СЕПАРАЦИОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ТРЕХМЕРНОЙ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ СЕТЬЮ ДЛЯ ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
SEPARATION ELEMENT WITH THREE-DIMENSIONAL CIRCULATION NETWORK FOR TREATED FLUID MEDIUM

Изобретение относится к технической области сепарационных элементов, предназначенных для разделения обрабатываемой текучей среды на фильтрат и на остаток и обычно называемых фильтрующими мембранами.
В частности, изобретение относится к новым геометрическим формам пористой основы, позволяющим увеличить площадь фильтрующей поверхности этих сепарационных элементов.
Способы сепарации с использованием мембран применяют во многих областях, в частности, в области экологии для производства питьевой воды и обработки промышленных жидких отходов, в химической, нефтехимической, фармацевтической, агропищевой промышленности и в области биотехнологии.
Мембрана образует селективный барьер и обеспечивает под действием силы перемещения пропускание или задержание некоторых компонентов обрабатываемой среды. Пропускание или задержание компонентов происходит в зависимости от их размера относительно размера пор мембраны, которая ведет себя при этом как фильтр. В зависимости от размера пор эти технологии называются микрофильтрацией, ультрафильтрацией и нанофильтрацией.
Существуют мембраны с разными структурами и текстурами. Как правило, мембраны состоят из пористой основы, которая обеспечивает механическую прочность мембраны и придает также форму и, следовательно, определяет фильтрующую поверхность мембраны. На эту основу наносят один или несколько слоев толщиной в несколько микрон, обеспечивающих сепарацию и называемых сепарационными слоями, фильтрующими слоями, разделительными слоями или активными слоями. Во время сепарации происходит перемещение фильтруемой текучей среды через сепарационный слой, затем эта текучая среда распространяется в пористой текстуре основы и проходит к наружной поверхности пористой основы. Эта часть обрабатываемой текучей среды, прошедшая через сепарационный слой и пористую основу, называется пермеатом или фильтратом и собирается в сборной камере, окружающей мембрану. Другая часть называется остатком и чаше всего направляется обратно в обрабатываемую текучую среду на входе мембраны через замкнутый циркуляционный контур.
Классически основу сначала изготавливают по необходимой форме путем экструзии, затем подвергают спеканию при температуре и в течение времени, достаточным для обеспечения необходимой твердости, сохраняя при этом в получаемой керамике требуемую открытую и взаимосвязанную пористую текстуру. Этот способ предполагает получение одного или нескольких прямолинейных каналов, внутри которых затем наносят и спекают сепарационный слой или сепарационные слои. Традиционно основы имеют трубчатую форму и содержат один или несколько прямолинейных каналов, выполненных параллельно центральной оси основы. Как указано в документе ЕР 0 778 073, внутренняя поверхность каналов является гладкой и не имеет никаких неровностей, тогда как профиль каналов, раскрытый в документе GB 2 223 690, имеет форму звезды. В документе WO 96/28241 канал имеет спиралевидную форму.
Поскольку внутренний объем основы определен и ограничен внешними размерами и поскольку площадь фильтрующей поверхности пропорциональна числу каналов, было установлено, что площадь фильтрующей поверхности фильтрующих мембран, изготовленных при помощи основ, имеющих такие геометрические формы, ограничена определенным пределом, и по этой причине они имеют ограниченные характеристики с точки зрения пропускной способности.
Принцип любой тангенциальной сепарации с использованием фильтрующих элементов основан на селективном перемещении, эффективность которого зависит от селективности мембраны (активный слой) и от проницаемости (поток) данного фильтрующего элемента в его совокупности (основа + активный слой).
Кроме вышеупомянутой эффективности селективного перемещения, эффективность фильтрующего элемента прямо пропорциональна площади применяемой фильтрующей поверхности.
Отношение S/V, в котором S является площадью обменной поверхности мембраны, а V является объемом сепарационного элемента, позволяет характеризовать плотность мембраны:
Исторически и хронологически на рынке появились сначала моноканальные цилиндрические трубчатые сепарационные элементы, затем мультиканальные трубчатые сепарационные элементы.
Первые мультиканальные сепарационные элементы, одной из задач которых, кроме увеличения общей площади фильтрующей поверхности, является получение каналов небольшого гидравлического диаметра без риска снижения прочности для сепарационного элемента, содержали исключительно каналы с круглым поперечным сечением.
Следующее поколение отошло от концепции круглых каналов, чтобы лучше заполнить внутренний объем трубки, повысить плотность и увеличить возможности завихрений.
2
2
Так, например, мембрана с наружным диаметром 25 мм и длиной 1 178 мм имеет фильтрующую площадь 0,155 м, когда она содержит семь круглых каналов с гидравлическим диаметром 6 мм, и фильтрующую площадь 0,195 м, когда она содержит восемь некруглых каналов тоже с гидравлическим диаметром 6 мм.
Вычисления плотности для этих двух мембран дают следующие результаты:
1
Плотность =
2
Плотность =
2
1
Плотность ≅ 1,25 × Плотность
Благодаря этим двум примерам, можно заметить, что при равном гидравлическом диаметре и для сепарационных элементов, идентичных по форме и внешним размерам, переход от каналов круглого сечения к каналам некруглого сечения позволяет увеличить на 25% значение плотности.
В таблице на фиг. 1 представлены эти три больших семейства мембран, изготовленных при помощи экструдированных трубчатых основ, и для каждого приведена их плотность S/V. Как известно специалисту в данной области, толщина стенки между каналами стремится к небольшим значениям в силу самого процесса экструзии, обусловленного физическими параметрами, в основном такими как размер частиц веществ, распределенных в экструдируемой массе, и уровень пластичности этой массы относительно давления, необходимого для того, чтобы масса прошла через фильеру.
