用于借助薄膜过滤和分离处于压力下的流质混合物的设备

摘要

本发明涉及一种用于借助薄膜12对处于压力下的流质混合物11进行过滤和分离的设备10。该设备10包括一个基本上耐压密封的容器13，在该容器中耐压密封地接纳薄膜12。容器具有至少一个用于混合物11的入口14、至少一个用于借助薄膜12从混合物11中分离的渗透物16的出口15和至少一个用于滞留物18‑也称为浓缩物‑的出口17。同时提出：由塑料构成耐压密封容器13。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于借助薄膜对处于压力下的流质混合物进行过滤和分离的设备，其包括：一个耐压密封容器，在该容器中耐压密封地接纳薄膜；以及至少一个用于混合物的入口；和至少一个用于借助薄膜从混合物中分离的渗透物的出口；和至少一个用于滞留物的出口。

背景技术

这种类型的设备是众所周知的(EP-A-3 437 724)。上述文献对于在用于借助薄膜对处于压力下的流质混合物进行过滤和分离的设备的领域中存在的大量现有技术来说仅仅是示范性的。这些设备应用在必须对流质混合物，就是说，由多种成分或者内含物质构成的液体，以及气态混合物在其成分方面进行分离的所有领域中。这种类型的设备例如在海水淡化中得到应用，就是说，在需要从海水中产生饮用水的地方。然而这种类型的设备也用于分离所谓的渗透水和在其成分方面的分离，其中这种渗透水例如在垃圾处理场中流出和不能直接排放到环境中，因为该渗透水的成分有害于健康甚至是有毒的。最后，这种类型的设备还在工业中用于对工艺用水进行净化和分离，该工艺用水在制造化工产品的过程中产生和同样不能直接引入环境中或者城市废水系统中。几乎所有的流质混合物-如其例如在前面说明的那样-都能够利用这些薄膜辅助的方法进行分离或者过滤，其中根据需分离的流质混合物的类型使用不同的薄膜分离方法，如纳滤、超过滤和逆向渗透或者这些分离方法的混合方式，根据需分离的流质混合物和为此使用的薄膜的伴随而生的匹配的配置。

所有这些借助该发明设备的分离方法的特征：必须利用很高的压力，例如直到远超120bar的范围内，将需分离的流质混合物经由或者穿过薄膜输送。因此设备必须如此耐压，即它持续地承受住这些将需分离的流质混合物输送穿过设备或者穿过薄膜的压力，因为设备运行期间的压力降将导致该设备完全停止运行。在不能迅速修复的情况中，例如在海洋装置上，或者在这种类型的设备安装在不易接近的位置的情况中，这可能具有严重的后果，使得保证持续的运行安全性的重点放在设备的容器上，在该设备中必须-与薄膜的类型(缠绕薄膜、平面薄膜)无关-在前述极高的混合压力或者供料压力的情况中耐压密封地收纳薄膜。

出于这个原因，迄今为止容器由壁比较厚的调质钢制成，该钢材的比重众所周知很高，其中该钢材还保证：容器不会被混合物成分化学腐蚀和耐腐蚀性持续地得到保障。除了重量高之外，迄今使用的、用于构成容器的调质钢是非常昂贵的和在机械加工方面同样是成本非常高的。

在为工业或者产业设置的、具有所发明设备的装置中需要具有许多以下设备的装置，这些设备在海洋中的船舶或者勘探平台中像电池似地由于容器材料如调质钢之故导致极高的质量或者极高的重量，更不用说伴随而生的、非常高的材料成本费了。

发明内容

本发明的目的是实现一种设备，在迄今为止的运行安全性不变的情况下能够以小得多的质量或者重量和比迄今为止经济得多地实现该设备，其中运行安全性绝不低于现有技术和容器的绝对耐压气密性即使在超过120bar的极高运行压力的情况下依然持续得到保证。

根据本发明，这个目的通过如下方式得以实现，即耐压密封容器由塑料材料构成。

这个领域的专业人士迄今为止根据理论模型和计算认为：塑料总的来说不能满足对压力负荷能力的这些很高的要求，并且人们甚至都不尝试由人造材料构成用于这样的设备的、极其耐压的容器。

