专利名称：切向过滤装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用通常称为膜的分离件来分离分子或颗粒的技术领域，本发明适于确保包含在待处理的液态介质内的分子或颗粒的分离。
本发明的目的尤其有利于应用在一般的过滤装置中过滤待处理液体的一般意义的过滤，尤其是纳米过滤、超滤、微孔过滤等等。
这里的待处理的液体介质尤其是指如牛奶、葡萄酒、水、果汁、糖及其衍生物之类的液体介质。
背景技术：
在现有技术中，已知多种用于待处理的液体的过滤装置的变型实施例。其中一些装置特别地使用切向过滤并且结合有循环回路。切向过滤包括使待处理的液体平行于多孔性膜循环。由于待处理的液体在膜表面上以高速进行循环，所以产生使沉积在该表面的物质重新散开的剪切应力，从而限制颗粒在膜表面的积聚并延缓膜的堵塞。
待处理液体在膜表面上“摩擦”，这导致压降(压头损失)，该压降关于膜的长度以线性方式变化。该压降取决于膜的尺寸参数膜长度及其液力直径(hydraulic diameter)；并取决于实验参数循环速率、产品粘度、密度。
切向过滤装置包括至少一个过滤件，其包含多孔性膜，该膜限定了待过滤的液体的循环室以及收集穿过该膜后的滤液的腔室。过滤件包括至少一个且最常仅为一个的、用于待处理的液体的入口；至少一个且最常仅为一个的、用于排出已沿过滤件循环的渗余物(retentate)的出口。收集滤液的空间与至少一个且最常仅为一个的、用于滤液的出口相连通。该滤液被澄清；该渗余物对应于待处理的液体的浓缩物，呈不能够穿过过滤件的孔的颗粒的形式。所述装置最常包括循环回路，即在进入过滤件之前，至少一部分渗余物被再注入，以便进行连续的再浓缩，从而避免过多的浪费。
所述膜包括支承件，该支承件的表面涂覆有很薄的过滤层，待处理的液体在该表面上循环。这些膜可以是有机类型的，即由一种或多种聚合物如聚砜(polysulfones)、聚醚砜(polyethersulfones)、聚酰胺、乙烯基多氟化物(vinyl polyfluorides)制成。该膜还可以是无机类型，本发明优选采用这类膜，无机膜包括多孔性陶瓷层，例如碳、锆、氧化铝或氧化钛。
所述膜可具有不同的几何形状，如平面或管状。通常，在一个模块或壳体中设置若干个膜。
所述过滤装置包括至少一个过滤模块，其装有一组管状过滤件，所述过滤件彼此平行地延伸并且其每个端部密封地安装在定位板上。各过滤件包括至少一个用于待过滤的液体的循环通道。所述过滤件确保液体的切向过滤，以便在所述过滤件的外围表面上获得流出的滤液，该滤液将被收集在位于定位板和壳体之间的收集空间内。
根据现有技术的第一变型，过滤装置安装在循环回路内，在该循环回路中，循环泵经由用于输入待过滤的液体的流入通道(intake channel)以及用于供给待处理的液体的供给通道连接至该过滤装置，返回通道通入该供给通道中，该返回通道回收一部分已在所述过滤件内部循环过的液体，这部分液体称为渗余物。该循环泵还确保待过滤的液体在这些过滤件内的高速循环，这易于产生使沉积在膜的表面上的物质重新分布的剪切应力。
其他的过滤装置，例如在专利申请FR 2810256和WO 01/96003中描述的过滤装置，包括直接集成在壳体内的循环回路。
所述装置的优点在于显著地降低装置的总捕获容积(capture volume)，特别是降低了与待处理的液体相对应的捕获容积，直接结果是该装置内部的接触时间的减少。这种接触时间的减少使液体在该系统内的受热减少。
不管系统的构造如何，对于切向操作而言，必须在装置的操作周期内监控(heed)使得过滤器不堵塞的实验条件。
现有多种理论试图预测膜装置内的渗透通量(permeate flux)。其中一种理论将紊流的层流底层(laminar sub-layer)的厚度限定为主要参数。显而易见，沉积在膜表面上的物质的厚度不能够超过该层流底层的厚度。因而，该底层表示残留的滤饼(filter cake)的厚度。因此，能够合理估计的是，该底层越薄，膜的渗透率越高。
以下方程给出了层流底层的厚度 其中 χ＝层流底层的厚度； ν＝待过滤的液体的运动粘度(kinematic viscosity)； ρ＝待过滤的液体的密度； τω＝壁剪力； k＝系数。
壁剪力的值由下列方程给出 其中 λ＝摩擦系数 VL＝待过滤的液体的循环速率 摩擦系数的值由下列方程给出 其中，Re是待处理的液体的雷诺数。
该雷诺数等于 其中 R＝待处理的液体循环的通道液力半径； η＝待过滤的液体的动力粘度(dynamic viscosity)。
因此可见，为了评估膜在切向操作下的不堵塞性，必须考虑下列因素 -循环速率； -待过滤的液体的密度； -动力粘度和运动粘度(后者等于动力粘度除以密度)。
在膜的工作期间，根据物质(species)的断开能量(cut-off power)，一些物质被阻留，而其他物质穿过该膜。显然，被阻留的物质的浓度增大，导致沿膜循环的液体的粘度和密度增大。
在这些条件下 -雷诺数减小， -摩擦系数增大， -压降(压头损失)增大， -壁剪力升高， -层流底层的厚度减小，使得渗透率增高。
粘度和密度的增大可导致渗透率增高。然而实际中的情况是相反的。所述预测的渗透率随着粘度和密度的增大而增高因循环泵的操作而被消除。由于成本的原因，这种泵最常是离心泵。然而，离心泵具有在压力条件变化时限定泵的流速的操作曲线。作为一般规则，如果与待处理的液体在膜上的摩擦相关的压降增大，则循环速度降低。因而，循环速率降低，结果为 -雷诺数减小， -摩擦系数减小 -压降降低 -壁剪力减小 -层流底层的厚度增大，从而使渗透率降低。
