Мембранный модуль установки для мембранного разделения смесей, его применение и способ его изготовления

 

Изобретение относится к измерительной техники. Мембранный модуль содержит трубчатые мембраны, которые в мембранном модуле находятся в намотанном, изогнутом виде. Благодаря этому получается гораздо большая общая фильтрующая поверхность, упрощается сборка и становится возможной переработка смесей с высоким содержанием твердых веществ. Технический результат - повышение рентабельности установки. 3 с. и 46 з.п. ф-лы, 38 ил.

Изобретение относится к мембранному модулю установки для мембранного разделения смесей материалов с одним или несколькими трубчатыми мембранами, способу их изготовления методом экструзии пластмассы, а также применению мембранного модуля.

Подобные мембранные модули известны в качестве конструктивных элементов фильтрационных установок с поперечным потоком. Они содержат чаще всего несколько трубчатых мембран, действующих как фильтры. Трубчатые мембраны представляют собой пористые трубки, которые либо сами являются мембранными фильтрами, либо имеют на своей поверхности фильтрующие мембраны из органических или неорганических материалов. Известны трубчатые мембраны с мембранами, расположенными внутри или снаружи. Их внутренний диаметр составляет от нескольких десятых долей миллиметра до примерно 100 миллиметров.

Для достижения при полезной мощности фильтрации несущей конструктивной длины мембранных модулей устанавливают то или иное количество прямых трубчатых мембран в прямой обернутой трубе. Эта модульная труба имеет один общий для всех трубчатых мембран впуск и выпуск для фильтруемой среды в виде задержанной на фильтре фракции и один или два выпуска для фильтрата в виде просочившейся фракции.

Известны также мембранные модули, выполненные как так называемые модули с намоткой. При этом тканевые фильтрующие мембраны смотаны в длинный рулон, в котором возможно проникновение остатка на фильтре и выход фильтрата через скрученные тонкие гибкие промежуточные элементы или сетки. Принимая во внимание мощность фильтрации, такого типа модули с намоткой совсем недорогие, однако они не годятся для разделения смесей с высоким содержанием твердых веществ, так как часто засоряются. Напротив, с помощью трубчатых мембран, внутренний диаметр которых равен всего нескольким миллиметрам, можно перерабатывать смеси с высоким содержанием твердых веществ, не опасаясь засоров, например отжатые фруктовые соки.

Так как удельная мощность фильтрации известных трубчатых мембран из полисульфона или PDVF на фильтрующей поверхности является относительно ограниченной, то для достижения более значительных и нужных в народном хозяйстве фильтрационных мощностей несколько модулей - каждый состоит, например, из 19 трехметровых трубчатых мембран - собирают в серию и параллельно подключают к установке.

Если модулей в серии много, а известно до 16 модулей в одной серии, то их соединяют друг с другом с помощью изогнутой на 180^o трубы. Если в группу включены только 5 одновременно параллельно работающих серий, то в одной секции нужно разместить, по возможности, наиболее компактно 80 модулей, чтобы добиться рабочей площади мембранного фильтра приблизительно в 180 м². Для этого отдельные модули располагают на кронштейнах в рамах и выполняют большое число соединений как в области, где получают остаток на фильтре, так и в той области, где получают фильтрат. При этом возникают следующие проблемы: - Для каждого мембранного модуля требуется 4 соединения с трубой и 2-3 опоры для кронштейнов. В установке, имеющей 80 модулей, для выполнения этих соединений и опор требуются 80 соединительных колен, 85 шланговых соединений и 320 соединительных элементов, что ведет к большим материальным затратам на создание такой установки и тем самым делает ее нерентабельной.

- Срок службы фильтрующих мембран очень ограничен. Мембранные модули являются, таким образом, быстроизнашивающимися деталями и требуют замены через определенные промежутки времени.

При таком сложном типе конструкции затраты на сборку и демонтаж колоссальны.

Поэтому в основу изобретения легла задача устранения названных проблем.

Согласно изобретению решение этой задачи в отношении мембранного модуля указанного типа заключается в том, что трубчатые мембраны в мембранном модуле изогнуты. Выгодный вариант этого мембранного модуля отличается тем, что трубчатые мембраны расположены в мембранном модуле в виде намотки.

При этом можно показать признак, что трубчатые мембраны в мембранном модуле намотаны в виде канатной скрутки (свивки) и что несколько трубчатых мембран объединены по меньшей мере в одну секцию.

Другие варианты мембранного модуля, способ изготовления подходящих для него трубчатых мембран путем экструзии пластических масс, а также применение мембранного модуля даны в формуле изобретения.

Оказалось, что заявленную конструкцию можно выполнить с помощью известных трубчатых мембран, которые способны гнуться с радиусами изгиба менее 20-кратного внутреннего диаметра трубы, не вызывая при этом повреждений мембранного слоя. В продаже имеются трубчатые мембраны разной длины, изготовленные из органических материалов. Известные трубчатые мембраны из неорганических материалов, например металлокерамики, можно изготовить нужной длины из обычных обрезков трубок длиной до 1 м путем сгибания, сваривания и покрытия мембранным слоем.

В отличие от известных заявленные мембранные модули имеют такие преимущества, как высокая плотность упаковки и упрощенный тип конструкции. Для сравнения: заявленный мембранный модуль с наружным диаметром примерно 1,40 м, высотой конструкции 1,40 м и рабочей площадью мембранного фильтра приблизительно 180 м² может заменить вышеназванную группу из 80 известных мембранных модулей с той же рабочей площадью. Вместо указанных 320 соединительных элементов требуются, в зависимости от компоновки, всего лишь 3 соединительных элемента. При этом фильтрующая поверхность в мембранном модуле образована 150-ю параллельными мембранными трубками, каждая из которых имеет внутренний диаметр примерно 7 мм и длину 55 м.

