МЕМБРАННЫЙ ФИЛЬТРУЮЩИЙ РУЛОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2005 года по МПК B01D63/10 

Изобретение относится к конструкции мембранного фильтрующего рулонного элемента (далее - МФРЭ), который состоит из фильтратотводящей перфорированной трубки и спирально намотанных на нее прилегающих друг к другу через листы турбулизаторной сетки мембранных (полупроницаемых) пакетов. Последние представляют из себя листы дренажного полотна (дренаж), обвернутые полупроницаемой пленочной мембраной и соответствующим образом загерметизированные.

МФРЭ получили широкое применение в технике жидких сред в различных отраслях, в частности, для опреснения солоноватых и морских вод, очистки сточных вод промышленных производств, концентрирования и очистки биологически активных продуктов, растворов ферментов, молочных продуктов, белков, творожной и подсырковой сывороток, снятого молока, для отделения органики от солей в их растворах, для умягчения воды и очистки поверхностных вод от низкомолекулярных веществ, в быту - для получения питьевой воды. В зависимости от областей использования, от природы и свойств разделяемых сред при изготовлении МФРЭ применяют различные полупроницаемые мембраны, в том числе микро-, ультра-, нано-, обратноосмотические мембраны, как на подложке, так и в безподложечном исполнении. Вместе с тем, для обеспечения высоких технологических и эксплуатационных характеристик МФРЭ является недостаточным использование лишь соответствующих полупроницаемых мембран высшего качества. Сама конструкция МФРЭ, ее отдельные узлы и элементы, как и полупроницаемые мембраны, определяют технологические основы изготовления МФРЭ, и его эксплуатационные показатели. К последним современная техника разделения жидких сред на полупроницаемых мембранах предъявляет все более высокие требования по надежности, по воспроизводимости свойств, по оптимизации соотношения “затраты-результаты”, по сроку эксплуатации.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны различные конструкции мембранных фильтрующих рулонных элементов, различающихся как общей конструкцией, так и входящими в нее отдельными узлами и элементами - полупроницаемыми мембранами, мембранными пакетами, турбулизаторами, дренажами, прокладками, а также технологией намотки мембранных пакетов и турбулизаторов на фильтратотводящую трубку и их герметизацией (Патент Японии №№54-151571, 52-5431, 54-149384, 54-149383, 53-124179; Патенты США №№3966616, 3417870, 4235723, 5538642 авторск. свидетельства СССР №№1205359, 1213100, 1595553). В патенте США №3417870 приведена наиболее близкая к заявляемой нами конструкция МФРЭ (для обратного осмоса), который состоит из фильтратотводящей трубки с отверстиями для приема фильтрата, поступающего из дренажных листов, и спирально намотанных на нее прилегающих друг к другу через листы турбулизатора мембранных пакетов. Последние представляют из себя обернутые полупроницаемой (обратноосмотической) мембраной листы дренажного полотна и загерметизированные (с помощью клея) от турбулизаторной (напорной) зоны. При этом зона турбулизатора остается открытой с тем, чтобы во время работы МФРЭ очищаемая среда могла войти в зону турбулизатора и, разделившись (очистившись) на полупроницаемой мембране, пройти по дренажному полотну к фильтратотводящей трубке. Число мембранных пакетов в МФРЭ устанавливают в зависимости от требуемых показателей фильтрующего элемента.

Недостатками МФРЭ по патенту США №3417870 (как прототипа) являются невысокая точность образуемого цилиндра МФРЭ, наличие в нем эллипсности, что влечет за собой потерю производительности, относительно низкая воспроизводимость свойств, изменение их во время фильтрации, т.к. строго цилиндрическая форма корпуса очистного сооружения, куда помещается МФРЭ и где он эксплуатируется, создает зазор между этим корпусом и МФРЭ.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является создание конструкции МФРЭ, которая отличалась бы отсутствием эллипсности, высокой воспроизводимостью показателей и их стабильностью в процессе эксплуатации МФРЭ, надежного в работе.

