ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ФИЛЬТРАЦИЕЙ В ПОПЕРЕЧНОМ ПОТОКЕ, СОДЕРЖАЩИЙ ИЗОГНУТЫЕ КАНАЛЫ
ELEMENT FOR CROSS-FLOW FILTRATION SEPARATION CONTAINING CURVED CHANNELS

Изобретение относится к области элементов для разделения фильтрацией в поперечном потоке для разделения обрабатываемой текучей среды на фильтрат и концентрат, обычно называемых мембранными фильтрами.
Более точно, настоящее изобретение относится к новым формам каналов для таких разделительных элементов, обеспечивающих усиление потока фильтрата и/или служащих для снижения потребления энергии устройств с использованием таких разделительных элементов.
В настоящем изобретении также предлагается способ изготовления таких элементов для разделения фильтрацией в поперечном потоке посредством использования аддитивного способа.
Способы разделения с использованием мембран используются в различных областях, в частности, в экологии для получения питьевой воды и для обработки промышленных сточных вод, в химической, нефтехимической, фармацевтической и агропищевой промышленности и в области биотехнологий.
Мембрана представляет собой селективный барьер, который, под действием усилия механического переноса, обеспечивает прохождение или задержание некоторых компонентов обрабатываемой текучей среды. Компоненты проходят или задерживаются в зависимости от их размера относительно размера пор в мембране, которая, таким образом, ведет себя, как фильтр. В зависимости от размера пор эти способы называются микрофильтрацией, ультрафильтрацией или нанофильтрацией.
Существующие мембраны обладают различной структурой и текстурой. В основном, мембраны нанесены на пористую основу, которая придает мембране механическую прочность, и, за счет обеспечения некоторого числа каналов определенной морфологии, она определяет общую площадь фильтрующей поверхности мембраны. В частности, слой, упоминаемый, как "слой уловителя", "фильтрующий слой", "разделительный слой", "активный слой" или "наружный слой" на внутренних стенках этих каналов, выполняет разделение. Во время разделения происходит перенос отфильтрованной текучей среды через слой уловителя, а затем текучая среда распространяется по пористой текстуре основы, чтобы перейти к наружной периферийной поверхности пористого основания. Эта часть обрабатываемой текучей среды, которая прошла через слой уловителя и пористую основу упоминается, как "пермеат" или "фильтрат", и он собирается в сборочной камере, окружающей мембрану. Другая часть называется "концентратом", и она обычно повторно вводится в обрабатываемую текучую среду выше по потоку относительно мембраны посредством циркуляционного контура.
Обычно, когда основа изготовлена из керамического материала, она первоначально изготавливается требуемой формы экструзией, а затем получается спеканием при температуре и времени, которые достаточны для обеспечения требуемой твердости, при этом сохраняя в полученной керамике требуемую открытую и взаимосоединенную пористую текстуру. Этот способ ограничен получением одного или более прямых каналов, внутри которых расположен и спекается слой(и) уловителя. Основы обычно трубчатые по форме с одним или более прямыми каналами, расположенными параллельно центральной оси основы. В основном, внутренние поверхности каналов гладкие и не имеют каких-либо особенностей.
Однако обнаружено, что фильтрующие мембраны, изготовленные из основ такой формы, сталкиваются с проблемами закупоривания или "обрастания", в результате чего имеющиеся характеристики ограничены с точки зрения пропускной способности. В частности, небольшие частицы и макромолекулы могут поглотиться поверхностью слоя уловителя или могут осаждаться на него для формирования геля или отложений, и они даже могут проникать в поры и закупоривать некоторые из них.
Принцип мембранного разделения и, в частности, разделения в поперечном потоке с использованием фильтрующих элементов, заключается в селективном переносе, эффективность которого зависит от селективности мембраны (активный слой) и от проницаемости (поток) фильтрующего элемента, рассматриваемого, как одно целое (основа + активный слой). Селективность и проницаемость не определяются только характеристиками активного слоя и его основы, поскольку они могут быть снижены или ограничены появлением засора в результате концентрационной поляризации, отложений или закупоренных пор.
Явление концентрационной поляризации наблюдается во время операции фильтрации, когда макромолекулы, присутствующие в обрабатываемой жидкости, концентрируются на границе раздела мембрана/раствор, где они испытывают обратное осмотическое давление, направленное противоположно разделяющей силе, или рассеиваются назад в срединную часть обрабатываемой жидкости в соответствии с законом Фика. Явление концентрационной поляризации является результатом удерживаемых соединений, накапливающихся в непосредственной близости от мембраны из-за просачивания растворителя.
Когда концентрация частиц у поверхности мембраны возрастает, так что это вызывает появление конденсированной фазы в форме геля или липкого отложения, появляется гидравлическое сопротивление помимо гидравлического сопротивления мембраны.
Поры закупориваются, когда внедряются частицы размера меньше или равного размеру пор, тем самым, уменьшая площадь фильтрующей поверхности.
Закупоривание и его обратимость или необратимость являются сложными явлениями, которые зависят от фильтрующего элемента, в частности, от слоев уловителя, от обрабатываемой жидкости и от рабочих параметров.
Закупоривание является основным препятствие экономической привлекательности фильтрации, поскольку при определении размеров фильтрующих устройств оно приводит к увеличению установленных площадей поверхностей для удовлетворения требованиям с точки зрения обрабатываемых объемов, и также вынуждает внедрять специальные технические средства для противодействия закупориванию на основании полученного опыта, например, циклы очистки с использованием моющих средств или периодическая обратная промывка фильтра.
В предшествующем уровне техники уже появлялись многочисленные предложения технических растворов, которые увеличивают поток фильтрата в стремлении сократить явление закупоривания путем создания условий турбулентного потока внутри канала фильтрующего элемента.
В первом типе решений предлагаются каналы в трубчатых фильтрующих элементах, содержащие спиральные или винтовые участки, чтобы создавать турбулентность или завихрения, например, как в патентном документе US 3 648 754 или в публикации "Reduction of membrane fouling using a helical baffle for cross-flow microfiltration" (Снижение зарастания мембран с использованием спирального препятствия для микрофильтрации в поперечном потоке), Школа химических технологий, Университет Сен-Малайзии - 2003, A.L. Ahmad, A. Mariadas, M.M.D. Zulkali. Спираль, введенная в канал, является отдельным приспособлением, которое нужно удерживать на месте (обычно на входе в канал). Введение такой спирали в каждый канал и ее фиксация на входе каждого канала труднодостижимы. Кроме того, диаметр спирали меньше, чем диаметр канала, подходящий для того, чтобы ее можно было вставить, а также необходимого для того, чтобы ее вытащить. В результате этого остается зазор, позволяющий спирали "плавать" и свободно вибрировать в канале, что приводит к трению об активный слой, который необратимо повреждается. Кроме того, существование зазора приводит к боковой утечке, которая нарушает спиральный поток текучей среды, тем самым, снижая эффективность спирального участка.
В другом типе решения предлагаются углубления или выступы в или на внутренних стенках каналов, чтобы создавать препятствия для текучей среды в непосредственной близости от фильтрующей поверхности, тем самым, ограниченивая накопление вещества и закупоривание. В патентном документе EP 0 813 445 предлагается, чтобы каждый канал содержал одно-, двух- или трехходовую спиральную канавку в стенке, канавка обладает сечением примерно 25% от общего сечения канала. В заявке FR 2 736 843 предлагается изготовление пористых трубок с одиночным каналом со стенками с углублениями, при этом периферийная стенка основы гладкая. Для этого пористой трубке придают форму посредством матрицы для экструзии, которая содержит цилиндрический штырек на оси, наружный штырек, или матрица для экструзии смонтирована с возможностью поворота и является некруглой в сечении.
Изготовление канавок или углублений во внутренних поверхностях каналов не приводит к тому, что вся текучая среда следует по спиральному пути, тем самым, ограничивая преимущество таких решений. Кроме того, способ изготовления таких разделительных элементов ограничен несколькими типами углублений, главным образом, углублениями, которые являются непрерывными от одного конца разделительного элемента до другого, и которые не могут вызвать какого-либо изменения сквозной секции канала. Кроме того, он не может быть перенесен на изготовление разделительных элементов с несколькими внутренними каналами. Однако, разделительные элементы с несколькими каналами все более востребованы, поскольку они служат для увеличения площади фильтрующей поверхности и, таким образом, для улучшения эксплуатационных характеристик.
