专利名称：通过热成像测试螺旋卷组件的方法
技术领域：
本发明涉及利用热成像测试螺旋卷组件的完整性的手段和方法。在优选实施方案中，所述方法包括使气体在螺旋卷组件的辊轴面与渗透物收集管之间流动并检测辊轴面上的温度差。辊轴面上的温度差可以作为热影像捕获。
_4] 相关技术描述各种基于膜的组件在本技术领域中是已知的，包括螺旋缠绕、管式、中空纤维和板 框类型的构造。由于各种组成部件中的缺陷或作为用来构造组件的制造方法中的缺陷的结果，每种类型的组件都可能有泄漏。例如，螺旋卷组件中发生的泄漏典型地是由膜片中的缺陷(例如针眼、划痕或其他缺陷)或在组件组装期间可能发生的膜片未对齐和胶层失效造成的。由于其缠绕构造，这样的缺陷在螺旋卷组件中特别难以检测和定位。US 2008/0105038描述了一种用于测试螺旋卷组件的方法，所述方法包括将测试粒子导入到来自于组件的液体进料流中。粒子的尺寸大于膜的标称截止值，使得在渗透物中检测到粒子可以与泄漏相关联。这样的技术尽管有效，但需要在运行过程中、即“在线”地使用流过组件的进料液测试组件。JP 2007/007539描述了另一种类型的在线测试方法，所述方法包括将压缩气体导入到进料液中，随后在渗透物中检测气泡。ASTM D 6908-03 (水过滤膜系统的完整性测试(Integrity Testing of WaterFiltration Membrane Systems))描述了用于测试膜系统的完整性的各种方法,包括压力和真空衰减试验。发明陈沭本发明涉及用于测试螺旋卷组件的手段和方法。在一个实施方案中，方法包括如下步骤使气体在辊轴面与渗透物收集管之间流动，其中气体具有与辊轴面不同的温度；以及检测螺旋卷组件的辊轴面上的温度差。还公开了许多其他实施方案。附图
简沭图I是螺旋卷组件的透视的、局部剖视图。图2A是无缺陷的螺旋卷组件的理想化的正(端)视图，显示了测试期间组件的辊轴面。图2B是有缺陷的螺旋卷组件的理想化的正(端)视图，显示了测试期间组件的辊轴面。图3A是用于实践本发明的一个实施方案的理想化装置的示意图。图3B是用于实践本发明另一个实施方案的可选的理想化装置的示意图。发明详沭
众所周知，螺旋卷组件(也称为“元件”)可用于各种流体分离，包括气相和液相分离两者。由于它们的螺旋构造，可以在单个组件中装入相对大的膜表面积。取决于所使用的具体膜，螺旋卷组件可用于广泛的各种应用，包括反渗透(RO)、纳滤(NF)、超滤(UF)和微滤(MF);然而，出于本发明的目的，RO和NF是优选的。常用的液体分离的实例包括液体进料的处理，例如食品、乳制品和增甜剂进料的浓缩和/或除盐，水的脱盐，二价离子物质例如钙和钡离子的除去以及较大组成成分例如包囊、病毒·和杀虫剂的除去。典型的组件包括渗透物收集管，至少一个但优选多个被膜(membrane envelope),以及外壳。虽然组件可以以各种尺寸获得，但可获得的一种更常用的工业RO组件具有标准的8英寸(20. 3cm)直径和40英寸(101.6cm)长度。对于典型的8英寸直径的组件来说，将20至31个单个的被膜缠绕在渗透物收集管周围(即对于外径为约I至3英寸(2. 5至7. 6cm)的渗透物收集管来说)。组件的外壳可以包括整体流体密封以提供压力容器内的密封，如Huschke等的US 6，299，772和6，066, 254中所述。可商购的螺旋卷组件的具体实例包括可以从FilmTecCorporation获得的BW30_440i微咸水组件、SW30-XLE_400i海水脱盐组件和NF-400纳滤组件。在运行中，典型地将4至8个组件串联在共同压力容器中。