专利名称：用于低压力下分离的薄膜箱(casstte memberanc)的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种含有膜箱(cassettememberane)的系统和用于该系统的装置，该系统和装置用于在较低的渗透压差下的分离。
用来将一股进料流体变成两股流体的膜分离工艺已经大大普及了，这两股流体是富集不能选择性通过薄膜的组分的残留流体(theretentatestream)和富集能选择性通过薄膜的组分的渗透流体。例如下列工艺气体分离，象从氮中分离氧，从水中分离溶解了的盐的反渗透过程，通过除去颗粒和高分子量的物质，象细菌，使地面水转换成饮用水，全蒸发过程，在其中液体流的挥发性组分选择性地渗透穿过薄膜。为了有效地进行膜分离，必须有某些驱动力。两种最常见的驱动力是以从薄膜的一侧到另一侧建立浓度差和压力差为基础的。当压力作为驱动力时，薄膜进料一侧的压力是较高的。当浓度作为驱动力时，在进料侧优先渗透的物质的浓度很大。
最近，一些平板和框架膜分离设备已经被公开了，它们在膜板或框的渗透侧放置了真空泵。由真空泵产生压差。在这种设备中，薄膜元件是一个固定薄膜的板件，在那里每个板在膜的渗透侧具有一个渗透流动通道。所述的真空泵是与每个板件分别连通的，精确地将膜板相互分开，从而允许湍流沿每个膜的表面流动，便于除去倾向于粘附在膜的保留侧(retentateside)的固体。这些板件在槽中一般垂直放置。靠泵、叶片或通过通气管的气流产生所述的湍流，它们被安装在膜分离装置的附近。日本公开41-10090号专利(申请号2229631)，出版日是1992年4月10日;日本公开47023专利(申请号2107991)，于1993年1月10日出版，和日本公开4187222(申请号2319141)专利，在1992年7月3日出版。
美国专利5084220号公开了一个膜箱(ccassettememberane)设备，该设备有效地将大量的地面水转换成饮用水。公开的设备包含一组由中间隔板分开的箱框架，箱框架和隔板都具有密封，所以将箱框架和隔板装配在一起时形成了压力密封。当采用了使端部箱框架密封的端板，整组的箱框架和隔板形成了一个压力通路。箱框架组、隔板和端板适于在其纵向夹紧在一起，而且，如果需要移走任何选择的箱框架，可以将它们的夹紧松开。每一个箱框架包含有由许多薄膜组成的一个过滤单元，在其中具有第一流动通道系统，它连接在箱框架内的两个自由区域，所述的自由区域如此连接是为了从进料口到浓缩物出口建立一个串联的、并联的或串并联结合的流体流动形式。每一套薄膜是一个流动通道的第二系统，它与第一流动通道隔绝，用于从每个过滤单元引导渗透过薄膜的流体流动到至少一个出口。这个系统被设计成在高压下工作的，这个系统被仔细的设计成允许端部的平板箱单元和隔板以下述形式装配在一起，即它们在薄膜周围形成一个压力壳体。这个系统被设计成包括相对复杂的压力控制和流体控制装置，用于该系统的原材料经过仔细的选择，是为了能承受高压。采用这种高成本材料和复杂的工艺控制结果是在低压使用时该系统不能节省成本的。需要开发这样的系统它能在低渗透压力下工作，它不需要这么复杂的材料和工艺控制。
膜分离系统相对于其它已知的分离系统是相对紧凑的。还有，许多已知的薄膜系统还占据了很大的空间，这空间并没有直接用于完成分离。典型的加压系统需要附带的泵、较大的压力容器，进料、渗透、浓缩和再循环管路，它们占据的空间不能直接用于分离过程。所以需要能更有效利用空间的系统。
有效分离液体的薄膜设备的通常的方案是一个螺旋缠绕装置。它由许多成对的平板组成，在这些成对的板之间有空隙。每对板是密封的。这些平板随后被卷制成一个胶辊形状和放进一个压力壳体内。该螺旋缠绕装置的一个优点是它使较大面积的薄膜装入一个薄膜组件内。这个装置的一个显著的问题是在整个薄膜表面上的流通量不是均匀分布的。原因之一是从薄膜的一端到另一端压力降很显著。为了补偿压力降的问题，大多数螺旋缠绕薄膜工作时具有较大的进料侧压力。采用高输入侧压和渗透压差产生的问题是薄膜的结垢。其结果是由不能通过薄膜的材料在膜的进料侧形成层状，阻挡前进的进料流到达该膜的进料侧。
需要一种膜分离系统和装置，它是相对紧凑的，在这个空间里将不直接用于分离的设备或系统的部分调整到最小限度。还需要这样系统，它能让进料沿薄膜的整个表面相对均匀地分布，在相对低的进料压力和渗透压力差之下，该系统能完成理想的分离。因而这样的系统减少通常膜分离的原有的污垢。也需要这样用于膜分离的系统，该系统不需要在为高压条件下运行所要的高成本的压力容器和控制。
在相对高的进料压力和渗透压力差下工作的那些系统也需要多消耗能源，所以想要一种能够在低压下工作的系统，结果是完成分离节省了可观的能源。
本发明是一个流体膜分离设备，包括A、多个薄膜箱(mambraneassettes)，它由下列部件组成ⅰ一个或多个过滤组件，它包含许多薄膜部件，该部件包括能在相对低的渗透压力下完成流体的分离的薄膜结构，在所述的薄膜结构中，有互不相通的一个内表面和一个外表面，为便于让渗透流体流出膜部件，多个膜部件的内表面在一个或多个共同的区域内是敞开的，这共同的区域是密封的，所以从膜部件的相邻的内表面流动的流体不能与膜部件的外表面的流体相通;
