絮凝處理方法和反應器的制作方法

專利名稱：絮凝處理方法和反應器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過絮凝方法處理待處理原態流體的方法和反應器，本發明特別用于工業過程的水處理領域，如飲用水的處理和城市或工業污水的處理。
背景技術：
各種流體處理，特別是水處理方面，要求把待處理的原態流體與一種流體或第二流體混合，以便使第二流體與主要流體的成分起作用；所述第二流體實際上包括一種絮凝劑，并常常包括一種顆粒材料，絮凝劑與待處理的原態流體作用在顆粒材料上形成絮凝物；實際上這就是帶有壓載絮凝物的物理-化學處理；通常在整體混合和軸向流的開放反應器中實現流體之間的混合和反應，這些反應器裝有帶垂直軸的攪拌器。
物理化學反應處理主要是使一種或多種第二流體分散在待處理的原態流體中，使它們強烈混合，然后在(比強攪拌階段)低的攪拌強度下持續一段時間(盡可能短)的反應，這些階段一般需要使用幾個串聯的絮凝槽或反應器。
絮凝槽的入口與出口之間可能存在短路(“旁通”)，以及入口和出口體積使用的不完全一般會導致這些反應器的尺寸增加，并且/或者使用補充的攪拌功率，很容易通過與物理模型結合的數學模型證明存在旁通以及入口和出口體積使用不完全。這導致投資成本和運行成本增加。傳統的方法是，力求使一給定絮凝槽的入口和出口互相之間的距離盡可能大，例如入口在槽的一端的底部，出口在另一端的上部，但是當需要安裝幾個串聯的槽時，這是很不方便的。
另外，為了避免通常叫做渦旋的液體質量旋轉，已經知道這對混合物的性能是不利的，已經提出設置與側壁相對的垂直隔板(導流板)(參見“Mixing in the chemical industry”-Sterbacek et Tausk，PergamonPress，1965，pp 278-301)。根據所述文獻，加入垂直隔板可以增加湍流(因此增加混合)，條件是擋板的寬度應該在攪拌器直徑的0.056-0.12之間，并且這些隔板最好在流動中，而不是貼靠壁。實際上，由于歷史的原因，所述文獻還談到一個由兩個安裝在底部并在攪拌器附近的垂直壁構成的十字支架，但是已經顯示出很難控制過程，并且流動液體的固體顆粒很快破裂。并且還顯示出這些壁導致耗能增加。
在大深度槽的情況下，已經知道在槽的體積中沿攪拌軸設置幾個活動部件，以便增加湍流體積的比例；但是已經知道可以通過在活動部件周圍設置一個同心管(導流管)避免加入這些重疊的活動部件，活動部件安裝在所述管的出口上(見上述1965年的書)。所述導流管以一吸入管的方式起作用，這有助于增加被攪拌體積的比例，并且具有可以進行內部再循環的優點。但是這種吸入作用常常與渦旋類型的旋轉運動結合。
在水處理方面，特別是在絮凝階段，已經提出，例如在文件FR-2553 082中，實現一個反應室，所述反應室有一個中心區和一個在所述中心區周圍的周邊區，中心區設有一個軸向上升流的螺旋體。待處理水被引入到中心區的底部，所述待處理的水中可以加入必要反應劑，并且將前面在處理時得到的殘渣物混合到所述待處理的水中，同時將一種添加劑，如一種聚合物引入所述區域。產生內部再循環，周邊區域構成一個緩慢的絮凝區。所述中心區由一個位于一平行六面體形隔離空間中的垂直管形成，因此可以說所述中心區是雙重的。然后混合物在一中間隔離空間中通過，然后進入到一個分離區內。人們可以注意到這種結構涉及許多區域。
另外，從文件WO-98/14258了解到一種設備，其中一個內循環中心隔離空間包括一個其中布置有一個或多個軸向上升運動螺旋體的中心管、一個顆粒材料入口和一個絮凝劑入口。待處理的原態流體從所述管體的底部進入，通過上溢流進入到中心區的環形區中，然后根據絮凝物的大小重新上升到管體中，以便重新循環，或者進入到周邊凈化區中。螺旋體帶來足夠的湍流，以使固體保持懸浮，不發生剪切，而剪切作用可能導致混合緩慢，因此對性能不利。

發明內容
本發明的目標是從設備的觀點或運行的觀點綜合改善緊湊性、有效性和低成本。
因此本發明的目標是一種絮凝反應器，其中通過一個(或幾個)攪拌器并確定攪拌水平不同的區域，使待處理原態流體與絮凝劑(和可能有的形成絮凝壓載物(ballast)的顆粒材料)之間的反應動力學得到改進，反應器體積的有效比例增加，同時減少旁通的危險(即在不同攪拌水平的不同區域中沒有循環)，并且用于攪拌處的功率水平較低。
本發明的另一個目的是一種通過絮凝-分離處理一種待處理原態流體的方法，所述方法在唯一槽的體積中使兩個不同攪拌水平的區域結合，使得對給定的能量水平和給定的接觸時間湍流最大。
本發明的另一個輔助目的是為了便于使幾個相同或不同類型并且尺寸相同或不同的反應器在建設時或建設后串聯在一起。
為此，本發明首先提出一種通過絮凝處理一種待處理原態流體的方法，所述原態流體帶有懸浮的、膠質的或溶解的雜質，根據所述方法[14]-使待處理原態流體和一種絮凝反應劑在一絮凝槽中流動，以便得到一種絮凝混合物，雜質在所述絮凝混合物中形成絮凝物，[15]-使所述絮凝混合物在一分離區中流動，在所述分離區中將絮凝混合物分離為凈化過的流質物和包括這些絮凝物的殘渣物，[16]所述方法的特征在于[17]*通過一個完全浸沒的導流管在絮凝槽內形成一個中心區，在所述中心區內通過攪拌8使待處理的原態流體和絮凝劑的混合物在所述導流管的軸向產生一軸向湍流流動，[18]*通過一個阻止所述流動轉動并位于所述導流管出口的靜態裝置使所述流動角度分布5，[19]*使所述混合物在一個包圍所述中心區的周邊區域3向相反方向流動，直到中心區的入口，和[20]*使所述混合物的一部分流向分離區。
