МЕМБРАННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2003 года по МПК B01D63/00 

Изобретение относится к установкам для проведения процессов мембранного разделения растворов и суспензий и может быть использовано для обработки природных и сточных вод, глубокой очистки водопроводной, артезианской воды и получения питьевой воды высокого качества, концентрирования растворов в химической, пищевой и других областях промышленности.

Известна мембранная установка (Технические записки по проблемам воды. М. : Стройиздат, 1983, т. 1, с.360), содержащая фильтры патронного типа, насос высокого давления, мембранный модуль, разделяющий раствор на концентрат и пермеат, манометры, расположенные на входе и выходе установки, расходомеры, расположенные перед мембранным модулем и на выходе из него, по показателям которых рассчитывают коэффициент выхода пермеата. Установка снабжена запорно-регулирующими клапанами.

Однако данная установка характеризуется низкой производительностью из-за использования в ее конструкции патронных фильтров и малой надежностью вследствие деформации и быстрого выхода из строя мембранного элемента во время эксплуатации установки при повышенном давлении.

Известна также мембранная установка для очистки воды (RU 2112747 С1, C 02 F 1/44, 10.06.98г. ), содержащая насос для подачи исходной воды, четырехходовой кран, батарею разделительных аппаратов на основе половолокнистых или трубчатых микро- или ультрафильтрационных мембран, линию подвода исходной воды, линию отвода концентрата с запорным клапаном и установленной параллельно ему диафрагмой, линию отвода фильтрата с запорным клапаном. Установка снабжена также накопительной емкостью фильтрата, промывочным насосом, соединенным всасывающим патрубком с накопительной емкостью фильтрата, а напорным патрубком - с линией отвода фильтрата. Данная установка включает блоки регенерации мембранного аппарата и предварительной очистки исходной воды, что увеличивает ее долговечность и срок службы.

Однако она не позволяет производить очистку воды с высоким уровнем солесодержания (на ионном и молекулярном уровне), т.к. используются мембраны низкой селективности.

Известна также мембранная установка (RU 95108784 А, В 01 D 63/00, 02.27.98г.), содержащая емкость разделяемого раствора, нагнетательный насос, дросселирующее устройство, мембранный аппарат, разделяющий раствор на концентрат и пермеат, емкость пермеата, установленное в линии отвода концентрата вакуумирующее устройство в виде струйного насоса, всасывающий патрубок которого соединен с емкостью пермеата, а нагнетательный патрубок соединен с входом нагнетательного насоса, а также трубопроводы, соединяющие элементы установки. Дросселирующее устройство установлено в линии вывода концентрата между мембранным аппаратом и входом струйного насоса. Емкость разделяемого раствора соединена со всасывающим патрубком струйного насоса, емкость пермеата - с линией вывода концентрата на участке между мембранным аппаратом и дросселирующим устройством, причем емкость пермеата соединена со всасывающим патрубком струйного насоса в ее нижней части.

Однако во время работы установки в режиме очистки жидкости получаемый концентрат поступает либо в емкость очищаемой жидкости, загрязняя ее, либо во всасывающий трубопровод нагнетательного насоса, перекачивающего очищаемую жидкость в мембранный аппарат. С увеличением времени работы установки по данной схеме резко возрастает концентрация загрязнений в очищаемой жидкости, отрицательно влияя на качество очистки и производительность мембранного аппарата, требующего частой промывки мембран от отложений. Данное устройство преимущественно предназначено для концентрирования исходного раствора.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является мембранная установка (SU 1528527 A1, B 01 D 13/00, 15.12.89), содержащая емкость разделяемого раствора, нагнетательный насос, мембранный аппарат, разделяющий раствор на концентрат и пермеат, емкость пермеата, соединенное с ней вакуумирующее устройство, а также трубопроводы, соединяющие перечисленные элементы установки. Вакуумирующее устройство выполнено в виде струйного насоса и размещено на трубопроводе вывода концентрата.

Однако недостатки, описанные выше, характерны и для данной установки.

Задачей изобретения является повышение производительности и качества мембранного разделения.

