NO965478L

NO965478L - Filtreringsanordning med variabel veggtykkelse

Info

Publication number: NO965478L
Application number: NO965478A
Authority: NO
Inventors: Margaret Kathleen Faber; Rodney Irving Frost
Original assignee: Corning Inc
Priority date: 1995-12-20
Filing date: 1996-12-19
Publication date: 1997-06-23
Also published as: US5641332A; NO965478D0; EP0780148B1; DE69612823T2; DE69612823D1; EP0780148A1

Description

Denne oppfinnelse angår en forbedret tverrstrøms filtreringsanordning eller membrananordning for separasjon av et råstoff i filtrat og retentat, og mer bestemt en slik anordning som har en matrise av porøse vegger som har et antall hydrauliske celler med konstant diameter og som oppviser en økende aggregatveggtykkelse når cellene betraktes fremover i minst en retning fra den sentrale perpendikulære akse mot omkretsflaten.

Det finnes mange filtreringanordninger som separerer råstoff i filtrat og tilbakeholdt suspendert materiale som er for stort til å passere gjennom porestrukturene i filteret. Et gjennomstrømningsfilter holder det suspenderte materialet på filterflaten eller i filtermatrisen og slipper bare gjennom filtratet. Tverrstrømsfiltre arbeider med tangentiell strøm over filterflaten for å sveipe vekk suspenderte materialer som ikke er i stand til å passere gjennom filterflatens porer. Tverrstrømsfiltre byr på kontinuerlig utdrag av retentat eller konsentrert suspendert materiale fra en del av anordningen og kontinuerlig utdrag av filtrat fra en annen del.

Tverrstrømsfiltre kan konstrueres ved bruk av porøse monolitter som har mange passasjer. Slike monolitter kan ha ti tusener av gjennomgående passasjer der disse som regel er parallelle og ensartet fordelt. Når filteret benyttes, blir råstoff innført under trykk ved en ende av monolitten, det strømmer parallelt gjennom passasjene og en del trekkes ut som retentat ved anordningens nedstrømende, mens en annen del passerer gjennom membranet og de porøse monolittvegger for å komme ut ved monolittens omkrets.

Filtrat som passerer inn i de porøse monolittvegger som skiller passasjene fra hverandre løper sammen og flyter gjennom veggene mot monolittens omkrets og blir ført gjennom monolittens ytre hud. Strømningsmotstanden i den buktende strømningsbane i monolittens passasjevegger kan i høy grad begrense filtreringskapasitet, og av denne grunn har tverrstrømsfiltre som baseres på overflateareal med stor diameter, mange passasjer, porøse monolitter ikke funnet særlig kommersiell anvendelse.

Membrananordninger gjør bruk av et semipermeabelt membran for å skille filtrat, som også kalles permeat, fra retentatet. Det finnes mange forskjellige trykkdrevne membrananordninger som skiller ut og konsentrerer partikler, kolloider, makromolekyler, og molekyler med lav molekylvekt. Membranene krever som regel en mekanisk understøttelse som kan være i ett med membranet eller adskilt fra dette. For eksempel kan membraner belegges på eller ganske enkelt bæres mekanisk av et porøst bæremateriale.

Porøse monolitter med mange passasjer, for eksempel bikakesubstrater, kan være særlige nyttige som membranunderstøttelser. I dette tilfellet påføres membranene på

passasjeveggene som tjener både som mekanisk understøttelse og som strømningsbane for utføring av filtratet til en samlesone for dette. Veggene i substratene virker ikke bare som understøttelser for membranene, men tjener også som utgangsbane for filtratet eller permeatet. I disse trykkdrevne separasjonsprosesser blir råstoffet tvunget gjennom de små porer i membranene som er understøttet på veggene i bikaken. Straks fluidet har passert gjennom den lille porestørrelse i membranene (den bane som har størst motstand), kommer det filtrerte materialet over i de forholdsvis større porer i veggene. Mengden av filtratmateriale som kan passere fra den eller de innerste celler til utsiden av substratet er begrenset av veggens porøsitet og tykkelse. Hvis veggene ikke har tilstrekkelig tykkelse eller er tilstrekkelig porøse, kan det samlede volum av filtrat ikke føres gjennom veggene til huden og deretter til substratets utside. Dette kan gjøre det umulig å benytte hele det tilgjengelige overflateareal av membranet. Dette betyr at all eller størstedelen av råstoffet som passerer gjennom den eller de innerste celler ganske enkelt passerer gjennom understøttelsen som retentat uten at noen del går gjennom de membraner som er understøttet på disse celler.

