CN104334246B - 包括颗粒沉降区的错流过滤*** - Google Patents
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Abstract
错流过滤***和相应的从液体中分离颗粒物质的方法。代表性的***包括与颗粒沉降区(30)流体连通的错流过滤区(24)并且还包括与所述区之一流体连通的流体入口(14)和与另一个区流体连通的工艺流体出口(20)。流体处理通路(28)从流体入口(14)延伸通过所述错流过滤区和颗粒沉降区(24，30)到达工艺流体出口(20)。过滤器组件(26)位于错流过滤区(24)内并且包括将滤液室(46)与流体处理通路(28)隔开的膜表面(44)，并且所述滤液室(46)与过滤流体出口(16)流体连通。循环泵(Z)与工艺流体出口(20)和流体入口(14)流体连通。可加压再循环回路(A)包括流体处理通路(28)和循环泵(Z)，并且所述循环泵(Z)适合于加压驱动通过再循环回路(A)。进料泵(Y)适合于将料液引入***(10)；并且流出物出口(18)与颗粒沉降区(30)流体连通。进料泵(Y)、流出物出口(18)、和过滤流体出口(16)位于再循环回路(A)之外。
Description
技术领域
本发明总的涉及用于从液体中分离颗粒物质的错流过滤组件。
背景技术
已经利用各种技术，包括凝聚、絮凝、沉降、过滤和旋流分离从液体中分离悬浮颗粒。例如，在典型的水力旋流器实施方式中，加压的进料液体在腔室内产生旋涡的条件下被引入成圆锥形的腔室中。进料液体靠近圆锥形腔室的顶部引入，而流出物流靠近底部排出。与涡流相关的离心力将更致密的颗粒推向腔室的周边。其结果是，位于靠近涡流中心的液体比在周边的液体具有更低的颗粒浓度。然后可以从水力旋流器的中心区域抽取这种“较清洁”的液体。在US3061098、US3529544、US 4414112、US5104520、US5407584、US5466384和US5478484中描述了水力旋流器的实例。可以通过在腔室之中包括过滤器以使得流向腔室中心的一部分液体通过该过滤器而提高分离效率。在这样的实施方式中，旋流分离与错流过滤相结合。在US7632416、US7896169、US8201697、US 2012/0010063、US2013/0126421和DE10001737、DE4420760中描述了这样的实施方式的实例。
尺寸和分离效率是任何给定的分离***的限制因素。例如，虽然絮凝和沉降技术是比较能量有效的，但它们通常需要沉降池和长分离时间。水力旋流器提供较小的占用空间，但具有较高的能量需求并且在除去小颗粒物质上的有效性较低。错流过滤***是小型的并且产生高质量分离，但是易于结垢并且是能量密集型的。寻求提供包括总体尺寸和分离效率在内的属性的平衡改进的新***。
发明内容
本发明包括错流过滤***和相应的从液体中分离颗粒物质的方法。代表性的***包括与颗粒沉降区流体连通的错流过滤区。所述***还包括：与所述区之一流体连通的流体入口(14)和与另一个区流体连通的工艺流体出口(20)。流体处理通路(28)从流体入口(14)延伸通过所述错流过滤和颗粒沉降区(24，30)到达工艺流体出口(20)。过滤器组件(26)位于错流过滤区(24)内并且包括将滤液室(46)与流体处理通路(28)隔开的膜表面(44)，并且所述滤液室(46)与过滤流体出口(16)流体连通。循环泵(Z)与工艺流体出口(20)和流体入口(14)流体连通。可加压再循环回路(A)包括流体处理通路(28)和循环泵(Z)，并且所述循环泵(Z)适合于加压驱动通过再循环回路(A)。进料泵(Y)适合于将料液引入***(10)；并且流出物出口(18)与颗粒沉降区(30)流体连通。进料泵(Y)、流出物出口(18)、和过滤流体出口(16)位于再循环回路(A)之外。
本发明在处理造纸厂产生的纸浆流出物、油气回收产生的工艺水和市政和工业废水中具有特别的效用。
附图说明
通过参考下面的描述连同附图可以更好地理解本发明的各个方面，其中在各种视图中始终使用类似的附图标记来指示类似的部件。该描述是说明性的，而不是意在按规定比例或者以其他方式限制本发明。
图1A-F是本发明的替代实施方式的示意图。