Для этого в патентной публикации FR 3 024 665 предлагается элемент для разделения фильтрацией в поперечном потоке для разделения обрабатываемой текучей среды на фильтрат и концентрат. Этот элемент содержит цельную жесткую пористую основу по меньшей мере с одним каналом для прохождения потока обрабатываемой текучей среды между впускным и выпускным отверстиями. Пористая основа обладает наружной поверхностью для сбора фильтрата, который проходит через основу.
В этом документе предлагается установить препятствия для потока текучей среды для фильтрации на внутренних стенках каналов, препятствия представляют собой одной целое с материалом и пористой текстурой основы. Согласно патентной заявке FR 3 024 664, по меньшей мере один канал представляет препятствие, которое, в частности, имеет форму спирали, расположенной на внутренней стенке основы. Такие препятствия затрудняют или нарушают поток текучей среды, который должен обходить их, тем самым, создавая турбулентность, которая помогает снизить закупоривание, но, тем не менее, с основным недостатком одновременного создания, сразу же ниже по потоку от каждого препятствия, нерабочей зоны, где скорость текучей среды почти нулевая.
Другой тип решения относится к созданию вихрей Дина, чтобы уменьшить закупоривание и увеличить поток фильтрата в органических интрафильтрующих мембранах. Таким образом, в публикации "Developing lengths in woven and helical tubes with Dean vortices flows" (Разработка длин витых и спиральных трубок с потоками с вихрями Дина), Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, т. 3, № 1, стр. 123-134 (2009), F. Springer, E. Carretier, D. Veyret, P. Moulin дается теоретическое рассмотрение с цифровым моделированием появления вихрей Дина и возрастанием скоростей, которые они вызывают локально с органических полых волокнах круглого сечения, которые изогнуты спирально, при этом, тем не менее, обладая основными недостатками диаметра круглого сечения, ограниченного максимум 2 мм. Кроме того, способы изгибания органического волокна, указанные в этой публикации, приводят к повышению зависимости между шагом и диаметром витков.
В этом контексте в настоящем изобретении предлагается обеспечение новых жестких фильтрующих элементов, которые представляют собой одноканальную или многоканальную структуру, форма которой предназначена для увеличения потока фильтрата и уменьшения потребления энергии в устройствах, в которых используются такие разделительные элементы.
Для достижения этой цели в настоящем изобретении предлагается элемент для разделения фильтрацией в поперечном потоке для разделения обрабатываемой текучей среды на фильтрат и концентрат, разделительный элемент содержит цельную жесткую пористую основу с расположением внутри нее по меньшей мере одного канала для прохождения потока обрабатываемой текучей среды между впускным отверстием для обрабатываемой текучей среды и выпускным отверстием для концентрата, цельная жесткая пористая основа с наружной поверхностью для сбора фильтрата, который прошел через основу. По настоящему изобретению присутствует по меньшей мере один канал между впускным и выпускным отверстиями, изогнутый объем потока, образованный изменением положения образующего плоского сечения вдоль криволинейного пути вокруг референтной оси, и референтная ось не пересекается с образующим сечением и заключена внутри объема пористого основания.
Разделительный элемент также содержит комбинацию одной и/или более следующих дополнительных характеристик:
- объем изогнутого потока по меньшей мере одного канала образован поверх только части его длины между впускным и выпускным отверстием или поверх всей его длины от впускного до выпускного отверстия;
- цельная жесткая пористая основа содержит несколько каналов потока для текучей среды, расположенных внутри основы;
- по меньшей мере один канал представляет образующее сечение, площадь которого является постоянной или переменной;
- по меньшей мере один канал представляет образующее сечение, форма которого является постоянной или переменной;
- образующее сечение по меньшей мере одного канала расположено с промежутком от референтной оси на расстоянии, которое является постоянным;
- образующее сечение по меньшей мере одного канала расположено с промежутком от референтной оси на расстоянии, которое является переменным;
- референтная ось направлена по касательной по отношению к образующему сечению по меньшей мере одного канала;
- ряд из нескольких каналов, имеющих образующие сечения, которые расположены с промежутком от референтной оси на расстоянии R, предусмотренном для обеспечения того, чтобы они были отделены друг от друга разделительными перегородками;
- образующее сечение по меньшей мере одного канала повторяет путь, который является результатом поступательного перемещения в постоянном или переменном направлении в сочетании по меньшей мере с одной частью, взятой между впускным и выпускным отверстием, с поворотом относительно референтной оси с шагом, который является постоянным или переменным в левом или правом направлении;
- путь обладает шагом p в диапазоне от 0,1 до 250 мм, и расстояние между криволинейным путем и референтной осью лежит в диапазоне от 0,1 до 100 мм;
- образующее сечение по меньшей мере одного канала, взятое поверх по меньшей мере части между впускным и выпускным отверстием, следует по спиральному пути;
- образующее сечение по меньшей мере одного канала, взятое поверх ограниченной части от впускного до выпускного отверстия, повторяет путь, который является результатом перемещения параллельно референтной оси;
- по меньшей мере один канал имеет образующее сечение, продолжающееся перпендикулярно референтной оси или параллельно ей;
- пористая основа изготовлена из материала, выбранного из органических материалов, таких как полиамид, полиэфирэфиркетон, полистирол, алюмид, полифенилсульфон, фторированные термопластичные эластомеры, полипропилен, полиэтилен, эпоксидная смола, акрилат, акрилонитрилбутадиенстирол, полиметилметакрилат, поликарбонат, нейлон, полиэфиримид, акрилонитрил стирол акрилат, полимолочная кислота, поливинил хлорид и их смеси, выбранного из следующих неорганических материалов, таких как оксид алюминия, оксид титана, оксид циркония, титанат алюминия, нитрид алюминия, нитрид титана, нитрид бора, нитрид кремния, сиалон, графитированный уголь, карбид кремния, карбид вольфрама и их смеси, выбранного из следующих металлических материалов, таких как алюминий, сплавы алюминия, сплавы кобальта и хрома, сплавы никеля, сплавы никеля и хрома, стали и нержавеющие стали, титан, сплавы титана, сплавы меди и олова, сплавы меди, олова и алюминия, сплавы меди и цинка и их смеси;
- пористая основа и по меньшей мере один слой уловителя непрерывно осаждены на внутренней стенке каждого канала, каждый слой уловителя изготовлен из керамики, выбранной из оксидов, нитридов, карбидов и других керамических материалов и их смесей, и, в частности, оксида титана, оксида алюминия, циркония или их смесей, нитрида титана, нитрида алюминия, нитрида бора, карбида кремния, необязательно в смеси с другим неорганическим материалом;
- каналы обладают гидравлическими диаметрами в диапазоне от 0,5 до 20 мм;
- каждый канал обладает гидравлическим диаметром, который является постоянным или переменным;
- основа обладает средним диаметром пор в диапазоне от 4 до 100 мкм; и
- средний диаметр пор соответствует значению d50 распределения по объему, при котором 50% всего объема пор соответствуют объемау пор диаметром менее значения d50, распределение по объему получено проникновением ртути, например, с помощью способа, указанного в стандарте ISO 15901-1: 2005.
В настоящем изобретении также предлагается новый способ изготовления элемента для разделения фильтрацией в поперечном потоке, в котором основа изготовлена наложением отдельных пластов, которые последовательно присоединяются друг к другу для постепенного наращивания трехмерной формы основы, внутри которой расположен по меньшей мере один изогнутый канал по настоящему изобретению.
Кроме того, способ по настоящему изобретению состоит в изготовлении основы по аддитивному способу, в котором, за счет использования компьютера с конструкторским программным обеспечением, форма основы делится на слои, эти слои изготавливаются по одному в форме отдельных тонких пластов, которые накладываются друг на друга и соединяются вместе последовательно путем повторения следующих двух этапов: осаждения основания из порошкового материала для формирования основы, основание является непрерывным, однородным и обладает постоянной толщиной, и на уровне указанного пласта, покрывает площадь больше, чем сечение формируемой пористой основной части; и уплотнения части осажденного материала локально в соответствии с образцом, определенным для каждого пласта, чтобы создать отдельный пласт; эти два этапа повторяются таким образом, чтобы обеспечивать, при каждом повторении, что отдельный пласт, сформированный таким образом, одновременно соединяется с ранее сформированным пластом, чтобы вызывать постепенный рост формы основы.