可以注意到，因此本發明提出，由于一個阻止導流管出口的流體的轉動的靜態裝置，使形成一個與攪拌水平較低中心區相對的高攪拌水平的中心區與從中心區出來的流動角度分布結合，以便使湍流最大，并且中心區和周邊區的體積中導致流動泄漏使得死區最小。上面已經指出，由于很難控制，已經放棄使用一靜態裝置防止流動旋轉，并只提出與一個攪拌器結合；因此本領域的技術人員沒有任何理由認為這種靜態零件可以有助于解決技術問題。并且沒有任何理由可以使人認為使用這種靜態裝置與一導流管結合能夠有任何意義，即使受到在絮凝區使用導流管的已知方法的啟發。
根據本發明的推薦設置，這些設置可以結合[23]-使中心區的流動流量保持在待處理原態流體入口流量的1-20倍，這相當于一個足夠的再循環，以便減少短路(旁通)危險，并產生足以保證良好混合的湍流，而不需要消耗太大的能量，[24]-將周邊區域至少分為一個與絮凝槽中待處理原態流體入口連通的上游周邊區，和一個與絮凝混合物出口連通的下游周邊區，迫使進入到絮凝槽中的待處理原態流體在流向分離區之前至少在中心區中通過一次；這當然有助于避免短路，并且不消耗大量能量，并且不會導致大量的再循環周期，[25]-使混合物產生沿一垂直方向的軸向湍流流動；這相當于很好控制的傳統布局，[26]-通過在中心區一半高度上的攪拌產生垂直湍流的軸向流動，這有助于在中心區的入口得到良好的吸入運動和中心區出口的良好排出，因此在所述出口有一個角度分配，但是不需要一個以上的攪拌器，[27]-在一個下降運動中產生混合物的軸向湍流流動，并且將混合物角度分布在中心區出口與絮凝槽底部之間高度的至少三分之二上；值得注意的是，當絮凝區有一內部再循環時，與目前使用的方向相反；但是最近模型化研究表明，與所述領域的專業人員可能想到的相反，設置一下降運動并與一角度分布的靜態裝置結合完全是現實的，這不會造成靜態裝置被正在形成或增加的絮凝物不合時宜地破壞；然而選擇一個下降的方向可避免由于產生的湍流在表面造成波紋，同時利用槽的底部使混合物在中心區與周邊區之間的流動方向迅速改變。
在所述下降運動的情況下，最好使[29]-混合物基本角度分布在中心區與絮凝槽底部之間的整個高度上，這樣能保證從導流管出來的所有流動的角度分布，[30]-放置形成中心區的導流管的方法是，使形成出口的導流管下端部與絮凝槽底部相對，并且距底部的距離為導流管平均寬度的1/3到2/3；這有助于使流動反向，而又不會使所述流動不合時宜地減緩，[31]-放置形成中心區的導流管的方法是，使形成入口的導流管上端與絮凝槽包含的自由表面相對，并且距離所述表面的距離為導流管平均寬度的1/3到2/3之間，這有助于保證對導流管的有效供應，而不會導致表面不合時宜的運動，[32]-在所述周邊區域高度的上部將其至少分為一個與絮凝槽中待處理原態流體的入口連通的上游周邊區，和一個與絮凝混合物的出口連通的下游周邊區，迫使進入到絮凝槽中的待處理原態流體在通往分離區前至少在中心區中通過一次，這樣可以以特別簡單的方式得到上述有關這種分區的整體使用的優點，[33]-基本在所述高度的上半部實現這種分區，所述高度為足以使中心區扭曲變形的危險最小的高度。
根據本發明方法的其它推薦特征[35]-基本在導流管的輸入區使待處理原態流體進入，并且使絮凝混合物流出；這有助于可以裝一系列實施所述方法的設備，并參與將待處理的流體有效引向中心區，并把已經循環的混合物引向周邊區，[36]-絮凝劑為天然的、含礦物的或合成的聚合物，[37]-在絮凝槽中與待處理原態流體混合的絮凝反應劑已經在絮凝槽的上游進入到待處理的流體中，[38]-作為變型，與待處理原態流體混合的絮凝反應劑例如在絮凝槽入口與導流管入口之間進入到絮凝槽中，但是建議絮凝反應劑最好在所述中心區的邊界進入到中心區中，這樣保證與待處理流體迅速混合；當將至少一部分反應劑以環形的方式與導流管同軸地注入到中心區入口周邊時，這種作用被加強，[39]-另外在絮凝槽中的待處理原態流體中混入一種粉狀材料，這種材料最好為一種由比待處理原態流體重的不可溶顆粒材料構成的壓載物(ballast)，以便作為正在形成或增大的絮凝物的壓載物；這種壓載物最好為粒度在20到300微米的細砂，其成本特別低廉，[40]-處理在分離區出口得到的殘渣物，從中回收在絮凝槽中循環的壓載物，這樣可以不損失作為分離區出口的廢物的殘渣物中的粉狀材料，同時減少這些廢物的體積，[41]-待處理原態流體在進入絮凝槽之前已經與一種凝固劑混合，當待處理原態流體為待處理的水時，這有助于提高最終分離的效果；在這種情況下，待處理的水最好在進入絮凝槽之前已經與包括唯一的一種礦物鹽的凝固劑混合，如一種鐵鹽或鋁鹽，[42]-借助輔助分離機構如板體、片體或一些傾斜或垂直的管體，通過潷析或根據一變型通過浮選實現分離；絮凝混合物以特別有利的方式沿切線進入到分離區內，因此將渦旋作用加入到潷析作用中，對于給定的處理時間，分離得到改善，或者對給定的分離水平加速分離。
