CN111085023B - 支撑和排水材料、过滤器以及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种支撑和排水材料、包括该材料的过滤器以及使用方法。

Description

支撑和排水材料、过滤器以及使用方法
背景技术
在许多过滤应用场合中使用诸如网(也称为筛网或网状物)的支撑和排水元件，其中，支撑和排水(“S&D”)元件布置在多孔过滤器介质的上游和/或下游。支撑和排水元件具有比过滤器介质的孔大得多的开口，并且为过滤器介质提供支撑和/或为过滤器介质提供良好的排水。
然而，需要改进支撑和排水元件。
本发明改善至少一些现有技术缺点。从下文描述，本发明的这些和其他优点将显而易见。
发明内容
本发明的实施例提供一种支撑和排水材料，所述支撑和排水材料包括一种元件，该元件包括一个区段，所述区段具有第一端和第二端、以及第一主表面和从第一端延伸至第二端的多条平行的渐缩流动通道，所述渐缩流动通道包括渐缩侧壁，所述渐缩侧壁平行布置、并且垂直于所述第一主表面从所述第一主表面向上突出，所述渐缩流动通道具有较深的端部和较浅的端部、并且在该第一区段的第一端处比在该区段的第二端处更深。
在另一个实施例中，支撑和排水材料系统包括第一支撑和排水材料和单独的第二支撑和排水材料；(a)第一支撑和排水材料包括：(i)一个区段，所述区段具有第一端和第二端、第一主表面以及从第一端延伸到第二端的多条平行的渐缩流动通道，所述渐缩流动通道包括渐缩侧壁，这些渐缩侧壁平行布置、并且垂直于所述第一主表面从所述第一主表面向上突出，该渐缩流动通道具有较深的端部和较浅的端部、并且在区段的第一端处比在区段的第二端处更深；(b)第二支撑和排水材料包括(ii)一个区段，该区段具有第一端和第二端、以及第一主表面和从第一端延伸到第二端的多条平行的渐缩流动通道，该渐缩流动通道包括渐缩侧壁，所述渐缩侧壁平行布置、并且垂直于所述第一主表面从所述第一主表面向上突出，所述渐缩流动通道具有较深的端部和较浅的端部，并且在区段的第一端处比在区段的第二端处更深；并且其中，第一支撑和排水材料和第二支撑和排水材料适合于布置在褶式过滤器的相对两侧上。
根据另一个实施例，提供了一种过滤器装置，所述过滤器装置包括：具有上游表面和下游表面的褶式多孔过滤器；支撑和排水材料的实施例，其布置成接触褶式多孔过滤器的上游表面或接触褶式多孔过滤器的下游表面。
根据本发明的另一实施例的过滤器系统包括：具有上游表面和下游表面的褶式多孔过滤器；支撑和排水材料系统的实施例，其中，褶式多孔过滤器设置在所述第一支撑和排水材料与第二支撑和排水材料之间，第一支撑和排水材料与第二支撑和排水材料相对于彼此旋转180度，其中，褶式多孔过滤器设置在所述第一支撑和排水材料与第二支撑和排水材料之间。
在过滤器系统的一实施例中，褶式多孔过滤器组件包括覆盖褶皱(laid-over-pleat)过滤器。
在又一个实施例中，提供了一种过滤流体的方法，该方法包括使流体通过过滤器系统的实施例，包括使流体通过第一支撑和排水材料、褶式多孔过滤器的上游表面、褶式多孔过滤器的下游表面以及第二支撑和排水材料。
附图说明
图1A、1B、1C和1D示出了根据本发明的实施例的支撑和排水材料的各种视图，支撑和排水材料包括具有平行渐缩流动通道的第一区段。图1A示出了正视图，其中渐缩是连续的(无阶梯部)，图1B示出了俯视图，图1C示出了侧视图，并且图1D示出了立体图；
图2A和2B示出了根据本发明另一实施例的支撑和排水材料的各种视图，支撑和排水材料包括具有平行渐缩流动通道的第一区段。图2A示出了正视图，其中，渐缩是阶梯状，而图1B示出了俯视图；
