ГЕОМЕТРИЯ ОСНОВЫ И МЕМБРАНА ДЛЯ ФИЛЬТРАЦИИ Российский патент 2015 года по МПК B01D63/06 

Настоящее изобретение относится к области тангенциальной сепарации с использованием фильтрующих элементов, пригодных для сепарации молекул или частиц, содержащихся в текучей среде, подлежащей обработке. Более конкретно, объектом настоящего изобретения являются новые фильтрующие элементы, содержащие твердую пористую основу, в которой расположены каналы для циркуляции жидкости, подлежащей фильтрации, причем эта основа имеет оригинальную геометрию.

Объект изобретения может найти особенно успешное применение в областях нанофильтрации, ультрафильтрации, микрофильтрации, фильтрации и обратного осмоса.

Из предшествующего уровня техники известны многочисленные фильтрующие элементы, изготовленные из трубчатой или плоской основы. В частности, были предложены фильтрующие элементы трубчатого типа, содержащие пористую основу из неорганического материала, например из керамики, в которой расположено несколько каналов. Эта основа может быть соединена с одним или несколькими сепарирующими слоями, состоящими, например, из неорганического материала, осажденного на поверхностях всех циркуляционных каналов, причем эти слои соединены между собой и с основой посредством спекания. Эти слои обеспечивают регулирование фильтрующей способности фильтрующего элемента.

В области трубчатых фильтрующих элементов твердая пористая основа имеет удлиненную форму и поперечное сечение правильной формы, чаще всего полигональное или круглое. Многочисленные основы, содержащие множество каналов, идущих параллельно друг другу и продольной оси пористой основы, уже были предложены, в частности, заявителем. Например, фильтрующие элементы, содержащие несколько некруглых каналов, описаны в заявке на патент WO 93/07959 компании CERASIV, заявке на патент ЕР 0780148 компании CORNING, заявке на патент WO 00/29098 компании ORELIS и патентах ЕР 0778073 и ЕР 0778074 заявителя. Например, Фиг.3 в заявке на патент WO 93/07959 представляет собой вид в поперечном разрезе основы, в которой каналы расположены параллельно центральной оси основы. Эти каналы определяют три зоны фильтрации, которые размещены концентрически и отделены друг от друга непрерывными пористыми зонами, обозначенными как Z'₁ и Z'₂ на прилагаемой Фиг.1. Во время функционирования каналы сообщаются с одной стороны с впускной камерой для текучей среды, подлежащей обработке, а с другой стороны - с выпускной камерой. Поверхность каналов чаще всего покрыта по меньшей мере одним сепарирующим слоем, обеспечивающим сепарацию молекул или частиц, содержащихся в текучей среде, циркулирующей внутри каналов в определенном направлении - от так называемого впускного конца каналов ко второму так называемому выпускному концу. За счет ситового эффекта фильтрующий элемент обеспечивает сепарацию молекул или частиц, содержащихся в продукте, подлежащем обработке, причем все частицы или молекулы, диаметр которых больше, чем диаметр пор зоны фильтрующего элемента, с которой они контактируют, удерживаются. Во время сепарации происходит перенос текучей среды через основу и, необязательно, через сепарирующий слой или сепарирующие слои, если таковые имеются, и текучая среда поступает в поры основы и направляется к наружной поверхности пористой основы. Часть текучей среды, подлежащей обработке, которая проходит через сепарационный слой и пористую основу, называют «пермеатом» или «фильтратом», и она собирается в сборной камере, окружающей фильтрующий элемент.

Автор настоящего изобретения обнаружил, что основы подвергаются сильным напряжениям, обусловленным давлениями, создаваемыми во время операций фильтрации, и могут иметь слабые места в некоторых точках их структуры. В частности, автор оценил поля механических напряжений, существующие в основах вышеописанного типа, и доказал, что максимальное напряжение возрастает в направлении от центра к наружной стороне основы.

Поэтому, стремясь повысить уровни эффективности работы своих фильтрующих элементов, в настоящем изобретении предлагается новая геометрия основы с целью оптимизации механических свойств фильтрующих элементов, предложенных на предшествующем уровне техники.

В этом контексте настоящее изобретение относится к фильтрующему элементу для фильтрации текучей среды, содержащему твердую пористую основу цилиндрической формы, имеющую продольную центральную ось и содержащую множество каналов для циркуляции текучей среды, подлежащей фильтрации, для сбора фильтрата на периферии основы; эти каналы расположены в основе параллельно центральной оси основы и определяют по меньшей мере три зоны фильтрации, которые расположены концентрически и отделены друг от друга непрерывными пористыми зонами, характеризующимися тем, что средняя толщина пористой зоны, расположенной ближе всего к центральной оси, меньше средней толщины пористой зоны, расположенной ближе всего к периферии основы, и по мере продвижения от центральной оси основы по направлению к периферии основы средняя толщина пористой зоны либо идентична толщине следующей зоны, либо меньше нее.

