使用大气气囊罐的错流过滤系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种流体处理系统，其包括：错流过滤器（110），包括进液部分、浓缩液部分和滤液部分。所述处理系统还包括滤液储存装置（130），其流体连接于所述滤液部分并包括具有包围柔韧气囊（150）的内壁的压力边界，所述柔韧气囊将滤液室与大气室（170）流体隔离。所述处理系统可还包括将所述滤液室流体连接到系统输出端的滤液加压装置（180）。
【专利说明】使用大气气囊罐的错流过滤系统
【背景技术】
[0001]在错流过滤系统中，可通过施加跨越膜的压力来纯化进料流体，以迫使被纯化流体穿过膜(即，滤液)并且杂质集中在膜的上游侧(即，浓缩液)。通常，浓缩液被从膜的上游侧冲掉并被管路连接到排出口。滤液可被递送至诸如龙头的输出端，以供消费或用于其它用途。
[0002]此类系统中滤液的产率往往一定程度地受限。例如，就逆渗透饮用水系统而言，透过膜的连续滤液流量可能小于从下游龙头流出的所需流量。为了缓解这个问题，可使用液压气动式储罐积累备用的滤液源。液压气动罐通常依赖预填充压缩空气以将驱动力供给储存的滤液。随着罐内滤液量增加，空气被进一步压缩，因此提供较大的力以将滤液推送至龙头或其它输出端。
[0003]为了有效地连续产生滤液，此类系统依赖于跨越膜的足够压差。如果压差不够，则效率和滤液质量可能降低。最后，可能会完全中止滤液的产生。当如上所述使用液压气动罐时，随着罐内空气受压缩，滤液压力将升高。这种滤液压力的升高可导致膜上的背压。这种背压会降低跨越膜的压差，从而降低滤液产量。
[0004]对于经改进的错流过滤系统存在需求。
【发明内容】
[0005]本发明提供了处理、生产和储存滤液的流体处理系统和方法，其可有利地提供下游使用的增加的滤液容量，同时避免在错流过滤器的滤液部分上的背压并避免储存的滤液受空气传播的或其它污物的污染。这样，本发明公开的系统可增大错流过滤器和过滤系统的生产效率和质量。根据本发明的系统和方法可提供上述优点，同时还提供有效地储存大量滤液的能力，大量滤液可以具有相当大的重量和重力导致的储罐内压力。
[0006]在第一实施例中，本发明提供了一种流体处理系统，其包括:错流过滤器，包括进液部分、浓缩液部分和滤液部分；滤液储存装置，其被流体连接于所述滤液部分，并包括:压力边界，包括包围柔韧气囊的内壁，所述柔韧气囊将滤液室与大气室流体隔离；以及滤液加压装置，其将所述滤液室流体连接到系统输出端。
[0007]在第二实施例中，本发明达成所述第一实施例，其中所述大气部分通过所述压力边界中的小孔与周围大气环境连通。
[0008]在第三实施例中，本发明达成所述第一或第二实施例，还包括流体连接于所述滤液部分或所述滤液室之一以监控滤液压力的压力开关，当所述滤液压力超过滤液压力设定值时，所述压力开关动作从而中断进入所述进液部分的流体流。
[0009]在第四实施例中，本发明达成所述第一至第三实施例中的任一个，其中所述滤液室包括所述内壁。
[0010]在第五实施例中，本发明达成所述第一至第四实施例中的任一个，其中所述大气室不包括所述内壁。
[0011]在第六实施例中，本发明达成所述第一至第五实施例中的任一个，其中所述压力边界被设计成能够经受对所述内壁的至少30psi (2.07e+005N/m2)的恒定流体压力。
[0012]在第七实施例中，本发明达成所述第一至第六实施例中的任一个，其中所述内壁是平滑的。
[0013]在第八实施例中，本发明达成所述第一至第七实施例中的任一个，其中所述压力边界包括圆柱形部分。
[0014]在第九实施例中，本发明提供了一种在滤液储存装置中储存滤液的方法，所述滤液储存装置包括具有包围柔韧气囊的内壁的压力边界，所述柔韧气囊将滤液室与大气室流体隔离，所述方法包括:施加跨越柔韧气囊的压差，以使所述柔韧气囊膨胀成抵靠所述内壁，并清除所述滤液室的流体；将滤液引入所述被清空的滤液室中；以及在引入所述滤液之后，允许所述大气室和所述滤液室达到周围大气压力。
[0015]在第十实施例中，本发明达成所述第九实施例，其中所述施加跨越柔韧气囊的压差的步骤包括将高压施加至所述大气室。
