用于粉末材料连续稀释的设备和方法与流程

用于粉末材料连续稀释的设备和方法
1.相关申请案的交叉参考
2.本专利申请要求于2019年3月7日提交的美国临时专利申请第62/815,118号的权益，其出于所有目的通过引用并入本文。
技术领域
3.本公开大体上涉及用于制备干粉材料的系统。该系统可包括用于连续稀释(make
‑
down)粉末材料的系统，并且还可包括用于清洁该系统的过滤器的机械装置。
4.发明背景
5.溶解干粉材料例如聚合物的一种方式(即，稀释)利用批处理，其中将粉末材料加入到液体或溶剂(例如水)的搅拌罐中并且搅拌混合物直到粉末材料完全或几乎完全溶解。该过程可能需要几分钟到几小时，具体取决于几种因素。批处理操作所需的罐可能包括相当大的占地面积。
6.在连续的稀释过程中，干粉颗粒不断地装入罐中，溶剂(例如水)不断地流入罐中，溶液不断地排放。结果，混合罐内的一些颗粒可能没有完全溶解。这增加了从混合罐流出的流体可能包括未溶解的聚合物的可能性，所述未溶解的聚合物可能对使用该溶液的后续操作具有负面影响。
7.应当理解的是，本背景描述是由发明人创建的，目的是帮助读者理解本发明的某些优点，而不是承认所示的任何问题本身在本领域中得到了理解。


技术实现要素：

8.一方面，本发明提供了一种用于连续稀释材料的设备，该设备包括液体供应系统、材料进料系统、容器、过滤器和搅拌器。液体供应系统可包括用于以提供液体的连续供应的泵。材料进料系统用于以提供材料的干粉的连续供应。容器优选地限定为构造成容纳一定体积的液体的内体积并且包括入口和出口。入口优选地与液体供应系统和内体积流体连通，并且优选地构造成接收来自液体供应系统的液体和来自材料进料系统的干粉。出口可以与内体积流体连通。过滤器可密封地延伸穿过出口，由此液体通过出口流出容器，穿过过滤器。过滤器优选地具有与内体积接触的上游表面(upstream surface)。搅拌器优选地设置在容器内并且优选地构造成搅拌内体积。搅拌器可以包括擦拭构件，该擦拭构件构造成例如在搅拌内体积的同时接触过滤器的上游表面。
9.在另一方面，本发明提供了一种连续稀释材料的方法，该方法包括将液体连续输送到润湿单元，将材料的干粉连续输送到润湿单元，用液体润湿干粉形成一种混合物，混合物的形式可以是例如材料和液体的浆液、悬浮液、溶液或它们的组合，并将混合物(例如，作为浆液)输送到容器的内体积。该方法还可包括连续搅拌容器的内体积中包含的混合物(例如，作为浆液)以形成溶液，连续移除容器内体积中包含的溶液的排放体积，同时将排放体积通过过滤器和容器出口，过滤器的上游表面与容器的内部体积接触，并在搅拌混合物(如浆液)的同时擦拭过滤器的上游表面。
附图说明
10.图1是用于处理干粉材料并形成均匀液体溶液的系统的示意图；
11.图2是图1系统的罐的放大示意图。和
12.图3是与本文公开的系统一起使用的过滤器的透视图。
13.应当理解，附图不一定按比例绘制，并且所公开的实施例以图解方式和局部视图示出。在某些情况下，可能已省略对于理解本公开不是必需的或使其他细节难以理解的细节。还应当理解，本公开不限于本文所示的特定实施例。
14.示例性实施例的详细描述
15.参考图1，描绘了用于连续处理粉末材料(例如干聚合物)以形成均匀液体溶液的系统10。系统10包括容器12、材料进料系统15、材料润湿系统25、容器或罐35、搅拌器45和排放系统55。
16.容器12构造成容纳和输送可流动的干粉材料，例如干聚合物。这种干粉材料的实例包括低分子量的缔合网络化聚合物、高分子量阳离子絮凝剂聚合物、高分子量阴离子絮凝剂聚合物等，以及它们的组合。应当理解，合适的干聚合物可以包括在诸如造纸、采矿、废水和能源等行业中使用的那些。
17.在一些实施例中，干粉材料包括低分子量(例如，约10kda至约5000kda或约10kda至约2000kda)的缔合网络化聚合物。此类聚合物的实例包括美国专利申请公开号2017/0355846中公开的聚合物。在一些实施例中，干粉材料包括高分子量阳离子絮凝剂聚合物或高分子量阴离子絮凝剂聚合物。在一些实施例中，高分子量阳离子絮凝剂是阳离子(例如dmaea.mcq、dadmac等)丙烯酰胺基聚合物，例如gr