ⅱ一个壳体，包含装有一个或多个过滤组件的框架，所以存在两个互不相通的流体流动系统，第一流动系统是与所述薄膜部件的外表面相通的系统，适于让进料流体与薄膜部件相接触，第二流体流动系统与薄膜部件的内表面相通;壳体还进一步包含与薄膜部件内表面相连的、位于共同区域附近的渗透流体收集室，一个适于从邻近的薄膜部件内表面除去渗透流体的流体通路;
B、一个使进料流体与膜部件的外表面相接触的装置。
C、一个将渗透流体从多个膜箱的渗透流体通道中除去的装置;
D、通过将薄膜部件的内表面的压力减少到小于大气压，从而建立一个渗透压力差的一个或多个装置。
E、一个将来自相邻薄膜外表面的、不能渗透该薄膜的进料流体移走的装置。
本发明的另一实施例是将一股进料流体分成两个部分的分离方法，包含A、使进料流体与本发明设备的薄膜部件的外表面相接触;
B、将所述的膜部件的内表面的压力减少0.1至0.8bar的绝对压力，以使一部分进料流体渗透穿过薄膜;
C、从薄膜相邻的内表面除去进料流体中渗透穿过薄膜的部分;
D、从薄膜相邻的外表面除去进料流体中没能渗透穿过薄膜的部分。
本发明的系统被设计具有在相对较低的进料渗透压力下工作运行的性能，不需要高成本的压力容器以及在高进料压力下操作的工艺控制设备，本发明所要保护的系统，设备和用的方法与常见的系统和方法相比，是在显著的较低的进料压力和渗透压力差下工作的，所述的进料压力和渗透压力差比以前可相信的压差低。本发明的系统和设备是相对紧凑的，不需在进行分离之前占据大的空间。同以往的薄膜系统相比，本发明的系统、设备和使用方法是节省成本的。
图1和图2表示了按本发明的、自由竖立(freestanging)系统的两个视图。图3和4给出本发明的一个附属部件，即适用于支承25个双层薄膜箱的导轨。图5、6和7是本发明的一个大的敞开式分离系统的三个视图。图8表示用在薄膜箱中的中空纤维层的端视图。图9是图8所示同一纤维层的顶视图。图10是如图8和9所示的多个纤维层，图11表示了图10所示结构的侧视图。图12给出了薄膜箱的一个优选机构，图13表示薄膜箱的渗透流体收集室同图4所示支承导轨的渗透管连接的放大视图。
薄膜箱包括一个含有许多薄膜部件的一个壳体，该部件被装入能进行所要的分离的过滤组件中。这里所用的许多意味着多于一个，通常的习惯是用几个上述的部件，其中所述部件的数量是未指定的，可按具体的用途和需要改变。
过滤组件具有许多薄膜部件，它们以有条理的形式排列，其中该薄膜部件适于将一种流体从另一种流体中分离出来。更特殊的过滤组件包含许多由密封装置密封的薄膜部件，以这种方式密封。薄膜的内表面不与其外表面连通，所以形成一个区域，用来让渗透流体从邻近的薄膜的内表面流动，这个区域不通向与进料流体相接触的膜件的外表面。这里的薄膜件具有一个内表面互相不连通的薄膜结构。适于这种需要的任何薄膜结构都可让被采用，例如中空纤维、中空管、边缘密封的成对的平板薄膜。薄膜件可以用聚合的、陶瓷的、或金属的材料制成，可以是均匀的、不对称的或是薄膜的形状。这些膜有效地用于本发明，它们可以在相对较低的进料压力渗透压力差下完成分离。相对较低的渗透压力和渗透压力差意味着通过在膜的渗透侧加真空来产生，在膜的进料侧可选择地加压10mW、C(在一个水柱的米数)或较小的压力，3mW、C更好，或者更小压力。在优选的实施例中，是仅仅靠在膜的进料侧加真空产生渗透压力的。在本发明中，可以被有效地分离的流体是能够在低渗透压下分离的气体，蒸汽或液体。例如，本发明可以被用于气体分离，从液体中分离挥发性蒸汽(全蒸发)，和从液体中分离高分子量或较大尺寸的颗粒。本发明的薄膜最好用于从液体中分离高分子量的物料或较大尺寸颗粒的物料，例如为制备饮用水从水中除去固体颗粒和高分子量的物质。在超滤和微滤过程中有效的薄膜是优先选用的薄膜。这种薄膜一般具有10，000界限的(cutoff)分子量或者更大，优先选20，000，最好是50，000或更多。通常这种膜能从液体中除去5微米或更小的颗粒物质，最好是2微米或更小的微粒。优选具有100，000界限的(cutoff)分子量或更小分子量的薄膜。
薄膜件以一定顺序的方式排列，最好以互相平行的方式排列。为便于让渗透流体流出薄膜件，多个薄膜件的内表面在一个或多个共同的区域内是敞开的。共同的区域被密封，与第一流体流动系统隔绝。所述的共同敞开的区域允许渗透流体从相邻的薄膜件的内表面流动过来，所以该区域是第二流动系统，即渗透流体流动系统的一部分。共同区域可以在沿成对平板薄膜组的边缘处，或在一束中空纤维和管的端部。在一个实施例中，顺序排列的薄膜件的边缘或两端被可固化的粘合剂带封闭。在粘合剂固化后，有效的粘合具有将排列的薄膜件固接在一起，而且形成不渗透流体的密封。可以采用的可凝固的粘合剂在固化处理前是流动的、但继续固化时形成相对坚硬的聚合物材料，如环氧树脂类和聚氨酯类。在过滤件的至少一个结合端上，薄膜件渗透侧是敞开的。薄膜件的边缘或端部是一端还是双端敞开，取决于所要求的分离和膜分离系统的设计。在希望结垢多的地方，就将薄膜的一边或一端开口。在薄膜件结合边或端的固结了的粘合剂与箱框架形成了从薄膜件的外表面到薄膜的敞开的内表面端的密封。薄膜件的密封端与机架的渗透物收集室相通，从而让从相邻薄膜件来的、渗透穿过该薄膜的流体移走。每个渗透物收集室具有一个用于从膜箱组件中除去渗透流体的出口。
