CN110248715A - 用于过滤器流管理的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种过滤器流管理系统，其包括：具有入口的筒，流体流可以通过所述入口引入所述筒；多个通道，其位于所述筒内并且被设计成从所述流体流中去除微粒，至少一个通道与所述入口流体连通以接收所述流体流；以及储存器，流动通过所述至少一个通道的流体流可以被引导到所述储存器中并且随后被重定向到至少一个其他通道中。
Description
技术领域
本申请要求2016年10月28日提交的美国临时申请号62/414,129和2017年10月30日提交的美国专利申请号15/797,836的权益和优先权，所述申请的全部内容以引用的方式并入本文中。
本公开总体涉及过滤器，并且更具体地，涉及过滤器流管理系统。
背景技术
交叉流过滤可以用于水处理中，以通过使连续进料溶液跨过滤介质的表面通过来实现分子分离。在水处理以及一些分子分离应用中，进料溶液以一定流量和高于进料溶液的渗透压的压力输送到入口，以使得当一部分进料溶液通过过滤介质时，一定百分比的进料溶液跨过滤介质被切向驱动。
在另一种分子分离方法中，渗透蒸发可用于通过进料流的部分蒸发来选择性地除去痕量污染物，所述进料流跨过滤介质的表面连续地进料。在乙醇渗透蒸发应用中，醇浓度可提高超过溶液的共晶点，这提供比单独蒸馏可能的更高的醇纯度。
平均交叉流速度与进料溶液进入过滤器流动通道的流量速度成线性关系。对于牛顿流体，高平均交叉流速度和高雷诺数减少过滤器结垢，诸如在过滤过程中随着时间的推移“滤饼”的积聚或浓差极化，并且因此降低清洁要求。高平均交叉流速度和高雷诺数还可以通过降低膜表面处的浓差极化层厚度来改善过滤器性能和膜滤除率。
然而，增加流量需要增加泵容量，这需要更多的设备费用和更大的功率需求。因此，需要改进的过滤系统，其实现改进的过滤器流管理，所述过滤器流管理提供高平均交叉流速度而无需更多的设备费用和更大的功率需求。
此外，通常渗透蒸发作为分批过程执行，由此有限体积的乙醇和水部分蒸发并且在多孔或半多孔介质上重复循环。因此，需要改进的渗透蒸发方法，其实现过滤器流管理，所述过滤器流管理提供可以通过使进料溶液通过一系列膜流动通道而获得的连续的、顺序的脱水，同时防止溶液重新引入本地进料流。
发明内容
在一些实施例中，提供了过滤器流管理系统。所述系统包括具有入口的筒，流体流可以通过所述入口引入所述筒。所述系统还包括多个通道，所述多个通道位于所述筒内并且被设计成从所述流体流中去除微粒，至少一个通道与所述入口流体连通以接收所述流体流。所述系统还包括储存器，流动通过所述至少一个通道的流体流可以被引导到所述储存器中并且随后被重定向到至少一个其他通道中。
在一些实施例中，所述入口或所述储存器中的至少一个一体地形成在所述筒内。在一些实施例中，所述通道中的至少一个通道包括定位在所述通道的内表面或外表面上的分子分离膜。在一些实施例中，所述系统还包括出口，所述出口用于允许在所述多个通道中的至少一个通道中流动的流体浓缩物离开所述筒，其中所述流体浓缩物包括所述流体流的一部分，所述部分包括由所述通道去除的所述微粒。在一些实施例中，所述系统还包括至少一个附加储存器，流动通过所述多个通道中的至少一个通道的流体流可以被引导到所述至少一个附加储存器中并且随后被重定向到至少一个附加通道中。在一些实施例中，所述系统还包括具有定位在其中的所述筒的壳体，所述壳体用于收集从所述通道渗透出的滤出物，所述滤出物包括所述流体流的一部分，在所述部分中所述微粒已由所述通道去除。
在一些实施例中，所述系统还包括第二筒，所述第二筒与所述筒串联布置，以使得从所述筒的出口排出的流体流被引入所述第二筒的第二入口。在一些实施例中，所述系统还包括具有定位在其中的所述筒和所述第二筒两者的壳体，所述壳体用于收集从所述通道渗透出的滤出物，所述滤出物包括所述流体流的一部分，在所述部分中所述微粒已由所述通道去除。在一些实施例中，所述系统还包括第二筒，所述第二筒与所述筒并联布置，以使得所述流体流被同时引入所述筒的所述入口和所述第二筒的第二入口。在一些实施例中，所述系统还包括具有定位在其中的所述筒和所述第二筒两者的壳体，所述壳体用于收集从所述通道渗透出的滤出物，所述滤出物包括所述流体流的一部分，在所述部分中所述微粒已由所述通道去除。在一些实施例中，所述系统还包括与所述筒的第一端流体连通的第一歧管。在一些实施例中，所述系统还包括与所述筒的第二端流体连通的第二歧管。在一些实施例中，所述储存器形成在所述第一歧管或所述第二歧管中的至少一个中。在一些实施例中，所述第一歧管和所述第二歧管中的至少一个可与所述筒可移除地接合。
在一些实施例中，提供了用于管理过滤系统中的流的方法。所述方法包括通过将流体流引导到筒的入口来将所述流体流引入具有多个通道的所述筒，所述多个通道被设计成从所述流体流中去除微粒。所述方法还包括使所述流体流流动通过与所述入口流体连通的至少一个通道。所述方法还包括将所述流体流引导到与所述至少一个通道流体连通的储存器中。所述方法还包括通过所述储存器将所述流体流重定向到至少一个其他通道中。
在一些实施例中，所述方法还包括将所述流体流从所述多个通道中的至少一个通道引导到至少一个附加储存器中。在一些实施例中，所述方法还包括通过所述至少一个附加储存器将所述流体流重定向到至少附加通道中。在一些实施例中，所述方法还包括在围绕所述筒定位的壳体中收集从所述通道出来的滤出物，所述滤出物包括所述流体流的一部分，在所述部分中所述微粒已由所述通道去除。在一些实施例中，所述方法还包括通过将流体浓缩物从所述多个通道中的至少一个通道引导到出口而从所述筒排出所述流体浓缩物，其中所述流体浓缩物包括所述流体流的一部分，所述部分包括由所述通道去除的所述微粒。在一些实施例中，所述方法还包括通过将所述流体浓缩物引导到第二筒的第二入口而将所述流体浓缩物引入所述第二筒。在一些实施例中，所述方法还包括在围绕所述筒和所述第二筒定位的壳体中收集从所述通道出来的滤出物，所述滤出物包括所述流体流的一部分，在所述部分中所述微粒已由所述通道去除。在一些实施例中，所述滤出物包括水或水蒸气中的至少一种。
