[发明专利]螺线状膜过滤系统

说明书

发明领域及背景

本发明一般涉及过滤组件或单元，更具体地说涉及一种新型的和有用的方法及设备，该方法使用了曲线状或螺线状管结构膜，以便在溶液-膜的界面上最大限度地形成迪安涡流，从而改进了过滤的效果。

对于压力推动膜的方法，比如反向渗透、超过滤和微过滤，大多数组件设计都是基于单位体积内膜面积的最大化，也基于组件的装卸方便。为了降低CP和减少堵塞，现有许多方法，包括对膜表面进行化学改性和物理方法，比如冲洗等。基于湍流中的旋涡(eddy)或诱发的不稳定流的流体动力学方法也是已知的。可以通过在流道中放入插件来形成不稳定流。通过膜的不稳定流也已被本申请的共同发明人之一用来减少溶质在溶液-膜界面处的聚集，见贝尔弗特(Belfort，G.)的《膜过滤中的流体力学：最新进展(Fluid mechanicsin membrane filtration：recent developments)》，载《膜科学杂志》(J.Membrane Sci.)40，123-147(1989)。

现已利用了不同类型的不稳定流，这包括由粗糙的膜表面、脉动流和振动膜表面所造成的涡流和不稳定流。除了粗糙膜表面等以外，由以下各项目中所开发的旋转盘系统也可诱发不稳定流，(i)70年代利特曼等人(Fred Littmand和Jerry Kroopnick)在DresserIndustries公司，德克萨斯州及此前在Stanford研究实验室，加利福尼亚州；(ii)，90年代布朗·波维利公司(Brown Boveri Co.)在瑞典，马尔墨(Malmo)。最成功的去极化(depolarizing)方法之一使用了在转动环状过滤组件中形成的泰勒(Taylor)涡流。这种设计的主要限制是膜面积难以按比例放大，还在于能耗过高。在衬膜流道中由于在波纹流道中经常逆转的湍流(约8Hz)也能产生涡流。请见斯退尔曼德等(Stairmand，J.W和Bellhouse，B.J.)的《在脉冲湍流中与向皱壁上沉积的传质(Mass transfer in a pulsatingturbulent flow with deposition into furrowed walls)》载Int.Heat Mass Transfer杂志，27，1405(1985)。在一个平膜上面的螺旋形半圆柱流道中强迫流体流过也已达到此目的。见文茨勒(Winzeler)的1990年8月23日PCT专利申请WO90/09229。在涡流存在下，这两种方法都显示出增强了的性能，但它们都遇到一些困难，包括放大和密封问题。现在普遍推荐在螺旋缠绕形单元中使用间隔来导致混合。不幸的是，在一般为大多数螺旋缠绕状单元使用的泊肃叶(Poiseuille)流中的低轴向雷诺数(Reynolds numbers)的条件下，这种方法经常是无效的。请见Toray Inductries，Inc.在比如它们名为《Romembra TorayReverse Osmosis Element(反向渗透单元)》的小册子中公开的螺旋流过滤器。

在文献中已普遍确认，不稳定流如涡流已经有效地用于压力推动膜应用方面，用于去极化(depolaring)和清洗合成膜。见文茨勒等人(Winzeler，H.B.和Belfort，G.)的《压力推动膜工艺增强性能：关于不稳定流的讨论(Enhanced performance for pressure-drivenmembrane processes：The argument for fluid instabilities)，载《膜科学杂志》(J.MembraneSci.)(1993)80，35-47。在围绕着一种带有微过滤膜的曲线状管道流动所造成的迪安涡流存在下，本发明已表现出优异的流动性能改善。见US专利5,204,002，它在此处引作参考。本发明的一个目的就是在高压逆渗透(RO)、超过滤(UF)、微过滤(MF)或纳米级过滤(NF)膜工艺中提供用来使盐和悬浮液去极化的这种受控涡流。

发明概述

本发明是在一个曲线流道中由于不稳定流动的冲击而导致涡流，特别是迪安涡流所使用的设备和方法。

本发明包括使用迪安涡流来消除堵塞和去极化，前者也即从膜表面上除去沉积物，后者也即从膜表面上除去靠近膜的悬浮溶解物，溶质。本发明也包括在如下用途中使用的螺旋形或其它缠绕膜式管：

(i)反渗透-主要用于保留盐和低分子量有机物；

(ii)纳米级过滤-主要用于盐和低分子量有机物的分级；

(iii)超滤-主要用于中分子量有机物的分极以及盐和低分子量有机物的输送；