Таким образом, указанные выше признаки обеспечивают снижение затрат на сборку и демонтаж при замене фильтрующих мембран, а также изготовление мембран нужной длины и упрощение конструкции при высокой плотности упаковки.

Примеры выполнения изобретения описаны ниже более подробно и представлены на чертежах.

Фиг. 1a - заявленный мембранный модуль для мембранного разделения (вертикальный разрез В-В согласно фиг.1b).

Фиг.1b - мембранный модуль согласно фиг.1а (горизонтальное сечение А-А).

Фиг. 2а - коллектор для трубчатых мембран в начале или конце намотки (частичный разрез С-С согласно фиг.2b).

Фиг.2b - коллектор для трубчатых мембран согласно фиг.2а (вид с торца).

Фиг.3 - вариант заявленного мембранного модуля для мембранного разделения (вертикальный разрез).

Фиг. 4а - другой вариант заявленного мембранного модуля для мембранного разделения (вертикальный разрез) вместе с резервуаром для фильтрата.

Фиг. 4b - коллектор для трубчатых мембран в начале или конце намотки (горизонтальное частичное сечение D-D согласно фиг.4 а).

Фиг.5 - секция из нескольких трубчатых мембран одной намотки в мембранном модуле согласно фиг.1а с промежуточными элементами между трубчатыми мембранами.

Фиг. 6 - промежуточные элементы, выполненные на трубчатой мембране (в разрезе).

Фиг. 7 - вид одного из вариантов промежуточных элементов на трубчатой мембране.

Фиг. 8 - промежуточный элемент в виде намотанной вокруг трубчатой мембраны проволоки.

Фиг. 9 - вид трех трубчатых мембран для намотки в форму, которые можно изготовить как одну секцию в зависимости от нужной длины.

Фиг. 10а - две плоские намотки в виде диска, каждая из одной цельной трубчатой мембраны (радиальное сечение).

Фиг.10b - схема плоской намотки из двух слоев согласно фиг.10а.

Фиг. 11 - мембранный модуль с горизонтальной осью намотки для трубчатых мембран (частичное осевое сечение).

Фиг. 12 - схема двух намоток из трубчатых мембран, расположенных в мембранном модуле рядом друг с другом.

Фиг. 13 - вид трубчатой мембраны для намотки в форму в виде плоской трубы.

Фиг.14 - заявленный мембранный модуль для мембранного разделения с емкостью в виде резервуара для отделенного материала.

Фиг. 15 - схема установки для мембранного разделения смесей с мембранным модулем согласно фиг.14.

Фиг. 16 - заявленный мембранный модуль, в котором несколько трубчатых мембран, то есть оси их намотки расположены друг над другом по вертикали.

Фиг. 17a, 17b - два вида одного мембранного модуля, в котором несколько трубчатых мембран расположены между опорными пластинами в секциях, похожих на выдвижные ящики стола, и выполнены с возможностью их замены.

Фиг. 18 - заявленный мембранный модуль с несколькими трубчатыми мембранами, который с помощью качающегося приспособления может занимать вертикальное и горизонтальное положение.

Фиг. 19 - заявленный мембранный модуль, в котором несколько трубчатых мембран, то есть их оси намотки расположены горизонтально в ряд (вид сбоку).

Фиг.20 - мембранный модуль согласно фиг.19 (аксиальный вид).

Фиг. 21а, 21b, 21с - разные виды заявленного мембранного модуля с несколькими горизонтально расположенными трубчатыми мембранами и съемным резервуаром.

Фиг. 22 - плоская намотка в виде диска только из одной цельной трубчатой мембраны в емкости, имеющей форму коробки, для удерживания и смены намотки.

Фиг.23а - плоская намотка в виде диска только из одной цельной трубчатой мембраны с опорной пластиной для повышения устойчивости.

Фиг.23b, 23с - два варианта опорных пластин согласно фиг.23а.

Фиг.24 - схема двухслойной, плоской в виде диска намотки из двух цельных трубчатых мембран для увеличения диаметра и фильтрующей поверхности намотки.

Фиг. 25 - схема соединений трех групп, по три трубчатых мембраны в каждой, с коллекторами, расположенными между группами, которые служат в качестве смесительных камер.

Фиг. 26а, 26b, 26с - детали соединения трубчатой мембраны с коллектором согласно фиг.17, выполненного в виде быстродействующего затвора.

Фиг. 27 - соединение секции намотанных трубчатых мембран с коллектором согласно фиг.2а, при котором несколько трубчатых мембран одной длины расположены с торца в виде ступеней.

Фиг.28 - промежуток в секции с намотанными трубчатыми мембранами, выполненный как смесительная камера, в мембранном модуле согласно фиг.1а с трубчатыми мембранами одинаковой длины, расположенными с торца ступенями.

Фиг.1а и фиг.1b показывает сечение мембранного модуля, в котором трубчатые мембраны имеют вертикальную ось намотки. Мембранный модуль имеет закрытую емкость 1, состоящую из нижней части 2 и верхней части 3, которая плотно насажена на нижнюю часть, но выполнена съемной. Как особенно наглядно видно на фиг.1а, в верхнюю часть 3 с боков вставлены два коллектора 4, 5 для большого числа трубчатых мембран 6. Видно, что часть каждого коллектора 4, 5 находится внутри закрытой емкости 1. Трубчатые мембраны 6 образуют сплошную секцию 7, которая связывает коллекторы 4 и 5 и намотана в форме 8 или навивки на вертикальную паковку 9, являющуюся основой.