Различные другие характеристики, очевидные по следующему описанию, даны со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых в качестве не подразумевающих ограничения ими примеров показаны варианты осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 1A на виде сзади показан первый вариант осуществления разделительного элемента по настоящему изобретению.
На фиг. 1B показан вид в перспективе разделительного элемента, показанного на фиг. 1A.
На фиг. 1C в продольном разрезе показан разделительный элемент по линиям C-C по фиг. 1A.
На фиг. 1D на виде в перспективе показан путь, используемый для конструирования изогнутого канала, расположенного в разделительном элементе, показанном на фиг. 1B.
На фиг. 2A показано, как сконструирован объем изогнутого потока для канала разделительного элемента по настоящему изобретению.
На фиг. 2B показан вид в перспективе объема изогнутого канала по настоящему изобретению, показывающий различные возможные формы для вариантов осуществления, обозначенных F1-F5 и описанных в настоящем документе.
На фиг. 3A показан пример конструирования объема изогнутого потока по настоящему изобретению, в котором плоскость, содержащая плоскость сечения для генерирования объема, наклонена под углом 90° относительно референтной оси.
На фиг. 3B показан объем изогнутого потока по настоящему изобретению, полученный с помощью способа конструирования, показанного на фиг. 3A.
На фиг. 4A показан пример конструирования объема изогнутого потока по настоящему изобретению, в котором плоскость, содержащая сечение для генерирования объема также содержит референтную ось.
На фиг. 4B показан объем изогнутого потока по настоящему изобретению, который получен по способу конструирования, показанному на фиг. 4A.
На фиг. 5A показан более общий пример конструирования объема изогнутого канала по настоящему изобретению, в котором плоскость, содержащая плоскость сечения для генерирования, составляет угол наклона относительно референтной оси в диапазоне от 0° до 90°, граничные значения исключены.
На фиг. 5B показан изогнутый объем потока по настоящему изобретению, полученный с помощью способа конструирования, показанного на фиг. 5A.
На фиг. 6 на виде в перспективе показан пример получения объема изогнутого потока по настоящему изобретению, в котором расстояние между плоскостью сечения генерирования и референтной осью таково, что референтная ось направлена по касательной к сечению генерирования.
На фиг. 7 на виде в перспективе показан пример получения объема изогнутого потока по настоящему изобретению, в котором расстояние между плоскостью сечения генерирования и референтной осью меняется.
На фиг. 8 показан вид в перспективе примера изготовления объема изогнутого потока по настоящему изобретению, в котором расстояние между плоскостью сечения генерирования и референтной осью является постоянным, в то время как шаг также является постоянным, и референтная ось является криволинейной.
На фиг. 9A показан вид в перспективе примера изготовления объема изогнутого потока по настоящему изобретению, в котором изогнутый влево путь соединен с изогнутым вправо путем посредством прямого пути, параллельного референтной оси.
На фиг. 9B показан вид в разрезе объема изогнутого потока варианта осуществления по фиг. 9A.
На фиг. 10A показан вид в перспективе варианта осуществления объема изогнутого канала по настоящему изобретению, в котором форма сечения генерирования меняется.
На фиг. 10B на виде в плоскости продольного сечения, содержащего референтую ось, показан вариант осуществления объема изогнутого потока по фиг. 10A.
На фиг. 11A на виде в перспективе показан вариант осуществления объема изогнутого канала по настоящему изобретению, для которого меняется площадь сечения генерирования.
На фиг. 11B на виде в плоскости продольного сечения, содержащем референтную ось, показан вариант осуществления объема изогнутого потока по фиг. 11A.
На фиг. 12A на виде в перспективе показан участок объема изогнутого канала по настоящему изобретению, для которого сегменты направленного влево пути чередуются непосредственно с сегментами направленного вправо пути.
На фиг. 12B на виде в перспективе показан вариант осуществления объема изогнутого потока по фиг. 12A.
На фиг. 13A показан вид сзади основы, предусмотренной с двумя каналами по настоящему изобретению.
На фиг. 13B на виде в перспективе показана основа с двумя каналами по настоящему изобретению и аналогично показанной на фиг. 13A.
На фиг. 13C показан вид в продольном разрезе основы по линиям C-C по фиг. 13A.
На фиг. 13D на виде в перспективе показаны по отдельности объемы V1 и V2 изогнутого потока по настоящему изобретению для каждого из двух каналов, показанных на фиг. 13A-13C.
На фиг. 13E на виде в перспективе показаны, по отдельности, пути H1 и H2 объемов V1 и V2 изогнутого потока по настоящему изобретению для каждого из двух каналов, показанных на фиг. 13A-13D.
На фиг. 14A показан вид сзади основы, предусмотренной с двумя каналами, повторяющимися семь раз, каждая пара соответствует фиг. 13A-13E.
На фиг. 14B на виде в перспективе показаны объемы изогнутых потоков по настоящему изобретению, показанных на фиг. 13A-13E, повторяющиеся семь раз в пределах одной основы.
На фиг. 15A показан вид сзади основы, предусмотренной с двадцатью тремя каналами, относящимися к трем категориям каналов.
На фиг. 15B показан вид в продольном разрезе основы по линиям B-B по фиг. 15A.
На фиг. 15C на виде в перспективе показан объем потока центрального канала, показанного на фиг. 15A.
На фиг. 15D на виде в перспективе показан объем изогнутого потока по настоящему изобретению для одного из шести каналов, относящихся к промежуточной категории.
На фиг. 15E на виде в перспективе показаны объемы изогнутого потока по настоящему изобретению для шести каналов, относящихся к промежуточной категории и окружающих центральный канал.
На фиг. 15F на виде в перспективе показан объем изогнутого потока по настоящему изобретению для одного из шестнадцати каналов, относящихся к периферийной категории.
На фиг. 15G на виде в перспективе показаны объемы изогнутого потока по настоящему изобретению для одного из шестнадцати периферийных каналов, окружающих каналы промежуточной категории.
На фиг. 15H на виде в перспективе показаны, в пределах одной основы, объемы изогнутого потока по настоящему изобретению для двадцати двух каналов, окружающих центральный канал, как показано на фиг. 15D-15G.
Предварительно далее даны некоторые определения терминов, используемых в контексте настоящего изобретения.
Термин "средний размер частиц" используется для обозначения значения d50 распределения объема, для которого 50% всего объема частиц соответствуют объему частиц с диаметром менее значения d50. Распределения объемов – это кривая (аналитическая функция), представляющая частоты объемов частиц в зависимости от их диаметра. Значение d50 соответствует медиане, которая разделяет на две равные части площадь, расположенную под частотной кривой, полученной по способу лазерной дифракционной гранулометрии, который является референтным способом, используемым в контексте настоящего изобретения для измерения среднего диаметра частиц. Для способа измерения d50 приводится, в частности, следующее:
- стандарт ISO 13320:2009 для способа измерения посредством лазерной гранулометрии;
- стандарт ISO 4488:2007 для способов отбора порошка для анализа; и
- стандарт ISO 14887:2000 для воспроизводимости рассеивания образца порошка в жидкости перед выполнением измерения посредством лазерной гранулометрии.
Термин "средний диаметр пор" используется для обозначения значения d50 распределения объема, для которого 50% всего объема пор соответствуют объему пор с диаметром менее значения d50. Распределение по объему – это кривая (аналитическая функция), представляющая частоту объемов пор в зависимости от их диаметра. Значение d50 соответствует медиане, которая разделяет на две равные части площадь под частотной кривой, полученной посредством проникновения ртути, для средних диаметров порядка нескольких нанометров (нм) или для диаметров пор, которые меньше, посредством адсорбции газа, и, в частности, N2, эти два способа используются в качестве референтных в контексте настоящего изобретения для измерения среднего диаметра пор.
