KR20230154958A - 위생용 나권형 필터를 위한 우회 제어 슬리브 - Google Patents

Abstract

우회 제어 슬리브는 그 외부 표면을 따라 원주방향(circumferential) 돌출부들을 갖는다. 우회 제어 슬리브의 돌출부들은 슬리브의 일정한 직경 섹션들을 사이에 두고 슬리브의 길이를 따라 분포될 수 있다. 돌출부들은 비대칭일 수 있고 그리고/또는 가파른 그리고/또는 오목한 만곡식 전방면을 가질 수 있다. 우회 제어 슬리브를 제조하는 방법은 슬리브의 외부 표면 상에 돌출부들을 몰딩하는 단계를 포함한다. 우회 제어 슬리브를 설치하는 방법은 나권형 막 요소의 단부 상으로 슬리브를 슬라이딩시키는 단계를 포함한다. 나권형 막 요소에 고정된 우회 제어 슬리브의 결합체가 압력 하우징에 설치될 수 있다.

Description

위생용 나권형 필터를 위한 우회 제어 슬리브

[0001] 본 개시내용은 나권형(spiral winding) 막 요소들, 예를 들어, 위생(sanitary) 적용분야들에 사용될 수 있는 나권형 막 요소들에 관한 것이다.

[0002] 다음의 논의는, 아래에서 논의되는 어떤 것도 종래 기술 또는 보편적인 일반 지식으로서 인용 가능하다는 것이 아니다.

[0003] 나권형 막 요소들은, 피드 액체의 여과 또는 분리를 가능하게 한다. 피드 액체는, 예를 들어, 용해된 또는 분산된 이온들, 유기물(organic)들, 단백질들, 미생물들, 및/또는 부유 고형물들을 함유할 수 있다. 나권형 막 요소는 전형적으로, 천공된 중앙 튜브 주위에 권선된 여러 층들을 갖는다. 권선된 층들 중 일부는, 내부 투과물(permeate) 수집 재료(투과물 캐리어 시트)에 의해 분리된 인접한 접힌(folded) 막 시트들의 2개의 절반부들을 포함하는 막 리프(membrane leaf)를 형성한다. 피드 스페이서 시트가 각각의 막 시트의 폴드 내에 배치된다. 글루 라인들은, 막 리프의 3개의 에지들을 따라 인접한 막 시트들 사이에서 투과물 캐리어 시트를 밀봉한다. 리프의 제4 에지는 천공된 튜브에 대해 개방된 상태로 유지된다. 사용 시에, 나권형 막 요소는 피드 용액을 투과물(여과물 또는 유출물(effluent)로 또한 알려짐)과 농축물(또한 보유물(retentate) 또는 염수(brine)로 알려짐)로 분리한다.

[0004] 나권형 막 요소는 압력 튜브 또는 압력 용기로 또한 지칭되는 압력 하우징에 수납된다. 가압된 피드 액체는 압력 하우징의 상류 단부에서 전달되고, 나권형 막 요소의 단부 내로, 구체적으로는 피드 스페이서 시트들의 에지들 내로, 그리고 일부 경우들에서는 요소의 외부측 주위로 유동한다. 나권형 막 요소 내에서, 가압된 공급원료(feedstock)는 피드 스페이서 시트들을 통해 그리고 막 시트들의 표면을 가로질러 유동한다. 막 시트들은 정밀여과(microfiltration), 한외여과(ultrafiltration), 나노여과(nanofiltration) 또는 역삼투(reverse osmosis)를 위해 적합하게 크기가 정해진 분리 층을 가질 수 있다. 가압된 공급원료의 일부는 막횡단(transmembrane) 압력에 의해 분리 층을 통해 드라이빙(drive)되어 투과물 스트림을 생성한다. 투과물 스트림은 투과물 캐리어 시트들을 따라 천공된 중앙 튜브 내로, 그런 다음, 중앙 튜브를 통해 압력 하우징의 단부에 있는 출구로 유동한다. 막을 통과하지 않는, 가압된 공급원료의 성분들, 즉, 보유물(retentate)은 압력 하우징의 하류 단부에서 수집되도록 피드 스페이서 시트들을 통해 계속 이동한다.

[0005] 막 요소의 외경은 전형적으로, 압력 하우징의 내경보다, 예를 들어 수mm만큼 더 작다. 압력 하우징의 내부 표면과 나권형 막 요소의 외부 표면 사이에 환상 공간이 존재한다. 환상 공간은 엄격한 허용오차(tight tolerance)로 또한 지칭되는 낮은 유동의 영역이다. 공급원료의 일부는 환상 공간을 통과할 수 있다. 이는 우회 유동으로 지칭된다. 엄격한 허용오차의 영역들에서는, 고형물들을 제거하거나 새니타이제이션(sanitization) 솔루션들을 제공하기 위한 제한된 유체 억세스(access) 및 그에 따른 제한된 플러싱(flushing)이 존재한다. 증가된 우회 유동은 환상 공간의 플러싱을 개선한다. 그러나, 우회 유동은 또한, 나권형 막 요소를 통과하는 공급원료의 볼륨을 감소시켜 투과물의 생성에 기여한다. 일부 경우들에, 막 요소는, 우회 유동을 방지하기 위해 환상 공간을 완전히 차단하거나 또는 둘러싸기 위해, 불침투성 외부 랩, 및 외부 랩과 압력 하우징 사이의 염수 밀봉부를 갖는다. 우회 유동을 방지하는 것은 더 많은 공급원료를 막 요소를 통해 강제함으로써 투과물 생성을 개선할 수 있지만, 공급원료는 환상 공간에서 정체될 수 있다. 환상 공간 유체는, 환상 공간에 노출되는 피드 스페이서의 부분들을 통해 피드 채널과 연통할 수 있다.

[0006] 일부 산업들은 의도적으로 일부 우회 유동을 제공하는 나권형 막 요소들을 요구한다. 예를 들어, 낙농 산업(dairy industry)에서의 막 요소들은 직교류 막 모듈(Crossflow Membrane Module)들에 대한 위생 3A 표준들의 요건들을 충족해야 한다. 이러한 표준들을 충족시키는 것은, 환상 공간을 씻어내기(flush out) 위해 약간의 우회 유동을 필요로 한다. 이러한 산업들에서 사용되는 막 요소들은 위생 모듈들 또는 위생 요소들로 지칭된다. 위생 요소들의 일부 예들은 미국 특허 제5,985,146호; 제7,208,808호; 제8,668,828호; 및 제8,940,168호에서 설명된다. 위생 모듈들은 또한 전형적으로, 막 리프(leaf)들 주위에 케이지(cage)를 갖는다.