Поставленная задача достигается тем, что мембранная установка, содержащая емкость разделяемого раствора, последовательно соединенные трубопроводами мембранный аппарат, разделяющий раствор на концентрат и пермеат, емкость пермеата, вакуумирующее устройство, выход которого соединен с емкостью разделяемого раствора, а также запорно-регулирующие клапаны, имеет центробежный очиститель, вход которого соединен с емкостью разделяемого раствора, выполненной герметичной, а выход - с входом мембранного аппарата.

Кроме того, емкость пермеата выполнена секционной, каждая из которых снабжена подводами и отводами пермеата.

Кроме того, установка снабжена масляным фильтром, расположенным между вакуумирующим устройством, выполненным в виде вакуумного насоса, и емкостью разделяемого раствора, дополнительной емкостью для промывочного раствора, вход которой соединен с выходом мембранного аппарата, предназначенным для концентрата, а выход - с входом центробежного очистителя, компрессором, подключенным через масляный фильтр к входу мембранного аппарата или его выходу, предназначенному для пермеата.

Выход мембранного аппарата, предназначенный для концентрата, может быть соединен с емкостью разделяемого раствора.

Кроме того, установка имеет дроссельный клапан, установленный на выходе вакуумирующего устройства, и снабжена устройством очистки пермеата от органических загрязнений, выполненным в виде угольного адсорбера, расположенным на выходе из емкости пермеата.

Кроме того, она снабжена нагнетательным насосом, ультрафиолетовым облучателем, накопительной емкостью, последовательно соединенными и образующими замкнутый контур, причем вход нагнетательного насоса соединен с выходом устройства очистки пермеата от органических загрязнений.

Кроме того, она снабжена блоком контроля, включающим манометры, установленные на входе мембранного аппарата и на выходе накопительной емкости, датчики: уровней каждой емкости, солесодержания разделяемого раствора и пермеата, счетчики расхода пермеата и концентрата на выходе из мембранного аппарата, вакууметр, установленный перед вакуумирующим устройством, и блоком автоматического управления центробежным очистителем, вакуумирующим устройством, компрессором, нагнетательным насосом, ультрафиолетовым облучателем и запорно-регулирующими клапанами.

Повышение производительности установки и качества мембранного разделения достигается за счет применения конструктивных элементов. Предлагаемая мембранная установка снабжена центробежным очистителем, который выполняет также функцию нагнетательного насоса, подающим под давлением в мембранный аппарат жидкость, очищенную от механических примесей, размерами более 5 мкм, что увеличивает срок службы мембран. Исходная загрязненность жидкости механическими примесями может составлять до 20 грамм на литр. Выполнение используемых в установке емкостей герметичными, в т. ч. для разделяемого раствора, позволяет создавать разрежение в магистрали отвода пермеата и попытать давление в емкости очищаемой жидкости, получая дополнительную энергию из нагнетательной магистрали вакуумирующего устройства, увеличивая таким образом градиент давления между противоположными сторонами мембраны (до 1 МПа). Одновременно разрежение с внутренней стороны мембраны способствует снижению деформации мембранного элемента со стороны входа мембранного аппарата. Выполнение емкости пермеата секционной также влияет на повышение производительности установки за счет непрерывного сбора очищенной жидкости. Слив пермеата из накопительной емкости не нарушает цикла очистки. Наличие в установке устройства регенерации мембранного аппарата, включающего дополнительную емкость для промывочного раствора, компрессор и центробежный очиститель, способствует повышению ее производительности, срока службы и обеспечивает удобство обслуживания. Использование нагнетательного насоса, накопительной емкости, ультрафиолетового облучателя, электроконтактного манометра, связанных между собой трубопроводами и запорно-регулирующими клапанами, позволяет предотвращать вторичное бактериальное заражение получаемого пермеата и обеспечивать его гарантированное качество. Наличие дроссельного клапана, установленного на нагнетательной магистрали вакуумирующего устройства и связывающего ее с атмосферой, позволяет регулировать градиентом давления между противоположными сторонами мембраны, расширяя таким образом технологические возможности мембранного аппарата, использующего мембранные элементы (ультрафильтрационные, нанофильтрационные, обратноосмотические) в зависимости от вида загрязнений исходной жидкости и требуемого качества пермеата. Кроме того, наличие дроссельного клапана позволяет установке работать в режиме деаэрации, а аэратора, установленного в емкости разделяемого раствора, имеющего запорно-регулирующие клапаны - в режиме аэрации исходной воды, что необходимо для обезжелезивания артезианской воды. Соединение выхода мембранного аппарата, предназначенного для концентрата с емкостью разделяемого раствора посредством трубопровода с встроенным запорно-регулирующим клапаном, позволяет эффективно использовать установку в режиме концентрирования исходного раствора.

