EA005907B1

EA005907B1 - Спирально закрученный мембранный элемент и способ предотвращения телескопичности фильтрующего элемента

Info

Publication number: EA005907B1
Application number: EA200400909A
Authority: EA
Inventors: Йенс Клоппенборг Меллер
Original assignee: Энвиро Холдинг А/С
Priority date: 2002-01-04
Filing date: 2002-12-03
Publication date: 2005-06-30
Also published as: NO20043266L; US7396463B2; JP4213039B2; DK200200008A; JP2005512800A; ATE394160T1; CA2472325A1; EA200400909A1; EP1499425B1; WO2003055580A1; KR20040095203A; CN1617758A; DE60226515D1; EP1499425A1; US20050061730A1; NZ533912A; AU2002367082B2; CN1277597C; AU2002367082A1

Abstract

Описан способ ультрафильтрации, использующий спирально закрученный мембранный фильтр, при котором давление в пространстве между фильтрующим элементом и корпусом высокого давления выше или равно давлению внутри фильтрующего элемента. При использовании таких условий статическая сила, образованная давлением, создает высокое трение между разными листами в спирально закрученном фильтрующем элементе, которое эффективно предотвращает разматывание или телескопичность фильтрующего элемента. Используя эту конфигурацию, можно осуществлять ультрафильтрацию, применяя более высокую разность давлений по сечению фильтрующего элемента, чем это было бы возможным в других конфигурациях, что приводит к более высокой эффективности и низким затратам энергии. Кроме того, описаны антителескопическое устройство (АТУ) и спирально закрученный фильтрующий элемент, которые особенно подходят для заявленного способа.

Description

Изобретение относится к способу ультрафильтрации, антителескопическому устройству (АТУ), особенно подходящему для использования в указанном способе, и ультрафильтру, особенно подходящему для использования в указанном способе.

Предпосылки изобретения

Использование ультрафильтрации для концентрирования исходного потока путем пропускания малых молекул через фильтр и задерживания более крупных молекул, хорошо известно в промышленности. Использование ультрафильтров широко распространено, в частности, в молочной промышленности и в фармацевтической промышленности. Другое хорошо известное применение известно как обратный осмос, когда задерживаются практически все молекулы крупнее молекул воды, а пермеат является чистой водой. Обратный осмос используется, например, для опреснения морской воды, чтобы получить пресную воду для использования в быту или для орошения.

Основой для всех этих применений являются мембраны, имеющие подходящие для намеченного применения свойства проницаемости. Так как производительность зависит, очевидно, от площади поверхности мембраны, желательно использовать большие площади мембраны. Чтобы избежать громоздкого технологического оборудования, такие мембраны часто расположены в спирально закрученной конфигурации.

Обычные спирально закрученные фильтры содержат от 1 до 6 закрученных элементов, соединенных последовательно и помещенных в цилиндрический корпус высокого давления. Типичные спирально закрученные элементы состоят из одной или более мембран размером приблизительно 1x1 м, свернутых в рулон, имеющий конечный диаметр 10-20 см и длину примерно 1 м. Между двумя мембранами в рулоне размещена проницаемая пористая среда для проведения жидкости, разделитель концентрата для обеспечения возможности прохождения концентрата через мембрану распределенным по всей поверхности и непрерывного смывания с мембраны накапливающихся твердых частиц.

В данной области известно обеспечение фильтрующих элементов твердой непроницаемой оболочкой снаружи от спирально закрученного фильтрующего элемента, чтобы сохранить элемент плотно свернутым. При такой конфигурации поток в и из фильтрующего элемента будет проходить от края до края в продольном направлении.

Поток внутри разделителя концентрата может проходить как в осевом, так и не в осевом направлении, причем неосевое направление является тангенциальным движением по спирали снаружи по направлению к центру спирально закрученного элемента. В данной области известно, что некоторые конструкции разделителя концентрата обеспечивают тангенциальное движение по спирали, а другие - нет.

Каждая мембрана обычно состоит из пористой проводящей в центре среды, разделителя пермеата, соединенного с центральной трубкой для пермеата, и на каждой стороне разделителя пермеата имеется разделяющая мембрана. Узел закрыт с трех краев, не соединенных с трубкой для пермеата, например, клеем для обеспечения прохождения в разделитель пермеата только жидкости, пропущенной разделительными мембранами.

Часто пористая проницаемая ткань, отделочная прокладка, навивается вокруг спирально закрученного фильтрующего элемента, чтобы минимизировать зазор, который неизбежно образуется между спирально закрученным элементом и корпусом высокого давления.

На каждом конце фильтрующих элементов и в промежутке между двумя элементами, когда в цилиндрическом корпусе имеется два или более спирально закрученных элемента, обычно предусмотрены антителескопические устройства (АТУ), которые служат разделителями между двумя элементами, чтобы снизить тенденцию спирально закрученных элементов разматываться путем сдвига в осевом направлении. В данной области известен ряд различных конструкций АТУ.

