Фильтрационный модуль

Изобретение относится к области разделения гетерогенных сред и может быть использовано для очистки жидкости, а также в процессах разделения веществ. Фильтрационный модуль содержит установленный в корпусе мембранный фильтр, выполненный в виде набора жестких полупроницаемых керамических элементов в форме трубок или каналосодержащих стержней, герметично закрепленных в отверстиях фланцев. Фланцы мембранного фильтра выполнены из плотноспеченного ситалла. Закрепление керамических элементов в отверстиях фланцев выполнено посредством ситаллоцемента с образованием монолитной конструкции. Ситалл, ситаллоцемент и материал керамических элементов имеют одинаковые значения температурного коэффициента линейного расширения. Это позволяет повысить надежность в условиях длительной многократной эксплуатации и обеспечить стерильную фильтрацию, сохранив герметичность крепления фильтрующих элементов в отверстиях фланцев в агрессивных условиях и при высоких температурах регенерации. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области разделения гетерогенных сред, именно к устройствам для фильтрации, и может быть использовано для очистки жидкостей от примесей, а также в процессах разделения веществ в химической и микробиологической технологии.

Известны пористые проницаемые керамические элементы с заданными размерами пор, через которые осуществляется фильтрация жидкостей. Они широко используются при очистке и разделении различных веществ при повышенных температурах и давлениях, а также при получении пищевых продуктов, медицинских препаратов, особо чистых веществ в стерильных условиях. Керамические фильтры служат основой для создания фильтрующих элементов третьего поколения с высокими механическими, термическими и антикоррозионными свойствами. Эти фильтры помимо традиционных способов регенерации, позволяют эффективно использовать химическое вытравливание и выжигание улавливаемых примесей (см., например, Беркман А.С., Мельникова И.Г. Пористая проницаемая керамика. Изд.2, Л.: Стройиздат, 1969, с.110-114).

Известны конструкции фильтрационного модуля на основе пористой керамики, имеющие корпус и смонтированный в нем блок фильтров в виде нескольких параллельных прямолинейных пористых керамических элементов в форме труб или каналосодержащих стержней с заданными размерами пор, концы которых по периферии механически герметично закреплены в сквозных отверстиях металлической патронной решетки (фланца) с помощью упругих резиновых или полимерных прокладок и прижимов (см. Фильтры для жидкостей. Каталог. НПО "ХИММАШ", часть II, кн.1 "Фильтры периодического действия", изд. 3-е испр. и доп., М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1990, с.22-23). В других конструкциях пористые керамические элементы выполнены наборными в направлении фильтрации и закреплены через промежуточные элементы (US 2001013272, Blase et al., 2001; JP 2000354746, Boku, 2000). В аппарате фильтрации (RU 2188699 С1, Терпугов и др., 2002) трубчатые мембранные элементы установлены между трубной и прижимной решетками, между которыми размещены решетчатые уплотнения.

Известные конструкции фильтрационного модуля сложны, трудоемки в монтаже, ненадежны в условиях длительной многократной эксплуатации, не обеспечивают герметичности крепления фильтрующих элементов в отверстиях торцевых дисков, из-за чего не гарантируется высокое качество получаемых продуктов как в фильтрате, так и в концентрате.

Наиболее близким к изобретению является фильтрационный модуль, в котором мембранный фильтр выполнен в виде установленного в корпусе модуля, состоящего из нескольких жестких полупроницаемых трубок (например, керамических) небольшого диаметра, имеющих рабочий полупроницаемый слой на внутренних поверхностях и скрепленных герметично с помощью двух фланцев, жестко прикрепленных к корпусу (RU 2179061 С1, Соловьев, 2002 - ближайший аналог). Однако технология и форма выполнения такого герметичного соединения в изобретении не раскрыта. В то же время модуль должен обеспечивать химическую инертность, устойчивость к температурным перепадам при регенерации и стерилизации, а также высокую механическую прочность, в частности, при деформациях на изгиб при установке в корпусе. Данная конструкция не позволяет без разборки модуля регенерировать сразу все фильтрующие элементы, а также надежно вести процессы фильтрации при предварительной стерилизации фильтрационных модулей паром.

