TW201334856A - 用於螺旋纏繞膜體元件之供給間隔件 - Google Patents
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Abstract
一種供一螺旋纏繞膜體元件中使用之供給通道間隔件提供一系列大體平行之內部通道。該等內部通道自該間隔件之一入口側延伸至該間隔件之一出口側，但沿循一波狀或鋸齒狀路徑。迪恩漩渦或造成混合之其他流動型樣減小濃度極化。該供給通道間隔件係藉由將一熱塑性材料薄片於一模具中衝壓而製成。
Description
本發明係關於螺旋纏繞膜體元件及用於螺旋纏繞膜體元件之供給通道間隔件。
一種螺旋纏繞膜體元件藉由捲繞一或多個包膜製造而成，該等包膜各自包括圍繞一穿孔中心管而包封一滲透間隔件之兩個膜體薄片。毗鄰膜體薄片藉由一供給通道間隔件在一供給側上分離，該供給通道間隔件亦可稱作一鹽水通道間隔件。在使用中，元件包封於一管狀壓力容器中。供給水在該管狀容器之一上游端處進入且流動跨越該供給間隔件。供給液之一部分流動穿過膜體薄片，穿過滲透間隔件且藉助穿孔中心管流出壓力容器。供給水之其餘部分作為濃縮液退出供給通道且自壓力容器之一下游端撤回。多個元件可藉助適當導管或密封件在一共用壓力容器中端對端地連接從而將供給液/濃縮液與該等元件之滲透側串聯連接。
一螺旋纏繞膜體元件達成高效能之一般要求包含低結垢傾向下之高滲透流量及高溶質脫除率。滲透流量及溶質脫除率可受限於供給側上之濃度極化(CP)。一般而言，在滲透通過該膜體從而在毗鄰該膜體之供給液/濃縮液側之一薄層中留下藉由該膜體脫除之過度材料時發生濃度極化(CP)。由於CP形成之一阻力與CP層之厚度成反比地變化。供給通道間隔件之功能之一係在毗鄰該膜體而流動之
液體中產生充分混合且減小濃度極化之效應。
Schneider之美國4,814,079揭示具有一開放通道引導式供給液流動路徑之之一螺旋纏繞微濾(MF)、超濾(UF)或反滲透(RO)元件。供給液跨越膜體之表面之流動藉由一供給液分離器來控制，該供給液分離器可包括不可滲透材料之複數個實質上平行之分離條。開放通道可在規定位置處包含一短長度之一網孔或網格條。流動路徑跨越膜體之表面長度及寬度提供一不間斷彎曲路徑。維持一最小橫穿速度以維持一最大通量率。
Hirakawa等人之美國20040182774揭示一種具有供給側材料之螺旋分離膜體元件，該等供給側材料具有幾乎平行於流動方向之經紗且以經設計以減小供給側上之壓降以及減小供給通道之阻塞之一指定間距具有薄於該等經紗之緯紗。
Husain等人之美國20040222158揭示一種用於藉由反滲透(RO)、奈濾(NF)或超濾(UF)處理水之膜體過濾系統及方法及一種用於在單向通過供給側之情形下操作液體過濾而在滲透側上沒有錯流之一螺旋纏繞過濾模組。該模組可具有在間隔件材料中殼體/供給側上之壩狀物以提供跨越膜體瓣具有多個隘口之一路徑。該模組可係內部分級的(其中連續層級之寬度朝向膜體出口而下降)以朝向膜體區域出口提供一大體恆定或增加之供給側速度。在所揭示之一實施例中，出口具有一寬度及係膜體區域入口之15%的一剖面面積。
Ahmad與Lau在膜體科學期刊286(2006)77至92於「Impact of different spacer filaments geometries on 20 unsteady hydrodynamics and concentration polarization in spiral wound membrane channel」中使用計算流體動力學論證具有圓形剖面之絞線之一網孔間隔件在減小濃度極化之效應時比具有矩形剖面之絞線之一網孔間隔件更有效。
Chikura等人之美國20070175812揭示一種具有由藉由熔融接合形成之一網製成之供給間隔件之螺旋分離膜體元件。
