УПРАВЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ В СИСТЕМАХ ФИЛЬТРОВАНИЯ И СВЯЗАННЫЕ СПОСОБЫ
CONCENTRATION CONTROL IN FILTRATION SYSTEMS AND RELATED METHODS

СВЯЗАННЫЕ ЗАЯВКИ
По данной заявке испрашивают приоритет согласно 35 U.S.C. 119(e) относительно предварительной патентной заявки США с серийным № 62/080,675, поданной 17 ноября 2014 года и озаглавленной «Concentration Control in Filtration Systems, and Associated Methods», которая включена в настоящий документ посредством ссылки в полном объеме для всех целей.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
В целом описаны управление концентрацией в системах фильтрования и связанные способы.
ПРЕДПОСЫЛКИ
Разделение компонентов в начальной смеси является обыкновенной задачей, которую выполняют во многих отраслях промышленности. Фильтрование представляет собой один способ, который можно использовать для того, чтобы осуществлять такое разделение. Используют системы фильтрования, в которых впускной поток, содержащий смесь из двух или больше компонентов, транспортируют через среду для фильтрования, чтобы получать первый поток, транспортируемый через фильтр (в целом обозначаемый как поток пермеата, который обогащен компонентом, который более легко транспортируют через среду для фильтрования), и второй поток, который не транспортируют через фильтр (в целом обозначаемый как поток ретентата, который обогащают компонентом, который менее легко транспортируют через среду для фильтрования).
В некоторых случаях может быть сложно достигать эффективного разделения компонентов в начальной смеси с использованием систем фильтрования. Например, одна проблема, с которой сталкиваются в пивоваренной промышленности, состоит в эффективном использовании систем на основе фильтрования для того, чтобы концентрировать пиво, поскольку этанол в целом менее эффективно фильтруют из воды, чем растворенные соли. Кроме того, существующие коммерческие процессы для концентрирования такиз смесей в целом не эффективны как с точки зрения энергии, так и с точки зрения капитальных затрат.
Следовательно, желательны усовершенствованные системы и способы осуществления фильтрования.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ
В целом описаны управление концентрацией в системах фильтрования и связанные способы. Определенные варианты осуществления включают смешивание потоков со схожими концентрациями целевого минорного компонента и/или схожими осмотическими давлениями перед фильтрованием смеси. Некоторые варианты осуществления включают повторное использование выходного потока, образуемого фильтром, в подаваемом в фильтр потоке, где выходной поток и подаваемый в фильтр поток имеют схожие концентрации целевого минорного компонента и/или схожие осмотические давления. Объект настоящего изобретения включает, в некоторых случаях, взаимосвязанные продукты, альтернативные решения конкретной проблемы и/или множество различных использований одной или нескольких систем и/или изделий.
В соответствии с определенными вариантами осуществления предоставлен способ концентрирования минорного компонента подаваемой жидкости. Способ включает, в соответствии с определенными вариантами осуществления, установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования в первом фильтре, принимающем подаваемую жидкость, которая содержит основной компонент и минорный компонент, для того, чтобы получать первый пермеат, обогащенный основным компонентом по отношению к подаваемой жидкости, и первый ретентат, обогащенный минорным компонентом по отношению к подаваемой жидкости; установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования во втором фильтре, принимающем по меньшей мере часть первого пермеата, для того, чтобы получать второй пермеат, обогащенный основным компонентом по отношению к первому пермеату, и второй ретентат, обогащенный минорным компонентом по отношению к первому пермеату; установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования в третьем фильтре, принимающем по меньшей мере часть второго ретентата для того, чтобы получать третий пермеат, обогащенный основным компонентом по отношению ко второму ретентату, и третий ретентат, обогащенный минорным компонентом по отношению ко второму ретентату; и повторное использование по меньшей мере части третьего ретентата на стороне ретентата первого фильтра, и смешивание части третьего ретентата с по меньшей мере частью подаваемой жидкости. В некоторых таких вариантах осуществления минорный компонент присутствует в третьем ретентате с определенной массовой долей и минорный компонент присутствует в подаваемой жидкости с определенной массовой долей, и более низкая массовая доля минорного компонента в третьем ретентате и массовая доля минорного компонента в подаваемой жидкости составляет по меньшей мере приблизительно 0,5 от более высокой массовой доли минорного компонента в третьем ретентате и массовой доли минорного компонента в подаваемой жидкости.
В некоторых вариантах осуществления способ включает установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования в первом фильтре, принимающем подаваемую жидкость, которая содержит основной компонент и минорный компонент, для того, чтобы получать первый пермеат, обогащенный основным компонентом по отношению к подаваемой жидкости, и первый ретентат, обогащенный минорным компонентом по отношению к подаваемой жидкости; установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования во втором фильтре, принимающем по меньшей мере часть первого пермеата, для того, чтобы получать второй пермеат, обогащенный основным компонентом по отношению к первому пермеату, и второй ретентат, обогащенный минорным компонентом по отношению к первому пермеату; установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования в третьем фильтре, принимающем по меньшей мере часть второго ретентата для того, чтобы получать третий пермеат, обогащенный основным компонентом по отношению ко второму ретентату, и третий ретентат, обогащенный минорным компонентом по отношению ко второму ретентату; и повторное использование по меньшей мере части третьего ретентата на стороне ретентата первого фильтра и смешивание части третьего ретентата по меньшей мере с частью подаваемой жидкости. В некоторых таких вариантах осуществления, более низкое осмотическое давление третьего ретентата и осмотическое давление подаваемой жидкости составляет по меньшей мере приблизительно 0,5 от более высокого осмотического давления третьего ретентата и осмотического давления подаваемой жидкости.
Способ включает, в соответствии с определенными вариантами осуществления, установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования в первом фильтре, принимающем подаваемую жидкость, которая содержит основной компонент и минорный компонент, для того, чтобы получать первый пермеат, обогащенный основным компонентом по отношению к подаваемой жидкости, и первый ретентат, обогащенный минорным компонентом по отношению к подаваемой жидкости; установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования во втором фильтре, принимающем по меньшей мере часть первого пермеата, для того, чтобы получать второй пермеат, обогащенный основным компонентом по отношению к первому пермеату, и второй ретентат, обогащенный минорным компонентом по отношению к первому пермеату; установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования в третьем фильтре, принимающем по меньшей мере часть первого ретентата для того, чтобы получать третий пермеат, обогащенный основным компонентом по отношению к первому ретентату, и третий ретентат, обогащенный минорным компонентом по отношению к первому ретентату; и смешивание по меньшей мере части второго ретентата по меньшей мере с частью третьего пермеата. В некоторых таких вариантах осуществления, минорный компонент присутствует во втором ретентате с определенной массовой долей, и минорный компонент присутствует в третьем пермеате с определенной массовой долей, и более низкая массовая доля минорного компонента во втором ретентате и массовая доля минорного компонента в третьем пермеате составляет по меньшей мере приблизительно 0,5 от более высокой массовой доли минорного компонента во втором ретентате и массовой доли минорного компонента в третьем пермеате.
Способ включает, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования в первом фильтре, принимающем подаваемую жидкость, которая содержит основной компонент и минорный компонент, для того, чтобы получать первый пермеат, обогащенный основным компонентом по отношению к подаваемой жидкости, и первый ретентат, обогащенный минорным компонентом по отношению к подаваемой жидкости; установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования во втором фильтре, принимающем по меньшей мере часть первого пермеата, для того, чтобы получать второй пермеат, обогащенный основным компонентом по отношению к первому пермеату, и второй ретентат, обогащенный минорным компонентом по отношению к первому пермеату; установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования в третьем фильтре, принимающем по меньшей мере часть первого ретентата, для того, чтобы получать третий пермеат, обогащенный основным компонентом по отношению к первому ретентату, и третий ретентат, обогащенный минорным компонентом по отношению к первому ретентату; и смешивание по меньшей мере части второго ретентата по меньшей мере с частью третьего пермеата. В некоторых таких вариантах осуществления, более низкое осмотическое давление второго ретентата и осмотическое давление третьего пермеата составляет по меньшей мере приблизительно 0,5 от более высокого осмотического давления второго ретентата и осмотического давления третьего пермеата.
Определенные варианты осуществления относятся к системам фильтрования. В некоторых вариантах осуществления система фильтрования содержит первый фильтр, который содержит первую среду для фильтрования, определяющую сторону пермеата и сторону ретентата первого фильтра, сторону ретентата первого фильтра соединяют по текучей среде с подаваемым потоком; второй фильтр, который содержит вторую среду для фильтрования, определяющую сторону пермеата и сторону ретентата второго фильтра, сторону ретентата второго фильтра соединяют по текучей среде со стороной пермеата первого фильтра; третий фильтр, который содержит третью среду для фильтрования, определяющую сторону пермеата и сторону ретентата третьего фильтра, сторону ретентата третьего фильтра соединяют по текучей среде со стороной ретентата второго фильтра; и соединение по текучей среде между стороной ретентата третьего фильтра и стороной ретентата первого фильтра.
Система фильтрования содержит, в некоторых вариантах осуществления, первый фильтр, который содержит первую среду для фильтрования, определяющую сторону пермеата и сторону ретентата первого фильтра, сторону ретентата первого фильтра соединяют по текучей среде с подаваемым потоком; второй фильтр, который содержит вторую среду для фильтрования, определяющую сторону пермеата и сторону ретентата второго фильтра, сторону ретентата второго фильтра соединяют по текучей среде со стороной пермеата первого фильтра; третий фильтр, который содержит третью среду для фильтрования, определяющую сторону пермеата и сторону ретентата третьего фильтра, сторону ретентата третьего фильтра соединяют по текучей среде со стороной ретентата первого фильтра; и соединение по текучей среде между стороной ретентата второго фильтра и стороной пермеата третьего фильтра.
Другие преимущества и новые признаки настоящего изобретения будут видны из следующего подробного описания различных неограничивающих вариантов осуществления изобретения при рассмотрении в сочетании с сопроводительными фиг. В случаях, когда данное описание и документ, включенный по ссылке, содержат конфликтующее и/или противоречащее раскрытие, данное описание имеет приоритет.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
Неограничивающие варианты осуществления настоящего изобретения описаны в качестве примера со ссылкой на сопроводительные фиг., которые являются схематическими и не предназначены для выполнения с соблюдением масштаба. На фиг. каждый проиллюстрированный идентичный или почти идентичный компонент типично представлен с помощью одного номера позиции. В целях прозрачности, не каждый компонент помечен на каждой фиг. и показан не каждый компонент каждого варианта осуществления изобретения, где иллюстрация не необходима для того, чтобы сделать позволить средним специалистам в данной области понять изобретение. На фиг.:
на фиг. 1 представлена образцовая схематическая иллюстрация фильтра, который можно использовать совместно с определенными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе;
на фиг. 2, в соответствии с определенными вариантами осуществления, представлена схематическая иллюстрация системы фильтрования, которая включает повторно используемый поток;
на фиг. 3 представлена схематическая иллюстрация системы фильтрования, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, в которой смешивают потоки продукта фильтра;
на фиг. 4 представлена образцовая схематическая иллюстрация системы фильтрования в соответствии с определенными вариантами осуществления;
на фиг. 5, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, представлена схематическая иллюстрация системы фильтрования;
на фиг. 6 представлена схематическая иллюстрация системы фильтрования в соответствии с определенными вариантами осуществления; и
на фиг. 7 представлена схематическая иллюстрация образцовой системы фильтрования в соответствии с определенными вариантами осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
В целом описаны управление концентрацией в системах фильтрования и связанные способы. В определенных вариантах осуществления потоки, происходящие из фильтров выше по потоку и имеющие схожие концентрации целевого минорного компонента и/или схожие осмотические давления, можно смешивать и впоследствии фильтровать в дополнительных фильтрах. Определенные варианты осуществления включают повторное использование выходного потока, полученного посредством фильтра, в подаваемом в фильтр потоке, где выходной поток и подаваемый в фильтр поток имеют схожие концентрации целевого минорного компонента и/или схожие осмотические давления. Такое стратегическое смешивание и/или повторное использование может снижать количество энергии и/или количество площади поверхности среды для фильтрования, необходимые для того, чтобы достигать желаемой концентрации целевого минорного компонента в потоке конечного продукта.
Определенные варианты осуществления, описанные в настоящем документе, можно использовать в системах фильтрования и/или способа, где среда для фильтрования проницаема для множества компонентов во впускной смеси. В качестве одного неограничивающего примера мембраны обратного осмоса типично по меньшей мере частично проницаемы для этанола, в дополнение к воде. Соответственно, в некоторых таких случаях, когда смеси, содержащие воду и этанол, обрабатывают с использованием систем обратного осмоса, как этанол, так и воду транспортируют через мембрану обратного осмоса, что ведет к неполному разделению этанола и воды пермеата. Такое поведение отличается от поведения, типично наблюдаемого в системах обратного осмоса, в которых растворенные соли отделяют от растворителей (например, воды), где часто достигают по существу полного разделения между водой пермеата и растворенной солью. Неполное фильтрование этанола из воды может вести к проблемам при получении концентратов этанол-содержащих смесей (например, пива, вина, спиртных напитков и т. п.). Определенные, хотя не обязательно все, варианты осуществления, описанные в настоящем документе, можно благоприятно использовать в определенных таких системах для того, чтобы снижать количество энергии и/или количество площади поверхности среды для фильтрования, которое необходимо для того, чтобы осуществлять желаемый процесс концентрирования, как описано более подробно далее.
Определенные варианты осуществления включают использование фильтров для того, чтобы концентрировать минорный компонент подаваемой жидкости, которая содержит минорный компонент и основной компонент. Термин «основной компонент» в целом используют в настоящем документе для того, чтобы описывать самый обильный компонент - по массовой доле (% масс.) -смеси в подаваемой жидкости. «Минорными компонентами» являются все компоненты смеси, которые не являются основным компонентом.
В некоторых вариантах осуществления имеет место единственный минорный компонент в смеси подаваемой жидкости. Например, в смеси, которая представляет собой 60% масс. воды и 40% масс. этанола, вода будет основным компонентом и этанол будет (единственным) минорным компонентом.
В других вариантах осуществления множество минорных компонентов может присутствовать в смеси подаваемой жидкости. Например, в смеси, которая представляет собой 45% масс. воды, 30% масс. этанола и 25% масс. метанола, вода будет основным компонентом, а этанол и метанол оба будут минорными компонентами.
В соответствии с определенными вариантами осуществления, подаваемая жидкость может содержать «целевой минорный компонент». В целом, целевой минорный компонент соответствует минорному компоненту в подаваемой жидкости, с возможностью концентрирования которого выполнена система фильтрования. В подаваемых жидкостях, содержащих только основной компонент и минорный компонент, целевой минорный компонент по умолчанию представляет собой единственный минорный компонент. В случаях, когда подаваемый поток содержит множество минорных компонентов, любой из минорных компонентов может представлять собой целевой минорный компонент. В определенных вариантах осуществления целевой минорный компонент соответствует второму наиболее избыточному компоненту в подаваемой жидкости, по массовой доле (который соответствует наиболее избыточному из минорных компонентов в подаваемой жидкости, по массовой доле). Например, в некоторых вариантах осуществления подаваемая жидкость содержит воду в качестве основного компонента, этанол в качестве наиболее избыточного минорного компонента, и дополнительный минорный компонент, который является менее избыточным, чем этанол, и целевым минорным компонентом является этанол.