На чертеже представлена схема предлагаемой установки.

Мембранная установка содержит емкость 1 разделяемого раствора, центробежный очиститель раствора от механических примесей 2, мембранный аппарат 3 для разделения раствора на концентрат и пермеат, герметичную двухсекционную емкость 4 пермеата, соединенную с вакуумирующим устройством 5. Вакуумирующее устройство 5 выполнено в виде вакуумного насоса, всасывающий патрубок которого установлен на емкости 4 пермеата, а нагнетательная магистраль его связана с герметичной емкостью 1 разделяемого раствора и атмосферой через дроссельный клапан 29. Емкость 1 снабжена датчиками верхнего 16 и нижнего 17 уровней жидкости и запорно-регулирующими клапанами. Клапан 41 соединяет емкость 1 с централизованной магистралью разделяемого раствора и магистралью концентрата от мембранного аппарата 3, снабженной клапаном 30. Через клапаны 42, 43, 44 и масляный фильтр 6 емкость 1 соединена с нагнетательной магистралью вакуумирующего устройства 5. Клапаном 49 емкость 1 связана с центробежным очистителем 2, клапан 32 предназначен для сообщения с атмосферой, клапан 37 - для раздачи концентрата потребителю. На линии концентрата через клапан 30 и счетчик концентрата 25 мембранный аппарат соединен с емкостью исходного раствора 1, а через клапан 31 и счетчик 26 - с централизованной канализацией. С двухсекционной емкостью 4 пермеата, на входе которой установлен счетчик расхода пермеата 24, мембранный аппарат 3 соединен через клапаны 45 и 46. Каждая секция подсоединена к линии отвода пермеата из мембранного аппарата параллельно и имеет датчики верхнего 18, 19 и нижнего 20, 21 уровней, клапан 47, подключенный к всасывающему патрубку вакуумирующего устройства 5, запорные вентили 35 и 36 для сообщения с атмосферой. Для слива пермеата из секций предназначен клапан 48, через который секции емкости 4 соединены с угольным адсорбером 9 и нагнетательным насосом 10. Вход нагнетательного насоса 10 соединен с выходом накопительной емкости 11 через ультрафиолетовый стерилизатор 12, а выход - с входом накопительной емкости 11 и электроконтактным манометром 28.

Для регенерации мембранного аппарата 3 установка снабжена емкостью 7 для промывочного раствора, соединенной через запорный клапан 34 с линией отвода концентрата из мембранного аппарата 3, через клапан 49 - с входом центробежного очистителя 2. Для повышения эффективности регенерации мембранного аппарата 3 установка имеет компрессор воздуха 8, подключенный через масляный фильтр 6 к трубопроводу отвода пермеата из мембранного аппарата 3 или к входу последнего. Установка содержит также блоки контроля 13 и управления 14 технологическими параметрами процесса разделения раствора. Блок контроля содержит манометры 15 - на входе мембранного аппарата и 28 - на выходе накопительной емкости 11, вакууметр 27, расположенный на всасывающей магистрали вакуумирующего устройства 5, счетчики расхода пермеата 24, концентрата 25 и 26, датчики уровней 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 солесодержания разделяемого раствора и пермеата, установленные в соответствующих емкостях. Блок 14 управляет центробежным очистителем 2, вакуумирующим устройством 5, компрессором 8, нагнетательным насосом 10, ультрафиолетовым облучателем 12 и запорно-регулирующими клапанами. Клапаны 41-49 выполнены трехходовыми.

Установка работает следующим образом.