壳体包括一个装在多个薄膜件周围的框架，所以两个流体流动系统互不相通。第一流体流动系统是与薄膜件的外表面即进料侧相连通的，所以用来让进料与薄膜件接触。第二流体流动系统是用来将渗透流体从薄膜件的内表面或渗透侧移走。壳体还进一步用来形成一个渗透流体室。该渗透流体收集室与薄膜件的内表面相接，用于接受渗透穿过薄膜、进入薄膜件内部的流体。该渗透物收集室还有一个出口，所以渗透物可以从膜箱组件中排出。
该壳体适于让到达的进料流体接近薄膜件的外表面或进料侧。还有壳体与在薄膜件的一端或两端的固化的粘合剂相结合，起到进料流动系统与渗透流动系统相互密封隔开的作用。在一个优选的实施例中，壳体是一个有四条边的盒子，装有薄膜件，在盒子的一端至少有一个渗透流体收集室，它与盒子的其它部分是密闭的，垂直于盒子四边的两个边是敞开的，允许进料流体接近薄膜件的进料侧。壳体可用任何具有以下性能的材料制作该材料能支承薄膜件，不渗透将要接触薄膜的流体，而且不与这些流体起反应。最好壳体用金属、塑料、玻璃纤维或复合物制造。
如上所述，装有薄膜件的壳体，形成了两个流动系统。第一个是进料流动系统，它让将要分离的流体与薄膜件的进料侧接触;第二流动系统是一个渗透流体排出系统，它用于除去由相邻的薄膜件来的、渗透过该薄膜的那些流体。
在一个实施例中，壳体能含有二个分离过滤组件，这是二次过滤。过滤组件的薄膜件对于在壳体另一端的渗透物出口最好是敞开的，该薄膜件在薄膜的渗透侧只有一个出口。在一个实施例中，每个组件对着开口的端是焊接的，使件中的薄膜被封闭。用另一种方法，将该薄膜件焊接到相邻件的薄膜上，因而在这两个薄膜件边缘之间使渗透流体流过。
通过制做过滤组件可以通过所需要的模式首先安装薄膜件，这样薄膜件沿至少一个板互相平行。随后密封过滤组件的一端或两端，如用可固化的粘合剂与其接触，使用粘合剂，使两过滤组件一端和薄膜件进料侧之间的薄膜件端部密封。然后，薄膜件被密封的一部分可被精确地切去，从过滤组件的一端或两端，以暴露出薄膜件的渗透侧的内表面或渗透侧。上述制作的过滤组件可以在将其与壳体装配之前进行，也可以将薄膜件装入盒之后进行。
在一个实施例中，一组平板薄膜用于制备过滤片部件。在这个实施例中，平板薄膜为正方形或矩形，且成对装配。平板的尺可以是适于所需最终用途的适当的任何尺寸。这个系统的一个显著的优点是薄膜能有较大的面积。尺寸的选择取决于所要求的结垢、流速和渗透压差。选择平板宽为100mm或更大，优选宽度200mm或更大，最好400mm或更大。可选择的薄膜板具有2000mm的宽度或小一些，优选1000mm或较小，最好500mm或更小。这样的薄膜板选择具有100mm的长度或更长，优选200mm或更长最好400或更长。在一个推荐的实施例中，一个隔板放在成对薄膜的每个薄膜之间。这样的隔板是已知技术，选择隔板取决于该系统将被应用的分离过程。该薄膜隔板常常促进薄膜件中渗透流体的流动和从薄膜件中排出渗透流体。在另一实施例里，要求在相邻成对的薄膜板之间安置一个隔板，这样便于进料流体流向薄膜。在已有技术中使用的隔板及其选择取决于将要进行的分离过程。美国5084220号专利提供了一个推荐的隔板的说明。
本发明的平板薄膜件的制备方法在美国5084220号专利中已经描述了。信封形状的薄膜件是通过在另一个板的顶上放置正方形或矩形的膜板，沿板的所有的四条边将其焊接或粘接结合。在焊接或粘接之前，一个隔板部件或另件可以夹在薄膜层之中，如前所述。如果需要为改进粘合剂与薄膜件的粘接性，可以选择处理将与可固化粘合剂粘接的薄膜件的表面。将一个堆叠的薄膜件和任选的间隔件放在一起，将可固化粘合剂导入该堆叠件的两相对边或一边的薄膜件之间的空隙，在粘合剂固定了薄膜件的边缘部分和那儿所有的间隔件之后，同时从最先导入粘合剂的间隔件或两薄膜之间的开口处的表面或多个表面上除去粘合剂。当沿薄膜边缘形成所需要的、便于排走渗透流体的开口时，除去上述材料的工作就完成了，所以不影响由粘合剂构成的联接的剩余部分，该部分将起到密封的作用。随后在过滤组件的周围建立起壳体。壳体可以适当的方法焊接到结合件上形成合适的密封和渗透流体收集室。在另一实施例中，一组薄膜可以在预制的盒子里建造，然后与可固化粘合剂接触。再从该堆叠件的一端或两端切去粘合剂和薄膜，就制成了框架。
在另一个实施例中，薄膜可以是中空纤维或中空管的形式。在这个实施例里，中空纤维和中空管的薄层互相平行地铺设在一个模制的盒子里。然后将少量可固化粘合剂放到中空纤维的每一端，使中空纤维互相结合。为了支承中空纤维的中间部分，在结合的端带之间，可选择的放置一根或多根结合支承带。随后将已经互相粘接的中空纤维放入一个模制的盒子里，堆到所需要的高度，而且在中空纤维的端部附加可固化的粘接剂，使中空纤维层粘接在一起。该堆叠的中空纤维的一端或两端随后被仔细地切开，露出中空纤维的端部，同时留下足够的粘合剂使堆叠的中空纤维能互相结合，形成对渗透流体系统敞开的中空纤维端部和对进料流体系统敞开的中空纤维的外边之间的密封。然后在堆叠的中空纤维周围建造合适的壳体，如上所述。
在这个实施例中使用了平板薄膜，在一个过滤组件中，实际上不存在平板薄膜数量上的限制。受限制的方面是系统中所希望的结垢和流动，它取决于特殊的用途。在平板中，选择200张板或少些板，优选100张板或更少些板。选择有50张板或多些，优选有70张板或更多张板。
