МЕМБРАННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ФИЛЬТРАЦИИ ВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ Российский патент 2005 года по МПК B01D63/06 

Изобретение относится к области разделения, концентрирования и опреснения различных растворов методами обратного осмоса и ультрафильтрации и может быть использовано в пищевой, фармацевтической, микробиологической промышленности, а также на предприятиях агропромышленного комплекса.

Известен мембранный элемент (Авторское свидетельство №1367995 Мембранный элемент, авторов Гнеушева В.Г., Клименко С.А., Милях Г,В., Прохорец В.П., кл. В 01 D 12/00, 1988 г.), содержащий пористый трубчатый каркас с расположенной на его внутренней поверхности полупроницаемой мембраной, торцовые крышки со штуцерами и турбулизирующее устройство, выполненное в виде закрепленной в торцовых крышках оси, на которой размещены вращающиеся втулки с лопастями.

Недостатками известного мембранного элемента является неравномерная очистка полупроницаемой мембраны по ее длине, неэффективное использование частей турбулизирующего устройства, наиболее удаленных от штуцера для подачи исходного раствора.

Технической задачей изобретения является повышение производительности мембранного аппарата за счет улучшения гидродинамического воздействия на разделяемый поток вследствие снижения слоя высокой концентрации на всей длине полупроницаемой мембраны.

Техническая задача достигается тем, что в мембранном аппарате для фильтрации вязких жидкостей, включающем трубчатый мембранный модуль, выполненный в виде двух коаксиально расположенных цилиндров, один из которых изготовлен из пористого материала, на внутренней поверхности которого расположена полупроницаемая мембрана, патрубки для ввода исходного раствора, вывода фильтрата и концентрата и турбулизирующее устройство, новым является то, что посередине трубчатого мембранного модуля размещена нагнетательная камера с тангенциально расположенным патрубком для подачи исходного раствора, герметично соединенная с фланцевыми соединениями, в которой при помощи металлических шариков, равноудаленных друг от друга и подвижно закрепленных в сепараторе установлено с возможностью вращения колесо, выполненное в виде двух полостей, образованных вертикальными, дисками, разделенных перфорированной цилиндрической поверхностью, причем в полости над перфорированной цилиндрической поверхностью неподвижно установлены лопасти, приваренные к боковым поверхностям вертикальных дисков и направленные навстречу потоку исходного раствора таким образом, чтобы при вращении колеса создавался наибольший крутящий момент, в полости под перфорированной цилиндрической поверхностью в вертикальных дисках размещены отверстия для выхода исходного раствора в мембранный канал, причем диаметр окружности, охватывающей эти отверстия, совпадает с внутренним диаметром окружностей фланцевых соединений, присоединяемых к корпусу нагнетательной камеры, внутри трубчатого мембранного модуля коаксиально полупроницаемой мембране расположен упругий канат с неподвижными турбулизирующими дисками, равноудаленными друг от друга и выполненными в виде набора упругих пластин таким образом, чтобы в центральной части турбулизирующего диска был образован круговой участок, непроницаемый для исходного раствора, канат неподвижно закреплен во втулке, приваренной к вертикальным дискам колеса, а концы каната закреплены во фрикционных валиках таким образом, чтобы исключалось его провисание вдоль поверхности полупроницаемой мембраны.

На фиг.1 изображен описываемый мембранный аппарат; на фиг.2 - разрез узлов А-А, Б-Б описываемого аппарата; на фиг.3 - схема гидродинамического процесса во время движения турбулизирующих дисков навстречу потоку исходного раствора; на фиг.4 - то же, но во время движения турбулизирующих дисков и потока исходного раствора в одном направлении.

Мембранный аппарат (фиг.1) содержит трубчатый мембранный модуль, выполненный в виде двух коаксиально расположенных цилиндров 1 и 2. Причем цилиндр 1 изготовлен из пористого материала, на внутренней поверхности которого расположена полупроницаемая мембрана 3. Посередине трубчатого мембранного модуля размещена нагнетательная камера 4 с тангенциально расположенным патрубком 5 для ввода исходного раствора. Трубчатый мембранный модуль и нагнетательная камера 4 герметично соединены между собой при помощи фланцевых соединений 6. Цилиндр 1 снабжен патрубками 7 для отвода концентрата, расположенными во фланцевых соединениях 8, а цилиндр 2 - патрубками 9 для отвода фильтрата. Внутри цилиндра 1 коаксиально полупроницаемой мембране 3 расположен упругий канат 10 с неподвижными турбулизирующими дисками 11, равноудаленными друг от друга и выполненными в виде набора упругих пластин таким образом, чтобы в центральной части турбулизирующего диска 11 был образован круговой участок, непроницаемый для исходного раствора.

