过滤系统

发明领域

本发明总的来说涉及液体的过滤，特别包括水的过滤。

背景

现在，对于净化液体有着非常广泛的需求，最经济的要素之一是 生产淡水。世界上许多地区的饮用淡水或农业用水都不足，而在另 一些地区本来可以供给大量的淡水，但水经常被化学或生物污染物、 金属离子和类似物污染。另外对于诸如工业化学品和食品果汁等其 他液体也有需要商业净化的持续需求。例如，美国专利第4,759,850 号讨论了反渗透的用途，即在存在多余的醚的情况下，用于从碳氢 化合物中去除乙醇，美国专利第4,959,237号讨论了用于橙汁的反 渗透的用途。

除了蒸馏技术以外，水和其他液体的净化通常通过过滤来实现。 已知有许多过滤形式，包括反渗透(RO)，精过滤和超级过滤，在 这里，应该理解到所有的这些技术都用统一的术语“过滤”来表示。

反渗透包括在压力下采用半透膜来分离组份。这里使用的术语 “膜”指的是一种功能性过滤装置，可以包括一层或多层半渗透层以 及一层或多层支撑层。根据所采用的膜的细密度，反渗透可以去除 从宏观分子到微观颗粒的不同尺寸的颗粒，现代反渗透装置能够去 除颗粒、细菌、孢子、病毒、甚至Cl-或Ca++等离子。

对于反渗透膜(RO)存在几个问题，包括膜的过度污染和用于产 生穿过膜的所需压力的高昂费用。这两个问题相互关联，使大多数 或者全部的已知RO膜装置都需要在工作时采用相对于所生产的渗透 液的量而言相对更大量的进料液体对膜进行冲洗。例如，冲洗液体 与从海水中回收的脱盐渗透液之比例如大约是3∶2。由于所用的海 水中仅有一些恢复为净化水，这就浪费了用于保持水的能量，使其 本身效率不高。

通过采用例如颁布给Cheng等人(1970年1月)的US3,489,159 所述的工作交换泵来减少过滤泵送时的能量消耗，该专利作为参考 文献包括在这里。在这种系统中，穿过过滤元件的“废”液中的压力 用于对供给液体加压。但不利的是，工作交换泵采用了相对复杂的 管线，并且在任何情况下它们的操作都不连续。这些因素大幅增加 了安装和操作费用。

还有一种削减过滤泵送时的能量消耗的已知方法是采用一个或多 个涡轮机以从“废”液中回收能量。一个典型的例子是图3所示的颁布 给Vanquez-Figueroa(1996年10月公开)的PCT/ES96/00078，该专 利也作为参考文献包含在本文中。在那个例子中，进料液体被压送 到山脊，并从山上流下而进入过滤装置，废液流经涡轮机以回收一 些泵送能量。

图1表示了采用能量回收涡轮机的已有技术过滤系统的概略图。 过滤系统10通常包括一个泵20、多个平行渗透器30、一个能量回收 涡轮机40和一个渗透或过滤液体保持箱50。液体进给管线是笔直向 前的，其进口管线(未表示)携带着进料液体从预处理装置(未表 示)流到泵20，进给管线22携带着加压进料液体从泵20流到渗透器 30，渗透液收集管线32将减压的渗透液从渗透器30传送给保持箱50， 废液收集管线34将加压的废液从渗透器30传送给能量回收涡轮机 40，废液排出管线42将减压的废液从能量回收涡轮机40排放到系统10 之外。

根据图1所示的系统能够相对提高能量效率，但是从管线的角度 来看还有些复杂。除了其他部件，每一渗透器30都具有至少三个压 力连接件-一个用于进料液体，一个用于废液，一个用于渗透液。 在大型系统中，这种流体连接件的维护可能很贵，特别是渗透器中 的过滤元件每几年就要更换。