在一些实施例中，提供了过滤器流管理系统。所述系统包括第一歧管，所述第一歧管具有穿过其延伸的入口，以将流体流引导到位于筒内的第一组通道中，所述筒具有被设计成从所述流体流中去除微粒的多个通道。所述系统还包括第二歧管，所述第二歧管具有第一储存器，所述第一储存器被配置来从所述第一组通道接收所述流体流并且将所述流体流重定向到位于所述筒中的第二组通道中。所述系统还包括延伸穿过所述第一歧管或所述第二歧管的出口，以从所述系统排出流体浓缩物，其中所述流体浓缩物包括所述流体流的一部分，所述部分包括由所述通道去除的所述微粒。
在一些实施例中，所述第一组通道和所述第二组通道具有相同数量的通道。在一些实施例中，所述第一组通道和所述第二组通道具有不同数量的通道。在一些实施例中，所述多个通道中的至少一个通道包括定位在所述通道的内表面或外表面上的分子分离膜。在一些实施例中，所述系统包括在所述第一歧管和/或所述第二歧管上限定的奇数个储存器，并且所述出口延伸穿过所述第二歧管。
附图说明
从以下结合附图的详细描述中将更清楚地理解说明性的、非限制性示例性实施例。
图1A是根据各种实施例的包括过滤器流管理系统的过滤系统的分解图。
图1B是根据各种实施例的包括过滤器流管理系统的过滤系统的壳体组件的分解图。
图1C是根据各种实施例的包括过滤器流管理系统和壳体组件的过滤系统的组装图。
图2是根据各种实施例的滤筒的透视图。
图3A是根据各种实施例的入口歧管的顶视图。
图3B是根据各种实施例的入口歧管的剖视图。
图3C是根据各种实施例的入口歧管的侧视图。
图4A是根据各种实施例的出口歧管的顶视图。
图4B是根据各种实施例的出口歧管的剖视图。
图4C是根据各种实施例的出口歧管的侧视图。
图5A是根据各种实施例的端盖的底视图。
图5B是根据各种实施例的端盖的侧视图。
图5C是根据各种实施例的端盖的剖视图。
图6是示出根据各种实施例的用于管理过滤器流的方法的流程图。
图7A是根据各种实施例的包括过滤器流管理系统的渗透蒸发系统的透视图。
图7B是根据各种实施例的包括过滤器流管理系统的渗透蒸发系统的分解内部图。
图8是根据各种实施例的包括过滤器流管理系统的另一个渗透蒸发系统的分解图。
图9是用于家庭水过滤的现有技术系统的示意图。
图10是根据各种实施例的用于家庭水过滤的系统的示意图，所述系统包括过滤器流管理系统。
图11A是现有技术的并联流过滤系统的示意图。
图11B是现有技术的串联流过滤系统的示意图。
图12示出根据各种实施例的包括过滤器流管理系统的串联流过滤系统。
具体实施方式
在下文中将参考附图更全面地描述各种示例性实施例，在附图中示出一些示例性实施例。然而，本公开可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为限于本文所阐述的示例性实施例。相反，提供这些示例性实施例，以使得本公开将彻底且完整，并且将本公开的范围完全传达给本领域技术人员。在附图中，为了清楚起见，可夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。相同的标号始终是指相同的元件。
除非另外定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同意义。例如，当一个元件被称为与另一个元件“可操作地接合”时，这两个元件以允许从一个元件到另一个元件的流体连通的方式接合。“滤出物”是指进料流的通过过滤器(例如膜)并且因此不包括微粒、污染物和/或由过滤器除去的其他材料的那部分。在一些实施例中，滤出物可以是感兴趣的产物、次生产物或不需要的废物。相反，“浓缩物”(也称为渗余物)是指进料流的在过滤过程中不通过过滤器并且因此包括微粒、污染物和/或由膜保留或除去的其他材料的那部分。在一些实施例中，浓缩物可以是例如感兴趣的产物、次生产物或不需要的废物。将进一步理解，例如通常使用的词典中定义的那些术语应被解释为具有与其在相关技术的上下文中的含义一致的含义，且将不在理想化或过度正式的意义上解释，除非本文明确这样定义。另外，当使用术语“微粒”时，它还指在从滤出物中除去并且保留在浓缩物中方面对其感兴趣的任何其他污染物(分子的或生物的)。
本公开的实施例总体提供用于过滤系统的流管理。在一些实施例中，本公开的系统可以使用在多通道滤筒的相对端部处形成的储存器来引导和重定向流体流串联通过通道。
图1A提供根据本发明的各种实施例的过滤系统组件100的分解图。组件100包括具有位于其中的至少两个过滤器通道(未示出)的过滤元件(筒)101。如图1A所示，在一些实施例中，筒101可以是细长结构，通道延伸穿过所述细长结构。通常，筒101可以提供过滤以将滤出物与流体流的渗余物(浓缩物)分离。现在参考图2，在一些实施例中，筒101可以包括穿过其延伸的多个过滤器通道201。尽管在本文中示出为具有圆形横截面，但是鉴于本公开将显而易见的是，可以根据各种实施例使用任何横截面形状。例如，在一些实施例中，筒101可以具有矩形、正方形、八边形、六边形、星形、任何其他合适的横截面形状构型或其组合。虽然筒101在本文中示出为具有十九(19)个过滤器通道201，但是鉴于本公开将显而易见的是，根据各种实施例的筒101可以具有任何数量的过滤器通道201。