В патенте υδ 4,296,951 описан сфероидальный соединительный элемент для модулей фильтрации, включающий сфероидальный формованный корпус из эластомерного материала, имеющий коаксиальные высверленные отверстия для приема соответствующих концов пермеатной трубки. Эти соединительные элементы пригодны при различных интервалах давления.

В патенте ϋδ 4,301,013 описан спиральный мембранный модуль с регулируемым байпасным уплотнителем, в котором в пространстве между наружной поверхностью модуля фильтрации и внутренней поверхностью цилиндрического корпуса предусмотрено наличие материала, чтобы предотвратить накопление какого-либо продукта в этом отделении.

В патенте ϋδ 4,855,058 описан спирально закрученный мембранный модуль высокой степени очистки, содержащий средства для обеспечения радиального потока смеси подача-концентрат в степени, достаточной, чтобы получить превращение 30% или более, сохраняя поток турбулентным или прерывисто ламинарным.

В патенте υδ 6,224,767 описан узел элементов для разделения жидкостей, в котором антителескопические устройства являются съемными, что обеспечивает возможность их использования многократно, когда мембранные элементы достигнут конца их эффективного срока службы и должны быть заменены новыми элементами.

При использовании жидкость, которая должна быть сконцентрирована, подается на вход корпуса высокого давления и продавливается через фильтрующие элементы в основном в продольном направле

- 1 005907 нии, даже если некоторые фильтрующие элементы обеспечивают некоторый поток в радиальном направлении. Однако часть жидкости будет проходить фильтрующий элемент через пространство между фильтрующим элементом и цилиндрическим корпусом, образуя байпасный поток.

Специалист в данной области поймет, что падение давления вдоль фильтрующего элемента зависит от гидравлического сопротивления, создаваемого на пути движения жидкости. Поэтому профиль давления в пространстве между фильтрующим элементом и корпусом будет отличаться от профиля давления на пути внутри спирально закрученного фильтрующего элемента, даже если начальное и конечное давления равны, т.е., в некоторых точках давление одинаково, в некоторых точках давление в пространстве между фильтрующим элементом и корпусом выше, а в некоторых точках ниже.

В точках, где давление внутри фильтрующего элемента выше, чем в пространстве между фильтрующим элементом и корпусом, возникает тенденция к развертыванию или к телескопичности спирально закрученного элемента, что приводит к образованию каналов внутри фильтрующего элемента, которые существенно снижают эффективность фильтрующего элемента.

На практике по опыту знают, что тенденция к развертыванию или телескопичности увеличивается с увеличением градиентов давления и скорости потока жидкости, вследствие чего эффект развертывания или телескопичности ограничивает градиент давления, который может быть приложен к спирально закрученному элементу, и, поскольку разность давлений является движущей силой при фильтрации, эффективность фильтрующего элемента ограничивается.

Желательно иметь возможность работать со спирально закрученным фильтрующим элементом при повышенных градиентах давления, чтобы увеличить эффективность фильтрующего элемента.

Краткое описание изобретения

Следует отметить, что фильтрация с использованием спирально закрученного ультрафильтра может быть улучшена способом ультрафильтрации, использующим один или более спирально закрученных мембранных фильтрующих элементов, помещенных в цилиндрический корпус высокого давления, в котором каждое звено фильтрации содержит одну или более мембран, каждая из которых состоит из центрального разделителя пермеата, закрытого с обеих сторон разделяющей мембраной, соединенной на одном конце с трубкой для пермеата и закрытой на трех других концах, закрученной вокруг центральной пермеатной трубки, с разделителем концентрата, так что мембраны и разделители концентрата чередуются в спирально закрученном элементе, позволяя жидкости проходить из пространства между фильтрующим элементом и корпусом высокого давления в разделитель концентрата по спирали в тангенциальном направлении, причем в поперечном сечении в любой точке вдоль фильтрующего элемента давление в пространстве между звеньями спирально закрученного мембранного фильтра и цилиндрическим корпусом высокого давления выше или равно давлению в разделителях концентрата между двумя мембранами.

В установках ультрафильтрации, использующих спирально закрученные элементы согласно предшествующему уровню, пространство между фильтрующим элементом и корпусом высокого давления будет создавать меньшее гидравлическое сопротивление, чем разделители концентрата внутри спирально закрученного фильтрующего элемента, вследствие чего линейная скорость жидкости в пространстве между фильтрующим элементом и корпусом высокого давления выше, чем внутри спирально закрученного фильтрующего элемента. Физические законы для жидкостей, выраженные уравнением Бернулли, утверждают, что жидкости, проходящие с большей скоростью, будут вызывать меньшее статическое давление по сравнению с жидкостями, проходящими с меньшей скоростью. Следовательно, специалист поймет, что в такой установке ультрафильтрации согласно предыдущему уровню давление внутри спирально закрученного фильтрующего элемента будет в некоторых местах выше, чем давление в пространстве между спирально закрученным фильтрующим элементом и корпусом высокого давления.

