專利名稱：對(duì)數(shù)降低值的預(yù)測(cè)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及過濾系統(tǒng)中對(duì)數(shù)降低值的預(yù)測(cè)方法以及應(yīng)用這樣的一些值控制和監(jiān)視運(yùn)行中的過濾系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
過濾系統(tǒng)去除粒子的能力通常按照對(duì)數(shù)降低值(LRV)進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于任何給定的粒子，對(duì)數(shù)降低值定義為L(zhǎng)RV=log10(CinfCeff)----(1)]]>此處Cinf＝流入液體中的粒子濃度，Ceff＝流出液體中的粒子濃度。
在計(jì)算中使用的粒子可以是任何一種關(guān)心的粒子，例如，在消毒系統(tǒng)中它通常是細(xì)菌或病毒，但也可以是懸浮的固體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種預(yù)測(cè)薄膜過濾系統(tǒng)中對(duì)數(shù)降低值的方法，該方法包括以下步驟i)確定通過薄膜的過濾流率；ii)應(yīng)用完整性試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，確定薄膜旁通流率；iii)應(yīng)用確定的過濾流率與確定的旁通流率的比例，按下式推測(cè)對(duì)數(shù)降低值LRV=log10(QfilsQBypass)----(2)]]>申請(qǐng)人已發(fā)展了若干確定過濾薄膜完整性的試驗(yàn)，這些試驗(yàn)包括擴(kuò)散空氣流量(DAF)和壓力衰減試驗(yàn)(PDT)。
根據(jù)又一方面，本發(fā)明提出了一種試驗(yàn)多孔薄膜完整性的方法，該方法包括的步驟有i)濕潤薄膜；ii)對(duì)薄膜的一側(cè)施加低于薄膜孔隙的越泡點(diǎn)(bubble point)的氣體壓力；和iii)測(cè)量越過薄膜的氣體流量，所述氣體流量包括通過薄膜的擴(kuò)散流量和通過薄膜中滲漏和缺陷的流量，所述氣體流量與薄膜中的任何缺陷有關(guān)。
氣體流量最好通過監(jiān)視施加于薄膜一側(cè)的氣體壓力的壓力衰減進(jìn)行測(cè)量。另一種較優(yōu)形式是，氣體流量通過以流體體積包圍所述薄膜的另一側(cè)并測(cè)量由于所述氣體流量造成的所述流體排出量而加以測(cè)量。
除非文中明確要求，否則在說明書和權(quán)利要求的全文中，詞“包括”、“正包括”及類似詞都應(yīng)解釋為與排除或窮盡相反的包含意義；也即解釋為“包含，但不限于”的意義。
本發(fā)明的最佳實(shí)施例現(xiàn)將對(duì)這些完整性試驗(yàn)的較優(yōu)實(shí)例說明如下，但這只是為了展示。如果完全濕潤的薄膜(即全部孔隙都充裝著液體)的腔充裝著壓力低于起泡點(diǎn)的空氣，則薄膜的孔隙將保持濕潤，除了由于擴(kuò)散引起的較小流量外，通過孔隙不會(huì)有顯著的空氣流量。如果出現(xiàn)缺陷(如纖維斷裂)，則空氣將通過缺陷流動(dòng)，當(dāng)然假定缺陷的尺寸是這樣的，即它所有的起泡點(diǎn)低于試驗(yàn)壓力。因此，在此情況下空氣的流量與薄膜系統(tǒng)的完整性直接有關(guān)。對(duì)完整的系統(tǒng)，空氣流量很小，直接測(cè)量十分困難。為簡(jiǎn)化試驗(yàn)，并克服這一問題，通過測(cè)量液體流量(在DAF試驗(yàn)情況)或通過測(cè)量壓力衰減(在壓力保持/衰減試驗(yàn)情況)簡(jiǎn)接測(cè)量空氣流量。
在擴(kuò)散空氣流量試驗(yàn)中，首先用空氣將腔加壓至試驗(yàn)壓力(通常為100kPa)，保持薄膜的進(jìn)料側(cè)充滿。一旦達(dá)到試驗(yàn)壓力，通過測(cè)量閥門封閉過濾側(cè)，打開進(jìn)料側(cè)，液體流量可通過測(cè)量閥門進(jìn)行測(cè)量。最初，液體快速流過閥門。高的初始流量主要由于薄膜膨脹排出的水體積以及由于水移向薄膜孔隙端點(diǎn)排出的水體積。
