МЕМБРАННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2001 года по МПК B01D63/14 

Изобретение относится к мембранным устройствам, в частности к мембранным устройствам карманообразного типа, и может быть использовано при изготовлении мембранных фильтров для разделения жидких или газообразных сред, например, для очистки воды, воздуха, разделения крови при плазмаферезе и др.

Известно мембранное устройство [1] , содержащее размещенный в корпусе мембранный модуль, выполненный в виде набора плоских полупроницаемых мембран и размещенных между ними сепараторно-дренажных прокладок, образующих за счет соответствующей герметизации боковых кромок чередующиеся проточные щелевые камеры концентрата и фильтрата. Герметизация этих щелевых камер обеспечивается за счет планок из термопластичного материала, размещенных вдоль боковых по отношению к потоку концентрата или потоку фильтрата сторон. Корпус устройства выполнен в виде элементов из эластичного и термопластичного материала, герметично соединенных друг с другом, а также с мембранным модулем с образованием в боковых стенках корпуса с внутренней стороны полостей для подвода и отвода разделяемой среды (концентрата), расположенных напротив друг друга, и полости для отвода пермеата (фильтрата) в третьей боковой стороне корпуса. Указанные полости сообщаются с соответствующими патрубками.

Разделяемая жидкость (концентрат) подается в мембранное устройство через патрубок подвода и через соответствующую полость попадает в щелевые камеры концентрата. В этих камерах благодаря сепараторно-дренажным прокладкам концентрат распределяется по поверхности мембран, протекает по этим камерам, попадает в полость отвода концентрата и выводится через соответствующий патрубок из мембранного устройства. Фильтрат проникает через поры мембран, поступает в полость отвода фильтрата и через соответствующий патрубок выводится из мембранного устройства.

Выполнение мембранного блока в виде пакета щелевых камер позволяет эффективно использовать объем корпуса, однако при изготовлении данного устройства возникают серьезные проблемы, связанные со сборкой мембранного модуля и герметизацией щелевых камер и мембранного блока в целом внутри корпуса, поскольку мембранный блок изготавливается из набора отдельных мембран.

Известно мембранное устройство [2], содержащее корпус коробчатого типа с крышками, в котором размещена зигзагообразно сложенная пара мембран, между которыми образован канал для сбора фильтрата. Устройство содержит патрубки для концентрата и фильтрата, а также корпусные элементы, обеспечивающие протекание концентрата вдоль поверхности мембран. Проникший через мембраны фильтрат попадает в канал между мембранами и через сообщающиеся с этим каналом патрубки выводится из устройства.

В данном устройстве используется целая неразрезанная полоса мембранного материала, что упрощает изготовление мембранного узла. Однако, к недостаткам этого устройства следует отнести сложность конструкции корпуса, которая должна обеспечить протекание концентрата вдоль поверхности мембран, и низкую производительность устройства, обусловленную малой площадью сечения канала между мембранами, через который выводится фильтрат.

Известно мембранное устройство [3], содержащее корпус, имеющий полости для подвода и отвода концентрата, расположенные напротив друг друга, и каналы для отвода фильтрата, расположенные напротив друг друга на противоположных боковых сторонах корпуса. Указанные полости сообщаются с соответствующими патрубками. Корпус разделен продольными и поперечными перегородками на секции, в которых размещены мембранные модули, каждый из которых выполнен в виде зигзагообразно сложенной плоской мембраны, закрепленной в местах перегиба на опорных стержнях. Сложенная таким образом мембрана образует чередующиеся щелевые камеры (карманы) для концентрата и фильтрата, при этом перегородки с боковой стороны мембраны имеют прорези для протекания концентрата через соответствующие щелевые камеры, а камеры фильтрата соединены с каналом для сбора фильтрата.

