CN1233972A

CN1233972A - 组合式过滤***

Info

Publication number: CN1233972A
Application number: CN97199095A
Authority: CN
Inventors: D·钱塞勒; M·钱塞勒; J·福格尔
Original assignee: Nate International LLC
Current assignee: Nate International LLC
Priority date: 1996-09-03
Filing date: 1997-08-28
Publication date: 1999-11-03
Also published as: KR100422891B1; EP0930931A4; MX212477B; IL128621A; JP2002504012A; AU4239397A; CA2264853A1; EP0930931A1; KR20010106362A; JP3522768B2; IL128621A0; MX9901941A; NO991014L; AU717474B2; NO991014D0; KR20010029459A; WO1998009718A1; CA2264853C

Abstract

用流体重量驱动多个半透膜或者其它过滤材料以产生渗透液,并在该装置的至少一些水平面上,多于30%的渗透液被收集在一个单独的壳体(32)中。在其它方面,过滤材料至少部分地包含在成组生产组件(40)中,所述组件可以包括用于传送料液和冲洗液的传送区域。在另一方面,邻近的生产组件端部可以设计成利用滑动配合连接件相互配合的形式。并且生产组件可通过连接件保持与支撑钢缆或者杆(23)相配合的关系。在本发明的其它方面,可采用水下泵(53)向表面提升渗透液,系至少利用离心和/或空气提升原理进行工作。在另一方面,可借助管子从诸如海洋或者海湾等盐水或者微碱水中提供料液,所述管子具有防止堵塞并可去除的入口塞,另外,最好采用水下铲锹对这种管子进行铺设,即一边挖沟一边铺设管子。

Description

组合式过滤***

发明领域

本发明总体涉及流体的过滤，特别是水的过滤。

发明背景

尽管经过多年在水净化方面有很多进步，但仍然持续存在水净化的需要。世界上的很多地方都缺少饮用和灌溉的淡水，而在另一些存在大量淡水的地方，水经常被化学和生物污染物、金属离子和类似物污染。人们还需要对诸如工业化学品和食物果汁等其它液体进行经济地过滤。第4,759,850号美国专利讨论了从带有多余***的碳氢化合物中去除酒精的一种反渗透方法，第4,959,237号美国专利讨论了用于橙汁的反渗透方法。

这些需要均借助过滤、特别是反渗透方法得以满足，在所述反渗透方法中，采用半透膜在一定压力下将各组成物分离。这里所说的术语薄膜指的是一种功能过滤装置，它可包括一个或者多个半透层和一个或多个支撑层。依据所采用的薄膜质量，反渗透法可去除从宏观分子到微观粒子等不同大小的颗粒，现代反渗透装置还能够去除颗粒、细菌、孢子、病毒甚至Cl^-或Ca⁺⁺等离子。

大范围的反渗透(RO)***存在几个问题，即薄膜会受到过度污染，且为了产生透过薄膜的压力要花费大量成本。这两个问题是相互关联的，因为大多数或者全部公知的RO装置在操作时都需要冲洗薄膜，所以对于产生的渗透液来说，料液的数量是相对较大的。冲洗液与海水脱盐中回收的渗透液之比例如大约是3∶2。因为使用的海水中仅有一部分被回收为淡水，所以浪费了用于保持水的能量，构成了固有的低效能状况。

近年来，为了提高RO装置的效能以及降低相应的费用，已经做出了多种努力。Fok等人的第5,229,005号美国专利描述了一种从船的一侧向深海放送容器的方法。该容器的一个表面上带有RO薄膜，放到大约700米深的地方，这一深度的压力足以迫使淡水透过薄膜进入容器。当容器充满淡水后，它被提升回船上并排空。为了提高工作效率，该发明人还建议另一种方式，即交替放出并排空两个这样的容器。尽管该要求保护的方法是有效的，但是不连续的过程使之不能以经济的方式大量地供应淡水。

Hick等人的第4,512,886号美国专利讨论了能改进RO装置成本的另一种方法。这里，RO组件被放置在海洋中的一定深度，在该深度组件周围的压力不足以操纵薄膜，但是，该深度压力再加上由泵产生的附加压力就足以操纵薄膜了。因此，利用来自上方的波浪的能量，受压的水被压送并穿过RO组件，而淡水从组件的一端排出，海水则从另一端排出。但是，该装置仅限于具有明显的波浪作用的地方，并且在任一环境下，安装和操纵的费用都很高。

