CN109331662A - 高速交叉流动态膜过滤器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种高速交叉流动态膜过滤系统，其包含盘膜组合件，所述组合件具有框架及至少两个支撑轴件。每一支撑轴件界定纵轴，多个轴向隔开膜盘围绕所述纵轴定位，其中每一轴件进一步经耦合到所述框架。渗透物管经耦合到每一支撑轴件且与和所述支撑轴件相关联的所述膜盘流体连通。容器界定处理室且经配置以可移除地支撑所述处理室内的所述盘膜组合件。所述容器进一步包含壁。所述过滤系统还包含驱动系统。所述渗透物管经配置以在所述盘膜组合件被定位在所述处理室内时延伸通过所述容器壁的一部分。所述渗透物管进一步经配置以通过所述驱动系统而旋转。

Description

高速交叉流动态膜过滤器

分案信息

本申请是申请日为2015年12月18日、名称为“高速交叉流动态膜过滤器”的第201580002643.2号发明专利申请的分案申请。

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2014年12月22日申请的第62/095,356号美国临时专利申请案的优先权，所述专利申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。

背景技术

本发明涉及液膜过滤，且更特定地说，涉及一种高速交叉流动态膜过滤器系统及子系统。

当前，高压膜系统跨过滤膜以足够高的速度泵抽给水，从而阻碍沉淀物质在膜表面上逐渐产生，即，膜的‘堵塞’。通过泵抽实现膜过滤的益处的同时维持高交叉流速需要大量能量。

发明内容

在一个实施例中，一种高速交叉流动态膜过滤系统包含盘膜组合件，所述组合件具有框架及至少两个支撑轴件。每一支撑轴件界定纵轴，多个轴向隔开膜盘围绕所述纵轴定位，其中每一轴件进一步耦合到所述框架。渗透物管耦合到每一支撑轴件且与和所述支撑轴件相关联的膜盘流体连通。容器界定处理室且经配置以可移除地支撑所述处理室内的盘膜组合件。所述容器进一步包含壁。过滤系统还包含驱动系统。渗透物管经配置以在盘膜组合件被定位在处理室内时延伸通过容器壁的一部分。渗透物管进一步经配置以通过驱动系统而旋转。

在一个实施例中，一种高速交叉流动态膜过滤系统包含盘膜组合件，所述组合件具有第一支撑轴件及第二支撑轴件。每一支撑轴件界定纵轴，多个轴向隔开膜盘围绕所述纵轴定位。容器界定处理室且经配置以支撑所述处理室内的盘膜组合件。当盘组合件被定位在处理室内时，至少一个板耦合到容器或耦合到盘膜组合件，使得所述至少一个板在第一支撑轴件的多个轴向隔开膜盘与第二支撑轴件的多个轴向隔开膜盘之间至少部分地延伸。

在一个实施例中，一种盘膜组合件包含框架，所述框架包含第一末端处的第一支撑部分、第二末端处的第二支撑部分、位于第一支撑部分处的第一及第二轴承、位于第二支撑部分处的第一及第二轴承，及从第一末端延伸到第二末端的多个轨道部件。第一支撑轴件及第二支撑轴件各自界定纵轴，多个轴向隔开膜盘围绕所述纵轴定位。渗透物管耦合到每一支撑轴件且与和所述支撑轴件相关联的膜盘流体连通。通过位于第一支撑部分处的第一轴承且通过位于第二支撑部分处的第一轴承来支撑第一轴件的渗透物管。通过位于第一支撑部分处的第二轴承且通过位于第二支撑部分处的第二轴承来支撑第二轴件的渗透物管。

在一个实施例中，一种操作高速交叉流动态膜过滤系统的方法包含将流体流馈送到压力容器中，所述容器界定含有盘膜组合件的处理室，所述组合件具有第一支撑轴件及第二支撑轴件，其中每一支撑轴件界定纵轴，多个轴向隔开膜盘围绕所述纵轴定位。所述方法还包含将流体流分配在盘膜组合件的至少一部分上方。所述方法进一步包含排放来自容器的流体流的第一部分。所述方法此外包含排放来自容器的流体流的第二部分。所述方法还包含在第一方向上旋转第一支撑轴件及第二支撑轴件，所述旋转包含响应于流体流的第二部分的流率而调制旋转速率。

在一个实施例中，一种盘膜组合件包含界定纵轴的支撑轴件，多个轴向隔开膜盘围绕所述纵轴定位，其中每一膜盘包含呈现第一表面及相对第二表面的盘体。第一渗透物载体与第一表面直接接触且第二渗透物载体与第二表面直接接触。第一过滤膜与第一渗透物载体直接接触且第二过滤膜与第二渗透物载体直接接触。

