Мембранный аппарат с переменным сечением потока
Владельцы патента RU 2280496:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежская государственная технологическая академия" (RU)
Изобретение относится к области разделения, концентрирования и опреснения растворов методами обратного осмоса и ультрафильтрации. Технический результат - повышение производительности мембранного аппарата за счет улучшения гидродинамического воздействия на разделяемый поток. Мембранный аппарат включает трубчатый мембранный модуль, выполненный в виде двух коаксиально расположенных пористых тел с нанесенными на них полупроницаемыми мембранами, патрубки для ввода исходного раствора, вывода фильтрата и концентрата. Одно пористое тело выполнено в виде неподвижного полого цилиндра, внутренняя поверхность которого выполнена в виде сужающихся усеченных конусов, резко переходящих в цилиндры, диаметр которых больше диаметра меньшего основания усеченных конусов и равен диаметру большего основания усеченных конусов, а торцевые плоскости меньшего и большего оснований усеченных конусов совпадают с торцевыми плоскостями цилиндров. Другое пористое тело выполнено в виде подвижного полого цилиндра, наружная поверхность которого выполнена в виде расширяющихся усеченных конусов, резко переходящих в цилиндры, диаметр которых меньше диаметра большего основания усеченных конусов и равен диаметру меньшего основания усеченных конусов, а торцевые плоскости большего и меньшего оснований усеченных конусов совпадают с торцевыми плоскостями цилиндров. Подвижное пористое тело установлено в неподвижном пористом теле с возможностью возвратно-поступательного перемещения при помощи узлов трения. При совмещении торцевых плоскостей усеченных конусов и цилиндров неподвижного и подвижного пористых тел между поверхностями усеченных конусов образуется сужающийся конический канал с минимальным кольцевым зазором, на выходе из которого поток исходного раствора испытывает наибольшее завихрение в образованном цилиндрическом канале. 5 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 (Пат. 2174432, Российская Федерация, МПК7 В 01 D 63/06. Мембранный аппарат с нестационарной гидродинамикой [Текст] / Кретов И.Т., Шахов С.В., Ключников А.И., Ряжских В.И.; заявитель Воронеж. гос. технол. акад. - 2000130308/12; заявл. 04.12.00; опубл. 10.10.01. Бюл. № 28. - 5 с.: ил.), содержащий трубчатые мембранные модули, 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 переменным сечением потока, включающем трубчатый мембранный модуль, выполненный в виде двух коаксиально расположенных пористых тел с нанесенными на них полупроницаемыми мембранами, патрубки для ввода исходного раствора, вывода фильтрата и концентрата, новым является то, что одно пористое тело выполнено в виде неподвижного полого цилиндра, внутренняя поверхность которого выполнена в виде сужающихся усеченных конусов, резко переходящих в цилиндры, диаметр которых больше диаметра меньшего основания усеченных конусов и равен диаметру большего основания усеченных конусов, а торцевые плоскости меньшего и большего оснований усеченных конусов совпадают с торцевыми плоскостями цилиндров, другое пористое тело выполнено в виде подвижного полого цилиндра, наружная поверхность которого выполнена в виде расширяющихся усеченных конусов, резко переходящих в цилиндры, диаметр которых меньше диаметра большего основания усеченных конусов и равен диаметру меньшего основания усеченных конусов, а торцевые плоскости большего и меньшего оснований усеченных конусов совпадают с торцевыми плоскостями цилиндров, подвижное пористое тело установлено в неподвижном пористом теле с возможностью возвратно-поступательного перемещения при помощи узлов трения, углы наклона образующих усеченных конусов неподвижного и подвижного пористых тел выбираются равными, а их величина и диаметры меньшего основания усеченных конусов и цилиндров неподвижной пористой детали и диаметры большего основания усеченных конусов и цилиндров подвижной пористой детали выбираются таким образом, чтобы при совмещении торцевых плоскостей усеченных конусов и цилиндров неподвижного и подвижного пористых тел между поверхностями усеченных конусов образовывался сужающийся конический канал с минимальным кольцевым зазором, на выходе