Каждая пористая зона расположена между двумя зонами фильтрации, причем каждая зона фильтрации содержит один канал или множество каналов. Каждая непрерывная пористая зона может, в частности, быть определена как зона, находящаяся между наружной границей зоны фильтрации и внутренней границей соседней зоны фильтрации по направлению от центра к периферии основы. Чтобы определить внутреннюю границу, принимают, что нижняя точка (также называемая внутренней или центростремительной точкой) канала зоны фильтрации - это точка канала, расположенная ближе всего к центру пористой основы. Тогда принимают, что внутренняя граница - это кривая, соединяющая между собой нижние точки всех каналов одной зоны фильтрации и расположенная тангенциально к стенке каждого канала в его нижней точке. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, в каждой из зон фильтрации нижние точки всех каналов этой зоны фильтрации расположены на окружности, центром которой является центр основы, и эта окружность соответствует внутренней границе.

Чтобы определить наружную границу, принимают, что верхняя точка (также называемая наружной или центробежной точкой) канала зоны фильтрации - это точка канала, наиболее удаленная от центра пористой основы. Тогда принимают, что наружная граница - это кривая, соединяющая между собой верхние точки всех каналов одной зоны фильтрации и расположенная тангенциально к стенке каждого канала в его верхней точке. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения в каждой из зон фильтрации верхние точки всех каналов этой зоны фильтрации расположены на окружности, центром которой является центр основы, и эта окружность соответствует наружной границе.

Под «средней толщиной» пористой зоны понимают среднее арифметическое значение. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения пористая зона может иметь постоянную толщину. Согласно конкретному варианту осуществления проиллюстрированному на рисунках, подробно описанных ниже, наружная граница и внутренняя граница, ограничивающие каждую пористую зону, определены как две концентрические окружности, и поэтому каждая пористая зона имеет постоянную толщину. Что касается основы, изображенной на Фиг.3 заявки на патент WO 93/07959, то каждая пористая зона Z'₁ и Z'₂ также ограничена двумя концентрическими окружностями, однако, в отличие от настоящего изобретения, пористая зона Z'₁ имеет большую толщину, чем пористая зона Z'₂, как видно из Фиг.1.

Если зона фильтрации образована одним центральным каналом круглой формы, то внутренняя граница и наружная граница совпадают и соответствуют контуру канала.

Пористые зоны, как указано выше, являются непрерывными, поскольку существует четкая граница между соседними (или последовательными) зонами фильтрации, то есть нет совмещения или перекрытия двух соседних зон фильтрации. Другими словами, канал одной зоны фильтрации не может, даже частично, лежать между двумя каналами соседней зоны фильтрации.

Согласно конкретным вариантам осуществления настоящего изобретения, которые будут более подробно описаны ниже, фильтрующие элементы согласно настоящему изобретению могут обладать какой-либо из указанных ниже характеристик или любой комбинацией этих характеристик:

- отношение средних толщин двух соседних непрерывных пористых зон, имеющих различную среднюю толщину, варьируется в диапазоне от 1,01 до 3,00, предпочтительно - в диапазоне от 1,10 до 1,70,

- отношение средней толщины пористой зоны, ближайшей к периферии основы, и средней толщины пористой зоны, ближайшей к центральной оси, лежит в диапазоне от 1,1 до 6, предпочтительно - в диапазоне от 1,2 до 2,5. В зависимости от числа пористых зон толщины двух последовательных пористых зон выбирают такими, чтобы они обеспечивали данное соотношение,

- средняя толщина периферической зоны, отделяющей наружную поверхность основы от зоны фильтрации, ближайшей к наружной поверхности основы, больше средней толщины пористой зоны, отделяющей зону фильтрации, ближайшую к наружной поверхности основы, от соседней зоны фильтрации,

- все каналы одной зоны фильтрации, содержащей несколько каналов, идентичны,

основа содержит центральный канал, например, круглой формы, который индивидуально ограничивает зону фильтрации,

- число каналов, содержащихся в каждой зоне фильтрации, увеличивается в направлении от центра к периферии основы,

- основа имеет круглое или полигональное поперечное сечение,

- поверхность каналов покрыта по меньшей мере одним фильтрующим слоем из неорганического материала,