本发明的其它特征及方面将通过考虑下列详细描述及附图而变得明显。

附图说明

图1是交叉流膜处理系统的示意图。

图2是图1的处理系统的交叉流膜子系统的透视图。

图3是图2的交叉流膜子系统的另一透视图。

图4是交叉流膜子系统的容器的透视图。

图5是图4的容器的另一透视图。

图6是膜盒子组合件的透视图。

图7是图6的膜盒组合件的另一透视图。

图8是图6的膜盒子组合件的膜堆叠的透视图。

图9是图8的膜堆叠的侧视透视图。

图10是图8的膜堆叠的一部分的分解图。

图11是图8的膜堆叠的一部分的细节图，其说明盘、渗透物载体及膜的布置。

图12是沿图9的线12-12取得的部分剖视图。

图13是具有插入容器内的膜盒组合件的交叉流膜子系统的透视图。

图14是沿着图3的线14-14取得的横截面图。

图15是另一膜盒组合件的透视图。

图16是沿着图15的线16-16取得的横截面图。

图17是图1的处理系统的操作馈料槽序列的示意图。

图18是图1的处理系统的操作加压序列的示意图。

图19是图1的处理系统的操作流调整序列的示意图。

图20是图1的处理系统的操作驱动序列的示意图。

图21是图1的处理系统的操作碱性CIP序列的示意图。

图22是图1的处理系统的操作酸性CIP序列的示意图。

在详细说明本发明的任何实施例之前，应了解，本发明在其应用上并不限于在下列描述中提出或在下列图式中说明的构造的细节及组件的布置。本发明能够支持其它实施例且能够以各种方式实践或实行。此外，应了解，本文中使用的措辞及术语是出于描述的目的而不应被视为限制。

具体实施方式

图1是具有高速交叉流膜子系统100的交叉流动态膜处理系统10的示意图。系统10还包含：支撑系统120，其具有馈料阀122、馈料槽124、馈料泵128；化学品供应系统130，其包括碱性化学品泵131A及酸性化学品泵131B；滞留物系统132；及渗透物收集系统134，其包含存放渗透物供后续最终使用的渗透物槽140，及在一些实施例中的渗透物转移泵(未展示)。馈料槽124可包含液面传感器150、温度传感器152，及pH传感器154、混合器156，及加热器158。其它流体转移组件(例如转移及再循环泵)连同关联的配管、阀门及计量装置可被包含于系统10中，但无需具体描述。支撑系统120可包含本地控制面板(未展示)，或与膜子系统100的电气与电子组件以及系统10的组件通信的远程控制面板(见图1)。控制面板安放电气面板且进一步尤其包含可编程逻辑控制器(PLC)、电机起动器、变频驱动器(VFD)及用户接口(例如触摸屏HMI(人-机接口)及/或手动开关、旋钮及指示器灯)。

参考图2及3，高速交叉流膜子系统100包含通过自身由轮子或脚轮208支撑的移动支撑框架204来支撑的压力容器200。呈电机220形式的驱动器被固定地附接到支撑框架204、通过控制面板及VFD控制，且可操作地连接到限定在皮带护罩228内的传动皮带224。在其它实施例中，可使用气动或液压驱动器来代替变电驱动器。

还参考图4及5，压力容器200提供以正表压经额定用于膜子系统100的操作的密封限定室、区域或体积230，且包含端封器240及具有围绕圆周边缘252的多个门托架248的铰链封器或门244，所述边缘经配置以接合枢轴附接到容器主体260的相对的多个枢轴螺栓256。

容器200的定向可为近似水平、近似垂直(相对于地表面)，或为了可维护性且占据特定安装中可用的空间而处于倾角。

压力容器200包含用于连接入口或馈料导管274的馈料端口270及用于连接出口或浓缩物导管284的排放端口280。端口270、280可具有已知与此类容器搭配使用的任何类型，例如，呈笔直或肘形凸缘连接件形式，且具有或不具有额外配管以使端口连接件延伸远离容器主体260。

在一些实施例中，单个馈料端口270通向分配联箱(未展示)，其在容器200内沿着内表面290的一部分延伸且具有多个出口。在说明的实施例中，替代地利用沿着容器200的长度(从第一末端到第二末端，即，从端封器240到门244，或反之亦然)隔开的多个不同馈料端口270。馈料端口270各自连接到入口控制阀294，且每一入口阀294与入口歧管298及具有额外导管连接件(例如“快速”导管连接件310)的馈料线安全阀302流体连通。说明的歧管298的另一侧以子系统入口端口314结束。在容器曲率(取决于定向)的顶点处的通气孔324包含使容器200的内部与外部空气连通的手动或自动阀328。

馈料端口270中的一或多者还可充当用于现场清洁(CIP)连接件的CIP端口。例如，先前描述的入口歧管298及入口端口270的整体可兼作CIP连接件。或者，在无说明的入口歧管298的实施例中，不同馈料端口270中的一或多者可替代地作为个别CIP端口(例如，居中馈料端口270)，而保留侧向馈料端口270用于入口馈料液体。连同CIP连接件一起提供具有进气阀322的压缩空气连接件320，将在下文详述其目的。