В частности, можно использовать способы, указанные в следующих стандартах:
- стандарт ISO 15901-1:2005 для способа измерения посредством проникновения ртути; и
- стандарты ISO 15901-2:2006 и 159013:2007, относящиеся к способу измерения посредством адсорбции газа.
В настоящем изобретении предлагаются элементы для разделения фильтрацией в поперечном потоке для разделения обрабатываемой текучей среды на фильтрат и концентрат, содержащие пористую цельную основу, предусмотренную с одним или более каналами, форма которых выбрана для обеспечения потока вдоль пути, который является изогнутым, синусоидальным и предпочтительно спиральным для большей части или всей фильтруемой текучей среды, оставшаяся текучая среда может протекать в один или более каналов, которые не являются изогнутыми.
Один или более каналов потока для фильтруемой текучей среды расположены в пористой основе. Каждый из этих каналов потока обладает впускным отверстием и выпускным отверстием. В основном впускные отверстия каналов потока позиционированы на одном из концов основы, этот конец действует, как впускная зона для обрабатываемой текучей среды, и выпускные отверстия позиционированы у другого конца основы, действуя, как выпускная зона для концентрата.
В таких разделительных элементах основная часть, составляющая основу, обладает пористой текстурой. Пористая текстура отличается средним диаметром пор, полученным по их распределению, измеренному по методу определения пористости по проникновению ртути. Обычно пористая основа обладает средним диаметром пор в диапазоне от 4 до 100 мкм.
Пористая текстура основы является открытой и образует взаимосоединенное множество пор, тем самым, обеспечивая фильтрацию текучей среды посредством фильтрующего слоя уловителя для прохождения через пористую основу и скопления на периферии. Обычно измеряют проницаемость основы для воды, чтобы определить гидравлическое сопротивление основы. В частности, в пористой среде установившийся поток несжимаемой вязкой текучей среды подчиняется закону Дарси. Скорость текучей среды в порах (фильтрат) пропорциональна градиенту давления и обратно пропорциональна динамической вязкости текучей среды, которые связаны характеристическим параметром, упоминаемым, как "проницаемость", который может быть измерен, например, путем применения французского стандарта NF X 45-101 от декабря 1996.
Фильтрат, таким образом, скапливается от периферийной поверхности пористого основания. Стенки каналов непрерывно покрыты по меньшей мере одним фильтрующим слоем уловителя, который служит для фильтрации обрабатываемой текучей среды. По определению фильтрующие слои уловителя должны обладать средним диаметром пор, который меньше, чем у основы. Слои уловителя образуют поверхность элемента для разделения фильтрацией в поперечном потоке, которая должна контактировать с обрабатываемой текучей средой, и вдоль которой протекает обрабатываемая текучая среда.
Толщина фильтрующих слоев уловителя обычно составляет в диапазоне от 1 до 100 мкм. Естественно, чтобы выполнять функцию разделения и действовать в качестве активного слоя, каждый слой уловителя обладает средним диаметром пор, который меньше среднего диаметра пор основы. Обычно средний диаметр пор фильтрующих слоев уловителя меньше, чем средний диаметр пор основы по меньшей мере в 3 раза и предпочтительно по меньшей мере в 5 раз.
Концепции слоя уловителя для микрофильтрации, ультрафильтрации и нанофильтрации хорошо известны специалистам в этой области. В основном принято, что:
- слои уловителя при микрофильтрации обладают средним диаметром пор в диапазоне от 0,1 до 10 мкм;
- слои уловителя при интрафильтрации обладают средним диаметром пор в диапазоне от 10 нм до 0,1 мкм; и
- слои уловителя для нанофильтрации обладают средним диаметром пор в диапазоне от 0,5 до 10 нм.
Возможно, чтобы этот микро- или интрафильтрующий слой, называемый "активным" слоем, был расположен непосредственно на пористой основе или где-либо на промежуточном слое с меньшим средним диаметром пор, который сам осажден непосредственно на пористую основу.
В качестве примера, слой уловителя может состоять из керамики, выбранной среди оксидов, нитридов, карбидов или других керамических материалов и их смесей, и, в частности, оксидов титана, алюминия, циркония или их смесей, нитрида титана, нитрида алюминия, нитрида бора, карбида кремния, возможно, в смеси с другим керамическим материалом.
В качестве примера, слой уловителя также может состоять из одного или более полимеров, таких как полиакрилонитрил (PAN), полистирол (PS), полистирол сульфонат (PSS), полиэфирсульфон (PES), поливинилиденхлорид (PVDF), ацетат целлюлозы или других полимеров.
На фиг. 1A-1D показан первый вариант осуществления элемента 1 для разделения фильтрацией в поперечном потоке по настоящему изобретению, содержащий пористую основу 2, изготовленную удлиненной формы, чтобы пористая основа могла считаться "прямой". Пористая основа 2, показанная на фиг. 1A-1D, обладает прямым сечением, которое является круглым и, таким образом, обладает цилиндрической наружной поверхностью 3, однако это прямое сечение может быть произвольным или многоугольным. В предпочтительном варианте осуществления характеристик настоящего изобретения наружная или периферийная поверхность 3 основы обладает постоянным профилем. Другими словами, наружная поверхность 3 не обладает какой-либо неровностью помимо шероховатости поверхности, присущей материалу и используемому способу придания формы. Таким образом, наружная поверхность 3 не обладает каким-либо короблением или углублениями.
Пористая основа 2 содержит по меньшей мере один канал потока, и в основном несколько каналов 4i потока для прохождения текучей среды, каждый из которых расположен внутри пористой основы 2. (Индекс i используется в основном для обозначения некоторых характеристик основы и может принимать значения 1, 2, 3, ... в зависимости от числа характеристик, описанных в вариантах осуществления).
В первом варианте осуществления, показанном на фиг. 1A-1D, пористая основа 2 имеет один канал 41, и во втором варианте осуществления, показанном на фиг. 13A, она содержит два канала 41 и 42. В третьем варианте осуществления, показанном на фиг. 14A, пористая основа 2 содержит четырнадцать каналов, в то время как в четвертом варианте осуществления, показанном на фиг. 15A, пористая основа 2 содержит двадцать три канала, составляющих три категории каналов 41, 42 и 43.
Каждый канал 4i соответствует зоне пористой основы 2, которая не содержит пористого материала и образована внутри пористой основы стенкой 5, обладающей поверхностью, которая покрыта по меньшей мере одним слоем уловителя для контакта с обрабатываемой текучей средой, которая протекает внутри каналов. Часть текучей среды проходит через слой уловителя, расположенный на стенке 5 пористой основы 2, так что это количество обработанной текучей среды, называемое "фильтратом", протекает через наружную поверхность 3 пористого основания. Обрабатываемая текучая среда протекает в канал между впускным отверстием 6 и выпускным отверстием 7 в направлении потока, представленном стрелкой f. Впускное отверстие 6 расположено на одном конце пористой основы, и выпускное отверстие 7 – на другом конце пористой основы.
По настоящему изобретению пористая основа 2 содержит по меньшей мере один канал 4i, форма которого предназначена для увеличения пропускной способности фильтрата. Эта форма определяется тем, что каждый из каналов 4i обладает по меньшей мере одним объемом Vi изогнутого потока между впускным отверстием 6 и выпускным отверстием 7, объем образован периодическим изменением положения образующего сечения Si вдоль криволинейного пути Hi вокруг референтной оси Ai, образующее сечение Si расположено в плоскости P, называемой "референтной" плоскостью. Кроме того, референтная ось Ai не пересекает образующее сечение Si и заключена внутри объема пористой основы 2.
Следует понимать, что канал 4i по настоящему изобретению содержит по меньшей мере один объем Vi изогнутого потока, как указано выше. Естественно, этот объем Vi изогнутого потока соответствует зоне пористой основы 2, которая не содержит какого-либо пористого материала, и образован стенками канала. Видно, что пористая основа 2 обладает переменной толщиной в плоскости P между наружной поверхностью 3 и стенкой 5 выбранного канала.
Этот объем Vi изогнутого потока по настоящему изобретению образован между впускным отверстием 6 и выпускным отверстием 7. Этот объем Vi изогнутого потока может находиться поверх только части длины канала, взятой между впускным отверстием 6 и выпускным отверстием 7, или поверх всей длины канала между впускным и выпускным отверстиями. Естественно, пористая основа 2 может содержать по меньшей мере один канал потока для обрабатываемой текучей среды, который не содержит объема Vi изогнутого потока по настоящему изобретению.