容器中的各个组件典型地是相同类型的，但是也可以使用不同类型的组件，如Mickols等的US 2007/0272628中所述。用于本发明的螺旋卷组件在图I中一般显示为2。组件(2)通过将一个或多个被膜⑷和任选的进料通路隔离片(“进料隔离片”)(6)缠绕在渗透物收集管⑶周围来形成。每个被膜(4)优选包括围绕渗透物通路隔离片(“渗透物隔离物”)(12)的两个基本上矩形的膜片(10)。这种三明治类型的结构通过例如密封剂(14)沿着其三个边缘(16，18，20)固定在一起形成包被，而第四个边缘(22)与渗透物收集管(8)邻接，使得包被的内部部分(和任选的渗透物隔离物(12))与沿着渗透物收集管(8)的长度延伸的多个开口(24)流体连通。在优选实施方案中，组件(2)包括由多个进料隔离片(6)隔开的多个被膜(4)。被膜(4)通常通过连接相邻放置的膜叶封套的后侧表面来形成，其中每个叶封套包括基本上矩形的折叠到其本身上以限定两个膜“叶”的膜片(10)，其中每个叶的前侧(34)彼此相对，并且所述折叠与被膜⑷的第四个边缘(22)轴向对齐，即与渗透物收集管⑶平行。显示进料隔离片(6)位于折叠膜片(10)的相对前侧(34)之间。所述进料隔离片(6)促进进料流体在轴向方向(即平行于渗透物收集管(8))流动透过组件(2)。在该实施方案中，通过连接两个相邻放置的膜叶的后侧形成被膜(4)。尽管未示出，但在组件中也可以包括另外的中间层。在组件制造过程中，可以使用插入其中的膜叶封套将渗透物隔离片(12)附着到渗透物收集管(8)周围。将相邻放置的膜叶的后侧在其边缘(16、18、20)部分密封以包被渗透物隔离片(12)从而形成被膜(4)。一个或多个被膜(4)和一个或多个进料隔离物(6)缠绕或“卷起”在渗透物收集管(8)周围以在相对端形成两个相对的辊轴面(30、32)，并通过例如在外周缠绕胶带或其他手段将得到的螺旋束保持在位，直到可以将外壳固定在部分构造的组件⑵周围。用于密封被膜⑷的边缘(16、18、20)的密封剂(14)优选允许在所述缠绕过程中的多种片材料的相对移动。即，固化速率或密封剂(14)变得发黏之前的时间段优选长于组装和将被膜(4)缠绕到渗透物收集管(8)周围所需要的时间。图I中所示的箭头代表了在操作过程中进料和渗透物的大致流动方向(26、28)。进料流体从入口辊轴面(30)进入组件(2)，流动通过一个或多个膜片(10)的一个或多个前侦U 34，和在相对的出口辊轴面(32)离开组件(2)。渗透物流体沿渗透物隔离片(12)在与如箭头(28)所示的进料流大致垂直的方向流动。实际的流体流动路径随构造和操作条件的具体情况而变化。用于构造螺旋卷组件的多个部件的材料是本领域公知的。用于密封被膜的适当的密封剂包括聚氨酯、环氧化物、聚硅氧烷、丙烯酸酯、热熔粘合剂和UV固化粘合剂。虽然较不常见，也可以使用其它密封手段，例如应用热、超声波焊接和胶带。通常从塑料材料例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚氯乙烯、聚砜、聚苯醚、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯等制造渗透物收集管。经编织物聚酯材料通常用作渗透物隔离物。代表性的进料隔离物更详细地描述于Johnson的美国专利6，881，336中。代表性的进料隔离物实例包括聚乙烯、聚酯和聚丙烯网状物材料例如以商标VEXAR 从Conwed Plastics市售可得的那些。在组件制造期间，可以将长玻纤缠绕在部分构造的组件周围，并施加树脂(例如液体环氧树脂)和硬化。