图3A、3B、3D和3D示出了根据本发明实施例的平坦的(直的)褶式过滤器组件的各种视图，过滤器组件包括图1A至1D所示的支撑和排水材料的实施例。图3A示出了正视图(箭头示出了流动)，图3B示出了俯视图，图3C示出了侧视图，并且图3D示出了立体图；
图4A、4B和4C示出了根据本发明的实施例的弯曲的褶式过滤器组件的各种视图，过滤器组件包括整体如图1A至1D所示的支撑和排水材料的实施例，但是其中元件是弯曲。图4A示出了等距视图，图4B示出了俯视图，图4C示出了侧视图；
图5示出了滤筒的实施例、以及整体如图4A至图4C所示的单独的支撑和排水材料(插入件)的实施例的截面正视图，该滤筒包括过滤器笼、滤芯和褶式过滤器，其中褶式过滤器具有覆盖褶皱(LOP)构造，单独的支撑和排水材料(插入件)布置在褶式过滤器的每个褶皱之间，使得每个插入件的两侧接触每个过滤器褶皱的表面，图5还显示出了插入件的弯曲端壁，该弯曲端壁通过针对过滤器笼和滤芯将过滤器根部和顶部间隔开来保护过滤器褶皱根部和顶部；
图6A示意性示出了与根据本发明的实施例的S&D材料(右侧)相比，通过具有常规恒定厚度的S&D材料(左侧)的褶式过滤器介质的半褶的横穿过滤器介质以及在上游和下游支撑和排放(S&D)材料中的流体速度的差异。图6B示出了与常规恒定厚度的S&D材料相比，具有渐缩S&D材料的褶式过滤器在最大过滤器面积方面的说明性优点。
具体实施方式
根据本发明的实施例，提供了一种支撑和排水材料，所述支撑和排水材料包括一种元件，该元件包括一个区段，所述区段具有第一端和第二端和第一主表面、以及从第一端延伸到第二端的多条平行的渐缩流动通道，该渐缩流动通道包括渐缩侧壁，所述渐缩侧壁平行布置、并且垂直于所述第一主表面从所述第一主表面向上突出，所述渐缩流动通道具有较深的端部和较浅的端部，并且在第一区段的第一端处比在该区段的第二端处更深。
在支撑和排水材料的实施例中，渐缩流动通道各自均具有连续的锥度。在另一个实施例中，渐缩流动通道各自均具有至少两个阶梯部。
在支撑和排水材料的一些实施例中，该区段的第一端还包括向上弯曲的端壁。
在另一个实施例中，支撑和排水材料系统包括第一支撑和排水材料和分开的第二支撑和排水材料；(a)第一支撑和排水材料包括：(i)一个区段，所述区段具有第一端和第二端、以及第一主表面和从第一端延伸到第二端的多条平行的渐缩流动通道，该渐缩流动通道包括渐缩侧壁，所述渐缩侧壁平行布置、并且垂直于所述第一主表面从所述第一主表面向上突出，该渐缩流动通道具有较深的端部和较浅的端部，并且在区段的第一端处比区段的第二端更深；(b)第二支撑和排水材料包括(ii)一个区段，所述区段具有第一端和第二端、以及第一主表面和从第一端延伸到第二端的多条平行的渐缩流动通道，所述渐缩流动通道包括渐缩侧壁，所述渐缩侧壁平行布置、并且垂直于所述第一主表面从所述第一主表面向上突出，该渐缩流动通道具有较深的端部和较浅的端部，并且在区段的第一端处比区段的第二端处更深；并且其中，第一支撑和排水材料和第二支撑和排水材料适于布置在褶式过滤器的相对两侧上。
根据另一个实施例，提供了一种过滤器装置，所述过滤器装置包括：具有上游表面和下游表面的褶式多孔过滤器；支撑和排水材料的实施例，其布置成接触褶式多孔过滤器的上游表面或接触褶式多孔过滤器的下游表面。
根据本发明的另一个实施例的过滤器系统包括：具有上游表面和下游表面的褶式多孔过滤器；和支撑和排水材料系统的实施例，其中，褶式多孔过滤器布置在第一支撑和排水材料与第二支撑和排水材料之间，并且第一支撑和排水材料和第二支撑和排水材料相对于彼此旋转于180度。
在过滤器系统的实施例中，褶式多孔过滤器组件包括覆盖褶皱过滤器。替代地或另外地，在过滤器系统的一些实施例中，过滤器还包括内芯和外笼。
在又一个实施例中，提供了一种过滤流体的方法，该方法包括使流体通过过滤器系统的实施例，包括使流体通过第一支撑和排水材料、褶式多孔过滤器的上游表面、褶式多孔过滤器的下游表面以及第二支撑和排水材料。