Особенностью данной конструкции является мембранный модуль карманного типа, для изготовления которого используется непрерывная лента мембранного материала, сложенная зигзагообразно. Так называемые "карманы" образуются за счет герметизации области между двумя соседними боковыми кромками сложенной указанным образом мембраны и открытого щелевого канала между ними. По щелевым каналам протекает концентрат, а в смежных карманах - фильтрат, поток которого отводится в направлении, перпендикулярном потоку концентрата. Такая конструкция позволяет эффективно использовать объем корпуса и обеспечивает высокую производительность. Основные проблемы при изготовлении таких устройств связаны с герметизацией карманов, а именно технологичностью операций герметизации и ее надежностью. В частности, в данной конструкции герметизация боковых кромок обеспечивается за счет плотного размещения мембранного узла между перегородками, разделяющими корпус устройства, при этом для протекания концентрата в перегородках выполнены прорези. Такое соединение не может обеспечить надежную герметизацию карманов, поэтому места соединения боковых кромок мембраны с поверхностью перегородок дополнительно покрыты клеем или герметиком. В целом это усложняет конструкцию мембранного устройства и технологию его сборки.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является мембранное устройство [4], содержащее корпус, образующий проточную камеру и имеющий в противоположных боковых стенках с внутренней стороны полости подвода и сбора концентрата, а с внешней стороны - патрубок ввода и патрубок вывода концентрата, сообщающиеся с упомянутыми полостями подвода и сбора концентрата соответственно, и крышку, герметично соединяемую с корпусом посредством фланцев и имеющую с внутренней стороны полость отбора фильтрата, а с внешней стороны - патрубок отвода фильтрата, сообщающийся с полостью отбора фильтрата. В корпусе размещен мембранный модуль, выполненный в виде зигзагообразно сложенной плоской мембраны, боковые кромки которой попарно и герметично соединены между собой с образованием пакета параллельных плоских карманов для фильтрата и проточных каналов между ними для концентрата, а смежные плоские части мембраны разделены сепарационными элементами, предназначенными также для распределения концентрата по поверхности мембраны и сбора фильтрата с обратной поверхности мембраны. Указанные сепарационные элементы выполнены в виде полосок турбулизатора и листов дренажа, уложенных в проточных каналах для концентрата и карманах для фильтрата соответственно. Мембранный модуль помещен в проницаемую жесткую оболочку, установленную на герметизирующей прокладке, что в совокупности позволяет разделить полости подвода и сбора концентрата, оставив их соединенными только через проточные каналы между карманами.

Сочетая в себе указанные преимущества мембранных устройств карманного типа, данная конструкция сложна в изготовлении, главным образом, в части операций складывания из мембранной ленты мембранного модуля, размещения между сложенными частями мембраны сепарационных элементов и укладки мембранного модуля в проницаемую оболочку. Требуются специальные приспособления, удерживающие формуемый модуль до его укладки в упомянутую оболочку.

Кроме того, тонкая очистка жидкостей и газов требует сочетания нескольких уровней разделения с различными физико-химическими механизмами, например, мембранным, сорбционным, ионообменным, экстракционным и т.п. Как правило, эти процессы разделения осуществляют в различных аппаратах. В частности, в известном устройстве осуществляется только мембранное разделение, поэтому другие виды очистки требуют дополнительных аппаратов, подсоединяемых к нему.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка высоко технологичной в изготовлении конструкции мембранного устройства, сочетающего в себе механизмы мембранного и сорбционного разделения.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что известное мембранное устройство, содержащее корпус, образующий проточную камеру и имеющий в противоположных боковых стенках с внутренней стороны полости подвода и сбора концентрата, а с внешней стороны - патрубки ввода и вывода концентрата, сообщающиеся с упомянутыми полостями подвода и сбора концентрата соответственно, крышку, герметично соединяемую с корпусом посредством фланцев и имеющую с внутренней стороны полость отбора фильтрата, а с внешней стороны - патрубок отвода фильтрата, сообщающийся с полостью отбора фильтрата, мембранный модуль, выполненный в виде зигзагообразно сложенной плоской мембраны, боковые кромки которой попарно и герметично соединены между собой с образованием пакета параллельных плоских карманов для фильтрата и проточных каналов между ними для концентрата, при этом упомянутые карманы и проточные каналы разделены сепарационными элементами, предназначенными также для распределения концентрата по поверхности мембраны и сбора фильтрата с обратной поверхности мембраны, а мембранный модуль установлен в корпус таким образом, что соединенные боковые кромки мембраны ориентированы к полостям подвода и сбора концентрата, отличающееся тем, что дополнительно содержит сборочный фланец, выполненный из проницаемого для фильтрата материала, например, сетки, и герметично соединенный по периметру с мембранным модулем с одной из сторон перегиба мембраны, причем указанное соединение выполнено путем соединения со сборочным фланцем продольных оконечных кромок мембраны и участков перегиба мембраны, примыкающих к ее боковым кромкам, и полотно сорбирующего материала, сложенное с мембраной со стороны, образующей упомянутые карманы, а сепарационные элементы в проточных каналах выполнены в виде рельефных элементов на поверхности мембраны со стороны, образующей упомянутые проточные каналы, при этом в собранном состоянии устройства края сборочного фланца размещены между фланцами корпуса и крышки и пропитаны герметизирующим веществом.

