CN104364004A - 从流体过滤污染物的方法、过滤装置和过滤模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及从流体过滤污染物的方法，从流体过滤污染物的过滤模块，以及包含至少一个这种过滤模块的过滤装置。在一个实施方案中，公开了从从流体过滤污染物的方法，所述方法包括以下步骤：(1)将含污染物的原料流体(feedstream fluid)导入含至少一个过滤元件(18a)的过滤室(14a)内；使导入所述过滤室内的至少一部分原料流体以以下方向的一种流动：A)顺向流动，其中所述流体以第一方向经过所述过滤元件的壁(22a)；以及B)逆向流动，其中所述流体以第二相反的方向经过所述过滤元件的壁。所述方法还包括：将滤液导出所述室并进入滤液流线(26a)用于收集；随后使导入所述过滤室内的所述原料流体以顺向流动和逆向流动中的另一种流经所述过滤元件，以从所述元件的壁表面除去污染物材料；在通过所述流体以顺向流动和方向流动中的另一种流动除去所述污染物材料后，继续引导使原料流体以所述另一种方向经过所述过滤元件的壁，从而在以所述另一种方向流动期间从所述流体过滤掉污染物；以及之后除去所述污染物材料，将以所述另一种流动方向流经所述过滤元件的壁所产生的滤液导出所述室并导入所述滤液流线用于收集。

Description

从流体过滤污染物的方法、过滤装置和过滤模块
技术领域
本发明涉及从流体过滤污染物的方法。本发明还涉及从流体过滤污染物的过滤模块，以及包含至少一个这样的过滤模块的过滤装置。特别但不是唯一的是，本发明涉及从流体过滤污染物的方法，其中将含污染物的流体导入含有至少一个过滤元件的过滤室中；以及包含这样的过滤室的过滤模块；以及包含至少一个这样的过滤模块的过滤装置。
背景技术
已开发了各种不同类型的过滤系统用于从流体过滤污染物。其中在常常需要清洁含烃类材料如油(oil)的大量水的油气开采和生产工业中对从水中过滤烃类材料的系统特别感兴趣。例如，含有油沉积物的地下岩层通常还包含与回收油一起采出的大量水。其必须与流体中回收至表层的油分离，且在油污染物排放至环境中前，必须从油污染物充分清除水。油通常以悬浮在水中的小液滴形式存在。固体如小砂粒通常也存在于采出的水中且必须通过过滤系统处理。
近年来，对由石油开采采出的水的处理成为日益重要的问题，伴随此引入了新的规定和现有立法的实施。特别是，目前英国运营商预期将采出水中烃类材料的水平降低至30mg/l，以满足奥斯陆和巴黎公约对保护东北大西洋海洋环境(Oslo and ParisConventions for the protection of the marine environment of the North-East Atlantic(OSPAR))中规定的年总计卸油限制。如果总烃类浓度降低至10-15mg/l以下，则通常仅可达到年负载限度。在世界其他地方，10-15mg/l已是适当的。
在加工石油之前，常常有必要从采出油过滤少量水。这可能是为了除去采出油中天然存在的任何悬浮水滴，和/或已进入钻井孔并与采出油一起回收的任何水。固体颗粒如砂粒通常也存在于采出油中且必须将其除去。
已开发数种不同的方法和系统用于从采出水除去分散的油。这些包括水力旋流器、板分离器、气浮选技术、离心、固体吸附系统和终端过滤法。水力旋流器和离心系统比其他可用的系统在生产和操作方面更复杂且更昂贵。
在水力旋流器中，采用旋风原理，通过该原理由通往涡流室的高流速喷嘴所产生的涡流来分离不同密度的组分。
板分离器采用的是加速重力分离原理。
在气体浮选中，通过利用经由水上升的气泡，从水中分离油；可以将气体加入或可以将气泡导入水中。
在离心器中，通过机械旋转的容器产生的离心力分离不同密度的组分。
固体吸附系统的一个例子是，使含有油液滴和粉末(小尺寸的固体颗粒)的供料水经过用吸附或物理保留该油/粉末的固体材料填充的容器。所述材料可以是粉末、颗粒(如为活性炭系统)或者其他材料如碎坚果壳。使滤液(处理的水)经过容器，被去除的油/粉末保留在固体床上。所述固定床常常设计为一次性的，但是在一些情况下其可以通过反向冲洗被再利用。
终端过滤法的一个例子包括将被油污染的供料水导入过滤器。使滤液(处理的水)经过过滤器，且油液滴和粉末保留在过滤器中。使用其中孔径尺寸小于油液滴和粉末尺寸的排他原理或者通过使用污垢层来操作过滤器。数种材料可用于过滤器，包括无纺布、聚合物膜、金属网以及陶瓷膜。过滤器有时能通过用水或者清洗液反向冲洗被再利用，但是通常过滤器是一次性的，因此当过滤器变“满(full)”和流速下降时就会被丢弃。
所有这些系统和方法的主要缺点是它们不能够实现或不能够以经济的成本或以环境可持续的方式实现所需要的低至10到15毫克/升的最终油水平，并且实际上，经常甚至不能实现低于20到30毫克/升的水平，尤其是当油液滴尺寸为微米或亚微米级时。
用于这些情况而开发的另一系统是‘错流’微过滤法。这提供了改进的性能，但也有其固有的缺点。
错流系统通常使用位于过滤室内被称为膜的聚合物或陶瓷过滤元件。错流以被称为‘浓缩液’流的连续流体流经过每个过滤膜，并且其用于除去通过过滤膜收集的油和粉末。错流的主要目的是阻止过滤膜表面上形成污染物的污垢层，否则会损坏膜的性能。因此，为了阻止污垢层的形成，错流微过滤系统中的错流流速一直保持相对较高。因此过滤仅通过尺寸排除法进行，通过过滤膜中通道的孔径确定可排除的污染物液滴/粉末的最小尺寸。因此仅收集到尺寸大于膜孔径的污染物。
这种错流系统有很多缺点。首先，当液滴/颗粒存在时，需要相对小的孔径(通常0.2～4微米，取决于所需的最终油水平)。这导致经过过滤膜的“流量”(单位时间流经过滤膜单位面积的流体体积)显著减少，随着泵压力的增加，系统部件的功率和磨损也增加，所有这些对成本都有影响。事实上，虽然错流微过滤系统可以实现所需的浓度水平，但是对于高吞吐量应用例如油田采出水处理而言，其并不是很有吸引力的选择。这是因为资本和运行成本非常高，且甚至远远高于水力旋流器和离心机的成本。错流微过滤装置的封装也相对较大，并且在近海环境中并不可行，例如空间奇缺的钻探设备上。
另外发现，尽管在错流微滤系统中的错流流速较高的，但也会形成污垢层，这是不希望发生的并且会快速损害性能。当检测到污染层已经形成(通过减少流量和/或增加背压)时，已知应停止过滤过程并且尝试通过引导“反脉冲”流体以相反方向经过过滤膜以去除污垢层。这包括间歇地向后泵运滤液或空气使其经过膜较短时间，通常为约1-5秒。一旦判断污垢层已被除去，即以顺流方向恢复过滤。然而，通常，这种错流系统中所需的小孔径会使得过滤膜的孔永久地且不可恢复地堵塞，尤其是通过沉积的粉末。这需要将含膜的模块取出不用且替换膜，降低了该方法的效率并增加了成本。
应理解，上述系统和方法可以应用于其他工业，且事实上用于从不同种类的流体过滤其他种类的污染物材料。实际上，污染物可以是广范围的不同物质的任何一种。同样，从其过滤污染物的流体也可以是广范围的不同流体的一种，且通常可以是含水溶液/混合物、水、烃类材料如油或一些其他溶剂。然而，在每种情况下，可能遇到上述类似的缺点或问题。
发明内容
本发明的至少一个实施方案的目的是消除或减轻至少一个上述缺点。
根据本发明的第一方面，提供了一种从流体过滤污染物的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将含污染物的原料流体(feedstream fluid)导入含至少一个过滤元件的过滤室内；
(2)使导入所述过滤室内的至少一部分原料流体以以下方向的一种流动：
A.顺流方向，其中所述流体以第一方向经过所述过滤元件的壁；以及
B.逆流方向，其中所述流体以第二相反的方向经过所述过滤元件的壁；
(3)将滤液导出所述室并进入滤液流线用于收集；
(4)随后使导入所述过滤室内的所述原料流体以顺流方向和逆流方向中的另一种方向流经所述过滤元件，以从所述过滤元件的壁表面除去污染物材料；
(5)在通过所述流体以顺流方向和逆流方向中的另一种方向除去所述污染物材料后，继续引导使原料流体以另一种方向经过所述过滤元件的壁，从而在以所述另一种方向流动期间从所述流体过滤掉污染物；以及
(6)之后除去所述污染物材料，将以所述另一种流动方向流经所述过滤元件的壁所产生的滤液导出所述过滤室并导入所述滤液流线用于收集。
顺向和逆向流动可以持续相同的时间或不同的时间。顺向和逆向的流速可以相同或不同。
与现有的错流方法和系统相反，本发明的第一方面的方法包括以所述另一种流动方向从所述原料流体主动过滤污染物。因此，例如在最初以顺流方向过滤的情况下，改变为逆流方向流动，并且保持逆流方向流动，在这样的逆流期间从所述流体过滤污染物。这提供了包括缩短停机时间和提高效率的优点。
该方法可以包括监控至少一个参数的另一步骤，以及可选地在监测所述至少一个参数的预定变化时，采取以下步骤：使所述原料流体以顺流方向和逆流方向的另一种流经所述过滤元件的壁。可在预定时间或间隔之后进行布置使所述原料流体以顺流方向和逆流方向的另一种流经所述过滤元件的壁的步骤。使所述原料流体以顺流方向和逆流方向的另一种流经所述过滤元件的壁的步骤可在以下情形时首先进行：监测所述至少一个参数的预定变化；和预定时间期满。因此，例如，在开始以顺向流动过滤时，在监测所述至少一个参数的变化和/或预定时间期满时所述流动改变为逆向流动。所述参数可以是经过所述过滤元件的流量，也即经过所述过滤元件每单位面积的流速。随着污染物材料在过滤元件的壁表面上的积累，流量会减少。在监测达到预定临界水平的流量时，可使原料流体以另一方向流动。所述参数可以是滤液中污染物的浓度。污染物浓度的增加表明性能退化，这需要改变流动的方向以清洁所述过滤元件的壁表面。所述方法可以包括监控以另一方向流动期间滤液中污染物的浓度，以及在监测到污染物的浓度降低至期望水平时，将所述滤液引导至滤液流线用于收集。所述污染物可以是或可以包含广范围的不同物质的任一种，但可特别包含碳氢化合物材料，且可以是油或油类，并且所述物质可以以悬浮液滴的形式存在于所述原料流体中。所述污染物可以是或可以包含水。所述污染物可以是或可以包含粒状岩材料例如沙。所述污染物可以是加入水中用于各种加工理由的化学物质。例如，可将聚合的化学物质加入油田采出水中用于提高原油采收率，以及将陶瓷材料加入页岩气加工的水力压裂液中。应理解，本文流体中存在的“污染物(contaminant)”或“污染物(contaminants)”指的是流体中存在的“物质(material)”或“物质(materials)”，且需要除去它。所述污染物是所述流体不同的物质。所述污染物可以是或可以包含流体和/或固体物质。从其中过滤污染物的流体还可以是广范围的不同的流体，并且通常可以是水溶液/混合物、水、碳氢化合物材料例如油、或一些其他溶剂。