Lau等人在膜體科學期刊343(2009)16至33於「Feed spacer mesh angle：30 modeling,simulation,and optimization based on unsteady hydrodynamic in spiral wound membrane channel」中使用計算流體動力學論證在一網孔類型間隔件之絞線之間的用以減小濃度極化之效應之一最佳夾角。
此說明書中闡述供一螺旋纏繞膜體元件中使用之一供給通道間隔件。該供給通道間隔件提供在平面視圖中具有彎曲區段之一系列大體平行之內部通道。該等內部通道自該間隔件之一入口側延伸至該間隔件之一出口側，但沿循一波狀或鋸齒狀路徑。以此方式，對於其大部分長度該等通道係彎曲的。
該等通道可具有一大體三角形或正弦剖面。該等通道可具有大約0.2 mm與1.2 mm之間的一等效直徑。該通道之至
少某些部分可具有在1 mm與10 mm之間的一曲率半徑。
在不意欲將本發明限於任何特定操作理論之情況下，發明者相信該等通道充當被動微混合器。在該等通道中形成迪恩漩渦或其他自然混合之流動型樣。此混合減小濃度極化。可操作該螺旋纏繞膜體元件以使得該等通道之至少某些部分具有在2與10之間的一迪恩數。
該供給通道間隔件係藉由將一材料薄片於一模具中衝壓而製成。該模具可係以一對有凹槽之輥之形式。該材料可由一熱塑性材料製成。該材料在衝壓步驟期間經加熱至其熱撓曲溫度。
供給通道間隔件用於螺旋纏繞膜體元件中以在供給液體中產生混合來減小濃度極化(CP)之效應。一旦創建一CP層，其對流動穿過膜體所提供之阻力就與其厚度成正比地變化。下文待闡述之供給通道間隔件提出藉由相對於間隔件之長度提供曲率來薄化一膜體之至少某些部分上方之CP層以促進供給液體之混合。破壞CP層將增加穿過膜體之淨驅動壓力(NDP)且造成一較高滲透流量及對該元件之恢復。
圖1繪示具有複數個並排或大體平行之內部流動通道40之一供給通道間隔件材料10，該等內部流動通道沿其長度具有方向性改變。此組態在供給水70流動穿過供給通道間隔件10以作為濃縮液90時退出時賦予該供給水一曲折路徑。一材料薄片經形成以提供界定內部通道40之側之複數
個擋板20。毗鄰通道40形成於該材料薄片之交替側上。圖1中之擋板20在大體半圓形之過渡性區段22之間包括大體垂直之擋板20。另一選擇係，擋板20可係成角度剖面、正弦剖面或根據可形成為一材料薄片之任何其他剖面。然而，該剖面較佳在擋板20之間造成短的過渡性區段22，此乃因過渡性區段22可覆蓋該膜體中之孔。
參考圖1、圖2及圖3，供給通道間隔件10、110在供給通道間隔件10、110之一供給入口側46與一鹽水出口側48之間界定一波狀或鋸齒狀路徑50。圖2中所展示之一第一路徑50a包括藉由彎曲區段52連接之一系列筆直區段42。筆直區段之間的一角44可係在30度與150度之間。彎曲區段52較佳提供第一路徑50a之大部分或70%或更多之長度。圖3中所展示之一第二路徑50b包括一系列弓形彎曲區段52而在其之間無筆直區段。另一選擇係，弧可係完整半圓、正弦波、拋物線或其他彎曲形狀。拐點可相對於第二路徑50b之大體方向具有在30度與90度之間的一角54。
圖4繪示具有一大體三角形或波形剖面之一第二供給通道間隔件110。在一螺旋纏繞膜體包膜中，供給通道間隔件10、110夾在膜體30之兩個層之間。穿過膜體30產生滲透80。選擇第二供給通道間隔件110之接近三角形剖面以減小在第二供給通道間隔件110與膜體30之間的接觸面積。在剖面之頂點之間延伸之擋板20界定複數個流動通路40。第二供給通道間隔件110中之通道40沿其長度具有曲線或其他方向性改變，如針對供給通道間隔件10所闡述及
圖1、圖2及圖3中所展示。
內部通道40之曲率在供給液70通過通道40時給供給液70賦予方向性改變。此等方向性改變造成混合，此幫助減小CP。就彎曲區段42或其部分(至少近似一圓形弧)而言，可判定一曲率半徑。通道40之至少某些部分可具有在1 mm與10 mm之間的一曲率半徑。通道40之一等效直徑亦可藉由計算與通道40具有相同剖面面積之直徑或一圓來判定。另一選擇係，通道40之一等效直徑可藉由通常用以在雷諾數計算中判定等效直徑或一非圓形剖面之一公式來判定。通道40可具有在0.2 mm與1.2 mm之間的一等效直徑。