Благодаря сборочному фланцу мембранный модуль для заявляемого устройства может быть изготовлен путем последовательного соединения, например, путем склейки или сварки, участков перегиба мембраны с упомянутым сборочным фланцем. При этом первой и последней операциями указанного соединения выполняются соединения со сборочным фланцем продольных оконечных кромок мембраны. В данном случае не требуется каких-либо дополнительных приспособлений для изготовления мембранного модуля, поскольку сборочный фланец как конструктивный элемент мембранного устройства одновременно может служить и сборочным приспособлением. В отличие от известной, данная конструкция не требует дополнительных мер по разделению потоков концентрата и фильтрата в корпусе. После установки мембранного модуля в корпусе и герметичного соединения корпуса с крышкой потоки концентрата и фильтрата внутри корпуса надежно разделены карманообразным пакетом, состоящим из ленточной мембраны и полотна сорбирующего материала.

Замена вкладываемых между боковыми поверхностями зигзагообразно сложенной мембраны полосок турбулизатора и листов дренажа на рельефные элементы, скрепленные с мембраной со стороны, образующей проточные каналы мембранного модуля, позволяет также упростить изготовление устройства. Эти рельефные элементы могут быть изготовлены заранее на мембранной ленте до ее складывания в мембранный модуль.

Полотно сорбирующего материала, сложенное с мембраной со стороны, образующей карманы мембранного модуля, позволяет совместить в устройстве два механизма разделения - мембранный и сорбционный, осуществляемые последовательно по мере прохождения фильтрата через мембрану и сорбирующий материал. При этом размещение полотна сорбционного материала не требует сколько-нибудь заметных затрат при изготовлении устройства, так как данная конструкция предполагает изготовление мембранного модуля из сложенных вместе ленты мембраны и полотна сорбирующего материала.

Дополнительно, для того, чтобы снизить гидродинамическое сопротивление потоку концентрата на участках между полостями подвода (отвода) концентрата и проточных каналов для концентрата, упомянутое соединение боковых кромок мембраны может быть выполнено сужающимся в направлении полостей подвода и сбора концентрата.

Важной характеристикой для данных устройств является возможность удержания на сорбирующем материале широкого спектра веществ, что не всегда возможно осуществить на материале одного вида. Например, для очистки плазмы крови от различных токсинов часто оказывается недостаточным традиционно применяемого углеродного сорбента. Для более тонкой очистки дополнительно применяют ионообменные сорбенты на базе ионообменных смол, например, катиониты, аниониты, полиамфолиты, комплексообразующие иониты. Чтобы расширить функциональные возможности заявляемого устройства в части удаления из фильтруемой среды широкого спектра веществ, полотно используемого для его изготовления сорбирующего материала может быть многослойным, при этом слои сорбирующего материала должны иметь различные сорбционные характеристики по отношению к фильтрату.

Наличие сорбирующего материала, который обеспечивает жесткость конструкции и через который достаточно свободно проходит фильтрат, принципиально позволяет обойтись без сепарационных элементов в карманах мембранного модуля. В то же время, в ряде случаев для повышения производительности устройства целесообразно на поверхности полотна сорбирующего материала со стороны, образующей карманы мембранного модуля, выполнить сепарационные элементы в виде рельефных элементов.

