专利名称：用于过滤薄膜的衬底几何结构的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及利用过滤元件进行切向分离的技术领域，所述过滤元件适用于确保待处理的流体介质中所包含的分子或颗粒物的分离。本发明的主题尤其涉及新式的过滤元件，其包括刚性多孔的支架，在支架中设置有用于待过滤流体的循环的通道，所述支架具有原始的几何结构。本发明的主题特别有益地应用于纳米过滤、超过滤、微细过滤、过滤或者反向滲透的领域。
背景技术：
在本领域中，由管状或平面状的支架制备的多种过滤元件是已知的。尤其是，已经提出多种管式的过滤元件，其包括以无机材料例如陶瓷制成的多孔支架，在该多孔支架 中设有一系列通道。这种支架可设有ー个或多个例如以无机材料形成的分离层，这些无机材料沉积在每个循环通道的表面上，所述循环通道连接到一起并且通过烧结而连接到支架上。所述(分离)层允许调整过滤元件的过滤性能。在管状过滤元件的领域中，刚性多孔支架具有细长的形状并具有直边形截面(最通常是多边形截面)或者圆形截面。已经提出了、特别是由本申请人提出了许多种支架，其包括多个通道，这些通道彼此平行并且平行于多孔支架的纵向轴线。例如，在由CERASIV申请的公开号为W09307959的专利申请中、由CORNING申请的公开号为EP0780148的专利申请中、由ORELIS申请的公开号为W000/29098的专利申请中以及本申请人的公开号为EP0778073和EP0778074的专利中，描述了多种包括一系列非圆形通道的过滤元件。例如，在公开号为W09307959的专利申请中，图3是ー种支架的剖视图，其中，多个通道被设置为平行干支架的中心轴线。这些通道限定三个过滤区，这三个过滤区同心地分布并且彼此由图I中以附图标记“Z’/’和“Z’2”表示的连续的多孔区分隔开。当运行时，这些通道的ー侧与用于待处理的流体介质的入口室连通，并且这些通道的另ー侧与出口室连通。通道的表面最常见地沿从通道的一个所谓入口端到另ー个所谓出口端的给定方向，覆盖有至少ー个分离层，该分离层确保在通道内部循环的流体介质中所包含的分子或颗粒物的分离。所述过滤元件借助筛效应，来实现待处理的产品中的分子或微粒类物质的分离，所有的颗粒物或分子只要直径大于其所接触的过滤元件的区域中的孔，就会被保留下来。在分离期间，流体的移动通过支架以及可选地通过ー个或多个分离层(如果存在的话)来进行，而且该流体散布到支架的多孔结构内并被引向多孔支架的外表面。待处理的流体中，穿过分离层和多孔支架的那部分被称为“渗透液”或“滤液”，并且在围绕过滤元件的收集室中被回收。本申请人已经发现所述支架受到强应カ(这被认为是由在过滤操作期间所施加的压カ而导致的)，并且支架的结构中的ー些点会成为薄弱点。特别地，申请人已经估算了前述类型的支架内存在的应カ场，并且已经证明最大应カ沿着从支架的中心朝向外侧离开的方向増加。
发明内容
因此，出于对提高过滤元件的性能水平的渴望，本发明的申请人提出一种新颖的支架几何结构，以优化现有技术提出的过滤元件的机械性能。在本说明书的语境中，本发明涉及一种用于流体介质的过滤的过滤元件，其包括圆筒状的刚性多孔支架；该支架具有纵向的中心轴线，并且包括用于待过滤的流体介质的循环的多个通道以在支架的外围收集滤液；所述通道在支架中被设置成平行干支架的中心轴线并且限定至少三个过滤区，这些过滤区同心地分布并且由连续的多孔区彼此分隔开，其特征在于，最靠近中心轴线的多孔区的平均厚度小于最靠近支架的外围的多孔区的平均厚度，并且沿着从支架的中心轴线朝向支架的外围离开的方向，ー个多孔区的平均厚度等于或小于下ー个多孔区的平均厚度。