‑
503(45mol％阳离子dmaea.mcq/丙烯酰胺)。在一些实施例中，高分子量阴离子絮凝剂聚合物是是阴离子(例如，丙烯酸、甲基丙烯酸等)丙烯酰胺基的聚合物，例如，gr
‑
602(35mol％阴离子丙烯酸/丙烯酰胺)。
18.容器12可以具有任何期望的构造。在一个实例中，容器12可具有在底部具有开口(未示出)的封闭主体部分13，容器内的材料可通过该开口排出。
19.材料进料系统15包括具有倾斜侧壁17的料斗16，其将材料引导和漏到材料进料壳体18。大体上以20表示的材料进料机械装置，例如螺旋进料机械装置(例如，螺旋钻)设置在材料进料壳体18内并且将壳体中的材料引导出材料进料管21。
20.材料润湿系统25包括液体供应系统26和喷射器27。液体供应系统26包括供应泵28、液体供应管线29和一个或多个供应控制阀30以控制通过液体供应管线的流量。溶剂或液体(例如水)通过液体供应管线29提供到喷射器27的流体入口31中。材料进料管21的末端位于喷射器27上方的壳体32内，并与喷射器27的顶部33的开口(作为喷射器的粉末材料入口)对齐，从而使材料从材料进料管落下进入喷射器。在一个实施例中，喷射器27可以被配置为同轴喷射器。
21.可以想到向罐35提供流体和/或粉末材料的其他方式。例如，可以使用其他类型的喷射器。此外，可以为不流过喷射器27的液体提供到罐35的附加液体入口。
22.容器或罐35具有下表面36、从下表面向上延伸的多个侧壁37和开口顶部38。喷射器27的下端或出口34设置在罐35的开口顶部38上方，以允许粉末材料和流体的混合物通过重力或由供水泵28产生的水压的施加离开喷射器进入罐，在那里它与附加液体混合，作为稀释过程的一部分。罐35的下表面36包括位于中心的出口40。罐的下表面36和侧壁37限定
为构造成容纳一定体积液体的内体积。
23.过滤器41定位在出口40上方以密封地在出口上方延伸，使得离开罐35的任何流体通过过滤器。过滤器41具有上游侧或表面42(图2)和相反的下游侧或表面43，其具有在上游侧和下游侧之间延伸的多个开口或孔。过滤器41的开口或孔的尺寸可以被设计成使得粉末材料的颗粒在它们充分溶解之前不会通过过滤器。例如，当粉末材料的颗粒在罐35内移动时，它们可能溶解和/或尺寸可能变小。结果，虽然颗粒最初可能通不过过滤器41，但是当它们溶解时，它们最终将能够通过过滤器。
24.过滤器41可以具有任何期望的构造和尺寸。例如，参考图3，过滤器41可以是直径为12英寸的圆形并且具有200μm的孔径。在另一个实施例中，过滤器41可以是直径为12英寸的圆形并且具有150μm的孔径。其他尺寸和配置也被考虑在内。大小和配置可能取决于过滤器41的类型。过滤器41可由多根具有楔形横截面的线材形成，这些线材在过滤器的上游侧42处最宽而在过滤器的下游侧43处更窄以最小化过滤器的堵塞或阻塞。
25.搅拌器或混合系统45包括设置在罐35上方的马达46，其可操作地连接到垂直驱动轴47。第一或上叶轮48包括第一组上叶轮叶片49，该第一组上叶轮叶片安装在竖直驱动轴47上并且可操作地连接至竖直驱动轴47，使得马达46的旋转使上叶轮叶片旋转。在一个实施例中，第一组包括四个12英寸上叶轮叶片49，每个叶片具有45
°
的节距。如图所示，上叶轮叶片49可设置在下表面36和罐35的开口顶部38之间的大约一半处。
26.第二或下叶轮50包括第二组下叶轮叶片51，该第二组下叶轮叶片安装在竖直驱动轴47上并且可操作地连接至竖直驱动轴47，使得马达46的旋转使下叶轮叶片旋转。在一个实施例中，第二组包括六个12"下叶轮叶片51。下叶轮叶片51中的一些或全部可包括柔性下表面或条带52，其用作擦拭器以扫过过滤器41的上表面。在一个实施例中，可在六个下部叶轮叶片51中的两个上设置柔性材料(例如含氟聚合物)的条带52。下叶轮叶片51可如此放置使得条带52扫除可能粘附到过滤器41的内表面的聚合物颗粒以防止或减少过滤器被细聚合物颗粒堵塞的可能性。