- по меньшей мере две зоны фильтрации соответствуют фильтрующему венцу, содержащему несколько каналов, в котором каналы разделены пористыми перегородками, позволяющими прохождение пермеата,

- пористые зоны в центре основы являются концентрическими,

- зоны фильтрации состоят исключительно из одного центрального круглого канала, ограничивающего зону фильтрации, и из ряда зон фильтрации, каждая из которых соответствует фильтрационному венцу, который содержит несколько каналов и в котором каналы разделены пористыми перегородками, позволяющими прохождение пермеата, причем фильтрационные венцы расположены концентрически относительно центрального канала,

- если имеются фильтрационные венцы, то они могут обладать какой-либо из следующих характеристик или любой комбинацией этих характеристик:

- ширина проницаемых перегородок одинакова в пределах одного венца и одинакова в разных венцах,

- ширина каждой проницаемой перегородки одинакова по всей ее длине,

- фильтрационные венцы расположены в виде концентрических окружностей,

- в каждом фильтрационном венце каналы имеют круглое или некруглое поперечное сечение, например трапецеидальное поперечное сечение,

- различные каналы фильтрационного венца имеют ось симметрии, расположенную радиально относительно центра основы,

- в каждом фильтрационном венце все каналы одинаковы,

- основа содержит по меньшей мере четыре фильтрационных венца.

Различные другие характеристики станут очевидными из приведенного ниже описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые в качестве неограничивающих примеров иллюстрируют варианты осуществления основы согласно настоящему изобретению.

Фиг.1 является видом в поперечном разрезе фильтрующего элемента из патента WO 9307959 согласно предшествующему уровню техники.

Фиг.2A является видом в поперечном разрезе варианта осуществления фильтрующего элемента согласно настоящему изобретению.

Фиг.2B является видом в поперечном разрезе фильтрующего элемента, приведенного для сравнения, который сходен с фильтрующим элементом из Фиг.2A, но в котором все пористые зоны имеют постоянную толщину.

Фиг.3 является видом в поперечном разрезе другого варианта осуществления фильтрующего элемента согласно настоящему изобретению.

Во всем описании ссылки на толщину, ширину, поперечное сечение и направление в пределах основы следует рассматривать относительно прямого поперечного сечения основы. На прямом поперечном сечении основы термины «ось основы» и «центр основы» будут использованы как синонимы.

Как можно видеть из Фиг.2A, неорганический фильтрующий элемент I имеет форму, адаптированную для обеспечения сепарации или фильтрации молекул или частиц, содержащихся в текучей среде, предпочтительно в жидкости, различного типа, которая может содержать твердую фазу или не содержать ее. Фильтрующий элемент I содержит твердую пористую основу 1, сформированную из материала, сопротивление переносу которого адаптировано к соответствующей сепарации. В частности, основа 1 сформирована из одного или более неорганических материалов, таких как оксиды металлов (в частности, диоксид титана, оксид алюминия, оксид циркония), углерод, карбид кремния или нитриды металлов. Основа I имеет удлиненную форму или форму трубы, идущей вдоль продольной центральной оси А. Пористая основа 1 обычно содержит поры с одинаковым средним диаметром в диапазоне от 2 до 12 мкм. Основа 1 имеет прямое поперечное сечение, которое может быть гексагональным или, в варианте осуществления, изображенном на чертежах, круглым. Поэтому основа 1 может иметь цилиндрическую наружную поверхность 1₁.

Основа 1 содержит множество каналов C₁₁, C₂₁, C₂₂, …, C₂₇, C₃₁, C₃₂, …, C₃₁₃… (общее обозначение C_ij), расположенных параллельно оси А основы. Каждый из каналов C_ij имеет поверхность 2, на которую может быть нанесен по меньшей мере один сепарирующий слой (не изображен на чертеже), который должен находиться в контакте с текучей средой, подлежащей обработке, которая циркулирует в каналах. Тип сепарирующего слоя или сепарирующих слоев выбирают в зависимости от сепарационных или фильтрующих свойств, которые необходимо получить, причем этот слой тесно связан с основой, так что давление, создаваемое жидкой средой, передается на пористую основу 1. Этот слой или эти слои могут быть осаждены из суспензий, например содержащих по меньшей мере один оксид металла, в частности диоксид титана, оксид алюминия или оксид циркония, необязательно в смеси, которые традиционно используют для изготовления минеральных фильтрующих элементов. Этот слой или эти слои после сушки подвергают операции спекания с целью их консолидации (объединения) и соединения их друг с другом и с пористой основой 1.