Как описано более подробно далее, различные подходящие фильтры можно использовать совместно с системами и способами, описанными в настоящем документе. На фиг. 1 представлена схематическая иллюстрация в сечении образцового фильтра 101, которую можно использовать совместно с определенными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе. Фильтр 101 содержит среду 106 для фильтрования. Среда для фильтрования может определять у фильтра сторону пермеата и сторону ретентата. Например, на фиг. 1, среда 106 для фильтрования разделяет фильтр 101 на сторону 102 ретентата (на которую транспортируют входящую подаваемую жидкость) и сторону 104 пермеата. Среда для фильтрования может позволять по меньшей мере одному компоненту (например, основному компоненту) входящей подаваемой жидкости (которая может содержать смесь основного компонента и по меньшей мере одного минорного компонента) проходить через среду для фильтрования в большей степени, чем по меньшей мере один другой компонент (например, минорный компонент, такой как целевой минорный компонент) входящей жидкой смеси.
R
P
Во время работы разность гидравлического давления можно устанавливать на протяжении среды для фильтрования внутри фильтра. Разность гидравлического давления можно устанавливать на протяжении среды для фильтрования так, что манометрическое давление на стороне ретентата фильтра (P) превышает манометрическое давление на стороне пермеата фильтра (P). В некоторых случаях разность гидравлического давления можно устанавливать на протяжении среды для фильтрования посредством прикладывания положительного давления к стороне ретентата фильтра. Например, со ссылкой на фиг. 1, разность гидравлического давления можно устанавливать на протяжении среды 106 для фильтрования посредством прикладывания положительного давления к стороне 102 ретентата фильтра 101. Положительное давление можно прикладывать, например, с использованием насоса, потока газа под давлением или какого-либо другого подходящего устройства создания давления. В некоторых случаях, разность гидравлического давления можно устанавливать на протяжении среды для фильтрования посредством прикладывания отрицательного давления к стороне пермеата фильтра. Со ссылкой на фиг. 1, например, разность гидравлического давления можно устанавливать на протяжении среды 106 для фильтрования посредством прикладывания отрицательного давления к стороне 104 пермеата фильтра 101. Отрицательное давление можно прикладывать, например, посредством создания вакуума на стороне пермеата фильтра. В некоторых случаях, прикладываемая разность гидравлического давления внутри фильтра может варьировать в пространстве. В некоторых таких вариантах осуществления прикладываемая разность гидравлического давления внутри фильтра является однородной в пределах 5 бар.
E
Установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования может создавать первый пермеат, обогащенный основным компонентом по отношению к подаваемой жидкости, и первый ретентат, обогащенный минорным компонентом (например, целевым минорным компонентом) по отношению к подаваемой жидкости. Например, на фиг. 1, подаваемую жидкость, содержащую основной компонент и минорный компонент (например, целевой минорный компонент), можно транспортировать на фильтр 101 через подаваемую жидкость 108. В определенных вариантах осуществления разность гидравлического давления устанавливают на протяжении среды 106 для фильтрования так, что гидравлическое давление снижается от стороны 102 ретентата фильтра 101 к стороне 104 пермеата фильтра 101. Устанавливаемую разность гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования (ΔP) можно выражать как:
R
P
R
P
где P представляет собой манометрическое давление на стороне ретентата фильтра и P представляет собой манометрическое давление на стороне пермеата фильтра. В целом, каждая из жидких смесей в фильтре будет иметь осмотическое давление, связанное с ними. Например, жидкость на стороне ретентата фильтра в целом будет иметь осмотическое давление Π, а жидкость на стороне пермеата фильтра в целом будет иметь осмотическое давление Π. Соответственно, разность осмотического давления на протяжении среды для фильтрования (ΔΠ) можно выражать как:
В определенных вариантах осуществления, когда установленная разность гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования превышает разность осмотического давления на протяжении среды для фильтрования, один или несколько компонентов подаваемой жидкости транспортируют на протяжении среды для фильтрования. Такое поведение известно тем, кто знаком с феноменом обратного осмоса.
R
P
На практике, способы фильтрования, в соответствии с определенными вариантами осуществления, могут продолжаться подачей жидкой смеси, которая относительно разбавлена в целевом минорном компоненте, на сторону 102 ретентата фильтра 101. Сторона 102 ретентата фильтра 101 может иметь манометрическое давление (P) в достаточном избытке относительно манометрического давления (P) на стороне 104 пермеата фильтра 101, чтобы проталкивать по меньшей мере часть основного компонента через среду 106 для фильтрования, при этом удерживая достаточное количество целевого минорного компонента на стороне 102 ретентата, так что концентрация целевого минорного компонента на стороне 102 ретентата фильтра 101 возрастает выше концентрации целевого минорного компонента в подаваемой жидкости 108. На фиг. 1, например, установление разности гидравлического давления на протяжении среды 106 для фильтрования может создавать первый пермеат 114, обогащенный основным компонентом по отношению к подаваемой жидкости 108, и первый ретентат 112, обогащенный минорным компонентом (например, целевым минорным компонентом) по отношению к подаваемой жидкости 108. Процес фильтрования можно продолжать до тех пор, пока не достигают желаемой концентрации целевого минорного компонента.
Во многих традиционных системах фильтрования на основе давления (таких как системы обратного осмоса), транспортировка минорных компонентов через среду для фильтрования ограничена так, что достигают высокой степени разделения между основным компонентом и минорным компонентом(компонентами) жидкой смеси, подаваемой в фильтр. Указывают, что такие системы достигают высоких уровней задерживания минорного компонента(компонентов). Уровень задерживания конкретной среды для фильтрования в отношении конкретного минорного компонента можно выражать в виде процентной доли (также обозначаемой в настоящем документе как «процентная доля задерживания», описанной более подробно далее).
Хотя среды для фильтрования многих систем фильтрования на основе соли способны достигать высоких процентных долей задерживания во время работы, среды для фильтрования систем фильтрования, используемых для того, чтобы концентрировать минорные компоненты других типов, часто не могут достигать таких высоких процентных долей задерживания. Например, когда не заряженные низкомолекулярные соединения, такие как этанол, используют в качестве минорных компонентов, процентные доли задерживания могут быть достаточно низкими. Таким образом, относительно большие количества таких минорных компонентов можно транспортировать - наряду с основным компонентом - через среду для фильтрования во время работы. Это ведет к относительно плохому разделению и может затруднять достижение высоких концентраций минорного компонента в потоке ретентата без образования существенных количеств утраченного минорного компонента в потоке пермеата.
Один путь возврата минорного компонента(компонентов), который перенесен через среду для фильтрования, состоит в том, чтобы подвергать поток пермеата дополнительному фильтрованию для того, чтобы получать дополнительные потоки ретентата и пермеата. Однако, такие стратегии часто требуют большого числа фильтров и, следовательно, являются сложными и дорогостоящими в реализации.
Определенные варианты осуществления настоящего изобретения относятся к признанию того, что системы, содержащие множество фильтров можно выполнять с возможностью и/или приводить в действие таким образом, что когда потоки смешивают, осмотические давления смешанных потоков схожи. Обеспечивая то, что смешанные потоки имеют схожие осмотические давления, можно снижать общее количество энергии, необходимой для того, чтобы достигать желаемого уровня концентрирования, поскольку можно избегать излишних разбавлений концентрированных потоков. Неожиданно, такие стратегии также позволяют снижать число стадий фильтрования, необходимых для того, чтобы достигать конечной целевой концентрации пермеата.
Один путь, в котором такое стратегическое управление концентрацией можно использовать, опосредован повторным использованием потоков ниже по потоку от фильтр выше по потоку обратно в подаваемом веществе фильтра выше по потоку. В некоторых вариантах осуществления система фильтрования содержит первый фильтр, который содержит первую среду для фильтрования, определяющую стороную пермеата и сторону ретентата первого фильтра. В некоторых вариантах осуществления сторону ретентата первого фильтра можно соединять по текучей среде с подаваемым потоком. Подаваемый поток может содержать, например, жидкую смесь, которая содержит основной компонент и по меньшей мере один минорный компонент (один из которых может представлять собой целевой минорный компонент). На фиг. 2 представлена схематическая иллюстрация одной такой образцовой системы 200 фильтрования. В образцовом варианте осуществления с фиг. 2 первый фильтр 201A может содержать первую среду 206A для фильтрования, которая может определять сторону 204A пермеата и сторону 202A ретентата первого фильтра 201A. В образцовом варианте осуществления с фиг. 2, сторону 202A ретентата первого фильтра 201A соединяют по текучей среде с подаваемым потоком 208. Подаваемый поток 208 может содержать жидкую смесь, которая содержит основной компонент и один или несколько минорных компонентов (один из которых может представлять собой целевой минорный компонент).
В соответствии с определенными вариантами осуществления, система фильтрования содержит второй фильтр, который содержит вторую среду для фильтрования, определяющую сторону пермеата и сторону ретентата второго фильтра. В некоторых вариантах осуществления сторону ретентата второго фильтра соединяют по текучей среде со стороной пермеата первого фильтра. Например, в образцовом варианте осуществления с фиг. 2, система 200 фильтрования содержит второй фильтр 201B, который содержит вторую среду 206B для фильтрования, определяющую сторону 204B пермеата и сторону 202B ретентата фильтра 201B. На фиг. 2 сторону 202B ретентата второго фильтра 201B соединяют по текучей среде со стороной 204A пермеата первого фильтра 201A через поток 214A.
В некоторых вариантах осуществления система фильтрования содержит третий фильтр, который содержит третью среду для фильтрования, определяющую сторону пермеата и сторону ретентата третьего фильтра. В некоторых вариантах осуществления сторону ретентата третьего фильтра соединяют по текучей среде со стороной ретентата второго фильтра. Например, в образцовом варианте осуществления с фиг. 2, система 200 фильтрования содержит третий фильтр 201C, который содержит третью среду 206C для фильтрования, определяющую сторону 204C пермеата и сторону 202C ретентата фильтра 201C. На фиг. 2 сторону 202C ретентата третьего фильтра 201C соединяют по текучей среде со стороной 202B ретентата второго фильтра 201B через поток 212B.
В некоторых вариантах осуществления система фильтрования содержит соединение по текучей среде между стороной ретентата третьего фильтра и стороной ретентата первого фильтра. Такое соединение можно выполнять, например, посредством соединения повторно используемого потока со стороной ретентата третьего фильтра и стороной ретентата первого фильтра. Например, в неограничивающем варианте осуществления с фиг. 2, система 200 фильтрования содержит поток 212C, который по текучей среде соединяет сторону 202C ретентата третьего фильтра 201C со стороной 202A ретентата первого фильтра 201A. Хотя в образцовом варианте осуществления с фиг. 2 представлен поток 212C, который сливают с подаваемой жидкостью 208 перед транспортировкой в сторону 202A ретентата фильтра 201A, в других вариантах осуществления поток 212C и 208 можно транспортировать отдельно (например, через отдельные впуски) на сторону 202A ретентата фильтра 201A.
Соединения по текучей среде между фильтрами можно выполнять с использованием любого подходящего соединителя (например, трубы, трубки, шланга и т. п.). В определенных вариантах осуществления соединения по текучей среде между фильтрами можно выполнять с использованием закрытого трубопровода, способного выдерживать гидравлическое давление, прикладываемое к текучим веществам в трубопроводе, по существу без утечки.
Хотя прямые соединения по текучей среде проиллюстрированы в образцовом варианте осуществления с фиг. 2, следует понимать, что непрямые соединения по текучей среде также возможны. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления сторону пермеата первого фильтра и сторону ретентата второго фильтра можно соединять непосредственно по текучей среде, например, так, что фильтры не соединяют по текучей среде между стороной пермеата первого фильтра и стороной ретентата второго фильтра. В других вариантах осуществления первый и второй фильтры можно соединять опосредованно по текучей среде, например, так, что один или несколько промежуточных фильтров соединяют по текучей среде между стороной пермеата первого фильтра и стороной ретентата второго фильтра. В некоторых вариантах осуществления сторону ретентата второго фильтра и сторону ретентата третьего фильтра можно соединять непосредственно по текучей среде, например, так, что фильтры не соединяют по текучей среде между стороной ретентата второго фильтра и стороной ретентата третьего фильтра. В других вариантах осуществления второй и третий фильтры можно соединять опосредованно по текучей среде, например, так, что один или несколько промежуточных фильтров соединяют по текучей среде между стороной ретентата второго фильтра и стороной ретентата третьего фильтра.
В некоторых вариантах осуществления, где отдельные фильтры описаны в настоящем документе, отдельный фильтр можно заменять на множество фильтров, соединенных по текучей среде параллельно. Например, со ссылкой на фиг. 2, фильтр 201A (и/или фильтр 201B и/или фильтр 201C), в соответствии с определенными вариантами осуществления, можно заменять на множество фильтров, соединенных по текучей среде параллельно. Аналогичным образом, на фиг. 3 и/или фиг. 4, фильтр 301A (и/или фильтр 301B, фильтр 301C и/или фильтр 301D), в соответствии с определенными вариантами осуществления, можно заменять на множество фильтров, соединенных по текучей среде параллельно.
Образцовые системы фильтрования, в которых применяют стратегическое повторное использование, могут действовать следующим образом. Некоторые варианты осуществления включают установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования в первом фильтре, принимающем подаваемую жидкость, которая содержит основной компонент и минорный компонент (например, целевой минорный компонент), для того, чтобы получать первый пермеат, обогащенный основным компонентом по отношению к подаваемой жидкости, и первый ретентат, обогащенный минорным компонентом по отношению к подаваемой жидкости. Например, со ссылкой на образцовый вариант осуществления с фиг. 2, жидкий подаваемый поток 208 можно транспортировать в первый фильтр 201A. Разность гидравлического давления можно прикладывать на протяжении среды 206A для фильтрования первого фильтра 201A. Установление разности гидравлического давления на протяжении среды 206A для фильтрования может вести по меньшей мере к тому, что часть основного компонента транспортируют через среду 206A для фильтрования. Соответственно, в некоторых таких вариантах осуществления, установление разности гидравлического давления на протяжении среды 206A для фильтрования позволяет получать пермеат 214A, который обогащают основным компонентом по отношению к подаваемой жидкости 208. Кроме того, установление разности гидравлического давления на протяжении среды 206A для фильтрования позволяет получать ретентат 212A, который обогащают минорным компонентом (например, целевым минорным компонентом) по отношению к подаваемой жидкости 208.
Определенные варианты осуществления включают установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования во втором фильтре, принимающем по меньшей мере часть (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) первого пермеата для того, чтобы получать второй пермеат, обогащенный основным компонентом по отношению к первому пермеату, и второй ретентат, обогащенный минорным компонентом (например, целевым минорным компонентом) по отношению к первому пермеату. Например, в образцовом варианте осуществления с фиг. 2, по меньшей мере часть (или, в некоторых вариантах осуществления весь) пермеата 214A из первого фильтра 201A можно транспортировать на сторону 202B ретентата второго фильтра 201B. Разность гидравлического давления можно устанавливать на протяжении среды 206B для фильтрования второго фильтра 201B. Установление разности гидравлического давления на протяжении среды 206B для фильтрования может вести по меньшей мере к тому, что часть основного компонента транспортируют через среду 206B для фильтрования. Соответственно, в некоторых таких вариантах осуществления, установление разности гидравлического давления на протяжении среды 206B для фильтрования позволяет получать второй пермеат 214B, который обогащают основным компонентом по отношению к первому пермеату 214A. Кроме того, установление разности гидравлического давления на протяжении среды 206B для фильтрования позволяет получать второй ретентат 212B, который обогащают минорным компонентом (например, целевым минорным компонентом) по отношению к первому пермеату 214A.
