РОТОРНЫЙ МЕМБРАННЫЙ ФИЛЬТР Российский патент 2005 года по МПК B01D63/16 B01D63/08 

Заявляемое изобретение относится к устройствам для разделения жидких сред, а именно водных растворов органических веществ, высокомолекулярных соединений, синтетических ПАВ и других специфических загрязнений методами микрофильтрации, ультрафильтрации, нанофильтрации и обратного осмоса и может найти широкое применение для глубокой очистки промышленных стоков для получения питьевой воды.

Современные проблемы в области создания фильтров с самоочищающимися фильтрующими элементами ставят задачи по разработке конструкций, обеспечивающих гидродинамические режимы разделения растворов, которые позволяют снизить повышение концентрационной поляризации, возникающей в результате повышения концентрации загрязняющего вещества у поверхности фильтрующего элемента.

Известен фильтр (патент РФ №1771103, опубл. 1995 г.), предназначенный для разделения жидких неоднородных систем. Фильтр содержит корпус с вмонтированным вращающимся полым валом, на котором установлены фильтрующие элементы, выполненные из полупроницаемого материала; фильтр снабжен размещенными между фильтрующими элементами неподвижными плоскими стержнями с гибкими турбулизаторами, которые прикреплены к верхнему кольцу, выполненному с радиальными поперечинами. Изобретение ставило целью улучшение гидродинамического режима, а именно снижение явления концентрационной поляризации, упрощение монтажа и демонтажа фильтра, снижение энергоемкости. Однако конструкция данного роторного фильтра и его фильтрующих элементов не способна в полной мере уменьшить явление концентрационной поляризации, а в итоге обеспечить самоочищение фильтрующих элементов, что изменяет свойства полупроницаемого материала во время работы фильтра и снижает ресурс его работы.

Известен роторный мембранный фильтр многоцелевого назначения (патент США №4925557, опубл. 1990 г.), состоящий из цилиндрического корпуса с вмонтированным полым валом, вращающимся при помощи ротора, системы подачи разделяемого раствора и системы вывода концентрата и фильтрата. На полом валу вмонтированы полые фильтрующие элементы, внутренняя часть которых покрыта полупроницаемыми мембранами, и установлены уплотнительные кольца для обеспечения поступления в вал только фильтрата. Система подачи разделяемого раствора и система вывода концентрата и фильтрата подведены к вращающемуся полому валу. Конструкция данного роторного мембранного фильтра предусматривает возможность самоочищения полупроницаемых мембран в процессе работы, однако особенности исполнения основных конструкционных узлов предусматривают подачу потока разделяемого раствора от боковой части устройства к центральной и вывод фильтрата и концентрата из пространства, образованного вращающимся полым валом. Эти особенности гидродинамического режима приводят к явлению концентрационной поляризации и ухудшению самоочищения поверхности полупроницаемых мембран, соответственно постепенному снижению степени очистки разделяемого раствора и снижению ресурса работы самого фильтра. Кроме того, достаточно сложная конструкция заявленного устройства снижает степень его надежности.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является роторный мембранный фильтр многоцелевого назначения (патент США №5073262, опубл. 1991 г.), состоящий из цилиндрического корпуса с вмонтированным полым валом, вращающимся при помощи ротора, системы подачи разделяемого раствора в виде струйного питателя и системой вывода фильтрата и концентрата. На полом валу установлены дисковые фильтрующие элементы, имеющие центральные установочные отверстия и снабженные полупроницаемыми мембранами. Дисковые фильтрующие элементы выполнены полыми и имеют вид сдвоенного конуса. На полом валу выполнены сквозные отверстия, которые сообщаются с внутренней частью полых дисковых элементов. Фактически пространство, образованное полым вращающимся валом, образует центральную рабочую зону мембранного роторного фильтра, а пространство, образованное вращающимися дисковыми элементами, образует периферийную рабочую зону. Скорость вращения ротора для обеспечения работы устройства достигает 500-1500 об/мин. Сложная конструкция дисковых фильтрующих элементов в сочетании с высокой скоростью их вращения при работе роторного мембранного фильтра преследуют целью обеспечить режим самоочищения полупроницаемых мембран. При работе роторного мембранного фильтра по прототипу система подачи расположена таким образом, что разделяемый водный раствор подается от периферийной рабочей зоны к центральной, при этом фильтрат выводится из центра вращающегося полого вала, т.е. из центральной рабочей зоны устройства, а концентрат - из периферийной рабочей зоны. В техническом решении прототипа предусмотрен частный вариант исполнения роторного мембранного фильтра, в соответствии с которым система подачи разделяемого раствора подведена практически вплотную к полому неподвижному валу. К причинам, препятствующим достижению технического результата, можно отнести следующее: необходимость придания высоких скоростей вращения полого вала для обеспечения режима самоочищения полупроницаемых мембран приводит к высокой энергоемкости роторного мембранного фильтра и, кроме того, необходимость создания высокого давления разделяемого раствора в системе подвода может привести к разрыву полупроницаемых мембран.