根据本发明的第二方面，提供了从流体过滤污染物的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将含有污染物的原料流体导至含有至少一个过滤元件的过滤室内；
(2)使导入所述过滤室的一部分原料流体流经所述过滤元件的壁，并将所述滤液导出所述室并进入滤液流线用于收集；以及
(3)使导入所述过滤室的所述原料流体的剩余物以错流渗出流(bleed stream)经过所述过滤元件并进入渗出流线；
当所述流体以错流渗出流流经所述过滤元件的速度不大于约4m/s时，有利于在所述过滤元件的表面上形成污染物材料的污垢层，从而借助于所述过滤元件和所述污垢层组合实现了其它污染物材料的过滤。
与现有的错流方法和系统相反，本发明第二方面的方法包括引导流体以错流渗出流以不大于约4m/s的速度经过所述过滤元件，有利于形成污垢层。本发明人认识到污垢层的形成有益于有效过滤污染物。在现有地方法和系统中，特别教导了污垢层的形成是有害的且因此保持相对高(高于4m/s)的渗出流流体速度，以损害污垢层的形成。
根据本发明的第三方面，提供了从流体过滤污染物的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将含有污染物的原料流体导至含有至少一个过滤元件的过滤室内；
(2)使导入所述过滤室的一部分原料流体流经所述过滤元件的壁，并将所述滤液导出所述室并进入滤液流线用于收集；以及
(3)使导入所述过滤室的所述原料流体的剩余物以错流渗出流(bleed stream)经过所述过滤元件并进入渗出流线；
其中以错流渗出流流经所述过滤元件的原料流体的体积为所述原料流中流体总体积的至少约5％。
与现有的错流方法和系统相反，本发明第三方面的方法包括引导所述原料流中流体总体积的至少约5％以错流渗出流流经所述过滤元件。在现有的方法和系统中，特别期望将所述渗出流中流体的量维持为所述原料流中流体总体积的尽可能低的比例(小于5％且通常为约1％)，从而使流经所述过滤元件的量即吞吐量(throughput)最大化。在本发明中，相比现有方法和系统，引导相对大比例的原料流体沿着错流渗出流提供了按照所述方法的特定要求调节第三方面的方法的更大的自由。
根据本发明的第四方面，提供了从流体过滤污染物的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将含有污染物的原料流体导至含有至少一个过滤元件的过滤室内；
(2)使导入所述过滤室的一部分原料流体流经所述过滤元件的壁，并将所述滤液导出所述室并进入滤液流线用于收集；以及
(3)使导入所述室的所述原料流体的剩余物以错流渗出流(bleed stream)经过所述过滤元件并进入渗出流线；
其中使以错流渗出流的所述流体以层流剖面流动，以促进污染物材料的污垢层形成在所述过滤元件的表面上，从而借助于所述过滤元件和所述污垢层的组合实现其他污染物材料的过滤。
与现有的错流方法和系统相反，本发明第四方面的方法包括引导其中所述流体以层流剖面流动的错流渗出流的流体，以促进污垢层的形成。本发明人认识到污垢层的形成有益于有效过滤污染物。在现有地方法和系统中，特别教导了污垢层的形成是有害的，且因此将渗出流流体以湍流剖面流动，以损害污垢层的形成。
根据本发明的第五方面，提供了从流体过滤污染物的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将含有污染物的原料流体导至含有至少一个过滤元件的过滤室内；
(2)使导入所述过滤室的一部分原料流体流经所述过滤元件的壁，并将所述滤液导出所述室并进入滤液流线用于收集；以及
(3)使导入所述室的所述原料流体的剩余物以错流渗出流(bleed stream)经过所述过滤元件并进入渗出流线；
当所述流体以错流渗出流流经所述过滤元件的速度不大于约4m/s时，有利于在所述过滤元件的表面上形成污染物材料的污垢层，从而借助于所述过滤元件和所述污垢层组合实现了其它污染物材料的过滤。
其中将所述流体以错流渗出流流动，使雷诺数不大于约2500，以促进污染物材料的污垢层形成在所述过滤元件的表面上，从而借助于所述过滤元件和所述污垢层的组合实现其他污染物材料的过滤。
与现有的方法和系统相反，本发明的第五方面的方法包括引导其中所述流体以不大于约2500的雷诺数流动的错流渗出流流体，以促进污垢层的形成。本发明人认识到污垢层的形成有益于有效过滤污染物。在现有地方法和系统中，特别教导了污垢层的形成是有害的，因此将渗出流流体的雷诺数设置为显著大于2500，以损害污垢层的形成。
根据本发明的第六方面，提供了从流体过滤污染物的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将含有污染物的原料流体导至含有至少一个过滤元件的过滤室内，所述过滤元件具有用于从所述原料流体过滤污染物的多个孔，其孔径不小于约4微米；
(2)使导入所述过滤室的一部分原料流体流经所述过滤元件的壁，并将所述滤液导出所述室并进入滤液流线用于收集；
(3)使导入所述室的所述原料流体的剩余物以错流渗出流(bleed stream)经过所述过滤元件并进入渗出流线；以及
(4)控制所述错流渗出流的一个或多个参数以促进污垢层形成在所述过滤元件的表面上，从而通过所述过滤元件和所述污垢层的组合实现污染物材料的过滤。
与现有的错流方法和系统相反，本发明第六方面的方法包括将所述原料流体导至含有过滤元件的过滤室内，所述过滤元件具有孔径不小于约4微米的多个孔。在现有的方法和系统中，当希望过滤小液滴或颗粒时，需要相对小的孔径。典型的孔径可以是0.2-1.2微米。通过尺寸排除进行过滤，且分离的污染物(液滴或细粉)的尺寸比所述过滤元件的孔径更大。特别教导了应该避免形成污垢层，基于此这将会限制相对小的孔且快速损害性能。事实上，已发现孔径会被不可恢复地堵塞，如上所述。本发明人已认识到在涉及穿过过滤膜的错流渗出流的方法中，污垢层的形成有益于有效过滤污染物。因此，本发明人已认识到可以增大过滤膜的孔径，由此有益于增大流量以及吞吐量，从而提高效率并节省成本。增大孔径的另一益处是这有利于阻止由于渗入具有与孔尺寸相当的固体颗粒导致的不可恢复的过滤元件污垢的产生。另一益处是由于使用比现有方法中使用的那些具有更大孔径的过滤元件所产生的更大的流量。
如上定义的本发明的第一至第六中任一方面的方法可以与本发明的一个或多个其他方面共有一个或多个特征。
因此，本发明第二至第六中任一方面的方法可以包括使导入所述过滤室的一部分原料流体以以下方向的一种流动：
A.顺流方向，其中所述流体以第一方向经过所述过滤元件的壁；以及
B.逆流方向，其中所述流体以第二相反的方向经过所述过滤元件的壁；
(1)将滤液导出所述室并进入滤液流线用于收集；
(2)随后使导入所述过滤室的原料流体以顺流方向和逆流方向的另一种流经所述过滤元件，以从所述元件的壁表面除去污染物材料；
(3)在通过所述流体以顺流方向和逆流方向的另一种流动除去所述污染物材料之后，继续引导所述原料流体以另一方向流经所述过滤元件，从而在以另一方向流动期间从所述流体过滤掉污染物；以及
(4)随后除去所述污染物材料，将由以所述另一流动方向流经所述过滤元件所产生的滤液导出所述室并进入过滤流线用于收集。
所述方法可以包括监控至少一个参数的另一步骤，并且可选地，在检测至少一个参数的预定变化时，采取以下步骤：使所述原料流体以顺流方向和逆流方向的另一种流经所述过滤元件。在预定时间之后，可以采取使所述原料流体以顺流方向和逆流方向的另一种流经所述过滤元件的步骤。使所述原料流体以顺流方向和逆流方向的另一种流经所述过滤元件的步骤可以在以下情形下首先进行：检测至少一个参数的预定变化；和在预定时间期满时。
本发明的第一方面的方法可以是终端过滤法，其中引导所有原料流体经过所述过滤元件的壁。然而，本发明的第一方面的方法可以包括使导入所述过滤室的至少一部分原料流体以顺流方向和逆流方向的一种流动；并且使导入所述过滤室的原料流体的剩余物以错流渗出流经过所述过滤元件并进入渗出流线。可以将以错流渗出流流经所述过滤元件的流体以不大于约4m/s的速度流动，以促进污染物材料的污垢层形成在所述过滤元件的表面上，从而借助于所述过滤元件和所述污垢层的组合实现其他污染物材料的过滤。以错流渗出流流经所述过滤元件的原料流体的体积可以是所述原料流中流体总体积的至少约5％。可以将错流渗出流的流体以层流剖面流动，以促进污染物材料的污垢层形成在所述过滤元件的表面上，从而借助于所述过滤元件和所述污垢层的组合实现其他污染物材料的过滤。所述原料流体可以是含水的，且可以将以错流渗出流的流体以渗出流流动，使得其具有不大于约2500的雷诺数，以促进污染物材料的污垢层形成在所述过滤元件的表面上，从而借助于所述过滤元件和所述污垢层的组合实现其他污染物材料的过滤。引导含有污染物的原料流体进入所述过滤室的步骤可以包括引导所述原料流进入含有过滤元件的过滤室，所述过滤元件具有用于从原料流体过滤污染物的多个孔，其孔径不小于约4微米；且控制错流渗出流的一个或多个参数以促进污垢层形成在所述过滤元件的表面上，从而可以通过所述过滤元件和所述污垢层的组合实现污染物材料的过滤。