根據本發明的另一個方面，為了實施符合一個推薦實施例的方法，本發明提出一種用于通過絮凝處理帶有懸浮的、膠態的或溶解的雜質的待處理原態流體的反應器，所述反應器包括一個槽，所述槽設有至少一個流體入口和至少一個流體出口，以及至少一個在一種浴液(bain)內的絮凝區，待處理流體在絮凝區中與一種絮凝劑混合，以便形成絮凝物，絮凝區包括[44]-一個兩端開放的導流管，所述導流管處于垂直位置，并完全浸沒在槽的浴液中，同時離開槽底，形成一個與周邊區相對的中心區，中心區和周邊區在導流管的兩端互相連通，周邊區與流體的入口和出口連通，[45]-一個位于所述導流管中的帶有垂直軸的攪拌器，以便在管中產生一個沿垂直方向的軸向湍流運動，[46]-一個由幾個垂直壁形成的十字支架，這些垂直壁從一個基本位于攪拌器軸線的延長線中的共同棱脊出發水平延伸到攪拌器軸線的下游，從而按角度地分布從導流管出來的朝向周邊區的流動。
在使用帶有垂直下降湍流運動方法的情況下，這種反應器具有上述優點。
根據本發明的推薦設置，所述設置有時與上面關于本發明的方法所述的設置類似[49]導流管的截面恒定，這有助于保證混合物的快速流動；[50]導流管的形狀為柱形(即從嚴格的意義上說，它的截面為圓形)，這相當于一個特別簡單的結構；作為變型，截面為規則的多邊形等；[51]攪拌器基本位于管體中一半的高度上；[52]導流管的直徑為攪拌器直徑的102％到120％之間，這保證在導流管整個截面上的良好攪拌；[53]中心區的水力學直徑為中心區和周邊區形成的絮凝區平均寬度的40％到60％之間；[54]攪拌器處于運動中，并且在運動中控制，以便在導流管中產生一下降的垂直運動，十字支架位于導流管底部與槽的底部之間；[55]導流管下端與槽底部相對，并且距槽底部的距離為管體直徑的1/3到2/3之間；[56]導流管的上端與槽中所含液面相對，并且距液面之間的距離為管體直徑的1/3到2/3；[57]導流管下端與槽底部之間的距離，以及導流管的上端與液面之間的距離至少近似為管體直徑的50％；[58]十字支架的高度至少等于管體下端與槽底部之間距離的2/3；[59]所述十字支架具有一高度，所述高度基本等于所述管體的下端與所述管體的底部之間的距離。
十字支架的垂直壁水平延伸在一個基本為管體半徑的3/4到5/4的距離上，這樣可以保證全部或幾乎全部的絮凝混合物的角度分布；十字支架的垂直壁最好水平延伸在一個基本等于導流管半徑的距離上；[61]十字支架包括四個圍繞導流管的軸線錯開90°的垂直壁，這相當于一個特別簡單的結構(兩個直角交叉的板體)；[62]兩個壁與待處理原態流體到達絮凝槽的方向成橫向，這有助于很好地分配流動；[63]垂直壁在輸入區與輸出區之間以及在槽底部與溶液表面之間整個高度的至少一部分上分區周邊區，這有助于保證待處理原態流體至少從導流管通過一次； 這些垂直壁延伸在一個為所述總高度的40％到60％的距離上，這是一個與高度的良好折衷，以保證良好的效率，又不消耗太大的隔板面積；[65]反應器包括至少兩個基本延伸在槽的上半部并且分別在導流管與流體的入口和出口之間的垂直隔板，迫使待處理流體在流體入口與流體出口之間的中心區至少通過一次；實際上，這些隔板就是在上部的導流管入口處最有效；[66]這些垂直壁延伸在一個在主流體入口基位與攪拌器基位之間的高度上；[67]垂直壁從周邊區的周邊一直延伸到導流管，這保證周邊區的良好分區；[68]輸入區和輸出區位于液面高度附近，并且每個區設有一個分別橫向與入口和出口相對的板體，以便形成虹吸，這有助于保證待處理流體有規律地到達，并避免浴液表面不合時宜地運動；[69]反應器另外包括一個與絮凝反應劑源連接的絮凝反應劑注入管；[70]所述絮凝反應劑注入管位于待處理原態流體入口與導流管入口之間；所述反應器最好包括一個與導流管入口同軸的環形絮凝反應劑注入管；[71]反應器另外包括一個與粉狀材料源連接的粉狀材料注入管；[72]所述粉狀材料注入管是一個細沙源；[73]絮凝槽包括一個唯一的包括一個管體的區域，但是本發明也包括同一個槽包括幾個并列絮凝區的情況。
本發明還包括一種流體處理設備，所述設備包括一上述類型的反應器和一個與所述反應器的槽的出口連接的分離區。
最好是[76]所述反應器包括一個與一粉狀材料源連接的粉狀材料注入管，并且分離區包括一出口，用于接受包括絮凝物的殘渣物，并且與一粉狀材料回收裝置連接，所述粉狀材料源與所述回收裝置連接；[77]分離區是一個位于絮凝槽下游的潷析器；[78]分離區是一個位于絮凝槽周圍的潷析器。
因此，根據本發明的一個特別有意義的組合，導流管位于一十字支架以上，兩個裝置最好近似具有同一直徑。推薦的泵送方向是向下的，以便可以將一種或幾種次要流體引到表面，因此保證持續控制這些流體的注入。通過十字支架在槽的下部形成的很強的速度梯度(產生湍流動能)具有避免形成沉積區的優點，而甚至本領域技術人員都認為，為了避免這些沉積區，應該從底部除去這些水平壁。
這些裝置的綜合作用導致將攪拌器螺旋徑向分量的一個很大部分轉換為軸向分量，因此對于同樣的吸收功率，大大增加了泵送流量。
對于本發明的推薦實施例，值得提出以下突出點[82]·存在兩個完全確定并且具有完全不同的混合強度的區域可以在同一槽中實現一般需要兩個不同混合強度的槽的功能；[83]·使用包括兩個不同混合強度區域的單一槽可以用一個攪拌器而不是兩個攪拌器實現兩個功能；[84]·對相同的有效體積，由于更好地控制混合強度和均勻性而減少死區，單一槽的總體積可以明顯小于兩個槽聯合的總體積；[85]·對相同的處理效率，同樣的反應劑消耗和同樣的泵送流量，由于很大一部分徑向流轉換為軸向流，可以降低能耗；[86]·同樣由于消除了補充活動件的純消耗和新設計得到的效率，在一般使用幾個重疊活動件的大深度槽中，存在與它的十字支架連接的導流管可以得到與唯一活動件相同的水力效果，并且電功率較低；[87]·垂直隔板的數量可以簡單地為兩個，并完全覆蓋導流管與槽之間的空間，并且只位于浴液高度的上半部；在這種情況下，這些隔板比文獻中指出的隔板更寬、更短。在水平面方面，它們與入口壁平行，因此也與出口壁平行。