Определенный вариант осуществления включает установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования в третьем фильтре, принимающем по меньшей мере часть (или, в некоторых вариантах осуществления весь) второго ретентата, для того, чтобы получать третий пермеат, обогащенный основным компонентом по отношению ко второму ретентату, и третий ретентат, обогащенный минорным компонентом (например, целевым минорным компонентом) по отношению ко второму ретентату. Например, в образцовом варианте осуществления с фиг. 2, по меньшей мере часть второго ретентата 212B из второго фильтра 201B можно транспортировать в третий фильтр 201C. Разность гидравлического давления можно устанавливать на протяжении среды 206C для фильтрования третьего фильтра 201C. Установление разности гидравлического давления на протяжении среды 206C для фильтрования может вести по меньшей мере к тому, что часть основного компонента транспортируют через среду для фильтрования. Соответственно, в некоторых таких вариантах осуществления, установление разности гидравлического давления на протяжении среды 206C для фильтрования позволяет получать третий пермеат 214C, который обогащают основным компонентом по отношению ко второму ретентату 212B. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления установление разности гидравлического давления на протяжении среды 206C для фильтрования позволяет получать третий ретентат 212C, который обогащают минорным компонентом (например, целевым минорным компонентом) по отношению ко второму ретентату 212B.
Определенные варианты осуществления включают повторное использование по меньшей мере части (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) третьего ретентата на стороне ретентата первого фильтра и смешивание части третьего ретентата по меньшей мере с частью подаваемой жидкости. Например, в образцовом варианте осуществления с фиг. 2, по меньшей мере часть (или, в некоторых вариантах осуществления, весь) третьего ретентата 212C из третьего фильтра 201C можно транспортировать на сторону 202A ретентата первого фильтра 201A. Часть третьего ретентата 212C из третьего фильтра 201C, которую транспортируют на первый фильтр 201A, можно смешивать с подаваемой жидкостью 208, например, до, во время или после их попадания на сторону 202A ретентата первого фильтра 201A. В некоторых таких вариантах осуществления, смесь подаваемой жидкости 208 и повторно используемую часть третьего ретентата 212C можно подвергать фильтрованию в первом фильтре 201A для того, чтобы получать первый пермеат 214A и первый ретентат 212A, например, когда система 200 действует в качестве непрерывного процесса (например, в качестве стационарного непрерывного процесса).
В определенных вариантах осуществления массовая доля минорного компонента(компонентов) (например, целевого минорного компонента) в третьем ретентате (например, потоке 212C на фиг. 2) и массовая доля минорного компонента(компонентов) (например, целевого минорного компонента) в подаваемой жидкости (например, потоке 208 на фиг. 2) относительно близки. Удерживая концентрации целевых минорных компонентов этих потоков относительно близкими, их осмотические давления можно удерживать относительно близкими, что, в свою очередь, позволяет снижать количество энергии, расходуемой во время последующих стадий фильтрования. В соответствии с определенными вариантами осуществления, более низкая массовая доля целевого минорного компонента в третьем ретентате и массовая доля целевого минорного компонента в подаваемой жидкости составляет по меньшей мере приблизительно 0,5, по меньшей мере приблизительно 0,75, по меньшей мере приблизительно 0,9, по меньшей мере приблизительно 0,95, по меньшей мере приблизительно 0,98 или по меньшей мере приблизительно 0,99 от более высокой массовой доли целевого минорного компонента в третьем ретентате и массовой доли целевого минорного компонента в подаваемой жидкости.
В качестве образцовой иллюстрации описанного выше сравнения, третий ретентат может содержать целевой минорный компонент в количестве 5,0% масс. и подаваемая жидкость может содержать целевой минорный компонент в количестве 2,5% масс. В таком случае, более высокая массовая доля целевого минорного компонента в третьем ретентате и массовая доля целевого минорного компонента в подаваемой жидкости будет составлять 5,0% масс. (соответствует массовой доле целевого минорного компонента в третьем ретентате). Кроме того, в таком случае, более низкая массовая доля целевого минорного компонента в третьем ретентате и массовая доля целевого минорного компонента в подаваемой жидкости будет составлять 2,5% масс. (соответствует массовой доле целевого минорного компонента в подаваемой жидкости). В этом случае более низкая массовая доля целевого минорного компонента в третьем ретентате и массовая доля целевого минорного компонента в подаваемой жидкости (2,5% масс.) составляет 0,5 от более высокой массовой доли целевого минорного компонента в третьем ретентате и массовой доли целевого минорного компонента в подаваемой жидкости (5,0% масс.) (т. е., 2,5% масс. составляет 0,5 от 5,0% масс.).
В определенных вариантах осуществления осмотическое давление третьего ретентата (например, потока 212C на фиг. 2) и осмотическое давление подаваемой жидкости (например, потока 208 на фиг. 2) относительно близки. В соответствии с определенными вариантами осуществления, более низкое осмотическое давление третьего ретентата и осмотическое давление подаваемой жидкости по меньшей мере приблизительно 0,5, по меньшей мере приблизительно 0,75, по меньшей мере приблизительно 0,9, по меньшей мере приблизительно 0,95, по меньшей мере приблизительно 0,98 или по меньшей мере приблизительно 0,99 от более высокого осмотического давления третьего ретентата и осмотического давления подаваемой жидкости.
Другой путь, в котором стратегическое смешивание можно использовать в определенных системах фильтрования, описанных в настоящем документе, опосредован смешиванием выходных потоков из множества фильтров для последующего фильтрования в фильтре ниже по потоку. На фиг. 3 представлена схематическая иллюстрация образцовой системы 300 фильтрования, в которой используют такую стратегию смешивания. В некоторых вариантах осуществления система фильтрования содержит первый фильтр, который содержит первую среду для фильтрования, определяющую сторону пермеата и сторону ретентата первого фильтра. В некоторых таких вариантах осуществления, сторону ретентата первого фильтра можно соединять по текучей среде с подаваемой жидкостью. Например, в образцовом варианте осуществления с фиг. 3, система 300 содержит первый фильтр 301A, который содержит первую среду для фильтрования 306A определяющую сторону 304A пермеата и сторону 302A ретентата первого фильтра 301A. На фиг. 3, сторону 302A ретентата первого фильтра 301A соединяют по текучей среде с подаваемой жидкостью 308. Подаваемый поток 308 может содержать жидкую смесь, содержащую основной компонент и один или несколько минорных компонентов (один из которых может представлять собой целевой минорный компонент).
В некоторых вариантах осуществления система фильтрования содержит второй фильтр, который содержит вторую среду для фильтрования, определяющую сторону пермеата и сторону ретентата второго фильтра. В некоторых вариантах осуществления сторону ретентата второго фильтра соединяют по текучей среде со стороной пермеата первого фильтра. Например, в образцовом варианте осуществления с фиг. 3, система 300 содержит второй фильтр 301B, который содержит вторую среду для фильтрования 306B, определяющую сторону 304B пермеата и сторону 302B ретентата второго фильтра 301B. На фиг. 3, сторону 302B ретентата второго фильтра 301B соединяют по текучей среде со стороной 304A пермеата первого фильтра 301A через поток 314A.
В соответствии с определенными вариантами осуществления, система фильтрования содержит третий фильтр, который содержит третью среду для фильтрования, определяющую сторону пермеата и сторону ретентата третьего фильтра. В некоторых вариантах осуществления сторону ретентата третьего фильтра соединяют по текучей среде со стороной ретентата первого фильтра. Например, в неограничивающем варианте осуществления с фиг. 3, система 300 содержит третий фильтр 301C, который содержит третью среду для фильтрования 306C, определяющую сторону 304C пермеата и сторону 302C ретентата третьего фильтра 301C. На фиг. 3, сторону 302C ретентата третьего фильтра 301C соединяют по текучей среде со стороной 302A ретентата первого фильтра 301A через поток 312A.
В определенных вариантах осуществления система фильтрования содержит соединение по текучей среде между стороной ретентата второго фильтра и стороной пермеата третьего фильтра. Например, в образцовом варианте осуществления с фиг. 3, система 300 фильтрования содержит потоки 312B и 314C, которые по текучей среде соединяют сторону 302B ретентата второго фильтра 201B со стороной 304C пермеата третьего фильтра 301C.
Хотя прямые соединения по текучей среде проиллюстрированы в образцовом варианте осуществления с фиг. 3, следует понимать, что непрямые соединения по текучей среде также возможны. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления сторону пермеата первого фильтра и сторону ретентата второго фильтра можно соединять непосредственно по текучей среде, например, так, что фильтры не соединяют по текучей среде между стороной пермеата первого фильтра и стороной ретентата второго фильтра. В других вариантах осуществления сторону пермеата первого фильтра и сторону ретентата второго фильтра можно соединять опосредованно по текучей среде, например, так, что один или несколько промежуточных фильтров соединяют по текучей среде между стороной пермеата первого фильтра и стороной ретентата второго фильтра. В некоторых вариантах осуществления сторону ретентата второго фильтра и сторону пермеата третьего фильтра можно соединять непосредственно по текучей среде, например, так, что фильтры не соединяют по текучей среде между стороной ретентата второго фильтра и стороной пермеата третьего фильтра. В других вариантах осуществления сторону ретентата второго фильтра и сторону пермеата третьего фильтра можно соединять опосредованно по текучей среде, например, так, что один или несколько промежуточных фильтров соединяют по текучей среде между стороной ретентата второго фильтра и стороной пермеата третьего фильтра.
Образцовая система фильтрования, в которой применяют стратегическое смешивание, может работать следующим образом. Некоторые варианты осуществления включают установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования в первом фильтре, принимающем подаваемую жидкость, которая содержит основной компонент и минорный компонент (например, целевой минорный компонент), для того, чтобы получать первый пермеат, обогащенный основным компонентом по отношению к подаваемой жидкости, и первый ретентат, обогащенный минорным компонентом (например, целевым минорным компонентом) по отношению к подаваемой жидкости. Например, со ссылкой на образцовый вариант осуществления с фиг. 3, жидкий подаваемый поток 308 можно транспортировать на первый фильтр 301A. Разность гидравлического давления можно устанавливать на протяжении среды для фильтрования 306A первого фильтра 301A. Установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования 306A может вести по меньшей мере к тому, что часть основного компонента транспортируют через среду для фильтрования 306A. Соответственно, в некоторых таких вариантах осуществления, установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования 306A позволяет получать пермеат 314A, который обогащают основным компонентом по отношению к подаваемой жидкости 308. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования 306A позволяет получать ретентат 312A, который обогащают минорным компонентом (например, целевым минорным компонентом) по отношению к подаваемой жидкости 308.
Определенные варианты осуществления включают установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования во втором фильтре, принимающем по меньшей мере часть (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) первого пермеата для того, чтобы получать второй пермеат, обогащенный основным компонентом по отношению к первому пермеату, и второй ретентат, обогащенный минорным компонентом (например, целевым минорным компонентом) по отношению к первому пермеату. Например, в образцовом варианте осуществления с фиг. 3, по меньшей мере часть (или, в некоторых вариантах осуществления, весь) первого пермеата 314A из первого фильтра 301A можно транспортировать на сторону 302B ретентата второго фильтра 301B. Разность гидравлического давления можно устанавливать на протяжении среды для фильтрования 306B второго фильтра 301B. Установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования 306B может вести по меньшей мере к тому, что часть основного компонента транспортируют через среду для фильтрования 306B. Соответственно, в некоторых таких вариантах осуществления, установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования 306B позволяет получать второй пермеат 314B, который обогащают основным компонентом по отношению к первому пермеату 314A. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования 306B позволяет получать второй ретентат 312B, который обогащают минорным компонентом (например, целевым минорным компонентом) по отношению к первому пермеату 314A.
Некоторые варианты осуществления включают установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования в третьем фильтре, принимающем по меньшей мере часть (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс или 100% масс.) первого ретентата для того, чтобы получать третий пермеат, обогащенный основным компонентом по отношению к первому ретентату, и третий ретентат, обогащенный минорным компонентом (например, целевым минорным компонентом) по отношению к первому ретентату. Например, в образцовом варианте осуществления с фиг. 3, по меньшей мере часть первого ретентата 312A из первого фильтра 301A можно транспортировать на третий фильтр 301C. Разность гидравлического давления можно устанавливать на протяжении среды для фильтрования 306C третьего фильтра 301C. Установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования 306C может вести по меньшей мере к тому, что часть основного компонента транспортируют на протяжении среды для фильтрования 306C. Соответственно, в некоторых таких вариантах осуществления, установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования 306C позволяет получать третий пермеат 314C, который обогащают основным компонентом по отношению к первому ретентату 312A. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования 306C позволяет получать третий ретентат 312C, который обогащают минорным компонентом (например, целевым минорным компонентом) по отношению к первому ретентату 312A.
Определенные варианты осуществления включают смешивание по меньшей мере части второго ретентата (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс. второго ретентата) с по меньшей мере частью третьего пермеата (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс. третьего пермеата). Например, в образцовом варианте осуществления с фиг. 3, по меньшей мере часть второго 312B ретентата из второго фильтра 301B можно смешивать с по меньшей мере частью третьего пермеата 314C в смесительном участке 350. В определенных вариантах осуществления смесительный участок 350 может соответствовать сочленению трубопроводов, как проиллюстрировано на фиг. 3. В некоторых вариантах осуществления смесительный участок 350 может содержаться в стороне ретентата такого фильтра ниже по потоку, как четвертый фильтр 301D, представленный на фиг. 4 и описанный более подробно далее.
В определенных вариантах осуществления массовая доля минорного компонента(компонентов) (например, целевого минорного компонента) во втором ретентате (например, потоке 312B на фиг. 3) и массовая доля минорного компонента(компонентов) (например, целевого минорного компонента) в третьем пермеате (например, потоке 314C на фиг. 3) относительно близки. Удерживая концентрации минорных компонентов этих потоков относительно близко, их осмотические давления можно удерживать относительно близко, что, в свою очередь, позволяет снижать количество энергии, расходуемой во время последующего фильтрования. В соответствии с определенными вариантами осуществления, более низкая массовая доля целевого минорного компонента во втором ретентате и массовая доля целевого минорного компонента в третьем пермеате составляет по меньшей мере приблизительно 0,5, по меньшей мере приблизительно 0,75, по меньшей мере приблизительно 0,9, по меньшей мере приблизительно 0,95, по меньшей мере приблизительно 0,98 или по меньшей мере приблизительно 0,99 от более высокой массовой доли целевого минорного компонента во втором ретентате и массовой доли целевого минорного компонента в третьем пермеате.