视情况而定，本发明第二至第六的任一方面的方法可以包括一个或多个以下特征。所述原料流体可以是含水的，且可以将流体以错流渗出流流动，从而使得其具有不大于约2500的雷诺数，以促进污染物材料的污垢层形成在所述过滤元件的表面上，从而借助于所述过滤元件和所述污垢层的组合实现其他污染物材料的过滤。可以将错流渗出流的流体以层流剖面流动，以促进污染物材料的污垢层形成在所述过滤元件的表面上，从而借助于所述过滤元件和所述污垢层的组合实现其他污染物材料的过滤。所述原料流体以错流渗出流流经所述过滤元件的原料流体的体积可以是所述原料流中流体总体积的至少约5％。以错流渗出流流经所述过滤元件的速度可以是不大于约4m/s，以促进污染物材料的污垢层形成在所述过滤元件的表面上，从而借助于所述过滤元件和所述污垢层的组合实现其他污染物材料的过滤。引导含有污染物的原料流体进入所述过滤室的步骤可以包括引导所述原料流进入含有过滤元件的过滤室，所述过滤元件具有用于从原料流体过滤污染物的多个孔，其孔径不小于约4微米；且控制错流渗出流的一个或多个参数，以促进污垢层形成在所述过滤元件的表面上，从而通过所述过滤元件和所述污垢层的组合可以实现污染物材料的过滤。
本发明第一至第六的任一方面的方法的其他可选特征如下。
所述方法可以使用为中空的至少一个过滤元件。所述方法可以包括将导入所述过滤室的至少一部分原料流体以以下方向的一种流动：
A.顺流方向，其中所述流体以第一方向从所述元件的内部经过所述过滤元件的壁到所述元件的外部；以及
B.逆流方向，其中所述流体以第二相反的方向从所述元件的外部进过所述过滤元件的壁到所述元件的内部。
所述方法可以使用至少一个过滤元件，其形式通常为具有相反的第一表面和第二表面的平板。所述方法可以包括将导入所述过滤室的至少一部分原料流体以以下方向流动：
A.顺流方向，其中所述流体以第一方向从第一表面经过所述过滤元件的壁朝向第二表面流动；以及
B.逆流方向，其中所述流体以第二相反的方向从第二表面经过所述过滤元件的壁朝向第一表面流动。
所述方法可以使用具有其他期望形状或其他配置的至少一个过滤元件。
在以顺流方向流经所述过滤元件时，污染物材料的污垢层形成在所述过滤元件的内部表面或内表面或第一表面上。可以将所述流体以逆流方向流动以除去形成在所述过滤元件的表面上的至少一部分污垢层。在以逆流方向流经所述过滤元件时，污染物材料的污垢层形成在所述过滤元件的外部表面或外表面或第二相反的表面上。可以将所述流体以顺流方向流动以除去形成在所述过滤元件的表面上的至少一部分污垢层。所述方法可以包括以下其他步骤：随后以顺流方向和逆流方向的另一种流动以除去所述污染物材料并过滤，使导入所述过滤室的原料流体以最初选择的顺流方向和逆流方向的一种再次流经所述过滤元件，以从所述元件的壁表面除去污染物材料，其是由流体以顺流方向和逆流方向的另一种流动产生的。流动可继续以该流动方向进行，随后除去所述污染物材料，可将由该流动产生的滤液导出所述室并进入滤液流线用于收集。为响应如上讨论的对测定参数中预定变化的检测和/或预定时间的期满，所述方法可以包括视情况在顺流方向和逆流方向之间改变原料流体的方向。
中空的滤元件可以是管状的，且通常可以是圆柱形管状过滤元件。所述过滤元件可以限定沿其长度延伸的中心空隙、通路或通道。在流体以顺流方向流动期间，流体可从中心空隙向外经过所述过滤元件的壁到所述元件的外部，且实质上可以以径向流动。可以限定所述过滤元件的内表面和外表面之间的空间，且经过所述过滤元件的壁的流体可以进入该空间。所述过滤室的形状通常可以是圆柱形。在以逆流方向流动期间，所述流体可从该空间向内经过所述过滤元件的壁并进入中心空隙，且实质上可以以径向流动。当导入所述过滤室并经过所述过滤元件的壁的部分原料流体以顺流方向流动时，以错流渗出流流动的部分流体可以流经所述过滤元件的中心空隙。当导入所述过滤室并经过所述过滤元件的壁的部分原料流体以逆流方向流动时，以错流渗出流流动的部分流体可以以一个方向流经所述过滤元件的内表面和外表面之间限定的空间。
在原料流体完成以顺流方向和逆流方向流动的至少一个循环后，并且在测定参数的预定变化发生在缩短的时间内(其可能表示过滤性能损伤)的情况下，所述方法可以包括清洁所述过滤元件的步骤。该损伤可能是由于剩余的污染物材料逆向流动导致的，并且其可能阻塞至少一些孔。清洁所述过滤元件的步骤可以包括引导清洗液进入所述过滤室并使所述流体以顺流方向或逆流方向流动。当检测到性能损伤时，如果清洗液的方向选择与流体流动的方向相反，则是有益的。然而，清洗液可以相同的方向流动。清洗液的使用可防止污染物进一步积累在所述过滤元件上或中。可引导清洗液以所选的顺流方向和逆流方向中的一种经过所述过滤元件的壁预定时间，同时监控至少一个参数，并且可以包括随后引导流体以顺流方向和逆流方向的另一种进行预定时间同时监控至少一个参数。在清洁过程中可进行其他逆向流动。当确定所述过滤元件的性能已恢复至可接受水平时，所述方法可以包括重新引导原料流体进入所述过滤室以及使所述流体以所选的顺流方向和逆流方向中的一种流经所述过滤元件的壁的步骤。
所述方法可以包括引导所述原料流体进入含有多个过滤元件的过滤室。多个过滤元件的提供可以为给定尺寸的室提供更大流量的滤液。所述方法可以包括使导入所述过滤元件的至少一部分原料流体以顺流方向和逆流方向的一种流动。所述方法可以包括合并每个过滤元件的滤液流并将合并的流导出所述室并进入滤液流线。
所述方法可以包括引导所述原料流体进入多个过滤室，可选地来自公共来源，每个过滤室含有多个过滤元件。这使得至少一个过滤室可脱机进行，例如用于清洁或维护目的，在该过程中通过至少一个其他的过滤室继续过滤。所述方法可以包括引导原料流体进入过滤模块，每个模块限定或包含过滤室。所述方法可以包括采取脱机的至少一个过滤模块/过滤室用于逆向循环流动的目的。用这种方式，可以依次进行经过所有室的逆向循环流动。
测定的至少一个参数可选自包括以下的组：经过所述过滤元件的流量，测定的穿过所述过滤元件的压降；和/或留在滤液中的污染物的比例或浓度。经过所述过滤元件的运行流量通常在约800至约4000l/m2/h的范围内；在现有的错流过滤方法中流量通常为约200至400l/m2/h。运行流量应该指在进行过滤方法一定期间内经过所述过滤元件的流量，在该方法中，进行过滤，引导滤液至滤液流线，并且留在滤液内的污染物的浓度在规格内(且因此在可接受水平内，其可以在约1mg/l至约10mg/l之间，但是其可以甚至更低并且可以小于约1mg/l)。启动时，流量可以更高并且可高达约9000l/m2/h。随着污染物积累以在所述过滤元件的表面上形成污垢层，流量可降低至足以从原料流体有效过滤污染物的运行水平(通过确定滤液中污染物的比例来测定)，同时提供足够的流体吞吐量。当确定滤液中污染物的比例达到可接受的水平时，可将滤液导入滤液流线用于收集。当流量降低至较低水平时，其会朝向上述范围的较低端(这是污垢层积累至足够的厚度以至于过度限制吞吐量和/或阻塞所述过滤元件的孔的指示)，将导入所述过滤室的原料流体以顺流方向和逆流方向的另一种流动。
以错流渗出流流动的原料流体的体积可以是所述原料流中流体总体积的至少约10％，且可以是至少约15％。该体积可以是所述原料流中流体总体积的不大于约10％，可以是不大于约15％，且可以是不大于约20％。可以将所述渗出流的体积调整为用于所述原料流特定性质，例如分散的油和固体的浓度和物理/化学性质和原料流的速度。渗出流流速还可以调整为优化数个参数，包括所需的滤液质量、整个过程流速、逆向循环流动的频率和清洁操作的频率。
在顺流方向，对于中空的过滤元件，以错流渗出流流动的流体的速度可限定为：进入过滤元件的原料流体的供料流速(m3/s)除以所述过滤元件的中心空隙的截面面积或各种过滤元件的中心空隙的截面面积总和(m2)。当存在多个过滤室时，以错流渗出流流动的流体的速度可以等于进入所有过滤室的合并供料流速(m3/s)除以所有过滤元件的中心空隙的截面面积总和(m2)。在逆流方向中，以错流渗出流流动的流体的流速可以限定为：进入过滤室的原料流体的供料流速(m3/s)除以限定过滤室的过滤模块的内表面和过滤元件的外表面之间限定的空间的截面面积(m2)。当存在多个过滤室时，以错流渗出流流动的流体的速度可以等于进入所有过滤室的原料流体的合并供料流速(m3/s)除以所述过滤室的内表面和外表面之间限定的截面面积总和(m2)。
对于平板过滤元件，以错流渗出流流动的流体的速度可以限定为：进入过滤室的原料流体的供料流速(m3/s)除以渗出流通道的截面面积(m2)。流道可以受限定过滤室和一个或多个过滤元件的模块的限制。当存在多个过滤室时，以错流渗出流流动的流体的速度可以等于进入所有过滤室的原料流体的合并供料流速(m3/s)除以所有渗出流通道的截面面积总和。
在流体力学中，雷诺数提供了惯性力与粘性力之比的指示。对于含水流体/水，不大于约2500的雷诺数可产生层流，并且在本发明的上下文中，这促进污垢层形成在所述过滤元件的壁表面上。对于其他流体，如含烃类的流体(例如油)，含污染物的流体，例如少量的水，不同的雷诺数可以是层流的指示。同样，在其他流体例如有机溶剂的情况下，不同的雷诺数可以是层流的指示。
所述过滤元件可以是多微孔的。所述过滤元件中孔的孔径可以不小于约4微米，可以不小于约10微米，可以不小于约15微米，可以不小于约20微米，且可以不小于约30微米。所述孔径可以不大于约15微米。所述孔径可以不大于约20微米。在本发明中，可以用具有约4微米尺寸的孔的过滤元件过滤约0.1微米或更大的污染物；可以用具有约15微米或更大尺寸的孔的过滤元件过滤1微米和更大的污染物。所述过滤元件的孔可以是在所述过滤元件的内表面和外表面之间延伸的通道形式。所述孔的截面通常为圆形，并且可以是圆柱形。所述孔可以是穿过膜的路径，其中所述孔径可以限定为可以穿过膜的最大颗粒。因此本领域技术人员通常理解，孔的尺寸指的是孔的直径或截面面积。
根据本发明的第七方面，提供了用于过滤装置的过滤模块，所述过滤模块用于从流体过滤污染物，且包括：
含有至少一个过滤元件的过滤室，所述过滤元件从导入过滤室并经过过滤元件的壁的原料流体过滤污染物；
其中所述过滤元件具有用于从原料流体过滤污染物的多个孔；以及
其中所述孔径不小于约4微米。