本发明的设备还包括一个使进料流体流向薄膜件并沿其流动的装置。它用来保证进料流体沿薄膜件流动从而增加薄膜组件和分离过程的效率。这个装置可以是任何使进料流体沿薄膜件流动的装置。这个装置可以是由河流、重力所产生的天然流动，或者可以是以适当的方式带动流体的泵或螺旋器。在这些实施例中，进料流体是一种其带高分子量物质和大尺寸颗粒将被除去的液体，一个螺旋浆是优选的装置，因为它使进料流体沿薄膜循环。最好进料流动是沿平行于薄膜表面方向的流动。
本发明的系统和装置还包括一个从多个薄膜箱和容器的渗透流动通道中排除渗透流体的装置。这可以是任何从渗透流体收集装置和系统中排走渗透流体的装置。用于排走渗透物的装置可以是装在每个箱上渗透流体出口上的和每个箱的渗透物收集器联接的一组导管。换一种方法，渗透流体排出装置可以是与每个箱渗透物出口相接的支管。一组导管或支管与邻近箱的排走渗透流体的同样的装置相联接。最好该装置汇集所有来自每个箱组件的渗透流体收集室和渗透流体出口的管。
本发明的系统和装置还包括一个产生渗透压差的装置，该压差是通过减少薄膜的内表面或渗透侧的压力到低于大气压的程度来产生的。一个这样装置是在薄膜件的渗透侧提供真空的装置。可供选择地附加渗透压差由在薄膜件的进料侧施加相对低的压力所产生。可采用已知用于在薄膜件的进料端施加压力的任何装置。在这个实施例中须用压力容器。实际上加到薄膜件进料侧的压力是相对低的，所需的压力容器是不严格(stringent)的，而且没有显著增加系统的成本。选择可以施加于薄膜进料侧的进料压力为10mW、C(水柱)或小些，优选3mW、C或更小。加到薄膜进料侧的进料压力最好是0.2mW、C或更多，优选0.5mW、C或多些。推荐仅通过减少薄膜件渗透侧的压力到大气压之下来产生渗透压差。这可由一个作为渗透流动系统的一部分的施加真空和排走渗透流体的综合装置完成，通常可以采用泵，它运转时将这样的真空施加于组件的渗透侧。那些在已知技术中公认是适合的用于减压的技术方法可以采用。选择在渗透侧的压力低于一巴(bar)的绝对压力，优选0.6bar绝对压力或更小。最好在薄膜渗透侧的压力是0.1bar绝对压力或更大，优选0.3bar绝对压力或更多。一般渗透压力是0.8bar或小些，优选0.6bar或更小。优选渗透压差是0.1bar或大些，最好是0.3bar或更大。采用低渗透压差的显著的优点是在薄膜上较少结垢，允许薄膜使用较长的时间后才回洗。渗透压差的选择受薄膜的性质和要分离的物料影响。能用于给薄膜的渗透侧施加真空的真空泵可以是从已知技术中的任何一种真空泵，最好能够产生1.5m、W、C以上(from)的真空压力或更大。选择能够产生8.0m、W、C真空度或较小真空度的泵，最好3.0m、W、C或更小。在另一个实施例中，用于排出渗透流体的装置可以与一个井相通，该井中有一个泵。利用井便于使较低效率的泵产生的真空度与没有井的较高效率的泵在渗透侧产生8至9m、W、C的真空度，但是，也可以利用一个10m深的井和将泵放入进井3-4m深。这时一个全(full)真空可由一个能产生6至7m、W、C真空度的泵来形成。
本发明的系统或设备还包含一个用于从相邻的薄膜箱中除去浓缩物的装置。这里所用的浓缩物的含义是进料流体中不能渗透穿过薄膜的部分，一般称为残留物(retentate)。任何可从相邻的箱中除去的流体，从而从系统或设备中除去流体的装置都可以被采用。通常一个出口或管子可以用来除去这种浓缩物。
本发明的系统还包含一个喷射气体的装置，例如空气，氮或相似的气体进入膜箱的附近处。这种装置在已有技术中是公知的，现在用它是为防止颗粒物质在薄膜中存留(retentate)表面上堆积。将一个管子或软管放进一个薄膜系统，该系统不是有空气喷嘴就是有在将气体喷入该系统的较好的装置中的许多孔眼。这种装置最好紧靠膜箱。该喷气体装置选择装成使喷气流对着将要分离的流体流，优选放成使喷气流平行于薄膜表面。当采用具有与流体流相对的喷气流的喷气装置与回洗相结合时，特别有效地除去了颗粒物质。
本发明的系统还可以包含一个支承薄膜箱的容器，它使膜箱与进料流体相接触。这个容器可以是任何包容膜箱和让膜箱与进料流体接触的任何容器或封闭器件。在一个实施例中，该容器可以是一个大地上的容器，如在大地上的一个洞或一个槽，可以是堤和具有河、湖、水流或池塘的底部的容器。在另外一个实施例中，容器具有上述功能的任何一种容器。容器可以用不会受到进料的有害影响、也不会对进料产生有害作用的任意材料制成。可选择的材料有金属、塑料、混凝土、玻璃纤维和复合物。在一个实施例中，容器可以是一个密封的容器，它可以具有相对低的超环境压力(super-ambientpressures)的压力容器。可以要求在压力容器中将被分离的流体是蒸汽或气体，或者在容器中要求在薄膜的进料侧施加一个较低的压力。换一种方式，容器可以对环境敞开。所要求保护系统的容器最好是一个简单容器，它不适于在超过大气压的高压下，这种容器是较节约成本的。
本发明的系统可以附加包含一个将进料流体导入系统的装置，它用来将要分离的物料供给薄膜件，结果是允许适当的分离过程进行。这种装置可以是采用任何使进料流体与薄膜单元接触的任何方法。它可以是能够输送流体的槽、管或导管。用于引导进料的装置可以是简单的入口(port)。穿过该入口，进料被导入系统。