根据各种实施例，筒101可以由具有合适的孔隙率、孔径和耐化学品性的任何材料构成，以允许滤出物通过其中。例如，在一些实施例中，筒101可由氧化铝陶瓷膜构成，购自Atech Innovations gmbh,类型19/33，具有直径为3.3mm、长度为1000mm的19个通道。也可以使用来自Atech的其他陶瓷膜筒(例如，具有不同数量的通道、不同直径和/或不同长度)或来自其他供应商的筒。
在一些实施例中，形成筒101的材料可以提供流体流的过滤。在一些实施例中，过滤可以由定位在过滤器通道201的内表面或外表面上的一个或多个膜提供。膜可以由任何合适的材料(诸如多孔陶瓷或聚合物)构成，并且通常可以包括比筒101材料更小的孔，用于过滤进料流体的较小污染物(渗余物)。在一些实施例中，可以根据美国专利号8,426,333中描述的分子分离系统和方法提供膜，所述专利的全部公开内容并入本文中。
一旦膜定位在通道201的内表面和/或外表面上，所得的通道可用于过滤，诸如交叉流过滤。在一些实施例中，在筒101内提供多个通道201而不是单个较大的通道可以增加总膜表面积，同时减小筒101的尺寸。在流体流平行于膜过滤表面移动的交叉流过滤过程中，大于膜的孔径的分子可以沿着筒101的通道201通过，而较小的分子可以作为滤出物的一部分通过膜。
如图1A所示，组件100还可以包括第一歧管103a和第二歧管103b，所述第一歧管和第二歧管定位在筒101的相对端部处，用于管理通过筒101的流。如图1A所示，在一些实施例中，歧管103a、103b可以是单独的元件，其能够永久地或可移除地附接到筒101的端部。在一些实施例中，使用可移除歧管103a、103b可以便于进入(access)以清洁过滤器通道201。在一些实施例中，使用可移除歧管103a、103b还可以允许流体流路的模块化重新配置，例如，通过用具有不同数量的储存器的其他歧管替换歧管103a、103b。然而，鉴于本公开将显而易见的是，在一些实施例中，第一歧管103a或第二歧管103b中的至少一个可以一体地形成在筒101内。通过提供具有形成在其中的通道和歧管103a、103b两者的单件式筒101，这种集成的实施例可以提高流管理系统的简单性和耐用性。根据各种实施例，第一歧管103a和第二歧管103b可由任何合适的材料(包括例如金属、塑料、陶瓷、与筒101相同的材料、任何其他合适的材料或其组合)构成。
现在参考图3A，第一歧管103a包括穿过其延伸的入口通道301。入口301，如图3B所示，可以延伸穿过第一歧管103a以允许过滤器进料流通过入口301进入筒的过滤器通道201中的一个或多个。如图3A和图3B所示，在一些实施例中，入口301可包括变化的横截面流路尺寸和形状。例如，这种配置可以提供用于在第一端部处接收来自进料流递送体系的进料流的接口和用于在第二端部处将进料流递送到所需数量的通道201的接口。然而，鉴于本公开将显而易见的是，在一些实施例中，入口301可以包括恒定的横截面流路尺寸和形状。
仍然参考图3A，第一歧管103a还可以包括第一储存器303和第二储存器305，每个储存器用于接收在筒101的一个或多个通道201中流动的流，并且将所接收的流重定向到筒101的一个或多个附加通道201中。在一些实施例中，图3A所示的储存器303、305中的每一个的尺寸和形状可以被设计以放置成与筒101的通道201中的一个或多个密封对准。如图3C所示，储存器303、305可以形成为第一歧管103a的表面上的凹部。然而，鉴于本公开将显而易见的是，在一些实施例中，储存器303、305中的一个或多个可替代地一体地形成在筒101内，以使得不需要歧管103a。此外，鉴于本公开将显而易见的是，根据各种实施例，可以使用允许流体从至少一个通道201引导到储存器中并且从储存器重定向到至少一个附加通道201中的任何储存器配置。
现在参考图4A，第二歧管103b还可以包括第一储存器401和第二储存器403，每个储存器用于接收在筒101的一个或多个通道201中流动的流，并且将所接收的流重定向到筒101的一个或多个附加通道201中。在一些实施例中，图4A所示的储存器401、403中的每一个的尺寸和形状可以被设计以放置成与筒101的通道201中的一个或多个密封对准。如图4C所示，储存器401、403可以形成为第二歧管103b的表面上的凹部。然而，鉴于本公开将显而易见的是，在一些实施例中，储存器401、403中的一个或多个可替代地一体地形成在筒101内，以使得不需要歧管103b。此外，鉴于本公开将显而易见的是，根据各种实施例，可以使用允许流体从至少一个通道201引导到储存器中并且从储存器重定向到至少一个附加通道201中的任何储存器配置。
如图4B所示，第二歧管103b还可以包括延伸穿过第二歧管103b的出口405。如图4B所示，出口405可以延伸穿过第二歧管103b，以允许在过滤器通道中的一个或多个中流动的浓缩流体流(也称为如上定义的浓缩物或渗余物)通过其离开筒101。如图4A和图4B所示，在一些实施例中，出口405可包括变化的横截面流路尺寸和形状。这种配置例如可以提供用于从一个或多个通道201接收浓缩物并且引导浓缩物离开筒101进入例如废物流或再循环流的接口。然而，鉴于本公开将显而易见的是，在一些实施例中，出口405可以包括恒定的横截面流路尺寸和形状。
尽管第一歧管103a在图3A至图3C中示出为包括入口301并且第二歧管在图4A至图4C中示出为包括出口405，但是鉴于本公开将显而易见的是，根据各种实施例，每个歧管103a、103b可以包括任何数量的储存器以及入口、出口、入口和出口两者、或者既没有入口也没有出口的任何组合，这取决于在筒101中形成的过滤器通道201的数量和在每次通过筒101时流体流被引导通过的通道201的数量。具体地，对于被配置成使得流体流奇数次通过筒101的实施例，出口可以定位在筒101的与入口相对的端部处。另一方面，对于被配置成使得流体流偶数次通过筒101的实施例，入口和出口可以定位在筒101的相同端部上。