Общий принцип конструирования изогнутого канала, составляющего объем Vi потока по настоящему изобретению, в частности, показан на фиг. 2A. Общий принцип конструирования изогнутого канала состоит в обеспечении перемещения плоского образующего сечения Si по криволинейному пути Hi, сконструированному между двумя концами объема Vi потока перемещением точки M, принадлежащей плоскому образующему сечению и расположенной на расстоянии R от референтной оси Ai. Перемещение этой точки M обеспечивает поворот вокруг референтной оси Ai и одновременно поступательное перемещение вдоль референтной оси. Поворот может быть постоянным или переменным. Аналогично этому, поступательное перемещение может быть постоянным или переменным. Расстояние R также может быть постоянным или переменным. Точкой M является любая точка образующего сечения Si, которое лежит в референтной плоскости P. Криволинейный путь Hi объема Vi потока, таким образом, действительно не придает изогнутости каналу, по меньшей мере по всей длине этого объема потока.
По приведенному описанию можно видеть, что объем Vi изогнутого потока канала может обладать широким рядом геометрических характеристик. Как показано на фиг. 2B, референтная ось Ai может быть прямой и/или изогнутой без острых перегибов. Референтная ось Ai может быть прямой, вдоль всей или части длины объема Vi изогнутого потока. Аналогично этому, референтная ось Ai может быть изогнута поверх всей или части длины объема Vi изогнутого потока. Эта референтная ось Ai не пересекает образующее сечение Si, т.е., она всегда лежит вне объема Vi изогнутого потока. Таким образом, эта референтная ось Ai может составлять касательную к образующему сечению Si, или она может быть расположена с промежутком от него на заранее определенном расстоянии, которое может быть переменным или постоянным.
Поскольку изогнутый канал обязательно должен быть заключен внутри объема пористой основы 2, то криволинейный путь Hi и референтная ось Ai сами должны быть заключены внутри объема пористой основы 2.
Криволинейный путь Hi может обладать широким рядом геометрических характеристик в зависимости от значений расстояния R и для одновременного поворота и поступательного перемещения.
Морфология изогнутого канала зависит от референтной оси Ai, от криволинейного пути Hi, а также от размеров и формы образующего сечения Si и от положения образующего сечения Si относительно криволинейного пути Hi и референтной оси Ai. Более конкретно, на фиг. 3A и 3B показана ситуация, когда круглое сечение Si, заключенное в плоскости, перпендикулярной прямой референтной оси Ai, перемещается по спиральному пути Hi вокруг референтной оси Ai. В этом примере референтная плоскость P, содержащая круглое сечение Si, перпендикулярна прямой референтной оси Ai. Поворот круглого сечения Si вокруг прямой референтной оси Ai в сочетании с круглым сечением Si, перемещающимся вдоль прямой референтной оси Ai, позволяет получить изогнутый канал, для которого полученная геометрическая форма спирали называется термином "соломонов" или "леденец". На фиг. 3A и 3B для примера показаны только два круглых сечения S1 и S2, каждое из которых заключено в соответствующей плоскости P1, P2, перпендикулярной прямой референтной оси Ai.
На фиг. 4A и 4B показана ситуация, когда круглое сечение Si, заключенное в референтной плоскости, которая также содержит прямую референтную ось Ai, перемещается по спиральному пути Hi вокруг референтной оси Ai. В этом примере референтная плоскость P, содержащая круглое сечение Si, параллельна прямой референтной оси Ai. Поворот круглого сечения Si вокруг прямой референтной оси Ai, и одновременное перемещение круглого сечения Si поступательно вдоль прямой референтной оси Ai служит для получения изогнутого канала, для которого результирующая спиральная ступенчатая форма известна, как "винт Святого Жиля". На фиг. 4A и 4B только для примера показаны два круглых сечения S1 и S2, каждое из которых заключено в соответствующей плоскости P1, P2, параллельной прямой референтной оси Ai.
На фиг. 5A и 5B показана более общая промежуточная ситуация, когда круглое сечение Si, заключенное в плоскости, обладающее углом наклона в диапазоне от 0° до 90° относительно прямой референтной оси Ai, перемещается по спиральному пути Hi вокруг референтной оси Ai. Поворот круглого сечения Si вокруг прямой референтной оси Ai при одновременном перемещении круглого сечения Si поступательно вдоль прямой референтной оси Ai служит для получения изогнутого канала, для которого полученная витая геометрическая форма называется "серпантин". Это обычно геометрическая форма, которая получена при наматывании трубки вокруг цилиндра. На фиг. 5A и 5B в качестве примера показаны только два круглых сечения S1 и S2, каждое из которых заключено в соответствующей плоскости P1, P2, которая наклонена относительно прямой референтной оси Ai.
В Табл. 1 далее указаны особенности этих примеров:
Фиг.
3A-3B
4A-4B
5A-5B
Угол наклона относительно референтной оси Ai плоскости, содержащей геометрическое сечение Si
угол наклона= 90°
угол наклона= 0°
0°< угол наклона <90°
В основном шаг p или величина поворота образующего сечения Si вокруг референтной оси Ai могут принимать различные значения. Для спирального пути Hi величина поворота образующего сечения Si вокруг референтной оси Ai равна кратному от 2π радиан (для спирали с несколькими витками) или части от 2π радиан (для спирали менее одного оборота).
Как видно на фиг. 3A-3B, 4A-4B и 5A-5B, криволинейный путь Hi, показанный в этих трех примерах, обладает постоянной величиной шага p. Естественно, криволинейный путь Hi может обладать переменным значением шага p, поскольку он зависит от величины поворота и поступательного перемещения.
Криволинейный путь Hi обладает постоянным шагом p на всей или на части длины объема Vi изогнутого потока или переменным шагом p вдоль всей или части длины объема Vi изогнутого потока.
На фиг. 2B сегмент F2 показывает, в частности, ситуацию, когда шаг p не является переменным, а сегмент F3 показывает, в частности, ситуацию, когда шаг p является переменным.
На фиг. 2B показаны различные другие параметры, связанные с образованием изогнутого канала по настоящему изобретению. Таким образом, сегмент F4 показывает, в частности, чередование между направленным влево и направленным вправо поворотом, разделенными прямым участком Tr канала, и сегмент F5 показывает, в частности, ситуацию с сечением Si с переменной морфологией, в то время как сегмент F1 показывает, в частности, ситуацию с переменным расстоянием R.
Референтная ось Ai может быть расположена с промежутком от криволинейного пути Hi на расстоянии R, которое не является переменным (фиг. 3A-3B, 4A-4B и 5A-5B) по всей или части длины объема Vi изогнутого потока, или на расстоянии, которое меняется по всей или части длины объема Vi изогнутого потока, как показано на фиг. 7, на котором расстояние R меняется регулярным образом, однако, естественно, оно может меняться нерегулярным образом. В этом примере канал повторяет путь объемной раскручивающейся спирали.
Следует отметить, что расстояние R может быть таким, чтобы референтная ось Ai была направлена по касательной по отношению к образующему сечению Si. Хотя в примере, показанном на фиг. 1A-1D, референтная ось Ai расположена с промежутком от образующего сечения S1, возможно представить, что образующее сечение S1 расположено по касательной к референтной оси A1, как показано в примере по фиг. 6, где референтная ось A1 также является продольной осью симметрии пористой основы.
Очевидно, что на фиг. 6 показана конкретная ситуация, в которой плоскость, содержащая плоское сечение Si для образования объема (в этом примере треугольник), наклонена под углом 90° относительно касательной референтной оси Ai (в этом примере одна из вершин треугольника) к треугольному образующему плоскому сечению. На этом чертеже показана ситуация, когда треугольное плоское сечение Si, содержащееся в плоскости Pi, перпендикулярной прямой референтной оси Ai, перемещается по спиральному пути Hi вокруг референтной оси Ai, касательной относительно треугольного образующего плоского сечения. Поворот треугольного сечения вокруг прямой референтной оси Ai, которая касается в этом примере в одной точке, в сочетании с перемещением этого треугольного сечения Si поступательно вдоль прямой референтной оси Ai, служит для получения изогнутого канала, обладающего геометрической формой, которая называется "архимедов винт". Очевидно, что получают изогнутый канал, геометрическая форма которого также известна, как "архимедов винт" и в конкретной ситуации, когда плоскость, содержащая плоское сечение для генерирования объема, параллельна референтной оси Ai, которая касается в одной или более точках плоского образующего сечения, а также в более общей ситуации, когда плоскость, содержащая плоское сечение для генерирования объема, наклонена под произвольным углом относительно референтной оси Ai, которая касается в точке образующего плоского сечения.
