高速交叉流動態膜過濾器的制造方法
【專利摘要】本發明揭示一種高速交叉流動態膜過濾系統，其包含盤膜組合件，所述組合件具有框架及至少兩個支撐軸件。每一支撐軸件界定縱軸，多個軸向隔開膜盤圍繞所述縱軸定位，其中每一軸件進一步經耦合到所述框架。滲透物管經耦合到每一支撐軸件且與和所述支撐軸件相關聯的所述膜盤流體連通。容器界定處理室且經配置以可移除地支撐所述處理室內的所述盤膜組合件。所述容器進一步包含壁。所述過濾系統還包含驅動系統。所述滲透物管經配置以在所述盤膜組合件被定位在所述處理室內時延伸通過所述容器壁的一部分。所述滲透物管進一步經配置以通過所述驅動系統而旋轉。
【專利說明】高速交叉流動態膜過濾器
[0001 ] 相關申請案的交叉參考
[0002]本申請案主張2014年12月22日申請的第62/095,356號美國臨時專利申請案的優先權，所述專利申請案的全部內容以引用的方式并入本文中。
【背景技術】
[0003]本發明涉及液膜過濾，且更特定地說，涉及一種高速交叉流動態膜過濾器系統及子系統。
[0004]當前，高壓膜系統跨過濾膜以足夠高的速度栗抽給水，從而阻礙沉淀物質在膜表面上逐漸產生，即，膜的‘堵塞’。通過栗抽實現膜過濾的益處的同時維持高交叉流速需要大
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【發明內容】
[0005]在一個實施例中，一種高速交叉流動態膜過濾系統包含盤膜組合件，所述組合件具有框架及至少兩個支撐軸件。每一支撐軸件界定縱軸，多個軸向隔開膜盤圍繞所述縱軸定位，其中每一軸件進一步耦合到所述框架。滲透物管耦合到每一支撐軸件且與和所述支撐軸件相關聯的膜盤流體連通。容器界定處理室且經配置以可移除地支撐所述處理室內的盤膜組合件。所述容器進一步包含壁。過濾系統還包含驅動系統。滲透物管經配置以在盤膜組合件被定位在處理室內時延伸通過容器壁的一部分。滲透物管進一步經配置以通過驅動系統而旋轉。
[0006]在一個實施例中，一種高速交叉流動態膜過濾系統包含盤膜組合件，所述組合件具有第一支撐軸件及第二支撐軸件。每一支撐軸件界定縱軸，多個軸向隔開膜盤圍繞所述縱軸定位。容器界定處理室且經配置以支撐所述處理室內的盤膜組合件。當盤組合件被定位在處理室內時，至少一個板耦合到容器或耦合到盤膜組合件，使得所述至少一個板在第一支撐軸件的多個軸向隔開膜盤與第二支撐軸件的多個軸向隔開膜盤之間至少部分地延伸。
[0007]在一個實施例中，一種盤膜組合件包含框架，所述框架包含第一末端處的第一支撐部分、第二末端處的第二支撐部分、位于第一支撐部分處的第一及第二軸承、位于第二支撐部分處的第一及第二軸承，及從第一末端延伸到第二末端的多個軌道部件。第一支撐軸件及第二支撐軸件各自界定縱軸，多個軸向隔開膜盤圍繞所述縱軸定位。滲透物管耦合到每一支撐軸件且與和所述支撐軸件相關聯的膜盤流體連通。通過位于第一支撐部分處的第一軸承且通過位于第二支撐部分處的第一軸承來支撐第一軸件的滲透物管。通過位于第一支撐部分處的第二軸承且通過位于第二支撐部分處的第二軸承來支撐第二軸件的滲透物管。
[0008]在一個實施例中，一種操作高速交叉流動態膜過濾系統的方法包含將流體流饋送到壓力容器中，所述容器界定含有盤膜組合件的處理室，所述組合件具有第一支撐軸件及第二支撐軸件，其中每一支撐軸件界定縱軸，多個軸向隔開膜盤圍繞所述縱軸定位。所述方法還包含將流體流分配在盤膜組合件的至少一部分上方。所述方法進一步包含排放來自容器的流體流的第一部分。所述方法此外包含排放來自容器的流體流的第二部分。所述方法還包含在第一方向上旋轉第一支撐軸件及第二支撐軸件，所述旋轉包含響應于流體流的第二部分的流率而調制旋轉速率。
[0009]在一個實施例中，一種盤膜組合件包含界定縱軸的支撐軸件，多個軸向隔開膜盤圍繞所述縱軸定位，其中每一膜盤包含呈現第一表面及相對第二表面的盤體。第一滲透物載體與第一表面直接接觸且第二滲透物載體與第二表面直接接觸。第一過濾膜與第一滲透物載體直接接觸且第二過濾膜與第二滲透物載體直接接觸。
[0010]本發明的其它特征及方面將通過考慮下列詳細描述及附圖而變得明顯。
【附圖說明】
[0011 ]圖1是交叉流膜處理系統的示意圖。
[0012]圖2是圖1的處理系統的交叉流膜子系統的透視圖。
[0013]圖3是圖2的交叉流膜子系統的另一透視圖。
[0014]圖4是交叉流膜子系統的容器的透視圖。
[0015]圖5是圖4的容器的另一透視圖。
[0016]圖6是膜盒子組合件的透視圖。
[0017]圖7是圖6的膜盒組合件的另一透視圖。
[0018]圖8是圖6的膜盒子組合件的膜堆疊的透視圖。
[0019]圖9是圖8的膜堆疊的側視透視圖。
[0020]圖10是圖8的膜堆疊的一部分的分解圖。
[0021]圖11是圖8的膜堆疊的一部分的細節圖，其說明盤、滲透物載體及膜的布置。
[0022]圖12是圖8的膜堆疊的一部分的部分剖視圖。
