NO320265B1 - Filteranordning for separasjon av bestanddeler - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en filtanordning for separasjon av bestanddeler, fra et flytende medium som inneholder slike bestanddeler. Som angitt i innledningen i krav 1. Anordningen er basert på tverrflyt-membranfiltrering.

I et tverrflytfilter blir en væske ført til et kammer omfattende minst en dynamisk membran. Væsken som blir tilført blir delt i en gjennomstrøm som går gjennom den dynamisk membran og en avslagstrøm som strømmer langs filteret uten å trenge gjennom filteret.

Tverrflytfilteret og apparater er beskrevet i patentlitteraturen, for eksempel i svensk publikasjonsskriv SE 451429, 457607, 459475, 463241 og 465040. Slike apparater har med hell vært anvendt for separasjon av faste bestanddeler fra en flytende fase og for separasjon av væske fra en væske, f.eks. separasjon av olje fra vann.

Fig. 1 viser et snitt av en separasjonsanordning av den type som er beskrevet i SE 451429. Anordningen omfatter et kammer 10 i hvilket plater 11 utstyrt med senterhull 12 er anordnet. En dynamisk filtermembran 13 er fester på platene. En rotoraksel 14 utstyrt med rotorvinger 15 løper gjennom senterhullet på platene. Væsken som skal prepareres blir tilført i rotorkammeret gjennom kanalens 16 slik at en del av det (gjennomstrømsvæsken) passerer gjennom filteret og blir samlet via kanaler 17 i platen for til slutt å bli tømt ut gjennom et gjennomstrømsutløp. En del av væskestrømmen (avslagsstrømmen) som ikke trenger gjennom filteret blir tømt ut gjennom kanalen 18. Ved hjelp av rotorvingene 15 blir væsken skjøvet over filteroverflaten 13 og et mulig porøst lag som en påført denne.

SE 459475 beskriver en separasjonsanordning omfattende en antall tilstøtende enheter eller celler ifølge SE 451429. Væsken som skal behandles blir tilført gjennom en felles kanal utformet med gjennomgående hull i platene. Den oppsamlede gjennom-strømsvæske blir tømt ut gjennom et felles utløp, og avslagsvæsken blir tømt ut gjennom et felles rør for den utgående avslagsvæsken.

Selve filtermembranen kan også være utstyrt med et eller flere lag av et porøst materiale, for eksempel av den typen som er beskrevet i de ovennevnte patentpublikasjoner.

Tilstopping av porene i filtermembranen eller det porøse materialet påført den på grunn av avleiring av separerte bestanddeler er et stort problem. På grunn av tilstopping vil separasjonskapasiteten raskt avta, og på grunn av dette er det nødvendig å regenerere filteret med regelmessige intervaller. Ifølge publikasjonen SE 451429 blir regenereringen utført på en slik måte at elementer (børster, ventiler eller liknende) forbundet med rotorvingene blir brakt i kontakt med det porøse laget på filtermembranen. Dermed blir bestanddeler utskilt fra væskestrømmen fjernet, og en del av det porøse materialet også. Nytt porøst materiale påføres når nødvendig.

Mekanisk regenerering av denne type, som omfatter berøring av filtermembranen eller det porøse laget på den, er alltid forbundet med risikoen for å forstyrre den ønskede porestørrelse. Derfor er det ønskelig å unngå regenereringsmetoder av denne type.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en filtanordning hvor filteret blir holdt fritt for avleiringer av separert substans.

Ifølge oppfinnelsen oppnås dette formål ved at filteranordningen har de karakteristiske trekk som angitt i krav 1.

Fordelaktige utførelsesformer er angitt i de uselvstendige krav.