Som følge av dette, går den foreliggende oppfinnelse som her er beskrevet ut på en tverrstrøms filtreringsanordning som tilføres råstoff og skal separere dette i filtrat og retentat der de tidligere nevnte strømningsproblemer er overvunnet, og der hele filtratvolumet vil bli ført gjennom de porøse vegger til utsiden av filteranordningen. Filtreringsanordningen som her er beskrevet, er dannet av en flercellet monolittstruktur med en sentral langsgående akse og en periferiflate. Videre har monolittstrukturen både en innløpsendeflate og en utløpsendeflate og en matrise med porøse vegger som danner en flerhet av celler. Disse innbyrdes parallelle celler strekker seg på langs mellom innløps- og utløpsendeflatene. Cellene har et ensartet tverrsnitt over hele den respektive celles lengde og hver celles tverrsnitt og form er variabel sammenlignet med minst en annen celle, slik at cellene i strukturen har en ekvivalent hydraulisk diameter. Sluttlig har veggene i cellene, sett i det minste i en retning fra den sentrale langsgående akse mot omkretsflaten, en økende aggregatveggtykkelse.

En utførelse av filtreringsanordningen omfatter en sylindrisk monolitisk struktur som har en matrise med radialt forløpende og omgivende porøse vegger. Det radialt forløpende vegger har en økende tykkelse målt fra den sentrale langsgående akse mot omkretsflaten. Hver på hverandre følgende omkretsflate oppviser en økende tykkelse når veggene betraktes fra den sentrale langsgående akse mot omkretsflaten.

Et viktig trekk ved denne filtreringsanordning som bygger på "økende aggregatveggtykkelse" er at veggene i bikakestrukturen er i stand til å føre permeatstrømmen fra alle cellene i understøttelsen og dermed blir hele den tilgjengelige membranoverfiate benyttet. Videre vil den konstante hydrauliske diameterkarakteristikk sikre at hver celle fører et ekvivalent volum av råstoff og sikrer dermed at all tilgjengelig membranoverfiate vil bli fullt utnyttet slik at filtreringsanordningen til slutt får forhøyet virkningsgrad. Fig. 1 viser et snitt gjennom en kvadratisk utførelse av filtreringsanordningen ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser et snitt gjennom en annen kvadratisk utførelse av filtreringsanordningen ifølge oppfinnelsen. Fig. 3 viser en snitt gjennom en sirkulær utførelse av filtreringsanordningen ifølge oppfinnelsen.

Den foreliggende oppfinnelse, slik den er vist på fig. 1, angår hovedsakelig en tverrstrøms filtreringsanordning som tilføres råstoff og som skal separere råstoffet i filtrat og retentat. Filtreringsanordningen omfatter en flercellet monolitisk struktur 10, som i denne utførelse er rektangulær, og som har både en innløps- og utløpsendeflate hvorav en er vist, og har en sentral langsgående akse 11 og en omkretsflate 12. Aksen 11 er definert som den akse som er perpendikulær på planet som dannes av og ligger gjennom skjæringen mellom x- og y-aksen som vist på fig. 1. Strukturen har en matrise av porøse vegger som danner en flerhet av celler 20, der disse strekker seg i lengderetningen og parallelt. Hver av cellene 20 oppviser en ekvivalent hydraulisk diameter, et ensartet tverrsnitt over hele sin lengde og et variabelt tverrsnitt og variabel form sammenlignet med minst en annen celle.