应当指出，由于一个相同的压降可涉及与低粘度值相关联的快速循环速率、或者相反的情况，因此压力并不表示一个或多个过滤件内部的待处理液体的状态。
而且，粘度是液体内部的剪切应力(与壁剪力不同)与速度梯度的比率。然而，最常处于高浓度水平的待处理的液体具有所谓的异常粘度。这种异常最常导致的结果是在速度梯度陡然变化时出现的膨胀(bulking)现象。这种变化可能是断电或任何其他故障的结果，其影响是意外地降低了循环速度。在此情况下，所有待处理的液体可能转变为凝胶，并使排空该装置成为非常费时和费成本的操作，有时甚至不更换膜就不可能排空该装置。在带有循环回路的膜型切向过滤装置内的待处理液体的胶凝现象是一种必需防止的现象。
发明内容
因此，在本发明中，发明人研发了一种如权利要求1所限定的新型装置，该装置使用一种方法来监控用于待处理液体的切向过滤的装置(installation)，该装置包括至少一个过滤件，待处理的液体沿过滤件循环，所述液体会被分离为穿过所述过滤件的滤液和沿着所述过滤件循环的渗余物，所述过滤件结合在循环回路中，以在待处理的液体进入过滤件之前，将至少一部分渗余物再注入到待处理的液体中。根据本发明的一个实质特征，探测与待处理的液体相关的、至少一个信息的特征项，其表示待处理的液体在一个或多个过滤件内部发生胶凝的风险和/或表示一个或多个过滤件被完全堵塞的风险。利用本发明的装置，通过探测关于待过滤的液体的特征数据项并将其与阈值进行比较，使待处理的液体在一个或多个过滤件内部发生胶凝的风险和/或一个或多个过滤件被完全堵塞的风险最小化，甚至完全避免这些风险。
根据本发明，用于待处理的液体的切向过滤的装置包括至少一个过滤件，该过滤件包括至少一个用于待过滤的液体的入口；至少一个收集空间，其连接至出口以收集流过所述过滤件的滤液；以及至少一个用于已沿过滤件循环的渗余物的出口，所述过滤件结合在循环回路中以在待处理的液体流入过滤件之前，将至少一部分渗余物再注入到待处理的液体中。根据本发明的一个实质特征，该装置包括至少一个探测器(detection probe)，用以探测关于待过滤的液体的特征信息，所述特征信息与待过滤的液体在一个或多个过滤件内部发生胶凝的风险和/或一个或多个过滤件被完全堵塞的风险相关。因此，本发明结合了探测器，该探测器探测关于待过滤的液体的特征信息，其通过将所述特征信息与参考值进行比较，以便评估待处理的液体在一个或多个过滤件内部发生胶凝的风险和/或一个或多个过滤件被完全堵塞的风险，从而根据比较的结果而允许在必要时建立应急程序或安全程序。
以下参照附图的说明将有助于更好地理解本发明。
图1A、图1B和图1C是根据本发明的切向过滤装置的示意图。
图3A、图3B和图3C是依照本发明的TIS型装置的剖视图。
图4至图7示出与由结合在本发明的装置中的探测器给出的信号相关的、在切向模式下操作的TIS型装置的渗透率的变化。
具体实施例方式 根据本发明，为了防止包括膜的系统在渗透率较低和/或待处理的液体具有明显的胶凝风险的条件下操作，将探测器结合在循环回路中，该探测器给出关于待过滤液体的多个特征之一的可靠的信息，该信息是在一个或多个过滤件表面上存在的薄层的厚度特征。所测得的信息还与所述穿过过滤件的渗透通量直接相关。在整个过滤操作期间，定期地检测该信息。如上文所述，所述特征特别为以下特征 -待过滤的液体的循环速率； -待过滤的液体的浓度； -待过滤的液体的粘度；以及， -待过滤的液体的密度。
因此，从第一过滤循环刚开始时，待过滤的液体就包含由待过滤的液体和渗余物构成的混合物，在各过滤循环中，通常确定在过滤件内部循环的待过滤的液体的粘度和密度的增大。所测得的信息可以从对渗余物的测量结果中、或优选地从对待过滤的液体的测量结果中获得。
探测器给出的信息可以是这些特征中的任一个的精确测量值，或者可以对应于表示这些特征中的任一信息。所测得的测量值可被有效地转变为任何类型的信号，并且所传送的信息可以与测量值相关或可以利用测量值来获得。因此，一个同样的信息项可能对应于某一范围的测量值。
测量待过滤的液体的粘度是比较困难的。在进行操作时，沿着膜的速度梯度达到极高的值处于10000s-1的数量级。然而，液体的粘度是通过使用粘度计来测定(determine)的。由于极高的速度梯度值不能由常规粘度计来测量，因此测定很难过滤件处的待过滤液体的粘度值。
至于浓度，这一特征高度取决于待过滤的液体，因此很难预测适用于一组不同种类的液体的阈值。根据本发明，浓度是指一个操作周期内所处理的液体的整个体积与操作结束时的浓缩物的体积的比值。
例如，液体可从其初始状态被浓缩x倍。所能获得的浓度取决于待处理液体的初始物质含量。例如，葡萄酒中可能含有y mg/l的待分离物质以获得良好的浊度(turbidity)。如果前期试验已经表明由y mg/l可以获得1000倍的浓度，这就意味着对于1000hl的酒桶而言，最终体积将为100l。如果后续的酒桶包含(y+10)mg/l的待分离物质，则同样的浓度可能会导致膨胀的发生(onset)。由于待处理液体的初始物质含量的这种可变性，所以必须重新调整每一种液体的阈值。
例如，可利用两个流量计(所述两个流量计用于测量进入该装置的液体的流量(flow)以及流出的渗透物的流量)，以及通过测定这两种流量的比率来测定浓度。
