使用大氣氣囊罐的錯流過濾系統的製作方法
2023-07-12 15:09:26 2
使用大氣氣囊罐的錯流過濾系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種流體處理系統，其包括：錯流過濾器（110），包括進液部分、濃縮液部分和濾液部分。所述處理系統還包括濾液儲存裝置（130），其流體連接於所述濾液部分並包括具有包圍柔韌氣囊（150）的內壁的壓力邊界，所述柔韌氣囊將濾液室與大氣室（170）流體隔離。所述處理系統可還包括將所述濾液室流體連接到系統輸出端的濾液加壓裝置（180）。
【專利說明】使用大氣氣囊罐的錯流過濾系統
【背景技術】
[0001]在錯流過濾系統中，可通過施加跨越膜的壓力來純化進料流體，以迫使被純化流體穿過膜(即，濾液)並且雜質集中在膜的上遊側(即，濃縮液)。通常，濃縮液被從膜的上遊側衝掉並被管路連接到排出口。濾液可被遞送至諸如龍頭的輸出端，以供消費或用於其它用途。
[0002]此類系統中濾液的產率往往一定程度地受限。例如，就逆滲透飲用水系統而言，透過膜的連續濾液流量可能小於從下遊龍頭流出的所需流量。為了緩解這個問題，可使用液壓氣動式儲罐積累備用的濾液源。液壓氣動罐通常依賴預填充壓縮空氣以將驅動力供給儲存的濾液。隨著罐內濾液量增加，空氣被進一步壓縮，因此提供較大的力以將濾液推送至龍頭或其它輸出端。
[0003]為了有效地連續產生濾液，此類系統依賴於跨越膜的足夠壓差。如果壓差不夠，則效率和濾液質量可能降低。最後，可能會完全中止濾液的產生。當如上所述使用液壓氣動罐時，隨著罐內空氣受壓縮，濾液壓力將升高。這種濾液壓力的升高可導致膜上的背壓。這種背壓會降低跨越膜的壓差，從而降低濾液產量。
[0004]對於經改進的錯流過濾系統存在需求。
【發明內容】
[0005]本發明提供了處理、生產和儲存濾液的流體處理系統和方法，其可有利地提供下遊使用的增加的濾液容量，同時避免在錯流過濾器的濾液部分上的背壓並避免儲存的濾液受空氣傳播的或其它汙物的汙染。這樣，本發明公開的系統可增大錯流過濾器和過濾系統的生產效率和質量。根據本發明的系統和方法可提供上述優點，同時還提供有效地儲存大量濾液的能力，大量濾液可以具有相當大的重量和重力導致的儲罐內壓力。
[0006]在第一實施例中，本發明提供了一種流體處理系統，其包括:錯流過濾器，包括進液部分、濃縮液部分和濾液部分；濾液儲存裝置，其被流體連接於所述濾液部分，並包括:壓力邊界，包括包圍柔韌氣囊的內壁，所述柔韌氣囊將濾液室與大氣室流體隔離；以及濾液加壓裝置，其將所述濾液室流體連接到系統輸出端。
[0007]在第二實施例中，本發明達成所述第一實施例，其中所述大氣部分通過所述壓力邊界中的小孔與周圍大氣環境連通。
[0008]在第三實施例中，本發明達成所述第一或第二實施例，還包括流體連接於所述濾液部分或所述濾液室之一以監控濾液壓力的壓力開關，當所述濾液壓力超過濾液壓力設定值時，所述壓力開關動作從而中斷進入所述進液部分的流體流。
[0009]在第四實施例中，本發明達成所述第一至第三實施例中的任一個，其中所述濾液室包括所述內壁。
[0010]在第五實施例中，本發明達成所述第一至第四實施例中的任一個，其中所述大氣室不包括所述內壁。
[0011]在第六實施例中，本發明達成所述第一至第五實施例中的任一個，其中所述壓力邊界被設計成能夠經受對所述內壁的至少30psi (2.07e+005N/m2)的恆定流體壓力。
[0012]在第七實施例中，本發明達成所述第一至第六實施例中的任一個，其中所述內壁是平滑的。
[0013]在第八實施例中，本發明達成所述第一至第七實施例中的任一個，其中所述壓力邊界包括圓柱形部分。
[0014]在第九實施例中，本發明提供了一種在濾液儲存裝置中儲存濾液的方法，所述濾液儲存裝置包括具有包圍柔韌氣囊的內壁的壓力邊界，所述柔韌氣囊將濾液室與大氣室流體隔離，所述方法包括:施加跨越柔韌氣囊的壓差，以使所述柔韌氣囊膨脹成抵靠所述內壁，並清除所述濾液室的流體；將濾液引入所述被清空的濾液室中；以及在引入所述濾液之後，允許所述大氣室和所述濾液室達到周圍大氣壓力。