在一些实施例中，单个排放端口280从容器200引出。在说明的实施例中，沿着容器200的长度隔开且由支撑框架204支撑的多个不同排放端口280各自经由浓缩物出口284连接到出口控制阀330，其中的每一者与子系统100的出口歧管334及出口端口338流体连通。

沿着容器主体260的外表面定位多个监测端口(例如观察端口340、344)。可存在额外辅助端口，包含垂直隔开端口，以用于视觉液面指示器或液面发射器350及任选地压力发射器354的使用。

容器200的端封器240包含内部凸缘356(图5)及外部凸缘358。还参考图14，驱动子组合件360包括至少部分界定容器内部内与凸缘356同心的开口368的驱动支撑轴件364。驱动子组合件360通过驱动槽轮370而与传动皮带224合作且进一步包含轴承及密封基座(例如，唇缘密封件)374(图14)，其在组装时穿透端封器240。

包含凸缘382及具有渗透物排放阀386(球形阀、蝶形阀等等)的渗透物导管段384的渗透物子组合件380以渗透物端口388结束。如将在下文进一步描述，渗透物子组合件380覆盖支撑轴件364的末端处的锁定螺帽390且可连接到外部凸缘358。

入口端口314、出口端口338或渗透物端口388中的任一者可与用于监测及系统调整的额外压力及/或流发射器连通。

在容器200的内部中，敞开歧管或槽394可被固定到容器200的内壁290以均匀分配来自馈料端口及/或CIP端口270中的一或多者的馈料流。具体地说，槽394可邻近馈料端口及CIP端口270的整体纵向延伸。或者，槽394仅邻近一些馈料端口及CIP端口270而定位。无关于定位，槽394包括以成形边缘397(例如，锯齿形状，沿着槽394的所有或一部分长度)弓形地或以其它方式形成的限定体积。

容器主体260的内部进一步呈现多个内部安装轨道396，其被固定地附接到内表面290且经定位以接纳膜盒组合件400。在说明的实施例中，四个内部安装轨道396经定位以近似90度分离且经焊接或以其它方式永久地附接到圆形内部290。每一轨道396包括90度弯曲部且可为(例如)具有用于焊接的隔开支撑板398的角铁的段。在其它实施例中，一个、两个、三个或五个或五个以上安装轨道396可围绕内部290附接并定位。

如下文进一步描述，将开口368与内部安装轨道396合作地对准，用于插入膜盒组合件400。

参考图6，膜盒组合件400包含位于由多个插入轨道424构造的框架420内的多个膜子组合件或堆叠410。形成插入轨道424用于与内部安装轨道396的位置接合。插入轨道424在相对末端框架部件430、434之间延伸，且额外支撑结构440还可向框架420提供结构稳定性。在图15的替代实施例中，居中板或挡板444也在末端框架部件430、440之间延伸，且如图16中所展示至少部分延伸进入膜堆叠410之间形成的空间中。挡板444可被定位在膜堆叠410之间的一侧或两侧(即，在图16中展示两个挡板444)处。在又其它实施例中，一或多个挡板444替代地附接到容器主体260，且更特定地从容器200在室230内的内表面290径向向内突出，使得挡板444在定位于容器200内时至少部分延伸进入两个膜堆叠410之间形成的空间中。在一些实施例中，前述歧管或槽394可被安装或以其它方式固定到膜盒组合件400，例如，在组合件400的顶部上。

可将一或多个径向挡板446可移除地或固定地安装在盒组合件400上方及/或下方且安装到盒框架420。挡板446经定位以至少部分阻隔盒组合件400的顶端及/或底端处、盘的外部外围与容器200的内表面290之间的敞开空间(下文进一步详述)。挡板446可沿着框架420的长度相等或不等地隔开。在一些实施例中，挡板446可彼此轴向偏离，或分别倾斜到相对于盒组合件400的顶部及/或底部的一侧或另一侧。在又其它实施例中，可使用一或多个挡板，其中的任一者或所有者被放置在沿着框架或在容器200内的任何点处。在一些应用中，挡板446的数目及位置取决于堆叠410长度与盘500的直径的长度与直径比率。

框架420包含操纵把手450及每一末端框架部件处的连接件组合件460、464。连接件组合件460中的第一者呈现与凸缘474同心的支撑轴承470。框架420的另一侧上的第二连接件组合件464包含与两个封顶凸缘484同心的支撑轴承480。在下文所描述说明的实施例中，膜盒组合件400内的膜堆叠410的数目是两个，但是也可使用具有适当配置框架420的一个或三个或三个以上膜堆叠410，其中容器200适于接纳三个或三个以上膜堆叠410。

在一些实施例中，轮盒托架(未展示)经配置以支撑并运送膜盒组合件400且可包含接纳轨道以支撑框架420的插入轨道424中的两者或两者以上，但是也预期将一或多个膜组合件400运送到压力容器200的其它方法。