根据本发明并且优选地，探测器探测关于待过滤的液体的密度或粘度的信息特征项。
根据本发明的一种变型，可使用至少两个不同的探测器，各探测器分别给出一个或多个过滤件内部的待过滤液体发生胶凝的风险和/或一个或多个过滤件完全堵塞的风险的特征测量值。除了表示胶凝和/或堵塞的风险的待过滤液体的一个或多个信息项之外，还可探测待过滤的液体或过滤装置的其他特征。例如，除了依照本发明的探测器之外，还可使用例如测量压降的探测器。因此，设置在这些过滤件的上游和下游的压力传感器可用于测量压降，并且该信息可用于表征该装置与待处理液体的循环速率或密度特别相关。
循环速率可利用多种探测器来测量。第一种探测器测量待过滤的液体在该装置的一个点处(例如在循环泵的出口处)的流速，并通过除以膜的横截面积来重新计算速度。该方法使用的是测量强流速(循环泵的流速)的流量计，因而成本较高。另一种探测器包含超声发射器/接收器系统，该系统利用例如LARSEN效应来重新计算速度。这些探测器的成本比上文所述的探测器低得多，但只能测定在其设置点处的速度。因而，这些探测器不能用于测定膜内部的循环速率，这在某些情况下是有利的。在一种成本更低的变型中，探测器可传送涉及测量值的范围但并不涉及一个特定测量值的信息。这种情况例如通过具有一组二极管的超声探测器来实现，每个发亮的二极管的数量均与流速范围相对应。
优选使用超声探测器。所使用的探测器可将速度的测量值或所测得的流速转换为任何类型的信号，尤其为电信号或光信号。
还可使用多种探测器来测量密度。其中一种探测器包含超声发射器/接收器系统。这种探测器能够获得准确的测量值或可以传送从所测得的信号获得的信息，即可能与测量值范围相对应的同一信息项。
无论用哪一种探测器，关键是由探测器传送的信息应当表示选定的待过滤的液体的特征，尤其是待过滤的液体的密度或循环速率。
根据本发明，可规定将由探测器提供的信息与阈值进行比较，由比较的结果来决定是否触发安全程序。该安全程序例如可包括使该装置停止，排空该装置或用水快速冲洗。在这种情况下，该装置包括用以触发应急程序的触发装置，该触发装置的致动与由该探测器所测得的信息相关，而该应急程序的等级(ranking)则与警戒阈值相关。
阈值是事先确定的，例如以实验方法通过对将要在该装置中过滤的、不同的待过滤的液体执行若干次过滤循环来确定该阈值。例如，对于每次测试，确定所测得的特征的值，该值例如涉及渗透通量的下降，并且该阈值被选择为使得在所有测试中，该阈值出现的时机均以一定的安全余量在该渗透通量的下降之前。用一个相同的装置来确定若干个阈值也是可行的，每一阈值适合于一种渗透物，例如来自酒窖X的玫瑰红葡萄酒、来自酒窖Y的玫瑰红葡萄酒、来自酒窖X的红葡萄酒、来自酒窖Y的红葡萄酒...。
在该装置中，循环回路内部必须设置一个或多个探测器，以便能够探测与在一个或多个过滤件内部循环的待过滤液体相关的所需信息。循环回路配备有能够确保液体在回路内循环的循环泵。图1A示出过滤装置I，该过滤装置包括循环回路100，该循环回路中结合有切向过滤模块200，该模块包括若干个过滤件。循环泵300设置在该模块之外，并确保液体在该装置内的循环。该泵300经由用于输入待过滤液体的流入通道400、以及用于收集在所述过滤件内循环的一部分渗余物的返回通道500而连接至过滤模块200。模块200对应于该回路的外向液路A，而该通道500对应于返回液路R。剩余的渗余物经由设置在该过滤模块上游的排出口900排除。待处理的液体经由供给通道600到达泵300。位于该泵上游的、用于渗余物的返回通道500通入供给通道600。因此，从第一过滤循环刚开始，在切向过滤模块内循环的、待过滤的液体包含由待处理的液体和渗余物构成的混合物。过滤模块可以是现有技术中任意类型的过滤模块，例如包括若干个过滤件(如待过滤的液体在其中切向循环的管状过滤膜)的壳体。每个过滤件包括至少一个平行于过滤件的纵轴线设置的通道。该通道的表面覆盖有至少一个用于与在所述通道内循环的待处理的液体介质接触的分离层(未示出)。所述一个或多个分离层的类型根据所要获得的分离或过滤能力(power)来选择。离开这些过滤件的外围表面的滤液被回收到收集空间内。
过滤模块包括 -用于待过滤的液体的入口E，该入口连接至用于输入待过滤的液体的流入通道400； -用于排出渗余物的出口S，该出口连接至用于回收在所述过滤件内部循环的一部分渗余物的返回通道500；以及 -用于滤液的出口700。
该模块内部的各过滤件既连接至用于待过滤的液体的入口E，又连接至用于排出渗余物的出口S以及用于在出口700处收集经由过滤而穿过各过滤件的滤液的收集空间。
有利地，设置一个或多个探测器，以便测量将要在模块200内所包含的过滤件内循环的待过滤液体的特征。为此，在图1示出的示例中，可将探测器定位在位于泵300下游的、用于待过滤的液体的流入通道400，由附图标记800A表示。该探测器还可定位在供给通道600上，位于泵300上游且位于渗余物经由通道500所到达位置的下游，如图1A中的附图标记800B所示。
还可以考虑探测将被再注入到待处理的液体中的渗余物的特征。由于渗余物是待过滤的液体的“可变部分”，组成待处理的液体的其他部分为“不变部分”，所以渗余物的特征(如渗余物的循环速率或其密度)的测量与待处理液体的对应特征直接相关并是其变化的表示。因此，可考虑将该探测器定位在渗余物的返回通道500上。在图1A中以附图标记800C表示的一个第一变型中，探测器可定位在出口S的下游且位于用于部分渗余物的排出口900的上游。另一个变型是将探测器定位在排出口900下游的返回通道500上，如图1A中的附图标记800D所示。尤其是在利用探测器探测关于待处理的液体的粘度信息时，这些变型中的第一变型是优选的。