每个多孔区处于两个过滤区之间，每个过滤区包括ー个或多个通道。尤其是可将每个连续的多孔区定义为，沿着从支架的中心朝向外围离开的方向，被包含在一个过滤区的外包络线与邻近的过滤区的内包络线之间的区域。为了定义内包络线，一个过滤区的通道的最低点(也称为内点或向心点)被视为是该通道的最靠近多孔支架的中心的那个点。因此，内包络线被认为是将同一个过滤区中的每个通道的最低点连接到一起的曲线，该曲线在每个通道的最低点与该通道的壁相切。根据ー个实施例，对于多个过滤区中的每个过滤区而言，同一个过滤区中的每个通道的最低点位于ー个圆上，该圆的中心是支架的中心，并且该圆对应于内包络线。为了定义外包络线，一个过滤区的通道的最高点(也称为外点或离心点)被视为是该通道的距多孔支架的中心最远的那个点。因此，外包络线被认为是将同一个过滤区中的每个通道的最高点连接到一起的曲线，该曲线在每个通道的最高点与该通道的壁相切。根据ー个实施例，对于多个过滤区中的每个过滤区而言，同一个过滤区中的每个通道的最高点位于ー个圆上，该圆的中心是支架的中心，并且该圆对应于外包络线。多孔区的“平均厚度”的意思是算术平均值。根据本发明的实施例的ー个变例，多孔区可具有恒定厚度。根据ー个特定的实施例(在以下附图中详细地示出)，界定每个多孔区的外包络线和内包络线被定义为是两个同心圆，因此每个多孔区具有恒定厚度。至于申请号为W09307959的专利申请的图3中示出的支架，每个多孔区Z’ i和Z’ 2也由两个同心圆界定，但是与本发明相反，如图I中可看到的，其多孔区的厚度大于多孔区Z’2的厚度。如果过滤区是由圆形的单个中心通道形成的，则内包络线和外包络线合并，而且对应于通道的轮廓线。由于在相邻的(或者连续的)过滤区之间具有明显的边界，即在两个相邻的过滤区之间没有混合或重合部分，所以多孔区被说成是连续的。換言之，一个过滤区的通道甚至不能部分地处于相邻的过滤区的两个通道之间。根据以下将要详细描述的特定实施例，根据本发明的过滤元件可具有以下ー个或另ー个特征，或者具有这些特征的任意结合-具有不同平均厚度的两个相邻的连续多孔区之间的平均厚度以I.01到3. 00的因数，且优选以I. 10到I. 70的因数改变；-最靠近该支架的外围的多孔区的平均厚度与最靠近中心轴线的多孔区的平均厚 度之间的比值处于I. I到6的范围内，优选处于I. 2到2. 5的范围内。因此，与多孔区的数量有关，两个连续的多孔区之间的厚度的变化将被选择为达到所述比值。-将支架的外表面与最靠近支架的外表面的过滤区分隔开的外围区的平均厚度大于将最靠近支架的外表面的过滤区与相邻的过滤区分隔开的多孔区的平均厚度；-具有多个通道的同一个过滤区中的各通道全都是相同的；-该支架包括単独限定过滤区的例如圆形的中心通道；-在每个过滤区中存在的通道的个数沿着从支架的中心朝向支架的外围离开的方向增加；
