Мембранный фильтрующий элемент рулонного типа

Авторы патента:

Шахова Елена Николаевна (RU)

Солодихин Николай Иванович (RU)

Сидоренко Валерий Михайлович (RU)

B01D63/10 - спирально намотанные мембранные элементы

Владельцы патента RU 2290256:

Общество с ограниченной ответственностью "Экофил" (RU)

Изобретение относится к конструкции мембранных фильтрующих элементов (МЭ) рулонного типа для разделения жидких сред в процессах обратного осмоса, нано-, ультра- и микрофильтрации. Технический результат - повышение производительности и обеспечение проведения фильтрации как в проточном, так и в тупиковом режиме. МЭ включает фильтратотводящую трубку с радиальными отверстиями по длине, вокруг которой спирально намотан один или несколько мембранных пакетов, состоящих из сложенной активной стороной внутрь полупроницаемой мембраны с вложенной в нее турбулизаторной сеткой, и промежуточных листов пористого материала. Торцы элементов полностью загерметизированы методом заливки термореактивной клеевой композицией или расплавом термопластичного материала, а его напорные каналы открыты с наружной цилиндрической поверхности элемента. На наружной цилиндрической поверхности МЭ размещена эластичная оболочка, закрепленная с одного торца на диске, имеющем каналы для поступления фильтруемой среды под эластичную оболочку. На торцевом диске установлена уплотнительная манжета двухстороннего действия, предотвращающая обтекание МЭ фильтруемой средой как справа налево, так и слева направо. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области конструкции (устройства) мембранного фильтрующего элемента рулонного типа (далее МЭ).

МЭ состоит из мембранных пакетов, чередующихся с листами дренажного материала для отвода пермеата, намотанных на фильтратотводящую перфорированную трубку и загерметизированных определенным образом.

МЭ нашли широкое применение практически во всех областях промышленности в процессах обратного осмоса, нано-, ультра-, микрофильтрации. Наиболее широко МЭ используются для обессоливания природных и сточных вод промышленных предприятий, водоподготовки технологической воды для различных производств, для получения питьевой воды, в том числе для бытовых нужд.

Появление новых конструкций МЭ является неизбежным следствием, прежде всего, создания новых мембран и возрастанием требований, предъявляемых к МЭ.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны различные конструкции МЭ. МЭ отличаются друг от друга общей конструкцией, технологией изготовления, применяемыми конструкционными материалами, герметизацией (Патенты Японии №№54-151571, 54-149384, 54-149383, 53-124179; Патенты США №№3966616, 3417870, 4235723, 4906372, 5538642; Авторские свидетельства №№1205359, 1213100, 1595553).

Наиболее близкая к заявляемой конструкция МЭ приведена в патенте США №4906372. Согласно этому патенту МЭ содержит трубку с отверстиями для отвода фильтрата, на которую намотаны листы сложенной мембраны, внутри каждого листа находится лист сетки, листы сложенной мембраны разделены пористым материалом. После намотки образуется МЭ, представляющий собой цилиндр с осевой фильтратотводящей трубкой, внутри которого сформированы каналы исходной воды и фильтрата. Каналы для подачи воды открыты с двух сторон (торцев) МЭ и с его наружной цилиндрической поверхности. Исходная жидкость подается в один торец МЭ и выводится через другой торец. Фильтрат выводится через фильтратотводящую трубку.

Недостатком МЭ по патенту США №4906372 является большая зона герметизации мембранных пакетов, что уменьшает рабочую поверхность МЭ и его производительность, а также невозможность использования МЭ для фильтрации в тупиковом режиме с регулярными восстановительными противоточными промывками и продувками сжатым воздухом.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью изобретения является создание конструкции МЭ с увеличенной производительностью, которая обеспечивала бы при этом оптимальные условия проведения фильтрации как в проточном, так и в тупиковом режиме с регулярными восстановительными противоточными промывками и продувками сжатым воздухом.