Den hydrauliske diameter for en hvilken som helst leder, som for eksempel en celle enten den fører væske eller gass, er definert som fire ganger tverrsnittets areal dividert med den fuktede eller berørte omkrets av åpningen. Sagt på en annen måte, vil to forskjellig formede sylindre oppvise samme motstand mot gjennomstrømning (væske eller gass) hvis de har samme hydrauliske diameter.

Videre, når cellene 20 betraktes fremover i en retning fra den sentrale langsgående akse mot omkretsflaten, oppviser de en økende "aggregatveggtykkelse", dvs. den totale kombinerte tykkelse av de fire vegger som danner hver celle 20.1 den struktur som er gjengitt på fig. 1, vil det sees at det er en økning i aggregatveggtykkelsen for cellene sett fremover i alle retninger fra den sentrale langsgående akse til omkretsflatene bortsett fra for den retning som er direkte langs y-aksen. For eksempel er aggregattykkelsen for den celle som er betegnet med 20 A, som ligger nærmest den sentrale langsgående akse - kombinert tykkelse av veggene 21,22,23 og 24, mindre enn for den mellomliggende celle som er betegnet med 20 B - kombinert tykkelse for veggene 21, 22,25, 26, som på sin side er mindre enn den kombinerte tykkelse av veggene 21, 22, 27 og 28 for cellen som er betegnet med 20 C og ligger nær ved omkretsen.

På fig. 2 er det vist en annen utførelse av en filtreringsanordning som omfatter en flercellet monolitisk kvadratisk struktur 30 som har både en innløps- og utløpsendeflate, hvorav en er vist, og har en sentral langsgående akse 31 og en omkretsflate 32. Aksen 31 er definert som den akse som er perpendikulær på planet som dannes av og løper gjennom skjæringspunktet mellom x- og y-aksen som vist på fig. 2. Også her har strukturen en matrise av porøse vegger som oppviser mange celler der disse strekker seg på langs og er innbyrdes parallelle. Som beskrevet ovenfor, har hver av cellene 41-44 en ekvivalent hydraulisk diameter, et ensartet tverrsnitt over hele sin lengde og et variabelt tverrsnitt og form sammenlignet med minst en av de andre celler. Mer bestemt har

cellene fire distinkte former 41,42,43 og 44.

Utførelsen som er vist på fig. 2 skiller seg fra den utførelse som er vist på fig. 1 ved at cellene 41-44 betraktet i alle retninger fra den sentrale langsgående akse 31 til omkretsflaten 32 oppviser en økende "aggregatveggtykkelse". For eksempel er aggregatveggtykkelsen for celle 41 som befinner seg i nærheten av den sentrale langsgående akse - kombinert tykkelse av veggene 45 Y, 46Y, 45X og 46X som danner cellen 41, mindre enn aggregatveggtykkelsen for de følgende tre celler: (1) celle 41 nær ved omkretsflaten 32, kombinert tykkelse av veggene 47X, 48X, 47Y og 48Y som danner cellen 41; (2) celle 44 som er i nærheten av omkretsflaten 32 og plassert lang X-aksen - kombinert tykkelse for veggene 45X, 46X, 47Y og 48Y som danner cellen 44; og (3) celle 44 ved omkretsflaten og plassert langs Y-aksen - kombinert tykkelse av veggene 45Y, 46Y, 47X og 48X som danner cellen 44.

Det vises nå til fig. 3, som gjengir en annen utførelse av filtreringsanordningen bestående av en sylindrisk og flercellet monolitisk struktur 99 som har en sentral langsgående akse 51 og en omkretsflate 52. Monolittstrukturen 99 har en matrise med radialt rettede 66 og omløpende 61-65 porøse vegger som danner en rekke celler. Hvert av tallene 50,60,70, 80 og 90 angir en ring eller sone med celler: (1) 50 betegner cellesonen ved den sentralt langsgående akse 51 og omfatter en sirkulær celle 50 betegnet som sone AA celle; (2) 60 angir den radialt indre sone av celler 62 betegnet som sone A celler, mens 70 angir en radialt nest indre sone av celler 72 betegnet som sone B celler; og (3) 90 angir den radialt ytre sone av celler 92 betegnet som sone D celler, mens 80 angir en sone med celler 82 inne i sone D cellene, betegnet som sone C celler.

