包含弯曲通道的切向流分离元件制造技术

本发明专利技术的主题涉及一种切向流分离元件，其包括单件式刚性多孔支撑构件(2)，在该支撑构件内具有至少一个通道(41)，用于使流体介质的循环被处理，该通道具有通过扫描沿着曲线路径围绕参考轴线的生成元截面限定的弯曲的循环体积(V1)；该参考轴线不穿过所述生成元截面并且该参考轴线被包含在多孔支撑构件的体积内。

Tangential flow separator with curved channel

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包含弯曲通道的切向流分离元件
本专利技术涉及用于将待处理的流体介质分离成滤液和滞留物(retentate，渗余物)的横流(cross-flow，切向流)分离元件的
，这些横流分离元件通常被称为滤膜。更确切地说，本专利技术涉及用于这种分离元件的新型通道形状，其能够增加滤液的流动和/或用于降低使用这种分离元件的设施的能量消耗。本专利技术还提供了一种通过添加技术来制造这种横流分离元件的方法。
技术介绍
使用膜的分离方法用于多种行业，特别是在用于生产饮用水(potablewater)和处理工业污水的情况，以及用于化学、石油化学、制药、农产品工业以及生物科技领域。膜构成选择性屏障，其在传送力的作用下，允许待处理的流体介质的某些成分通过或被阻止。这些成分的尺寸相对于膜中的孔的尺寸(的大小)导致其通过或被阻止，因而膜类似于过滤器。根据孔尺寸的不同，这些技术被称为“微滤”、“超滤”、或“纳米过滤(纳滤)”。存在具有不同的构造和质地(texture，结构)的膜。一般而言，膜被构建在多孔支撑体(载体)上，该支撑体为膜提供机械强度，并且通过限定通道的数量和形态确定膜的总过滤表面积。具体地，被称为“分离层”、“过滤层”、“分隔层”、“活性层”或“皮肤”的层在这些通道的内壁上进行分离。在分离期间，被过滤的流体的传送经过分离层进行，且随后该流体通过支撑体的多孔质地而散布开以便朝向多孔支撑体的周缘表面行进。用于处理的流体的已穿过分离层和多孔支撑体的部分被称为“渗透液”或“滤液”，其被围绕膜的收集室回收。其余的部分被称为“滞流物”，且其通常经由循环回路被再次注入到膜的上游的待处理流体中。在传统方式中，当支撑体由陶瓷材料制成时，支撑体初始通过挤塑(挤出成型)而被制造成所需形状，然后在足以确保所需坚固性的温度和时间下烧结，同时在所得陶瓷中保留所需的开放和互连的多孔质地。该方法限于获得一个或多个直线通道，在该直线通道内沉积和烧结一个或多个分离层。支撑体传统上是管状的，具有一个或多个直线通道，所述直线通道与支撑体的中心轴线平行地布置。通常，通道的内表面是光滑的并且不存在任何不规则之处。然而，已经观察到由具有这种形状的支撑体制成的滤膜面临着堵塞或“结垢”的问题，且因此呈现出在生产量方面受限的性能。具体地，小颗粒和大分子可以被吸附在分离层的表面上或者可以沉积在其上以形成凝胶或沉积物，并且它们甚至可以渗透到孔中并阻塞一些孔。所有利用过滤元件的膜式分离、特别是横流分离均有赖于选择性传送的原理，其效率取决于膜(活性层)的选择性以及被视为一个整体(支撑体+活性层)的过滤元件的渗透性(流动)。选择性和渗透性并非仅由活性层和其支撑体的特性决定，这是因为选择性和渗透性会由于浓差极化、沉淀和/或被阻塞的孔所引起的堵塞现象而降低或受限。在过滤操作期间当待处理的液体中存在的大分子在膜/溶液界面上变得浓密时，会发生浓差极化现象，此时大分子施加与分离力相反的渗透背压，或者在菲克定律的作用下散射回到待处理液体的中心。这种浓差极化现象的起因是由于溶剂的渗透而使残留的成分聚集在膜的附近。当膜表面上的颗粒浓度增加到足以导致出现呈凝胶或粘性沉积物形式的凝聚相时，还会出现除了膜的流体阻力之外的流体阻力。当尺寸小于或等于孔的尺寸的颗粒侵入时，孔被堵塞，从而减小过滤表面积。堵塞及其可逆性或不可逆性是复杂的现象，并取决于过滤元件且特别是取决于分离层、以及用于处理的液体和操作参数。