Fordelene med oppfinnelsen er basert på at det tilførte flytende medium blir utsatt for en sterk turbulens skapt med en passende utformet rotor, eventuelt i forbindelse med lydbølger, fortrinnsvis ultralyd, og/eller et elektrisk felt, slik at avleiringen av de separerbare partikler på filteret blir hindret eller vesentlig redusert.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives i mer detalj med henvisning til tegningene, hvor:

fig. 1 viser et snitt av separasjonsanordning ifølge tidligere teknikk,

fig. 2 viser en tidligere kjent rotor ment for anordningen på fig. 1,

fig. 3 viser en rotor ifølge den foreliggende oppfinnelse i en utførelse,

fig. 4 viser en rotor i en annen utførelse,

fig. 5 viser en rotor i en tredje utførelse,

fig. 6A til 6C viser et tverrsnitt av rotorvingene på fig. 4,

fig. 7A til 7D viser et tverrsnitt av rotorvingene ifølge en videre utførelse, og fig. 8 viser en utførelse av rotorvingen ifølge fig. 3. Fig. 2 viser en tidligere kjent rotor sett mot planet av filteret 13. Rotoren består av to rotorvinger 15 festet på rotorakselen 14. Rotorvingene 15 er massive, nesten rektangulære prismer. Fig. 3 viser et eksempel på en rotor ifølge oppfinnelsen. Rotorvingene 15 er kurvet på en slik måte at deres snitt i planet parallelt med filteret 13 danner en S-formet overflate. I drift roterer rotoren i retning av pilen. Rotorer av den kjente type ifølge fig. 2 forårsaker i hovedsak en væskestrøm i rotasjonsretningen. I testkjøringer med rotorer ifølge fig. 3 har det vist seg at de konkave seksjoner på rotorvingene forårsaker en sterk væskestrøm også i radiell retning. Når en konvensjonell rotor blir brukt avtar den sirkulære hastighet når rotorakselen nærmer seg. Som vist på figuren danner rotoren en kontinuerlig S-form som stikker diametralt gjennom rotorakselen. På grunn av den radielle væskestrøm forårsaket av den kontinuerlige S-form, er en høyere turbulens oppnådd også i nærheten av rotorakselen. Som følge av dette er en tilstrekkelig sterk turbulens oppnådd over hele filteroverflaten for å hindre at separerbare bestanddeler avleires på filteret. En annen fordel med S-formen er at de konvekse deler av rotorvingene som er i kontakt med det omliggende flytende medium blir effektivt holdt frie fra avleiringer. En vesentlig fordel med den nevnte

S-form er at motorens pumpevirkning, som i dette tilfelle er uønsket, vil bli kompensert for ved den økende væsketurbulens. Fig. 8 viser en spesiell fordelaktig utførelse av vingprofilen ifølge fig. 3. Den konvekse profil 15a av rotorvingen er utformet slik at vinkelen a mellom linjen L trukket fra akselen 14 til et valgt punkt P på profilen 15a og tangenten T til profilen 15a i det nevnte punkt, alltid er nesten konstant og således uavhengig av posisjonen av det nevnte punkt P. Vinkelen a er fortrinnsvis mellom 45° og 80°, mest fordelaktig omkring 60°. På grunn av denne utførelsen blir den konvekse overflate holdt fri fra avleiringer, samtidig som rotoren trenger meget liten kraft. Fig. 4 viser en annen form av rotorvinger. Rotorvingene 15 er legemer som er i hovedsak formet som prismer, og deres overflate rettet mot filteret 13 er i hovedsak plane. Den nevnte overflate er utstyrt med ett eller flere områder 20 som avviker fra planet av overflaten. Fig. 6A til 6C, som viser et tverrsnitt av rotorvingene på fig. 4, viser alternative former av uregelmessighetene 20. På fig. 6A består de nevnte uregelmessigheter av knotter 21, på fig. 6B av forsenkninger 22, og på fig. 6C av gjennomgående hull 23. Uregelmessighetene 20 på rotorvingene kan også være en kombinasjon av et eller flere hull 23, en eller flere forsenkninger 22 og/eller en eller flere knotter 21.

Nærvær av uregelmessigheter, spesielt forsenkninger eller gjennomgående hull, reduserer den uønskede pumpevirkning av rotoren på grunn av høyere turbulens. Samtidig bevirker forsenkningene og hullene en mindre kontaktoverflate mellom rotorblandet og den omliggende væske som i sin tur reduserer friksjon og således også behovet for kraft.