Согласно настоящему изобретению основа 1 содержит по меньшей мере три зоны фильтрации F₁, F₂, F₃, …, F_n (общее обозначение F_i), которые расположены концентрически. Две соседние (то есть последовательные) зоны фильтрации разделены непрерывными пористыми зонами (от Z₁ до Z_n-1). Поэтому каждая пористая зона Z_i расположена между двумя соседними зонами фильтрации F_i. В остальной части описания принято, что зоны фильтрации образуют отдельные слои, которые увеличиваются по направлению к периферии основы. Поэтому в случае двух рассматриваемых пористых зон пористую зону, расположенную ближе к периферии, считают находящейся в вышележащем слое по отношению к пористой зоне, расположенной ближе к центру, которую считают пористой зоной, находящейся в нижележащем слое.

Согласно существенному признаку настоящего изобретения средняя толщина пористой зоны Z_n-1 больше средней толщины пористой зоны Z₁. Поэтому для по меньшей мере некоторых пористых зон средняя толщина увеличивается при переходе от одной пористой зоны к следующей по направлению к периферии основы 1, то есть по направлению к наружной поверхности 1₁. Другими словами, средняя толщина пористой зоны вышележащего слоя равна или больше средней толщины пористой зоны соседнего нижележащего слоя, а средняя толщина по меньшей мере одной пористой зоны нижележащего слоя меньше средней толщины по меньшей мере одной пористой зоны вышележащего слоя.

В примере, проиллюстрированном на Фиг.2A, основа содержит шесть зон фильтрации от F₁ до F₆. Первая зона фильтрации F₁ образует один центральный канал C₁₁, который, в частности, препятствует скоплению материала в центре основы. В проиллюстрированном примере центральный канал C₁₁ имеет круглую форму, однако возможна также форма октагонального типа или другие формы. Использование одного центрального канала, в отличие от группы каналов, расположенных в виде лепестков, начинающихся от центральной оси А основы 1, как описано в заявке на патент WO 00/29098 компании ORELIS, способствует обеспечению хорошей механической прочности. Наличие одного центрального канала эффективно позволяет избежать присутствия пористого материала в центре основы и за счет этого увеличивает механическую прочность основы.

Другие зоны фильтрации с F₂ по F₆ содержат по несколько каналов. Каждая из этих зон фильтрации соответствует фильтрующему венцу, в котором каналы разделены перегородками P, пропускающими фильтрат. Эти проточные перегородки P обеспечивают возможность перехода фильтрата внутри основы из одной пористой зоны в другую, а также в периферическую зону P, также пористую, причем движение фильтрата заканчивается на наружной поверхности 1 ч основы 1.

Фильтрующие венцы с F₂ по F₆ расположены так, как описано ниже, по направлению от центральной оси А к периферии основы:

- вторая зона фильтрации F₂ состоит из венца, содержащего 7 идентичных каналов с C₂₁ по C₂₇ трапецеидальной формы,

- третья зона фильтрации F₃ состоит из венца, содержащего 13 идентичных каналов с C₃₁ по C₃₁₃ трапецеидальной формы,

- четвертая зона фильтрации F₄ состоит из венца, содержащего 21 идентичный канал с C₄₁ по C₄₂₁ трапецеидальной формы,

- пятая зона фильтрации F₅ состоит из венца, содержащего 24 идентичных канала с C₅₁ по C₅₂₄ трапецеидальной формы, и

- шестая зона фильтрации F₆ состоит из венца, содержащего 27 идентичных каналов с C₆₁ по C₆₂₇ трапецеидальной формы.

Таким образом, число каналов, присутствующих в каждой зоне фильтрации, увеличивается по направлению от центра к периферии основы. Эти фильтрующие венцы с F₂ по F₆ расположены концентрически относительно центрального канала. Барицентры каналов C₂₁, C₂₂, …, C₂₇ второй зоны фильтрации F₂ расположены на окружности, коаксиальной центральной оси А, причем эта коаксиальная окружность имеет меньший диаметр, чем коаксиальная окружность, на которой расположены барицентры каналов C₃₁, C₃₂, …, C₃₁₃ третьей зоны фильтрации F₃, и т.д.

Последняя зона фильтрации F₆ отделена от наружной поверхности 1₁ основы 1 периферической зоной Z_p. Эту периферическую зону Z_p можно определить как зону, расположенную между наружной поверхностью 1₁ основы 1 и кривой, соединяющей наружные точки (также называемые центробежными или наивысшими точками) всех каналов последней зоны фильтрации F₆. Эту кривую можно определить так же, как и раньше, а именно как касательную к стенке каждого канала в наивысшей точке его стенки или, если эта кривая пересекается с наружным контуром 1₁ основы 1, как кривую, которая проходит через наивысшие точки каналов зоны фильтрации, расположенной ближе всего к периферии основы, и является гомотетичной наружной поверхности 1₁ основы.