无论如何选择探测器(即800A、800B、800C或800D)的位置，由探测器传送的信息都能告知在该模块中所存在的过滤件内待过滤的液体发生胶凝的风险和/或所述过滤件被完全堵塞的风险。这些风险的评估是总体地针对整个模块的，而并非单独地针对各过滤件。
装置I还能够包含若干个过滤模块2001至200n，这些过滤模块对应于如图1B所示的回路的外向液路A。在图1B中，对各模块而言，出口附图标记S(用于渗余物的出口)、700(用于滤液的出口)和900(用于排出一部分渗余物的出口)被给出了与各模块相对应的下标。如果若干个模块是平行排布的，则用于输入待过滤的液体的流入通道400具有若干个支线4001至400n，各支线均连接至对应的过滤模块。由此，可规定仅在不同的支线上游的通道400上定位一个探测器。在此情况下，所测得的信息是总体信息，并表示所有模块、进而为所有过滤件(而并非各模块或各过滤件)的胶凝和堵塞的风险。如图1B所示，还可以在各支线4001至400n上定位一个探测器(8001至800n)。在离开各模块时，一部分渗余物经由出口9001至900n排出，其余渗余物被集合在一起并经由渗余物返回通道500(对应于返回液路R)再注入，以在与由通道600供给的待处理液体的混合物中经历再次的过滤操作。根据一个未示出的变型，还可以在位于出口Sn与用于一部分渗余物的排出口900n之间的渗余物返回通道上为各个模块n定位一个探测器。这两种构造均具有能够对各个模块进行测量的优点，这使得一个阈值能应用于每个模块，由此这些模块可以被独立地监控，从而提高该装置的安全水平。
本发明的方法特别适用于监控这样的装置 -循环回路包含在壳体内， -循环泵及其马达设置在壳体的延伸部分内，从而能够获得同质的(homogenous)、该循环回路的管线不显露的组件。
由SIVA销售的所述装置被称为切向集成系统(TIS)。在专利申请FR2810256和WO 01/96003中特别地描述了一些这类装置，可参考这些文献以获知更多的细节。图2示意性地示出了TIS型模块的实施例的一种变型。回路和循环泵集成在该模块中。为了便于说明，对于图1A和图1B所描述的相同的部件采用相同的附图标记。模块200包括过滤件的外向组fa和过滤件的返回组fb，所述外向组和所述返回组分别形成用于待过滤的液体的循环回路的外向液路A和返回液路R。外向组fa的过滤件经由其入口Ea连接至用于待处理的液体的模块入口，这种连接通过用于输入待过滤的液体的流入通道400而实现。在沿着外向组fa的过滤件的切向循环之后，渗余物经由外向组fa的出口Sa排出。这些过滤件各包括至少一个用于待过滤的液体的循环通道，确保了所述液体的过滤，以便在所述过滤件的外围表面上获得输出的滤液，所述滤液将被收集在连接至该模块的滤液出口700的收集空间内。出口Sa连接至过滤件的返回组fb的过滤件的入口Eb，并且由图可见，出口Sa定位在渗余物的返回通道500上。经由返回组fb的过滤件的出口Sb流出的渗余物被至少部分地再注入由通道600输入的待处理的液体中。该回路包括用于一部分渗余物的排出口900。一部分渗余物可被排出 -或者，根据图2未示出的一个变型，在过滤件的返回组fb的下游， -或者，如图2所示，在过滤件的外向组fa的下游且在过滤件的第二返回组fb的上游。
液体在模块200内沿着图2所示的方向循环。在该循环回路上设置泵，或者至少设置循环泵的涡轮。根据未图示的一个变型，涡轮300可定位在过滤件的外向组fa的下游，但在返回组fb的上游。在例如专利文献WO 01/96003中所特别描述并如图3A所示的TIS模块采用涡轮的这种相对定位，在图3A中的某些附图标记与图2相同。
有利地，该装置可设计为使泵300定位在供给通道600的开口处与过滤件的外向组fa的入口Ea之间的位置，如图2所示。该变型也在图3B和图3C中示出。
至于TIS模块，探测器设置在循环回路中的模块200的内部。如前所述，优选地，通过从例如在供给通道600与渗余物返回通道400连接处的下游、以及在外向组fa的过滤件的入口Ea的上游对待过滤的液体进行的测量来获得信息，如图2中的附图标记800A所示。根据图2未示出的另一变型，所测得的信息可为对渗余物进行探测而得，例如对流出过滤件的外向组fa或返回组fb的渗余物进行探测。在本说明书中，并参照图3A-图3C以及下文中给出的说明，术语“通道”应在其最宽泛的含义上来解释，并且在某些情况下“通道”可对应于循环室。
图3A、图3B和图3C为TIS型装置的剖视图，该装置中已经设有探测器，各图中的某些附图标记与图2相同。在图3A所示的变型中，其与在专利文献WO 01/96003的图3中的装置相对应，用于一部分渗余物的排出口900位于过滤件的返回组fb之后。在图3A示出的装置中，涡轮300位于过滤件的外向组fa的下游及返回组fb的上游。探测器800C探测关于渗余物的信息，该探测器位于在涡轮300与过滤件的返回组fb之间的过滤件的外向组fa之后。关于泵300和用于一部分渗余物的排出口900的相对定位，图3B和图3C与图2中给出的示意性图示相对应。
