МЕМБРАННЫЙ ФИЛЬТР Российский патент 1995 года по МПК B01D63/08 

Изобретение относится к фильтрованию и очистке нейтральных и агрессивных жидкостей с использованием полупроницаемых мембран, в частности к устройствам мембраной технологии, и может быть использовано в различных отраслях промышленности для осуществления процессов ультрафильтрации и микрофильтрации при получении чистых сред.

Известны и широко применяются в технике мембранные аппараты (или мембранные фильтры), представляющие собой плоскокамерные конструкции с пакетом полупроницаемых мембран. Фильтрационная очистка жидкости в таких устройствах осуществляется в так называемом "тангенциальном потоке", когда очищаемая жидкость профильтровывается по одной поверхности мембран, а очищенная жидкость отводится по противоположной стороне. Этот принцип фильтрования позволяет производить самоочистку полупроницаемых мембран за счет снижения уровня концентрационной поляризации под воздействием динамического напора скоростного потока жидкости, чем обеспечивается достаточно большой ресурс работы аппарата. При этом чем выше скорость потока жидкости по поверхности мембран, тем выше ресурс работы и качество фильтрования.

В свою очередь, необходимая оптимальная скорость потока обусловлена геометрическими размерами камеры, образованной поверхностями мембраны и прокладками, т.е. эффективность работы аппарата зависит от конструкции и способа выполнения фильтрующих элементов.

Известна конструкция мембранного аппарата, содержащего две крышки с каналами ввода разделяемой смеси и вывода продуктов, а также зажатый между ними пакет из мембранных элементов прямоугольной формы, каждый из которых состоит из дренажного устройства с переточными каналами и размещенных по обе его стороны полупроницаемых мембран, промежуточных элементов прямоугольной формы, каждый из которых состоит из рамки с переточными каналами и разделительной пластины, закрепленной в рамке, и уплотнительных прокладок в виде рамки с переточными каналами, и в котором разделительная пластина имеет толщину, меньшую толщины рамки промежуточного элемента, и закреплена в ней с наклоном (авт. св. СССР N 1017361, кл. В 01 D 63/08, 1982).

Недостатками данной конструкции являются сложность в изготовлении, обусловленная выполнением для обеспечения требуемой скорости большого количества переточных каналов в рамке и в прокладках, а также ограниченная конструкционная прочность. Кроме того, размеры камеры ограничены видом и размерами выполняемых элементов, что снижает ресурс работы и производительность по фильтрату.

Известен также мембранный аппарат для разделения смесей, содержащий два фланца со штуцерами ввода исходной смеси и вывода продуктов, пакет мембранных элементов, состоящих из дренажной пластины и двух полупроницаемых мембран, в которых выполнены отверстия для образования коллектора исходной смеси, а также прокладок, каждая из которых выполнена в виде рамки с отверстиями для образования коллектора исходной смеси и с каналами, соединяющими коллекторные отверстия с внутренним пространством рамки, причем каждая прокладка выполнена из двух одинаковых складываемых нижней и верхней частей, а каналы в виде углублений на соприкасающихся поверхностях складываемых частей с размещенными в них рядами опорных выступов.

Недостатком этого мембранного аппарата является относительно невысокий ресурс работы, обусловленный снижением производительности по фильтрату из-за низкой скорости тангенциального потока фильтруемой смеси в камере, образованной двумя мембранами и распределителем потока (прокладками), и имеющей определенную высоту, минимальный размер которой ограничен необходимой конструкционной жесткостью и прочностью. В связи с тем, что распределитель потока (прокладка) в рассматриваемом аппарате выполняется из полимерных материалов и складывается из двух незакрепленных частей, он имеет сравнительно большую толщину (от 1,4 мм до 3,0 мм), что приводит к снижению скорости тангенциального потока между двумя мембранами и, следовательно, к быстрому закупориванию мембран и потере их производительности.

Оптимальным решением задачи повышения ресурса работы за счет увеличения скорости потока, который в процессе эксплуатации производит самоочищение мембран от накопившихся осадков, является конструкция аппарата, в котором высота камеры фильтрования была бы минимальной при одновременном обеспечении необходимой жесткости и прочности распределителя потока.