在使用中，第一歧管103a和第二歧管103b可以被配置来协同工作以通过在多次“通过”筒101的过程中将流串联地引导通过通道201来将流体流从入口301引导到出口405。根据各种实施例，筒101、通道201和歧管103a、103b可被配置来根据需要在较多或较少次通过筒101的过程中引导流，这取决于例如在筒101中存在的通道201的数量、每个歧管103a、103b中的储存器的数量、过滤系统的泵容量和进料流的流量。
在一些实施例中，流可以在每次通过时被引导通过单个通道201。在一些实施例中，流可以在每次通过时被引导通过多个通道201。在一些实施例中，流可以在每次通过时被引导通过相等数量的通道201。在一些实施例中，流可以从一次通过到另一次通过被引导通过不同数量的通道201。
例如，在图1A的组件100中，筒101可以包括19个通道201，并且第一歧管103a和第二歧管103b可被配置来引导流体流通过五次，其中第一次通过是从第一歧管103a的入口301到第二歧管103b的第一储存器401，第二次通过是从第二歧管103b的第一储存器401到第一歧管103a的第一储存器303，第三次通过是从第一歧管103a的第一储存器303到第二歧管103b的第二储存器403，并且第四次通过是从第二歧管103b的第二储存器403到第一歧管103a的第二储存器305。对于前四次通过中的每一次，流体流可以被一次引导通过四个过滤器通道201，总共使用16个通道。随后，对于第五次的最后一次通过，仅剩下三(3)个通道201，用于将流体流从第一歧管103a的第二储存器305引导到第二歧管103b的出口405，以离开筒101，用于随后的处理、再循环和/或附加过滤。在一些实施例中，使用较大数量的通道201用于较早的通过并且使用较少数量的通道用于稍后的通过是有益的，因为在每次通过时损失一定体积的滤出物。因此，在最后一次通过时流动的浓缩物具有比进料流的初始流量低的体积流量，并且不需要较多通道201来容纳流。
如上所述，鉴于本公开将显而易见的是，尽管在本文中被描绘并且描述为包括具有19个通道201的筒101和被配置来提供通过五组通道201的流体流的歧管103a、103b，但是根据各种实施例，可以使用具有任何数量的通道的筒和用于引导流体流通过任何次数的任何数量的储存器。鉴于本公开将进一步显而易见的是，对于每次通过可以使用任何数量的通道201。
如图1A所示，在一些实施例中，组件100还可以包括一个或多个端盖105，用于将歧管103a、103b保持与筒101的相应端部密封对准。现在参考图5A，端盖105可以包括具有第一端部501a和第二端部501b的主体501，第二端部501b包括围绕端盖105的凸缘。如图5B所示，在一些实施例中，主体501可以限定内部容积503，所述内部容积在第二端部501b处开口并且其尺寸和形状被设计成在其中接收歧管103a、103b中的一个和筒101的至少一部分。
在一些实施例中，内部容积503的尺寸可以被设计成与歧管103a、103b或筒101中的至少一个形成压配合。在一些实施例中，内部容积503的尺寸可以被设计成与歧管103a、103b或筒101中的至少一个形成松配合。在此类实施例中，一个或多个密封件(未示出)可以设置在端盖105的内径与筒101和/或歧管103a、103b的外径之间。
仍然参考图5B以及图5C，在一些实施例中，在流体经由端盖105从筒101递送或离开的程度上，端盖105的主体501还可以包括限定在第一端部501a中的孔505，孔505的尺寸和形状被设计成接收配件107，用于提供与进料源的连接和/或用于提供与浓缩物排放口或返回口的连接。在一些实施例中，孔505的尺寸可以被设计成与配件107形成压配合。在一些实施例中，配件107可由金属、塑料、聚合物、橡胶或任何其他合适的配件材料构成，用于连接到流体进料源或浓缩物排放口。
再次参考图1A，组件100还可以包括插置在每个端盖105与歧管103a、103b之间的压缩弹簧109，用于将歧管103a、103b偏压抵靠在筒101上。在一些实施例中，压缩弹簧109通过将歧管103a、103b偏压抵靠在筒101上，可以在歧管103a、103b与筒101(具体是筒101的通道201)之间提供更一致的密封。组件100还可以包括插置在每个端盖105与歧管103a、103b之间的一个或多个O形环111，用于在端盖105与歧管103a、103b之间提供附加的密封。因此，在一些实施例中，包括压缩弹簧109和O形环111两者可以提供高压密封，以防止在操作期间流体流从端盖105、歧管103a、103b和筒101的任何组合之间泄漏。在一些实施例中，O形环111可以在每个端盖105与歧管103a、103b之间提供摩擦支承表面，从而限制或防止歧管103a、103b相对于端盖105和/或筒101的无意旋转。通过限制或防止歧管103a、103b的无意旋转，减小了储存器303、305、401、403与流动通道201之间未对准的风险，从而避免了操作期间的性能损失。
因此，配件107、端盖105、压缩弹簧109、O形环111、歧管103a、103b和筒101可以密封对准，以维持每个配件107与筒101的通道201之间的流体流路。这种配置实现高压配合，从而允许高进料压力并且将进料和浓缩物流与通过筒101向外排出的滤出物流分离。