根据本发明的第八方面，提供了用于从流体过滤污染物的过滤装置，所述装置包括：
至少一个过滤模块，所述至少一个过滤模块包括含有至少一个过滤元件的过滤室，所述过滤室从导入至少一个过滤室内并经过过滤元件的壁的原料流体过滤污染物；
其中所述过滤元件具有用于从原料流体过滤污染物的多个孔；以及
其中孔径不小于约4微米。
所述过滤元件可以是多微孔的。所述过滤元件中孔的孔径可以不小于约4微米，可以不小于约10微米，可以不小于约15微米。所述孔径可以不大于约15微米。所述孔径可以不大于约20微米。所述孔径可以不大于约30微米。所述孔径可以大于约30微米。所述孔径可以大于被除去的油液滴和粉末的尺寸。例如，本发明可有利于用具有约4微米尺寸的孔的过滤元件除去约0.1微米和更大的液滴和粉末；或用具有约15微米的孔的过滤元件除去约1微米尺寸的液滴和粉末。所述过滤元件中的孔可以是在所述过滤元件的内表面和外表面之间延伸的通道形式。所述孔的截面通常可以为圆形，并且通常为圆柱形。因此本领域技术人员通常理解，所述孔的尺寸指的是所述孔的直径或截面面积。在本发明中，可以用具有约4微米尺寸的孔的过滤元件过滤约0.1微米或更大的污染物；可以用具有约15微米或更大尺寸的孔的过滤元件过滤1微米和更大的污染物。所述过滤元件的孔可以是在所述过滤元件的内表面和外表面之间延伸的通道形式。所述孔的截面通常为圆形，并且可以是圆柱形。所述孔可以是穿过膜的路径，其中所述孔径可以限定为可以穿过膜的最大颗粒。因此本领域技术人员通常理解，孔的尺寸指的是孔的直径或截面面积。
本发明的第七方面和第八方面的所述模块和/或装置的其他特征可以衍生自或有关于如上定义的本发明的第一至第六方面的方法。
本文公开了从流体过滤污染物的方法(参见如上的第一方面)，其中，在原料流体以顺流方向和逆流方向的一种流动后，使所述原料流体以顺流方向和逆流方向的另一种流经所述过滤元件，以从所述过滤元件的壁表面除去污染物材料。然而，应理解，在本发明的可能性的范围内，在以所选的顺流/逆流方向流动之后，以另一方向流动以除去污染物材料至少最初使用了除原料流体外的流体。例如最初流动使用清洗液，然后在确定或预计所述元件的壁通过以另一方向流动充分清洁后转换为原料流体。
附图说明
现仅通过示例的方式参考附图描述本发明的实施方案，其中：
图1是根据本发明的一个实施方案的过滤装置的示意图，所述过滤装置用于根据本发明的一个实施方案的从流体过滤污染物的方法中；
图2是根据本发明的一个实施方案的过滤模块的示意性纵向截面图，所述过滤模块形成图1中示出的过滤装置的一部分；
图3是图2示出的过滤模块的示意图，所述模块的后盖被除去；
图4和5是图2中示出的过滤模块的视图，示出在本发明的过滤污染物的方法中流体流经模块的不同方向；
图6示出根据本发明的另一实施方案的流程和过滤装置的操作的框图；
图7、8和9分别是根据本发明的另一实施方案的过滤装置的一部分的正视图、平面图和侧视图；
图10和11是根据本发明的另一实施方案的过滤模块的示意性纵向截面图，所述过滤模块形成过滤装置的一部分例如图1示出的装置，该图示出在本发明的过滤污染物的方法中流体流经模块的不同方向；
图12和13是示出图1所示装置的测试结果的图表；以及
图14是示出图6所示的装置的测试结果的图表。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
首先参见图1，示出了根据本发明的一个实施方案的过滤装置的示意图，该装置通常用参考标号10表示。过滤装置10用于根据本发明的一个实施方案的从流体过滤污染物的方法中。图1所示的过滤装置10是构建以测试基于本发明的原理的实验室规模试验装置。该装置10包括至少一个过滤模块12，且在图1示出的实施方案中，包括两个这样的过滤模块12a和12b。阅读说明书剩余部分应理解，该过滤装置10/方法可以使用任何期望或合适数目的过滤模块。过滤模块12都具有相似的构造和操作，且类似的部件共享具有合适的后缀“a”、“b”等的相同参考标号。在图1的实施方案中，仅详细描述了过滤模块12a。
过滤模块12a在图2的纵向截面图和图3的平面图中更好地示出，且其示出后盖16被除去的模块。所述过滤模块12a包括至少一个过滤元件，且在示出的实施方案中，包括19个这样的过滤元件18a。在该实施方案中，过滤元件18a是中空的，但可以使用其他形状/配置。每个过滤元件18a从导入由过滤模块12a限定的过滤室14a的原料流体过滤污染物。图4示出原料流体进入过滤室14a的过滤模块12a，如同箭头20所示，所述流体以顺流方向流经过滤模块12a。在顺流方向中，原料流体从每个元件的内部24a经过每个中空过滤元件18a的壁22a到每个元件的外部。还可以引导原料流体以逆流方向经过过滤元件12a，如图5所示。在逆流方向中，原料流体以箭头20的方向进入过滤元件12a并从每个元件的外部经过每个过滤元件18a的壁22a到内部24a。
在通过中空过滤元件18a的壁22a期间过滤掉原料流体的污染物材料，且将所得滤液导出过滤模块室14a并进入过滤流线26(图1)，用于随后在成品油罐28中收集。如图1可知，布置各个过滤模块12a、12b使得从所述模块流出的滤液被导入共享的滤液流线26，且由此到达成品油罐28，或到达规格外的油罐29(取决于滤液中污染物的浓度)。进入滤液模块12a的原料流体包含如上所述的污染物，其可以是或可以包含广范围的不同物质的任何一种。特别是，所述原料流体可以是水，且所述污染物可以包含烃类材料，其可以是油，以悬浮液滴形式存在于原料流体中。所述污染物还可以包含粒状岩材料如砂。可选地，所述原料流体可以是烃类材料或其他材料例如油，且所述污染物可以是或可以包含水。本文中存在于原料流体中的污染物指的是存在于流体中的物质且需要将其除去。所述污染物可以是与所述流体不同的物质，且可以是或可以包含流体和/或固体材料。
在本发明的一个方面，从原料流体过滤污染物的方法包括以下步骤。将含污染物的原料流体导入过滤室14a并布置为以如上所述的顺流方向和逆流方向的一种流动。将滤液导入滤液流线26用于收集。随后，改变原料流体，使得导入过滤室14a的流体以顺流方向和逆流方向的另一种流经过滤元件18a。用这种方式，在以另一种方向流动期间除去积累在过滤元件18a的壁22a的表面上的污染物材料。在通过以另一种方向流动除去污染物材料后，继续引导原料流体以另一种方向经过过滤元件18a。因此，在以另一方向流动期间通过中空过滤元件18a过滤掉原料流体中的污染物。将由该流动所产生的滤液导入滤液流线26用于随后在成品油罐28中的收集。与现有的方法相反，因此本发明的该方面的方法包括当流体以相反方向流经过滤元件18a时从原料流体主动过滤污染物。
更详细地，具体参考图4和5，本发明的方法进行如下。首先将原料流体导入过滤室14a以顺流方向流动，从过滤元件18a的内部24a穿过过滤元件的壁22a到过滤元件的外部。将滤液导出过滤室14a然后进入滤液流线26用于收集。从其他过滤模块特别是模块14b的流动在开始时通常是顺流方向，但随时间其可以变化。在顺流方向中，污染物材料的污垢层积累在过滤元件壁22a的内表面30a上。如以下所述的，特别期望促进污垢层的形成，其提供优于现有方法的优点。然而，所述污垢层最终会积累至这样的程度，其中流量(流体经过每单位体积过滤模块12a的流速)降低至不足以继续进行有效过滤的水平。在过滤过程中测定该方法的参数，并且当检测表明污垢层积累至这样的程度的测定参数的变化时，原料流体的流动转换为图5的逆流方向。
如上所述，在逆流方向中，进入过滤室14a的原料流体从过滤元件18a的外部穿过过滤元件的壁22a到过滤元件的内部24a。以该方向经过过滤元件18a的原料流体的通道除去至少一些污染物材料，通常为大部分污染物材料，其粘附至过滤元件壁22a的内表面30a。在通过流体以逆流方向流动除去所述污染物材料后，继续引导原料流体以逆流方向经过过滤元件18。因此，没有必要在除去污染物后恢复为以顺流方向流动。原料流体可以继续以逆流方向流动，同时污垢层形成在过滤元件壁22a的外表面32a上。如同以下更详细地描述的，使以逆流方向流动所产生的滤液进入滤液流线26用于收集。当然，最初流动可以为逆流方向且在需要时转换为顺流方向。而且，流动可在顺流方向和逆流方向之间进行转换，视情况可为任何所需的次数。以下讨论清洁的要求，唯一有意义的停机时间是发生污染物除去时和之后的转换，其中将携带被除去的污染物的滤液收集用于随后的去除和/或重新引导至含原料流体36的供料罐34(图1)。
通常基于使用流量计37测定的经过过滤模块14a的流量，来进行流动的转换。当流量降低至预定水平时，可逆转流动。然而，此外或作为基于测定经过过滤模块12a的流量的替代，可以基于对一个或多个其他参数的监控来进行流动的转换。例如，可以使用压力计40监控从供料罐34延伸至过滤模块12a的流线38中原料流体的背压。背压的增加表明污垢层形成在过滤元件18a对应的内表面或外表面30a/32a上(取决于流动方向)。背压增加至某一临界值表面污垢层积累至流动转换所需的足够程度。同样，可使用压力计42监控滤液流线26中滤液的压力。滤液流线26中滤液的压力降低至临界值还表明污垢层已经积累至流动转换所需的程度。滤液中污染物浓度也是可用于转换的重要参数。留在滤液中的污染物比例的增加可以是需要流动转换的指示。
所述方法可以包括采用至少一个脱机的过滤模块12a、12b用于逆向循环流动的目的，同时在该过程中继续经过至少一个过滤模块过滤。用这种方式，可以依次进行经过所有模块的逆向循环流动。
如上所述，在转换后，存在这样的一个时期，其中离开所述室14a的滤液携带从过滤元件18a除去的污染物材料。该滤液指的是“规格外(out of spec.)”的滤液，且使导出的该滤液进入规格外罐29。规格外滤液可以路由返回至供料罐34。线35(图1)提供了用于从两个模块18a和18b路由错流渗出流流体返回至所述罐34的路径。