图2是显示本发明的一种实施方式的横截面图。
图3A是代表性过滤器组件的部分剖视图。
图3B是包括清洁组件的图3A过滤器的透视图。
图3C是包括入口流护罩的图3B组件的透视图。
图4A和B是显示本发明其他实施方式的横截面图。
图5A和B是显示本发明的又一个其他实施方式的横截面图。
图6A和B是涡流阻挡构件的实施方式的透视图。
图7A、B和C是流出物阻挡构件的各种实施方式的透视图。
图8是包括涡旋和流出物阻挡构件的筒体的替代实施方式的分解透视图。
具体实施方式
本发明包括用于从液体中分离颗粒物质的错流过滤***和利用这样的***的方法。术语“***”是指部件的互连组件。在一种实施方式中，本发明在加压再循环回路内将错流过滤和颗粒沉降相结合。颗粒沉降可以包括基于颗粒与水的密度差来浮选或沉降。在优选实施方式中，所述***还结合了旋流分离。
代表性***(10)在图1A-F中示意性地示出，其包括与颗粒沉降区(30)流体连通的可加压错流过滤区(24)。如名称所暗示的，错流过滤发生在错流过滤区(24)，例如通过使进料流体通过膜表面。类似地，颗粒沉降发生在颗粒沉降区(30)。区(24，30)沿着流体处理通路顺序排列。在优选实施方式中，颗粒沉降区(30)位于错流过滤区(24)的下游，如图1A、C和F所示(其中“下游”定义为在相对于另一个区更低压力下运行的区)。或者，错流过滤区(24)可以位于颗粒沉降区(30)的下游，如图1B、D和E所示。虽然显示为包括两个区，但可以包括另外的分离区。区(24，30)可以位于分开的可加压模块或容器中，或容纳在共同的可加压筒体内。在结合图2描述的一种实施方式中，两个区(24，30)都位于共同的筒体(12)内。
***(10)还包括：与所述区(例如图1A中的错流过滤区(24)和图1B中的颗粒沉降区(30))之一流体连通的流体入口(14)，和与另一个区流体连通的工艺流体出口(20)。流出物出口(18)也与颗粒沉降区(30)流体连通。流体处理通路从流体入口(14)延伸通过错流过滤区(30)和颗粒沉降区(30)到达工艺流体出口(20)。虽然未显示，但***(10)可以包括另外的入口和出口。
所述***包括与工艺流体出口(20)和流体入口(14)流体连通的循环泵(Z)。循环泵(Z)与工艺流体出口(20)、流体入口(14)和流体处理通路(28)一起共同地定可加压再循环回路(A)。
***(10)还包括适合于将待处理的加压液体混合物(进料)引入到再循环回路(A)中的进料泵(Y)。图1A和1B显示了将料液混合物通过相邻的连接点(15)引入流体入口(14)。图1C至1F显示了其他设计，其中循环泵(Z)相对于进料泵(Y)、错流过滤区(24)和颗粒沉降区(30)位于回路(A)内的不同位置。虽然未显示，但***(10)可以包括另外的泵和相应的阀来促进液体和固体的移动。虽然与再循环回路(A)流体连通，但进料泵(Y)、流出物出口(18)和过滤流体出口(16)位于再循环回路(A)之外并且对于回路(A)仅仅充当单向入口和出口。在优选实施方式中，循环泵(Z)适合于驱动至少两倍体积的由进料泵(Y)引入的液体通过再循环回路(A)。在另一种实施方式中，进料泵(Y)适合于提供比循环泵(Z)提供的更高的压力增加。
颗粒沉降区(30)适合于在进料混合物流过所述区时促进固体与液体的分离。在优选实施方式中，固体通过当流体流过所述区(30)时发生的重力和摩擦阻力而与液体分离。大而致密的颗粒物质沉降出流体流并且可以通过流出物出口(18)离开颗粒沉降区(30)，而剩余的液体混合物或者如图1A所示作为工艺流体通过工艺流体出口(20)离开、或者如图1B所示向下游流动到达错流过滤区(24)。在一种替代实施方式中，较低密度颗粒可在颗粒沉降区(30)的高位区域中蓄积以便除去，并且沉降和浮选分离法二者可以一起使用。
如参考图2-5将描述的，过滤器组件位于错流过滤区(24)内，并且包括与所述流体处理通路相邻的膜表面，所述膜表面将所述流体处理通路与滤液室隔开。所述滤液室与过滤流体出口(16)流体连通。在运行中，料液进入错流过滤区(24)并且流动通过(即“错流”)所述膜表面。一部分进料穿过所述膜并且作为“滤液”进入所述滤液室，所述滤液然后可以通过过滤流体出口(16)离开***(10)。