但是由塑料构成这些容器具有很大的优势，即塑料与迄今使用的调质钢相比具有以下优点：这个塑料轻得多(是由调质钢制成的容器的重量的20-30％)，并且塑料-经适当选择-不仅在化学方面对于需分离的流质混合物呈中性，完全与调质钢相同，而且用于构成耐压密封容器的塑料的成本和加工成本都比由调质钢制作耐压密封容器低很多。

根据本发明，因此不仅大幅降低了制造成本，而且还使设备的新的应用范围成为可能，因为这个设备可以构造为比迄今为止轻很多，由此还很大幅度地扩大了在海洋领域的应用。

试验以及实际应用中的试运行的结果表明：作为塑料材料使用环氧树脂是非常有益的，环氧树脂在固化状态中能够承受住极高的压力，其中环氧树脂由于其在现有技术中的广泛流行之故和凭借较轻的重量能够很经济地提供和此外能够比较简单地加工处理。

环氧树脂的概念包括许多环氧树脂。然而从大量的环氧树脂中为本发明使用塑料芳香族聚酰胺[聚(1,4-亚苯基对苯二亚甲基酰胺)]已经证实为有益的。重量、强度和经济的可供性在这个环氧树脂变型方案中是特别有益的，就是说，其与可实现的强度相比的重量和易于加工性和经济的可供性。

然而如果应该使用耐压密封容器的话，该容器能够承受住用于流质混合物的最高过程压力，在这些容器中还追求容器的小质量或者轻重量，那么作为用于构成耐压密封容器的塑料材料选择芳纶(杜邦公司的国际注册商标)是非常有益的。芳纶在重量为由调质钢制成的容器的最高1/5的同时具有比例如调质钢更高的稳定性是众所周知的。

为了由塑料构成耐压密封容器，将这种塑料构成为纤维增强的，这能够是非常有益的，其中这些增强纤维有益地由玻璃纤维或者一种玻璃布构成，在容器成形时组合该玻璃布，然而根据一个其他的有益构造设计，如果对塑料材料的稳定性提出更高要求的话，由碳纤维构成增强纤维也能够是适宜的，其中同样可以在制作容器的过程中将碳纤维加入塑料中，要么以纤维的形式，要么以织物状的结构形式。

根据设备的一个有益的实施方式，塑料材料由聚氯乙烯PVC制成。在大量已知的塑料-如它们例如可以用于耐压的机械构件那样-中聚氯乙烯能够比较经济地供货和在机械方面较简单地加工。如果不必为流质混合物使用最高的过程压力的话，例如选择由聚氯乙烯构成设备的耐压密封容器。

尽管根据使用情况可以由构造为不同的设计结构实现耐压密封容器，依然有益地将容器构造为具有基本上圆形横截面的管形元件，这非常适宜于容器制作，因为可以预先将容器作为本发明的容器管批量生产和仅仅再定尺剪切为对应的、所期望的长度。

根据设备的又一个其他的有益构造设计，用于需分离的混合物的入口构造在一个能够经由第一开口侧插入容器中的第一端部元件上，就是说，入口作为这样的入口在结构上与原本的耐压密封容器无关，就是说，容器不需为了设置入口而经过机械加工，因为入口与容器无关地构造在第一端部元件上和该第一端部元件在装配或者拆卸过程中插入容器内部或者可以从容器内部取出。

出于这个原因同样有益的是：用于通过薄膜元件或者在薄膜元件中产生的渗透物的出口构造在一个能够经由第二开口侧收纳在容器中的第二端部元件上，其中在此同样具有以下优点：为了出口不需要对原本的耐压密封容器进行加工，就是说，可以将出口完全与容器无关地经由第二端部元件置入容器内部或者从这个容器中拉出。最后同样有益的是：用于通过薄膜元件产生的、离开设备的浓缩滞留物的出口构造在一个能够经由第二开口侧接纳在容器中的第二端部元件上，其中第二端部元件同样为了滞留物的这个出口如同样为了通过薄膜元件产生的渗透物的出口那样构成结构基座。容器作为这样的容器因此并未由于机械加工而被削弱，因而保证了它对于流质混合物的分离过程是持续无损耐压密封的或者能够保持耐压密封。

在由调质钢构成的已知容器中，为了保证沿着轴向方向的持续压力和因此保证径向压力，保证了一个与容器内壁共同作用的密封元件，这就是说，实际上必须在容器的开口的区域中在两端制作一个内螺纹，就是说，在容器的每个内侧端部件中构造一个类似的螺母。制作内螺纹是成本很高的和要求用于构成内螺纹的精度的很高的费用。根据本发明彻底避免了这一点。