Кроме соображений механической прочности и обеспечения потока фильтрата в самих порах пористой основы, размеры каналов внутри сепарационного элемента, полученного посредством экструзии, ограничены силами трения между керамической массой и фильерой, которые приводят к риску отрыва и/или трещинообразования.
Таким образом, плотность сепарационных элементов, полученных путем экструзии, стремится к верхнему пределу, и настоящее изобретение призвано преодолеть недостатки известных решений и предложить новые сепарационные элементы, в которых пространства, предназначенные для внутренней циркуляции обрабатываемой текучей среды, образуют взаимосвязанные трехмерные структуры, создающие поверхности, позволяющие увеличить в указанных сепарационных элементах плотность, выраженную описанным выше отношением S/V, с одной стороны, и в которых значения толщины структурных элементов, образующих каркас, могут составлять несколько десятых миллиметра, с другой стороны.
Для решения этих задач сепарационный элемент является моноблочным сепарационным элементом для разделения обрабатываемой текучей среды на фильтрат и остаток, при этом указанный сепарационный элемент содержит моноблочную жесткую пористую основу, выполненную из одного материала и имеющую, с одной стороны, на своей периферии сплошную периметрическую стенку между - с одной стороны пористой основы - входом для обрабатываемой текучей среды и - с другой стороны пористой основы - выходом для остатка, и, с другой стороны, внутри по меньшей мере одну поверхность, покрытую по меньшей мере одним сепарационным слоем и ограничивающую открытую структуру, образованную пустыми пространствами для циркуляции обрабатываемой текучей среды, с целью сбора на периферии пористой основы фильтрата, прошедшего через сепарационный слой и пористую основу.
Согласно изобретению, пустые пространства для прохождения обрабатываемой текучей среды, ограниченные поверхностью основы, покрытой сепарационным слоем, выполнены в пористой основе для создания внутри пористой основы по меньшей мере первой циркуляционной сети для обрабатываемой текучей среды, содержащей по меньшей мере два взаимосвязанных контура циркуляции обрабатываемой текучей среды между входом и выходом пористой основы.
2
3
В рамках изобретения новые сепарационные элементы имеют внутри геометрические формы, модулируемые таким образом, чтобы именно установление сообщения между пустыми пространствами, форму и размеры которых можно изменять внутри одного элемента, с одной стороны, и увеличение числа образованных таким образом контуров циркуляции, с другой стороны, позволяли увеличивать общую площадь фильтрующей поверхности этих полученных таким образом новых сепарационных элементов до значений плотности 2000 м/м и более.
Кроме того, заявленный сепарационный элемент имеет в комбинации один и/или другой из следующих дополнительных признаков:
- пустые пространства для прохождения текучей среды выполнены в пористой основе таким образом, чтобы образовать внутри пористой основы по меньшей мере вторую сеть, содержащую один или несколько взаимосвязанных или не взаимосвязанных контуров циркуляции текучей среды между входом и выходом пористой основы;
- в пористой основе выполнено по меньшей мере одно пустое пространство для сбора фильтрата, выходящее через периметрическую стенку пористой основы;
- каждая открытая структура ограничена одной и той же сплошной поверхностью между входом и выходом пористой основы, входя при этом всюду в контакт с текучей средой без образования глухого пространства, причем эта открытая структура образует трехмерные структуры, начиная от периметрической стенки пористой основы;
- трехмерные структуры характеризуются идентичностью и непрерывностью материала и пористой текстуры до периметрической стенки;
- открытая структура образует трехмерные структуры с не повторяющимися геометрическими конфигурациями;
- открытая структура образует трехмерные структуры за счет повторения по меньшей мере одного рисунка, вписанного в единицу объема пористой основы, образующего ячейку, внутри которой заранее определенное морфологически пространство оставлено пустым для циркуляции обрабатываемой текучей среды, при этом указанное повторение происходит, с одной стороны, за счет полного или частичного расположения рядом друг с другом рисунков вдоль по меньшей мере одного размера пространства и, с другой стороны, таким образом, чтобы получить непрерывность циркуляции для текучей среды между пустыми пространствами унитарных объемов и непрерывность пористого материала для удаления фильтрата;
- открытая структура образует трехмерные структуры за счет повторения по меньшей мере одного рисунка без изменения формы и размера рисунка;
- открытая структура образует трехмерные структуры за счет повторения по меньшей мере одного рисунка, размеры которого постепенно меняются изоморфно по меньшей мере в одном направлении и/или морфология которого постепенно меняется изометрически по меньшей мере в одном направлении;
- рисунок и связанная с ним ячейка могут иметь одну или несколько симметрий из следующего списка:
- центральную симметрию;
- ортогональную симметрию относительно прямой;
- зеркальную симметрию относительно плоскости;
- симметрию вращения;
- симметрию подобия;
- повторение рисунка или рисунков имеет симметрию, связанную с наружной симметрией основы;
- пористая основа выполнена из органического или неорганического материала;
- пористая основа и по меньшей мере один сепарационный слой, нанесенный непрерывно на стенки трехмерных структур, при этом каждый слой состоит из керамики, выбранной среди оксидов, нитридов, карбидов или других керамических материалов и их смесей и, в частности, оксида титана, глинозема, двуоксида циркония или одной из их смесей, нитрида титана, нитрида алюминия, нитрида бора, карбида кремния, карбида титана, возможно в смеси с другим керамическим материалом;
- пористая основа и по меньшей мере один сепарационный слой, нанесенный непрерывно на стенки трехмерных структур, при этом каждый слой состоит из полимера, адаптированного для предусмотренного разделения, и нанесен при помощи коллодия этого полимера;
- пористая основа имеет средний диаметр пор в диапазоне от 1 мкм до 100 мкм.
Нижеследующее описание, представленное со ссылками на прилагаемые фигуры, позволяет лучше понять изобретение.
