法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2011-02-23
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):B01D63/12 授权公告日:20061004 终止日期:20100104 申请日:20021203
专利权的终止
2006-10-04
授权
授权
2005-07-20
实质审查的生效
实质审查的生效
2005-05-18
公开
公开
本发明涉及一种改进的用于超滤的方法，一种特别适合于在上述方法中用的抗伸缩装置(ATD)及一种特别适合于在上述方法中用的超滤器。
发明背景
利用超滤通过使一些较小的分子通过过滤器，而同时保留较大的分子，使进料液流浓缩，在工业中是众所周知的。各种超滤器的应用在乳制品工业内和医药工业中尤其广泛。另一种众所周知的应用通称之为反渗透，此处基本上所有大于水的分子都留下而透过液是纯水。反渗透比如用于使海水脱盐，以便生产家庭用或灌溉用的淡水。
所有这些应用的基础是供预定应用具有合适渗透率性能的膜。因为产量显然与膜的表面积有关，所以理想情况是利用大面积的膜。为了避免体积庞大的工艺设备，这些膜常常安排成一种螺旋卷式构造。
典型的螺旋卷式过滤器由1-6个螺旋卷式元件组成，上述螺旋卷式元件成串联流动方式连接并放在一个圆筒形压力容器中。典型的螺旋卷式元件由1个或多个约1×1m的膜组成，卷绕到一个滚筒上，上述滚筒具有一最终直径为10-20cm和长度约为1m。在滚筒中的两个膜之间，安放一种用于传导流体的可渗透多孔介质，即浓缩液隔网，来保证浓缩液可以流过膜，以便所有浓缩液都分布在表面上，并连续地清洗聚集固体的膜。
在该领域已知在卷式过滤器元件外部给各过滤器元件装备一个硬质不渗透的外壳，以便保持使元件紧密卷绕。在这种构造中，流入和流出过滤器元件将在轴向方向上穿过两端。
在浓缩液隔网内部的流动可以是朝轴向方向或是朝非轴向方向上流动，此处非轴向方向是从外部朝卷式螺旋形元件的中心成螺旋式切向运动。在该领域内已知，某些浓缩液隔网的设计能切向螺旋式运动，而另一些设计则不能。
每个膜通常都包括一种多孔的中心传导介质，亦即透液隔网，上述中心传导介质连接到一个中心透液管上，并且在透液隔网的每个侧面上都设置一个分离膜，组件在不连接到透液管的三个边缘处比如用胶堵住，以便保证只有透过分离膜的液体可以进入透液隔网。
经常绕螺旋卷式过滤元件卷绕一种多孔可透液织物，亦即调整隔网，以便使螺旋卷式元件和压力容器之间不可避免产生的间隙减至最小。
当一圆筒形容器中存在两个或多个螺旋卷式元件时，在各过滤器元件的每一端处和在两个元件之间的空隙中，通常设置抗伸缩装置(ATD)，上述抗伸缩装置用作两个元件之间的隔离器，并且用来减少螺旋卷式元件通过伸缩而解卷的趋势。在该领域内已知许多不同的ATD设计。
US 4,296,951公开了一种用于过滤组件的球形互连器，所述球形互连器包括一个用弹性材料成型的球形体，上述球形体具有若干同轴孔用于放入透液管的相应末端。这些互连器在不同压力范围下都适用。
US 4,301,013公开了一种带控制式旁路密封的螺旋式膜组件，此处在过滤组件外表面和圆筒形容器内表面之间的间隙中设置一种材料，以便防止任何产物在这个间隔中聚集。
US 4,855,058公开了一种高回收率螺旋卷式膜组件，所述膜组件包括用于为进料浓缩液混合物提供径向流动的装置，上述径向流动一定程度上足以达到30％或高于30％的转化，而同时保持紊流或间歇式层流。
US 6,224,767公开了一种流体分离元件组件，此处抗伸缩装置是可拆卸的，当膜元件到达它们有效寿命的终点并且必需用新的元件更换时，使它们可再用。