所述的箱可放在或平躺在容器中，具有或不具有使每个箱与渗透流体出口相联的支承件。最好采用以支承装置支承的方式将箱放置和支承于容器中。这样的支承装置的任务是为了最合适地将进料输入薄膜件，将箱放在最好的位置上。这种支承装置可以是一个导轨，它可直接在容器上或架子上或托架上，或能直接装在容器上的、类似零件上，它能在所要求的位置上支承箱。可以使用的导轨是能自由站立(free-standing)的，或是能固定在容器上的。在一个优选的实施例中，采用的导轨含有至少一个密封的支管，该支管能与每个箱的渗透物出口相连，而且支管汇集于渗透流体排出装置上。
本发明的系统或设备还进一步包含用来回洗薄膜的装置，在许多分离过程中，使用本发明的系统和装置，有些物料不能穿过薄膜，但它阻挡其它进料流体到达薄膜件上，因而造成薄膜件的结垢。为了除去这些物料，需要回洗薄膜。回洗是通过从渗透侧将液体压向进料侧进行的，从而除去薄膜件的结垢物料。回洗薄膜的装置可以是任何用在已有技术中普通的装置。最好用某些形式的泵，在渗透侧提供压力，使受压液体顶着或穿过渗透侧到进料侧。一个独立的泵可用来施加这样的压力，或者是一个在渗透侧减压的泵，可以是双向泵(reversiblepump)，它可以变向迫使流体逆着渗透侧返回。在一个优先的实施例中，该系统包含有一个附加的槽，槽盛装用于回洗薄膜的液体。一个用来除去渗透穿过薄膜的回洗液的单独的导管可以被插入该系统。这种装置能将回洗了的物料循环回到回洗槽或将其从系统中排出。在那些实施例中，为了回洗薄膜，在那儿的独立的泵是在薄膜的渗透侧加真空。一组分开的导管和阀用来提供将除去渗透流体和回洗分开。这种导管、阀和泵的排列是已有技术范围的技术。在这个实施例中，在薄膜的渗透侧和真空泵之间的通路由阀关闭，并打开回洗泵到渗透侧的通路，从而允许回洗液在薄膜的渗透侧受压力作用，并通过薄膜，以清洗薄膜件进料侧的结垢物。
在本发明的一个实施例中，浓缩物可以被循环返回进料入口或容器中。在这个实施例中，进料流体是连续被循环的，直到达到所要求的浓缩物水平。在本发明的实践中，其中泵是在容器里以连续地循环物料，不需要分开的循环泵和管路和导管，尽管本系统不排除分开的泵和导管。事实上，在容器内系统本身可连续地循环进料是所要保护的系统的原有的优点。在本发明的另一个实施例中，可以要求渗透物循环到进料入口。当渗透流体是一种所需的产品，而一次穿过薄膜的渗透物的质量不足时，这种循环方式是适用的。可以采用任何完成循环的装置，最好用一组导管或管路和泵完成该循环。在一个实施例中，一个简单的槽可用来将物料返回薄膜的进料侧。
还有，该容器还能装备一个分液器(skimmer)。当进料含有不互溶的液体的混合物时，需要将一个通用的分液器插入该装置，在进料与薄膜件接触之前，撇去不混溶的成分(immisciblecomponents)之一。在另一个实施例中，在进料入口插入一个热交换器，在多个实施例中，当温度对分离是决定性的时候，这个措施是有用的。一般的热交换器都可以被采用。
该设备或系统通常能以下述的方法工作一种流体混合物的进料借助于进料入口进入容器，该流体混合物是准备被分离成一股渗透流体流和一股浓缩流体或曰残留流体(retentate stream)。用于让进料与薄膜的进料侧接触的装置先运转，使进料流体流平行于薄膜的表面流动。在一个优选的方法中，一个螺旋浆或循环泵用于维持进料沿薄膜表面的流动。同时在渗透侧施加一个真空，产生了渗透压差。薄膜的进料可选择成受压状态，如前所述，为了增加渗透压差。渗透穿过薄膜的物质通过渗透流体流动系统被除去。如果需要，浓缩流体和渗透流体都可以被循环。该系统和设备可以非循环的方式工作，也可以循环的方式工作。在非循环的系统中，进料通过薄膜一次，然后从相邻的薄膜上被移走。在一个循环工作的方式中，渗透流体和残留流体二者之一或二者都被循环作为进料送入薄膜件。在薄膜以非循环的方式工作下，当无论渗透流体或残留流体都达不到所需产品的质量要求时，适于采用循环的工作方式。在一个优选的实施例中，本发明的系统用于从液体中分离高分子量的物质和较大颗粒尺寸的物质，例如从地面水中分离细菌和颗粒物质。另一个例子是从肉汤中分离酶或发酵肉汁(rermentatlen broths)产品。在一个本发明的优选的工作方法中，渗透压差如上所述。选择渗透穿过薄膜的流速是10l/m2h或更大，优选30l/m2h或较小，优选1000l/m2h或更小，最好500l/m2h或更小。在一个优选的实施例中，从液体中除去高分子量和大尺寸颗粒物质，优选循环物料，所以进料液体沿薄膜件向下流动，而且渗透物收集装置是位于膜箱组件的一侧，这样具有一个用重力帮助控制式辅助进料流体沿薄膜表面流动。
本发明的系统特别适用于在沿薄膜件的外表面上有一低的压力降的情况。压力降在这里的含义是在薄膜的外表面上，进料流体开始接触点的压力与沿着薄膜外表面的滞留流体离开薄膜外表面点的压力是不同的，选择的压力降是0.5bar或更小，优选0.2bar或更少，最好是0.15bar或更少。选择压力降接近0，优选压力差是0.05或更大，甚至最好是0.10bar或更大。在进料流体从膜箱组件的顶部向下流向其底部的实施例中，压力降可接近0。