В способе согласно изобретению давление вызывает силу, направленную от периферии корпуса высокого давления к центру корпуса. Эта сила увеличивает трение между смежными листами в рулоне, гарантирующее, что спирально закрученные элементы остаются на месте, не разматываясь и не раздвигаясь, даже если к таким фильтрующим элементам приложено большее давление, чем обычно.

Это позволяет фильтрующим элементам работать при давлениях значительно выше, чем давления, используемые в предшествующем уровне, с разницей в 2 бара или более между входом и выходом фильтрующего элемента, имеющего длину приблизительно 1 м. Такая высокая разность давлений обеспечивает большую эффективность фильтрующего элемента, что снова гарантирует, что при использовании этого способа может быть достигнуто большее концентрирование на единицу площади разделяющей мембраны и, кроме того, может быть затрачено меньше энергии по сравнению со способами предшествующего уровня.

Такое выгодное давление может быть установлено путем выполнения фильтра таким образом, чтобы проход между спирально закрученным элементом и корпусом высокого давления был открыт для входящей жидкости на входе фильтрующего элемента и заблокирован или ограничен на выходе из фильтрующего элемента. Таким образом давление может быть установлено согласно способу изобретения.

- 2 005907

Выгодные по давлению условия согласно изобретению могут быть установлены при использовании антителескопических устройств (АТУ), содержащих один элемент, который при размещении в цилиндрическом корпусе высокого давления обеспечивает непрохождение концентрата, поступающего с предыдущего фильтрующего элемента или входа, через АТУ или прохождение через АТУ в ограниченной степени на расстоянии от центральной пермеатной трубки, большем, чем б, где б меньше диаметра звеньев спирально закрученного мембранного фильтра, и где концентрат, выходящий из предыдущего фильтрующего элемента, способен свободно течь в пространство между следующим фильтрующим элементом и корпусом высокого давления.

В предпочтительном варианте это АТУ снабжено ограничителем потока, который обеспечивает, чтобы жидкость, входящая в следующий фильтрующий элемент, достигала конца фильтрующего элемента при более низком давлении, чем когда указанная жидкость достигает внешней границы фильтрующего элемента.

В другом предпочтительном варианте фильтрующий элемент, используемый в способе согласно изобретению, содержит одну или более мембрану, каждая из которых состоит из центрального разделителя пермеата, закрытого с двух сторон разделяющей мембраной, соединенную с одного конца с пермеатной трубкой и закрытую на трех других концах, навитую вокруг центральной пермеатной трубки с разделителем концентрата так, что мембраны и разделители концентрата чередуются в спирально закрученном элементе, в котором концентрат может входить в разделитель концентрата по спирали в тангенциальном направлении из пространства между звеньями фильтра и цилиндрическим корпусом высокого давления.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 схематически изображен ультрафильтр, состоящий из трех спирально закрученных фильтрующих элементов (1), цилиндрического корпуса высокого давления (2), входа (4), выхода концентрата (5) и выхода пермеата (7), входное АТУ (9), два промежуточных АТУ (8) и выходное АТУ (10).

На фиг. 2 изображена диаграмма, показывающая профиль давления в типичном ультрафильтре предшествующего уровня, где Ρί является давлением на входе, Ро является давлением на выходе, а X расстояние от начала спирально закрученного фильтрующего элемента.

На фиг. 3 изображена диаграмма, показывающая профиль давления в спирально закрученном модуле согласно изобретению.

На фиг. 4 изображена диаграмма, показывающая профиль давления в спирально закрученном модуле, имеющем ограничитель потока, размещенный перед входным концом спирально закрученного элемента.

На фиг. 5 изображен поперечный разрез одного исполнения АТУ согласно изобретению, показывающий поперечное сечение между центральной трубкой для пермеата (не показана) и корпусом высокого давления (2). Кольцо (12) перекрывает поток во внешнюю часть фильтра, имеющего манжету (13), перекрывающую корпус, и канал (14), который позволяет исходному раствору/концентрату входить в пространство между следующим спирально закрученным элементом и корпусом высокого давления.

На фиг. 6 изображен другой вариант АТУ согласно изобретению, имеющий, кроме того, ограничитель потока (15) и кольцо (16), граничащее с внешней частью следующего фильтрующего элемента, перекрывающее течение между ограничителем потока (15) и каналом (14).