[0023]圖13是具有插入容器內的膜盒組合件的交叉流膜子系統的透視圖。
[0024]圖14是沿著圖3的線14-14取得的橫截面圖。
[0025]圖15是另一膜盒組合件的透視圖。
[0026]圖16是沿著圖15的線16-16取得的橫截面圖。
[0027]圖17是圖1的處理系統的操作饋料槽序列的示意圖。
[0028]圖18是圖1的處理系統的操作加壓序列的示意圖。
[0029]圖19是圖1的處理系統的操作流調整序列的示意圖。
[0030]圖20是圖1的處理系統的操作驅動序列的示意圖。
[0031]圖21是圖1的處理系統的操作堿性CIP序列的示意圖。
[0032]圖22是圖1的處理系統的操作酸性CIP序列的示意圖。
[0033]在詳細說明本發明的任何實施例之前，應了解，本發明在其應用上并不限于在下列描述中提出或在下列圖式中說明的構造的細節及組件的布置。本發明能夠支持其它實施例且能夠以各種方式實踐或實行。此外，應了解，本文中使用的措辭及術語是出于描述的目的而不應被視為限制。
【具體實施方式】
[0034]圖1是具有高速交叉流膜子系統100的交叉流動態膜處理系統10的示意圖。系統10還包含:支撐系統120，其具有饋料閥122、饋料槽124、饋料栗128;化學品供應系統130，其包括堿性化學品栗131A及酸性化學品栗131B;滯留物系統132;及滲透物收集系統134，其包含存放滲透物供后續最終使用的滲透物槽140，及在一些實施例中的滲透物轉移栗(未展示)。饋料槽124可包含液面傳感器150、溫度傳感器152，及pH傳感器154、混合器156，及加熱器158。其它流體轉移組件(例如轉移及再循環栗)連同關聯的配管、閥門及計量裝置可被包含于系統10中，但無需具體描述。支撐系統120可包含本地控制面板(未展示)，或與膜子系統100的電氣與電子組件以及系統10的組件通信的遠程控制面板(見圖1)。控制面板安放電氣面板且進一步尤其包含可編程邏輯控制器(PLC)、電機起動器、變頻驅動器(VFD)及用戶接口(例如觸摸屏HMI (人-機接口)及/或手動開關、旋鈕及指示器燈)。
[0035]參考圖2及3，高速交叉流膜子系統100包含通過自身由輪子或腳輪208支撐的移動支撐框架204來支撐的壓力容器200。呈電機220形式的驅動器被固定地附接到支撐框架204、通過控制面板及VFD控制，且可操作地連接到限定在皮帶護罩228內的傳動皮帶224。在其它實施例中，可使用氣動或液壓驅動器來代替變電驅動器。
[0036]還參考圖4及5，壓力容器200提供以正表壓經額定用于膜子系統100的操作的密封限定室、區域或體積230，且包含端封器240及具有圍繞圓周邊緣252的多個門托架248的鉸鏈封器或門244，所述邊緣經配置以接合樞軸附接到容器主體260的相對的多個樞軸螺栓256。
[0037]容器200的定向可為近似水平、近似垂直(相對于地表面)，或為了可維護性且占據特定安裝中可用的空間而處于傾角。
[0038]壓力容器200包含用于連接入口或饋料導管274的饋料端口 270及用于連接出口或濃縮物導管284的排放端口 280。端口 270、280可具有已知與此類容器搭配使用的任何類型，例如，呈筆直或肘形凸緣連接件形式，且具有或不具有額外配管以使端口連接件延伸遠離容器主體260。
[0039]在一些實施例中，單個饋料端口270通向分配聯箱(未展示)，其在容器200內沿著內表面290的一部分延伸且具有多個出口。在說明的實施例中，替代地利用沿著容器200的長度(從第一末端到第二末端，即，從端封器240到門244，或反之亦然)隔開的多個不同饋料端口 270。饋料端口 270各自連接到入口控制閥294，且每一入口閥294與入口歧管298及具有額外導管連接件(例如“快速”導管連接件310)的饋料線安全閥302流體連通。說明的歧管298的另一側以子系統入口端口314結束。在容器曲率(取決于定向)的頂點處的通氣孔324包含使容器200的內部與外部空氣連通的手動或自動閥328。
[0040]饋料端口270中的一或多者還可充當用于現場清潔(CIP)連接件的CIP端口。例如，先前描述的入口歧管298及入口端口 270的整體可兼作CIP連接件。或者，在無說明的入口歧管298的實施例中，不同饋料端口 270中的一或多者可替代地作為個別CIP端口(例如，居中饋料端口 270 )，而保留側向饋料端口 270用于入口饋料液體。連同CIP連接件一起提供具有進氣閥322的壓縮空氣連接件320，將在下文詳述其目的。
[0041 ]在一些實施例中，單個排放端口 280從容器200引出。在說明的實施例中，沿著容器200的長度隔開且由支撐框架204支撐的多個不同排放端口 280各自經由濃縮物出口 284連接到出口控制閥330，其中的每一者與子系統100的出口歧管334及出口端口 338流體連通。