Cole等人的第3,456,802号美国专利讨论了能改进RO装置成本的另一种方法。在此，几个RO元件被放置在海洋中的足够深度处，在表面上，预过滤的海水被过滤并通过管子输送到元件中。接着，从元件中输出的淡水被泵送回到表面，同时冲洗水返回到大海。利用该装置，Cole等人声称通过向薄膜施加预过滤的盐水并提高冲洗率，提高了薄膜的寿命。但是，该装置的缺点是仍需位于海水深处且更换RO元件很困难。

Chenoweth等人的第4,125,463号美国专利解决了脱盐操作需要在海水深处进行的问题，该专利的内容作为参考文献引入本文。在Chenoweth的专利中，多个半透膜组件被放置在一个井中或者其它地下空穴中。海水从上至下流经薄膜，海水的静压使渗透液穿过薄膜。然后，渗透液(这里即净水)通过提升器被抽吸出该***。Chenoweth专利的主要优点是泵送净水的能源费用大大降低了。

尽管Chenoweth大大降低了能源费用，但该设计仍是不实际的。首先，Chenoweth的设计暗示出中央提升器在不同的深度被五个卫星式RO装置组所包围。每一个卫星装置均有其自己的收集器，每一组的各个收集器中的液流在岐管中聚集并流进中央提升器。这种设计具有固有的低效率。将卫星RO装置集聚成束会增加不必要的复杂性和费用，并且在同一水平面上，多个卫星壳体会浪费宝贵的沟渠空间。

因此，仍有这样一种需要，即希望提供一种采用压力过滤方法低成本地净化大量流体的装置和方法。

发明概述

在本发明提供的装置和方法中，由流体重量产生的顶部压力用于驱动多个过滤器以产生渗透液，并在该装置的至少一些水平面上(即在一定深度)，至少所产生的30％的渗透液被收集在一个单独的过滤器壳体中。因此，本发明减少或者消除了沟渠***或者其它过滤***中的集束工作，并提高了效率，降低了费用。

在优选实施例中，几乎所有位于给定深度的过滤材料都在一个单独的过滤器壳体中围绕一个或者多个渗透液收集器成卷状。在其它优选实施例中，过滤器和整个收集管形成了一组生产组件的内芯。在一个特别优选的实施例中，每一个生产组件还包括一个用于传送海水的传送区域和一个用于传送渗透液的传送区域。

在其它方面，邻近的生产组件的端部可以设计成利用滑动配合连接件彼此相连的形式，并且生产组件可通过连接件保持与支撑钢缆或者杆相配合的关系。

在本发明的另一方面，可采用水下泵向表面提升渗透液。在具有该特征的优选实施例中，泵至少利用离心和/或空气提升原理进行工作，当采用空气提升原理时，还可采用能量恢复***，以便从提升的流体和气体中恢复能量。另外，最好采用通过电解产生的气体来帮助泵进行抽吸。

在另一方面，可借助管子从诸如海洋或者海湾等盐水或者微碱水中提供料液，所述管子具有防止堵塞并可去除的入口塞。另外，最好采用水下铲锹对这种管子进行铺设，即一边挖沟一边铺设管子。

附图简述

从下面结合附图对本发明优选实施例的详细描述中，本发明的各个目的、特征、方面和优点将会更清楚地得以理解，图中相同的序号代表相同的元件。

图1是反渗透***的示意图。

图2是生产组件的示意图。

图3是生产组件的立体图。

图4是沿图3中4-4线剖开的生产组件的纵截面图。

图5是沿图3中5-5线剖开的生产组件的纵截面图。

图6是装有或者拆去了换接装置的立体图。

图7是轻便起重工具的立体图。

图8A是绕卷的过滤器部件的示意图。

图8B是未绕卷的过滤器部件的示意图。

图8C是图8B所示未绕卷的过滤器部件上一部分的详细示意图。

图8D是另一种过滤器部件的示意图，其中过滤器材料表示成折叠形式。

图8E是又一种过滤器部件的示意图。

详述

在图1中，过滤器***10一般包括井架11、多个换接组件60、一个泵组件50、多个生产组件40和支撑各种组件的钢缆23。井架11和各组件60、50、40集合在一起，形成了料液通道18、渗透液通道18A和冲洗液通道19。

