CN1267179C - 具有交叉流过滤功能的过滤装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明利用产生交叉流的方法，以延长过滤装置的操作时间及增进过滤效能。一种具交叉流功能的过滤装置，其包括：滤网、用来容置该滤网的壳体，该壳体上设有流体入口及流体出口，还包括位于滤网内纵轴方向上的扩散器，该扩散器由渐窄部、位于中间位置的喉部、以及渐宽部组成，用以产生交叉流，使杂质不易于滤网介质表面堆积形成滤饼，藉以大幅延长其有效操作时间，另外配合一废液排放口的设计可以适时将过滤装置内含有较高浓度杂质的废液排出，藉以达到无限延长有效操作时间的目的。
Description
技术领域
本发明有关一种具有交叉流过滤功能的过滤装置及其使用方法，尤指一种利用交叉流(cross-flow)使滤网上不易产生滤饼(cake)的过滤装置。
背景技术
随着科技的不断进步，许多仪器对于其在操作过程中所使用的液体均有不同程度的要求来维持该仪器的正常使用寿命，因此业者都会在液体供给管的前段装设一过滤装置，藉由该过滤装置先行过滤液体中的杂质或沉淀物后再将过滤后的液体提供给仪器使用。另一方面，随着绿色环保观念的逐渐被重视，政府对于工业排放水质的要求亦日趋严格，因此过滤装置的应用愈来愈普遍。
目前已知的过滤装置(如图1所示)，包括一滤网1及一圆柱状壳体2，其中圆柱状壳体2的内部可容置该滤网1，且于该圆柱状壳体2上分别设有一流体入口21及流体出口22，该供给流体入口21位于该圆柱状壳体2上缘，令欲过滤的液体可以由该流体入口21进入该滤网1内，经该滤网1过滤后，再由流体出口22流出而达到过滤的目的。
很明显地，已知的过滤装置因滤网的有效面积远大于流体入口的截面积，因此流体流过滤网的流速远小于流体在入口管线内的流速，且在滤网内流体只有垂直于滤网表面的速度，因此过滤装置中并无明显的液体流动现象，导致现有技术过滤装置内的杂质或沉淀物容易沉积于滤网上形成滤饼，当有杂质沉积于滤网上时则会逐渐减少滤网的有效面积，当滤网的有效面积降到小于入口管线的截面积时，将使过滤器入口21与出口22间的压力差(ΔP)急速上升，为了保护仪器的正常工作，业者都会根据实际的需求设定压力差的极限，当压力差到达设定值时则必须停机以便清洗过滤装置中的滤网，使得装置无法连续操作，造成使用者极大的不便与困扰，而有部份业者要避免前述停机的情形则必须多增设一组过滤装置，利用切换的方式来进行清洁维护的工作，如此一来势必增加整个过滤装置的成本。
请继续参阅图2，其是为过滤装置的操作时间与压力差的关系示意图，当过滤装置刚开始使用时必定会有一定的压力差存在，但该压力差一定会在容许的设计范围内，然而随着时间的延长及液体中杂质及沉淀物不断的累积于滤网上时则会造成压力差不断增加进而超过原先的设定值(如图2a所示)而必须停机进行维护的工作。
发明内容
本发明的主要目的为提供一种产生交叉流的方法，以延长过滤装置的操作时间及增进过滤效能。
该方法包括有以下步骤：
(a)提供一过滤装置，该过滤装置具备一壳体、一滤网及一扩散器，该壳体上分别设置一流体入口及一流体出口，该扩散器包括渐窄部、喉部、以及渐宽部；
(b)使流体流经该流体入口进入该扩散器内的渐窄部，使其形成一局部低压区，使该扩散器外的液体流入该渐窄部，该流体并进一步流入该喉部；
(c)该流体在该渐宽部逐渐减速，将动能转换为压力能，形成一局部高压区；
(d)流出该扩散器的流体流经该扩散器外部与滤网介质表面所形成的通道后，再被吸入该渐窄部，如此循环而形成交叉流。
其中该流体入口还可包括一喷嘴(nozzle)，用以增加流体流速。
其中该扩散器还可包括一螺旋导流装置，用以产生螺旋状交叉流以增加交叉流效率。
其中该螺旋导流装置主要是在扩散器外缘设计有一螺旋状的凸片。
其中该壳体还可包括一废液排放口，用以调节该过滤装置内流体杂质浓度。
本发明的再一目的为提供一种具交叉流功能的过滤装置，其特征在于包括：
一壳体，于该壳体上分别设置一流体入口及一流体出口，该流体入口及该流体出口之间具备信道，欲过滤的流体可由该流体入口流入该壳体内，过滤后的流体则由该流体出口流出该壳体；
一滤网，铺设于该壳体内；
一扩散器，该扩散器是设于滤网内的纵轴方向上，该扩散器并具有一支撑部，用以连接该壳体上的该流体入口，该扩散器与滤网的介质表面形成通道，该扩散器主要是由一渐窄部、一位于中间位置的喉部、以及一渐宽部所组成，其中该渐窄部与壳体的流体入口相对，欲过滤的流体可经该流体入口流入该扩散器的渐窄部、通过喉部，再进入渐宽部后流出扩散器的底部，再经由扩散器外壳与滤网介质表面所围成的通道向上流入扩散器的入口，如此循环流动而形成滤网质表面上的交叉流，藉以使液体中的杂质及沉淀物，会持续随着液体流动而能均匀地分布在滤网内的流体中，不易产生堆积沉淀的情形，使杂质不易于滤网的介质表面堆积而形成滤餅，藉以达到延长过滤装置的有效操作时间的目的。