Задачей изобретения является создание фильтрационного модуля с повышенной надежностью и возможностью использования для стерилизующей фильтрации.

Указанная задача решается тем, что фильтрационный модуль содержит установленный в корпусе мембранный фильтр, выполненный в виде набора жестких полупроницаемых керамических элементов в форме трубок или каналосодержащих стержней, герметично закрепленных в отверстиях фланцев. Фланцы мембранного фильтра выполнены из плотноспеченного ситалла; закрепление керамических элементов в отверстиях фланцев выполнено посредством ситаллоцемента с образованием монолитной конструкции. Ключевым в предлагаемом решении является одинаковые значения температурного коэффициента линейного расширения, присущие ситаллу, ситалло-цементу и материалу керамических элементов.

Модуль может характеризоваться тем, что керамические элементы на основе Al₂O₃ и фланец из плотноспеченного пироксенового ситалла на основе СаО·MgO·2SiO₂ спаяны пироксеновым ситаллоцементом.

Модуль может характеризоваться и тем, что керамические элементы на основе SiC и фланец из плотноспеченного кордиеритового ситалла спаяны кордиеритовым ситаллоцементом.

Модуль может характеризоваться также и тем, что керамические элементы на основе кордиеритового ситалла 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂ и фланец из плотноспеченного кордиеритового ситалла спаяны кордиеритовым ситаллоцементом.

Благодаря патентуемой совокупности признаков достигается следующий технический результат изобретения - повышение надежности в условиях длительной многократной эксплуатации и обеспечение эффективности стерилизующей фильтрации за счет сохранения герметичности крепления фильтрующих элементов в отверстиях фланцев в агрессивных условиях и при высоких температурах регенерации, а также удобство в эксплуатации за счет монолитности конструкции.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен фильтрационный модуль на основе пористой керамики, на фиг.2 - то же, что на фиг.1, разрез по А-А.

Фильтрационный модуль содержит устанавливаемый в корпусе (не показан) монолитный мембранный фильтр, выполненный в виде набора жестких полупроницаемых керамических элементов 1 с осевыми отверстиями 2. Элементы 1 закреплены неразъемно и герметично в сквозных отверстиях во фланцах 3, выполненных из вакуумно-плотного ситалла. Концы элементов 1 закреплены в отверстиях фланцев 3 посредством ситаллоцемента 4. Характеристики ситалла, из которого изготовлены фланцы 3, ситаллоцемент 4 и керамика для элементов 1 выбраны с одинаковыми значениями температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) в диапазоне температур до 500°С. ТКЛР ситалла и ситаллоцемента подбирают расчетным путем по методу аддитивности исходя из известных свойств главной задаваемой кристаллической фазы, а также свойств выбранной стеклофазы с учетом количественного соотношения обеих фаз в кристаллическом материале (Павлушкин Н.М. Основы технологии ситаллов. - М.: Стройиздат, 1979). Расчет составов стекол и ситаллов с заданными свойствами известен для специалистов и описан (Тыкачинский И.Д. Проектирование и синтез стекол и ситаллов с заданными свойствами. - М.: Стройиздат, 1977). Размер пор керамических элементов определяется параметрами фильтруемых материалов.

Фланцы 3 и отверстия в них изготавливаются известными способами порошковой технологии: полусухим прессованием, виброуплотнением, горячим шликерным литьем под давлением, с учетом дальнейшей огневой усадки при обжиге этих изделий. Для удобства заполнения уплотняемых элементов ситаллоцементом и повышения герметичности соединений отверстия во фланцах могут иметь фаски.

