Устройство для осуществления мембранных процессов методом испарения через мембрану

 

Изобретение относится к устройствам для осуществления мембранных процессов методом испарения через мембрану и может быть использовано в любой отрасли промышленности, где производится разделение жидких сред. Цель изобретения - интенсификация процесса разделения смеси путем подвода теплоты в зону массообмена. Мембранный аппарат состоит из корпуса, в котором расположены закрепленные в S-образной распорке гофрированные перегородки, свернутые в спираль и образующие две спиральные камеры для противоточного движения разделяемой смеси и горячего теплоносителя. В первой камере располагаются мембраны из полого волокна, открытые концы которых выходят в камеру для сбора пермеата. Подлежащая разделению нагретая смесь протекает по спиральной камере, дополнительно подогреваясь по всей ее длине горячим теплоносителем, и разделяется на мембране. Легкопроницающий компонент по внутреннему каналу полого волокна отводится в сборник пермеата и удаляется. Концентрат отводится из спиральной камеры через соответствующий патрубок. Конструкция аппарата позволяет одновременно выделять из смеси несколько компонентов, используя в одном модуле мембраны различных типов и несколько сборников пермеата для отдельных компонентов. 1 с. и 3 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к устройствам для осуществления мембранных процессов методом испарения через мембрану и может быть использовано в любой отрасли промышленности, где производится разделение жидких сред.

Известен мембранный аппарат, используемый в процессах обратного осмоса и ультрафильтрации, содержащий корпус с патрубком для подвода исходной смеси и отвода концентрата с расположенными в нем мембранами из полого волокна, открытые концы которых герметично закрепляются в трубных решетках и выходят в камеры для сбора пермеата. Недостаткам данного аппарата является относительно малая турбулизация потока исходной смеси при течении его вдоль волокон, что ведет к ухудшению условий массообмена. Реализация в данном устройстве метода испарения через мембрану существенно осложняется трудностью поддержания равномерной температуры в зоне испарения.

Цель изобретения - интенсификация процесса разделения смеси путем подвода теплоты в зону массообмена.

Указанная цель достигается тем, что мембранный аппарат снабжен S-образной распоркой, к краям которой прикреплены гофрированные перегородки, свернутые в спираль и делящие корпус аппарата на две камеры, в одной из них размещены мембраны из полых волокон, а в другой - патрубки для подвода и отвода теплоносителя, кроме того, гофры перегородки образуют винтовые каналы, направленные в противоположные стороны у смежных перегородок, а проходное сечение камеры с мембранами монотонно уменьшается по ходу движения разделяемой смеси согласно соотношению S_н/S_к = G_исх/G_к, где S_н и S_к - начальное и конечное сечения для прохода исходной смеси; G_исх и G_к - расход исходной смеси и концентрата, а отношение проходного сечения камеры с полыми волокнами к проходному сечению камеры теплоносителя находится в диапазоне S_п.вол./S_тепл. = 1^oC4, кроме того, корпус снабжен дополнительными сборниками пермеата с патрубками для отвода каждого компонента, которые расположены или по одну сторону корпуса и разделены перегородкой, или - по разные стороны, при этом мембраны из полых волокон собраны в отдельные пакеты.

На фиг. 1, 2 и 3 представлены две проекции предлагаемого мембранного аппарата и конструкция гофрированных перегородок, образующих спиральные камеры; на фиг. 4 - конструкция аппарата, содержащего мембраны одного типа; на фиг. 5, 6 - варианты исполнения аппарата с мембранами разных типов и сборниками пермеата, расположенными по одну или по разные стороны корпуса аппарата.

Мембранный аппарат (фиг. 1, 2) состоит из корпуса 1, который с торцов закрывается крышками 2, 3. В корпусе 1 расположены гофрированные перегородки 4, 5 (фиг 2, 3), которые закреплены в S-образной распорке 6 и свернуты в спираль таким образом, что они образуют две спиральные камеры 7, 8. С торцов спиральные камеры герметично закрываются крышкой корпуса 3 и шайбой 9, которая вместе с крышкой корпуса 2 образует камеру 10 для сбора пермеата, снабженную патрубком 11 для его отвода. В одной из камер располагается ряд мембран из полых волокон 12. Их открытые концы герметично заделаны в шайбе 9 и имеют выход в камеру для сбора пермеата 10. Спиральная камера 8 имеете два патрубка 13, 14 для подвода и вывода горячего теплоносителя. Спиральная камера 7 также снабжена патрубками для подвода исходной смеси 15 и отвода концентрата 16.

