浓缩浆化固体的方法和设备的制作方法

专利名称：浓缩浆化固体的方法和设备的制作方法
背景技术：
本发明是关于浆化颗粒的浓缩，例如，浓缩沉淀的碳酸钙浆料从中间固体浓度到较高的固体浓度。
在许多材料的处理中，这些材料可以浆料形式分散，它接着要经过进一步的处理，以浓缩浆化的颗粒，或者是采用常规技术如脱水、过滤和预压所述脱水材料以回收所述浆化颗粒。已经有多种工业方法企图采用真空柱或容器，用来从固体材料中除去液体部分如水。
例如，在US4687546中公开了一种用来浓缩高岭土的方法，是采用间接热交换从部分浓缩粘土浆料中蒸发除水，接着真空分离以在低于正常水沸点温度下汽化除去水份。在对含有15重量％固体的起始原料进行热交换和闪蒸分离之前，专利权人要求一个过滤步骤，使固体浓度达到50-60％之间。
US5036599(它是对前述专利的改进)包括有一个再循环回路，但是，在热交换之前，产物要从所述再循环回路中取出，且用于固体浓缩的新原料要引入到分离容器之中。
US4504355公开并要求保护一种用来浓缩乙酰纤维素聚合物溶液的真空蒸发系统。
US4530737公开并要求保护一种用于浓缩溶液的方法，是采用间接热交换以浓缩来自硫酸盐制浆工艺的黑液。
US5209828公开了从精炼厂的废碱物流中真空分离水和挥发性有机化合物的方法。
发明概述本发明为一种通过在一个单一实施装置中除去液体如水以浓缩浆料的方法和设备。
根据本发明，有待浓缩的浆料，被输送到一个容器中，例如，真空闪蒸塔，维护其压力在低于4psia，对有待浓缩的引入的浆料进行加热，使得所述真空闪蒸塔内的温度维持在低于150°F的温度，这样，水进行汽化并以蒸汽形式与其它气体成分一同被除去。所述真空闪蒸塔内的浆料处于所希望的浓度，并通过带有的两个可以再循环所述浆料的再循环系统使之维持在所述的浓度。一个再循环系统包括用来输入有待浓缩附加浆料的装置，所述浆料已经过外部加热以保持供料温度。另一个再循环系统，位于与第一再循环系统的不同地点，是用来排放作为产物的浓缩浆料。本发明的方法和装置，可用来提高中间固体浆料(例如，50-60重量％)到最终具有72-76重量％的固体浓缩物，并具有伴随的益处，与常规脱水技术然后过滤和压制块状分散体相比，能够可靠地改进其它性能，如粘度和处理能力。
因此，本发明的一个方面，是一种浓缩液体浆料中固体的方法，包括以下步骤稳定真空室中一定体积浆料维持在低于4psia的真空状态下，所述浆料具有的固体浓度低于所希望的较高固体浓度，连续地从所述真空室中排放出所述浆料物流并再循环所述物流经过一个热交换器，以加热所述物流到足以维持所述室内的浆料温度处于低于150°F最低温度所需要的温度；连续地混合和/或再循环存在于所述真空室中的浆料，直到在所述浆料中获得所需要的较高固体浓度；连续地添加另外的具有较低固体浓度的浆料，在所述再循环物流进入到所述热交换器之前，进料到所述再循环物流中；和连续地排放出比进料到所述真空室的较低固体浓度具有较高固体浓度的产物浆料。
本发明的另一个方面，是一种用来浓缩液体浆料中固体的系统，它包括下述部件的结合一个容器，用来盛放一定体积的浆料并维持在低于4psia或更低的真空；一个第一再循环系统，用来连续地从所述室中排放出浆料并返回所述浆料到所述室中；加热装置，位于所述第一再循环系统中，用来加热所述再循环浆料；用来输入有待浓缩浆料到所述第一再循环装置中的装置；和第二再循环系统，处于远离所述第一再循环系统的位置，用来连续地排放并再循环浆料到所述容器中，所述第二再循环系统含有用来从所述第二再循环系统中排放出浓缩浆料的装置。