初始階段后，流量降至較為穩(wěn)定的水平，余下的液體流量完全由于擴(kuò)散空氣流動(dòng)和空氣流過任何缺陷排出的液體。此空氣流量是DAF測(cè)量結(jié)果，通常為每單位時(shí)間內(nèi)的體積。
擴(kuò)散空氣流動(dòng)是由被溶解空氣輸運(yùn)通過薄膜引起的空氣通過完整的濕潤薄膜的流動(dòng)。被溶解空氣擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力是濕潤薄膜兩側(cè)的差動(dòng)局部壓力。由于空氣的溶解度隨壓力而增加，在液體層中有較高的被溶解空氣濃度。系統(tǒng)趨于平均水層中的濃度，這造成空氣穩(wěn)定地輸運(yùn)通過薄膜。在低壓側(cè)(進(jìn)料側(cè))，較低的局部空氣壓力使空氣得以持續(xù)地離開溶液。被釋放的空氣聚積在進(jìn)料側(cè)的頂部，于是出現(xiàn)被排出水通過進(jìn)料側(cè)測(cè)量閥的伴隨流動(dòng)。
薄膜中的缺陷被考慮為薄膜中的“孔”，實(shí)際上，它們滲透薄膜壁的整個(gè)寬度?？諝馔ㄟ^缺陷的流動(dòng)是由“粘性”氣體流動(dòng)引起的。這意味，空氣一開始替代缺陷中的水，然后簡(jiǎn)單地流過缺陷。替代缺陷中的水是相當(dāng)容易的，因?yàn)榘炊x，缺陷大于孔隙，因而具有低得多的起泡點(diǎn)(較小的毛細(xì)管作用)?？諝馔ㄟ^缺陷的流動(dòng)與缺陷的大小，還有缺陷的數(shù)目有關(guān)。
由圍繞O形環(huán)洩漏引起的空氣流動(dòng)是空氣在DAF測(cè)量中高流量的另一原因。
因此，DAF測(cè)量結(jié)果是兩個(gè)分量之和，通過薄膜的擴(kuò)散空氣流量(好)和通過薄膜中缺陷和O形環(huán)洩漏的空氣流量(壞)。對(duì)任何類型的具體過濾器，通過薄膜的擴(kuò)散空氣流量既可計(jì)算也可測(cè)量。比較DAF測(cè)量值與完全完整的過濾器的預(yù)期值，就能確定過濾器相對(duì)完整性的指標(biāo)。
在壓力衰減試驗(yàn)中，如同DAF試驗(yàn)一樣，首先用空氣將腔加壓至試驗(yàn)壓力，保持薄膜的進(jìn)料側(cè)充滿。一旦達(dá)到試驗(yàn)壓力，封閉過濾側(cè)，將進(jìn)料側(cè)向大氣打開。然后監(jiān)視過濾系統(tǒng)中壓力隨時(shí)間的下降。此壓力衰減與通過薄膜的空氣流動(dòng)直接有關(guān)，因而假定到處都不存在洩漏時(shí)，也就與系統(tǒng)的完整性有關(guān)。
在DAF試驗(yàn)中，測(cè)量的是通過薄膜的空氣流量。通常假定這正是空氣通過薄膜中缺陷的流量。此空氣通過缺陷的流量可與運(yùn)行條件下液體通過相同缺陷的流量有關(guān)。比較通過缺陷的液體流量和過濾期間通過薄膜的液體流量，對(duì)數(shù)降低值的精確預(yù)測(cè)可由下列方程算得LRV=log10(Ql,filtQl,DAF)----(3)]]>此處Ql1filt＝過濾期間通過薄膜的液體流量(在DAF試驗(yàn)壓力下)；和Ql1DAF＝在運(yùn)行條件下，從DAF試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果中的算得的通過缺陷的等效液體流量。
通過缺陷的液體流量等效值Ql1DAF可從被測(cè)的DAF結(jié)果中算得，這就是通過缺陷的空氣流量。DAF試驗(yàn)是在稱為試驗(yàn)壓力Ptest的預(yù)置壓力下進(jìn)行的。薄膜的下游側(cè)向大氣打開，因而具有大氣壓力Patm.當(dāng)空氣通過缺陷流過薄膜時(shí)，由于試驗(yàn)壓力大于在下游側(cè)遇到的大氣壓力，它膨脹。因此，DAF試驗(yàn)期間從下游側(cè)排出的水體積反映了大氣壓力下空氣通過薄膜的體積。
根據(jù)Qa，DAF(通過缺陷的空氣流量)計(jì)算Ql1DAF時(shí)，按以上給出的，可推導(dǎo)出一個(gè)校正薄膜兩側(cè)壓差的簡(jiǎn)單方法。首先根據(jù)測(cè)得的通過缺陷的空氣體積流量可算出空氣通過薄膜的質(zhì)量流量。然后可將此空氣質(zhì)量流量返回?fù)Q算成薄膜下游側(cè)上的體積流量。
