包括顆粒沉降區(qū)的錯流過濾系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】錯流過濾系統(tǒng)和相應(yīng)的從液體中分離顆粒物質(zhì)的方法。代表性的系統(tǒng)包括與顆粒沉降區(qū)(30)流體連通的錯流過濾區(qū)(24)并且還包括與所述區(qū)之一流體連通的流體入口(14)和與另一個區(qū)流體連通的工藝流體出口(20)。流體處理通路(28)從流體入口(14)延伸通過所述錯流過濾區(qū)和顆粒沉降區(qū)(24，30)到達(dá)工藝流體出口(20)。過濾器組件(26)位于錯流過濾區(qū)(24)內(nèi)并且包括將濾液室(46)與流體處理通路(28)隔開的膜表面(44)，并且所述濾液室(46)與過濾流體出口(16)流體連通。循環(huán)泵(Z)與工藝流體出口(20)和流體入口(14)流體連通?？杉訅涸傺h(huán)回路(A)包括流體處理通路(28)和循環(huán)泵(Z)，并且所述循環(huán)泵(Z)適合于加壓驅(qū)動通過再循環(huán)回路(A)。進(jìn)料泵(Y)適合于將料液引入系統(tǒng)(10)；并且流出物出口(18)與顆粒沉降區(qū)(30)流體連通。進(jìn)料泵(Y)、流出物出口(18)、和過濾流體出口(16)位于再循環(huán)回路(A)之外。
【專利說明】包括顆粒沉降區(qū)的錯流過濾系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總的涉及用于從液體中分離顆粒物質(zhì)的錯流過濾組件。

【背景技術(shù)】
[0002]已經(jīng)利用各種技術(shù)，包括凝聚、絮凝、沉降、過濾和旋流分離從液體中分離懸浮顆粒。例如，在典型的水力旋流器實施方式中，加壓的進(jìn)料液體在腔室內(nèi)產(chǎn)生旋渦的條件下被引入成圓錐形的腔室中。進(jìn)料液體靠近圓錐形腔室的頂部引入，而流出物流靠近底部排出。與渦流相關(guān)的離心力將更致密的顆粒推向腔室的周邊。其結(jié)果是，位于靠近渦流中心的液體比在周邊的液體具有更低的顆粒濃度。然后可以從水力旋流器的中心區(qū)域抽取這種“較清潔”的液體。在 US3061098.US3529544.US 4414112、US5104520、US5407584 和 US5478484中描述了水力旋流器的實例?？梢酝ㄟ^在腔室之中包括過濾器以使得流向腔室中心的一部分液體通過該過濾器而提高分離效率。在這樣的實施方式中，旋流分離與錯流過濾相結(jié)合。在 US7632416、US7896169、US2011/0120959 和 US2012/0010063 中描述了這樣的實施方式的實例。
[0003]尺寸和分離效率是任何給定的分離系統(tǒng)的限制因素。例如，雖然絮凝和沉降技術(shù)是比較能量有效的，但它們通常需要沉降池和長分離時間。水力旋流器提供較小的占用空間，但具有較高的能量需求并且在除去小顆粒物質(zhì)上的有效性較低。錯流過濾系統(tǒng)是小型的并且產(chǎn)生高質(zhì)量分離，但是易于結(jié)垢并且是能量密集型的。尋求提供包括總體尺寸和分離效率在內(nèi)的屬性的平衡改進(jìn)的新系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明包括錯流過濾系統(tǒng)和相應(yīng)的從液體中分離顆粒物質(zhì)的方法。代表性的系統(tǒng)包括與顆粒沉降區(qū)流體連通的錯流過濾區(qū)。所述系統(tǒng)還包括:與所述區(qū)之一流體連通的流體入口(14)和與另一個區(qū)流體連通的工藝流體出口(20)。流體處理通路(28)從流體入口(14)延伸通過所述錯流過濾和顆粒沉降區(qū)(24，30)到達(dá)工藝流體出口(20)。過濾器組件(26)位于錯流過濾區(qū)(24)內(nèi)并且包括將濾液室(46)與流體處理通路(28)隔開的膜表面(44)，并且所述濾液室(46)與過濾流體出口(16)流體連通。循環(huán)泵(Z)與工藝流體出口(20)和流體入口(14)流體連通?？杉訅涸傺h(huán)回路(A)包括流體處理通路(28)和循環(huán)泵(Z)，并且所述循環(huán)泵(Z)適合于加壓驅(qū)動通過再循環(huán)回路(A)。進(jìn)料泵(Y)適合于將料液引入系統(tǒng)(10);并且流出物出口(18)與顆粒沉降區(qū)(30)流體連通。進(jìn)料泵(Y)、流出物出口(18)、和過濾流體出口(16)位于再循環(huán)回路㈧之外。
[0005]本發(fā)明在處理造紙廠產(chǎn)生的紙漿流出物、油氣回收產(chǎn)生的工藝水和市政和工業(yè)廢水中具有特別的效用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]通過參考下面的描述連同附圖可以更好地理解本發(fā)明的各個方面，其中在各種視圖中始終使用類似的附圖標(biāo)記來指示類似的部件。該描述是說明性的，而不是意在按規(guī)定比例或者以其他方式限制本發(fā)明。
