СПОСОБ ОТДЕЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК B01D29/75 B01D61/14 B01D63/08 

Изобретение относится к способу и к устройству, основанным на фильтровании мембраной с перекрестными потоками и предназначенным для отделения отделяемых составных частей от жидкой среды.

В фильтре с перекрестными потоками жидкость попадает в камеру, содержащую, по меньшей мере, одну динамическую мембрану. Подаваемая жидкость разделяется на поток пермеата, проходящий сквозь динамическую мембрану, и поток отходов, протекающий вдоль фильтра без прохождения через него.

Устройства для фильтрования с перекрестными потоками описаны в патентной литературе, например в шведских патентах NN 451429, 457607, 459475, 463241 и 465040. Способы, основанные на использовании таких устройств, успешно применяют для отделения твердых составных частей от жидкой фазы и для отделения жидкости от жидкости, например для отделения нефти от воды.

На фиг. 1 показано сечение устройства для отделения того типа, которое раскрыто в патенте Швеции N 451429. Устройство содержит камеру 10, в которой расположены пластины 11, снабженные центральными отверстиями 12. Динамическая фильтрующая мембрана 13 закреплена на пластинах. Ось 14 ротора, снабженная лопастями 15 ротора, проходит через центральные отверстия пластин. Подлежащая обработке жидкость подается в камеру с лопастями по каналу 16, при этом часть ее (пермеат) проходит через фильтр и собирается с помощью каналов 17 в пластине для вывода через выпускное отверстие пермеата. Часть потока жидкости (отходы), не прошедшая через фильтр, выпускается через канал 18. Посредством лопастей 15 ротора жидкость прижимается к поверхности 13 фильтра, на которую может быть наложен пористый слой.

В патенте Швеции N 459475 описано устройство для отделения, содержащее несколько прилегающих элементов или ячеек, выполненных в соответствии с патентом Швеции N 451429. Подлежащая обработке жидкость подается через общий канал, образованный сквозными отверстиями в пластинах. Собранный пермеат выпускается через общее выпускное отверстие, а отходы выпускаются через общий трубопровод для отработанных отходов.

Сама фильтрующая мембрана может быть дополнительно снабжена одним или несколькими слоями пористого материала, например, того вида, который описан в вышеупомянутых патентах.

Закупорка пор фильтрующей мембраны или пористого материала, наложенного на нее, которая обусловлена осаждением отделенных составных частей, представляет серьезную проблему. Вследствие закупорки разделительная способность быстро уменьшается и из-за этого необходимо восстанавливать фильтр через регулярные промежутки времени. В соответствии с патентом Швеции N 451429 восстановление осуществляют таким путем, что детали (щетки, распределители и т. д. ), соединенные с лопастями ротора, приводят в соприкосновение с пористым слоем на фильтрующей мембране. Тем самым удаляют составные части, отделенные от потока жидкости, а также часть пористого материала. Если необходимо, добавляют новый пористый материал.

Механическое восстановление такого вида, которое включает воздействие на фильтрующую мембрану или на пористый слой на ней, всегда связано с риском нарушения необходимых размеров пор. Поэтому весьма желательно исключить способы восстановления такого вида.

В соответствии с настоящим изобретением разработаны способ отделения и устройство для отделения, в которых фильтр защищен от осаждения отдельного материала.

Отличительные признаки изобретения раскрыты в независимых пунктах 1 и 2 формулы изобретения.

Преимущества изобретения основаны на том, что поданную жидкую среду подвергают воздействию сильной турбулентности, созданной с помощью соответствующим путем образованным ротором, возможно, в сочетании со звуковыми волнами, предпочтительно с ультразвуковыми, и/или с электрическим полем, в результате чего осаждение отделяемых частиц на фильтре предотвращается или в значительной степени уменьшается.

В соответствии с одним вариантом осуществления ротор выполнен таким образом, что в значительной степени плоские поверхности лопастей, обращенные к фильтру, снабжены нарушениями, выходящими за пределы плоскости поверхности лопастей. Нарушениями могут быть, например, сквозные отверстия, выемки или щели, или бобышки.

