ПОЛОВОЛОКОННЫЙ МЕМБРАННЫЙ АППАРАТ Российский патент 1996 года по МПК B01D63/02 

Изобретение относится к разделению жидких смесей с помощью мембранных аппаратов на основе половолоконных мембран, в частности к разделению жидких смесей методом нанофильтрации.

Метод нанофильтрации вследствие более низкой степени очистки жидкостей (прежде всего воды) от растворенных солей, чем обратный осмос, позволяет получать экологически полноценную питьевую воду без дополнительного кондиционирования, обеспечивая международные стандарты ВО3 (Всемирная организация здравоохранения) как по верхним, так и прежде всего по нижним пределам концентраций солей в питьевой воде. Для создания эффективного процесса мембранного разделения жидких смесей методом нанофильтрации наряду с эксплуатационными характеристиками используемых мембран, таких как селективность по различным солям и удельная производительность, существенную роль играет также конструкция мембранного аппарата. При создании мембранных аппаратов основные усилия направлены на размещение максимальной фильтрующей поверхности в объеме аппарата и создание в нем благоприятных гидродинамических условий разделения, уменьшающих вероятность возникновения застойных зон и предотвращающих выпадения осадка на поверхности мембраны.

Наибольшую фильтрующую поверхность в объеме аппарата обеспечивает использование мембран в форме полого волокна. Разделительные аппараты для фильтрации жидких смесей методами обратного осмоса или нанофильтрации представляют собой цилиндрический корпус, в который помещен мембранный элемент с полым волокном, уложенным на осевую перфорированную трубку и торцовые блоки со стороны выхода фильтрата и концентрата. Разделяемая жидкость под давлением подается через осевую трубку в корпус аппарата. Проникший через стенки полого волокна фильтрат выводится из аппарата по каналам полого волокна, концы которого вклеены в торцовой блок, а концентрат, пройдя между волокнами, выводится с другого конца аппарата. В зависимости от того, как будет построен гидродинамический режим работы аппарата и прежде всего режим омывания полых волокон в аппарате, во многом зависит эффективность его работы, отсутствие осадкообразования на поверхности полых волокон, срок его службы. Особенно это актуально для нанофильтрации, так как в этом случае разделению подвергается вода, содержащая многокомпонентные загрязнители, склонные в процессе очистки к осадкообразованию.

Известен аппарат, у которого для предотвращения осадкообразования в мембранный элемент с полым волокном помещают цилиндрические вставки из непроницаемого для разделяемой жидкости материала, которые способствуют образованию лабиринтного канала (авт. св. СССР N 1498531, кл. В 01 D 63/02, 1989). При этом подача исходной жидкости осуществляется через перфорацию в осевой трубке, расположенной по всей длине трубки.

При такой конструкции аппарата у блока вывода фильтрата образуется застойная зона, где не только не уменьшается, но и усиливается явление осадкообразования. Кроме того, наличие цилиндрических вставок в мембранном элементе, размещенных непосредственно в мембранном элементе, уменьшает количество полых волокон в нем и следовательно площадь фильтрации мембранного элемента.

Наиболее близким к изобретению является разделительный аппарат, который состоит из мембранного элемента с пучком полых волокон, уложенным на перфорированную осевую трубку, который помещен в цилиндрический корпус, но перфорация выполнена не по всей длине, а с одного края трубки и пучок полых волокон снабжен непроницаемым для разделяемой среды кожухом, открывающим пучок полых волокон со стороны, противоположный перфорированному краю трубки. Такая конструкция позволяет избежать образования застойной зоны у блока вывода фильтрата.

Однако недостатком данной конструкции является то, что полые волокна в мембранном элементе расположены под углом к оси аппарата, что возможно только при крестообразной намотке полых волокон в мембранном элементе. В этом случае в месте перехлеста половолоконных мембран неизбежно образуются локальные застойные зоны и увеличивается вероятность осадкообразования. Кроме того, место перехлеста исключается из процесса фильтрации, что уменьшает реальную фильтрующую поверхность аппарата. К тому же при таком способе укладки полых волокон в мембранном элементе увеличивается межволоконный объем (объем в мембранном элементе не заполненный полым волокном), что ухудшает эффективность омывания полых волокон. Поэтому во втором варианте конструкции аппарата предусмотрено размещение в мембранном элементе проницаемых для разделяемой среды вставок с целью улучшения распределения потока разделяемой смеси и улучшения эффективности омывания. Однако это, как указывалось выше, уменьшает количество полых волокон в мембранном элементе и площадь фильтрации. Кроме того, это усложняет и удорожает его конструкцию.

Технической задачей изобретения является улучшение гидродинамических условий разделения, исключающих возникновение как застойной зоны у блока фильтрата, так и локальных при упрощении конструкции разделительного аппарата.

Это достигается тем, что укладку половолоконных мембран в мембранном элементе проводят параллельно оси аппарата (осевой трубки); при этом ограниченное суммарное живое сечение отверстий на осевой трубке (перфорация), расположенных в шахматном порядке, величиной 600-900 мм²; плотность упаковки параллельно уложенных полых волокон в мембранном элементе доведена до величины свободного (межволоконного) объема мембранного элемента до величины менее 10%
Последнее обстоятельство достигается использованием половолоконных нанофильтрационных мембран из ацетата целлюлозы с наружным и внутренним диаметром 280-320 мкм и 90-120 мкм соответственно, средним размером пор более 0,001 мкм и обладающих селективностью при давлении 1-1,5 МПа по 0,2%-ному раствору сульфата магния более 80% по 15%-ному раствору хлорида натрия в пределах 25-60% и проницаемостью по этому раствору более 6 л/(м² · ч).

