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1、(10)申请公布号 CN 102333582 A (43)申请公布日 2012.01.25 CN 102333582 A *CN102333582A* (21)申请号 200980157495.6 (22)申请日 2009.12.13 61/208523 2009.02.25 US B01D 63/10(2006.01) B01D 69/02(2006.01) B01D 65/08(2006.01) (71)申请人 普拉特及惠特尼火箭达因公司 地址 美国加利福尼亚州 (72)发明人 M. F. 巴瑟 A. B. 米尼克 (74)专利代理机构 中国专利代理(香港)有限公 司 72001 代理人 。
2、原绍辉 傅永霄 (54) 发明名称 具有减少的积垢的流体分离系统 (57) 摘要 一种流体分离系统， 包括具有在其上的特征 的图案的分离膜。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2011.08.25 (86)PCT申请的申请数据 PCT/US2009/067800 2009.12.13 (87)PCT申请的公布数据 WO2010/098803 EN 2010.09.02 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 23 页 CN 102333596 A1/2 页 2 1. 一种流体分离系统， 包。
3、括 ： 在其上具有特征的图案的分离膜， 所述特征的图案包括相对于流动方向成角度的多个 叶片。 2. 如权利要求 1 所述的系统， 其中所述分离膜允许溶剂从其穿过而阻止溶质通过。 3. 如权利要求 2 所述的系统， 其中所述溶剂是水。 4. 如权利要求 1 所述的系统， 其中所述特征的图案设置在所述分离膜的一侧上。 5. 如权利要求 1 所述的系统， 其中所述特征的图案设置在所述分离膜的双侧上。 6.如权利要求1所述的系统， 其中所述多个叶片的每个与所述流动方向成小于20的 角度。 7. 如权利要求 1 所述的系统， 其中所述多个叶片的每个限定横跨通道高度的叶片高 度。 8. 如权利要求 1 所。
4、述的系统， 其中所述多个叶片的每个限定拉伸的菱形形状。 9. 如权利要求 8 所述的系统， 其中所述拉伸的菱形形状限定与所述流动方向对齐的半 角端部。 10. 如权利要求 8 所述的系统， 其中所述拉伸的菱形形状限定与所述流动方向对齐的 10半角端部。 11. 如权利要求 1 所述的系统， 其中所述特征的图案限定相对于流体流动方向的梯度。 12. 如权利要求 1 所述的系统， 其中所述特征的图案由弹性体材料形成。 13. 一种流体分离系统， 包括 ： 沿着轴线限定的渗透收集管， 所述渗透收集管限定一组孔 ； 在其上具有特征的第一图案的第一分离膜， 所述特征的第一图案包括相对于流动方向 成角度的。
5、多个叶片， 以及 沿着三个侧边附接到所述第一分离膜的第二分离膜， 以限定绕着所述渗透收集管缠绕 的页， 所述第一分离膜和所述第二分离膜限定与所述一组孔流体连通的开放侧。 14. 如权利要求 13 所述的系统， 还包括在所述第二分离膜上的特征的第二图案， 所述 特征的第二图案包括相对于流动方向成角度的第二多个叶片。 15. 如权利要求 14 所述的系统， 其中所述特征的第一图案和所述特征的第二图案互相 插入。 16. 如权利要求 15 所述的系统， 其中所述第一多个叶片和所述第二多个叶片横跨它们 之间的通道高度。 17. 如权利要求 14 所述的系统， 其中所述第一多个叶片限定第一多个排， 并且。