Чтобы исключить попадание частичек сорбирующего материала в фильтрат, выводимый из мембранного устройства, полотно сорбирующего материала со стороны, образующей карманы мембранного модуля, целесообразно покрыть защитной сеткой, проницаемой для фильтрата. В этом случае рельефные элементы со стороны карманов мембранного модуля выполняются на внешней поверхности защитной сетки.

Можно упростить изготовление мембранного модуля с защитной сеткой, предварительно упаковав полотно сорбирующего материала в сетку, изготовленную в виде рукава. Также в этом случае на внешней поверхности защитной сетки со стороны карманов мембранного модуля могут быть выполнены рельефные элементы.

Наиболее простым и одновременно обеспечивающим равномерное распределение концентрата по поверхности мембраны, а также сбор фильтрата с поверхности полотна сорбирующего материала является выполнение упомянутых рельефных элементов в виде чередующихся полос, ориентированных наклонно к боковой кромке плоской мембраны, полотна сорбирующего материала или защитной сетки, в зависимости от того, на чем эти рельефные элементы выполнены. В этом случае в мембранном модуле между смежными поверхностями проточных каналов и карманов образуется равномерная двухуровневая сетка распределения и сбора потоков концентрата и фильтрата соответственно.

Оптимальным является вариант, когда угол наклона полос рельефных элементов к упомянутым боковым кромкам составляет 45^o. В этом случае рельефные элементы на смежных поверхностях мембраны пересекаются под углом 90^o, что обеспечивает наилучшие условия распределения концентрата по поверхности мембраны и сбора фильтрата со стороны карманов.

Дополнительно, для придания большей жесткости конструкции мембранного модуля рельефные элементы на смежных поверхностях проточных каналов и/или карманов могут быть соединены между собой в точках их соприкосновения.

Дополнительно на параллельных проточным каналам боковых внутренних поверхностях корпуса могут быть выполнены рельефные элементы в виде чередующихся полос наклонно к боковой кромке плоской мембраны. Эти рельефные элементы ориентируют таким образом, чтобы в собранном состоянии устройства они располагались поперек рельефных элементов, выполненных на соответствующей смежной поверхности мембраны. При этом между упомянутыми боковыми внутренними поверхностями корпуса и мембранным модулем образуются дополнительные проточные каналы, такие же, как проточные каналы мембранного модуля.

Также в этом случае оптимальными будут углы наклона полос рельефных элементов на поверхности мембраны и полос рельефных элементов на боковых внутренних поверхностях корпуса, составляющие 45^o.

Для придания жесткости конструкции в целом рельефные элементы на обращенных друг к другу поверхностях мембраны и корпуса могут быть соединены между собой в точках их соприкосновения.

Сущность заявляемого мембранного устройства поясняется графическими материалами, на которых изображено:
фиг. 1 - конструкция мембранного устройства;
фиг. 2 - 5 - примеры выполнения мембранного модуля.

Заявляемое устройство (фиг. 1) содержит корпус 1 с фланцем 2, патрубками 3 и 4 для ввода и вывода концентрата. Внутри корпуса 1 выполнены полость 5 подвода и полость 6 сбора концентрата, сообщающиеся с патрубками 3 ввода и 4 вывода концентрата соответственно. Устройство также содержит крышку 7 с фланцем 8, патрубком 9 для отвода фильтрата и внутренней полостью 10 отбора фильтрата, сообщающейся с патрубком 9.