***10的各种组件可位于井道或者其它沟渠(未表示)中，或者位于开放的海洋或其它水域(未表示)中。在位于井道或者其它沟渠的场合下，通道18、18A或19中的一条最好在组件60、50、40的外壳和沟渠的内衬20之间形成一个环形空间。一旦***10被放置在海洋或者其它开放水域中，料液和冲洗液通道18、19则分别包括开放的液体流域。

这里使用的术语“沟渠”通常指具有相对深和窄的部分并包含有流体的空间。因此，海洋、海湾、湖泊或其它大的水域不能视为这里所述的沟渠，因为这些水域的广度相对于其深度要大得多。相反，水井或油井，或者通过通道相连的地下空穴可以认为是这里所述的沟渠。尽管也可以使用具有更小直径的沟渠，但所述沟渠最好具有至少6英寸的有效内径。沟渠的内衬并不是特别重要的，适当的沟渠可具有普通的钢、铸铁、混凝土或者其它壳体，或者沟渠根本就不带壳体。在很多种情况下，本发明采用的沟渠可位于靠近海洋或其它盐水或微碱水的地方，这些水域形成了便利的水源。在这种情况下，沟渠可以从水域中的一个位置下降，或者从陆地上的一个位置下降。在其它情况下，也可以采用另一种适合的沟渠，这些沟渠距离水源有数公里。适当的沟渠也可以不是竖直取向的，而是倾斜的。总之，这里所述的装置和方法可以采用多种不同形式的沟渠，而不管这些沟渠本来的目的、形状、取向和位置如何。

在井架11处，例如可包括盐水或者海水的料液通过料液供给源12供应给***10，同时，废液从冲洗液(flushing liquid)排出口14排出，净化液体(渗透液)从渗透液排出口13排出。料液供给源12、渗透液排出口13和冲洗液排出口14可以焊接到或者以其它方式固定到井架11上。在一个特定的优选实施例中，***10可由料液泵56加压至大约3巴。这有助于克服料液通道18中的摩擦损失、经过生产组件40时的压力头损失和冲洗液通道19内的摩擦损失。

根据料液中的微粒浓度，也可选择性地采用预过滤***57。还可采用接收箱58以接收渗透液。

换接组件60主要用于在井架11和泵组件50之间形成管道。因此，换接组件60可设计得相当简单，例如可以是一根管子(未表示)中套置的一根管子，或者一个或多个并排设置的收集管(未表示)。

泵组件50通常包括离心泵或者其它泵53，它将渗透液从生产组件40提升至井架11处。泵53通常是电动的，可以采用电缆(未表示)将电能输送给泵。另一种替换形式的泵可采用其它能量加以驱动，例如压缩空气，特别是泵53可包括空气提升泵或者利用空气提升原理的组合泵(composite pump)。在这种情况下，所用的气体可以在表面压缩并通过高压气管传送给泵，或者通过电解作用在泵或靠近泵的位置产生至少一部分气体。在其它实施例中，***10可包括多个泵组件(未表示)，或者一个单独的泵组件可包括多个泵。最好是提供一种装置，它无需拆除换接组件60就可使泵53提升和下降，这可以通过采用泵安装钢缆51来实现。

可以采用泵53以将净吸入正压减小到大约1巴，并在60到70巴的压强下将渗透液排出到渗透液通道18A。实际的排出压力至少局部随深度和料液盐的浓度而变化，该深度是低于泵53安装表面的深度。

生产组件40通常包括一个吸入部件70和多个相邻的过滤部件30。吸入部件70将来自料液通道18的料液直接供给到最上或者最下过滤部件30，并将冲洗液从过滤部件30内的过滤器35引导离开。如下面将要参考图2所详细说明的那样，过滤部件30包括一个或者多个过滤器35，这些过滤器将料液分离成渗透液和冲洗液。

生产组件最好置于至少大约50米的深度。这一深度足以在使用现有的薄膜情况下实现微碱水的反渗透，随着薄膜技术的改进，生产组件可以在小于50米的深度下很好地工作。另一方面，该***最好采用适合大范围深度的过滤器，这些深度包括至少100米、至少250米、至少350米、至少500米、至少750米和至少1000米。