На фиг. 1 приведена таблица со значениями плотности S/V для различных известных сепарационных элементов;
на фиг. 2А показан вид спереди в разрезе первого примера осуществления заявленного сепарационного элемента;
на фиг. 2В показан вид снизу сепарационного элемента, изображенного на фиг. 2А;
на фиг. 2С показан вид в разрезе по линиям С-С сепарационного элемента, изображенного на фиг. 2А;
на фиг. 2D показан вид сверху сепарационного элемента, изображенного на фиг. 2А;
на фиг. 3А показана элементарная кубическая ячейка, внутри которой пустые пространства образуют крестообразный рисунок с центральной симметрией;
на фиг. 3В и 3С показаны соответственно виды в перспективе и в плане, иллюстрирующие взаиморасположение двух контуров, выполненных за счет повторения рисунка, изображенного на фиг. 3А;
на фиг. 3D приведен другой пример выполнения структуры с двойными контурами, полученными в результате комбинации рисунка с кубической симметрией и рисунка с тетраэдрической симметрией;
на фиг. 4А-4D представлено выполнение открытой структуры, образованной повторением рисунка крестообразной формы с центральной симметрией относительно центра кубической ячейки, в которую вписан рисунок;
на фиг. 5А и 5В представлены два других варианта выполнения рисунка в кубической элементарной ячейке;
на фиг. 6А-6D показана версия выполнения пористой основы, в которой выполнена открытая структура, образующая трехмерные структуры путем повторения рисунка, размеры которого постепенно меняются изоморфно в трех направлениях пространства;
на фиг. 7А и 7В показаны виды соответственно в продольном и поперечном разрезе примера выполнения пористой основы, открытая структура которой образует трехмерные структуры с не повторяющимися геометрическими конфигурациями;
на фиг. 8А показан вид спереди в разрезе примера выполнения заявленного сепарационного элемента с целью создания сети циркуляции для фильтрата;
на фиг. 8В показан вид снизу сепарационного элемента, показанного на фиг. 8А;
на фиг. 8С показан вид в разрезе по линиям С-С сепарационного элемента, показанного на фиг. 8А;
на фиг. 8D показан вид сверху сепарационного элемента, показанного на фиг. 2;
на фиг. 9 показан вид в продольном разрезе другого примера выполнения заявленного сепарационного элемента;
на фиг. 9А показан вид сбоку соответственно в направлении стрелок А-А на фиг. 9;
на фиг. 9В-9I показаны виды в поперечном разрезе соответственно в направлении стрелок от В до I фиг. 9.
Прежде всего следует привести несколько определений терминов, применяемых в рамках изобретения.
2
Под средним диаметром пор следует понимать значение d50 объемного распределения, при котором 50% общего объема пор соответствуют объему пор диаметром менее d50. Объемное распределение является кривой (аналитической функцией), отображающей частотность объемов пор в зависимости от их диаметра. Значение d50 соответствует медиане, делящей на две равные части площадь, находящуюся под кривой частотности, полученной методом ртутной порометрии для средних диаметров, превышающих или равных 4 нм, или методом адсорбции газа, в частности, N, при средних диаметрах менее 4 нм, причем эти две технологии выбраны в качестве опорных в рамках изобретения для измерения среднего диаметра пор.
В частности, можно применять технологии, описанные в:
- норме ISO 15901-1 :2005 в отношении технологии измерения путем ртутной порометрии;
- нормах ISO 15901-2 :2006 и ISO 15901-3 :2007 в отношении технологии измерения путем газовой адсорбции.
Изобретением предложены элементы тангенциальной сепарации обрабатываемой текучей среды на фильтрат и остаток, которые содержат монолитную пористую основу, геометрию которой выбирают таким образом, чтобы ограничивать внутри пористой основы контуры циркуляции обрабатываемой текучей среды. Такие монолитные основы, определяемые как выполненные в виде единой детали и из одного материала, однородного и сплошного по всей основе, без сварных швов или экзогенного припоя, не могут быть выполнены при помощи традиционных технологий экструзии, но зато могут быть выполнены при помощи аддитивных технологий, описанных, например, в документе FR 3 006 606.
В рамках изобретения рассматриваются элементы сепарации текучей среды путем тангенциальной фильтрации, обычно называемые фильтрующими мембранами. Как правило и как показано на фиг. 2А-2D, такие сепарационные элементы содержат жесткую моноблочную пористую основу 2, выполненную из одного материала. В таких сепарационных элементах тело, образующее основу 2, имеет пористую текстуру. Эта пористая текстура характеризуется средним диаметром пор, определяемым по их распределению, измеряемому методом ртутной порометрии.
Пористая текстура основы является открытой и образует сеть взаимосвязанных пор, что позволяет текучей среде, фильтруемой сепарационным фильтрующим слоем, проходить через пористую основу и выходить на периферию для сбора. Обычно измеряют водопроницаемость основы для определения гидравлического сопротивления основы, что позволяет одновременно подтвердить взаимосвязанность пористой текстуры. Действительно, в пористой среде стационарный поток несжимаемой вязкой жидкости подчиняется закону Дарси. Скорость текучей среды пропорциональна градиенту давления и обратно пропорциональна динамической вязкости текучей среды через характеристический параметр, называемый проницаемостью, которую можно измерить, например, согласно французской норме NF Х 45-101 от декабря 1996 года.
Чаще всего пористую основу 2 выполняют из не металлического неорганического материала. Предпочтительно пористая основа 2 состоит из керамики, выбранной среди оксидов, нитридов, карбидов или других керамических материалов и их смесей и, в частности, оксида титана, глинозема, двуокиси циркония и их смесей, нитрида титана, нитрида алюминия, нитрида бора, карбида кремния, возможно в смеси с другим керамическим материалом. Следует отметить, что пористую основу можно изготовить также из органического или чисто металлического неорганического материала. Например, пористую основу 2 выполняют из чистого металла, такого как алюминий, цинк, медь, титан или в виде сплава нескольких из этих металлов или нержавеющих сталей. Например, пористая основа 2 имеет средний диаметр пор в диапазоне от 1 мкм до 100 мкм.