特别有益的是：向着相应的开口侧的方向在第一和第二端部元件之前分别设置有第一和第二压紧件，该压紧件分别贴靠在第一和第二端部元件上。这些压紧件保证了：通过端部元件保证了容器内部沿着轴向方向和沿着径向方向的紧密要求所需的空间的密封性，薄膜在容器中设置在所述空间中。压紧件只有以下作用：产生或者保证一个适当的、平行于容器轴线的轴向力，以便相对外部或者环境将原本的空间严密密封，薄膜在容器的内腔中设置在该空间中。

为了保证设备的快速装配和拆卸以及取消高成本的装配步骤和拆卸步骤，非常有益的是：能够插入和接纳在容器内部的、由薄膜元件构成的组件能够利用相应一个弹性卡环可取出地定位在容器的两个开口侧上，所述弹性卡环可取出地嵌入各一道沿着圆周方向构造在容器内部的、相应的环槽中。其优点是：为了将由薄膜元件构成的组件可靠地接纳在容器内部以及在维修或者保养过程中能够从容器中移出，不必在容器上设置其他的机械辅助设备。仅仅需要一个用于将弹性卡环夹紧和弯合的、适当构成的钳子或者设备，使得这个弹性卡环嵌入相应的凹槽中，它能够利用该凹槽被微微压缩。

一方面为了能够补偿构成容器时的制造公差，另一方面为了能够持续可靠地保证薄膜元件组件上的轴向压力，根据设备的又一个其他的有益构造设计适宜地在容器的第一开口侧上的弹性卡环与第一夹紧件之间设置一个盘形的调节法兰盘，该调节法兰盘为了一个常规的轴向分压力作用到压紧件和端部元件上，其中该调节法兰盘具有多个沿着容器的轴线轴向的螺纹孔，这些螺纹孔接纳可从第一开口侧操作的螺栓，并且该螺栓能够通过轴向移动使端部元件和因此使压紧件沿轴向移动，以便相对外部环境严密密封地保持内腔的密封性，由薄膜构成的组件设置在所述内腔中。螺栓还用于在装配各个设备组件时进行调节，所述设备组件按规定安装在容器内腔中。

由两端的压紧件以及设置在其间的薄膜构成的组件在现有技术的已知结构-该结构具有构造有容器开口侧上的所述内螺纹的螺母以及在其安装在径向外侧的螺纹(组件利用该螺纹与容器的内螺纹啮合)上的压紧件或者诸如此类-中必须在这样的设备的运行期间不时地被再拧紧，以保证容器内腔相对环境的持续密封性。这样做的成本是非常高的，因为内螺纹本身是方向互相相反的和需要花费很高的成本进行再拧紧。借助具有多个沿着容器的轴线轴向的螺纹孔的本发明调节法兰盘，沿着轴向方向对完全在容器内腔中的压紧件或者组件的简单再拧紧得到大幅简化并且还能够比在现有技术中在容器的两端开口上具有内螺纹的已知结构中更加精确地进行。

构造为基本上盘状的第一和第二端部元件具有一道沿其径向外周包围的、用于接纳密封元件的凹槽，其中这个密封元件实际上作为环形的密封唇边将薄膜元件设置在其内的容器内腔相对内壁密封，就是说，在适当形成的轴向压力的情况中密封元件在凹槽中沿径向向外变形。密封元件的横截面有益地构造为由弹性塑料构成的唇形密封圈。

本发明的设备适合于接纳任意的、适宜的和成形的薄膜元件，然而有益的是：将薄膜以缠绕薄膜单元的形式设置在容器中，所述缠绕薄膜单元在装配或者拆卸过程中只需插入容器内部或者在维修或者保养过程中可以沿径向从这个容器中拉出。

然而，为了一定的应用情况也可以有益地使用平面薄膜，其中在这个情况中薄膜以平面薄膜单元的形式设置在容器中，其中平面薄膜按照堆垛的方式堆叠。在上面已经述及的EP-A-3 437 724中对这种类型的设备中的典型的平面薄膜垛进行了说明，在该平面薄膜垛中需分离的流质混合物从混合物的入口到用于滞留物的出口被曲折地引导穿过薄膜垛和在此从一侧流到另一侧或者在必要时在薄膜元件的一定的结构中还以并联的形式平行地流过每个薄膜。

