МЕМБРАННЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1995 года по МПК B01D63/00 

Изобретение относится к мембранной технике и технологии разделения жидких смесей методом обратного осмоса и ультрафильтрации, точнее к конструкциям мембранных элементов с полупроницаемыми мембранами, и может быть использовано в установках разделения жидких смесей методом обратного осмоса и ультрафильтрации. Мембранные установки широко используются для деминерализации солоноватых вод, очистки сточных вод, в системах водоподготовки, для концентрирования органических, коллоидных и ферментных растворов, извлечения ценных компонентов в химической, пищевой, микробиологической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности.

Известны мембранные элементы трубчатого типа, у которых мембрана нанесена на внутреннюю поверхность трубок с оптимальным внутренним диаметром 8-25 мм. Одним из существенных достоинств такого типа элементов являются их хорошие гидродинамические характеристики: сопротивление потоку незначительно, а его линейная скорость может превышать 5 м/c. Одним из описанных выше типов элементов являются трубчатые разделительные элементы с подачей исходного раствора внутрь трубок, многоканальные с опорным каркасом из перфорированного или пористого материала, каналы для пропуска обрабатываемой жидкости которых выполнены в виде полуцилиндров (Брык М.Т. и др. Мембранная технология в промышленности. К.: Техника, 1990, с.106-107, рис. 34).

Однако такие устройства характеризуются тем, что при рабочих скоростях потока обрабатываемой жидкости у них возможен отрыв мембраны от подложки или пористого каркаса набегающим потоком. Другим существенным недостатком является невозможность изменения материала мембраны с целью подбора оптимальной мембраны для каждого вида обрабатываемой жидкости.

Известны также плоскопараллельные мембранные элементы, состоящие из мембран, обращенных друг к другу подложками, между которыми установлен пористый материал, за счет герметизации по периметру образующих пакеты. Полости пакетов гидравлически соединены посредством стяжных болтов и образуют открытые с торцов прямоугольные короба. Между пакетами имеются зазоры, обеспечивающие дистанционирование пакетов и турбулизацию потока [1].

Такие устройства непригодны для обработки вязких растворов, а также растворов с высокой склонностью к загрязнению мембран вследствие осадко- и гелеобразования, вызывающего снижение проницаемости мембранных элементов. Кроме того, при рабочих скоростях потока обрабатываемой жидкости в таких мембранных элементах возможен отрыв мембраны от подложки или пористого каркаса набегающим потоком. Другим существенным недостатком является невозможность изменения материала мембраны с целью подбора оптимальной мембраны для каждого вида обрабатываемой жидкости.

Цель изобретения - создание конструкции, обеспечивающей возможность многократной замены мембраны, исключение отрыва мембраны от подложки за счет формирования потока за пределами торцовой части мембранного элемента.

Цель достигается тем, что в мембранном элементе для разделения растворов, содержащем пакеты обращенных друг к другу подложками мембран с опорным каркасом в виде перфорированного или пористого материала между ними, собранные в открытый со сторон входа и выхода раствора короб, опорный каркас выполнен гофрированным с одинаковым радиусом гиба гофр, и на коробе со стороны входа раствора установлена решетка, края отверстий которой отогнуты внутрь каналов, образованных гофрами соседних пакетов, кроме того мембранный элемент снабжен решеткой со стороны выхода раствора, края отверстий решетки со стороны выхода раствора отогнуты внутрь каналов под углом к их продольным осям, отверстия в решетке выполнены с увеличивающимися от центра к периферии короба размерами, отверстия в решетках со стороны входа и выхода раствора имеют неодинаковые размеры, опорный каркас выполнен полым из двух перфорированных пластин с прокладками между ними по периметру, мембранный элемент снабжен полыми стяжными болтами, установленными на боковых краях пакета и соединенными посредством отверстий с полостями, при этом в прокладках в местах установки полых стяжных болтов выполнены вырезы со стороны полости, опорный каркас снабжен дополнительными прокладками для образования зигзагообразного канала и на перфорированных пластинах выполнены дистанционирующие выступы.

Выполнение опорного каркаса гофрированным с одинаковым радиусом гиба гофр и установка на коробе со стороны входа раствора решетки, края отверстий которой отогнуты внутрь каналов, образованных гофрами соседних пакетов, обеспечивает образование продольных каналов для пропуска обрабатываемой среды с обеих сторон пакетов мембран при соединении последних в короб, что снижает удельную материалоемкость и уменьшает сопротивление потоку за счет протока жидкости через каналы с большим живым сечением по всей поверхности мембран, при этом обеспечивается фиксация частей элемента в продольном и поперечном направлениях, формирование потоков в продольных каналах элемента, защита торцов мембран от разрушения их набегающим потоком обрабатываемой жидкости и фиксация концов мембран на пористых или перфорированных вставках путем их стягивания продольными шпильками.