[0007] 전형적으로, 하나 초과의 나권형 막 요소가 하나의 압력 하우징에 수납된다. 예를 들어, 낙농 산업에서, 5개 또는 6개의 나권형 막 요소들이 하나의 압력 하우징에 수납될 수 있다. 압력 하우징 내의 막 요소들의 중앙 튜브들은 직렬로 연결되며, 공급원료는 또한, 하우징 내의 막 요소들을 일반적으로 직렬로 통과한다. 완전한 시스템에서, 많은 압력 하우징들이 있을 수 있다. 압력 하우징들은 전형적으로, 최대 10 m의 높이들에 도달할 수 있는 랙들 상에 수평으로 배향된다. 때때로, 막 요소들은 압력 하우징으로부터 제거되고, 새로운 막 요소들로 교체된다. 이는 일반적으로, 압력 하우징들이 랙들에 설치된 상태로 유지되면서 막 요소들을 압력 하우징 내로 그리고 압력 하우징 밖으로 슬라이딩시킴으로써 수행된다. 그러나, 일부 염수 밀봉부들은 막 요소들을 압력 하우징 내로 또는 압력 하우징 밖으로 슬라이딩시키는 것을 어렵게 할 수 있다.

[0008] 본 개시내용은, 나권형 막 요소에 대한 우회 제어 슬리브, 우회 제어 슬리브를 제조하는 방법, 및 우회 제어 슬리브를 설치하는 방법을 설명한다. 우회 제어 슬리브의 외부 표면은 비대칭 돌출부들, 일정한 직경 세그먼트들에 의해 분리된 돌출부들, 및 가파른 또는 오목한 전방면(forward face)을 갖는 돌출부들 중 하나 이상을 가질 수 있다. 적어도 일부 예들에서, 우회 제어 슬리브는 낮은(low) 우회 유동으로 우회 제어 슬리브 주위의 환상 공간에 위생 조건들을 제공하기 위해 충분한 난류를 제공한다. 우회 제어 슬리브는, 나권형 요소의 하나의 단부 또는 양 단부들에, 나권형 요소의 길이의 일부만을 따라 제공될 수 있다. 우회 제어 슬리브는, 돌출부들을 제공하기 위해 프리-몰딩된(pre-molded) 재료일 수 있고, 나권형 요소의 단부들 상으로 슬라이딩될 수 있다.

[0009] 도 1a는 반경형 피크(radiused peak)들을 갖는 종래 기술의 우회 제어 슬리브 설계의 일부의 단면을 도시한다.
[0010] 도 1b는 삼각형(triangular) 피크들을 갖는 종래 기술의 우회 제어 슬리브 설계의 일부의 단면을 도시한다.
[0011] 도 2는, 비대칭 피크, 피크의 가파른 그리고 오목한 전방면을 갖는 돌출부 및 피크들을 분리하는 밸리들(선택적으로는 비대칭 피크 또는 만곡식 피크 슬리브로 지칭됨)을 갖는 신규한 우회 제어 슬리브의 표면의 일부를 도시한다.
[0012] 도 3a는, 나권형 막 요소의 단부들에 고정된, 도 2에서와 같은 우회 제어 슬리브를 도시한다.
[0013] 도 3b는, 나권형 막 요소의 전체 길이를 따라 연장되는, 도 2에서와 같은 우회 제어 슬리브를 도시한다.
[0014] 도 4는 도 2에서와 같은 종래 기술의 우회 제어 슬리브들(삼각형 및 반경형)과 우회 제어 슬리브(만곡식 피크) 사이의 유량 비교 그래프이다.
[0015] 도 5는, 도 2에서와 같이 종래 기술의 우회 제어 슬리브들(삼각형 및 반경형) 및 우회 제어 슬리브(만곡식 피크)의 유동 속도들을 나타내는, 전산 유체 역학에 의해 결정된 셀 레이놀즈수의 비교이다.
[0016] 도 6은 우회 제어 슬리브 테스트 시스템의 개략도이다.
[0017] 도 7은 삼각형 피크 슬리브 및 만곡식 피크 슬리브를 갖는 나권형 막 모듈들에 대한, 특정된 압력 강하들에서의 피드 유동을 묘사하는 그래프이다.
[0018] 도 8은 삼각형 피크 쉘 및 만곡식 피크 쉘 각각에 대한, 10psid에서 생성된 RO 투과물의 하우징 유동(gpm 내지 갤런)의 그래프이다.
[0019] 도 9는 삼각형 피크 쉘 및 만곡식 피크 쉘 각각에 대한, 피드 용액의 kW 내지%Brix 단위의 재순환 펌프 전력의 그래프이다.

[0020] 우회 제어 링으로 또한 지칭될 수 있는 우회 제어 슬리브를 갖는 나권형 막 요소가 본원에서 설명된다. 우회 제어 슬리브는, 나권형 막 요소 주위에 끼워맞춤되도록 구성된 슬리브이다. 우회 제어 슬리브는 나권형 막의 외부측과 압력 용기의 내부측 벽들 사이의 환상 공간에서 공급원료의 유동을 방해한다. 요소 외부측으로의 공급원료의 유동을 방해하는 것은 난류를 생성하여, 환상 공간을 세정하는 것을 돕고, 전체 우회 유량을 감소시킨다.