Гофрированные перегородки 4, 5 имеют гофры в виде винтовых каналов и расположены так, что смежные стенки образуемых ими спиральных камер 7,8 имеют противоположные направления рифления (фиг. 3). Проходное сечение спиральной камеры 7 монотонно уменьшается благодаря ее плавному сужению при приближении к центру спирали.

Наряду с вышеописанной конструкцией (фиг. 4), содержащей лишь мембраны одного типа 12, предлагается использовать видоизмененные варианты аппарата (фиг. 5, 6), в которых используется одновременно несколько типов мембран с различной селективностью, собранных в пучки 12, 17. Свободные концы мембран каждого типа выходят в соответствующие камеры для сбора пермеата 18, 19, которые располагаются или по разным сторонам корпуса (фиг. 6), или по одну сторону корпуса (фиг. 5), разделяясь перегородкой 20.

Аппарат работает следующим образом (фиг. 1, 2). Нагретая разделяемая смесь I подается в спиральную камеру 7 через патрубок 15, где на мембранах из полых волокон 12 происходит процесс разделения смеси. Легкопроницающий компонент III проходит через материал мембраны и в парообразном виде по внутреннему каналу полого волокна попадает в сборник пермеата 10, откуда отводится через патрубок 11. Одновременно нагретая исходная смесь или теплоноситель IV через патрубок 13 подается в центральную часть спиральной камеры 8, по которой она движется противотоком к движению смеси в спиральной камере 7. Этим обеспечивается дополнительный подогрев разделяемой смеси в зоне испарения через мембрану и компенсируется снижение температуры, вызванное этим испарением. Процесс теплообмена между камерами 7 и 8 активизируется благодаря гофрированной поверхности перегородок 4, 5, что увеличивает площадь и улучшает гидродинамические условия теплообмена. Большей турбулизации потоков способствует также противоположное направление гофров на смежных стенках спиральных камер. Для предотвращения снижения скорости течения разделяемой смеси, вызванной уменьшением расхода вследствие отвода пермеата, проходное сечение камеры 7 монотонно уменьшается по ходу течения смеси.

При использовании видоизмененной конструкции аппарата, имеющего несколько типов мембран, каждая из которых выделяет из смеси соответствующие компоненты, появляется возможность осуществления в одном мембранном модуле процесса разделения многокомпонентных смесей. В этом случае различные компоненты смеси, протекающей по камере 7 (фиг. 2), выделяются соответствующим типом мембраны 12 или 17 (фиг. 5, 6) и по их внутренним каналам поступают в камеры 18, 19, предназначенные для сбора данного компонента, которые располагаются или по одну (фиг. 5) или по разные стороны корпуса аппарата (фиг. 6). Пермеат III, VI отводится из камер 18, 19 через патрубки 21, 22 (фиг. 5, 6).

К общим достоинствам аппарата относится повышенная производительность, компактность, возможность использования в любых процессах разделения двух или многокомпонентных жидких смесей.

Формула изобретения

1. Мембранный аппарат с полыми волокнами, содержащий корпус с верхней и нижней крышками, патрубки для подвода исходной смеси и отвода концентрата и пермеата и сборник пермеата, отличающийся тем, что мембранный аппарат снабжен распоркой, к краям которой прикреплены гофрированные перегородки, свернутые в спираль и делящие корпус аппарата на две камеры, в одной из них размещены мембраны из полых волокон, а в другой патрубки для подвода и отвода теплоносителя.

2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что гофры перегородки образуют винтовые каналы, направленные в противоположные стороны у смежных перегородок.

3. Аппарат по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что проходное сечение камеры с мембранами монотонно уменьшается по ходу движения разделяемой смеси согласно соотношению S_н/S_к = G_исх/G_к, где S_н и S_к - начальное и конечное сечение для прохода исходной смеси; G_исх и G_к - расход исходной смеси и концентрата, а отношение проходного сечения камеры с полыми волокнами к проходному сечению камеры теплоносителя находится в диапазоне S_п.вол./S_тепл = 1 ^oC 4.

4. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что корпус снабжен дополнительными сборниками пермеата с патрубками для отвода компонентов, которые расположены или по одну сторону корпуса и разделены перегородкой или по разные стороны, при этом мембраны из полых волокон собраны в отдельные пакеты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6