Перед началом работы мембранной установки при всех закрытых клапанах открывают клапан 41 в положение "исходная вода", и очищаемая жидкость из централизованной магистрали заполняет емкость 1 до верхнего уровня. При этом срабатывает датчик 16, подавая сигнал на блок управления 14 для переключения клапанов 41, 42, 43, 44, 45, 46, или 47, 49 в положение фильтрации и включения центробежного очистителя 2 и вакуумирующего устройства 5. Исходная жидкость, например вода, из емкости 1 поступает в центробежный очиститель 2, который, очищая ее от механических примесей, перемещает в мембранный аппарат 3, где происходит разделение на концентрат и пермеат. Концентрат через клапан 31 сливают в канализацию, а через клапан 30 возвращают в емкость для исходной воды 1. Пермеат поступает в одну из секций емкости 4. Вакуумирующее устройство 5 создает дополнительное разрежение в одной из работающих секций емкости 4, а следовательно, и в магистрали отвода пермеата из мембранного аппарата 3. При заполнении пермеатом одной из секций емкости 4, например левой, срабатывает датчик верхнего уровня 18 и происходит автоматическое переключение клапанов 46 и 47 на заполнение второй секции емкости 4. Для слива пермеата из левой секции срабатывают клапаны 35, 48, и 40, включается второй нагнетательный насос 10, направляя пермеат в накопительную емкость 11 через угольный адсорбер 9 для доочистки его от органических загрязнений. При достижении пермеатом во время слива из левой секции ее нижней отметки датчик 20 подает сигнал на блок управления 14 для закрытия клапана 35 и переключения в соответствующее положение клапанов 46, 47, 48. Во время слива пермеата из левой секции происходит заполнение правой секции емкости 4, в которой создается разрежение вакуумирующим устройством 5. При заполнении емкости до верхнего уровня датчик 19 подает сигнал о переключении клапанов 46, 47, 48. Пермеат сливается в накопительную емкость 11. Во время этой операции левая секция емкости 4, подготовленная к приему пермеата, заполняется. При одновременном наполнении левой и правой секции емкости 4 и накопительной емкости 11 до верхней отметки происходит отключение центробежного очистителя 2 вакуумирующего устройства 5 и закрытие клапана 40, переключение клапана 48 включения ультрафиолетового стерилизатора 12. Для предотвращения вторичного бактериального заражения очищенная вода в емкости 11 при помощи нагнетательного насоса 10 и открытом клапане 38 циркулирует через ультрафиолетовый стерилизатор 12. Во время подачи пермеата потребителю происходит снижение давления воды, которое контролируется манометром 28, и при достижении его нижнего предельного значения закрывается клапан 40 и открывается клапан 39. При достижении нижнего уровня емкости 11 во время слива из нее пермеата срабатывает датчик 25, подавая сигнал на закрытие клапана 39. Во время разделения раствора давление на входе мембранного аппарата 3 контролируется манометром 15, давление во всасывающей магистрали вакуумирующего устройства 5 - вакууметром 27, расход пермеата на входе в емкость 4 - счетчиком 24, расход концентрата, направляемого на рециркуляцию и на слив в канализацию - счетчиками 25 и 26, соответственно, степень загрязнения исходного или концентрированного раствора и степень очистки пермеата - датчиками солесодержания. При отклонении от заданных значений величин давления на входе мембранного модуля 3 и разрежения на входе вакуумирующего насоса 5 осуществляют регулировку расходом пермеата и концентрата. При необходимости концентрирования исходного раствора (извлечения из него ценных компонентов) открывают клапан 30 и закрывают клапан 31. Для подачи концентрата потребителю открывают запорные клапаны 32 и 37. В режиме регенерации мембранного аппарата 3 перекрывают в положение регенерации клапан 49, открывают запорный клапан 34. Емкость 7 заполняют промывочным раствором, включают центробежный очиститель 2, компрессор 8, и сжатый воздух путем соответствующего переключения клапанов 43, 44 и 45 направляется на вход в мембранный модуль 3 или в линию выхода пермеата.