[0021] 도 1a 및 도 1b는 돌출부들을 갖는 종래 기술의 우회 슬리브 또는 링 설계들의 부분들을 도시한다. 도 1a는 반경형 또는 볼록한 둥근(convex rounded) 피크 설계(102)를 갖는 돌출부들을 도시하는 한편, 도 1b는 뾰족한(pointed) 또는 삼각형 피크 설계(104)를 갖는 돌출부들을 도시한다. 종래 기술의 설계들 둘 모두는 대칭 피크 형상들을 제공한다. 도 1a의 반경형 피크 설계(102)는 인접한 돌출부들 사이에 짧은 밸리(valley)들(106)을 가지며, 여기서 밸리는 슬리브의 폭을 따라 일정한 직경을 갖는 슬리브의 섹션을 포함한다. 반경형 피크 설계의 밸리들(106)은 돌출부들(108)의 폭의 50% 미만인 폭들을 갖는다. 도 1b의 설계는, 제1 돌출부(110)의 하류 측(116)의 단부가 인접한 돌출부(112)의 상류 측(118)의 시작부가 되도록 하나의 지점(114)에서 만나는 인접한 돌출부들(110, 112)을 포함한다. 도 1b의 설계는 인접한 돌출부들 사이에 상당한 밸리들(즉, 일정한 직경의 섹션들)을 갖지 않는다.

[0022] 도 2는 주로 이들의 상대적 치수들이 상이한 예시적인 제1 우회 제어 슬리브(202) 및 예시적인 제2 우회 제어 슬리브(204)를 도시한다. 각각의 우회 제어 슬리브는 이산 돌출부들 또는 돌출부들 사이에 밸리들(208)을 갖는 리지들(206)을 가질 수 있다. 리지들 및 밸리들은 슬리브의 원주 주위로 연장된다. 리지들은 슬리브의 길이를 따라 반복되는 이산 원들로 또는 헬리컬(helical) 또는 나선형(spiral) 패턴으로 원주 주위로 연장될 수 있다. 밸리들 및 리지들은 슬리브의 전체 길이를 따라 또는 슬리브의 단지 일부를 따라 배치될 수 있다. 밸리들(208)은 밸리의 폭을 따라 본질적으로 일정한 직경(즉, 1mm 이하만큼 변함)을 가질 수 있다. 밸리(208)의 폭은 리지(206)의 폭의 50 내지 200%의 범위일 수 있다.

[0023] 각각의 리지(206)는 상류 측(210) 및 하류 측(212)을 포함한다. 상류 측은, 급경사 또는 오목한 만곡식 부분을 포함할 수 있는 전방면을 포함한다. 일 예에서, 리지의 전방면의 곡선은 슬리브의 원주에 수직으로 또는 실질적으로 수직으로 향하면서 피크에서 끝날 수 있다. 액체가 리지(206)의 상류 측을 따라 유동함에 따라, 액체는 반경방향 외측방으로 편향될 수 있다. 반경방향 액체 편향은 난류를 증가시키고, 압력 용기의 내부측과 슬리브 사이의 환상 공간을 통과하는 피드 유동을 방해하거나 또는 느리게 할 수 있다.

[0024] 도 2의 예들에서, 각각의 리지의 하류 측은, 리지가 비대칭이도록, 리지의 상류 측과 상이하고, 즉, 더 길고, 덜 가파르게 경사지고 그리고/또는 더 완만하게 만곡된다. 비대칭 리지들의 일부 예들에서, 후방면은, 예를 들어, 오목한 곡선으로 만곡될 수 있지만, 덜 가파른 초기 경사 및/또는 전방면에 비해 더 큰 곡률 반경(radius of curvature)을 갖는다. 일부 예들에서, 후방면은 연속적으로 만곡될 수 있다. 하류 측의 길이, 경사 및/또는 곡률은 와류(eddy)들의 형성을 억제할 수 있다. 특히, 와류들이 최소화될 때, 물이 리지의 하류 측을 따른다. 이로써, 유동하는 물이 밸리 내로 하향으로 끌어당겨진다. 밸리에 유입하는 물은 리지의 상류 측에 의해 상향으로 전환되며(diverted), 슬리브와 압력 용기의 내부측 사이의 환상 공간에서의 물의 유동을 방해한다.

[0025] 도 2에 도시된 슬리브들(202, 204)은 비대칭 리지들(206)을 포함하며, 이들 사이에 밸리들(208)이 배치된다. 각각의 리지(206)의 전방면(210)의 원위(즉, 반경방향 외측방) 단부는 오목한 곡선 또는 가파른 포지티브 경사를 갖는 한편, 후방면(212)의 원위 단부는 또한 오목한 곡선 또는 네거티브 경사를 갖는다. 이러한 방식으로, 전방면(210) 및 후방면은 경사가 일반적으로 급격한 피크, 전이부(transition) 또는 불연속부(discontinuity)에 의해 연결된다. 각각의 리지(206)의 하류 측 또는 후방면(212)은, 리지의 피크로부터, 접하는 밸리에서 끝나는 곡선, 또는 피크와 밸리 사이의 연속적인 오목한 곡선까지 점진적인 거의 선형의 경사를 가질 수 있다. 일부 예들에서, 슬리브의 길이를 따른 리지들은 동일한 폭을 가질 수 있고, 슬리브의 길이를 따른 밸리들은 동일한 폭들을 가질 수 있다. 다른 예들에서, 리지들 및/또는 밸리들의 폭은 슬리브의 길이를 따라 변할 수 있다.

[0026] 슬리브의 각각의 피크의 최상부와 압력 용기의 내부측 사이의 공간은 0.02 내지 0.2 cm(0.008 내지 0.08인치)일 수 있다.

[0027] 인접한 리지들의 피크들 사이의 거리는 약 0.2 cm 내지 약 1.6 cm(0.08 내지 0.6인치)일 수 있다.

[0028] 인접한 리지들 사이의 밸리들의 깊이는 약 0.02 cm 내지 0.3 cm(0.008 내지 0.12인치)일 수 있다. 밸리의 깊이는 피크 높이와 밸리의 바닥 사이의 거리이다.