附图简要说明

图1为本发明所述方法和设备的示意图。
图2为在不同闪蒸温度下对于沉淀碳酸浆料的产物再循环速率相对中间进料固体浓度重量％的曲线图。
发明的详细说明所有在先系统优选是在±4psia条件下进行操作的(此时水在±150°F沸腾)，它采用蒸汽形成真空并采用蒸汽为浓缩提供热量。操作真空越高，则设计对于设备隔离方面的要求就越严格，以防止空气渗透，它会对真空和所希望的结果产生负面影响。本发明对此方面的需要，是维持在低的操作压力(±1psia)，其时水在±104°F沸腾，而不需要采用蒸汽作为真空发生剂，它可允许采用易于获得的低级工艺废热来浓缩特定的浆料到最终的固体需要量。而且，较低的操作温度，就保存期和沉淀物稳定性而言，还可能会制得更好质量的高固体产物。本发明所述系统，采用一个单一闪蒸塔，在一个单程中获得所述目标结果，并从一个内部循环回路中移走所述产物物流。这种操作方式，与通常的采用蒸汽再压缩的多级蒸发器和其它操作设计以连续浓缩产物到最终规格的方式相比，有很大的不同。
图1所示为本发明的设备设计和工艺设计的示意图。标记10表示整个设备，它包括一个真空容器或真空闪蒸塔12。容器或塔12优选是竖直取向的，且其直径小于其高度。真空闪蒸塔12是采用一个真空系统(例如真空泵)14维持处于真空状态，所述真空系统14经由合适导管18连接到塔12的顶部空间16。一个热交换器20设置在所述导管18和所述真空泵14之间，其目的在下文中将作详细解释。真空闪蒸塔12是用来盛放低于顶部空间16的浆料体积22。第一再循环泵24从真空闪蒸塔12底部26的邻近位置排放出浆料，用来再循环经过热交换器28并经由导管30返回到所述塔中。在泵24的入口端有一个导管32，它也有一个入口导管34，用来从合适的接受器或容器(如36所示)中输入有待浓缩的浆料。
在一个远离泵24的位置有一个第二泵或再循环装置38，它是用来经过一个导管40从真空闪蒸塔12底部26的邻近位置排放出浆料，并经由一个入口导管42再循环进入到所述真空闪蒸塔12之中。入口导管42具有一个支管44，用于产物的排放，它通常由方块46所示。
在所述塔12正常操作中，塔顶馏出物经由所述真空泵14，通过导管18被排放出来，并流经过热交换器20，它是用来冷凝液体，如水，这样，所述液体当它作为冷凝物(如方块48所示)被除去之后，就可用作真空泵14的冷却介质。同时，残留在所述冷凝液体中的气态成分，可在一个用来分散或回收的分离器中被除去，如方块50所示。
本发明的系统适用于浓缩许多种浆化的原料，特别是适用于提高含有50-60重量％固体的沉淀碳酸钙的中间固体浆料到最终的含有固体在72-76重量％或更高的产物。为了实现这一目的，真空闪蒸塔12是具有大约1psia真空的真空条件下进行操作的。有待浓缩的浆料，被输入到真空闪蒸塔12中，达到标明留有用于排放蒸发的液体和其它气态惰性产物净空高度的水平。当所述真空闪蒸塔12中的真空约为1psia时，存在于所述沉淀碳酸钙浆料中的水将会在约104°F下沸腾。对于这种情形，再循环经过泵24的浆料，其中含有输入的中间固体浆料34，在热交换器28中加热到高于104°F的温度，优选是约140°F。在这些条件下，存在于所述真空闪蒸塔12中的浆料，会从固体含量为50-60重量％提高到所希望的浓度约72重量％。再循环泵38，是用来保持所述真空闪蒸塔12中的动力条件，以允许产物能够从所述再循环线路中以十分希望的浓度排放出来。