[0042]沿著容器主體260的外表面定位多個監測端口(例如觀察端口340、344)。可存在額外輔助端口，包含垂直隔開端口，以用于視覺液面指示器或液面發射器350及任選地壓力發射器354的使用。
[0043]容器200的端封器240包含內部凸緣356(圖5)及外部凸緣358。還參考圖14，驅動子組合件360包括至少部分界定容器內部內與凸緣356同心的開口 368的驅動支撐軸件364。驅動子組合件360通過驅動槽輪370而與傳動皮帶224合作且進一步包含軸承及密封基座(例如，唇緣密封件)374(圖14)，其在組裝時穿透端封器240。
[0044]包含凸緣382及具有滲透物排放閥386(球形閥、蝶形閥等等)的滲透物導管段384的滲透物子組合件380以滲透物端口 388結束。如將在下文進一步描述，滲透物子組合件380覆蓋支撐軸件364的末端處的鎖定螺帽390且可連接到外部凸緣358。
[0045]入口端口 314、出口端口 338或滲透物端口 388中的任一者可與用于監測及系統調整的額外壓力及/或流發射器連通。
[0046]在容器200的內部中，敞開歧管或槽394可被固定到容器200的內壁290以均勻分配來自饋料端口及/或CIP端口 270中的一或多者的饋料流。具體地說，槽394可鄰近饋料端口及CIP端口 270的整體縱向延伸。或者，槽394僅鄰近一些饋料端口及CIP端口 270而定位。無關于定位，槽394包括以成形邊緣397(例如，鋸齒形狀，沿著槽394的所有或一部分長度)弓形地或以其它方式形成的限定體積。
[0047]容器主體260的內部進一步呈現多個內部安裝軌道396，其被固定地附接到內表面290且經定位以接納膜盒組合件400。在說明的實施例中，四個內部安裝軌道396經定位以近似90度分離且經焊接或以其它方式永久地附接到圓形內部290。每一軌道396包括90度彎曲部且可為(例如)具有用于焊接的隔開支撐板398的角鐵的段。在其它實施例中，一個、兩個、三個或五個或五個以上安裝軌道396可圍繞內部290附接并定位。
[0048]如下文進一步描述，將開口368與內部安裝軌道396合作地對準，用于插入膜盒組合件400。
[0049]參考圖6，膜盒組合件400包含位于由多個插入軌道424構造的框架420內的多個膜子組合件或堆疊410。形成插入軌道424用于與內部安裝軌道396的位置接合。插入軌道424在相對末端框架部件430、434之間延伸，且額外支撐結構440還可向框架420提供結構穩定性。在圖15的替代實施例中，居中板或擋板444也在末端框架部件430、440之間延伸，且如圖16中所展示至少部分延伸進入膜堆疊410之間形成的空間中。擋板444可被定位在膜堆疊410之間的一側或兩側(S卩，在圖16中展示兩個擋板444)處。在又其它實施例中，一或多個擋板444替代地附接到容器主體260，且更特定地從容器200在室230內的內表面290徑向向內突出，使得擋板444在定位于容器200內時至少部分延伸進入兩個膜堆疊410之間形成的空間中。在一些實施例中，前述歧管或槽394可被安裝或以其它方式固定到膜盒組合件400，例如，在組合件400的頂部上。
[0050]可將一或多個徑向擋板446可移除地或固定地安裝在盒組合件400上方及/或下方且安裝到盒框架420。擋板446經定位以至少部分阻隔盒組合件400的頂端及/或底端處、盤的外部外圍與容器200的內表面290之間的敞開空間(下文進一步詳述)。擋板446可沿著框架420的長度相等或不等地隔開。在一些實施例中，擋板446可彼此軸向偏離，或分別傾斜到相對于盒組合件400的頂部及/或底部的一側或另一側。在又其它實施例中，可使用一或多個擋板，其中的任一者或所有者被放置在沿著框架或在容器200內的任何點處。在一些應用中，擋板446的數目及位置取決于堆疊410長度與盤500的直徑的長度與直徑比率。
[0051 ] 框架420包含操縱把手450及每一末端框架部件處的連接件組合件460、464。連接件組合件460中的第一者呈現與凸緣474同心的支撐軸承470。框架420的另一側上的第二連接件組合件464包含與兩個封頂凸緣484同心的支撐軸承480。在下文所描述說明的實施例中，膜盒組合件400內的膜堆疊410的數目是兩個，但是也可使用具有適當配置框架420的一個或三個或三個以上膜堆疊410，其中容器200適于接納三個或三個以上膜堆疊410。
[0052]在一些實施例中，輪盒托架(未展示)經配置以支撐并運送膜盒組合件400且可包含接納軌道以支撐框架420的插入軌道424中的兩者或兩者以上，但是也預期將一或多個膜組合件400運送到壓力容器200的其它方法。
[0053]如圖8及9中所展示，每一膜堆疊410包括其間具有輪轂510的一系列軸向隔開膜覆蓋的盤(“膜盤”)500。還參考圖10，每一盤體514被相對滲透物載體518夾在中間。每一滲透物載體518的相對面向外側522鄰接過濾膜530。膜530可為逆滲透(RO)、納米過濾(NF)、超過濾(UF)或微過濾(MF)膜。