-该支架具有圆形或多边形的截面；-各通道的表面覆盖有至少ー个无机过滤层；-至少两个过滤区对应于包括多个通道的过滤冠状部(couronnede filtration,过滤环)，并且过滤冠状部中的这些通道通过允许滲透液通过的多孔的分隔部而被分隔开；-多孔区在支架的中心是同心的；-过滤区仅仅由一个单独限定过滤区的中心圆形通道以及一系列过滤区构成，每个过滤区对应于一个过滤冠状部；该过滤冠状部包括多个通道，并且该过滤冠状部中的这些通道通过允许滲透液经过的多孔的分隔部而被分隔开，这些过滤冠状部相对于中心通道同心地分布；-如果存在过滤冠状部，则这些过滤冠状部可具有ー个或另ー个以下特征或者这些特征的任意组合穿流分隔部的宽度在同一个冠状部中相同，并且从ー个冠状部到另ー个冠状部相同；每个穿流分隔部的宽度在其整个长度上恒定；过滤冠状部分布在同心圆上；在每个过滤冠状部中，通道具有圆形或者非圆形的截面并且例如具有梯形的截面；过滤冠状部的不同通道具有沿径向相对于支架的中心対称的轴线；在每个过滤冠状部中，通道都是相同的；支架包括至少四个过滤冠状部。
根据以下參考附图给出的描述，多种其他特征将是显而易见的；附图示出了根据本发明的支架的作为非限定性示例的实施例。图I是根据现有技术W09307959的过滤元件的剖视图；图2A是根据本发明的过滤元件的一个示例性实施例的剖视图；图2B是作为对比而给出的过滤元件的剖视图，其与图2A中的过滤元件相似，但是所有的多孔区具有恒定厚度；图3是符合本发明的过滤元件的另ー个示例性实施例的剖视图。
具体实施例方式在全部说明书中，将在支架的平直截面上说明支架内的厚度、宽度、截面和方向的概念。在支架的平直截面上，术语“支架的轴线”和“支架的中心”将被没有区别地使用。如在图2A中可看到的，无机过滤元件I具有适于确保分离或过滤不同类型的流体介质(优选地为液体)中所包含的分子或颗粒物的形状，这些不同类型可包含或者不包含固相。过滤元件I包括刚性多孔的支架1，该刚性多孔的支架由传送阻力适于执行分离的材料形成。具体地，支架I由一种或多种无机材料如金属氧化物(特别是ニ氧化钛、氧化铝、锆)、碳、碳化硅或者氮化物或者金属形成。支架I具有细长形状或者沿着纵向中心轴线A延伸的导管的形状。多孔支架I 一般地具有介于2μπι与12μπι之间的相同的平均孔径。支架I具有可呈六边形的或者在附图中示出的本实施例中的圆形的平直横截面。因此，支架I提供圆筒状的外表面し。支架I设置为包括多个通道Cn、C21、C22……、C31、C32……、C313……(一般地表示为 CiP,这些通道形成为平行于该支架的轴线A。每个通道Cu具有表面2，表面2可覆盖有未示出的至少ー个分离层，所述分离层预定与在通道内循环的待处理流体介质接触。ー个或多个分离层的类型与所要获得的分离或过滤性能相关地被选择；并且ー个或多个分离层与支架一起形成闭合式连接，使得起源于液体介质的压力传递到多孔支架I。所述ー个或多个(分离)层可由例如尤其包含ニ氧化钛、氧化铝或锆类型的至少ー种金属氧化物的悬浮液沉积形成；所述金属氧化物可选地呈混合物的形式，并且通常用于矿物过滤元件的生产。所述一个或多个层在干燥之后经历用于使其固结的烧结操作，而且彼此结合并结合到多孔支架
Io根据本发明，支架I包括至少三个同心分布的过滤区Fi、F2、F3……Fn (—般地表示为FiX两个相邻的(即连续的)过滤区被连续的多孔区も到Zlri分隔开。因此，每个多孔区Zi插置于两个连续的过滤区Fi之间。在剰余部分的说明书中，考虑使过滤区占据沿支架的圆周方向増加的多个不同的排。因此，对于所考虑的两个多孔区，与被认为是下排多孔区的更靠近中心的多孔区相比，最靠近外围的多孔区被认为是上排多孔区。根据本发明的ー个必要特征，多孔区Zlri的平均厚度大于多孔区\的平均厚度。因此，对于至少ー些多孔区，从ー个多孔区到下ー个多孔区的平均厚度沿着朝向支架I的外围，即朝向其外表面I1的方向増加。