В соответствии с еще одним обеспечивающим преимущество вариантом осуществления изобретения поверхность лопастей ротора, обращенная к фильтру, выполнена криволинейной таким образом, что расстояние между поверхностью лопасти и фильтром является небольшим на внутренней части ротора, и это расстояние постепенно возрастает по направлению к периферии ротора.

В соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения лопасти ротора выполнены таким образом, что они в плоскости, параллельной фильтру, имеют S-образную форму, при этом S-образная форма является непрерывной.

Преимущественный вариант осуществления изобретения заключается в сочетании S- образной формы с любыми вышеупомянутыми вариантами выполнения поверхности ротора, обращенной к фильтру.

Изобретение будет описано более подробно со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 - сечение устройства для отделения в соответствии с прототипом;
фиг. 2 - уже известный ротор, предназначенный для устройства на фиг. 1;
фиг. 3 - ротор в соответствии с настоящим изобретением в одном варианте осуществления;
фиг. 4 - ротор во втором варианте осуществления;
фиг. 5 - ротор в третьем варианте осуществления;
фиг. с 6А по 6С - поперечные сечения лопастей ротора на фиг. 4;
фиг. с 7А по 7D - поперечные сечения лопастей ротора в соответствии с дополнительным вариантом осуществления; и
фиг. 8 - вариант осуществления лопасти ротора в соответствии с фиг. 3.

На фиг. 2 показан уже известный ротор, изображенный напротив плоскости фильтра 13. Ротор состоит из двух лопастей 15 ротора, прикрепленных к оси 14 ротора. Лопасти ротора выполнены в виде массивных почти прямоугольных призм.

На фиг. 3 показан пример ротора в соответствии с изобретением. Лопасти 15 ротора выполнены криволинейными таким образом, что их профиль в плоскости, параллельной фильтру 13, образует S-образную поверхность. При работе ротор вращается в направлении стрелки. Роторы известного типа в соответствии с фиг. 2, в основном, обеспечивают течение жидкости в направлении вращения. При тестовых прогонах ротора согласно фиг. 3 было установлено, что вогнутые участки на лопастях ротора дополнительно создают сильное течение жидкости в радиальном направлении. Когда используется известный ротор, скорость циркуляции уменьшается при приближении к оси ротора. Как показано на фиг. , ротор имеет непрерывную S-образную форму, проходящую в диаметральном направлении через ось ротора. Из-за радиального течения жидкости, создаваемого непрерывной S-формой, дополнительно достигается более высокая степень турбулентности около оси ротора. В результате этого получается достаточно сильная турбулентность по всей поверхности фильтра в окружающей жидкой среде для того, чтобы предотвратить осаждение отделяемых составных частей на фильтр. Другое преимущество S-образной формы заключается в том, что выпуклые участки лопастей ротора, соударяющиеся с окружающей жидкой средой, эффективно сохраняются свободными от осадков. Существенное преимущество указанной S-образной формы заключается в том, что эффект накачки, создаваемый ротором и являющийся нежелательным, будет компенсирован повышенной турбулентностью жидкости.

На фиг. 8 показан преимущественный вариант осуществления профиля согласно фиг. 3. Выпуклый профиль 15а лопасти ротора имеет такую форму, что угол α между линией L, вытянутой от оси 14 к произвольной точке Р на профиле 15а, и касательной Т к профилю 15а в указанной точке всегда является почти постоянным и, следовательно, не зависит от положения указанной точки Р. Угол α предпочтительно находится между 45 и 80^o, преимущественно около 60^o. Благодаря этому варианту осуществления изогнутая поверхность поддерживается свободной от осадков, и в то же самое время для ротора необходима очень небольшая энергия.

На фиг. 4 показана другая форма лопастей ротора. Лопасти 15 ротора представляют собой части, которым, по существу, приданы формы призм, а их поверхность, обращенная к фильтру 13, является по существу плоской. Эта поверхность имеет один или более участков 20, которые выходят за пределы плоскости указанной поверхности. Представленные на фиг. с 6А по 6С поперечные сечения лопастей ротора на фиг. 4 отражают альтернативные формы нарушений 20. На фиг. 6А указанные нарушения представляют собой бобышки 21, на фиг. 6В выемки 22 и на фиг. 6С сквозные отверстия 23. Нарушения 20 лопастей ротора также могут быть в виде сочетания одного или нескольких отверстий 23, одной или нескольких выемок 22 и/или одной или нескольких бобышек 21.