Согласно изобретению, МЭ состоит из фильтратотводящей трубки 1 с радиальными отверстиями по длине, вокруг которой спирально намотан один или несколько мембранных пакетов, каждый из которых состоит из сложенной вдвое полупроницаемой мембраны 7 активный стороной во внутрь с листом турбулизаторной сетки 8 и промежуточного пористого материала 9, напорные каналы элемента открыты с его наружной цилиндрической поверхности (фиг.1).

Для уменьшения зоны герметизации мембранных пакетов и увеличения за счет этого производительности МЭ его торцы полностью загерметизированы методом заливки термореактивной клеевой композиции или расплавом термопластичного материала 11.

Согласно изобретению, для создания оптимальных условий проведения фильтрации как в проточном, так и в тупиковом режиме с регулярными восстановительными противоточными промывками и продувками сжатым воздухом, на наружной цилиндрической поверхности МЭ размещена эластичная, легко растягиваемая в радиальном направлении оболочка 6, закрепленная с одного торца на диске 3, имеющем каналы 4 для поступления фильтруемой среды как в торцевую часть элемента, так и под эластичную оболочку, занимающую 70-80% длины МЭ. На торцевом диске установлена уплотнительная манжета 5 двухстороннего действия, предотвращающая обтекание МЭ фильтруемой средой как справа налево, так и слева направо. Отношение длины мембранного пакета к его ширине составляет от 1:1 до 1:3.

Согласно изобретению, для улучшения отвода фильтрата пористый материал может включать в себя не менее двух листов дренажного материала. Пористый материал может включать в себя одну или несколько сеток толщиной от 0,2 до 2 мм.

Авторами изобретения найдено, что выполнение конструкции МЭ в соответствии с указанными выше особенностями позволяет увеличить его производительность и использовать его для фильтрации в тупиковом режиме с регулярными восстановительными противоточными промывками и продувками сжатым воздухом.

Герметизация торцев МЭ методом заливки термореактивной клеевой композиции или расплавом термопластичного материала позволила снизить площадь герметизации на 80-100% и за счет этого увеличить производительность в среднем на 10%. Оптимальные условия проведения фильтрации как в традиционном для мембранных элементов проточном, так и в тупиковом режимах с регулярными восстановительными противоточными промывками и продувками сжатым воздухом достигаются тем, что на его наружной цилиндрической поверхности размещена эластичная, легко растягивающаяся в радиальном направлении оболочка, закрепленная с одного торца на диске, имеющем каналы для поступления фильтруемой среды как в торцевую часть элемента, так и под эластичную оболочку и занимающая 70-80% длины МЭ. Увеличение длины эластичной оболочки до значений, превышающих 80% от длины МЭ, приводит к увеличению его сопротивления. Длины эластичной оболочки менее 70% длины МЭ может привести к образованию застойных зон в напорных каналах МЭ и снижению эффективности его работы. При этом на торцевом диске установлена уплотнительная манжета двухстороннего действия, предотвращающая обтекание МЭ фильтруемой средой как справа налево, так и слева направо.

В рабочем режиме тупиковой фильтрации (ультра-, микрофильтрация) фильтруемая среда поступает в каналы МЭ и под эластичную оболочку. Эластичная оболочка 6 растягивается в радиальном направлении и образует коллектор исходной фильтруемой среды, откуда она имеет доступ ко всем участкам мембраны (фиг.2). При проведении восстановительной противоточной промывки (фиг.3) вода или водовоздушная смесь для промывки подается со стороны противоположного торца МЭ, при этом эластичная оболочка 6 прижимается к наружной цилиндрической поверхности МЭ, обеспечивая высокие линейные скорости потока воды в напорных каналах, необходимые для эффективной промывки. Во время промывки вода подается также и в фильтратотводящую трубку со стороны дренажного канала.

При использовании заявляемого МЭ в режиме проточной фильтрации (обратный осмос, нанофильтрация) исходная фильтруемая среда подается в МЭ со стороны торца, противоположного торцу с диском 3, на котором установлена уплотнительная манжета двустороннего действия 5 (фиг.4). При этом эластичная оболочка 6 прижимается к наружной цилиндрической поверхности МЭ, обеспечивая этим высокие линейные скорости потока воды в каналах, необходимые для эффективного проведения процесса обратного осмоса или нанофильтрации.

