)地排放出比進料到所述真空室的較低固體濃度具有較高固體濃度的產(chǎn)物漿料。
本發(fā)明的另一個方面，是一種用來濃縮液體漿料中固體的系統(tǒng)，它包括下述部件的結(jié)合一個容器，用來盛放一定體積的漿料并維持在低于4psia或更低的真空；一個第一再循環(huán)系統(tǒng)，用來連續(xù)地從所述室中排放出漿料并返回所述漿料到所述室中；加熱裝置，位于所述第一再循環(huán)系統(tǒng)中，用來加熱所述再循環(huán)漿料；用來輸入有待濃縮漿料到所述第一再循環(huán)裝置中的裝置；和第二再循環(huán)系統(tǒng)，處于遠離所述第一再循環(huán)系統(tǒng)的位置，用來連續(xù)地排放并再循環(huán)漿料到所述容器中，所述第二再循環(huán)系統(tǒng)含有用來從所述第二再循環(huán)系統(tǒng)中排放出濃縮漿料的裝置。
附圖簡要說明

圖1為本發(fā)明所述方法和設(shè)備的示意圖。
圖2為在不同閃蒸溫度下對于沉淀碳酸漿料的產(chǎn)物再循環(huán)速率相對中間進料固體濃度重量％的曲線圖。
發(fā)明的詳細說明所有在先系統(tǒng)優(yōu)選是在±4psia條件下進行操作的(此時水在±150°F沸騰)，它采用蒸汽形成真空并采用蒸汽為濃縮提供熱量。操作真空越高，則設(shè)計對于設(shè)備隔離方面的要求就越嚴格，以防止空氣滲透，它會對真空和所希望的結(jié)果產(chǎn)生負面影響。本發(fā)明對此方面的需要，是維持在低的操作壓力(±1psia)，其時水在±104°F沸騰，而不需要采用蒸汽作為真空發(fā)生劑，它可允許采用易于獲得的低級工藝廢熱來濃縮特定的漿料到最終的固體需要量。而且，較低的操作溫度，就保存期和沉淀物穩(wěn)定性而言，還可能會制得更好質(zhì)量的高固體產(chǎn)物。本發(fā)明所述系統(tǒng)，采用一個單一閃蒸塔，在一個單程中獲得所述目標(biāo)結(jié)果，并從一個內(nèi)部循環(huán)回路中移走所述產(chǎn)物物流。這種操作方式，與通常的采用蒸汽再壓縮的多級蒸發(fā)器和其它操作設(shè)計以連續(xù)濃縮產(chǎn)物到最終規(guī)格的方式相比，有很大的不同。
圖1所示為本發(fā)明的設(shè)備設(shè)計和工藝設(shè)計的示意圖。標(biāo)記10表示整個設(shè)備，它包括一個真空容器或真空閃蒸塔12。容器或塔12優(yōu)選是豎直取向的，且其直徑小于其高度。真空閃蒸塔12是采用一個真空系統(tǒng)(例如真空泵)14維持處于真空狀態(tài)，所述真空系統(tǒng)14經(jīng)由合適導(dǎo)管18連接到塔12的頂部空間16。一個熱交換器20設(shè)置在所述導(dǎo)管18和所述真空泵14之間，其目的在下文中將作詳細解釋。真空閃蒸塔12是用來盛放低于頂部空間16的漿料體積22。第一再循環(huán)泵24從真空閃蒸塔12底部26的鄰近位置排放出漿料，用來再循環(huán)經(jīng)過熱交換器28并經(jīng)由導(dǎo)管30返回到所述塔中。在泵24的入口端有一個導(dǎo)管32，它也有一個入口導(dǎo)管34，用來從合適的接受器或容器(如36所示)中輸入有待濃縮的漿料。
在一個遠離泵24的位置有一個第二泵或再循環(huán)裝置38，它是用來經(jīng)過一個導(dǎo)管40從真空閃蒸塔12底部26的鄰近位置排放出漿料，并經(jīng)由一個入口導(dǎo)管42再循環(huán)進入到所述真空閃蒸塔12之中。入口導(dǎo)管42具有一個支管44，用于產(chǎn)物的排放，它通常由方塊46所示。