換言之，上排的多孔区的平均厚度等于或者大于相邻的下排的多孔区的平均厚度，下排的至少ー个多孔区的平均厚度小于上排的至少ー个多孔区的平均厚度。在图2A所示的示例中，支架包括六个过滤区F1到F6。第一过滤区F1由一个并且仅由ー个中心通道C11构成，特别地该中心通道C11能够防止材料在支架的中心积累。在所示的示例中，中心通道C11呈圆形，但其也可呈八边形或者其他形状。与从支架I的中心轴线A开始的一组花瓣形设置的通道(如在由ORELIS提出的申请号为W000/29098的专利申请中所描述的)相比，使用单个中心通道有助于获得更好的机械强度。单个中心通道的存在有效地允许支架的中心处避免存在多孔材料，并因此加强了支架的机械强度。其他的过滤区F2到F6各自由一系列通道组成。这些过滤区中的每ー个对应于一个过滤冠状部，其中，这些通道由用于滤液的穿流分隔部P分隔开。这些穿流分隔部P使滤液能够在支架内从ー个多孔区到另ー个多孔区以及同样多孔的外围区Zp形成路径，而在支架I的外表面I1上结束其路径。这些过滤冠状部F2到F6沿着从支架的中心轴线A朝向支架的外围离开的方向分布如下-第二过滤区F2由梯形的7个相同的通道C21到C27构成的冠状部形成；-第三过滤区F3由梯形的13个相同的通道C31到C313构成的冠状部形成；-第四过滤区F4由梯形的21个相同的通道C41到C421构成的冠状部形成；-第五过滤区F5由梯形的24个相同的通道C51到C524构成的冠状部形成；-第六过滤区F6由梯形的27个相同的通道C61到C627构成的冠状部形成。因此，在每个过滤区中存在的通道的个数随着从支架的中心朝向外围离开而增 カロ。这些过滤冠状部F2到F6相对于中心通道是同心地分布的。第二过滤区F2的通道C21、C22……C27的质心位干与中心轴线A同轴的圆上，该同轴的圆具有比第三过滤区F3的通道C31、C32……C313的质心所处的圆更小的直径，以此类推。最后的过滤区F6借助外围区Zp而与支架I的外表面I1分隔开。该外围区Zp可定义为在支架I的外表面I1与连接最后的过滤区F6中的每个通道的外点(也称为离心点或最高点)的曲线之间存在的区域。该曲线可如前所述地定义，即定义为在每个通道的壁的最高点处与该通道的壁相切，或者如果所述曲线与支架I的外轮廓I1正切，则因为该曲线穿过最靠近支架的外围的过滤区中的那些通道的最高点，所以该曲线类似于(h0m0th6tiqUe)就是支架的外表面し在示出的示例中，对于每个过滤区，同一个过滤区中的每个通道的向心点位于ー个圆上，该圆的中心是该支架的中心，该圆对应于所考虑的过滤区的内包络线。相似地，对于每个过滤区，同一个过滤区中的每个通道的离心点位于ー个圆上，该圆的中心是该支架的中心，该圆对应于所考虑的过滤区的外包络线。因此，界定每个多孔区的外包络线和内包络线是两个同心圆，并且每个多孔区因此而具有恒定厚度。将中心通道C11与相邻的过滤区、即与第二过滤区F2分隔开的距离(对应于多孔区Z1的厚度ezl)小于将最后的过滤区F6与沿支架的中心方向相邻的过滤区、即与第五过滤区F5分隔开的距离(对应于多孔区Z5的厚度eZ5)。这样，至少ー些多孔区的厚度被设置成沿着从支架的中心轴线离开的方向增大，为的是减小因渗余物(retentate)而产生的压カ效应，或者因安装作用例如水击作用(water hammering)所导致的液压事故而产生的压カ效应。为此目的,在示出的示例中，从第三多孔区Z3开始，如果考虑两个连续的多孔区，则最外侧的多孔区的平均厚度与沿支架的中心方向最靠近的多孔区的平均厚度之间的比值总是大于I。