如图1A所示，在一些实施例中，可以通过将对准销113插入通过配件107、端盖105、O形环111、压缩弹簧109和歧管103a、103b并且进入筒101的流动通道201来帮助配件107、端盖105、压缩弹簧109、O形环111、歧管103a、103b和筒101组件(下文称为端盖组件)的初始对准。在一些实施例中，单个对准销113可以延伸穿过筒和两个端盖组件。在一些实施例中，可以为每个端盖组件提供单独的对准销113。在一些实施例中，(一个或多个)对准销113可以在组装之后但在将任何流体引入组件100之前移除。
现在参考图1B，组件100还可以包括围绕筒的壳体主体120，用于收集通过筒101向外排出的滤出物流。根据一些实施例，壳体120可由任何合适的材料(包括例如金属、不锈钢、塑料、聚合物、其他合适的、基本上无孔的材料或其组合)构成。根据各种实施例，壳体120可以由与进料和过滤后的滤出物(例如，水、化学品或气体)化学相容的材料构成。如图1C所示，为了防止滤出物泄漏，保护滤出物免受周围环境的影响，并且进一步将进料流与滤出物流分离，可以使用组装夹122将壳体主体120夹紧成与端盖105的第二端部501b的凸缘密封接触。再次参考图1B，为了进一步密封，端盖105的凸缘可以包括凹槽，所述凹槽被配置来接收垫圈123，用于在壳体120与端盖105的凸缘之间压缩，以便提供高压密封。
在一些实施例中，过滤后的滤出物可以从筒101向外渗出或滴落到壳体主体120中，这可以引导滤出物流远离筒101并且通过滤出物端口121。在一些实施例中，滤出物可以是所需产物、次生产物或废物流。在一些实施例中，滤出物端口121可以被配置来将过滤后的材料引导到收集和储存位置以供将来使用。在一些实施例中，滤出物端口121可以被配置来将过滤后的材料直接引导到下游过程以进行后续处理。更一般地，滤出物端口121被配置来引导滤出物流远离筒101并且离开壳体主体120，以进行收集、再循环和/或处理。滤出物端口121各自可以是喷口、筒、管、阀或配件设计中的任一个或多个，适于选择性地允许流体流通过其中。在一些实施例中，滤出物端口121中的一个或多个可被设计成承受与供应流、流出物和/或滤出物流的压力和温度一致的流体压力和温度。
在一些实施例(未示出)中，过滤系统可以包括多于一个的筒101。在一些实施例中，过滤系统可以包括围绕所有滤筒101的单个壳体120。在一些实施例中，过滤系统可以包括多个壳体120，每个壳体围绕筒101中的一个或多个。在此类实施例中，流体流可以被串联或并联引导通过每个筒101。在一些实施例中，每个筒101可以包括用于如上所述的流体流管理的储存器。无论如何，在一些实施例中，筒101可以通过具有较大储存器的较大规模的流体流管理系统连接，用于将离开至少一个筒101的出口405的浓缩物重定向到至少一个附加的筒101以进行附加处理。
在这方面，在一些实施例中，过滤器组件100提供从发现规模(测试以确定功效、可重复性以及与膜分离相关的性能的关键测量)到试验和示范规模工艺操作的膜工艺的可扩展性。具体地，这种设计有利地允许单件工艺设备能够支持从发现到示范规模操作的工艺开发工作。表1提供在不同工艺开发阶段采用这种可扩展性时膜工艺设备的示例性操作条件。例如，如下所示，使用过滤器组件100可以导致在泵送速率略微增加超过25％的情况下，可以实现48倍的表面积增加。
表1
因此，对于给定的进料泵送系统，与常规的单次通过滤器相比，使用本文所公开的流管理系统可以在过滤器通道内提供更高的平均交叉流速度。可替代地，利用给定的泵送目标流量，可以采用更小、更实惠和更节能的泵送系统。
现在参考图6，提供根据各种实施例的用于管理过滤器流的方法600。方法600包括通过将流体流引导到筒的入口来将流体流引入601具有多个通道的筒的步骤，所述多个通道被设计成从流体流中去除微粒。方法600还包括使流体流流动603通过与入口流体连通的至少一个通道的步骤。方法600还包括将流体流引导605到与至少一个通道流体连通的储存器中的步骤，以及通过储存器将流体流重定向607到至少一个其他通道中的步骤。
引入601的步骤可以包括，例如，将流体流递送到第一歧管103a的入口301并且到至少一个通道201中，如上面参考图1A至图1B所述。流动603的步骤可以包括，例如，使流体流从第一歧管103a的入口301流动通过至少一个通道201，如上面参考图1A至图1B所述。
引导605的步骤可以包括，例如，将流体流引导到第二歧管103b的储存器401、403中的一个，如上面参考图1A至图1B所述。
重定向607的步骤可以包括，例如，在第二歧管103b的储存器401、403中的一个处接收所述流并且将其重定向到至少一个附加通道201中，如上面参考图1A至图1B所述。
连续渗透蒸发过程
作为背景技术，在常规的渗透蒸发过程中，液体进料流首先被预热至操作温度，并且随后被送至膜模块。渗透气体输送通过膜并且在膜的渗透侧蒸发，并且热量从进料中消散。由于所输送组分的分压以及随之而来的用于质量输送的驱动力在下降温度下降低，所以必须重新加热进料混合物。在大多数情况下，重新加热在模块外部在单独的热交换器中进行。因此，必须使用分批过程，其中可以在任何给定时间处理离散量的液体进料。因此，对于较大设备的高产量和对于具有高渗透速率的工艺，常规上需要提供具有上游热交换器的非常大量的小膜模块。离开膜模块的蒸气渗透物随后在外部热交换器中冷凝，并且真空泵仅用于去除惰性气体，在所述过程中没有其他功能。