有利地，当将支撑和排水材料放置在过滤器介质层(褶式或非褶式)之间时，支撑和排水材料提供支撑和均匀的间隔(包括减少或防止嵌套，其中相对表面上的结构装配在彼此之间而不是叠置在彼此之上)，同时具有减小的边缘流动阻力(使得支撑和排水材料中的压降小于整个过滤器元件的压降)，从而在整个过滤器元件表面提供均匀的流体分布、并降低面损失(face loss)。
当与褶式过滤器一起使用时，它们可以减少过滤器介质的损坏(特别是膜的损坏)并允许更均匀的流量分布(包括通过过滤器褶式末端的流动)，并提供稳定的褶皱包装(pleat-pack)。
此外，当与褶式过滤器一起使用时，渐缩材料的使用可以导致整体上更薄的褶皱节距，从而在给定的体积中允许更多的过滤材料，同时保持理想的压差并提高过滤效率。
此外，与常规恒定厚度的支撑和排水元件相反(由于局部流量与所需流动面积不相关，本发明人发现有浪费的面积)，本发明的支撑和排水材料可以有利地更好匹配局部流量与所需的流动面积。
示意性地，图6A图示了与根据本发明的实施例的S&D材料(右侧)相比，通过具有常规恒定厚度的S&D材料(左侧)的褶式过滤器介质的半褶的横穿过滤器介质以及在上游和下游支撑和排水(S&D)材料中的流体速度的差异。与常规恒定厚度的S&D元件相比(其中因为局部流量与所需流动面积不相关从而允许速度变化，所以造成面积浪费)，本发明的S&D材料可以有利地使局部流量与所需流流动面积保持更好地匹配，从而保持速度不变。图6B显示了与常规恒定厚度S&D材料相比，具有渐缩S&D材料的褶式过滤器在最大过滤面积上的说明性优势，其中横轴上的“0”表示S&D材料非常薄，并且不可能通过使S&D材料渐缩来增加过滤面积，横轴上的“1”表示过滤材料极薄，在这种情况下，可以将过滤面积增加到两倍。图6B提出了在S&D材料的一端逐渐减小到零厚度的极限中可以达到的最大值，实际情况将低于该曲线。
支撑和排水材料可以是平坦的或平面的、或者基本上是平坦的或平面的，并且在一些实施例中，支撑和排水材料是或可以是弯曲的。
本发明的实施例适用于多种过滤器构造(包括平褶式过滤器组件、直流螺旋过滤器、叠置盘式过滤器、错流盒)，并且特别适用于“覆盖褶皱”(LOP)过滤器构造(如美国专利5,543,047中所述)。
现在将在下文更详细地描述本发明的每个部件，其中相似的部件具有相似的附图标记。在上游和下游S&D材料分别以相同的部件描述的情况下，相应部件用带有后缀“'”的相似附图标记标识(例如200'对应于200；121'对应于121；161'对应于161等)。
根据图1A﹣1D、2A﹣2B所示的实施例，支撑和排水材料200包括元件100，该元件100包括至少一个第一区段150，所述第一区段150具有第一端151和第二端152、第一主表面110、第二主表面111和从第一端延伸至第二端的多条平行的渐缩流动通道120，该渐缩流动通道包括渐缩侧壁121，所述渐缩侧壁121平行布置、并且垂直于第一主表面从第一主表面向上突出，所述渐缩流动通道具有较深的端部131和较浅的端部132，并且在第一区段的第一端处比在第一区段的第二端处更深。在所示实施例中，通道120在第一端151处与横梁构件141连接，而在第二端152处与横梁构件142连接。
在图1A﹣1D所示的实施例中，渐缩侧壁121具有非阶梯(连续)锥度。
在图2A﹣2B所示的实施例中，渐缩侧壁包括不同高度的阶梯部，从而也提供了具有不同深度的渐缩流动通道。图2A和2B示出了3个阶梯部，其中侧壁阶梯部121a、121b和121c的高度依照顺序减小，其中121a具有最大的高度。对应地，示出的渐缩流动通道具有3个阶梯部120a、120b和120c，阶梯部的深度依照顺序减小，其中阶梯部120a具有最大深度。支撑和排水材料可以具有任何数量的阶梯部。替代地，侧壁和流动通道可具有连续的锥度、或连续和阶梯部的组合。