В качестве образцовой иллюстрации описанного выше сравнения, второй ретентат может содержать целевой минорный компонент в количестве 5,0% масс. и третий пермеат может содержать целевой минорный компонент в количестве 2,5% масс. В таком случае, более высокая массовая доля целевого минорного компонента во втором ретентате и массовая доля целевого минорного компонента в третьем пермеате будут составлять 5,0% масс. (соответствует массовой доле целевого минорного компонента во втором ретентате). Кроме того, в таком случае, более низкая массовая доля целевого минорного компонента во втором ретентате и массовая доля целевого минорного компонента в третьем пермеате будет составлять 2,5% масс. (соответствует массовой доле целевого минорного компонента в третьем пермеате). В этом случае, более низкая массовая доля целевого минорного компонента во втором ретентате и массовая доля целевого минорного компонента в третьем пермеате (2,5% масс.) составляет 0,5 от более высокой массовой доли целевого минорного компонента во втором ретентате и массовой доли целевого минорного компонента в третьем пермеате (5,0% масс.) (т. е., 2,5% масс. составляет 0,5 от 5,0% масс.).
В определенных вариантах осуществления осмотическое давление второго ретентата (например, потока 312B на фиг. 3) и осмотическое давление третьего пермеата (например, потока 314C на фиг. 3) относительно близки. В соответствии с определенными вариантами осуществления, более низкое осмотическое давление второго ретентата и осмотическое давление третьего пермеата составляет по меньшей мере приблизительно 0,5, по меньшей мере приблизительно 0,75, по меньшей мере приблизительно 0,9, по меньшей мере приблизительно 0,95, по меньшей мере приблизительно 0,98 или по меньшей мере приблизительно 0,99 от более высокого осмотического давления второго ретентата и осмотического давления третьего пермеата.
В определенных вариантах осуществления смесь части второго ретентата и части третьего пермеата можно обрабатывать в необязательном четвертом фильтре. В некоторых таких вариантах осуществления разность гидравлического давления можно устанавливать на протяжении среды для фильтрования необязательного четвертого фильтра для того, чтобы получать поток пермеата, обогащенный основным компонентом по отношению к смеси части второго ретентата и части третьего пермеата, и поток ретентата, который обогащают минорным компонентом (например, целевым минорным компонентом) по отношению к смеси части второго ретентата и части третьего пермеата.
Соответственно, в некоторых вариантах осуществления система фильтрования содержит необязательный четвертый фильтр, который содержит четвертую среду для фильтрования, определяющую сторону пермеата и сторону ретентата четвертого фильтра. В некоторых вариантах осуществления сторону ретентата четвертого фильтра соединяют по текучей среде со стороной ретентата второго фильтра и стороной пермеата третьего фильтра. На фиг. 4 представлена схематическая иллюстрация одной такой неограничивающей системы 400, где система 300, представленная на фиг. 3, модифицирована для того, чтобы содержать необязательный четвертый фильтр 301D. В образцовом варианте осуществления с фиг. 4 четвертый фильтр 301D содержит среду 306D для фильтрования, определяющую сторону пермеата 304D и сторону 302D ретентата четвертого фильтра 301D. На фиг. 4 сторону 302D ретентата необязательного четвертого фильтра 301D соединяют по текучей среде со стороной 302B ретентата второго фильтра 301B (через поток 312B). Кроме того, сторону 302D ретентата необязательного четвертого фильтра 301D соединяют по текучей среде со стороной 304C пермеата третьего фильтра 301C (через поток 314C). Хотя в образцовом варианте осуществления на фиг. 4 показано, что сторону ретентата второго фильтра и сторону пермеата третьего фильтра смешивают перед транспортировкой на сторону ретентата необязательного четвертого фильтра, в других вариантах осуществления сторону ретентата второго фильтра и сторону пермеата третьего фильтра можно транспортировать отдельно на сторону ретентата необязательного четвертого фильтра и смешивать на стороне ретентата необязательного четвертого фильтра.
Определенные варианты осуществления включают установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования четвертого фильтра, когда четвертый фильтр принимает по меньшей мере часть (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) смеси второго ретентата и третьего пермеата. В некоторых вариантах осуществления установление разности гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования четвертого фильтра позволяет получать четвертый пермеат, обогащенный основным компонентом по отношению к смеси второго ретентата, и третий пермеат и четвертый ретентат, обогащенные минорным компонентом (например, целевым минорным компонентом) по отношению к смеси второго ретентата и третьего пермеата. Например, со ссылкой на образцовый вариант осуществления с фиг. 4, по меньшей мере часть второго потока 312B ретентата можно транспортировать на сторону 302D ретентата четвертого фильтра 301D. Кроме того, по меньшей мере часть третьего потока 314C пермеата можно транспортировать на сторону 302D ретентата четвертого фильтра 301D. В некоторых вариантах осуществления разность гидравлического давления устанавливают на протяжении среды 306D для фильтрования четвертого фильтра 301D для того, чтобы получать четвертый пермеат 314D, обогащенный основным компонентом по отношению к смеси второго ретентата и третьего пермеата. Кроме того, разность гидравлического давления, устанавливаемая на протяжении среды 306D для фильтрования четвертого фильтра 301D, позволяет получать четвертый ретентат 312D, обогащенный минорным компонентом (например, целевым минорным компонентом) по отношению к смеси второго ретентата и третьего пермеата.
В соответствии с определенными вариантами осуществления, в системе фильтрования может присутствовать как стратегическое смешивание, так и стратегическое повторное использование. Например, в некоторых вариантах осуществления система фильтрования содержит соединение по текучей среде между стороной ретентата необязательного четвертого фильтра и стороной ретентата первого фильтра. Со ссылкой на образцовый вариант осуществления с фиг. 4, например, сторону 302D ретентата необязательного четвертого фильтра 301D можно соединять по текучей среде со стороной 302A ретентата первого фильтра 301A через поток 312D. Хотя в образцовом варианте осуществления на фиг. 4 показано, что поток 312D сливают с подаваемой жидкостью 308 перед транспортировкой на сторону 302A ретентата фильтра 301A, в других вариантах осуществления поток 312D и 308 можно транспортировать отдельно (например, через отдельные впуски) на сторону 302A ретентата фильтра 301A.
Хотя прямые соединения по текучей среде проиллюстрированы между вторым и четвертым фильтрами и между третьим и четвертым фильтрами в образцовом варианте осуществления с фиг. 4, следует понимать, что непрямые соединения по текучей среде также возможны. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления сторону ретентата второго фильтра и сторону ретентата четвертого фильтра можно соединять непосредственно по текучей среде, например, так, что фильтры не соединяют по текучей среде между стороной ретентата второго фильтра и стороной ретентата четвертого фильтра. В других вариантах осуществления сторону ретентата второго фильтра и сторону ретентата четвертого фильтра можно соединять опосредованно по текучей среде, например, так, что один или несколько промежуточных фильтров соединяют по текучей среде между стороной ретентата второго фильтра и стороной ретентата четвертого фильтра. В некоторых вариантах осуществления сторону пермеата третьего фильтра и сторону ретентата четвертого фильтра можно соединять непосредственно по текучей среде, например, так, что фильтры не соединяют по текучей среде между стороной пермеата третьего фильтра и стороной ретентата четвертого фильтра. В других вариантах осуществления сторону пермеата третьего фильтра и сторону ретентата четвертого фильтра можно соединять опосредованно по текучей среде, например, так, что один или несколько промежуточных фильтров соединяют по текучей среде между стороной пермеата третьего фильтра и стороной ретентата четвертого фильтра.
В определенных вариантах осуществления массовая доля минорного компонента(компонентов) (например, целевого минорного компонента) в четвертом ретентате (например, потоке 312D на фиг. 4) и массовая доля минорного компонента(компонентов) (например, целевого минорного компонента) в подаваемой жидкости (например, потоке 308 на фиг. 4) относительно близки. Удерживая концентрации целевых минорных компонентов этих потоков относительно близко, их осмотические давления можно удерживать относительно близко, что, в свою очередь, позволяет снижать количество энергии, расходуемой во время последующего фильтрования. В соответствии с определенными вариантами осуществления, более низкая массовая доля целевого минорного компонента в четвертом ретентате и массовая доля целевого минорного компонента в подаваемой жидкости составляет по меньшей мере приблизительно 0,5, по меньшей мере приблизительно 0,75, по меньшей мере приблизительно 0,9, по меньшей мере приблизительно 0,95, по меньшей мере приблизительно 0,98 или по меньшей мере приблизительно 0,99 от более высокой массовой доли целевого минорного компонента в четвертом ретентате и массовой доли целевого минорного компонента в подаваемой жидкости.
В качестве образцовой иллюстрации описанного выше сравнения, четвертый ретентат может содержать целевой минорный компонент в количестве 5,0% масс. и подаваемая жидкость может содержать целевой минорный компонент в количестве 2,5% масс. В таком случае, более высокая массовая доля целевого минорного компонента в четвертом ретентате и массовая доля целевого минорного компонента в подаваемой жидкости будет составлять 5,0% масс. (соответствует массовой доле целевого минорного компонента в четвертом ретентате). Кроме того, в таком случае, более низкая массовая доля целевого минорного компонента в четвертом ретентате и массовая доля целевого минорного компонента в подаваемой жидкости будет составлять 2,5% масс. (соответствует массовой доле целевого минорного компонента в подаваемой жидкости). В этом случае, более низкая массовая доля целевого минорного компонента в четвертом ретентате и массовая доля целевого минорного компонента в подаваемой жидкости (2,5% масс.) составляет 0,5 от более высокой массовой доли целевого минорного компонента в четвертом ретентате и массовой доли целевого минорного компонента в подаваемой жидкости (5,0% масс.) (т. е., 2,5% масс. составляет 0,5 от 5,0% масс.).
В определенных вариантах осуществления осмотическое давление четвертого ретентата (например, потока 312D на фиг. 4) и осмотическое давление подаваемой жидкости (например, потока 308 на фиг. 4) относительно близки. В соответствии с определенными вариантами осуществления, более низкое осмотическое давление четвертого ретентата и осмотическое давление подаваемой жидкости составляет по меньшей мере приблизительно 0,5, по меньшей мере приблизительно 0,75, по меньшей мере приблизительно 0,9, по меньшей мере приблизительно 0,95, по меньшей мере приблизительно 0,98 или по меньшей мере приблизительно 0,99 от более высокого осмотического давления четвертого ретентата и осмотического давления подаваемой жидкости.
В некоторых вариантах осуществления больше чем четыре фильтра (например, по меньшей мере пятый фильтр, по меньшей мере шестой фильтр или больше) можно использовать в системе фильтрования. В некоторых таких вариантах осуществления, система фильтрования содержит больше чем один поток из фильтра ниже по потоку, который повторно используют обратно в фильтре выше по потоку. В некоторых вариантах осуществления система фильтрования содержит больше чем один смесительный участок, в котором два потока продуктов, имеющих схожие концентрации минорного компонента(компонентов), смешивают перед последующим фильтрованием.
На фиг. 5 представлена схематическая иллюстрация образцовой системы фильтрования 500, которая содержит пятый фильтр 301E и шестой фильтр 301F. Образцовый вариант осуществления, проиллюстрированный на фиг. 5, также содержит первый фильтр 301A, второй фильтр 301B, третий фильтр 301C и четвертый фильтр 301D, расположенные, как проиллюстрировано на фиг. 4. В образцовом варианте осуществления с фиг. 5, пятый фильтр 301E содержит среду 306E для фильтрования, определяющую сторону 302E ретентата и сторону 304E пермеата фильтра 301E. На фиг. 5, шестой фильтр 301F содержит среду 306F для фильтрования, определяющую сторону 302F ретентата и сторону 304F пермеата фильтра 301F. Фильтр 301E можно выполнять, в некоторых вариантах осуществления, с возможностью принимать по меньшей мере часть (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) второго пермеата 314B и получать пятый ретентат 312E и пятый пермеат 314E. Фильтр 301F можно выполнять, в определенных вариантах осуществления, с возможностью принимать по меньшей мере часть (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) пятого ретентата 312E и/или четвертого пермеата 314D и получать шестой ретентат 312F и шестой пермеат 314F.
Система фильтрования, проиллюстрированная на фиг. 5, может содержать множество повторно используемых потоков. Например, в некоторых вариантах осуществления поток 312D на фиг. 5 повторно используют обратно в подаваемой жидкости 308, как описано выше в отношении фиг. 4. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере часть (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) шестого ретентата 312F можно смешивать с по меньшей мере частью (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) первого пермеата 314A. В некоторых таких вариантах осуществления, массовая доля минорного компонента(компонентов) (например, целевого минорного компонента) в шестом ретентате и массовая доля минорного компонента(компонентов) (например, целевого минорного компонента) в первом пермеате относительно близки. Например, в соответствии с определенными вариантами осуществления, более низкая массовая доля целевого минорного компонента в шестом ретентате и массовая доля целевого минорного компонента в первом пермеате составляют по меньшей мере приблизительно 0,5, по меньшей мере приблизительно 0,75, по меньшей мере приблизительно 0,9, по меньшей мере приблизительно 0,95, по меньшей мере приблизительно 0,98 или по меньшей мере приблизительно 0,99 от более высокой массовой доли целевого минорного компонента в шестом ретентате и массовой доли целевого минорного компонента в первом пермеате. В некоторых вариантах осуществления осмотическое давление шестого ретентата и осмотическое давление первого пермеата относительно близки. Например, в соответствии с определенными вариантами осуществления, более низкое осмотическое давление шестого ретентата и осмотическое давление первого пермеата составляет по меньшей мере приблизительно 0,5, по меньшей мере приблизительно 0,75, по меньшей мере приблизительно 0,9, по меньшей мере приблизительно 0,95, по меньшей мере приблизительно 0,98 или по меньшей мере приблизительно 0,99 от более высокого осмотического давления шестого ретентата и осмотического давления первого пермеата.
Система фильтрования, проиллюстрированная на фиг. 5, может содержать множество смесительных участков, в соответствии с определенными вариантами осуществления, в дополнение к или вместо множества повторно используемых потоков. Например, в некоторых вариантах осуществления потоки 312B и 314C на фиг. 5 можно смешивать в смесительном участке 350A, как описано выше в отношении фиг. 3-4. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере часть (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) пятого ретентата 312E можно смешивать по меньшей мере с частью (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) четвертого пермеата 314D в смесительном участке 350B. В некоторых таких вариантах осуществления, массовая доля минорного компонента(компонентов) (например, целевого минорного компонента) в пятом ретентате (например, потоке 312E) и массовая доля минорного компонента(компонентов) (например, целевого минорного компонента) в четвертом пермеате (например, потоке 314D) относительно близки. Например, в соответствии с определенными вариантами осуществления, более низкая массовая доля целевого минорного компонента в пятом ретентате и массовая доля целевого минорного компонента в четвертом пермеате составляет по меньшей мере приблизительно 0,5, по меньшей мере приблизительно 0,75, по меньшей мере приблизительно 0,9, по меньшей мере приблизительно 0,95, по меньшей мере приблизительно 0,98 или по меньшей мере приблизительно 0,99 от более высокой массовой доли целевого минорного компонента в пятом ретентате и массовой доли целевого минорного компонента в четвертом пермеате. В некоторых вариантах осуществления осмотическое давление пятого ретентата и осмотическое давление четвертого пермеата относительно близки. Например, в соответствии с определенными вариантами осуществления, более низкое осмотическое давление пятого ретентата и осмотическое давление четвертого пермеата составляет по меньшей мере приблизительно 0,5, по меньшей мере приблизительно 0,75, по меньшей мере приблизительно 0,9, по меньшей мере приблизительно 0,95, по меньшей мере приблизительно 0,98 или по меньшей мере приблизительно 0,99 от более высокого осмотического давления шестого ретентата и осмотического давления первого пермеата.