Криволинейный путь Hi называется спиральным, когда одновременно постоянны шаг p и расстояние R (фиг. 3B, 4B, 5B). Этот криволинейный путь Hi может закручиваться вокруг референтной оси Ai по всей или части длины объема Vi изогнутого потока в направлении против часовой стрелки (правостороннее) и/или в противоположном направлении (левостороннее). Таким образом, криволинейный путь Hi может быть установлен в одном направлении, или он может проходить поочередно в двух противоположных направлениях вдоль сегментов, которые могут быть выбраны равной или разной длины.
В примере, показанном на фиг. 8, образующее сечение следует по спиральному пути Hi в правостороннем направлении с постоянным шагом p вокруг криволинейной референтной оси Ai.
В примере, показанном на фиг. 9A-9B, левосторонний путь H1 соединен с правосторонним путем H2 посредством прямого пути Tr, параллельного референтной оси Ai, в то время как в примере, показанном на фиг. 10A-10B, путь H1 является левосторонним и соединен непосредственно с левосторонним путем H2.
Предпочтительно криволинейный путь Hi поочередно является правосторонним и левосторонним на сегментах, которые могут быть, например, одной длины (фиг. 12A-12B).
Образующее сечение Si этого объема Vi изогнутого потока может обладать профилями любого типа.
Морфология или формобразующего сечения Si могут быть постоянны вдоль всей или части длины объема Vi изогнутого потока или могут меняться вдоль всей или части длины объема Vi изогнутого потока. В качестве не подразумевающего ограничения им примера, морфология образующего сечения Si для этого объема потока может быть многоугольной, круглой, полукруглой или продолговатой. На фиг. 10A-10B показана ситуация, когда морфология образующего сечения Si меняется.
Площадь образующего сечения Si может быть постоянной вдоль всей или части длины объема Vi изогнутого потока или может меняться вдоль всей или части длины объема Vi изогнутого потока. На фиг. 11A-11B показана ситуация, когда площадь образующего сечения Si меняется.
Особенности примеров изогнутых объемов, показанных на приведенных выше чертежах, указаны в Табл. 2 далее:
3A 4A 5A
7
8
9A
10A
11A
12A
Референтная ось Ai
прямолинейная
X
X
X
X
X
X
Криволинейная
X
Морфология образующего сечения Si
Постоянная
X
X
X
X
X
X
Переменная
X
Площадь образующего сечения Si
Постоянная
X
X
X
X
X
X
Переменная
X
Расстояние R
Постоянное
X
X
X
X
X
Переменное
X
X
Шаг p
Постоянный
X
X
X
X
X
X
X
Переменный
Спиральный путь Hi
X
X
X
X
X
X
Правосторонние изогнутые каналы
X
X
X
X
X
X
Левосторонние изогнутые каналы
X
X
3A 4A 5A
7
8
9A
10A
11A
Прямой сегмент канала
X
Изменение(я) направления поворота на обратное
X
X
Далее описаны предпочтительные не подразумевающие ограничения ими варианты осуществления пористых основ 2, содержащих каналы 4i с объемами Vi изогнутого потока по настоящему изобретению.
В примере, показанном на фиг. 1A-1D, образующее сечение S1 представляет собой участок диска, и референтная ось A1 является прямой линией, совпадающей с продольной осью симметрии пористой основы. Криволинейная основа H1 является спиральной, т.е., расстояние R между криволинейным путем H1 и референтной осью A1 постоянно, как и шаг p спирали, который является постоянным. Референтная ось A1 не проходит через образующее сечение S1, которое, в показанном примере, лежит на расстоянии от оси. Естественно, сечение S1 может касаться референтной оси A1.
Объем V1 изогнутого потока канала 41 продолжается между впускным отверстием 6 и выпускным отверстием 7 канала только вдоль части длины канала. Как можно видеть более отчетливо на фиг. 1B, объем V1 изогнутого потока канала расположен поверх длины L пористой основы 2, которая короче, чем вся длина пористой основы.
По предпочтительному характерному варианту осуществления образующее сечение S1, взятое поверх ограниченного участка относительно впускного отверстия 6 и выпускного отверстия 7, следует по пути, который является результатом поступательного перемещения параллельно референтной оси A1. Проходя от впускного отверстия 6 до выпускного отверстия 7, канал 41, таким образом, имеет соответствующие прямые впускной и выпускной объемы Ve и Vs потока, параллельные референтной оси A1 и сообщающиеся по потоку текучей среды с объемом V1 изогнутого потока канала. Таким образом, между впускным отверстием 6 и выпускным отверстиям 7, канал 41 обладает объемом Ve впускного потока, объемом V1 изогнутого потока и объемом Vs выпускного потока.
1
2
В примере, показанном на фиг. 13A-13E, пористая основа 2 обладает трубчатой формой и круглым сечением и содержит два канала 4 и 4. Эти два канала обладают образующими сечениями S1 и S2, которые отделены друг от друга разделительной перегородкой 11. Эти образующие сечения S1 и S2 обладают идентичной формой, как участки дисков с площадями, которые также идентичны.
1
2
Каждый канал 4 и 4 обладает объемом V1, V2 изогнутого потока, продолжающимся вдоль спирального криволинейного пути H1, H2, который поворачивается вокруг референтной оси A1, A2. Криволинейные пути H1, H2, которые обладают идентичным постоянным шагом, параллельны друг другу. Референтные оси A1 и A2 совпадают вдоль общей прямой линии, предпочтительно соответствующей продольной оси симметрии пористой основы. Каждый криволинейный путь H1, H2 расположен с промежутком от референтной оси A1, A2 на одно и том же постоянном расстоянии R, чтобы каналы продолжались симметрично относительноe общей референтной оси и были вмещены один в другой.
В примере, показанном на фиг. 13A-13E, два канала обладают путями, которые параллельны, однако очевидно, что может быть предусмотрен ряд с несколькими каналами, больше чем два из которых с путями, которые параллельны или не параллельны. Если они не параллельны, каналы естественно также обладают образующими сечениями, которые расположены с промежутком от референтной оси Ai на расстояниях R, подходящих для обеспечения того, чтобы они были отделены друг от друга разделительными перегородками 11.
Аналогично варианту осуществления, показанному на фиг. 1A-1D, объемы V1, V2 изогнутого потока каналов продолжаются между впускным отверстием 6 и выпускным отверстием 7 канала только для части длины канала. Таким образом, каждый канал 41 и 42, соответственно, проходит от впускного отверстия 6 до выпускного отверстия 7, объемом Ve впускного потока прямого пути, объемом V1, V2 изогнутого потока и объемом Vs выпускного потока прямого пути, понятно, что по настоящему изобретению нет конкретного направления потока, и впускное отверстие и выпускное отверстие в равной степени могут быть взаимно заменены.
В примере, показанном на фиг. 13A-13E, пористая основа 2 содержит два канала 41 и 42, однако очевидно, что может быть большее число каналов, необязательно расположенных симметрично вокруг референтной оси, каналы отделены друг от друга разделительными перегородками 11.
Очевидно, что эта структура вложенных каналов 41 и 42 может быть повторена, как в примере, показанном на фиг. 14A и 14B, в котором пористая основа 2 содержит ряд из семи структур, каждая из которых содержит два канала 41 и 42, как показано на фиг. 13A-13E. В этом варианте осуществления, показанном на фиг. 14A и 14B, пористая основа 2, таким образом, содержит четырнадцать каналов, но очевидно, что для пористой основы может быть предусмотрено некоторое другое число каналов.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 15A-15H, пористая основа 2 содержит двадцать три канала 4, разделенные на три категории, которые расположены концентрически от центра к периферии пористой основы. В этом варианте осуществления пористая основа 2 является трубчатой по форме и круглой в сечении, и в первой категории она содержит центральный канал 41, который является прямым и центрированным на продольной оси симметрии A1 пористого основания 2. Этот центральный канал 41 обладает объемом V1 потока, который не имеет характеристик изогнутости по настоящему изобретению (фиг. 15C).