[0029] 본 개시내용에 따른 우회 제어 슬리브는 나권형 막 요소의 외경과 양립가능한 내경을 갖는다. 우회 제어 슬리브는 400mm(16") 이하, 또는 350mm(14") 이하, 또는 300mm(12") 이하, 또는 250mm(10") 이하, 또는 200mm(8") 이하, 또는 150mm(6") 이하의 길이를 가질 수 있다. 우회 제어 슬리브는 100mm(4") 이상의 길이를 가질 수 있다. 다른 예에서, 우회 제어 슬리브는 실질적으로 나권형 막 요소의 전체 길이에 걸쳐 있는 길이를 가질 수 있다. 각각의 나권형 막 요소, 또는 압력 용기 내의 일련의 요소들은 바람직하게는, 예를 들어, 나권형 막의 하류 단부 상에 적어도 하나의 우회 제어 슬리브로 고정된다. 나권형 막 요소 또는 일련의 요소들은 대안적으로 또는 부가적으로, 요소 또는 일련의 요소들의 상류 단부에서 우회 슬리브로 고정될 수 있다. 2개 이상의 우회 제어 슬리브들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 우회 제어 슬리브는 막 요소의 상류 단부에 고정될 수 있고, 다른 하나는 막 요소의 하류 단부에 고정될 수 있다. 다른 예에서, 우회 제어 슬리브가 각각의 단부 상에 고정될 수 있고, 하나 이상의 슬리브들이 또한, 나권형 막 요소의 길이를 따라 위치결정될 수 있다. 하나 이상의 슬리브들은 나권형 막 요소의 일부 또는 전체 길이에 걸쳐 있을 수 있다. 수개의(several) 나권형 막들이 동일한 가압 용기 내에서 직렬로 연결되는 예에서, 각각의 나권형 막 요소는 가압 용기 내에서 직렬로 배치되기 전에 하나 이상의 우회 슬리브들로 고정될 수 있다.

[0030] 도 3a 및 도 3b는 다수의(multiple) 우회 제어 슬리브들(304)을 갖는 나권형 막 요소들(302)의 예들을 도시한다. 도 3a는, 나권형 막의 상류 단부 및 하류 단부에 부착된 우회 제어 슬리브들을 도시한다. 도시된 예에서, 나권형 막 요소(302)의 각각의 단부 상에 다수의 우회 제어 슬리브들(304)이 배치된다. 대안적으로, 도시된 다수의 슬리브들(304)과 동일한 전체 길이의 단일 우회 제어 슬리브(304)가 사용될 수 있다. 도 3b는 우회 슬리브들(304)이 실질적으로 그 전체 길이를 따라 연장되는 나권형 막 요소(302)를 도시한다. 대안적으로, 하나의 더 긴 슬리브(304)가 요소의 전체 길이를 덮는 데 사용될 수 있다.

[0031] 사용 시에, 환상 공간에 유입하는 피드의 일부가 슬리브의 피크들 위로 유동하는 한편, 환상 공간에 유입하는 피드의 나머지는 리지의 가파른 만곡식 상류 측과 접촉하고, 피크들 위로 유동하는 피드의 부분을 향해 반경방향으로 편향되게 된다. 이는 환상 공간에서 난류를 야기하여, 요소의 외부측을 지나는 유동의 양을 늦추고 제한한다. 요소를 통과하는 더 적은 유동은 더 많은 피드가 요소를 통과할 수 있게 하고, 생성물 회수(product recovery)의 증가에 기여한다. 난류는 또한, 환상 공간에서의 고형물 축적 또는 박테리아 성장을 방지하는 것을 돕기 위해 환상 공간을 세정하는 데 기여할 수 있다.

[0032] 본 개시내용에 따른 우회 제어 슬리브는 플라스틱 또는 다른 재료로 제조될 수 있다. 우회 제어 슬리브는, 예를 들어, 몰딩되거나 또는 기계가공될 수 있다. 식품 접촉을 위해 허용되는 적합한 재료들의 예들은 열가소성 중합체들, 이를테면: 폴리프로필렌, 폴리에틸렌(PE), 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌(EIHMWPE), 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 및 열가소성 폴리우레탄들을 포함한다. 식품 접촉을 위해 허용되는 다른 적합한 재료들은 엘라스토머들, 플루오로엘라스토머들, 및 열경화성 폴리우레탄들을 포함한다. 열 수축 재료들, 이를테면 레이켐 반강성 개질 폴리올레핀(Raychem Semi Rigid Modified Polyolefin)은 우회 제어 슬리브에 적합한 재료들의 다른 예들이다. 반-강성 열 수축 재료가 몰딩되어 우회 제어 슬리브를 형성할 수 있다. 선택적으로, 우회 제어 슬리브는 재료 이를테면, 나일론, ABS, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르이미드 또는 스테인리스 강으로 제조될 수 있다. 우회 제어 슬리브는 저마찰 재료, 이를테면, PE 또는 UHMWPE, 예를 들어 스테인리스 강 또는 유리 섬유와 저마찰 계수를 갖는 재료로 제조될 수 있다. 우회 제어 슬리브는 엘라스토머(이를테면, 에틸렌 프로필렌 디엔 메틸렌 고무(EPDM), 실리콘 고무, 또는 니트릴 부타딘 고무) 또는 플루오로엘라스토머(이를테면, 적어도 헥사플루오로프로필렌(HFP)과 비닐리덴 플루오라이드(VDF 또는 VF2)의 공중합체); 또는 적어도 테트라플루오로에틸렌(TFE), 비닐리덴 플루오라이드(VDF 또는 VF2) 및 헥사플루오로프로필렌(HFP)의 삼원공중합체; 또는 적어도 테트라플루오로에틸렌(TFE)과 퍼플루오로메틸비닐에테르(PMVE)의 공중합체로 제조될 수 있다. 플루오로엘라스토머는 약 66 내지 약 70%의 불소 함량을 가질 수 있다. 플루오로엘라스토머는 FKM의 ASTM D1418 및 ISO 1629 지정 하에 카테고리화될 수 있고, Viton™이라는 명칭으로 시판될 수 있다. 엘라스토머들 또는 플루오로엘라스토머들로 제조된 우회 제어 슬리브들은 스테인리스 강 또는 유리 섬유와 고마찰 계수를 가질 수 있다. 엘라스토머 또는 플루오로엘라스토머로 제조된 우회 제어 슬리브를 삽입하는 것을 돕기 위해 글리세린과 같은 윤활제가 사용될 수 있다. 윤활제는, 이를테면, 우회 제어 슬리브가 삽입된 후에, 윤활제를 린싱함으로써 제거될 수 있다.