[0054]還參考圖11，每一盤體514是由剛性、大體上無孔塑料、陶瓷、金屬、基于生物學(例如，生物組織)或類似材料構造，其徑向延伸且以相對外圍唇緣544及外圍邊緣546結束，其中滲透物載體518及膜530經定位使得膜530與外圍唇緣544的外表面548近似齊平。在其它構造中，端帽(未展示)可被固定到盤514的外圍以形成凹部，滲透物載體518與膜514被齊平地定位在所述凹部中。在另一實施例中，可在盤514的外部邊緣上形成端帽以囊封膜530及載體518。在又其它實施例中，滲透物載體并不存在，且盤體514在構造上是多孔或半多孔的，且與膜530的表面直接接觸。或者，上述盤514可由燒結金屬、金屬板、陶瓷構造，或任選地由基于生物學的材料構造。每一盤包含多個滲透物收集孔550。
[0055]參考圖10，如提及，輪轂510是在每一盤/膜集500之間，其中墊片554將每一輪轂510與鄰近膜530的表面分離。如將在下文進一步描述，輪轂510及墊片554形成有經定位以容納滲透物流的相應孔558、560，其中墊片554密封孔558、560以將滲透物流限定在內。盤514、滲透物載體518、膜530、輪轂510及墊片554均圍繞具有縱軸572的中心軸件570共軸對準且從而形成盤間距，即，軸向中心對中心盤距離D(圖9)，其可從0.125英寸或更小變化為2.0英寸或更大，優選間距為0.25英寸。在一些行業應用中，盤514可在徑向大小上變化以優化特定系統中的可用表面積，且盤直徑可從近似4英寸或更小變化為高達6英尺或更大。此夕卜，可針對盤514之間的不同間距D改變輪轂組合件尺寸。此外，膜堆疊410的每一末端可包含充分比較分配重量的板或飛輪580。在一些應用中，除說明的末端位置外或代替說明的末端位置，此板580可被定位在膜堆疊410自身內。
[0056]將盤514、輪轂510及墊片554逐層組裝在軸件570上。在滲透物排放末端(對應于框架420的第一連接件組合件460的末端)，多個導管590(各自與孔550、558、560的相應對準相關聯)各自形成將末端輪轂510連接到包括滲透物管610的滲透物收集組合件600的彎曲部，所述滲透物管經步進或以其它方式經配置用于配接驅動支撐軸件364及支撐軸承470。在阻隔末端(對應于框架420的第二連接件組合件464的末端)，螺紋夾具620用來壓縮具有墊片554及輪轂510的膜盤500以形成多個縱向滲透物通道630，其是通過孔550、558、560界定且與所述孔一致，且具有盤間距D，其將在操作期間相對于容器200內容物的剩余部分流體密封。通過由螺紋夾具620施加的壓縮保持整個膜堆疊410。
[0057]每一膜堆疊410隨后被安裝到框架420上且可旋轉地耦合到支撐軸承470。具體地說，如圖6、7及16中所展示，膜堆疊410被定位在框架420內，使得盤500重疊，形成重疊區域640，其中一個膜堆疊410的盤500交替散置在其它膜堆疊410的盤間距D內，且反之亦然。重疊區域640的徑向距離可變化，且一些應用中鄰近盤之間的間隙從表面到表面近似為0.25英寸。在其它實施例中，一個膜堆疊410的盤500根本不與其它膜堆疊410的盤500重疊。第二連接件組合件464接著被封頂。為了便于組裝，可替代地將擋板444可移除地耦合到框架420，使得一或兩者在膜堆疊410被安置在框架420內之后附接到框架420。接著，可將組裝的膜盒組合件400布置在盒托架上供運送。
[0058]為組裝完整高速交叉流膜子系統100，必須首先將膜盒組合件400插入到容器200中。為了將膜盒組合件400插入到容器中，操作者將盒組合件400運送到容器200且沿著容器主體260的內表面290將框架420的插入軌道424(在當前描述的實施例中為四個)與安裝軌道396對準。接著，操作者沿著安裝軌道396的長度將盒組合件400推到容器200中，這將使滲透物管610與開口 368自動對準。滲透物管610將穿過容器200的端封器240，包含相應驅動支撐軸件364、相關聯的軸承及密封基座374，以及驅動槽輪370。接著，擰緊用于每一滲透物管610的鎖定螺帽390，其將滲透物管固定到驅動支撐軸件364。包含導管段384及閥386的凸緣382被固定到相應外部凸緣358。可將用于驅動子組合件360的密封與鎖定組件的其它配置(例如驅動軸承及非驅動軸承唇緣密封件，或其它軸件密封件)可操作地定位在滲透物管610與端封器240之間或任選地配置有滲透物子組合件380。在所有實施例中，膜子組合件400是從容器200的外部固定在所述容器200內。
[0059]內部軌道396在插入時支撐膜盒組合件400。在一些實施例中，前述擋板446替代地包括可在插入盒組合件400之后定位在容器200內的擋板插入物。在又其它實施例中，在插入盒組合件400之前可將一或多個擋板可移除地或固定地固定到內表面290。