На фиг. 7 схематически изображен профиль давления вдоль фильтра, имеющего три спирально закрученных фильтрующих элемента, разделенных АТУ согласно изобретению, снабженных ограничителями потока.

На фиг. 8 изображен поток концентрата в фильтр, подобный фильтру, описанному на фиг. 7.

На фиг. 9 изображено поперечное сечение спирально закрученного фильтра, где (21) является корпусом высокого давления, (22) является пространством между фильтром и корпусом высокого давления, (23) является проницаемой тканью, окружающей фильтрующий элемент, (24) является разделителем концентрата, (25) является мембраной фильтра, а стрелки (27-28) показывают течение жидкости тангенциально в разделитель концентрата (24) спирально закрученного элемента.

На фиг. 10 изображено АТУ согласно изобретению, в котором отделение (30), принимающее выход из предыдущего спирально закрученного элемента, образовано так, что гидравлическое сопротивление возрастает с расстоянием от центра элемента, и отделение (31), из которого вход в следующий элемент образован так, что гидравлическое сопротивление уменьшается с расстоянием от центра элемента.

На фиг. 11 изображена установка фильтрации, содержащая четыре спирально закрученных фильтрующих элемента, разделенных АТУ согласно другому варианту осуществления изобретения, с указателями потока внутри установки. В этом исполнении пермеат в центральной трубке для пермеата может не проходить через АТУ, но отводится выходами пермеата (32), имеющимися в каждом втором АТУ. Обеспечивая подходящее противодавление на выходах, можно подобрать чистое давление вытеснения каждого фильтрующего элемента.

На фиг. 12 изображено схематическое поперечное сечение установки фильтрации, использованной в примерах.

- 3 005907

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение относится к ультрафильтрации, когда ультрафильтр включает один или более спирально закрученных элементов, содержащихся в цилиндрическом корпусе высокого давления, где входящая жидкость, содержащая одно или более растворенных соединений, концентрируется с одновременным образованием пермеата, содержащего низкомолекулярные компоненты входной жидкости. Для такого разделения могут использоваться различные термины, такие как рулонный фильтр в корпусе высокого давления, в зависимости от реальной границы отсечения конкретной рассматриваемой мембраны, такой как ультрафильтрация, микрофильтрация и обратный осмос. Специалист в данной области поймет, что настоящее изобретение не ограничивается каким-либо одним из этих терминов или мембранами, имеющими границы отсечения в определенном пределе, но что изобретение может быть использовано с любыми из этих способов разделения, несмотря на то, что описание объясняется в основном в связи с ультрафильтрацией.

Спирально закрученные элементы сами по себе хорошо известны в данной области. Изобретение может быть в принципе осуществлено с использованием любого спирально закрученного фильтрующего элемента, имеющего разделяющие мембраны и разделители концентратов, навитые вокруг центральной трубки для пермеата, спирально закрученные элементы которого обеспечивают тангенциальный вход в разделитель концентрата из пространства между фильтрующим элементом и корпусом высокого давления.

Мембраны для использования в спирально закрученных элементах состоят из центрального листа, разделителя пермеата, принимающего и транспортирующего пермеат в центральную пермеатную трубку. На каждой стороне разделителя пермеата прикреплена разделяющая мембрана, и этот узел закрыт на краях, например, склеиванием, для обеспечения прохождения только жидкости, поступающей в разделитель пермеата, через разделяющие мембраны и выхода из разделителя пермеата только через незаблокированный край и, тем самым, проходить в центральную трубку для пермеата. Может быть выбрана разделяющая мембрана, имеющая границу отсечения, которая подходит для запланированного использования.

Границу отсечения в данном описании следует понимать в обычном смысле как самый большой молекулярный вес, который может иметь соединение, чтобы проникать через мембрану.

Спирально закрученные элементы выполняют путем навивки мембран, прикрепленных к центральной трубке для пермеата, вокруг этой трубки. Между двумя мембранами в спирально закрученных элементах вставляют лист - разделитель концентрата, для транспортировки поступающей жидкости, которая все более и более концентрируется по мере прохождения низкомолекулярных компонентов через мембраны.

Функцией разделителей пермеата и разделителей концентрата является сохранение промежутка, в котором они находятся, открытым для проведения жидкости при намеченном рабочем давлении.

Спирально закрученные элементы, мембраны и разделители, хорошо известные в предшествующем уровне, могут использоваться для осуществления настоящего изобретения.

Чтобы отличить различные положения в фильтре ультрафильтрации или в спирально закрученном фильтрующем элементе, термин предыдущий следует понимать как более близкий к входу, в то время как термин следующий нужно понимать как более близкий к выходу концентрата.

При установке спирально закрученных элементов в корпусах высокого давления неизбежно образуется промежуток между таким элементом и корпусом высокого давления. В данном описании этот промежуток называется также щелью.