[0007]圖1A-F是本發(fā)明的替代實施方式的示意圖。
[0008]圖2是顯示本發(fā)明的一種實施方式的橫截面圖。
[0009]圖3A是代表性過濾器組件的部分剖視圖。
[0010]圖3B是包括清潔組件的圖3A過濾器的透視圖。
[0011]圖3C是包括入口流護(hù)罩的圖3B組件的透視圖。
[0012]圖4A和B是顯示本發(fā)明其他實施方式的橫截面圖。
[0013]圖5A和B是顯示本發(fā)明的又一個其他實施方式的橫截面圖。
[0014]圖6A和B是渦流阻擋構(gòu)件的實施方式的透視圖。
[0015]圖7A、B和C是流出物阻擋構(gòu)件的各種實施方式的透視圖。
[0016]圖8是包括渦旋和流出物阻擋構(gòu)件的筒體的替代實施方式的分解透視圖。

【具體實施方式】
[0017]本發(fā)明包括用于從液體中分離顆粒物質(zhì)的錯流過濾系統(tǒng)和利用這樣的系統(tǒng)的方法。術(shù)語“系統(tǒng)”是指部件的互連組件。在一種實施方式中，本發(fā)明在加壓再循環(huán)回路內(nèi)將錯流過濾和顆粒沉降相結(jié)合。顆粒沉降可以包括基于顆粒與水的密度差來浮選或沉降。在優(yōu)選實施方式中，所述系統(tǒng)還結(jié)合了旋流分離。
[0018]代表性系統(tǒng)(10)在圖1A-F中示意性地示出，其包括與顆粒沉降區(qū)(30)流體連通的可加壓錯流過濾區(qū)(24)。如名稱所暗示的，錯流過濾發(fā)生在錯流過濾區(qū)(24)，例如通過使進(jìn)料流體通過膜表面。類似地，顆粒沉降發(fā)生在顆粒沉降區(qū)(30)。區(qū)(24，30)沿著流體處理通路順序排列。在優(yōu)選實施方式中，顆粒沉降區(qū)(30)位于錯流過濾區(qū)(24)的下游，如圖1A、C和F所示(其中“下游”定義為在相對于另一個區(qū)更低壓力下運行的區(qū))?；蛘撸e流過濾區(qū)(24)可以位于顆粒沉降區(qū)(30)的下游，如圖1B、D和E所示。雖然顯示為包括兩個區(qū)，但可以包括另外的分離區(qū)。區(qū)(24，30)可以位于分開的可加壓模塊或容器中，或容納在共同的可加壓筒體內(nèi)。在結(jié)合圖2描述的一種實施方式中，兩個區(qū)(24，30)都位于共同的筒體(12)內(nèi)。
[0019]系統(tǒng)(10)還包括:與所述區(qū)(例如圖1A中的錯流過濾區(qū)(24)和圖1B中的顆粒沉降區(qū)(30))之一流體連通的流體入口(14)，和與另一個區(qū)流體連通的工藝流體出口(20)。流出物出口(18)也與顆粒沉降區(qū)(30)流體連通。流體處理通路從流體入口(14)延伸通過錯流過濾區(qū)(30)和顆粒沉降區(qū)(30)到達(dá)工藝流體出口(20)。雖然未顯示，但系統(tǒng)(10)可以包括另外的入口和出口。
[0020]所述系統(tǒng)包括與工藝流體出口(20)和流體入口(14)流體連通的循環(huán)泵(Z)。循環(huán)泵(Z)與工藝流體出口(20)、流體入口(14)和流體處理通路(28) —起共同地定可加壓再循環(huán)回路(A)。
[0021]系統(tǒng)(10)還包括適合于將待處理的加壓液體混合物(進(jìn)料)引入到再循環(huán)回路(A)中的進(jìn)料泵(Y)。圖1A和IB顯示了將料液混合物通過相鄰的連接點(15)引入流體入口(14)。圖1C至IF顯示了其他設(shè)計，其中循環(huán)泵(Z)相對于進(jìn)料泵(Y)、錯流過濾區(qū)(24)和顆粒沉降區(qū)(30)位于回路(A)內(nèi)的不同位置。雖然未顯示，但系統(tǒng)(10)可以包括另外的泵和相應(yīng)的閥來促進(jìn)液體和固體的移動。雖然與再循環(huán)回路(A)流體連通，但進(jìn)料泵(Y)、流出物出口(18)和過濾流體出口(16)位于再循環(huán)回路⑷之外并且對于回路⑷僅僅充當(dāng)單向入口和出口。在優(yōu)選實施方式中，循環(huán)泵(Z)適合于驅(qū)動至少兩倍體積的由進(jìn)料泵(Y)引入的液體通過再循環(huán)回路(A)。在另一種實施方式中，進(jìn)料泵(Y)適合于提供比循環(huán)泵(Z)提供的更高的壓力增加。
[0022]顆粒沉降區(qū)(30)適合于在進(jìn)料混合物流過所述區(qū)時促進(jìn)固體與液體的分離。在優(yōu)選實施方式中，固體通過當(dāng)流體流過所述區(qū)(30)時發(fā)生的重力和摩擦阻力而與液體分離。大而致密的顆粒物質(zhì)沉降出流體流并且可以通過流出物出口(18)離開顆粒沉降區(qū)
(30)，而剩余的液體混合物或者如圖1A所示作為工藝流體通過工藝流體出口(20)離開、或者如圖1B所示向下游流動到達(dá)錯流過濾區(qū)(24)。在一種替代實施方式中，較低密度顆?？稍陬w粒沉降區(qū)(30)的高位區(qū)域中蓄積以便除去，并且沉降和浮選分離法二者可以一起使用。