[0015]在第十實施例中，本發明達成所述第九實施例，其中所述施加跨越柔韌氣囊的壓差的步驟包括將高壓施加至所述大氣室。
[0016]在第十一實施例中，本發明達成所述第十實施例，其中所述將高壓施加至所述大氣室的步驟包括通過充氣閥填充所述大氣室。
[0017]在第十二實施例中，本發明達成所述第十或第十一實施例，其中所述允許所述大氣室和所述濾液室達到周圍大氣壓力的步驟包括從所述大氣室釋放所述高壓。
[0018]在第十三實施例中，本發明達成所述第十二實施例，其中所述從所述大氣室釋放所述高壓的步驟包括致動肘節閥。
[0019]在第十四實施例中，本發明達成所述第九實施例，其中所述施加跨越柔韌氣囊的壓差的步驟包括對所述濾液室施加負壓。
[0020]在第十五實施例中，本發明達成所述第十四實施例，其中所述對所述濾液室施加負壓的步驟包括用濾液加壓裝置抽吸所述濾液室。
[0021]在第十六實施例中，本發明達成所述第九至第十五實施例，還包括(在將濾液引入被清空的所述濾液室中之前)將被清空的所述濾液室流體連接到包括錯流過濾器的濾液部分的濾液管路系統。
[0022]在第十七實施例中，本發明達成所述第九至第十六實施例，還包括(在將濾液弓I入被清空的所述濾液室中之前)將被清空的所述濾液室流體連接到包括濾液加壓裝置的濾液管路系統。
[0023]在第十八實施例中，本發明提供了一種生產濾液的方法，包括:利用包括進液部分、濃縮液部分和濾液部分的錯流過濾器生產濾液；將所述濾液從所述濾液部分引入到濾液儲存裝置中，所述濾液儲存裝置包括壓力邊界，所述壓力邊界具有包圍柔韌氣囊的內壁，所述柔韌氣囊將濾液室與大氣室流體隔離；以及隨著所述濾液室由於濾液的引入而膨脹，允許所述大氣室在其收縮時與周圍大氣環境流體連通，以避免產生對，所述錯流過濾器的所述濾液部分的背壓。
[0024]在第十九實施例中，本發明達成所述第十八實施例，還包括將濾液從所述濾液室遞送至系統輸出端。
[0025]在第二十實施例中，本發明達成所述第十九實施例，還包括:隨著所述濾液室由於濾液的遞送而收縮時，允許所述大氣室在其膨脹時與周圍大氣流體連通，以避免所述大氣室中的壓力下降。[0026]除非另外指明，文中所用的「大氣室」意指含有流體(氣體或液體)的濾液儲存裝置中的室，無論濾液儲存裝置是否填充有濾液、是否處於穩態或是否正排放濾液，該室的壓力保持與濾液儲存裝置周圍的大氣壓力基本平衡。
[0027]在以下【具體實施方式】中，本發明的這些方面和其他方面將顯而易見。然而，在任何情況下都不應將上述
【發明內容】
理解為是對要求保護的主題的限制，要求保護的主題僅由所附權利要求書限定，並且在審查期間可以進行修改。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]在整個說明書中參考附圖，在這些附圖中，相同的參考編號表示相同的元件，並且其中:
[0029]圖1是根據本發明的示例性流體處理系統的示意圖；
[0030]圖2A是根據本發明的示例性濾液儲存裝置的示意圖，其中流體已從濾液部分清除；
[0031]圖2B是根據本發明的示例性濾液儲存裝置的示意圖，其中濾液正填充濾液部分；
[0032]圖2C是根據本發明的示例性濾液儲存裝置的示意圖，其中濾液正從濾液部分排放；和
[0033]圖3是根據本發明的示例性濾液儲存裝置的部分示意圖，其包括肘節閥以及充氣閥。
【具體實施方式】
[0034]如圖1所示，根據本發明的流體處理系統可包括錯流過濾器110，其包括進液部分112、濃縮液部分114和濾液部分116。如圖所示，濾液部分116通過管件直接連接至濾液儲存裝置130，從而離開錯流過濾器110的濾液可進入和填充濾液儲存裝置130的濾液室160。通常，濃縮液部分114被管路連接成通過限流器到達排出口。在本發明的範圍內，可採用任何類型的錯流過濾器110元件或模塊(例如，逆滲透)。還可設想在同一系統中使用多個錯流過濾器，這取決於給定應用的要求。
[0035]當需要濾液時,濾液加壓裝置180可將濾液從濾液室160遞送至系統輸出端190。在一個實施例中，濾液加壓裝置180包括電泵。然而,濾液加壓裝置180可包括能夠產生使濾液從濾液室160 (在較低壓力下)遞送至系統輸出端190的壓力的任何裝置或構造(包括施加重力)。例如，系統輸出端190可包括龍頭、旋塞、噴嘴或只是下遊管件，只要是濾液被遞送到的部位或裝置即可。