所述装置在某些操作条件下可能具有缺点。在原理上，各外向液路或返回液路中的、与液体的循环速率相关的压降值等于ΔP，循环泵向供给压力Pa加入两倍的压力损失(外向液路和返回液路)，以确保液体在循环回路中的循环。外向液路的出口处的压力等于Pa-ΔP，该压力也对应于循环泵的吸入压力(suction)。在循环泵的排出侧的压力等于Pa+ΔP。应当指出，该泵的吸入压力等于Pa-ΔP。因此，与Pa和ΔP的值相关，所述吸入压力可能呈现负值，这意味着过滤件可吸入滤液。这导致过滤后的液体量的产率的不可避免的损失。
上述缺点可利用图3B和图3C所示的装置来克服，现在将详细说明这些装置。
在图3B示出的装置1中，过滤件3的各端部均安装在定位板4上，所述定位板4安装在壳体2内。各定位板4通常包括一通孔，管状的过滤件3的端部可穿过该通孔。各通孔均配备有密封件，以将过滤件3密封地安装在定位板4上。定位板4连同壳体2一起限定用于离开过滤件3的外周表面的滤液的收集空间6。该收集空间6经由至少一个、在所示的示例中为经由两个用于滤液的排出口700与外界连通。在所示的示例中，各滤液出口700均包括连接至套圈(ferrule)9的通道部分，该套圈部分地形成壳体2，而定位板4安装在该套圈的各端部。因此，套圈9与定位板4一起限定了收集空间6。
过滤装置1还包括设置在壳体2内的第一连通室11，过滤件3的端部之一穿过定位板4通入该第一连通室11，而过滤件3的另一端部穿过另一定位板4通入第二连通室12。从图3B中可更清楚地看到，第一连通室11被限定在连接至套圈9和/或定位板4的封闭箱体13内部，而第二连通室12被限定在邻近的定位板4与安装在套圈9和/或定位板4上的底部封闭件14之间。因此，壳体2包括套圈9、箱体13和底部封闭件14。
装置1包括安装在第一连通室11内的分隔装置15，以便将该第一连通室分成两个容积空间首先是与过滤件3的第一组f1相连通的第一容积空间V1，待处理的液体沿着由箭头c1所示的第一方向流经过滤件3的第一组f1；其次是与过滤件3的第二组f2相连通的第二容积空间V2，待处理的液体沿着由箭头c2所示的、与第一方向c1相反的第二方向流经过滤件3的第二组f2。分隔装置15密封地安装在邻近的定位板4上，以便将第一室11的容积空间分成位于该分隔装置内部的第一容积空间V1和位于该分隔装置外部的第二容积空间V2。应理解的是，属于第一组的过滤件3与第二组f2的过滤件3并不相同。根据实施例的一个优选特征，分隔装置15安装为使过滤件3的组f1、f2包括基本上相同数量的过滤件3。
根据这一示例，属于第一组f1的过滤件3位于延伸分隔装置15的虚壳(virtual shell)的内部，而属于第二组f2的过滤件3位于该虚壳的外部。应理解的是，第一组f1的过滤件3和第二组f2的过滤件3形成用于待处理的液体的循环回路的外向液路和返回液路，该循环回路形成在壳体内部。在图3B所示的示例中，第二组f2的过滤件形成外向液路A，而第一组f1的过滤件形成返回液路R。
分离装置15在内部限定用于容置循环泵的涡轮23的机壳(housing)22。分隔装置15(将在本说明书的其余部分对其进行更详细的说明)为管状或筒状，并且密封地安装在邻近的定位板4上。分隔装置15在内部限定第一容积空间V1，并在外部相对于封闭箱体13限定第二容积空间V2。封闭箱体13可通过组装装置固定至定位板4。分隔装置15包含连通通路24，以使待处理的液体能够在容积空间V1与V2之间流动。涡轮23具有驱动轴25，该驱动轴25联接到安装在该封闭箱体13上的驱动马达26。优选地，驱动轴25安装为对准套圈9的轴线，过滤件3在该套圈内沿着该套圈的轴线均匀分布。显然，封闭箱体13包括用于穿过驱动轴25的密封通路。
在图3B所示的示例中，可认为驱动泵的马达26在吸入模式下操作。首先利用涡轮吸取来自形成返回液路的第一组f1的膜处的液体，其次通过连通通路24和容积空间V2排出液体，以将液体供给形成循环回路的外向液路的第二组f2的膜。
根据本发明的目的的另一特征，装置1包括用于待处理的液体的入口600，该入口600通向该壳体的第一连通室11，并位于循环泵的涡轮23与形成循环回路的返回液路的组的过滤件3(即图3B所示的示例中的第一组f1的过滤件)之间。
根据另一有利的特征，第二连通室12设置在底部封闭件14内，该底部封闭件在所示的示例中配备有用于渗余物的排出口900。第二连通室12由邻近的定位板4限定，并确保第二组f2的过滤件3与第一组f1的过滤件3之间的连通。
从前文的说明中可直接显现图3B描述的装置1的功能。待处理的液体经由入口600进入容积空间V1，并且在涡轮23的作用下经由连通通路24被吸入到之前已经进入容积空间V2的、第二组f2的过滤件3内。液体穿过第二组f2的过滤件3(所述第二组的过滤件由此形成循环回路的外向液路A)，并进入第二连通室12，以便首先朝向渗余物的排出口900分配，其次在涡轮的抽吸作用下穿过第一组f1的过滤件3(所述第一组过滤件形成循环回路的返回液路)。已循环穿过第一组f1的过滤件3的液体被收集在容积空间V1内。过滤循环如上所述继续进行。在图3B所示的示例中，探测器800A设置在容积空间V2处，沿液体的循环方向位于涡轮23的下游，并位于进入形成外向液路的第二组f2的过滤件的入口的上游。因而，对待过滤的液体进行信息探测。还可以将探测器设置在前文所述的位置。