[0023]如參考圖2-5將描述的，過濾器組件位于錯流過濾區(qū)(24)內(nèi)，并且包括與所述流體處理通路相鄰的膜表面，所述膜表面將所述流體處理通路與濾液室隔開。所述濾液室與過濾流體出口(16)流體連通。在運行中，料液進(jìn)入錯流過濾區(qū)(24)并且流動通過(即“錯流”)所述膜表面。一部分進(jìn)料穿過所述膜并且作為“濾液”進(jìn)入所述濾液室，所述濾液然后可以通過過濾流體出口(16)離開系統(tǒng)(10)。
[0024]圖2示出了本發(fā)明的實施方式，其中錯流過濾區(qū)(24)和顆粒沉降區(qū)(30)兩個都容納在共同的筒體(12)內(nèi)，并且所述膜表面包圍所述濾液室。雖然不要求，但所示的筒體(12)適合于作為水力旋流器操作。對于本說明書而言，術(shù)語“水力旋流器”是指至少部分地依靠通過渦流流體流產(chǎn)生的離心力而從流體混合物中分離成分的過濾裝置。如所示，所述系統(tǒng)(10)包括筒體(12)，所述筒體具有可卸式蓋(13)、流體入口(14)、過濾流體出口(16)、流出物出口(18)、工藝流體出口(20)和包圍以軸⑴為中心的腔室的內(nèi)周壁(22)。雖然描繪為包括單個腔室，但如結(jié)合圖4-5所述的也可以包括另外的腔室。類似地，也可以包括另外的流體入口和出口。雖然顯示為具有圓筒形上段和截頭圓錐形(frustro-conical)底部,但筒體(12)可以具有其他構(gòu)造,包括圓筒形形狀。
[0025]過濾器組件(26)優(yōu)選居中位于所述腔室內(nèi)并且與筒體(12)的內(nèi)周壁(22)等距間隔。如圖3A中最佳顯示的，組件(26)可包括圓筒形外膜表面(44)，所述外膜表面圍繞軸(X)對稱定位并且包圍與過濾流體出口(16)流體連通的濾液室(46)。雖然顯示為簡單的圓筒形狀，但可以使用其他構(gòu)造，包括階梯形和圓錐形過濾器。所述膜表面可以由多種材料制造，包括多孔聚合物、陶瓷和金屬。在一種實施方式中，所述膜比較薄，例如0.2-0.4mm,并且由下面的剛性框架或多孔載體(未顯示)支撐。代表性的例子在US2012/0010063中描述。膜表面(44)的孔尺寸(例如I至500微米)、形狀(例如V形、圓筒形、有槽縫的)和均勻性可以根據(jù)應(yīng)用而改變。在許多優(yōu)選的實施方式中，膜表面(44)包含耐腐蝕金屬(例如電鑄成形鎳網(wǎng))，其包括尺寸均一的孔，尺寸從5至200微米、或甚至從10至100微米。這樣的材料的代表性例子描述于:US7632416，US7896169，US2011/0120959，US 2011/0220586和US2012/0010063中，所述文獻(xiàn)的全部主題內(nèi)容通過引用并入本文中。對于本說明書而言，孔尺寸由跨所述孔的最短距離限定，使得它限制大于該尺寸的材料的通過。
[0026]返回圖2，流體處理通路(28)從流體入口(14)延伸并在腔室的內(nèi)周壁(22)與膜表面(44)之間限定渦流區(qū)(25)。在運行中，加壓的進(jìn)料流體(例如優(yōu)選4至120psi)經(jīng)由流體入口(14)進(jìn)入筒體(12)并沿著流體處理通路(28)流動，其在過濾器組件(26)周圍產(chǎn)生渦旋。離心力將較致密的材料推向筒體(12)的內(nèi)周壁(22)，而較不致密的液體徑向向內(nèi)流向過濾器組件(26)。該液體的一部分經(jīng)過膜表面(44)流入濾液室(46)中，并隨后可以作為“濾液”通過過濾流體出口(16)離開筒體(12)。剩余的“非濾液”從錯流過濾區(qū)(24)向下流動至顆粒沉降區(qū)(30)。流體流動減慢并且較致密的材料(例如顆粒)優(yōu)先向所述筒體(12)的中央下部沉降并且然后可以通過流出物出口(18)離開所述筒體。剩余液體(以下稱為“工藝流體”)向下流動并且可以經(jīng)由工藝流體出口(20)離開所述筒體(12)。如表示再循環(huán)回路的虛線圓(A)所示，工藝流體可以再循環(huán)回到流體入口(14)供進(jìn)一步處理。
[0027]所述系統(tǒng)(10)還可以包括清潔組件(50)，其用于從過濾器組件(26)的膜表面
(44)除去殘渣。代表性的實施方式在圖3B示出，其中組件(50)圍繞膜表面(44)同心定位并與膜表面(44)可旋轉(zhuǎn)地接合，并且包括徑向向外延伸的一個或多個輻條(52)。刷子
(54)從輻條(52)的末端向下延伸并接合(例如觸及或非常接近于)膜表面(44)。雖然顯示為刷子(54),但可以包括替代的清潔工具,包括刮板(wiper)、刮刀(squeegee)或刮凈器(scrapper)。大多數(shù)實施方式中使用2到50個刷子，并優(yōu)選18到24個刷子。如彎箭頭所表示，清潔組件(50)圍繞過濾器組件(26)旋轉(zhuǎn)，致使刷子(54)清掃膜基底(54)的表面并例如通過在所述表面附近產(chǎn)生紊流或通過直接接觸所述表面來除去殘渣。一個或多個葉片
(56)可以安裝在至少一個輻條(52)的末端，使得流入錯流過濾室(24)中的流體圍繞過濾器組件(26)轉(zhuǎn)動清潔組件(50)。圍繞過濾器組件均勻間隔的葉片(56)增加了清潔組件