Для деаэрации очищенной воды после полного заполнения одной из секций емкости 4, например левой, закрывают вентиль 46, открывают вентиль 47 и включают вакуумирующий насос 5. Растворенные в воде кислород и двуокись углерода удаляются в атмосферу. Полученная особо чистая вода может быть использована для теплового водоснабжения. Для аэрации исходной воды клапаны 42, 43, 44 переводят в положение "аэрация", включают компрессор 8 и открывают клапан 32. Воздух поступает в аэратор, установленный в нижней части емкости 1, окисляя двухвалентное железо в трехвалентное (образуя хлопья гидрата окиси железа). Через определенное время, необходимое для окисления железа, мембранная установка вышеописанным способом переводится в режим фильтрации, причем вода от хлопьев гидрата окиси железа очищается центробежным очистителем 2.

Т.о., предлагаемая установка обеспечивает повышение качества очистки, т. к. исключает попадание механических примесей в мембранный аппарат, повышение производительности за счет непрерывного слива пермеата, расширение технологических возможностей благодаря регулированию градиента давления между противоположными сторонами мембранного аппарата. Кроме того, установка может работать в режиме деаэрации, аэрации и регенерации мембранного аппарата, а также концентрирования исходного раствора.

Изобретение используется для проведения процессов мембранного разделения растворов и суспензий и применяется для обработки природных и сточных вод. Мембранная установка содержит емкость разделяемого раствора, последовательно соединенные трубопроводами мембранный аппарат, разделяющий раствор на концентрат и пермеат, емкость пермеата, вакуумирующее устройство, выход которого соединен с емкостью разделяемого раствора, а также запорно-регулирующие клапаны. Она имеет центробежный очиститель, вход которого соединен с емкостью разделяемого раствора, выполненной герметичной, а выход - с входом мембранного аппарата. Данная конструкция установки позволяет повысить производительность и качество мембранного разделения. 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Мембранная установка, содержащая емкость разделяемого раствора, последовательно соединенные трубопроводами мембранный аппарат, разделяющий раствор на концентрат и пермеат, емкость пермеата, вакуумирующее устройство, выход которого соединен с емкостью разделяемого раствора, а также запорно-регулирующие клапаны, отличающаяся тем, что она имеет центробежный очиститель, вход которого соединен с емкостью разделяемого раствора, выполненной герметичной, а выход - с входом мембранного аппарата. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что емкость пермеата выполнена секционной, каждая из которых снабжена подводами и отводами пермеата. 3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что вакуумирующее устройство выполнено в виде вакуумного насоса. 4. Установка по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что она снабжена масляным фильтром, расположенным между вакуумирующим устройством и емкостью разделяемого раствора. 5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительной емкостью для промывочного раствора, вход которой соединен с выходом мембранного аппарата, предназначенным для концентрата, а выход - с входом центробежного очистителя. 6. Установка по п. 4, отличающаяся тем, что она снабжена компрессором, подключенным через масляный фильтр к входу мембранного аппарата или его выходу, предназначенному для пермеата. 7. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что выход мембранного аппарата, предназначенный для концентратора, соединен с емкостью разделяемого раствора. 8. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что она имеет дроссельный клапан, установленный на выходе вакуумирующего устройства. 9. Установка по любому из пп. 1-9, отличающаяся тем, что она снабжена устройством очистки пермеата от органических загрязнений, расположенным на выходе из емкости пермеата. 10. Установка по п. 9, отличающаяся тем, что устройство очистки пермеата от органических загрязнений выполнено в виде угольного адсорбера. 11. Установка по п. 9, отличающаяся тем, что она снабжена нагнетательным насосом, ультрафиолетовым облучателем, накопительной емкостью, последовательно соединенными и образующими замкнутый контур, причем вход нагнетательного насоса соединен с выходом устройства очистки пермеата от органических загрязнений. 12. Установка по любому из пп. 1-11, отличающаяся тем, что она снабжена блоком контроля, включающим манометры, установленные на входе мембранного аппарата и на выходе накопительной емкости, датчики: уровней каждой емкости, солесодержания разделяемого раствора и пермеата, счетчики расхода пермеата и концентрата на выходе из мембранного аппарата, вакуумметр, установленный перед вакуумирующим устройством. 13. Установка по любому из пп. 1-12, отличающаяся тем, что она снабжена блоком автоматического управления центробежным очистителем, вакуумирующим устройством, компрессором, нагнетательным насосом, ультрофиолетовым облучателем и запорно-регулирующими клапанами, причем блок автоматического управления связан с блоком контроля.