Согласно изобретению в предлагаемом мембранном фильтре каждое потокораспределительное устройство содержит проницаемый коллектор, размещенный между двумя металлическими пластинами, нефильтрующие участки которого заполнены полимерным материалом на высоту, равную толщине коллектора, а каждый дренажный элемент выполнен из попарно соединенных металлических пластин, между которыми размещен проницаемый коллектор, герметизированный по периметру полимерным материалом. В качестве проницаемого коллектора используется металлическая сетка, в качестве полимерного материала полиэтилен или полипропилен, а в качестве полупроницаемых мембран используются трековые мембраны из полиэтилентерефталата или полипропилена.

Введение нового существенного признака "каждое потокораспределительное устройство содержит проницаемый коллектор, размещенный между двумя металлическими пластинами" обеспечивает в устройстве увеличение суммарной площади одновременно подводимого потока в его сечении и снижение, по сравнению с прототипом, гидравлического сопротивления, что обуславливает увеличение пропускной способности устройства для распределения потока и увеличение скорости фильтруемой жидкости.

Кроме того, размещение проницаемого коллектора, имеющего проницаемость более 50% (в два раза больше, чем в прототипе), между двумя металлическими пластинами, позволяет в 3-5 раз уменьшить размеры камеры, что также приводит к повышению скорости потока и, следовательно, ресурса работы устройства.

Кроме того, проницаемый коллектор обеспечивает качественное перемешивание потока, так как выполняет функции турбулизатора, чем обуславливается повышение качества фильтрования и равномерное распределение потока по поверхности мембран.

Введение второго существенного нового отличительного признака "нефильтрующие участки коллектора заполнены полимерным материалом на высоту, равную толщине коллектора" обеспечивают уменьшение высоты сечения камеры, по которой фильтруется поток жидкости, что приводит к увеличению скорости тангенциального потока при одновременном достижении необходимой конструкционной прочности, что повышает ресурс работы устройства.

Выполнение каждого дренажного элемента из попарно соединенных металлических пластин позволяет создать простую и надежную конструкцию дренажных элементов, позволяющих также уменьшить, по сравнению с прототипом, геометрические размеры камеры дренажа, что повышает компактность устройства. Расположение между пластинами коллектора, герметизированного по периметру полимерным материалом, позволяет повысить рабочее давление жидкости при эксплуатации, так как в этом случае конструктивно решается проблема герметизации между пластинами при увеличении площади поверхности полупроницаемых мембран, что также приводит к повышению ресурса работы и производительности.

Применение в качестве проницаемого коллектора металлической сетки обеспечивает снижение высоты камер при одновременной необходимой прочности, которая равна прочности металлических пластин при максимальном их нагружении во время эксплуатации устройства. Использование в качестве полимерных материалов полиэтилена, полипропилена и их сополимеров необходимо для повышения химической стойкости устройства, чем обеспечивается повышение ресурса работы при фильтровании агрессивных жидкостей.

Признак, что "в качестве полупроницаемых мембран используются трековые мембраны из полиэтилентерефталата или полипропилена", обуславливает повышение ресурса работы за счет увеличения химической стойкости при фильтровании агрессивных жидкостей.

Кроме того, предлагаемые мембраны имеют практически нулевой коэффициент трения жидкости относительно поверхности трековых мембран, что приводит к повышению тангенциальной скорости и, следовательно, повышает производительность и ресурс работы.

Таким образом, наличие новых существенных признаков в предлагаемом техническом решении, позволяющих достичь поставленной цели без ухудшения других технико-экономических показателей, свидетельствует о соответствии его критерию "изобретательский уровень".

Кроме того, указанная взаимосвязь отличительных признаков и подобное выполнение устройства в аналогичных технических решениях не обнаружены, что свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерию "новизна".

Простота конструкции и технологичность изготовления элементов и устройства, а также очевидная работоспособность предлагаемого фильтра свидетельствуют о соответствии изобретения критерию "промышленно применимо".

На фиг. 1 представлен мембранный аппарат, в разрезе; на фиг. 2 потокораспределительное устройство; на фиг. 3 дренажный элемент.