6、所述第 二多个叶片限定第二多个排， 所述第一多个叶片和所述第二多个叶片以交替交错布置方式 来定位。 18.如权利要求13所述的系统， 其中所述多个叶片的每个与所述流动方向成小于20 的角度。 19. 如权利要求 13 所述的系统， 其中所述第一多个叶片的每个限定拉伸的菱形形状。 20. 如权利要求 19 所述的系统， 其中所述拉伸的菱形形状限定与所述流动方向对齐的 半角端部。 21. 如权利要求 20 所述的系统， 其中所述拉伸的菱形形状限定与所述流动方向对齐的 权 利 要 求 书 CN 102333582 A CN 102333596 A2/2 页 3 10半角端部。 22. 如权利要求 1。
7、9 所述的系统， 其中所述第一多个叶片的每个至少部分地沿着所述流 动方向交叠所述第一多个叶片的另一个。 23. 如权利要求 19 所述的系统， 其中所述第一多个叶片的每个沿着大体上沿着所述流 动方向的排间隔开。 24. 如权利要求 19 所述的系统， 其中所述第一多个叶片的每个沿着大体上沿着所述流 动方向的交错的排间隔开。 25. 如权利要求 24 所述的系统， 其中所述大体上沿着所述流动方向的交错的排限定交 叠的隔离片列。 26. 如权利要求 19 所述的系统， 其中所述第一多个叶片的每个被相关联以限定流体的 轴向压力梯度和通道速度。 权 利 要 求 书 CN 102333582 A CN 。
8、102333596 A1/4 页 4 具有减少的积垢的流体分离系统 背景技术 0001 本发明要求于 2009 年 2 月 25 日提交的美国临时专利申请 No.61/208523 号的优 先权。 0002 本申请涉及流体分离系统， 并且更具体地涉及它的分离膜。 0003 常规反渗透流体分离系统具有多层膜、 供应通道隔离片、 以及用于提供集中和渗 透流动通道的渗透收集材料。 供应通道隔离片通常是增加流体流动湍流的单独的筛类型的 构件。供应通道隔离片可易受沉淀物聚集和积垢的影响。 附图说明 0004 根据下面公开的非限制性实施例的详细描述， 各种特征对于本领域的技术人员来 说将变得显而易见。可以。
9、如下简要地描述伴随详细描述的附图 ： 图 1A 为流体分离系统的总体示意局部剖视图 ； 图 1B 为流体分离系统在部分地未卷绕视图中的端视图 ； 图 2 为应用到一对分离膜的特征图案的一个非限制性实施例 ； 图 3 为应用到一对分离膜的特征图案的另一个非限制性实施例 ； 图 4 为应用到一对分离膜的特征图案的另一个非限制性实施例 ； 图 5 为应用到一对分离膜的特征图案的另一个非限制性实施例 ； 图 6 为应用到分级图案中的特征图案的另一个非限制性实施例 ； 图 7 为特征图案的另一个非限制性实施例 ； 图 8-14 为根据图 7 的特征图案的流动测定 ； 图 15 为特征图案的另一个非限制性。
10、实施例 ； 以及 图 16-22 为根据图 15 的特征图案的流动测定。 具体实施方式 0005 图 1A 示意性地示出流体分离系统 20。流体分离系统 20 总体上包括多个分离膜 22， 其绕着渗透收集管 24（图 1B） 螺旋地缠绕。渗透收集管 24 被沿着轴 X 定义， 并且限定 沿着渗透收集管 24 的长度成组分布的多个孔 26。 0006 抗缩板 28A、 28B 附接到渗透收集管 24 以将多个分离膜 22 保持在它们之间， 并且 阻止多个分离膜 22 响应于流体流动的叠缩。每个抗缩板 28A、 28B 包括限定在渗透收集管 支撑部 32 和边沿 34 之间的环形流动路径 30。抗。
11、缩板 28A、 28B 可以在其边沿 34 处附接到 压力容器 36 以便将多个分离膜 22 容纳在其中。流体分离系统 20 可以形成为圆柱形模块 以便多个可串联连接。可以可替代地设置其他剖面形状。 0007 反渗透 （RO） 是使用压力迫使溶液通过膜的分离工艺， 膜将溶质保持在一侧上并且 允许纯溶剂通过到另一侧。更正式地， 迫使溶剂从高溶质浓度区域通过膜到达低溶质浓度 区域的过程是通过应用超过渗透压力的压力来完成的。当在本文中使用时， 术语 “分离膜” 是指使用来反渗透的任何材料， 例如聚合物基体中的密实的屏障层， 大多数的分离都发生 说 明 书 CN 102333582 A CN 1023。