在所述塔12正常操作中，塔頂餾出物經(jīng)由所述真空泵14，通過導(dǎo)管18被排放出來，并流經(jīng)過熱交換器20，它是用來冷凝液體，如水，這樣，所述液體當(dāng)它作為冷凝物(如方塊48所示)被除去之后，就可用作真空泵14的冷卻介質(zhì)。同時，殘留在所述冷凝液體中的氣態(tài)成分，可在一個用來分散或回收的分離器中被除去，如方塊50所示。
本發(fā)明的系統(tǒng)適用于濃縮許多種漿化的原料，特別是適用于提高含有50-60重量％固體的沉淀碳酸鈣的中間固體漿料到最終的含有固體在72-76重量％或更高的產(chǎn)物。為了實現(xiàn)這一目的，真空閃蒸塔12是具有大約1psia真空的真空條件下進行操作的。有待濃縮的漿料，被輸入到真空閃蒸塔12中，達到標(biāo)明留有用于排放蒸發(fā)的液體和其它氣態(tài)惰性產(chǎn)物凈空高度的水平。當(dāng)所述真空閃蒸塔12中的真空約為1psia時，存在于所述沉淀碳酸鈣漿料中的水將會在約104°F下沸騰。對于這種情形，再循環(huán)經(jīng)過泵24的漿料，其中含有輸入的中間固體漿料34，在熱交換器28中加熱到高于104°F的溫度，優(yōu)選是約140°F。在這些條件下，存在于所述真空閃蒸塔12中的漿料，會從固體含量為50-60重量％提高到所希望的濃度約72重量％。再循環(huán)泵38，是用來保持所述真空閃蒸塔12中的動力條件，以允許產(chǎn)物能夠從所述再循環(huán)線路中以十分希望的濃度排放出來。
在某些情形中，系統(tǒng)包括一個均勻化裝置如52所示，以保持濃縮漿料的某些性質(zhì)，也是所希望的。這對于濃縮沉淀的碳酸鈣是特別有利的，由于均化器可用來保持所述濃縮產(chǎn)物的流變性質(zhì)。在熱交換器28中對所述輸入和再循環(huán)漿料的加熱，可通過采用熱水來實現(xiàn)，如果沒有蒸汽可用于這個目的，則它是特別方便的。該方法的另一個方面，水蒸氣和其它來自頂層餾出物18的氣體，流經(jīng)一個熱交換器20，這樣，所述水就會得到冷凝，而其它非水成分，例如，空氣、二氧化碳和其它氣體，就可與所述水分離開，所述水用來冷卻所述的真空泵14。
參見圖2，它為采用本發(fā)明的系統(tǒng)生產(chǎn)大約3.5噸/小時(10.25加侖/分鐘)具有固體濃度約為72重量％的沉淀碳酸鈣漿料的再循環(huán)速率(以加侖/分鐘表示)相對中間進料固體濃度(以重量％表示)的曲線圖，其中，所述閃蒸塔進料加熱到120-140°F的溫度范圍。對于圖2的曲線圖來說，所述輸入漿料進料是加熱到140°F，混合的再循環(huán)物流是加熱到120-140°F，而所述塔是維持處于真空狀態(tài)下，這樣，所述水的正常沸點約為104°F。圖2的曲線圖表明，對于72％固體濃度，操作速率為3.5噸/小時的輸出量時，需要的72％漿料的再循環(huán)速率隨著中間進料固體濃度和進料預(yù)熱溫度(在返回到所述塔之前)而變化。
在一個實例中，沉淀的碳酸鈣漿料濃縮到將近76wt％，然后進行稀釋，采用“稀松(let-back)”產(chǎn)物質(zhì)量測量。采用本發(fā)明所述方法生產(chǎn)的76％產(chǎn)物，可允許所述產(chǎn)物在達到最終固體濃度之后(在稀釋之前)具有可泵送性和易操作性(例如，剪切稀釋)，僅采用機械脫水與隨后的目標(biāo)最終固體的餅塊分散，是難以獲得這種狀態(tài)的。