Også her har hver av cellene 50, 55, 72, 82, 92 et ensartet tverrsnitt over hele sin lengde, de er innbyrdes parallelle og strekker seg på langs gjennom og mellom innløps- og utløpsendeflatene for strukturen 99. Videre er tverrsnittsarealet og formen for hver av cellene 50, 55, 72, 82, 92 variert slik at de alle oppviser en ekvivalent hydraulisk diameter som definert ovenfor.

De radialt forløpende vegger 88 oppviser en økende tykkelse målt fra den sentrale

langsgående akse 51 mot omkretsflaten 52. Hver påfølgende omløpende vegg oppviser en øket tykkelse sammenlignet med tykkelsen for den omløpende vegg som støter inntil denne og ligger nærmere den sentrale langsgående akse 51, for eksempel, oppviser den omløpende vegg 62 en øket tykkelse sammenlignet med tykkelsen som oppvises av den omløpende vegg 61. Mer bestemt øker celleveggene 61-65 som skiller hver av cellesonene AA-D (sonde D og omkretsflaten helt ytterst) i tykkelse. Sagt på en annen måte, øker tykkelsen når celleveggene 66 går fra veggen 61 for cellen 50 ved den sentrale perpendikulære akse til celleveggen 65 som ligger mellom omkretsveggen 52 og cellene 92 i sone D.

Tverrstrømfiltreringsanordningene som er beskrevet ovenfor kan fremstilles av forskjellige porøse materialer innbefattende materialer som glass, keramikk, glass-keramikk, organiske polymerer, metaller, aktivkull og blandinger av disse. Keramiske materialer som er særlig egnede innbefatter de som er laget av kordeiritt, mullitt, leire, talkum, zirkonium, zirkoniumoksyd, zirkonater, zirkoniumoksyd-spinel, magnesiumaluminosilikater, spinel, aluminiumoksyd, silisiumoksyd, silikater, borider, aluminiumsilikater som for eksempel zeolitter, porcelener, litium, aluminiumsilikater, alimiumsilisiumoksyd, feltspat, titanoksyd, smeltet silisiumoksyd, nitrider, borider, karbider så som silisiumkarbid, silisiumnitrid eller blandinger av disse. For anvendelse der en meget fin porestørrelse er ønsket, er det foretrukne materialet valgt fra gruppen som består av mullitt, aluminiumoksyd og titanoksyd.

Monolittstrukturen som danner filtreringsanordningen bør utformes slik at den oppviser en høy volumporøsitet, dvs. en porøsitet som ligger fra omtrent 25-50% som volum. I tillegg, hvis monolittstrukturen skal benyttes til ultrafiltrering eller for mikrofiltrering, bør den ha en forholdsvis stor gjennomsnittlig porediameter på mellom 0,1-10 mikrometer, fortrinnsvis med en gjennomsnittlig porediameter på mellom 0,1-5 mikrometer. Hvis, på den annen side, filtreringsanordningen som benyttes til gasseparasjon, er det ønskelig at monolittstrukturen oppviser en gjennomsnittlig porediameter på mellom 0,1-2 mikrometer.

Permselektive membraner som er valgt fra membraner som er egnede for Tverrstrømfiltrering, mikrofiltrering, ultrafiltrering, reverst osmose, gasseparasjoner, pervaporasjon kan anvendes på overflaten av cellene i den omhandlede monolittstruktur.

