CN1273539A - 在一根管道内混合流体的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种把流程一条管道的第一分段(32)的至少两种流体在该管道的第二分段(34)中形成混合状态的方法,该方法是这样进行的,在该管道第二分段(34)的一个位置(43)分出流体的一个分流并将该分流重新供入该管道第二分段(34)的另一位置(45)。描述了在横流过滤设备中避免过滤单元堵塞的一种应用以及这种应用的实施装置。

Description

在一根管道内混合流体的方法和装置

本发明涉及一种把流经一条管道的第一分段的至少两种流体在该管道的第二分段形成混合状态的方法、涉及将该方法用于横流过滤设备以及实施该方法的一种装置。

现有的横流过滤设备都制成多相设备，这种设备是将多个过滤单元布置在多条平行供入流体的过滤通道中。这种过滤通道即众所周知的滤段。这些滤段由一条分配管道同时供给待过滤的流体。每个过滤单元都包括若干滤管，这些滤管支撑滤膜，待过滤的流体同时流经这些滤管。

图1表示这种已知的横流过滤设备的示意图。该设备包括9个滤段1，每个滤段具有4个过滤单元2。在每个过滤段1中的过滤单元2相互串联。9个滤段1通过一个分配管道3同时供入待过滤的流体。在过滤单元2中，流体的一部分作为渗透液或过滤液被分离出去，而流体的剩余部分则作为渗余物集中在集流管4中排出。在图中未示出渗透液的排出管道。

图1表示在分配管3中带有分离区7的两种流体5和6。在一个过滤循环结束后，用水5把渗余物6从过滤设备中置换出去，于是流体5和6出现。在图示状态中，过滤单元2和集流管4的一部分由于置换已充有水5，而过滤单元2和集流管4的另一部分则还充有渗余物6。众所周知，在这种状态下，单个膜管或整个过滤单元2一再被堵塞，因为当粘度很小的水通过已经冲洗室的过滤单元的一部分时，高粘度的渗余物6不再可能从剩余的过滤单元2中置换出去。

在供入水5之前，如果分配管道3的入口8和集流管4的出口9之间由于过滤单元2所引起的压差例如还有5巴，则图1所示状态下的压差在第一滤段1冲洗室以后下降到大约3巴并随着其他滤段1的冲洗而继续下降。压差的减小使仍充有渗余物6的单元2中的流速减小。结构效应使渗余物6的高的粘度继续增加，直至渗余物的流动停止为止。在这种情况下，剩下不到3巴的压差不再可能把剩余的渗余物6置换出来。

在仍有敞开的渗余物输送的情况下，已知的装置通过对称的分配器和/或很慢打开的水阀减少了上述问题。在对称分配器的情况中，分离界限7同时到达全部滤段1；而在很慢打开水阀的情况中，同时到达过滤段1的流体混合物的粘度差减小。

由于占地面积和费用上的原因，已知的对称分配器只为最多4个滤段设计，而且一般与静态混合器组合。慢慢打开水阀则需要调节装置才能达到渗余物的足够慢的粘度减小；但在这种情况中，剩下的流动死区仍可引起重新堵塞。

实践证明，即使采取了上述措施，仍不能避免过滤单元的堵塞。特别是在带有到200个滤管用的分配器的过滤设备时，这个问题尤为严重，这种过滤设备大致相当于一个带有10个滤段的标准大设备。

所以本发明的目的在于，使至少两种流体在一条管道中形成一种混合状态，这种混合状态可有效地避免上述的过滤单元堵塞。

根据本发明，在上述那种方法的情况下，这个目的是这样实现的：在该管道的第二分段的至少一点上分出一个分流，并将这分流在一定的时间延迟后重新送入该管道的第二分段中。

该方法最好这样实施，在取出点或在位于该取出点上游的一点将分流重新供入该管道的第二分段。

作为一条管道中的流体的混合装置最好用至少一根旁路管道，该旁路管道相互连接管道方向内相隔一定距离的至少两个管道位置并使一个位于下游管道位置的分流回流到位于回路上游的至少一个管道位置。