В качестве турбулизаторной сетки 8 предпочтительно использовать безузелковые сетки толщиной от 0,3 до 2 мм. Лучшим дренажным материалом является трикотажное основовязальное полотно из лавсановой нити, пропитанное раствором эпоксидной смолы с последующим ее отверждением.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 приведен эскиз заявляемого МЭ с показом основных его деталей и их расположения относительно друг друга.

На фиг.2 приведен эскиз заявляемого МЭ с указанием направления потоков исходной фильтруемой среды и фильтрата в рабочем режиме тупиковой фильтрации.

На фиг.3 приведен эскиз заявляемого МЭ с указанием направления потоков исходной фильтруемой среды и фильтрата в режиме восстановительной противоточной промывки тупиковой фильтрации.

На фиг.4 приведен эскиз заявляемого МЭ с указанием направления потоков исходной фильтруемой среды, концентрата и фильтрата в рабочем режиме проточной фильтрации:

1 - фильтратотводящая трубка;

2 - отверстия в трубке для отвода фильтрата;

3 - диск;

4 - отверстия в диске для поступления исходной фильтруемой среды;

5 - уплотнительная манжета двухстороннего действия;

6 - эластичная оболочка;

7 - мембрана;

8 - лист турбулизаторной сетки;

9 - пористый материал;

10 - место герметичного соединения пористого материала с прилегающими мембранами (соединение мембрана - пористый материал-мембрана) в зоне внешней цилиндрической поверхности МЭ;

11 - место герметичного соединения торцев МЭ (соединение мембрана-пористый материал-мембрана-турбулизаторная сетка).

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Заявителем совместно с авторами изобретения были изготовлены и испытаны опытные образцы МЭ с внешним диаметром 65 и 100 мм и длиной 1016 мм.

Основные конструктивные особенности, исходные материалы и результаты испытаний опытных образцов МЭ приведены в таблице.

Основные параметры и результаты испытаний опытных образцов МЭ.

Таблица
Наименование основных параметров и эксплуатационные характеристики	Данные по опытным образцам
1.	2.	3.	4.	5.	6.	7.
1. Используемое мембранное полотно:
1.1. нанофильтрационная композитная мембрана	+	+	-	-	-	+	-
1.2. Микрофильтрационная мембрана (размер пор 1,00 мкм)	-	-	+	+	+	-	+
2. Наружный диаметр образца МЭ, мм
2.1. 65,0	+	+	+	+	-	-	+
2.2. 100,0	-	-	-	-	+	+	-
3. Отношение длины к ширине мембранного пакета
3.1. 1:1	+	-	+	-	+	-	-
3.2. 1:3	-	+	-	+	-	+	+
4. Число мембранных пакетов в МЭ	4	10	4	10	4	10	10
4.1. Состав пористого материала
4.1.1. 1 лист дренажного материала	+	+	-	-	-	+	-
4.1.2. 2 листа дренажного материала и 1 сетка толщиной 0,2 мм	-	-	+	-	+	-	+
4.1.3. 2 листа дренажного материала и 1 сетка толщиной 2 мм				+
5. Длина эластичной оболочки
- 70% длины элемента	-	+	-	-	-	-	+
- 80% длины элемента	-	-	-	+	+	+	-
6. Герметизация мембранных пакетов в МЭ:
6.1. согласно патенту США 4906372	+	-	+	-	-	-	-
6.2. согласно настоящему изобретению	-	+	-	+	+	+	+

7. Эксплуатационные характеристики МЭ
7.1. Производительность (по фильтрату), л/час	180	205	280*	320*	725*	410	335*
7.2. Селективность, %:
- по MgSO₄	96,9	97,0	-	-	-	95,9	-
- по мутности (ГОСТ 3351-74)	-	-	74	73,5	76,1	-	74÷76
Условия испытаний:
Давление, МПа	1,6	1,6	0,15	0,15	0,15	1,6	0,15
Температура, °С	20	20	20	20	20	20	20
* - начальные значения производительности

Контрольные испытания проводились:

- нанофильтрационных элементов на 0,2% растворе MgSO₄,

- микрофильтрационных элементах на водопроводной воде (Клязьминский водозабор г.Владимира).