將缺隱看作通過薄膜的圓柱形孔?？赡芮闆r并不嚴(yán)格是這樣的，但是這是一個(gè)很好的假定，并得以進(jìn)行通過缺陷的模型計(jì)算。只要流動(dòng)是層流的，且缺陷的長(zhǎng)度例如至少為其直徑的十倍，則測(cè)得的空氣通過圓柱形缺陷的體積流量(Qv，a，defect)可由哈根一泊肅葉方程描述QV,a,defect=πd4(Ptest-Patm)128ηal---(4)]]>此處d＝缺陷直徑；Ptest＝試驗(yàn)(上游)壓力；Patm＝DAF試驗(yàn)期間的大氣(下游)壓力；ηa＝過濾溫度下的空氣粘性；和l＝薄膜的厚度。
通過缺陷的空氣質(zhì)量流量可通過空氣體積流量與密度修正相連系。
Qm，a，defect＝ρQv，a，defect(5)此處ρ＝空氣在薄膜中的密度。
空氣密度可根據(jù)理想氣體方程算出ρ=PMRT----(6)]]>此外P＝壓力；M＝空氣分子量；R＝氣體常數(shù)；和T＝溫度。
對(duì)薄膜情況，壓力是一個(gè)難于確定的參數(shù)，因?yàn)楸∧蓚?cè)總是存在一個(gè)衡定的從Ptest至Patm的壓力梯度。處理此問題的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是應(yīng)用平均壓力。P=Ptest+Patm2----(7)]]>根據(jù)方程5-8，通過缺陷的空氣質(zhì)量流量由下式給出Qm,a,defect=πd4(P2test-P2atm)256ηalMRT----(8)]]>現(xiàn)在給定被空氣排出的水體積是位于下游側(cè)，則需考慮的空氣體積可根據(jù)大氣(下游)壓力下通過缺陷的空氣質(zhì)量流量算出。
假定，由理想氣體方程Patm=ρRTM----(9)]]>結(jié)合方程5、8和9，我們得到QV,a,defect=πd4(P2test-P2atm)256ηalPatm----(10)]]>哈根一泊肅葉方程也可用于計(jì)算通過缺陷的液體流量。液體流量方程就是與由方程4給出的空氣流量方程相同。由于通常使用的液體為水，它是不可壓的，因而空氣流量需考慮的壓力，在這里不需考慮。通過與以上相同缺陷的液體體積流量由下式給出QV,l,defect=πd4TMR128ηll----(11)]]>此處TMP是橫越薄膜的壓力，即過濾運(yùn)行壓力，它正是等于過濾期間薄膜兩側(cè)的壓差。
比較方程10和11，我們得到在運(yùn)行TMP下通過缺陷的液體體積流量為QV,l,defect=QV,a,defectηaηl2PtestTMR(P2test-P2atm)----(12)]]>注意，Qv，l，defect可根據(jù)實(shí)驗(yàn)計(jì)算，因?yàn)镼v，a，defect正是測(cè)得的DAF流量，而方程12中的其它參數(shù)或已知，或能容易地測(cè)得。
測(cè)得的Qv，l，defect能用于計(jì)算LRV值。根據(jù)方程3，LRV由下式給出LRV=log10(QV,J,filtQV,I,defect)----(13)]]>此外Qv，l，filt正是正常過濾模式下通過薄膜的流量。結(jié)合方程12和13，于是LRV可按下式計(jì)算LRV=log10(QV,I,filtηl(P2test-P2atmQV,a,defectηa2PatmTMP)----(14)]]>注意，方程14中的所有參數(shù)均可直接測(cè)得。
假定DAF試驗(yàn)中測(cè)得的空氣流量是由通過缺陷的洩漏引起的，而過濾器密封，則旁通流量也可按下式確定，即Qbypass=QCAF×2μairPFiltPVentμFilt(P2Test-P2Vent)----(15)]]>此處Qbypass＝等效旁通液體流量；QDAF＝應(yīng)用DAF試驗(yàn)測(cè)得的旁通空氣流量；μair＝空氣的粘性；μfilt＝過濾流體的粘性(通常試驗(yàn)期間為水)；Ptest＝DAF試驗(yàn)壓力，絕對(duì)；Pvent＝DAF排放壓力，絕對(duì)，通常為大氣壓；Pfilt＝橫越薄膜的過濾壓力。