WIPO公开说明书98/46338描述了一种改进装置，其中包括螺旋卷 绕过滤器的多个生产模块以机械方式串联，同时以平行方式提供进 料液体通道、过滤液体通道和废液通道。这种布局(有时在这里称 为S/P模块化形式)使得一系列相连的模块能够很容易地被安装、更 换和去除。WO 98/46338建议了多种将模块在空间中有效布局的方式， 例如通过插入到深井或浅井以及塔中、沿着地面布置、插入小丘或 山的一侧或者埋于路下或停车场下。它还建议，通过采用滑动配合 接头将邻近的生产模块相互匹配来提高安装和拆卸效率，并且生产 模块可以通过连接件而保持在相互配合的状态以支撑电缆或支杆。

但是，WIPO公开说明书98/46338没有提示怎样通过采用模块化能 量回收装置来削减S/P模块化生产模块的能量消耗。因此，还需要用 简单的方法来回收这种系统、特别是大型系统(每天至少1百万加仑) 中的能量消耗，因为其效率低下是非常明显的。

发明概述

本发明描述了一种具有能量回收装置的模块化过滤系统。在优选 实施例中，过滤系统设置成如下形式，即多个生产模块以机械形式 串联而形成一条生产线，每一公共进料液体流通路径、公共废液流 通路径、公共产品流通路径都沿生产线布局。在优选实施例的另一 种方案中，能量回收装置包括一个涡轮机以从流经的液体或者“废” 液中回收能量。再一个实施例还包括模块化的加压装置，用于对进 料液体加压，并为能量回收和加压装置提供一根公共的驱动轴。

本发明的各个目的、特征和优点将结合附图(其中相同的序号表 示相同的元件)从下面对本发明的优选实施例的详细描述中更清楚 地体现出来。

附图简要描述

图1是采用能量回收涡轮机的已有技术的过滤系统的示意图。

图2是采用能量回收装置的本发明所述过滤系统的示意图。

图3是根据本发明所述的过滤系统组的示意图。

图4是采用一个能量回收装置和一个潜水泵的本发明过滤系统的 示意图。

图5是采用工作交换泵的本发明所述处于水平结构的过滤系统的 示意图。

图6是采用工作交换泵的本发明所述处于垂直结构的过滤系统的 示意图。

详细描述

图2中，优选过滤系统110通常包括一个加压装置120、一组反渗 透或其他过滤器130、一个能量回收装置140和一个渗透或过滤液体 保持箱150。与图1类似，来自管线112的进料液体进入一预处理装置 114，然后通过管线116穿过加压装置120。经过加压后，进料液体管 线122将加压后的进料液体从加压装置120传送给渗透器130，渗透收 集管线132将减压后的渗透液从渗透器130传递给保持箱150，废液收 集管线134将加压废液从渗透器130传递给能量回收装置140，并且废 液排出管线142将减压后的废液从能量回收装置140传送到系统110之 外。与图1类似，应该认识到，进料液体可以是能进行过滤处理的任 何液体，进料液体包括水或至少一种诸如盐水或海水的水溶液。在 其他场合，进料液体可以包括食品，例如橙汁，或者是需要净化的 石油中间产品。

与图1所示过滤系统10有很大不同的是，图2所示的过滤系统110 准备使多种过滤器130和至少部分进料液体管线122、渗透收集管线 132以及废液收集管线134包含在生产线中相互连接的一系列制造模 块160中或者至少部分地由它们限定。在优选实施例中，生产线可以 保持在形成大型管装置170的通道或壳体内，通道或壳体的内壁与生 产模块配合，以形成多条液流管线122、132和134中的至少一条。在 这种实施例的结合或替换形式中，废液流通路径和产品流通路径都 被认为是“沿生产线布局”。

尽管在直径方面比上述实施例有更小的限制，生产模块160仍在 很多方面与分别在公开说明书WO98/09718和WO98/46338中描述了的 生产模块是相似并且有利的。另外，应该理解到生产模块160可以设 置成与垂线保持任何关系，包括垂直、倾斜甚至水平。因此，大型 管装置170可以设置成更为水平或者不必太水平，并且可位于地面上 方或地面，或者是以其他方式，例如部分地埋入地下。在其他所述 实施例中，例如，大型管装置170可以设置在浅井中，所述浅井的深 度可能小于100或者小于50英尺。在其他实施例中，大型管装置170 可以设置在一座塔中、小丘中、山中或者作为它们的一部分。在另 一方面，可以将多个大型管装置170相连以形成一组装置(末表示)， 这组装置可以以任何组合形式设置。