Независимо от используемого материала, изобретение использует метод, описанный в патентной заявке FR 3 006 606, где для изготовления основы применяют аддитивный метод.
1
Пористая основа 2 содержит внутри по меньшей мере одну открытую структуру 3, образованную пустыми пространствами для циркуляции обрабатываемой текучей среды. Эти пустые пространства 3 соответствуют зонам пористой основы, не содержащим пористого материала. Эти пустые пространства 3 выполнены внутри пористой основы 2 таким образом, чтобы эта пористая основа имела на периферии сплошную периметрическую стенку 2 между входом 4 для текучей среды, находящимся с одной стороны пористой основы, и выходом 5 для остатка, находящимся с другой стороны пористой основы.
В примере осуществления, представленном на фиг. 2А-2D, пористая основа 2 имеет форму цилиндра с круглым сечением. Разумеется, форма пористой основы 2 представлена просто в качестве иллюстрации, и пористая основа 2 может принимать любые возможные формы. В этом представленном примере пористая основа 2 представляет собой удлиненный элемент, вход 4 которого для обрабатываемой текучей среды находится на одном из концов пористой основы, тогда как выход 5 для остатка находится на противоположном конце пористой основы. Таким образом, открытая структура, образованная пустыми пространствами 3, выполненными внутри пористой основы, сообщается с одной стороны с входом 4 обрабатываемой текучей среды и с другой стороны с выходом 5 для остатка. Как будет показано ниже в описании, текучая среда входит или выходит соответственно на входе 4 или на выходе 5 пористой основы через одно или несколько отдельных отверстий. Иначе говоря, открытая структура 3 для циркуляции текучей среды выполнена в пористой основе 2, выходя наружу, с одной стороны, на входе пористой основы через одно или несколько отверстий, образующих вход 4, и, с другой стороны, на выходе пористой основы через одно или несколько отверстий, образующих выход 5.
1
Часть пористой основы 2, ограничивающая открытую структуру, имеет поверхность, покрытую по меньшей мере одним сепарационным слоем 6, предназначенным для вхождения в контакт с обрабатываемой текучей средой, циркулирующей внутри открытой структуры 3. Часть обрабатываемой текучей среды проходит через сепарационный слой 6 и пористую основу 2, и эта обработанная часть текучей среды, называемая фильтратом или пермеатом, вытекает через периметрическую стенку или наружную поверхность 2 пористой основы. Фильтрат собирают на периферической поверхности пористой основы при помощи любых соответствующих средств.
Сепарационный фильтрующий слой 6, покрывающий стенки открытой структуры 3, обеспечивает фильтрацию обрабатываемой текучей среды. Иначе говоря, между входом 4 и выходом 5 открытая структура 3, не имеющая пористого материала, оказывается окруженной сепарационным фильтрующим слоем 6. Сепарационные слои ограничивают поверхность элемента тангенциальной сепарации, которая предназначена для вхождения в контакт с обрабатываемой текучей средой и по которой будет циркулировать обрабатываемая текучая среда.
2
2
Элемент тангенциальной сепарации обычно имеет длину от 1 метра до 1,5 метра. Сечение элемента тангенциальной сепарации чаще всего имеет площадь от 0,8 см до 14см. Значения толщины сепарационных фильтрующих слоев обычно меняются от 1 до 100мкм. Разумеется, чтобы обеспечивать функцию сепарации и служить активным слоем, сепарационные слои имеют средний диаметр пор, меньший среднего диаметра пор основы. Чаще всего, средний диаметр пор сепарационных фильтрующих слоев меньше по меньшей мере в три раза и предпочтительно по меньшей мере в 5 раз среднего диаметра пор основы.
Специалисту в данной области хорошо известны понятия сепарационных слоев микрофильтрации, ультрафильтрации и нанофильтрации. Обычно принято считать, что:
- сепарационные слои для микрофильтрации имеют средний диаметр пор, составляющий от 0,1 до 2 мкм;
- сепарационные слои для ультрафильтрации имеют средний диаметр пор, составляющий от 0,01 до 0,1 мкм;
- сепарационные слои для нанофильтрации имеют средний диаметр пор, составляющий от 0,5 до 10 нм.
Этот слой для микро- или ультрафильтрации можно нанести непосредственно на пористую основу (случай одинарного сепарационного слоя) или на промежуточный слой с меньшим средним диаметром пор, который нанесен непосредственно на пористую основу. Например, сепарационный слой может быть выполнен на основе или может представлять собой исключительно один или несколько металлических оксидов, карбидов или нитридов или других керамических материалов. В частности, сепарационный слой представляет собой по меньшей мере один сепарационный слой, непрерывно нанесенный на стенки трехмерных структур, при этом каждый слой состоит из керамики, выбранной среди оксидов, нитридов, карбидов или других керамических материалов и их смесей и, в частности, оксида титана, глинозема, двуокиси циркония или одной из их смесей, нитрида титана, нитрида алюминия, нитрида бора, карбида кремния, карбида титана, возможно в смеси с другим керамическим материалом. Кроме того, сепарационный слой 6 может представлять собой по меньшей мере один сепарационный слой, нанесенный непрерывно на стенки трехмерных структур, при этом каждый слой состоит из полимера, адаптированного для предусматриваемой сепарации и нанесенного из коллодия этого полимера.