如图8及9中所展示，每一膜堆叠410包括其间具有轮毂510的一系列轴向隔开膜覆盖的盘(“膜盘”)500。还参考图10，每一盘体514被相对渗透物载体518夹在中间。每一渗透物载体518的相对面向外侧522邻接过滤膜530。膜530可为逆渗透(RO)、纳米过滤(NF)、超过滤(UF)或微过滤(MF)膜。

还参考图11，每一盘体514是由刚性、大体上无孔塑料、陶瓷、金属、基于生物学(例如，生物组织)或类似材料构造，其径向延伸且以相对外围唇缘544及外围边缘546结束，其中渗透物载体518及膜530经定位使得膜530与外围唇缘544的外表面548近似齐平。在其它构造中，端帽(未展示)可被固定到盘514的外围以形成凹部，渗透物载体518与膜514被齐平地定位在所述凹部中。在另一实施例中，可在盘514的外部边缘上形成端帽以囊封膜530及载体518。在又其它实施例中，渗透物载体并不存在，且盘体514在构造上是多孔或半多孔的，且与膜530的表面直接接触。或者，上述盘514可由烧结金属、金属板、陶瓷构造，或任选地由基于生物学的材料构造。每一盘包含多个渗透物收集孔550。

参考图10，如提及，轮毂510是在每一盘/膜集500之间，其中垫片554将每一轮毂510与邻近膜530的表面分离。如将在下文进一步描述，轮毂510及垫片554形成有经定位以容纳渗透物流的相应孔558、560，其中垫片554密封孔558、560以将渗透物流限定在内。盘514、渗透物载体518、膜530、轮毂510及垫片554均围绕具有纵轴572的中心轴件570共轴对准且从而形成盘间距，即，轴向中心对中心盘距离D(图9)，其可从0.125英寸或更小变化为2.0英寸或更大，优选间距为0.25英寸。在一些行业应用中，盘514可在径向大小上变化以优化特定系统中的可用表面积，且盘直径可从近似4英寸或更小变化为高达6英尺或更大。此外，可针对盘514之间的不同间距D改变轮毂组合件尺寸。此外，膜堆叠410的每一末端可包含充分比较分配重量的板或飞轮580。在一些应用中，除说明的末端位置外或代替说明的末端位置，此板580可被定位在膜堆叠410自身内。

将盘514、轮毂510及垫片554逐层组装在轴件570上。在渗透物排放末端(对应于框架420的第一连接件组合件460的末端)，多个导管590(各自与孔550、558、560的相应对准相关联)各自形成将末端轮毂510连接到包括渗透物管610的渗透物收集组合件600的弯曲部，所述渗透物管经步进或以其它方式经配置用于配接驱动支撑轴件364及支撑轴承470。在阻隔末端(对应于框架420的第二连接件组合件464的末端)，螺纹夹具620用来压缩具有垫片554及轮毂510的膜盘500以形成多个纵向渗透物通道630，其是通过孔550、558、560界定且与所述孔一致，且具有盘间距D，其将在操作期间相对于容器200内容物的剩余部分流体密封。通过由螺纹夹具620施加的压缩保持整个膜堆叠410。

每一膜堆叠410随后被安装到框架420上且可旋转地耦合到支撑轴承470。具体地说，如图6、7及16中所展示，膜堆叠410被定位在框架420内，使得盘500重叠，形成重叠区域640，其中一个膜堆叠410的盘500交替散置在其它膜堆叠410的盘间距D内，且反之亦然。重叠区域640的径向距离可变化，且一些应用中邻近盘之间的间隙从表面到表面近似为0.25英寸。在其它实施例中，一个膜堆叠410的盘500根本不与其它膜堆叠410的盘500重叠。第二连接件组合件464接着被封顶。为了便于组装，可替代地将挡板444可移除地耦合到框架420，使得一或两者在膜堆叠410被安置在框架420内之后附接到框架420。接着，可将组装的膜盒组合件400布置在盒托架上供运送。

为组装完整高速交叉流膜子系统100，必须首先将膜盒组合件400插入到容器200中。为了将膜盒组合件400插入到容器中，操作者将盒组合件400运送到容器200且沿着容器主体260的内表面290将框架420的插入轨道424(在当前描述的实施例中为四个)与安装轨道396对准。接着，操作者沿着安装轨道396的长度将盒组合件400推到容器200中，这将使渗透物管610与开口368自动对准。渗透物管610将穿过容器200的端封器240，包含相应驱动支撑轴件364、相关联的轴承及密封基座374，以及驱动槽轮370。接着，拧紧用于每一渗透物管610的锁定螺帽390，其将渗透物管固定到驱动支撑轴件364。包含导管段384及阀386的凸缘382被固定到相应外部凸缘358。可将用于驱动子组合件360的密封与锁定组件的其它配置(例如驱动轴承及非驱动轴承唇缘密封件，或其它轴件密封件)可操作地定位在渗透物管610与端封器240之间或任选地配置有渗透物子组合件380。在所有实施例中，膜子组合件400是从容器200的外部固定在所述容器200内。

