JP2007268534A - 分離方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直交流形薄膜ろ過において、フィルタ薄膜またはその上の多孔性層への接触を伴う機械的再生を避けることができる、液状媒体から分離可能な成分を分離するための方法および装置を提供すること。
【解決手段】本発明によれば、フィルタの方に向いているロータ翼の実質上平らな表面が、この表面から逸脱する１つまたは複数の区域２０を含み、あるいはフィルタの方に向いているロータ翼の表面１９が、翼の表面とフィルタの間隔がロータの内側部分で小さく、かつロータの周辺に向かって徐々に大きくなるように湾曲しており、あるいはフィルタと平行な平面内におけるロータ翼の断面が本質的にＳ字形の表面を形成し、Ｓ字形が連続しているロータが使用される。
【選択図】図５

Description

本発明は、液状媒体から分離可能な成分を分離するための、直交流形（ｃｒｏｓｓ ｆｌｏｗ）薄膜ろ過に基づく方法および装置に関する。

直交流形フィルタでは、液体が少なくとも１つの動的薄膜を具備するチャンバへ供給される。供給される液体は、動的薄膜を貫通する透過流と前記フィルタを貫通せずフィルタに沿って流れる排除流とに分けられる。

直交流形フィルタ装置は、特許文献、例えばスウェーデン公報ＳＥ４５１４２９、４５７６０７、４５９４７５、４６３２４１、および４６５０４０に記載されている。この形式の装置の使用に基づく方法は、液相から固体成分を分離するため、および液体から液体を分離するため、例えば水から油を分離するためにうまく使用されている。

第１図は、ＳＥ４５１４２９に開示された形式の分離装置の断面を示す。この装置は、チャンバ１０を含み、その中に中心孔１２を備えたプレート１１が配置されている。プレート上には動的フィルタ薄膜１３が固定されている。ロータ翼１５を備えたロータ軸１４が、プレートの中心孔を貫通している。準備すべき液体は流路１６を通してロータ・チャンバ中に供給され、その際にその一部（透過物）はフィルタを通過し、プレート中の流路１７を経て収集され、最終的に透過物出口を通って排出される。液体の流れのフィルタを透過しない部分（排除分）は流路１８を通って排出される。液体はロータ翼１５によってフィルタ表面１３およびその上に塗布された多孔性の層の全体に押し広げられる。

ＳＥ４５９４７５は、ＳＥ４５１４２９に記載の複数の隣接して配置されたユニットまたはセルを含む分離装置を開示している。処理すべき液体は、プレート内の貫通孔によって形成された接続流路を通して供給される。収集された透過物は共通出口を通して排出され、排除分は流出する排除分用の共通導管を通して排出される。

フィルタ薄膜自体に、例えば上記の特許公報に記載された種類の多孔性材料でできた１つまたは複数の層を備えることもできる。

分離した成分の付着によってフィルタ薄膜の孔またはその上に塗布した多孔性材料が詰まるのは、大きな問題である。詰まりによって分離容量は急速に低下するので、定期的な時間間隔でフィルタを再生することが必要となる。公報ＳＥ４５１４２９によれば、再生は、ロータ翼に結合されたエレメント（ブラシや弁など）をフィルタ薄膜上の多孔性層と接触させることによって行われる。これによって、液体の流れから分離した成分が除去され、また多孔性材料の一部分も除去される。必要な場合には、新しい多孔性材料を追加する。

フィルタ薄膜またはその上の多孔性層への接触を伴うこの形式の機械的再生は常に、所望の孔サイズを妨げる危険を伴う。したがって、この種の再生方法を避けることが殊に望ましい。

本発明によれば、分離された物質がフィルタに付着しないようにする分離方法および分離装置が得られる。

本発明の特徴は、請求の範囲の独立請求項１および２に開示されている。

本発明の利点は、供給される液状媒体が音波に関連し、好ましくは超音波および／または電界に関連して、適当に形成されたロータによって生み出される強い乱流を受け、それによって、分離可能な粒子がフィルタに付着するのが防止されあるいは大幅に低減されることに基づくものである。

本発明のロータの第一実施形態によれば、ロータは、フィルタの方に向いている翼の実質上平らな表面が翼平面から逸脱する不規則部分を備えるように設計されている。不規則部分は例えば貫通孔、凹部または溝穴、または突出部である。