[0060]其后，操作者閉合鉸鏈門244以建立水密殼體。在膜盒組合件400處在適當位置且滲透物管610與滲透物子組合件380連通的情況下，可操作膜系統100。
[0061]在操作中，首先確定并通過液面傳感器150監測饋料槽124的液面。參考圖1及17，如果尚未感測到液面傳感器“低”狀態(步驟1010)，那么打開饋料閥122以允許饋料流進入槽124中。如果至少“低”狀態被感測到，那么起動槽124內的混合器156(步驟1014)。一旦激活混合器154，如果液面傳感器“高”狀態(步驟1030)被確定，那么閉合饋料閥122(步驟1034)，否則饋料閥122保持打開(步驟1038)。同時，溫度傳感器152監測槽124的內容物的溫度(步驟1050)且開啟(步驟1054)或關閉(步驟1058)加熱器158以相對于溫度設置點調整饋料溫度。
[0062 ]還在槽124內調整饋料pH。在混合器156開啟的情況下，pH傳感器154確定饋料相對于PH設置點的pH(步驟1060)。如果所感測pH小于pH設置點但不大于pH設置點減去偏移因子或值(步驟1064)，那么激活堿性化學品栗131A(步驟1068)。如果所感測pH大于pH設置點減去偏移因子，那么將堿性栗131A撤銷激活(步驟1072)。同樣地，如果所感測pH大于pH設置點但不小于PH設置點加上偏移因子(步驟1080)，那么激活酸性化學品栗131B(步驟1084)。如果所感測PH小于pH設置點加上偏移因子，那么將酸性栗131B撤銷激活(步驟1088)。
[0063]參考圖18，一旦確定前述饋料參數且滿足液面傳感器“高”狀態(步驟1110)且液面傳感器“低”狀態是操作或真的(步驟1114)，激活饋料栗128(如果液面傳感器“低”狀態為假，那么將饋料栗128撤銷激活(步驟1118))。
[0064]根據PLC的程序，將待處理的液體饋送通過入口端口 314，通過歧管298及敞開入口控制閥294，并經由一或多個饋料端口 270進入壓力容器200中以將液體分配在壓力容器200內的所安裝膜堆疊410的一些或所有長度上。在存在槽394的情況下，饋料將充滿限定體積且在邊緣397上散開。在液體的此流入期間，通過通氣孔324清除容器200內的空氣。
[0065]特定饋料端口270及排放端口 280的使用可取決于應用。在一些應用中，例如，較接近端封器240及鉸鏈門244中的一者的饋料端口 270可被打開用于饋料流入(其它饋料端口270閉合)，而軸向(S卩，縱向于容器200或垂直于容器直徑)相對排放端口280經打開用于濃縮物排放(其它排放端口 280閉合)，以便提升待在容器200內處理的介質的軸向流動的程度。此配置可最大化跨膜堆疊410的所有膜530的合計平均通量率。在其它應用中，(三者中的)中心饋料端口 270經打開以用于饋送流，而所有三個排放端口 280均打開。可取決于待處理介質、所使用膜530、盤500的所需旋轉速度、所需滲透物通量或流率，或考慮其它因子而打開或閉合饋料端口 270及排放端口 280的任何組合。
[0066]監測容器200內的壓力，且如果其等于預定設置點壓力(步驟1130)并大于最小設置點壓力(步驟1134)，那么設置系統“接通”狀態(步驟1140)。控制系統以維持設置點壓力:如果容器200內的壓力小于設置點壓力(步驟1144)，那么經由VFD增大栗128速度(步驟1148);如果容器200內的壓力大于設置點壓力，那么通過VFD減小栗128速度(步驟1152)。如果容器壓力下降到最小設置點壓力以下，那么系統不再處于“接通”狀態(步驟1160)。
[0067]在系統狀態(步驟1170)“接通”的情況下，同時起動驅動器220且膜堆疊410通過皮帶驅動器224以所需旋轉速率旋轉。堆疊410及皮帶224經配置使得皮帶224在容器200內在相同方向上旋轉每一堆疊410。板580提供壓載或“飛輪”作用到旋轉膜堆疊410。還參考圖19，最初通過歧管334下游的閥330及/或閥700 (見圖1)來關閉濃縮物排放，除非系統狀態是“接通”(步驟1172)。調整來自容器的濃縮物流以維持預定VCF(體積濃度因子)。具體地說，在步驟1174處基于進入容器200中的經測量流率及VCF來計算所需濃縮物流率。如果經測量濃縮物流等于所需流率(步驟1178)，那么維持來自容器200的濃縮物流率。如果不相等(步驟1182)且經測量濃縮物流率小于所需流率，那么可致動與PLC連通的閥700以增加濃縮物流(步驟1190)。如果經測量濃縮物流率大于所需流率，那么可致動閥700以減少濃縮物流(步驟1194)。閥700還可用來調制此流的體積濃度因子。在一些應用中，除閥700外或代替閥700，閥330可控制或調制來自容器200的濃縮物流。