Согласно изобретению МФРЭ состоит из фильтратотводящей перфорированной трубки и спирально намотанных на нее прилегающих друг к другу через листы турбулизаторной сетки мембранных пакетов, которые выполнены прямоугольными с соотношением длины и ширины пакетов от 1:1 до 1:4. При этом в качестве листов дренажа мембранных пакетов использовано основовязальное трикотажное полиэтилентерефталатное полотно, пропитанное эпоксидной смолой из расчета привеса полотна при его пропитке от 12 до 30 мас.% Мембранное полотно (мембрана полупроницаемая для данного состава очищаемой среды), образующее вместе с дренажем мембранный пакет, расположено (направлено) активной стороной к зоне турбулизатора таким образом, что одна сторона (нижняя при намотке МФРЭ) короче другой стороны (верхней при намотке МФРЭ) на величину

,

где Д - наружный диаметр фильтратотводящей трубки;

S - толщина мембранного пакета вместе с турбулизатором, прилегающим к мембранному пакету с одной стороны;

n - число мембранных пакетов.

Согласно изобретению мембранные пакеты размещены относительно друг друга со смещением - Δ; а турбулизаторы на стороне, прилегающей к линии перегиба мембранного полотна, имеют дополнительные U-образные накладки из гибкого листового материала на основе полиэтилентерефталата шириной от 15 до 30 мм.

Авторами изобретения найдено, что выполнение конструкции МФРЭ в соответствии с указанными выше особенностями позволило придать рулонному элементу строго цилиндрическую форму с отклонением от теоретического цилиндра не более ±1,0% по его внешнему диаметру, измеряемому в 4-х точках с интервалом 90°. Конструкция отличается высоким уровнем воспроизводимости эксплуатационных показателей и надежностью в работе, высокой эффективностью использования фильтрующей поверхности мембранных пакетов, существенным увеличением ресурса работы.

Для реализации изобретения в промышленных условиях могут использоваться все имеющиеся в наличии материалы, если они отвечают указанным выше особенностям конструкции МФРЭ.

Так, для изготовления мембранных пакетов могут применяться обратноосмотические и нанофильтрационные композитные мембраны на основе различных полиамидов, а также ультрафильтрационные мембраны на тканой или нетканой подложках, выполненные из полисульфона, полисульфонамида или полиарамида.

Для изготовления турбулизаторов можно использовать сетчатые безузелковые материалы толщиной от 0,6 до 1,5 мм, имеющих размер ячеек от 2×2 до 4×4 мм. U-образные накладки можно изготавливать из тканого или нетканого полиэтилентерефталатного материала толщиной от 0,05 до 0,1 мм.

ПЕРЕЧЕНЬ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ

На чертеже приведен эскиз заявляемого МФРЭ в развернутом виде, с тем, чтобы показать его основные элементы и их расположение относительно друг друга. Стрелкой показано направление вращения фильтратотводящей трубки (1) для намотки на нее заготовок для образования мембранных пакетов (3) вместе с листами дренажа (8) с целью изготовления рулонного элемента;

S - толщина мембранного пакета вместе с турбулизатором, прилегающим к мембранному пакету с одной стороны;

Δ - смещение мембранных пакетов относительно друг друга и разность длин ветвей мембранного полотна, образующего мембранный пакет;

1 - фильтратотводящая трубка;

2 - турбулизатор;

3 - мембранный пакет; 3-а - мембранное полотно;

4 - место соединения (склейкой, сваркой) малой ветви мембранного пакета с большой ветвью мембранного пакета с целью образования замкнутого объема - отводящего фильтрат и замкнутого (напорного) - для подачи очищаемой среды;

5 - дренажное полотно, на котором собирается рулонный элемент перед его намоткой на трубку (1);

6 - U-образная накладка, предохраняющая от разрушения (прокола) мембранное полотно (3-а) в месте его перегиба (жестким турбулизатором);

7 - отверстия в перфорированной фильтратотводящей трубке для прохода в нее фильтрата;

8 - лист дренажа.

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Заявителем совместно с авторами изобретения были изготовлены и испытаны опытные образцы МФРЭ с внешним диаметром 100 мм и 200 мм и длиной 1016 мм.

Основные конструктивные особенности, исходные материалы и результаты испытаний опытных образцов МФРЭ приведены в таблице. Данные по образцам 1-6 - в первоначальный период их испытаний, по образцу 6^х) - после ресурсных испытаний в течение ~500 часов.

Как можно видеть из таблицы, опытные образцы отличаются строгой цилиндрической формой, отклонение которой от теоретического цилиндра составляет не более 0,5-0,9%. Образцы обладают высокой производительностью и селективностью, высокой воспроизводимостью показателей во всем заявленном диапазоне элементов конструкции и их стабильностью (показателей) в процессе эксплуатации МФРЭ.