На фиг. 2а и фиг.2b дан частичный разрез конца коллектора 4 или 5 и его осевое сечение. Как видно на фиг.2а, намотка множества трубчатых мембран 6 в секции 7 выполнена в виде канатной скрутки с так называемой свивкой. Это сделано для того, чтобы не повредить трубчатые мембраны 6 при укладке секции 7 и сгибании ее в форме 8. Трубчатые мембраны 6 залиты на конце коллектора 4 заливочным компаундом 10 и таким образом прикреплены к нему.

Смесь материалов, подлежащая разделению, например отжатый фруктовый сок, подается под давлением в один из коллекторов 4, 5, где она параллельно обтекает это множество трубчатых мембран 6. Соответственно по другому коллектору 5 или 4 смесь материалов снова отводится как задержанная фракция. На пути через трубчатые мембраны 6 часть смеси, проходя через мембраны, освобождается известным образом от соответственно мелких по величине частиц и таким образом попадает в виде просочившейся фракции или фильтрата в свободную полость емкости 1, которая окружает форму 8 согласно фиг.1а.

Из этой полости через паковку 9, которая служит одновременно коллектором, фильтрат попадает к стоку 11 для отделенного материала. На фиг.1а видно, что нижняя часть паковки 9 выполнена в виде тарелки для опирания намотанной формы 8. Чтобы фильтрующие мембраны трубчатых мембран 6 оставались всегда увлажненными, сток 11 предусмотрен вверху. Всю намотанную форму 8 секции 7 можно разбирать для проверки вместе с коллектором 4, 5 и 9 через нижнюю часть 2 емкости 1. Также в целях контроля в нижней части 2 предусмотрен указатель уровня 12. В нижней части емкости имеется запираемый выпуск 13 для слива фильтрата, а в верхней части - воздухоотвод 14.

На фиг.3 представлен вариант мембранного модуля; его конструктивные элементы, имеющие те же функциональные назначения, что и элементы фиг.1а, обозначены теми же цифрами. Коллекторы 4, 5, служащие в качестве присоединений для задержанной фракции, находятся в данном случае в нижней части 2 емкости 1, а для фильтрата в верхней части 3 предусмотрен сток 11. Для работы с намотанной формой 8 нужно демонтировать здесь с верхней частью 3 только лишь трубопровод для прохождения фильтрата к стоку 11. Хомут 17 придает устойчивость намотанной форме 8. Паковка 9' имеет отверстия 15 для принятия фильтрата.

Фиг. 4а представляет другой вариант мембранного модуля. В данном случае закрытая емкость 1' выполнена как резервуар для фильтрата. В емкости 1' трубчатые мембраны 6 уложены в ряд и намотаны параллельно друг другу вокруг оси 16. Здесь эти трубчатые мембраны 6 введены поперечно осевому направлению в коллекторы 4' и 5' для смеси материалов, подлежащей разделению, где они, как и в вариантах согласно фиг.1а и фиг.3, омываются параллельным потоком смеси. При этом отпадает необходимость в скрутке трубчатых мембран 6, что способствует достижению высокой степени плотности упаковки фильтрующей поверхности в имеющемся в распоряжении пространстве. Кроме того, коллекторы 4', 5' для задержанной фракции имеют маленький диаметр, т.к. трубчатые мембраны 6 введены поперек, как это видно, в частности, на фиг.4b, разрез D-D.

Как показывает фиг. 4b, трубчатые мембраны 6 в месте их соединения с коллектором 5' залиты компаундом 10'. Фильтрат попадает из трубчатых мембран 6 в емкость 1', которая в данном случае также выполняет функцию накопительного резервуара для фильтрата 18. Сток для фильтрата 11' находится внизу емкости 1'. Намотанная форма 8', как можно видеть на фиг.4а, устойчиво удерживается с помощью хомутов 17.

На фиг.5, которая соответствует фиг.2b, дан аксиальный вид секции трубчатых мембран 6, в которой трубчатые мембраны 6 занимают устойчивое положение благодаря хомутам 17. Видно, что хомуты 17 служат одновременно и промежуточными элементами между трубчатыми мембранами 6. Улучшенного слива фильтрата, выходящего из трубчатых мембран 6, можно добиться благодаря тому, что хомуты 17 выполнены в виде решетки.

Другая возможность удерживания подходящей дистанции между трубчатыми мембранами 6 в намотанной форме показана на фиг.6, где трубчатая мембрана 6 имеет промежуточные элементы 27, которые в виде утолщений сохраняют дистанцию по всей окружности. Вариант таких промежуточных элементов 27', расположенных на трубчатой мембране 6 аксиально снаружи, показан на фиг.7. Согласно фиг.8 такие промежуточные элементы 27" могут быть также выполнены в виде проволочной винтовой намотки на трубчатой мембране 6.

Фиг. 10а показывает две формы 8" трубчатых мембран 6, намотанных в виде спирали, которые имеют только два слоя и поэтому имеют форму диска. Формы 8" присоединены с обеих сторон к коллекторам 4", 5" для задержанной фракции, которые могут принять еще и другие, здесь не представленные однотипные формы. Фильтрат можно собирать известным образом из среды, окружающей формы-обмотки 8". Фиг.10b показывает схему намотки трубчатой мембраны 6 для фермы 8". В отличие от вариантов мембранных модулей фиг.1а, 3 и 4а вариант выполнения согласно фиг.10а допускает замену отдельных форм 8" и тем самым отдельных трубчатых мембран 6. Для этого подходят, в частности, трубки из металлокерамики.