из которого поток исходного раствора испытывал бы наибольшее завихрение в образованном цилиндрическом канале, а при совмещении торцевых плоскостей усеченных конусов неподвижного и подвижного пористых тел с торцевыми плоскостями цилиндров этих тел образовывался канал переменного сечения, подвижное пористое тело заглушено с одной стороны толкателем, перемещающимся в корпусной детали одного узла трения, а с другой стороны - направляющей втулкой, внутренняя поверхность которой выполнена в виде сужающегося сопла, перемещающейся во фланце другого узла трения, концевые части направляющей втулки и патрубка для удаления фильтрата из внутреннего пространства подвижного пористого тела герметично соединены между собой посредством гофрированного элемента, имеющего повышенный характер упругих деформаций, один узел трения выполнен в виде корпусной цилиндрической детали, на внутренней поверхности которой имеются кольцевые треугольные проточки для размещения металлических шариков, обеспечивающих возвратно-поступательное перемещение подвижного пористого тела, другой узел трения выполнен в виде фланца, в центральной части которого имеется отверстие, на внутренней поверхности которого также имеются кольцевые треугольные проточки для размещения металлических шариков, обеспечивающих возвратно-поступательное перемещение подвижного пористого тела, фланцы узлов трения выполнены с отверстиями, расположенными по окружности, диаметр которой охватывает эти отверстия в точке их касания и равен диаметру цилиндров неподвижного пористого тела.
На фиг.1 изображен разрез описываемого аппарата; на фиг.2 - разрез узла трения со стороны толкателя подвижного пористого тела; на фиг.3 - то же, но со стороны направляющей втулки подвижного пористого тела; на фиг.4 - схема гидродинамического процесса при совмещении торцевых плоскостей усеченных конусов и цилиндров неподвижного и подвижного пористых тел; на фиг.5 - то же, но при совмещении торцевых плоскостей усеченных конусов неподвижного и подвижного пористых тел с торцевыми плоскостями цилиндров этих тел.
Мембранный аппарат (фиг.1) содержит трубчатый мембранный модуль, выполненный в виде двух коаксиально расположенных пористых тел 1 и 2 с нанесенными полупроницаемыми мембранами 3, патрубки для ввода исходного раствора 4, вывода фильтрата 5 и 6, концентрата 7.
Пористое тело 1 выполнено в виде неподвижного полого цилиндра, внутренняя поверхность которого выполнена в виде сужающихся усеченных конусов, резко переходящих в цилиндры, диаметр которых больше диаметра меньшего основания усеченных конусов и равен диаметру большего основания усеченных конусов, а торцевые плоскости меньшего и большего оснований усеченных конусов совпадают с торцевыми плоскостями цилиндров.
На внутренних поверхностях усеченных конусов и цилиндров неподвижного пористого тела 1 расположена полупроницаемая мембрана 3.
Пористое тело 2 выполнено в виде подвижного полого цилиндра, наружная поверхность которого выполнена в виде расширяющихся усеченных конусов, резко переходящих в цилиндры, диаметр которых меньше диаметра большего основания усеченных конусов и равен диаметру меньшего основания усеченных конусов, а торцевые плоскости большего и меньшего оснований усеченных конусов совпадают с торцевыми плоскостями цилиндров.
На наружных поверхностях усеченных конусов и цилиндров подвижного пористого тела 1 расположена полупроницаемая мембрана 3.
Углы наклона образующих усеченных конусов неподвижного 1 и подвижного 2 пористых тел выбираются равными, а их величина и диаметры меньшего основания усеченных конусов и цилиндров неподвижной пористой детали 1 и диаметры большего основания усеченных конусов и цилиндров подвижной пористой детали 2 выбираются таким образом, чтобы при совмещении торцевых плоскостей усеченных конусов и цилиндров неподвижного 1 и подвижного 2 пористых тел между поверхностями усеченных конусов образовывался сужающийся конический канал с минимальным кольцевым зазором, на выходе из которого поток исходного раствора испытывал бы наибольшее завихрение в образованном цилиндрическом канале, а при совмещении торцевых плоскостей усеченных конусов неподвижного 1 и подвижного 2 пористых тел с торцевыми плоскостями цилиндров этих тел образовывался канал переменного сечения.