该方法用来混合流体，避免模流过滤设备单元的堵塞，在这种横流过滤设备中，至少包括两个过滤单元的过滤通道(滤段)平行由一根分配管供给待过滤的流体，其特征在于，该管道的第二分段作为滤段的分配管使用。

本发明方法的其它方案及其应用和实施的装置在各项从属权利要求中说明。

本发明的一些实施例在下面结合附图进行详细说明。

附图表示：

图1一种已知的横流过滤设备的示意图；

图2在一根管道中混合流体的本发明装置；

图3a带有一个注射器的图2所示装置的一个方案；

图3b带有一个经向混合器的图2所示装置的一个方案；

图3c带有一根已混合液体的分配管道的图2所示装置的一个方案；

图3d将一根管道的一部分流量重新供给该管道的两个位置的图2所示装置的一个方案；

图3e带有一根用来分配已混合流体的管道的图3d所示装置的一个方案；

图4用本发明方法混合流体的一种横流过滤设备的示意图；

图5带有一个回流的分流的中断装置的图4过滤设备的一个方案；

图6在下游通过一台渗余物输送泵实现分流回流的图4过滤设备的一个方案；

图7通过待过滤介质的容器实现回流的图4过滤设备的一个方案；

图8通过一根渗余物管道实现回流的图4过滤设备的一个方案；

图9通过一个注射器实现回流的图4过滤设备的一个方案的详图；

图10带有一个垂直分配器的并通过一个注射器实现回流的图4过滤设备另一方案的详图；

图11在上游通过一台渗余物输送泵实现回流的图4过滤设备的一个方案。

图12把一根旁路管和一根分配管组装在一个单元中的图4过滤设备的一个方案的详图；

图13分别带分配管道和集流管道循环的图4过滤设备的一个方案的详图。

图2表示在一根管道13中混合流体用的一种本发明装置。未混合的流体通过一根管道12输入管道13并在管道13中混合经管道14输出。管道13在纵向内相隔一定距离的一两个管道位置15、16通过一根旁路管道17相互连接。在旁路管道17中通过一台泵18把分流从位于下游的管道位置16泵回到位于一个循环回路上游的管道位置15。

在图2所示装置的情况下，当多种流体在管道12的一个横断面内同时出现时，即产生混合作用。但当多种流体在管道12的纵向内相继跟随时，也特别产生混合作用。由于分流通过旁路管道17回流，所以第一流体在跟随分离区的第二流体中一直进行混合，直到第二流体完全从旁路管道17中置换出第一流体为止。所以第二流体的浓度跟随分离区只经过一定的长度缓慢增加，该长度取决于管道位置15、16的距离。只有在这个长度以内才可用图2所示的装置进行混合。

图3a表示图2所示装置的一个方案，相应的元件沿用图2的参考符号。根据图3a，在位于上游的管道位置上设置一个注射器20以代替泵18，该注射器把分流从位于下游的管道位置通过旁路管道17吸入位于上游的管道位置。众所周知，这种注射器有各种不同的结构，例如带有一导流板或做成缝隙注射器。

在相当于图2所示装置的图3b中，在管道13’中还装有一个经向混合器22来进行混合经向混合器22改进了垂直于管道13’的轴线的旁路管道17的分流的混合。

图3c表示图2所示装置的一个方案，在这个方案中，分流通过旁路管道17″供入管道13″位于上游的管道位置15进行混合，该旁路管道同时具有6个出口23来流出已混合的流体。所以这里取消了图2所示的输出管14，并把到达位于下游管道位置16的总的管道流量作为分流供入旁路管道17″。在图3c所示方案中，为了总的管道流量通过旁路管道17″有效回流，还在管道13″中接入了一台循环泵18″。