本发明的最佳实施例参见附图。图1是本发明的装置的侧视图，其中具有膜箱(membrenescassette)的部分被切去。图1表示了一个槽(11)，它含有4个膜箱(12)，每个箱(12)的侧边具有渗透出口(13)。箱(12)被支承在导轨(14)上。还有包容在管(16)的螺旋循环泵(15)，在管(16)的上顶端是一个入口(17)(图中未示出)，用来将进料引进槽(11)。内含螺旋泵(15)的管是部分底部敞开安装的，所以，在槽(11)中膜箱(12)下的开口区和上述底部之间是连通的。该螺旋泵(15)的作用是循环进料，使其向下流过膜箱(12)。图1还给出了回洗槽(18)，它用来保存要用于回洗膜箱(12)的流体。图中的泵(19)用于交替地在膜箱(12)的渗透侧提供真空压力，或将回洗流体加压，以回洗膜箱(12)。泵(19)与膜箱(12)的渗透出口(13)相连，通过渗透出口联接件(图1中未示出)，与管子(20)相联，穿过管(20)的流体流向泵(19)由阀(21)控制。渗透流体通过导管(22)和出口(图中未示出)从系统中移去。在导管(22)中的阀(23)适于将渗透流体直接经管子(24)进入回洗槽，阀(25)与回洗槽(18)和泵(19)连接。导管(26)连通了导管(22)和管(20)。阀(27)位于导管(26)上。导管(26)和阀(27)促使由泵(19)泵入流体返回导管(20)，因此便于受压的回洗流体进入膜箱(12)的渗透侧。
图2是图1所示设备的顶视图，图中所示初级槽(11)，三个膜箱(12)和内含有螺旋泵(15)(图中未示出)的管(16)的顶端，图2表示出回洗槽(18)的入口(17)，泵(19)和导管(20)用来从膜箱(12)上移走渗透流体。图中部分显示了用于控制从渗透导管(20)到泵(19)的流动。导管(22)适于将泵(19)中的流体移走，和阀(23)汇集进入导管(22)，用于控制从泵(19)来的、通过导管(24)到回洗槽(18)的流体的流动。图示的阀(25)适于控制从回洗槽到泵(19)的流体。导管(26)和阀(27)也在图中示出。在图中附带表示了4个渗透导管联接件(28)，它位于槽(18)的每一边，适于连接膜箱(12)的渗透出口(13)和渗透导管(20)。阀(29)被联到管(22)上，适于改变渗透进入管(16)或槽(18)的方向，使得渗透物作为进料再循环。渗透流体出口(30)用来将渗透流体从系统中排走，如图所示。通过阀(31)控制渗透流体向出口(30)的流动。该装置的工作过程参见图1和2。进入的流体由入口(17)、经管(16)流入槽(11)。该系统以下述方式启动，阀(21)、(23)、(27)、(29)和(31)是关闭的，阀(25)开启和泵(19)被起动。打开阀(23)为使循环的任何液体返回到回洗槽(18)和阀(21)开启，让泵(19)从膜箱(12)中抽吸渗透流体。阀(25)关闭直到获得0.1至0.2bar的真空度，而且空气从膜箱(12)中排出。当所有的或大部分的空气从膜箱(12)中排走，阀(23)关闭且阀(31)被打开，组件处于工作状态。然后循环泵(15)被启动，使深槽(11)中的液体以这种形式循环从上顶进入膜箱(12)，沿薄膜表面向下流到底部。穿过薄膜已渗透的流体通过出口(13)，经渗透出口联接器(28)输送入导管(20)。该渗透了的流体穿过导管(20)和阀(21)到泵(19)。导管(22)使渗透物离开泵(19)。在导管(22)中的渗透物可以通过导管(24)和阀(23)再循环进入回洗槽(18)。通过阀(29)再循环进入阀(29)再循环或经过出口(30)从系统中排出。浓缩流体从其出口(32)(图中未示出)从系统中被排出。
进行膜箱12的回洗可以通过打开阀(25)，关闭阀(31)和打开阀(26)。来自回洗槽(18)的流体是由泵(19)驱动的。在泵(19)的作用下，从回洗槽来的流体通过管(22)和(26)，进入管(20)，返回膜箱(12)，穿过渗透联接器(28)和渗透流体出口(13)。当组件返回到上述的启动状态时，一次回洗就完成了。
图3和4给出了25个双层膜箱的导轨。图3给出了25个双层膜箱导轨的立体图，具体有一个机架(33)，支承着25个双膜箱(34)，它装在机架(33)上，所以双层膜箱(34)开口，让流体通过双膜箱(34)的每一边渗透流体支管槽(35)。一个渗透流体出口(36)与渗透体支管槽(35)相连。在导轨(33)的一端具有支承在其上的双膜箱(34)的凸起(37)。
图4是剖去导轨一端的剖视图。其中膜箱包含带两个过滤组件(38)的双层薄膜箱(34)，其中膜箱(34)支承在凸起(38)上。图中还表示了渗透支管槽(35)经过一个渗透流体联接器(39)到双层膜箱(34)的渗透流体出口(40)联接。
图5、6和7公开了在本发明范围内的敞开的分离系统，给出了10个导轨(33)的两个相邻机架，每个导轨含有25个双膜箱(34)，在两相邻机架之间的进料槽(41)如图所示。在进料槽(41)的中间是一台循环泵(42)，用于让流体循环到双膜箱(34)的顶部，这样，流体将向下穿过双膜箱(34)相邻的薄膜表面流动。图中还给出了一组渗透流体出口(36)，为让渗透流体从邻近的双膜箱(34)中离开，与渗透流体支管(43)相连，泵站(44)连在渗透流体支管上，用来给膜箱(34)中薄膜的渗透侧施加真空压力。渗透流体泵站可用深井替换，渗透流体向下流入井中。从井的底部可以移走渗透流体。从井底移走渗透流体有助于产生和保持薄膜部件渗透侧的真空。图中还表示了一个将进料流体加到系统中的进料槽(45)。图中表示了中心容器(46)的外形，它用于使进料流体与双膜箱(34)的导轨(33)相接触。