Пример 1. Мембранный фильтр с повышенной кислото- и водостойкостью имеет трубчатые элементы 1, выполненные из пористой корундовой керамики на основе Al₂O₃. Фланец 3 выполнен из плотноспеченного пироксенового ситалла на основе CaO·MgO·2SiO₂. В качестве ситаллоцемента - пироксеновый ситаллоцемент. Размеры элемента 1 (трубка): диаметр - 10 мм, толщина стенки - 2 мм, длина - 900 мм. Количество трубок в одном блоке - 19. Диаметр фланца 3-80 мм, толщина - 5 мм.

Перед сплавлением компоненты мембранного фильтра собирают. В зазор между элементами 1 и отверстиями во фланце 3, включая фаски, вводят ситаллоцемент 4, уплотняют его и проводят термообработку, в результате чего образуется монолитная конструкция. Температура спекания от 900 до 1300°С. Время выдержки при температуре спекания 0,5-1,0 часа. Скорость нагревания и охлаждения - в пределах 1-3 град/мин.

Пример 2. Мембранный фильтр с повышенной щелоче- и термостойкостью содержит элементы 1, выполненные из пористой керамики на основе SiC (или кордиеритового ситалла на основе 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂) и фланец 3 - из плотноспеченного кордиеритового ситалла. Размеры элементов - как в примере 1. В качестве ситаллоцемента использован легкоплавкий кордиеритовый ситаллоцемент. Температура спекания от 1150 до 1300°С. Время выдержки и скорость нагревания и охлаждения аналогичны примеру 1.

Испытания показали, что фильтрационный модуль с описанной конструкцией монолитного мембранного фильтра характеризуется высокой механической прочностью, надежен в работе, удобен в обслуживании и дает возможность эффективной регенерации высоким противодавлением, пропариванием, путем химического вытравливания или термического выжигания улавливаемых примесей. Ситалл и ситаллоцемент обладают высокой механической прочностью (не ниже 100 МПа), химической инертностью и устойчивостью к кислотным и щелочным средам, нефтепродуктам, жидким пищевым продуктам, медицинским препаратам и другим веществам, а также высокой термической устойчивостью (не ниже 500°С).

Данная конструкция фильтрационного модуля позволяет также надежно вести процессы стерилизующей фильтрации при предварительной обработке фильтрационных модулей паром в составе установок мембранной фильтрации.

Конструкция фильтрационного модуля согласно изобретению обеспечивает удобство и быстроту его монтажа и демонтажа, особенно при длительной многократной эксплуатации, гарантирует полную герметичность крепления элементов во фланцах и, следовательно, обеспечивает высокое качество получаемого фильтрата и концентрата. Кроме того, она позволяет эффективно и многократно регенерировать одновременно весь блок фильтров в корпусе путем создания в нем высокого противодавления без разборки фильтрационного модуля, а также путем химического вытравливания или термического выжигания улавливаемых примесей из всего фильтрационного блока после его извлечения из корпуса в специальных травильных емкостях или термических камерах.

1. Фильтрационный модуль, содержащий установленный в корпусе мембранный фильтр, выполненный в виде набора жестких полупроницаемых керамических элементов в форме трубок или каналосодержащих стержней, герметично закрепленных в отверстиях фланцев, отличающийся тем, что фланцы мембранного фильтра выполнены из плотноспеченного ситалла, закрепление керамических элементов в отверстиях фланцев выполнено посредством ситаллоцемента с образованием монолитной конструкции, при этом ситалл, ситаллоцемент и материал керамических элементов имеют одинаковые значения температурного коэффициента линейного расширения.

2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что керамические элементы на основе Al₂O₃ и фланец из плотноспеченного пироксенового ситалла на основе CaO·MgO·2SiO₂ спаяны пироксеновым ситаллоцементом.

3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что керамические элементы на основе SiC и фланец из плотноспеченного кордиеритового ситалла спаяны кордиеритовым ситаллоцементом.

4. Модуль по п.1, отличающийся тем, что керамические элементы на основе кордиеритового ситалла 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂ и фланец из плотноспеченного кордиеритового ситалла спаяны кордиеритовым ситаллоцементом.