在图3d所示图2装置的方案中，可实现一种与通过管道12的流体的供给无关的运行方式，即从输出管道14的第一流体直接转变到混合状态而不需逐渐过滤。这种运行方式是这样实现的，即从位于下游的管道位置16通过第一旁路管道17将分流供入位于上游的第一管道位置15’，并通过第二旁路管道17’供入位于上游的第二管道位置15″。这时，一旦管道12中的两种流体之间的一个分离区进入管道位置15″和16之间的范围，就在这个预混合器中进行如下的工艺过程：

-在混合管道13的入口之前和出口之后的两个阀门80和81关闭；

-旁路管道17中的循环泵18接通；

-通过管道13、17、17’回路中不同的时间延迟的循环沿混合管道13进行混合，同时通过经向混合器22也进行横向混合；

-阀门80和81打开；

-输入管道12中的一台输送泵33接通，以便形成的液体混合物通过输出管道14输出。

所以在旁路管道17、17’之前的分配器82把通过管道17产生的不均匀性分配到在管道位置15’、15″之间的一段距离Δl上。在分配器82和管道位置15’之间的管道长度b通过17’、15″最好不等于分配器82和管道位置15’之间的管道长度a。最好

，其中n＝自然数。为了补偿不同的管道长度a和b，在分配器82和管道位置15’之间设置了一个节流阀83，用该节流阀使流量Q_a通过节流阀83和通过管道位置15″的流量Q_b相互大致平衡，即Q_a≈Q_b。

图3e表示图3d所示装置的一个方案，这个方案用一根管道通过四个出口23来分配已混合的流体。在第一种运行方式中，只要入口阀门80关闭，由于循环泵18，只有流量Q82在回路中流经分配器82而不流经出口23，这个装置起纯粹预混合器的作用。在打开入口阀门80的第二种运行方式中，通过入口阀门80的流量Q80最好调节成 $Q82\≈\frac{1}{2}Q80$ 。

图4表示用一个装置来混合流体的横流过滤设备的示意图，该设备包括一个待过滤介质的容器30。待过滤的介质通过一根管道31输入。在容器30下方的出口连接一根介质的输送管道32，在该输送管道中接入一台输送泵33。输送泵33产生一个出口压力Δp＝6巴和一个输送流量Q1。输送管道32连接在一根分配管道34上，后者将待过滤的介质分配到并联的过滤通道或滤段35上。滤段35通过一个过滤单元36引到一根总管38，该过滤单元分离出的渗透液经管道37流走。

集流管38把没有通过管道37的被过滤介质的分离部分作为渗余物经一根渗余物管道39和一个节流元件40送回容器30。用节流元件40可调节分配管道34的入口45和集流管38出口之间的压力降。该压力降可通过一个静压探测器41测定入口压力p1并通过静压探测器42测定出口压力p2。

在分配管道34的一端43上连接一根旁路管道44，该旁路管道把分流从该端43送回到分配管34的入口45。当通过输送管道32分开的待过滤的介质部分相继到达分配管道34的入口45时，这部分介质混合流入滤段35中，而且不出现图1所示的问题。如图4所示，在旁路管道44中接入第二台输送泵46和一个节流元件47。泵46产生一个出口压力Δp＝0.2巴和一个输送流量，该输送流量为第一台泵33的输送流量Q1的50％至100％。

因此，在分配管道34中达到一个等于流量Q1的150％至200％的流量。从而还剩下的待过滤介质的浓度差最多以很小的时间延迟到达全部过滤段35并对单个滤段不可能产生长时间的作用。特别是在结束一个过滤循环后，通过容器30附近的阀门48供入冲洗水来置换流经排出阀49的高粘度残余渗余物时，就会产生这种浓度差。