Пористые тела 1 и 2 коаксиально расположены в цилиндре 8, выполненном из непроницаемого материала.
Торцевые плоскости неподвижного пористого тела 1 и цилиндра 8 герметично соединены между собой при помощи фланцевых соединений 9, на боковых поверхностях которых неподвижно установлены с одной стороны камера 10 для ввода исходного раствора через патрубок 4, а с другой стороны - камера 11 для вывода фильтрата и концентрата через патрубки 5 и 7 соответственно.
Цилиндр 8 снабжен патрубком 6 для удаления фильтрата из пространства, образованного наружной поверхностью неподвижного пористого тела 1 и внутренней поверхностью цилиндра 8.
Подвижное пористое тело 2 коаксиально установлено в неподвижном пористом теле 1 с возможностью возвратно-поступательного перемещения при помощи узлов трения, расположенных в соответствующих фланцевых соединениях 9.
Подвижное пористое тело 2 заглушено с одной стороны толкателем 12, перемещающимся в корпусной детали 13 одного узла трения, а с другой - направляющей втулкой 14, внутренняя поверхность которой выполнена в виде сужающегося сопла, перемещающейся во фланце 15 другого узла трения.
Толкатель 12 и направляющая втулка 14 неподвижно установлены внутри подвижного пористого тела 2 при помощи штифтов 16.
Концевые части направляющей втулки 14 и патрубка 5 для удаления фильтрата из внутреннего пространства подвижного пористого тела 2 соединены между собой посредством гофрированного элемента 17, имеющего повышенный характер упругих деформаций при помощи быстросъемных хомутов 18.
Один узел трения (фиг.2) выполнен в виде корпусной цилиндрической детали 13, присоединенной к фланцу 19, на внутренней поверхности которой имеются кольцевые треугольные проточки для размещения металлических шариков 20, обеспечивающих возвратно-поступательное перемещение подвижного пористого тела 2.
На внутренней поверхности корпусной цилиндрической детали 13 одного узла трения также имеются кольцевые проточки для размещения сальникового уплотнения 21 и пружины 22.
Другой узел трения (фиг.3) выполнен в виде фланца 15, в центральной части которого имеется отверстие, на внутренней поверхности которого также имеются кольцевые треугольные проточки для размещения металлических шариков 20, обеспечивающих возвратно-поступательное перемещение подвижного пористого тела 2.
Выполнение кольцевых и продольных проточек треугольными позволяет снизить коэффициент трения в узлах трения и полностью исключить возможность проворачивания подвижного пористого тела 2 внутри неподвижного пористого тела 1.
Фланцы 15 и 19 соответствующих узлов трения выполнены с отверстиями, расположенными по окружности, диаметр которой охватывает эти отверстия в точке их касания и равен диаметру цилиндрического участка неподвижного пористого тела 1.
Для обеспечения возвратно-поступательного перемещения подвижного пористого тела 2 внутри неподвижного пористого тела 1 имеется электромагнит 23, неподвижно установленный во фланцевом соединении 24 корпусной цилиндрической детали 13 узла трения, якорь которого неподвижно соединен с толкателем 12 подвижного пористого тела 2.
Мембранный аппарат работает следующим образом.
Вначале осуществляют подачу электрического тока на обмотки электромагнита 23, в результате которой якорь (не показан), соединенный с толкателем 12 подвижного пористого тела 2, совершая поступательное перемещение в корпусной цилиндрической детали 13 и фланце 15 узлов трения, сжимает пружину 22 и переходит из своего начального положения в конечное, при котором совершается работа по удерживанию подвижного пористого тела 2 внутри неподвижного пористого тела 1 в положении, при котором совмещены торцевые плоскости усеченных конусов неподвижного 1 и подвижного 2 пористых тел с торцевыми плоскостями цилиндров этих тел, т.е. образуется канал переменного сечения.