因此，根據(jù)本發(fā)明，采用在約1psia壓力下進行操作的豎立閃蒸塔，當(dāng)采用如上所述的連續(xù)方式進行操作時，對于分散在水中的漿料，使得水的沸點溫度約為104°F。輸入到導(dǎo)管34中的中間固體漿料，可含有約50-60重量％的固體。它可以低于或高于所述范圍。所述中間固體含量的漿料，在它加熱到目標(biāo)入口溫度(它在該溫度時進入到所述閃蒸塔12中)之前，加入到一個精確控制再循環(huán)體積的產(chǎn)物固體中，它變成混合有部分中間濃度，所述中間濃度隨著最終產(chǎn)物固體、閃蒸溫度和操作速率而變化。所述進入到所述真空閃蒸塔12中的混合中間固體物流，一旦進入該塔，就會閃蒸達到最終濃度。由于在閃蒸過程中釋放出來的水蒸氣，在目標(biāo)操作條件下具有非常高的比容，所以，它在進入所述真空系統(tǒng)14(它維持工藝所希望的操作壓力)之前，必須要進行液化。所述熱交換器或預(yù)冷凝器20，是用來液化所有的可冷凝物質(zhì)，它們滴入到所述液體環(huán)形真空泵以移走，并循環(huán)到一個冷卻塔中。所述液體環(huán)形真空泵是設(shè)置用來處理所述系統(tǒng)的不可冷凝成分(例如，空氣、CO2等)和透過常規(guī)連接和固定配件的微小滲漏。
本發(fā)明提供了為不具有易于獲得過程加熱的蒸氣以及用來產(chǎn)生高真空的高壓物流的那些操作提供了一種解決方案，是通過采用機械裝置施加較常規(guī)所采用的真空(1psia相對于4psia或更高)顯著更強的真空，以充分利用來自工藝過程如沉淀碳酸鈣生產(chǎn)中的易于獲得的低級熱量。這可以允許來自氣體洗滌的廢熱以及來自反應(yīng)的熱量得到收集，并用來提供能量，以蒸發(fā)中間固體漿料到目標(biāo)最終固體漿料要求，例如，72重量％或更高的固體濃度。常規(guī)蒸發(fā)器通常具有低的高度(短)，以降低整體投資費用，所以，無論什么時候，只要對所述蒸發(fā)器施加強的真空，可能的滲漏都會發(fā)生，從而引起蒸發(fā)器性能退化。根據(jù)本發(fā)明，對一個高且細長的塔采用強真空，將能夠有效地防止所有輔助裝置(如泵、熱交換器等)在出現(xiàn)密封失效時空氣滲漏到工藝過程之中。高且細長蒸發(fā)器設(shè)計，也可有效地隔離所述塔中的較高真空，其互相連接管線和所述工藝的水蒸發(fā)端。這可允許對于任何滲漏問題能夠快速地得以隔離解決，人們應(yīng)該能夠開發(fā)出來。對于短塔來說，滲漏熱交換泵可能會對強真空的所有可能的工藝操作優(yōu)點產(chǎn)生不利的影響。
所述真空閃蒸塔(VFC)是一個低溫蒸發(fā)步驟，其中，沉淀碳酸鈣漿料，可由中間固體(例如，±50％)濃縮到最小目標(biāo)固體為72％。所述塔是在標(biāo)稱1psia下進行操作的，其時，水在約104°F溫度沸騰，它可使得該步驟能夠采用低級廢熱，這些廢熱可由用于生產(chǎn)所述沉淀碳酸鈣的工藝或其它位置確定機會直接獲得。操作壓力是通過一個機械液體環(huán)形真空泵進行維持的。根據(jù)真空源的尺寸大小，可能需要一個預(yù)冷凝器。冷卻塔水是用來進行冷凝，流速將會(明顯地)隨著季節(jié)性的條件而變化，其時，夏季溫度(設(shè)計基準(zhǔn))規(guī)定最高流速。中間固體產(chǎn)物在一個單程中被濃縮到最終要求，而流量控制是關(guān)鍵性的參數(shù)?；旌陷斎脒M料與足量再循環(huán)72％產(chǎn)物，是必要的，以確保在閃蒸時能夠獲得72％固體；所述再循環(huán)固體負荷隨著輸入新鮮進料和溫度以及進料到所述閃蒸塔入口的混合進料溫度而變化。一個試驗性設(shè)計，是假定新鮮進料在140°F時達到55％固體，混合(再循環(huán)加上新鮮)進料溫度為120°F，輸入到所述真空閃蒸塔入口。產(chǎn)物再循環(huán)速率和蒸發(fā)負荷(Btu/hr)隨著較低進料固體或較高標(biāo)準(zhǔn)固體產(chǎn)量而提高。在所述試驗性設(shè)計中，蒸發(fā)負荷約為3600lb-水/hr。