本发明还采用了钢缆23，用于将各个组件60、50、40固定到一起并支撑它们的重量。如下面将要参考图5所详细说明的那样，钢缆23可用棒(未表示)、杆(未表示)、皮带(未表示)或者其它支撑物代替，也可以将它们都省略，而代之以位于相邻组件之间的其它支撑和连接装置。

实际使用时，组件60、50、40可以构造成任何适于工作的尺寸和形状，并采用任何适当的材料，而且并非所有的组件都必须具有同样的结构或者组成特征。为了方便以及节约费用，换接组件60、渗透液泵装置50和生产组件40最好大致为管状，并由适当的材料制成。特别是可以采用诸如PVC、环氧树脂玻璃纤维、不锈钢或其它钢作为构件材料。还可以采用包含新成分或新材料的其它构件材料。

工作时，生产组件40的末端通常相互连接或者并置以形成一条链。在最上面的生产组件的顶部，设置有一个或者多个泵组件50，再将换接组件60加装到泵组件的上部并到达井架11处。利用图6或图7所示的装置使这些组件下降到一个开放的区域或者沟渠中的所需深度。

最好采用滑动装配连接件将这些组件相连。在另一个替换实施例中，也可以利用其它装置，包括螺纹连接件、夹子、螺栓或者胶粘剂来连接两个或者多个组件。

本发明的***最好带有某些支撑装置，这可以包括一个或者多个建筑物、泵壳体和其它装置。尽管没有明确表示，但也应该理解到料液可以是经过预过滤的，这种预过滤操作可以在穿入生产组件40的料液供给源12上游的任一位置进行。对于长期保护过滤材料来说，对从海湾或海洋等水域中抽吸的盐水进行预过滤的能力相对重要，并且使本发明的装置和方法比仅仅将过滤器放置在开放的海洋中以及仅依靠自然水流或者经过过滤器的泵送水得到的冲洗作用更好。

参见图2，生产组件40通常包括一个或者多个过滤器组件30和一个单独的换接部件70。每一个过滤器组件30包括一个外壳31、一个环形空间19A和一个或多个过滤器组件44。如图8A-8E所示，每一个过滤器组件44最好包括一个或多个过滤器壳体32，每一壳体可容纳多个过滤器叶片35和与收集管33相连的隔板41。

如下面所详细讨论的那样，图2表示了多个位于吸入组件70内的吸入孔74，它们使来自料液通道18的流体通过辐条77并进入过滤器的供液区域78。

图2还详细表示了位于钢缆23和生产组件40之间的一种可能连接装置22。该连接件可位于沿着生产组件40的任一一个位置或多个位置上，但是最好这一连接件位于生产组件40的顶部和底部附近。

尽管在现有的附图中没有表示，但对于生产组件来说有多种替换形式，这些形式与本发明的构思是一致的。例如，生产组件40中的环形流体传输空间可不必是环形的，而且生产组件40也不必包括流体传输区域。如下所述，料液可以在生产组件和沟渠内衬之间的空间传送，并且也可以在通向生产组件的单独管道或者空间内传输料液或者渗透液。同样地，在过滤器叶片35的其它替换实施例中，隔板41和收集器管道也可以以不同于图示的方式设置。

在图3中，优选的设置方式包括有三个过滤器部件30，它们被单独的换接部件70支撑。但是，最好在各换接部件70之间设置更多或者更少的过滤器部件30，特别希望在盐水脱盐时所采用的过滤***具有五个串联的过滤器部件30，它们位于换接部件70之间，每一个过滤器部件30大约有6米长。安装五个部件是非常有利的，因为这被认为能够达到克服压降的平衡流量(冲洗)率和回收率。

图4和图5中的箭头用于指示料液的可能流向。在图示的特定实施例中，料液沿通道18向下流入进口74，再沿辐条77流进过滤器供液区域78。然后，料液向下流动，经过隔板41(见图8C)，在隔板处由过滤材料45分隔成渗透液和冲洗液两股独立的液流。接着渗透液穿过收集器孔34并进入收集管33，再从那里向上流向渗透液泵53。同时，冲洗液继续向下流动并穿过一个或多个过滤器部件44的隔板41，直到它达到位于下一个下部换接部件70中的收集空间79时为止。然后，冲洗液离开换接部件70并向上穿过连续的顶部生产组件40、泵组件50(未表示)和换接组件60(未表示)并到达井架(未表示)中。

