[发明专利]渗透装置

说明书

发明领域

本发明涉及一种特别是但不排他地用于压力延迟渗透(“PRO”)应用的膜元件、中心管、具有中心管和膜的渗透元件、包括渗透元件的渗透装置和设备。

发明背景

渗透是一种已知的现象，在该现象中水运动穿过位于更小或更大浓度的溶液之间的半透膜(semi-permeable membrane)。在正向渗透中，水从较低浓度的溶液运动到较高浓度的溶液，而在PRO渗透中，水的通量率可减小。通过施加足够的压力到高浓度侧，渗透水流量可以颠倒并且使水穿过半透膜从较高浓度的溶液运动到较低浓度的溶液。该技术已经被发现用于许多领域中，包括水处理和海水淡化。压力延迟渗透也已用在动力产生(power generation)中，其中由于淡水源的渗透，盐水溶液中的压力增加，且压力被用于驱动涡轮机。

在已知的渗透系统中，使用螺旋缠绕的渗透元件是已知的，每个渗透元件由多个基本多层的构造块按重复的顺序组成。典型的这样的块包括被折叠在供给片上的单张半透膜。半透膜片的面积通常为供给片隔片(feed sheet spacer)的面积的两倍。一旦半透膜被折叠在供给片隔片上，供给片隔片将折叠的半透膜片的两个叶片分离。供给片被构造成允许沿着半透膜的表面的自由的溶剂流动。半透膜设计成防止溶质流动。带有内部供给隔片的折叠半透膜的这种夹层结构然后插入间隔开的渗透隔片(permeate spacer)之间。渗透隔片的一维上的面积通常比半渗透膜的折叠叶片的一维上的面积大，使得一旦折叠的半透膜和相关联的供给隔片插入间隔开的渗透隔片之间，包括渗透隔片的尾部只从交织的渗透隔片和半透膜延伸。穿过膜供应的供给水将沿着与半透膜的溶质抑制表层接触的供给隔片流动。像那样，多个基本块绕中心管以这样的方式螺旋缠绕，使得每个渗透隔片的尾部通过专用侧孔将每个基本块生成的水产物排出到中心管内。供给水被迫通常沿着与中心管平行的缠绕的供给隔片的纵向尺寸运动，并使流渗透通过半透膜进入渗透隔片，并沿螺旋方向继续朝向中心管流动。

现有技术中的螺旋缠绕的膜被设计成在反渗透过程中操作，在该反渗透过程中加压的盐供给水进行脱水，并生产淡水产品。为了在需要高的膜面积与体积比的其它应用中起作用，这种膜需要一些修改，如在US4,033,878中教导的。该文献教导了位于中心管内的屏障，以迫使流体流通过专用的侧孔从中心管流出，流到螺旋缠绕的膜的渗透隔片。渗透隔片内的单向的弯曲的流动路径由阻流胶粘线形成，该阻流胶粘线沿着大致垂直于中心管的纵向轴线的方向在渗透隔片内延伸。该附加的胶粘线将如上所述的螺旋缠绕的每个基本块分为两个区域。中心管内的所有流体流被阻断，并被迫离开中心管，进入到渗透隔片的在第一区域的尾部，并且在阻挡胶粘线的周围以弯曲的方式流动，并流回中心管到超出阻挡装置的点，并且通过第二区域的渗透隔片的尾部被排出回到中心管。US 4,033,878还教导了串联连接的一系列这样的渗透元件。根据US 4,033,878，在一系列元件中的任何这样的元件中，在中心管的阻挡装置之前的第一部分内的整个流必须分流，并流经螺旋缠绕的膜，到达中心管的超过阻挡装置的第二部分。该系列路径会导致大大的压降、以及元件之间不等的压力和流量分布，这限制了系统支持大流量的能力。

US 8,354,026示出了通过实施穿过中心管的穿孔的垂直阻断装置来对该系列构造的改进。穿过阻挡装置的小的内部分流管允许平行流通过沿着共同的中心管连接的所有的膜元件。这需要多个必须适应在中心管的直径范围内的分流管。内部分流管设置成交替的构造，每个内部分流管绕过中心管的阻挡区段。结果，沿着流体的流动路径有许多突然的直径收缩和突然的直径扩张。一旦流体离开主中心管并进入分流管，沿着流动路径有突然的直径下降，并且一旦流体离开分流管并进入中心管的下一个阻挡区段，有突然的直径扩张。这可能会导致大大的压力损失，并再次在沿着共同的中心管线的渗透元件之间造成不平等的流量分配。此外，多个分流管的使用是主中心管的横截面的无效使用。为了在中心管内容纳两个平行管，两个平行管的最大直径应小于中心管的直径的一半。结果，每个分流管的横截面的组合面积比中心管的横截面的面积小得多。

发明概述