内部轨道396在插入时支撑膜盒组合件400。在一些实施例中，前述挡板446替代地包括可在插入盒组合件400之后定位在容器200内的挡板插入物。在又其它实施例中，在插入盒组合件400之前可将一或多个挡板可移除地或固定地固定到内表面290。

其后，操作者闭合铰链门244以建立水密壳体。在膜盒组合件400处在适当位置且渗透物管610与渗透物子组合件380连通的情况下，可操作膜系统100。

在操作中，首先确定并通过液面传感器150监测馈料槽124的液面。参考图1及17，如果尚未感测到液面传感器“低”状态(步骤1010)，那么打开馈料阀122以允许馈料流进入槽124中(步骤1018)。如果至少“低”状态被感测到，那么起动槽124内的混合器156(步骤1014)。一旦激活混合器156，如果液面传感器“高”状态(步骤1030)被确定，那么闭合馈料阀122(步骤1034)，否则馈料阀122保持打开(步骤1038)。同时，温度传感器152监测槽124的内容物的温度(步骤1050)且开启(步骤1054)或关闭(步骤1058)加热器158以相对于温度设置点调整馈料温度。

还在槽124内调整馈料pH。在混合器156开启的情况下，pH传感器154确定馈料相对于pH设置点的pH(步骤1060)。如果所感测pH小于pH设置点但不大于pH设置点减去偏移因子或值(步骤1064)，那么激活碱性化学品泵131A(步骤1068)。如果所感测pH大于pH设置点减去偏移因子，那么将碱性泵131A撤销激活(步骤1072)。同样地，如果所感测pH大于pH设置点但不小于pH设置点加上偏移因子(步骤1080)，那么激活酸性化学品泵131B(步骤1084)。如果所感测pH小于pH设置点加上偏移因子，那么将酸性泵131B撤销激活(步骤1088)。

参考图18，一旦确定前述馈料参数且满足液面传感器“高”状态(步骤1110)且液面传感器“低”状态是操作或真的(步骤1114)，激活馈料泵128(如果液面传感器“低”状态为假，那么将馈料泵128撤销激活(步骤1118))。

根据PLC的程序，将待处理的液体馈送通过入口端口314，通过歧管298及敞开入口控制阀294，并经由一或多个馈料端口270进入压力容器200中以将液体分配在压力容器200内的所安装膜堆叠410的一些或所有长度上。在存在槽394的情况下，馈料将充满限定体积且在边缘397上散开。在液体的此流入期间，通过通气孔324清除容器200内的空气。

特定馈料端口270及排放端口280的使用可取决于应用。在一些应用中，例如，较接近端封器240及铰链门244中的一者的馈料端口270可被打开用于馈料流入(其它馈料端口270闭合)，而轴向(即，纵向于容器200或垂直于容器直径)相对排放端口280经打开用于浓缩物排放(其它排放端口280闭合)，以便提升待在容器200内处理的介质的轴向流动的程度。此配置可最大化跨膜堆叠410的所有膜530的合计平均通量率。在其它应用中，(三者中的)中心馈料端口270经打开以用于馈送流，而所有三个排放端口280均打开。可取决于待处理介质、所使用膜530、盘500的所需旋转速度、所需渗透物通量或流率，或考虑其它因子而打开或闭合馈料端口270及排放端口280的任何组合。

监测容器200内的压力，且如果其等于预定设置点压力(步骤1130)并大于最小设置点压力(步骤1134)，那么设置系统“接通”状态(步骤1140)。控制系统以维持设置点压力：如果容器200内的压力小于设置点压力(步骤1144)，那么经由VFD增大泵128速度(步骤1148)；如果容器200内的压力大于设置点压力，那么通过VFD减小泵128速度(步骤1152)。如果容器压力下降到最小设置点压力以下，那么系统不再处于“接通”状态(步骤1160)。

在系统状态(步骤1170)“接通”的情况下，同时起动驱动器220且膜堆叠410通过皮带驱动器224以所需旋转速率旋转。堆叠410及皮带224经配置使得皮带224在容器200内在相同方向上旋转每一堆叠410。板580提供压载或“飞轮”作用到旋转膜堆叠410。还参考图19，最初通过歧管334下游的阀330及/或阀700(见图1)来关闭浓缩物排放，除非系统状态是“接通”(步骤1172)。调整来自容器的浓缩物流以维持预定VCF(体积浓度因子)。具体地说，在步骤1174处基于进入容器200中的经测量流率及VCF来计算所需浓缩物流率。如果经测量浓缩物流等于所需流率(步骤1178)，那么维持来自容器200的浓缩物流率。如果不相等(步骤1182)且经测量浓缩物流率小于所需流率，那么可致动与PLC连通的阀700以增加浓缩物流(步骤1190)。如果经测量浓缩物流率大于所需流率，那么可致动阀700以减少浓缩物流(步骤1194)。阀700还可用来调制此流的体积浓度因子。在一些应用中，除阀700外或代替阀700，阀330可控制或调制来自容器200的浓缩物流。