图6是图5所示的敞开槽式分离系统的侧向剖示图。系统有一个混凝土容器，图中未出该容器的外形，它带有同一个渗透流体出口(36)相联通的一组导轨(33)，该出口还进一步与一个渗透流体支管(43)相连。在导轨之间的中心有一个包含一台循环泵(42)的进料槽(41)(图中未示出)。所述的容器(46)设有浓缩槽(47)。图中还示出了用于在混凝土槽(46)中支撑导轨(33)的混凝土支座(48)。水面线由线(49)表示。
图7是上述同一系统的一侧的部分剖示图，给出一排三个相邻的导轨(33)，三个双膜箱(34)，它们由导轨(33)的凸起(37)支撑，还表示出用来在所述的混凝土槽(46)里支承导轨的混凝土支座(48)。还有渗透流体出口(36)和渗透流体支管(35和43)。
图8、9和10及11显示了一个中空纤维膜箱的多级装配。图8表示用可固化粘合剂(53)封装的中空纤维(52)的单层(51)的端面视图。图9表示了由顶部观察的同一个层(51)。它的每个端都装在可固化树脂(53)中。图还表示了平行于中空纤维(52)一个可固化树脂(53)的加强带(54)。每个加强带可根据加强的需要，同中空纤维(51)相间隔放置。图中还有一个在中空纤维(52)垂直方向延伸加强层(55)。
图10给出堆叠的一组中空纤维(51)。每一层(51)具有一排中空纤维(52)，在中空纤维(52)的两头有使其定位的可固化粘合剂，在每一层(51)的可固化粘合剂(53)之间，有可固化粘合层(56)，它使中空纤维(52)的层(57)粘合在一起。图11是图10所示同一结构的侧视图。图中示出一组中空纤维层(51)，它由两端结合在可固化粘合剂(53)中的中空纤维束(52)组成。每一个层(51)在端部可固化粘合带(53)粘合在一起。这幅图还表示了在中空纤维(52)之间的空白区(57)，它适于让流体在中间空纤维(52)之间流过，因而使流体与薄膜必须接触，一部分流体渗透穿过中空纤维(52)。
图12所示的过滤组件包括一个薄膜块(stack)(60)，由多个薄膜(如61和62等)组成。有100或更多的薄膜接顺序成对排列，一个网或网状物的隔板(63)处于每对薄膜(60和62)之间，使薄膜(61和62)保持一定距离，使得渗透流体能够沿薄膜(61和62)流向渗透流体收集室流动，如下所述。每对薄膜(61和62)由网或网状物的间隔件(64)相互隔开，间隔件(64)比隔板(63)粗糙。在块(stack)的端部，有端部(65)，在薄板块(60)的下边，它们与底板内部相连。
在块(60)的侧面，有支承肋(67)，其两端被紧固于端板(65)的边上的孔中。
所述的过滤组件的上边有一个顶板(69)，它与端件(71)在块(60)的顶上形成一个渗透流体收集室(72)，在这个室(72)中具有横向支承肋(73)，在肋(73)的顶边侧制有精确的切口(74)，允许收集在室(72)中的渗透流体向渗透流体出口(75)排出。
如图12所示的过滤组件具有以下优点，每个支承肋(67)被插入端板(65)之一的一端的对应侧边孔(68)，在那焊接。然后，通过在每对的两个薄膜(61和62)之间放置一个网或网状物(63)，用粘接式热合的方式封闭每对膜的三个边，做成了所需数量的带有隔板(63)的成对的薄膜(61和62)。因而做成的成对的薄膜一起堆叠在侧端壁(65)上，各对薄膜之间带有中间位置间隔件(64)，另一个端板(65)装在所述块的另一边，与支承件67相联接，通过将肋(67)的自由端放入板的侧边孔(68)中，并将其焊接。成型或粘合材料从单元的顶部和底部被放入成对薄膜(61和62)之间，因而将该组件分别倒置和垂直放置，在一个部分已充填成型材料的盒子中，该成型材料也渗入间隔件(64)的孔隙中。所述的成型材料分别从单元的顶端到底面被引导向上到一定的距离，如40mm，在成型材料固化的基础上，模制的盒子被移走，同时顶部和底面进行处理，然后将底板(66)焊在两端板(65)之间的位置上。
该单元的顶部用切削或机加工去掉一个高度，该高度还小于上述距离，如3mm。在每对(61和62)膜的两个薄膜之间，为让流体流过，建立一自由通路，不需用在相连的成对的薄膜之间放置间隔板(64)形成连通的流体通路。
最后，将带支承肋(73)的顶板(69)和侧壁部分(70)和(71)焊到组件上制成渗透流体收集器。
图13是图4中导轨支承的渗透流体支管与膜箱联接的放大图。图13表示了从渗透流体收集室(72)、通过渗透流体出口(40)和渗透流体联接件(39)到达渗透流体支管(35)的联接。还给出了渗透流体收集室(72)的肋(73)和切口(74)。一个在渗透流体出口周围的密封件(76)和密封联接件(39)如图所示。因而收集在渗透流体收集室里的渗透流体穿过渗透流体出口(40)和渗透流体联接件(39)，流到渗透流体支管(35)，该支管将渗透流体送至将其从系统中排出的一个位置点。
下面的实施例仅用来说明本发明，除非有另外有标志，所有的部分和百分比都用重量百分比表示。