Наличие нарушений, особенно выемок или сквозных отверстий, уменьшает нежелательный эффект накачки ротора, обусловленный более высокой турбулентностью. Одновременно выемки и отверстия приводят к снижению контактной поверхности между лопастью ротора и окружающей жидкостью, что, в свою очередь, уменьшает трение и, следовательно, потребность в энергии.

Представленные на фиг. 7А- 7D поперечные сечения лопасти 15 ротора отражают преимущественный вариант осуществления бобышек 21, которые в этом случае выполнены из другого материала, чем сама лопасть ротора. Бобышки 21 выполнены в виде отдельных частей, установленных в отверстиях, которые проходят через лопасть ротора. Альтернативно, указанные части можно установить в выемках в лопасти ротора или закрепить на ее поверхности. Указанные части могут быть сжимаемыми, непроницаемыми для жидкости или газа, выполненными из, например, пенопласта с закрытыми ячейками, газонаполненного покрытия и т. д. Преимущество такой конструкции заключается в том, что она обеспечивает возможность оказывать воздействие на размер частей при помощи давления окружающей среды.

Например, для частей 21 можно выбрать такой материал, который сильно сжимается при нормальном рабочем давлении устройства для отделения (фиг. 7А), в результате чего бобышка над плоскостью поверхности ротора выполняется небольшой или отсутствует, и поэтому для ротора требуется небольшая энергия. При необходимости рабочее давление можно изменить до р1, которое ниже, чем р0, в результате чего часть 21 расширяется (фиг. 7В). Тем самым расстояние до поверхности фильтра уменьшается, и турбулентность возрастает. При этом эффект очистки фильтрующей мембраны возрастает. Также можно допустить расширение части 21 настолько, чтобы она соприкасалась с фильтрующей мембраной, в результате чего осуществляется механическая очистка. Кроме того, можно обеспечить возможность работы частей 21 в качестве регулирующего средства, воздействующего на механические устройства 24 в виде гибких элементов или аналогичных им, прикрепленных к лопасти ротора, при этом элементы, в свою очередь, приходят в соприкосновение с фильтрующей мембраной (фиг. 7С и 7D).

На фиг. 5 ротор в соответствии с третьим вариантом осуществления показан в сечении, перпендикулярном плоскости фильтра 13. Поверхность 19 лопасти 15 ротора, которая обращена к фильтру 13, выполнена криволинейной таким образом, что расстояние между поверхностью лопасти и фильтром меньше во внутренней части ротора, т. е. около оси 14 ротора, и это расстояние возрастает по направлению к периферии ротора. С помощью этого варианта осуществления лопастей ротора можно получить хорошую и равномерную турбулентность по всей поверхности фильтра в жидкой среде, находящейся в камере 10. При использовании лопастей ротора с равномерной толщиной скорость циркуляции (и, следовательно, турбулентность) около оси ротора будет низкой. В этой области турбулентность возрастает при уменьшении расстояния между поверхностью 19 ротора и фильтром 13 в соответствии с конструкцией на фиг. 5. Скорость циркуляции и тем самым также турбулентность выше на периферии лопастей ротора. В этой области выгодно увеличить расстояние между поверхностью 19 лопасти ротора и фильтром 13, чтобы нейтрализовать повышение турбулентности. Если расстояние между лопастью ротора и фильтром сделать также небольшим на периферии области, это приведет к нежелательному повышению энергии, необходимой для создания вращения.

Лопасти ротора в соответствии с фиг. 5 можно дополнительно снабдить нарушениями того же вида, как лопасти ротора в соответствии с фиг. 4, например, сквозными отверстиями, бобышками и выемками.