图5表示图4过滤设备的一种方案的详图。在图5所示的示意图中，分配管34带有过滤通道(滤段)35、集流管38和旁路管44。作为回流的分流的中断装置，图5的旁路管道44在分配管34的入口45前面的下端具有一个截止阀50和一个位于该截止阀前面的排泄阀51。阀50、51在用水或碱液作为冲洗剂清洁冲洗管道34、44时使用。其中，按图4在一个过滤循环内在渗余物回路30、32、34、36、38、39中进行循环的渗余物被冲洗出去。

图6表示图4过滤设备的一种方案的示意图。与图4所示分配管道34的入口45不同的是，这里的分配管道34的分流的回流直接在渗余物输送泵33下游(压力侧)的一个位置55进行。这种预循环的优点在于，在位置45、55之间的管道内达到更好的纵向混匀，因为在实用的设备中，这两个位置之间的距离相当长并具有许多弯头。

在图7所示的图4过滤设备的另一种方案的示意图中，分流的回流从分配管道34的一端43经管道44’和容器30进行。在这里省掉了图4的第二输送泵46。所以在管道44’中这样设置了一个直通阀47’或一个固定调节的孔板，使通过输送管道32输入的渗余物流量的大约50％直接流回容器30中。这个方案的优点是，节省了图4的第二台输送泵46。当然，由于大约6巴的管道32的输送流量的50％左右的能量没有用地过滤单元36(图4)的过滤，所以能耗较大。直通阀47’通过两个流量传感器56、56’进行控制。

图8表示图4过滤设备的一个方案，这个方案同样也不用图4的第二台输送泵46。在这种情况中，分配管道34的待过滤介质的回流通过集流管38的渗余物管道39在位置60注入来实现。在分配管道34和位置60之间还接入了一个压力匹配用的节流阀61。在这里由于通过节流阀61的流量也会引起输送泵33的附加负荷，该负荷虽然比图7所示方案要小一些，但仍然相当高。

图9表示图4所示过滤设备的一种方案的类似于图3a的详图，在这里回流通过一个注射器20来进行。其中，输送管道32、分配管道34、旁路管道44、过滤通道(滤段)35和集流管道38仍沿用图4的参考号。为了设置在生产中断时沉淀物的均匀分布，分配管道34和集流管道38最好水平布置。如果只有一种垂直布置的可能性，则最好选用图10所示的布置。

在图10所示的图4过滤设备的另一方案的详图中，也是通过一个注射器20来实现回流，与图4方案不同的是，从分配管道34的一端43’用旁路管道44将渗余物送回到输送管道32中的位置55’尽可能远地位于管道34的入口45’前面。这样，在旁路管道44位于下方和分配管道34从上往下流动时，过滤设备在运行中断的情况下可能在旁路管道44中产生的沉淀物65就被很好地重新混合。此外，滤段35的入流比图5所示方案均匀。

图11表示图4所示过滤设备一种方案的示意图，在这里，待过滤的介质的分流经一根旁路管道44″回流到位置15’的输送管道32中是通过位于上游的渗余物输送泵33来实现的。这时，为了压力的匹配，在旁路管道44″中接入了一个节流阀47″。过滤设备的这个方案对运行中断后的固体沉淀物如活性炭、膨润土等等具有特别好的纵向混匀效果。

图12表示图4所示过滤设备一种方案的详图，这个方案把一根旁路管44和分配管34’组装在一个单元中。管44、34’可这样实现，即在一根具有圆形、椭圆形或矩形横截面的管子中装入一块隔板68。这时，输送管道32的一端69最好做成注射器，该注射器把来自旁路管44的流量重新流回分配管34’中。

图13表示用来平衡单个滤段35的压力降的图4所示过滤设备的一个方案的示意详图。在这里除了分配管道34的前置循环段44、46外，还设置有带一个后置循环段70的集流管38。前置循环段中的输送泵46和后置循环段中的输送泵71的作用在于，在图13所示的两个循环段中使流体首先到达位于下方的滤段并使流体最后到达位于上方的滤段。通过输送泵46、71和管道34、44、38、70的适当的尺寸选定，可达到每个滤段35的压力降Δp相等或接近恒定。此外，如图13所示，管道34、38的横截面在每个循环段以内减小，这样，待过滤的介质的不均匀性由于较大的流速便可在尽可能小的时间延迟到达各个滤段。