在图2A示出的示例中，多孔区4、Z2和Z3具有相同厚度。当从多孔区Z3开始时，过滤区的平均厚度在支架的外围I1的方向上増大。ez4/eZ3和ez5/ez4的厚度比介于I. H与I. I7之间。因此，为了进ー步増加过滤元件的机械强度，在图2A示出的示例中，将最后的过滤冠状部F6与支架I的外表面I1分隔开的外围区Zp (的平均厚度)也大于多孔区Z5的平均厚度。然而，根据ー个非优选的变例可设置成，使得该外围多孔区Zp的厚度与多孔区Z5的厚度相同。在图2A示出的示例中，外围区Zp的平均厚度对应于大约I. 13X多孔区Z5的平均厚度。为证明本发明的贡献，进行了ー项研究，以评价当对应于100巴的压カ的负载被施加到每个通道中时支架内存在的应カ场。符合图2A的支架与为了比较目的而制备的符合图2B的支架被比较；并且在符合图2B的支架中，多孔区Zl到Z5的平均厚度相同，均为O. 7mm0
借助Abaqus软件获得的结果概括在以下的表I和表2中。表I :符合如图2A的本发明的支架
权利要求
1.ー种用于过滤流体介质的过滤元件(I )，包括圆筒状的刚性多孔的支架(I);所述支架具有纵向的中心轴线(A)，并且包括用于待过滤的流体介质的循环的多个通道(Cn、C21、C22……、C31、C32……、Cnl、Cn2……)以便在所述支架(I)的外围上收集滤液；所述通道(cn、C21 > C22……、C31 > C32……、Cnl, Cn2)在所述支架(I)中被设置成平行于所述支架的中心轴线(A)并且限定至少三个过滤区(F1. F2……Fn)，所述过滤区同心地分布并且由连续的多孔区(ZpZ2……Zlri)彼此分隔开，其特征在于，最靠近所述中心轴线(A)的多孔区(Z1)的平均厚度小于最靠近所述支架(I)的外围的多孔区(Zlri)的平均厚度，并且沿着从所述支架的中心轴线(A)朝向所述支架的外围离开的方向，ー个多孔区的平均厚度等于或小于下ー个多孔区的平均厚度。
2.根据权利要求I所述的过滤元件(I)，其特征在于，所述连续的多孔区(Z1. Z2……Zlri)对应于位于ー个过滤区的外包络线与沿所述支架(I)的外围的方向的相邻的过滤区的内包络线之间的区域。
3.根据权利要求2所述的过滤元件(I)，其特征在于 对于每个过滤区，同一个所述过滤区的每个通道的内点位于ー个圆上，所述内点所位于的圆的中心是所述支架的中心，并且限定所述过滤区的内包络线； 对于每个过滤区，同一个所述过滤区的每个通道的外点位于ー个圆上，所述外点所位于的圆的中心是所述支架的中心，并且限定所述过滤区的外包络线； 每个多孔区由两个同心圆界定，并且具有恒定厚度。
4.根据前述权利要求之一所述的过滤元件(I)，其特征在于，具有不同平均厚度的两个相邻的连续的多孔区(Z1和Z2……Zn_2和Zlri)之间的厚度以I. Ol到3. 00的因数，且优选以I. 10到1.70的因数，沿着从所述支架(I)的纵向中心轴线(A)朝向外围离开的方向改变。
5.根据前述权利要求之一所述的过滤元件(I)，其特征在于，最靠近所述支架的外围的多孔区的平均厚度与最靠近所述中心轴线的多孔区的平均厚度之间的比值处于I. I到6的范围内，优选处于I. 2到2. 5的范围内。
6.根据前述权利要求之一所述的过滤元件(I)，其特征在干，将所述支架(I)的外表面(I1)与最靠近所述支架(I)的外表面的过滤区(Fn)分隔开的外围区(Zp)的平均厚度大于将最靠近所述支架(I)的外表面的过滤区(Fn)与相邻的过滤区(Flri)分隔开的多孔区(Zlri)的平均厚度。