Для возникновения упругих деформаций каната 10 предназначены колесо 12 (фиг.2), расположенное в нагнетательной камере 4 с возможностью вращения, и фрикционные валики 13, установленные в подшипниковых узлах 14 фланцевых соединений 8. Колесо 12 установлено в корпусе нагнетательной камеры 4 при помощи металлических шариков 15, равноудаленных друг от друга и подвижно закрепленных в сепараторе 16. Колесо 12 выполнено в виде двух полостей, образованных вертикальными дисками 17, разделенных цилиндрической перфорированной поверхностью, причем в одной полости над цилиндрической перфорированной поверхностью неподвижно установлены лопасти 18, приваренные к боковым поверхностям вертикальных дисков 17 и направленные навстречу потоку исходного раствора таким образом, чтобы при вращении колеса 12 создавался наибольший крутящий момент. В полости под цилиндрической перфорированной поверхностью в вертикальных дисках 17 размещены отверстия для выхода исходного раствора в мембранный канал, причем диаметр окружности, охватывающей отверстия, совпадает с внутренним диаметром фланцевых соединений 6, присоединяемых к корпусу нагнетательной камеры.

Канат 10, проходящий через втулку 19, приваренную к вертикальным дискам 17, неподвижно закреплен при помощи зажимов 20, причем оси симметрии колеса 12 и втулки 19 совпадают.

Турбулизирующие диски 11 выполнены в виде набора упругих пластин 21, расположенных по окружности коаксиально полупроницаемой мембране 3 с образованием минимального зазора для обеспечения перетека исходного раствора из одной полости, образованной двумя турбулизирующими дисками 11, в другую.

Турбулизирующие диски 11 равноудалены друг от друга и неподвижно закреплены на канате 10 при помощи зажимов 20, плотно прилегающих к боковым поверхностям турбулизирующих дисков. Упругие пластины 21 закреплены на канате 10 зажимами 20 таким образом, чтобы в центральной части турбулизирующего диска 11 был образован круговой участок, непроницаемый для исходного раствора, предназначенный для создания турбулентности разделяемой среды в направлении от оси к периферии мембранного канала.

Канат 10 установлен во втулке 19 рабочего колеса 12 и втулках 22 подшипниковых узлов 14 таким образом, чтобы исключалось провисание каната 10 с набором турбулизирующих дисков 11 вдоль поверхности полупроницаемой мембраны 3.

Фрикционный валик 13 удерживается фрикционными накладками 23 якорей электромагнитов 24, неподвижно установленных на фланцевом соединении 8, позволяющих создавать и восстанавливать упругую деформацию каната 10.

Мембранный аппарат работает следующим образом.

Исходный раствор подается в аппарат через патрубок 5 под давлением, превышающим осмотическое.

Благодаря тангенциальному расположению патрубка 5 в корпусе нагнетательной камеры 4 обеспечивается создание крутящего момента, приложенного к лопасти 18 колеса 12. Под действием потока исходного раствора колесо 12 начинает вращаться в корпусе нагнетательной камеры 4 при помощи металлических шариков 15.

Одновременно с этим осуществляется подача электрического тока на обмотки электромагнитов 24, в результате которой якори, совершая поступательное движение, переходят из своего начального положения в конечное, при котором совершается работа по удерживанию фрикционных валиков 13 фрикционными накладками 23.

При вращении колеса 12 и неподвижных в данный момент времени фрикционных валиков 13 канат 10 упруго деформируется, в результате чего он начинает скручиваться, начиная от точек крепления во втулке 19 и заканчивая втулками 22 подшипниковых узлов 14. В результате этого турбулизирующие диски 11 начинают вращаться и, одновременно с этим, поступательно перемещаться навстречу потоку исходного раствора. Причем расстояния между выходными отверстиями в вертикальных дисках 17 рабочего колеса 12 и ближайшими к ним турбулизирующими дисками 11 уменьшается, а расстояния между фланцевыми соединениями 8 и ближайшими к ним турбулизирующими дисками 11 увеличивается. Таким образом, уменьшаются расстояния между турбулизирующими дисками 11 вдоль полупроницаемой мембраны 3 в направлении, начиная от фланцевых соединений 6 и заканчивая фланцевыми соединениями 8.

Поток исходного раствора, пройдя через цилиндрическую перфорированную поверхность колеса 12, поступает в полость, откуда через выходные отверстия в вертикальных дисках, поступает в мембранный канал (фиг.3).