实施例本实施例用图1和2所表示的装置。该装置包含4个有100个过滤片(成对的)的膜箱，其平板膜的尺为435mm×435mm。每个过滤片的间隔是0.4mm，过滤片组之间的距离为0.8mm。该薄膜的聚偏氟乙烯超滤薄膜，具有100，000的界限的(cut-off)分子量，和一个500至600liter/m2/h/bar的纯上水(pure top water)的流量。分离槽和回洗槽都具有400立升的体积。该系统是在将滤液循环送入进料槽的状态下工作的。
例1在15℃下和在两个渗透压力水平下测量该系统的水流量，结果汇成下表
例2试验胶乳(latex)和颜料的混合物，具有在400公斤水中的2升浓缩物进行试验，结果汇编成下表格
回洗30分钟后，该系统复原至起始状态。
例3在例2之后，该薄膜系统用上水冲洗。1公斤酵母加到进料槽的400立升水中，制成0.25百分比的酵母溶液。薄膜系统启动并工作了很长时间，周期性地检测薄膜的工作状况，报表如下
注1进行回洗时用100公升的体积，(每箱25公升或8333升/米2膜)
注1进行回洗时用100公升的体积(每箱25公升)或8333升/米2膜)。
权利要求
1.一流体膜分离设备，包括A、至少一个包含许多薄膜的箱和一个在它们的周边支承所述的薄膜的支承件，所述的薄膜具有多层薄膜的形式，每一层相对于一个或多个相邻的薄膜层至少是在两个周边密封的，所述的薄膜以此限定了一个进料侧和一个渗透侧，其中所述膜的每一个薄膜的渗透侧通向至少一个收集区域，其中所述的薄膜被密封或除非穿过所述的薄膜、否则所述薄膜的进料侧和渗透侧是不相通的；B、让进料流体与所述的薄膜的进料侧相接触的装置；C、从渗透流体收集室移走所述的渗透流体的装置；D、通过降低所述的薄膜的渗透侧的压力使所述的压力低于大气压，从而造成渗透压力差的装置。
2.按权利要求1所述的流体膜分离设备，其特征在于;还进一步包括一个用于支撑许多所述的膜箱的容器和使所述的进料流体与每个所述箱的薄膜的进料侧相接触的装置;和用于从每个所述箱的收集区域容器移走渗透流体的装置。
3.按权利要求1或2所述的设备，其特征在于所述的薄膜是被堆叠排列的矩形板的形式的薄膜，在这里形成垂直于所述薄膜表面的四个平面，所述板的边被对齐。其中沿所述的四个平面的至少两个边、用可固化粘合剂将所述的堆叠的薄膜结合在一起。
4.按权利要求3所述的设备，其特征在于所述的薄膜层是用所述可固化的粘合剂沿着其两相对的边粘合的，和其中所述薄膜的相邻的边缘沿着所述薄膜的另外两相对边薄膜的各薄膜之间和在所述的相邻或对薄膜之间的流体通路，由此分别限定进料侧和渗透侧。
5.按权利要求4所述的设备，其特征在于隔板位于一对薄膜的每个板之间，以促进在所述的薄膜间的渗透流体的流动。
6.按权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于所述的薄膜适于从一种液体流中分离具有从10，000分子量到5微米尺颗粒的组分。
7.按权利要求1至6中任一项所述的设备，其特征在于依靠在所述薄膜的所述的渗透侧施加真空压力，使所述薄膜的渗透侧的压力降低。
8.按权利要求1至7中任一项所述的设备，其特征在于一个有用于使进料流体与所述薄膜的进料侧接触的推进器是螺旋浆propeller)。
9.一种将进料流体流分离成两种组分的方法，包括A、使进料流体接触按权利要求1到8任意之一所述的设备的薄膜的进料侧;B、减少作用所述薄膜部件渗透侧表面的压力从10，000到80，000Pa，所以，一部分进料流体渗透穿过所述的薄膜;C、除去从相邻的所述的薄膜的内表面来渗透所述薄膜的部分进料流体。D、除去从相邻的所述的薄膜的外表面上未能渗透穿过所述薄膜的部分进料流体。
10.流体膜分离装置，包括A、多个薄膜箱，包含ⅰ一个或多个具有许多薄膜部件的过滤组件，所述的部件具有能在相对低的渗透压力下进行流体分离的薄膜结构，其中所述的薄膜结构具有一个内表面和一个外表面，所述的内外表面互不相通，为了便于使渗透流体离开所述的薄膜部件，所述的许多薄膜部件的所述的内表面在一个或多个共同的区域里是敞开的，这些敞开的区域是密封的，使所述的薄膜部件的相邻的内表面来的流体，不与所述的薄膜部件的所述外表面相流通;ⅱ包含一个装有一个或多个过滤组件的框架的壳体，在其中有两个互不相通的流体流动系统，第一流体流动系统与所述的薄膜部件的外表面相接触，使所述进料流体与所述的薄膜部件相接触;第二流体流动系统是与所述的薄膜部件的所述的内表面相接触的流动系统，和所述的壳体还进一步包含与所述的薄膜部件的所述的内表面联通在接近所述的共同的区域处的一个渗透流体收集室，和一个用于从所述的薄膜部件的相邻的所述的内表面除去所述的渗透流体的一个流动通路;B、一个使所述的进料流体与所述的薄膜部件的所述的外表面接触的装置;C、一个从多个膜箱的所述的渗透流体流通路中除去所述的渗透流体的装置;D、通过使所述的薄膜的所述的内表面上的压力降低至低于大气压的方式产生渗透压力差的一个或多个装置;E、除去从所述的薄膜的相邻的所述的外表面来的、不能渗透穿过所述薄膜的进料流体的装置。
全文摘要
一种流体膜分离设备包括一与大气相通的容器，该容器内有多个无需在高压容器中操作的膜箱。
文档编号B01D61/36GK1095964SQ9310757
公开日1994年12月7日 申请日期1993年5月22日 优先权日1992年5月22日
发明者詹斯·K·莫勒 申请人:陶氏丹马克公司