2
2
2
Во второй категории, упоминаемой, как промежуточная категория, пористая основа 2 содержит ряд из шести каналов 4, расположенных кольцом, центрированным на продольной оси A1 симметрии пористого основания 2. Каналы 4 обладают образующими сечениями S2, который идентичны по форме и площади. В этом примере каждое образующее сечение S2 обладает общей формой, которая не является круглой. Каждый канал 4 обладает объемом V2 изогнутого потока, продолжающимся вдоль спирального криволинейного пути H2 с постоянным шагом и постоянным расстоянием R, криволинейный путь H2 поворачивается вокруг референтной оси, соответствующей продольной оси A1 симметрии (фиг. 15D).
1
Каждый объем V2 изогнутого канала расположен на некотором расстоянии вокруг центрального канала 4. Как показано на фиг. 15E, объемы V2 изогнутых потоков набора каналов 42 в промежуточной категории продолжаются вдоль спиральных криволинейных путей H2 с идентичным шагом и идентичным расстоянием R вокруг референтной оси, соответствующей продольной оси A1 симметрии. Шесть каналов 42 продолжаются симметрично относительно общей референтной оси A1, и они плотно вложены друг в друга.
Аналогично варианту осуществления, показанному на фиг. 1A-1D, объемы V2 изогнутого потока каналов продолжаются между впускным отверстием 6 и выпускным отверстием 7 канала только на части длины канала. Таким образом, каждый канал 42 в промежуточной категории обладает, между впускным отверстием 6 и выпускным отверстием 7, объемом Ve впускного потока, перемещающимся по прямому пути, объемом V2 изогнутого потока и объемом Vs выпускного потока, перемещающимся по прямому пути.
3
2
3
3
2
3
3
В третьей категории, называемой "периферийной", пористая основа 2 обладает рядом из шестнадцати каналов 4, расположенных кольцом, центрированным на продольной оси A1 симметрии пористой основы 2 и продолжающихся концентрически вокруг кольца каналов 4 второй категории. Каналы 4 в этой третьей категории обладают образующими сечениями S3, которые идентичны по форме и площади. В этом примере каждое образующее сечение S3 в основном обладает формой равнобедренной трапеции. Каждый канал 4 обладает объемом V3 изогнутого потока, продолжающимся вдоль спирального пути H3, причем этот криволинейный путь H3 проходит вокруг референтной оси, соответствующей продольной оси A1 симметрии (фиг. 15F). Каждый объем V3 изогнутого потока расположен на расстоянии вокруг каналов 4 второй категории. Как показано на фиг. 15G, объемы V3 изогнутых потоков каналов 4 третьей категории продолжаются вдоль спиральных криволинейных путей H3, которые обладают идентичным шагом и радиусом вращения вокруг референтной оси, соответствующей продольной оси A1 симметрии. Шестнадцать каналов 4 продолжаются симметрично относительно общей референтной оси A1, и они плотно вложены друг в друга.
3
Аналогично примеру, показанному на фиг. 1A-1D, объем V3 изогнутого потока каждого канала продолжается между впускным отверстием 6 и выпускным отверстием 7 канала только на части длины канала. Таким образом, каждый канал 4 в периферийной категории обладает, соответственно, между впускным отверстием 6 и выпускным отверстием 7, объемом Ve впускного потока, проходящим по прямому пути, объемом V3 изогнутого потока и объемом Vs выпускного потока, проходим по прямому пути.
1
2
3
На фиг. 15H показана пористая основа 2 с расположенными в ней каналами 4, 4 и 4трех категорий и обладающая объемами изогнутого потока, показанными на фиг. 15C-15G. Естественно, настоящее изобретение может быть осуществлено с пористой основой с некоторым другим числом каналов, распределенных по некоторому другому числу категорий.
Цифровое моделирование расчетного типа динамики текучей среды (CFD) в применении к варианту осуществления, показанному на фиг. 13A-13E, дает следующие результаты с точки зрения характеристик и энергопотребления по сравнению с прямыми каналами с тем же самым гидравлическим диаметром. Это результаты моделирования, выполненного с использованием цифровой модели, заданной на основе результатов экспериментальных измерений, полученных путем протекания красного вина в качестве обрабатываемой текучей среды в одиночном прямом круглом канале с давлением через мембрану 1,5 бар и порогом отсечки 0,2 мкм.
В Табл. 3 далее отношение Qp/Qa, выраженное в % между скоростью объемного потока фильтрата Qp (в кубических метрах в час (м3/ч)) и скоростью объемного потока Qa (м3/ч), с которой подается обрабатываемая текучая среда, выявило присущие характеристики изогнутых каналов по сравнению с прямыми каналами с тем же самым гидравлическим диаметром (Dh) того же давления через мембрану (TMP) и того же порога отсечки (мкм).
Энергетическая эффективность блока фильтра, внутри которого фильтрующие элементы с изогнутыми каналами этого типа, выражается в кубических метрах выделенного фильтрата на килоджоуль энергии, необходимой для протекания обрабатываемой текучей среды в канал (м2/кДж). Средняя скорость (в метрах в секунду (м/с)) в соответствующих каналах приведена в Табл. 3 ориентировочно.
Dh = 3 мм - TMP = 1,5 бар – порог отсечки активного слоя = 0,2 мкм
Qp/Qa (%)
м3/кДж
м/с
Фильтрующий элемент с прямыми каналами
0,5
7,3х10-5
6,0
Фильтрующий элемент с изогнутыми каналами по настоящему изобретению в соответствии с фиг. 1A-1D с шагом 24 мм
8,5
37х10-5
1,6
Фильтрующий элемент с изогнутыми каналами по настоящему изобретению в соответствии с фиг. 1A-1D с шагом 12 мм
13,13
59х10-5
0,9
Для этого примера спиральных изогнутых каналов, как показано на фиг. 1A-1D, приведенные в таблице результаты указывают, что при сравнении с фильтрующим элементом с прямыми каналами с тем же самым гидравлическим диаметром:
- когда шаг спирали равен 24 мм, собственные характеристики фильтрующего элемента повышаются в 17 раз, и его энергоэффективность повышается в 5 раз по сравнению с фильтрующим элементом с прямыми каналами; и
- когда шаг спирали равен 12 мм, собственные характеристики фильтрующего элемента повышаются в 26 раз, и его энергоэффективность повышается в 8 раз.
В соответствии с предпочтительными характеристиками настоящего изобретения, изогнутые каналы 4i по настоящему изобретению могут обладать шагом p, величина которого не зависит от величины расстояния R между криволинейным путем H1 и референтной осью A1. Таким образом, можно изготовить изогнутые каналы с шагом p малой величины в сочетании с малой величиной расстояния R. Обычно можно предусмотреть изогнутые каналы с шагом p в диапазоне от 1 до 250 мм, связанным с расстоянием R в диапазоне от 0,1 до 100 мм. Кроме того, в соответствии с предпочтительными характеристиками, изогнутые каналы по настоящему изобретению обладают гидравлическими диаметрами в диапазоне от 0,5 до 20 мм. Следует отметить, что гидравлический диаметр Dh такой, чтобы Dh=4A/P, где A - площадь сечения потока канала, и P – периметр смачивания этого сечения.
Предпочтительно каждый канал обладает гидравлическим диаметром, который может быть постоянным или переменным.
В контексте настоящего изобретения пористая основа 2 или, действительно, весь элемент для разделения фильтрацией в поперечном потоке, изготавливается с использованием аддитивного способа. Способ по настоящему изобретению состоит в изготовлении трехмерной структуры основы путем формирования наложенных отдельных тонких пластов, которые последовательно соединяются друг с другом, чтобы вызвать постепенное наращивание трехмерной структуры основы.
