МЕМБРАННЫЙ ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ РУЛОННОГО ТИПА Российский патент 2007 года по МПК B01D63/12 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области конструкции (устройства) мембранного фильтрующего элемента рулонного типа (далее МЭ).

МЭ состоит из мембранных пакетов, чередующихся с листами дренажного материала для отвода пермеата, намотанных на фильтратотводящую перфорированную трубку и загерметизированных определенным образом.

МЭ нашли широкое применение практически во всех областях промышленности в процессах обратного осмоса, нано-, ультра-, микрофильтрации. Наиболее широко МЭ используются для обессоливания природных и сточных вод промышленных предприятий, водоподготовки технологической воды для различных производств, для получения питьевой воды, в том числе для бытовых нужд.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны различные конструкции МЭ. МЭ отличаются друг от друга общей конструкцией, технологией изготовления, применяемыми конструкционными материалами, герметизацией (Патенты Японии №№54-151571, 54-149384, 54-149383, 53-124179; Патенты США №№3966616, 3417870, 4235723, 5538642; Авторские свидетельства №№1205359, 1213100, 1595553).

Наиболее близкая к заявляемой конструкция МЭ приведена в патенте США №3417870. Согласно этому патенту МЭ содержит центральную трубку с отверстиями для отвода фильтрата, на которую намотаны листы сложенной активным слоем вовнутрь мембраны, внутри каждого листа которой находится лист сетки-турбулизатора, создающего канал для очищаемого раствора, листы сложенной мембраны разделены пористым материалом - каналом для отвода очищенной жидкости - фильтрата. Герметизация этих каналов осуществляется путем нанесения клеевой композиции на пористый материал - дренаж по трем его сторонам перед намоткой.

После спиральной намотки образуется МЭ, представляющий собой цилиндр с осевой фильтратотводящей трубкой, внутри которого сформированы каналы исходной воды и фильтрата. Каналы для подачи воды открыты с двух сторон (торцев) МЭ. Исходная жидкость подается в один торец МЭ и выводится через другой торец. Фильтрат выводится через фильтратотводящую трубку.

Однако следует отметить наряду с безусловными достоинствами (прежде всего многопакетность, при которой длина каждого мембранного пакета, а следовательно, гидравлическое сопротивление каналов для отвода очищенной жидкости сведено к оптимальному минимуму) определенные недостатки вышеуказанной конструкции:

- невозможность использования МЭ для фильтрации в тупиковом режиме с регулярными восстановительными противоточными промывками и продувками сжатьм воздухом;

- при использовании высокопроизводительной мембраны дренажный канал не способен пропустить большой расход фильтрата.

Таким образом, недостатком МЭ по патенту США №3417870 является невозможность использования МЭ для фильтрации в тупиковом режиме с регулярными восстановительными противоточными промывками и продувками сжатым воздухом.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью изобретения является создание конструкции с возможностью использования МЭ для фильтрации в тупиковом режиме с регулярными восстановительными противоточными промывками и продувками сжатым воздухом.

Согласно изобретению МЭ состоит из центральной трубки с радиальными отверстиями и спирально намотанными вокруг нее мембранными пакетами, каждый из которых состоит из сложенной вдвое мембраны, турбулизаторной сетки, пористого материала. Вокруг центральной трубки равномерно, параллельно ей и на одинаковом расстоянии от центра расположен, по крайней мере, один ряд периферийных трубок с радиальными отверстиями, на каждой из которой закреплен мембранный пакет, при этом периферийная трубка размещена внутри сложенной вдвое мембраны, а торцы элемента полностью загерметизированы за исключением отверстий в трубках. Количество периферийных трубок и число их рядов определяется требуемым количеством мембранных пакетов. Мембранные пакеты загерметизированы методом сплошной заливки обоих торцов элемента, за исключением отверстий в трубках, термореактивной клеевой композицией или расплавом термопластичного материала.

Ввод исходной фильтруемой среды в МЭ предусмотрен через его наружную цилиндрическую поверхность по спиральным каналам к центру, а вывод концентрата и фильтрата зависит от ориентации активного слоя мембраны в пакете, при этом в случае, когда мембрана сложена активным слоем внутрь пакета, предусмотрен вывод концентрата через отверстия периферийных трубок, а фильтрата - через отверстие в центральной трубке (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4, фиг.5), а в случае, когда мембрана сложена активным слоем наружу пакета, предусмотрен вывод концентрата через отверстие в центральной трубке, а фильтрата через отверстия периферийных трубок (фиг.6, фиг.7, фиг.8, фиг.9, фиг.10).

Согласно изобретению для улучшения отвода фильтрата пористый материал включает в себя не менее двух листов дренажного материала и/или одну или несколько сеток толщиной от 0,2 до 2 мм.

При необходимости увеличения единичной производительности элемента (за счет увеличения рабочей поверхности мембраны) предлагаемая конструкция позволяет размещать вокруг центральной трубки дополнительно второй, третий и т.д. ряд трубок и соответственно этому увеличивать число мембранных пакетов, при этом сохраняя практически оптимальную длину каждого мембранного пакета.