将规格内(in-spec)流导入罐28。为此，滤液流线26分为规格内流线44和规格外流线46，通过各自的阀48和50来控制经过这些线的流动。使用油监控仪52监控污染物(在本申请中为烃类，通常为油)的程度。启动阀48和50以响应油监控仪阅读。如同通过油监控仪52所测定的，当流线26中滤液27的油污染物的比例降低至所需规格范围内时，可启动阀48和50以将滤液27导入规格内线44并由此进入成品油罐28。
原料流体36流动方向的转换的另一选择是基于时间转换流动。转换间的时间间隔可考虑以下各个参数来确定，包括：原料流体36中污染物的比例；污染物的组成；污染物材料的平均尺寸(对于流体，为平均液滴尺寸；且对于固体颗粒，为平均颗粒尺寸)；容积和经过过滤模块12a的预期流量；原料流体36的输入压力和/或流速；或甚至这些或其他合适参数的组合。此外，可基于预定时间间隔期满或测定参数(其选自上组)的预定变化的出现来首先实现转换。如上所述，污染物水平对于转换流动方向是重要的参数。
现更详细地描述过滤模块12a的结构及其在本发明的第一方面的方法中的用途。
再次参见图2至5，过滤模块12a包括外壳54a，其限定过滤室14a。20个过滤元件18a的每一个都位于过滤室14a内且通过第一端板56a和第二端板58a支撑。过滤元件18a是伸长的，且放置为基本上平行于过滤模块12a的主轴60a。图3示出过滤元件18a的第一端62a，其从第一端板56a的平面突出；以及第二端64a，其从第二端板58a突出。在图2至5示出的敞开的圆柱形膜单元中，合适材料的O环形密封用于防止过滤元件和端板56a和58a之间的泄漏。中空的过滤元件18a通常为合适材料的多孔膜。然而，其他材料也是合适的。例如，过滤元件18a可以是塑料材料，其可以是聚合物材料。使用陶瓷材料用于膜18a的一个优点是在过滤元件的孔被烃类沉积物阻塞的情况下，可从模块14a移出过滤元件并将其放置在干燥炉中，以加热过滤元件并烧掉烃类沉积物。过滤模块12a具有两个入口66a和68a、两个出口70a和72a。过滤室14a分为端部74a和76a、主要中心部分78a。入口66a通往端部76a，且出口70a通往端部。入口68a和出口72a都通往主要中心部分78a。如下所述，在使用中，使用合适的阀控制经过对应的入口66a/68a和对应的出口70a/72a流进和流出过滤模块的流体的流动。
图4示出流体以顺流方向流动的过滤模块12a。将含有污染物的原料流体36经由入口66a泵入过滤模块12a中，如图4的箭头20所示。关闭第二入口68a。流出过滤模块12a的主流是经过出口72a，少量的错流经由出口70a渗出所述模块。阀控制流经出口72a和70a的比例，且在顺流方向中，通常为至少90％的流体经过出口72a。原料流体36进入过滤室14a的端部76a，并流入中空过滤元件18a的中心空隙24a。当以错流渗出流的流体比例仅达到进入过滤模块的流体体积的约10％时，大部分(至少约90％)流体呈放射状向外流出，经过过滤元件18a的壁22a。
在通过过滤元件壁22a期间，从原料流体20过滤掉污染物材料。起初，以及直至污垢层积累在过滤元件18a的内表面30a上时，通过形成过滤元件18a的材料的孔径尺寸确定污染物的过滤。换言之，通过孔径尺寸确定被过滤掉的污染物的最小尺寸。将初始滤液导入规格外线46。然而，随着污垢层的积累，较小尺寸的污染物将会被过滤掉并导入规格内线44中。滤液流入过滤室的主要中心部分78a，其通常指“圆环域(annulus)”。这是元件18a之间以及元件18a和外壳54a之间的空间。因此从不同的过滤元件18a流出的滤液合并在圆环域78a，并且其经由出口72a离开过滤模块12a。然而，错流渗出流经过过滤元件18a的中心空隙24a，并从过滤元件的上端62a流出至过滤室的端部74a。由此来自不同过滤元件18a的渗出流合并，并经过出口70a流出过滤模块12a。
图5示出以逆流方向流经模块12a的流体。在这种情况下，将原料流体36经过入口68a导入过滤模块12a中，如通过箭头20所示，并关闭入口66a。布置控制流经出口70a和72a的阀，使得来自过滤模块12a的流体的主流(至少约90％)经过出口70a，同时错流渗出流(多达约10％)经过出口72a。由此原料流体20导入至圆环域78a，且当主流经过出口70a时，原料流体流经各个过滤元件18a的壁22a并进入中心空隙24a。对于顺流方向，通过过滤元件的孔径尺寸确定初始过滤，直至污垢层积累在过滤元件18a的外表面32a上。滤液流经中心空隙24a并进入过滤室的端部74a，其中滤液流合并并经由出口70a流出过滤模块12a。以错流渗出流流动的流体经过圆环域78a，且经由出口72a离开过滤模块12a。视需要，在顺流方向和逆流方向之间转换滤液流，如以下更详细地描述。
在以上所述的现有方法和系统类型中，避免污垢层形成在过滤元件上已成为明确的目标。因此，在现有的方法/系统中，通常引导错流渗出流以相对高的速度穿过过滤元件。在本发明中，本发明人已认识到污垢层的形成可以有益于污染物的有效过滤。特别是，可以制备孔径相对大的过滤元件18a，事实上大于期望从原料流过滤的液滴/颗粒的尺寸。这提供了经过过滤模块12a的相对高的流量。污垢层的形成还将导致从原料流体36有效地过滤液滴/颗粒，其具有比过滤元件18a更小的尺寸。在本发明的一个方面，通过引导以错流渗出流流动体以不大于约4m/s流动来促进污垢层的形成。这尤其适用于含水流体。除了被量化的特定因素(速度，雷诺数等)之外，适用一般的流动条件(包括速度和湍流的程度)以促进污垢层的形成以及抑制污垢层的除去。同样，在现有的方法和系统中，特别期望布置以错流渗出流流动的流体以湍流剖面流动，以抑制污垢层的形成。本发明人已认识到布置经过过滤元件18a的错流渗出流以层流剖面流动是有益的，因为这促进污垢层的形成。至少对于含水流体而言，这可以通过布置所述流体以错流渗出流流动使得其具有不大于约2500的雷诺数来实现。
而且，在现有的方法和系统中，特别期望错流渗出流保持为原料流中流体总体积的尽可能低的比例(小于5％，且通常为约1％)。如此的目的是为了使经过过滤元件的流量即吞吐量最大化。本发明人已经认识到，引导相对大比例(通常为原料流中流体总体积的至少5％)的原料流体36沿错流渗出流穿过过滤元件18a是有益的。特别是，相比现有的方法和系统，这提供了调节过滤方法以适应该方法的特定要求的更大的自由。例如，这可以提供调节该方法的更大的能力以考虑流体性质的变化、经过过滤模块12a的容积和流量、和/或污染物的性质例如速度和颗粒尺寸。
此外，在现有的方法和系统中，使用含有相对小的孔径尺寸的过滤元件，通常为0.2-4微米，且常常为0.2微米。通过尺寸排除法进行过滤，分离的液滴/颗粒具有比过滤元件的孔径更大的尺寸。而且如上讨论，特别教导了应该避免形成污垢层。本发明人已经认识到污垢层的形成能够使得使用的过滤元件18a具有较大的孔径尺寸，导致经过过滤模块12a的更大的流量。已确定不小于约4微米的合适的孔径是特别有益的。使用这类过滤元件18a的方法包括控制穿过过滤元件18a的错流渗出流的一个或多个参数以促进污垢层的形成。用这种方式，通过过滤元件本身(由孔径尺寸确定)和污垢层的组合来实现污染物材料的过滤。
现参见图6，示出说明根据本发明的另一实施方案的过滤装置100的操作的框图。过滤装置100是示范装置，基于来源于试验装置10的测试结果(其将在下文中讨论)，按照与图1的试验装置10相关的上述原理进行构建和操作。示范装置100中与图1至5的试验装置10类似的部件具有与其相同的参考标号加上100的参考标号。
在这种情况下，示范装置100包括过滤模块112的两个阵列179、180，每一阵列包含两个模块。所述模块都具有参考标号112并分别加上其后缀“a”至“d”。下文中仅详细地描述了第一阵列179。
在这种情况下，原料流线138将含污染物的原料流体供应至阵列179和180。分支83和84与原料流线138相通，用于将流体供应至对应的阵列179和180。分支83分为顺向和逆向供料线85和86，用于根据所需的流向将原料流体供应至模块112a和112b。通过各自的阀87和88控制经过所需供料线85和86的流量。示出过滤模块112a的入口166a、168a和出口170a、172a。所述装置100还包括滤液流线126，其提供了来自两个阵列79和80的共同出口。滤液流线126分支为规格内线144和规格外线146。通过阀89和90控制流至规格内线144或规格外线146的流量。滤液分支91和92分别将来自阵列179和180的流体供应至滤液流线126。再者，考虑到仅仅是阵列179，且特别是模块112a，取决于以顺向流动还是逆向流动，出口线93和94将滤液引导至分支91中并进入流线126中。出口线93和94还可以与接受错流渗出的稀释渗出线95相通。通过成对阀96、97和98、99来控制流入滤液流线126或稀释渗出线95的流体流量。
过滤装置100特别是阵列179的过滤模块112a的操作如下。在顺流方向中，关闭阀88并打开阀87，从而引导原料流体从分支83进入顺流供料线85。由此原料流体经由入口166a进入过滤模块112a并流经包含在过滤室114a的过滤元件(未示出)。滤液经由出口172a离开过滤室114a并进入出口线93。穿过过滤元件的错流渗出流经由出口170a离开过滤室141a并流入出口线94。通过阀96至99控制经过出口170a(错流渗出流的)和172a(滤液的)的流量。
特别是，在顺流方向中，打开阀96并关闭阀97。用这种方式，经由出口172a离开过滤室114a的滤液流入出口线93，通过阀96并最终进入滤液流线126。关闭阀98并打开阀99，使得出口线94中的错流渗出流流入稀释渗出线95中。通过控制阀31和32的位置来测定滤液和错流渗出流的比例。可选地，通过控制阀96和99的阀片(未示出)的驱动位置来测定滤液和错流渗出流的比例。
在逆向流动中，关闭阀87并打开阀86，使得原料流体经由入口168a进入过滤室114a。然后滤液经由出口170a离开过滤室114a，且错流渗出流经由出口172a离开过滤室。现关闭阀96并打开阀97，使得滤液从出口线94流至滤液流线126。关闭阀99并打开阀98，从而将错流渗出流通过阀98引导至稀释渗出线95。在顺流方向和逆流方向流动中存在卸料循环(dump cycle)。在逆向流动的第一阶段，将流体传送至规格外线46。在以该方向继续流动并形成污垢层后，根据测定的参数(时间)所确定的，将滤液27引导至规格内线44。