Фильтрация согласно изобретению проводится для того, чтобы в любой точке сечения корпуса высокого давления давление в щели было выше или равно давлению в разделителе концентрата внутри спирально закрученного элемента. Это распределение давления снижает стремление спирально закрученного элемента к раскручиванию или раздвижению в продольном направлении во время работы. Используя это конкретное распределение давления в фильтре, можно работать со спирально закрученными фильтрующими элементами при большей разности давлений по фильтрующему элементу, чем это было бы возможным при различном распределении давления. При использовании более высокой разности давлений по фильтрующему элементу давление по мембранам увеличивается, что ведет к более высокой производительности на единицу площади поверхности разделяющей мембраны, находящейся в фильтрующем элементе. Очевидно, что это выгодно, так как пропускная способность фильтра увеличивается, что приводит к уменьшению затрат на оборудование. Более того, процесс может быть осуществлен с малыми затратами энергии.

В принципе, максимальная разность давлений между входом и выходом ультрафильтра или спирально закрученных фильтрующих элементов может определяться сжимаемостью спиральной мембраны и разделителей. Специалист в данной области поймет, что разделители, используемые в фильтрующем элементе, чтобы быть достаточно пористыми, могут быть сжаты посредством тяжелого механического груза. Сжимать какие-либо элементы спирально закрученного фильтра нежелательно, так как сжатие может вызвать изменение проводимости. Поэтому разность давлений между входом и выходом следует выбирать так, чтобы не происходило сжатия мембран и разделителей.

- 4 005907

При работе разность давлений между входом и выходом фильтрующего элемента выше примерно 1 бара на метр фильтрующего элемента, предпочтительно составляет 1-5 бар/м, более предпочтительно 1,5-3 бар/м и наиболее предпочтительно приблизительно 2 бар/м.

Давление в щели предпочтительно по меньшей мере на 0,01 бар выше, чем давление внутри фильтрующего элемента.

Давление в щели может быть обеспечено выше или равным давлению внутри модуля в поперечном сечении, что гарантирует, что жидкость может войти в щель со стороны входа, но не выходить из щели в сторону выхода фильтрующего элемента или выходить из щели со стороны выхода фильтрующего элемента только в ограниченной степени. Таким образом в щели образуется более высокое давление по сравнению с внутренними частями фильтрующего элемента.

Выражение в ограниченной степени означает, что допускается небольшое истечение из щели в количестве, достаточном, чтобы предотвратить образование где-либо в установке фильтрации застойных зон без течения жидкости, но достаточно низкое, чтобы гарантировать, что практически вся жидкость пройдет через фильтр. Для специалиста понятно, что в гигиенических системах, например, для использования в пищевой или фармацевтической промышленности, очень важно, чтобы не было застойных зон, поскольку такие застойные зоны могут привести к образованию микроорганизмов, что очевидно, неприемлемо.

Поток в ограниченной степени может быть обеспечен путем создания гидравлического сопротивления на выходе из щели, такого как узкий проход для жидкости, например, отверстия в уплотнителе.

Течение в спирально закрученном фильтрующем элементе, действующем согласно изобретению, показано на фиг. 8.

Без привязки к теории следует отметить, что более высокое давление в щели, чем внутри спирально закрученного элемента, создает на мембранах силу, направленную к центру элемента, которая обеспечивает увеличение трения между разными листами в спирально закрученном элементе и, следовательно, снижение тенденции к боковому движению между листами, что приводит к снижению тенденции к разматыванию или телескопичности.

На фиг. 2 показана диаграмма давления в щели и внутри элемента для фильтрующего элемента, работающего согласно предшествующему уровню. Как видно из фиг. 2, давление в щели в различных позициях вдоль фильтрующего элемента ниже или равно давлению внутри модуля. Следовательно, образуется направленная наружу статическая сила, которая снижает трение между различными листами элемента.

Напротив, в фильтрующих элементах, действующих согласно изобретению, для которых давления показаны на фиг. 3, статическая сила, образованная разностью давлений между разными отделениями, направлена к центру корпуса высокого давления, что будет увеличивать трение между соседними листами в рулонном фильтре и, следовательно, будет препятствовать движению листа относительно соседнего листа и предотвращать разматывание элемента. В конце фильтрующего элемента, ближайшего к входу, не было обнаружено практически никакой разности давлений между щелью и внутренней частью элемента, тогда как вдоль длины элемента разница увеличивается.

В одном варианте осуществления ограничитель потока расположен перед рулонным элементом таким образом, что жидкость может проходить в щель мимо ограничителя потока. Ограничитель потока служит для обеспечения понижения давления в ближайшей части фильтрующего элемента по сравнению с давлением в щели в каком-то конкретном месте.