Фиг. 11 показывает мембранный модуль, у которого ось мотка из намотанных трубчатых мембран расположена горизонтально. Также и этот мембранный модуль имеет закрытую емкость 1" с подводящим и отводящим трубопроводом 4''' и 5''' для остатка на фильтре и два отводящих трубопровода 11" для фильтрата. Трубчатая мембрана выполнена либо как отдельная трубка, либо как секция 7' из нескольких параллельных между собой трубок, которая соединяет подводящий и отводящий трубопроводы 4''' и 5''' для остатка на фильтре и намотана вокруг горизонтальной оси 16'. Намотка 8" удерживается в емкости 1" при помощи промежуточных элементов 30, которые имеют пропускные отверстия для отвода фильтрата от намотки 8" к отводящим трубопроводам.

С точки зрения ремонта трубчатых модулей и различной потребности в фильтрующих поверхностях вариант мембранного модуля предусматривает в емкости по меньшей мере две раздельные намотки трубчатых мембран 6 с отдельным подводом и отводом задержанной на фильтре фракции. Схема таких раздельных намоток 8''' на одной общей паковке 9" с осью 16" дана на фиг.12.

Фиг.14 показывает вариант мембранного модуля, описанного для фиг.4а. Также и в этом варианте множество трубчатых мембран 6, здесь не представленных, намотаны друг на друга вокруг общей оси 16. В данном случае трубчатые мембраны 6, например, как это описано для фиг.10а, намотаны таким образом, что входы в коллекторы 5" и 4" для разделяемой смеси, а также сами трубы расположены диаметрально противоположно друг другу. В то время как в примере выполнения изобретения согласно фиг. 4а емкость 1', принимающая фильтрат, связана с резервуаром для фильтрата 18 только через перепускной воздушный клапан, емкость 40 для трубчатых мембран 6 согласно фиг.14 служит одновременно резервуаром для отделенного фильтрата.

Резервуар с фильтратом 40 имеет внизу сток 11' для фильтрата, который можно откачивать при помощи подключенного насоса 41. При работе установки для разделения смесей, как показано на фиг.15, фильтрат откачивается из резервуара 40 только тогда с большой выгодой до самого минимального уровня 43, когда он достигает максимального уровня 42.

Резервуар с фильтратом 40 имеет съемную верхнюю часть 44, которая соединяется с нижней частью 45 при помощи расцепляющегося фланца 46. Для техобслуживания на верхней части 44, когда нет необходимости снимать саму верхнюю часть, предусмотрен запираемый люк 47. Наконец в верхней части резервуара для фильтрата 40 предусмотрена распылительная головка 48 для очистки трубчатых мембран 6.

Фиг. 15 представляет схему установки для мембранного разделения, которая имеет заявленный мембранный модуль 50 согласно фиг.14. Кроме того, эта установка имеет известным образом резервуар 51, который через трубопровод 52 принимает смесь материалов 53, подлежащую разделению. Снизу к резервуару 51 подсоединен выходной вентиль 54 для смеси 53, который подведен через насос 55 и регулировочный клапан 57, управляемый датчиком давления 56, к входному отверстию для продукта 58 мембранного модуля 50. Кроме выходного вентиля 54 предусмотрен входной вентиль 59 для промывочной жидкости, которую можно подводить к мембранному модулю 50 вместо смеси материалов 53.

Как уже описывалось в связи с фиг.14, смесь материалов 53 поступает в мембранный модуль 50 и покидает его в виде остатка на фильтре через выход 60, откуда этот остаток попадает по трубопроводу 61 и через регулировочный клапан 62, либо через вентиль 63 обратно в резервуар 51, или через вентиль 64 выходит из установки для мембранного разделения. Смесь материалов 53 циркулирует, таким образом, в процессе разделения в цикле задержанной фракции, т.е. остатка на фильтре. Как уже упоминалось в связи с фиг.14, материал, отделенный в трубчатых мембранах 6, выходит в виде фильтрата из резервуара 40 через сток 11', и его откачивают из установки с помощью подключенного насоса 41.

Работой насоса 41 управляют датчики уровня фильтрата 65, 66 в резервуаре 40 через линию управления 67, как уже было показано на фиг.14. Для измерения давления смеси 53 на входе 58 и выходе 60 предусмотрено по одному датчику давления 68, 69. Давление на входе 58 регулируется с помощью регулировочного клапана 62, который получает от датчика давления 68 через линию управления 70 ответный сигнал.

Фиг.16 представляет вариант конструкции мембранного модуля согласно фиг. 14; одинаковые конструктивные элементы имеют одни и те же обозначения. На фиг. 16 даны трубчатые мембраны 6, расположенные вертикально друг над другом вокруг общей оси 16, каждый со своим соединительным элементом 75, 76 для соединения с коллекторами 5" и 4" для разделяемой смеси.

Фиг. 17а и 17b представляют форму мембранного модуля, которая позволяет очень просто заменять отдельно каждую трубчатую мембрану с намоткой 6, отделяя ее от общих коллекторов 4" и 5", как это объяснялось в связи с фиг.16. На фиг. 17b дано сечение поперек оси 16 мембранного модуля согласно фиг.17а по линии А-А. Параллельно коллекторам 4", 5" для разделяемой смеси материалов установлена еще одна опорная труба 80. Каждая из труб 4", 5", 80 имеет планку 81 с пазами 82, направленную радиально вовнутрь, а в пазы 82 вставлены опорные пластины 83, имеющие отверстия. Таким образом опорные пластины 83 образуют секции, похожие на выдвижные ящики стола, в которых удерживаются трубчатые мембраны 6, выполненные с возможностью их замены.