В проиллюстрированном примере в каждой из зон фильтрации центростремительные точки всех каналов одной зоны фильтрации расположены на окружности, центр которой является центром основы, и эта окружность соответствует внутренней границе соответствующей зоны фильтрации. Сходным образом, в каждой из зон фильтрации центробежные точки всех каналов одной зоны фильтрации расположены на окружности, центр которой является центром основы, и эта окружность соответствует наружной границе соответствующей зоны фильтрации. Поэтому наружная и внутренняя границы, ограничивающие каждую пористую зону, являются двумя концентрическими окружностями, и каждая пористая зона поэтому имеет постоянную толщину. Расстояние (соответствующее толщине e_z1 пористой зоны Z₁), отделяющее центральный канал C₁₁ от соседней зоны фильтрации, а именно от второй зоны фильтрации F₂, меньше расстояния (соответствующего толщине e_z5 пористой зоны Z₅), отделяющего последнюю зону фильтрации F₆ от соседней зоны фильтрации по направлению к центру основы, а именно от пятой зоны фильтрации F₅. Это увеличение толщины по меньшей мере некоторых пористых зон по направлению от центральной оси основы предусмотрено для минимизации эффекта давления, создаваемого ретентатом, или гидравлическими явлениями, возникающими во время функционирования установки, такими как гидравлический удар. С этой целью в проиллюстрированном примере, начиная с третьей пористой зоны Z₃, если рассматриваются две последовательные пористые зоны, то соотношение между средней толщиной пористой зоны, расположенной ближе к периферии, и средней толщиной пористой зоны, расположенной ближе к центру основы, всегда больше 1. В примере, проиллюстрированном на Фиг.2A, пористые зоны Z₁, Z₂ и Z₃ имеют одинаковую толщину. Начиная с пористой зоны Z₃, средняя толщина зон фильтрации увеличивается по направлению к периферии 1₁ основы. Отношения толщин e_z4/e_z3 и e_z5/e_z4 лежат в диапазоне от 1,14 до 1,17.

Для дополнительного повышения механической прочности фильтрующего элемента в примере, проиллюстрированном на Фиг.2, толщина периферической зоны Z_p, отделяющей последний фильтрующий венец F₆ от наружной поверхности 1₁ основы 1, также больше средней толщины пористой зоны Z₅. Тем не менее, согласно непредпочтительному варианту существует возможность того, что эта периферическая пористая зона Z_p имеет толщину, идентичную толщине пористой зоны Z₅. В примере, проиллюстрированном на Фиг.2A, средняя толщина периферической зоны Z_p составляет примерно 1,13 средней толщины пористой зоны Z₅.

Для того чтобы подтвердить положительный эффект, обеспеченный настоящим изобретением, было проведено исследование с целью оценки полей напряжений, существующих в основе, когда в каждом из каналов была создана нагрузка, соответствующая давлению, равному 100 бар. Основу, соответствующую Фиг.2A, сравнивали с основой, соответствующей Фиг.2В, которая была изготовлена с целью сравнения, и в которой средние толщины пористых зон с Z₁ по Z₅ были одинаковыми и равными 0,7 мм.

Результаты, полученные с использованием программного обеспечения Abaqus, суммированы ниже в Таблицах 1 и 2.

Таблица 1 Основа согласно настоящему изобретению, изобоаженная на Фиг.2A Пористая зона (по направлению от центра к периферии) Толщина (мм) Среднее напряжение (МПа) 1 0,6 11,9 2 0,6 11,7 3 0,6 11,7 4 0,7 10,8 5 0,8 11,7 P 0,9 10,06

Таблица 2 Основа для сравнения, изображенная на Фиг.2B Пористая зона (по направлению от центра к периферии) Среднее напряжение (МПа) 1 14 2 14,5 3 15,7 4 17 5 18 P 19,9

Результаты четко доказывают, что новое распределение толщины согласно настоящему изобретению обеспечивает значительное снижение среднего напряжения и обеспечивает более равномерное распределение этих напряжений.

Кроме того, значение максимального напряжения, рассчитанное для Фиг.2A, равно 58,8 МПа, по сравнению с 67,4 МПа для Фиг.2B. Поэтому новое распределение толщины согласно настоящему изобретению значительно уменьшает локальные зоны ослабления.