Fig. 7A til 7D, som viser et tverrsnitt av rotorblandet 15, viser en spesielt fordelaktig utførelse av knottene 21 som i dette tilfelle består av et annet materiale enn selve rotorvingen. Knottene 21 består av separate legemer montert i hull som løper gjennom rotorbladet. Alternativt kan de nevnte legemer være montert i forsenkninger i rotorbladet eller festet på dets overflate. De nevnte legemer kan være væske- eller gassugjennomtrengelige sammenpressbare stykker av for eksempel skumplast med lukkede celler, et gassfylt deksel osv. Fordelen med denne konstruksjonen er at det er mulig å virke på størrelsen av legemet ved hjelp av omgivelsestrykket. Det er for eksempel mulig å velge et slikt materiale for legemet 21 som er sterkt komprimert ved normalt arbeidstrykk av separasjonsanordningen (fig. 7A), slik at knotten ovenfor planet av rotoroverflaten er meget liten eller ikke-eksisterende, og således er behovet for kraft på rotoren meget liten. Når det er nødvendig kan arbeidstrykket endres til pl, som er lavere enn p0, slik at legemet 21 utvider seg (fig. 7B). Dermed blir avstanden til overflaten på filteret redusert, og turbulensen øker. Dermed øker renseeffekten av filtermembranen. Det er også mulig at legemet 21 utvider seg så mye at det vil komme i kontakt med filtermembranen, slik at mekanisk rengjøring er oppnådd. Det er også mulig å la legemene 21 virke som reguleringsanordninger som virker på mekaniske anordninger 24 i form av fleksible elementer eller liknende festet på rotorbladet, hvilke elementer i sin tur kommer i kontakt med filtermembranen (figurene 7C og 7D).

Fig. 5 viser en rotortype ifølge en tredje utførelse i et snitt perpendikulært med planet for filteret 13. Overflaten 19 på rotorvingen 15 som er rettet mot filteret 13 er buet på en slik måte at avstanden mellom overflaten på vingen på filteret er liten ved den indre del av rotoren, dvs. i nærheten av rotorakselen 14, og at den nevnte avstand gradvis vokser mot rotorens periferi. Ved hjelp av denne utførelsen av rotorvingene er det mulig å oppnå en god og jevn turbulens over hele filteroverflaten i væskemediet som er plassert i kammeret 10. Når rotorvinger med jevn tykkelse blir brukt vil sirkelhastigheten (og dermed turbulensen) bli lav i nærheten av rotorakselen. Ved å redusere avstanden mellom rotoroverflaten 19 og filteret 13 ifølge konstruksjonen på fig. 5, blir turbulensen i dette området øket. Sirkelhastigheten og dermed også turbulensen er høy ved periferien av rotorvingene. I dette området er det fordelaktig å øke avstanden mellom overflaten 19 på rotorvingen og filteret 13 for videre å motvirke økning av turbulens. Hvis avstanden mellom rotorvingen og filteret skulle være liten også ved periferien av vingen, ville dette føre til en uønsket kraftøkning for å oppnå denne rotasjonen.

Rotorvingene ifølge fig. 5 kan også utstyres med uregelmessigheter av samme type som rotorvingene ifølge fig. 4, for eksempel gjennomgående hull, knotter og forsenkninger.

Det er kjent at bruken av lydbølger, spesielt ultralyd, forbedrer filtrering og hindrer tilstopping av filterporene (se f.eks. T. Touri med flere, "Filtration technique enhanced by elektro-acoustic methods", Process Technology Program, TEKES report, Jyvåskylå 31. mars 1995). Rotoren utformet ifølge den foreliggende oppfinnelse kan også kombineres med lydbølgesender, spesielt ultralyd, og/eller anordninger for å oppnå et elektrisk felt. Kombinasjonen av lydbølger og elektriske felter som er konstruert som en elektro-akustisk metode, har vist seg å være effektive for å hindre at filteret blir tilstoppet under filtreringsprosessen. En meget effektiv filtrering er oppnådd ved hjelp av et elektro-akustisk apparat i forbindelse med den spesielle rotor-design som beskrevet ovenfor.