·十字支架的直徑最好等于導流管的直徑，并且高度在導流管與槽底部之間。
·可以通過建立在導流管、表面隔板和十字支架、供料區和輸出區、攪拌器的位置以及次要流體的注入方式的有利組合基礎上的反應器能得到最佳性能收益。


通過下面參照附圖進行的描述，本發明的目標、特征和優點將更加清楚，所述描述作為非限定例子給出，附圖如下[91]-圖1是符合本發明一個優選實施例的反應器原理透視示意圖；[92]-圖2是所述反應器的俯視示意圖；[93]-圖3是使用符合圖1和2的反應器的水處理設備的原理示意圖；[94]-圖4是符合圖1或2反應器的一個變型的另一反應器的俯視原理示意圖；[95]-圖5是符合圖1或2反應器的另一變型的另一反應器的俯視原理示意圖；[96]-圖6是一符合圖3設備的另一實施例的示意圖；和[97]-圖7是圖3設備的另一個實施例的示意圖。
具體實施例方式反應器的形狀[99]圖1和2中所示的參考數字為10的反應器的形狀為長方形，以便于串聯設置幾個同一類型的反應器。作為未示的變型，所述反應器可以是方形的，這可能有利于考慮中心區(見上述)的對稱性。
需要指出的是，大多數下面描述的設置也適用于本發明也包括的圓形反應器(見圖5)，得到的結果幾乎相同。
總體上說，這里考慮的推薦實施例中，反應器10包括[102]·一個流體輸入區1，待處理的原態流體常常以湍流經過所述輸入區1到達，一種第一反應劑可以已經注入到待處理流體中，如已知任何類型的適當凝固反應劑；[103]·一個在作為導流管的管體2A內的中心區2，所述中心區具有一攪拌器8產生的強分散能量，在所述區域發生待處理的原態流體與至少一種絮凝反應劑的分散作用和混合作用；一十字支架5位于導流管的延長線中；[104]·一個(在導流管外的)低能量周邊區3，在所述區完成所需的絮凝作用；[105]·一個流體輸出區4，所述區可以進一步使攪拌能量分散，并且使絮凝混合物均勻分布，并且在槽的整個寬度上流出，以便于在一個可能的下游分離反應器中進行固液分離；[106].一組垂直隔板6A和6B，它們形成使入口與出口之間的旁通最小并提高混合效果的導流板。
為了便于(初始或后來)連接幾個以同一原理為基礎的處理階段，每個反應器的入口和出口基本位于同一高度上，并最好在上部，基本在管體入口的高度上，這里是在表面；所述設置另外可以使動態旁通最小，并且可以向下游排出可能的漂浮物，例如通過把液面提高到流體出口包括的溢流口以上，或者通過改變這些溢流口的位置。
接納區1[109]待處理的原態流體，也叫做污水，或者從表面(如圖1所示)進入到每個反應器中，流體分布在整個寬度上(通過在反應器壁中形成入口的縫隙下邊緣形成的一個浸沒或不浸沒的溢流口1A)，或者(作為未出示的變型)以底流(sousverse)進入，或者定時進入(在自由表面或裝料)。
一般說來，在一個單一反應器的情況下，或一系列反應器的第一反應器的情況下，可以選擇定時進入，最好通過傾斜實現兩個相鄰反應器之間的連通。
一個虹吸隔板1B(或產生虹吸作用的防濺板)可以形成輸入或接納區和反應器相對的其它部分。所述虹吸隔板可以分散上游湍流動能，主要是在定時進入的情況下，并可改變流動方向(垂直方向，而不是水平方向)。
可以將第一反應劑，例如一種凝固劑(例如一種礦物鹽，如鐵鹽或鋁鹽)，加入到所述強湍流區內，以便于它的分散。加入這種反應劑(或其它可能的反應劑)的方式取決于待處理原態流體的進入方式定時注入或在接納區的整個寬度上的多點注入。
中心區2[114]所述區是位于導流管內的最大湍流區，所述區內實現不同成分的內在混合。
使用導流管可以只使用一個沿軸線的攪拌器8，而與浴液的深度無關。
導流管有一對稱軸z-Z，最好截面恒定，并最好為柱形，這里為圓柱形(即通常含義上的柱形)，但也可以是其它形狀，例如多邊形。
這個完全浸入到浴液中的管體最好是垂直的(因此z-Z是垂直的)，但是如果反應器整體的整體布局，其中包括它的入口/出口需要，傾斜的方向(甚至水平方向)也是可以的。
如圖4所示，可以根據需要并且槽的縱向和橫向尺寸允許，可以在同一個槽中安裝幾個帶有導流管的攪拌器。要置于每個方向(縱向和橫向)的攪拌器數量的選擇取決于這些攪拌器的活動件的直徑與對應邊長的比，活動件的最大直徑本身取決于浴液高度。
特別有利的是，對所述攪拌器進行控制，以便產生一個垂直下降的流動。
攪拌器整體泵送的流量最好為橫向流量(入口與出口之間)的1-20倍，所述流量從管體2A(或管套)的上部吸入，并排向反應器的底部，因此沿下降的方向。所述設置可以定時從表面注入反應劑，或穿過一個位于管體上入口并與管體同軸的環形穿孔管注入，所述環形管用參考數字14表示。這里就是通過所述穿孔管注入一種絮凝反應劑，但是作為變型，也可以在入口處，在入口與中心區之間，甚至在管體的入口實現這種注入。
攪拌器8最好位于管體中一半的高度上，并且管體的直徑最好為攪拌器直徑的102％到120％。
管體直徑最好最多等于周邊區最大水平尺寸的60％，最少為所述尺寸的40％，最好約為50％。所述中心區的水力學直徑為槽的平均邊長的40％到60％。
管體的下端最好與底部相對，距底部的距離為管體直徑的1/3到2/3，表面與管體上端高度之間的距離也是如此。這些距離最好大約為管體直徑的50％。