Затем исходный раствор подается с помощью патрубка 4 в камеру 10, откуда он, пройдя отверстия во фланце 19 фланцевого соединения 9, направляется в мембранный канал переменного сечения.
Прошедший через полупроницаемую мембрану 3 неподвижного пористого тела 1 фильтрат поступает в полость, образованную наружной поверхностью неподвижного пористого тела 1 и внутренней поверхностью цилиндра 8, откуда он отводится при помощи патрубка 6.
Одновременно с этим, прошедший через полупроницаемую мембрану 3 подвижного пористого тела фильтрат поступает в полость, образованную торцевой плоскостью толкателя 12 и внутренней поверхностью подвижного пористого тела 2, откуда он удаляется при помощи патрубка 5, соединенного с направляющей втулкой 14 подвижного пористого тела 2 посредством гофрированного элемента 17. Образующийся концентрат отводится через отверстия во фланце 15 фланцевого соединения 9 в камеру 11, откуда удаляется при помощи патрубка 7.
После того как понизятся селективность и проницаемость полупроницаемых мембран 3 неподвижного 1 и подвижного 2 пористых тел, отключают подачу электрического тока на обмотке электромагнита 23, в результате чего, под действием пружины 22 якорь (не показан), совершая поступательное перемещение в корпусной цилиндрической детали 13 и фланце 15 узлов трения, переходит из своего конечного положения в начальное, при котором совмещены торцевые плоскости усеченных конусов и цилиндров неподвижного 1 и подвижного 2 пористых тел, т.е. между наружными поверхностями усеченных конусов неподвижного 1 и подвижного 2 пористых тел образуются сужающиеся конические каналы с минимальным кольцевым зазором.
При образовании сужающихся конических каналов между наружными поверхностями усеченных конусов неподвижного 1 и подвижного 2 пористых тел поток исходного раствора, направляясь в эти сужающиеся конические каналы, претерпевает увеличение скорости и уменьшение давления, т.е. изменение основных гидродинамических характеристик.
На выходе потока исходного раствора через минимальные кольцевые зазоры сужающихся конических каналов неподвижного 1 и подвижного 2 пористого тел происходит резкое уменьшение его скорости и резкое увеличение давления в образованном цилиндрическом канале. Одновременно с этим, поток исходного раствора при данных гидродинамических условиях срывается с углов усеченных конусов неподвижного 1 и подвижного 2 пористых тел (фиг.4) и попадает в цилиндрический канал, в котором между потоком и поверхностями полупроницаемых мембран образуются вихревые потоки, приводящие к срыву слоя высокой концентрации с их поверхности и его уносу вместе с концентратом в камеру 11, откуда они удаляются с помощью патрубка 7. Одновременно с этим, основной вихревой поток исходного раствора порождает другие, более мелкие вихревые потоки, которые уносятся основным вихревым потоком вдоль оси трубчатого мембранного модуля, приводя к удалению слоя высокой концентрации на всем участке полупроницаемых мембран 3 поверхностей усеченных конусов и цилиндров неподвижного 1 и подвижного 2 пористых тел.
После этого снова осуществляют подачу электрического тока на обмотки электромагнита 23, якорь (не показан) занимает положение, при котором образуется канал переменного сечения. Смена положений подвижного пористого тела 2 относительно неподвижного пористого тела 1 приводит к резкому увеличению давления потока исходного раствора, приводящему к дополнительной его турбулизации в канале переменного сечения.
Поскольку давление потока исходного раствора на начальных участках усеченных конусов неподвижного 1 и подвижного 2 пористых тел выше, чем на конечных, причин к возникновению вихревых потоков и их срывов с углов усеченных конусов неподвижного 1 и подвижного 2 пористых тел нет (фиг.5). Поток исходного раствора при данном положении подвижного пористого тела 2 омывает поверхности полупроницаемых мембран 3, удаляя, таким образом, слой высокой концентрации и восстанавливая их селективность и проницаемость.
После этого все процессы повторяются аналогично описанным выше.