Соединительные элементы 75, 76 для соединения трубчатых мембран 6 с коллекторами 5" и 4" снабжены соединениями в виде быстродействующих затворов, как это подробно представлено на фиг.26а, 26b и 26с, которые выгодны при замене трубчатых мембран. Фильтрат, выходящий через трубчатые мембраны 6, может легко стекать через отверстия в опорных пластинах 83.

Фиг. 18 дает схематичное изображение следующего варианта мембранного модуля, имеющего несколько трубчатых мембран 6 и резервуар для фильтрата 40 типа того, что описан в связи с фиг.16. В данном случае подшипник 86 позволяет резервуару для фильтрата 40 качаться между вертикальным положением 87 и горизонтальным положением 88, как это показано стрелкой 89. В горизонтальном положении 86 можно очень легко произвести замену отдельных мембранных модулей 6 (см. стрелку 90), тогда как вертикальное положение 87 дает преимущества при работе установки.

Мембранный модуль, в котором находятся несколько трубчатых мембран 6, расположенных в ряд и имеющих общую горизонтальную ось 16', представлен на фиг. 19 (вид сбоку) и фиг.20 (аксиальный вид). Коллекторы 4', 5', предназначенные для разделяемой смеси материалов, расположены диаметрально и параллельно общей оси 16', как это хорошо видно на фиг.20. В нижней части резервуара для фильтрата 40 находится сток 11' для фильтрата. Как видно, в частности, на фиг.20, резервуар для фильтрата 40 имеет верхнюю часть 44, которую при проведении работ по техобслуживанию можно открывать при помощи шарнира 96. На фиг. 19, 20 показаны соединительные элементы 75, при помощи которых трубчатые мембраны 6 соединяются с коллектором 4'.

На фиг. 21а, 21b, 21с представлен мембранный модуль, имеющий трубчатые мембраны 6 с горизонтальными осями, с возможностью извлечения в горизонтальном направлении съемной части 44' резервуара для фильтрата 40 с помощью роликового устройства 101 для освобождения трубчатых мембран 6 при проведении работ по техобслуживанию.

Фиг.22 представляет выгодную форму выполнения трубчатой мембраны 6 в виде плоского диска с намоткой, который можно использовать, в частности, в мембранных модулях согласно фиг.16-21. Эта трубчатая мембрана 6 расположена в емкости 106, выполненной в виде коробки, которая служит одновременно для удерживания намотанных трубчатых мембран 6 и доступа к ним при замене. Стенка емкости-коробки 106, как видно на фиг.22, имеет в отдельных областях множество отверстий 107, предназначенных для стока отделенного материала в виде фильтрата. Для проведения работ с самими трубчатыми мембранами 6 можно снять крышку 108 с нижней части 109 емкости 106 с помощью защелки 110.

Фиг. 23а представляет еще одно средство для повышения устойчивости трубчатой мембраны с намоткой. В трубчатую мембрану 6, выполненную в форме диска и имеющую ось 16, в данном случае вставлена опорная пластина 116, выполненная также в форме диска. Кольцо из трубчатой мембраны 6 и опорной пластины 116 удерживается с помощью радиально направленных хомутов, из которых на фиг.23а, представляющей разрез, показан только хомут 117. Варианты опорной пластины 116, представленные на фиг.23b и фиг.23с, позволяют осуществлять улучшенный сток фильтрата. Опорная пластина 116 согласно фиг.23b имеет с обеих сторон ребра 117', расстояние между которыми соответствует расстоянию между соседними витками намотки трубчатой мембраны 6, таким образом трубчатая мембрана 6 лежит на ребрах 117', что расширяет каналы для стока.

Опорная пластина 116 согласно фиг.23с имеет отверстия 118, которые также облегчают сток фильтрата.

Если во избежание падения давления при ограниченной длине трубчатых мембран хотят выполнить плоскую намотку только двух аксиальных слоев с большой фильтрующей поверхностью, то намотку можно сделать из двух трубчатых мембран 6', 6", уложенных в ряд в радиальном направлении. Чтобы на коллекторах 4", 5" получились примерно одинаковые по длине концы трубчатых мембран 6', 6", целесообразно изменяют последовательность радиального расположения трубчатых мембран 6", 6", т.е. один слой 121 и другой слой 122 накручены в разной последовательности и имеют в центре переход согласно схеме намотки фиг.10b, как показано на фиг.24. Диаметр D намотки при этом увеличивается, однако это во многих случаях не является помехой.

Описанные коллекторы для разделяемой смеси материалов, наряду с функцией сбора и распределения, выполняют функцию смешивания. При параллельно обтекаемых трубчатых мембран такая функция смешивания при известной длине трубок может служить целям предотвращения чрезмерного сгущения смеси и тем самым закупоривания отдельных трубчатых мембран. На фиг.25 схематично представлено, как между группами 126, 127, 128 трубчатых мембран 6 размещены две группы общих смесительных трубок 134, 135. Эти смесительные трубки в процессе разделения закрываются наружу и имеют продувочные клапаны 136, 137 для очистки, доступные только снаружи.