[0033] 우회 제어 슬리브는 가열되어, 우회 제어 슬리브가 팽창되게 하고 설치를 위해 그 내경을 증가시킬 수 있다. 그런 다음, 가열식 우회 제어 슬리브는 나권형 막 요소의 단부 위로 미끄러질 수 있고, 냉각될 수 있다. 우회 제어 슬리브가 냉각됨에 따라, 우회 제어 슬리브는 수축되어, 나권형 막 요소 상에 타이트한 끼워맞춤(tight fit)을 제공한다. 선택적으로, 우회 제어 슬리브는 냉각될 때, 나권형 막 요소의 단부보다 더 작은 내경을 갖는다. 이는, 우회 제어 슬리브를 나권형 막 요소 상의 적소에 유지하는 것을 돕고, 또한, 나권형 막 요소를 압축시킬 수 있다. 대안적으로, 우회 제어 슬리브는 이를 양보하지 않으면서 신장될(stretched) 수 있다. 이 경우에, 신장된 우회 제어 슬리브가 요소 위에 배치되고 그런 다음 릴리스되어, 우회 제어 슬리브가 자신의 원래 크기로 탄성적으로 수축할 수 있게 하며, 이는 요소에 대해 꼭 맞는 끼워맞춤(snug fit)을 제공하거나 요소를 압축할 수 있다. 다른 대안에서, 우회 제어 슬리브가 열 수축 재료로 형성될 때, 우회 제어 슬리브는 나권형 막 위에 배치되고, 우회 제어 슬리브가 수축되게 하도록 가열될 수 있다. 열 수축 재료 및 우회 제어 슬리브의 크기는, 수축이 나권형 막 요소 상에 타이트한 끼워맞춤(tight fit)을 제공하도록 선택된다. 선택적으로, 우회 제어 슬리브는 수축될 때, 나권형 막 요소의 단부보다 더 작은 내경을 갖는다. 이는, 우회 제어 슬리브를 나권형 막 요소 상의 적소에 유지하는 것을 돕고, 또한, 나권형 막 요소를 압축시킬 수 있다. 사용될 수 있는 열 수축 재료의 일 예는, 250%(최소) 극한 연신율(ultimate elongation)을 갖고, 125 ℃ 초과의 온도들, 이를테면 약 150 ℃의 온도들에서 수축되는 레이켐 반강성 개질 폴리올레핀이다.

[0034] 우회 제어 슬리브는 요소의 원주를 약 0.2cm 내지 약 0.4cm까지 감소시키기에 충분하게 요소를 압축할 수 있다. 우회 제어 슬리브는: 우회 제어 슬리브를 적소에 유지하고, 피드 채널이 열리는 것을 방지하고, 요소가 신축되는 것(telescoping)을 방지하거나, 표준 동작 조건들 동안 상승된 온도의 피드 스트림들과의 접촉을 포함할 수 있는 이들의 조합을 방지하기 위해 충분한 힘으로 요소를 압축할 수 있다. 예를 들어, 우회 제어 슬리브는, 기본 마찰 계수 및 우회 제어 슬리브의 구조로 인한 간섭(interference)과 조합하여, 압축력이, 우회 제어 슬리브를 하류로 미는 인가된 힘보다 더 크도록, 요소를 충분히 압축할 수 있다. 예를 들어, 3.5" 제곱의 단면적을 갖고 15 psi의 압력 강하에 직면하는 우회 제어 슬리브의 경우, 제어 슬리브를 하류로 미는 인가된 힘은 약 52.5 lbs이다.

[0035] 우회 제어 슬리브의 외경은 초기에 압력 하우징의 내경보다 약간 더 크거나 작을 수 있다. 나권형 막 요소 상에 설치될 때 우회 제어 슬리브가 약간 더 많이 신장된 상태로 유지되다면, 우회 제어 슬리브의 외경은, 우회 제어 슬리브가 설치된 후에, 그러나 나권형 막 요소가 압력 하우징 내로 삽입되기 전이나 삽입되는 동안 감소될 수 있다. 예를 들어, 우회 제어 슬리브는 그 직경을 감소시키기 위해 기계가공되거나 또는 열적으로 변형(즉, 재성형(remolded))될 수 있다. 다른 옵션에서, 우회 제어 슬리브는, 우회 제어 슬리브가 압력 하우징, 예컨대, 나권형 막 요소가 압력 하우징 자체를 통해 또는 압력 하우징 자체에 대해 슬라이딩하는 고정구(fixture)에 배치될 때 압축된다. 우회 제어 슬리브들을 갖는 요소들은, 하우징에 삽입하고, 하우징에서 밀어 넣으며 그리고/또는 하우징에서 제거하는 데 필요한 힘을 가질 수 있으며, 이 힘은 예를 들어, 기존의 케이지형 위생 요소들 및/또는 쉘형 위생 요소들(예를 들어, Dow Hypershell TM RO8038 또는 Suez AF8038 위생 RO 모듈)에 필요한 힘들과 같거나 적은 힘, 예를 들어 적어도 10% 미만, 적어도 20% 미만, 또는 적어도 30% 미만이다.

[0036] 선택적으로, 하나 이상의 추가적인 우회 제어 슬리브들이 나권형 막 요소의 길이를 따라 하나 이상의 위치들에 배치될 수 있다. 비교적 강성이고 선택적으로 프리-스트레싱되는 우회 제어 슬리브는 여과 동작들 또는 새니타이제이션(sanitization) 절차들 동안 나권형 막 요소의 팽창 또는 풀림(unwinding)에 저항하는 것을 도울 수 있다. 그러나, 나권형 막 모듈의 하류 단부 상의 하나의 우회 제어 슬리브로 충분할 것으로 예상된다.

[0037] 아래의 표 1은 도 1a의 반경형 피크 설계, 도 1b의 삼각형 피크 설계 및 도 2에 도시된 예들에 따른 곡선형 피크(즉, 비대칭) 설계에 대한 68.95 kPa(10 psi)의 차압(pressure differential)에서의 우회 유량들을 비교한 CFD(computational fluid dynamics) 분석의 결과들을 보여준다. 분석에서의 설계들 각각에 대한 피크-대-벽 거리는 0.1 cm(0.04인치)였다. 표에서 보이는 바와 같이, 만곡식 피크 설계는 2개의 종래 기술의 예들에 비해 개선(즉, 우회 유량의 감소)을 보여준다. 68.95 kPa의 차압에서, 도 2에 따른 슬리브는 삼각형 피크 형상에 비해 약 20% 개선을 그리고 반경형 피크 형상에 비해 약 60% 개선을 보여준다.