在图3B所示的示例中，用于液体的入口600通入第一连通室11的、位于分隔装置内部的容积空间V1。根据该示范性实施例，入口600包括管状件30，所述管状件30穿过箱体13、连通室11的容积空间V2和分隔装置15并通入分隔装置15内部所限定的容积空间V1。根据一个示范性实施例，分隔装置15包括管状的定子151，该定子内部安装有涡轮23。分隔装置15还包括管状本体152，该管状本体从定子151延伸并密封地安装在邻近的定位板4上，同时也安装在定子151上。优选地，该管状本体152设有金属衬套，涡轮支承在该衬套上。由此，该衬套确保定子与管状本体之间的密封以及涡轮的转动。管状本体152的高度足以使管状件30沿径向安装在管状本体152上。由此，管状件30通向管状本体152内部，并位于第一组f1的过滤件3的出口与分隔装置15内部的涡轮23之间，即位于第一容积空间V1中。
因此，从壳体的外部可以接近管状件30，从而可以将管状件连接至连接器导管(connector conduit)。应当指出，管状本体152可设有支承在箱体13的内壁上的安装轴环(mounting collar)，该轴环在管状本体152与箱体13之间沿径向延伸，并设有用于在容积空间V2内循环的液体的通路。
在前述的示例中，泵经由第一组f1的过滤件抽吸液体，并经由第二组f2的过滤件排出液体。显然，通过使涡轮的转向反转，可以经由第二组f2的过滤件3抽吸液体，并经由第一组f1的过滤件3排出液体。
根据图3C所示的实施例的这一变型，第一组fx的过滤件3由第一容积空间V1供给液体，从而形成循环回路的外向液路A。在第一组f1的过滤件3的出口处，液体首先被朝向用于渗余物的排出口S分配，其次朝向形成返回液路R的第二组f2的过滤件3分配。液体在离开第二组f2的过滤件3时进入第二容积空间V2。
在该实施例的示例中，用于液体的入口600通入第二容积空间V2，即位于涡轮23与形成循环回路的返回液路R的第二组f2的过滤件3之间。由此，利用涡轮并经由连通通路24抽吸从入口600和第二组f2的过滤件3的出口导入的、第二容积空间V2内的液体。
在该示范性实施例中，用于待处理的液体的入口600通入位于分隔装置15外部的容积空间V2。在该实施例中，入口600包括管状连接器31，该管状连接器穿过箱体13，以使其可被从壳体的外部接近，并通向分隔装置15外部。在所示的示例中，分隔装置15包括定子151和管状本体152。应当指出，在本实施例的该变型中，可以省略管状本体152。
在图3B所示的示例中，渗余物的排出口900与第二连通室12相连通。应当指出，该渗余物的排出口900能够设置为与第一连通室11相连通，而用于液体的入口600也通入该第一连通室。在图3B所示的示例中，渗余物的排出口900既可穿过箱体13而通入第二容积空间V2，也可穿过箱体13和管状本体152而通入第一容积空间V1，无论该排出口是否与入口600相对。在图3C所示的示例中，渗余物的排出口900可穿过箱体13而通入第二容积空间V2，无论该排出口是否与入口600相对。
在图3C所示的示范性实施例中，探测器800B设置在容积空间V2上，沿着液体的循环方向位于涡轮23的上游。这里，也可以将探测器设置在前文所述的位置。
下文的示例有助于更好地说明与理解本发明，但并不用以限制本发明。
示例1使用密度监控 一种装置，其结合有如专利申请WO 01/96003中所述的装置，并由SIVA以TIS(“切向集成系统”的缩写)的商品名销售，该装置配备有商标为MOBREY、型号为MCU 200的探测器。
MCU 200型的MOBREY探测器设置在该装置的、位于循环泵的排出侧的一部分上，恰好位于如图3A所示的包括膜模块的装置的入口处，该探测器的附图标记为800C。
所用的液体为红葡萄酒。TIS装置的优点在于能够实现高浓度(低捕获容积)，并且由于葡萄酒在该装置内滞留的时间非常短，因而限制了受热。
高浓度的优点在于提高了总体过滤产率。另外，由于死容积(deadvolume)很小，因此在装置停止操作时仅会产生少量的残留浓缩物。TIS通常可实现99％的葡萄酒过滤的产率。
测试了两种葡萄酒 -1a型葡萄酒，与过滤后的葡萄酒渗余物相对应，并被先以300的浓缩系数(concentration factor)浓缩， -1b型葡萄酒，与于采用与第一种葡萄酒不同的葡萄制成的红葡萄酒的渗余物相对应，并且在过滤操作期间被先以300的浓缩系数浓缩。
按照该系统的推荐使用条件，将1a型葡萄酒装入TIS系统。探测器显示待过滤的液体在被加入到过滤模块之前的密度水平。图4中给出的曲线示出与探测器给出的指示相关的渗透通量的变化。
可以看到，渗透通量上升到由MOBREY探测器的刻度3.5所限定的值，并随后下降。在该值处，TIS装置中所达到的浓缩系数为4.6，其所对应的最终浓度系数为300×4.6＝1380。因而，该葡萄酒通过该膜装置被浓缩1380倍。这种浓缩的产率等于1379/1380＝99.92％。在值为5时，该装置由于胶凝风险较高而停止。在此情况下，TIS系统的浓度系数为7.1，其对应的最终浓度系数为2130。为提供信息的目的，总产率为99.95％。
按照该系统的推荐的使用条件，将1b型葡萄酒也装入TIS装置中。探测器显示待过滤的液体被加入过滤模块之前的密度水平。
图5中给出的曲线示出与探测器所给出的指示相关的渗透通量的变化。与1a类型的葡萄酒一样，在所指示的探测器值为2.5时观测到最大值。因此，这种葡萄酒的堵塞特性远大于第一种葡萄酒。在该探测器值下，TIS装置中所达到的浓缩系数为4.2，其所对应的最终浓缩系数为300×4.2＝1320。在此情况下，过滤操作的产率等于99.92％。