Снабжение мембранного элемента решеткой со стороны выхода раствора обеспечивает фиксацию частей элемента в продольном и поперечном направлениях и закрепление концов мембран на пористых или перфорированных вставках путем стягивания верхней и нижней решеток продольными шпильками.

Выполнение краев отверстий решетки со стороны выхода раствора отогнутыми внутрь каналов под углом к их продольным оcям обеспечивает закрутку потока обрабатываемой жидкости, турбулизуя его, что способствует уменьшению вредного воздействия явлений концентрационной поляризации, приводящей к уменьшению проницаемости мембранного элемента.

Выполнение отверстий в решетке с увеличивающимися от центра к периферии короба размерами обеспечивает равномерность потока во всех каналах мембранного элемента, что позволяет применять в мембранных аппаратах подводящие трубы меньшего диаметра, обеспечивая снижение материалоемкости.

Выполнение отверстий в решетках со сторон входа и выхода раствора с неодинаковыми размерами обеспечивает изменение режима течения жидкости в мембранном элементе; увеличение отверстий уменьшает сопротивление, что необходимо при обработке высоковязких сред; при работе с маловязкими жидкостями полезно применение решеток с меньшими отверстиями, создающими некоторый подпор для уменьшения скорости протекания жидкости над мембраной.

Выполнение опорного каркаса полым из двух перфорированных пластин с прокладками между ними по периметру обеспечивает простоту изготовления и сборки перфорированных пластин, дистанционирование пластин, создание на них симметричных гофров, упрощает стяжку пакетов в короб, так как в этой зоне перфорированные пластины опираются на прокладки и не деформируются. Кроме того благодаря простоте сборки и разборки можно многократно заменять мембраны в элементе при их выходе из строя либо необходимости перехода на другую марку мембран.

Снабжение мембранного элемента полыми стяжными болтами, установленными на боковых краях пакета и соединенными посредством отверстий с полостями, в прокладках в местах установки полых стяжных болтов выполнены вырезы со стороны полости, обеспечивает упрощение конструкции и простоту отвода пермеата из полости между перфорированными пластинами, не создавая дополнительного сопротивления потоку, по сравнению с известным устройством, в котором отвод пермеата производится по центральной оси каждого пакета, из-за чего центральная часть их работает при более низких скоростях потока.

Снабжение опорного каркаса дополнительными прокладками для образования зигзагообразного канала обеспечивает возможность циркуляции пермеата вдоль всей поверхности мембран, что является одним из условий работы мембран в первапорационном режиме, а при работе в режиме ультрафильтрации или обратноосмотического разделения способствует повышению производительности мембранного элемента.

Выполнение на перфорированных пластинах дистанционирующих выступов обеспечивает уменьшение прогиба пластин за счет уменьшения расстояния между опорами. Это позволяет использовать одни и те же пластины и для ультрафильтрации, и для обратного осмоса.

На фиг.1 показан мембранный элемент; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг. 3 - узел I на фиг.1; на фиг.4 - узел II на фиг.1; на фиг.5 - узел III на фиг.1; на фиг.6 - узел IV на фиг.5; на фиг.7 - разрез Б-Б на фиг.5; на фиг. 8 - пакет, вид сбоку (установка прокладок между перфорированными пластинами каркаса); на фиг.9 - узел V на фиг.4; на фиг.10 - вариант выполнения турбулизатора.