При снижении скорости вращения ротора наблюдается явление концентрационной поляризации, что приводит к образованию суспензионного слоя фильтрата над поверхностью полупроницаемой мембраны, это приводит к ухудшению ее разделяющих свойств, снижению возможности самоочищения полупроницаемых мембран и их преждевременному загрязнению. Кроме того, роторный мембранный фильтр по прототипу характеризуется высокой энергоемкостью и имеет небольшой ресурс работы.

Эти причины в целом обусловлены тем, что конструкция роторного мембранного фильтра, расположение основных конструкционных узлов по прототипу предусматривают гидродинамический режим образования направления движения потока разделяемого раствора от периферийной рабочей зоны к центральной. Попытка изменить направление движения потока разделяемого раствора от центральной рабочей зоны к периферийной при частном варианте реализации технического решения прототипа путем подведения системы подачи разделяемого раствора в виде питающих трубок практически вплотную к вращающемуся полому валу существенно усложняет конструкцию крепления системы подачи, диктует исключительно высокие требования к точности выполнения отдельных деталей и снижает таким образом степень надежности работы устройства.

Суть изобретения заключается в следующем.

Технической задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных и технологических возможностей роторного мембранного фильтра.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является улучшение самоочищения полупроницаемых мембран при работе роторного мембранного фильтра, снижение энергоемкости при его работе, сокращение плановых остановов при использовании и увеличение ресурса работы, повышение производительности при высокой степени очистки растворов.

На фиг.1 представлен роторный мембранный фильтр; общий вид; на фиг.2 представлен дисковый фильтрующий элемент роторного мембранного фильтра: вид сверху (варианты исполнения).

Роторный мембранный фильтр (фиг.1) включает цилиндрический корпус 1, имеющий сквозные отверстия 2 для вывода концентрата в коллектор отвода концентрата 3 и сквозные отверстия 4 для вывода фильтрата; в корпусе 1 вмонтирован полый неподвижный вал 5, снабженный перегородкой 6, условно разделяющей полый неподвижный вал на “грязную” зону 7 и “чистую” зону 8, в “грязной зоне” выполнены сквозные отверстия 9; к корпусу 1 подведена система подачи разделяемого раствора 10; в нижней и верхней части полого неподвижного вала 5 на подшипниках 11 размещены верхний 12 и нижний 13 несущие диски, образующие ротор, при этом в нижнем диске 12 выполнены сквозные отверстия 14 для отвода фильтрата через сквозные отверстия 4; между верхним 12 и нижним 13 несущими дисками установлены дисковые фильтрующие элементы 15, снабженные полупроницаемыми мембранами 16; дисковые фильтрующие элементы 15 стянуты фильтратотводящими трубками 17 через проставки 18, имеющие сквозные отверстия 19; верхний и нижний несущие диски 12 и 13, образующие ротор, приводятся во вращательное движение с помощью втулки 20.

Пространство, образованное полым неподвижным валом 5, представляет центральную рабочую зону роторного мембранного фильтра, а пространство, образованное несущими верхним и нижним дисками 12 и 13, а также дисковыми фильтрующими элементами 15 - периферийную рабочую зону. Систему вывода фильтрата образуют фильтратотводящая трубка 17, сквозное отверстие в нижнем несущем диске 14 для отвода фильтрата в “чистую” зону 8 и “чистая” зона 8.

Дисковый фильтрующий элемент роторного мембранного фильтра (фиг.2) снабжен центральным установочным отверстием 21 и периферийными сквозными отверстиями 22, расположенными попарно и симметрично относительно центрального установочного отверстия 21 или таким образом, что центры периферийных сквозных отверстий образуют правильный многоугольник и лежат на одной окружности (на фиг.2 представлены следующие варианты исполнения: “а” - дисковый фильтрующий элемент с двумя периферийными сквозными отверстиями, при варианте исполнения “б” - с четырьмя периферийными сквозными отверстиями, при варианте исполнения “в” - с шестью периферийными отверстиями), при этом периферийные сквозные отверстия 22 дисковых фильтрующих элементов 15 и сквозные отверстия 19 в проставках 18 выполнены соосно. Необходимое количество периферийных сквозных отверстий 22 продиктовано заданной производительностью, свойствами разделяемого раствора и необходимым режимом самоочищения полупроницаемой мембраны, но должно быть не менее двух.

В качестве полупроницаемых мембран могут быть использованы микро-, ультрафильтрационные, нанофильтрационные и обратноосмотические мембраны.

Полый неподвижный вал 5 может быть вмонтирован в корпус 1 как в вертикальном, так и в горизонтальном положениях в зависимости от свойств разделяемого раствора.

Мембранный роторный фильтр работает следующим образом. Разделяемый раствор подается к корпусу 1 во внутреннюю полость неподвижного полого вала 5 посредством системы подачи 10 и попадает в пространство между вращающимися дисковыми фильтрующими элементами 15 через сквозные отверстия 9 “грязной зоны” 7. За счет разности давлений над и под полупроницаемой мембраной 16 происходит разделение раствора на фильтрат и концентрат. Фильтрат проходит через полупроницаемую мембрану 16 по периферийным сквозным отверстиям 22 дискового фильтрующего элемента 15 по фильтратотводящей трубке 17 и поступает через сквозное отверстие 14 нижнего несущего диска 13 и пройдя через “чистую” зону 8 полого неподвижного вала 5 выводится из мембранного роторного фильтра. Концентрат, пройдя между дисковыми фильтрующими элементами 15 через отверстия 2 в корпусе 1, попадает в коллектор отвода концентрата 3 и выводится из мембранного роторного фильтра.