在探测器值为4处，该装置停止而且未观察到胶凝现象。在该探测器值处，浓缩系数为7.0。因而，最终浓度系数为2100。
对于两种类型的葡萄酒来说，探测器都可以在渗透通量减小时或在减小之后探测密度值。
对于1a型葡萄酒，该值对应的探测器指示为3.5；而对于1B型葡萄酒，该值对应的探测器指示为2.5。考虑到利用这两种葡萄酒所获得的结果，对于与1a型和1b型葡萄酒相对应的同类红葡萄酒，可将该探测器的警戒测量值限定为2，在达到该值及超过该值之后，该装置停止以确保 -在系统内不产生任何胶凝的风险。由此该装置能够被排空而无任何困难， -渗透通量的值保持低于临界值，在达到该值及超过该值之后，流速降低， -始终具有非常高的产率。
示例2使用循环速率监控 与专利申请WO 01/96003相比，该示例中所用的TIS装置进行如下改动 移动待处理的产品的供给位置，并将该位置定位于膜的出口与循环泵的吸入侧之间； 改变循环泵的转动方向，以对位于壳体的外围部分上的膜施加抽吸作用。
该装置对应于图3C中的装置。所用的探测器是基于对超声波在液体内部的行进时间的测量。所用的探测器是由IFM销售的流速控制器，并配备有编号为从0到9的10个二极管。亮起的二极管数量越多，流速越快。
利用常规的流量计校准用于测量流速的探测器，以确定流速与亮起的二极管数量之间的关系。所述校准对水进行。
下表给出了这种匹配关系。
探测器设置在位于循环泵的吸入侧的通道上(位置800B处)，如图3C所示。
由于该通道的横截面是已知的，因此能够确定该通道内部的流速，从而确定在该膜内侧的液体的循环速率。
在结合有该探测器的装置上，利用称为2a和2b的两种不同的葡萄酒进行两个测试，该探测器所发出的信号是待过滤的液体的速度特征。这两种葡萄酒对应于在过滤操作期间获得的葡萄酒浓缩物。这两种浓缩物各自的浓缩系数分别为450和500。
对于葡萄酒2a，获得了图6给出的曲线，该曲线表示与亮起的二极管数量相关的、膜的渗透率的变化情况。可以看到，只要有至少5个二极管亮起，则渗透率实际上不变。在低于这一数量时，渗透率下降。
在仅有四个二极管亮起时，该装置停止，用水冲洗该装置并拆下膜。对这些膜的检查显示一定数量通道被阻塞。任何继续进行的浓缩将可能会使通道完全堵塞。因此，选择5个二极管亮起作为不会有堵塞风险的最大浓缩值。此时，与5个二极管亮起时相对应的浓缩系数为2.5。因此，葡萄酒的总体浓度为450×2.5，即1125。因此，总的产率为99.9％，这是一个非常高的值。
对于葡萄酒2b，获得了图7给出的曲线，该曲线表示与亮起的二极管数量相关的、膜的渗透率的变化情况。所观察到的表现几乎与葡萄酒2a的相同，只要有至少5个二极管亮起，渗透率有效地独立于二极管亮起的数量。其后，渗透率陡然下降。
这里，在仅有四个二极管亮起时，该装置停止，用水冲洗该装置并拆下膜。对这些膜的检查显示一定数量通道被阻塞。继续进行浓缩将可能会使通道完全堵塞。因此，选择5个二极管亮起作为警戒值，以避免膜堵塞的任何风险。与二极管亮起的数量从6变化为5时相对应的浓缩系数为1.5。
由此，葡萄酒的总浓度为500×1.5，即750。总产率为99.8％，这同样是一个非常高的值。
如同探测待过滤的液体的密度的测量特征的探测器一样，使用提供关于循环速率信息的探测器允许选择最大浓缩点，在达到与超过该点时则存在很大的膜堵塞或液体胶凝的风险。
显然，在关于上述结合有TIS型的切向过滤装置的装置上的示例1和示例2中获得的结果可以变换到结合有传统循环回路的过滤装置上。唯一的区别是传统的循环回路的操作温度较高，导致粘度较低，从而使浓缩过程可能持续较长时间。
权利要求
1.一种用于旨在被分离为滤液和渗余物的待处理液体的切向过滤的装置，所述装置包括
至少一个过滤件，其包括至少一个用于待过滤的液体的入口、至少一个用于已经流过所述过滤件的滤液的出口、以及至少一个用于已经沿所述过滤件循环的渗余物的出口，所述过滤件结合在循环回路中以便在待处理的液体进入所述过滤件之前，将至少一部分渗余物再注入到所述待处理的液体中；
过滤模块，所述循环回路结合在所述过滤模块中，所述过滤模块包括形成外向液路(A)和返回液路(R)的过滤件的外向组(fa)和返回组(fb)；
至少一个探测器，用于探测关于待过滤的液体的特征的信息，所述信息表示待过滤液体在一个或多个过滤件内发生胶凝的风险和/或表示一个或多个过滤件被完全堵塞的风险。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括循环泵，所述循环泵的涡轮结合在所述循环回路中。
3.根据权利要求2所述的装置，所述装置在壳体(2)中包括
至少一个用于待处理的液体的入口(600)；
至少一个用于渗余物的排出口(900)；
一组管状过滤件(3)，所述过滤件彼此平行地延伸，并且所述过滤件的每个端部都密封地穿过定位板(4)，所述过滤件(3)各包括至少一个用于待处理的液体的循环通道并确保所述液体的过滤，以便在所述过滤件的外周面获得输出的滤液，所述滤液将被收集在位于所述定位板(4)与所述壳体(2)之间的收集空间(6)内；
至少一个用于滤液的出口(700)，其与用于滤液的收集空间(6)相连通；