Separasjonsanordningen ifølge den foreliggende oppfinnelse kan brukes til å separere både faste partikler, oppløste høymolikulære substanser og kolloider fra en væske og å separere en væske fra en annen væske.

Filtermaterialet er valgt på basis av separasjonsprosessen. Filtermembranen kan for eksempel være en porøs tekstilduk, en papirduk eller en membran av en type som er beskrevet i en av de patentpublikasjoner som er nevnt i innledningen. Selve filtermembranen kan også om ønskelig, være utstyrt med ett eller flere lag av et porøst materiale, for eksempel av den typen som er beskrevet i de ovennevnte patentpublikasjoner. Filteret kan også omfatte et keramisk filter som i seg selv er kjent, eller annet stivt eller porøst materiale,

Det vil være klart for fagfolk i denne teknikken at forskjellige utførelser av oppfinnelsen kan variere innenfor omfanget av kravene.

Claims (6)

1. Filteranordning for separasjon av bestanddeler, fra et flytende medium inneholdende slike bestanddeler, hvor den nevnte anordning omfatter en celle eller en stabel av et antall tilstøtende celler, hvor hver celle består av - en plateenhet utstyrt med et gjennomgående senterhull (12) inneholdende minst ett filter (13), - minst ett innløp (16) for å tilføre det flytende medium inn i kammeret (10), - minst ett utløp (18) for å tømme ut en del av det flytende medium, avslagsvæsken, hvor innløpet og utløpet er plassert på den første side av filteret, - minst ett utløp (17) på den andre siden av filteret for å tømme ut et flytende medium, gjennomløpsvæsken, som har passert gjennom filteret, og - en rotor plassert på den første side av filteret, hvor rotoren omfatter et antall perifert atskilte rotorvinger (15) som er bevegelig langs overflaten av filteret, hvor rotorakselen (14) løper gjennom senterhullet i plateenheten, hvor rotorvingene (15) er konstruert slik at rota-sjonsbevegelsen av vingene forårsaker tilstrekkelig sterk turbulens i det omliggende flytende medium til å hindre eller vesentlig redusere utskilling av separerbare bestanddeler på filteret, karakterisert ved at - den i hovedsak plane overflate av rotorvingene rettet mot filteret omfatter ett eller flere gjennomgående hull (23), en eller flere forsenkninger (22), en eller flere knotter (21), eller en kombinasjon av to eller flere typer av nevnte uregelmessigheter (21,22,23), eller - overflaten (19) av rotorvingene rettet mot filteret er buet på en slik måte at avstanden mellom overflaten av vingen og filteret er liten ved den indre del av rotoren og at denne avstanden gradvis øker mot rotorens periferi, eller - tverrsnittet av rotorvingene i et plan parallelt med filteret danner en i hovedsak S-formet overflate, hvor S-formen er kontinuerlig.

2. Filteranordning ifølge krav 1, karakterisert ved at tverrsnittet av rotorvingene som danner den i hovedsak S-formede overflate, eller rotorvingene som omfatter den buede overflate (19) er utstyrt med en eller flere gjennomgående hull (23), en eller flere forsenkninger (22), en eller flere knotter (21) eller en kombinasjon av to eller flere typer av nevnte uregelmessigheter (21, 22, 23).

3. Filteranordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at knottene (21) består av separate sammenpressbare, væske- eller gassugjennomtrengelige legemer montert i hull eller forsenkninger i rotorvingen eller er festet på overflaten av denne.

4. Filteranordning ifølge ett av kravene 1-3, karakterisert ved at den konvekse profil (15a) av den S-formede rotor er utformet slik at vinkelen a mellom linjen L trukket fra rotorakselen (14) til et valgt punkt (P) på profilen (15a) og tangenten (T) til profilen (15a) i det sammen punkt, er i det vesentlige konstant.

5. Filteranordning ifølge ett av kravene 1-4, karakterisert ved at den videre omfatter en lydbølgesender, spesielt en ultralydsender, og/eller en anordning for å oppnå et elektrisk felt.

6. Anvendelse av en filteranordning ifølge krav 1 for separasjon av bestanddeler fra et flytende medium som inneholder slike bestanddeler.