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого роторного мембранного фильтра, заключается в том, что в отличие от решения прототипа, конструкция, предусматривающая расположение системы подачи разделяемого раствора над поверхностью дисковых фильтрующих элементов с полупроницаемыми мембранами и вращение ротора относительно неподвижного полого вала, расположение системы вывода фильтрата непосредственно у полого неподвижного вала, организуют прохождение потока разделяемого раствора над поверхностью полупроницаемых мембран и направляет его от центральной рабочей зоны к периферийной. Эта особенность конструкции обеспечивает принудительную постоянную подачу разделяемого раствора от центральной рабочей зоны к периферийной, что позволяет сформировать сопряженные гидродинамические потоки разделяемого раствора, концентрата и фильтрата за счет возникновения центробежной силы при вращении ротора, препятствует возникновению явления спонтанного нарастания концентрации загрязнений на поверхности полупроницаемых мембран, тем самым предотвращает преждевременное забивание пор полупроницаемых мембран, а также улучшает их самоочищение. Разделение рабочего пространства на “чистую” и “грязную” рабочие зоны за счет введения в конструкцию перегородки в полом неподвижном валу, располагаемой в пространстве центральной рабочей зоны, предотвращают возможное смешивание фильтрата и концентрата. Двойная функция фильтратотводящих трубок: отвод фильтрата от дисковых фильтрующих элементов и роль стяжек для предотвращения смешивания фильтрата и концентрата, упрощает конструкцию в целом и способствует достижению технического результата. Периферийные сквозные отверстия, выполненные в дисковом фильтрующем элементе, способствуют оттоку фильтрата. Система расположения периферийных сквозных отверстий в дисковом фильтрующем элементе относительно центрального установочного отверстия и относительно сквозных отверстий в проставках фильтратотводящих трубок способствует равномерному отводу фильтрата, что сказывается на достижении технического результата.

Благодаря найденным конструкционным особенностям заявляемый роторный мембранный фильтр отличается высоким уровнем эксплуатационным показателей (мощность при оптимальном расходе энергии), высокой эффективностью использования полупроницаемой мембраны, увеличением ресурса работы.

Преимущества заявленного роторного мембранного фильтра оценивается показателем ресурса работы в режиме мембранной фильтрации водных растворов - не менее 72 часов при частоте вращения ротора не более 300 об/мин ( в решении прототипа - 6 часов при частоте вращения ротора 500-1500 об/мин).

Изобретение относится к устройствам для разделения жидких средств методами микрофильтрации, ультрафильтрации, нанофильтрации и обратного осмоса и может найти широкое применение для глубокой очистки промышленных стоков и для получения питьевой воды. Мембранный роторный фильтр имеет полый неподвижный вал, снабженный перегородкой. Ротор образован двумя подвижно закрепленными несущими дисками, между которыми расположены дисковые фильтрующие элементы. Системы подачи разделяемого раствора и вывода фильтрата подведены к полому неподвижному валу. Дисковые элементы снабжены установочными центральными отверстиями и периферийными сквозными отверстиями, расположенными попарно и симметрично относительно центрального установочного отверстия или таким образом, что их центры лежат на одной окружности и образуют правильный многоугольник. Дисковые фильтрующие элементы закреплены на несущих дисках фильтратотводящими трубками через проставки, снабженными сквозными отверстиями. Периферийные сквозные отверстия в дисковых фильтрующих элементах и сквозные отверстия в проставках выполнены соосно. Техническим результатом является улучшение самоочищения полупроницаемых мембран, увеличение производительности при высокой степени очистки растворов. 2 ил.

Мембранный роторный фильтр, состоящий из цилиндрического корпуса с вмонтированным полым валом, ротора, системы подачи разделяемого раствора и системы вывода концентрата и фильтрата, дисковых фильтрующих элементов, имеющих центральные установочные отверстия, снабженных полупроницаемыми мембранами, отличающийся тем, что полый вал выполнен неподвижным и снабжен перегородкой, ротор образован двумя подвижно закрепленными несущими дисками, между которыми расположены дисковые фильтрующие элементы, системы подачи разделяемого раствора и вывода фильтрата подведены к полому неподвижному валу, дисковые фильтрующие элементы дополнительно снабжены периферийными сквозными отверстиями, расположенными попарно и симметрично относительно центрального установочного отверстия или таким образом, что их центры лежат на одной окружности и образуют правильный многоугольник, дисковые фильтрующие элементы закреплены на несущих дисках фильтратотводящими трубками через проставки, снабженные сквозными отверстиями, при этом периферийные сквозные отверстия в дисковых фильтрующих элементах и сквозные отверстия в проставках выполнены соосно.