[0068]一旦容器200被填充有液體且加壓到適當操作壓力，通過如先前所描述濃縮物排放閥330及/或閥700的控制及/或通過饋料栗128的VFD控制來自動地維持容器壓力。
[0069]在旋轉膜堆疊410之后，在容器200的內表面290周圍產生所含液體的旋轉或旋渦流，其可趨向于使流體的至少一部分成層。此層化阻礙流體在鄰近盤500之間的空間中的完全混合。擋板或若干擋板444中斷旋渦流且將更多流體轉移或重新導向到重疊盤間距D中以增強混合。擋板446用來在操作期間最小化流體在容器200內的軸向混合或循環。
[0070]隨著壓力容器200中的壓力增加，跨膜530(在膜530的暴露側的液體與膜530的滲透物載體側之間)的橫跨膜壓力積聚并驅動液體通過每一盤500的膜530。膜取決于膜530的特定性質而將微粒及溶解物質(無機與有機的)與穿過膜530的液體分離。呈滲透物形式的經過濾液體進入滲透物載體518，且徑向流向由孔550、558、560形成的滲透物通道630中的一者，所述液體被收集于其中。滲透物是處于足以允許其沿著中心軸件570的長度軸向運送到滲透物子組合件380的壓力。在具有多孔盤514的那些實施例中，滲透物徑向流動通過多孔盤而進入盤中的開孔中，且通過通道630中的一者。
[0071]在此過程期間，歸因于每一膜堆疊410的每一盤500的旋轉方向，在重疊盤間距D內，一個盤500的表面‘靠近’其它膜堆疊410的其它緊鄰盤500的表面。在膜530的表面處、未穿過膜530的液體含有被保留固體，所述固體由通過此相對盤旋轉引發的高速維持在懸浮液中。未穿過膜530且含有這些固體的液體繼續通過容器200到濃縮物排放端口 280，并穿過容器200且到出口端口 338作為濃縮物，其中其可經再循環用于額外穿過容器200(穿過與給水連通的額外導管)或以其它方式排放(例如)到排水管或到滯留物系統132。先前描述了濃縮物流的一般調整。從容器200連續地收集濃縮物，且濃縮物在一些實施例中穿過額外背壓流率控制閥以維持壓力容器200的內部內的壓力及/或維持預定固體濃度。
[0072]一旦處于所需操作壓力，系統100可連續操作，經受滲透物流、容器壓力、盤旋轉速度、旋轉方向、濃縮物排放速率及饋送供應速率的自動控制。作為實例，盤旋轉速度可經設置以實現所需每分鐘轉數(rpm)，以結合足夠滲透物流率實現必要交叉流速。還可實時、由傳輸滲透物流率或由通過入口端口 314的流率與離開出口端口 338的流率之間的差來識別通過膜530的通量率。接著，必要時可調整驅動器rpm以獲得所需滲透物流率。參考圖20，在適當壓力下(否則驅動器220停止旋轉膜堆疊410，步驟1198)，基于饋料流與濃縮物流之間的差來計算滲透物通量率(步驟1200)。如果通量率對應于預定通量設置點(步驟1204)，那么系統繼續其當前操作。
[0073]調制盤500的旋轉速度以維持滲透物通量率。具體地說，如果在步驟1210處通量率大于設置點，那么VH)操作的驅動器220減少(步驟1214)，從而減小膜堆疊410的旋轉速度。如果在步驟1210處通量率小于設置點，那么將驅動器220的旋轉速度與最大旋轉速度比較(步驟1220);如果未超過此最大值，那么增大驅動器220的旋轉速度(步驟1224)。
[0074]如果超過最大旋轉速度，那么起始電機控制序列。使用此控制序列，增加計數器(步驟1230)且將“斜升”計數與斜升最大值比較(步驟1234)。如果不大于斜升最大值，那么起始斜升清潔循環(步驟1240)，其中盤500的旋轉速度經顯著增大以增大跨膜表面的速度。因此，如果滲透物通量率隨時間下降，那么可暫時增大驅動器220rpm以增大兩個膜表面之間的相對速度，從而產生增強的“自清潔”作用。隨著滲透物通量率其后增大，必要時可調整驅動器220rpm使其回落。如果斜升計數大于最大值，那么激活警報(步驟1244)，增加反向計數器(步驟1248)，且將反向計數器與反向最大值比較(步驟1254)。如果反向計數器值不大于反向最大值，那么在斜升清潔循環(在相反方向上)之前于預定時間內反轉驅動器220的方向(步驟1260)。如果其大于反向最大值，那么操作停止且關閉系統(步驟1264)以進行清潔。
[0075]—般來說，盤旋轉可為間歇性或周期性循環以減少操作期間的能量消耗，但仍維持充分膜交叉流。在一些實施例中，如描述，可在旋轉方向上周期性反轉盤堆疊410。對穿過如先前所描述濃縮物控制閥330或閥700的濃縮物流率的控制與滲透物通量率計算同時發生以允許系統100將濃縮物中的固體濃縮到所需水平。
[0076]因此，膜過濾器可用來通過相對于以跨膜表面的高速栗抽液體而旋轉液體內的膜表面，從而運用減少的能量實現固體與液體的分離。較高交叉流速導致通過膜530的較高操作通量及減少的膜堵塞。旋轉盤500在平行軸件570上的散置導致膜表面上的平均流速及分配。