По сравнению с предшествующим уровнем техники этот способ обладает преимуществом изготовления основы на одном этапе производства, который не требует механической обработки вручную или на станке и, таким образом, обеспечивает доступ к более широкому диапазону форм основы и позволяет менять форму и размеры препятствий в каналах.
При использовании твердого материала, такого как порошок, толщина порошкового основания и, таким образом, каждый последовательно уплотненный пласт относительно мал, чтобы обеспечивать его связывание с нижележащим пластом, за счет приложения энергии или распыления жидкости. В частности, порошок осаждается с толщиной в диапазоне от 20 до 200 мкм, которая зависит от выбранного аддитивного способа.
Повторяется последовательность двух этапов, пласт за пластом, что позволяет выстроить нужную трехмерную форму. Образец уплотнения может быть различен для разных пластов. Нужная трехмерная форма наращивается вдоль выбранного направления роста.
Размер частиц осажденного порошка является одним из факторов, которые определяют минимальную толщину для каждого порошкового основания, и также определяют окончательно полученный средний диаметр пор. В частности, используется содержащий порошок материал, который предназначен для составления основы, например, порошок оксида металла или порошок для одного из его прекурсоров. В качестве примера осажденный порошок может обладать средним размером частиц примерно 35 мкм для получения среднего диаметра пор в керамической основе примерно 10 мкм.
Обнаружено, что можно получать и регулировать взаимосвязанную остаточную текстуру пор в пределах уплотненного монолитного материала путем регулировки различных параметров, таких как выбранный материал, и для заданного материала, средний размер частиц используемого порошка, и для заданного материала и размера частиц, толщина порошкового основания, которая повторяется слой за слоем, а также путем регулировки настроек различных параметров, специфических для технологии, выбранной для способа уплотнения. Полученная пористая текстура является результатом спекания или регулируемого адгезионного связывания частиц порошка, чтобы оставались взаимосвязанные пустоты между частицами.
При использовании энергетического пучка основными параметрами, которые могут влиять, являются его фокус, т.е., диаметр пучка, который воздействует на порошковое основание, скорость, с которой порошковое основание сканируется пучком фотонов или электронов, или степень наложения между поверхностями, на которые воздействует энергетический пучок при наращивании пласта.
При использовании разбрызгивания жидкости основными параметрами, которые могут влиять, являются масса капель, их частота, скорость, с которой порошковое основание сканируется "струей" капель, или степень наложения между проходами.
Также обнаружено, что путем изменения различных параметров, описанных выше, можно отрегулировать распределение размеров пор, и для каждой заданной популяции пор можно регулировать число пор и их извитость.
Когда порошок скапливается в выбранных зонах, частицы нескапливающегося порошкового материала удаляются с помощью любого соответствующего способа, причем эта операция облегчается исходной текучестью используемого порошка. Можно использовать способы воздушного потока (отсасывание) или водного потока или вибрацию, чтобы удалить последние следовые количества порошка, оставшегося в изогнутых каналах или на стенках полученной формы.
Окончательное уплотнение фильтра и окончательное состояние пористой текстуры обычно получают посредством одной или более последовательных тепловых обработок, запланированных для устранения связующих веществ (удаление связующего) и/или надлежащего спекания материала. Температура, выбранная для такого окончательного спекания, зависит от природы используемого неорганического материала и от среднего размера используемых частиц порошка.
Основа или элемент для разделения фильтрацией в поперечном потоке в целом, строится, таким образом, пласт за пластом. Для этого выше по потоку и посредством использования программы конструирования с помощью компьютера трехмерная структура создаваемой основы или элемента для разделения фильтрацией в поперечном потоке делится на срезы. Виртуальный трехмерный объект, который должен быть создан, делится, таким образом, на двухмерные срезы малой толщины. Эти тонкие срезы затем получают по одному в форме наложенных отдельных пластов, и они соединяются друг с другом для постепенного наращивания требуемой трехмерной формы.
Эта трехмерная структура изготавливается:
- либо повторением следующих этапов:
- изготовление основания из твердого материала (органического или неорганического порошка) или жидкого материала (органического прекурсора или жидкости, диспергированной в порошок, которая может быть органической или неорганической) для формирования пористой основы, основание обладает постоянной толщиной и занимает площадь больше сечения пористой основы на уровне пласта; и
- уплотнения части материала локально в соответствии с определенным образцом для каждого пласта, чтобы создать отдельный пласт, одновременно соединяя полученный отдельный пласт с предшествующим;
- или путем создания последовательных шариков материала, сформированных путем расплавления органического или неорганического порошка, на который направляется лазерный луч в соответствии с заранее определенным образцом для каждого пласта;
- или путем расплавления пучка термоплавкого твердого прекурсора непрерывно или с перерывами (капля за каплей). Когда прекурсор представляет собой термоплавкий органический полимер, используемый сам по себе, основа является органической и может быть использована сразу же для осаждения органического слоя. Когда прекурсор представляет собой смесь термоплавкого органического полимера и керамического или металлического неорганического порошка, и когда не применяется полимер, используемый в качестве связующего вещества, и частицы неорганического порошка спекаются, основа является неорганической.
В основном, в первом случае используемый материал либо твердый, либо жидкий, и отдельные пласты уплотняются путем приложения энергии или распыления жидкости в виде мелких капель. Локальная подача энергии может быть осуществлена направленным световым пучком (светодиод или лазер) или направленным электронным пучком, или с помощью источника энергии, который может быть сфокусирован и сканирует порошковое основание в соответствии с образцом, выбранным CAD. Результат действия подачи энергии на материал приводит либо к спеканию, либо к плавлению и отверждению материала, либо к фотополимеризации или фотоотверждению материала, в зависимости от его природы и природы используемого источника энергии.
Жидкость может подаваться на порошковое основание локально с использованием микрокапель, которые создает пьезоэлектрическая система, причем капли необязательно могут быть заряжены и направляться электромагнитным полем. Жидкость затем является связующим веществом для активации связующего вещества, которое уже было добавлено к керамическому порошку.
Использование аддитивного способа по контексту настоящего изобретения и по сравнению с предшествующим уровнем техники позволяет получить в первую очередь улучшение с точки зрения производительности и надежности и, во-вторых, получить большее разнообразие в отношении форм, которые моугт быть выбраны для основы и для форм и выступающих участков, которые могут быть созданы в канале(ах) внутри основы.
В контексте настоящего изобретения для создания трехмерной формы могут использоваться различные аддитивные способы, например, такие как: селективное лазерное спекание (SLS) или селективное лазерное плавление (SLM); струйная 3D печать или использование струй связующего вещества; изготовление керамики на основе литографии (LCM); моделирование наплавкой (FDP); и/или стереолитографическое устройство (SLA).
В контексте настоящего изобретения предлагаются разделительные элементы для разделения текучей среды фильтрацией в поперечном потоке, обычно называемые фильтрующими мембранами. Такой разделительный элемент содержит пористую основу, изготовленную из материала, который может быть органическим или неорганическим.
Для органической пористой основы предлагается выбор из следующих органических материалов, приведенных в качестве не подразумевающих ограничения ими примеров: полиамид, полиэфирэфиркетон, полистирол, алюмид, полифенилсульфон, фторированные термопластичные эластомеры, полипропилен, полиэтилен, эпоксидная смола, акрилат, акрилонитрилбутадиенстирол, полиметилметакрилат, поликарбонат, нейлон, полиэфиримид, акрилонитрил стирол акрилат, полимолочная кислота, поливинил хлорид и их смеси.
Для неметаллической (керамической) неорганической пористой основы предлагается выбор из следующих неорганических материалов, приведенных в качестве не подразумевающих ограничения ими примеров: оксид алюминия, оксид титана, оксид циркония, титанат алюминия, нитрид алюминия, нитрид титана, нитрид бора, нитрид кремния, сиалон, графитированный уголь, карбид кремния, карбид вольфрама и их смеси.
Для металлической (металлы и сплавы) неорганической пористой основы предлагается выбор из следующих металлических материалов, приведенных в качестве не подразумевающих ограничения ими примеров: алюминий, сплавы алюминия, сплавы кобальта и хрома, сплавы никеля, сплавы никеля и хрома, стали и нержавеющие стали, титан, сплавы титана, сплавы меди и олова, сплавы меди, олова и алюминия, сплавы меди и цинка и их смеси.