位于導流管下面的十字支架5由幾個垂直壁5A形成，這些垂直壁從一個基本位于攪拌器的軸線Z-Z的延長線中的共同棱邊7延伸。這是一個阻止從導流管出來的流體保持轉動的靜態裝置；它可以引導流動，可以把流動角度分為幾個相等的部分，并防止在裝置底部形成圓形流動。消除成為徑向流原因的徑向作用同時導致軸向作用增加，因此泵送流量增加，而不增加消耗的功率。這還可避免顆粒聚集在十字支架形成的角落中。
十字支架的直徑最好為管體直徑的75％到125％。它的壁延伸在槽底部與管體出口之間的高度(的一個主要部分的2/3)上，最好基本在這個高度的全部上。
這里十字支架由四個以直角(即90°)連接的壁形成，其中兩個壁最好與槽的入口與出口之間的流動方向成橫向。作為未出示的變型，所述十字支架可以包括不同數量的隔板，即只有三個，或相反，有五個甚至更多隔板。
周邊區3[128]所述區位于導流管以外，其特征在于低速、湍流并且有很強均質性的泵送浴液(混合很好但只在絮凝過程中)的上升運動，這樣可以在最短時間內完成所需的過程。
將隔板6A和6B(導流板)設置在表面，與橫向流成橫向導致消除在表面形成的旋轉運動，并且優先引導全部流體進入導流管，保證待處理原態流體在所述管體中至少經過一次，以便與再循環的流體和注入的反應劑混合。
這些垂直隔板只延伸在中心區高度的一部分上，因此延伸在浴液高度的一部分上，最好為所述高度的40％-60％，并最好延伸在浴液的上半部分上(特別是，如在所示的情況下，當入口和出口在上部時)。它們最好延伸在表面與攪拌器在管體中所在的高度之間。
作為未出示的變型，這些壁的數量可以更多，例如為三個(甚至為四個(或更多))位于入口與出口之間的規則或不規則角度分布的壁。
輸出區4[133]所述區與輸入區相對，并最好在同一高度上，并且優選包括一個虹吸隔板4B和一個整體覆蓋反應器整個寬度的淹沒溢流口4A。
這些位于一個最佳距離和適當浸入深度的裝置可以通過采用適當上升速度使旁通最小，并分散對反應器下游處理不利的湍流(例如需要進行相態分離時)。
適當劃分虹吸隔板與下游壁(未表示)之間包括的空間可以保證等量分布在溢流口的整個長度上的流量。
特殊設置[137]圖1和2的反應器之后優選是一個分離區。可以有不同的使用布局。
圖3表示反應器10之后是一個用參考數字100表示的分離區。
需要理解的是，可以根據需要串聯安裝幾個如圖1和2所示的反應器。
圖3中，流體在可能的凝固反應劑注入線11后從左邊進入到一個陰影表示的周邊區域部分，在所述區域中，上升運動被隔板6A和6B角度限定，并且與到達的待處理原態流體混合。在明亮的中心區中，參考數字14表示(從一個絮凝劑源14A)注入絮凝反應劑，參考數字15表示(從一個顆粒材料源15A)注入一種可能的粉狀材料。絮凝后，從陰影表示的周邊區的右邊出來的流體流出，并進入分離區。絮凝流體在所述分離區內分離為凈化過的流質物和含有在反應器10內形成的絮凝物的殘渣物。
待處理的原態流體最好是水，并且所述水通過管線11注入一種凝固反應劑如一種鐵鹽或鋁鹽或在一個上游槽中經過預凝固。凝固反應劑通過底流或溢流供應到槽中。
粉狀材料最好注入，以有利于從懸浮的、膠態的或溶解的形式包含在待處理的原態流體中的雜質形成絮凝物。這種粉狀材料最好是一種由不溶(或非常難溶)于水并且比待處理原態流體重的顆粒材料構成的壓載物。這種材料最好是粒度在20到300微米之間的沙子。
圖4表示另一個反應器10’，所述反應器在同一個槽中不是包括一個導流管，而是包括三個導流管，三個導流管結合成一個靜態裝置，如圖1和2的十字支架。將每一個管體形成的每個中心區和包圍中心區的周邊區共同形成的區域叫做“絮凝區”，因此可以說圖4的反應器包括幾個平行位于入口(圖中的上部)和出口(所述圖的下部)之間的絮凝區。
圖5表示另一個與圖1和2的反應器類似的反應器10”，不同之處在于槽壁為柱形，并且絮凝流體通過在槽周邊的一個很大部分上的溢流從所述槽流出。這里側向導流隔板的數量為四個，用6”A-6”D表示，它們在周邊區的上部形成四個象限，其中一個象限(位于圖上部)留給待處理原態流體的入口，另外三個可以是絮凝流體的出口。
總之，由于強烈混合而形成的絮凝物在擾動較小的周邊區長大，并且部分在導流管中再循環，然后最終送往潷析區。
在圖6的實施例中，潷析區是一個獨立于絮凝反應器10之外的分離槽100’；另外，所述分離槽包括用參考數字110表示的協助潷析的機構，這里所述機構由一些傾斜的片體構成(在變型中，這些機構省略)；最后，與凈化過的流質物分離的殘渣物在實際應用中通過底流從分離槽流出，這里通過一個泵112排出，泵112通過一條管線與一個零件113連接，在實際應用中，零件113是一個能夠保證分離并回收殘渣物中含有的大部分顆粒材料的水力旋流器或任何其他系統，在這種情況下，零件113是粉狀材料源的一部分(當然注入到絮凝反應器中的材料部分由這種回收的材料構成，部分由新的材料構成)。
這種形成壓載物的粉狀材料完全是惰性的(如沙子、石榴石等)，或者是一種活性材料(如活性碳粉末或樹脂)，這就解釋了為什么有時在水處理“反應劑”中提到這種粉狀材料，甚至在這種材料為沙子時。正如上面指出的，所述粉狀材料可以或者在入口與預凝固的流體一起注入，或者在攪拌活動件的上游注入，并最好在一個與所述活動件同軸的導流管上游注入。壓載物的注入可以在例如有兩個有效區的單一槽中實現，例如法國專利FR 2627704和FR 2719234提出的壓載絮凝處理，這種處理相當于一種有時叫做“Actiflo”的有片體或無片體的方法，因此降低了實施的總成本，同時又使需要的攪拌能量最低。根據注冊人進行的實驗，并且與本領域專業人員可能預計的相反，由于攪拌更有效，本發明中提出的十字支架還可以使壓載物的沙子在攪拌槽底部的沉積最小。