[0016]在第十一实施例中，本发明达成所述第十实施例，其中所述将高压施加至所述大气室的步骤包括通过充气阀填充所述大气室。
[0017]在第十二实施例中，本发明达成所述第十或第十一实施例，其中所述允许所述大气室和所述滤液室达到周围大气压力的步骤包括从所述大气室释放所述高压。
[0018]在第十三实施例中，本发明达成所述第十二实施例，其中所述从所述大气室释放所述高压的步骤包括致动肘节阀。
[0019]在第十四实施例中，本发明达成所述第九实施例，其中所述施加跨越柔韧气囊的压差的步骤包括对所述滤液室施加负压。
[0020]在第十五实施例中，本发明达成所述第十四实施例，其中所述对所述滤液室施加负压的步骤包括用滤液加压装置抽吸所述滤液室。
[0021]在第十六实施例中，本发明达成所述第九至第十五实施例，还包括(在将滤液引入被清空的所述滤液室中之前)将被清空的所述滤液室流体连接到包括错流过滤器的滤液部分的滤液管路系统。
[0022]在第十七实施例中，本发明达成所述第九至第十六实施例，还包括(在将滤液弓I入被清空的所述滤液室中之前)将被清空的所述滤液室流体连接到包括滤液加压装置的滤液管路系统。
[0023]在第十八实施例中，本发明提供了一种生产滤液的方法，包括:利用包括进液部分、浓缩液部分和滤液部分的错流过滤器生产滤液；将所述滤液从所述滤液部分引入到滤液储存装置中，所述滤液储存装置包括压力边界，所述压力边界具有包围柔韧气囊的内壁，所述柔韧气囊将滤液室与大气室流体隔离；以及随着所述滤液室由于滤液的引入而膨胀，允许所述大气室在其收缩时与周围大气环境流体连通，以避免产生对，所述错流过滤器的所述滤液部分的背压。
[0024]在第十九实施例中，本发明达成所述第十八实施例，还包括将滤液从所述滤液室递送至系统输出端。
[0025]在第二十实施例中，本发明达成所述第十九实施例，还包括:随着所述滤液室由于滤液的递送而收缩时，允许所述大气室在其膨胀时与周围大气流体连通，以避免所述大气室中的压力下降。[0026]除非另外指明，文中所用的“大气室”意指含有流体(气体或液体)的滤液储存装置中的室，无论滤液储存装置是否填充有滤液、是否处于稳态或是否正排放滤液，该室的压力保持与滤液储存装置周围的大气压力基本平衡。
[0027]在以下【具体实施方式】中，本发明的这些方面和其他方面将显而易见。然而，在任何情况下都不应将上述
【发明内容】
理解为是对要求保护的主题的限制，要求保护的主题仅由所附权利要求书限定，并且在审查期间可以进行修改。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]在整个说明书中参考附图，在这些附图中，相同的参考编号表示相同的元件，并且其中:
[0029]图1是根据本发明的示例性流体处理系统的示意图；
[0030]图2A是根据本发明的示例性滤液储存装置的示意图，其中流体已从滤液部分清除；
[0031]图2B是根据本发明的示例性滤液储存装置的示意图，其中滤液正填充滤液部分；
[0032]图2C是根据本发明的示例性滤液储存装置的示意图，其中滤液正从滤液部分排放；和
[0033]图3是根据本发明的示例性滤液储存装置的部分示意图，其包括肘节阀以及充气阀。
【具体实施方式】
[0034]如图1所示，根据本发明的流体处理系统可包括错流过滤器110，其包括进液部分112、浓缩液部分114和滤液部分116。如图所示，滤液部分116通过管件直接连接至滤液储存装置130，从而离开错流过滤器110的滤液可进入和填充滤液储存装置130的滤液室160。通常，浓缩液部分114被管路连接成通过限流器到达排出口。在本发明的范围内，可采用任何类型的错流过滤器110元件或模块(例如，逆渗透)。还可设想在同一系统中使用多个错流过滤器，这取决于给定应用的要求。
[0035]当需要滤液时,滤液加压装置180可将滤液从滤液室160递送至系统输出端190。在一个实施例中，滤液加压装置180包括电泵。然而,滤液加压装置180可包括能够产生使滤液从滤液室160 (在较低压力下)递送至系统输出端190的压力的任何装置或构造(包括施加重力)。例如，系统输出端190可包括龙头、旋塞、喷嘴或只是下游管件，只要是滤液被递送到的部位或装置即可。