Мембранный модуль 11, устанавливаемый в корпус 1, выполнен в виде зигзагообразно сложенного пакета, состоящего из ленточной мембраны 12 и полотна сорбирующего материала 13. Боковые кромки 14 мембраны 12 попарно герметично соединены между собой с образованием пакета параллельных плоских карманов 15 и проточных каналов 16 между ними. На поверхности мембраны 12 со стороны проточных каналов 16 выполнены рельефные элементы 17 в виде полос, ориентированных наклонно, например, под углом 45^o к боковой кромке мембраны 12. Рельефные элементы 17 обеспечивают требуемый зазор между смежными поверхностями мембраны 12 и выполняют функции распределения концентрата по поверхности мембраны 12. Такие же рельефные элементы 18 могут быть выполнены на внутренних боковых поверхностях корпуса 1. В этом случае между соответствующей поверхностью корпуса 1 и смежной поверхностью мембраны 12 образуется такой же проточный канал, как и канал 16 мембранного модуля 11.

Рельефные элементы 17 и 18 могут быть выполнены известными способами, например, описанным в [5], который заключается в выполнении рисунка рельефа на мембране в виде изолированных участков проводников, на которых осуществляется коагуляция латекса. Также могут быть использованы известные полиграфические способы.

В состав устройства входит также сборочный фланец 19, выполненный из проницаемого для фильтрата материала, например, сетки. По периметру фланец 19 герметично соединен с продольными кромками 20 и 21 сложенных мембраны 12 и полотна сорбирующего материала 13, а также с участками 22 перегиба мембраны 12. Поверхность соединения 23 показана на фиг. 1 штриховкой (см. вид "А-А"). Края сборочного фланца 19 пропитаны герметизирующим веществом и в собранном виде размещены между фланцем 2 корпуса 1 и фланцем 8 крышки 7, а указанные элементы конструкции герметично соединены между собой.

Все упомянутые герметичные соединения могут быть выполнены путем склейки с помощью клея-расплава, предварительно нанесенного на соединяемые участки, с последующим нагревом и механическим сдавливанием этих участков, или с помощью сварки, например, ультразвуковой. В качестве герметизирующего вещества может быть также использован упомянутый клей-расплав.

Детально примеры выполнения мембранного модуля 11 представлены на фиг. 2 - 5. На фиг. 2 показан пример с однослойным сорбирующим материалом 13, сложенным с мембраной 12, а на фиг. 3 - пример с многослойным сорбирующим материалом, в частности, имеющим два слоя 24 и 25. На фиг. 4 и 5 показаны примеры с сорбирующим материалом 13, упакованным в защитную сетку 26, при этом на фиг. 5 показан пример с рельефными элементами 27, выполненными на поверхности защитной сетки 26.

Устройство (см. фиг. 1) работает следующим образом. Разделяемая среда - концентрат под давлением подается через патрубок 3 и попадает в полость 5 подвода концентрата, из которой равномерно распределяется по входам каналов 16 мембранного блока 11. Внутри каналов 16 концентрат благодаря рельефным элементам 17 равномерно распределяется по поверхности мембраны 12. На выходе из каналов 16 концентрат собирается в полости 6 сбора концентрата и через патрубок 4 выводится из устройства. Во время прохождения концентрата по каналам 16 фильтрат проникает через поры мембраны 12 и полотно сорбирующего материала 13 в карманы 14, проходит через проницаемый для него сборочный фланец 19, собирается в полости 10 отбора фильтрата и выводится из устройства через патрубок 9.

Источники информации
1. Патент РФ 2021823, МПК 6 A 61 M 1/04, опубл. 1994.

2. Патент РФ 2047332, МПК 6 B 01 D 63/14, опубл. 1995.

3. Патент РФ 2047333, МПК 6 B 01 D 63/14, опубл. 1995.

4. А.С. СССР 1790985, МПК 5 B 01 D 63/08, опубл. 1995 - прототип.

5. А.С. СССР 1747086, МПК 5 A 61 M 1/16, опубл. 1992.