12、33596 A2/4 页 5 于此。虽然本文公开的分离膜 22 仅允许水穿过这个密实的层同时阻止溶质通过， 例如盐离 子， 但是可以应用于反渗透类型工艺的任何材料也可以从本文受益。 0008 多个分离膜 22 以分离膜对 22A、 22B 设置从而限定流体分离元件或 “页” 23， 其在 三侧上是封闭的。当在本文中使用时， 术语 “页” 是指分离膜布置， 该布置与一组孔 26 连 通， 以便通过分离膜的溶液将溶质保持在一侧上并且允许纯溶剂穿过到另一侧从而流入这 组孔 26。每个页 23 的第四或开放侧定位在渗透收集管 24 中的相应一组孔 26 附近， 以限定 从每对分离膜 22A、 22B 。
13、之间进入渗透收集管 24 的流体流动路径 （图 1B， 这里示意性地示出 为具有四个页23A-23D） 。 除了如在图1B中最佳所见的一排的多个孔， 可以考虑如本文限定 的一组孔。应该理解虽然本文详细描述了具有成对分离膜 22A、 22B 的单个页 23 以及单一 组的孔 26， 但是多个分离膜 22 中的每个页 23 都以大致相当的方式被布置并操作。 0009 特征 40 （示意性示出） 的图案形成在多个分离膜 22 的每个上或特定的组合上。特 征 40 可以具有各种大小和形状， 包括但不限于波、 弧、 线、 V 型图案等。当在本文中使用时， 术语 “特征” 是指任何伸出部、 凸起、 结、 。
14、突出部、 突出物、 隆起物、 脊、 线等。其形成在分离膜 22 上。在一个非限制性实施例中， 特征 40 可以通过将弹性体材料丝网印刷在多个分离膜 22的每一个或特定组合的一侧或双侧上以形成图案。 应该理解， 特征40的图案可以以其它 方式提供， 例如通过在分离膜 22 中的一体成型。弹性体材料可以额外地被使用来密封成对 分离膜 22A、 22B 的三个侧边。虽然本文公开了弹性体材料， 但是应该理解， 各种聚合物和其 他材料可以可替代地或附加地被使用来形成特征 40。 0010 特征 40 的图案被定向和设置从而例如增强湍流、 减少背压并且减少沉淀物捕获， 例如生物积垢或其他固化溶质。 001。
15、1 可以针对多个分离膜 22 的不同区域的不同要求专门定制特征 40 的图案， 例如对 于邻近抗缩板28A的入口处的高流量、 低压损失和邻近抗缩板28B的出口处的低流量、 高压 损失。 0012 特征40的图案也可以操作作为多个分离膜22之间的隔离片， 以便针对膜要求 （包 括到不限于流量、 湍流、 以及边界层的分离等） ， 专门定制流体流动。应该理解， 可以使用各 种计算机化的流体流动模型系统来确定特征 40 的期望图案。 0013 通过抗缩板 28A 供给的供应溶液 S 进入页 23 之间。当供应溶液 S 在页 23 上面和 周围流动时， 渗透流体 F， 例如水， 渗透通过分离膜对 22A。
16、、 22B 进入每个页 23， 同时浓缩物 C 继续留在页 23 之间。 0014 渗透流体 F 在页内的分离膜对 22A、 22B 之间流向渗透收集管 24， 在那里渗透流体 F 通过一组孔 26 被收集在其内。在渗透收集管 24 中的渗透流体 F 沿着下游方向在其内流 动。未渗透通过分离膜对 22A、 22B 进入每个页 23 的浓缩物 C 通过抗缩板 28B 的环形出口 向下游排出。 0015 特征 40 的图案以各种组合直接应用到多个分离膜 22， 例如， 以便在最小化或消除 沉淀物捕获的同时， 消除单独的供应通道隔离片层和渗透收集材料层。这样允许在相对于 流体流动路径的流动图案的设计。