Свойства ограничения потока выбираются так, что образуется достаточная разность давлений между входом фильтрующего элемента и давлением в щели в позиции, соответствующей концу фильтрующего элемента, ближайшего к входу. Предпочтительно такая разность больше, чем 0,01 бар, более предпочтительно находится в интервале от 0,05 до 0,1 бар.

Ограничитель потока может быть выполнен из любого материала, способного ограничить поток к ближайшему концу фильтрующего элемента, и достаточно прочного, чтобы выдержать давление. В компетенции специалиста в данной области определить, какой материал подходит для такого ограничителя потока.

При использовании ограничителя потока профиль давления фильтрующего элемента будет таким, как показано на фиг. 4.

На каждом конце фильтрующего элемента и, если в корпусе высокого давления имеется более одного фильтрующего элемента, между двумя фильтрующими элементами помещают АТУ. АТУ, которое особенно подходит для использования в соответствии с настоящим изобретением, является антителескопическим устройством (АТУ) для разделения двух звеньев спирально закрученного мембранного фильтра в установке ультрафильтрации согласно изобретению, содержащим один элемент, который, будучи помещен в цилиндрический корпус высокого давления, гарантирует, что концентрат, поступающий с входа или с предыдущего фильтрующего элемента, не может пройти через АТУ или проходит только в незначительной степени на расстоянии от центральной трубки для пермеата, большем б, где б меньше, чем диаметр спирально закрученных мембранных фильтрующих элементов, тогда как концентрат, по

- 5 005907 ступающий с предыдущего фильтрующего элемента, может свободно проходить в щель между следующим фильтрующим элементом и корпусом высокого давления.

Эта конструкция гарантирует, что жидкость не может проходить или проходит только в ограниченной степени от щели между предыдущим фильтрующим элементом в промежуток между двумя элементами, и одновременно жидкость может проходить от промежутка в щель между следующим фильтрующим элементом и корпусом высокого давления. Установленное таким образом АТУ согласно изобретению обеспечивает благоприятное распределение давления в способе согласно изобретению.

Расстояние й выбирается так, чтобы отношение между й и радиусом корпуса высокого давления было в интервале от 0,4 до 0,95, предпочтительно в интервале от 0,75 до 0,95, и наиболее предпочтительно в интервале от 0,8 до 0,9.

Прохождение жидкости в ограниченной степени может также рассматриваться как контролируемый байпас жидкости. Может быть выгодным иметь контролируемый байпас, чтобы гарантировать, что жидкость проходит во всех частях установки фильтрации и что не может появиться никаких застойных зон без движения жидкости. Это особенно важно в применениях, относящихся к пищевой или фармацевтической промышленности, где в застойных зонах может начаться рост бактерий, и поэтому застойных зон следует избегать в этих применениях по гигиеническим причинам.

В одном варианте осуществления АТУ может снабжаться средствами для герметизации корпуса высокого давления. Такие средства герметизации хорошо известны в данной области. Примеры таких средств герметизации могут быть выбраны из манжет и уплотнительных колец.

В другом предпочтительном варианте осуществления АТУ может создавать гидравлическое сопротивление для жидкости, проходящей из предыдущего фильтрующего элемента, причем гидравлическое сопротивление увеличивается с расстоянием от центра фильтрующего элемента. Аналогично, АТУ может быть выполнено так, чтобы сопротивление для жидкости, проходящей в следующий фильтрующий элемент, увеличивалось с расстоянием от центра фильтрующего элемента. Это меняющееся гидравлическое сопротивление гарантирует, что давление внутри фильтрующего элемента увеличивается с расстоянием от центра фильтрующего элемента.

Переменное гидравлическое сопротивление может быть обеспечено такой конструкцией АТУ, чтобы отделение, от которого жидкость проходит в (31) или из (30), имело форму клина, причем самое высокое гидравлическое сопротивление находится на острие клина.

В предпочтительном варианте осуществления АТУ, кроме того, снабжено кольцом, граничащим с внешней частью следующего фильтрующего элемента, так что жидкость не может проходить во внешние разделители концентрата, но способна проходить во внутренние разделители концентрата и способна также свободно проходить в следующую щель.

Кольцо, граничащее со следующим фильтрующим элементом, предпочтительно имеет такой размер, что оно способно заблокировать поток в фильтрующий элемент на расстоянии Эг от внешней поверхности фильтра, где отношение между Эг и радиусом корпуса высокого давления лежит в интервале от 0,7 до 0,9.

