Мембранный аппарат с импульсным режимом фильтрации

 

Изобретение относится к области разделения, концентрирования и опреснения различных растворов методами обратного осмоса и ультрафильтрации. Мембранный аппарат включает трубчатый мембранный модуль, выполненный в виде двух коаксиально расположенных цилиндров, один из которых выполнен в виде пористого тела с нанесенной на внутреннюю поверхность полупроницаемой мембраной, патрубки для ввода исходного раствора, вывода фильтрата и концентрата и непроницаемый рукав, расположенный коаксиально мембранной поверхности. На внутренней поверхности пористого тела установлены кольца, равноудаленные друг от друга, в непроницаемом рукаве с возможностью вращения установлен вал с неподвижно закрепленными профильными элементами, причем оси симметрии колец и профильных элементов совпадают, на торцевую поверхность каждого профильного элемента опираются при помощи роликов сегменты, на боковой поверхности которых имеются пазы, через которые параллельно с валом проходят штанги, предотвращающие сегменты от проворачивания, ролики установлены в сегментах с возможностью вращения при помощи полых трубок, на торцевых концах которых расположены металлические шарики, зафиксированные в пазах установочных дисков, причем диаметр шариков больше внутреннего диаметра полых трубок и ширины пазов установочных дисков, установочные диски зафиксированы на валу при помощи стопорных колец, размещенных на наружной их стороне таким образом, чтобы при вращении профильных элементов сегменты могли бы свободно перемещаться в поперечных направлениях, через пазы установочных дисков проходят штанги, исключающие их проворачивание, причем пазы сегментов и установочных дисков совпадают, а ширина пазов меньше диаметра штанг, на штангах между наружными сторонами установочных дисков размещены втулки, надетые на штанги, закрепленные во фланцах. Технический результат: повышение производительности мембранного аппарата за счет улучшения гидродинамического воздействия на разделяемый поток вследствие снижения слоя высокой концентрации, образующегося на мембране и его уноса. 7 ил.

Изобретение относится к области разделения, концентрирования и опреснения различных растворов методами обратного осмоса и ультрафильтрации и может быть использовано в пищевой, фармацевтической, микробиологической промышленности, а также на предприятиях агропромышленного комплекса.

Известен мембранный аппарат с нестационарной гидродинамикой (патент РФ №2174432, кл. В 01 D 63/06, 2001 г. Мембранный аппарат с нестационарной гидродинамикой, авторы Кретов И.Т., Шахов С.В., Ключников А.И., Ряжских В.И.), содержащий трубчатые мембранные модули, выполненные в виде пористых тел с нанесенными на внутреннюю поверхность полупроницаемыми мембранами, патрубки для ввода исходного раствора, вывода фильтрата и концентрата и непроницаемый рукав, расположенный коаксиально мембранной поверхности.

Недостатком известного аппарата является неэффективность работы мембран в ламинарном режиме, низкая степень очистки мембранной поверхности при установившемся режиме.

Технической задачей изобретения является повышение производительности мембранного аппарата за счет улучшения гидродинамического воздействия на разделяемый поток вследствие снижения слоя высокой концентрации, образующегося на мембране и его уноса.

Техническая задача достигается тем, что в мембранном аппарате с импульсным режимом фильтрации, включающем трубчатый мембранный модуль, выполненный в виде двух коаксиально расположенных цилиндров, один из которых выполнен в виде пористого тела с нанесенной на внутреннюю поверхность полупроницаемой мембраной, патрубки для ввода исходного раствора, вывода фильтрата и концентрата и непроницаемый рукав, расположенный коаксиально мембранной поверхности, новым является то, что на внутренней поверхности пористого тела установлены кольца, равноудаленные друг от друга, в непроницаемом рукаве с возможностью вращения установлен вал с неподвижно закрепленными профильными элементами, причем оси симметрии колец и профильных элементов совпадают, на торцевую поверхность каждого профильного элемента опираются при помощи роликов сегменты, на боковой поверхности которых имеются пазы, через которые параллельно с валом проходят штанги, предотвращающие сегменты от проворачивания, ролики установлены в сегментах с возможностью вращения при помощи полых трубок, на торцевых концах которых расположены металлические шарики, зафиксированные в пазах установочных дисков, причем диаметр шариков больше внутреннего диаметра полых трубок и ширины пазов установочных дисков, установочные диски зафиксированы на валу при помощи стопорных колец, размещенных на наружной их стороне таким образом, чтобы при вращении профильных элементов сегменты могли бы свободно перемещаться в поперечных направлениях, через пазы установочных дисков проходят штанги, исключающие их проворачивание, причем пазы сегментов и установочных дисков совпадают, а ширина пазов меньше диаметра штанг, на штангах между наружными сторонами установочных дисков размещены втулки, надетые на штанги, закрепленные во фланцах.