[0036]如图所示，滤液储存装置130包括柔韧气囊150。柔韧气囊150由作为压力边界140的内壁142包围，将滤液室160与大气室170分离。如本实施例所示，柔韧气囊150是在一端具有与压力边界140上的小孔172流体连通的小开口的袋式气囊。柔韧气囊150能够膨胀和收缩，对滤液室160中的滤液压力产生微不足道的影响。大气室170示出为位于柔韧气囊150的“内侧”以使得大气室170内的流体与周围大气流体连通，而不与作为压力边界140的内壁142直接接触。在此类实施例中，滤液室160可包围大气室170。在一些此类实施例中，事实上整个内壁142可用于与滤液或柔韧气囊150直接接触。在类似实施例中，仅内壁142的一部分可用于与滤液或柔韧气囊150直接接触，而其余部分可用于与大气室170中的流体直接接触。
[0037]通常，柔韧气囊150由流体不能透过的材料构成，从而在滤液部分116和大气部分之间没有流体连通。然而，应该理解，透过柔韧气囊150某种程度的非实质流体连通，例如气体缓慢扩散通过柔韧气囊150，不会影响系统的稳态操作并因此是可以容许的。可用于柔韧气囊150的材料包括例如弹性体以及弹性体与用于改变强度、弹性或渗透性的其它材料的复合物。
[0038]当清除滤液室160中的所有滤液时，并且只要滤液循环关闭，柔韧气囊150将膨胀从而直接抵靠作为压力边界140的内壁142。随着滤液室160被滤液填充，柔韧气囊150(和大气室170)将相应地收缩。如图所示，例如，在图2A-2C中，在清除、填充或静止的过程中，柔韧气囊150优选地防止空气或其它物质进入滤液室160，因此有助于防止滤液被污染。此夕卜，在通常的操作条件下，在清除、填充或静止的过程中，滤液室160和大气室170 二者均将处于周围大气压力下。
[0039]然而，当滤液室160被滤液填充至容量时会发生可能的例外情况，使得大气室170完全塌陷并且滤液完全抵靠作为压力边界140的内壁142。在此类情况下，因为滤液通常是不可压缩流体，其压力将开始非常快地上升。如果在此类情况下不停止滤液的产生，则滤液压力将快速上升至进料流体的压力，并且跨越错流膜的压差将变为零。在一个实施例中，可选地提供压力开关132以监控滤液储存管件118中的滤液压力，从而当滤液压力开始上升至高于周围大气压力时进入错流过滤器110中的供液可以被选择性地停止。在某些情况下，压力开关132与进给阀113连通以选择性地打开或关闭供液。进给阀可包括适于打开和关闭供液的任何类型的流体阀，举例来说如旋塞阀、闸式阀、球阀、电磁阀等。优选地，进给阀响应来自压力开关的信号而被自动地开启。
[0040]因为压力边界140被构造为可经受显著的滤液压力，所以压力边界140可提供应对压力开关132的省略、可能的失效或错误配置的有利的冗余度。换句话讲，如果压力开关132失效或被省略，则压力边界140可在降低破裂的风险的同时经受滤液压力升高至进料流体压力。进料流体压力可为(例如)用于自来水或井水服务的通常的服务管线压力。在一个实施例中，压力容器被构造为可经受连续的通常美国住宅和商业市政服务管线压力。在一些实施例中，压力容器被构造为能够经受对内壁142的连续的滤液压力，其大于约30psi(约2.07e+005N/m2),更优选地大于约60psi (约4.14e+005N/m2),并且还要优选地大于约IOOpsi (约 6.89e+005N/m2)、125psi (8.62e+005N/m2)或 200psi (1.38e+006N/m2)。
[0041]可以设想到，根据本发明的滤液储存装置130可包括体积容量在以下范围内的压力容器，所述范围即约0.026加仑(约100毫升)、0.132加仑(500毫升)、0.16加仑(605毫升)、0.5加仑(1.89升)、1加仑(约3.79升)至大于I, 000加仑(3.79e+003升)，包括约2加仑(约7.57升)、4加仑(15.1升)、8加仑(30.3升)、16加仑(60.6升)、32加仑(121升)、44加仑(167升)、60加仑(227升)、120加仑(454升)、250加仑(946升)和500加仑(1.89e+003升)。随着压力容器变得更大，储存的滤液的重量成比例地增大，并可变得相当大。例如，因为每加仑水重约8.35磅(约3.79千克)，所以由作为滤液的水装满的60加仑(227升)压力容器将容纳约500磅(约227千克)水。在此类实施例中，重要的是(如本发明所公开)滤液储存装置130为强效压力边界140，使得滤液可被安全和可靠地储存。