Кроме того, АТУ снабжено структурами для установления достаточной поверхности контакта с предыдущим и следующим фильтрующими элементами, чтобы выдерживать приложенное давление без недопустимой деформации фильтрующих элементов или АТУ. В связи с этим под недопустимой деформацией следует понимать деформацию, которая значительно сокращает срок службы или эффективность фильтрующих элементов. Подходящие структуры, разработанные для обеспечения поверхности контакта, могут быть выбраны из радиальных ребер, колец, перфорированных пластин и т.п., как это известно в данной области.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения АТУ выполнено таким образом, чтобы пермеат в центральной трубке для пермеата не мог проходить через АТУ, но вместо этого АТУ снабжены выходами пермеата (32). В этом способе центральный пермеат разделен на сегменты, каждый из которых проходит от одного АТУ до другого АТУ и причем каждый сегмент имеет отдельный выход. Подавая подходящее противодавление на каждый выход пермеата, можно подобрать чистое давление вытеснения, т.е., разность давлений между входом фильтрующего элемента и выходом пермеата фильтрующего элемента, через разделяющие мембраны каждого спирально закрученного фильтрующего элемента. Это особенно выгодно для установок фильтрации, содержащих несколько спирально закрученных фильтрующих элементов, чтобы обеспечить, что чистое давление вытеснения по существу одинаково по сечению каждого спирально закрученного фильтрующего элемента. Каждое АТУ может иметь один выход пермеата или каждое второе АТУ может быть снабжено двумя выходами пермеата, по одному на каждой стороне, как показано на фиг. 11.

В компетенции специалиста в данной области выбрать подходящие размеры и материалы для АТУ.

В одном варианте осуществления АТУ включает ограничитель потока, соединенный с АТУ таким образом, чтобы обеспечить прохождение жидкости, входящей в следующий фильтрующий элемент через этот ограничитель потока, но жидкости свободного прохождения в щель между следующим фильтрующим элементом и корпусом высокого давления, не проходя через ограничитель потока.

- 6 005907

Ограничитель потока гарантирует, что давление в щели выше давления внутри фильтрующих элементов во всех точках вдоль фильтрующего элемента.

В настоящем изобретении предпочтительно, чтобы фильтрующие элементы были выполнены так, чтобы концентрат мог проходить в разделитель концентрата по спирали в тангенциальном направлении из пространства между звеньями фильтра и цилиндрическим корпусом высокого давления.

Это гарантирует, что жидкость в щелях проходит в фильтрующие элементы так, как схематически показано на фиг. 9.

Поток жидкости в фильтр в тангенциальном направлении дополнительно вводит циркулирующий поток в щели, что снова гарантирует отсутствие застойных зон без движения жидкости в корпусе высокого давления. Кроме того, циркулирующий поток гарантирует, что в щелях не образуется отложений, что обязательно для применений в промышленности, где требуются строгие гигиенические стандарты.

Одним из предпочтительных способов для обеспечения прохождения жидкости в фильтр в тангенциальном направлении является выполнение фильтрующего элемента таким образом, чтобы мембраны не выступали наружу из разделителя концентрата. Более предпочтительный разделитель концентрата выступает наружу к разделяющим мембранам (фиг. 9).

Так как способ согласно изобретению в значительной степени снимает проблему телескопичности, этот способ может осуществляться в условиях, определяемых главным образом свойствами используемой мембраны и продукта, который должен быть обработан ультрафильтрацией.

Однако предпочтительно, чтобы способ проводился при разности давлений в интервале 0,5-5 бар/м и температуре 1-100°С.

Способ согласно изобретению может в принципе применяться в любой промышленности, где используется ультрафильтрация, для концентрирования или фракционирования водных растворов. В частности, способ может быть осуществлен в молочной промышленности, фармацевтической промышленности и биотехнологической промышленности.

В одном предпочтительном варианте способ согласно изобретению используется для концентрирования белковых соединений в водной среде. Особенно предпочтительной водной средой является молоко или сыворотка.

Примеры

Для фильтрации была использована компоновка согласно фиг. 12, где размеры и потоки были такими, как указано ниже в таблице. Термины в таблице такие же, как указаны на фиг. 12.

		пр. 1
г0	ММ	14
г1	мм	18
г2	мм	55
гЗ	мм	75
К	мм	80
г4	мм	100

пр. 2	пр. 3	пр. 4
14	14	14
18	18	18
45	35	26,5
75	77	79
80	80	80
85,	82,5	81, 5

- 7 005907

д1	ММ	16
д2	мм	12
ь	мм	3
К4-К	мм	20
А(г1,г2)	мм^г	8485
А(г2,д1)	мМ*	5529
А(гЗ,д2)	мм^	5655
А(гЗ,И)	кик	1414
А(г4,К)	мм^	10053
А(гЗ,г4)	м*	13744
0 подача	у7ч	25
аксиальный/ радиальный поток		0,50
Радиальный поток Ог	м7ч	12,5
Аксиальный поток Оа	ъг7ч	12,5
у(г1,г2)	м/с	0,82
у(г2,д1)	м/с	1,26
ν(τ3,д2)	м/с	1,23
у(гЗ,г4)	м/с	0,51
у(гЗ,Ь)	м/с	2,46
νίτ4,Κ)	м/ с	0,96