一旦容器200被填充有液体且加压到适当操作压力，通过如先前所描述浓缩物排放阀330及/或阀700的控制及/或通过馈料泵128的VFD控制来自动地维持容器压力。

在旋转膜堆叠410之后，在容器200的内表面290周围产生所含液体的旋转或旋涡流，其可趋向于使流体的至少一部分成层。此层化阻碍流体在邻近盘500之间的空间中的完全混合。挡板或若干挡板444中断旋涡流且将更多流体转移或重新导向到重叠盘间距D中以增强混合。挡板446用来在操作期间最小化流体在容器200内的轴向混合或循环。

随着压力容器200中的压力增加，跨膜530(在膜530的暴露侧的液体与膜530的渗透物载体侧之间)的横跨膜压力积聚并驱动液体通过每一盘500的膜530。膜取决于膜530的特定性质而将微粒及溶解物质(无机与有机的)与穿过膜530的液体分离。呈渗透物形式的经过滤液体进入渗透物载体518，且径向流向由孔550、558、560形成的渗透物通道630中的一者，所述液体被收集于其中。渗透物是处于足以允许其沿着中心轴件570的长度轴向运送到渗透物子组合件380的压力。在具有多孔盘514的那些实施例中，渗透物径向流动通过多孔盘而进入盘中的开孔中，且通过通道630中的一者。

在此过程期间，归因于每一膜堆叠410的每一盘500的旋转方向，在重叠盘间距D内，一个盘500的表面‘靠近’其它膜堆叠410的其它紧邻盘500的表面。在膜530的表面处、未穿过膜530的液体含有被保留固体，所述固体由通过此相对盘旋转引发的高速维持在悬浮液中。未穿过膜530且含有这些固体的液体继续通过容器200到浓缩物排放端口280，并穿过容器200且到出口端口338作为浓缩物，其中其可经再循环用于额外穿过容器200(穿过与给水连通的额外导管)或以其它方式排放(例如)到排水管或到滞留物系统132。先前描述了浓缩物流的一般调整。从容器200连续地收集浓缩物，且浓缩物在一些实施例中穿过额外背压流率控制阀以维持压力容器200的内部内的压力及/或维持预定固体浓度。

一旦处于所需操作压力，系统100可连续操作，经受渗透物流、容器压力、盘旋转速度、旋转方向、浓缩物排放速率及馈送供应速率的自动控制。作为实例，盘旋转速度可经设置以实现所需每分钟转数(rpm)，以结合足够渗透物流率实现必要交叉流速。还可实时、由传输渗透物流率或由通过入口端口314的流率与离开出口端口338的流率之间的差来识别通过膜530的通量率。接着，必要时可调整驱动器rpm以获得所需渗透物流率。参考图20，在适当压力下(否则驱动器220停止旋转膜堆叠410，步骤1198)，基于馈料流与浓缩物流之间的差来计算渗透物通量率(步骤1200)。如果通量率对应于预定通量设置点(步骤1204)，那么系统继续其当前操作。

调制盘500的旋转速度以维持渗透物通量率。具体地说，如果在步骤1210处通量率大于设置点，那么VFD操作的驱动器220减少(步骤1214)，从而减小膜堆叠410的旋转速度。如果在步骤1210处通量率小于设置点，那么将驱动器220的旋转速度与最大旋转速度比较(步骤1220)；如果未超过此最大值，那么增大驱动器220的旋转速度(步骤1224)。

如果超过最大旋转速度，那么起始电机控制序列。使用此控制序列，增加计数器(步骤1230)且将“斜升”计数与斜升最大值比较(步骤1234)。如果不大于斜升最大值，那么起始斜升清洁循环(步骤1240)，其中盘500的旋转速度经显著增大以增大跨膜表面的速度。因此，如果渗透物通量率随时间下降，那么可暂时增大驱动器220rpm以增大两个膜表面之间的相对速度，从而产生增强的“自清洁”作用。随着渗透物通量率其后增大，必要时可调整驱动器220rpm使其回落。如果斜升计数大于最大值，那么激活警报(步骤1244)，增加反向计数器(步骤1248)，且将反向计数器与反向最大值比较(步骤1254)。如果反向计数器值不大于反向最大值，那么在斜升清洁循环(在相反方向上)之前于预定时间内反转驱动器220的方向(步骤1260)。如果其大于反向最大值，那么操作停止且关闭系统(步骤1264)以进行清洁。

一般来说，盘旋转可为间歇性或周期性循环以减少操作期间的能量消耗，但仍维持充分膜交叉流。在一些实施例中，如描述，可在旋转方向上周期性反转盘堆叠410。对穿过如先前所描述浓缩物控制阀330或阀700的浓缩物流率的控制与渗透物通量率计算同时发生以允许系统100将浓缩物中的固体浓缩到所需水平。

因此，膜过滤器可用来通过相对于以跨膜表面的高速泵抽液体而旋转液体内的膜表面，从而运用减少的能量实现固体与液体的分离。较高交叉流速导致通过膜530的较高操作通量及减少的膜堵塞。旋转盘500在平行轴件570上的散置导致膜表面上的平均流速及分配。