本发明的再一目的为提供一种具有交叉流功能的过滤装置。
一种具有交叉流功能的过滤装置，其包括有：
一壳体，于该壳体上分别设置一流体入口及一流体出口，欲过滤的流体可由该流体入口流入该壳体内，过滤后的流体则由该流体出口流出该壳体；
一滤网，铺设于该壳体内，该流体入口及该流体出口之间具备一通道；
一扩散器，该扩散器是设于滤网内的纵轴方向上，该扩散器具有一支撑部，用以连接该壳体上的该流体入口，用以产生交叉流(cross-flow)，以避免该滤网的介质表面产生滤饼，该扩散器包括一渐窄部、一喉部、以及一渐宽部。
其中该流体入口还可包括一喷嘴(nozzle)，用以增加流体流速。
其中该扩散器更可具备一螺旋导流装置，用以产生螺旋状交叉流以增加交叉流效率。
其中该螺旋导流装置主要是在扩散器外缘设计有一螺旋状凸片。
其中该壳体还可包括一废液排放口，用以调节该过滤装置内流体杂质浓度。
其中该废液排放口上设有至少一排放阀。
其中，于壳体上与滤网内部相对的位置设置废液排放口，于该废液排放口的一端设有排放阀，藉由该排放阀的设计可在过滤装置内液体的杂质及沉淀物的浓度到达一定程度时，利用手动或是自动控制的方式开启排放阀排出含有高浓度杂质的液体，藉此达到无限延长过滤装置有效操作时间的目的。
附图说明：
图1为现有技术过滤装置的剖面图。
图2为过滤装置操作时间与其入口与出口间压力差的关系示意图。
图3为本发明的一实施例的剖面图。
附图标记说明：2圆筒状壳体；21流体入口；22流体出口；3滤网；41扩散器；413上方开口；414下方开口；5交叉流；6圆筒状壳体；61流体入口；62流体出口。
具体实施方式
下面结合附图以具体实例对本发明进行详细说明，以便对本发明有更深入的了解。
本发明提出一种具有交叉流功能的过滤装置，尤指一种可产生交叉流(cross-flow)使滤网上不易产生滤饼(cake)者。其构造简单，且可增加过滤装置的有效操作时间，又可连续操作而不需停机。
根据Darcy’s Law：J≡(1/A)(dV/dT)＝{Δp/[η*(Rm+Rc)]}
J：滤液通量(permeate flux)
A：滤网介质有效表面积(effective surface area of filter media)
V：滤液总体积(total volume ofpermeate)
T：过滤时间(filtration time)
Δp：滤饼与滤网介质所造成的压力差(pressure drop imposed across thecake and filter media)
η：滤液黏度(viscosity of the permeate)
Rm：滤网介质阻力(resistance of the filtermedia)
Rc：滤饼阻力(resistance of the cake)可知，滤液通量(permeate flux)反比于滤网介质阻力(resistance of the filtermedia)与滤饼阻力(resistance of the cake)之和。又根据另一公式：
J＝cγnamψpLqηo r
J：滤液通量(permeate flux)
c：系数(coefficient)
γ：剪切速率(shear rate)
a：固体微粒大小(solid particle size)
ψ：悬浮液中固体所占体积比率(solid volume fraction in suspension)
L：滤网长度(filter length)
ηo：悬浮液黏度(viscosity of the suspension)
n，m，p，q，r：参数(parameters)
由于n＞0，可知滤液通量(permeate flux)与剪切速率(shear rate)成正比。故综合以上两公式可得知，当剪切速率(shear rate)愈大，则可抑制滤饼在滤网上的生成，使滤饼阻力(resistance of the cake)不因操作时间增加而增加，因此可延长有效的操作时间，亦即增加过滤的效率。