在某些情形中，系统包括一个均匀化装置如52所示，以保持浓缩浆料的某些性质，也是所希望的。这对于浓缩沉淀的碳酸钙是特别有利的，由于均化器可用来保持所述浓缩产物的流变性质。在热交换器28中对所述输入和再循环浆料的加热，可通过采用热水来实现，如果没有蒸汽可用于这个目的，则它是特别方便的。该方法的另一个方面，水蒸气和其它来自顶层馏出物18的气体，流经一个热交换器20，这样，所述水就会得到冷凝，而其它非水成分，例如，空气、二氧化碳和其它气体，就可与所述水分离开，所述水用来冷却所述的真空泵14。
参见图2，它为采用本发明的系统生产大约3.5吨/小时(10.25加仑/分钟)具有固体浓度约为72重量％的沉淀碳酸钙浆料的再循环速率(以加仑/分钟表示)相对中间进料固体浓度(以重量％表示)的曲线图，其中，所述闪蒸塔进料加热到120-140°F的温度范围。对于图2的曲线图来说，所述输入浆料进料是加热到140°F，混合的再循环物流是加热到120-140°F，而所述塔是维持处于真空状态下，这样，所述水的正常沸点约为104°F。图2的曲线图表明，对于72％固体浓度，操作速率为3.5吨/小时的输出量时，需要的72％浆料的再循环速率随着中间进料固体浓度和进料预热温度(在返回到所述塔之前)而变化。
在一个实例中，沉淀的碳酸钙浆料浓缩到将近76wt％，然后进行稀释，采用“稀松(let-back)”产物质量测量。采用本发明所述方法生产的76％产物，可允许所述产物在达到最终固体浓度之后(在稀释之前)具有可泵送性和易操作性(例如，剪切稀释)，仅采用机械脱水与随后的目标最终固体的饼块分散，是难以获得这种状态的。
因此，根据本发明，采用在约1psia压力下进行操作的竖立闪蒸塔，当采用如上所述的连续方式进行操作时，对于分散在水中的浆料，使得水的沸点温度约为104°F。输入到导管34中的中间固体浆料，可含有约50-60重量％的固体。它可以低于或高于所述范围。所述中间固体含量的浆料，在它加热到目标入口温度(它在该温度时进入到所述闪蒸塔12中)之前，加入到一个精确控制再循环体积的产物固体中，它变成混合有部分中间浓度，所述中间浓度随着最终产物固体、闪蒸温度和操作速率而变化。所述进入到所述真空闪蒸塔12中的混合中间固体物流，一旦进入该塔，就会闪蒸达到最终浓度。由于在闪蒸过程中释放出来的水蒸气，在目标操作条件下具有非常高的比容，所以，它在进入所述真空系统14(它维持工艺所希望的操作压力)之前，必须要进行液化。所述热交换器或预冷凝器20，是用来液化所有的可冷凝物质，它们滴入到所述液体环形真空泵以移走，并循环到一个冷却塔中。所述液体环形真空泵是设置用来处理所述系统的不可冷凝成分(例如，空气、CO2等)和透过常规连接和固定配件的微小渗漏。
本发明提供了为不具有易于获得过程加热的蒸气以及用来产生高真空的高压物流的那些操作提供了一种解决方案，是通过采用机械装置施加较常规所采用的真空(1psia相对于4psia或更高)显著更强的真空，以充分利用来自工艺过程如沉淀碳酸钙生产中的易于获得的低级热量。这可以允许来自气体洗涤的废热以及来自反应的热量得到收集，并用来提供能量，以蒸发中间固体浆料到目标最终固体浆料要求，例如，72重量％或更高的固体浓度。常规蒸发器通常具有低的高度(短)，以降低整体投资费用，所以，无论什么时候，只要对所述蒸发器施加强的真空，可能的渗漏都会发生，从而引起蒸发器性能退化。根据本发明，对一个高且细长的塔采用强真空，将能够有效地防止所有辅助装置(如泵、热交换器等)在出现密封失效时空气渗漏到工艺过程之中。高且细长蒸发器设计，也可有效地隔离所述塔中的较高真空，其互相连接管线和所述工艺的水蒸发端。这可允许对于任何渗漏问题能够快速地得以隔离解决，人们应该能够开发出来。对于短塔来说，渗漏热交换泵可能会对强真空的所有可能的工艺操作优点产生不利的影响。