业内人士对在一根管道内混合流体的方法和装置可提出许多方案，所有方案都不背离所附各项权利要求的范围。这些装置适用于横流过滤的全部范围和各类薄膜例如空心纤维、毛细管，卷绕组件、管组件、分离范围为反渗透(RO)、纳滤(NF)、超滤(UF)、细滤(MF)和筛滤的有机和无机膜。待混合的流体包括有或没有固体成分的待分离的无机和有机物。包括这些装置的过滤设备可不连续地或连续地工作。

分配管道34(见图4)可水平或垂直布置，视待分离物的种类而定。在设备的整个运行时间过程中，分流回流用的前置循环段44、46的运行对粘度波动的待分离物具有提高安全性的作用。当然，只是在待分离物从设备中置换之前和置换的过程中运行达到的节能是相当小的。不用图4所示的单元滤段35，单个膜管也适用于这些过滤通道，其数量可到大约200个，视滤段数目而定。

图1所示的一般过滤单元包括大约20个滤管，而已知的大型过滤单元则有大约200个膜管。这种设备一般只包括唯一的一个这样的大型过滤单元，这时集流管道和分配管道连同前置循环段按图4可组装成一个扩大的模块单元。

Claims (31)

1.一种把流经一条管道的第一分段(12、32)的至少两种流体在该管道的第二分段(13、34)中形成混合状态的方法，其特征为，在该管道第二分段的至少一个位置(16、43)分出至少一个分流并将该分流以一定的时间延迟重新供入该管道的第二分段。

2.按照权利要求1的方法，其特征为，该分流在分流位置或在位于该分流位置上游的一个位置(15、45)重新供入该管道的第二分段。

3.按权利要求1的方法，其特征为，该分流在分流位置(16)上游或下游的至少两个位置(15’、15″)以不同的时间延迟重新供入该管道的第二分段。

4.在一根管道(12、13；32、34)中的流体的混合装置，其特征为，至少一根旁路管道(17、44)相互连接该管道的管道方向内相隔一定距离的至少两个管道位置(15，16；43，45)并把位于下游的管道位置(16，43)的一个分流回流到循环回路中位于上游的至少一个管道位置(15、45)。

5.按权利要求4的装置，其特征为，通过一台位于旁路管道(17，44)中的泵(18，46)把位于下游的管道位置(16，43)的分流泵送到位于上游的管道位置(15，45)。

6.按权利要求4的位置，其特征为，通过一个位于上游管道位置的注射器(20)把分流从位于下游的管道位置经旁路管道(17’，44)吸入位于上游的管道位置。

7.按权利要求5的装置，其特征为，在位于上游和下游的管道位置之间的管道(13’)内接入一个经向混合器(22)。

8.按权利要求4的装置，其特征为，位于下游管道位置(16)的分流等于到达该管道位置的总的管道流量，旁路管道(17″)具有至少两个出口(23)并把已混合的流体分配到该出口。

9.权利要求1的方法的应用，用于在一种横流过滤设备中避免过滤单元的堵塞，在这种横流过滤设备中，至少两个包括过滤单元的过滤通道(滤段)(35)同时由一根分配管道(34)供给待过滤的流体，其特征为，该管道的和二分段作为滤段(35)的分配管道(34)使用。