图2示出了本发明的实施方式，其中错流过滤区(24)和颗粒沉降区(30)两个都容纳在共同的筒体(12)内，并且所述膜表面包围所述滤液室。虽然不要求，但所示的筒体(12)适合于作为水力旋流器操作。对于本说明书而言，术语“水力旋流器”是指至少部分地依靠通过涡流流体流产生的离心力而从流体混合物中分离成分的过滤装置。如所示，所述***(10)包括筒体(12)，所述筒体具有可卸式盖(13)、流体入口(14)、过滤流体出口(16)、流出物出口(18)、工艺流体出口(20)和包围以轴(X)为中心的腔室的内周壁(22)。虽然描绘为包括单个腔室，但如结合图4-5所述的也可以包括另外的腔室。类似地，也可以包括另外的流体入口和出口。虽然显示为具有圆筒形上段和截头圆锥形(frustro-conical)底部，但筒体(12)可以具有其他构造，包括圆筒形形状。
过滤器组件(26)优选居中位于所述腔室内并且与筒体(12)的内周壁(22)等距间隔。如图3A中最佳显示的，组件(26)可包括圆筒形外膜表面(44)，所述外膜表面围绕轴(X)对称定位并且包围与过滤流体出口(16)流体连通的滤液室(46)。虽然显示为简单的圆筒形状，但可以使用其他构造，包括阶梯形和圆锥形过滤器。所述膜表面可以由多种材料制造，包括多孔聚合物、陶瓷和金属。在一种实施方式中，所述膜比较薄，例如0.2-0.4mm，并且由下面的刚性框架或多孔载体(未显示)支撑。代表性的例子在US2012/0010063中描述。膜表面(44)的孔尺寸(例如1至500微米)、形状(例如V形、圆筒形、有槽缝的)和均匀性可以根据应用而改变。在许多优选的实施方式中，膜表面(44)包含耐腐蚀金属(例如电铸成形镍网)，其包括尺寸均一的孔，尺寸从5至200微米、或甚至从10至100微米。这样的材料的代表性例子描述于：US7632416，US7896169，US2011/0120959，US 2011/0220586和US2012/0010063中，所述文献的全部主题内容通过引用并入本文中。对于本说明书而言，孔尺寸由跨所述孔的最短距离限定，使得它限制大于该尺寸的材料的通过。
返回图2，流体处理通路(28)从流体入口(14)延伸并在腔室的内周壁(22)与膜表面(44)之间限定涡流区(25)。在运行中，加压的进料流体(例如优选4至120psi)经由流体入口(14)进入筒体(12)并沿着流体处理通路(28)流动，其在过滤器组件(26)周围产生涡旋。离心力将较致密的材料推向筒体(12)的内周壁(22)，而较不致密的液体径向向内流向过滤器组件(26)。该液体的一部分经过膜表面(44)流入滤液室(46)中，并随后可以作为“滤液”通过过滤流体出口(16)离开筒体(12)。剩余的“非滤液”从错流过滤区(24)向下流动至颗粒沉降区(30)。流体流动减慢并且较致密的材料(例如颗粒)优先向所述筒体(12)的中央下部沉降并且然后可以通过流出物出口(18)离开所述筒体。剩余液体(以下称为“工艺流体”)向下流动并且可以经由工艺流体出口(20)离开所述筒体(12)。如表示再循环回路的虚线圆(A)所示，工艺流体可以再循环回到流体入口(14)供进一步处理。
所述***(10)还可以包括清洁组件(50)，其用于从过滤器组件(26)的膜表面(44)除去残渣。代表性的实施方式在图3B示出，其中组件(50)围绕膜表面(44)同心定位并与膜表面(44)可旋转地接合，并且包括径向向外延伸的一个或多个辐条(52)。刷子(54)从辐条(52)的末端向下延伸并接合(例如触及或非常接近于)膜表面(44)。虽然显示为刷子(54)，但可以包括替代的清洁工具，包括刮板(wiper)、刮刀(squeegee)或刮净器(scrapper)。大多数实施方式中使用2到50个刷子，并优选18到24个刷子。如弯箭头所表示，清洁组件(50)围绕过滤器组件(26)旋转，致使刷子(54)清扫膜基底(54)的表面并例如通过在所述表面附近产生紊流或通过直接接触所述表面来除去残渣。一个或多个叶片(56)可以安装在至少一个辐条(52)的末端，使得流入错流过滤室(24)中的流体围绕过滤器组件(26)转动清洁组件(50)。