第二実施形態によれば、フィルタの方に向いているロータ翼の表面が、翼の表面とフィルタの間隔がロータの内側の点において小さく、かつこの間隔がロータの周辺に向かって徐々に大きくなるように湾曲している。

第三実施形態によれば、ロータ翼は、フィルタに平行な平面内でロータ翼がＳ字形の連続した部片を形成するように設計されている。

ロータの特に有利な実施形態は、Ｓ字形を、フィルタの方に向いているロータの表面の上記実施形態のいずれか１つと組み合わせることによって達成される。

添付の図面を参照して本発明をさらに詳しく説明する。

第２図は、フィルタ１３の平面に向かって見た既知のロータを示す。ロータは、ロータ軸１４に固定された２枚のロータ翼１５から成る。ロータ翼１５は、がっしりしたほぼ直角の角柱である。

第３図は、本発明によるロータの一例を示している。ロータ翼１５は、その断面がフィルタ１３に平行な平面内でＳ字形の表面を形成するように湾曲している。作動時に、ロータは矢印の方向に回転する。第２図の既知の種類のロータは主に回転方向の液体の流れを引き起こす。第３図によるロータでの試験作動では、ロータ翼の上の凹状部分が半径方向にも強い液体の流れを引き起こすことが判明した。従来のロータを使用すれば、ロータ軸に近づくと円周速度は下がる。第３図に示すように、ロータは、ロータ軸を通って直径方向に突き出た連続するＳ字形を形成している。この連続Ｓ字形によって引き起こされる半径方向の流体の流れによって、ロータ軸の近傍でも高い乱流が得られる。その結果、十分に強い乱流が周りの液状媒体中でフィルタ表面全体にわたって得られ、これによって、分離可能な成分がフィルタ上に付着するのが防止される。Ｓ字形のもう１つの利点は、周りの液状媒体と出会うロータ翼の凸状部分が有効に付着を受けずにすむことである。このＳ字形の主な利点は、この場合は望ましくないロータのポンプ効果が、液体乱流の増強によって補償されることである。

第８図は、第３図による翼の輪郭の特に有利な実施形態を示している。ロータ翼の凸状輪郭１５ａは、軸１４から輪郭１５ａ上の任意の点Ｐへ引いた線Ｌと点Ｐにおける輪郭１５ａに対する接線Ｔとの間の角αが、点Ｐの位置とは関係なく常にほぼ一定となるように形成されている。角αは４５°〜８０°であることが好ましく、約６０°であると有利である。この実施形態によって、凸状表面は付着を受けずにすみ、かつロータに必要な動力が非常に少なくなる。

第４図は、ロータ翼の別の形状を示す。ロータ翼１５は実質上角柱として形成された本体であり、フィルタ１３の方に向いたその表面は実質上平面である。この表面は、この表面の平面から逸脱した１つまたは複数の区域２０を備えている。第６Ａ図〜第６Ｃ図は、第４図のロータ翼の断面を示すが、不規則部分２０の代替形状を示している。第６Ａ図では不規則部分は突出部２１から成り、第６Ｂ図では凹部２２から成り、第６Ｃ図では貫通孔２３から成る。ロータ翼の不規則部分２０は、１つまたは複数の貫通孔２３、１つまたは複数の凹部２２、１つまたは複数の突出部２１のどのような組合せにもすることができる。

不規則部分、特に凹部または貫通孔の存在は、乱流を強めることによってロータの望ましくないポンプ効果を低減する。同時に、凹部と孔はロータ・ブレードと周りの液体との間の接触表面を減らすので、摩擦が減り、したがって必要な動力も減る。