(50)旋轉(zhuǎn)運動的穩(wěn)定性并可以幫助維持錯流過濾室(24)中的渦流流體流。雖然顯示為從膜表面(44)徑向向外延伸，但所述葉片可以偏斜(例如與徑向軸成-5°至-30°或5°至30° )以增加旋轉(zhuǎn)速度。在所述過濾器組件和清潔組件(26，50)之間可以使用軸承以在不阻礙渦流流體流下進(jìn)一步促進(jìn)旋轉(zhuǎn)。在未顯示的替代實施方式中，清潔組件(50)可以通過替代手段例如電動機(jī)、磁力等等來驅(qū)動。在又一種實施方式中，所述過濾器組件可以相對于固定的清潔組件移動。在再一種未顯示的實施方式中，所述清潔組件可以同心定位于周圍膜表面(44)內(nèi)以及可旋轉(zhuǎn)地接合所述周圍膜表面。在這種情況下，膜表面(44)也可以包圍流體處理通路(28)并且自身位于濾液室(46)內(nèi)。
[0028]可調(diào)整進(jìn)料流體入口壓力和過濾器組件(26)的周邊與筒體(12)的內(nèi)周壁(22)之間的間距以適合在腔室(24)內(nèi)產(chǎn)生并維持渦流流體流。為了進(jìn)一步促進(jìn)渦流流體流的產(chǎn)生和維持，流體入口(14)優(yōu)選將進(jìn)入的進(jìn)料流體引導(dǎo)到圍繞渦流室的切線路徑上，如圖2指示。即使按著這樣的切線路徑，加壓的進(jìn)料流體也可能直接沖擊過濾組件(26)的膜表面(44)并導(dǎo)致過早磨損或結(jié)垢——特別是對于具有高固體含量的進(jìn)料流體。為了保護(hù)膜表面(44)，入口流護(hù)罩(58)可以位于流體入口(14)和膜表面(44)之間，例如圍繞過濾器組件(26)同心定位。代表性實例在圖3C中示出。如所示的，護(hù)罩(58)優(yōu)選包含材料(例如塑料)的無孔圓筒形帶，其阻擋從流體入口(14)流入腔室(24)的至少一部分流體以避免直接沖擊(撞擊)膜表面(44)。所述帶可以由連續(xù)的材料環(huán)或通過獨立的弧形物形成。在優(yōu)選實施方式中，護(hù)罩(58)具有的高度接近于膜表面(44)的高度，致使護(hù)罩(58)和膜表面(44)形成同心圓筒。在優(yōu)選實施方式中，所述護(hù)罩可以可拆卸地安裝于清潔組件(50)上。作為非限制性例子，清潔組件(50)的葉片(56)可以包括用于接收護(hù)罩(58)的豎直狹槽(60)。
[0029]如圖4A、4B和5A所示，系統(tǒng)(10)還可以包括任選的管道(31)，所述管道包括位于顆粒沉降室(30)內(nèi)接近軸(X)(例如位于中央)的工藝流體入口(33)，所述工藝流體入口與工藝流體出口(20)流體連通。工藝流體入口(33)可以在它的入口處包括比管道(31)更寬的區(qū)域以促進(jìn)顆粒收集并且該較寬的區(qū)域可以傾斜。水力旋流器(10)還可以包括圍繞入口(33)(例如同心)定位的任選折流板(35)。折流板(35)通過阻擋直接通路來限制進(jìn)入入口(33)的固體量。通過阻擋來自渦流室(24)的直接或接近直線的流體通路，固體傾向于從進(jìn)入入口(33)的更動態(tài)流體流中沉降出來。在圖4A的實施方式中，軸(X)是豎直排列的并且流體入口(33)在顆粒沉降室(30)的中央附近豎直面朝上。在這種構(gòu)造中，流體處理通路(28)從錯流過濾室(24)沿著曲折路徑到達(dá)流體出口(20)。重要的是，所述路徑倒轉(zhuǎn)了路程，在管道(31)內(nèi)最初總的向下流動，然后向上，最后向下。沿著該通路的所述總流內(nèi)的顆粒傾向于被向下引到流出物出口(18)并且由于重力而不能逆轉(zhuǎn)流向。圖4B示出了另一種布置，其中入口(33)面朝下，并且折流板圍繞向上延伸的入口(33)同心定位。使用任選的折流板(35)提高了分離。雖然折流板(35)顯示為具有圓筒形或錐形結(jié)構(gòu)，但阻擋直接通路的其他結(jié)構(gòu)也可以使用。
[0030]圖4A和4B 二者示出了可以存在多于一個流出物開口(38，38’ )和相應(yīng)的流出物出口(18，18’)，供收集和濃縮基本上不同的顆粒物質(zhì)。在這些圖中，開口(38，38’)是對立地定向的?？梢赃x擇開口(38，38’ )在顆粒沉降室(30)內(nèi)的位置和定向，以分離平均密度不同(例如差至少0.05g/cc或甚至0.lg/cc)的固體或平均尺寸不同(直徑差至少50%)的顆粒。出自不同流出物出口(18，18’)之一或二者的材料可以經(jīng)受額外的不同后處理步驟。
[0031]在圖4B中，沉降區(qū)(30)位于共同的筒體(12)內(nèi)錯流過濾區(qū)(24)的上方。在這種實施方式中，下部的流出物開口(38)在濾液室(46)內(nèi)伸出并且所述流出物開口和濾液室二者均被圓筒形膜表面(44)包圍。