组件的、末端通常装配有抗伸缩装置或端盖(未示出)，其被设计用于防止被膜在组件的入口和出口滚动端之间的压力差下移动。端盖通常装配有弹性密封件(未示出)，以在组件和压力容器(未示出)之间形成液密连接。端盖设计的实例描述在Hallan等的US 6，632，356中，包括FilmTec Corporation的iLEC 互锁端盖。关于螺旋卷组件的多种部件和构造的另外的细节提供于参见例如如下的文献中=Solie的美国专利5，538, 642描述了用于将渗透物隔离物附着到渗透物收集管的技术，Jons等人的WO 2007/067751描述了修剪操作和使用UV粘合剂用于形成插入点密封；以及Reddy等的US 5，096，584，其描述了特别适用于气体分离的各种实施方案、部件和构造技术。为了本发明的目的，膜片的类型没有特别的限制。膜片的选择是基于具体的应用、进料源、溶质和污垢物。虽然从许多不同的材料(例如纤维素乙酸酯材料、聚砜、聚醚砜)形成RO和NF平片膜，商业最成功的膜是薄膜复合膜。一种优选的复合膜片是FilmTecCorporation的FT-30 膜。商业的薄膜复合膜通常包括无纺聚酯材料网(例如PET纤维织品)的底层(后侧)、厚度为约25-125微米的微孔聚合物例如聚砜的中间层、和包括厚度为小于约I微米和更常见为约O. 010至O. I微米的薄膜聚酰胺层的顶层(前侧)。优选如Cadotte等人的美国专利4，277，344和5，658，460以及Mickols的US 6，878，278中所描述的，在微孔聚砜的表面处通过多官能胺单体和多官能酰卤单体之间的界面缩聚反应产生所述聚酰胺层。改进这些聚酰胺膜的方法描述在Jons等人的美国专利5，876，602，Mickols的 US 5，755，964、US 6，280，853 和 US 2009/0159527，Cadotte 等人的 US 4,888,116、US 4，765，897、US 4，964，998 和 Niu 等人的 US 2007/0251883、US 2008/0185332 和 US2009/0194479和US 2009/0220690。正如上面指出的，RO和NF类型的膜片和相应的螺旋卷组件对本发明来说是优选的。本发明包括用于测试螺旋卷组件的完整性的方法。正如将要描述的，方法可以是定性的、定量的或两者。方法优选在气态环境中执行，即不浸没在液体例如水浴内，也不使液体流过组件进行“在线”操作。也就是说，组件优选在没有加压进料液体流过组件的“离线”情况下进行测试。在优选实施方案中，气态环境包括环境空气，例如在大气压力和温度(例如O至50°C)下的空气。然而，可以使用其他气体环境，例如提供在封闭或有罩室中的氮气或压力高于或低于大气压的空气。主题方法包括如下步骤使气体在辊轴面与渗透物收集管之间流动，其中气体具有与辊轴面不同的温度；以及检测螺旋卷组件的辊轴面上的温度差。在一个实施方案中，使气体在辊轴面与渗透物收集管之间流动的步骤包括从渗透物收集管抽负压，以便通过组件的辊轴面抽气体(典型为环境空气)。该步骤可以采取与常规的真空衰减类型的测试相似的方式实现，例如密封渗透物收集管的末端并抽约10至IOOkPa的真空。在可选实施方案中，使空气在辊轴面与渗透物收集管之间流动的步骤包括将压缩气体导入渗透物收集管中。压缩气体流过沿着渗透物收集管提供的孔，进入被膜，并在辊轴面处离开螺旋卷组件。在抽真空或将压缩气体导入渗透物收集管之前，优选将管的相对端密封。将渗透物收集管的相对端密封的步骤没有特别限制，并且可以利用各种手段来实现，包括将密封件、阻塞物或塞子插入到渗透物收集管的相对端中，或通过将液密盖或阻挡物置于渗透物收集管的相对端上。