Анализ результатов испытаний экспериментальных образцов элементов позволяет сделать следующие выводы:

1. Оба способа герметизации мембранных пакетов в элементах достаточно надежны:

селективность элемента (см. п.7.2 таблицы) практически соответствует селективности используемой мембраны.

2. При герметизации методом заливки торцов по сравнению с герметизацией согласно прототипу обеспечивается увеличение эффективной (рабочей) площади мембраны в элементе, и, как следствие, увеличение его производительности при прочих одинаковых условиях (см. п.7.1., образцы элементов 1 и 2; 3 и 4). Этот эффект наблюдается во всем диапазоне соотношения длины к ширине мембранного пакета от 1:1 до 1:3 ив диапазоне толщины сетки, используемой в дренажном канале, от 0,2 до 2 мм, а также в диапазоне длины эластичной оболочки 70-80% длины элемента.

3. Ресурсные испытания микрофильтрационных элементов, изготовленных согласно настоящему изобретению, 4, 5, 7 в течение 100 часов в тупиковом режиме на водопроводной воде с циклическими восстановительными обратноточными промывками, показали их, безусловно, положительное влияние на ресурс работы элемента: после каждой промывки производительность элемента восстанавливалась до уровня 80-85% от первоначальной. При этом клеевые швы испытывали многократные знакопеременные нагрузки (сжатие-растяжение) без нарушения герметичности МЭ. Конструкция микрофильтрационного элемента, изготовленного согласно патенту США №4906372, не позволяет проводить циклические восстановительные обратноточные промывки. Поэтому производительность элемента, изготовленного согласно патенту США №4906372, после эксплуатации в течение первых часов падает до 5-10% от первоначальной производительности.

4. МЭ согласно настоящему изобретению имеет увеличенную по сравнению с прототипом производительность и обеспечивает оптимальные условия проведения фильтрации как в проточном, так и в тупиковом режиме с регулярными восстановительными противоточными промывками и продувками сжатым воздухом во всем диапазоне соотношения длины к ширине мембранного пакета от 1:1 до 1:3 и в диапазоне толщины сетки, используемой в дренажном канале, от 0,2 до 2 мм, а также в диапазоне длины эластичной оболочки 70-80% длины элемента.

1. Мембранный фильтрующий элемент рулонного типа (МЭ), включающий в себя фильтратотводящую трубку с радиальными отверстиями, вокруг которой спирально намотан один или несколько мембранных пакетов, каждый состоит из сложенной активной стороной внутрь полупроницаемой мембраны с вложенной в нее турбулизаторной сеткой и промежуточных листов пористого материала, напорные каналы элемента открыты с его наружной цилиндрической поверхности, отличающийся тем, что торцы элементов полностью загерметизированы методом заливки термореактивной клеевой композицией или расплавом термопластичного материала, при этом на его наружной цилиндрической поверхности размещена эластичная, легко растягивающаяся в радиальном направлении оболочка, занимающая 70-80% длины элемента, закрепленная с одного торца на диске, имеющем каналы для поступления фильтруемой среды под эластичную оболочку, а на торцевом диске установлена уплотнительная манжета двухстороннего действия, предотвращающая обтекание МЭ фильтруемой средой как справа налево, так и слева направо, отношение длины мембранного пакета к его ширине составляет от 1:1 до 1:3.

2. Мембранный элемент по п.1, отличающийся тем, что пористый материал включает в себя не менее двух листов дренажного материала.

3. Мембранный элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что пористый материал включает в себя не менее одной сетки толщиной от 0,2 до 2 мм.

Изобретение относится к рулонным элементам, работающим по методу тупиковой фильтрации. .

Фильтрационный модуль // 2253505

Изобретение относится к области очистки воды и используется в установках обратного осмоса. .