Таблица
Основные параметры и результаты испытаний опытных образцов МФРЭНаименование основных параметров и показателей МРФЭДанные по опытным работам 1234566^х)1. Используемое мембраное полотно       1.1 Обратноосмотическая композитная мембрана----+++1.2 Нанофильтрационная композитная мембрана--++---1.3 Ультрафильтрационная полисульфоновая++-----мембрана       2. Дренажное полотно из ПЭТФ с привесом после       пропитки       2.1 12% масс.+------2.2 20% масс.-++--++2.3 30% масс---++--3. Наружный диаметр образца МФРЭ/Д       3.1 100,0/40 мм++++---3.2 200,0/40 мм----+++4. Отношение длины к ширине мембранного       пакета-+-++-+4.1 1:1+----+-4.2 1:2,5--+----4.3 1:4       5. Смещение -Δ-       5.1 14,5 мм+--+---5.2 5,0 мм--+ ---5.3 4,0 мм--- +--5.4 6,0 мм++- -++

6. Число используемых мембранных пакетов в МФРЭ -n-461042516167. Толщина мембранного пакета -S-       7.1 1,2 мм-++ +++7.2 1,9 мм+ -+---8. Исходный материал и толщина       U-образной накладки       8.1 15 мм+--+---8.2 20 мм-++----8.3 30 мм----+++9. Показатели МФРЭ       9.1 Отклонение от теоретического цилиндра, %0,50,30,50,90,90,90,99.2 Рабочее давление, МПа0,2±0,010,2±0,011,6±0,051,6±0,051,6±0,051,6±0,051,6±0,059.3 Производительность (по фильтрату), л/ч800±50845±50450±30480±301700±1001700±1001637,0±1009.4 Селективность, %       по NaCl--55,0±0,551,0±0,398,5±0,298,5±0,298,75±0,1по MgSO₄--97,0±1,097,3±1,0---по мутности (ГОСТ 3351-74)73±0,268±0,2-----

Мембранный фильтрующий рулонный элемент для разделения жидких сред, состоящий из фильтратотводящей перфорированной трубки и спирально намотанных на нее прилегающих друг к другу через листы турбулизатора мембранных пакетов, которые выполнены прямоугольными. Турбулизаторы имеют дополнительные U-образные накладки из гибкого листового материала на основе полиэтилентерефталата. В качестве листов дренажа мембранных пакетов используют основовязальное трикотажное полиэтилентерефталатное полотно, пропитанное отвержденной эпоксидной смолой. Мембранное полотно расположено активной стороной к зоне турбулизатора таким образом, что одна его сторона короче другой на величину

,

где Д - наружный диаметр фильтратотводящей трубки; S - толщина мембранного пакета вместе с толщиной листа дренажа; n - число мембранных пакетов. Мембранный фильтрующий рулонный элемент отличается отсутствием эллипсности, высокой воспроизводимостью показателей, их стабильностью в процессе эксплуатации и надежностью в работе. 1 ил., 1 табл.

Мембранный фильтрующий рулонный элемент, состоящий из фильтратотводящей перфорированной трубки и спирально намотанных на нее прилегающих друг к другу через листы турбулизатора мембранных пакетов, внутри которых расположены листы дренажа, отличающийся тем, что а) мембранные пакеты выполнены прямоугольными и соотношение длины и ширины мембранных пакетов составляет от 1:1 до 1:4; б) в качестве листов дренажа применено основовязальное трикотажное полиэтилентерефталатное полотно, пропитанное отвержденной эпоксидной смолой из расчета привеса полотна при его пропитки от 12 до 30 мас.%; в) мембранное полотно мембранного пакета расположено активной стороной к зоне турбулизатора таким образом, что одна его сторона короче другой стороны на величину

где Д - наружный диаметр фильтратотводящей трубки;

S - толщина мембранного пакета вместе с толщиной листа дренажа;

n - число мембранных пакетов,

г) мембранные пакеты размещены относительно друг друга со смещением Δ; д) турбулизаторы мембранных пакетов на стороне, прилегающей к линии перегиба мембранного полотна, имеют дополнительные U-образные накладки из гибкого листового материала на основе полиэтилетерефталата шириной от 15 до 30 мм.