根据设备的一个优选的实施方式，薄膜元件本身构造为垫膜，这与在容器中是使用平面薄膜单元还是使用缠绕薄膜单元无关，因为缠绕薄膜也可以构造为垫膜。

设备内部的、插入容器的或者可从该容器中取出的整个单元可以整体地优选通过一个夹紧螺栓在压力下保持在一起，其中薄膜单元本身还优选由夹紧螺栓沿轴向穿过，使得夹紧螺栓、薄膜单元和端部元件、压紧件和调节法兰盘构成一个单元，可以在容器外部将该单元配置为完全有功能能力的。

最后，夹紧螺栓可以构成为：经由该夹紧螺栓将由薄膜分离的渗透物引向渗透物出口，这具有以下优点：为了积聚并且从设备中引出来自薄膜元件的渗透物流，不必设置另外的结构型的辅助设备，这例如可以通过如下方式得以实现，即夹紧螺栓具有分散在其周面上的轴向凹槽，经由这些凹槽可以积聚并且从设备中引出从薄膜元件中流出的渗透物。

附图说明

现在参照后面的示意图借助实施例详细说明本发明。

其中示出：

图1是一个设备的剖面，在该设备中薄膜设置为缠绕薄膜单元的形式；

图2是容器的第一开口侧的俯视图，包括插入的弹性卡环以及插入的调节法兰盘；

图3是容器的其他的第二开口侧的俯视图，包括插入的弹性卡环；

图4是一个原本的缠绕薄膜单元的剖面，如其可以定位在容器中那样；

图5是图4所示的缠绕薄膜单元从上部(端侧)观察的示图和

图6是第一或者第二端部元件的透视图。

附图标记列表

10 设备

11 流质混合物(供应)

12 薄膜/薄膜元件

13 容器

130 第一开口侧

131 第二开口侧

132 容器轴线

14 入口(混合物入口)

15 出口(渗透物出口)

16 渗透物

17

18 滞留物(浓缩物)

19 第一端部元件

20 第二端部元件

21 出口(滞留物出口)

23 第一压紧件

24 第二压紧件

25 内腔(容器)

26 弹性卡环

27 弹性卡环

28 内侧环槽(第一)

29 内侧环槽(第二)

30 调节法兰盘

31 螺纹孔

32 凹槽

33 密封元件

34 缠绕薄膜单元

35 平面薄膜单元

36 薄膜垛

37 夹紧螺栓

具体实施方式

首先参照图1，其示出设备10的剖面。首先需要指出：这种类型的设备10在现有技术中本身是已知的，就是说，在基本结构上是已知的，因而在此在对设备10的说明中不必对特殊性能进行探讨。这些设备10用于对流质混合物进行过滤和分离，其中这些流质混合物既可以是液体，也可以是气态混合物。在设备10内部借助薄膜12实施对混合物11的分离，其中这些薄膜12本身是现有技术中已知的高分子膜，该高分子膜例如构造为用于纳滤、超过滤或者逆向渗透的方法。

在图1中，薄膜12设置为一个缠绕薄膜单元34的形式被接纳在容器13中，如其例如在图4和5中示出的那样。然而也可以如下地设置设备10，即其中接纳一个平面薄膜单元35。平面薄膜单元35按照堆垛的方式堆叠，其中需分离的流质混合物11经常曲折地流过堆叠的薄膜元件12并且在堆垛的端部作为滞留物18-也称为浓缩物-离开设备10。

在容器13中使用缠绕薄膜单元34的情况中，沿轴向穿过薄膜卷的整体、在无内部回转的情况下在缠绕薄膜的整个区域上平行地输送需分离的混合物，其中在此滞留物18也全部沿轴向离开缠绕薄膜单元34并且从设备10中排出。

在装配过程中将缠绕薄膜单元34或者平面薄膜单元35从第一开口侧130沿轴向插入容器13中，该容器如下地构造为耐压密封的，即该容器13的内腔25中的内部压力-借助该内部压力经由一个入口输送处于压力下的流质混合物11-例如能够经受120bar以上的压力。这些高的运行压力在设备10的常规运行中持续地作用在容器13的内腔25中，其中借助这个压力将输送的流质混合物11引到薄膜元件12上。经由一个出口21将滞留物18从容器13中引出。