1
1
2
1
2
N
1
2
1
2
Согласно существенному признаку изобретения, пустые пространства 3 для прохождения обрабатываемой текучей среды выполнены в пористой основе 2 таким образом, чтобы создать внутри пористой основы по меньшей мере первую сеть R и, как правило, К сетей R1, R2, …, RК, при этом по меньшей мере одна сеть R1 содержит по меньшей мере два циркуляционных контура R1, R1 для обрабатываемой текучей среды и, как правило, N взаимосвязанных циркуляционных контуров R1, R1, …, R1 (N превышает или равно 2) между входом 4 и выходом 5 пористой основы. Таким образом, текучая среда циркулирует по меньшей мере в первой сети R1, содержащей по меньшей мере два циркуляционных контура R1, R1, каждый из которых сообщается с входом 4 и выходом 5 пористой основы, причем эти два циркуляционных контура R1, R1 сообщаются между собой между входом 4 и выходом 5 пористой основы. Разумеется, что часть обрабатываемой текучей среды, циркулирующая в этих сетях и контурах, проходит через сепарационный слой 6 и основу 2 таким образом, чтобы собирать эту обработанную часть, называемую пермеатом или фильтратом, на периферической поверхности основы.
1
1
2
3
Следует отметить, что текучая среда может циркулировать по меньшей мере в одной второй сети R2, содержащей циркуляционный контур R2 или ряд взаимосвязанных циркуляционных контуров R2, R2, R2, … . Каждая из этих сетей R1, R2, …, R2K считается независимой относительно других сетей в том смысле, что обрабатываемая текучая среда, циркулирующая в контуре или контурах одной сети, не циркулирует в контуре или контурах другой сети.
1
2
Во время своего прохождения внутри пористой основы 2 в первой сети R1 обрабатываемая текучая среда может встретить по меньшей мере либо разветвление или разделение, делящее текучую среду на несколько (по меньшей мере две) частей, следующих по разным путям, и/или соединение, приводящее к слиянию нескольких (по меньшей мере двух) частей, поступающих из разных путей. Таким образом, циркуляционные контуры R1, R1 сети R1 сообщаются между собой через перекрестки или межсоединения 9, выполненные внутри пористой основы.
Разумеется, число образующих сеть контуров циркуляции обрабатываемой текучей среды может меняться от 2 до N, где N является целым числом. Точно так же, число межсоединений 9 между циркуляционными контурами может меняться от 1 до М. Эти межсоединения выполнены между циркуляционными контурами, образующими циркуляционную сеть. Следует отметить, что циркуляционные контуры сообщаются с входом 4 и выходом 5 пористой основы в общих или раздельных зонах пористой основы.
1
2
1
2
1
2
1
2
В примере осуществления, представленном на фиг. 2А-2D, пористая основа 2 содержит первую циркуляционную сеть R1 для обрабатываемой текучей среды, содержащую два циркуляционных контура R1, R1 для текучей среды, имеющих общий вход 4 и два разных отверстия, образующих выход 5. Эти два циркуляционных контура R1, R1 имеют общий участок от входа 4 до межсоединения 9, обеспечивающий взаимосвязь двух циркуляционных контуров R1, R1. Начиная от межсоединения 9 обрабатываемая текучая среда делится на две части до выхода 5. Таким образом, оба циркуляционных контура R1, R1 выходят наружу на уровне выхода 5 через два разных отверстия.
1
2
N
Разумеется, пример осуществления, показанный на фиг. 2А-2D, представлен, чтобы иллюстрировать принцип изобретения. Как было указано выше, число циркуляционных контуров R1, R1, …, R1, образующих сеть, может быть любым. Точно так же, число межсоединений 9 в циркуляционных контурах может быть любым, причем это число может быть одинаковым или разным в разных циркуляционных контурах.
1
1
В примере осуществления, показанном на фиг. 2А-2D, пористая основа 2 содержит вторую сеть R2, содержащую единый циркуляционный контур R2 для текучей среды, сообщающийся с входом 4 и выходом 5. Этот единый циркуляционный контур R2 второй сети R2 не сообщается ни с одним из циркуляционных контуров первой сети R1. Разумеется, эта вторая сеть R2 может содержать несколько взаимосвязанных циркуляционных контуров для текучей среды между входом и выходом пористой основы, как было указано выше.
Из всего вышесказанного вытекает, что пустые пространства 3, выполненные в пористой основе для прохождения текучей среды, образуют одну или несколько открытых структур, каждая из которых соответствует одной сети. Согласно предпочтительному отличительному признаку, каждая открытая структура ограничена одной и той же сплошной поверхностью между входом и выходом пористой основы, входя всюду в контакт с обрабатываемой текучей средой и не образуя глухого пространства. Иначе говоря, пустые пространства выполнены, чтобы не создавать зон задержания для текучей среды, в которых обрабатываемая текучая среда может застаиваться. Это относится, например, к глухому участку контура, где вход и выход текучей среды находятся в одном и том же месте, если рассматривать направление циркуляции текучей среды, при этом текучая среда застаивается или проходит в обратном направлении между входом/выходом и дном глухого контура.
1
Согласно предпочтительному отличительному признаку, эта открытая структура, выполненная для образования сети взаимосвязанных контуров, образует трехмерные структуры до периметрической стенки 2 пористой основы.
1
Согласно отличительному признаку изобретения, эти трехмерные структуры характеризуются одинаковостью и непрерывностью материала и пористой текстуры до наружной поверхности периметрической стенки 2. Иначе говоря, материал этих трехмерных структур является одинаковым и имеет постоянную пористую текстуру, если не считать отличий, зависящих от способа изготовления.
Согласно предпочтительному отличительному признаку выполнения, трехмерные структуры образованы повторением по меньшей мере одного рисунка 11, вписанного в единицу объема пористой основы, образующую ячейку 12, внутри которого морфологически заранее определенное пространство 3 оставлено пустым для циркуляции обрабатываемой текучей среды. Повторение рисунка 11 происходит, с одной стороны, за счет полного или частичного расположения рядом друг с другом рисунка или рисунков по меньшей мере вдоль одного размера пространства и, с другой стороны, таким образом, чтобы получить непрерывность циркуляции для текучей среды между пустыми пространствами 3 унитарных объемов и непрерывность пористого материала для удаления фильтрата.