針對彎曲區段52之一曲率比藉由將通道40之等效直徑除以該彎曲區段之曲率半徑之兩倍來計算，針對穿過彎曲區段52之流動之一迪恩數(De)藉由乘以雷諾數來判定，該雷諾數係使用穿過通道40之軸向流動速度(沿路徑50之速度)乘以曲率比之平方根來判定。較佳地，穿過在兩個膜體薄片30之間具有供給通道間隔件10、110以便在路徑50之長度之至少某些、或至少一半或70%或更多中產生大約2與10之間的一迪恩數之一螺旋纏繞元件提供一供給水流。以此方式，可在供給水中產生迪恩漩渦或其他混合流動型樣或被動微混合效應且減小濃度極化層之濃度。
供給通道間隔件10、110可係由諸如聚丙烯之一熱塑性材料之一無孔薄片形成。該薄片最初係平坦的，但通道40藉由將該材料薄片於一模具中衝壓而形成。該模具可係以
一對有凹槽之輥之形式。該等輥經機械加工以使得隨著該等輥轉動一個輥上之凹槽之間的一隆脊進入另一輥中之一凹槽。凹槽及隆脊之形狀與通道40之形狀對應。該等輥中之一或兩者經加熱以使得薄片材料隨著其通過該等輥而加熱至至少其熱撓曲溫度。通道40隨著薄片材料通過該等輥將通道40按壓至其中，且當該材料薄片冷卻時變得固定。
此書面闡述使用實例來揭示包含最佳模式之本發明之實施例，且亦使得熟習此項技術者能夠實踐本發明之實施例，包含製作且使用任何裝置或系統且執行任何併入之方法。本發明之範疇由申請專利範圍界定，且可包含彼等熟習此項技術者聯想到之其他實例。
10‧‧‧供給通道間隔件材料/供給通道間隔件
20‧‧‧擋板
22‧‧‧過渡性區段
30‧‧‧膜體薄片/膜體
40‧‧‧內部流動通道/內部通道/毗鄰通道/流動通路/
通道
42‧‧‧筆直區段/彎曲區段
44‧‧‧角
46‧‧‧供給入口側
48‧‧‧鹽水出口側
50a‧‧‧第一路徑
50b‧‧‧第二路徑
52‧‧‧弓形彎曲區段弓形/彎曲區段
54‧‧‧角
70‧‧‧供給水/供給液
80‧‧‧滲透
90‧‧‧濃縮液
110‧‧‧第二供給通道間隔件/供給通道間隔件
圖1係一供給通道間隔件之一斜視圖。
圖2係沿圖1之供給通道間隔件中之一通道之流動路徑之一示意性表示。
圖3係沿圖1之供給通道間隔件中之一通道之一替代性流動路徑之一示意性表示。
圖4係另一供給通道間隔件之一剖面。
10‧‧‧供給通道間隔件材料/供給通道間隔件
20‧‧‧擋板
22‧‧‧過渡性區段
40‧‧‧內部流動通道/內部通道/毗鄰通道/流動通路/通道
46‧‧‧供給入口側
48‧‧‧鹽水出口側
70‧‧‧供給水/供給
90‧‧‧濃縮物
Claims (9)
- 一種用於一螺旋纏繞膜體元件之供給通道間隔件，其包括：一材料薄片，其界定在該材料薄片之兩個對置邊緣之間延伸之複數個並排大體波狀之通道。
- 如請求項1之供給通道間隔件，其中該等通道包括沿該等通道之長度之彎曲區段。
- 如請求項1之供給通道間隔件，其中若干毗鄰通道形成於該材料薄片之交替側上。
- 如請求項1之供給通道間隔件，其中該等通道具有大體三角形之剖面。
- 如請求項1之供給通道間隔件，其中該等通道具有在約0.2 mm與1.2 mm之間的一等效直徑。
- 如請求項2之供給通道間隔件，其中該等彎曲區段具有在1 mm與10 mm之間的一曲率半徑。
- 一種製作一供給通道間隔件之方法，該方法包括在一模具中於一熱塑性材料之一薄片中形成複數個並排大體波狀之通道，該等通道在該材料薄片之兩個對置邊緣之間延伸。
- 如請求項7之方法，其中該模具包括具有嚙合隆脊及凹槽之一對輥，且該方法包括在該材料薄片在該等輥之間通過時將該材料薄片加熱至至少其熱撓曲溫度。
- 一種用於過濾水之程序，該程序包括使一供給水流動穿過包括夾在膜體材料之兩個薄片之間的如請求項1之一 供給通道間隔件之一螺旋纏繞膜體元件，其中該水之速度結合該等通道之形狀在該等通道之至少一部分中產生在2與10之間的一迪恩數。
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