圖7表示另一個處理待處理原態流體的設備，一般是處理水。所述設備與圖6設備的不同主要在于，這里分離區是一個不是在下游而是圍繞絮凝槽10的分離槽100”；反應器10的布局與圖6相同，并且如圖6所示，粉狀材料的注入使用從泵送到分離槽100”的殘渣物中回收的材料。所述例中，沒有幫助潷析的機構，如一些片體，但是可以具有所述機構。
作為未出示的變型，分離區可以不進行潷析(凈化過的流質物比排出的殘渣物輕)，而是使用浮選原理，其中廢物(rebus)漂浮在凈化過的流質物的表面；這里也可以具有輔助分離機構。
絮凝流體優選地也可沿切線方向進入到分離區中，以便利用加入到潷析作用中的渦旋作用。
通過模擬進行的新設計與傳統設計的比較研究[152]通過借助Fluent流體力學模擬軟件(v.5，Fluent Inc.)進行的速度場、湍流梯度和逗留時間分布的研究對本發明的優點進行了評價。
在相同操作條件的基礎上對兩種設計進行了研究，它們的區別如下[154]1.表明入口/出口在表面并使用一個更短的旋轉軸和一個十字支架的優點[155]表1表示從一個傳統布局A到一個符合本發明的某些方面的布局B得到的優點，布局A的入口和出口為底流和/或溢流，布局B為入口和出口在同一高度，并存在一個防濺板和一個虹吸隔板、更短的旋轉軸和位于槽底部的十字支架；人們觀察到，新布局B的速度場和湍流梯度的最大值和平均值都更大、更均勻。
新布局的好處是[157]-提高了同樣能耗下的混合效率；[158]-最大程度地利用槽的體積；[159]-減少旁通；[160]-便于串聯設置；[161]-通過縮短旋轉軸的長度消除了旋轉軸的振動問題；[162]-縮短逗留時間；[163]-通過在出口產生一個動能分散區消除槽中優先通道的危險；[164]2.表明十字支架、導流管和擋板結合的優點[165]表2表示連續運行時從一個帶有一簡單攪拌器的傳統布局C到布局D的優點，布局D有一個槽，所述槽設有一個活動件、一個十字支架、一個位于十字支架上的導流管和兩個支撐導流管的擋板。
利用Fluent流體力學軟件進行的速度場和湍流梯度的分析表明，對相同的操作條件[167]-新布局D的速度場和湍流梯度的最大值和平均值都更大、更均勻。
-產生兩個完全不同的區域一個在導流管內和十字支架處的速度和速度梯度水平非常高的強攪拌區。和一個在導流管以外的弱攪拌區。
新形態的好處是[170]-提高了同樣能耗下的混合效率；[171]-產生了兩個在混合水平方面的不同混合區。這樣可以保證反應劑和流體在強攪拌區內快速、有效的混合，和弱攪拌區內的最佳流動時間，以便使反應劑起作用；[172]-在十字支架處產生一個強攪拌區。這樣可以使帶有潷析物的固體顆粒重新懸浮，或者在氣-液流動的情況下增加界面面積；[173]-減少旁通；[174]-減少逗留時間。
3.表明通過在導流管周圍環形注入增添的反應劑的優點(圖3的參考數字14)[176]反應劑分布圖形模擬表明，定時環形注入的分布更好、更快。
表1
表2

權利要求
1.通過絮凝和分離來處理一帶有懸浮的、膠態的或溶解的雜質的待處理原態流體的方法，所述方法包括—使待處理的原態流體與一絮凝反應劑在一絮凝槽中流動，以便得到一絮凝混合物，雜質在所述混合物中形成絮凝物；—使所述絮凝混合物在一分離區內流動，在所述分離區內將所述絮凝混合物分離為凈化過的流質物和包括這些絮凝物的殘渣物；其特征在于*通過一完全浸沒的導流管在所述絮凝槽內限定一中心區，在所述中心區內通過攪拌(8)所述待處理原態流體和絮凝劑的混合物在所述導流管的軸向方向的產生一使軸向湍流流動；*通過一阻止所述流動旋轉并位于所述導流管出口的靜態裝置(5)，使所述流動按規則角度地分布；*使所述混合物在一包圍所述中心區的周邊區(3)中按一相反方向流動，直到所述中心區的入口；和*使所述混合物的一部分流向所述分離區。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，將所述中心區的流動的流量保持在所述待處理原態流體入口流量的1至20倍。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，將所述周邊區分為至少一個與所述絮凝槽中的待處理原態流體的入口連通的上游周邊區、和一個與所述絮凝混合物的出口連通的下游周邊區，以迫使進入所述絮凝槽的待處理原態流體在流向分離區之前至少在所述中心區通過一次。
4.如權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，沿一個垂直方向產生所述混合物的軸向湍流流動。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，通過在所述中心區的一半高度上的攪拌(8)產生所述垂直的軸向湍流流動。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，在一下降運動中使所述混合物產生軸向湍流流動，并使所述混合物基本按角度地分布在所述中心區基位與所述絮凝槽底部基位之間高度的至少三分之二上。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，使所述混合物角度分布在所述中心區基位與所述絮凝槽底部基位之間的基本整個高度上。