Данный мембранный аппарат позволяет обеспечить:
- низкий уровень концентрационной поляризации на поверхностях полупроницаемых мембран за счет периодического изменения их положений друг относительно друга, приводящего к резкой смене гидродинамического режима в мембранном канале переменного сечения трубчатого мембранного модуля;
- широкий диапазон производительности мембранного аппарата за счет изменения времени срабатывания обмоток электромагнита;
- полную герметизацию отвода фильтрата из поступательно перемещающейся детали за счет применения упругого гофрированного элемента, герметично соединенного с выводными частями детали и патрубка для удаления фильтрата;
- устранение застойных зон внутри мембранного канала с переменным сечением потока за счет выполнения фланцевых соединений с отверстиями, расположенными по окружности, диаметр которой охватывает эти отверстия в точке их касания и равен диаметру цилиндрических участков неподвижной детали.
Мембранный аппарат с переменным сечением потока, включающий трубчатый мембранный модуль, выполненный в виде двух коаксиально расположенных пористых тел, с нанесенными на них полупроницаемыми мембранами, патрубки для ввода исходного раствора, вывода фильтрата и концентрата, отличающийся тем, что одно пористое тело выполнено в виде неподвижного полого цилиндра, внутренняя поверхность которого выполнена в виде сужающихся усеченных конусов, резко переходящих в цилиндры, диаметр которых больше диаметра меньшего основания усеченных конусов и равен диаметру большего основания усеченных конусов, а торцевые плоскости меньшего и большего оснований усеченных конусов совпадают с торцевыми плоскостями цилиндров, другое пористое тело выполнено в виде подвижного полого цилиндра, наружная поверхность которого выполнена в виде расширяющихся усеченных конусов, резко переходящих в цилиндры, диаметр которых меньше диаметра большего основания усеченных конусов и равен диаметру меньшего основания усеченных конусов, а торцевые плоскости большего и меньшего оснований усеченных конусов совпадают с торцевыми плоскостями цилиндров, подвижное пористое тело установлено в неподвижном пористом теле с возможностью возвратно-поступательного перемещения при помощи узлов трения, углы наклона образующих усеченных конусов неподвижного и подвижного пористых тел выбираются равными, а их величина и диаметры меньшего основания усеченных конусов и цилиндров неподвижной пористой детали и диаметры большего основания усеченных конусов и цилиндров подвижной пористой детали выбираются таким образом, чтобы при совмещении торцевых плоскостей усеченных конусов и цилиндров неподвижного и подвижного пористых тел между поверхностями усеченных конусов образовывался сужающийся конический канал с минимальным кольцевым зазором, на выходе из которого поток исходного раствора испытывал бы наибольшее завихрение в образованном цилиндрическом канале, а при совмещении торцевых плоскостей усеченных конусов неподвижного и подвижного пористых тел с торцевыми плоскостями цилиндров этих тел образовывался канал переменного сечения, подвижное пористое тело заглушено с одной стороны толкателем, перемещающимся в корпусной детали одного узла трения, а с другой стороны - направляющей втулкой, внутренняя поверхность которой выполнена в виде сужающегося сопла, перемещающейся во фланце другого узла трения, концевые части направляющей втулки и патрубка для удаления фильтрата из внутреннего пространства подвижного пористого тела герметично соединены между собой посредством гофрированного элемента, имеющего повышенный характер упругих деформаций, один узел трения выполнен в виде корпусной цилиндрической детали, на внутренней поверхности которой имеются кольцевые треугольные проточки для размещения металлических шариков, обеспечивающих возвратно-поступательное перемещение подвижного пористого тела, другой узел трения выполнен в виде фланца, в центральной части которого имеется отверстие, на внутренней поверхности которого также имеются кольцевые треугольные проточки для размещения металлических шариков, обеспечивающих возвратно-поступательное перемещение подвижного пористого тела, фланцы узлов трения выполнены с отверстиями, расположенными по окружности, диаметр которой охватывает эти отверстия в точке их касания и равен диаметру цилиндров неподвижного пористого тела.