本發(fā)明的方法，其可變動的操作溫度，僅與冷卻水供料和最大可獲得且可維持的真空相關(guān)。例如，試驗?zāi)Ｐ鸵呀?jīng)成功地在低至94°F(0.8psia)沸點下進行操作；這表明該工藝冷卻水必須至少低于該溫度15°F，才能冷凝所述的沸騰蒸汽-在冬季，這可能不會成為一個問題；但是，在夏季環(huán)境中，冷卻塔水可能地會具有高出所述限定很大的操作溫度，所以，其直接結(jié)果是，可維持真空和沸點都會較高。據(jù)估計，所述液體環(huán)形真空泵的可維持下限可為0.5psia，其時水在80°F沸騰。對于這種技術(shù)(采用工藝廢熱)的閃蒸(沸騰)上限約為140°F。在這些情形中，所述操作壓力約為3psia，收集顯著量工藝廢熱的能力嚴重變小。所述方法可在高于3psia的較高壓力下進行操作，其時沸點提高到150°F或更高，但是，這需要有較高溫度的廢熱或蒸汽源，而它們可能不是易于獲得的，或者不是價格低廉的。
本發(fā)明的方法和設(shè)備具有許多用途。例如，通過濃縮中間固體漿料(它們是通過低費用脫水裝置如旋轉(zhuǎn)真空過濾器、重力沉降臺或低費用固體離心沉降器等得到的)可制得高固體產(chǎn)物。
本發(fā)明的方法和設(shè)備也可用來降低閃蒸一種溶劑或稀釋劑(非水)或來自漿料懸浮液中它們的部分的正常沸點或閃蒸溫度，以濃縮所述固體。
本發(fā)明的方法和設(shè)備可使得使用者能夠生產(chǎn)穩(wěn)定的高固體產(chǎn)物，它們在某些應(yīng)用中較采用通常生產(chǎn)方法所能夠獲得的產(chǎn)物具有更高的固體。
本發(fā)明的方法和設(shè)備，可使得使用者能夠提高現(xiàn)有高固體生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)能力，是通過使通常脫水裝置在較高生產(chǎn)能力和較低固體下進行操作，接著采用本發(fā)明通過濃縮達到最終目標(biāo)固體。
采用本發(fā)明的方法和設(shè)備，在某些應(yīng)用中，對于特定用客戶，生產(chǎn)較高中間固體漿料以降低運費，也是可行的，可提高整個產(chǎn)物質(zhì)量并能為客戶提供更高固體含量的原料。
這樣，在已經(jīng)對本人的發(fā)明作了充分說明之后，希望能夠得到美國專利證書保護的方法和設(shè)備，其保護范圍在隨后的權(quán)利要求書之中限定。
權(quán)利要求
1.一種濃縮液體漿料中固體的方法，包括以下步驟穩(wěn)定真空室中一定體積漿料維持在低于27.6kPaa(4psia)的真空下，所述漿料具有的固體濃度低于所希望的較高固體濃度；連續(xù)地從所述真空室中排放出所述漿料物流并再循環(huán)所述物流經(jīng)過一個熱交換器，以加熱所述物流到足以維持所述室內(nèi)的漿料溫度處于低于65.5℃(150°F)最低溫度所需要的溫度；連續(xù)地混合存在于所述真空室中的漿料，直到在所述漿料中獲得所需要的較高固體濃度；連續(xù)地添加另外的具有所述較低固體濃度的漿料，在所述再循環(huán)物流進入到所述熱交換器之前，進料到所述再循環(huán)物流中；和連續(xù)地從所述真空室中排放出具有較高固體濃度的產(chǎn)物漿料。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述真空室內(nèi)的真空為6.9kPaa或更低，所述真空室內(nèi)漿料的溫度是保持在最低溫度低于40℃。