8.如權利要求6或權利要求7所述的方法，其特征在于，放置所述的限定中心區的導流管，使得它的形成出口的下端位于所述絮凝槽底部相面對處，并且距所述底部的距離為所述導流管平均寬度的1/3到2/3之間。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，放置限定所述中心區的導流管，使得它的形成入口的上端位于所述絮凝槽的內容物的自由表面相面對處，并且距所述自由表面的距離為所述導流管的平均寬度的1/3到2/3之間。
10.如權利要求6至9中任一項所述的方法，其特征在于，在所述周邊區高度的上部，將所述周邊區分為至少一個與所述絮凝槽中的待處理原態流體的入口連通的上游周邊區、和一個與所述絮凝混合物的出口連通的下游周邊區，以迫使進入所述絮凝槽的待處理原態流體在流向所述分離區之前至少在所述中心區通過一次。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，基本在所述高度的上半部分實現這種分區。
12.如權利要求4至11中任一項所述的方法，其特征在于，使所述待處理的原態流體進入，并且使所述絮凝混合物基本上在所述導流管的輸入區流出。
13.如權利要求1至12中任一項所述的方法，其特征在于，所述絮凝物是一天然的、礦物的或合成的聚合物。
14.如權利要求1至13中任一項所述的方法，其特征在于，在所述絮凝槽中與所述待處理原態流體混合的絮凝反應劑在所述絮凝槽的上游已經進入到所述待處理的流體中。
15.如權利要求1至13中任一項所述的方法，其特征在于，與所述待處理原態流體混合的絮凝反應劑被導入到所述絮凝槽中。
16.如權利要求15所述的方法，其特征在于，所述絮凝反應劑在所述絮凝槽的入口與所述導流管的入口之間被導入。
17.如權利要求15所述的方法，其特征在于，所述絮凝反應劑被導入到所述中心區中。
18.如權利要求15所述的方法，其特征在于，所述絮凝反應劑在所述中心區的界限內被導入。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于，將所述至少一部分絮凝反應劑以環形的方式注入到與所述導流管同軸的中心區的入口的周邊。
20.如權利要求1至19中任一項所述的方法，其特征在于，在所述絮凝槽中另外將一粉狀材料混合到所述待處理的原態流體中。
21.如權利要求20所述的方法，其特征在于，所述粉狀材料是一壓載物，其由一比所述待處理原態流體重的不可溶顆粒材料構成。
22.如權利要求21所述的方法，其特征在于，所述壓載物由一粒度在20至300微米之間的細沙構成。
23.如權利要求21或22所述的方法，其特征在于，處理在所述分離區出口得到的殘渣物，從所述殘渣物中回收所述壓載物，并在所述絮凝槽中循環使用這些壓載物。
24.如權利要求1至23中任一項所述的方法，其特征在于，所述待處理的原態流體導入到所述絮凝槽前已經與一凝固劑混合。
25.如權利要求1至24中任一項所述的方法，其特征在于，所述主要流體為待處理的水。
26.如權利要求25所述的方法，其特征在于，所述待處理的水已經在其導入到所述絮凝槽前與一凝固劑混合，所述凝固劑包括一礦物鹽，如一鐵鹽或鋁鹽。
27.如權利要求1至26中任一項所述的方法，其特征在于，通過潷析實現分離。
28.如權利要求1至26中任一項所述的方法，其特征在于，通過浮選實現分離。
29.如權利要求27或28所述的方法，其特征在于，借助于輔助分離機構實現分離，所述輔助分離機構例如為板體、片體、或者傾斜或垂直的管體。
30.如權利要求27至29中任一項所述的方法，其特征在于，所述絮凝混合物以切向方式被導入到所述分離區，以便將一渦旋作用加到所述潷析作用上。
31.反應器，其用于通過所述絮凝作用處理帶有懸浮的、膠態的或溶解的雜質的待處理原態流體，所述反應器包括一槽(10、10’、10”)，所述槽配設有至少一個流體入口和至少一個流體出口；以及至少一個在一浴液內的絮凝區，在所述絮凝區，所述待處理的流體與一絮凝劑混合，所述反應器包括—一導流管(2A)，所述導流管在其兩端敞開并垂直布置，從而使其完全浸沒在所述槽的浴液中，同時與所述槽的底部保持距離，由此限定一個與一周邊區(3)相面對的中心區(2)，所述中心區和周邊區在所述導流管的兩端互相連通，所述周邊區與所述流體的入口和出口連通，—一帶有垂直軸的攪拌器(8)，其位于所述導流管中，以便在所述導流管中產生一沿垂直方向的軸向湍流運動，—十字支架(5)，其由多個垂直壁形成，這些垂直壁從一基本位于所述攪拌器軸線的延長線中的共同棱脊(7)開始，在所述攪拌器的下游水平地延伸，以便角度分布從所述導流管流向所述周邊區的流動。
32.如權利要求31所述的反應器，其特征在于，所述導流管具有一恒定的截面。
33.如權利要求32所述的反應器，其特征在于，所述導流管具有一柱形的形狀。
34.如權利要求31至33中任一項所述的反應器，其特征在于，所述攪拌器基本布置在所述導流管中一半的高度處。
35.如權利要求31至34中任一項所述的反應器，其特征在于，所述導流管的直徑為所述攪拌器直徑的102％到120％。