На фиг.1 схематически изображен предлагаемый мембранный аппарат; на фиг.2 - разрез А-А описываемого аппарата при крайнем нижнем положении сегментов; на фиг.3 - то же при крайнем верхнем положении сегментов; на фиг.4 - схема гидродинамического процесса при крайнем нижнем положении сегментов; на фиг.5 - то же при выходе сегментов из крайнего нижнего положения; на фиг.6 - то же при крайнем верхнем положении сегментов; на фиг.7 - то же при выходе сегментов из крайнего верхнего положения.

Мембранный аппарат (фиг.1) содержит трубчатый мембранный модуль, выполненный в виде двух коаксиально расположенных цилиндров 1 и 2. Причем цилиндр 1 выполнен из пористого материала, на внутренней поверхности которого расположены полупроницаемая мембрана 3 и кольца 4, выполненные из упругого материала и равноудаленные друг от друга. Цилиндр 1 снабжен патрубками 5 и 6 для ввода исходного раствора и вывода концентрата соответственно, а цилиндр 2 - патрубком 7 для удаления фильтрата. Внутри цилиндра 1 коаксиально мембранной поверхности расположен непроницаемый рукав 8, выполненный из материала, имеющего повышенный характер упругих деформаций. Для возникновения упругих деформаций непроницаемого рукава 8 предназначены профильные элементы 9, неподвижно закрепленные на валу 10 шпонками 11. Причем оси симметрии колец 4 и профильных элементов 9 совпадают. На торцевую поверхность каждого профильного элемента 9 опираются при помощи роликов 12 сегменты 13, на боковой поверхности которых имеются пазы, через которые параллельно с валом 10 проходят штанги 14, предотвращающие сегменты 13 от проворачивания. Ролики 12, имеющие возможность вращения, установлены в сегментах 13 при помощи полых трубок 15. На торцевых концах полой трубки 15 расположены металлические шарики 16, зафиксированные в пазах установочных дисков 17. Причем диаметр металлических шариков 16 больше внутреннего диаметра полой трубки 15 и ширины пазов установочных дисков 17. Благодаря установке металлических шариков 16 контакт с сопрягаемыми поверхностями происходит по линиям, в результате чего снижается сила трения со стороны сегментов 13 при их перемещении в поперечных направлениях. Установочные диски 17 зафиксированы на валу 10 при помощи стопорных колец 18, размещенных на наружной их стороне таким образом, чтобы при вращении профильных элементов 9 сегменты могли бы свободно перемещаться в поперечных направлениях. Установка полых трубок 15 и роликов 12 с зазором с сопрягаемыми поверхностями обеспечивает легкость монтажа и демонтажа. Для предотвращения проворачивания установочных дисков 17 через имеющиеся пазы проходят штанги 14, причем пазы сегментов 9 и установочных дисков 17 совпадают, а ширина пазов меньше диаметра штанги 14. Во избежание осевых перемещений установочных дисков 17 между наружными их сторонами расположены втулки 19, надетые на штанги 14. Вал 10 установлен в подшипниковых узлах 20, непроницаемый рукав 8 и штанги 14 закреплены во фланцах 21 и 22 соответственно.

Мембранный аппарат работает следующим образом.

Исходный раствор подается через патрубок 5 в мембранный модуль под давлением, превышающим осмотическое.

Когда ролики 12 находятся в крайнем нижнем положении профильных элементов 9 (фиг.2), сегменты 13 не вызывают упругих деформаций непроницаемого рукава 8, и исходный раствор движется вдоль мембранной поверхности 3 и фильтруется, а полученный фильтрат отводится через патрубок 7. Огибая кольца 4, поток исходного раствора турбулизируется, при этом часть слоя высокомолекулярных соединений удаляется с поверхности мембраны 3 и отводится вместе с концентратом через патрубок 6 (фиг.4).

При дальнейшем повороте вала ролики 12, обкатываясь по торцевой поверхности профильных элементов 9, занимают промежуточное положение, при котором сегменты 13, перемещаясь в поперечных направлениях, вызывают упругую деформацию непроницаемого рукава 8. При этом исходный раствор, двигаясь вдоль поверхности мембраны 3, испытывает нарастающую турбулизацию как со стороны колец 4, так и со стороны образующихся кольцевых выступов непроницаемого рукава 8. В результате многократного изменения гидродинамических параметров исходного раствора на входе в сужающийся канал и выходе из него значительная часть слоя высокомолекулярных соединений удаляется с поверхности мембраны 3 и отводится вместе с концентратом через патрубок 6 (фиг.5). Прошедший через мембрану 3 фильтрат отводится через патрубок 7.