通常，对于支撑和排水材料与褶式过滤器一起使用的实施例，第一端具有面向上(优选地向上弯曲)的端壁161。有利地，面向上的端壁可以保护过滤器褶皱根部和/或顶部(例如，如图5所示)，例如在允许流体流过的同时减少损坏。
支撑和排水材料的实施例可以布置在包括至少一个多孔过滤器元件的多孔过滤器的上游和/或下游。在一些实施例中，支撑和排水元件包括支撑和排水元件系统，该系统包括上游支撑和排水元件以及下游支撑和排水元件。
具有弯曲的或可弯曲的支撑和排水材料的实施例特别适用于LOP过滤器构造(例如，在美国专利5,543,047中所述)。例如，图5的截面正视图示出了过滤器系统2000的实施例、以及图4A整体所示的各个支撑和排水材料200、200'(插入件)的实施例，该过滤器系统2000包括：过滤器滤筒1600，其包括过滤器外笼1610、内芯1611；以及褶式过滤器1500，其包括褶式过滤器介质1501，其中，褶式过滤器具有LOP构造，并且各个支撑和排水材料200、200'(插入件)(其中第一支撑和排水材料200和第二支撑和排水材料200'相对于彼此旋转180度(从而提供S&D元件系统2500的实施例))布置在褶式过滤器的每个褶皱之间，使得每个插入件元件100、100'的两侧(表面110、110'和111、111')接触每个过滤器褶皱的表面，并且，包括相应插入件的外末端的弯曲端壁接触笼的内表面或内芯的内表面，从而使褶皱末端或褶皱根部间隔远离笼或芯，由此在允许流体流过的同时保护褶皱末端或褶皱根部。
如上所述(例如，如图3A﹣3D，4A﹣4C和5所示)，优选地，支撑和排水材料的实施例分开地布置在多孔过滤器或多孔过滤器元件的上游和下游，所述过滤器或过滤器元件具有上游表面和下游表面；在一些实施例中，支撑和排水材料分别接触过滤器或过滤器元件的上游和下游表面。
关于S&D元件系统的实施例，在图3A﹣3D，4A﹣4C和5中所示的布置中，上游支撑和排水材料以及下游支撑和排水材料相对于彼此旋转180度，其中，过滤器介质介于两者之间。有利地，这允许流速与通过过滤器或过滤器元件的所需流量相匹配。
示意性地，图3A﹣3D和4A﹣4C示出了包括褶式多孔过滤器1500的过滤器系统2000，该褶式多孔过滤器1500包括至少一个褶式多孔过滤器元件1501，所述褶式多孔过滤器元件1501布置在上游S&D元件200(整体如图1A-1D所示)与下游S&D元件200'(类似于图1所示，其中对应的部件用带有后缀“'”的相似的附图标记标识)之间；其中，元件200和200'包括S&D元件系统2500。在图3A至3D所示的实施例中，S&D元件基本上是平坦的，并且在图4A至4C所示的实施例中，S&D元件是弯曲的。
支撑和排水材料可以由适合于被过滤的流体以及适合于可应用的过滤参数(例如温度)的任何合适材料制成。
支撑和排水材料可以通过本领域已知的多种方法来生产，包括例如增材制造(有时称为“加层制造”或“3D打印”)。
多孔过滤器和/或多孔过滤器元件(例如，多孔膜和/或多孔纤维介质)可以具有任何合适的孔结构，例如孔隙大小(例如，如通过起泡点所证明或如在例如美国专利4,340,479中所述由KL证明或通过毛细管冷凝流孔法证明)、孔隙率、孔径(例如，当使用例如在美国专利4,925,572中描述的改进的OSU F2测试来表征时)、或当流体通过元件时减少或允许一种或多种目标材料从中通过的去除率。所使用的孔结构取决于待处理流体的成分以及所处理流体的所需出水水平(effluent level)。