[0032]在圖4A和4B中，所述膜圓筒體的長度分別超過它的直徑和它直徑的兩倍。這種縱橫比對錯流和渦旋二者都具有意義，因為經(jīng)過更長的圓筒體長度難以維持相同的旋轉(zhuǎn)流。為了在這種幾何結(jié)構(gòu)中支持以高度錯流操作，可以利用若干選項。流體入口(14)可以被構(gòu)造成以可變的速率提供料液下行膜圓筒體的長度。旋轉(zhuǎn)清潔組件(50)的下游段上可以存在更多的刷子，以幫助維持旋轉(zhuǎn)流。刷子可以有角度，以增加與軸(X)平行的錯流速度。過濾室(24)的內(nèi)周邊可以有角度或加入體積填充插入物(43)，如圖4B所示，以在下游段在降低的流體流量下增加速度。由于沿著流體處理通路(28)的壓降，所述膜圓筒體的長的縱橫比對通量也具有負(fù)面意義。為了對抗膜表面(44)的上游和下游段之間濾液通量的不均勻性，所述濾液室可以分成具有分開的過濾流體出口(16)或其間具有流阻的隔離段，其中上游濾液段的壓力超過下游濾液段至少Ipsi和/或上游濾液段和下游濾液段之間的流阻超過跨所述膜(例如從流體通路28到濾液室(46))的流阻的至少50%。同樣為了減少所述圓筒體的上游和下游膜段之間的通量差，這些區(qū)域中所述膜表面的性質(zhì)可以不同，優(yōu)選利用在上游段具有較小孔的膜表面(44)。
[0033]圖5A示出了與圖2所顯示的相似的實施方式，但是另外包括位于錯流過濾區(qū)和顆粒沉降區(qū)(24，30)之間的渦流阻擋構(gòu)件(34)。阻擋構(gòu)件(34)有效地從所述區(qū)(24，30)當(dāng)中產(chǎn)生“室”。流動阻擋構(gòu)件(34)通過將錯流過濾室(24)和顆粒沉降室(30)之間的大部分流體流引導(dǎo)到鄰近于筒體(12)的內(nèi)周壁(22)的位置，來限制室(24，30)之間的流體流。渦流阻擋構(gòu)件(34)優(yōu)選設(shè)計成維持錯流過濾室(24)中的渦流流體流，同時允許顆粒沉降室(30)內(nèi)的流體速度降低。優(yōu)選地，渦流阻擋構(gòu)件(34)在流體從錯流過濾室(24)流入顆粒沉降室(30)中時，至少部分干擾渦流流體流(28)。在一個優(yōu)選實施方式中，渦流阻擋構(gòu)件(34)包括延伸到與筒體(12)的內(nèi)周壁(22)鄰近(例如在50mm、25mm或甚至1mm內(nèi))或接觸的位置的外周邊(40)，并且可以任選包括位于所述周邊(40)附近并延伸穿過它的多個孔(42)。孔(42)的大小與形狀沒有特別的限制，例如扇形、狹縫、橢圓形等等。一些代表性的例子在圖6A-B中示出。在又一種未示出的實施方式中，渦流阻擋構(gòu)件(34)可以包括不包含孔并且延伸到鄰近于(例如在50mm、25mm或甚至1mm內(nèi))筒體(12)的內(nèi)周壁
(22)的位置的外周邊。渦流阻擋構(gòu)件(34)被設(shè)計成控制流體流過所述筒體(12)的腔室，其中大部分(例如優(yōu)選至少50%、75%和在一些實施方式中至少90%)的體積流量優(yōu)先引導(dǎo)到筒體(12)的內(nèi)周壁(22)附近(例如在至少50mm、25mm或甚至1mm內(nèi))的位置。這表明，少部分(例如小于50%和更優(yōu)選小于75%和甚至更優(yōu)選小于90% )的所述流體流可以出現(xiàn)在其他位置，包括中央位置。盡管所示出的實施方式具有板或盤式構(gòu)造，但所述渦流阻擋構(gòu)件可以采取其他構(gòu)造，包括具有一定角度或彎曲表面的構(gòu)造，例如錐體或碗形。
[0034]圖5B示出了與圖5A中顯示的相似的實施方式，但是還包括位于顆粒沉降室(30)下面的流出物阻擋構(gòu)件(36)(在圖7中最佳顯示)，其適于將流體流從顆粒沉降室(30)引導(dǎo)到工藝流體出口(20)。流出物阻擋構(gòu)件(36)包括延伸到鄰近于筒體(12)的內(nèi)周壁(22)或與其接觸的位置的外周邊(40’ )并還可以包括位于周邊(40’ )附近并延伸穿過它的多個孔(42’)。在優(yōu)選實施方式中，渦流阻擋構(gòu)件(34)的孔(42)垂直偏離流出物阻擋構(gòu)件
(36)的孔(42’)。流出物阻擋構(gòu)件(36)還包括與流出物出口(18)流體連通的中央定位的流出物開口(38)，流出物可以通過所述流出物出口離開筒體(12)。
[0035]盡管在一種實施方式中，流出物阻擋構(gòu)件(36)包括扇形孔(42’)(參見圖8)，但其他形狀的孔包括圍繞外周邊(40’ )定位的徑向狹槽、有角度的狹槽和三角形開口(參見圖7)。類似地，對于渦流阻擋構(gòu)件(34)可以利用其他形狀的孔(42)。所述孔(42，42’)的形狀和尺寸可以設(shè)計成控制流體向下流過筒體(12)的室(24，30，32)，并且優(yōu)先將流引導(dǎo)到筒體(12)的內(nèi)周壁(22)。在這種情況下，少部分(例如小于50%和更優(yōu)選小于75%和還更優(yōu)選小于90% )的向下流(即對于流出物阻擋構(gòu)件(36)的非流出物流體)可以發(fā)生在其他位置，包括一個或這兩個阻擋構(gòu)件(42，36)的中央位置。在又一種未示出的實施方式中，渦流阻擋構(gòu)件(34)和流出物阻擋構(gòu)件(36)之一或二者可以包括不接觸筒體(12)的內(nèi)周壁(22)并且不包含孔的外周邊。實驗和模擬已經(jīng)顯示，將渦流阻擋構(gòu)件(34)和流出物阻擋構(gòu)件(36)之間的孔(42)偏置可產(chǎn)生區(qū)域(41)，其轉(zhuǎn)變?yōu)檎w中流體速度的平均正的向上分量，并且孔的這種偏置增大了分離效率。