На выходе из выходных отверстий колеса 12 поток исходного раствора сильно турбулизируется, благодаря резкому изменению диаметров этих отверстий и внутреннего диаметра фланцевых соединений 6. В результате этого происходит удаление слоя высокомолекулярных соединений с поверхности полупроницаемой мембраны 3, и вследствие этого исключается образование застойной зоны на участке мембранной поверхности, прилегающей к фланцевым соединениям 6.

Поток исходного раствора, двигаясь по оси мембранного канала, не может преодолеть нарастающее гидравлическое сопротивление со стороны турбулизирующих дисков 11, поскольку в центральной их части находится сплошной круговой участок. Благодаря этому участку, в каждой последующей полости, образованной двумя дисками, возникают противоточные микропотоки исходного раствора, направленные от оси мембранного канала к его периферии, что приводит к дополнительной турбулизации разделяемой среды, усиливаемой вращением турбулизирующих дисков 11.

Прошедший через полупроницаемую мембрану 3 фильтрат поступает в полость, образованную цилиндрами 1 и 2, откуда отводится при помощи патрубков 9, а образующийся концентрат вместе с удаленными частицами слоя высокомолекулярных соединений - через патрубки 7.

После достижения максимальной упругой деформации каната 10, определяемой максимальным перемещением турбулизирующих дисков 11 из начального положения, прекращается подача электрического тока на обмотку электромагнитов 24. В результате этого, якори, совершая под действием пружины поступательные движения, переходят из конечного положения в начальное, при котором прекращается удерживание фрикционных валиков 13 фрикционными накладками 23.

В результате возникшей упругой деформации каната 10 и подвижных в данный момент времени фрикционных валиков 13 (фиг.4), турбулизирующие диски 11 начинают вращаться с угловой скоростью, большей их угловой скорости во время неподвижных фрикционных валиков 13. Причем угловая скорость турбулизирующих дисков 11, наиболее удаленных от колеса 12, больше угловой скорости дисков, находящихся в непосредственной близости от него. В начальный момент времени, когда упругая деформация максимальна, угловая скорость турбулизирующих дисков 11 также максимальна. С уменьшением деформации каната 10 уменьшается угловая скорость турбулизирующих дисков 11 и с течением времени, при отсутствующей деформации каната, угловая скорость дисков становится равной угловой скорости колеса 12.

Одновременно с этим происходит поступательное перемещение турбулизирующих дисков 11 в одном направлении с потоком исходного раствора. Поскольку угловая скорость вращения турбулизирующих дисков 11, наиболее удаленных от колеса 12, больше, то соответственно больше и противоточные микропотоки разделяемой среды в каждой последующей полости между этими дисками в направлении, начиная от фланцевых соединений 8 к фланцевым соединениям 6. Таким образом, турбулизация потока исходного раствора увеличивается вдоль полупроницаемой мембраны 3 в этом направлении.

Во время приближения турбулизирующих дисков 11 к фланцевым соединениям 8 происходит нагнетание разделяемой среды, а вследствие ее высокой турбулизации, создаваемой вращающимися дисками, происходит удаление слоя высокомолекулярных соединений с поверхности полупроницаемой мембраны 3, исключая, тем самым, образование застойной зоны на участке мембранной поверхности, прилегающей к фланцевым соединениям 8.

Прошедший через полупроницаемую мембрану 3 фильтрат отводится через патрубок 9, а образующийся концентрат вместе с удаленными частицами слоя высокомолекулярных соединений - через патрубки 7.

После того как упругая деформация каната 10 будет отсутствовать, а турбулизирующие диски 11 и колесо 12 вращаться с одинаковой угловой скоростью, фрикционные валики 13 неподвижно фиксируются фрикционными накладками 23 якорей электромагнитов 24 и далее процессы повторяются аналогично описанным выше.

Данный мембранный аппарат позволяет обеспечить:

- высокую эффективность процесса мембранной обработки вязких жидкостей за счет вращательного и возвратно-поступательного движений турбулизирующих дисков вдоль поверхности полупроницаемой мембраны при помощи колеса, вращающегося под действием потока исходного раствора и фрикционных валиков, удерживаемых фрикционными накладками якорей электромагнитов при создании упругой деформации каната и свободно вращающихся фрикционных валиков при восстановлении упругих его свойств;

- устранение механических повреждений поверхности полупроницаемой мембраны вращающимися и поступательно перемещающимися вдоль нее турбулизирующими дисками за счет их выполнения в виде набора упругих пластин, позволяющих легко деформироваться при случайном их соприкосновении с мембраной;

- устранение застойных зон на участках полупроницаемой мембраны, прилегающих к фланцевым соединениям, благодаря периодическому приближению к ним вращающихся турбулизирующих дисков.