在使用时，待浓缩的流体被迫进入压力容器的入口并受挤压主要是在轴向方向上穿过过滤器元件，不过某些过滤器元件也在径向方向上提供某种流动。然而其中一部分流体将穿过过滤器元件和圆筒形容器之间的间隙通过过滤器元件，同时产生一种旁路流动。
本领域的技术人员应该理解，沿着过滤器元件的压降与在液体行进路线处所遇到的流阻有关。因此，在过滤器元件和容器之间间隙中的压力分布图将与螺旋卷式过滤器元件内部路线处的压力分布图不同，即使开始压力和最终压力相同时也是如此，亦即，在某些位置处压力相同，在某些位置处在过滤器元件和容器之间的间隙中压力较高，而在某些位置处上述间隙中的压力较低。
在过滤器元件内部压力比过滤器元件和容器之间的间隙中压力高的位置处，有一种螺旋卷式元件解卷或伸缩的趋势，其结果是在过滤器元件内部形成通道，上述通道大大降低了过滤器元件的效率。
实际上，经验是解卷或伸缩的趋势随着液体的压力梯度和流动速度变高而增加，结果是解卷或伸缩效应限制了可以加到一螺旋卷式元件上的压力梯度，并且由于压差是过滤操作中的驱动力，所以限制了上述过滤器元件的效率。
希望是能在较高的压力梯度下操作螺旋卷式过滤器元件，以便增加过滤器元件的效率。
发明简介
本发明人实现了通过用一个或多个螺旋卷式膜过滤器元件安装在一个圆筒形压力容器中进行超滤的方法，可以改善用一种螺旋卷式超滤器过滤，此处每个过滤器分段都包括一个或多个膜，每个都包括一个中心透过液隔网，所述隔网都用分开的膜覆盖在两侧上，在一个边缘处与一个透过液管连接，和在三个另外边缘处堵塞，用一个浓缩液隔网绕中心透过液管卷绕，因此各膜和浓缩液隔网交替式铺放在卷式元件上，并让流体从过滤器元件和压力容器之间的间隙朝切向成螺旋方向上进入浓缩液隔网，在沿着过滤器元件的任何位置处的横截面中，螺旋卷式膜滤器分段和圆筒形压力容器之间的间隙中压力都高于或等于两个膜之间浓缩液隔网中的压力。
在使用按照现有技术所述的螺旋卷式元件的超滤厂中，过滤器元件和压力容器之间的间隙将提供比卷式过滤器元件内部的浓缩液隔网小的流阻，其结果是流体在过滤器元件和压力容器之间的间隙中流体的线速度比卷式过滤器内部的线速度高。如Bernoulli方程所表示的流体物理定律说明，与较低速度行进的流体相比，比较高速度行进的流体将施加较小的静压力。因此，本领域的技术人员应该理解，在按照现有技术所述的这种超滤厂中，在某些位置处卷式过滤器元件内部的压力将高于卷式过滤器元件和压力容器之间间隙中的压力。
在按照本发明所述的方法中，压力产生一个从压力容器周边指向容器中心的力，这个力增加了滚筒中相邻薄板之间的摩擦作用，所述摩擦作用保证螺旋卷式元件保持在合适位置，而没有任何解卷或伸缩，即使当比通常高的压力加到这些过滤器元件上时也是如此。
这使过滤器元件能在比现有技术所用的压力显著要高的压力下，如在具有长度约为1m的过滤器元件入口和出口之间2巴或2巴以上的压差下工作。这种高压差为过滤元件提供了较高的效率，上述较高的压差还保证用这种方法可以达到每单位分离膜面积更高的浓缩，另外与按照现有技术所述的方法相比，可以达到一较低的能耗。
这种有利的压力可以通过这样设计过滤器形成，即将螺旋卷式元件和压力容器之间的通道在过滤器元件的入口处对进料流体打开，而在过滤器元件出口处堵塞或限制。照这样将按照本发明所述的方法形成压力。
按照本发明所述的有利压力条件可以通过使用抗伸缩装置(ATD)形成，上述ATD包括一个元件，所述元件当放在圆筒形压力容器中时，保证从前面过滤器元件或入口中出来的浓缩液在离中心透过液管的距离大于d处可以不通过ATD或者只以有限的程度通过ATD，此处d小于螺旋卷式膜滤器分段的直径，并且此处流出前面过滤器元件的浓缩液能自由地流入后面过滤器元件和压力容器之间的间隙。