第一连通室(11)，所述过滤件的端部之一通入到所述第一连通室内，在所述第一连通室中安装有分隔装置(15)，所述分隔装置与相邻的定位板(4)密封地接触，以将所述第一连通室分成第一容积空间(V1)和第二容积空间(V2)，所述第一容积空间和第二容积空间分别限定在所述分隔装置的内部与外部并分别与形成待处理液体的循环回路的外向液路(A)和返回液路(R)的、由过滤件(3)构成的第一组(f1)和第二组(f2)相连通，所述分隔装置包括位于所述第二容积空间(V2)与所述第一容积空间(V1)之间的连通通路(24)，所述第一容积空间内部安装有循环泵的涡轮(23)，并且所述涡轮具有延伸到所述第一连通室(11)外部的驱动轴(25)用以与驱动马达(26)相连接；以及
第二连通室(12)，所述过滤件的另一端通入到所述第二连通室中，确保待处理的液体在所述第一组(f1)的过滤件和所述第二组(f2)的过滤件之间的连通，
所述用于待处理的液体的入口(600)在所述循环泵的涡轮(23)与形成所述循环回路的返回液路(R)的组的过滤件(3)之间通入到所述壳体的第一连通室(11)。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，驱动所述泵的马达被驱动，以使由所述第二容积空间(V2)供应的所述第二组(f2)的过滤件(3)形成所述外向液路，而使通入到所述第一容积空间(V1)中的所述第一组(f1)的过滤件(3)形成所述返回液路；以及，用于待处理的液体的入口(E)在所述第一组(f1)的过滤件的出口与安装在所述分隔装置(15)内部的涡轮(23)之间通入到所述第一连通室(11)的第一容积空间(V1)。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，驱动所述泵的马达被驱动，以使由所述第一容积空间(V1)供应的所述第一组(f1)的过滤件(3)形成所述外向液路，而使通入到所述第二容积空间(V2)中的所述第二组(f2)的过滤件(3)形成所述返回液路；以及，用于待处理的液体的入口(E)在所述第二组(f2)的过滤件(3)的出口与安装在所述分隔装置(15)内部的涡轮(23)之间通入到所述第一连通室的、限定在所述分隔装置(15)外部的第二容积空间(V2)。
6.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述用于待处理的液体的入口(600)包括管状件(30)，以便通向所述分隔装置(15)的内部。
7.根据权利要求3或5所述的装置，其特征在于，所述用于待处理的液体的入口(600)包括管状连接器(31)，以便通向所述分隔装置(15)的外部。
8.根据权利要求3、4或6所述的装置，其特征在于，所述探测器(800A)设置在所述第一容积空间(V1)处，沿着液体的循环方向位于所述涡轮(23)的下游，并位于形成所述外向液路的第二组(f2)的过滤件的入口的上游。
9.根据权利要求3、5或7所述的装置，其特征在于，所述探测器(800B)设置在所述第二容积空间(V2)处，并沿着液体的循环方向位于所述涡轮(23)的上游。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括将所测得的信息与一阈值进行比较的装置，所述阈值用于评估待过滤的液体在所述一个或多个过滤件内部发生胶凝的风险和/或所述一个或多个过滤件被完全堵塞的风险。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述装置包括触发与比较结果相关的安全程序的装置。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的装置，其特征在于，所述探测器探测关于待处理的液体的浓度、粘度、密度和/或循环速率的信息。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的装置，其特征在于，所述探测器探测关于待处理的液体的密度的信息。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的装置，其特征在于，所述探测器探测关于待处理的液体的循环速率的信息。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的装置，其特征在于，所述探测器提供从对所述渗余物的测量中获得的信息。
16.根据权利要求1至14中任一项所述的装置，其特征在于，所述探测器给出从对待过滤的液体的测量中获得的信息。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的装置，其特征在于，所述探测器为超声探测器。
全文摘要
本发明涉及一种用于待处理的流体的切向过滤的装置，该流体将被分离为滤液(900)和渗余物(700)(900)，该装置包括至少一个过滤件，其包括至少一个用于待过滤的流体的入口以及至少一个用于已经在过滤件中循环的渗余物的出口，其中所述过滤件结合在循环回路中以便在待处理的流体输入该过滤件之前，将至少一部分渗余物再注入到流体中；过滤模块，循环回路结合在该过滤模块中，该过滤模块由一组沿输出方向的过滤件和一组沿返回方向的过滤件来实现，所述两组过滤件分别形成输出液路(A)和返回液路(R)；至少一个用于探测信息的探测器，所述信息表示待过滤的流体在一个或多个过滤件内发生胶凝的风险和/或表示一个或多个过滤件被完全堵塞的风险。
文档编号B01D61/22GK101516477SQ200780034422
公开日2009年8月26日 申请日期2007年7月16日 优先权日2006年7月17日
发明者菲利普·莱斯科什 申请人:山谷水工业公司