На фиг. 3А показана элементарная кубическая ячейка 22, внутри которой пустые пространства 3, образующие структуру, являются крестообразным рисунком 11 с центральной симметрией. Рисунок 11 имеет форму креста в плоскости и квадратное сечение в представленном примере для различных частей рисунка.
Использование такой ячейки 12, связанной с таким рисунком 11, находит в рамках изобретения предпочтительное применение в случае, когда структура образована взаимопроникновением двух идентичных циркуляционных контуров.
Для упрощения описания этой структуры предложено характеризовать кубическую ячейку 12, охватывающую симметричный крестообразный рисунок, где (с) является стороной этой кубической ячейки 12, в которую вписан рисунок, (а) является размером стороны квадратного отверстия рисунка, доходящего до границы ячейки, и (L) является характеристической длиной каждого участка сети квадратного сечения, при этом фильтрующую площадь рисунка получают при помощи следующей формулы:
,
при получаем:
ячейки
3
Поскольку объем ячейки равен V = с, плотность сепарационного элемента, полученного путем упаковки и расположения рядом, для этой ячейки, содержащей этот рисунок, определяют при помощи следующей формулы:
Если ассимилировать полученный контур с группой взаимосвязанных каналов квадратного сечения, их гидравлический диаметр Dh будет равен (а), и становится возможным сравнить плотность такой структуры в соответствии с изобретением, образованной двумя контурами этого типа, с описанными выше плотностями для сепарационных элементов, полученных посредством экструзии.
Изготовленный таким образом сепарационный элемент, в котором (а) зафиксировано в значении 3,47 мм, и (с) равно 7,94 мм, имеет минимальную толщину (е) пористого материала, разделяющего два контура, равную 0,5 мм, и собственную плотность, равную:
,
2
3
что соответствует плотности 743,7 м/м, которую сравниваем с экструдированным фильтрующим элементом, имеющим наружный диаметр 25 мм, длину 1178 мм и содержащим двадцать три некруглых прямолинейных канала с гидравлическим диаметром Dh=3,47 мм, и отмечаем выигрыш в плотности порядка 30%.
Dh = 3,47 мм
Прямолинейные мультиканалы
Двойные контуры из примера 1
Плотность
571 м<sup>2</sup>/м<sup>3</sup>
744 м<sup>2</sup>/м<sup>3</sup>
Выигрыш в плотности
+30%
На фиг. 3В и 3С показано взаиморасположение двух контуров, выполненных путем взаимопроникновения рисунка, показанного на фиг. 3А.
По сравнению с фильтрующим элементом, полученным путем экструзии, с наружным диаметром 20 мм и длиной 1178 мм, и имеющим шестьдесят один некруглый прямолинейный канал с гидравлическим диаметром Dh=1,60 мм, такая же конструкция структуры с идентичными двойными контурами дает при гидравлическом диаметре Dh=1,60 мм выигрыш в плотности 28%:
Dh = 1,60 мм
Прямолинейные мультиканалы
Двойные контуры из примера 1
Плотность
1054 м<sup>2</sup>/м<sup>3</sup>
1347 м<sup>2</sup>/м<sup>3</sup>
Выигрыш в плотности
+28%
По сравнению с фильтрующим элементом, полученным путем экструзии, с наружным диаметром 25 мм и длиной 1178 мм, и имеющим восемь некруглых прямолинейных каналов с гидравлическим диаметром Dh=6,00 мм, такая же конструкция структуры с идентичными двойными контурами дает при гидравлическом диаметре Dh=6,00 мм выигрыш в плотности 36%:
Dh = 6,00 мм
Прямолинейные мультиканалы
Двойные контуры из примера 1
Плотность
337 м<sup>2</sup>/м<sup>3</sup>
459 м<sup>2</sup>/м<sup>3</sup>
Выигрыш в плотности
+36%
1
На фиг. 3D представлен другой пример выполнения структуры с двойными контурами, полученной путем комбинации рисунка 11 с кубической симметрией и рисунка 11 с тетраэдрической симметрией. Контур, образованный взаимосвязанными пустотами, следует в первом случае вдоль ребер и диагоналей граней куба и во втором случае вдоль ребер октаэдра, расположенного в центре этого же куба.
Эта комбинация двух рисунков дает конструкцию моносети, в которой отмечается, что элементарная кубическая ячейка содержит совокупность взаимосвязанных пустых пространств правильного тетраэдрического рисунка.
Укладка такого рисунка в трех направлениях пространства путем придания рисунку последовательных вращений, чтобы пустые пространства ребер тетраэдра совпадали и многократно и непрерывно располагались рядом друг с другом, позволяет получить следующие новые значения плотности в сравнении с такими же экструдированными сепарационными элементами и такими же тремя гидравлическими диаметрами, как в примере 1:
Dh=1,60 мм
Dh=3,47 мм
Dh=6,00 мм
Прямолинейные мультиканалы
1054 м<sup>2</sup>/м<sup>3</sup>
571 м<sup>2</sup>/м<sup>3</sup>
337 м<sup>2</sup>/м<sup>3</sup>
Моносеть из примера 2
2358 м<sup>2</sup>/м<sup>3</sup>
987 м<sup>2</sup>/м<sup>3</sup>
560 м<sup>2</sup>/м<sup>3</sup>
Выигрыш в плотности
+123%
+72%
+66%
При такой структуре отмечаются выигрыши в плотности 66%, 72% и 123% соответственно для гидравлических диаметров 6 мм, 3,47 мм и 1,6 мм.
На фиг. 4А-4D представлен пример выполнения открытой структуры 3, образованной повторением рисунка 11 крестообразной формы с центральной симметрией относительно центра кубической ячейки 12, в которую вписан рисунок. Согласно этому примеру, рисунок 11 имеет форму креста в плоскости с круглым сечением для разных частей рисунка. Рисунок, показанный на фиг. 4А и соответствующий пространству, оставленному пустым для циркуляции текучей среды, повторяется за счет упаковки ячейки и рисунка идентично вдоль одного, двух или трех размеров пространства.