滤液装置100还包括排出管线11。需要时，可以使用有合适的化学添加剂的清洗液对各个模块112的过滤元件进行就地清洗(CIP)。CIP罐13含有清洗液，其可以视需要被泵入各个过滤模块112中。提供油浓度监控仪(OCM)152，其与滤液流线126通过OCM线15和阀17相通。提供清洁水校准输入线19以用于供应清洁水，用于校准的目的。主泵21将原料流体供应至阵列179和180。第二泵23与CIP罐13相通并在需要时将清洗液供应至阵列79和80。可用清洗液以顺向流动和逆向流动来进行CIP操作。应理解提供了各个不同的阀用于根据以下来控制流经过滤装置100的流体：顺向流动还是逆向流动；CIP是否进行；和/或在过滤过程中进行其他期望的步骤。这类阀在本文中不会详细描述，但示出于框图中。本领域技术人员容易理解如何操作各个阀以控制流量。
现参考图7、8和9，分别示出根据本发明的另一实施方案的全尺寸过滤装置200的一部分的正视图、平面图和侧视图。基于来源于试验装置和示范装置的测试结果(如下所讨论)，按照与图1和6的试验装置10和示范装置100相关的上述原理构建并操作过滤装置200。装置200中与图1的装置10和图6的装置100类似的部件具有相同的参考标号分别加上200和100的参考标号。
示出过滤装置200的单元25，其包括过滤模块的四个阵列279、280、281和282，每个阵列包括三个过滤模块212。在该实施方案中，每个过滤模块212包括20个过滤元件(未示出)。视情况，过滤元件212具有后缀“a”至“l”。所述过滤装置是模块化的且可以包括任意期望的数目个单元25。为了减小装置200的封装，可以以较大的装置垂直堆叠模块212。所述全尺寸装置200是模块化的，其由标准的撬装单元25组成，每个包含20个膜模块212，且其容量介于300-1500m3/h之间，其取决于所需的最终油水平、膜安装的类型、原料流组成和其他工艺变量。图中示出20个模块单元25的总布置。在示出的实施方案中，该封装为约2.5m×8.5m，如果如图所述堆叠模块212，则得到约5.8m的高度。设计用于容量为1200m3/h的装置例如含有三个或四个这样的标准单元25。需要四个单元25用于保守设计，同时从示范装置测定最低流量，得到油水平小于10mg/l。
现转向图10和11，示出根据本发明的另一实施方案的过滤模块的示意性纵向截面图，过滤模块通常用参考标号312表示。过滤模块构成过滤装置(未示出)的一部分，例如图1所述的装置，其中提供许多模块312代替模块12。模块312中与图1至5的模块12类似的部件具有相同的参考标号加上300的参考标号。
图10和11示出在本发明的过滤污染物的方法中经过模块312的流体的不同流动方向，图10示出顺流方向且图11示出逆流方向。过滤模块312包括至少一个过滤元件，且在示出的实施方案中包括5个这样的过滤元件318。在该实施方案中，过滤元件318通常为平板形式。模块312限定含有过滤元件318的过滤室314，且具有许多个一级流量孔67a和67b，其可以布置为将原料流体导至过滤室314或将滤液导出过滤室，如下所述。模块312还具有许多个次级流量孔69a和69b，其可以关闭或打开以允许渗出流流动。
由图可知，布置过滤元件318使其限定许多个流道378，其用于经过过滤室314的渗出液的流动，如下所述。在图10的顺流方向中，将原料流体320经由一级流量孔67a导入至过滤室314。原料流体320穿过每个过滤元件318的壁322朝向一级流量孔67b，使得在经过过滤元件318的期间过滤掉污染物。
附图中经过过滤元件318的壁的流动可以是向上或向下的方向，即经过限定通道的过滤元件，其中来自每个孔67a的原料流流入该通道。
滤液经由一级流量孔67b离开过滤室314。参考滤液320的向上/向下流动，应理解这取决于过滤模块312的方向。在顺向流动期间，打开次级出口69b(或部分打开，视需要)以允许一定比例的原料流体320以错流渗出流流经通道378。如上所述，控制该比例以促进污垢层的形成。此时关闭次级出口69a。
还可引导原料流体320以逆流方向经过过滤模块312，如图11所示。如上所述，期望这会清除顺流方向流动期间形成在过滤元件312的第一表面或上表面330上的污垢层。在逆流方向中，将原料流体320经由一级流量孔67b导入过滤室314中。附图中原料流体320以向上或向下方向穿过每个过滤元件318的壁322，使得在通过过滤元件318期间过滤掉污染物。滤液经由一级流量孔67a离开过滤室314。再者，参考滤液320的向上/向下流动，应理解这将取决于过滤模块312的方向。在以逆流方向流动期间，打开次级出口69a(或部分打开，视需要)以允许一定比例的原料流体320以错流渗出流流经通道378。再次，控制该比例以促进污垢层的形成。同时关闭次级出口69b。
由上可知，应理解通道378交互为渗出通道和滤液通道。在图10中，离开孔69b的通道378是渗出通道，而离开孔67b的通道378是滤液通道。在图11中，离开孔69a的通道378是渗出通道，而离开孔67a的通道378是滤液通道。
视需要，可将流动转换为顺流方向以清除逆流方向流动期间形成在过滤元件312的第二表面或下表面332上的污垢层。按照图1至9相关的上述原理所需要的，可进行其他转换，以及进行卸料循环。
现讨论试验装置10、示范装置100和全尺寸装置200的构建和操作的一般情况。
在装置10、100和200中，通过使水穿过陶瓷膜元件(例如敞开的圆柱体)实现从水原料流分离油和粉末。采用终端过滤法所有的水原料流可穿过所述膜元件的的壁。然而，可在一端对所述膜元件进行局部限制，使得大部分水流经所述壁，且一些以错流渗出流流动。可优选引导水原料流的至少5％、可选地为5％和10％之间或更多以错流渗出流流动。将一组膜元件(通常为19个或20个膜，但可根据具体的设计进行变化)安装在模块中。将模块配制为使得水以两种方向中的一种流动(通过合适的阀控制)。在以第一(顺流)方向流动中，进入模块的水流入圆柱形元件的中心空隙，经过壁，并向外流至每个元件的圆环域。将元件的圆环域中的流合并至模块中，并且作为滤液流流出模块。这就是供料水，通过元件的壁已从其除去(过滤)油和粉末。然而，应注意污垢层可以透入表面层达到一定程度，使得过滤效果不仅是表面效果。
可布置少部分的供料水至每个元件(通常为零以上至10％，但在一些情况下高于10％)，使得其不穿过壁，但直接穿过中心空隙并流出元件。这就是经过所述膜元件的错流渗出流。收集来自每个元件的错流渗出流并将其合并至模块中，并作为被称为“浓缩液”的流流出模块。在浓缩液流中收集通过所述膜元件从水分离的油和粉末，所述浓缩液流以比供料流高很多的浓度流至模块。
在第二(逆向)流动方向中，进入模块的水流入所述膜元件周围的圆环域，经过所述元件的壁，并进入中心空隙。将来自中心空隙的流合并并作为用于逆流方向流动的滤液流流出模块。可布置少量的水(0.5-10％)使得其不穿过所述壁但穿过所述元件的圆环域。这就是用于逆向方向流动的错流渗出流。将所述错流渗出流合并至模块中并作为用于逆流方向流动的浓缩液流流出模块。
所述膜元件的孔径尺寸通常为1-30微米(已使用15微米的膜元件进行测试工作)，且优选为至少约4微米。所述孔径尺寸可以大于待除去的油液滴和粉末的尺寸(例如可通过孔径尺寸为15微米的元件除去尺寸为1微米的液滴和粉末)。通过以下两种机制可实现过滤：(1)对尺寸大于膜孔径尺寸的液滴和粉末进行物理抛弃；(2)在所述膜表面上形成污垢层，这导致对尺寸小于孔径尺寸的液滴和粉末的抛弃。
通过在顺流方向和逆流方向之间顺序地改变供料流流至模块的方向。通过以下顺序实现处理：使供料水进入设置为顺向流动的模块。当水穿过所述膜元件时，油和粉末的污垢层积累在所述膜壁的表面上。形成污垢层而不论液滴和粉末的尺寸如何，甚至当尺寸小于所述膜的孔径尺寸时。粉末没有必要存在于供料中，只有油会形成该污垢层。立即对尺寸大于所述膜孔径尺寸的液滴/粉末进行过滤。当形成污垢层时，对尺寸小于孔径尺寸的液滴/粉末进行过滤。
监控滤液并将其自动传送到规格外排放流直至污垢层形成并达到处理所需的程度。规格外流通常路由返回至供料流。当污垢层充分积累使得实现所需的处理时，将滤液传送到规格内排放流。污垢层积累的时间通常介于5秒和2分钟之间。通常就滤液中悬浮的(分散的)油水平(其可以自动测定)限定处理所需的程度；但是根据应用可以其他方式例如滤液中的粉末或特定组分的浓度来限定处理要求。然后以顺流方向继续过滤。将滤液通过规格内线(用于处理水的排出)排出。
错流渗出流(浓缩液流)通常返回至供料流，但可以分离以回收油。当进行过滤时，随着污垢层变厚，经过所述膜的流速(流量(flux))通常会降低。当流量降至预定值或在预定时间间隔后，流动方向从顺流改变为逆流。当逆向流动时，通过水的逆向流动来除去所述膜壁上的污垢层，并且在卸料循环期间将其从所述模块冲洗掉。在该循环中，用于逆流方向流动的滤液流被传送至规格外排放流。卸料循环的持续时间通常介于5秒和10分钟之间，取决于供料水的性质。
在卸料循环期间，在所述膜元件的外壁(圆环域侧面)上形成新的污垢层。在卸料循环后继续逆向过滤。当污垢层已充分积累至达到处理(其在卸料循环期间或卸料循环后的期间)所需的程度时，将滤液流从规格外转换至规格内排放流。逆向过滤模式的处理继续进行预定的期间或直至逆向流动的流量降低至预定的值。然后将流动方向改变回顺向流动，并且重复如上所述的事件的顺序。然后在顺流方向和逆流方向之间继续进行自动相继的逆向过滤。