[0042]结果是，柔韧气囊150可抵靠作为压力边界140的内壁142而不损坏(例如，由于摩擦或气囊中戳孔)，内壁142的可接触柔韧气囊150的部分通常平滑并且没有诸如管件或支撑结构的突起形成的障碍物。在一个实施例中，内壁142包括主表面并且没有从主表面向内突出超过0.5英寸(1.27厘米)的特征。更优选地，内壁142没有从主表面向内突出超过0.25英寸(0.635厘米)、0.125英寸(0.318厘米)或甚至0.05英寸(0.127厘米)的特征。在一些实施例中，压力边界140在截面上主要为圆柱形。在一些实施例中，压力边界140包括端部基本为半球形的圆柱形罐。在一些实施例中，压力边界140包括圆柱形罐，其中内壁142包括以下范围内的最小半径，所述范围即约I英寸(约2.54厘米)至约12英寸(约30.5厘米)，包括2英寸(5.08厘米)、3英寸(7.62厘米)、4英寸(10.2厘米)、5英寸(12.7厘米)、6英寸(15.2厘米)、7英寸(17.8厘米)、8英寸(20.3厘米)、9英寸(22.9厘米)、10英寸(25.4厘米)和11英寸(27.9厘米)。
[0043]为了确保滤液室160保持基本不含空气或其它物质，可能有利的是，以特定方式装配本发明公开的处理系统和开始所述处理系统的操作。例如，可能有利的是，首先通过临时为大气室170充入受压流体因此使柔韧气囊150膨胀并迫使流体流出滤液室160来清除滤液室160的气体，如图2A所示。代表性的填充物可包括压力高于周围大气压力约3-30psi(约 2.07e+004-2.07e+005N/m2)(包括约 7psi (约 4.83e+004N/m2))范围内的空气。清空的滤液室160然后可被连接并密封于处理系统上的滤液管路系统118。应该指出的是,虽然在图1中示出了简化的滤液管路系统118系统，但在本发明的范围内可设想出许多其它管件。然后，可释放大气室170中的填充物，并且允许滤液开始填充滤液室160，如图2B所示。因为密封的滤液管路系统将会是闭合系统，不可能在柔韧气囊150随着滤液液位的改变而膨胀和收缩时，让空气或其它物质进入滤液管路系统，如图2B和2C所示。
[0044]为了进行以上描述的预填充处理，包括通过作为压力边界140的内壁142的小孔172与大气室170连通的诸如施克拉德阀或其它止回阀的充气阀174可能是有利的。在填充之后，并且基于滤液室160成功地连接至关联的滤液管路系统，可去除充气阀174以允许大气室170达到周围大气压力。
[0045]作为另外一种选择，除充气阀174之外，可包括与大气室170流体连通的肘节阀176，如图3所示。如本文所用，“肘节阀176”意指被构造为可选择性地打开或关闭流体导管的阀，并包括例如旋塞阀、闸式阀、球阀、电磁阀等。在此类实施例中，肘节阀176可保持关闭以保持大气室170中的预填充物，并可打开以使充气阀174失效，并允许稳定到周围大气的压力。在此类实施例中，不需要去除充气阀174。可以设想到，所述肘节阀176可与所述充气阀174分离地设置，或可插入在充气阀174和大气室170之间。
[0046]在不脱离本发明的精神和范围的前提下，本发明的各种修改和更改对于本领域的技术人员将一目了然。应当理解，本发明并不限于本文示出的示例性实施例。
【权利要求】
1.一种流体处理系统,包括: 错流过滤器，包括进液部分、浓缩液部分和滤液部分； 滤液储存装置，其流体连接于所述滤液部分，并包括: 压力边界，其包括包围柔韧气囊的内壁，所述柔韧气囊将滤液室与大气室流体隔离；和 滤液加压装置，其将所述滤液室流体连接到系统输出端。