[0038] 도 4는 0.1016 cm(0.04인치)의 피크-대-벽 갭(피크에서 압력 용기의 내부측까지의 거리)을 갖는, 위에서 언급된 3개의 설계들에 대해 그리고 0.05 cm(0.02인치)의 피크-대-벽 갭을 갖는 부가적인 만곡식(비대칭적인) 슬리브 설계에 대해, 압력의 변화가 증가함에 따라 분당 갤런(gallons-per-minute) 단위의 유량들을 비교하는 그래프를 도시한다.

[0039] 만곡식 슬리브 설계에 기인하는 우회 유동의 감소는 여과 프로세스의 회수율(recovery rate)을 증가시키는 것을 도울 수 있다. 이론에 의해 구속되는 것은 아니지만, 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같은 가파른 전방면을 갖는 비대칭 피크 설계는 반경형 또는 삼각형 피크 형상들에 비해 증가된 난류를 제공하고, 이로써 우회 유동을 감소시킨다는 가설이 설정된다.

[0040] 도 5는, 동일한 유동 및 피크-대-벽 거리를 갖는, 만곡식(비대칭적), 삼각형 및 반경형 리지들을 갖는 슬리브들 주위의 우회 유동의 레이놀즈수(Reynolds number)를 나타내는 CFD 모델링 실험들의 결과들을 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 만곡식(반경형) 슬리브의 값들의 유동은 층류 유동(laminar flow)을 포함한다. 이론에 의해 제한되도록 의도하지 않고, 본 발명자들은, 유동하는 물이 만곡식(비대칭적) 슬리브의 밸리들 내로 끌어당겨지며, 이는 우회 유동을 감소시킨다고 생각한다.

[0041] 도 6은, 나권형 막 요소 주위에서, 상이한 테스트들에서 만곡식 피크 설계 또는 삼각형 피크 설계를 갖는, 우회 제어 슬리브 모듈(610)을 갖는 케이지형 나권 RO 막 요소를 사용하는 예시적인 테스트 시스템을 도시하는 개략도이다. 상류 프로세스로부터의, 예를 들어 스위트 유장(sweet whey) 또는 산성 유장(acid whey) 프로세스로부터의 한외여과 투과물(UF permeate)(602)이 테스트 시스템에 대한 피드로서 사용되고 피드 탱크(604)에 첨가될 수 있다. 그런 다음, UF 투과물은 피드 펌프(606) 및 재순환 펌프(608)를 통해 모듈(610)을 향해 펌핑될 수 있다. 투과물(614)이 부분적으로 피드 탱크(604)로 복귀되고 재순환 펌프(608)를 통해 모듈(610)로 다시 부분적으로 재순환되는 동안, 투과물(612)은 시스템으로부터 배출된다. 기준선 압력(baseline pressure)이 피드 펌프의 배출구에서 결정된다. 재순환 펌프는 모듈(610)을 통과하는 유동을 제어하기 위해 압력을 부스팅한다. 시스템의 압력 강하는, 부스트 압력과 기준선 압력 사이의 압력의 차이(즉, 재순환 펌프(608)의 유입구와 배출구 사이의 차압)로서 결정되며, 이는 요소의 유입구와 요소의 농축물 배출구 사이 차압과 동일하다. 일 예에서, 농축물(614)의 75 내지 77%가 요소로 재순환되고, 농축물(614)의 23 내지 25%가 피드 탱크(604)로 복귀된다. 예시적인 시스템에서, 제어 밸브(도시되지 않음)는 피드 탱크 복귀 부분과 재순환 부분 사이의 농축물 유동을 조정하도록 구성된다. 예시적인 시스템에서, 이를테면, 시스템의 온도를 대략 12 내지 16℃로 제어하기 위해, 열 교환기가 재순환되는 농축물과 공급 탱크 사이의 경로에 배치될 수 있다.

[0042] 예시적인 테스트에서, (도 2의 제2 우회 제어 슬리브(204)와 유사한) 본 개시내용에 따른 만곡식 피크를 갖는 우회 제어 슬리브가 도 1b(삼각형 피크)의 삼각형 피크 설계(104)와 유사한 우회 제어 슬리브를 갖는 Dow Flimtec™ Hypershell TM Ro8038과 비교된다. 요소 주위의 삼각형 피크 슬리브는, 길이가 38인치(965.2mm)이고, 원주가 일 단부에서 633.5mm, 중간 부분에서 634.5mm, 그리고 제2 단부에서 634.5mm인 일체형 슬리브를 포함한다. 만곡식 피크 설계 우회 슬리브 셋업은 만곡식 피크 프로파일을 갖는 2개의 우회 제어 슬리브 세그먼트들을 포함한다. 2개의 슬리브 세그먼트들은 요소의 반대측 단부들에 배치된다. 만곡식 피크 우회 슬리브 및 삼각형 피크 우회 슬리브 둘 모두에 대해 동일한 유형의 막 요소가 사용된다. 만곡식 피크 우회 제어 슬리브 세그먼트들 각각은 길이가 13.5인치로 측정되고 633mm의 원주를 갖는다. 요소는 길이가 38인치로 측정되고, 우회 제어 슬리브 세그먼트들은 각각의 단부의 13.5인치를 덮고, 요소의 중간 케이지형 부분은 약 11인치 노출된 채로 남겨졌다. 슬리브들 사이의 노출된 케이지형 요소는 621mm의 원주를 갖는다. 표 2는 이 테스트에 사용된 삼각형 피크 및 만곡식 피크 우회 제어 슬리브 각각의 추가 파라미터들을 제시하며, 이들 각각은 8인치 직경의 하우징에 수납된다.