[0036]圖4和5中示出的實施方式各自包括過濾器組件(26)，所述過濾器組件同心位于錯流過濾室(24)內(nèi)并且包圍濾液室(46)。濾液室(46)與過濾流體出口(16)流體連通。顆粒沉降室(30)位于下面(除了圖4B之外)并且與錯流過濾室(24)流體連通。顆粒沉降室(30)適合于從錯流過濾室(24)接收未過濾的流體。在圖5B的實施方式中，工藝流體室(32)進(jìn)而位于下面并且與顆粒沉降室(30)流體連通。工藝流體室(32)適合于從顆粒沉降室(30)接收工藝流體并且與工藝流體出口(20)流體連通，工藝流體可以通過所述工藝流體出口離開筒體(12)。
[0037]在運行中，加壓的進(jìn)料流體(例如優(yōu)選4至120psi)經(jīng)由流體入口(14)進(jìn)入筒體
(12)并沿著流體處理通路(28)流動，其在過濾器組件(26)周圍產(chǎn)生渦旋。離心力將較致密的材料推向筒體(12)的內(nèi)周壁(22)，而較不致密的液體徑向向內(nèi)流向過濾器組件(26)。該液體的一部分流過過濾器組件(26)進(jìn)入濾液室(46)中，并隨后可以作為“濾液”通過過濾流體出口(16)離開筒體(12)。剩余的“非濾液”從錯流過濾室(24)向下流到顆粒沉降室(30)。
[0038]在一些實施方式中，渦流阻擋構(gòu)件(34)存在并將大部分(例如優(yōu)選至少75%和在一些實施方式中至少90%)這樣的向下流引導(dǎo)到沿著筒體(12)的內(nèi)周壁(22)或鄰近于所述內(nèi)周壁的位置。這種布置被認(rèn)為幫助維持錯流過濾室(24)內(nèi)的渦流，同時在流體進(jìn)入顆粒沉降室(30)時干擾渦流。流體流在顆粒沉降室(30)中減慢并且較致密的材料(例如顆粒)優(yōu)先向流出物阻擋構(gòu)件(34)的中央沉降并進(jìn)入流出物開口(38)，然后可以通過流出物出口(18)離開所述筒體。在圖5B的實施方式中，顆粒沉降室(30)中的剩余液體(以下稱為“工藝流體”)向下流入工藝流體室(32)。流出物阻擋構(gòu)件(36)將所述顆粒沉降室和工藝流體室(30，32)之間的大部分(例如優(yōu)選至少75%和在一些實施方式中至少90% )流體流引導(dǎo)到沿著或鄰近于筒體(12)的內(nèi)周壁(22)的位置，即穿過孔(42’)。
[0039]在優(yōu)選實施方式中，顆粒沉降室(30)中的流體處理通路(28)包括大多數(shù)顆粒通過的區(qū)域(41)，在其中引起最初向流出物出口(18)移動的總流體減速并從流出物出口
(18)離開。例如，轉(zhuǎn)變?yōu)榭偭鞯南蛏戏至靠纱龠M(jìn)顆粒在重力下分離和沉降。在圖4A、4B和5A中，可以在這樣的區(qū)域(41)處產(chǎn)生向上或向下的加速。
[0040]系統(tǒng)(10)還可以包括閥(37)，用于從顆粒沉降室(30)中選擇性除去流出物。優(yōu)選地，閥(37)適合在關(guān)閉位置和開放位置之間交替，所述關(guān)閉位置限制從流出物出口(18)流出并在顆粒沉降室(30)內(nèi)產(chǎn)生靜止區(qū)，所述開放位置通過流出物出口(18)從所述靜止區(qū)清除流出物。所述靜止區(qū)優(yōu)選位于鄰近流出物出口(18)并且在顆粒沉降室(30)的工藝流體入口(33)處具有小于總體流速的I %的平均流速。優(yōu)選地，所述靜止區(qū)占至少2x2x2cm3的立方區(qū)域，以限制顆粒離開。還優(yōu)選所述靜止區(qū)占所述顆粒沉降區(qū)體積的至少25%。
[0041]閥(37)優(yōu)選基于測量值(例如在顆粒沉降區(qū)(30)或再循環(huán)回路(A)中的實測濃度)、或基于周期性定時而自動化開放。閥(37)優(yōu)選大部分時間在關(guān)閉位置，并且這可以超過所述時間的90 %或95 %或甚至99 %。所述閥關(guān)閉期間的時間間隔優(yōu)選超過Imin、5min、或甚至15min。開放之間的時間越長就使得所述靜止區(qū)內(nèi)的固體蓄積越多。從所述顆粒沉降區(qū)通過所述流出物出口排出的固體水平可以超過10重量％、25%重量％或甚至50重量％。這可以是通過進(jìn)料泵(Y)供應(yīng)的液體的濃度的至少100倍。
[0042]閥(37)優(yōu)選在比200微米球(密度1.09g/cc)在所述靜止區(qū)中的平均停留時間更短的時間間隔之后打開。優(yōu)選操作所述系統(tǒng)，致使當(dāng)所述閥關(guān)閉時，200微米球狀顆粒(密度1.09g/CC)在鄰近流出物出口(18)的靜止區(qū)中的平均停留時間超過I分鐘，或甚至5分鐘。優(yōu)選地，與直徑等于平均膜孔尺寸的類似的球(1.09g/cc)相比，200微米球在通過沉降室(30)期間，在靜止區(qū)中被捕獲超過5分鐘的可能性為至少兩倍，或甚至五倍。為了這些測量，具有范圍廣泛的尺寸和密度的球狀顆?？梢缘米訡osphereic (Santa Barbara, CA)。