在运行该装置数个顺向和逆向循环后，在一些情况下，在以逆向流动除去后流量并没有恢复至可接受的值。如果发生这种情况，进行自动的就地清洗(CIP)操作。使所述模块脱机并使用清洗液(清洗液可以是清洁水、清洁剂或苛性碱溶液或部分处理滤液)代替供料水进行多个顺向和逆向循环的一个。如此的目的是为了除去所述膜元件的内表面和外表面上的污垢层，通过以顺流方向和逆流方向的卸料循环并没有及时完全地将其除去。CIP操作将流量恢复至可接受的值。通常顺序地使各个模块脱机以用于CIP，使得其他模块继续处理供料水；因此没有中断该处理。通过以下操作参数确定处理的程度、滤液的流速、浓缩液流速和CIP的频率：选择的膜元件的类型(孔径尺寸)；顺流、逆流和卸料循环的持续时间；错流渗出流流速以及跨膜压(即，跨过所述膜元件的压降)。通过对供料水的每种类型调整这些参数来优化该方法。该方法是使用特定制造商提供的陶瓷膜开发的，但是其原理独立于特定制造商的膜。该方法在油气开发和生产工业的领域中具有特殊的效用，但可以延伸至包括不同工业中水或其他类型流体的处理。该方法的显著特征如下。
通过以顺流方向和逆流方向的膜元件来进行过滤(通过从空隙向外流动以及从圆环域向内流动进行过滤)。
通过孔径尺寸(用于分离较大的液滴/颗粒)和形成可逆的污垢层用于除去具有比所述膜孔径尺寸小的液滴和粉末的联合效果来进行过滤。
顺序地逆转流动方向以周期性地除去污垢层，且因此保持高的总流量。这是相比传统的终端过滤法(其中使过滤系统脱机用于冲洗或其中使用一次性滤液)的改进。
以较低的流速使用错流渗出流，其控制所述膜模块中油/粉末的浓度(在分别用于顺向和逆向的空隙或圆环域中)。
浓缩液中油水平的控制提高了过滤效率；如果允许该浓度提高至非常高的值，则滤液中的油水平增加。
使用低的错流渗出流流速，使得错流流速并不是如此高，以至于阻止污垢层的形成。低的错流流速还降低了泵的尺寸，并且相比于传统的错流过滤法，这减少了方法的操作成本。在错流微过滤中，流速(错流流速)较高，因为该方法的本质是阻止污垢层的形成(由于存在尺寸排除过滤法)。本发明的方法促进使用孔径尺寸大于可被除去的液滴和粉末的尺寸的膜。这提供了以下益处。
相比基于尺寸排除法如错流微过滤(即孔径小于待除去的液滴/颗粒)，流量较高。错流微过滤中的流量通常为200-400l/m2/h，而本发明的发法中的流量为800-2000l/m2/h。因此对于给定的容量(过滤速度)，该方法具有较小的膜面积，由此降低了装置成本和装置尺寸。
由于所述膜的孔径大于次微米和微米尺寸固体颗粒(粉末)的尺寸，这阻止所述膜的不可逆的污垢(尤其是位于膜基质内的污垢，膜基质与表面污垢层相反)。通过逆向流动或CIP操作不能除去不可逆的污垢。不可逆的污垢是其他过滤方法(例如错流微过滤法)中的问题，其不能利用污垢层。
使用连续的逆向流动以使所述膜再生(除去污垢层)意味着该处理是连续的，仅在卸料循环期间有短暂的中断。
连续的CIP操作，依次采取脱机的模块，使得该方法能没有中断地进行。
使用用于该系统的陶瓷膜代替传统的聚合物膜使得该方法通过高水平的油抵抗不可逆的污垢。例如，如果整洁的原油进入该装置，则可通过正常的CIP操作来恢复所述陶瓷膜。然而，在其中通过油的不可逆的污垢不是风险时，该方法的操作原理与相关的益处与用于聚合物膜系统的相同。
测试结果-背景
按照与图1至5相关的以上概述的原理构建实验室规模的试验装置10。用一些陶瓷膜(过滤)元件18以介于3-1000升/小时的流速操作该装置。从这些研究中选择最合适的膜类型，并且优化关键的方法参数。使用已制备以刺激典型的油田采出水的化学组成和液滴尺寸分布的合成烃类/水混合物来进行该工作。该试验装置并不以与全尺寸装置完全相同的方式操作，因为没有为该试验提供足够量的测试水；因此用模型研究补充试验性测定以预估全尺寸装置的性能。试验装置试验显示分散的油水平可从500mg/l的起始水平降低至5-15mg/l(取决于操作条件)。合成采出水样的总分散油水平为500mg/l，平均(通过数目)油液滴尺寸为2μm。所选的膜类型的流量可以从9000lm-2h-1(起初)变化至饱和时的2000lm-2h-1(相比用于实现除去可比的油的错流膜，其流量通常为200-350lm-2h-1)。
由于该方法是模块化的，按比例增加装置相对简单，并且用与全尺寸装置中使用的相同的膜(过滤)元件来构建试验装置。然而，相比实际样品，合成采出水的性质是不确定的，尤其是对于更高分子量(>C40)烃类的存在和采出水的表面活性剂性能。
从试验装置测定获得的数据用于为大尺寸示范装置100的设计作准备，该示范装置100是按照与图6有关的上述原理构建且尺寸为用水的容量为高达100m3/h。
来自示范装置试验的结果显示其比从试验装置试验获得的除油效果稍微好，其典型的最终水平为10mg/l以下，但最终(饱和)流量稍微低至1250-1700lm-2h-1。这可能是由于水中C20-C4烃类的存在导致的，这表明一些预处理的益处；但是较低的流量还可能是由于供应中间歇的油段塞(oil slug)的存在导致的。
基于从示范装置测定获得的数据，已准备了相当的全尺寸装置设计，这表明其膜面积比传统的现有错流膜小于约4-9个因数，相应地减低了泵送成本。该装置封装还是传统的错流装置的约50％。
本发明的方法是使用陶瓷微过滤膜的混合的终端过滤法和错流过滤法。通过陶瓷膜和许多其他过滤法中共有的污垢层的联合作用来除去分散的烃类和固体。开发所述膜和操作规程使得所述膜和污垢层的联合作用在用清洁膜开始操作约60-100秒内达到处理的所需程度。
试验装置研究
如上所述，图1示出了试验装置10的轮廓。流程图与终端过滤系统的实质上相同，但具有额外的阀门以包括错流特征。膜模块12的尺寸从40mm直径×700mm变化为100mm直径×1200mm，取决于膜类型。试验装置中所述膜元件18与示范装置中使用的相同。
使用内嵌油的水中检测器(in-line oil-in-water monitor)(折射指数)52测定处理的水流中分散的油。还可使用60m毛细管柱(聚乙二醇)通过气-液色谱法和火焰电离检测对供料和处理的水进行烃类分析。
操作试验装置10以研究改变最终油水平和膜流量上的关键工艺参数的效果，并且以优化有关处理能力和处理的水质量的这些参数。这些关键参数是供料流速、跨膜压、错流流速以及逆向冲洗频率(如上还被称为卸料循环)。
准备采出水样以得到在含1％氯化钠的水中总油浓度为500mg/l。研究数种方法以准备代表性的液滴-尺寸分布，包括搅拌和高剪切泵送。发现高倍率离心泵准备了最有代表性的分布，其中中值的液滴尺寸朝向对于采油废水报道的范围的较低端。按数目的平均液滴尺寸为2.07μm。用于比较，确定来自国内油田设备的采出水样的液滴尺寸分布。按数目的平均尺寸为2.62μm，稍微高于合成样品的；且油浓度为266mg/l。由于这提供了该方法的最苛求的试验，因此使用高倍率离心泵准备油分散剂以用于所有试验装置试验。
图12和13中示出被考虑的两种膜类型的典型的试验装置结果，其显示随时间的操作膜流量和处理的采出水中的油水平以及作为跨膜压的函数。第一膜类型在流量从800变化至200l/m2/h时达到最终油水平为5mg/l以下。第二膜类型(图13)的最终油水平从5mg/l达到15mg/l(取决于操作参数)，同时流量从初始值9000降低至饱和度约2000l/m2/h。
示范装置研究
基于从试验装置10测定中确定的关键设计参数来设计示范装置100。该装置被设计为用水的容量为高达100m3/h，以及用于半自动操作。供料泵产生2.5巴的压强，且该装置被设计为跨膜压为0.2-2.5巴。最高操作压强为10巴，这允许采出水供给压力为0-7.5巴。该装置含有总膜面积为10m2的四个膜模块。
最初从油水分离器至采出水存储罐的传输管线获得采出水供给(在回注前)。该流还含有来自油加热器的水底流。在由上游工艺异常产生的采出水中遭遇油段塞的困难。进行了通过阻止加热器底流以防止油段塞进入该装置的尝试。然而，这并不会消除该油段塞。当油段塞阻止该装置连续操作时，试验证明该膜能忍受整洁的油且使用就地清洗步骤能够容易地再生成膜。这些是相对于现有的聚合物膜技术的显著的优点。
改变该方法配置，使得供应至装置200的采出水取自回注的存储罐。这降低了油段塞的风险并允许该装置被操作延长的时间。调整主要的工艺参数以优化该方法，并且以定量有关处理的采出水中油水平、最大流量、循环次数、清洗间隔和其他操作参数的工艺性能。
图14给出了在最佳的一组条件下日常操作的典型结果。该图表显示处理的水中分散的油水平返回至采出水存储罐。显示对于两种跨膜压(TMP)的结果：可知，较低的TMP给出较低的最终油水平，而随着TMP的降低所述膜流量降低。
结果显示，示范装置100比从试验装置10测定中确定的结果达到稍微好的最终油水平。达到的最低油水平为6mg/l，且在较低的TMP时该水平通常低于10mg/l。入口油水平通常介于60和100mg/l之间，且峰值高达250mg/l并具有偶尔的油段塞。通常，相比用于试验装置试验的合成污水，观察到的通过示范装置除油的改进可能是供料中较低油水平的结果。
发现示范装置中的膜流量稍微低于试验装置研究和模型运算中预测到的。然而，该流量比现有的错流微过滤方法高4-9个因数。由于上游工艺异常仍导致偶尔的油段塞和周期性地非常高的入口油水平，因此在长期试验中遇到困难。本发明的方法因此允许更高的流量和稳定的采出水供应以及油段塞的缺乏。
随后用流速高达100m3/h的采出水进行示范装置试验。该试验证明上述方法的效果：原料流油水平高达1000ppm，固体水平高达100ppm，液滴和颗粒尺寸为1微米至100微米，且油API比重度数为14和36。从这些试验获得的流量较高，高达2500l/m2/h。在这些试验中始终达到滤液油水平小于10ppm和固体水平小于10ppm。
全尺寸装置设计和经济数据
对于300m3/h至2400m3/h范围的设计案例，使用从示范装置100(图6)试验的结果准备用于全尺寸装置200的方法和装置设计(图7-9)。从示范装置100数据按比例增大到较大尺寸装置是简单的，因为在所有尺寸的装置中都使用了相同的膜模块。现有的错流装置中的大部分投资成本是膜模块的成本；因此本发明的方法所需的较少的膜面积反映在预期的装置成本中。对于1200m3/h的情况，本发明的方法(“SRCF法”)和现有的错流法的比较成本在下表中给出。