2.根据权利要求1所述的流体处理系统，其中所述大气部分通过所述压力边界中的小孔与周围大气连通。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的流体处理系统，还包括流体连接于所述滤液部分或所述滤液室之一以监控滤液压力的压力开关，当所述滤液压力超过滤液压力设定值时，所述压力开关动作从而中断进入所述进液部分的流体流。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的流体处理系统，其中所述滤液室包括所述内壁。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的流体处理系统，其中所述大气室不包括所述内壁。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的流体处理系统，其中所述压力边界被设计成能够承受对所述内壁的至少30psi (2.07e+005N/m2)的恒定流体压力。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的流体处理系统，其中所述内壁是平滑的。
8.根据权利要求1-7中任一项 所述的流体处理系统，其中所述压力边界包括圆柱形部分。
9.一种在滤液储存装置中储存滤液的方法，所述滤液储存装置包括压力边界，所述压力边界具有包围柔韧气囊的内壁，所述柔韧气囊将滤液室与大气室流体隔离，所述方法包括: 施加跨越所述柔韧气囊的压差，以使所述柔韧气囊膨胀成抵靠所述内壁，并清除所述滤液室的流体； 将滤液引入被清空的所述滤液室中；和 在将滤液引入被清空的所述滤液室中之后，允许所述大气室和所述滤液室达到周围大气压力。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述施加跨越所述柔韧气囊的压差的步骤包括将高压施加至所述大气室。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述将高压施加至所述大气室的步骤包括通过充气阀填充所述大气室。
12.根据权利要求10或11中任一项所述的方法，其中所述允许所述大气室和所述滤液室达到周围大气压力的步骤包括从所述大气室释放所述高压。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述从所述大气室释放所述高压的步骤包括致动肘节阀。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述施加跨越所述柔韧气囊的压差的步骤包括对所述滤液室施加负压。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述对所述滤液室施加负压的步骤包括用滤液加压装置抽吸所述滤液室。
16.根据权利要求9-15中任一项所述的方法，还包括:在将滤液引入被清空的所述滤液室中之前，将被清空的所述滤液室流体连接到包括错流过滤器的滤液部分的滤液管路系统。
17.根据权利要求9-16中任一项所述的方法，还包括:在将滤液引入被清空的所述滤液室中之前，将被清空的所述滤液室流体连接到包括滤液加压装置的滤液管路系统。
18.—种生产滤液的方法，包括: 利用包括进液部分、浓缩液部分和滤液部分的错流过滤器生产滤液； 将所述滤液从所述滤液部分引入到滤液储存装置中，所述滤液储存装置包括压力边界，所述压力边界具有包围柔韧气囊的内壁，所述柔韧气囊将滤液室与大气室流体隔离；和随着所述滤液室由于滤液的引入而膨胀，允许所述大气室在其收缩时与周围大气环境流体连通，以避免产生对所述错流过滤器的所述滤液部分的背压。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括将滤液从所述滤液室递送至系统输出端。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括:在所述滤液室由于滤液递送而收缩时，允许所述大气室在其膨胀时与周`围大气流体连通，以避免所述大气室中的压力下降。
【文档编号】B01D61/12GK103517753SQ201280022658
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年5月3日 优先权日:2011年5月13日
【发明者】赫曼·R·帕特尔, 罗伯特·E·阿瑟尔, 马丁·J·布拉兹, 劳伦斯·W·巴赛特 申请人:3M创新有限公司