过滤部分最好是螺旋卷绕形式的，例如象WO98/09718中所述的那 样。但是，在其他实施例中，也可以采用任一种其他形式的过滤器。 这样，应该很容易理解到可以采用扁平膜，管状、螺旋状和/或空心 管式过滤器。例如，空心式过滤器可以以与Eckman(1995年11月) 的US5,470,469所述相似的方式进行布局。

下面将详细描述加压装置120，应该理解到，任何能够提供适当 泵送容积和压力的泵或泵系统都可以用在过滤系统110中来对进料液 体加压。这包括正排量泵、叶片泵、水头压力装置或其他装置。另 一方面，有些泵和泵系统比其他泵更有效，这样的泵和系统是特别 适用的。一种特别有效的泵送系统是两级涡轮泵，例如图2所示。这 里，进料液体首先流入相对较低压力的涡轮机120A，然后进入到相 对较高压力的涡轮机120B。有利的是，低压和高压涡轮机120A、120B 可以从单一的驱动轴120C和马达120D获取动力，然而，也可以采用 具有多根驱动轴和/或多个马达的其他实施例。                        

能量回收装置140可以是多种不同形式的，包括正排量装置(未 表示)。在图2中，例如，能量回收装置140与涡轮机140A制成一体， 所述涡轮机140A容纳来自生产模块160的加压废液。

能量回收装置140可以是多种不同形式的，包括正排量装置(未 表示)、涡轮机装置(未表示)或皮尔顿式水轮机130A(如图4所示)。 能量回收装置140还最好以模块形式连接到加压装置120上。在图2和 3所示的特定实施例中，通过将两加压装置120和能量回收装置140设 置在公共动力模块165中而实现模块化，还通过将泵驱动轴连接到驱 动轴120C上来从能量回收装置向泵120A、130B传递动力。在替换实 施例中，通过将加压装置120和能量回收装置140设置在独立的动力 模块(未表示)中而实现模块化，这两个模块最好通过一个公共驱 动链相连。

对于模块化结构来说，应该理解到有多个优点。过滤器和流通管 线集成到生产模块中是非常有利的，因为它简化了过滤系统的结构， 这种结构在物理上是串联方式的，但从液流上讲是平行方式的。相 对于图1所示的传统系统来说，这种系统本身就能在建造和维护方面 有效地节约费用。加压装置和能量回收装置的模块化还有利于节约 费用。此外，这种动力模块能够在给定的过滤系统中被容易地插入 并替换，并且能够在一组这样的过滤系统中用对应的模块互换。

从图3中可以很容易地看出某些优点。在图3中，一组过滤系统200 包括第一微型过滤系统202、第二超过滤或不过滤系统204和第三超 级过滤或反渗透系统206。许多部件都可以模块化以增强互换性和节 约费用。例如，每一过滤系统可具有预处理装置214A、214B和214C， 在这种情况下可以是紫外线或其他杀菌装置。装置组200的所有过滤 系统202、204、206所用的进料液体由井209提供，该进料液体被泵208 压送到第一预处理装置214A中。然后进料液体通过管线216A传到第 一过滤系统202中，这里，进料液体在生产模块260A中被过滤。废液 通过管线234A离开第一过滤系统202。来自第一过滤系统202的渗透 液通过管线被第二过滤系统204收集，并且在生产模块260B中被进一 步过滤。废液通过管线234B离开第二过滤系统204。来自第二过滤系 统204的渗透液通过管线216C被第三过滤系统206收集。在第三过滤 系统206中，相对纯净的液体被加压装置220加压，并在生产模块260C 中被进一步过滤。废液通过管线234C离开第三过滤系统206。通过采 用能量回收装置240将来自第三过滤系统206的渗透液减压，并且渗 透液流到保持箱250中。

当然，图2和3所示的系统布局仅是用于举例的，也可以采用许多 其他布局。例如，图3表示了一个装置组200，其中进料液体通过多 个串联设置的过滤系统逐步地经过多次的过滤。在一替换实施例中， 很有利的是仅将进料液体过滤一次，使得多个过滤系统以平行方式 而不是串联方式进行工作。在另一替换实施例中，装置组可以采用 多条进料液体源，例如通过多个井而不是一个公共井。在另一替换 实施例中，多个过滤系统可以相对于某地点设置成多种状态。例如， 一些系统可以设置在地下较深的地方，而另一些设置在靠近地面的 地方，或者设置在一座塔中。