Til fremstilling av monolittstrukturen som er vist på fig. 4, er formen som er beskrevet i US-patent nr. 4979889 (Frost m.fl.) særlig hensiktsmessig, og dette patent er her tatt med som referanse. Ganske kort består formen som er beskrevet i dette patent av en rekke stive rør hvert slisset opp over en del av sin lengde og hvert forsynt med en enhetlig radialt utstikkende krave ved formens inngangsflate. Hver krave har en rekke hakk jevnt fordelt vinkelmessig rundt sin omkrets, der hver krave har forskjellig tykkelse i lengderetningen og passer inn i en utboring i den neste radialt utadrettede krave som er nabo eller som den står inntil. En rekke slisser som står i vinkelmessig avstand fra hverandre løper delvis langs hvert rør. Hver sliss strekker seg gjennom sin respektive rørvegg, og gjennom utsiden av hvert rør med unntak av den radielt ytre rør som står i radial avstand fra innsiden av det neste tilstøtende radielle ytre rør. En stiv holder har en sentral boring som løper på langs gjennom denne der holderåpningen har en utboring ved en ende som opptar den radielt ytre krave. Boringen i holderen står i radiell avstand fra den ytre utside slik at en flerhet av passasjer dannes for gjennomføring av et ekstruderbart materiale fra hakkene på kravene til de ender av rørene som ikke har krave. Til slutt blir matrialet som skal ekstruderes fra formen for å danne den monolitiske struktur som her er beskrevet, matet inn i åpninger som dannes av kravenes hakk og blir ekstrudert fra utløpet ved nedstrømendene av slissene i rørene.

EKSEMPLER

Eksempel 1

En kvadratisk monolitisk struktur har sidedimensjon på 150 mm og oppviser den celle-og veggutforming som er vist på fig. 2 med dimensjonen for cellens senterlinjeplassering angitt som \\- x$ og y\- ys- Fig- 2 og som vist i tabell I, ville være egnet til bruk som en filtreringsanordning eller som membranunderstøttelse. Mer bestemt vil strukturen oppvise fire klare celleformer/størrelser med cellebetegnelsene 41,42,43 og 44, som alle har en hydraulisk diameter på 10,16 mm og har de følgende dimensjoner: (1) celle 41 - 10,16 x 10,16 mm; (2) celle 42 - 11,17 x 9,35 mm; (3) celle 43 - 12,72 x 8,46 mm; og (4) celle 44 - 16,38 x 7,39 mm.

Bruk av dimensjonene for cellens senterlinjeplassering og de nevnte cellers størrelser muliggjør beregning av aggregatveggtykkelsen for en hvilken som helst ønsket celle. Aggregatveggtykkelsen for cellen 41, som står ved den sentrale langsgående akse - kombinert tykkelse for veggene 45Y, 46Y, 45X og 46X på 20,32 mm, er mindre enn aggregatveggtykkelsen for de følgende tre tidligere nevnte celler: (1) celle 41 dannet av veggene 47X, 48X, 47Y og 48Y - 37,38 mm; (2) celle 44 dannet av veggene 45X, 46X, 47Y og 48Y - 26,454 mm; og (3) celle 44 dannet av veggene 45Y, 46Y, 47X og 48X - 26,454 mm.

Eksempel 2

En monolitisk struktur som har celler og veggutforminger som vist i fig. 3 og oppviser de dimensjoner som er angitt i TABELL II, ville være egnet til bruk som en filtreringsanordning eller som membranunderstøttelse. Strukturen ville ha de følgende dimensjoner: en tilnærmet diameter på 27,03 mm, en variabel aksial lengde, for eksempel 91,44 cm, en passende celletetthet på 12 celler/cm<2>, en åpen porøsitet på tilnærmet 43% og en konstant hydraulisk cellediameter på 19,05 mm. Mer bestemt viser TABELL II de følgende ytterligere hypotetiske dimensjoner: (1) den hypotetiske tykkelse beregnet for den radialt rettede vegg på forskjellige punkter, idet veggen strekker seg mot omkretsveggen - spesielt målt ved hver av cellesonene A-D som beskrevet ovenfor; og (2) hypotetisk beregnet tykkelse på de på hverandre følgende omløpende vegger etterhvert som de nærmer seg omkretsveggen. En gjennomgåelse av tabellen viser at den monolitiske struktur som er utformet med disse dimensjoner ville oppvise disse oppfinneriske trekk: (1) en radialt forløpende vegg som oppviser økende tykkelse målt fra den sentrale langsgående akse, og (2) på hverandre følgende omløpende vegger som oppviser en økende tykkelse, idet de nærmer seg omkretsveggen. Mer bestemt viser tabellen at omkretsveggenes tykkelse øker fra 0,508 til 1,27 mm, mens den radiale vegg også oppviser samme økning i tykkelse fra 0,508 til 1,27 mm.