在图6中，上部换接组件60U可与下部换接组件60L相连或者脱开连接。在该特定实施例中，每一个传送组件60U、60L均具有一个外管61和一个内管62。外管61通过滑动装配连接件61A连接，内管62通过滑动装配连接件62A连接。另外，密封环61A和62B分别用于密封管子61和62。此外，在许多环形空间内可选择地设置导轨或者辐条(未表示)，例如在管子61和62之间、以及在管子61和沟渠内衬20之间。当然，如上所述，图6所示的连接件仅用于表示实施例，其实也可以采用其它的连接形式和连接件。

现在看看钢缆，钢缆23包括上部钢缆端27、提升点28、支承点29和下部钢缆端26。连接销27用于固定相邻钢缆23的连接件，钢缆夹25用于将钢缆23连接到组件60上。应该理解到尽管在该特定实施例中每一钢缆与组件60一样长，但每一钢缆也可以比对应的组件长或者短一些，一根单独的钢缆可以与***10的整个长度一样。还应该理解到，这里所示的钢缆夹25与图2和图3所示的钢缆夹22不同，也可以采用其它形式的钢缆夹或者夹持装置。

提升装置80可用于组装或者拆卸***10。该装置可有多种可能的造型，包括图中所示的带有伸缩支撑件82和杆81的装置80。

图7表示了一个轻便机械提升组件90，它包括一个伸缩支撑件92和杆91。图中还表示了一个提升部件95，它用于销住上部钢缆端27并提升或者放下任一组件60、50、40。提升组件90可用任何方便的控制器控制，包括可移动的控制板94。

在图8A和8B所示的优选实施例中，两个或多个分离的过滤器折叠并粘接到过滤器叶片35上，并与间隔板41一起螺旋围绕着收集管33。这种构造会形成过滤器叶片35的高压侧和低压侧。应该理解到不必围绕收集管33设置多于一个的过滤器叶片35，也不必为了配置而构成所述卷绕。在其它替换实施例中，例如最好使过滤器叶片部分地卷绕和/或部分地绕收集管33折叠。

图8C表示了过滤器35的优选实施例的具体细节。这里，在渗透液承载材料42的每一侧，每一过滤器叶片35均包括一过滤材料层45。渗透液承载材料42在密封件43处密封，并向收集管33的收集孔34排放。如上所述，隔板41设置在重叠的过滤器叶片35之间。没有穿过过滤器叶片35的料液将继续冲洗叶片35的高压侧，并最终通过冲洗液通道19流出该***。

这里所说的过滤材料45最好包括但也不限于在反渗透作业中使用的薄膜。这样，本发明可以采用为了过滤宏观颗粒(100到1000微米)、微观颗粒(1.0到100微米)、宏观分子颗粒(0.1到1.0微米)、分子颗粒(0.001到0.1微米)或者离子(小于0.001到0.001微米)。未来的过滤器将提高过滤范围，甚至包括更小的微粒，也许甚至是分子分解、例如在水解作用中从氧中分离的氢。在这种方式下，所述工艺将覆盖液体的整个过滤范围。这种过滤范围将包括颗粒过滤，以及后续的微粒过滤、超过滤作用、毫微过滤和反渗透过滤。

单独的外壳31最好包括多个过滤壳体32。在这种实施例中，可采用多个过滤器33，同时仍有效使用过滤器壳体32中的空间，这一实施例满足了在该装置的至少某些水平面上的这样一种限制要求，即：对于任一给定的水平面来说，至少所产生的30％的渗透液收集到单独的过滤器部件30中。在另一些优选实施例中，40％、60％直至几乎全部所产生的渗透液被收集到位于任一给定深度的单独过滤器部件30中。