在一个优选实施例中，这种ADT装备了一个限流器，所述限流器保证后面过滤器元件中的进料流体是在比上述流体遇到上述过滤器元件周边低的压力下遇到过滤器元件的末端。
在另一个优选实施例中，按照本发明所述方法中所用的过滤器元件包括一个或多个膜，每个膜都包括一个中心透过液隔网，上述隔网在两侧上被分离膜覆盖，在一个边缘处与一个中心透液管连接和在另外三个边缘处堵塞，用浓缩液隔网绕中心透液管卷绕，以便各隔膜和浓缩液隔网交替式铺放在卷式元件中，其中浓缩液可以从各过滤分段和圆筒形压力容器之间的间隙朝一螺旋式切向方向进入浓缩液隔网。
附图简介
图1是一种超滤器的示意代表，所述超滤器包括三个螺旋卷式过滤器元件(1)，一个圆筒形压力容器(2)，一个入口(4)，一个用于浓缩液的出口(5)和一个用于透过液的出口(7)，一个入口ATD(9)，两个中间ATD(8)和一个出口ATD(10)。
图2是示出一种典型先有技术超滤器压力分布曲线图，此处Pi是入口压力，Po是出口压力，及X是离螺旋卷式压力元件开始处的距离。
图3是示出一种按照本发明所述的螺旋卷式组件中压力分布的曲线图。
图4是示出一种具有一在螺旋卷式元件入口端之前插入的限流器的螺旋卷式组件中压力分布的曲线图。
图5是按照本发明所述ATD一个实施例的剖视图，示出中心透过液管(未示出)和压力容器(2)之间的横截面。一个密封圈(12)密封过滤器外面部分中的流动，上述过滤器的外面部分具有一个唇形密封件(13)和一个开口(14)，上述唇形密封件(13)密封到容器上，而上述开口(14)让进料/浓缩液进入后面螺旋卷式元件和压力容器之间的间隙。
图6示出按照本发明所述的ATD另一个实施例，上述ATD还装备一个限流器(15)和一个密封圈(16)，上述密封圈(16)对接到后面过滤器元件的外面部分上，它密封在上述限流器(15)和开口(14)之间。
图7是沿着一个过滤器的压力分布图示意代表，上述过滤器具有三个螺旋卷式过滤器元件，所述三个螺旋卷式过滤器被按照本发明所述装备有限流器的ATD分开。
图8示出浓缩液在与图7所示相同的过滤器中的流动。
图9示出一种螺旋卷式过滤器的剖视图，此处(21)是压力容器，(22)是过滤器和压力容器之间的间隙，(23)是一个包围过滤器元件的可透过的织物，(24)是一个浓缩液隔网，(25)是过滤器膜，及箭头(27-28)示出液体在切向上流入螺旋卷式元件的浓缩液隔网(24)。
图10示出按照本发明所述ATD的一个实施例，此处接收前面螺旋卷式元件中出口的隔间(30)如此形成，以使流阻随离元件中心的距离增加而增加，而入口由其通往后面元件的隔间(31)如此形成，以使流阻随离元件中心的距离增加而减少。
图11示出一种过滤单元，所述过滤元件包括4个螺旋卷式过滤元件，上述4个螺旋卷式过滤元件被按照本发明另一个实施例所述的ATD分开，同时表示单元内部的流动。在这个实施例中，中心透液管中的透过液可以不通过ATD，而是通过设置在每个第二ATD中的透过液出口(32)流出。通过在出口处提供合适的反压力，能够调节每个过滤元件的净驱动压力。
图12示出在各例中所用的过滤单元示意剖视图。
发明的详细说明
本发明涉及超滤，此处超滤器包括一个或多个装在一个圆筒形压力容器中的螺旋卷式元件，在此处一种进料流体包含一种或多种溶解化合物，上述进料流体随着同时产生一种透过液而被浓缩，而上述透过液包含进料流体中的低分子成分。对于利用这种螺旋卷式过滤器在一压力容器中所进行的这些分离，可以根据研究中的特定膜实际截流值，采用不同的术语如超滤，微过滤和反渗透。本领域的技术人员应该理解，本发明不限于这些术语中任何特定的术语，或限于具有截留值在一特定范围内的膜，而是本发明可以用在这些分离的其中之一上，虽然说明书主要是对超滤进行说明。