所述真空闪蒸塔(VFC)是一个低温蒸发步骤，其中，沉淀碳酸钙浆料，可由中间固体(例如，±50％)浓缩到最小目标固体为72％。所述塔是在标称1psia下进行操作的，其时，水在约104°F温度沸腾，它可使得该步骤能够采用低级废热，这些废热可由用于生产所述沉淀碳酸钙的工艺或其它位置确定机会直接获得。操作压力是通过一个机械液体环形真空泵进行维持的。根据真空源的尺寸大小，可能需要一个预冷凝器。冷却塔水是用来进行冷凝，流速将会(明显地)随着季节性的条件而变化，其时，夏季温度(设计基准)规定最高流速。中间固体产物在一个单程中被浓缩到最终要求，而流量控制是关键性的参数。混合输入进料与足量再循环72％产物，是必要的，以确保在闪蒸时能够获得72％固体；所述再循环固体负荷随着输入新鲜进料和温度以及进料到所述闪蒸塔入口的混合进料温度而变化。一个试验性设计，是假定新鲜进料在140°F时达到55％固体，混合(再循环加上新鲜)进料温度为120°F，输入到所述真空闪蒸塔入口。产物再循环速率和蒸发负荷(Btu/hr)随着较低进料固体或较高标准固体产量而提高。在所述试验性设计中，蒸发负荷约为3600lb-水/hr。
本发明的方法，其可变动的操作温度，仅与冷却水供料和最大可获得且可维持的真空相关。例如，试验模型已经成功地在低至94°F(0.8psia)沸点下进行操作；这表明该工艺冷却水必须至少低于该温度15°F，才能冷凝所述的沸腾蒸汽-在冬季，这可能不会成为一个问题；但是，在夏季环境中，冷却塔水可能地会具有高出所述限定很大的操作温度，所以，其直接结果是，可维持真空和沸点都会较高。据估计，所述液体环形真空泵的可维持下限可为0.5psia，其时水在80°F沸腾。对于这种技术(采用工艺废热)的闪蒸(沸腾)上限约为140°F。在这些情形中，所述操作压力约为3psia，收集显著量工艺废热的能力严重变小。所述方法可在高于3psia的较高压力下进行操作，其时沸点提高到150°F或更高，但是，这需要有较高温度的废热或蒸汽源，而它们可能不是易于获得的，或者不是价格低廉的。
本发明的方法和设备具有许多用途。例如，通过浓缩中间固体浆料(它们是通过低费用脱水装置如旋转真空过滤器、重力沉降台或低费用固体离心沉降器等得到的)可制得高固体产物。
本发明的方法和设备也可用来降低闪蒸一种溶剂或稀释剂(非水)或来自浆料悬浮液中它们的部分的正常沸点或闪蒸温度，以浓缩所述固体。
本发明的方法和设备可使得使用者能够生产稳定的高固体产物，它们在某些应用中较采用通常生产方法所能够获得的产物具有更高的固体。
本发明的方法和设备，可使得使用者能够提高现有高固体生产工艺的生产能力，是通过使通常脱水装置在较高生产能力和较低固体下进行操作，接着采用本发明通过浓缩达到最终目标固体。
采用本发明的方法和设备，在某些应用中，对于特定用客户，生产较高中间固体浆料以降低运费，也是可行的，可提高整个产物质量并能为客户提供更高固体含量的原料。
这样，在已经对本人的发明作了充分说明之后，希望能够得到美国专利证书保护的方法和设备，其保护范围在随后的权利要求书之中限定。