通过采用本文提供的流体流管理系统，提供连续的渗透蒸发过程。图7A至图7B示出根据各种实施例的连续过程渗透蒸发系统组件700，其具有渗透蒸发部分700a和热交换器部分700b。现在参考图7B，组件700包括与渗透蒸发部分700a接合的第一歧管703a。第一歧管703a可以包括入口755、出口751和储存器753。在一些实施例中，第一歧管703a的入口755、出口751和储存器753可以例如基本上类似于图1A至图1B的第一歧管103a和第二歧管103b的入口301、出口405和储存器303、305、401、403。在一些实施例中，入口755可以被配置来将进料流引导到至少一个筒701的一个或多个通道中。根据各种实施例，筒701可以例如基本上类似于如上所述的筒101。在渗透蒸发部分700a中的至少一个筒701内，渗透物可以输送通过定位在一个或多个通道的内表面或外表面上的膜，并且在膜的渗透侧蒸发。在渗透物蒸发后，热耗散，从而冷却流。如图7A所示，在渗透蒸发部分700a中产生的蒸发渗透物可以收集在渗透蒸发外壳720中，所述渗透蒸发外壳围绕筒701并且相对于第一歧管703a和第二歧管703b密封。
再次参考图7B。在一些实施例中，组件700还可以包括与渗透蒸发部分700a和热交换器部分700b两者接合的第二歧管703b。在一些实施例中，第二歧管703b可以包括多个通过通道761，每个通过通道与筒701中的一个或多个流体连通。离开至少一个筒701的冷却流可以被引导到通过通道761中的一个或多个中，并且随后被引导到一个或多个传热管705，用于在热交换器部分700b中再加热。根据各种实施例，传热管705可以在其中包括一个或多个通道，并且可以被配置来最大化传热管705中的流体流与热交换器部分700b中的在传热管705外部流动的热交换器流体之间的热传递。为此，在一些实施例中，传热管705可以由适于通过其提供有效热传递的任何材料(诸如，例如不锈钢或其他金属)构成。
如图7A所示，热交换流体可以在热交换器外壳722内流动通过热交换器部分700b，所述热交换器外壳围绕传热管705并且相对于第二歧管703b和第三歧管703c密封。在一些实施例中，热交换流体可以流动通过热交换器外壳722，并且随后在返回到热交换器外壳722之前再循环通过热源。
再次参考图7B，在一些实施例中，组件700还可以包括与热交换器部分700b接合的第三歧管703c。第三歧管703c可以包括一个或多个储存器771、773，所述一个或多个储存器定位成将流从至少一个传热管705重定向到至少一个附加传热管705，以使得流被进一步加热。流随后可以被引导通过至少一个附加通过通道761并且到至少一个附加筒701中，其中附加渗透物可以输送通过膜并且在膜的渗透侧蒸发。在渗透物蒸发后，热再次耗散，从而冷却流。如图7B所示，在一些实施例中，足够的热可以保留，以用于随后将流引导到第一歧管703a的储存器753中并且重定向到又一个筒701中用于渗透物的进一步蒸发。流随后可以被引导通过第二歧管703b的又一个通过通道761，通过又一个传热管705，通过第三歧管703c的又一个储存器771、773，再一个传热管705，再一个通过通道761以及又一个筒701，用于渗透物的又进一步蒸发。如图7B所示，流随后可以被引导通过出口751以离开渗透蒸发系统组件700。鉴于本公开将显而易见的是，尽管在图7B中示出为在第一歧管703a处的储存器753中重定向，但是应当理解，在一些实施例中，流体流可以替代地在单个渗透蒸发-加热-加热-渗透蒸发循环之后离开第一歧管而不进行附加处理。鉴于本公开也将显而易见的是，根据各种实施例，流体流可以被适当地引导通过任何数量的渗透蒸发-加热-加热-渗透蒸发循环。
图8示出根据各种实施例的连续过程渗透蒸发系统组件800，其具有与一个或多个渗透蒸发通道821共线定位的一个或多个热交换管861。如图8所示，组件800包括与渗透蒸发筒801接合的第一歧管803a。第一歧管803a可以包括入口855、出口851、第一储存器853、第二储存器857。在一些实施例中，第一歧管803a的入口855、出口851和储存器853、857可以例如基本上类似于图1A至图1B的第一歧管103a和第二歧管103b的入口301、出口405和储存器303、305、401、403。在一些实施例中，入口855可以被配置来将渗透蒸发流引导到筒801的至少一个渗透蒸发通道821中。相反，出口851可以被配置来将渗透蒸发流引导离开至少一个其他渗透蒸发通道821以离开筒101。
仍然参考图8，在一些实施例中，组件800还可以包括与筒801接合的第二歧管803b。第二歧管803b可以包括一个或多个储存器871、873、875，所述一个或多个储存器被定位成将渗透蒸发流从至少一个通道821重定向到至少一个附加通道821，以使得流可以另外通过筒801以进一步渗透蒸发。
根据各种实施例，筒801可以例如基本上类似于如上所述具有通道201的筒101。在至少一个筒801内，渗透蒸发流的渗透物可以输送通过定位在一个或多个渗透蒸发通道的内表面或外表面上的膜，并且在膜的渗透侧蒸发。通常，在渗透蒸发通道821中产生的蒸发渗透物可以收集在渗透蒸发外壳或其他壳体(未示出)中，所述渗透蒸发外壳或其他壳体围绕(一个或多个)筒801并且密封以防止渗透物损耗。鉴于本公开将显而易见的是，尽管在图8中示出为包括六(6)个渗透蒸发通道821，从而导致流通过筒六(6)次，但是根据各种实施例可以使用任何数量的渗透蒸发通道821以允许流通过筒801任何次数。
在渗透物蒸发后，热耗散，从而冷却流。因此，为了维持足以在渗透蒸发通道821中进行连续渗透蒸发的温度，组件800可以包括一个或多个热交换管861，用于将热交换流体输送通过筒801的内部容积以将辐射热提供给筒801，包括渗透蒸发通道821。在一些实施例中，热交换流体可以经由第一歧管803a引入热交换管861并且经由第二歧管803b从热交换管861离开。在一些实施例中，为了维持所期望的温度，热交换流体在离开热交换管861之后可以在于第一歧管803a处被再引入热交换管861之前再循环通过加热器或热交换器。尽管筒801在本文中示出为包括单个热交换管861，但是根据本公开将显而易见的是，根据各种实施例，可以包括任何数量的热交换管861，以提供渗透蒸发通道821中的所期望的加热条件和所期望的温度。