Мембранный элемент содержит мембраны 1 в виде нанесенного на пористую подложку тонкого покрытия с порами заданного размера. При этом мембраны попарно обращены друг к другу подложками, между ними установлен опорный каркас 2 в виде двух перфорированных пластин 3, перфорированные пластины собираются в каркас путем установки по периметру прокладок 4, закрепляемых на каркасе, при этом в боковых прокладках выполнены пазы 5 для пропуска через отверстия 6 в перфорированных пластинах 3 полых стяжных болтов 7 с установленными на концах гайками 8. В полых стяжных болтах 7 выполнены пазы 9. На концах болтов со стороны, противоположной гайке 8, отверстия выполнены в виде штуцеров 10. Собранные пакеты имеют гофрированное сечение, при этом радиусы гиба опорного каркаса выполнены одинаковыми на вогнутой части перфорированных пластин 3 с обеих сторон, и при сборке каркасов в пакет гофры образуют продольные каналы 11, открытые с торцов короба. На торцах короба на входе и выходе из каналов 11 установлены решетки 12, в которых выполнены отверстия 13, края которых отогнуты внутрь каналов, образованных гофрами соседних пакетов, и снабжены отогнутыми к середине отверстий 13 вдоль продольных надрезов краями 14, выполняющими роль турбулизаторов, закручивающих поток. Между перфорированными пластинами 3 установлены прокладки 15, образуя зигзагообразный канал. Для повышения жесткости перфорированных пластин 3 и обеспечения их дистанционирования на перфорированных пластинах 3 выполнены дистанционирующие элементы 16 в виде выштампованных выступов. Для выравнивания скоростей потока обрабатываемой жидкости отверстия 13 в решетках 12 со стороны входа потока могут быть выполнены с увеличивающимися от центра к периферии решетки размерами, кроме того в решетке со стороны выхода они могут быть выполнены с размерами, большими или меньшими, чем в решетке со стороны входа. Решетки 12 стянуты между собой шпильками 17.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Исходная жидкость подается в мембранный элемент сверху под рабочим давлением от 0,2 до 0,5 МПа для ультрафильтрации и от 2,5 до 10 МПа при обратноосмотическом разделении. Проходя через отверстия 13 в решетках 12 за счет взаимодействия с выступами на отогнутых краях 14 отверстий 13, жидкость получает закрутку и поступает в продольные каналы 11. При движении потока жидкости над мембраной 1 очищенная жидкость проходит через нее и поступает в зазор между пластинами 3 и, перемещаясь между прокладками 15 и обтекая дистанционирующие элементы 16 каркаса 2, через пазы 5 в прокладках 4 и пазы 9 установленных в отверстиях 6 стяжных болтов 7 и через штуцеры 10 отводится из мембранного элемента. Остальная жидкость в виде концентрата выводится через отверстия в нижней решетке 12. Для замены мембран достаточно демонтировать шпильки 17, снять решетки 12 и, отвернув гайки 8, демонтировать стяжные болты 7. После этого заменить на опорных каркасах 2 мембраны 1 и произвести сборку в последовательности, обратной разборке.

Предлагаемое устройство обеспечивает возможность многократной замены мембраны, повышает надежность в работе мембранного элемента за счет исключения отрыва мембраны на входе потока.

Мембранный элемент для разделения растворов содержит пакеты обращенных друг к другу подложками мембран с опорным каркасом в виде перфорированного или пористого материала между ними, собранные в открытый со сторон входа и выхода раствора короб. Опорный каркас выполнен гофрированным с одинаковым радиусом гиба гофр, и на коробе со стороны входа раствора установлена решетка, края отверстий которой отогнуты внутрь каналов, образованных гофрами соседних пакетов. Решетка может быть установлена также со стороны выхода раствора, при этом края отверстий решетки отогнуты внутрь каналов под углом к их продольным осям. Отверстия в решетках выполнены с увеличивающимся от центра к периферии короба размерами. Преимущественно отверстия в решетках со стороны входа и выхода раствора имеют неодинаковые размеры, а опорный каркас выполняют полым из двух перфорированных пластин с прокладками между ними по периметру. 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. МЕМБРАННЫЙ ЭЛЕМЕНТ для разделения растворов, содержащий пакеты обращенных одна к другой подложками мембран с опорным каркасом в виде перфорированного или пористого материала между ними, собранные в открытый со сторон входа и выхода раствора короб, отличающийся тем, что опорный каркас выполнен гофрированным с одинаковым радиусом гиба гофр на коробе со стороны входа раствора установлена решетка, края отверстий которой отогнуты внутрь каналов, образованных гофрами соседних пакетов. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что снабжен решеткой со стороны выхода раствора. 3. Элемент по п.1, отличающийся тем, что края отверстий решетки со стороны выхода раствора отогнуты внутрь каналов под углом к их продольным осям. 4. Элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что отверстия в решетке выполнены с увеличивающимися от центра к периферии короба размерами. 5. Элемент по пп.1 и 2, отличающийся тем, что отверстия в решетках со стороны входа и выхода раствора имеют неодинаковые размеры. 6. Элемент по п.1, отличающийся тем, что опорный каркас выполнен полым из двух перфорированных пластин с прокладками между ними по периметру. 7. Элемент по пп.1 и 6, отличающийся тем, что снабжен полыми стяжными болтами, установленными на боковых краях пакета и соединенными посредством отверстий с полостями, при этом в прокладках в местах установки полых стяжных болтов выполнены вырезы со стороны полости. 8. Элемент по пп.1 и 6, отличающийся тем, что опорный каркас снабжен дополнительными прокладками для образования зигзагообразного канала. 9. Элемент по пп.1 и 6, отличающийся тем, что на перфорированных пластинах выполнены дистанционирующие выступы.