17、的灵活性。 0016 参考图 2， 每个页 23A 可以包括应用到分离膜对 22A、 22B 的每个的一侧的特征 40 的图案。特征 40 的图案可操作来在页 23A 内使分离膜对 22A、 22B 彼此隔离以及在多个分 离膜 22 内分离每个页 23。 说 明 书 CN 102333582 A CN 102333596 A3/4 页 6 0017 参考图 3， 在另一个非限制性实施例中， 每个页 23B 可以包括应用到一对分离膜 22A、 22B 的每个的双侧的特征 40 的图案。当分离膜 22A、 22B 结合在一起形成页 23B 时， 在 分离膜 22A 上的特征 40 的图案和在分离膜。
18、 22B 上的特征 40 的图案可以是互相插入的或者 以其它方式互相关联。 0018 参考图 4， 在另一个非限制性实施例中， 每个页 23C 可以包括应用到一对分离膜 22A、 22B 的仅一个分离膜 22A 的双侧的特征 40 的图案。应用到在每个页 23 中的单个分离 膜 22A 的双侧的特征 40 的图案与在多个分离膜 22 中的平坦的分离膜 22B 形成交替布置。 0019 参考图 5， 在另一个非限制性实施例中， 每个页 23D 可以包括应用到在其之间具有 渗透收集材料 25 的一对分离膜 22A、 22B 的一个分离膜 22A 的一侧的特征 40 的图案。应用 到一个分离膜 22。
19、A 的一侧的特征 40 的图案促进在多个分离膜 22 中的每个页 23 之间的隔 离。 0020 参考图 6， 特征 40 的图案可以是各种形式。在一个非限制性实施例中， 图案特征 40包括分级图案， 其在密度方面沿着轴向供应溶液S流体流动路径增加。 应该理解， 可以替 代地或附加地使用各种图案、 特征形状和它们的组合。 0021 参考图7， 根据一个非限制性实施例， 特征40A的图案提供与供水流动方向成10 角的直叶片。每个特征 40A 在每个隔离片排中交替和交错叶片。叶片高度横跨 28 密耳的 通道高度和 15.9 密耳的排间距 （在 10角旋转之前为 0） 。应该理解， 可以替代地或附加。
20、地 使用其它关系， 例如具有 28 密耳的排间距的成 20角 （或更小） 的直叶片、 没有排间距、 28 密耳的叶片宽度及达 0.25 的轴向长度、 以及它们的各种组合。 0022 特征 40A 的图案提供对流动的较低液压阻抗力 （在从 0.13psi/inch 到 0.03psi/ inch的77的轴向压力梯度下降） ， 最小化流动冲角使液压阻抗力最小， 并且使发生生物 积垢的低速尾流区域最小， 并且提供更高的通道中平面速度， 并因此提供更高的流体剪应 力以阻止生物积垢的建立以及阻止膜堵塞 （图 8-14） 。 0023 参考图 15， 根据一个非限制性实施例， 特征 40B 的图案提供拉伸。
21、的菱形， 以使最大 流动冲角最小， 并且改善流动分离区域。拉伸的菱形叶片包括与供水流动方向对齐的 10 半角端部。每个特征 40B 在每个隔离片排中交替和交错叶片。叶片高度横跨 28 密耳的通 道高度和列之间的 14 密耳的排间距 （对于相同列为 56 密耳） 。 0024 特征 40B 的图案提供最高的通道中平面速度， 从而提供最高的流体剪应力， 以阻 止细菌生物积垢的建立以及阻止膜堵塞 ； 以及降低对流动的液压阻抗力 （从 0.13psi/inch 到 0.04psi/inch 的 69的轴向压力梯度下降） （图 16-22） 。 0025 特征 40B 的图案可被相关地最优化以提供在轴向。
22、压力梯度和通道速度之间的折 衷。由此通过使隔离片列交叠每个相邻特征 40B 的尖部长度的大约一半还可以进一步减少 尾流区域。通过特征 40B 的列交叠以减小尾流区域来实现使可能发生生物积垢的低速尾流 区域最小化。 特别地， 还可以通过以一半尖部长度交叠隔离片列来进一步地改善尾流区域。 尾流区域的减少导致轴向压降增加， 以便抽吸相同流率通过通道。虽然隔离片形状和相对 于来流的流动冲角对最小化压降和尾流区域是重要的， 但是在最优化中的某个点处对尾流 区域的减小生物积垢的进一步改善导致更大的压降。这个点基本上提供了最优化的关系。 0026 应该理解， 在所有附图中相同参考标记表示相应或相似的元件。 。