在一些优选的实施例中，也可以在给定的深度提供多个过滤器部件30。但是为了达到本申请的目的，选择30％为限度能够与Chenoweth的专利区分开并较之具有明显的优点。在Chenoweth的专利中，在每一生产层总有五个不同的薄膜组件。那一选择显然能够在圆井孔中在给定的深度有效地容纳多个普通的膜片组件束。尽管Chenoweth没有暗示或者建议这一改进形式，但仍能在每一生产深度处仅提供三个不同的薄膜组件。这种薄膜组件束会在给定的深度、在所述三个过滤器壳体的每一个之中产生大约三分之一的渗透液，因此选择了30％为限度。

再看看其它实施例，渗透液收集管33A最好位于非中央(如图8D和8E所示)的位置上，或者收集器完全位于过滤器部件的外侧。例如，一个或者多个收集器(未表示)可位于生产组件40的内侧，并且渗透液可从收集器流到包括一个新的环形物(未表示)的外部空间。克服这一极限在于在该装置的至少某些水平面上、在给定深度产生的超过30％的渗透液被收集到单独的过滤器部件30中。

当然，本发明不仅限于这里所示以及所描述的实施例。在替换实施例中，例如，任一种液流均能以所述方式反渗透。另外，多种流体通道可以互换。这样，在图2中，冲洗流体将从出口74排出，而不是从料液流进口74排出。在另一种实施例中，本文所述的***和方法也可以用于净化食品，例如橙汁，或者分离不同的工业化学物质。因此，尽管本发明表示和描述了特定实施例，但在不脱离本发明构思的情况下，本领域的技术人员可以做出许多变形。本发明被限制在所附权利要求的精神范围之内。

Claims

1．一种净化流体的方法，它包括：

设置流体使其在一定深度下建立一压力头；

在所述深度下设置一个过滤器，并使压力头作为主要作用力以驱动至少一部分流体通过过滤器产生渗透液；

在过滤器壳体中容纳过滤器的至少一部分，使得在所述深度处产生的至少30％的渗透液被收集在该壳体中。

2．权利要求1的方法，其特征在于，设置流体的步骤包括将流体设置在沟渠中。

3．权利要求1的方法，其特征在于，所述沟渠的深度至少为50米。

4．权利要求1的方法，其特征在于，所述沟渠的深度至少为250米。

5．权利要求1的方法，其特征在于，设置所述过滤器的步骤包括设置一个半透膜。

6．权利要求1的方法，其特征在于，在所述深度处产生的至少40％的渗透液被收集在壳体中。

7．权利要求1的方法，其特征在于，在所述深度处产生的至少60％的渗透液被收集在壳体中。

8．权利要求1的方法，其特征在于，在一给定深度处的基本上所有的过滤材料被设置在壳体中。

9．权利要求1的方法，它还包括：

在至少两个层叠的生产组件中设置多个所述过滤器，该生产组件具有用以传送渗透液的第一传送区、用以传送流体供给部分的第二传送区以及用以传送流体冲洗部分的第三传送区。

10．权利要求9的方法，还包括用滑动配合连接件设置至少两个生产组件。

11．权利要求9的方法，还包括通过连接件保持生产组件与支撑钢缆或杆的配合关系。

12．权利要求1的方法，还包括：

利用一个水下泵来向表面提升渗透液。

13．权利要求12的方法，其特征在于，至少部分地利用空气提升原理来操作泵。

14．权利要求13的方法，还包括电解流体以产生气体。

15．权利要求1的方法，还包括利用具有可去除入口塞的管子来从水源抽吸流体。

16．权利要求14的方法，还包括利用一个水下锹铲铺设管子，该锹铲一边挖沟一边同时铺设管子。

17．权利要求1的方法，其特征在于，

设置流体的步骤包括在具有至少250米深度的沟渠中设置流体；

其中设置过滤器的步骤包括设置一个半透膜；以及

在所述深度处产生的至少40％的渗透液被收集在壳体中。

18．权利要求1的方法，其特征在于，

设置流体的步骤包括在具有至少250米深度的沟渠中设置流体；以及

设置过滤器的步骤包括设置一个半透膜；以及

还包括在至少两个层叠的生产组件中设置多个所述过滤器。

19．权利要求1的方法，其特征在于，设置流体的步骤包括在具有至少50米深度的沟渠中设置流体，设置过滤器的步骤包括设置一个半透膜；还包括在至少两个层叠的生产组件中设置多个所述过滤器，并且通过连接件保持该生产组件与支撑钢缆或杆的配合关系。