На фиг. 6 представлена схематическая иллюстрация образцовой системы фильтрования 600, которая содержит седьмой фильтр 301G, восьмой фильтр 301H и девятый фильтр 301I. Образцовый вариант осуществления, проиллюстрированный на фиг. 6, также содержит первый фильтр 301A, второй фильтр 301B, третий фильтр 301C, четвертый фильтр 301D, пятый фильтр 301E и шестой фильтр 301F, расположенные как проиллюстрировано на фиг. 5. В образцовом варианте осуществления с фиг. 6, седьмой фильтр 301G содержит среду 306G для фильтрования, определяющую сторону 302G ретентата и сторону 304G пермеата фильтра 301G. Фильтр 301G можно выполнять, в некоторых вариантах осуществления, с возможностью принимать по меньшей мере часть (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) третьего ретентата 312C и получать седьмой ретентат 312G и седьмой пермеат 314G. На фиг. 6, восьмой фильтр 301H содержит среду 306H для фильтрования, определяющую сторону 302H ретентата и сторону 304H пермеата фильтра 301H. Фильтр 301H можно выполнять, в некоторых вариантах осуществления, с возможностью принимать по меньшей мере часть (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) седьмого пермеата 314G и получать восьмой ретентат 312H и восьмой пермеат 314H. На фиг. 6, девятый фильтр 301I содержит среду 306I для фильтрования, определяющую сторону 302I ретентата и сторону 304I пермеата фильтра 301I. Девятый фильтр 301I можно выполнять, в некоторых вариантах осуществления, с возможностью принимать по меньшей мере часть (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) восьмого пермеата 314H и получать девятый ретентат 312I и девятый пермеат 314I.
Система фильтрования, проиллюстрированная на фиг. 6, может содержать множество повторно используемых потоков. Например, в некоторых вариантах осуществления по меньшей мере часть (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) потока 312D на фиг. 6 повторно используют обратно в подаваемой жидкости 308, как описано выше в отношении фиг. 4-5. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере часть (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) шестого ретентата 312F можно смешивать по меньшей мере с частью первого пермеата 314A, как описано выше в отношении фиг. 5. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере часть (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) восьмого ретентата 312H можно смешивать по меньшей мере с частью (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) первого ретентата 312A. В некоторых таких вариантах осуществления, более низкая массовая доля целевого минорного компонента в восьмом ретентате 312H и массовая доля целевого минорного компонента в первом ретентате 312A составляет по меньшей мере приблизительно 0,5, по меньшей мере приблизительно 0,75, по меньшей мере приблизительно 0,9, по меньшей мере приблизительно 0,95, по меньшей мере приблизительно 0,98 или по меньшей мере приблизительно 0,99 от более высокой массовой доли целевого минорного компонента в восьмом ретентате 312H и массовой доли целевого минорного компонента в первом ретентате 312A. В некоторых вариантах осуществления более низкое осмотическое давление восьмого ретентата 312H и осмотическое давление первого ретентата 312A составляет по меньшей мере приблизительно 0,5, по меньшей мере приблизительно 0,75, по меньшей мере приблизительно 0,9, по меньшей мере приблизительно 0,95, по меньшей мере приблизительно 0,98 или по меньшей мере приблизительно 0,99 от более высокого осмотического давления восьмого ретентата 312H и осмотического давления первого ретентата 312A.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере часть (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) девятого ретентата 312I можно смешивать по меньшей мере с частью (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) третьего пермеата 314C. В некоторых таких вариантах осуществления, более низкая массовая доля целевого минорного компонента в девятом ретентате 312I и массовая доля целевого минорного компонента в третьем пермеате 314C составляет по меньшей мере приблизительно 0,5, по меньшей мере приблизительно 0,75, по меньшей мере приблизительно 0,9, по меньшей мере приблизительно 0,95, по меньшей мере приблизительно 0,98 или по меньшей мере приблизительно 0,99 от более высокой массовой доли целевого минорного компонента в девятом ретентате 312I и массовой доли целевого минорного компонента в третьем пермеате 314C. В некоторых вариантах осуществления более низкое осмотическое давление девятого ретентата 312I и осмотическое давление третьего пермеата 314C составляет по меньшей мере приблизительно 0,5, по меньшей мере приблизительно 0,75, по меньшей мере приблизительно 0,9, по меньшей мере приблизительно 0,95, по меньшей мере приблизительно 0,98 или по меньшей мере приблизительно 0,99 от более высокого осмотического давления девятого ретентата 312I и осмотического давления третьего пермеата 314C.
Система фильтрования, проиллюстрированная на фиг. 6, может содержать, в соответствии с определенными вариантами осуществления, множество смесительных участков 350A и 350B, как описано, например, выше в отношении фиг. 5.
На фиг. 7 представлена схематическая иллюстрация образцовой системы фильтрования 700, которая содержит седьмой фильтр 301G, восьмой фильтр 301H и девятый фильтр 301I. Образцовый вариант осуществления, проиллюстрированный на фиг. 7, также содержит первый фильтр 301A, второй фильтр 301B, третий фильтр 301C, четвертый фильтр 301D, пятый фильтр 301E и шестой фильтр 301F. В образцовом варианте осуществления с фиг. 7, седьмой фильтр 301G содержит среду 306G для фильтрования, определяющую сторону 302G ретентата и сторону 304G пермеата фильтра 301G. Фильтр 301G можно выполнять, в некоторых вариантах осуществления, с возможностью принимать по меньшей мере часть (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) третьего ретентата 312C и получать седьмой ретентат 312G и седьмой пермеат 314G. На фиг. 7, восьмой фильтр 301H содержит среду 306H для фильтрования, определяющую сторону 302H ретентата и сторону 304H пермеата фильтра 301H. Фильтр 301H можно выполнять, в некоторых вариантах осуществления, с возможностью принимать по меньшей мере часть (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) четвертого ретентата 312D и/или седьмого пермеата 314G и получать восьмой ретентат 312H и восьмой пермеат 314H. На фиг. 7, девятый фильтр 301I содержит среду 306I для фильтрования, определяющую сторону 302I ретентата и сторону 304I пермеата фильтра 301I. Фильтр 301I можно выполнять, в некоторых вариантах осуществления, с возможностью принимать по меньшей мере часть (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) восьмого пермеата 314H и/или шестого ретентата 312F и получать девятый ретентат 312I и девятый пермеат 314I.
Система фильтрования, проиллюстрированная на фиг. 7, может содержать множество смесительных участков. Например, в некоторых вариантах осуществления по меньшей мере части потоков 312B и 314C на фиг. 7 можно смешивать в смесительном участке 350A, как описано выше в отношении фиг. 3-4. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере часть (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) пятого ретентата 312E можно смешивать по меньшей мере с частью (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) четвертого пермеата 314D в смесительном участке 350B, как описано выше в отношении фиг. 5. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере часть (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) четвертого ретентата 312D можно смешивать по меньшей мере с частью (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) седьмого пермеата 314G в смесительном участке 350C. В некоторых таких вариантах осуществления, более низкая массовая доля целевого минорного компонента в четвертом ретентате 312D и массовая доля целевого минорного компонента в седьмом пермеате 314G составляет по меньшей мере приблизительно 0,5, по меньшей мере приблизительно 0,75, по меньшей мере приблизительно 0,9, по меньшей мере приблизительно 0,95, по меньшей мере приблизительно 0,98 или по меньшей мере приблизительно 0,99 от более высокой массовой доли целевого минорного компонента в четвертом ретентате 312D и массовой доли целевого минорного компонента в седьмом пермеате 314G. В некоторых вариантах осуществления более низкое осмотическое давление четвертого ретентата 312D и осмотическое давление седьмого пермеата 314G составляет по меньшей мере приблизительно 0,5, по меньшей мере приблизительно 0,75, по меньшей мере приблизительно 0,9, по меньшей мере приблизительно 0,95, по меньшей мере приблизительно 0,98 или по меньшей мере приблизительно 0,99 от более высокого осмотического давления четвертого ретентата 312D и осмотического давления седьмого пермеата 314G.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере часть (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) шестого ретентата 312F можно смешивать по меньшей мере с частью (например, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс.) восьмого пермеата 314H в смесительном участке 350D. В некоторых таких вариантах осуществления, более низкая массовая доля целевого минорного компонента шестой ретентат 312F и массовая доля целевого минорного компонента в восьмом пермеате 314H составляет по меньшей мере приблизительно 0,5, по меньшей мере приблизительно 0,75, по меньшей мере приблизительно 0,9, по меньшей мере приблизительно 0,95, по меньшей мере приблизительно 0,98 или по меньшей мере приблизительно 0,99 от более высокой массовой доли целевого минорного компонента в шестом ретентате 312F и массовой доли целевого минорного компонента в восьмом пермеате 314H. В некоторых вариантах осуществления более низкое осмотическое давление шестого ретентата 312F и осмотическое давление восьмого пермеата 314H составляет по меньшей мере приблизительно 0,5, по меньшей мере приблизительно 0,75, по меньшей мере приблизительно 0,9, по меньшей мере приблизительно 0,95, по меньшей мере приблизительно 0,98 или по меньшей мере приблизительно 0,99 от более высокого осмотического давления шестого ретентата 312F и осмотического давления восьмого пермеата 314H.
Система фильтрования, проиллюстрированная на фиг. 7, может содержать, в соответствии с определенными вариантами осуществления, множество повторно используемых потоков (например, потоки 312H и/или 312I), как описано, например, выше в отношении фиг. 6.
Определенные системы и способы, описанные в настоящем документе, можно использовать для того, чтобы концентрировать один или несколько минорных компонентов в подаваемых жидкостях различных типов (например, жидких смесях, подаваемых в систему, например, через потоки 108, 208 и/или 308 на фиг. 1-7).
Подаваемая жидкость может содержать множество подходящих основных компонентов. В определенных вариантах осуществления основным компонентом является жидкость. Например, основной компонент может представлять собой потребляемую жидкость. В соответствии с определенными вариантами осуществления, основной компонент является неионным (т. е., основной компонент не имеет суммарного ионного заряда). Основной компонент может иметь молекулярную массу меньше чем приблизительно 150 г/моль, меньше чем приблизительно 100 г/моль, меньше чем приблизительно 50 г/моль или меньше чем 25 г/моль, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления. Например, в некоторых вариантах осуществления основным компонентом является вода. В некоторых вариантах осуществления основным компонентом может быть растворитель.
Подаваемая жидкость может содержать множество подходящих минорных компонентов. Как указано выше, определенные подаваемые жидкие смеси могут включать точно один минорный компонент, тогда как другие смеси могут содержать больше чем один минорный компонент. В определенных вариантах осуществления по меньшей мере один (или все) из минорных компонентов (например, целевой минорной компонент) представляет собой жидкость. Например, по меньшей мере один (или все) из минорных компонентов (например, целевой минорный компонент) может представлять собой потребляемую жидкость. В соответствии с определенными вариантами осуществления, по меньшей мере один (или все) из минорных компонентов (например, целевой минорный компонент) является неионным (т. е., минорный компонент не имеет суммарного ионного заряда). В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, по меньшей мере один (или все) из минорных компонентов (например, целевой минорный компонент) может иметь молекулярную массу меньше чем приблизительно 150 г/моль, меньше чем приблизительно 100 г/моль или меньше чем приблизительно 50 г/моль (и/или, в некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере приблизительно 25 г/моль, по меньшей мере приблизительно 35 г/моль или по меньшей мере приблизительно 40 г/моль). В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один из минорных компонентов представляет собой спирт, такой как этанол.
В некоторых вариантах осуществления целевой минорный компонент представляет собой сорастворитель с основным компонентом. Например, в некоторых вариантах осуществления этанол может действовать в качестве сорастворителя с водой, например, растворяющего одну или несколько солей в подаваемой жидкости. В других вариантах осуществления целевой минорный компонент не действует в качестве растворителя.
В соответствии с определенными вариантами осуществления, подаваемая жидкость, содержащая основной компонент и минорный компонент(компоненты) может представлять собой потребляемую смесь. В некоторых вариантах осуществления подаваемая жидкость представляет собой водную смесь. В некоторых вариантах осуществления подаваемая жидкость содержит воду в качестве основного компонента и этанол в качестве минорного компонента (например, целевого минорного компонента). В некоторых вариантах осуществления, в которых вода и этанол представляют собой компоненты подаваемой жидкости, подаваемая жидкость дополнительно может содержать один или несколько сахаров. В соответствии с определенными вариантами осуществления, подаваемая жидкость представляет собой алкогольный напиток, такой как пиво, вино и т. п. В некоторых, но не обязательно всех, случаях системы и способы, описанные в настоящем документе, могут быть особенно благоприятны при получении концентратов пива.
В определенных вариантах осуществления концентрация по меньшей мере одного минорного компонента (например, целевого минорного компонента) в подаваемой жидкости относительно высока. Например, в определенных вариантах осуществления концентрация минорного компонента (например, целевого минорного компонента) в подаваемой жидкости (например, в потоках 108, 208 и/или 308 с фиг. 1-7) составляет по меньшей мере приблизительно 0,001% по массе, по меньшей мере приблизительно 0,01% по массе, по меньшей мере приблизительно 0,1% по массе или по меньшей мере приблизительно 1% по массе (и/или, в определенных вариантах осуществления приблизительно до 5% по массе, приблизительно до 10% по массе, приблизительно до 15% по массе, приблизительно до 20% по массе или больше). Такие относительно высокие концентрации минорного компонента(компонентов) можно наблюдать, например, в системах для концентрирования алкогольных напитков (например, пива, вина и т. п.). Однако использование высоких концентраций минорных компонентов не обязательно, и в некоторых вариантах осуществления концентрация минорного компонента (например, целевого минорного компонента) в подаваемой жидкости может составлять всего лишь 0,0001% по массе, всего лишь 0,00001% по массе или ниже.
В соответствии с определенными вариантами осуществления, минорный компонент(компоненты) (например, целевой минорный компонент) представляет собой компонент, который не сильно задерживается традиционными средами для фильтрования, такими как мембраны обратного осмоса, нанофильтрующие мембраны и/или ультрафильтрующие мембраны. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления процентная доля задерживания (вычисление которой для конкретных минорных компонентов описано далее) одной или нескольких сред для фильтрования в отношении минорного компонента (например, целевого минорного компонента) может быть относительно низкой. В соответствии с определенными вариантами осуществления, процентная доля задерживания минорного компонента (например, целевого минорного компонента) в отношении среды для фильтрования в фильтре системы фильтрования составляет между приблизительно 10% и приблизительно 95%, между приблизительно 35% и приблизительно 90% или между приблизительно 60% и приблизительно 90%. В некоторых вариантах осуществления процентная доля задерживания минорного компонента (например, целевого минорного компонента) в отношении среды для фильтрования в фильтре системы фильтрования составляет между приблизительно 10% и приблизительно 99% или между приблизительно 95% и приблизительно 99%. Например, в некоторых вариантах осуществления процентная доля задерживания минорного компонента (например, целевого минорного компонента) в отношении первой среды для фильтрования первого фильтра системы фильтрования (например, среды 206A для фильтрования фильтра 201A на фиг. 2 и/или среды для фильтрования 306A фильтра 301A на фиг. 3-7) составляет между приблизительно 10% и приблизительно 99%, между приблизительно 10% и приблизительно 95%, между приблизительно 35% и приблизительно 90% или между приблизительно 60% и приблизительно 90%. В определенных вариантах осуществления процентная доля задерживания минорного компонента (например, целевого минорного компонента) в отношении второй среды для фильтрования второго фильтра системы фильтрования (например, среды 206B для фильтрования фильтра 201B на фиг. 2 и/или среды для фильтрования 306B фильтра 301B на фиг. 3-7) составляет между приблизительно 10% и приблизительно 99%, между приблизительно 10% и приблизительно 95%, между приблизительно 35% и приблизительно 90% или между приблизительно 60% и приблизительно 90%. В некоторых вариантах осуществления процентная доля задерживания минорного компонента (например, целевого минорного компонента) в отношении третьей среды для фильтрования третьего фильтра системы фильтрования (например, среды 206C для фильтрования фильтра 201C на фиг. 2 и/или среды для фильтрования 306C фильтра 301C с фиг. 3-7) составляет между приблизительно 10% и приблизительно 99%, между приблизительно 10% и приблизительно 95%, между приблизительно 35% и приблизительно 90% или между приблизительно 60% и приблизительно 90%. В соответствии с определенными вариантами осуществления, процентная доля задерживания минорного компонента (например, целевого минорного компонента) в отношении четвертой среды для фильтрования четвертого фильтра системы фильтрования (например, среды 306D для фильтрования фильтра 301D на фиг. 4-7) составляет между приблизительно 10% и приблизительно 99%, между приблизительно 10% и приблизительно 95%, между приблизительно 35% и приблизительно 90% или между приблизительно 60% и приблизительно 90%.