[0036]如圖所示，濾液儲存裝置130包括柔韌氣囊150。柔韌氣囊150由作為壓力邊界140的內壁142包圍，將濾液室160與大氣室170分離。如本實施例所示，柔韌氣囊150是在一端具有與壓力邊界140上的小孔172流體連通的小開口的袋式氣囊。柔韌氣囊150能夠膨脹和收縮，對濾液室160中的濾液壓力產生微不足道的影響。大氣室170示出為位於柔韌氣囊150的「內側」以使得大氣室170內的流體與周圍大氣流體連通，而不與作為壓力邊界140的內壁142直接接觸。在此類實施例中，濾液室160可包圍大氣室170。在一些此類實施例中，事實上整個內壁142可用於與濾液或柔韌氣囊150直接接觸。在類似實施例中，僅內壁142的一部分可用於與濾液或柔韌氣囊150直接接觸，而其餘部分可用於與大氣室170中的流體直接接觸。
[0037]通常，柔韌氣囊150由流體不能透過的材料構成，從而在濾液部分116和大氣部分之間沒有流體連通。然而，應該理解，透過柔韌氣囊150某種程度的非實質流體連通，例如氣體緩慢擴散通過柔韌氣囊150，不會影響系統的穩態操作並因此是可以容許的。可用於柔韌氣囊150的材料包括例如彈性體以及彈性體與用於改變強度、彈性或滲透性的其它材料的複合物。
[0038]當清除濾液室160中的所有濾液時，並且只要濾液循環關閉，柔韌氣囊150將膨脹從而直接抵靠作為壓力邊界140的內壁142。隨著濾液室160被濾液填充，柔韌氣囊150(和大氣室170)將相應地收縮。如圖所示，例如，在圖2A-2C中，在清除、填充或靜止的過程中，柔韌氣囊150優選地防止空氣或其它物質進入濾液室160，因此有助於防止濾液被汙染。此夕卜，在通常的操作條件下，在清除、填充或靜止的過程中，濾液室160和大氣室170 二者均將處於周圍大氣壓力下。
[0039]然而，當濾液室160被濾液填充至容量時會發生可能的例外情況，使得大氣室170完全塌陷並且濾液完全抵靠作為壓力邊界140的內壁142。在此類情況下，因為濾液通常是不可壓縮流體，其壓力將開始非常快地上升。如果在此類情況下不停止濾液的產生，則濾液壓力將快速上升至進料流體的壓力，並且跨越錯流膜的壓差將變為零。在一個實施例中，可選地提供壓力開關132以監控濾液儲存管件118中的濾液壓力，從而當濾液壓力開始上升至高於周圍大氣壓力時進入錯流過濾器110中的供液可以被選擇性地停止。在某些情況下，壓力開關132與進給閥113連通以選擇性地打開或關閉供液。進給閥可包括適於打開和關閉供液的任何類型的流體閥，舉例來說如旋塞閥、閘式閥、球閥、電磁閥等。優選地，進給閥響應來自壓力開關的信號而被自動地開啟。
[0040]因為壓力邊界140被構造為可經受顯著的濾液壓力，所以壓力邊界140可提供應對壓力開關132的省略、可能的失效或錯誤配置的有利的冗餘度。換句話講，如果壓力開關132失效或被省略，則壓力邊界140可在降低破裂的風險的同時經受濾液壓力升高至進料流體壓力。進料流體壓力可為(例如)用於自來水或井水服務的通常的服務管線壓力。在一個實施例中，壓力容器被構造為可經受連續的通常美國住宅和商業市政服務管線壓力。在一些實施例中，壓力容器被構造為能夠經受對內壁142的連續的濾液壓力，其大於約30psi(約2.07e+005N/m2),更優選地大於約60psi (約4.14e+005N/m2),並且還要優選地大於約IOOpsi (約 6.89e+005N/m2)、125psi (8.62e+005N/m2)或 200psi (1.38e+006N/m2)。