围绕过滤器组件均匀间隔的叶片(56)增加了清洁组件(50)旋转运动的稳定性并可以帮助维持错流过滤室(24)中的涡流流体流。虽然显示为 从膜表面(44)径向向外延伸，但所述叶片可以偏斜(例如与径向轴成-5°至-30°或5°至30°)以增加旋转速度。在所述过滤器组件和清洁组件(26，50)之间可以使用轴承以在不阻碍涡流流体流下进一步促进旋转。在未显示的替代实施方式中，清洁组件(50)可以通过替代手段例如电动机、磁力等等来驱动。在又一种实施方式中，所述过滤器组件可以相对于固定的清洁组件移动。在再一种未显示的实施方式中，所述清洁组件可以同心定位于周围膜表面(44)内以及可旋转地接合所述周围膜表面。在这种情况下，膜表面(44)也可以包围流体处理通路(28)并且自身位于滤液室(46)内。
可调整进料流体入口压力和过滤器组件(26)的周边与筒体(12)的内周壁(22)之间的间距以适合在腔室(24)内产生并维持涡流流体流。为了进一步促进涡流流体流的产生和维持，流体入口(14)优选将进入的进料流体引导到围绕涡流室的切线路径上，如图2指示。即使按着这样的切线路径，加压的进料流体也可能直接冲击过滤组件(26)的膜表面(44)并导致过早磨损或结垢——特别是对于具有高固体含量的进料流体。为了保护膜表面(44)，入口流护罩(58)可以位于流体入口(14)和膜表面(44)之间，例如围绕过滤器组件(26)同心定位。代表性实例在图3C中示出。如所示的，护罩(58)优选包含材料(例如塑料)的无孔圆筒形带，其阻挡从流体入口(14)流入腔室(24)的至少一部分流体以避免直接冲击(撞击)膜表面(44)。所述带可以由连续的材料环或通过独立的弧形物形成。在优选实施方式中，护罩(58)具有的高度接近于膜表面(44)的高度，致使护罩(58)和膜表面(44)形成同心圆筒。在优选实施方式中，所述护罩可以可拆卸地安装于清洁组件(50)上。作为非限制性例子，清洁组件(50)的叶片(56)可以包括用于接收护罩(58)的竖直狭槽(60)。
如图4A、4B和5A所示，***(10)还可以包括任选的管道(31)，所述管道包括位于颗粒沉降室(30)内接近轴(X)(例如位于中央)的工艺流体入口(33)，所述工艺流体入口与工艺流体出口(20)流体 连通。工艺流体入口(33)可以在它的入口处包括比管道(31)更宽的区域以促进颗粒收集并且该较宽的区域可以倾斜。水力旋流器(10)还可以包括围绕入口(33)(例如同心)定位的任选折流板(35)。折流板(35)通过阻挡直接通路来限制进入入口(33)的固体量。通过阻挡来自涡流室(24)的直接或接近直线的流体通路，固体倾向于从进入入口(33)的更动态流体流中沉降出来。在图4A的实施方式中，轴(X)是竖直排列的并且流体入口(33)在颗粒沉降室(30)的中央附近竖直面朝上。在这种构造中，流体处理通路(28)从错流过滤室(24)沿着曲折路径到达流体出口(20)。重要的是，所述路径倒转了路程，在管道(31)内最初总的向下流动，然后向上，最后向下。沿着该通路的所述总流内的颗粒倾向于被向下引到流出物出口(18)并且由于重力而不能逆转流向。图4B示出了另一种布置，其中入口(33)面朝下，并且折流板围绕向上延伸的入口(33)同心定位。使用任选的折流板(35)提高了分离。虽然折流板(35)显示为具有圆筒形或锥形结构，但阻挡直接通路的其他结构也可以使用。
图4A和4B二者示出了可以存在多于一个流出物开口(38，38’)和相应的流出物出口(18，18’)，供收集和浓缩基本上不同的颗粒物质。在这些图中，开口(38，38’)是对立地定向的。可以选择开口(38，38’)在颗粒沉降室(30)内的位置和定向，以分离平均密度不同(例如差至少0.05g/cc或甚至0.1g/cc)的固体或平均尺寸不同(直径差至少50％)的颗粒。出自不同流出物出口(18，18’)之一或二者的材料可以经受额外的不同后处理步骤。
在图4B中，沉降区(30)位于共同的筒体(12)内错流过滤区(24)的上方。在这种实施方式中，下部的流出物开口(38)在滤液室(46)内伸出并且所述流出物开口和滤液室二者均被圆筒形膜表面(44)包围。