将压缩气体导入渗透物收集管的步骤同样没有特别限制，并优选在比气态环境的压力高出不到约200kPa、更优选不到约IOOkPa的压力下执行。例如，可以利用管道或软管将压缩气体导入渗透物收集管，所述管道或软管与渗透物收集管的末端密封连接，并与压缩气体源例如压缩气体存储罐流体连通。对气体与辊轴面之间的温度差没有特别限制，并且典型地根据检测步骤的灵敏度来选择。在大多数实施方案中，气体与螺旋卷组件的辊轴面之间的温度差为至少5°C，在其 他实施方案中为至少10°C、15°C、20°C和甚至25°C。在其他实施方案中，气体与辊轴面之间的温度差大于30°C。影响温度差的技术不受特别限制，并可以通过相对于辊轴面加热或冷却气体、相对于气体加热或冷却辊轴面或其组合例如冷却气体并加热辊轴面来实现。例如，可以使用辐射加热器例如吹发器或在辊轴面上吹出热空气的类似加热装置，来加热螺旋卷组件的辊轴面。尽管没有特别限制，但气体的选择可以基于各种判据，包括具有如下属性的气体与空气无反应性，与组件的部件无反应性，在测试条件下无毒性(例如在开放空气环境下以低浓度使用的二氧化碳)，在被膜上不结垢，以及在标准温度和压力(STP)条件下以气态存在。适用气体的非限制性实例包括空气和氮气。对检测步骤没有特别限制，但优选包括获得螺旋卷组件的辊轴面的热影像。术语“热影像”是指可以在其中观察到温度差的图像。对检测步骤的定时没有特别限制，例如，检测可以与流动气体的步骤同时或在其之后进行；然而，最有效情况下，在足够时间和量的气体已通过辊轴面以便可以观察到温度差之后，进行检测步骤。可以利用照相机来记录或捕获辊轴面的热影像。出于本发明的目的，术语“照相机”意图广泛包括任何热影像捕获装置，例如摄像机、静态照相机、数字照相机、电荷耦合器件(CCD)类型的照相机、红外照相机、红外检测器或传感阵列。实例包括红外照相机，例如可以从FLIR Systems Inc获得的ThermaCam Prism DS 系列热成像照相机,可以从 Cincinnati Electronics Corp.获得的TVS-100 系列热视频系统，可以从 Agema Infrared Systems 获得的 Thermovision550 ,以及观察8-14微米波长的Mikron 7600。热影像可以包括静态、在一段时间内的一系列静态或连续记录。热影像可以记录或储存在适合的介质上，包括但不限于光、磁或电子介质例如胶片、软盘、⑶光盘、DVD光盘、磁盘驱动器、RAM微芯片、(快闪)存储卡或其他计算机可读介质。储存介质可以本地连接到照相机，或者可以远程连接到通讯网络例如英特网、局域网或广域网，照相机也与所述网络相连或通讯。例如，图像可以用照相机进行电子捕获，并使用无线或有线通讯频道传送到中央服务器。图像也可以通过例如输出到分开的监视器或集成的屏幕、例如作为数字照相机的一部分的屏幕来显示。同样地，图像也可以例如通过输出到打印机或X-Y作图机来显示。在捕获后，可以将图像或一系列图像与参比标准、例如用无缺陷的螺旋卷组件在相似测试条件下获取的可比图像进行比较。对于包括多个被膜的螺旋卷组件(如图2B中所示)来说，也可以将热影像上的点或位置与邻近位置(例如辊轴面上旋转等同的位置)进行比较。然后可以评估热影像的旋转对称缺乏或局部温度不均匀性。比较或评估可以是定性或定量的。为了便于元件的检查，可以在辊轴面表面上制造对应于高气体流动区域的标记。如图2A和2B中所示，螺旋卷组件辊轴面上的温度差的检测允许鉴定组件中的缺陷，正如由辊轴面上的不均匀或不对称的温度所表明的。