Оставшийся на мембране 3 слой осадка высокомолекулярных соединений уплотняется за счет поддержания необходимого для мембранной фильтрации давления и непрерывного ввода в мембранный канал исходного раствора с определенной концентрацией высокомолекулярных соединений. В результате этого проницаемость мембраны 3 уменьшается.

При дальнейшем повороте вала ролики 12, обкатываясь по торцевой поверхности профильных элементов 9, занимают крайнее верхнее положение (фиг.3). При этом увеличивается деформация непроницаемого рукава 8, при которой образующиеся кольцевые выступы образуют с кольцами 4 минимальный зазор, обеспечивающий перетеки исходного раствора из одной образованной полости в другую. Одновременно с этим давление в каждой последующей полости, начиная от патрубка 5 подачи исходного раствора, увеличивается до максимальной величины, а скорость потока уменьшается. В результате этого происходит замкнутая циркуляция исходного раствора внутри каждой последующей полости, благодаря которой возникает внутренняя турбулизация потока (фиг.6).

При дальнейшем повороте вала 10 давление в каждой последующей полости резко уменьшается до величины, необходимой для мембранной фильтрации. Накопленная потенциальная энергия исходного раствора в одной полости передает импульс энергии в другую. В результате различия величин давления в мембранном канале и в канале отвода фильтрата сообщаемый по всей длине поверхности мембраны 3 импульс удаляет частицы слоя высокомолекулярных отложений из ее пор и с поверхности, таким образом производя их регенерацию. Удаленные частицы слоя высокомолекулярных соединений смываются с мембраны 3 потоком исходного раствора и отводятся вместе с концентратом через патрубок 6. При выходе роликов 12 из крайнего верхнего положения эффект регенерации мембраны 3 усиливается упругими стенками непроницаемого рукава 8, создающими эффект насоса, его кольцевыми выступами и кольцами 4, проходя через которые поток исходного раствора турбулизируется (фиг.7). Прошедший через мембрану 3 фильтрат отводится через патрубок 7.

После этого ролики 12 занимают крайнее нижнее положение, и процесс повторяется.

Данный аппарат позволяет обеспечить:

- эффективную регенерацию пор мембраны и ее поверхности вследствие импульса потенциальной энергии потока исходного раствора, создаваемого образующимися кольцевыми выступами непроницаемого рукава и кольцами, размещенными на мембранной поверхности;

- широкий диапазон производительности за счет вариаций гидродинамических параметров потока исходного раствора в мембранном канале, осуществляемых изменением конфигурации профильных элементов, их относительным расположением на валу и частотой вращения последнего;

- бережную обработку исходного раствора за счет отсутствия сдвиговых напряжений со стороны непроницаемого рукава и контакта с вращающимися деталями аппарата.

Формула изобретения

Мембранный аппарат с импульсным режимом фильтрации, включающий трубчатый мембранный модуль, выполненный в виде двух коаксиально расположенных цилиндров, один из которых выполнен в виде пористого тела с нанесенной на внутреннюю поверхность полупроницаемой мембраной, патрубки для ввода исходного раствора, вывода фильтрата и концентрата и непроницаемый рукав, расположенный коаксиально мембранной поверхности, отличающийся тем, что на внутренней поверхности пористого тела установлены кольца. равноудаленные друг от друга, в непроницаемом рукаве с возможностью вращения установлен вал с неподвижно закрепленными профильными элементами, причем оси симметрии колец и профильных элементов совпадают, на торцевую поверхность каждого профильного элемента опираются при помощи роликов сегменты, на боковой поверхности которых имеются пазы. через которые параллельно с валом проходят штанги, предотвращающие сегменты от проворачивания, ролики установлены в сегментах с возможностью вращения при помощи полых трубок, на торцевых концах которых расположены металлические шарики, зафиксированные в пазах установочных дисков, причем диаметр шариков больше внутреннего диаметра полых трубок и ширины пазов установочных дисков, установочные диски зафиксированы на валу при помощи стопорных колец, размещенных на наружной их стороне таким образом, чтобы при вращении профильных элементов сегменты могли бы свободно перемещаться в поперечных направлениях, через пазы установочных дисков проходят штанги, исключающие их проворачивание, причем пазы сегментов и установочных дисков совпадают, а ширина пазов меньше диаметра штанг, на штангах между наружными сторонами установочных дисков размещены втулки, надетые на штанги, закрепленные во фланцах.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7