[0077]周期性地及/或響應于操作期間處于給定壓力的減少的滲透物流率，在短周期內使系統100停止運行以對膜530進行化學清潔(CIP或現場清潔)。這可通過將處于優選溫度的低PH(酸性)及/或高pH(堿性)化學品及/或清潔劑溶液饋送通過化學品系統120到容器200且在預定周期內再循環通過饋送/再循環槽124來完成。其后，如通過處于給定壓力的復原通量所確定，系統100被清除化學溶液且在充分清潔之后重新投入運行。或者，將特定數量的化學溶液通過指定CIP饋料連接件引入到容器200。經由槽394將CIP溶液分配在膜530的表面上。顯著地，容器在CIP過程期間未被填充到最大容量。而是，分配較小數量的CIP溶液。接著，旋轉盤500以進一步使CIP溶液在膜表面積上散開。將壓縮空氣通過壓縮空氣注入端口 320注入到容器200中以提供壓力且進一步迫使CIP溶液通過膜。
[0078]參考圖21，說明一種特殊堿性CIP過程。以槽124中的液面傳感器150開始(步驟1310)，以液面傳感器“高”狀態，閉合饋料閥122(步驟1318)且激活混合器156(步驟1324)。如果不符合液面傳感器“高”狀態，那么打開饋料閥122以填充槽124(步驟1326)。溫度傳感器152監測槽124的內容物(步驟1330)且開啟(步驟1334)或關閉(步驟1338)加熱器158以相對于CIP溫度設置點(例如，大約120°F)調整饋料溫度。
[0079 ]將槽內容物的pH與Cl P堿性設置點(例如，近似pH 12)進行比較(步驟1342)且如果不大于設置點，那么激活堿性化學品栗131A(1346);如果大于設置點，那么使堿性栗131A撤銷激活(步驟1350)。
[0080]從液面發射器350確定容器200中的液體液面。如果“高”液面(步驟1360)與“低”液面(步驟1364)兩者均未被觸發，那么激活饋料栗128(步驟1368)。隨著容器200中的溶液液面上升，饋料栗128繼續提供來自槽124的CIP溶液，直到達到“高”液面為止，此時使饋料栗128撤銷激活(步驟1374)。相對于容器內部定位“高”液面及“低”液面，使得“高”液面可遠低于容器200的總容量的一半、四分之一或更少。在此特定應用中，CIP過程使用最小數量的溶液，例如，可以只使用50加侖到100加侖的CIP溶液的此過程清潔10，000加侖容量容器。
[0081 ]同時，借助使用壓縮空氣來維持容器200內部的壓力。具體地說，監測容器200內的壓力(步驟1380)，且如果小于CIP設置點壓力(步驟1384)，那么致動或打開進氣閥322以允許壓縮空氣流入容器200內(步驟1390)。如果容器壓力大于CIP設置點壓力，那么閉合進氣閥322(步驟1394)。一旦壓力大于CIP設置點(步驟1400)，便激活驅動器220以在預定時間內旋轉盤500(步驟1410)，此后CIP序列完成(步驟1420)。一旦完成(步驟1430)，便閉合入口閥322 (步驟1440)且使饋料栗128撤銷激活(步驟1450)。
[0082]參考圖22，說明一種特殊酸性CIP過程，其中相似步驟與圖21中說明的前述堿性CIP過程共享相似編號。槽124液面傳感器150與溫度傳感器152如先前描述般操作，將槽內容物的PH與CIP酸性設置點(例如，近似pH 2)比較(步驟1542)且如果不大于設置點，那么激活酸性化學品栗131B(1546);如果大于設置點，那么使酸性栗131B撤銷激活(步驟1550)。酸性CIP過程的剩余部分如先前針對堿性CIP過程描述般。
[0083]已超過其使用壽命的膜盒400可從容器200移除且以另一膜盒替換。具體地說，從容器200移除的膜盒400可被載運、傳送或以其它方式送到本地或遠程設施并清潔，或替代地一些或所有的膜530、滲透物載體518或盤514經替換、重新囊封且載運回到相同系統或到處于另一位置中的另一系統。
[0084]為了從容器200移除膜盒組合件400，操作者基本上使先前描述的操作反向。凸緣382(具有導管段384及閥386)被松開并從外部凸緣358移除，從而暴露鎖定螺帽390。通過松開鎖定螺帽390，每一組合件400的滲透物管610不再與驅動支撐軸件364接合。操作者沿著安裝軌道396將盒組合件400拉離容器200。接著，可如先前描述般插入新的或經清潔盒組合件400。
[0085]在特定實施例中，系統10可用于水處理、廢水處理、海水處理、掩埋場瀝出液、壓裂水、甜料的凈化、產品回收、化學品與溶劑凈化、催化劑回收、油/水分離、果汁、葡萄酒與啤酒凈化、用于后續過程的預過濾，及類似者。
[0086]雖然上文描述本發明的實例實施例，但是不應以限制意義看待這些描述。而是，可作出數個變型及修改，而不脫離本發明的范圍。
【主權項】