图2A显示了在进行本发明的测试方法时，气体从装备有对渗透物收集管(未示出)进行密封的塞子(35)的无缺陷螺旋卷组件的辊轴面(30)上对称流动的理想化热影像。在该理想化情况下，气体自然地透过膜和辊轴面，产生相对均匀和旋转对称的温度变化图案。实际的温度变化不必在整个辊轴面(30)上均匀，特别是在中心管附近和辊轴面的周缘处已观察到偏差。然而，通过在辊轴面上大体旋转对称的温度分布和不存在不成比例或孤立的“热”或“冷”区，仍然表明不存在缺陷。相反，图2B显示了理想化的热影像，其包括由气体通过辊轴面(30')的不对称或不均匀 流动所引起的相应的旋转不对称或不均匀的温度分布。在这个实例中，螺旋卷组件包括两个缺陷，其使气体从被膜内否则螺旋形的通路逃逸(即泄漏)，并不成比例地在与缺陷相邻或成一线的区域(26，38)中通过辊轴面。例如，胶层中或膜中靠近所观察的辊轴面的缺陷，与正常透过相比，可能显著增加流过进料通路隔离片的局部区域的气体量。或者，叶中部的膜中的缺陷可以在辊轴面上产生螺旋图案。两种图案可以容易地与无缺陷组件的图案区分开，尽管气体通过无缺陷膜的自然透过率是未知的。除了鉴定缺陷的位置之外，在给定位置处流过辊轴面的气体体积(由更快或更大的温度差来表示)也可以提供关于缺陷的本质和量的信息。例如，正如通过IR照相机所捕获的热影像中所示，在辊轴面给定位置处的温度差强度可以与通过辊轴面的气体体积相关联，并可以与泄漏的量相关联。通过信号处理技术、包括与在数据库中维护的参比图像的比较，可以便于这种评估。这样的比较可以基于静止图像(一个时间点)或在一段时间内积分的一系列图像。可以使用电子信号分析仪和通用数字计算机来方便这种图像分析。这种设备和适用技术的使用描述在US 5,640, 236.US5, 763, 765,US 6, 766, 259,6, 680, 778,US 2002/0176617 中，其全部内容在此引为参考。因此，通过照相机捕获的辊轴面上的不对称或不均匀的温度表示组件中的泄漏，其可以与缺陷的位置、量和性质相关联。图3A示意显示了用于实践本发明的一个实施方案的理想化装置。如图所示，IR照相机(40)被放置成面朝螺旋卷组件(2)的辊轴面(30)。照相机(40)可以任选与图像储存装置和信号处理器例如通用计算机(42)相连，所述计算机可以任选与用于显示由照相机
(40)所捕获的图像的监视器(44)或打印机(未示出)相连。塞子(35)密封渗透物收集管(8)的一端，而相对端与管道(48)密封啮合。利用与压缩气体源例如存储罐(50)相连的包括阀门(52)的管道(48)，将压缩气体导入渗透物收集管(8)。在压缩气体被导入渗透物收集管(8)后，气体流过与渗透物管(未示出)流体连通的被膜。一部分气体可能通过膜(特别是膜中的缺陷例如针眼等)，并最终在辊轴面(30)处离开组件(2)。辊轴面(30)的热影像通过照相机(40)记录，并可以任选通过计算机(42)和监视器(44)储存、分析和显示。在优选实施方案中，通过例如前面在现有技术中提到的已知图像处理技术，将热影像与参比标准图像(例如在相似测试条件，即相同气体、压力、成像间时间延迟等下从无缺陷组件获取的图像)进行比较。图3B显示了用于实践本发明的另一个实施方案的可选理想化装置。塞子(35)密封渗透物收集管(8)的一端，而相对端与管道(48)密封连接。利用与减压源例如真空泵