7.根据前述权利要求之一所述的过滤元件(I)，其特征在于，具有多个通道的同一个过滤区的通道(Cnl、Cn2……)全部是相同的。
8.根据前述权利要求之一所述的过滤元件(I)，其特征在于，所述过滤元件包括単独限定过滤区(F1)的例如圆形的中心通道(Cn)。
9.根据前述权利要求之一所述的过滤元件(I)，其特征在干，至少两个所述过滤区(F2, F3……Fn)对应于包括多个通道的过滤冠状部；并且在所述过滤冠状部中，所述通道由用于渗透液的穿流分隔部(P)分隔开。
10.根据前述权利要求之一所述的过滤元件(I)，其特征在于，所述过滤区仅仅由ー个単独限定过滤区(F1)的中心圆形通道(C11)以及一系列过滤区(F2……Fn)构成，所述ー系列过滤区中的每ー个(F2……Fn)对应于一个过滤冠状部；所述过滤冠状部包括多个通道，并且所述过滤冠状部中的所述多个通道由用于滤液的穿流分隔部(P)分隔开；所述过滤冠状部相对于中心通道(C11)同心地分布。
11.根据权利要求9或10所述的过滤元件(I)，其特征在于，所述穿流分隔部(P)的宽度(I)在同一个冠状部中相同，并且从ー个冠状部到另ー个冠状部相同。
12.根据权利要求9、10或11所述的过滤元件(I)，其特征在于，每个穿流分隔部(P)的宽度(I)在其整个长度上恒定。
13.根据权利要求9到12之一所述的过滤元件(I)，其特征在于，所述过滤冠状部(F2、F3……Fn)分布在同心圆上。
14.根据权利要求9到13之一所述的过滤元件(I)，其特征在于，在每个过滤冠状部(F2、F3……Fn)中，所述通道具有圆形的截面。
15.根据权利要求9到14之一所述的过滤元件(I)，其特征在于，在每个过滤冠状部(F2、F3……Fn)中，所述通道具有非圆形的截面并且例如具有梯形的截面。
16.根据权利要求9到15之一所述的过滤元件(I)，其特征在于，所述过滤冠状部的不同通道具有相对于所述支架的中心対称的径向轴线。
17.根据权利要求9到16之一所述的过滤元件(I)，其特征在于，所述过滤元件包括至少四个过滤冠状部(F2、F3、F4……Fn)。
18.根据前述权利要求之一所述的过滤元件(I)，其特征在于，在每个过滤区中存在的通道的个数沿着从所述支架(I)的中心(A)朝向外围(I1)移开的方向増加。
19.根据前述权利要求之一所述的过滤元件(I)，其特征在于，所述支架(I)具有圆形或多边形的截面。
20.根据前述权利要求之一所述的过滤元件(I)，其特征在于，所述通道(Cn、C21、C22……、C31、C32……、Cnl、Cn2……)的表面(2)覆盖有至少ー个无机过滤层。
全文摘要
本发明涉及一种用于过滤流体介质的过滤元件，其包括圆筒状的刚性多孔衬底；该衬底具有纵向的中心轴线(A)，并包括待过滤的流体介质能够经此流动的多个通道以便在衬底的外围得到滤液，设置在衬底中的所述通道平行于衬底的中心轴线(A)并限定由连续的多孔区彼此分隔开的至少三个同心的过滤区。本发明的特征在于，最靠近中心轴线(A)的多孔区(Z1)的平均厚度小于最靠近衬底(1)的外围的多孔区(Zn-1)的平均厚度；并且从衬底的中心轴线(A)朝向衬底的外围延伸，一个多孔区的平均厚度等于或小于下一个多孔区的平均厚度。
文档编号B01D69/04GK102858438SQ201180012541
公开日2013年1月2日 申请日期2011年3月4日 优先权日2010年3月10日
发明者P·莱斯科舍 申请人:高技术与膜工业公司