27.排放系统55包括排放构件56，排放构件56在出口40下方流体连接到罐35，使得离开罐的流体流过排放构件。排放构件56流体地连接到排放管线57并且被排放泵58引导到更远的位置。可提供一个或多个排放控制阀59以控制通过排放管线57的流量。在一个实施例中，排放构件可具有倒截头圆锥或圆锥形状以将排放溶液从相对较大的出口40和过滤器41的下游表面43引导至排放管线57。
28.第一压力传感器60可设置在靠近出口40的罐35内，而第二压力传感器61可设置在排放构件56内。排放构件56的上部可构造成可容纳第二压力传感器61。第一压力传感器60和第二压力61之间的压差可用于确定过滤器41在过滤器的上游侧42处被粉末材料堵塞的程度。例如，在过滤器41的上游侧42和下游侧43之间没有压差的情况下，流体可以自由地流过过滤器。然而，如果过滤器41上存在压差，则过滤器可能会被阻止流经过滤器的未溶解聚合物颗粒堵塞。在这种情况下，可能需要控制供应控制阀30和/或排放控制阀59的操作，以控制进出罐35的流量。
29.可沿排放系统55提供浓度测量检测器62以检测通过过滤器41离开罐35的液体(例如，稀水溶液)中存在的聚合物的浓度。在一个实施例中，浓度测量检测器可以包括反射计。
30.或者，出口可设置在溶液液面39下方的罐35的侧壁37上。排放泵58的操作可产生
足以从出口抽取一定体积溶液的真空。出口沿着侧壁37，过滤器41可用于过滤从出口离开的所有液体。然而，擦拭器(wiper)可能未固定到下叶轮叶片51。相反，可以使用单独的擦拭系统(未示出)，其可操作地周期性地擦拭过滤器41的上游表面42的。在一个实施例中，该系统可以是类似于汽车挡风玻璃雨刮器系统的旋转系统或往复式系统。
31.在一个实施例中，系统10可以被配置为连续地和同时地操作以优化稀释系统的性能。在这样做时，供应泵28可以被操作以使液体通过液体供应管线29流到喷射器27。在液体被供应到喷射器的同时，材料进料机械装置20可以通过落入喷射器27的中心的材料供给管21供应粉末材料。流体、空气和粉末材料的流动可以被配置为使粉末材料和流体混合，同时最小化或减少粉末材料的任何结块。粉末材料和流体的混合物，例如浆液，离开喷射器27并流入或装入到罐35中，在那里它与罐内的现有液体混合。
32.可以向搅拌器45的马达46提供动力以旋转驱动轴47。驱动轴47的旋转引起上部叶轮叶片48和下部叶轮叶片50的旋转，这使罐35内的混合物例如浆液和/或溶液的混合。随着罐35内的液体被混合，粉末材料可继续溶解，导致聚合物颗粒的尺寸减小和/或溶解。下部叶轮叶片51的旋转使柔性条带52接触过滤器41的上游表面42以扫除可能粘附在上游表面上的聚合物颗粒，以防止或减少过滤器被聚合物堵塞的可能性。
33.流体可以通过设置在排放构件56上方的过滤器41连续地离开罐35。通过排放管线57的流体的流速可以通过排放泵58的操作来控制。可以监测位于罐35内的第一压力传感器60和位于排放构件56处的第二压力传感器61之间的压差，以确定过滤器41被粘附到上游表面42的未溶解的聚合物颗粒堵塞的程度。供应泵28和排放泵58的操作可以被协调以控制流速57以减少过滤器41的堵塞。
34.以下实施例进一步说明本发明，但当然不应解释为以任何方式限制其范围。
35.对于每个示例，使用具有75加仑容量的2'x2'x2.5'的罐35。搅拌器45包括一个31/2马力的马达46，搅拌器45的上叶轮48是一个12
‑
英寸lightnin a200型叶轮48带有四个45
°
节距(45
°‑
pitched)叶片49，下叶轮50为12英寸lightnin r100型叶轮带有六个垂直刀片51和设置在两个下刀片上的柔性带52。调节液体供应管线29的控制阀以提供60磅/平方英寸和每分钟4到10加仑之间的流速。通过调节排放速率以匹配水和聚合物进料速率，将罐体积保持在55加仑。从流出的流中取出200g样品并倒入3英寸100目筛子中以确定未溶解的聚合物颗粒的量。被未溶解的聚合物颗粒覆盖的筛子表面积的百分比称为该样品的“凝胶”数。