36.如權利要求31至35中任一項所述的反應器，其特征在于，所述中心區的水力學直徑為所述中心區和所述周邊區形成的所述絮凝區平均寬度的40％到60％。
37.如權利要求31至36中任一項所述的反應器，其特征在于，所述攪拌器被布置且受控運動，以便在所述導流管中產生一垂直的下降運動，所述十字支架位于所述導流管的底部與所述槽的底部之間。
38.如權利要求37所述的反應器，其特征在于，所述導流管具有一下端，所述下端與所述槽的底部相面對，并且距所述槽的底部的距離為所述導流管直徑的1/3到2/3。
39.如權利要求38所述的反應器，其特征在于，所述導流管具有一上端，所述上端位于所述槽中包含的浴液表面基位的相面對處，并且距所述浴液表面的距離為所述導流管直徑的1/3到2/3之間。
40.如權利要求37至39中任一項所述的反應器，其特征在于，所述導流管的下端與所述槽的底部之間的距離，和所述導流管上端與所述浴液基位之間的距離至少近似為所述導流管直徑的50％。
41.如權利要求37至40中任一項所述的反應器，其特征在于，所述十字支架具有一高度，所述高度基本等于所述導流管的下端與所述槽的底部之間的距離的至少2/3。
42.如權利要求41所述的反應器，其特征在于，所述十字支架具有一高度，所述高度基本等于所述導流管的下端與所述導流管的底部之間的距離。
43.如權利要求37至42中任一項所述的反應器，其特征在于，所述十字支架的垂直壁水平地延伸在一基本為所述導流管半徑的3/4到5/4之間的距離上。
44.如權利要求43所述的反應器，其特征在于，所述十字支架的垂直壁水平地延伸在一基本等于所述導流管半徑的距離上。
45.如權利要求37至44中任一項所述的反應器，其特征在于，所述十字支架包括四個在所述導流管的軸線周圍錯開90°的垂直壁。
46.如權利要求45所述的反應器，其特征在于，兩個所述壁按與所述待處理的原態流體到達所述絮凝槽中的方向成橫向地布置。
47.如權利要求37至46中任一項所述的反應器，其特征在于，所述垂直壁在輸入區與輸出區之間，在分隔所述槽的底部與所述浴液表面之間的總高度的至少一部分上使周邊區分區。
48.如權利要求47所述的反應器，其特征在于，這些垂直壁延伸在所述總高度的40％到60％之間的垂直距離上。
49.如權利要求47或48所述的反應器，其特征在于，所述反應器包括至少兩個基本延伸在所述槽的上半部分上的垂直隔板，相應地在所述導流管與所述流體入口之間、和在所述導流管與所述流體出口之間，以便迫使所述待處理的流體至少在所述流體入口與所述流體出口之間的所述中心區通過一次。
50.如權利要求47至49中任一項所述的反應器，其特征在于，這些垂直壁延伸于一在所述主流體的進入基位與所述攪拌器基位之間的高度上。
51.如權利要求47至50中任一項所述的反應器，其特征在于，所述垂直壁從所述周邊壁的周邊開始延伸直至所述導流管。
52.如權利要求37至51中任一項所述的反應器，其特征在于，所述輸入區和所述輸出區布置在所述表面基位附近，并且所述輸入區配有面對所述入口橫向布置的一板體，相應地，所述輸出區配有面對所述出口橫向布置的一板體，以便形成虹吸。
53.如權利要求31至52中任一項所述的反應器，其特征在于，所述反應器另外包括一絮凝反應劑注入管，所述注入管與一絮凝反應劑源連接。
54.如權利要求53所述的反應器，其特征在于，所述絮凝反應劑注入管位于所述待處理的原態流體入口與所述導流管的入口之間。
55.如權利要求53所述的反應器，其特征在于，所述反應器包括一絮凝反應劑的環形注入管，所述注入管與所述導流管的入口同軸。
56.如權利要求31至55中任一項所述的反應器，其特征在于，所述反應器另外包括一粉狀材料注入管，所述注入管與一粉狀材料源連接。
57.如權利要求56所述的反應器，其特征在于，所述粉狀材料源是一細沙源。
58.如權利要求31至57中任一項所述的反應器，其特征在于，所述槽具有一唯一的絮凝區，從而具有一導流管。
59.流體處理設備，其包括一如權利要求31至57中任一項所述的反應器和一與所述反應器的槽連接的分離區。
60.如權利要求59所述的設備，其特征在于，所述反應器包括一粉狀材料注入管，所述注入管與一粉狀材料源連接，并且，所述分離區包括一出口，所述出口適于接受包括絮凝物的殘渣物，且與一粉狀材料回收裝置連接，所述粉狀材料源與所述回收裝置連接。
61.如權利要求59或60所述的設備，其特征在于，所述分離區是一布置在所述槽下游的潷析器。
62.如權利要求59至61中任一項所述的反應器，其特征在于，所述分離區是一布置在所述槽周圍的潷析器。
全文摘要
通過絮凝和分離處理帶有懸浮的、膠態的或溶解的雜質的待處理原態流體的方法，根據所述方法，使待處理的原態流體與一種絮凝反應劑在一絮凝槽中流動，使所述絮凝混合物在一分離區內流動，其特征在于，通過一個完全浸沒的導流管在絮凝槽內形成一個中心區，在所述中心區內(8)產生一個使待處理原態流體和絮凝劑的混合物在所述導流管的軸向軸向湍流流動；通過一個阻止所述流動旋轉并位于導流管出口的靜態裝置(5)使所述流動規則角度分布；使所述混合物在一個包圍所述中心區的周邊區(3)中流動；使所述混合物的一部分流向分離區。
文檔編號B01D21/00GK1898024SQ200480038622
公開日2007年1月17日 申請日期2004年12月21日 優先權日2003年12月22日
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