在图4A和4B中，所述膜圆筒体的长度分别超过它的直径和它直径的两倍。这种纵横比对错流和涡旋二者都具有意义，因为经过更长的圆筒体长度难以维持相同的旋转流。为了在这种几何结构中支持以高度错流操作，可以利用若干选项。流体入口(14)可以被构造成以可变的 速率提供料液下行膜圆筒体的长度。旋转清洁组件(50)的下游段上可以存在更多的刷子，以帮助维持旋转流。刷子可以有角度，以增加与轴(X)平行的错流速度。过滤室(24)的内周边可以有角度或加入体积填充***物(43)，如图4B所示，以在下游段在降低的流体流量下增加速度。由于沿着流体处理通路(28)的压降，所述膜圆筒体的长的纵横比对通量也具有负面意义。为了对抗膜表面(44)的上游和下游段之间滤液通量的不均匀性，所述滤液室可以分成具有分开的过滤流体出口(16)或其间具有流阻的隔离段，其中上游滤液段的压力超过下游滤液段至少1psi和/或上游滤液段和下游滤液段之间的流阻超过跨所述膜(例如从流体通路28到滤液室(46))的流阻的至少50％。同样为了减少所述圆筒体的上游和下游膜段之间的通量差，这些区域中所述膜表面的性质可以不同，优选利用在上游段具有较小孔的膜表面(44)。
图5A示出了与图2所显示的相似的实施方式，但是另外包括位于错流过滤区和颗粒沉降区(24，30)之间的涡流阻挡构件(34)。阻挡构件(34)有效地从所述区(24，30)当中产生“室”。流动阻挡构件(34)通过将错流过滤室(24)和颗粒沉降室(30)之间的大部分流体流引导到邻近于筒体(12)的内周壁(22)的位置，来限制室(24，30)之间的流体流。涡流阻挡构件(34)优选设计成维持错流过滤室(24)中的涡流流体流，同时允许颗粒沉降室(30)内的流体速度降低。优选地，涡流阻挡构件(34)在流体从错流过滤室(24)流入颗粒沉降室(30)中时，至少部分干扰涡流流体流(28)。在一个优选实施方式中，涡流阻挡构件(34)包括延伸到与筒体(12)的内周壁(22)邻近(例如在50mm、25mm或甚至10mm内)或接触的位置的外周边(40)，并且可以任选包括位于所述周边(40)附近并延伸穿过它的多个孔(42)。孔(42)的大小与形状没有特别的限制，例如扇形、狭缝、椭圆形等等。一些代表性的例子在图6A-B中示出。在又一种未示出的实施方式中，涡流阻挡构件(34)可以包括不包含孔并且延伸到邻近于(例如在50mm、25mm或甚至10mm内)筒体(12)的内周壁(22)的位置的外周边。涡流阻挡构件(34)被设计成控制流体流过所述筒体(12)的腔室，其 中大部分(例如优选至少50％、75％和在一些实施方式中至少90％)的体积流量优先引导到筒体(12)的内周壁(22)附近(例如在至少50mm、25mm或甚至10mm内)的位置。这表明，少部分(例如小于50％和更优选小于75％和甚至更优选小于90％)的所述流体流可以出现在其他位置，包括中央位置。尽管所示出的实施方式具有板或盘式构造，但所述涡流阻挡构件可以采取其他构造，包括具有一定角度或弯曲表面的构造，例如锥体或碗形。
图5B示出了与图5A中显示的相似的实施方式，但是还包括位于颗粒沉降室(30)下面的流出物阻挡构件(36)(在图7中最佳显示)，其适于将流体流从颗粒沉降室(30)引导到工艺流体出口(20)。流出物阻挡构件(36)包括延伸到邻近于筒体(12)的内周壁(22)或与其接触的位置的外周边(40’)并还可以包括位于周边(40’)附近并延伸穿过它的多个孔(42’)。在优选实施方式中，涡流阻挡构件(34)的孔(42)垂直偏离流出物阻挡构件(36)的孔(42’)。流出物阻挡构件(36)还包括与流出物出口(18)流体连通的中央定位的流出物开口(38)，流出物可以通过所述流出物出口离开筒体(12)。
尽管在一种实施方式中，流出物阻挡构件(36)包括扇形孔(42’)(参见图8)，但其他形状的孔包括围绕外周边(40’)定位的径向狭槽、有角度的狭槽和三角形开口(参见图7)。类似地，对于涡流阻挡构件(34)可以利用其他形状的孔(42)。所述孔(42，42’)的形状和尺寸可以设计成控制流体向下流过筒体(12)的室(24，30，32)，并且优先将流引导到筒体(12)的内周壁(22)。在这种情况下，少部分(例如小于50％和更优选小于75％和还更优选小于90％)的向下流(即对于流出物阻挡构件(36)的非流出物流体)可以发生在其他位置，包括一个或这两个阻挡构件(42，36)的中央位置。在又一种未示出的实施方式中，涡流阻挡构件(34)和流出物阻挡构件(36)之一或二者可以包括不接触筒体(12)的内周壁(22)并且不包含孔的外周边。实验和模拟已经显示，将涡流阻挡构件(34)和流出物阻挡构件(36)之间的孔 (42)偏置可产生区域(41)，其转变为整体中流体速度的平均正的向上分量，并且孔的这种偏置增大了分离效率。