图3为本发明的一实施例的示意图，一种具交叉流功能的过滤装置，其包括有：一滤网3、一扩散器(diffuser)41及一壳体6。其中壳体6可容置滤网3，且于该壳体6的顶端及一侧分别设置一流体入口61及一流体出口62，使欲过滤的流体可以由该流体入口61直接进入扩散器41内，经过滤网过滤后的流体则由流体出口61流出；扩散器41的直径小于滤网3且设于滤网3内的纵轴方向上，且于扩散器41的顶端设有支撑部43，用以支撑扩散器41，而使扩散器41与滤网3介质表面围成信道，使流体流出扩散器41下方开口414后，通过扩散器41与滤网3的介质表面围成的通道，再流入扩散器(diffuser)41上方开口413，如此不停地循环流动，而形成滤网介质表面上的交叉流(cross-flow)5，使滤网3介质表面不易产生滤饼。前述的扩散器(diffuser)41，其主要是由一渐窄部(reducing section)、一位于中间位置的喉部(throat section)、以及一渐宽部(expanding section)所组成，其中该渐窄部(reducing section)与壳体6的流体入口61相对，令欲过滤的流体可经该流体入口61流入该扩散器41的渐窄部，然后通过喉部再进入渐宽部，此快速流入的流体于渐窄部产生局部的低压区，使位于扩散器41外的流体从扩散器41上方开口413被强力吸入；而吸入的流体通过喉部时，因喉部的截面积较小，使吸入的流体加速通过；在通过渐宽部时，流体逐渐减速，而将动能(Kinetic Energy)转换为压力能(Pressure Energy)形成局部的高压区，再由扩散器41下方开口414流出，顺着该滤网3介质表面向上然后再次被吸入扩散器41上方开口413，如此循环而成交叉流5，根据Darcy’s Law及另一公式可知，藉由该交叉流5的流动可产生一较大的剪切速率(shear rate)，可有效扰拌流体中的杂质，使其均匀分散于滤网3内部的流体中，而不易集结沉积于滤网3介质表面并生成滤饼使过滤的阻力增加，并藉此有效延缓压力差上升的时间(如图1b所示)，大幅增加过滤装置的有效操作时间。
纵上所述，本发明至少有下列优点：
1、本发明的流体引出装置构造简单，所以工艺简单，制造成本较低，且可适用于不同流体。
2、本发明可以延缓杂质沉淀并阻塞滤网的速度，大幅延长过滤装置的有效操作时间。
3、本发明可藉由扩散器不同的设计及扩散器与滤网介质的间距不同，设计出产生不同流体剪切速率的模块。
4.本发明藉由废液排放口及排放阀的设计，可无限延长本发明的操作时间，令业者可以节省备用过滤装置的设置成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于帮助了解本发明的实施，不能用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰，应当仍属于本发明的专利保护范围。
Claims (11)
1、一种具有交叉流过滤功能的过滤装置，其特征在于包括：
一壳体，于该壳体上分别设置一流体入口及一流体出口，该流体入口及该流体出口之间具备通道；欲过滤的流体可由该流体入口流入该壳体内，过滤后的流体则由该流体出口流出该壳体；
一滤网，铺设于该壳体内；
一扩散器，该扩散器是设于滤网内的纵轴方向上，该扩散器并具有一支撑部，用以连接该壳体上的该流体入口，该扩散器与滤网的介质表面形成通道，该扩散器是由一渐窄部、一位于中间位置的喉部、以及一渐宽部所组成，其中该渐窄部与壳体的流体入口相对，欲过滤的流体可经该流体入口流入该扩散器的渐窄部，通过喉部，再进入渐宽部后流出扩散器的底部，再经由扩散器外壳与滤网介质表面所围成的通道向上流入扩散器的入口，如此循环流动而形成滤网质表面上的交叉流。
2、如权利要求1所述的具有交叉流过滤功能的过滤装置，其中该流体入口还包括一喷嘴。
3、如权利要求1所述的具有交叉流过滤功能的过滤装置，其中，该扩散器还具备一螺旋导流装置。
4、如权利要求3所述的具有交叉流过滤功能的过滤装置，其中，该螺旋导流装置是在扩散器外缘设计有一螺旋状凸片。
5、如权利要求1所述的具有交叉流过滤功能的过滤装置，其中该壳体还包括一废液排放口。
6、如权利要求5所述的具有交叉流过滤功能的过滤装置，其中，该废液排放口上设有至少一排放阀。
7、一种交叉流过滤方法，其特征在于包括有以下步骤：
(a)提供一过滤装置，该过滤装置具备一壳体、一滤网及一扩散器，该壳体上分别设置一流体入口及一流体出口，该扩散器包括一渐窄部、一喉部、以及一渐宽部；
(b)使流体流经该流体入口进入该扩散器内的渐窄部，使其形成局部低压区，使该扩散器外的液体流入该渐窄部，该流体并进一步流入该喉部；
(c)该流体在该渐宽部逐渐减速，将动能转换为压力能，形成一局部高压区；
(d)流出该扩散器的流体流经该扩散器外部与滤网介质表面所形成的通道后，再被吸入该渐窄部，如此循环而形成交叉流。
8、如权利要求7所述交叉流过滤方法，其中该流体入口还包括一喷嘴。
9、如权利要求8所述交叉流过滤方法，其中该扩散器还包括一螺旋导流装置。
10、如权利要求9所述交叉流过滤方法，其中该螺旋导流装置是在扩散器外缘设计有一螺旋状的凸片。
11、如权利要求9所述交叉流过滤方法，其中该壳体还包括一废液排放口。
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