Selv om oppfinnelsen er blitt beskrevet i den ovenstående beskrivelse og i forbindelse med eksempelet, kan den modifiseres og endres på forskjellige måter uten at dette avviker fra oppfinnelsens omfang. Selv om fireveggede celler er beskrevet ovenfor som eksempel, kan andre celleformer enn dette, som for eksempel runde og trekantede, anvendes.

Claims

1. Tverrstrøms filtreringsanordning eller membrananordning som skal motta råstoff og separere dette i filtrat og retentat, karakterisert ved at den omfatter: en flercellet monolitisk struktur med en sentral langsgående akse og en omkretsflate samt innløps- og utløpsendeflater og en matrise av porøse vegger som danner en rekke celler der disse strekker seg på langs og innbyrdes parallelt gjennom veggene mellom innløps- og utløpsendeflatene, der hver av cellene har en ekvivalent hydraulisk diameter, et ensartet tverrsnitt over hele dets lengde og et variabelt tverrsnitt og form sammenlignet med minst en annen celle; hvilke celler i det minste i en retning fra den sentrale langsgående akse mot omkretsflaten oppviser en økende aggregatveggtykkelse.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at et permselektivt membran er påført overflaten av cellene.

3. Anordning som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert v e d at cellene sett i alle retninger fra den sentrale langsgående akse mot omkretsflaten, oppviser en økende aggregatveggtykkelse.

4. Filtreringsanordning som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert v e d at den monolitiske struktur er sylindrisk og består av en matrise med radialt rettede og omløpende porøse vegger, der hver av de radielt rettede vegger har en økende tykkelse målt fra den sentrale langsgående akse mot omkretsflaten og hver påfølgende omløpende vegg har en økende tykkelse idet veggene går fra den sentrale langsgående akse mot omkretsflaten.

5. Filtreringsanordning som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert v e d at den monolitiske struktur oppviser en volumporøsitet som ligger fra omtrent 25-50%.

6. Filtreringsanordning som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert v e d at den monolitiske struktur omfatter en gjennomsnittlig porediameter på mellom 0,1-10 mikrometer.

7. Filtreringsanordning som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert v e d at den monolitiske struktur oppviser en gjennomsnittlig porediameter på mellom 0,1-5 mikrometer, eller mellom 0,1-2 mikrometer.

8. Filtreringsanordning som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert v e d at den monolitiske struktur er dannet av glass, keramik, glass-keramikk, organisk polymer, metall, aktivkull eller blandinger derav.

9. Filtreringsanordning som angitt i krav 8, karakterisert ved at monolitten er en keramikk valgt fra gruppen som består av kordieritt, mullitt, leire, talkum, zirkonium, zirkoniumoksyd, zirkonater, zirkonoksyd-spinel, magnesiumaluminiumsilikater, spinel, aluminiumoksyder, silisiumoksyder, silikater, borider, aluminiumsilikater, som for eksempel porselener, zeolitter, litiumaluminiumsilikater, aluminiumsilisiumoksyd, feltspat, titaniumoksyd, smeltet silisiumoksyd, nitrider, borider, karbider så som silisiumkarbid, silisiumnitrid eller blandinger av disse.

10. Anordning som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at den har et permselektivt membran valgt fra membraner som er egnede til tverrstrømfiltrering, mikrofiltrering, ultrafiltrering, omvendt osmose, gasseparasjoner, pervaporasjon.