На фиг. 5А и 5В показаны две другие версии выполнения рисунка 11 в элементарной кубической ячейке 12. Показанные рисунки 11 являются комплементарными в том смысле, что, если рисунок, показанный на фиг. 5А, соответствует пустому пространству, то рисунок, показанный на фиг. 5В, соответствует пористому материалу, и наоборот. Каждый рисунок 11 содержит центральную сферу 11а, соединенную при помощи восьми цилиндров 11b, ориентированных в сторону угла ячейки, с восемью четвертями сферы 11с, каждая из которых опирается на три смежные стороны ячейки 12. Расположение рядом этой ячейки 12 позволяет получить структуру, образованную сферами, соединенными между собой цилиндрами.
Понятно, что можно использовать рисунки 11 с разными формами. Например, рисунок 11 и связанная с ним ячейка могут иметь одну или несколько симметрий из следующего списка:
- центральную симметрию;
- ортогональную симметрию относительно прямой;
- зеркальную симметрию относительно плоскости;
- симметрию вращения;
- симметрию подобия.
Точно так же, можно отметить, что повторение рисунка или рисунков 11 может иметь симметрию, связанную с наружной симметрией основы. В этом случае пористая основа может иметь переменный профиль, имеющий или не имеющий симметрию.
В представленных выше примерах, открытая структура 3 образует трехмерные структуры за счет повторения по меньшей мере одного рисунка 11 без изменения формы и размеров рисунка.
Разумеется, можно выполнить открытую структуру 3, образующую трехмерные структуры за счет повторения по меньшей мере одного рисунка 11, размеры которого постепенно меняются изоморфно по меньшей мере в одном направлении и/или морфология которого постепенно меняется изометрически по меньшей мере в одном направлении.
На фиг. 6А-6D представлена версия выполнения пористой основы 2, в которой выполнена открытая структура 3, образующая трехмерные пространства путем повторения рисунка 11, размеры которого постепенно меняются изоморфно в трех направлениях пространства. Согласно этой версии, рисунок 11, показанный на фиг. 6А, вписан в квадратную ячейку 12 и содержит центральный квадрат 11а, окаймленный на двух смежных сторонах двумя идентичными прямоугольниками 11b и на своих двух других смежных сторонах - двумя идентичными трапециями 11с.
Располагая рядом такой рисунок 11 в двух направлениях х и у и постепенно меняя изоморфно и подгоняя от одного к другому размеры пространств, соответствующих прямоугольникам 11b, квадрату 11а и трапеции 11с, можно получить основу, показанную на фиг. 6В. Разумеется, периферические рисунки 11 выполняют таким образом, чтобы не создавать глухих пространств, которые могут образовать пространства длительного задержания текучей среды. Отмечается постепенное увеличение количества пористого материала в направлении периферии, что облегчает удаление фильтрата. Такое прилегание в направлениях х и у само по себе образует рисунок (фиг. 6С), который при идентичном, например, восьмикратном наложении в третьем направлении z обеспечивает образование структуры, непрерывно проходящей между входом 4 и выходом 5 пористой основы 12 (см. фиг. 6D).
В описанных выше примерах выполнения открытая структура 3 образует трехмерные структуры с повторяющимися геометрическими конфигурациями. На фиг. 7А и 7В представлен пример выполнения пористой основы 2, открытая структура 3 которой образует трехмерные пространства с не повторяющимися геометрическими конфигурациями. Таким образом, трехмерные структуры выполняют неупорядоченно без повторения, обеспечивая при этом, естественно, непрерывность пористого материала для удаления фильтрата через пористый материал и непрерывность пустых пространств для циркуляции текучей среды между входом 4 и выходом основы 12, избегая создания глухих зон.
1
В предыдущих примерах пустые пространства 3 созданы в пористом материале для обеспечения циркуляции текучей среды. На фиг. 8А-8D представлен пример выполнения пористой основы 2, в которой выполнена сеть RF сбора фильтрата, выходящая наружу через периметрическую стенку 2 пористой основы. Разумеется, такая сеть RF сбора фильтрата является независимой от циркуляционной сети или циркуляционных сетей R1, R2, … , RK для текучей среды. В этой сети RF сбора фильтрата оставляют часть пористого материала пористой основы между этим пустым пространством и циркуляционными сетями, а также между этим пустым пространством и сторонами входа 4 и выхода 5 основы. Такую сеть RF сбора фильтрата создают для облегчения удаления фильтрата наружу пористой основы.
На фиг. 9 - фиг. 9I представлен другой пример элемента 1 тангенциальной сепарации, имеющего трубчатую геометрию. Элемент 1 тангенциальной сепарации содержит пористую основу 2, имеющую удлиненную форму вдоль центральной продольной оси А, поэтому структуру этой пористой основы можно квалифицировать как прямолинейную. Пористая основа 2, показанная на фиг. 9, 9I, имеет круглое прямое поперечное сечение и, следовательно, цилиндрическую наружную поверхность, однако прямое поперечное сечение может иметь любую форму и может быть многоугольным.
1
1
2
Пористая основа 2 выполнена таким образом, что содержит внутри единую циркуляционную сеть 3 для обрабатываемой текучей среды, циркулирующей между входом 4 и выходом 5. В представленном примере вход 4 находится на одном конце пористой основы 2, а выход 5 - на другом конце пористой основы 2. Пористая основа 2 содержит пустые пространства или проходы 3, образующие контуры циркуляции для обрабатываемой текучей среды. Пористая основа 2 выполнена таким образом, что содержит по всей своей периферии периметрическую стенку 2, окружающую пустые пространства или проходы. Периметрическая стенка 2, ограниченная наружной поверхностью 2 пористой основы 2, проходит непрерывно между входом 4 и выходом 5.