第７Ａ図〜第７Ｄ図は、ロータ・ブレード１５の断面を示すが、この場合にはロータ翼自体とは異なる材料で構成された、突出部２１の特に有利な実施形態を示すものである。突出部２１は、ロータ・ブレードを通過する孔中に取り付けられた個別の本体から成る。別法として、これらの本体をロータ・ブレードの凹部中に取り付けることができ、またその表面に固定することもできる。前記の本体は、例えば閉じた小胞を有する発泡プラスチックやガスを満たしたカバーなど、液体またはガスを透過させない圧縮可能な部片とすることができる。この構造の利点は、周囲の圧力によって本体の寸法に影響を与えることが可能なことである。例えば、分離装置の常用使用圧で強く圧縮される本体２１のために、このような材料を選択することができ（第７Ａ図）、これによってロータ表面の平面より上の突出部はごくわずかになるか、または全くなくなり、したがってロータに必要な動力はわずかである。必要な場合には、使用圧力をｐ０より低いｐ１に変えることができ、これによって本体２１は膨張する（第７Ｂ図）。この場合、フィルタの表面までの距離は短くなり、乱流は増加する。これによってフィルタ薄膜の清浄化効果は増大する。また、本体２１がフィルタ薄膜に接触するまで膨張することも可能であり、これによって機械的清浄化が達成される。さらにまた、本体２１を、ロータ・ブレードに取り付けられた可撓性エレメントの形の機械的装置２４に作用する調整手段とすることもでき、このエレメントはフィルタ薄膜に接触するようになる（第７Ｃ図、第７Ｄ図）。

第５図は、第三実施形態による形式のロータを、フィルタ１３の平面に直角な断面で示している。ロータ翼１５のフィルタ１３に向いている表面１９は、翼の表面とフィルタの間隔がロータの内側部分で、すなわちロータ軸１４の近傍で小さくなり、かつこの間隔がロータの周縁に向かって大きくなるように湾曲している。ロータ翼のこの実施形態によって、チャンバ１０内に位置する液状媒体中のフィルタ表面全体にわたって良好で一様な乱流を得ることが可能である。一様な厚さのロータ翼を使用すると、円周速度は（したがって乱流も）ロータ軸の近くで低くなる。第５図の構造によるロータ表面１９とフィルタ１３の間隔をこの区域で小さくすることによって、乱流は増大する。円周速度は、したがって乱流も、ロータ翼の周縁で高くなる。この区域では、乱流の増加をさらに打ち消すために、ロータ翼の表面１９とフィルタ１３の間隔を増加させると有利である。ロータ翼とフィルタの間隔をロータ翼の周縁においても小さくしようとすれば、回転を起こすために望ましくない動力の増加を招くことになろう。

第５図によるロータ翼も、第４図によるロータ翼と同じ種類の不規則部分、例えば貫通孔、突出部、および凹部を備えることができる。

音波、特に超音波を使用すると、ろ過を促進し、フィルタ孔の詰まりを防ぐことが知られている（例えば、Ｔ．Ｔｏｕｒｉ他の「Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｏ−ａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄｓ」、（Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｐｒｏｇｒａｍ，ＴＥＫＥＳ ｒｅｐｏｒｔ，Ｊｙｖａｓｋｙｌａ、１９９５年３月３１日）参照）。本発明に従って形成されたロータを、音波発信機、特に超音波発信機および／または電界を発生させる装置と組み合わせることもできる。電気音響法と呼ばれる音波と電界の組合せは、ろ過工程中のフィルタの詰まりを防止するのに極めて効率がよいことが証明されている。電気音響装置を上記の特別なロータ設計と組み合わせることによって、極めて効果的なろ過が達成される。

本発明による分離装置は、液体から固体粒子、溶解した高分子物質、およびコロイドを分離するため、またある液体を別の液体から分離するために使用することができる。

フィルタ材料は分離工程に基づいて選択する。フィルタ薄膜は、例えば多孔性の織布、ペーパークロス、または冒頭に述べた特許公報の１つに記載されている形式の薄膜とすることができる。フィルタ薄膜自体もまた、望むならば例えば上記特許公報に記載の形式の１つまたは複数の多孔性材料層を備えることができる。フィルタは、それ自体既知のセラミック・フィルタまたは他の丈夫で多孔性の材料を含むこともできる。

本発明の様々な実施形態は添付の請求の範囲内で変更を加えることができることは、当業者には明らかである。

従来の技術による分離装置の断面図である。 第１図の装置に用いる目的の既知のロータを示す図である。 本発明の第一実施形態によるロータを示す図である。 第二実施形態によるロータを示す図である。 第三実施形態によるロータを示す図である。 第４図におけるロータ翼の断面図である。 第４図におけるロータ翼の断面図である。 第４図におけるロータ翼の断面図である。 さらに別の実施形態によるロータ翼の断面図である。 さらに別の実施形態によるロータ翼の断面図である。 さらに別の実施形態によるロータ翼の断面図である。 さらに別の実施形態によるロータ翼の断面図である。 第３図によるロータ翼の一実施形態を示す図である。