Мембранный фильтр (фиг. 1) состоит из верхнего и нижнего фланцев 1 со штуцерами 2 подвода и отвода фильтруемой смеси и фильтрата, уплотнительных прокладок 3, полупроницаемых мембран 4, дренажных элементов 5, проницаемых в продольном и поперечном направлениях для сбора фильтрата, и потокораспределительных устройств 6, образующих совместно с мембранами 4 напорные камеры 7.

Потокораспределительное устройство 6 (фиг. 2) имеет распределительные каналы 8-12, и выполнено в виде неразъемного пакета, состоящего из верхней и нижней металлических пластин 13 и расположенного между ними проницаемого коллектора 14, выполненного из металлической сетки, проницаемой в продольном и поперечном направлениях, причем нефильтрующие участки проницаемого коллектора 14 заполнены герметизирующим полимерным материалом 15. Металлическая сетка одновременно выполняет функции турбулизатора потока. Дренажный элемент 5 (фиг. 3) имеет распределительные каналы 16 и 17 и выполнен в виде неразъемного пакета, состоящего из верхней и нижней металлических пластин 18 и расположенного между ними пористого коллектора 19, выполненного из металлической сетки, проницаемой в продольном и поперечном направлении, причем участки проницаемого коллектора 19, подлежащие герметизации, заполнены полимерным материалом 20.

Мембранный фильтр работает следующим образом.

Жидкость, предназначенная для фильтрации, насосом подается под давлением в входной штуцер 2 верхнего фланца 1, затем через каналы 9 и 10 потокораспределительных устройств 6, попадает в напорные камеры 7. Далее, проходя вдоль поверхностей мембран 4, поток фильтруемой жидкости выходит через каналы 11 и 12 потокораспределительных устройств 6 в выходной патрубок 2 нижнего фланца 1. Одновременно, просачиваясь сквозь мембраны 4, отфильтрованная часть раствора перетекает через проницаемые каналы 10 дренажных элементов 5 и через коллектор 14 в сливную магистраль.

Выполнение потокораспределительного устройства 6 в виде неразъемного пакета, содержащего верхнюю и нижнюю металлические пластины 13 и расположенный между ними проницаемый коллектор 14, выполненный из металлической сетки, позволяет значительно уменьшить его толщину и добиться уменьшения высоты напорной камеры 7 до 0,3-0,4 мм. Уменьшение высоты напорной камеры вызывает увеличение скорости тангенциального потока, что приводит к повышению ресурса работы и производительности фильтра.

Таким образом, предлагаемый мембранный фильтр конструкцией позволяет повысить ресурс работы и производительности.

Сущность изобретения: мембранный фильтр состоит из верхнего и нижнего фланцев со штуцерами подвода и отвода фильтруемой жидкости и фильтрата, уплотнительных прокладок, полупроницаемых мембран, дренажных элементов потокораспределительных устройств. Каждое потокораспределительное устройство содержит проницаемый коллектор, размещенный между двумя металлическими пластинами с каналами. Коллектор может быть выполнен в виде металлической сетки, нефильтрующие участки которой заполнены полимерным материалом, а каждый дренажный элемент выполнен из попарно соединенных металлических пластин, между которыми размещен пронницаемый коллектор, герметизированный по периметру полимерным материалом. В качестве полимерного материала использованы полиэтилен, полипропилен или их сополимеры. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. МЕМБРАННЫЙ ФИЛЬТР, содержащий верхний и нижний фланцы со штуцерами подвода и отвода фильтруемой смеси и овода фильтрата, дренажные элементы для отвода фильтрата, по обеим сторонам которых расположены полупроницаемые мембраны, и потокораспределительные устройства для подвода и распределения фильтруемой смеси, отличающийся тем, что каждое потокораспределительное устройство выполнено в виде проницаемого коллектора, размещенного между двумя металлическими пластинами с каналами, при этом нефильтрующие участки проницаемого коллектора заполнены полимерным материалом на высоту, равную толщине коллектора, а каждый дренажный элемент выполнен из попарно соединенных металлических пластин с каналами, между которыми размещен проницаемый коллектор, герметизированный по периметру полимерным материалом. 2. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что в качестве проницаемого коллектора использована металлическая сетка. 3. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что что полимерный материал выбран из группы: полиэтилен, полипропилен или их сополимеры. 4. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что в качестве полупроницаемых мембран использованы трековые мембраны из полиэтилентерефталата или полипропилена.