于是對(duì)數(shù)降低值可按下式確定，即LRV=log10(QFiltQDAF×μFilt(PTest2-PVent2)2μairPFiltPVent)---(16)]]>此處QFilt＝過濾流率。應(yīng)用DAF試驗(yàn)，可能根據(jù)壓力衰減結(jié)果確立對(duì)數(shù)降低數(shù)。唯一要求的附加信息是壓力衰減試驗(yàn)期間給定系統(tǒng)的過濾管道的加壓體積。旁通流量可由下列方程確立Qbypass=ΔPVFiltPatmt×2μairPFiltPVentμFilt(P2Test-P2Vent)---(17)]]>此處ΔP＝經(jīng)過時(shí)間t測(cè)得的壓力衰減；Vfilt＝過濾系統(tǒng)在試驗(yàn)壓力下的體積；Patm＝大氣壓力；μair＝空氣的粘性；μfilt＝過濾流體的粘性(試驗(yàn)期間通常為水)；Ptest＝試驗(yàn)壓力，絕對(duì)；Pvent＝排放壓力，絕對(duì)，通常為大氣壓；Pfilt＝橫越薄膜的過濾壓力。
應(yīng)用DAF試驗(yàn)，通過與過濾流率相比較，對(duì)數(shù)降低值可根據(jù)旁通流率按下式預(yù)定LRV=log10(QFilt×PatmtΔPVFilt×μFilt(PTest2-PVent2)2μairPFiltPVent)---(18)]]>此處QFilt＝過濾流率。
DAF和PDT試驗(yàn)?zāi)芗右宰詣?dòng)化以便在運(yùn)行期間提供對(duì)系統(tǒng)完整性的經(jīng)常性過程監(jiān)視。此外，這些試驗(yàn)還具有高度靈敏度，能直接監(jiān)視系統(tǒng)完整性而無需進(jìn)行復(fù)雜的水試驗(yàn)。預(yù)測(cè)的對(duì)數(shù)降低值能用于監(jiān)視和控制系統(tǒng)的性能及完整性的喪失。對(duì)某個(gè)具體系統(tǒng)進(jìn)行需要的或要求的LRV與預(yù)測(cè)LRV的比較，并根據(jù)這一比較進(jìn)行系統(tǒng)性能的調(diào)節(jié)可對(duì)系統(tǒng)加以控制。
將意識(shí)到，不偏離所說明發(fā)明的精神或范圍，還可提出發(fā)明更多的實(shí)施例和示例。
權(quán)利要求
1.薄膜過濾系統(tǒng)對(duì)數(shù)降低值的預(yù)測(cè)方法，該方法包括以下步驟i)確定通過薄膜的過濾流率；ii)應(yīng)用完整性試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果確定薄膜旁通流率；iii)應(yīng)用確定的過濾流率與確定的旁通流率的比例，按下式推測(cè)對(duì)數(shù)降低值LRV=log10(QfiltQBypass).]]>
2.多孔薄膜完整性的試驗(yàn)方法，包括以下步驟i)濕潤薄膜；ii)對(duì)薄膜的一側(cè)施加低于薄膜孔隙的起泡點(diǎn)的氣體壓力；和iii)測(cè)量越過薄膜的氣體流量，所述氣體流量包括通過薄膜的擴(kuò)散流量和通過薄膜中滲漏和缺陷的流量，所述氣體流量與薄膜中的任何缺陷有關(guān)。
3.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，氣體流量是通過監(jiān)視施加于薄膜一側(cè)的氣體壓力的壓力衰減進(jìn)行測(cè)量的。
4.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，氣體流量是通過以流體體積包圍所述薄膜的另一側(cè)，并測(cè)量由于所述氣體流量造成的所述流體排出量而加以測(cè)量的。
5.如權(quán)利要求1的薄膜過濾系統(tǒng)對(duì)數(shù)降低值預(yù)測(cè)方法，其特征在于，完整性試驗(yàn)測(cè)量是按照權(quán)利要求2至4中任一權(quán)利要求限定的方法進(jìn)行的。
全文摘要
一種預(yù)測(cè)薄膜過濾系統(tǒng)中對(duì)數(shù)降低值的方法,該方法包括:確定通過薄膜的過濾流率,應(yīng)用完整性試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果,確定薄膜的旁通流率,以及應(yīng)用確定的過濾流率與確定的旁通流率的比例,按(2)確定對(duì)數(shù)降低值。還公開了多孔薄膜完整性試驗(yàn)方法。
文檔編號(hào)B01D65/02GK1249698SQ98803016
公開日2000年4月5日 申請(qǐng)日期1998年5月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月30日
發(fā)明者邁克爾·R·L·塞爾比, 漢弗萊·J·J·德拉蒙德, 沃倫·T·約翰遜 申請(qǐng)人:Usf過濾分離集團(tuán)公司