В мембранных модулях с секциями из труб согласно фиг.1а вместо смесительных труб 136, 137 фиг.25 предусмотрены промежутки в секции намотки 7, выступающие в качестве смесительных камер 141, как показано на фиг.28. Трубчатые мембраны 6, находящиеся в частях секций 7, 7' между смесительными камерами 141, имеют одинаковую длину, однако из-за частичной намотки секции имеют с торца ступенчатое расположение, как видно на фиг.28. Соединительные элементы 146 служат для подвода и отвода продувочной среды для очистки трубчатых мембран по окончании процесса разделения. Так же, как и намотанные секции 7, например согласно фиг.1а, смесительные камеры 141 находятся внутри емкости 1 для отделенного просочившегося материала, т.е. фильтрата, поэтому они в процессе разделения окружены снаружи фильтратом, а соединительные элементы 146 для продувочной среды проходят в средства соединения, здесь не представленные, которые проходят сквозь фильтрат и выходят наружу.

Фиг. 27, как и фиг 28, представляет ступенчатое (вид с торца) расположение намотки одинаковых по длине трубчатых мембран 6, из которых составлена секция 7, в коллекторе 4 согласно фиг.2а.

В связи с формой выполнения мембранного модуля согласно фиг.17а и 17b, которая позволяет очень легко и просто заменять каждую в отдельности намотанную трубчатую мембрану 6, отделяя ее от общих коллекторов 4" и 5", как это объяснялось в связи с фиг.16, уже указывалось на выгодные соединения трубчатых мембран 6 с коллекторами 5" и 4" в виде быстродействующих затворов. Такие соединения представлены на фиг.26а, 26b, 26с.

На фиг. 26а представлен соединительный элемент 76 для соединения трубчатой мембраны 6 с коллектором 4" в продольном сечении при промежуточном включении переходника 151 и крепежного фланца 152. На фиг.26а представлено поперечное сечение фиг.26b по линии А-А, где переходник 151 имеет наружную кольцевую выточку 153, в которую входит U-образный хомутик 154. Хомутик 154 проходит через сверленые отверстия 155 вдоль секущих в крепежном фланце 152 и фиксируется таким образом, что переходник 151 после вставки его в крепежный фланец 152 удерживается с возможностью поворота, но является неотъемлемой частью. В торцевой области переходника 151 предусмотрено 0-образное кольцо 156, предназначенное для гидравлического уплотнения области соединения 76 трубчатой мембраны 6 с коллектором 4". Фиг.26с представляет частичное сечение варианта переходника 151 согласно фиг.26а, где те же конструктивные элементы обозначены теми же цифрами.

Как уже говорилось выше, при изготовлении описанных мембранных модулей можно использовать обычные трубчатые мембраны, способные гнуться без каких-либо повреждений мембранного слоя с радиусами изгиба менее 20-кратного внутреннего диаметра трубы. Еще более простым способом, чем подобный процесс гибки, может стать экструзия, т.е. способ изготовления трубчатых мембран путем выдавливания пластмасс, при котором используется насадка экструдера с кольцевым отверстием. При этом трубчатую мембрану гнутой формы можно изготовить путем различного воздействия, термического или механического, на скорость прохождения пластической массы вдоль кольцевого отверстия. Используя экструдер с насадками подходящих форм, можно выдавливать также сразу несколько трубчатых мембран 36 как одну целую секцию (см. фиг.9) или получать трубчатые мембраны 37 в виде плоских труб (см. фиг.13). Для общих коллекторов для параллельного подвода и отвода разделяемой смеси материалов к трубчатым мембранам, в частности коллекторов 4", 5" согласно фиг.14 с обтеканием перпендикулярно их оси, варианты могут быть выгодными тем, что коллекторы имеют несколько отдельных частей, каждая из которых имеет свою собственную питательную линию.

Заявленные мембранные модули могут применяться в способе с поперечным потоком для отделения фруктовых соков, пищевых продуктов или очистки сточных вод. При этом, в зависимости от вида компонентов, подлежащих выделению из смеси материалов, выбирают мембраны с границами разделения в области рециркуляционного осмоса, нанофильтрации, ультрафильтрации или микрофильтрации. Для подходящих случаев применения мембранные модули можно переоборудовать для выполнения абсолютной окончательной фильтрации. В отличие от мембранных модулей с линейными модулями труб в модулях согласно изобретению можно добиться гораздо больших фильтрующих поверхностей, примерно 180 м².

Формула изобретения

1. Мембранный модуль установки для мембранного разделения смесей веществ, имеющий несколько трубчатых мембран (6), отличающийся тем, что они изогнуты с радиусом изгиба менее 20-кратного внутреннего диаметра труба и расположены в мембранном модуле в виде намотки, причем трубчатые мембраны образуют по крайней мере одну секцию из нескольких трубчатых мембран.

2. Мембранный модуль по п. 1, отличающийся тем, что несколько трубчатых мембран (6) в начале и в конце намотки входят в соответствующий общий коллектор (4, 5, 4 , 5 , 4 , 5 ) для параллельного подвода и отвода разделяемой смеси.

3. Мембранный модуль по п. 2, отличающийся тем, что трубчатые мембраны (6) намотаны в мембранном модуле в виде канатной скрутки (свивки) и образуют по меньшей мере одну секцию (7) из нескольких трубчатых мембран (6).

4. Мембранный модуль по п. 3, отличающийся тем, что все трубчатые мембраны (6) по меньшей мере в одной секции имеют одинаковую длину.

5. Мембранный модуль по п. 2, отличающийся тем, что несколько трубчатых мембран (6) в мембранном модуле уложены в ряд и намотаны параллельно друг другу.

6. Мембранный модуль по п. 3, отличающийся тем, что трубчатые мембраны (6) входят в общие коллекторы (4, 5) в осевом направлении коллекторов.

7. Мембранный модуль по п. 5, отличающийся тем, что трубчатые мембраны (6) входят в общие коллекторы (4 , 5 , 4 , 5 ) поперек направлению оси коллекторов.