[0043]當(dāng)過濾器組件(26)和顆粒沉降室(30)在再循環(huán)回路內(nèi)串聯(lián)時，組合使用與膜表面(44)連續(xù)接合的清潔組件(50)是特別有利的。實驗已經(jīng)證明了顆粒沉降區(qū)(30)中顆粒的除去強烈取決于粒度。對于50微米的顆粒，去除效率可能低。在過濾期間，顆?？梢跃劢Y(jié)和/或壓緊，然后由所述清潔組件除去，在顆粒沉降室(30)中增加它們的去除速率。通過提供連續(xù)驅(qū)除顆粒的旋轉(zhuǎn)型清潔組件(50)，顆粒的尺寸可以充分增加，同時仍然維持高通量率。這對于高度回收操作特別重要，例如包括固體大于0.2,0.5或I質(zhì)量％的液體混合物的那些操作。
[0044]由于連續(xù)清潔、高度再循環(huán)、通過顆粒沉降區(qū)除去和濃縮顆粒、以及在過濾區(qū)和顆粒沉降區(qū)二者中比較低的回收率，所述系統(tǒng)可在高固分下運行良好。在運行中，所述系統(tǒng)優(yōu)選以平均體積回收率為至少85%、90%、95%或甚至99% (即作為濾液穿過所述膜離開系統(tǒng)的液體分率)運行。
[0045]當(dāng)系統(tǒng)包括串聯(lián)的過濾區(qū)和顆粒沉降區(qū)二者時，利用進(jìn)料泵(Y)和循環(huán)泵(Z) 二者也是有利的。因為每程通過所述沉降室具有比較低的顆?；厥章?，所以平均需要數(shù)程通過所述兩個區(qū)來除去每個顆粒。在所述過濾區(qū)內(nèi)，過濾區(qū)入口處的外加壓力必須超過跨膜壓，并且當(dāng)系統(tǒng)被設(shè)計用于較高的跨膜壓時，更容易達(dá)到沿著所述流體處理通路的均勻通量。因為與每個運行區(qū)和程有關(guān)的壓降是累計的，所以根據(jù)單個泵設(shè)計的系統(tǒng)通過每程的再加壓可具有顯著的效率損失。相比之下，如果進(jìn)料泵(Y)被用于向由第二個泵(Z)驅(qū)動的加壓再循環(huán)回路提供加壓液體，則避免了連續(xù)程上與向跨膜壓和任何濾液背壓的再加壓有關(guān)的能量損失。所述循環(huán)泵只需要供應(yīng)能量來驅(qū)動流體通過所述再循環(huán)回路，并且在一些實施方式中，在膜表面(44)和清潔組件(50)之間產(chǎn)生相對運動。當(dāng)循環(huán)泵(Z)驅(qū)動一定體積的液體通過所述再循環(huán)回路，所述體積是通過進(jìn)料泵(Y)引入到所述再循環(huán)回路的料液體積的至少兩倍、更優(yōu)選至少三倍時，利用分開的泵提供壓力和體積需要是特別有利的。因為由多程通過所述連續(xù)清潔組件和顆粒沉降區(qū)提供的進(jìn)一步協(xié)同效應(yīng)，所以雙泵布置是更加有利的。
[0046]在另一種實施方式中，所述系統(tǒng)可以包括與共同的循環(huán)泵(Z)并聯(lián)結(jié)合在一起的多個顆粒沉降區(qū)(30)和/或過濾區(qū)(24)。循環(huán)泵(Z)可以同時驅(qū)動流過所述再循環(huán)回路內(nèi)的兩個或更多個并聯(lián)過濾器組件(26)。類似地，所述循環(huán)泵可以驅(qū)動流過再循環(huán)回路(A)內(nèi)的兩個或更多個沉降室(30)。優(yōu)選地，循環(huán)泵(Z)驅(qū)動流過并聯(lián)的筒體(12)，所述筒體包含過濾器組件(26)和沉降室(30) 二者。加壓的再循環(huán)回路(A)可以由共同的進(jìn)料泵(Y)進(jìn)給。
[0047]因為顆?？梢酝ㄟ^多程通過所述系統(tǒng)而除去，因而本發(fā)明特別有利。所述過濾區(qū)優(yōu)選在回收率小于50%、25%或甚至10%下運行，允許高錯流速度和高清潔速率二者。(雖然清潔是連續(xù)進(jìn)行的，但在所述膜上的任何給定位置，所述可旋轉(zhuǎn)清潔組件的不連續(xù)接合之間存在短的時間。)在通過沉降室的給定程內(nèi)的顆粒也具有比較低的除去概率。例如，200微米塑料球(密度1.09)可以在給定的程中除去的概率可以小于30%，或甚至小于10%。
[0048]如前面所述，通過利用循環(huán)泵最小化了來自連續(xù)程的壓力損失。這是特別重要的，因為跨所述膜(從流體處理通路到濾液區(qū))的壓降可能因此是由進(jìn)料泵提供的壓力的一小部分，小于或甚至10%。在優(yōu)選實施方式中，由進(jìn)料泵提供的壓力的至少50%、更優(yōu)選80%用于驅(qū)動下游的操作(例如微濾、超濾、納濾、或反滲透)。在流體處理通路(28)上錯流過濾區(qū)(24)對立端處的位置之間的壓降也優(yōu)選是小的，例如小于由進(jìn)料泵(Y)供應(yīng)的壓力的20%、10%或1%。
[0049]與以往的設(shè)計相比，本發(fā)明所述分離系統(tǒng)提供了優(yōu)異的分離效率。這樣的效率使得所述系統(tǒng)可用于更廣泛的應(yīng)用中，特別是在工藝流體被再循環(huán)和任選地與補充的進(jìn)料流體共混的實施方式中。在某些優(yōu)選實施方式中，在單一裝置內(nèi)使進(jìn)料流體經(jīng)歷多個分離過程的協(xié)同組合。具體而言，對進(jìn)料流體進(jìn)行至少部分地基于密度的旋流分離，使較致密的物質(zhì)(例如，顆粒、液體)被推向筒體的內(nèi)周邊。通過過濾器組件的流體另外進(jìn)行錯流過濾。所述入口進(jìn)料護(hù)罩防止用于錯流過濾的膜經(jīng)受由于與旋流分離有關(guān)的進(jìn)料壓力和進(jìn)料含量造成的過度磨損或結(jié)垢。本文中參考文獻(xiàn)提到的美國專利每一個的全部主題內(nèi)容通過引用完全并入本文。