过滤器元件可以具有任何期望的临界润湿表面张力(CWST，例如在美国专利4,925,572中定义)。可以如本领域中已知的那样选择CWST，例如，例如在美国专利5,152,905、5,443,743、5,472,621和6,074,869中另外公开的那样。可以通过湿法或干法氧化、通过在表面上涂覆或沉积聚合物，或通过接枝反应修改元件的表面特性(以例如影响CWST，包括表面电荷、例如正电荷或负电荷，和/或改变表面的极性或亲水性)。
过滤器可以包括其他元件、层或部件，所述其他元件、层或部件可以具有不同的结构和/或功能，例如在过滤器介质的上游进行预过滤和/或缓冲(在过滤器介质的上游缓冲以进行损坏保护或在过滤器介质下游缓冲以进行损坏保护和/或介质支撑)。
根据本发明的实施例，过滤器和/或过滤器元件可具有多种构造，包括平面、有褶和中空的圆柱形。
在美国专利5,543,047和5,552,048中公开了示例性的过滤器和过滤器元件(包括褶式过滤器)。
在一些实施例中，包括多个过滤器元件的过滤器通常设置在壳体中，该壳体包括至少一个入口和至少一个出口并且在入口和出口之间限定至少一条流体流动路径，其中，过滤器穿过流体流动路径，以提供过滤器装置。优选地，过滤器装置可消毒。可以采用具有合适形状并且提供至少一个入口和至少一个出口的任何壳体。
壳体可以由任何合适的刚性不透水且与被处理的流体相容的材料制成，所述材料包括任何不透水的热塑性材料。例如，壳体可以由诸如不锈钢的金属或由聚合物制成。
本文引用的所有参考文献，包括出版物、专利申请和专利均通过引用并入本文，其程度如同每个参考文献被单独地且具体地指示通过引用并入本文并在此完整阐述。
在描述本发明的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)术语“一个”和“一种”，“所述”和“至少一个”以及类似指代的使用将被解释为涵盖单数和复数形式，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。术语“至少一个”之后是一个或多个项目的列表(例如，“A和B中的至少一个”)，这应理解为是指从所列项目(A或B)中选择的一个项目或所列项目(A和B)中两个或更多个项目的任意组合，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。除非另有说明，否则术语“包括”、“具有”，“包含”和“含有”应解释为开放式术语(即，意思是“包括但不限于”)。除非在此另外指出，否则本文中数值范围的列举仅旨在用作分别指代落入该范围内的每个单独值的简写方法，并且每个单独值都被并入说明书中，就如同其在本文中被单独叙述一样。除非本文另外指出或与上下文明显矛盾，否则本文描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行。除非另外要求，否则本文提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地阐明本发明，并且不对本发明的范围构成限制。说明书中的任何语言都不应解释为指示对本发明的实践必不可少的任何未要求保护的元件。
本文描述了本发明的优选实施例，其包括发明人已知的用于实施本发明的最佳方式。在阅读前述说明之后，那些优选实施例的变型对于本领域普通技术人员而言将变得显而易见。发明人期望熟练的技术人员适当地采用这样的变型，并且发明人希望以不同于本文具体描述的方式来实践本发明。因此，本发明包括适用法律所允许的所附权利要求中记载的主题的所有修改和等效物。而且，除非本文另外指出或与上下文明显矛盾，否则本发明涵盖上述元件在其所有可能的变化中的任何组合。

Claims (9)

1.一种支撑和排水材料，所述支撑和排水材料包括一种元件，所述元件包括：