8. Мембранный модуль по одному из п. 6 или 7, отличающийся тем, что намотанные трубчатые мембраны (6) расположены внутри закрытой емкости (1,1 , 1 ) для приема отделенного материала и что коллекторы (4, 5, 4 , 5 , 4 , 5 ) для разделяемой смеси, а также по меньшей мере один трубопровод (9, 9 , 11 ) для отделенного материала выведены через стенку корпуса емкости.

9. Мембранный модуль по п. 8, отличающийся тем, что в емкости находятся по меньшей мере две отдельные намотки (8 , 8 ) с отдельными коллекторами.

10. Мембранный модуль по п. 9, отличающийся тем, что трубчатые мембраны (6) во всех отдельных намотках (8 , 8 ) имеют одинаковую длину.

11. Мембранный модуль по п. 9, отличающийся тем, что длина трубчатых мембран (6) по меньшей мере двух отдельных намоток неодинакова и что соединительные элементы выведенных из емкости коллекторов отдельных намоток можно по отдельности отсоединить снаружи.

12. Мембранный модуль по п. 8, отличающийся тем, что трубопровод для отделенного материала (9, 9 ), находящийся внутри емкости, служит коллектором и является паковкой для намотанных трубчатых мембран (6).

13. Мембранный модуль по п. 8, отличающийся тем, что трубопровод (9) для отделенного материала выведен из корпуса емкости наверх.

14. Мембранный модуль по п. 8, отличающийся тем, что ось намотки (16) для намотанных трубчатых мембран (6) расположена в емкости (1 ) вертикально.

15. Мембранный модуль по п. 14, отличающийся тем, что коллекторы (4, 5) для разделяемой смеси выведены снизу через стенку корпуса емкости (1) и что емкость (1) состоит из нижней части (2) и съемной крышки (3).

16. Мембранный модуль по п. 1, отличающийся тем, что форма намотанных трубчатых мембран (6) является стабильной благодаря хомутам (17).

17. Мембранный модуль по п. 1, отличающийся тем, что на наружной поверхности трубчатых мембран (6) имеются промежуточные элементы (17, 27,27 , 27 ).

18. Мембранный модуль по п. 17, отличающийся тем, что промежуточные элементы представляют собой элементы (27 ) виде намотанной вокруг трубчатых мембран (6) проволоки.

19. Мембранный модуль по одному из п. 3 или 5, отличающийся тем, что трубчатые мембраны (6) залиты в коллекторы (4, 5, 4 , 5 ).

20. Мембранный модуль по п. 8, отличающийся тем, что по меньшей мере один участок коллекторов (4, 5, 4 , 5 ) находится внутри закрытой емкости (1, 1 ).

21. Мембранный модуль по п. 1, отличающийся тем, что имеет по меньшей мере один подвод и отвод (4, 5, 4 , 5 , 4 , 5 , 4 , 5 ) для разделяемой смеси, а также один сток (11, 11 ) для отделенного материала.

22. Мембранный модуль по п. 8, отличающийся тем, что емкость (1, 1 ) имеет снизу выпуск (13, 13 ) для отделенного материала.

23. Мембранный модуль по п. 1, отличающийся тем, что ось намотки (16 , 16 ) для намотанных трубчатых мембран (6) в модуле расположена горизонтально.

24. Мембранный модуль по п. 1, отличающийся тем, что намотка трубчатых мембран (6) в намотанной форме (8 , 8 ) проходит только радиально относительно оси намотки (16), только аксиально относительно оси намотки или радиально и аксиально относительно оси намотки (16 ).

25. Мембранный модуль по п. 1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере одна намотка (8 ) только из одной цельной трубчатой мембраны (6), выполненная в виде плоского диска и расположенная аксиально относительно оси намотки, имеет только два слоя.

26. Мембранный модуль по п. 2, отличающийся тем, что по меньшей мере одна намотка только из одной цельной трубчатой мембраны (6), имеющая форму плоского диска и расположенная аксиально относительно оси намотки (16), имеет только один слой, причем один из общих коллекторов (5 ) расположен внутри вблизи оси намотки (16), а другой общий коллектор (4 ) - вблизи наружной поверхности плоской намотки.

27. Мембранный модуль по п. 2 или 25, отличающийся тем, что соединение между трубчатыми мембранами (6) и коллекторами (4 , 5 ) выполнено разъемным.

28. Мембранный модуль по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна намотанная форма (пакет) (8 ) с самого начала и до конца намотки состоит только из одной цельной трубчатой мембраны (6).

29. Мембранный модуль по п. 8, отличающийся тем, что закрытая емкость (1) имеет указатель уровня (12) для отделенного материала.

30. Мембранный модуль по п. 1, отличающийся тем, что намотанная форма включает в себя несколько трубчатых мембран (36), которые представляют собой одну секцию соответствующей длины из параллельно связанных трубчатых мембран.

31. Мембранный модуль по п. 2, отличающийся тем, что трубчатые мембраны (6) имеют внутренний диаметр более 6 мм и вместе образуют рабочую фильтрующую поверхность по меньшей мере в 20 м² и вместе находятся внутри закрытой емкости (40), которая служит резервуаром для отделенного материала, через стенку которого проходят коллекторы (4 , 5 ) для разделяемой смеси и стенка которого имеет отверстие (11 ) для отделенного материала.

32. Мембранный модуль по п. 31, отличающийся тем, что отверстие (11 ) для отделенного материала находится в нижней части стенки (45) резервуара (40) и что на резервуаре (40) на различной высоте установлены датчики уровня (65, 66) отделенного материала.