堵塞是过滤的经济吸引力的主要阻碍，这是因为在设定过滤设施的尺寸时，其导致增加安装的表面积以满足待处理的体积的要求，并且还必须实施特定的技术手段例如使用洗涤剂的清洁循环或定期回洗以防止后期堵塞。在现有技术中，已经为许多技术解决方案提出了如下建议：通过在过滤元件的通道内产生湍流状态来寻求减少堵塞现象从而增加滤液的流动。在第一种类型的解决方案中，已经提出了管状过滤元件中的通道以接收螺旋件或螺旋体以产生湍流或涡流，如专利US3648754或出版物“Reductionofmembranefoulingusingahelicalbaffleforcross-flowmicrofiltration”(SchoolofChemicalEngineering,UniversitySainsMalaysia-2003,A.L.Ahmad,A.Mariadas,M.M.D.Zulkali)中所教导的。插入通道中的螺旋件是一个单独的配件，需要被保持在适当的位置(通常在通道的入口处)。将这样的螺旋件插入每个通道并将其紧固到每个通道的入口变得难以实现。此外，螺旋件的直径适当地小于通道的直径，以使该螺旋件能够被插入(该通道中)，并且如有必要，还允许该螺旋件被引出。因此，间隙保持不变，允许螺旋件“浮动”并在通道中自由振动，并导致与活性层摩擦，从而不可逆地损坏活性层。另外，间隙的存在导致横向泄漏，这会使流体的螺旋流短路，从而降低螺旋件的有效性。另一种类型的解决方案在于在通道的内壁中或内壁上形成凹口或凸起，从而在过滤表面附近对流体介质产生干扰，由此限制物质的积聚和堵塞。专利EP0813445提出使每个通道在其壁中包括一个、两个或三个起始螺旋凹槽，该凹槽具有约为通道总截面的25％的横截面。申请FR2736843教导了制造具有单个通道的多孔管，且该通道的壁具有凹口，而支撑体的周缘壁是光滑的。为此目的，多孔管通过挤压模具成形，该挤压模具包括布置在其轴线上的圆柱形销，模具的出口销或矩阵被安装成旋转的并且具有非圆形的截面。在通道的内表面中形成凹槽或凹口不会引起所有流体介质遵循螺旋路径，从而限制了这种解决方案的优点。此外，用于制造这种分离元件的技术局限于某些类型的凹口，主要是从分离元件的一端到另一端连续的凹口，并且不会引起通道的贯穿部分的任何变化。此外，它不能转换为制造具有多个内部通道的分离元件。然而，由于多通道分离元件用于增加过滤表面积并因此改善性能，因此越来越需要多通道分离元件。出于相同的目的，专利申请FR3024665提出了一种用于将待处理的流体介质分离成滤液和滞留物的横流分离元件。该元件包括单件式刚性多孔支撑体，其具有至少一个通道，该通道使流体介质流过，以便在入口与出口之间进行处理。多孔支撑体具有外表面，用于回收已通过支撑体的滤液。该文件提出对处在通道的内壁上的待过滤液体流制造障碍物，这些障碍物呈现材料的连续性和具有支撑体的多孔质地。根据专利申请FR3024664，至少一个通道具有障碍物，该障碍物特别地以螺旋件形式布置在支撑体的内壁上。这些障碍物阻碍或妨碍流体的流动，流体必须绕过它们，从而产生有助于减少堵塞的湍流，但是，尽管如此，仍然具有在每个障碍物的紧邻下游同时产生速度几乎为零的不起作用的区域的主要缺点。另一种类型的解决方案涉及产生迪恩涡流(Deanvortex)以减少堵塞并增加有机超滤膜中渗透液的流动。因此，出版物“DevelopinglengthsinwovenandhelicaltubeswithDeanvorticesflows”(EngineeringApplicationsofComputationalFluidMechanics,Vol.3,No.1,pp.123-134(2009),F.Springer,E.Carret本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于将待处理流体介质分离成滤液和滞留物的横流分离元件，所述分离元件包括单件式刚性多孔支撑体(2)，所述单件式刚性多孔支撑体在其体积内布置有至少