36.实例1
37.用于实例1的聚合物是最大粒径为500μm的ultis聚合物(美国专利公开号2017/0355846)。过滤器41的孔径为150μm。
38.表1
[0039][0040]
从表1中列出的结果可以明显看出，在罐中停留时间为七分钟时，可以实现0.67磅/分钟的溶解速率。这表明300加仑的连续稀释系统每天可以溶解大约4000磅的ultis聚合物。相比之下，要使用批处理过程每天溶解4000磅，则需要两个1000加仑的罐。
[0041]
实例2
[0042]
用于实例2的聚合物是最大粒径为700μm的ultis聚合物。过滤器41的孔径为200μm。
[0043]
表2
[0044][0045]
从表2中列出的结果可以明显看出，在罐中的停留时间为九分钟时，可以实现0.5磅/分钟的溶解速率。将ultis进料速率增加至0.67磅/分钟导致通过过滤器41的压降至十二英寸汞柱，表明过滤器部分堵塞。
[0046]
实例3
[0047]
用于实例3的聚合物是最大粒径为1000μm的ultis聚合物。过滤器41的孔径为200μm。
[0048]
表3
[0049][0050]
从表3中的结果可以明显看出，在罐中的停留时间为十四分钟时，可以实现0.34磅/分钟的溶解速率。
[0051]
实例4
[0052]
用于实例4的聚合物是最大粒径为425μm的阳离子絮凝剂聚合物(gr
‑
503)。过滤器41的孔径为200μm。
[0053]
表4
[0054][0055]
从表4中的结果可以明显看出，在罐中的停留时间为九分钟时，可以实现0.38磅/分钟的溶解速率。
[0056]
实例5
[0057]
用于实例5的聚合物是最大粒径为425μm的阴离子絮凝剂聚合物(gr
‑
602和)。过滤器41的孔径为200μm。
[0058]
表5
[0059][0060]
从表5中的结果可以明显看出，在罐中停留时间为十四分钟时，可以实现0.083磅/分钟的溶解速率。
[0061]
本文引用的所有参考文献(包括公开案、专利申请和专利)均以引用的方式并入本文中，其程度如同每篇参考文献被单独并且具体地指出以引用的方式并入并且在本文中整体阐述一般。
[0062]
除非本文另外指出或明显与上下文相矛盾，否则在描述本发明的上下文中(尤其是在随附权利要求书的上下文中)，使用的术语“一个(种)”和“所述”和“至少一个(种)”以及类似指示物应理解为涵盖单数与复数两者。除非本文另外指出或明显与上下文相矛盾，否则在一个或多个条目的清单后使用的术语“至少一个”(例如“a和b中的至少一个”)应被
解释为意指选自所列条目的一个条目(a或b)或所列条目中的两个或更多个条目的任何组合(a和b)。除非另有说明，否则术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”应被解释为开放式术语(即，意指“包括但不限于”)。除非本文中另外指明，否则对本文中值范围的叙述仅旨在用作单独地提及落入所述范围的每个单独值的速记方法，并且每个单独值并入本说明书中，如同在本文中单独地叙述一样。除非本文另有说明或者与上下文明显矛盾，否则本文所描述的所有方法可以按任何适合的顺序进行。除非另外声明，否则使用任何及所有实例或本文提供的示例性语言(例如，“诸如”)仅旨在更好地阐明本发明并且并不对本发明的范围施加限制。本说明书中的任何语言都不应解释为将任何未要求的要素指示为是实施本发明必不可少的。
[0063]
本文中描述了本发明的优选实施方案，包括本发明人已知进行本发明的最佳模式。在阅读前述描述后，对本领域的普通技术人员而言，这些优选实施方案的变化可以变得显而易见。本发明人预期本领域的技术人员可以在适当时采用这些变化，并且本发明人旨在使本发明以与在本文中具体描述的方式不同的方式来进行实践。因此，在适用法律允许的情况下，本发明包括对所附权利要求书所叙述的主题的所有修改和等效物。此外，除非本文另有说明或者与上下文明显矛盾，否则本发明涵盖上述要素在其所有可能变化中的任何组合。