[0041]可以設想到，根據本發明的濾液儲存裝置130可包括體積容量在以下範圍內的壓力容器，所述範圍即約0.026加侖(約100毫升)、0.132加侖(500毫升)、0.16加侖(605毫升)、0.5加侖(1.89升)、1加侖(約3.79升)至大於I, 000加侖(3.79e+003升)，包括約2加侖(約7.57升)、4加侖(15.1升)、8加侖(30.3升)、16加侖(60.6升)、32加侖(121升)、44加侖(167升)、60加侖(227升)、120加侖(454升)、250加侖(946升)和500加侖(1.89e+003升)。隨著壓力容器變得更大，儲存的濾液的重量成比例地增大，並可變得相當大。例如，因為每加侖水重約8.35磅(約3.79千克)，所以由作為濾液的水裝滿的60加侖(227升)壓力容器將容納約500磅(約227千克)水。在此類實施例中，重要的是(如本發明所公開)濾液儲存裝置130為強效壓力邊界140，使得濾液可被安全和可靠地儲存。
[0042]結果是，柔韌氣囊150可抵靠作為壓力邊界140的內壁142而不損壞(例如，由於摩擦或氣囊中戳孔)，內壁142的可接觸柔韌氣囊150的部分通常平滑並且沒有諸如管件或支撐結構的突起形成的障礙物。在一個實施例中，內壁142包括主表面並且沒有從主表面向內突出超過0.5英寸(1.27釐米)的特徵。更優選地，內壁142沒有從主表面向內突出超過0.25英寸(0.635釐米)、0.125英寸(0.318釐米)或甚至0.05英寸(0.127釐米)的特徵。在一些實施例中，壓力邊界140在截面上主要為圓柱形。在一些實施例中，壓力邊界140包括端部基本為半球形的圓柱形罐。在一些實施例中，壓力邊界140包括圓柱形罐，其中內壁142包括以下範圍內的最小半徑，所述範圍即約I英寸(約2.54釐米)至約12英寸(約30.5釐米)，包括2英寸(5.08釐米)、3英寸(7.62釐米)、4英寸(10.2釐米)、5英寸(12.7釐米)、6英寸(15.2釐米)、7英寸(17.8釐米)、8英寸(20.3釐米)、9英寸(22.9釐米)、10英寸(25.4釐米)和11英寸(27.9釐米)。
[0043]為了確保濾液室160保持基本不含空氣或其它物質，可能有利的是，以特定方式裝配本發明公開的處理系統和開始所述處理系統的操作。例如，可能有利的是，首先通過臨時為大氣室170充入受壓流體因此使柔韌氣囊150膨脹並迫使流體流出濾液室160來清除濾液室160的氣體，如圖2A所示。代表性的填充物可包括壓力高於周圍大氣壓力約3-30psi(約 2.07e+004-2.07e+005N/m2)(包括約 7psi (約 4.83e+004N/m2))範圍內的空氣。清空的濾液室160然後可被連接並密封於處理系統上的濾液管路系統118。應該指出的是,雖然在圖1中示出了簡化的濾液管路系統118系統，但在本發明的範圍內可設想出許多其它管件。然後，可釋放大氣室170中的填充物，並且允許濾液開始填充濾液室160，如圖2B所示。因為密封的濾液管路系統將會是閉合系統，不可能在柔韌氣囊150隨著濾液液位的改變而膨脹和收縮時，讓空氣或其它物質進入濾液管路系統，如圖2B和2C所示。
[0044]為了進行以上描述的預填充處理，包括通過作為壓力邊界140的內壁142的小孔172與大氣室170連通的諸如施克拉德閥或其它止回閥的充氣閥174可能是有利的。在填充之後，並且基於濾液室160成功地連接至關聯的濾液管路系統，可去除充氣閥174以允許大氣室170達到周圍大氣壓力。
[0045]作為另外一種選擇，除充氣閥174之外，可包括與大氣室170流體連通的肘節閥176，如圖3所示。如本文所用，「肘節閥176」意指被構造為可選擇性地打開或關閉流體導管的閥，並包括例如旋塞閥、閘式閥、球閥、電磁閥等。在此類實施例中，肘節閥176可保持關閉以保持大氣室170中的預填充物，並可打開以使充氣閥174失效，並允許穩定到周圍大氣的壓力。在此類實施例中，不需要去除充氣閥174。可以設想到，所述肘節閥176可與所述充氣閥174分離地設置，或可插入在充氣閥174和大氣室170之間。
[0046]在不脫離本發明的精神和範圍的前提下，本發明的各種修改和更改對於本領域的技術人員將一目了然。應當理解，本發明並不限於本文示出的示例性實施例。
【權利要求】
1.一種流體處理系統,包括: 錯流過濾器，包括進液部分、濃縮液部分和濾液部分； 濾液儲存裝置，其流體連接於所述濾液部分，並包括: 壓力邊界，其包括包圍柔韌氣囊的內壁，所述柔韌氣囊將濾液室與大氣室流體隔離；和 濾液加壓裝置，其將所述濾液室流體連接到系統輸出端。