Фиг.3 иллюстрирует другой пример осуществления настоящего изобретения, в котором основа 1 содержит 5 зон фильтрации F. Эти зоны фильтрации распределены по направлению от центральной оси А к периферии 1₁ основы 1 следующим образом:

- первая зона фильтрации F₁ образована единственным центральным каналом C₁₁ цилиндрической формы,

- вторая зона фильтрации F₂ образована венцом из 6 идентичных каналов с C₂₁ по C₂₆ трапецеидальной формы,

- третья зона фильтрации F₃ образована венцом из 10 идентичных каналов с C₃₁ по C₃₁₀ трапецеидальной формы,

- четвертая зона фильтрации F₄ образована венцом из 15 идентичных каналов с C₄₁ по C₄₁₅ трапецеидальной формы, и

- пятая зона фильтрации F₅ образована венцом из 20 идентичных каналов с C₅₁ по C₅₂₀ трапецеидальной формы.

Согласно существенному признаку настоящего изобретения расстояние (соответствующее толщине e_z1 пористой зоны Z₁), отделяющее центральный канал C₁₁ от соседней зоны фильтрации, а именно от второй зоны фильтрации F₂, меньше, чем расстояние (соответствующее толщине e_z4 пористой зоны Z₄), отделяющее последнюю зону фильтрации F₅ от соседней зоны фильтрации по направлению к центральной оси А основы, а именно от четвертой зоны фильтрации F₄, и т.д. до второй зоны фильтрации F₂. Пористые зоны Z₁ и Z₂ имеют одинаковую толщину (e_z1=e_z2), тогда как толщины пористых зон увеличиваются от зоны Z₂ до зоны Z₄ по направлению от центра к периферии основы (e_z2<e_z3<e_z4).

В примере, проиллюстрированном на Фиг.3, как и в примере, проиллюстрированном на Фиг.2A, толщина периферической зоны Z_p, отделяющей последний фильтрующий венец F₅ от наружной поверхности 1₁ основы 1, также больше средней толщины пористой зоны Z₁.

Если основа согласно настоящему изобретению содержит по меньшей мере 4 зоны фильтрации F, как в примерах, изображенных на Фиг.2A и Фиг.3, то можно выбрать один и тот же множитель для изменения толщины при переходе от одной пористой зоны к другой по направлению от центральной оси основы к ее периферии или использовать различные множители.

В настоящем изобретении, как показано на Фиг.2A и Фиг.3, зоны фильтрации могут соответствовать единственному центральному каналу C₁₁ и венцам каналов, определенным согласно настоящему изобретению и расположенным концентрически относительно центральной оси основы.

Сходным образом, в настоящем изобретении, как показано на Фиг.2A и Фиг.3, различные каналы фильтрующих венцов могут иметь радиальную ось симметрии относительно центра основы для оптимизации фильтрующей поверхности, однако возможны и другие конфигурации.

Также, как показано на Фиг.2A и Фиг.3, согласно настоящему изобретению, если основа содержит более трех пористых зон, то возможно, чтобы лишь некоторые из пористых зон имели различную толщину. Пористые зоны Z, расположенные ближе всего к центру основы, могут иметь одинаковую толщину, тогда как одна, две или три последние пористые зоны, в зависимости от количества пористых зон, имеют толщину, увеличивающуюся по направлению от центра А к периферии основы 1. Тем не менее, можно предусмотреть, чтобы все пористые зоны имели различную среднюю толщину, увеличивающуюся по направлению от центра А к периферии основы 1.

Согласно настоящему изобретению, как проиллюстрировано на Фиг.2A, 2B и Фиг.3, каналы различных венцов предпочтительно расположены в соответствующих венцах с регулярными, идентичными интервалами, однако можно предусмотреть и другие конфигурации.

Согласно другому признаку, проиллюстрированному в других примерах осуществления настоящего изобретения, все проточные перегородки P (также называемые сквозными и соединительными проходами) имеют ось симметрии, проходящую через центр основы.

Кроме того, проточные перегородки P в пределах одного венца предпочтительно имеют по существу идентичные толщины I. Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированному, в частности, на Фиг.2A и Фиг.3, ширина I проточных перегородок P, расположенных между двумя соседними каналами венца, является одинаковой по всей их длине. Очевидно, что ширину I проточной перегородки P следует рассматривать как расстояние, разделяющее две боковые стенки 300 двух каналов, которыми она ограничена. Эта ширина I также остается одинаковой при переходе от одного фильтрующего венца к другому. Автор настоящего изобретения определил, что изменения ширины проходов для пермеата, описанные в заявках на патенты WO 9307959 компании CERASIV и ЕР 0780148 компании CORNING, обязательно приводят к появлению участков с малой шириной, которые систематически становятся слабыми точками в отношении механических напряжений, действию которых подвергается фильтрующий элемент. Использование проходов для пермеата, имеющих постоянную ширину 1 по направлению к периферии, обеспечивает оптимизацию механических характеристик фильтрующего элемента. Если сравнить перегородки с постоянной шириной 1 и перегородки, ширина которых увеличивается по направлению от центра к периферии основы, то при одинаковом сечении и числе каналов, определяющих эти перегородки, наименьшая ширина перегородки переменной ширины меньше ширины перегородки постоянной ширины, и поэтому этот участок с наименьшей шириной становится точкой механической слабости. Выбор перегородок с постоянной шириной 1 также обеспечивает большую производительность, так как экструзионные давления становятся более равномерными.