2
Процентную долю задерживания среды для фильтрования в отношении конкретного минорного компонента в целом вычисляют посредством деления массовой доли минорного компонента в потоке пермеата на массовую долю минорного компонента в жидком подаваемом потоке и умножения на 100%, когда фильтр работает в устойчивом состоянии. При определении процентной доли задерживания среды для фильтрования в отношении минорного компонента, среду для фильтрования следует располагать в виде отдельной спирально навитого мембранного элемента, который составляет 8 дюймов в диаметре и 40 дюймов в длину. Среда для фильтрования должна содержать разделители канала подачи толщиной 30 мил для того, чтобы получать активную площадь мембраны, которая составляет 400 квадратных футов. Скорость потока пермеата должна быть равна 10% от скорости подаваемого потока. Кроме того, подаваемый поток должен содержать только минорный компонент, процентную долю задерживания которого определяют, и основной компонент, с концентрацией минорного компонента на таком уровне, что осмотическое давление подаваемого потока составляет 26 бар. Кроме того, подаваемый поток должен иметь температуру 25 градусов по Цельсию, pH 7 и его следует подавать на фильтр при манометрическом давлении 800 фунтов/дюйм.
В некоторых случаях, разность осмотического давления на протяжении среды для фильтрования (ΔΠ) может варьировать по существу от осмотического давления подаваемого вещества, например, если минорные компоненты, содержащиеся в подаваемом потоке, не хорошо задерживаются средой для фильтрования.
В случаях, в которых разность осмотического давления варьирует от осмотического давления подаваемого вещества, может быть желательно достигать по существу непрерывной скорости переноса основного компонента на протяжении среды для фильтрования. Однако, если гидравлическое давление на стороне ретентата не корректируют для того, чтобы учитывать вариации в разности осмотического давления, скорость переноса основного компонента на протяжении среды для фильтрования будет переменной. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления разность эффективных рабочих давлений на протяжении среды для фильтрования (например, среды 106 для фильтрования с фиг. 1, какой-либо из сред 206A-206C для фильтрования с фиг. 2 и/или какой-либо из сред для фильтрования 306A-306I с фиг. 3-7) поддерживают по существу на постоянном значении в качестве функции времени во время работы системы фильтрования.
Net
E
Разность эффективных рабочих давлений (ΔP) соответствует разности между установленной разностью гидравлического давления на протяжении среды для фильтрования (ΔP) и разностью осмотического давления на протяжении среды для фильтрования (ΔΠ), и ее можно вычислять следующим образом:
R
P
В определенных случаях, осмотическое давление может не быть однородным на стороне ретентата (Π) или стороне пермеата (Π) фильтра. Соответственно, в целях вычисления разности эффективных давлений, осмотическое давление на стороне ретентата фильтра вычисляют как пространственно усредненное осмотическое давление на поверхности стороны ретентата среды для фильтрования, и осмотическое давление на стороне пермеата фильтра определяют как пространственно усредненное осмотическое давление на поверхности стороны пермеата среды для фильтрования. Такие осмотические давления можно вычислять посредством расположения датчиков концентрации компонентов в статистически репрезентативном числе точке на сторонах ретентата и пермеата среды для фильтрования.
R
P
Кроме того, в некоторых случаях, манометрическое давление может не быть однородным на стороне ретентата (P) или стороне пермеата (P) фильтра. Соответственно, с целью вычисления разности эффективных давлений, манометрическое давление на стороне ретентата фильтра вычисляют как пространственно усредненное манометрическое давление на поверхности стороны ретентата среды для фильтрования и манометрическое давление на стороне пермеата фильтра определяют как пространственно усредненное манометрическое давление на поверхности стороны пермеата среды для фильтрования. Такие манометрические давления можно вычислять посредством расположения датчиков давления в статистически репрезентативном числе точек на сторонах ретентата и пермеата среды для фильтрования.
В некоторых вариантах осуществления в течение большей части времени, которое фильтр работает (например, в течение по меньшей мере приблизительно 50%, по меньшей мере приблизительно 70%, по меньшей мере приблизительно 90%, по меньшей мере приблизительно 95%, по меньшей мере приблизительно 99% или всего времени, которое фильтр работает) разность эффективных рабочих давлений поддерживают на по существу постоянном значении (т. е., в пределах приблизительно 50%, в пределах приблизительно 25%, в пределах приблизительно 10%, в пределах приблизительно 5%, в пределах приблизительно 2% или в пределах приблизительно 1% значения, усредненного по времени, в течение периода времени, за которое входящую жидкость фильтруют с помощью фильтра). Поддержания разности эффективных рабочих давлений на по существу постоянном значении можно достигать, например, посредством корректировки разности гидравлического давления, установленного на протяжении среды для фильтрования, например, в ответ на изменение концентрации одного или нескольких минорных компонентов в пермеате, в ретентате или в подаваемом веществе.
p
m
В определенных случаях, в которых усредненная разность осмотического давления на протяжении среды для фильтрования различается в двух или больше фильтрах, может быть желательно достигать по существу непрерывной скорости переноса основного компонента через каждую из сред для фильтрования во время этой стадии. Однако, если гидравлическое давление на стороне ретентата фильтра не корректируют для того, чтобы учитывать вариации разности осмотического давления, скорость переноса основного компонента на протяжении среды для фильтрования будет варьировать от фильтра к фильтру. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления усредненную разность эффективных рабочих давлений на протяжении сред для фильтрования двух (или больше или всех) фильтров или скорость потока массы пермеата из двух (или больше или всех) фильтров поддерживают на по существу постоянном значении во время основной части времени, в течение которого прикладывают гидравлическое давление. Например, в некоторых вариантах осуществления в течение основной части времени, в течение которого прикладывают разность гидравлического давления на протяжении фильтров (например, в течение по меньшей мере приблизительно 50%, по меньшей мере приблизительно 70%, по меньшей мере приблизительно 90%, по меньшей мере приблизительно 95%, по меньшей мере приблизительно 99% или всего времени, в течение которого разность гидравлического давления прикладывают на протяжении фильтров) усредненную разность эффективных рабочих давлений в двух (или больше или всех) фильтрах поддерживают на по существу схожих значениях (т. е., в пределах 50%, в пределах 25% или в пределах 5% от более высокого из двух усредненных эффективных рабочих давлений в течение периода, в течение которого прикладывают разность гидравлического давления). В некоторых вариантах осуществления в течение основной части времени, в течение которого разность гидравлического давления прикладывают на протяжении фильтров (например, в течение по меньшей мере приблизительно 50%, по меньшей мере приблизительно 70%, по меньшей мере приблизительно 90%, по меньшей мере приблизительно 95%, по меньшей мере приблизительно 99% или всего времени, в течение которого разность гидравлического давления прикладывают на протяжении фильтров) скорости потока пермеата из двух (или больше или всех) фильтров поддерживают на по существу схожих значениях (т. е., в пределах 50%, в пределах 25% или в пределах 5% от более высокой из двух усредненных скоростей потока пермеата в течение этого периода работы). Поддержания объемной скорости потока пермеата или усредненной разности эффективных рабочих давлений на по существу схожих значениях во времени можно достигать, например, посредством корректировки гидравлического давления потока, поступающего на сторону ретентата фильтра в ответ на измеряемую объемную скорость потока пермеата, поскольку объемная скорость потока пермеата () и усредненная разность эффективных рабочих давлений связаны через площадь поверхности среды для фильтрования (A) и ее проницаемость (A) следующим образом:
.
m
E
Проницаемость A можно аппроксимировать, при заданном уровне разности гидравлических давлений (ΔP), посредством измерения скорости потока основного компонента через среду для фильтрования, на единицу площади среды для фильтрования и на единицу приложенной разности гидравлических давлений, когда раствор, состоящий только из основного компонента, присутствует на сторонах ретентата и пермеата среды для фильтрования.
Осмотическое давление (Π) конкретной жидкой смеси, содержащей n минорных компонентов в целом вычисляют как:
j
j
где i представляет собой коэффициент Вант-Гоффа j-го минорного компонента, C представляет собой молярную концентрацию j-го минорного компонента, R представляет собой постоянную идеального газа и T представляет собой абсолютную температуру смеси. В целях определения осмотического давления жидкого потока (например, подаваемого потока, потока пермеата, потока ретентата и т. д.) осмотическое давление вычисляют посредством измерения усредненных концентраций минорных компонентов в потоке и вычисления Π с использованием приведенного выше уравнения. Для смесей, содержащих единственный минорный компонент, осмотическое давление (Π) вычисляют как:
где i представляет собой коэффициент Вант-Гоффа минорного компонента, C представляет собой молярную концентрацию минорного компонента, R представляет собой постоянную идеального газа и T представляет собой абсолютную температуру смеси.
Разность эффективных рабочих давлений можно контролировать с использованием способов, которые будут очевидны для специалистов в данной области, учитывая идеи, предоставленные в данном раскрытии. Например, в некоторых вариантах осуществления разность эффективных рабочих давлений можно контролировать посредством измерения скорости потока пермеата и корректировки приложенного гидравлического давления, чтобы удерживать постоянной скорость потока пермеата во времени.
R
В определенных вариантах осуществления разность эффективных рабочих давлений можно контролировать с использованием схемы управления давлением с открытм контуром. Например, если предположить соответствующее задерживание растворенных веществ, которые вносят вклад в основную часть осмотического давления раствора на стороне ретентата, суммарное осмотическое давление ретентата (Π) растет с течением времени (t) следующим образом:
0
где  представляет собой объемную скорость потока пермеата и V представляет собой начальный объем на стороне ретентата. Поток пермеата, , задают как:
m
E
где A представляет собой площадь мембраны, A представляет собой проницаемость мембраны, ΔP представляет собой установленную разность гидравлических давлений между стороной ретентата и пермеата и CPF представляет собой коэффициент концентрационной поляризации. Коэффициент концентрационной поляризации (CPF) можно определять эмпирически для системы посредством измерения скорости потока пермеата, получаемого с использованием известной композиции подаваемого потока, известной установленной разности гидравлического давления, манометрического давления ретентата и площади мембраны. Осмотическое давление пермеата можно игнорировать для того, чтобы получать аппроксимацию первого порядка. Решение приведенного выше уравнения дает выражение для требуемого гидравлического давления в качестве функции времени в пересчете на известные количества:
Различные фильтры можно использовать совместно с вариантами осуществления, описанными в настоящем документе. В определенных вариантах осуществления фильтр содержит среду для фильтрования. Среда для фильтрования содержит, в соответствии с определенными вариантами осуществления, какую-либо среду, материал или объект, который обладает достаточной гидравлической проницаемостью для того, чтобы сделать возможной подачу по меньшей мере части основного компонента жидкости на фильтр для прохождения через среду, при этом одновременно удерживая и/или предотвращая прохождение по меньшей мере части минорного компонента(компонентов) жидкости, подаваемой на фильтр.
Образцовые фильтры, которые можно использовать в различных вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, включают, но не ограничиваясь этим, гельпроникающие фильтры и мембранные фильтры. Например, фильтр может представлять собой спиральный фильтр, плоский листовой фильтр, полый волоконный фильтр, трубчатый мембранный фильтр или фильтр какого-либо другого типа.
Фильтры, описанные в настоящем документе, могут содержать любую подходящую среду для фильтрования. В некоторых вариантах осуществления среда для фильтрования содержит фильтрующую мембрану (например, полупроницаемую мембрану). Среду для фильтрования можно изготавливать из различных материалов. Например, среду для фильтрования можно изготавливать из неорганических материалов (например, керамики), органических материалов (например, полимеров) и/или композитов из неорганических и органических материалов (например, композиты из керамики и органических полимеров). Подходящие полимерные материалы, из которых можно изготавливать среды для фильтрования, включают, но не ограничиваясь этим, поли(тетрафторэтилен), полисульфоны, полиамиды, поликарбонаты, сложные полиэфиры, полиэтиленоксиды, полипропиленоксиды, поливинилиденфториды, поли(акрилаты) и сополимеры и/или их комбинации. В определенных вариантах осуществления среда для фильтрования содержит полиамидный слой, задерживающий соль. Среды для фильтрования, типично используемые для того, чтобы создавать мембраны обратного осмоса для морской воды, мембраны обратного осмоса для солоноватой воды и/или или санитарные мембраны обратного осмоса, можно использовать в определенных вариантах осуществления, описанных в настоящем документе.
В определенных вариантах осуществления среда для фильтрования присутствует в форме тонкопленочной мембраны, например, имеющей толщину меньше приблизительно 1 миллиметра, меньше приблизительно 500 мкм или меньше приблизительно 250 мкм. В некоторых вариантах осуществления среда для фильтрования представляет собой тонкопленочную композитную мембрану.
В соответствии с определенными вариантами осуществления, среду для фильтрования можно выбирать так, чтобы она имела пористость и порог молекулярной массы, которые делают возможным прохождение основного компонента подаваемой жидкости через среду для фильтрования, при этом удерживая достаточно большую часть минорного компонента(компонентов), так что минорный компонент(компоненты) (например, целевой минорный компонент) концентрируют на стороне ретентата среды для фильтрования. В вариантах осуществления, где среду для фильтрования используют для того, чтобы удалять воду из подаваемой жидкости, фильтрующую мембрану можно выбирать с тем, чтобы она была способна свободно пропускать воду, при этом одновременно удерживая, на стороне ретентата, достаточное количество минорного компонента(компонентов) (например, целевого минорного компонента), чтобы достигать концентрирования минорного компонента на стороне ретентата среды для фильтрования.