1.一種高速交叉流動態膜過濾系統，其包括: 盤膜組合件，其包含 框架， 至少兩個支撐軸件，每一支撐軸件界定縱軸，多個軸向隔開膜盤圍繞所述縱軸定位，每一軸件進一步經耦合到所述框架，及 滲透物管，其經耦合到每一支撐軸件且與和所述支撐軸件相關聯的所述膜盤流體連通； 容器，其界定處理室且經配置以可移除地支撐所述處理室內的所述盤膜組合件，所述容器進一步包含壁;及驅動系統， 其中所述滲透物管經配置以在所述盤膜組合件被定位在所述處理室內時延伸通過所述容器壁的一部分，所述滲透物管進一步經配置以通過所述驅動系統而旋轉。2.根據權利要求1所述的系統，其中所述至少兩個支撐軸件包括第一支撐軸件及第二支撐軸件，且其中與所述第一支撐軸件相關聯的多個膜盤被散置在與所述第二支撐軸件相關聯的多個膜盤之間。3.根據權利要求1所述的系統，其中所述滲透物管進一步經配置以順時針及逆時針旋轉。4.根據權利要求1所述的系統，其進一步包含多個輪轂，每一輪轂在所述多個軸向隔開膜盤的兩個鄰近盤之間圍繞所述至少兩個支撐軸件中的一者而定位，所述多個輪轂中的每一輪轂包含與和所述至少兩個支撐軸件中的所述一者相關聯的所述滲透物管流體連通的至少一個孔。5.根據權利要求4所述的系統，其中所述多個輪轂一起至少部分地界定與所述至少兩個支撐軸件中的所述一者平行的滲透物通道。6.根據權利要求1所述的系統，其中所述多個軸向隔開膜盤的所述膜盤各自包含由無孔材料構造的盤體。7.根據權利要求2所述的系統，其中所述框架包含擋板，所述擋板被至少部分地定位在與所述第一支撐軸件相關聯的所述多個膜盤及與所述第二支撐軸件相關聯的所述多個膜盤之間。8.根據權利要求1所述的系統，其中所述框架包含第一及第二末端部件，且其中多個軌道在所述第一末端部件與所述第二末端部件之間延伸，所述多個軌道經定向成大體上平行于所述滲透物管。9.根據權利要求8所述的系統，其中所述容器進一步包含經附接到所述容器內部的多個安裝軌道，每一安裝軌道經配置以各自接納所述框架的軌道。10.根據權利要求1所述的系統，其中所述容器包含多個入口端口及多個出口端口，且其中所述系統經配置以通過與所述多個出口端口的每一可行集或子集組合的所述多個入口端口的每一可行集或子集來選擇性地允許對所述容器的接近。11.根據權利要求1O所述的系統，其中所述多個入口端口包括三個入口端口，且其中所述多個出口端口包括三個出口端口。12.根據權利要求11所述的系統，其中所述容器具有正交于容器長度的容器直徑，且其中將所述三個入口端口與所述容器縱向對準，且其中將所述三個出口端口與所述容器縱向對準。13.根據權利要求2所述的系統，其進一步包含至少一個板，當所述盤組合件被定位在所述處理室內時，所述板耦合到所述容器或耦合到所述盤膜組合件，使得所述至少一個板在所述第一支撐軸件的所述多個軸向隔開膜盤與所述第二支撐軸件的所述多個軸向隔開膜盤之間至少部分地延伸。14.一種操作高速交叉流動態膜過濾系統的方法，所述方法包括: 將流體流饋送到壓力容器中，所述容器界定限定盤膜組合件的處理室，所述組合件具有第一支撐軸件及第二支撐軸件，每一支撐軸件界定縱軸，多個軸向隔開膜盤圍繞所述縱軸定位； 將所述流體流分配在所述盤膜組合件的至少一部分上方； 排放來自所述容器的所述流體流的第一部分； 排放來自所述容器的所述流體流的第二部分； 在第一方向上旋轉所述第一支撐軸件及所述第二支撐軸件，所述旋轉包含響應于所述流體流的所述第二部分的流率而調制旋轉速率。15.根據權利要求14所述的方法，其中所述容器界定第一末端與第二末端之間的長度，且包含沿著所述長度隔開的多個饋料端口及沿著所述長度隔開的多個排放端口，且其中將所述流體流分配在所述盤膜組合件的至少一部分上方包含通過與所述第二末端相比更接近所述第一末端的饋料端口來分配所述流體流，且其中排放來自所述容器的所述流體流的所述第一部分包含通過與所述第一末端相比更接近所述第二末端的排放端口來排放所述第一部分。16.根據權利要求14所述的方法，其進一步包含響應于流參數而在與所述第一方向相反的第二方向上旋轉所述第一支撐軸件及所述第二支撐軸件。17.—種盤膜組合件，其包含: 支撐軸件，其界定縱軸，多個軸向隔開膜盤圍繞所述縱軸定位，每一膜盤包含 盤體，其呈現第一表面及相對第二表面， 與所述第一表面直接接觸的第一滲透物載體，及與所述第二表面直接接觸的第二滲透物載體，以及與所述第一滲透物載體直接接觸的第一過濾膜，及與所述第二滲透物載體直接接觸的第二過濾膜。18.根據權利要求17所述的盤膜組合件，其中所述第一及第二過濾膜是多孔膜。19.根據權利要求17所述的盤膜組合件，其中所述盤體是無孔盤體。20.根據權利要求17所述的盤膜組合件，其中所述盤體進一步包含鄰近外部邊緣的外圍唇緣，且其中所述第一滲透物載體及所述第一過濾部件經定位，使得所述第一過濾部件與所述外圍唇緣的外表面大致齊平。
【文檔編號】C02F1/44GK105934270SQ201580002643
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2015年12月18日
【發明人】R·戴維, 瑛琛·D·黃, L·扎托佩克, K·沃庫爾卡
【申請人】普羅設備股份有限公司