根据各种实施例，每个热交换管861可以被配置来最大化热交换管861中的热交换流体与渗透蒸发通道821中的流体流之间的热传递。为此，在一些实施例中，传热管861可以包括定位在其内表面或外表面上的衬里。衬里可以由适于通过其提供有效热传递的任何材料(诸如，例如不锈钢、其他金属、可渗透或半渗透膜或任何其他合适的材料)构成。在一些实施例中，衬里可以提供屏障以防止质量传递出热交换管861，同时允许热交换管861、筒801和渗透蒸发通道821之间的热传递。在一些实施例中，衬里可以允许热交换管861、筒801和渗透蒸发通道821之间的质量传递和热传递。
示例性实施例
因此，具有本文所公开的过滤器流管理系统的过滤系统可以用于各种气体和流体的节能净化。例如，它们可以用于从生物质中净化替代燃料，净化在石油和天然气勘探或药物生产过程中产生的水，以及渗透蒸发过程。可以使用所述组成的工业包括石油和石化、煤气化、纸浆和造纸、生物燃料、合成气和天然气生产。其他应用包括重金属去除、醇/水分离、植物提取物的净化和浓缩、脱水、糖浓缩、一氧化碳补救、水净化和海水淡化。因此，应该理解，下面提供的示例性实施例是出于说明性目的，并且本文所公开的技术的许多其他应用是可能的。
图9示出常规的家庭过滤系统并且图10示出与家庭饮用水过滤系统结合使用的过滤器流管理系统。家庭饮用水应用通常需要较低的初始设备成本和低能耗。为示例和比较目的，图9示出常规的19个过滤器通道的家庭过滤系统并且图10示出包括流管理系统的19个过滤器通道的系统。
在图9中，所有19个流动通道并联操作，需要能够在10巴(145psig)的目标进料压力下递送19.5lpm的泵。根据泵的操作特性，操作此容量的泵所需的功率可能需要多达0.82KW。0.82KW的功率要求通常超过由紧凑型变压器和低压(24VAC或24VDC)电动机有效递送的功率，所述变压器和低压电动机在许多情况下是用于消费者水处理器具的优选电源。
相比之下，如图10所示，水处理系统被配置来与流管理系统一起操作。如图所示，流管理系统被配置来允许所有19个流动通道串联操作。在这种配置中，与图8的系统相同的0.2lpm渗透物(过滤的水)流量可以用这样的泵产生，所述泵在10巴(145psig)的目标进料压力下仅需要1.03lpm。根据泵的操作特性，操作此容量的泵所需的功率通常需要低至0.043KW。0.043KW的功率要求完全在可商购获得的变压器和低压(24VAC或24VDC)电动机的功率容量内，所述变压器和低压电动机在许多情况下是用于消费者水处理器具的优选电源。因此，流体流管理系统使得能够使用较小的泵组(例如，对于2mps的平均交叉流速度，泵速1.03lpm对19.5lpm)，从而降低设备的资本成本。另外，较小的泵组消耗较少的功率，从而也降低系统的操作成本。
图11A至图11B和图12示出与使用如本文所述的过滤器流管理系统相关联的效率。具体地，图11A至图11B示出用于提供进料流的并联处理(图11A)和进料流的串联处理(图11B)的常规系统。图12示出使用如本文所述的过滤器流管理系统的进料流的一系列处理。如下面更详细所述，与图11A至图11B所示的常规并联和串联处理相比，使用如图12所示的过滤器流管理系统有效地降低系统的资本和/或操作成本。
图11A和图11B的常规系统中的每一个包括四(4)个过滤元件。每个元件具有85个流动通道，直径3.3mm并且长1.5m(每个元件约1.32m2)。如图11A和图11B中的常规设备设计要求这四(4)个元件并联或串联安装。通过常规方法，如果四个元件如图11A中那样并联操作，则所有元件可以容纳在单个壳体内，使用共同的管道、阀和仪器。然而，由于元件并联操作，所以与串联操作的元件相比，需要524LPM的进料速率(在每个流动通道3mps的平均速度下，标称速率131LPM的4倍)。这增加与泵送更大体积的流体相关联的资本和操作成本。
可替代地，通过常规方法，如果四个元件如图11B中那样串联操作，则元件容纳在四(4)个独立的壳体内，每个壳体具有一定程度的壳体特定的管道、阀和仪器。因此，资本和设备成本乘以增加的复杂性和冗余。
如图12所示，流体流管理系统允许使用容纳四(4)个过滤元件的单个壳体，同时串联操作。因此，系统作为串联操作的系统有效地操作(以较低的泵送速率)，同时由于利用共同的管道、阀和仪器的简化设计而获得低设备/资本成本。
虽然已经参考本公开的某些实施例描述了本公开，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本公开的真实精神和范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。另外，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行许多修改以适应特定情况、指示、物质的材料和组成、工艺步骤或多个步骤。所有此类修改都旨在处于所附权利要求的范围内。
Claims (25)
1.一种过滤器流管理系统，其包括：
具有入口的筒，流体流能够通过所述入口引入所述筒；
多个通道，其位于所述筒内并且被设计成从所述流体流中去除微粒，至少一个通道与所述入口流体连通以接收所述流体流；以及
储存器，流动通过所述至少一个通道的流体流能够被引导到所述储存器中并且随后被重定向到至少一个其他通道中。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述入口或所述储存器中的至少一个一体地形成在所述筒内。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述通道中的至少一个通道包括定位在所述通道的内表面或外表面上的分子分离膜。