На чертеже представлена конструкция предлагаемого аппарата.

Аппарат содержит корпус 1, мембранный элемент, состоящий из кожуха 4 из непроницаемого материала, полых волокон 5, уложенных параллельно на осевой трубке, осевой трубки 6, блока вывода концентрата 7, блока вывода фильтрата 8. Кроме того, 9 перфорация осевой трубки, 10 распределение потоков внутри мембранного аппарата, 2 крышка с отверстиями для выхода фильтрата и концентрата.

Мембранный аппарат работает следующим образом.

Исходная разделяемая жидкость (преимущественно загрязненная вода) под давлением 1-1,5 МПа подается в осевую трубку 6 и через отверстия, расположенные в шахматном порядке (перфорация) у блока вывода фильтрата 8 с суммарным живым сечением 600-900 мм², попадает в мембранный элемент. Причем, диапазон величин живого сечения отверстий сопряжен с удельной производительностью ацетатцеллюлозных полых волокон (более 6 л/м² · ч) и позволяет с одной стороны поддерживать эффективную скорость омывания полых волокон, а с другой предотвратить их повреждение. Далее жидкость, омывая полые волокна, уложенные параллельно оси аппарата, движется также параллельно полым волокнам в направлении от блока вывода фильтрата 8 к блоку вывода концентрата 7. То, что омывающая жидкость движется в мембранном элементе параллельно полым волокнам, которые к тому же не перехлестываются между собой обеспечивает наиболее эффективный смыв загрязнителей, а следовательно, длительную и стабильную их работу. Кроме того, если величина межволоконного (свободного) объема мембранного элемента не превышает 10% полые волокна сами начинают эффективно распределять потоки и поэтому необходимость введения в мембранный элемент проницаемых или непроницаемых вставок для улучшения распределения потоков отпадает. Это упрощает конструкцию аппарата и увеличивает при прочих равных условиях его фильтрующую поверхность. Под воздействием давления более 50% объема исходной омывающей жидкости (преимущественно 75%), очищаясь, проникает через стенки половолоконной мембраны и по ее каналам выводится через блок вывода фильтрата 8 из аппарата, а другая часть, составляющая менее 50% объема (преимущественно 25% ), с загрязнителями через зазор между корпусом и блоком вывода концентрата также выводится из аппарата с другой стороны.

Таким образом, использование мембранного аппарата позволит обеспечить за счет улучшенного гидродинамического режима разделения, исключающего возникновение застойных зон, увеличить ресурс работы аппарата при упрощении его конструкции. Особенно предпочтительно его использование для разделения жидких смесей методом нанофильтрации (преимущественно воды), содержащих многокомпонентные загрязнители, склонные в процессе мембранного разделения к осадкообразованию.

Использование: процессы изготовления половолоконных разделительных аппаратов для разделения жидких смесей методом нанофильтрации, водоподготовки (умягчение воды) в промышленности и получения экологически чистой питьевой воды в быту. Сущность изобретения: с помощью сочетания параллельной оси аппарата укладки половолоконных мембран в мембранном элементе, ограничением суммарного живого сечения перфорации в осевой трубке диапазоном в 600 - 900 мм² и уменьшением межволоконного (свободного) объема в мембранном элементе величиной менее 10% создают в аппарате благоприятные гидродинамические условия разделения, препятствующие образованию застойных зон, исключают явление осадкообразования. 1 ил.

Половолоконный мембранный аппарат, включающий цилиндрический корпус с крышками, в одной из которых выполнены отверстия для входа разделяемой жидкости и вывода концентрата, а в другой отверстия для вывода фильтрата, в корпусе размещен мембранный элемент, состоящий из осевой перфорированной с одного края трубки, двух торцевых блоков, установленных на осевой трубке, и полых волокон, концы которых заделаны в торцевые блоки, причем блок со стороны выхода фильтрата герметично установлен в корпусе, а другой со стороны выхода концентрата, имеет зазор с корпусом аппарата, а пучок полых волокон снабжен не проницаемым для разделяемой жидкости кожухом, открывающим его со стороны, противоположной перфорированному краю осевой трубки, отличающийся тем, что в качестве полых волокон, уложенных параллельно оси аппарата, он содержит ацетатцеллюлозные полые волокна со средним размером пор более 0,001 мкм, наружным и внутренним диаметром соответственно 280 320 и 90 120 мкм, обладающие селективностью при давлении 1 1,5 МПа по 0,2%-ному раствору сульфата магния более 80% по 0,15%-ному раствору хлорида натрия в пределах 25 60% и проницаемостью по этому раствору более 6 л/м² • ч, а перфорация в осевой трубке, выполненная в виде отверстий, расположенных в шахматном порядке, имеет суммарное живое сечение в пределах 600 900 мм² и объем межволоконного (свободного) пространства в мембранном элементе не превышает 10%