容器13设计为管形元件并且具有一个基本上圆形的横截面，其中该圆形横截面保证了容器13的良好的径向稳定性。

尽管原则上所有已知的薄膜结构都适合使用在本发明的设备10中，但是作为薄膜元件12使用所谓的垫膜，就是说，垫膜既用于构成-就是说，在那里使用的各个垫膜的-缠绕薄膜单元，也用于构成平面薄膜单元。垫膜作为特征具有一个排出口，经由该排出口将在垫中积聚、产生的渗透物排出，这一点既适用于作为缠绕薄膜单元的薄膜，也适用于平面薄膜单元的垫膜。

在图1所示的设备10的实施方式中，将渗透物16积聚在中心处并且引向一个出口15，即渗透物出口，其中为了另外的用途然后将渗出物18从设备10中引出。

所示出的设备10的特点：用于需分离的混合物11的入口构造在第一端部元件19上，该端部元件可经由第一开口侧130接纳在容器13上，其中用于通过薄膜元件12或者在薄膜元件中产生的渗透物的出口15构造在第二端部元件20上，该端部元件可经由第二开口131接纳在容器13中。同样，用于薄膜元件12和因此用于离开设备13的滞留物18的出口22构造在第二端部元件20上，该端部元件可以经由第二开口侧131接纳在容器13中。

通过第一和第二压紧件23、24形成沿着轴向方向，即轴线132对两个端部元件的原本密封的压紧，所述轴线是一根穿过容器13的假设轴线，该轴线还构成薄膜单元34、35的或者沿轴向穿过容器13的夹紧螺栓37的轴线，其中两个压紧件23、24向着相应的开口侧130、131的方向置于第一和第二端部元件19、20之前并且分别贴靠在第一和第二端部元件19、20上。

在由薄膜元件构成的缠绕薄膜单元34或者平面薄膜单元35的组件连同相应的端部元件和压紧件插入-更确切地说，经由容器13的所述一个或者所述另一个开口侧130、131插入-内腔25中之后，借助一个相应的弹性卡环26、27将这个组件固定在容器内部25中，所述弹性卡环能够可取出地固定在内腔25中，更确切地说，嵌入相应一个沿着圆周方向构造在容器13的内部25中的、相应的环槽28、29中。通过弹性卡环26、27将由压紧件、端部元件以及薄膜单元-与所使用的薄膜单元的类型无关-构成的组件通过简单的方式可靠地、可取下地固定在容器13的内腔25中。

一个构造为盘形的调节法兰盘30设置在容器13的根据图1中的设备10的示图的第一开口侧上的弹性卡环26与第一压紧件23之间。调节法兰盘30具有多个沿着容器13的轴线132轴向的螺纹孔31，可相应运动的调节螺栓插入该螺纹孔中。因此通过操作调节螺栓能够实现压紧件23、24沿轴向的微小移位和因此第一和第二端部元件19、20沿轴向的微小移位，因为经由缠绕薄膜单元34的一个中心轴向管，而在使用平面薄膜单元35的情况中还经由一个类似设置的中心轴向管件在操作螺栓时通过螺栓的轴向移位保证了作用到第二端部元件20和第二压紧件24上的轴向力。

调节元件31支撑在位于容器13内的第一内侧环槽28中的弹性卡环上。这在图2和3中是上部或者下部凹槽28、29，图2示出了所述一个第一开口侧130的示图，图3示出了所述另一个第二开口侧131。

构造为基本上盘状的端部元件19、20(参见图6的透视图)具有一道将其径向外周包围的凹槽32，其中这道凹槽32用于接纳一个相应的密封元件33，参见图1。密封元件33在横截面中构造为唇形密封件，然而也可以采用其他的密封元件横截面形状。沿轴向和在中心穿过缠绕薄膜单元34或者类似地穿过平面薄膜单元35的夹紧螺栓27可以-尽管在此未示出-具有沿轴向延伸的凹槽，经由该凹槽引导积聚在中心处的渗透物16并从设备10中引出。在图4和5所示的缠绕薄膜单元34的示图中，凹槽本身构造在缠绕薄膜单元34的中心夹紧管中，借助图5能够清楚地看出这一点，使得在设备10的这个构造设计中夹紧螺栓37本身可以构造为在外周上无槽平滑的。在图1中象征性地通过箭头示出了渗透物16的流动。