周期性地及/或响应于操作期间处于给定压力的减少的渗透物流率，在短周期内使系统100停止运行以对膜530进行化学清洁(CIP或现场清洁)。这可通过将处于优选温度的低pH(酸性)及/或高pH(碱性)化学品及/或清洁剂溶液馈送通过化学品系统120到容器200且在预定周期内再循环通过馈送/再循环槽124来完成。其后，如通过处于给定压力的复原通量所确定，系统100被清除化学溶液且在充分清洁之后重新投入运行。或者，将特定数量的化学溶液通过指定CIP馈料连接件引入到容器200。经由槽394将CIP溶液分配在膜530的表面上。显著地，容器在CIP过程期间未被填充到最大容量。而是，分配较小数量的CIP溶液。接着，旋转盘500以进一步使CIP溶液在膜表面积上散开。将压缩空气通过压缩空气注入端口320注入到容器200中以提供压力且进一步迫使CIP溶液通过膜。

参考图21，说明一种特殊碱性CIP过程。以槽124中的液面传感器150开始(步骤1310)，以液面传感器“高”状态，闭合馈料阀122(步骤1318)且激活混合器156(步骤1324)。如果不符合液面传感器“高”状态，那么打开馈料阀122以填充槽124(步骤1326)。温度传感器152监测槽124的内容物(步骤1330)且开启(步骤1334)或关闭(步骤1338)加热器158以相对于CIP温度设置点(例如，大约120℉)调整馈料温度。

将槽内容物的pH与CIP碱性设置点(例如，近似pH 12)进行比较(步骤1342)且如果不大于设置点，那么激活碱性化学品泵131A(1346)；如果大于设置点，那么使碱性泵131A撤销激活(步骤1350)。

从液面发射器350确定容器200中的液体液面。如果“高”液面(步骤1360)与“低”液面(步骤1364)两者均未被触发，那么激活馈料泵128(步骤1368)。随着容器200中的溶液液面上升，馈料泵128继续提供来自槽124的CIP溶液，直到达到“高”液面为止，此时使馈料泵128撤销激活(步骤1374)。相对于容器内部定位“高”液面及“低”液面，使得“高”液面可远低于容器200的总容量的一半、四分之一或更少。在此特定应用中，CIP过程使用最小数量的溶液，例如，可以只使用50加仑到100加仑的CIP溶液的此过程清洁10,000加仑容量容器。

同时，借助使用压缩空气来维持容器200内部的压力。具体地说，监测容器200内的压力(步骤1380)，且如果小于CIP设置点压力(步骤1384)，那么致动或打开进气阀322以允许压缩空气流入容器200内(步骤1390)。如果容器压力大于CIP设置点压力，那么闭合进气阀322(步骤1394)。一旦压力大于CIP设置点(步骤1400)，便激活驱动器220以在预定时间内旋转盘500(步骤1410)，此后CIP序列完成(步骤1420)。一旦完成(步骤1430)，便闭合入口阀322(步骤1440)且使馈料泵128撤销激活(步骤1450)。

参考图22，说明一种特殊酸性CIP过程，其中相似步骤与图21中说明的前述碱性CIP过程共享相似编号。槽124液面传感器150与温度传感器152如先前描述般操作，将槽内容物的pH与CIP酸性设置点(例如，近似pH 2)比较(步骤1542)且如果不大于设置点，那么激活酸性化学品泵131B(1546)；如果大于设置点，那么使酸性泵131B撤销激活(步骤1550)。酸性CIP过程的剩余部分如先前针对碱性CIP过程描述般。

已超过其使用寿命的膜盒400可从容器200移除且以另一膜盒替换。具体地说，从容器200移除的膜盒400可被载运、传送或以其它方式送到本地或远程设施并清洁，或替代地一些或所有的膜530、渗透物载体518或盘514经替换、重新囊封且载运回到相同系统或到处于另一位置中的另一系统。

为了从容器200移除膜盒组合件400，操作者基本上使先前描述的操作反向。凸缘382(具有导管段384及阀386)被松开并从外部凸缘358移除，从而暴露锁定螺帽390。通过松开锁定螺帽390，每一组合件400的渗透物管610不再与驱动支撑轴件364接合。操作者沿着安装轨道396将盒组合件400拉离容器200。接着，可如先前描述般插入新的或经清洁盒组合件400。

在特定实施例中，系统10可用于水处理、废水处理、海水处理、掩埋场沥出液、压裂水、甜料的净化、产品回收、化学品与溶剂净化、催化剂回收、油/水分离、果汁、葡萄酒与啤酒净化、用于后续过程的预过滤，及类似者。

虽然上文描述本发明的实例实施例，但是不应以限制意义看待这些描述。而是，可作出数个变型及修改，而不脱离本发明的范围。

Claims (18)