图4和5中示出的实施方式各自包括过滤器组件(26)，所述过滤器组件同心位于错流过滤室(24)内并且包围滤液室(46)。滤液室(46)与过滤流体出口(16)流体连通。颗粒沉降室(30)位于下面(除了图4B之外)并且与错流过滤室(24)流体连通。颗粒沉降室(30)适合于从错流过滤室(24)接收未过滤的流体。在图5B的实施方式中，工艺流体室(32)进而位于下面并且与颗粒沉降室(30)流体连通。工艺流体室(32)适合于从颗粒沉降室(30)接收工艺流体并且与工艺流体出口(20)流体连通，工艺流体可以通过所述工艺流体出口离开筒体(12)。
在运行中，加压的进料流体(例如优选4至120psi)经由流体入口(14)进入筒体(12)并沿着流体处理通路(28)流动，其在过滤器组件(26)周围产生涡旋。离心力将较致密的材料推向筒体(12)的内周壁(22)，而较不致密的液体径向向内流向过滤器组件(26)。该液体的一部分流过过滤器组件(26)进入滤液室(46)中，并随后可以作为“滤液”通过过滤流体出口(16)离开筒体(12)。剩余的“非滤液”从错流过滤室(24)向下流到颗粒沉降室(30)。
在一些实施方式中，涡流阻挡构件(34)存在并将大部分(例如优选至少75％和在一些实施方式中至少90％)这样的向下流引导到沿着筒体(12)的内周壁(22)或邻近于所述内周壁的位置。这种布置被认为帮助维持错流过滤室(24)内的涡流，同时在流体进入颗粒沉降室(30)时干扰涡流。流体流在颗粒沉降室(30)中减慢并且较致密的材料(例如颗粒)优先向流出物阻挡构件(34)的中央沉降并进入流出物开口(38)，然后可以通过流出物出口(18)离开所述筒体。在图5B的实施方式中，颗粒沉降室(30)中的剩余液体(以下称为“工艺流体”)向下流入工艺流体室(32)。流出物阻挡构件(36)将所述颗粒沉降室和工艺流体室(30，32)之间的大部分(例如优选至少75％和在一些实施 方式中至少90％)流体流引导到沿着或邻近于筒体(12)的内周壁(22)的位置，即穿过孔(42’)。
在优选实施方式中，颗粒沉降室(30)中的流体处理通路(28)包括大多数颗粒通过的区域(41)，在其中引起最初向流出物出口(18)移动的总流体减速并从流出物出口(18)离开。例如，转变为总流的向上分量可促进颗粒在重力下分离和沉降。在图4A、4B和5A中，可以在这样的区域(41)处产生向上或向下的加速。
***(10)还可以包括阀(37)，用于从颗粒沉降室(30)中选择性除去流出物。优选地，阀(37)适合在关闭位置和开放位置之间交替，所述关闭位置限制从流出物出口(18)流出并在颗粒沉降室(30)内产生静止区，所述开放位置通过流出物出口(18)从所述静止区清除流出物。所述静止区优选位于邻近流出物出口(18)并且在颗粒沉降室(30)的工艺流体入口(33)处具有小于总体流速的1％的平均流速。优选地，所述静止区占至少2x2x2cm3的立方区域，以限制颗粒离开。还优选所述静止区占所述颗粒沉降区体积的至少25％。
阀(37)优选基于测量值(例如在颗粒沉降区(30)或再循环回路(A)中的实测浓度)、或基于周期性定时而自动化开放。阀(37)优选大部分时间在关闭位置，并且这可以超过所述时间的90％或95％或甚至99％。所述阀关闭期间的时间间隔优选超过1min、5min、或甚至15min。开放之间的时间越长就使得所述静止区内的固体蓄积越多。从所述颗粒沉降区通过所述流出物出口排出的固体水平可以超过10重量％、25％重量％或甚至50重量％。这可以是通过进料泵(Y)供应的液体的浓度的至少100倍。