象这样的螺旋卷式元件在该领域内是众所周知。本发明原则上可以用任何螺旋卷式过滤元件进行，上述过滤元件具有若干围绕一中心渗透管道卷绕的分离膜和浓缩液隔网，其螺旋卷式元件能从过滤器元件和压力容器之间的间隙切向进入浓缩液隔网。
供在螺旋卷式元件中用的膜包括一个中心薄板，透过液隔网，接收和传送透过液中心透过液管道。一种分离膜固定在透过液隔网的每一侧上，并且这个组件比如通过胶水在边缘处堵塞，以便保证只有进入透过液隔网的流体穿过分离膜进入，和只能通过未堵塞的边缘从透过液隔网逸出，并因此引入中间透液管。分离膜可以选定具有适合于预定用途的截留值。
截留值在本说明书中通常理解为一种能透过膜的化合物可能具有的最高分子量。
螺旋卷式元件通过围绕中心透液管道卷绕固定到上述管道上的膜制成。一个薄板，即浓缩液隔网插在螺旋卷式元件中两个膜之间，用于输送进料流体，随着低分子成分通过各膜，上述进料流体越来越浓缩。
各透过液隔网和浓缩液隔网的功能是保持它们安放于其中的间距在预定的工作压力下打开液体的管道。
在现有技术内众所周知的螺旋卷式元件；各个膜和隔网，可以在实施本发明时使用。
为了区分在一超滤过滤器中或一个螺旋卷式过滤器元件处的不同位置，把术语“前面”理解为更靠近入口，而把术语“后面”理解为更靠近浓缩液的出口。
在将螺旋卷式元件安装在压力容器中期间，螺旋卷式元件和压力容器之间不可避免的产生一个间隙。在本说明书中，这个间隙也称为缝隙。
按照本发明所述的过滤是通过保证在任何位置处压力容器的横截面中，缝隙中的压力都高于或等于螺旋卷式元件内部一个浓缩液隔网中的压力进行。这种压力分布减少了在工作期间螺旋卷式元件开卷或伸缩的倾向。若在过滤器中采用这种特殊的压力分布，则能够使螺旋卷式过滤器元件横过所述过滤器元件在比如果压力分布不同可能有的更高压差下运行。若横过过滤器元件采用更高的压差，则横过膜的压力增加，这种情况导致在过滤器元件中存在的每平方面积分离膜产量更高。显然这是有利的，因为过滤器的能力增加导致使对设备投资的需要减少。另外，方法可以具有低能耗实施。
原则上，超滤器或螺旋卷式过滤器元件入口和出口之间的最大压差可以由卷式膜和隔网的可压缩性确定。该技术的技术人员应该理解，为了是足够的多孔，过滤器元件中所用的隔网可以在一高机械载荷下压缩。不希望压缩螺旋卷式过滤器任何元件，因为压缩可以产生改变了的传导性能。因此入口和出口之间的压差应如此选定，以便没有膜和隔网的压缩作用发生。
在使用时，过滤元件的入口和出口之间的压差高于约每米过滤元件1巴(bar)，优选的是在1-5bar/m范围内，更优选的是在1.5-3bar/m范围内和最优选的是约为2bar/m。
缝隙中的压力优选的是比过滤元件内部的压力高至少0.01bar。
缝隙中的压力高于或等于横向截面处组件内部的压力，可以通过保证流体能从入口侧进入缝隙但不流出过滤器元件出口侧中的缝隙，或是只在一有限的程度下流出过滤器元件出口侧处的缝隙提供。照这样，在缝隙中产生比过滤元件里面部分高的压力。
表述“在一有限程度上”打算意思是指允许少量流出缝隙，上述少量流动在量上足够防止形成在过滤单元任何地方没有液体流动的死穴，以便保证基本上所有流体都通过过滤器。该技术的技术人员应该理解，在比如供食品或医药工业用的卫生系统中，关键是没有死穴存在，因为这些死穴可能产生各种微生物，这种情况显然是不能接受的。
在一有限程度上的流动可以通过在缝隙的出口处安排一种流阻，如用于流体的狭窄通道，比如密封件中的若干孔提供。
按照本发明所述工作的螺旋卷式过滤器元件中的流动在图8中指出。