2.根據權利要求1所述的流體處理系統，其中所述大氣部分通過所述壓力邊界中的小孔與周圍大氣連通。
3.根據權利要求1或2中任一項所述的流體處理系統，還包括流體連接於所述濾液部分或所述濾液室之一以監控濾液壓力的壓力開關，當所述濾液壓力超過濾液壓力設定值時，所述壓力開關動作從而中斷進入所述進液部分的流體流。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的流體處理系統，其中所述濾液室包括所述內壁。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的流體處理系統，其中所述大氣室不包括所述內壁。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的流體處理系統，其中所述壓力邊界被設計成能夠承受對所述內壁的至少30psi (2.07e+005N/m2)的恆定流體壓力。
7.根據權利要求1-6中任一項所述的流體處理系統，其中所述內壁是平滑的。
8.根據權利要求1-7中任一項 所述的流體處理系統，其中所述壓力邊界包括圓柱形部分。
9.一種在濾液儲存裝置中儲存濾液的方法，所述濾液儲存裝置包括壓力邊界，所述壓力邊界具有包圍柔韌氣囊的內壁，所述柔韌氣囊將濾液室與大氣室流體隔離，所述方法包括: 施加跨越所述柔韌氣囊的壓差，以使所述柔韌氣囊膨脹成抵靠所述內壁，並清除所述濾液室的流體； 將濾液引入被清空的所述濾液室中；和 在將濾液引入被清空的所述濾液室中之後，允許所述大氣室和所述濾液室達到周圍大氣壓力。
10.根據權利要求9所述的方法，其中所述施加跨越所述柔韌氣囊的壓差的步驟包括將高壓施加至所述大氣室。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述將高壓施加至所述大氣室的步驟包括通過充氣閥填充所述大氣室。
12.根據權利要求10或11中任一項所述的方法，其中所述允許所述大氣室和所述濾液室達到周圍大氣壓力的步驟包括從所述大氣室釋放所述高壓。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述從所述大氣室釋放所述高壓的步驟包括致動肘節閥。
14.根據權利要求9所述的方法，其中所述施加跨越所述柔韌氣囊的壓差的步驟包括對所述濾液室施加負壓。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述對所述濾液室施加負壓的步驟包括用濾液加壓裝置抽吸所述濾液室。
16.根據權利要求9-15中任一項所述的方法，還包括:在將濾液引入被清空的所述濾液室中之前，將被清空的所述濾液室流體連接到包括錯流過濾器的濾液部分的濾液管路系統。
17.根據權利要求9-16中任一項所述的方法，還包括:在將濾液引入被清空的所述濾液室中之前，將被清空的所述濾液室流體連接到包括濾液加壓裝置的濾液管路系統。
18.—種生產濾液的方法，包括: 利用包括進液部分、濃縮液部分和濾液部分的錯流過濾器生產濾液； 將所述濾液從所述濾液部分引入到濾液儲存裝置中，所述濾液儲存裝置包括壓力邊界，所述壓力邊界具有包圍柔韌氣囊的內壁，所述柔韌氣囊將濾液室與大氣室流體隔離；和隨著所述濾液室由於濾液的引入而膨脹，允許所述大氣室在其收縮時與周圍大氣環境流體連通，以避免產生對所述錯流過濾器的所述濾液部分的背壓。
19.根據權利要求18所述的方法，還包括將濾液從所述濾液室遞送至系統輸出端。
20.根據權利要求19所述的方法，還包括:在所述濾液室由於濾液遞送而收縮時，允許所述大氣室在其膨脹時與周`圍大氣流體連通，以避免所述大氣室中的壓力下降。
【文檔編號】B01D61/12GK103517753SQ201280022658
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年5月3日 優先權日:2011年5月13日
【發明者】赫曼·R·帕特爾, 羅伯特·E·阿瑟爾, 馬丁·J·布拉茲, 勞倫斯·W·巴賽特 申請人:3M創新有限公司