1.一种高速交叉流动态膜过滤系统，其包括：

盘膜组合件，其包含

框架，

至少两个支撑轴件，每一支撑轴件界定纵轴，多个轴向隔开膜盘围绕所述纵轴定位，每一轴件进一步经耦合到所述框架，及

渗透物管，其经耦合到每一支撑轴件且与和所述支撑轴件相关联的所述膜盘流体连通；

容器，其界定处理室且经配置以可移除地支撑所述处理室内的所述盘膜组合件，所述容器进一步包含壁；及

驱动系统，

其中所述渗透物管经配置以在所述盘膜组合件被定位在所述处理室内时延伸通过所述容器壁的一部分，所述渗透物管进一步经配置以通过所述驱动系统而旋转，且

其中所述容器包含多个入口端口以及多个出口端口，且其中所述系统经配置以通过与所述多个出口端口的每一可行集或子集组合的所述多个入口端口的每一可行集或子集来选择性地允许对所述容器的接近。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少两个支撑轴件包括第一支撑轴件及第二支撑轴件，且其中与所述第一支撑轴件相关联的多个膜盘被散置在与所述第二支撑轴件相关联的多个膜盘之间。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述渗透物管进一步经配置以顺时针及逆时针旋转。

4.根据权利要求1所述的系统，其进一步包含多个轮毂，每一轮毂在所述多个轴向隔开膜盘的两个邻近盘之间围绕所述至少两个支撑轴件中的一者而定位，所述多个轮毂中的每一轮毂包含与和所述至少两个支撑轴件中的所述一者相关联的所述渗透物管流体连通的至少一个孔。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述多个轮毂一起至少部分地界定与所述至少两个支撑轴件中的所述一者平行的渗透物通道。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个轴向隔开膜盘的所述膜盘各自包含由无孔材料构造的盘体。

7.根据权利要求2所述的系统，其中所述框架包含挡板，所述挡板被至少部分地定位在与所述第一支撑轴件相关联的所述多个膜盘及与所述第二支撑轴件相关联的所述多个膜盘之间。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述框架包含第一及第二末端部件，且其中多个轨道在所述第一末端部件与所述第二末端部件之间延伸，所述多个轨道经定向成大体上平行于所述渗透物管。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个入口端口包括三个入口端口，且其中所述多个出口端口包括三个出口端口。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述容器具有正交于容器长度的容器直径，且其中将所述三个入口端口与所述容器纵向对准，且其中将所述三个出口端口与所述容器纵向对准。

11.根据权利要求2所述的系统，其进一步包含至少一个板，当所述盘组合件被定位在所述处理室内时，所述板耦合到所述容器或耦合到所述盘膜组合件，使得所述至少一个板在所述第一支撑轴件的所述多个轴向隔开膜盘与所述第二支撑轴件的所述多个轴向隔开膜盘之间至少部分地延伸。

12.根据权利要求1所述的系统，其中每一膜盘包含：

盘体，其呈现第一表面及相对第二表面，及

与所述第一表面直接接触的第一渗透物载体，及与所述第二表面直接接触的第二渗透物载体，以及与所述第一渗透物载体直接接触的第一过滤膜，及与所述第二渗透物载体直接接触的第二过滤膜。

13.根据权利要求12所述的盘膜组合件，其中所述第一及第二过滤膜是多孔膜。

14.根据权利要求12所述的盘膜组合件，其中所述盘体是无孔盘体。

15.根据权利要求12所述的盘膜组合件，其中所述盘体进一步包含邻近外部边缘的外围唇缘，且其中所述第一渗透物载体及所述第一过滤部件经定位，使得所述第一过滤部件与所述外围唇缘的外表面大致齐平。

16.一种操作高速交叉流动态膜过滤系统的方法，所述方法包括：

将流体流馈送到压力容器中，所述容器界定限定盘膜组合件的处理室，所述组合件具有第一支撑轴件及第二支撑轴件，每一支撑轴件界定纵轴，多个轴向隔开膜盘围绕所述纵轴定位，其中所述容器包含多个入口端口及多个出口端口，且其中所述系统经配置以通过与所述多个出口端口的每一可行集或子集组合的所述多个入口端口的每一可行集或子集来选择性地允许对所述容器的接近；

将所述流体流分配在所述盘膜组合件的至少一部分上方；

排放来自所述容器的所述流体流的第一部分；

排放来自所述容器的所述流体流的第二部分；

在第一方向上旋转所述第一支撑轴件及所述第二支撑轴件，所述旋转包含响应于所述流体流的所述第二部分的流率而调制旋转速率。

17.根据权利要求16所述的方法，其中将所述流体流分配在所述盘膜组合件的至少一部分上方包含通过与所述容器的第二末端相比更接近第一末端的入口端口来分配所述流体流，且其中排放来自所述容器的所述流体流的所述第一部分包含通过与所述第一末端相比更接近所述第二末端的出口端口来排放所述第一部分。

18.根据权利要求16所述的方法，其进一步包含响应于流参数而在与所述第一方向相反的第二方向上旋转所述第一支撑轴件及所述第二支撑轴件。