Известно, что использование звуковых волн, особенно ультразвука, обеспечивает дополнительное фильтрование и предотвращает закупорку пор фильтра (см. , например, Тоури и другие. "Процесс фильтрования, усиленный электроакустическими способами". Программа технологии обработки, отчет TEKES, Ювяскюля, 31 марта 1995). Ротор, изготовленный в соответствии с настоящим изобретением, можно также объединить с излучателем звуковых волн, особенно ультразвуковых, и/или с устройствами для создания электрического поля.

Экспериментально подтверждено, что сочетание звуковых волн и электрических полей, которое известно как электроакустический способ, является весьма эффективным для предотвращения закупорки фильтров, происходящей во время процесса фильтрования. Высокая эффективность фильтрования достигается посредством электроакустического устройства в сочетании со специальной конструкцией ротора, описанной выше.

Устройство для отделения в соответствии с настоящим изобретением можно использовать для отделения твердых частиц, растворенных высокомолекулярных веществ и коллоидов от жидкости и для отделения жидкости от другой жидкости.

Фильтрованный материал выбирают в соответствии с процессом разделения. Фильтрующей мембраной может быть, например, пористая текстильная ткань, бумажная ткань или мембрана типа, описанного в одном из патентов, упомянутых во введении. Саму фильтрующую мембрану можно дополнительно снабдить, если это требуется, одним или несколькими слоями пористого материала, например, типа, описанного в вышеупомянутых патентах. Фильтр также может содержать известный керамический фильтр или какой-либо другой жесткий и пористый материал.

Для специалистов в данной области техники очевидно, что в пределах формулы изобретения возможны различные варианты осуществления изобретения.