在不希望与理论相结合的情况下，可以认为，在缝隙中比在螺旋卷式元件内部高的压力在朝向元件中心方向的膜上产生一个力，所述力保证螺旋卷式元件中不同薄板之间的摩擦作用增加，并因此减少了各薄板之间侧向运动的趋势，同时导致一种减少了解卷或伸缩的趋势。
在图2中，对一种按照先有技术操作的过滤器元件示出了缝隙中和元件内部的压力曲线图。正如从图2中显而易见的，缝隙中的压力在沿着过滤器元件的几个位置处是高于或等于组件内部的压力。因此产生一个静止向外的力，上述静止向外的力减力了元件不同薄板之间的摩擦作用。
相反，在按照本发明所述操作的过滤器元件中，此处压力在图3中示出，由不同隔间之间的压力差所产生的静止力朝向压力容器的中心，上述静力将增加螺旋卷式过滤器中各相邻薄板之间的摩擦作用，并因此将防止一个薄板相对于相邻的薄板运动，和防止元件解卷。在过滤器元件接近入口的末端处，发现缝隙和元件内部之间基本上没有压差，而沿着元件的长度压差增加。
在一个实施例中，将一个限流器以一种方式放在螺旋卷式元件的前面，以使流体可以在限流器的旁边流入缝隙。限流器用来保证在过滤器元件附近部分的压力在特定地方是低于缝隙中的压力。
限流性能如此选定，以便在过滤器元件入口和在对应于最靠近入口的过滤器元件末端的一个位置中缝隙内压力之间产生足够的压差。优选的是上述压差大于0.01bar，更优选的是在0.05-0.1bar范围内。
限流器可以用任何能限制流动到过滤器元件的近端和承受压力足够强的材料制造。确定哪种材料适用于这种限流器，是在本领域的技术人员技术之内。
在使用限流器情况下，一种过滤器元件的压力分布图将如图4中所示。
在过滤器元件的每一端处，及如果在压力容器中设置一个以上的过滤器元件，则ATDs安放在两个过滤器元件之间。特别适合按照本发明所述使用的ATD，是一种用于在按照本发明所述的超滤单元中将两个螺旋卷式膜滤器分段分开的抗伸缩装置(ATD)，所述ATD包括一个元件，上述元件当放在圆筒形压力容器中时，保证来自入口或前面过滤器元件的浓缩液在离中心透液管一个大于d的距离处可以不通过或仅是以一有限的程度通过ATD，此处d小于螺旋卷式膜过滤器元件的直径，而来自前面过滤器元件的浓缩液可以自由地流入后面过滤器元件和压力容器之间的缝隙中。
这种设计保证流体可以不或者是只以有限的程度从前面过滤器元件和压力容器之间的缝隙流入两个元件之间的空隙，而同时可以使流体从上述空隙流入后面过滤器元件和压力容器之间的缝隙。以这种方式安排的按照本发明所述的ATD保证在按照本发明所述的方法中有利的压力分布。
距离d如此选定，以使d和压力容器的半径之间的比值是在0.4-0.95范围内，优选的是在0.75-0.95范围内，及最优选的是在0.8-0.9范围内。
有限程度的流体通道也可以认为是流体的一种受控制的旁路。为了保证流体在过滤单元的所有部分中流动和没有流体可能出现不流动的“死穴”，具有一个受控制的旁路可能是有益的。这在食品或医药工业内应用时尤其重要，这里在死穴中可能形成细菌生长，并因此在这些卫生原因的应用中必需避免死穴。
在一个实施例中，ATD可以装备用于密封压力容器的装置。这种用于密封的装置在该领域内是众所周知的。这种用于密封的装置其中一些例子可以从唇形密封或O形圈中选定。
在另一个优选实施例中，ATD可以设置用于流体流出前面过滤元件的流阻，此处流阻随离开过滤元件中心的距离增加而增加。同样，ATD可以如此设计，以便用于流体流入后面过滤元件的阻力随着离过滤器元件中心的距离增加而减少。这些改变的流阻保证过滤元件内部的压力随着离过滤元件中心的距离增加而增加。
变动的流阻可以通过以如此一种方式设计ATD提供，以使流体由其流入(31)或流出(30)的隔间成楔形，此处最高流阻是在楔尖处。