阀(37)优选在比200微米球(密度1.09g/cc)在所述静止区中的平均停留时间更短的时间间隔之后打开。优选操作所述***，致使当所述阀关闭时，200微米球状颗粒(密度1.09g/cc)在邻近流出物出口(18)的静止区中的平均停留时间超过1分钟，或甚至5分钟。优选地，与直径等于平均膜孔尺寸的类似的球(1.09g/cc)相比，200微米球在通过沉降室(30)期间，在静止区中被捕获超过5分钟的可能性为至少两倍， 或甚至五倍。为了这些测量，具有范围广泛的尺寸和密度的球状颗粒可以得自Cosphereic(Santa Barbara，CA)。
当过滤器组件(26)和颗粒沉降室(30)在再循环回路内串联时，组合使用与膜表面(44)连续接合的清洁组件(50)是特别有利的。实验已经证明了颗粒沉降区(30)中颗粒的除去强烈取决于粒度。对于50微米的颗粒，去除效率可能低。在过滤期间，颗粒可以聚结和/或压紧，然后由所述清洁组件除去，在颗粒沉降室(30)中增加它们的去除速率。通过提供连续驱除颗粒的旋转型清洁组件(50)，颗粒的尺寸可以充分增加，同时仍然维持高通量率。这对于高度回收操作特别重要，例如包括固体大于0.2、0.5或1质量％的液体混合物的那些操作。
由于连续清洁、高度再循环、通过颗粒沉降区除去和浓缩颗粒、以及在过滤区和颗粒沉降区二者中比较低的回收率，所述***可在高固分下运行良好。在运行中，所述***优选以平均体积回收率为至少85％、90％、95％或甚至99％(即作为滤液穿过所述膜离开***的液体分率)运行。
当***包括串联的过滤区和颗粒沉降区二者时，利用进料泵(Y)和循环泵(Z)二者也是有利的。因为每程通过所述沉降室具有比较低的颗粒回收率，所以平均需要数程通过所述两个区来除去每个颗粒。在所述过滤区内，过滤区入口处的外加压力必须超过跨膜压，并且当***被设计用于较高的跨膜压时，更容易达到沿着所述流体处理通路的均匀通量。因为与每个运行区和程有关的压降是累计的，所以根据单个泵设计的***通过每程的再加压可具有显著的效率损失。相比之下，如果进料泵(Y)被用于向由第二个泵(Z)驱动的加压再循环回路提供加压液体，则避免了连续程上与向跨膜压和任何滤液背压的再加压有关的能量损失。所述循环泵只需要供应能量来驱动流体通过所述再循环回路，并且在一些实施方式中，在膜表面(44)和清洁组件(50)之间产生相对运动。当循环泵(Z)驱动一定体积的液体通过所述再循环回路，所述体积是通过进料泵(Y)引入到所述再循环回路的料液体积的至少两倍、更优选至少三倍时，利用分开的泵提供压力和体积需要是特别有利 的。因为由多程通过所述连续清洁组件和颗粒沉降区提供的进一步协同效应，所以双泵布置是更加有利的。
在另一种实施方式中，所述***可以包括与共同的循环泵(Z)并联结合在一起的多个颗粒沉降区(30)和/或过滤区(24)。循环泵(Z)可以同时驱动流过所述再循环回路内的两个或更多个并联过滤器组件(26)。类似地，所述循环泵可以驱动流过再循环回路(A)内的两个或更多个沉降室(30)。优选地，循环泵(Z)驱动流过并联的筒体(12)，所述筒体包含过滤器组件(26)和沉降室(30)二者。加压的再循环回路(A)可以由共同的进料泵(Y)进给。
因为颗粒可以通过多程通过所述***而除去，因而本发明特别有利。所述过滤区优选在回收率小于50％、25％或甚至10％下运行，允许高错流速度和高清洁速率二者。(虽然清洁是连续进行的，但在所述膜上的任何给定位置，所述可旋转清洁组件的不连续接合之间存在短的时间。)在通过沉降室的给定程内的颗粒也具有比较低的除去概率。例如，200微米塑料球(密度1.09)可以在给定的程中除去的概率可以小于30％，或甚至小于10％。
如前面所述，通过利用循环泵最小化了来自连续程的压力损失。这是特别重要的，因为跨所述膜(从流体处理通路到滤液区)的压降可能因此是由进料泵提供的压力的一小部分，小于50％、25％、或甚至10％。在优选实施方式中，由进料泵提供的压力的至少50％、更优选80％用于驱动下游的操作(例如微滤、超滤、纳滤、或反渗透)。在流体处理通路(28)上错流过滤区(24)对立端处的位置之间的压降也优选是小的，例如小于由进料泵(Y)供应的压力的20％、10％或1％。