В соответствии с определенными вариантами осуществления, среда для фильтрования представляет собой мембрану обратного осмоса. Мембрана обратного осмоса может иметь усредненный размер пор меньше приблизительно 0,001 мкм, в некоторых вариантах осуществления. В определенных вариантах осуществления мембрана обратного осмоса может иметь порог молекулярной массы меньше приблизительно 200 г/моль. В некоторых вариантах осуществления среда для фильтрования представляет собой нанофильтрующую мембрану. Нанофильтрующая мембрана может иметь усредненный размер пор между приблизительно 0,001 мкм и приблизительно 0,01 мкм, в некоторых вариантах осуществления. В определенных вариантах осуществления нанофильтрующая мембрана может иметь порог молекулярной массы между приблизительно 200 г/моль и приблизительно 20000 г/моль. В определенных вариантах осуществления среда для фильтрования представляет собой ультрафильтрующую мембрану. Ультрафильтрующая мембрана может иметь, в соответствии с определенными вариантами осуществления, усредненный размер пор между приблизительно 0,01 мкм и приблизительно 0,1 мкм. В некоторых вариантах осуществления ультрафильтрующая мембрана имеет порог молекулярной массы между приблизительно 20000 г/моль и приблизительно 100000 г/моль. В некоторых вариантах осуществления среда для фильтрования представляет собой микрофильтрующую мембрану. Микрофильтрующая мембрана может иметь усредненный размер пор между приблизительно 0,1 мкм и приблизительно 10 мкм, в соответствии с определенными вариантами осуществления. В некоторых вариантах осуществления микрофильтрующая мембрана имеет порог молекулярной массы между приблизительно 100000 г/моль и приблизительно 5000000 г/моль.
2
В соответствии с определенными вариантами осуществления, по меньшей мере одна (или все) из сред для фильтрования, используемых в системе фильтрования, имеет относительно высокое стандартное задерживание соли. Стандартное задерживание соли представляет собой термин, в целом известный специалистам в данной области, и его в целом измеряют как процентную долю и его можно определять с использованием следующего теста. Образец среды для фильтрования 400 квадратных футов собирают в спирально навитый элемент 40 дюймов в длину и 8 дюймов в диаметре, имеющий разделитель ретентата толщиной (т. е., расстояние от стенки ретентата до среды для фильтрования) 30 мил и разделитель пермеата толщиной (т. е., расстояние от стенки пермеата до среды для фильтрования) 30 мил. Подаваемый поток, содержащий воду и растворенный NaCl в концентрации 32000 мг/л и pH 7, подают на сторону ретентата фильтра. В подаваемом веществе повышают манометрическое давление до 800 фунтов/дюйм, при этом сохраняя атмосферное давление на стороне пермеата фильтра. Фильтр работает с коэффициентом извлечения (т. е., скорость потока пермеата, деленная на скорость подаваемого потока, умноженная на 100%) 10% и при температуре 25°C. Стандартное задерживание соли определяют, после 30 минут работы и в устойчивом состоянии, с использованием следующей формулы:
NaCl,пермеат
NaCl,подаваем. в-во
в которой w представляет собой массовую долю NaCl в пермеате и w представляет собой массовую долю NaCl в подаваемом веществе. В соответствии с определенными вариантами осуществления, по меньшей мере одна (или все) из сред для фильтрования, используемх в системе фильтрования, имеет стандартное задерживание соли по меньшей мере приблизительно 99%, по меньшей мере приблизительно 99,5% или по меньшей мере приблизительно 99,8%.
2
В соответствии с определенными вариантами осуществления, фильтр содержит сосуд, который вмещает среду для фильтрования. В некоторых вариантах осуществления сосуд выполнен с возможностью выдерживать относительно высокое внутреннее гидравлическое давление без разрушения. Способность сосуда фильтра выдерживать высокое гидравлическое давление может быть благоприятной в определенных случаях, в которых высокое гидравлическое давление используют для того, чтобы достигать желаемой степени разделения между основным компонентом и минорным компонентом(компонентами) жидкости, подаваемой в фильтр. В некоторых вариантах осуществления сосуд фильтра выполнен с возможностью выдерживать манометрическое внутреннее гидравлическое давление по меньшей мере приблизительно 3900 фунтов/дюйм без разрушения.
2
В соответствии с определенными вариантами осуществления, системы фильтрования, описанные в настоящем документе, можно выполнять с возможностью работать при относительно высоких гидравлических давлениях. В некоторых вариантах осуществления насосы, трубопроводы и/или какие-либо другие компоненты системы могут работать при гидравлическом давлении по меньшей мере приблизительно 400 фунтов/дюйм без отказа.
2
Примеры подходящих фильтров, которые можно использовать совместно с определенными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе, включают, но не ограничиваясь этим, те, что доступны в Hydranautics (Oceanside, CA) (например, под номерами компонентов ESPA2-4040, ESPA2-LD-4040, ESPA2-LD, ESPA2MAX, ESPA4MAX, ESPA3, ESPA4-LD, SanRO HS-4, SanRO HS2-8, ESNA1-LF2-LD, ESNA1-LF2-LD-4040, ESNA1-LF-LD, SWC4BMAX, SWC5-LD-4040, SWC5-LD, SWC5MAX, SWC6-4040, SWC6, SWC6MAX, ESNA1-LF2-LD, ESNA1-LF-LD, ESNA1-LF2-LD-4040, ESNA1-LF-LD-4040, HYDRAcap60-LD и HYDRAcap60); Dow Filmtec в Dow Chemical Company (Midland, MI) (например, под номерами компонентов HSRO-390-FF, LC HR-4040, LC LE-4040, SW30HRLE-4040, SW30HRLE-440i, SW30HRLE-400i, SW30HRLE-370/34i, SW30XHR-400i, SW30HRLE-400, SW30HR-380, NF90-400, NF270-400, NF90-4040); Toray Industries, Inc. (например, под номерами компонентов TM720-440, TM720C-440, TM720L-440); Koch Membrane Systems, Inc. (Wilmington, MA) (например, под номерами компонентов 8040-HR-400-34, 8040-HR-400-28); и LG NanoHO (El Segundo, CA) (например, под номерами компонентов Qfx SW 400 ES, Qfx SW 400 SR, Qfx SW 400 R). В некоторых вариантах осуществления фильтр содержит тонкопленочную композитную мембрану. Например, тонкопленочная композитная мембрана может содержать нетканый текстиль толщиной приблизительно 150 мкм, используемый в качестве механической опоры. Пористый полисульфоновый слой (например, приблизительно 60 мкм в толщину) можно помещать на несущий слой способом обращения фаз. Полиамидный слой (например, приблизительно 200 нм) можно заливать на полисульфоновый слой с использованием интерфазной полимеризации.
Определенные варианты осуществления, описанные в настоящем документе, включают управление концентрацией(концентрациями) минорного компонента(компонентов) в различных частях системы фильтрования. Средние специалисты в данной области, используя идею, предоставленную в данном раскрытии, будут способны выбирать подходящие рабочие параметры и/или компоненты системы для того, чтобы достигать желаемого уровня концентрирования с использованием не больше чем повседневных экспериментов. Например, площадь поверхности среды для фильтрования, свойства среды для фильтрования, приложенные дифференциальные гидравлические давления, скорости потоков и другие рабочие параметры можно выбирать в соответствии с нуждами конкретного применения. В качестве одного конкретного примера, выбор подходящих рабочих параметров и/или характеристик оборудования может быть основан на общем объеме концентрата, который должен быть получен в течение заданного периода времени, количестве входящей подаваемой жидкости, которая подлежит концентрированию в течение заданного периода времени, или других факторах, как очевидно специалистам в области фильтрования. В некоторых случаях, скрининговые тесты можно осуществлять для выбора сосудов фильтров подходящих типов и/или сред для фильтрования посредством выполнения пробного фильтрования разбавленной подаваемой жидкости с использованием конкретного фильтра, пока не достигают желаемой степени концентрации, после чего следует сбор концентрата со стороны ретентата фильтра, восстановление подаваемой жидкости с использованием определенного объема свежего основного компонента (равного объему основного компонента, удаленного во время фильтрования), и сравнения характеристик вкуса и/или аромата восстановленной подаваемой жидкости с таковыми у начальной подаваемой жидкости. Рабочие давления, свойства фильтров, скорости потоков и другие рабочие параметры можно выбирать на основании общеизвестных принципов фильтрования и/или разделения, которые описаны во многих хорошо известных и легко доступных текстах, описывающих фильтрование/обратный осмос, в комбинации с повседневными экспериментами и оптимизацией. Подходящие гидравлические давления и/или скорости потоков можно устанавливать с использованием управляющих механизмов (например, управляющих механизмов с открытыми или закрытыми контурами обратной связи), известных специалистам в данной области.
В определенных вариантах осуществления жидкость(жидкости) в фильтре(фильтрах) можно держать при относительно низких температурах. Например, в некоторых вариантах осуществления жидкость(жидкости) по меньшей мере в одном фильтре системы фильтрования, описанной в настоящем документе, можно поддерживать при температуре приблизительно 8°C или меньше (например, между приблизительно 0°C и приблизительно 8°C). В некоторых вариантах осуществления жидкости внутри всех фильтров системы фильтрования поддерживают при температуре приблизительно 8°C или меньше (например, между приблизительно 0°C и приблизительно 8°C).
В определенных вариантах осуществления один или несколько фильтров могут содержать заполненное газом пространство, например, над жидкостью, содержащейся внутри фильтра. В некоторых таких вариантах осуществления заполненное газом пространство может быть заполнено газом, который по существу не реагирует с какими-либо компонентами жидкости внутри фильтра. В некоторых таких вариантах осуществления, заполненное газом пространство можно заполнять газом, который по существу не реагирует с какими-либо минорными компонентами жидкости внутри фильтра. В некоторых таких вариантах осуществления, заполненное газом пространство можно заполнять газом, который по существу не реагирует с целевым минорным компонентом жидкости внутри фильтра. Заполненное газом пространство полностью или частично может состоять, например, из диоксида углерода, азота и/или благородного газа. В некоторых вариантах осуществления заполненное газом пространство полностью или частично (например, по меньшей мере приблизительно 5% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс. или по меньшей мере приблизительно 50% масс.) внутри по меньшей мере одного фильтра (или всех фильтров) системы фильтрования состоит из диоксида углерода. В некоторых вариантах осуществления заполненное газом пространство содержит кислород в количестве меньше приблизительно 1 части на миллиард.
В определенных вариантах осуществления любые из систем фильтрования и/или процессов, описанных в настоящем документе, могут работать непрерывно. Например, определенные способы могут включать непрерывный поток подаваемой жидкости и непрерывное получение одного или нескольких потоков ретентата (например, обогащенного целевым минорным компонентом по отношению к подаваемой жидкости) и/или одного или нескольких потоков пермеата (например, обогащенных основным компонентом по отношению к подаваемой жидкости). В некоторых случаях, способ может включать одновременное выполнение одной или нескольких стадий процеса фильтрования. Например, в некоторых вариантах осуществления разности гидравлического давления можно прикладывать на протяжении по меньшей мере двух (или всех) из первого фильтра, второго фильтра и/или третьего фильтра одновременно. В некоторых таких вариантах осуществления, первый пермеат, первый ретентат, второй пермеат, второй ретентат, третий пермеат и/или третий ретентат можно получать одновременно. В некоторых непрерывных вариантах осуществления способ можно осуществлять в устойчивом состоянии.
Пока не указано иное, все концентрации и относительные содержания компонентов, описанные в настоящем документе, определяют с использованием массовых долей.
В различных вариантах осуществления в настоящем документе, «по меньшей мере часть» потока транспортируют в определенное местоположение (например, фильтр, другой поток или точку смешивания), повторно используют и/или смешивают с другим потоком (или по меньшей мере частью другого потока). В определенных вариантах осуществления, в которых «по меньшей мере часть» потока транспортируют в определенное местоположение, повторно используют и/или смешивают с другим потоком, по меньшей мере приблизительно 10% масс., по меньшей мере приблизительно 25% масс., по меньшей мере приблизительно 50% масс., по меньшей мере приблизительно 75% масс., по меньшей мере приблизительно 90% масс., по меньшей мере приблизительно 95% масс., по меньшей мере приблизительно 99% масс. или 100% масс. исходного потока можно транспортировать в определенное местоположение, повторно использовать и/или смешивать с другим потоком (или частью другого потока).
Различные фильтры, части фильтров и/или потоки описаны в настоящем документе и/или проиллюстрированы на фиг. в качестве необязательно «непосредственно соединенных по текучей среде» с другими частями системы (например, другим фильтром или частью фильтра и/или другим потоком). В соответствии с определенными вариантами осуществления, первое местоположение (например, поток или компонент) и второе местоположение (например, поток или компонент), которые описаны или проиллюстрированы в качестве непосредственно соединенных по текучей среде, могут быть соединены по текучей среде так, что композиция текучего вещества по существу не меняется (т. е., относительное содержание компонента текучего вещества меняется не больше чем на 1%), когда его транспортируют из первого объекта во второй объект.
Предварительная патентная заявка США с серийным № 62/080,675, поданная 17 ноября 2014 года и озаглавленная «Concentration Control in Filtration Systems, and Associated Methods», включена в настоящий документ посредством ссылки в полном объеме для всех целей.
Следующие примеры предназначены для того, чтобы иллюстрировать определенные варианты осуществления настоящего изобретения, но не служить примером полного объема изобретения.
ПРИМЕР 1
В этом примере описано использование среды для фильтрования для того, чтобы разделять этанол и воду.
2
Образец тонкопленочной композитной мембраны обратного осмоса 4,9 см в диаметре устанавливали в глухую камеру с перемешивателем (HP4750; Sterlitech). Камеру заполняли 300 мл 3,9 +/- 0,05% ABV (спирт по объему) раствора этанола в воде при 21 градусе по Цельсию. Включали магнитный перемешиватель и прикладывали давление 1000 фунтов/дюйм с использованием баллона с азотом, соединенного с камерой. Пермеат собирали в течение периода 30 минут. Этот пермеат выбрасывали и дополнительный пермеат собирали в течение других 20 минут. После этого периода в 20 минут брали 1 мл образец из пермеата, который собрали. Содержание этанола в образцах пермеата определяли с использованием газовой хроматографии в сочетании с масс-спектрометром. Результаты ионной хроматографии, которые сравнивали с калибровочной кривой для концентрации этанола, показывали концентрацию этанола в пермеате 1,76 +/- 0,003%, соответствующую задерживанию этанола 55% +/- 1%.
2
В отдельном тесте с использованием той же установким, как описано выше, подаваемый водный раствор, содержащий 32000 +/- 600 мг/л NaCl в качестве единственного растворенного вещества, вводили в камеру. Определяли, что проводимость раствора, при 25°C, составляет 48,5 +/- 0,5 мСм/см. Включали магнитный перемешиватель и прикладывали давление 1000 фунтов/дюйм с использованием баллона с азотом, соединенного с камерой. Пермеат собирали в течение периода 30 минут. Этот пермеат выбрасывали и дополнительный пермеат собирали в течение других 15 минут. После этого периода в 15 минут определяли проводимость пермеата, при 25°C, которая составляла 1,28 +/- 0,01 мСм/см. Это соответствует задерживанию соли приблизительно 97,5 +/- 1% (что может быть ниже, чем истинное значение мембраны из-за утечки подаваемого потока вокруг мембраны в пермеат).
ПРИМЕР 2
В этом примере описано использование среды для фильтрования для того, чтобы концентрировать пиво.
2
2
Используя ту же установку, как описано в примере 1, 290 +/- 10 мл образец пива Hefeweizen 4,8% ABV вводили в камеру с перемешивателем. Перед введением пива в камеру, камеру сначала продували диоксидом углерода. Охлаждающую рубашку надевали на камеру с перемешивателем для того, чтобы поддерживать текучее вещество при 2 +/- 5°C. Включали перемешиватель и прикладывали давление 1000 фунтов/дюйм. Тест проводили до тех пор, пока не получали пермеат, масса которого была равна приблизительно половине начальной массы подаваемой жидкости. Затем первый концентрат откладывали и хранили при 5°C в контейнере, который предварительно продували с использованием CO.