Изобретение относится к мембранным устройствам, в частности к мембранным устройствам карманного типа. В корпусе мембранного устройства, имеющем полости подвода и сбора концентрата, установлен мембранный модуль карманообразного типа в виде зигзагообразно сложенных мембран и полотна сорбирующего материала, причем последний размещен со стороны карманов, а на поверхности мембраны со стороны проточных каналов выполнены рельефные сепарационные элементы в виде чередующихся полос, ориентированных наклонно к боковой кромке мембраны. Мембранный модуль с одной из сторон перегиба мембраны соединен по периметру со сборочным фланцем, выполненным из проницаемого для фильтрата материала. Данные признаки позволяют производить высоко технологичные в изготовлении конструкции мембранных устройств. 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Мембранное устройство, содержащее корпус, образующий проточную камеру и имеющий в противоположных боковых стенках с внутренней стороны полости подвода и сбора концентрата, а с внешней стороны - патрубки ввода и вывода концентрата, сообщающиеся с упомянутыми полостями подвода и сбора концентрата соответственно, крышку, герметично соединяемую с корпусом посредством фланцев и имеющую с внутренней стороны полость отбора фильтрата, а с внешней стороны - патрубок отвода фильтрата, сообщающийся с полостью отбора фильтрата, мембранный модуль, выполненный в виде зигзагообразно сложенной плоской мембраны, боковые кромки которой попарно и герметично соединены между собой с образованием пакета параллельных плоских карманов для фильтрата и проточных каналов между ними для концентрата, при этом упомянутые карманы и проточные каналы разделены сепарационными элементами, предназначенными также для распределения концентрата по поверхности мембраны и сбора фильтрата с обратной поверхности мембраны, а мембранный модуль установлен в корпус таким образом, что соединенные боковые кромки мембраны ориентированы к полостям подвода и сбора концентрата, отличающееся тем, что дополнительно содержит сборочный фланец, выполненный из проницаемого для фильтрата материала, например сетки, и герметично соединенный по периметру с мембранным модулем с одной из сторон перегиба мембраны, причем указанное соединение выполнено путем соединения со сборочным фланцем продольных оконечных кромок мембраны и участков перегиба мембраны, примыкающих к ее боковым кромкам, и полотно сорбирующего материала, сложенное с мембраной со стороны, образующей упомянутые карманы, а сепарационные элементы в проточных каналах выполнены в виде рельефных элементов на поверхности мембраны со стороны, образующей упомянутые проточные каналы, при этом в собранном состоянии устройства края сборочного фланца размещены между фланцами корпуса и крышки и пропитаны герметизирующим веществом. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что соединение боковых кромок мембраны выполнено сужающимся в направлении полостей подвода и сбора концентрата. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полотно сорбирующего материала выполнено многослойным, при этом слои имеют различные сорбционные характеристики по отношению к фильтрату. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сепарационные элементы карманов мембранного модуля выполнены в виде рельефных элементов на поверхности полотна сорбирующего материала со стороны, образующей упомянутые карманы. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полотно сорбирующего материала со стороны, образующей карманы мембранного модуля, покрыто защитной сеткой, проницаемой для фильтрата. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что содержит рельефные элементы, выполненные на внешней поверхности защитной сетки. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полотно сорбирующего материала упаковано в защитную сетку, проницаемую для фильтрата. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что содержит рельефные элементы, выполненные на внешней поверхности защитной сетки со стороны карманов мембранного модуля. 9. Устройство по любому из пп.1, 4, 6 и 8, отличающееся тем, что рельефные элементы выполнены в виде чередующихся полос наклонно к боковым кромкам плоской мембраны, полотна сорбирующего материала, защитной сетки. 10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что угол наклона полос рельефных элементов к упомянутым боковым кромкам составляет 45°. 11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что рельефные элементы на обращенных друг к другу поверхностях карманов и/или проточных каналов мембранного модуля соединены между собой в точках их соприкосновения. 12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что дополнительно на параллельных проточным каналам боковых внутренних поверхностях корпуса выполнены рельефные элементы в виде чередующихся полос наклонно к боковым кромкам мембраны таким образом, что в собранном состоянии устройства эти рельефные элементы ориентированы поперек рельефных элементов, выполненных на соответствующей смежной поверхности мембраны. 13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что угол наклона полос рельефных элементов составляет 45°. 14. Устройство по п.12, отличающееся тем, что рельефные элементы на обращенных друг к другу поверхностях мембраны и корпуса соединены между собой в точках их соприкосновения.