4.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括出口，所述出口用于允许在所述多个通道中的至少一个通道中流动的流体浓缩物离开所述筒，其中所述流体浓缩物包括所述流体流的一部分，所述部分包括由所述通道去除的所述微粒。
5.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括至少一个附加储存器，流动通过所述多个通道中的至少一个通道的流体流能够被引导到所述至少一个附加储存器中并且随后被重定向到至少一个附加通道中。
6.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括具有定位在其中的所述筒的壳体，所述壳体用于收集从所述通道渗透出的滤出物，所述滤出物包括所述流体流的一部分，在所述部分中所述微粒已由所述通道去除。
7.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括第二筒，所述第二筒与所述筒串联布置，以使得从所述筒的出口排出的流体流被引入所述第二筒的第二入口。
8.根据权利要求7所述的系统，所述系统还包括具有定位在其中的所述筒和所述第二筒两者的壳体，所述壳体用于收集从所述通道渗透出的滤出物，所述滤出物包括所述流体流的一部分，在所述部分中所述微粒已由所述通道去除。
9.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括第二筒，所述第二筒与所述筒并联布置，以使得所述流体流被同时引入所述筒的所述入口和所述第二筒的第二入口。
10.根据权利要求9所述的系统，所述系统还包括具有定位在其中的所述筒和所述第二筒两者的壳体，所述壳体用于收集从所述通道渗透出的滤出物，所述滤出物包括所述流体流的一部分，在所述部分中所述微粒已由所述通道去除。
11.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括：
与所述筒的第一端流体连通的第一歧管；以及
与所述筒的第二端流体连通的第二歧管。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述储存器形成在所述第一歧管或所述第二歧管中的至少一个中。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述第一歧管和所述第二歧管中的至少一个能够与所述筒可移除地接合。
14.一种用于管理过滤系统中的流的方法，其包括：
通过将流体流引导到筒的入口来将所述流体流引入具有多个通道的所述筒，所述多个通道被设计成从所述流体流中去除微粒；
使所述流体流流动通过与所述入口流体连通的至少一个通道；
将所述流体流引导到与所述至少一个通道流体连通的储存器中；以及
通过所述储存器将所述流体流重定向到至少一个其他通道中。
15.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括：
将所述流体流从所述多个通道中的至少一个通道引导到至少一个附加储存器中；以及
通过所述至少一个附加储存器将所述流体流重定向到至少附加通道中。
16.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括在围绕所述筒定位的壳体中收集从所述通道出来的滤出物，所述滤出物包括所述流体流的一部分，在所述部分中所述微粒已由所述通道去除。
17.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括通过将流体浓缩物从所述多个通道中的至少一个通道引导到出口而从所述筒排出所述流体浓缩物，其中所述流体浓缩物包括所述流体流的一部分，所述部分包括由所述通道去除的所述微粒。
18.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括通过将所述流体浓缩物引导到第二筒的第二入口而将所述流体浓缩物引入所述第二筒。
19.根据权利要求18所述的方法，所述方法还包括在围绕所述筒和所述第二筒定位的壳体中收集从所述通道出来的滤出物，所述滤出物包括所述流体流的一部分，在所述部分中所述微粒已由所述通道去除。
20.根据权利要求14所述的方法，其中所述滤出物包括水或水蒸气中的至少一种。
21.一种过滤器流管理系统，其包括：
第一歧管，所述第一歧管具有穿过其延伸的入口，以将流体流引导到位于筒内的第一组通道中，所述筒具有被设计成从所述流体流中去除微粒的多个通道；
第二歧管，所述第二歧管具有第一储存器，所述第一储存器被配置来从所述第一组通道接收所述流体流并且将所述流体流重定向到位于所述筒中的第二组通道中；以及
延伸穿过所述第一歧管或所述第二歧管的出口，以从所述系统排出流体浓缩物，其中所述流体浓缩物包括所述流体流的一部分，所述部分包括由所述通道去除的所述微粒。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述第一组通道和所述第二组通道具有相同数量的通道。
23.根据权利要求21所述的系统，其中所述第一组通道和所述第二组通道具有不同数量的通道。
24.根据权利要求21所述的系统，其中所述多个通道中的至少一个通道包括定位在所述通道的内表面或外表面上的分子分离膜。
25.根据权利要求21所述的系统，其中所述系统包括在所述第一歧管和/或所述第二歧管上限定的奇数个储存器，并且所述出口延伸穿过所述第二歧管。
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