2
Камеру промывали дистиллированной водой и в камеру вводили первый пермеат. Перед введением первого пермеата в камеру, камперу продували диоксидом углерода. Охлаждающую рубашку надевали на камеру с перемешивателем для того, чтобы поддерживать текучее вещество при 2 +/- 5°C. Снова включали перемешиватель и прикладывали давление 1000 фунтов/дюйм. Тест проводили до тех пор, пока не получали 119,7 +/- 0,1 г второго пермеата. Текучее вещество в камере (второй концентрат) смешивали с первым концентратом для того, чтобы получать конечный концентрат.
2
2
2
Затем конечный концентрат смешивали с дистиллированной водой, которую сильно карбонизировали, чтобы она содержала 5 объемов CO с соотношением 9:11 для того, чтобы получать восстановленное пиво. Этот уровень карбонизации дистиллированной воды выбирали для того, чтобы получить приблизительно 2,5 объема CO в восстановленном пиве. Дистиллированную воду использовали с тем, чтобы восстановленное пиво лучше всего совпадало с исходным пивом по вкусу. Это важно, поскольку потребители пивоа уделяют особое внимание источнику воды, из которой сделано пиво. При использовании воды, которая состоит из больше чем 99,999999% или больше чем 99,9999999% HO по массе, вкус восстановленного пива будет функцией только источника воды, используемой при варении исходного пива, а не воды, используемой для восстановления пива. В качестве альтернативы дистиллированной воде, деионизированную воду с проводимостью меньше чем 5 мкСм/см или меньше чем 1 мкСм/см или меньше чем 0,1 мкСм/см можно использовать для восстановления. В качестве другой альтернативы, родниковую воду, поверхностную воду или воду из городского источника можно использовать при условии, что ее сначала фильтруют посредством одного прохождения или двух прохождений нанофильтрования или обратного осмоса.
Восстановленное пиво предоставляли в профессиональной дегустационной комиссии, которая отмечала, что ароматический профиль по существу сохранялся, хотя воспроизведенное пиво страдало от окисления, вероятно, из-за непреднамеренного контакта с воздухом во время процесса. Однако эффекты окисления были менее выражены, чем в предыдущих тестах, где температура процесса ссотавляла выше 2 +/- 5°C, вероятно, по причине более низкой скорости окисления при более низких температурах.
Содержание этанола в образцах определяли с использованием газовой хроматографии в сочетании с масс-спектрометром. Результаты ионной хроматографии, которые сравнивали с калибровочной кривой для концентрации этанола, показывали, что первый концентрат, второй концентрат, конечный концентрат и второй пермеат содержали 10,94 +/- 0,01, 3,57 +/- 0,02, 8,51 +/- 0,04 и 0,21 +/- 0,002 ABV. Это подразумевает, что прохождение этанола в совокупном процессе (соотношение концентрации этанола во втором пермеате и таковой в начальном подаваемом веществе) составляло 4,5% и задерживание этанола в совокупном процессе (единица минус прохождение этанола) составляло 95,5%. Высокий уровень задерживания этанола, вероятно, обусловлен низкой температурой, при которой проводили процесс, которая позволяет замедлять диффузию этанола через мембрану.
ПРИМЕР 3
В этом примере описана система фильтрования, которую можно использовать для того, чтобы фильтровать этанол из жидкой смеси, содержащей этанол и воду.
Существует две значимых проблемы при фильтровании этанола из смеси этанола и воды. Одна проблема состоит в низком задерживании этанола полиамидными мембранами. Во многих случаях это ведет к необходимости нескольких прохождений фильтрования для того, чтобы достигать достаточных уровней устранения этанола. Другая проблема обусловлена желанием достигать высокой концентрации этанола в конечном потоке ретентата, например, для того, чтобы снижать расходы на транспортировку. Это ведет, во многих случаях, к необходимости многих этапов фильтрования для того, чтобы максимизировать устранение воды.
Одно решение этих проблем состоит в размещении фильтров таким образом, чтобы потоки смешивать и повторно использовать для того, чтобы минимизировать необходимое число прохождений и этапов, но так, что фильтры располагают таким образом, чтобы, когда потоки смешивают, осмотическое давление потоков, подлежащих смешиванию, было схожим. Это устраняет неблагоприятные эффекты, оказываемые на совокупное отделение этанола в системе, которые будут возникать, если смешивают потоки с различными концентрациями этанола.
В этом примере предполагают, что каждый фильтр имеет коэффициент извлечения приблизительно 50% (т. е., коэффициент концентрирования приблизительно 2). Также предполагают, что прохождение этанола в каждом фильтре составляет 25%. Образцовая система фильтрования представляет собой двухпроходную, двухэтапную систему фильтрования с повторным использованием пермеата, схожую с вариантом осуществления, проиллюстрированным на фиг. 4. В образцовом режиме работы подаваемый поток 308 может иметь скорость потока массы 3 кг/с и концентрацию этанола 4% масс. Первый поток 312A ретентата может иметь скорость потока массы 2 кг/с и концентрацию этанола 6,5% масс. Первый поток пермеата 314A может иметь скорость потока массы 2 фунта/мин и концентрацию этанола 1,5% масс.. Второй поток 312B ретентата может иметь скорость потока массы 1 фунт/мин и концентрацию этанола 2,5% масс. Второй поток пермеата 314B может иметь скорость потока массы 1 фунт/мин и концентрацию этанола 0,58% масс. Третий поток 312C ретентата может иметь скорость потока массы 1 фунт/мин и концентрацию этанола 10,5% масс. Третий поток 314C пермеата может иметь скорость потока массы 1 фунт/мин и концентрацию этанола 2,5% масс. Четвертый поток 312D ретентата может иметь скорость потока массы 1 фунт/мин и концентрацию этанола 4% масс. Четвертый поток 314D пермеата может иметь скорость потока массы 1 фунт/мин и концентрацию этанола 0,95% масс. Конфигурация в этом примере достигает совокупного коэффициента концентрирования приблизительно 2,6 (вычисленного посредством сравнения концентрации этанола в потоке 312C с концентрацией этанола в потоке 308). Эту конфигурацию, в частности, можно использовать, когда имеет место значимый уровень этанола, проходящего в поток пермеата каждого фильтра. Если прохождение этанола составляет приблизительно 38%, то два этапа фильтрования, каждый концентрирует с коэффициентом 2, потребуются для того, чтобы приводить пермеат обратно к уровню, где его можно использовать повторно в подаваемом потоке с совпадающей концентрацией. Если прохождение этанола ниже, то будет желательно использовать коэффициенты извлечения выше 50% в каждом из блоков 2-го прохождения. Это можно выполнять посредством превышения условного извлечения 50% на этап или, возможно, посредством замены каждого блока на два этапа, работающих с извлечением 30% каждый. Обратное будет верно, если прохождение этанола должно быть выше 25%.
Повторно используемый поток (например, поток 312D на фиг. 4) полезен, поскольку он снижает общее число блоков обратного осмоса, необходимых для того, чтобы достигать желаемого совокупного коэффициента концентрирования. Альтернатива состоит в том, чтобы создать дополнительную систему для того, чтобы концентрировать ретентат из второго этапа второго прохождения. Она также полезна для того, чтобы концентрировать потоки вплоть до уровня начального подаваемого вещества в системе перед повторным использованием. Это является превосходным подходом с точки зрения эффективность разделения и энергоэффективности по отношению к повторному использованию потока с более низкой концентрацией этанола.
В некоторых случаях, может быть желательно опускать первый этап второго прохождения и направлять пермеат из первого этапа первого прохождения непосредственно в конечный поток пермеата. Также может быть желательным использовать разделенное частичное второе прохождение (или частичное второе прохождение) на первом этапе первого прохождения - это значит, что часть пермеата из первого этапа первого прохождения будет обходить первый этап второго прохождения. Возрастающее снижение чистоты конечного продукта, достигаемой с помощью целой системы, когда первый этап первого прохождения устраняют частично или полностью, мало. Это обусловлено тем, что прохождение растворенных веществ на первом этапе первого прохождения или в первой части этой стадии фильтрования типично низко из-за высокого потока, который преобладает, поскольку осмотическое давление подаваемого вещества низко. По этой причине эффектом пропуска всего или части первого этапа второго прохождения может быть значительное снижение капитальных затрат и эксплуатационных затрат, при этом только слегка затрагивая совокупное задерживание растворенных веществ в системе.
В некоторых случаях, может быть желательно рабоатать с использованием нескольких фильтров вместо любого из отдельных фильтров (например, любого из отдельных фильтров, проиллюстрированных при первом прохождении). При работе таким образом, коэффициент извлечения в каждом блоке можно снижать, что может допускать более однородный поток и, таким образом, более однородное засорение в каждом блоке.
Также может быть желательным использовать более высокий поток в фильтре 301B и/или фильтре 301D, чем в фильтре 301A и/или фильтре 301C, чтобы увеличивать задерживание, которое может быть достигнуто. Поскольку потоки пермеата из фильтров 301B и 301D повторно не используют, увеличение задерживания не будет нарушать архитектуру системы в ее стремлении смешивать только потоки со схожими концентрациями этанола.
Хотя коэффициент извлечения и прохождения этанола каждого фильтра, в целях этого примера, фиксирован, на практике их значения на фиг. 4 можно определять и выбирать следующим образом.
Фильтры 301A и 301C можно разрабатывать для коэффициента извлечения 50%, через выбор фильтров, прикладываемого гидравлического давления и скоростей потоков, которые знакомы тем, кто имеет опыт в данной области. Через улучшение программного обеспечения для разработки коммерческих систем фильтрования, такого как Q+, IMS Design или ROSA, с использованием данных об эффекте концентрации этанола, оказываемом на осмотическое давление, и данных о коэффициенте диффузии этанола через среду для фильтрования, можно определять прохождение этанола для фильтра 301A и 301C. Затем специалисты в данной области могут выбирать фильтры, скорости потоков и уровень прикладываемого гидравлического давления для фильтров 301B и 301D, которые позволят концентрации этанола в потоках, смешиваемых в точках 350, и таковых, смешиваемых в 308, быть по существу одной и той же.
Хотя некоторые варианты осуществления настоящего изобретения описаны и проиллюстрированы в настоящем документе, средние специалисты в данной области без труда вообразят различные другие средства и/или структуры для осуществления функций и/или получения результатов и/или одного или нескольких преимуществ, описанных в настоящем документе, и каждую из таких вариаций и/или модификаций считают входящей в объем настоящего изобретения. В более общем смысле, специалисты в данной области без труда примут во внимание, что все параметры, размеры, материалы и конфигурации, описанные в настоящем документе, считают образцовыми, и что фактические параметры, размеры, материалы и/или конфигурации будут зависеть от конкретного применения или применений, для которых используют положения настоящего изобретения. Специалисты в данной области узнают или будут способны выполнить, используя не больше чем повседневные эксперименты, многие эквиваленты конкретных вариантов осуществления изобретения, описанных в настоящем документе. Следовательно, понятно, что приведенные выше варианты осуществления представлены только в качестве примера и что, в пределах объема приложенной формулы изобретения и ее эквивалентов, изобретение можно осуществлять на практике иным образом, нежели конкретно описано и заявлено. Настоящее изобретение направлено на каждый индивидуальный признак, систему, изделие, материал и/или способ, описанные в настоящем документе. Кроме того, любая комбинация из двух или больше таких признаков, систем, изделий, материалов и/или способов, если такие признаки, системы, изделия, материалы и/или способы не являются взаимно несовместимыми, включена в объем настоящего изобретения.
Формы единственного числа, как используют в настоящем документе в описании и в формуле изобретения, пока явно не указано иное, следует понимать как «по меньшей мере один».
Фразу «и/или», как используют в настоящем документе в описании и в формуле изобретения, следует понимать как обозначение «любой или оба» из элементов, соединенных таким образом, т. е., элементов, которые связанно присутствуют в некоторых случаях и несвязанно присутствуют в других случаях. Необязательно могут присутствовать другие элементы, отличные от элементов, конкретно идентифицированных посредством формулировкой «и/или», связанные или не связанных с теми элементами, которые конкретно идентфицированы, пока явно не указано иное. Таким образом, в качестве неограничивающего примера, отсылка к «A и/или B», когда используют в сочетании с открытой формулировкой, такой как «содержит», может относиться, в одном из вариантов осуществления к A без B (необязательно включая элементы, отличные от B); в другом варианте осуществления к B без A (необязательно включая элементы, отличные от A); в еще одном другом варианте осуществления как к A, так и к B (необязательно включая другие элементы); и т. д.
Как используют в настоящем документе в описании и в формуле изобретения, «или» следует понимать как имеющее то же значение, что и «и/или», как определено выше. Например, при разделении пунктов в списке, «или» или «и/или» следует интерпретировать как включающие, т. е. включение по меньшей мере одного, но также включая больше чем один, из числа или списка элементов, и, необязательно, дополнительно неперечсленных элементов. Только термины, четко указывающее на противоположное, такие как «только один из» или «точно один из» или, когда используют в формуле изобретения, «состоит из», относятся ко включения точно одного элемента из числа или списка элементов. В целом, термин «или», как используют в настоящем документе, следует интерпретировать только как указывающий на исключающие альтернативы (т. е. «один или другой, но не оба»), когда ему предшествуют термины исключительности, такие как «один из двух», «один из», «только один из» или «точно один из». «Состоящий по существу из», когда используют в формуле изобретения, должен иметь свое исходное значение, как используют в области патентного права.
Как используют в настоящем документе в описании и в формуле изобретения, фразу «по меньшей мере один» по отношению к списку из одного или нескольких элементов следует понимать как обозначающую по меньшей мере один элемент, выбранный из любого одного или нескольких элементов в списке элементов, но не обязательно включая по меньшей мере один из каждого и всякого элемента, конкретно перечисленного в списке элементов, и не исключая какие-либо комбинации элементов в списке элементов. Это определение также допускает, что необязательно могут присутствовать элементы, отличные от элементов, конкретно идентифицированных в списке элементов, к которому относится фраза «по меньшей мере один», независимо от связи с теми элементами, которые идентифицированы конкретно. Таким образом, в качестве неограничивающего примера, «по меньшей мере один из A и B» (или эквивалентно «по меньшей мере один из A или B» или эквивалентно «по меньшей мере один из A и/или B») может относиться, в одном из вариантов осуществления, по меньшей мере к одому, необязательно включая больше чем один, A, без присутствия B (и необязательно включая элементы, отличные от B); в другом варианте осуществления по меньшей мере к одному, необязательно включая больше чем один, B, без присутствия A (и необязательно включая элементы, отличные от A); в еще одном другом варианте осуществления, по меньшей мере к одному, необязательно включая больше чем один, A, и по меньшей мере одному, необязательно включая больше чем один, B (и необязательно включая другие элементы); и т. д.
В формуле изобретения, а также в приведенном выше описании все переходные фразы, такие как «содержит», «включает», «несет», «имеет», «вмещает» и т. п., следует понимать как открытые, т. е. обозначающие включение, но без ограничения. Только переходные фразы «состоит из» и «по существу состоит из» должны являться закрытыми или полузакрытыми переходными фразами, соответственно, как изложено в патент United States Patent Office Manual of Patent Examining Procedures, раздел 2111.03.