符号の説明

１０ チャンバ
１１ プレート
１２ 中心孔
１３ 動的フィルタ薄膜、フィルタ表面、フィルタ
１４ ロータ軸
１５ ロータ翼、ロータ・ブレード
１５ａ 凸状輪郭
１６ 流路
１７ 流路
１８ 流路
１９ 表面、ロータ表面
２０ 区域、不規則部分
２１ 突出部、本体
２２ 凹部
２３ 貫通孔
２４ 可撓性エレメントの形の機械的装置

Claims (12)

1. フィルタで分離可能な成分を、そのような成分を含む液状媒体から分離するための方法であって、１つのセル、または複数の隣接するセルを有する分離装置が使用され、該セルのそれぞれが、
   少なくとも１つのフィルタ（１３）を含むプレート・ユニットと、
   液状媒体をチャンバ（１０）へ供給するための少なくとも１つの入口（１６）と、
   液状媒体の一部すなわち排除分を排出するための少なくとも１つの出口（１８）であって、前記入口および出口が前記フィルタの第一の側に位置している出口（１８）と、
   前記フィルタの第二の側にあり、該フィルタを通過した液状媒体（透過物）を排出するための少なくとも１つの出口（１７）であって、前記チャンバ（１０）に供給された液状媒体が、都合よく形成されたロータによって作り出される強い乱流にさらされ、可能であれば音波、好ましくは超音波、および／または電界と組み合わせた乱流にさらされ、それによって分離可能な成分がフィルタ上に堆積することが防止され、あるいは本質的に減少する出口（１７）とから成っている分離方法において、
   円周方向に隔置された複数のロータ翼を有するロータが使用され、そして
   前記フィルタの方を向いた前記ロータ翼の本質的に平坦な表面が、該表面の平坦面から逸脱した１または複数の区域（２０）を含み、あるいは
   前記フィルタの方を向いた前記ロータ翼の表面（１９）が、該翼の表面と前記フィルタとの間隔が前記ロータの内部部分で小さく、かつ前記ロータの周囲に向かって徐々に大きくなるように湾曲しており、あるいは
   前記フィルタと平行な平面内における前記ロータ翼の断面が、本質的にＳ字形の表面を形成し、Ｓ字形が連続的であることを特徴とする分離方法。
2. フィルタで分離可能な成分を、そのような成分を含む液状媒体から分離する際に、ロータのより強い乱流によって分離装置のポンプ効果を低減する方法であって、１つのセル、または複数の隣接するセルを有する分離装置が使用され、該セルのそれぞれが、
   少なくとも１つのフィルタ（１３）を含むプレート・ユニットと、
   液状媒体をチャンバ（１０）へ供給するための少なくとも１つの入口（１６）と、
   液状媒体の一部すなわち排除分を排出するための少なくとも１つの出口（１８）であって、前記入口および出口が前記フィルタの第一の側に位置している出口（１８）と、
   前記フィルタの第二の側にあり、該フィルタを通過した液状媒体（透過物）を排出するための少なくとも１つの出口（１７）であって、前記チャンバ（１０）に供給された液状媒体が、都合よく形成されたロータによって作り出される強い乱流にさらされ、可能であれば音波、好ましくは超音波、および／または電界と組み合わせた乱流にさらされ、それによって分離可能な成分がフィルタ上に堆積することが防止され、あるいは本質的に減少する出口（１７）とから成っている低減方法において、
   円周方向に隔置された複数のロータ翼を有するロータが使用され、そして
   前記フィルタの方を向いた前記ロータ翼の本質的に平坦な表面が、該表面の平坦面から逸脱した１または複数の区域（２０）を含み、あるいは
   前記フィルタの方を向いた前記ロータ翼の表面（１９）が、該翼の表面と前記フィルタとの間隔が前記ロータの内部部分で小さく、かつ前記ロータの周囲に向かって徐々に大きくなるように湾曲しており、あるいは
   前記フィルタと平行な平面内における前記ロータ翼の断面が、本質的にＳ字形の表面を形成し、Ｓ字形が連続的であることを特徴とする低減方法。
3. フィルタで分離可能な成分を、そのような成分を含む液状媒体から分離するための装置であって、該分離装置は、１つのセル、または複数の隣接するセルを有しており、該セルのそれぞれが、