Начиная от своей сплошной периметрической стенки 6, пористая основа 2 содержит трехмерную компоновку соединенных между собой структур, между которыми оставлены пустые пространства 3 для прохождения текучей среды, образующие циркуляционную сеть, содержащую ряд взаимосвязанных циркуляционных контуров R1, R2, …, RK для текучей среды между входом 4 и выходом 5 пористой основы.
1
1
Как было указано выше, трехмерные структуры являются неотъемлемой частью моноблочной пористой основы, то есть вытекают из самой геометрии пористой основы и ни в коем случае не являются присоединяемыми элементами. Весь узел образует один пористый моноблок без каких-либо соединений, интерфейсов или стыков. Существует идентичность и непрерывность материала и пористой текстуры между трехмерными структурами и периметрической стенкой 2. Таким образом, трехмерные структуры неподвижно соединены между собой механически и химически и имеют такую же прочность, как и периметрическая стенка 2.
1
2
В примере выполнения, представленном на фиг. 9-9I, пустые пространства 3 образуют одну сеть R1, содержащую ряд взаимосвязанных циркуляционных контуров R1, R1,… между входом 4 и выходом 5 пористой основы. Согласно этому примеру, циркуляционные контуры образованы проходами или пустыми пространствами 3 и выполнены в виде семи периферических каналов (а)-(g), распределенных по окружности пористой основы, и центрального канала (h), выполненного в центре пористой основы, и в виде проходов 9 сообщения или межсоединения между каналами.
В представленном примере каналы (а)-(h) выполнены параллельно друг другу по всей длине пористой основы. Между входом 4 и сечением В-В каналы являются независимыми друг от друга. На уровне сечения В-В каналы (а)-(h) соединяются между собой, как показано на фиг. 9В. В частности, свободные пространства или межсоединения 9 образованы, с одной стороны, между парами соседних периферических каналов, то есть (b)-(c), (d)-(e) и (f)-(g), и, с другой стороны, между центральным каналом (h) и периферическим каналом, не сообщающимся с другим каналом, то есть с каналом (а) в представленном примере. Эти свободные каналы или межсоединения 9, которые существуют в силу компоновки трехмерных структур, образуют проходы сообщения межу каналами, причем в представленном примере эти межсоединения 9 расположены поперечно относительно каналов.
В представленном примере эта компоновка трехмерных структур и межсоединений повторяется на разных сечениях пористой основы с равномерным шагом, меняясь по кругу на уровне межсоединений 9 между каналами. Так, на уровне сечения С-С пористой основы, которое следует за сечением В-В, если смотреть по направлению циркуляции обрабатываемой текучей среды (фиг. 9С), каналы (a)-(h) соединяются между собой, образуя свободные пространства или межсоединения 9 между каналами (a)-(g), (b)-(h), (c)-(d) и (e)-(f). Точно так же, на уровне сечения D-D пористой основы, которое следует за сечением С-С, принимая во внимание направление прохождения обрабатываемой текучей среды (фиг.9D), каналы (a)-(h) соединяются между собой, образуя свободные пространства или межсоединения 9 между каналами (a)-(b), (c)-(h), (d)-(e) и (f)-(g).
В представленном примере каналы (a)-(h) соединяются между собой между входом и выходом семь раз при помощи межсоединений 9 таким образом, что обрабатываемая текучая среда заходит через вход 4 и протекает по каждому из каналов до выхода 5. Каналы (a)-(h) и межсоединения 9 образуют вместе ряд взаимосвязанных контуров R1, R2,…, RK.
Разумеется, в пористой основе можно предусмотреть сеть с циркуляционными контурами в количестве, отличном от описанных контуров, и с межсоединениями, отличными от выбранных межсоединений. С этой же точки зрения в пористой основе можно выполнить несколько сетей взаимосвязанных контуров циркуляции, при этом контуры одной сети являются независимыми от контуров других сетей. Например, сепарационный элемент 1 может содержать первую сеть взаимосвязанных контуров, образованных каналами (а), (h), (e), (d), соединенными между собой на разных сечениях проходами 9 сообщения, вторую сеть взаимосвязанных контуров, образованных каналами (b) и (c), соединенными между собой по меньшей мере на одном и, как правило, на разных сечениях проходами 9 сообщения, и третью сеть взаимосвязанных контуров, образованных каналами (f) и (g), соединенными между собой по меньшей мере на одном и, как правило, на разных сечениях проходами 9 сообщения. Контуры каждой из этих трех сетей являются независимыми друг о друга, то есть не сообщаются между собой.
Разумеется, сеть может содержать большее или меньшее число циркуляционных контуров, соединяющихся между собой через межсоединения 9, повторяющиеся с равномерным или неравномерным шагом. Точно так же, циркуляционные контуры могут иметь самые разные формы и размеры. В примере осуществления, представленном на фиг. 9-9I, взаимосвязанные циркуляционные контуры содержат каналы (a)-(g) треугольного сечения, канал (h) имеет круглое сечение, и межсоединения 9 имеют круглое сечение. Понятно, что сечение каналов и межсоединений 9 может отличаться от сечений, указанных выше просто в качестве иллюстрации.
Из представленного выше описания следует, что элемент 1 тангенциальной сепарации имеет новую геометрию для сети циркуляции текучей среды, обеспечивающую постепенное и последовательное изменение гидравлических диаметров циркуляционных контуров. Эта новая геометрия для сети циркуляции текучей среды обеспечивает также радиальные и/или продольные разрывы в направлении прохождения текучей среды с целью повышения эффективности сепарационных элементов.
В рамках изобретения изготовление пористой основы и даже всего элемента тангенциальной сепарации осуществляют при помощи аддитивной технологии, описанной, например, в патентной заявке FR 3 006 606.
Изобретение не ограничивается описанными и представленными примерами, и в них можно вносить различные изменения, не выходя за рамки изобретения.