对于两种方法，操作成本的最大的一部分是用于再循环泵的电源供给。由于本发明的方法中错流流速较低，因此泵功率较低，且其反应在该表中。
在不背离本发明的精神或范围的情况下可对前述内容进行各种修改。
例如，本发明的其他方面或实施方案可以包括来源于本发明的一个或多个方面或实施方案的一个或多个特征。
附图中以及上述显示了通常为管状圆柱形过滤元件(膜)和平板过滤元件(膜)。然而，该过滤元件可以具有任何合适的形状，且因此可以是非圆柱形管状元件、在一个或多个方向(例如，在长度和/或宽度方向)弯曲的平板型过滤元件或一些其他配置。
本文公开了从流体过滤污染物的方法，其中在原料流体以顺流方向和逆流方向的一种流动后，使原料流体以顺流方向和逆流方向的另一种流经过滤元件，以从过滤元件的壁表面除去污染物材料。然而应理解，在本发明的可能的范围内，在以所选的顺流方向/逆流方向流动后，以另一方向流动以除去污染物材料至少在开始使用了原料流体外的流体。例如，最初流动可以使用清洗液，然后一旦确定或预计所述过滤元件的壁通过以另一方向的流动已经充分清洁后，转换为原料流体。

Claims (27)

1.一种从流体过滤污染物的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
将含污染物的原料流体导入含至少一个过滤元件的过滤室内；
使导入所述过滤室内的至少一部分原料流体以以下方向的一种流动：
A.顺流方向，其中所述流体以第一方向经过所述过滤元件的壁；以及
B.逆流方向，其中所述流体以第二相反的方向经过所述过滤元件的壁；
将滤液导出所述过滤室并进入滤液流线用于收集；
随后使导入所述过滤室内的所述原料流体以顺流方向和逆流方向中的另一种方向流经所述过滤元件，以从所述过滤元件的壁表面除去污染物材料；
在通过所述流体以顺流方向和逆流方向中的另一种方向除去所述污染物材料后，继续引导使原料流体以另一种方向经过所述过滤元件的壁，从而在以另一种方向流动期间从所述流体过滤掉污染物；以及
之后除去所述污染物材料，将以另一种方向流经所述过滤元件的壁所产生的滤液导出所述过滤室并导入所述滤液流线用于收集。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：包括监控至少一个参数的另一步骤，以及可选地在监测到所述至少一个参数的预定变化时，采取以下步骤：使所述原料流体以顺流方向和逆流方向的另一种流经所述过滤元件的壁。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：包括可在预定时间后进行布置使所述原料流体以顺流方向和逆流方向的另一种流经所述过滤元件的壁的步骤。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：包括使所述原料流体以顺流方向和逆流方向的另一种流经所述过滤元件的壁的步骤在以下情形时首先进行：监测到所述至少一个参数的预定变化时；和预定时间期满时。
5.如权利要求2或4所述的方法，其特征在于：所述参数是经过所述过滤元件的流量，在监测到流量达到预定临界水平时，使原料流体以另一方向流动。
6.如权利要求2或4所述的方法，其特征在于：所述参数是滤液中污染物的浓度，污染物浓度的增加表明性能退化，这需要改变流动的方向以清洁所述过滤元件的壁表面。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：包括使导入所述过滤室的至少一部分原料流体以顺流方向和逆流方向的一种流经所述过滤元件的壁，以及使导入所述室的所述原料流体的剩余物以错流渗出流经过所述过滤元件并进入渗出流线。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：其中所述流体以错流渗出流流经所述过滤元件的速度不大于约4m/s，这有利于在所述过滤元件的表面上形成污染物材料的污垢层，从而借助于所述过滤元件和所述污垢层组合实现了其它污染物材料的过滤。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于：使以错流渗出流流经所述过滤元件的原料流体的体积为所述原料流体总体积的至少约5％。
10.如权利要求7-9中任一项所述的方法，其特征在于：使以错流渗出流的所述流体以层流剖面流动，以促进污染物材料的污垢层形成在所述过滤元件的表面上，从而借助于所述过滤元件和所述污垢层的组合实现其他污染物材料的过滤。
11.如权利要求7-10中任一项所述的方法，其特征在于：所述原料流体是含水的，并且将所述流体布置为以错流渗出流流动，使雷诺数不大于约2500，以促进污染物材料的污垢层形成在所述过滤元件的表面上，从而借助于所述过滤元件和所述污垢层的组合实现其他污染物材料的过滤。
12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：将含有污染物的原料流体导至过滤室内的步骤包括：将所述原料流体导至含有至少一个过滤元件的过滤室内，所述过滤元件具有用于从所述原料流体过滤污染物的多个孔，所述孔的孔径不小于约4微米；控制所述错流渗出流的一个或多个参数以促进污垢层形成在所述过滤元件的表面上，从而通过所述过滤元件和所述污垢层的组合实现污染物材料的过滤。
13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：所述至少一个过滤元件是中空的，并且其中所述方法包括使导入所述过滤室的至少一部分原料流体以以下方向的一种流动：
A.顺流方向，其中所述流体以第一方向从所述元件的内部经过所述过滤元件的壁到所述过滤元件的外部；以及
B.逆流方向，其中所述流体以第二相反的方向从所述元件的外部进过所述过滤元件的壁到所述过滤元件的内部。
14.如权利要求1-12中任一项所述的方法，其中所述至少一个过滤元件通常为具有相反的第一表面和第二表面的平板形式，并且其中所述方法包括使导入所述过滤室的至少一部分原料流体以以下方向流动：
A.顺流方向，其中所述流体以第一方向从第一表面经过所述过滤元件的壁朝向第二表面流动；以及
B.逆流方向，其中所述流体以第二相反的方向从第二表面经过所述过滤元件的壁朝向第一表面流动。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于：包括监控以另一方向流动期间滤液中污染物的浓度，并且在检测到污染物的浓度已降低至期望水平时，将所述滤液导入滤液流线用于收集。
16.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：随后以顺流方向和逆流方向的另一种流动以除去所述污染物材料并过滤，所述方法包括使导入所述过滤室的原料流体以最初选择的顺流方向和逆流方向的一种再次流经所述过滤元件，以从所述过滤元件的壁表面除去污染物材料，是由流体以顺流方向和逆流方向的另一种流动产生的。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于：流动继续以最初选择的顺流方向和逆流方向的一种进行，随后除去所述污染物材料，将由该流动产生的滤液导出所述过滤室并进入滤液流线用于收集。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于：包括监控以最初选择的方向流动期间滤液中污染物的浓度，并且在检测到污染物的浓度已降低至期望水平时，将所述滤液导入滤液流线用于收集。
19.如权利要求2-4任一项或引用权利要求2-4中任一项的权利要求5-18的任一项所述的方法，其特征在于：所述方法可以包括为响应对测定参数中预定变化的检测和/或预定时间的期满，在顺流方向和逆流方向之间改变原料流体的方向。
20.如权利要求2或引用权利要求2的权利要求3-19的任一项所述的方法，其特征在于：在原料流体完成以顺流方向和逆流方向流动的至少一个循环后，并且在测定参数的预定变化发生在缩短的时间内的情况下，所述方法包括通过引导清洗液进入所述过滤室并布置所述流体以顺流方向或逆流方向流动清洁所述过滤元件的步骤。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于：包括在检测性能损伤前，引导所述清洗液以与所述流体流动的相反方向流动。
22.如权利要求20或21所述的方法，其特征在于：当确定所述过滤元件的性能已恢复至可接受水平时，所述方法包括重新引导原料流体进入所述过滤室以及布置使所述流体以所选的顺流方向和逆流方向中的一种流经所述过滤元件的壁的步骤。
23.如前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于：包括引导所述原料流体进入多个过滤室，每个过滤室含有多个过滤元件。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于：包括采取脱机的至少一个过滤室用于逆向循环流动的目的，在该步骤中通过至少一个其他的过滤室进行过滤。
25.如权利要求2或引用权利要求2的权利要求3-24的任一项所述的方法，其特征在于：测定的至少一个参数选自包括以下的组：经过所述过滤元件的流量，测定的穿过所述过滤元件的压降，以及留在滤液中的污染物的比例或浓度。
26.一种用于过滤装置的过滤模块，所述过滤模块用于从流体过滤污染物，其特征在于：包括：
含有至少一个过滤元件的过滤室，所述过滤元件布置为从导入过滤室并经过过滤元件的壁的原料流体过滤污染物；
其中所述过滤元件具有用于从原料流体过滤污染物的多个孔；所述孔的孔径不小于约4微米。
27.一种用于从流体过滤污染物的过滤装置，所述装置包括：
至少一个过滤模块，所述至少一个过滤模块包括含有至少一个过滤元件的过滤室，所述过滤室布置为从导入至少一个过滤室内并经过过滤元件的壁的原料流流体中过滤污染物；
其中所述过滤元件具有用于从原料流体过滤污染物的多个孔；所述孔的孔径不小于约4微米。
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