   少なくとも１つのフィルタ（１３）を含む貫通中心孔（１２）を備えたプレート・ユニットと、
   液状媒体をチャンバ（１０）へ供給するための少なくとも１つの入口（１６）と、
   液状媒体の一部すなわち排除分を排出するための少なくとも１つの出口（１８）であって、前記入口および出口が前記フィルタの第一の側に位置している出口（１８）と、
   前記フィルタの第二の側にあり、該フィルタを通過した液状媒体（透過物）を排出するための少なくとも１つの出口（１７）と、
   前記フィルタの第一の側に位置しており、且つ円周方向に隔置された複数のロータ翼（１５）を有しているロータであって、該ロータ翼（１５）が、前記フィルタの表面に沿って移動可能であり、ロータ軸（１４）が前記プレート・ユニットの中心孔（１２）を貫通しており、該翼の回転運動が十分に強い乱流を周辺液体中に引き起こして分離成分のフィルタへの沈着を防止し、あるいは本質的に減少させるように前記ロータ翼（１５）が設計されているロータとから成っている分離装置において、
   前記フィルタの方を向いた前記ロータ翼の本質的に平坦な表面が、該表面の平坦面から逸脱する１または複数の区域（２０）を含み、あるいは
   前記フィルタの方を向いた前記ロータ翼の表面（１９）が、該翼の表面と前記フィルタとの間隔が前記ロータの内部部分で小さく、かつ前記ロータの周囲に向かって徐々に大きくなるように湾曲しており、あるいは
   前記フィルタと平行な平面内における前記ロータ翼の断面が、本質的にＳ字形の表面を形成し、Ｓ字形が連続的であることを特徴とする分離装置。
4. 前記ロータ翼が、１または複数の貫通孔（２３）、１または複数の凹部（２２）、１つまたは複数の突出部（２１）、または２種類以上の不規則部分（２１、２２、２３）の組合せ、を備えることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の分離装置。
5. 前記突出部（２１）が、液体またはガスを透過することのできない個別の圧縮可能な物体で構成され、該物体は、前記ロータ翼における孔または凹部中に取り付けられ、あるいは前記ロータ翼の表面上に固定されていることを特徴とする請求の範囲第３項または第４項に記載の分離装置。
6. 前記フィルタと平行な平面内における前記ロータ翼の断面が、ほぼＳ字形の表面を形成し、該Ｓ字形は連続的であることを特徴とする請求の範囲第３項から第５項に記載の分離装置。
7. 前記ロータが、前記ロータ軸を通って直径方向に突き出た連続するＳ字形を形成していることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の分離装置。
8. 前記フィルタの方を向いた前記ロータ翼の表面（１９）は、該翼の表面と前記フィルタとの間隔がロータの内部部分で小さく、かつ前記ロータの周囲に向かって徐々に大きくなるように湾曲していることを特徴とする請求の範囲第５項から第７項のいずれか一項に記載の分離装置。
9. 前記突出部（２１）が、液体またはガスが透過できない個別の圧縮可能な本体で構成され、該本体が、前記ロータ翼における孔または凹部中に取り付けられ、あるいは前記ロータ翼の表面上に固定されていることを特徴とする請求の範囲第４項から第８項のいずれか一項に記載の分離装置。
10. 前記Ｓ字形のロータの凸状輪郭（１５ａ）は、前記ロータ軸（１４）から輪郭（１５ａ）上の任意の点Ｐへ引いた線Ｌと、前記点における輪郭（１５ａ）に対する接線Ｔとの間の角αが、本質的に一定であるように形成されていることを特徴とする請求の範囲第３項から第９項のいずれか一項に記載の分離装置。
11. 前記角αが、４５°から８０°までの間、有利には約６０°であることを特徴とする請求の範囲第１０項に記載の分離装置。
12. 音波発信機、特に超音波発信機、および／または電界を発生させる装置をさらに具備することを特徴とする請求の範囲第３項から第１１項までのいずれか一項に記載の分離装置。

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