一个区段，所述区段具有第一端和第二端、以及第一主表面和从所述第一端延伸到所述第二端的多条平行的渐缩流动通道，所述渐缩流动通道包括渐缩侧壁，所述渐缩侧壁平行布置、并且垂直于所述第一主表面从所述第一主表面向上突出，所述渐缩流动通道具有较深的端部和较浅的端部，并且在所述区段的第一端处比在所述区段的第二端处更深，其中，所述渐缩流动通道在所述第一端处与一个横梁构件相连，并且在所述第二端处与一个横梁构件相连。
2.根据权利要求1所述的支撑和排水材料，其中，所述渐缩流动通道各自均具有连续的锥度。
3.根据权利要求1所述的支撑和排水材料，其中，所述渐缩流动通道各自均具有至少两个阶梯部。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的支撑和排水材料，其中，所述区段的第一端还包括向上弯曲的端壁。
5.一种过滤器装置，所述过滤器装置包括：
褶式多孔过滤器，所述褶式多孔过滤器具有多个褶皱并具有上游表面和下游表面；和
根据权利要求1至4中任一项所述的支撑和排水材料，所述支撑和排水材料被布置为接触所述褶式多孔过滤器的上游表面或接触所述褶式多孔过滤器的下游表面。
6.一种过滤器系统，所述过滤器系统包括：
褶式多孔过滤器，所述褶式多孔过滤器具有多个褶皱并具有上游表面和下游表面；和
支撑和排水材料系统，所述支撑和排水材料系统包括：
第一支撑和排水材料和分开的第二支撑和排水材料；
(a)所述第一支撑和排水材料包括：
(i)一个区段，所述第一支撑和排水材料的区段具有第一端和第二端、以及第一主表面和从所述第一端延伸到所述第二端的多条平行的渐缩流动通道，所述渐缩流动通道包括渐缩侧壁，所述渐缩侧壁平行布置、并且垂直于所述第一主表面从所述第一主表面向上突出，所述渐缩流动通道具有较深的端部和较浅的端部，并且在所述第一支撑和排水材料的区段的第一端处比所述第一支撑和排水材料的区段的第二端处更深，其中，所述渐缩流动通道在所述第一端处与一个横梁构件相连，并且在所述第二端处与一个横梁构件相连；和
(b)分开的所述第二支撑和排水材料包括：
(ii)一个区段，所述第二支撑和排水材料的区段具有第一端和第二端、以及第一主表面和从所述第二支撑和排水材料的区段的第一端延伸到所述第二支撑和排水材料的区段的第二端的多条平行的渐缩流动通道，所述第二支撑和排水材料的区段的渐缩流动通道包括渐缩侧壁，所述第二支撑和排水材料的区段的渐缩侧壁平行布置、并且垂直于所述第二支撑和排水材料的区段的第一主表面从所述第二支撑和排水材料的区段的第一主表面向上突出，所述第二支撑和排水材料的区段的渐缩流动通道具有较深的端部和较浅的端部，并且在所述第二支撑和排水材料的区段的第一端处比所述第二支撑和排水材料的区段的第二端处更深，其中，所述第一支撑和排水材料以及所述第二支撑和排水材料适合于布置在褶式多孔过滤器的相对侧上，其中，所述第二支撑和排水材料的区段的渐缩流动通道在所述第二支撑和排水材料的区段的第一端处与一个横梁构件相连，并且在所述第二支撑和排水材料的区段的第二端处与一个横梁构件相连；
其中，所述褶式多孔过滤器布置在所述第一支撑和排水材料与分开的所述第二支撑和排水材料之间，并且所述第一支撑和排水材料与分开的所述第二支撑和排水材料相对于彼此旋转180度。
7.根据权利要求6所述的过滤器系统，其中，所述褶式多孔过滤器包括覆盖褶皱过滤器。
8.根据权利要求6或7所述的过滤器系统，其还包括内芯和外笼。
9.一种过滤流体的方法，所述方法包括使流体通过根据权利要求6﹣8中任一项所述的过滤器系统，包括使流体通过所述第一支撑和排水材料、所述褶式多孔过滤器的上游表面、所述褶式多孔过滤器的下游表面和分开的所述第二支撑和排水材料。
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