10.按权利要求9的应用，其特征为，在横流过滤设备的渗余物再稀释后，分流在它回流到分配管道(34)之前被中断。

11.按权利要求10的应用，其特征为，在分流中断后紧接着将分配管道(34)中的和分流中的渗余物的剩余量通过一个排泄阀(51)排出。

12.按权利要求9的应用，其特征为，一个相对于滤段所需流体量增加了的流体量供入该分配管道，该分配管道作为直通分配器使用。

13.按权利要求12的应用，其特征为，供入分配管道的流体量至少为通过滤段流出的流体量的1.1倍。

14.按权利要求4的装置，其特征为：该管道包括横流过滤设备的一根分配管道(34)，其中分配管道(34)把待过滤的流体同时分配到至少两个过滤通道(滤段)(35)，每个滤段至少包括一个过滤单元；供给旁路管道(44)的位于下游的管道位置(43)位于分配管道(34)中的最后滤段连接管后面，而位于上游的管道位置(45)则位于第一滤段连接管前面。

15.按权利要求14的装置，其特征为，上游的管道位置(55)位于渗余物输送泵(33)下游的横流过滤设备的待过滤流体的一根输入管道(32)中。

16.按权利要求14的装置，其特征为，分流回流的循环包括位于下游的管道位置(43)、旁路管道(44’)、一个容器(30)和横流过滤设备的一台渗余物输送泵(33)以及位于上游的管道位置(45)。

17.按权利要求16的装置，其特征为，连接在位于下游的管道位置上的分流的回流循环包括一个节流元件(61)并连接在该元件上流入回流管道(39)中，该回流管道把横流过滤设备的滤段的过滤单元的渗余物送回容器(30)中。

18.按权利要求15的装置，其特征为，在位于下游和位于上游的管道位置之间的旁路管道包括一台输送泵(46)。

19.按权利要求18的装置的运行方法。其特征为，在横流过滤设备停止后，循环首先通过带输送泵(46)的旁路管道(44)并在一定时间延迟后用渗余物泵(33)开始供给待过滤的流体。

20.按权利要求14的装置，其特征为，位于上游的管道位置包括一个注射器(20)，该注射器把分流从位于下游的管道位置经旁路管道(44)吸入位于上游的管道位置。

21.按权利要求20的装置，其特征为，紧接在位于上游的管道位置(55’)后面的下游分配管道(34)只占据混合管道的这样一部分，即在回流循环中，上游的管道位置(55’)离最后的滤段连接管比离第一滤段连接管近。

22.按权利要求16的装置，其特征为，在位于下游的管道位置(43’)和容器(30)之间的旁路管道(44’)内的分流回循环包括一个节流元件(47’)。

23.按权利要求22的装置，其特征为，节流元件(47’)为一个调节阀，它根据渗余物输送泵(33)的输送流量确定输送流量。

24.按权利要求14的装置，其特征为，上游的管道位置(15’)位于渗余物输送泵(33)上游的横流过滤设备待过滤的流体的一根输入管道(32)中。

25.按权利要求20的装置，其特征为，该分配管道只具有一个到处不变的直径。

26.按权利要求14的装置，其特征为，旁路管道(44)与分配管道(34’)组合在一个结构单元中，该结构单元还具有一个元件(69)来在分流回流的循环中产生环流。

27.按权利要求15的装置，其特征为，分流回流的循环回路具有至少一个阀门(50)，以便中断循环和进行冲洗。

28.按权利要求14的装置，其特征为，除了分流的第一循环(34、46)通过过滤通道(35)的分配管道(34)外，过滤分段(35)的渗余物的集流管道(38)设置了连通的第二循环(70、71)。

29.按权利要求28的装置，其特征为，第一循环(34、36)和第二循环(38、70、71)的通流方向和尺寸得出从分配管道(34)和集流管道(38)的从第一过滤通道到最后过滤通道(35)的相同通流量和大致相等的流速。

30.按权利要求29的装置，其特征为，第一和第二循环的调节装置根据循环回路中流体的流量作为测量值调节流速。

31.按权利要求29的装置，其特征为，第一和第二循环的调节装置根据分配管道和集流管道中的流体的压降作为测量值调节流速。

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