在一个优选实施例中，ATD还装备一个对接在后面过滤器元件外面部分上的密封圈，以使流体不能进入外部浓缩液隔网中，但能进入里面浓缩液隔网中，并且还能不受阻碍地流入后面缝隙中。
对接在后面过滤器元件上的密封圈优选的是具有如此一个尺寸，以便它能在离过滤器外表面一个距离Dr处阻止流入过滤器元件中，此处Dr和压力容器半径之间的比值是在0.7-0.9范围内。
ATD还具有与前面和后面过滤器元件形成一足够接触面的结构，以便能承受在没有过滤器元件或ATD不可接受的变形情况下所施加的压力。在这方面，不可接受的变形理解为大大减少过滤器元件的寿命或效率的变形。为提供上述接触面所设计的合适结构可以在径向肋、密封圈、多孔板等中选定，正如该领域内已知的。
在本发明的另一个优选实施例中，ATD以一种方式如此设计，以使中心透液管中的透过液可以不通过ATD，而代之以若干ATD装备有透过液出口(32)。照这样，将中心透过液分成若干分段，每个分段都是从一个ATD跨到另一个ATD，并且每个分段都设置一个分开的出口。通过在每个透过液出口处提供一个合适的反压力，能够调节净驱动压力，亦即横跨每个螺旋卷式过滤元件各分开的膜在上述过滤元件的入口和上述过滤元件透过液出口之间的压差。对于装有若干螺旋卷式过滤元件的过滤单元来说，为了保证跨过每个螺旋卷式过滤元件净驱动压力基本上相同，这是尤其有利的。每个ATD可以设置一个透过液出口，或者每第二个ATD可以设置两个透过液出口，每边一个，如图11所示。
在本领域的技术人员的技术内，选择适合于各ATD用的尺寸和材料。
在一个实施例中，ATD包括一个限流器，所述限流器以一种方式连接到ATD上。以便保证进入后面过滤器元件的流体必需通过这个限流器，但流体可以在不通过限流器的情况下自由流入后面过滤元件和压力容器之间的缝隙中。
限流器保证在沿着过滤器元件的所有位置处缝隙中的压力都高于过滤器元件内部的压力。
在本发明中，优选的是各过滤器元件以这种方式制式，以便浓缩液可以从各过滤器分段和圆筒形压力容器之间的间隙朝成螺旋形的切向方向进入浓缩液隔网。
这保证了各缝隙中的流体流入各过滤器元件，如图9中示意示出的。
液体朝切向方向上流入过滤器还将一种循环流动引入缝隙中，上述循环流动再次保证在压力容器中没有流体不运动时的死穴存在。另外循环流动保证在缝隙中没有沉积物形成，这种情况对在要求高卫生标准的工业中应用是绝对必要的。
提供流体能朝切向方向上进入过滤器的一种优选方式是如此设计过滤器元件，以使各膜不在浓缩液隔网的上方伸出。更优选的是浓缩液隔网伸出到各分开的膜上(图9)。
由于按照本发明所述的方法在很大程度上消除了伸缩问题，所以方法可以在一些条件下进行，上述这些条件主要由所用膜的性能和待在超滤器中处理的产品决定。
然而，优选的是，方法是在0.5-5巴/m范围内的压差和1-100℃的温度下进行。
按照本发明所述的方法原则上可以用于采用超滤的任何工业，以便浓缩或分离水溶液。尤其是，该方法可以在乳制品工业、医药工业和生物技术工业内实施。
在一个优选实施例中，按照本发明所述的方法用于浓缩水溶液介质中的蛋白质。特别优选的水溶液是乳或乳清。
例
按照图12所述的安排用于过滤，这里尺寸和液流在下表中指出。表中的术语如图12中所示。
在表中，表达式A(r1，r2)预定意思是指r1和r2之间的面积。同样，表达式V(r1，r2)预定是指液流在r1和r2之间通过的速度。另一些表达式按同样方式理解。
在所有试验样品中，过滤是在完全没有任何不希望有的过滤器元件解卷或伸缩的情况下进行。
机译： 螺旋缠绕膜元件以及防止过滤元件伸缩的方法
机译： 螺旋缠绕膜元件以及用于防止过滤元件伸缩的方法
机译： 螺旋缠绕膜元件以及用于防止过滤元件伸缩的方法