[0043] 주어진 유량에 기반하여, 예를 들어 8 내지 12psid의, 요소를 통한 최적화된 압력 강하를 달성하기 위해, 전형적으로, 재순환 펌프는 피드의 유량을 증가시켜, 요구되는 압력 강하를 달성하기 위해 더 많은 에너지를 소비하도록 요구된다(여기서, 피드는 피드 탱크로부터의 피드 및 재순환된 농축물을 포함). 위의 삼각형 피크와 만곡식 피크 우회 슬리브를 비교하는 예시적인 순수한 물(pure water) 테스트에서, 삼각형 피크와 비교하여 만곡식 피크 설계로 인한 하우징 유동의 4.5% 감소는 재순환 펌프에 대한 평균 4.4%의 전력 감소를 제공한다. 도 7은 위에서 설명된 바와 같은 삼각형 피크 및 만곡식 피크 설계 셋업들 각각에 대해, 특정 압력 강하들에서의 피드 유동을 묘사하는 그래프를 도시한다. 그래프에 도시된 바와 같이, 만곡식 피크 설계를 갖는 하우징을 통한 피드 유동은, 동일한 압력 강하에서의 삼각형 피크와 비교하여, 주어진 압력 강하에서 더 적다. 표 3은 삼각형 피크를 갖는 시스템과 비교하여 만곡식 피크 우회 슬리브를 갖는 시스템에서의 유량의 감소, 및 주어진 압력 강하에 대한 재순환 펌프의 대응하는 전력 감소를 나타낸다.

[0044] 위의 결과들은 이전에 나타낸 바와 같이, 633mm의 원주를 갖는 만곡식-피크 우회 제어 슬리브를, 633.5mm 내지 634.5mm의 원주를 갖는 삼각형 피크 제어 슬리브와 비교한다. CFD 모델링이, 630.07mm 내지 634.86mm의 원주들에서의 만곡식 피크 우회 슬리브를 사용하여 유량들을 결정하기 위해 실행된다. CFD 모델은, 8인치 내경을 갖는 하우징 내의 8인치 길이의 우회 제어 슬리브를 가정한다. 우회 제어 슬리브의 모든 다른 파라미터들은 테스트들 사이에서 피크-대-벽 갭만이 변경되도록 고정된다. 아래의 표 4에 묘사된 CFD 모델 결과들은 위에서 설명된 테스트들에서 사용된 삼각형 피크 슬리브의 대략 동일한 피크-대-벽 갭까지 피크-대-벽 갭을 증가시키는 효과를 나타낸다. 표 4에서 보여지는 감소된 유량들에 기반하여, 만곡식 피크 우회 제어 슬리브 셋업이 삼각형 피크 슬리브의 피크-대-벽 거리와 동일하거나 또는 이에 더 가까운 피크-대-벽 거리를 포함할 때, 에너지 성능에 대한 훨씬 더 큰 응답이 예상된다.

[0045] 다른 예시적인 테스트에서, 140갤런의 UF 투과물이 순수한 물 대신에 시스템에 첨가된다. 140갤런의 용량을 갖는 피드 탱크가 사용될 수 있지만, 특정 예에서는, 140갤런 미만의 피드 탱크 용량이 사용되고, UF 투과물은 1gpm의 증분들로 첨가된다. 1gpm의 RO 투과물이 요소로부터 시스템을 빠져나갈 때, 총 140갤런의 피드가 시스템에 도입될 때까지, 1gpm의 피드가 피드 탱크에 첨가되었고, 이 시점에서, 더 이상 프레시(fresh) 피드가 피드 탱크에 첨가되지 않는다. 요소로부터의 농축물은, UF 투과물이 대략 4% Brix로부터 최대 대략 20% Brix로, 예를 들어 대략 4.5% Brix로부터 대략 18.5% Brix로 농축될 때까지, 피드 탱크로 계속해서 다시 재순환되며, 이 시점에서 테스트는 종료된다. 140갤런의 UF 투과물의 배치(batch) 프로세싱 동안, 비교되는 2개의 요소 셋업들은 테스트의 지속기간 전체에 걸쳐 10psid에서 실행되며, 세팅된 투과물 유량을 유지하도록 피드 압력이 조정된다. 둘 모두는 대략 130분 동안 작동되고, ~4% Brix 내지 18.5% Brix로 피드(UF 투과물)를 농축시킨다. 피드가 락토즈를 함유하는 예에서, 시작 피드는 대략 4.5%의 락토즈를 가지며, 이어서, 이는 시험의 종료 시에 최대 약 20%의 락토즈로 농축된다.

[0046] 도 8은 삼각형 피크 슬리브 및 만곡식 피크 슬리브 각각에 대해, 재순환 펌프(608)의 유입구와 배출구 사이의 10psid에서 생성된 RO 투과물의 하우징 유동(gpm 내지 갤런)의 그래프이다. 하우징 유동은 재순환 펌프와 요소의 입구 사이에서 측정된다. RO 투과물이 증가함에 따라, UF 투과물 피드는, 다시 피드 탱크로의 농축물의 재순환으로 인해 더 농축되게 된다. 도 8에서 보이는 바와 같이, 만곡식 피크 우회 슬리브는, RO 투과물이 약 100갤런까지 증가함에 따라 삼각형 피크 슬리브와 비교하여 더 낮은 유량을 유지하며, 이 지점에서 두 시스템들의 유량들은 거의 동일하게 수렴한다. 결과들은, 특히 UF 투과물 농도가 4.5% 내지 15% Brix의 범위에 있을 때, 만곡식 피크 설계가 UF 투과물 프로세싱의 초기 단계들 동안 삼각형 피크 설계에 비해 상당한 개선을 제공한다는 것을 보여준다. 예를 들어, 만곡식 피크 설계 쉘은 삼각형 피크 슬리브와 비교하여 요구되는 하우징 유동의 6% 감소 및 대응하는 8.4%의 전력 감소를 제공한다. 농도가 예를 들어 15% 내지 20% Brix로 증가될 때, 2개의 시스템들은 유사한 결과들을 제공하지만, 만곡식 피크는 삼각형 피크 슬리브와 비교하여 여전히, 요구되는 하우징 유동의 ≤ 0.5% 감소 및 대응하는 ≤ 1.7% 전력 감소로 약간 개선된 결과들을 제공한다. 삼각형 피크 슬리브는 만곡식 피크 설계 우회 쉘과 비교하여 피드의 점도(viscosity)에 더 의존할 수 있다.