权利要求
1.一种浓缩液体浆料中固体的方法，包括以下步骤稳定真空室中一定体积浆料维持在低于27.6kPaa(4psia)的真空下，所述浆料具有的固体浓度低于所希望的较高固体浓度；连续地从所述真空室中排放出所述浆料物流并再循环所述物流经过一个热交换器，以加热所述物流到足以维持所述室内的浆料温度处于低于65.5℃(150°F)最低温度所需要的温度；连续地混合存在于所述真空室中的浆料，直到在所述浆料中获得所需要的较高固体浓度；连续地添加另外的具有所述较低固体浓度的浆料，在所述再循环物流进入到所述热交换器之前，进料到所述再循环物流中；和连续地从所述真空室中排放出具有较高固体浓度的产物浆料。
2.权利要求1所述的方法，其中所述真空室内的真空为6.9kPaa或更低，所述真空室内浆料的温度是保持在最低温度低于40℃。
3.权利要求1或2所述的方法，包括从所述真空室中排放出液体蒸气和其它气体的塔顶馏出物的步骤。
4.权利要求3所述的方法，包括从所述塔顶馏出物分离所述其它气体并再冷凝所述液体的步骤。
5.权利要求1-4所述的任一方法，包括采用一个混合泵以再循环所述浆料，所述混合泵设置在所述真空室的外部，这样可使得所述产物能够在所述泵的输出端排放出来。
6.前述权利要求所述的任一方法，包括在所述泵的输出端与位于再循环导管的某个位置之间插入一个均化器的步骤，所述产物在再循环导管的该位置从所述浆料中移走。
7.前述权利要求所述的任一方法，包括采用一个循环泵，用来从所述真空室中排放所述的浆料，并将所述排放出来的浆料输入到所述交换器中。
8.权利要求2所述的方法，包括采用一个液体环形泵维持所述真空室处于6.9kPaa(1psia)或更低的真空状态下。
9.一种用来浓缩液体浆料中固体的系统，它包括下述部件的结合一个容器，用来盛放一定体积的浆料并维持一定的真空状态下；一个第一再循环系统，用来连续地从所述室中排放出浆料并返回所述浆料到所述室中；加热装置，位于所述第一再循环系统中，用来加热所述再循环浆料；用来输入有待浓缩浆料到所述第一再循环装置中的装置；和第二再循环系统，处于远离所述第一再循环系统的位置，用来连续地排放并再循环浆料到所述容器中，该第二再循环系统包括用来从所述再循环系统中排放出浓缩浆料的装置。
10.权利要求9所述的系统，含有一个真空泵，用来维持所述容器处于真空状态下，所采用的真空泵是用来从所述容器的顶部移走蒸发的液体和其它气体。
11.权利要求10所述的系统，含有用来冷凝所述蒸发液体的装置和用来从取自于所述容器的未冷凝成分中分离出所述冷凝液体的装置。
12.权利要求9-11所述的任一系统，在所述的第一和第二再循环系统中各含有一个泵。
13.权利要求9-12所述的任一系统，含有一个均化器，位于用来从所述第二再循环系统中排放出浓缩浆料导管的上游。
全文摘要
用来浓缩浆料的方法和设备,是通过在一个单一实施装置中除去液体来实现的,所述装置维持在真空状态下从而实现在低温下对所述液体的闪蒸。所述单一实施装置包括一个带有单独再循环回路的单一闪蒸塔、该再循环回路用来预热输入的浆料以进行浓缩,和一个分离回路用来排放出浓缩的浆料。从所述闪蒸塔中出来的蒸汽可经处理从所述蒸汽中的其它成分中分离出液体。
文档编号C13B25/00GK1383388SQ99816581
公开日2002年12月4日 申请日期1999年12月22日 优先权日1999年4月19日
发明者G·D·厄尔德曼 申请人:矿业技术有限公司