一个通道(4i)用于使所述待处理流体介质流过用于所述待处理流体介质的入口(6)和用于所述滞留物的出口(7)之间，所述单件式刚性多孔支撑体具有用于回收已经通过所述支撑体的所述滤液的外表面(3)，所述分离元件的特征在于，至少一个通道(4i)在所述入口与所述出口之间存在弯曲流动体积(Vi)，所述弯曲流动体积通过沿着围绕参考轴线(Ai)的曲线路径(Hi)扫过生成元平截面(Si)而被限定，以及所述参考轴线(Ai)不与所述生成元截面(Si)相交且被包含在所述多孔支撑体的体积内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.21 FR 16630581.一种用于将待处理流体介质分离成滤液和滞留物的横流分离元件，所述分离元件包括单件式刚性多孔支撑体(2)，所述单件式刚性多孔支撑体在其体积内布置有至少一个通道(4i)用于使所述待处理流体介质流过用于所述待处理流体介质的入口(6)和用于所述滞留物的出口(7)之间，所述单件式刚性多孔支撑体具有用于回收已经通过所述支撑体的所述滤液的外表面(3)，所述分离元件的特征在于，至少一个通道(4i)在所述入口与所述出口之间存在弯曲流动体积(Vi)，所述弯曲流动体积通过沿着围绕参考轴线(Ai)的曲线路径(Hi)扫过生成元平截面(Si)而被限定，以及所述参考轴线(Ai)不与所述生成元截面(Si)相交且被包含在所述多孔支撑体的体积内。2.根据权利要求1所述的横流分离元件，其特征在于，至少一个通道(4i)的所述弯曲流动体积(Vi)在所述入口与所述出口之间的仅其长度的一部分上被限定或在从其入口到其出口的其整个长度上被限定。3.根据权利要求1或2所述的横流分离元件，其特征在于，所述单件式刚性多孔支撑体(2)具有多个用于所述流体介质的流动通道(4i)，所述流动通道被布置在所述支撑体内。4.根据权利要求1至3中任一项所述的横流分离元件，其特征在于，至少一个通道(4)具有面积恒定或可变的生成元截面(Si)。5.根据权利要求1至4中任一项所述的横流分离元件，其特征在于，至少一个通道(4i)具有形状恒定或可变的生成元截面(Si)。6.根据权利要求1至5中任一项所述的横流分离元件，其特征在于，至少一个通道(4i)的所述生成元截面与所述参考轴线(Ai)间隔开恒定的距离。7.根据权利要求6所述的横流分离元件，其特征在于，至少一个通道(4i)的所述生成元截面与所述参考轴线(Ai)间隔开可变的距离。8.根据权利要求1至5中任一项所述的横流分离元件，其特征在于，所述参考轴线(Ai)与至少一个通道(4i)的所述生成元截面相切。9.根据前述权利要求中任一项所述的横流分离元件，其特征在于，所述横流分离元件包括至少一系列的多个通道，所述多个通道呈现与所述参考轴线(Ai)间隔开距离R的生成元截面，所述距离R适于确保所述多个通道通过分离隔板(11)而彼此分开。10.根据权利要求1至9中任一项所述的横流分离元件，其特征在于，至少一个通道(4i)的所述生成元截面(Si)遵循一路径，该路径由恒定或可变方向的平移运动结合在所述入口和所述出口之间截取的至少一部分上的以在左旋或右旋方向上的恒定或可变的节距(p)围绕所述参考轴线(Ai)的旋转运动产生。11.根据权利要求10所述的横流分离元件，其特征在于，所述路径具有在0.1mm至250mm范围内的节距p，并且所述曲线路径(H1)与所述参考轴线(A1)之间的距离(R)在0.1mm至100mm的范围内。12.根据权利要求1至11中任一项所述的横流分离元件，其特征在于，在所述入口和所述出口之间的至少一部分上截取的至少一个通道(4i)的所述生成元截面(Si)遵循螺旋路径(Hi)。13.根据权利要求1至12中任一项所述的横流分离元件，其特征在于，从所述入口(6)到所述出口(...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·莱斯科舍，J·安奎蒂尔，
申请(专利权)人：高技术与膜工业公司，
类型：发明
国别省市：法国,FR