与以往的设计相比，本发明所述分离***提供了优异的分离效率。这样的效率使得所述***可用于更广泛的应用中，特别是在工艺流体被再循环和任选地与补充的进料流体共混的实施方式中。在某些优选实施方式中，在单一装置内使进料流体经历多个分离过程的协同组合。具体而言，对进料流体进行至少部分地基于密度的旋流分离，使较致密的物质(例如，颗粒、液体)被推向筒体的内周 边。通过过滤器组件的流体另外进行错流过滤。所述入口进料护罩防止用于错流过滤的膜经受由于与旋流分离有关的进料压力和进料含量造成的过度磨损或结垢。本文中参考文献提到的美国专利每一个的全部主题内容通过引用完全并入本文。
Claims (10)
1.错流过滤***(10)，所述***包括：
筒体(12)，其包括围绕沿着轴(X)顺序排列的错流过滤区(24)和颗粒沉降区(30)的内周壁(22)，其中所述错流过滤区(24)与所述颗粒沉降区(30)流体连通；
与所述区之一流体连通的流体入口(14)和与另一个区流体连通的工艺流体出口(20)；
从流体入口(14)延伸通过所述错流过滤区(24)和颗粒沉降区(30)并到达工艺流体出口(20)的流体处理通路(28)；
过滤器组件(26)，其位于错流过滤区(24)内并且包括将滤液室(46)与流体处理通路(28)隔开的膜表面(44)，其中所述滤液室(46)与过滤流体出口(16)流体连通；
清洁组件(50)，其围绕所述膜表面(44)同心定位并且与所述膜表面(44)可旋转地接合，并且所述清洁组件(50)包括径向向外延伸的至少一个辐条(52)，以及包括安装在所述辐条(52)的末端的叶片(56)，使得流入所述错流过滤区(24)中的流体围绕所述过滤器组件(26)转动所述清洁组件(50)；
与工艺流体出口(20)和流体入口(14)流体连通的循环泵(Z)；
包括流体处理通路(28)和循环泵(Z)的可加压再循环回路(A)，其中所述循环泵(Z)适合于驱动液体通过再循环回路(A)；
适合于将料液引入所述***(10)的进料泵(Y)；和
与颗粒沉降区(30)流体连通的流出物出口(18)；
其中进料泵(Y)、流出物出口(18)、和过滤流体出口(16)位于再循环回路(A)之外。
2.权利要求1的***(10)，其中所述循环泵(Z)适合于驱动至少两倍体积的由进料泵(Y)引入的液体通过再循环回路(A)，并且其中进料泵(Y)适合于提供比由循环泵(Z)提供的更大的压力增加。
3.权利要求1的***(10)，其还包含可在关闭位置和开放位置之间移动的阀(37)，所述关闭位置限制来自颗粒沉降区(30)的流出物的流动，所述开放位置允许流出物通过流出物出口(18)从颗粒沉降区(30)离开***(10)。
4.权利要求1的***(10)，其中错流过滤区(24)和颗粒沉降区(30)沿着流体处理通路(28)串联布置，颗粒沉降区(30)位于错流过滤区(24)的下游。
5.权利要求4的***(10)，其中：
膜表面(44)围绕轴(X)对称定位；和
流体处理通路(28)从流体入口(14)起并且在错流过滤区(24)的内周壁(22)与膜表面(44)之间延伸，并进一步延伸到颗粒沉降区(30)中以通过工艺流体出口(20)离开筒体(12)；和
流出物通路(29)从颗粒沉降区(30)延伸并且通过流出物出口(18)离开筒体(12)。
6.权利要求5的***(10)，其中所述流体处理通路(28)包括位于筒体(12)的内周壁(22)与膜表面(44)之间的涡流区(25)，所述涡流区(25)适合于接收进入的液体并且在过滤器组件(26)周围产生涡流流体流。
7.权利要求6的***(10)，其还包含流动阻挡构件(34)，所述流动阻挡构件(34)位于所述错流过滤区(24)和颗粒沉降区(30)之间并分别限定错流过滤区(24)和颗粒沉降区(30)。
8.权利要求7的***(10)，其中所述流动阻挡构件(34)将在错流过滤区(24)与颗粒沉降区(30)之间的大部分流体流引导到邻近于筒体(12)的内周壁(22)的位置。
9.权利要求7的***(10)，其中所述流动阻挡构件(34)干扰来自错流过滤区(24)和颗粒沉降区(30)的涡流流体流。
10.权利要求5的***(10)，其还包含管道(31)，所述管道包括位于颗粒沉降区(30)的轴(X)附近的工艺流体入口(33)，所述工艺流体入口与工艺流体出口(18)流体连通。
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