Ширину 1 перегородок можно определить следующим образом. В каждом венце каналы имеют некруглые прямые поперечные сечения. В проиллюстрированных примерах каналы венцов имеют трапецеидальную форму. Они содержат стенку 100, обращенную к периферии 1i основы (так называемую наружную стенку), стенку 200, обращенную к центру А основы (так называемую внутреннюю стенку), и две боковые стенки 300, соединяющие внутреннюю стенку 200 с наружной стенкой 100. Чаще всего боковые стенки 300 соединены с внутренней стенкой 200 и наружной стенкой 100 переходными вогнутыми участками. В некоторых случаях внутренняя стенка может быть заменена вогнутым участком 400, соединяющим две боковые стенки 300. Радиальная стенка 300 образована участком прямой линии L, соединенным вогнутыми участками 400 с внутренней 200 и наружной 100 стенками канала, который она ограничивает. Шириной I перегородки следует считать ширину I перегородки на участке, соответствующем этим участкам прямой линии L, расположенным между соединительными вогнутыми участками 400.

Кроме того, следует отметить, что если все каналы в одном венце идентичны, как на Фиг.2A и Фиг.3, то предпочтительно все они расположены в венце одинаково из соображений симметрии.

Изобретение относится к фильтрующему элементу для фильтрации текучей среды. Фильтрующий элемент (I) содержит твердую пористую основу (1) цилиндрической формы, имеющую продольную центральную ось (A) и содержащую множество каналов (C₁₁, C₂₁, C₂₂…C₃₁, C₃₂…C_n1, C_n2…) для циркуляции текучей среды, подлежащей фильтрации, и сбора фильтрата на периферии основы (1). Каналы (C₁₁, C₂₁, C₂₂…C₃₁, C₃₂…C_n1, C_n2…) расположены в основе (1) параллельно центральной оси (А) основы и определяют по меньшей мере три зоны (F₁, F₂…F_n) фильтрации, которые расположены концентрически и отделены друг от друга непрерывными пористыми зонами (Z₁, Z₂…Z_n-1). Средняя толщина пористой зоны (Z₁), расположенной ближе всего к центральной оси (А), меньше средней толщины пористой зоны (Z_n-1), расположенной ближе всего к периферии основы (1), и по направлению от центральной оси (А) основы к ее периферии средняя толщина каждой пористой зоны либо равна толщине соседней зоны, либо меньше. Технический результат: повышение эффективности работы. 19 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

1. Фильтрующий элемент (I) для фильтрации текучей среды, содержащий твердую пористую основу (1) цилиндрической формы, имеющую продольную центральную ось (A) и содержащую множество каналов (C₁₁, C₂₁, C₂₂…C₃₁, C₃₂…C_n1, C_n2…) для циркуляции текучей среды, подлежащей фильтрации, и сбора фильтрата на периферии основы (1), причем указанные каналы (C₁₁, C₂₁, C₂₂…C₃₁, C₃₂…C_n1, C_n2…) расположены в основе (1) параллельно центральной оси (А) основы и определяют по меньшей мере три зоны (F₁, F₂…F_n) фильтрации, которые расположены концентрически и отделены друг от друга непрерывными пористыми зонами (Z₁, Z₂…Z_n-1), характеризующийся тем, что средняя толщина пористой зоны (Z₁), расположенной ближе всего к центральной оси (А), меньше средней толщины пористой зоны (Z_n-1), расположенной ближе всего к периферии основы (1), и по направлению от центральной оси (А) основы к ее периферии средняя толщина каждой пористой зоны либо равна толщине соседней зоны, либо меньше.

2. Фильтрующий элемент (I) по п.1, отличающийся тем, что непрерывная пористая зона (Z₁, Z₂…Z_n-1) соответствует зоне, расположенной между наружной границей зоны фильтрации и внутренней границей соседней зоны фильтрации по направлению к периферии основы (1).