【權(quán)利要求】
1.錯流過濾系統(tǒng)(10)，所述系統(tǒng)包括: 與顆粒沉降區(qū)(30)流體連通的錯流過濾區(qū)(24)； 與所述區(qū)之一流體連通的流體入口(14)和與另一個區(qū)流體連通的工藝流體出口(20)； 從流體入口(14)延伸通過所述錯流過濾區(qū)和顆粒沉降區(qū)(24，30)并到達(dá)工藝流體出口(20)的流體處理通路(28)； 過濾器組件(26)，其位于錯流過濾區(qū)(24)內(nèi)并且包括將濾液室(46)與流體處理通路(28)隔開的膜表面(44)，其中所述濾液室(46)與過濾流體出口(16)流體連通； 可移動地與膜表面(44)接合的清潔組件(50)； 與工藝流體出口(20)和流體入口(14)流體連通的循環(huán)泵(Z)； 包括流體處理通路(28)和循環(huán)泵(Z)的可加壓再循環(huán)回路(A)，其中所述循環(huán)泵(Z)適合于加壓驅(qū)動通過再循環(huán)回路(A)； 適合于將料液引入所述系統(tǒng)(10)的進(jìn)料泵⑴；和 與顆粒沉降區(qū)(30)流體連通的流出物出口(18)； 其中進(jìn)料泵(Y)、流出物出口(18)、和過濾流體出口(16)位于再循環(huán)回路㈧之外。
2.權(quán)利要求1的系統(tǒng)(10)，其中所述循環(huán)泵(Z)適合于驅(qū)動至少兩倍體積的由進(jìn)料泵(Y)引入的液體通過再循環(huán)回路(A)，并且其中進(jìn)料泵(Y)適合于提供比由循環(huán)泵(Z)提供的更大的壓力增加。
3.權(quán)利要求1的系統(tǒng)(10)，其還包含可在關(guān)閉位置和開放位置之間移動的閥(37)，所述關(guān)閉位置限制來自顆粒沉降區(qū)(30)的流出物的流動，所述開放位置允許流出物通過流出物出口(18)從顆粒沉降區(qū)(30)離開系統(tǒng)(10)。
4.權(quán)利要求1的系統(tǒng)(10)，其中錯流過濾區(qū)(24)和顆粒沉降區(qū)(30)沿著流體處理通路(28)串聯(lián)布置，顆粒沉降區(qū)(30)位于錯流過濾區(qū)(24)的下游。
5.權(quán)利要求4的系統(tǒng)(10)，其還包含筒體(12)，所述筒體包括圍繞所述錯流過濾區(qū)和顆粒沉降區(qū)(24，30)的內(nèi)周壁(22)，其中: 所述錯流過濾區(qū)和顆粒沉降區(qū)(24，30)沿著軸(X)順序排列； 膜表面(44)圍繞軸(X)對稱定位； 清潔組件(50)圍繞所述膜表面(44)同心定位并且與所述膜表面(44)可旋轉(zhuǎn)地接合；和 流體處理通路(28)從流體入口(14)起并且在錯流過濾區(qū)(24)的內(nèi)周壁(22)與膜表面(44)之間延伸，并進(jìn)一步延伸到顆粒沉降區(qū)(30)中以通過工藝流體出口(20)離開筒體(12);和 流出物通路(29)從顆粒沉降區(qū)(30)延伸并且通過流出物出口(18)離開筒體(12)。
6.權(quán)利要求5的系統(tǒng)(10)，其中所述流體處理通路(28)包括位于筒體(12)的內(nèi)周壁(22)與膜表面(44)之間的渦流區(qū)(25)，所述渦流區(qū)(25)適合于接收進(jìn)入的液體并且在過濾器組件(26)周圍產(chǎn)生渦流流體流。
7.權(quán)利要求6的系統(tǒng)(10)，其還包含流動阻擋構(gòu)件(34)，所述流動阻擋構(gòu)件(34)位于所述錯流過濾區(qū)和顆粒沉降區(qū)(24，30)之間并分別限定錯流過濾室(24)和顆粒沉降室(30)。
8.權(quán)利要求7的系統(tǒng)(10)，其中所述流動阻擋構(gòu)件(34)將在錯流過濾室(24)與顆粒沉降室(30)之間的大部分流體流引導(dǎo)到鄰近于筒體(12)的內(nèi)周壁(22)的位置。
9.權(quán)利要求7的系統(tǒng)(10)，其中所述流動阻擋構(gòu)件(34)干擾來自錯流過濾室(24)和顆粒沉降室(30)的渦流流體流。
10.權(quán)利要求5的系統(tǒng)(10)，其還包含管道(31)，所述管道包括位于顆粒沉降室(30)的軸(X)附近的工藝流體入口(33)，所述工藝流體入口與工藝流體出口(18)流體連通。
【文檔編號】B04C5/22GK104334246SQ201380028972
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月1日
【發(fā)明者】S·D·瓊斯, J·H·馬拉德 申請人:陶氏環(huán)球技術(shù)有限責(zé)任公司