Мембранный фильтрующий рулонный элемент // 2245187

Изобретение относится к конструкции мембранного фильтрующего рулонного элемента (далее - МФРЭ), который состоит из фильтратотводящей перфорированной трубки и спирально намотанных на нее прилегающих друг к другу через листы турбулизаторной сетки мембранных (полупроницаемых) пакетов.

Мембранный аппарат с погружным фильтрующим элементом, вращающимся под действием разделяемого потока // 2224582

Мембранный рулонный газоразделительный элемент // 2136354

Изобретение относится к аппаратурному оформлению процесса диффузионного разделения газовых смесей, а именно к конструкции мембранного аппарата для разделения газов.

Аппарат для получения обессоленной воды // 2121868

Изобретение относится к аппаратам для получения обессоленной воды и может быть использовано в медицинской, пищевой и электронной промышленности. .

Мембранный рулонный элемент для разделения газов и паров // 2121393

Изобретение относится к мембранному газоразделению и может быть использовано в химической, нефтехимической, газовой промышленности, в машиностроении, медицине, газоаналитической технике.

Способ получения чистой воды и устройство для его осуществления // 2119377

Изобретение относится к способам и устройствам для очистки воды с помощью полупроницаемых мембран. .

Мембранный рулонный элемент // 2108142

Изобретение относится к области опреснения и обессоливания природных и сточных вод обратным способом. .

Аппарат для фильтрации жидкости // 2102127

Мембранный фильтрующий элемент рулонного типа // 2302895

Изобретение относится к области конструкции (устройства) мембранного фильтрующего элемента рулонного типа (далее МЭ)

Мембранный ультрамикрофильтрационный рулонный элемент и способ его изготовления // 2320402

Изобретение относится к мембранным ультра-микрофильтрационным рулонным элементам (МФРЭ), работающим по методу тупиковой фильтрации, для очистки жидкостей, в частности, для получения питьевой воды

Мембранный фильтрующий рулонный элемент // 2392039

Изобретение относится к конструкции мембранных фильтрующих рулонных элементов, предназначенных для разделения жидких сред

Мембранный ультра-микрофильтрационный рулонный элемент // 2398619

Изобретение относится к конструкции мембранных ультра-микрофильтрационных элементов (МФРЭ), предназначенных для очистки технических и природных жидкостей от взвешенных в них частиц, коллоидов и бактерий

Фильтрация с контролем внутреннего засорения // 2460576

Изобретение относится к фильтрации с контролем внутреннего засорения

Рулонный фильтр // 2472575

Изобретение относится к фильтру для мембранной фильтрации жидкостей, в частности к рулонному фильтру с улучшенными фильтрующими характеристиками

Мембранный фильтрующий элемент рулонного типа для очистки воды в бытовых условиях // 2526995

Изобретение относится к области конструкции мембранного фильтрующего элемента рулонного типа (МЭ) для очистки жидких сред и способу его изготовления. Мембранный фильтрующий элемент рулонного типа для очистки воды в бытовых условиях характеризуется тем, что включает в себя центральную трубку с радиальными отверстиями по ее длине и спирально намотанный на нее мембранный пакет, состоящий из сложенной вдвое с наружным селективным слоем полупроницаемой полимерной мембраны и дренажного полотна для канала сбора и отвода фильтрата, турбулизаторной сетки для канала очищаемой воды, при этом сетка выполнена в виде не менее трех последовательно размещенных отрезков разной толщины. Отрезок сетки с наибольшей толщиной размещается у наружной поверхности МЭ, на входе очищаемой воды, а отрезок с наименьшей толщиной - у центральной трубки на выходе концентрата, причем соотношение их толщин в пределах 2,0/1,0-2,5/1,0. Кромка отрезка турбулизаторной сетки, прилегающая к центральной трубке, обернута с двух сторон полосой дренажного полотна с канавками параллельно трубке на величину L=πd, где d - наружный диаметр трубки, и образует кольцевой канал вокруг трубки для вывода концентрата, при этом указанные каналы и торцы МЭ герметизированы друг от друга. Кроме того, МЭ обернут в полимерную пленку, имеющую в зоне ввода очищаемой воды в мембранный элемент ряд отверстий по всей его длине, при этом ввод очищаемой воды выполнен через наружную поверхность МЭ, а вывод концентрата и фильтрата - через центральную трубку. Технический результат заключается в упрощении технологии изготовления мембранного элемента, эксплуатации и замены при высоком коэффициенте конверсии. 3 ил., 1 табл.