3. Фильтрующий элемент (I) по п.2, отличающийся тем, что:
- в каждой из зон фильтрации внутренние точки всех каналов одной зоны фильтрации расположены на окружности, центр которой является центром основы, и эта окружность определяет внутреннюю границу этой зоны фильтрации;
- в каждой из зон фильтрации наружные точки всех каналов одной зоны фильтрации расположены на окружности, центр которой является центром основы, и эта окружность определяет наружную границу этой зоны фильтрации;
- каждая пористая зона ограничена двумя концентрическими окружностями и имеет постоянную толщину.

4. Фильтрующий элемент (I) по п.1, отличающийся тем, что толщина между двумя соседними непрерывными пористыми зонами (Z₁ и Z₂, …, Z_n-2 и Z_n-1) с различной средней толщиной, отличается в число раз, лежащее в диапазоне от 1,01 до 3,00, предпочтительно от 1,10 до 1,70, по направлению от продольной центральной оси (А) к периферии основы (1).

5. Фильтрующий элемент (I) по п.1, отличающийся тем, что отношение средней толщины пористой зоны, расположенной ближе всего к периферии основы, к средней толщине пористой зоны, расположенной ближе всего к центральной оси, лежит в диапазоне от 1,1 до 6, предпочтительно в диапазоне от 1,2 до 2,5.

6. Фильтрующий элемент (I) по п.1, отличающийся тем, что средняя толщина периферической зоны (Z_p), разделяющей наружную поверхность (1₁) основы (1) и зону (F_n) фильтрации, расположенную ближе всего к наружной поверхности основы (1), больше средней толщины пористой зоны (Z_n-1), разделяющей зону (F_n) фильтрации, расположенную ближе всего к наружной поверхности основы (1), и соседнюю зону (F_n-1) фильтрации.

7. Фильтрующий элемент (I) по п.1, отличающийся тем, что каналы (C_n1, C_n2, …) одной и той же зоны фильтрации, содержащей несколько каналов, являются идентичными.

8. Фильтрующий элемент (I) по п.1, отличающийся тем, что он содержит центральный канал (C₁₁), например, круглой формы, который ограничивает зону фильтрации (F₁).

9. Фильтрующий элемент (I) по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере две из зон (F₂, F₃, …, F_n) фильтрации соответствуют фильтрующему венцу, который содержит несколько каналов и в котором каналы разделены проточными перегородками (P) для пермеата.

10. Фильтрующий элемент (I) по п.1, отличающийся тем, что зоны фильтрации состоят из одного круглого центрального канала (C₁₁), ограничивающего зону (F₁) фильтрации и нескольких зон (F₂, …, F_n) фильтрации, каждая из которых соответствует фильтрующему венцу, который содержит несколько каналов и в котором каналы разделены проточными перегородками (P) для фильтрата, причем фильтрующие венцы расположены концентрически относительно центрального канала (C₁₁).

11. Фильтрующий элемент (I) по п.9, отличающийся тем, что ширина (I) проточных перегородок (P) одинакова в пределах одного венца и одинакова у разных венцов.

12. Фильтрующий элемент (I) по п.9, отличающийся тем, что ширина (I) каждой проточной перегородки (P) одинакова по всей ее длине.

13. Фильтрующий элемент (I) по п.9, отличающийся тем, что фильтрующие венцы (F₂, F₃, …, F_n) распределены по концентрическим окружностям.

14. Фильтрующий элемент (I) по п.9, отличающийся тем, что в каждом фильтрующем венце (F₂, F₃, …, F_n) каналы имеют круглое поперечное сечение.

15. Фильтрующий элемент (I) по п.9, отличающийся тем, что в каждом фильтрующем венце (F₂, F₃, …, F_n) каналы имеют некруглое поперечное сечение, например трапецеидальное поперечное сечение.

16. Фильтрующий элемент (I) по п.9, отличающийся тем, что различные каналы в фильтрующих венцах имеют радиальную ось симметрии относительно центра основы.

17. Фильтрующий элемент (I) по п.9, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере четыре фильтрующих венца (F₂, F₃, F₄, …, F_n).

18. Фильтрующий элемент (I) по п.1, отличающийся тем, что число каналов, содержащихся в каждой зоне фильтрации, увеличивается по направлению от центра (А) к периферии (1₁) основы (1).

19. Фильтрующий элемент (I) по п.1, отличающийся тем, что основа 1 имеет круглое или полигональное поперечное сечение.

20. Фильтрующий элемент (I) по п.1, отличающийся тем, что поверхность (2) каналов (C₁₁, C₂₁, C₂₂…C₃₁, C₃₂…C_n1, C_n2…) покрыта по меньшей мере одним фильтрующим слоем из неорганического вещества.