[0047] 도 9는, 위에서 설명된 삼각형 피크 슬리브 및 만곡식 피크 설계 우회 쉘 각각에 대해, 피드 용액이 위로 집중되었을 때의 피드 용액의 kW 단위 내지 %Brix 단위의 재순환 펌프 전력의 그래프를 제공한다. 14.5% Brix 미만에서, 그래프는 삼각형 피크 슬리브와 비교하여, 만곡식 피크 설계 우회 쉘을 사용한 유량(및 그에 따른 전력 사용량)의 상당한 개선을 보여준다. 14.5% Brix 초과에서, 개선들은 덜 중요하지만, 그럼에도 불구하고 삼각형 피크 설계에 비해 약간의 개선을 제공한다.

[0048] 이러한 서면화된 설명은 최적의 모드를 포함하는 본 발명을 개시하기 위해, 그리고 또한 임의의 디바이스들 또는 시스템들을 제조 및 사용하고 임의의 통합된 방법들을 수행하는 것을 포함하여 임의의 당업자가 본 발명을 실시할 수 있게 하기 위해 예들을 사용한다. 본 발명의 특허가능한 범위는 청구범위에 의해 규정되며, 당업자들에게 발생하는 다른 예들을 포함할 수 있다.

Claims (19)

1. 나권형(spiral wound) 막 요소를 위한 우회(bypass) 제어 슬리브로서,
   상기 우회 제어 슬리브는,
   a. 비대칭 돌출부들;
   b. 가파른 그리고/또는 오목한 만곡식 전방면을 갖는 돌출부들; 및,
   c. 사이에 밸리(valley)들을 갖춘 돌출부들 ― 상기 밸리들 각각은 상기 돌출부들의 폭의 50% 내지 200%의 범위에 있는 폭을 가짐 ―
   중 하나 이상을 포함하고,
   상기 돌출부들은 상기 우회 제어 슬리브 주위에 원주방향으로 감싸지는(wrap),
   나권형 막 요소를 위한 우회 제어 슬리브.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 돌출부들은 이산 원(discrete circle)들로, 헬리컬 패턴(helical pattern)으로, 또는 나선형 패턴(spiral pattern)으로 상기 우회 제어 슬리브 둘레를 원주방향으로 감싸지는,
   나권형 막 요소를 위한 우회 제어 슬리브.
3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 밸리들 각각의 폭은 상기 돌출부들의 폭의 50% 내지 200%인,
   나권형 막 요소를 위한 우회 제어 슬리브.
4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 밸리들 각각은 상기 밸리들의 폭에 걸쳐 일정한 직경을 갖는,
   나권형 막 요소를 위한 우회 제어 슬리브.
5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 돌출부들은, 상류 측 상에 오목한 곡선을 포함하는 전방면 및 하류 측 상에 오목한 곡선을 포함하는 후방면을 갖는,
   나권형 막 요소를 위한 우회 제어 슬리브.
6. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   비대칭 돌출부들을 갖는,
   나권형 막 요소를 위한 우회 제어 슬리브.
7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 돌출부의 전방면은 상기 슬리브의 원주에 수직인 방향으로 피드 유동을 반경방향으로 편향시키도록 구성되는,
   나권형 막 요소를 위한 우회 제어 슬리브.
8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   인접한 리지들은 약 0.2 cm 내지 1.6 cm의 피크-대-피크 거리를 갖는,
   나권형 막 요소를 위한 우회 제어 슬리브.
9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 밸리들은 약 0.02 cm 내지 0.3 cm의 깊이를 갖는,
   나권형 막 요소를 위한 우회 제어 슬리브.
10. 막 요소 상에 고정되고 가압 용기(pressurized vessel) 내에 설치되는, 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항의 우회 제어 슬리브를 포함하는,
    결합체(combination).
11. 제10 항에 있어서,
    상기 우회 제어 슬리브의 돌출부들의 피크들과 상기 가압 용기의 내부측 벽 사이에 약 0.02 cm 내지 0.2 cm의 공간을 포함하는,
    결합체.
12. 제10 항 또는 제11 항에 있어서,
    상기 우회 제어 슬리브의 돌출부들의 피크들과 상기 가압 용기의 내부측 벽 사이에 0.01 내지 0.03인치의 공간을 포함하는,
    결합체.
13. 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 따른 우회 제어 슬리브를 설치하는 방법으로서,
    상기 슬리브를 상기 나권형 막 요소의 일 단부 상으로 슬라이딩시키는 단계를 포함하는,
    우회 제어 슬리브를 설치하는 방법.
14. 제12 항에 있어서,
    상기 나권형 막 요소의 단부 상으로 상기 슬리브를 슬라이딩시키기 전에, 상기 우회 제어 슬리브를 가열하는 단계를 포함하는,
    우회 제어 슬리브를 설치하는 방법.
15. 제12 항에 있어서,
    상기 슬리브를 상기 나권형 막 요소의 단부 상으로 슬라이딩시키면서 우회 제어 슬리브를 신장시키는 단계, 및 상기 요소의 단부 위로 슬라이딩한 후에 탄성적으로 수축하도록 상기 슬리브를 릴리즈하는 단계를 포함하는,
    우회 제어 슬리브를 설치하는 방법.
16. 제12 항에 있어서,
    상기 우회 제어 슬리브는 열 수축(heat shrink) 재료를 포함하고, 상기 나권형 막 요소의 단부 상으로 상기 슬리브를 슬라이딩시킨 후에 상기 슬리브를 가열하는 단계를 포함하는,
    우회 제어 슬리브를 설치하는 방법.
17. 제12 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나권형 막 요소의 단부 상으로 상기 슬리브를 슬라이딩시키는 단계는, 상기 나권형 막 요소의 길이를 따르는 포지션으로 상기 슬리브를 슬라이딩시키는 단계를 포함하는,
    우회 제어 슬리브를 설치하는 방법.
18. 우회 제어 슬리브를 제조하는 방법으로서,
    상기 방법은, 슬리브의 외부면 상에 돌출부들을 성형하는 단계를 포함하며, 상기 돌출부들 각각은 오목한 곡선을 포함하는 전방면을 갖고 그리고/또는 상기 돌출부들은 비대칭적인,
    우회 제어 슬리브를 제조하는 방법.
19. 제17 항에 있어서,
    상기 우회 제어 슬리브는 나권형 막 요소에 고정되기 전에 몰딩되는,
    우회 제어 슬리브를 설치하는 방법.