23、应该理解， 虽然在 示出的实施例中公开了特定部件布置， 但是其他布置也将从本文受益。 说 明 书 CN 102333582 A CN 102333596 A4/4 页 7 0027 虽然示出、 描述以及要求保护了特定的步骤顺序， 但是应该理解， 除非有其它指 示， 步骤可以以任何顺序、 单独地或者组合地来执行， 并且将仍然从本申请中受益。 0028 前面的描述是示例性的， 而不是由其中的限制限定。本文公开了各种非限制性实 施例， 然而， 本领域的技术人员将认识到， 在上述教导下各种修改和变形都将落入附属权利 要求的范围内。 因此应该理解， 在附属权利要求的范围内， 本发明可以以不同于具体描述的。
24、 方式被实践。由于这个原因， 附属权利要求应该被研究来确定真实范围和内容。 说 明 书 CN 102333582 A CN 102333596 A1/23 页 8 图 1A 说 明 书 附 图 CN 102333582 A CN 102333596 A2/23 页 9 图 1B 说 明 书 附 图 CN 102333582 A CN 102333596 A3/23 页 10 图 2 说 明 书 附 图 CN 102333582 A CN 102333596 A4/23 页 11 图 3 说 明 书 附 图 CN 102333582 A CN 102333596 A5/23 页 12 图 4 说。
25、 明 书 附 图 CN 102333582 A CN 102333596 A6/23 页 13 图 5 说 明 书 附 图 CN 102333582 A CN 102333596 A7/23 页 14 图 6 说 明 书 附 图 CN 102333582 A CN 102333596 A8/23 页 15 图 7 说 明 书 附 图 CN 102333582 A CN 102333596 A9/23 页 16 图 8 说 明 书 附 图 CN 102333582 A CN 102333596 A10/23 页 17 图 9 说 明 书 附 图 CN 102333582 A CN 1023335。
26、96 A11/23 页 18 图 10 说 明 书 附 图 CN 102333582 A CN 102333596 A12/23 页 19 图 11 说 明 书 附 图 CN 102333582 A CN 102333596 A13/23 页 20 图 12 说 明 书 附 图 CN 102333582 A CN 102333596 A14/23 页 21 图 13 说 明 书 附 图 CN 102333582 A CN 102333596 A15/23 页 22 图 14 说 明 书 附 图 CN 102333582 A CN 102333596 A16/23 页 23 图 15 说 明 书。
27、 附 图 CN 102333582 A CN 102333596 A17/23 页 24 图 16 说 明 书 附 图 CN 102333582 A CN 102333596 A18/23 页 25 图 17 说 明 书 附 图 CN 102333582 A CN 102333596 A19/23 页 26 图 18 说 明 书 附 图 CN 102333582 A CN 102333596 A20/23 页 27 图 19 说 明 书 附 图 CN 102333582 A CN 102333596 A21/23 页 28 图 20 说 明 书 附 图 CN 102333582 A CN 102333596 A22/23 页 29 图 21 说 明 书 附 图 CN 102333582 A CN 102333596 A23/23 页 30 图 22 说 明 书 附 图 CN 102333582 A 。