Изобретение относится к области разделения, концентрирования и опреснения различных растворов методами обратного осмоса и ультрафильтрации и может быть использовано в пищевой, фармацевтической, микробиологической промышленности, а также на предприятиях агропромышленного комплекса. Мембранный аппарат для фильтрации вязких жидкостей включает трубчатый мембранный модуль, выполненный в виде двух коаксиально расположенных цилиндров, один из которых изготовлен из пористого материала, на внутренней поверхности которого расположена полупроницаемая мембрана. Аппарат также содержит патрубки для ввода исходного раствора, вывода фильтрата и концентрата и турбулизирующее устройство. Посередине трубчатого мембранного модуля размещена нагнетательная камера с тангенциально расположенным патрубком для подачи исходного раствора, герметично соединенная с фланцевыми соединениями, в которой при помощи металлических шариков, равноудаленных друг от друга и подвижно закрепленных в сепараторе, установлено с возможностью вращения колесо. Колесо выполнено в виде двух полостей, образованных вертикальными дисками, разделенных перфорированной цилиндрической поверхностью. В полости над перфорированной цилиндрической поверхностью неподвижно установлены лопасти, приваренные к боковым поверхностям вертикальных дисков и направленные навстречу потоку исходного раствора таким образом, что при вращении колеса создавался наибольший крутящий момент. В полости под перфорированной цилиндрической поверхностью в вертикальных дисках размещены отверстия для выхода исходного раствора в мембранный канал, причем диаметр окружности, охватывающей эти отверстия, совпадает с внутренним диаметром окружностей фланцевых соединений, присоединяемых к корпусу нагнетательной камеры. Внутри трубчатого мембранного модуля коаксиально полупроницаемой мембране расположен упругий канат с неподвижными турбулизирующими дисками. Диски равноудалены друг от друга и выполнены в виде набора упругих пластин таким образом, чтобы в центральной части турбулизирующего диска был образован круговой участок, непроницаемый для исходного раствора. Канат неподвижно закреплен во втулке, приваренной к вертикальным дискам колеса, а концы каната закреплены во фрикционных валиках таким образом, чтобы исключалось его провисание вдоль поверхности полупроницаемой мембраны. Техническим результатом является повышение производительности мембранного аппарата за счет улучшения гидродинамического воздействия на разделяемый поток вследствие снижения слоя высокой концентрации на всей длине полупроницаемой мембраны. 4 ил.

Мембранный аппарат для фильтрации вязких жидкостей, включающий трубчатый мембранный модуль, выполненный в виде двух коаксиально расположенных цилиндров, один из которых изготовлен из пористого материала, на внутренней поверхности которого расположена полупроницаемая мембрана, патрубки для ввода исходного раствора, вывода фильтрата и концентрата и турбулизирующее устройство, отличающийся тем, что посередине трубчатого мембранного модуля размещена нагнетательная камера с тангенциально расположенным патрубком для подачи исходного раствора, герметично соединенная с фланцевыми соединениями, в которой при помощи металлических шариков, равноудаленных друг от друга и подвижно закрепленных в сепараторе, установлено с возможностью вращения колесо, выполненное в виде двух полостей, образованных вертикальными дисками, разделенных перфорированной цилиндрической поверхностью, причем в полости над перфорированной цилиндрической поверхностью неподвижно установлены лопасти, приваренные к боковым поверхностям вертикальных дисков и направленные навстречу потоку исходного раствора таким образом, чтобы при вращении колеса создавался наибольший крутящий момент, в полости под перфорированной цилиндрической поверхностью в вертикальных дисках размещены отверстия для выхода исходного раствора в мембранный канал, причем диаметр окружности, охватывающей эти отверстия, совпадает с внутренним диаметром окружностей фланцевых соединений, присоединяемых к корпусу нагнетательной камеры, внутри трубчатого мембранного модуля коаксиально полупроницаемой мембране расположен упругий канат с неподвижными турбулизирующими дисками, равноудаленными друг от друга и выполненными в виде набора упругих пластин таким образом, чтобы в центральной части турбулизирующего диска был образован круговой участок, не проницаемый для исходного раствора, канат неподвижно закреплен во втулке, приваренной к вертикальным дискам колеса, а концы каната закреплены во фрикционных валиках таким образом, чтобы исключалось его провисание вдоль поверхности полупроницаемой мембраны.