Изобретение предназначено для отделения разделяемых составных частей от жидкой среды. Устройство для отделения содержит ячейку или пакет из множества смежных ячеек, при этом каждая ячейка состоит из пластинчатого узла, содержащего фильтр, впускное отверстие для подачи жидкой среды в камеру, выпускное отверстие для выпуска отходов и выпускное отверстие для выпуска пермеата. Жидкая среда подвергается воздействию сильной турбулентности, создаваемой соответствующим образом, выполненным ротором, возможно в сочетании со звуковыми волнами, предпочтительно ультразвуковыми, и/или с электрическим полем, в результате чего осаждение отделяемых составных частей на фильтре предотвращается или существенно снижается. В соответствии с изобретением использован ротор, в котором в значительной степени плоская поверхность лопастей ротора, обращенная к фильтру, содержит один или несколько участков, выходящих за пределы плоскости этой поверхности, или поверхность лопастей ротора, обращенная к фильтру, выполнена криволинейной таким образом, что расстояние между поверхностью ротора и фильтра является небольшим на внутренней части ротора, причем это расстояние постепенно возрастает по направлению к периферии ротора, или участок лопастей ротора в плоскости, параллельной фильтру, имеет по существу S-образную форму, при этом S-образная форма является непрерывной. В изобретении обеспечивается высокая эффективность отделения. 2 с. и 7 з. п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ отделения составных частей, разделяемых в фильтре, от жидкой среды, содержащей эти части, в котором используют устройство для отделения, имеющее ячейку или пакет из множества смежных ячеек, где каждая ячейка состоит из пластинчатого узла, содержащего, по меньшей мере, один фильтр (13), по меньшей мере, одно впускное отверстие (16) для подачи жидкой среды в камеру (10), по меньшей мере, одно выпускное отверстие (18) для выпуска части жидкой среды, отходов, при этом впускное отверстие и выпускное отверстие расположены на первой стороне фильтра, по меньшей мере, одно выпускное отверстие (17) на второй стороне фильтра для выпуска жидкой среды, которая прошла через фильтр (пермеата), при этом жидкую среду, подаваемую в камеру (10) подвергают воздействию сильной турбулентности, созданной с помощью ротора, возможно, в сочетании со звуковыми волнами, предпочтительно с ультразвуковыми, и/или с электрическим полем, в результате чего осаждение отделяемых составных частей на фильтре предотвращают или в значительной степени уменьшают, отличающийся тем, что используют фильтр, содержащий множество разнесенных по окружности лопастей ротора, в котором по существу плоская поверхность лопастей ротора, обращенная к фильтру, содержит один или несколько участков (20), выходящих за пределы плоскости этой поверхности, или поверхность (19) лопастей ротора, обращенную к фильтру, выполняют криволинейной таким образом, что расстояние между поверхностью лопасти и фильтром является небольшим на внутренней части ротора, причем это расстояние постепенно возрастает по направлению к периферии ротора, или участок лопастей ротора в плоскости, параллельной фильтру, выполняют по существу S-образной формы, при этом S-образная форма является непрерывной. 2. Устройство для отделения составных частей, разделяемых в фильтре, от жидкой среды, содержащей эти части, имеющее ячейку или пакет из множества смежных ячеек, при этом каждая ячейка состоит из пластинчатого узла, снабженного сквозным центральным отверстием (12), по меньшей мере, один фильтр (13), по меньшей мере, одно впускное отверстие (16) для подачи жидкой среды в камеру (10), по меньшей мере, одно выпускное отверстие (18) для выпуска части жидкой среды, отходов, при этом впускное отверстие и выпускное отверстие расположены на первой стороне фильтра, по меньшей мере, одно выпускное отверстие (17) на второй стороне фильтра для выпуска жидкой среды, которая прошла через фильтр (пермеата), и ротор, расположенный на первой стороне фильтра, при этом ротор содержит множество разнесенных по окружности лопастей (15) ротора, которые закреплены с возможностью перемещения по поверхности фильтра, ось (14) ротора проходит через центральное отверстие (12) пластинчатого узла, лопасти (15) ротора выполнены таким образом, что вращательное движение лопастей вызывает сильную турбулентность в окружающей жидкой среде, для предотвращения по существу снижения осаждения отделяемых составных частей на фильтре, отличающееся тем, что по существу плоская поверхность лопастей ротора, обращенная к фильтру, содержит один или более участков (20), выходящих за пределы плоскости этой поверхности, или поверхность (19) лопастей ротора, обращенная к фильтру, выполненная криволинейной таким образом, что расстояние между поверхностью лопасти и фильтром является небольшим на внутренней части ротора, причем расстояние постепенно возрастает по направлению к периферии ротора, или участок лопастей ротора в плоскости, параллельной фильтру, имеет по существу S-образную форму, при этом S-образная форма является непрерывной. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что лопасти ротора снабжены одним или более сквозными отверстиями (23), одной или более выемками (22), одной или более бобышками (21) или сочетанием нарушений (21, 22, 23) двух или более типов. 4. Устройство по п. 2 или 3, отличающееся тем, что бобышки (21) выполнены в виде сжимаемых, непроницаемых для жидкости или газа частей, установленных в отверстиях или выемках в лопасти ротора или закрепленных на ее поверхности. 5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что участок лопастей ротора в плоскости, параллельной фильтру, имеет по существу S-образную форму, при этом S-образная форма является непрерывной, а лопасти ротора снабжены одним или более сквозными отверстиями (23), одной или более выемками (22), одной или более бобышками (21) или сочетанием нарушений (21, 22, 23) двух или более типов. 6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что поверхность (19) лопастей ротора, обращенная к фильтру, выполнена криволинейной таким образом, что расстояние между поверхностью лопасти и фильтром является небольшим на внутренней части ротора, причем это расстояние постепенно возрастает по направлению к периферии ротора. 7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что бобышки (21) выполнены в виде отдельных сжимаемых, непроницаемых для жидкости или газа частей, установленных в отверстиях или в выемках в лопасти ротора или закрепленных на ее поверхности. 8. Устройство по одному из пп. 2-7, отличающееся тем, что выпуклый профиль (15а) S-образного ротора образован таким образом, что угол α между линией L, вытянутой от оси (14) ротора к произвольной точке Р на профиле (15а), и касательной Т к профили (15а) в этой точке является по существу постоянным. 9. Устройство по одному из пп. 2-8, отличающееся тем, что оно дополнительно включает излучатель звуковых волн, преимущественно излучатель ультразвуковых волн, и/или устройство для создания электрического поля.