19	13	7
11,5	6	2,4
5,5	3	1,2
5	2,5	1,5
5344	2830	1188
5372	2859	1165
5419	2903	1191
2592	1451	596
2513	1257	754
5026	2756	1261
25	17	17
0,50	0,50	0, 50
12,5	8,5	8,5
12, 5	8, 5	8,5
1,30	1,67	3,97
1,29	1,65	4, 05
1,28	1, 63	3, 96
1,38	1,71	3,75
1,34	1, 63	3,96
1,34	1,85	3,10

В таблице выражение А(г1,г2) обозначает площадь между г1 и г2. Аналогичное выражение ν(τ1,τ2) означает скорость потока, проходящего между г1 и г2. Другие выражения следует понимать аналогично.

Во всех протестированных примерах фильтрация осуществлялась совсем без нежелательного разматывания или телескопичности фильтрующего элемента.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Фильтровальный узел для ультрафильтрации, содержащий в корпусе высокого давления один или более фильтрующих элементов с антителескопическими устройствами (АТУ), размещенными вверх и вниз по потоку для каждого фильтрующего элемента, в котором фильтрующие элементы содержат одну или более мембран, каждая из которых состоит из центрального разделителя пермеата, закрытого с обеих сторон разделяющими мембранами, соединенными на одном краю с трубкой для пермеата и закрытыми на трех других концах, навитыми вокруг центральной трубки для пермеата, с разделителем концентрата, обеспечивающим прохождение жидкости из пространства между спирально закрученным фильтрующим элементом и корпусом высокого давления в спирально закрученный фильтрующий элемент в направлении, тангенциальном к сечению фильтрующего элемента, так что мембраны и разделители концентрата чередуются в спирально закрученном элементе; при этом вход в пространство между спирально закрученным фильтрующим элементом и корпусом высокого давления свободен, а выход из пространства ограничен, так что не разрешен или разрешен только в ограниченной степени поток из пространства в пространство за соответствующим спирально закрученным фильтрующим элементом, отличающийся тем, что спирально закрученные фильтрующие элементы снабжены средствами для обеспечения того, что при одном и том же продольном положении давление внутри каналов удержания фильтрующего элемента равно или ниже давления в пространстве между фильтрующим элементом и корпусом высокого давления по всей длине элемента.
2. Фильтровальный узел по п.1, в котором АТУ выполнено с кольцом, граничащим со стороной выхода спирально закрученного фильтрующего элемента, препятствующим выходу жидкости из фильтрующего элемента на расстоянии от центральной трубки для пермеата выше б, где б есть расстояние, меньшее, чем радиус спирально закрученного мембранного элемента.
3. Фильтровальный узел по п.1 или 2, в котором средства для обеспечения того, что давление на входе фильтрующего элемента равно или ниже давления в пространстве между фильтрующим элемен- 8 005907 том и корпусом высокого давления при том же продольном положении, являются ограничителем потока, расположенным у входа в спирально закрученный фильтрующий элемент.
4. Фильтровальный узел по п.3, в котором ограничитель потока выполнен за одно целое с АТУ.
5. Фильтровальный узел по любому из пп.1-4, в котором разделители концентрата выступают наружу из разделяющих мембран.
6. Способ ультрафильтрации с использованием фильтровального узла по любому из пп.1-5, при котором в поперечном сечении в любом положении вдоль фильтрующего элемента давление в пространстве между фильтрующим элементом и корпусом высокого давления по крайней мере на 0,01 бар выше, чем давление внутри фильтрующего элемента.
7. Способ по п.6, в котором разность давлений между входом и выходом фильтрующего элемента лежит в интервале от 0,5 до 5 бар/м.
8. Способ по п.7, в котором разность давлений между входом и выходом фильтрующего элемента лежит в интервале 1-3 бар/м.
9. Способ по пп.6-8, в котором фильтруемая жидкость является водным раствором.
10. Способ по п.9, в котором обрабатываемая жидкость является молоком, сывороткой или бродильным бульоном.
11. Антителескопическое устройство (АТУ) для использования в фильтровальном узле по любому из пп.1-5, включающее средства, гарантирующие, чтобы жидкость не выходила или выходила только в ограниченной степени из пространства между ближайшим фильтрующим элементом и корпусом высокого давления, средства, обеспечивающие свободное прохождение концентрата в пространство между периферическим фильтрующим элементом и корпусом высокого давления, и средства ограничения прохождения концентрата к входу периферического спирально закрученного фильтрующего элемента, чтобы гарантировать, что давление на входе периферического фильтрующего элемента ниже давления в пространстве между фильтрующим элементом и корпусом высокого давления в соответствующем положении.