Сетка для концентратного канала мембранных рулонных элементов // 2549846

Изобретение относится к области водоподготовки и водоочистки, а именно к оборудованию, используемому в мембранных рулонных элементах для обратного осмоса и нанофильтрации. Предлагается сетка, ячейки которой имеют форму связанных между собой правильных многоугольников, в вершинах которых размещены сферы, связанные между собой цилиндрическими перемычками (ребрами многоугольников), диаметр которых составляет 0,1-0,8 диаметра сфер. Индивидуальная ячейка сетки, как правило, выполняется в форме треугольника, квадрата, шестиугольника или ромба, но может быть выполнена в форме и иных многоугольников. При этом ячейка в форме равностороннего треугольника обеспечивает максимальную жесткость конструкции сетки, ячейки в форме ромба или квадрата проще и дешевле остальных в изготовлении, а сетка с ячейкой в форме правильного шестигранника обладает минимальным гидравлическим сопротивлением, но наиболее трудоемка при изготовлении. Сетка позволяет минимизировать гидравлическое сопротивление и объем «мертвых зон», образующихся в рулонных элементах.5 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Электробаромембранный аппарат рулонного типа // 2553859

Изобретение относится к мембранным аппаратам рулонного типа и может быть использовано для фильтрации и обратного осмоса. Аппарат содержит коллекторы отвода прикатодного и прианодного пермеата, образованные пространством между полуцилиндрами корпуса аппарата, корпусом аппарата и полимерной перфорированной перегородкой с перфорацией в три ряда отверстиями в шахматном порядке по всей длине. Со стороны торцевых поверхностей полуцилиндров корпуса аппарата на торцевых крышках имеются отверстия с резьбой, в которую вкручены штуцера для отвода пермеата и ретентата. Пространство между корпусом аппарата, прикатодными, прианодными мембранами и перфорированной трубкой образует коллектор для протекания исходного раствора, в котором расположены сетки-турбулизаторы, в которые вплетены металлические трубки. Межмембранный канал образован последовательно уложенными с двух сторон от сетки-турбулизатора двумя парами прикатодной, прианодной мембран, подложек мембран, дренажных сеток - катода и анода, которые все вместе проклеены с торцевых поверхностей и с сетками-турбулизаторами, в которые вплетены металлические трубки, обернуты вокруг перфорированной трубки, при этом дренажные сетки - катод и анод расположены между подложками мембран и уложенными на них прикатодными и прианодными мембранами, приклеенными в месте перфорации к перфорированной трубке. Технический результат - повышение качества разделения растворов при улучшенном охлаждении пермеата и монополярных электродов. 5 ил., 1 табл.

Мембрана для обратного осмоса // 2555037

Модуль обратного осмоса для получения сверхчистой воды содержит трубу с дном и крышкой и расположенную в трубе мембрану обратного осмоса с пермеатной собирающей трубой. Мембрана обратного осмоса конечным участком вставлена в мембранный фланец и уплотнена относительно него кольцевым уплотнением, а фланец закреплен на дне модуля и имеет предотвращающую телескопирование звездочку, которая является составной частью фланца. Дно модуля имеет входное отверстие для питательной воды, которое заканчивается в кольцевой щели под мембранным фланцем, выходное отверстие для концентрата, которое заканчивается радиально внутри мембранного фланца под мембраной, и отверстие, соединенное с концом собирающей пермеат трубы. Изобретение обеспечивает сведение к минимуму мертвых пространств в конструкции, наличие которых приводит к бактериальному загрязнению и образованию биологических отложений. Также изобретение предусматривает возможность использования в установках обратного осмоса разной производительности. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.