33. Мембранный модуль по п. 2, отличающийся тем, что предназначен для работы, при которой намотанные трубчатые мембраны (6), т. е. их оси намотки, занимают горизонтальное положение и все вместе находятся внутри закрытой емкости (40), которая располагается по горизонтали.

34. Мембранный модуль по п. 33, отличающийся тем, что нижняя часть закрытой емкости (40) с горизонтальным расположением выполнена в виде половинки кругового цилиндра, а сверху имеется запорная крышка, которая может открывать отверстие емкости, причем горизонтальная проекция отверстия совпадает с горизонтальной проекцией емкости.

35. Мембранный модуль по п. 33, отличающийся тем, что намотанные трубчатые мембраны (6) выполнены с возможностью замены каждого в отдельности, т. е. с возможностью отсоединения их от общих коллекторов (4 , 5 ).

36. Мембранный модуль по п. 35, отличающийся тем, что соединения в виде быстродействующих затворов (151-156), с помощью которых намотанные трубчатые мембраны (6) укреплены на общих коллекторах (4 , 5 ), выполнены разъемными.

37. Мембранный модуль по п. 2, отличающийся тем, что по меньшей мере одна трубчатая мембрана находится в емкости (106), имеющей форму коробки, причем стенка емкости имеет по меньшей мере в отдельных областях множество отверстий (107) для стока отделенного материала.

38. Мембранный модуль по п. 2, отличающийся тем, что по меньшей мере одна намотанная трубчатая мембрана (6) снабжена опорной пластиной (116), которая проходит радиально через намотку.

39. Мембранный модуль по п. 2, отличающийся тем, что трубчатые мембраны (6) вместе с коллекторами (4 , 5 , 134, 135) для подвода и отвода разделяемой смеси составляют несколько групп (126-128), причем по меньшей мере для двух групп (126, 127) служит один коллектор (135) для отвода из одной группы (126) и для подвода в другую группу (127), и этот коллектор (135) выполнен как смесительная камера для смесей, выходящих или поступающих в трубчатые мембраны (6) двух групп (126,127).

40. Мембранный модуль по п. 2, отличающийся тем, что трубчатые мембраны в мембранном модуле намотаны в виде по меньшей мере одной секции (7), состоящей из нескольких трубчатых мембран (6), и что секция состоит по меньшей мере из двух частей (7,7 ), которые благодаря средствам соединения являются непроницаемыми для окружающей секцию среды и соединены с промежуточным объемом (141), причем промежуточный объем выполнен как смесительная камера (141) для смесей в трубчатых мембранах (6) двух частей (7, 7 ).

41. Мембранный модуль по одному из пп. 39 или 40, отличающийся тем, что выполнен таким образом, что при работе установки для мембранного разделения смесительные камеры (134, 135, 141) для разделяемых смесей окружены снаружи материалом, отделенным с помощью трубчатых мембран (6).

42. Мембранный модуль по п. 41, отличающийся тем, что по меньшей мере одна смесительная камера (134, 135, 141) предусмотрена с присоединением (146), имеющим средство связи с продувочной средой для трубчатых мембран (6), причем средство связи проходит сквозь отделенный материал и выполнено с возможностью загрузки снаружи.

43. Мембранный модуль по одному из пп. 8 или 31, отличающийся тем, что трубчатые мембраны (6) выполнены с возможностью обратной продувки и что предусмотрены средства, с помощью которых закрытая емкость (40) для отделенного материала периодически может находиться под избыточным давлением.

44. Мембранный модуль по п. 39, отличающийся тем, что по меньшей мере две группы намотанных трубчатых мембран имеют оси, проходящие в радиальном направлении рядом друг с другом.

45. Мембранный модуль по п. 2, отличающийся тем, что оси намотанных трубчатых мембран (6) и оси общих коллекторов (4 , 5 ) параллельны друг другу, что трубчатые мембраны (6) можно менять по отдельности, отделяя их от коллекторов (4 , 5 ), и что между каждыми двумя трубчатыми мембранами (6) находится одна опорная пластина (83), причем опорные пластины (83) образуют секцию в виде выдвижных ящиков (стола) для удерживания трубчатых мембран (6).

46. Мембранный модуль по п. 45, отличающийся тем, что опорные пластины (83) закреплены в планках с пазами (81), которые расположены в продольном направлении коллекторов (4 , 5 ) или опор (80), параллельных коллекторам, и опираются на них, и что для стока отделенного материала на опорных пластинах (83) предусмотрены отверстия как на делительном диске.

47. Мембранный модуль по п. 2, отличающийся тем, что по меньшей мере одна намотка из группы цельных, расположенных радиально рядом друг с другом трубчатых мембран (6 , 6 ) одинаковой длины содержит в намотанной форме, похожей на плоский диск, аксиально относительно оси намотки только два слоя (121,122), причем трубчатые мембраны (6 , 6 ) в одном слое (121) расположены, в отличие от слоя (122), в обратной радиальной последовательности.

48. Способ изготовления трубчатых мембран мембранного модуля по п. 1 методом экструзии пластмассы, отличающийся тем, что применяют экструдер с насадкой, имеющей кольцевое отверстие, и что в результате различного термического или механического воздействия на скорость прохождения пластической массы вдоль колцьевого отверстия получают трубчатые мембраны (6, 36, 37) изогнутой формы.

49. Применение мембранного модуля по п. 1 для фильтрации с поперечным потоком в области рециркуляционного осмоса, нанофильтрации, ультрафильтрации или микрофильтрации или для абсолютной окончательной фильтрации для отделения фруктовых соков, пищевых продуктов или очистки сточных вод.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23, Рисунок 24, Рисунок 25, Рисунок 26, Рисунок 27