3.權(quán)利要求1或2所述的方法，包括從所述真空室中排放出液體蒸氣和其它氣體的塔頂餾出物的步驟。
4.權(quán)利要求3所述的方法，包括從所述塔頂餾出物分離所述其它氣體并再冷凝所述液體的步驟。
5.權(quán)利要求1-4所述的任一方法，包括采用一個混合泵以再循環(huán)所述漿料，所述混合泵設(shè)置在所述真空室的外部，這樣可使得所述產(chǎn)物能夠在所述泵的輸出端排放出來。
6.前述權(quán)利要求所述的任一方法，包括在所述泵的輸出端與位于再循環(huán)導(dǎo)管的某個位置之間插入一個均化器的步驟，所述產(chǎn)物在再循環(huán)導(dǎo)管的該位置從所述漿料中移走。
7.前述權(quán)利要求所述的任一方法，包括采用一個循環(huán)泵，用來從所述真空室中排放所述的漿料，并將所述排放出來的漿料輸入到所述交換器中。
8.權(quán)利要求2所述的方法，包括采用一個液體環(huán)形泵維持所述真空室處于6.9kPaa(1psia)或更低的真空狀態(tài)下。
9.一種用來濃縮液體漿料中固體的系統(tǒng)，它包括下述部件的結(jié)合一個容器，用來盛放一定體積的漿料并維持一定的真空狀態(tài)下；一個第一再循環(huán)系統(tǒng)，用來連續(xù)地從所述室中排放出漿料并返回所述漿料到所述室中；加熱裝置，位于所述第一再循環(huán)系統(tǒng)中，用來加熱所述再循環(huán)漿料；用來輸入有待濃縮漿料到所述第一再循環(huán)裝置中的裝置；和第二再循環(huán)系統(tǒng)，處于遠離所述第一再循環(huán)系統(tǒng)的位置，用來連續(xù)地排放并再循環(huán)漿料到所述容器中，該第二再循環(huán)系統(tǒng)包括用來從所述再循環(huán)系統(tǒng)中排放出濃縮漿料的裝置。
10.權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，含有一個真空泵，用來維持所述容器處于真空狀態(tài)下，所采用的真空泵是用來從所述容器的頂部移走蒸發(fā)的液體和其它氣體。
11.權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，含有用來冷凝所述蒸發(fā)液體的裝置和用來從取自于所述容器的未冷凝成分中分離出所述冷凝液體的裝置。
12.權(quán)利要求9-11所述的任一系統(tǒng)，在所述的第一和第二再循環(huán)系統(tǒng)中各含有一個泵。
13.權(quán)利要求9-12所述的任一系統(tǒng)，含有一個均化器，位于用來從所述第二再循環(huán)系統(tǒng)中排放出濃縮漿料導(dǎo)管的上游。
全文摘要
用來濃縮漿料的方法和設(shè)備,是通過在一個單一實施裝置中除去液體來實現(xiàn)的,所述裝置維持在真空狀態(tài)下從而實現(xiàn)在低溫下對所述液體的閃蒸。所述單一實施裝置包括一個帶有單獨再循環(huán)回路的單一閃蒸塔、該再循環(huán)回路用來預(yù)熱輸入的漿料以進行濃縮,和一個分離回路用來排放出濃縮的漿料。從所述閃蒸塔中出來的蒸汽可經(jīng)處理從所述蒸汽中的其它成分中分離出液體。
文檔編號C13B25/00GK1383388SQ99816581
公開日2002年12月4日 申請日期1999年12月22日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月19日
發(fā)明者G·D·厄爾德曼 申請人:礦業(yè)技術(shù)有限公司