(46)相连的包括阀门(52)的管道(48)，将真空导入渗透物收集管(8)。在将真空导入渗透物收集管(8)后，气体(例如空气)流过与渗透物管(未示出)流体连通的被膜。辊轴面的热影像可以参考图3A所述进行记录和分析。压力和真空衰减测试(例如在ASTM D 6908-03中所描述的)的灵敏度典型地受到空气通过无缺陷组件中的“好”膜的速率可变性的限制。也就是说，背景空气通路在不同组件之间显著变化。本发明的优选实施方案是对这样的现有技术的改进，因为它们能够在空间上分辨辊轴面的分开区域，从而允许以高灵敏度将泄漏与同一组件中典型的背景气体通路相比较。这样的改进可以在测试组件处于干燥状态(例如在组件组装后但在将液体进料流导入组件或用液体浸泡组件之前，或者如果暴露于这样的液体，在组件的强制空气干燥之后)或湿润状态(即先前已经浸泡或“在线”运行，并具有液体填充的孔的组件)时获得。当测试组件以湿润状态提供时，优选在测试之前将组件排水，这是因为积水可能掩盖缺陷。随着组件内被膜数量的增加，本发明的优选实施方案与以前描述的真空测试方法相比变得越来越有优势。在优选实施方案中，组件包括超过50个被膜。尽管螺旋卷组件的具体设计可以与前面描述的不同，但螺旋卷组件优选包括在两个相对端之间延伸并沿着其长度包括多个开口的至少一个渗透物收集管，以及缠绕在所述渗透物收集管周围并形成两个相对辊轴面的至少一个被膜，其中所述被膜与沿着所述渗透物收集管的开口流体连通(并优选密封连接)。对被膜没有特别限制，并可以包括广范围的设计、组成和结构。然而，在几个优选实施方案中，被膜包括作为RO或NF膜起作用的结构。
上面提到的每个专利和专利申请的全部内容在此引为参考。
权利要求
1.一种用于测试螺旋卷组件的方法，所述螺旋卷组件包括在两个相对端之间延伸并沿着其长度包括多个开口的渗透物收集管，以及缠绕在所述渗透物收集管周围并形成两个相对辊轴面的至少一个被膜，其中所述被膜与沿着所述渗透物收集管的开口流体连通；其中所述方法包括如下步骤 使气体在所述辊轴面与渗透物收集管之间流动，其中所述气体与所述辊轴面具有不同温度；以及 检测所述螺旋卷组件的辊轴面上的温度差。
2.前述权利要求的方法，其中所述使气体在所述辊轴面与渗透物收集管之间流动的步骤，包括从所述渗透物收集管抽负压。
3.前述权利要求任一项的方法，其中所述使气体在所述辊轴面与渗透物收集管之间流动的步骤，包括将压缩气体导入所述渗透物收集管中。
4.前述权利要求任一项的方法，其中所述气体与所述螺旋卷组件的辊轴面之间的所述温度差为至少5°C。
5.前述权利要求任一项的方法，其中所述检测步骤包括获得所述螺旋卷组件的辊轴面的热影像。
6.权利要求5的方法，其中所述螺旋卷组件的辊轴面的所述热影像由照相机记录。
7.前述权利要求任一项的方法，其中将所述热影像与参比标准进行比较。
8.前述权利要求任一项的方法，其中所述螺旋卷组件包括多个被膜，并且其中对所述热影像进行局部温度不均匀性分析。
9.前述权利要求任一项的方法，其中所述被膜包括反渗透或纳滤膜。
10.前述权利要求任一项的方法，其中所述螺旋卷组件包括多个被膜。
全文摘要
本发明描述了通过热成像测试螺旋卷组件的各种方法。在优选实施方案中，所述方法包括使气体在螺旋卷组件的辊轴面与渗透物收集管之间流动，并检测辊轴面上的温度差。辊轴面上的温度差可以作为热影像来捕获。可以将辊轴面上的温度差位置与组件中的缺陷相关联。在优选实施方案中，主题测试方法是非破坏性的，并且可以应用于处于干燥或湿润条件下的螺旋卷组件。
文档编号B01D63/10GK102711964SQ201080061517
公开日2012年10月3日 申请日期2010年10月13日 优先权日2010年1月12日
发明者S·琼斯, W·琼斯 申请人:陶氏环球技术有限责任公司