许多部件可以有利地设置成模块化形式以增强互换性和节约费 用。例如，每一过滤系统都可以具有一个预处理装置214A、214B、 214C，在这种情况下，它们是紫外线装置或其他杀菌装置。用于装 置组200中所有过滤系统202、204的进料液体由井209提供，并通过 泵208压送到第一预处理装置114A。进料液体接着通过管线116A流进 第一过滤系统202，在那里，进料液体在生产模块260中被过滤。废 液通过管线134A离开第一过滤系统202。来自第一过滤系统202的渗 透液通过管线112B被第二过滤系统204收集。废液通过管线134B离开 第二过滤系统204，穿过能量回收装置140。来自第二过滤系统204的 渗透液流到保持箱250中。

在图4中，过滤系统310包括设置在一个公共动力模块365中的一 个加压装置320和一个能量回收装置340。皮尔顿式水轮机或ERT340A 从位于废液收集管线134中的废液中回收能量，并通过公共驱动轴 320C向驱动潜水泵320A、320B提供附加的能量。

在图5中，一系列生产模块522连接在一起形成一个大型管装置 510。生产模块522最好在许多方面与‘293申请中所述的生产模块540 相同，尽管这里在直径方面比前述实施例具有更小的限制。另外， 应该理解到生产模块522可以设置成与垂线相关的任何关系，包括垂 直、倾斜、甚至水平。因此，大型管装置510可以设置成更为水平或 者不必太水平，并且可位于地面上方或地下，或者是以其他方式， 例如部分地埋入地下。在其他所述实施例中，大型管装置510可以设 置在浅井中，所述浅井的深度可能小于100或者小于50英尺。在其他 实施例中，大型管装置170可以设置在一座塔中、小丘中、山中或者 作为它们的一部分。在另一方面，可以将多个大型管装置510相连以 形成一组装置，这组装置可以以任何组合形式设置。

优选的工作方式与WO98/09718申请中所述的相似，只是用于操作 半透膜的所需压力的主要部分是从某些压力源获得而不是从水头压 力获得。因此，在图5中，液体可以从井道水头或其他压力源512抽 吸或向上泵送，通过进入管线513到达一个选择性的预处理装置514。 尽管液体通常是水或至少是例如盐水或海水等水溶液，另外本文这 里所述的部分也采用了盐水或海水作为实施例，但应该理解到，实 际的任何液体都可以被本文所述的装置和方法进行净化。

盐水或海水从预处理装置514流到高压工作交换泵516，采用该泵 是能够对水进一步加压，并将水泵送入生产模块522。在这个特定实 施例中，所述盐水或海水沿通道524流动，有些水流过一个膜以形成 穿过通道526的渗透液，同时，剩下的水从排出管道536排出。接着， 通道526中的渗透液通过管道532流到储存箱534中。

如上所述，大型管装置510可以实际设置在任何位置，但是这里 被支撑件524抬升在高于地面几英尺的位置上。还可以采用水泥支撑 地板或其他地面覆盖物。

图6表示了一个类似的装置，其中大型管装置610垂直设置在浅井 中。为了便于对比，除了每一序号都增加100外，每一元件都用与图 5相同的序号方式表示。

再详细描述高压泵516、616，应该理解到可以采用能够提供适当 泵容积和泵压的任一泵或泵系统。这包括正排量泵、叶片泵和其他 形式的泵。另一方面，有些泵和泵系统比其他泵更有效，这样的泵 和系统是特别适用的。本文优选的泵系统是例如在美国专利3,489, 159中所述的工作交换系统等泵系统。

这样，本文描述了采用具有模块化能量回收系统的过滤系统的特 定实施例和应用情况。对于本领域的技术人员来说，应该理解到， 除了这些已经描述的系统外，在不脱离本发明构思的情况下，可以 采用许多别的改进。因此，在本发明公开的精神下，本发明主题并 不受到限制。