При размещении в корпусе аппарата на один из концов МЭ устанавливается манжета, которая направляет поток исходной фильтруемой среды в каналы МЭ.

Авторами изобретения установлено, что выполнение МЭ в соответствии с предлагаемыми конструкционными решениями позволяет использовать МЭ для фильтрации в тупиковом режиме с регулярными восстановительными противоточными промывками и продувками сжатым воздухом.

Для реализации изобретения могут быть использованы все типы мембран: обратноосмотические, нано-, ультра-, микрофильтрационные.

В качестве турбулизаторной сетки предпочтительно использовать безузелковые сетки толщиной от 0,3 до 2 мм. В качестве сетки в дренажном канале предпочтительно использовать безузелковые сетки толщиной от 0,2 до 2 мм.

Лучшим дренажным материалом является трикотажное основовязальное полотно из лавсановой нити, пропитанное раствором эпоксидной смолы с последующим ее отверждением.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 - приведен эскиз заявляемого МЭ с мембраной, сложенной активным слоем вовнутрь пакета, концентрат выводится через отверстия периферийных трубок, а фильтрат - через отверстие в центральной трубке.

На фиг.2 - приведен поперечный разрез А-А заявляемого МЭ с мембраной, сложенной активным слоем вовнутрь пакета.

На фиг.3 - приведен поперечный разрез С-С заявляемого МЭ с мембраной, сложенной активным слоем вовнутрь пакета.

На фиг.4 - приведен поперечный разрез В-В заявляемого МЭ с мембраной, сложенной активным слоем вовнутрь пакета.

На фиг.5 - приведен местный разрез Б заявляемого МЭ с мембраной, сложенной активным слоем вовнутрь пакета.

На фиг.6 - приведен эскиз заявляемого МЭ с мембраной, сложенной активным слоем наружу пакета, концентрат выводится через отверстие в центральной трубке, а фильтрат - через отверстия периферийных трубок.

На фиг.7 - приведен поперечный разрез D-D заявляемого МЭ с мембраной, сложенной активным слоем наружу пакета.

На фиг.8 - приведен поперечный разрез F-F заявляемого МЭ с мембраной, сложенной активным слоем наружу пакета.

На фиг.9 - приведен поперечный разрез Е-Е заявляемого МЭ с мембраной, сложенной активным слоем наружу пакета.

На фиг.10 - приведен местный разрез Г заявляемого МЭ с мембраной, сложенной активным слоем наружу пакета.

1 - мембрана;

2 - дренажный материал;

3 - сетка в дренажном канале;

4 - турбулизаторная сетка;

5 - периферийная трубка;

6 - радиальные отверстия периферийной трубки;

7 - центральная трубка;

8 - радиальные отверстия центральной трубки;

9 - зона герметизации торцов МЭ;

10 - зона герметизации мембранных пакетов,

11 - корпус аппарата,

12 - манжета.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Заявляемый согласно настоящему изобретению МЭ используют в корпусе аппарата 11 (фиг.1). На одном конце МЭ устанавливается манжета 12, которая направляет поток исходной фильтруемой среды в каналы МЭ. МЭ имеет одну центральную 7 и несколько периферийных трубок 5 (фиг.1, фиг.2, фиг.3). Центральная трубка имеет радиальные отверстия 8 (фиг.4), периферийные трубки также имеют радиальные отверстия 6 (фиг.4, фиг.5). Периферийные трубки 5 размещены внутри сложенной вдвое мембраны 1 (фиг.4, фиг.5). Между мембранами находится турбулизаторная сетка 4 (фиг.4, фиг.5) и пористый материал, который образуется дренажным материалом 2 и/или сеткой 3 (фиг.4, фиг.5). Мембранные пакеты с наружной поверхности МЭ имеют зоны герметизации 10 (фиг.5), а с торцев МЭ загерметизированы 9 (фиг.1) методом сплошной заливки, за исключением отверстий в трубках, термореактивной клеевой композицией или расплавом термопластичного материала.

Исходная фильтруемая среда подается в МЭ через его наружную цилиндрическую поверхность (фиг.1, фиг.4, фиг.5). Вывод концентрата и фильтрата зависит от ориентации активного слоя мембраны в пакете.

Когда мембрана сложена активным слоем внутрь пакета (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4, фиг.5), фильтруемая среда движется по спиральному каналу, образованному турбулизаторной сеткой 4 (фиг.4, фиг.5), к периферийной трубке 6 и через ее радиальные отверстия 6 (фиг.5, фиг.4, фиг.1) выводится из МЭ в виде концентрата. Фильтрат, проникая через мембрану 1 (фиг.5, фиг.4), движется по спиральному каналу, образованному пористым материалом, к центральной трубке 7 (фиг.4) и через ее отверстия 8 (фиг.4) выводится из МЭ (фиг.1).

Когда мембрана сложена активным слоем наружу пакета (фиг.6, фиг.7, фиг.8, фиг.9, фиг.10), фильтруемая среда движется по спиральному каналу, образованному турбулизаторной сеткой 4 (фиг.9, фиг.10), к центральной трубке 7 и через ее радиальные отверстия 8 (фиг.9, фиг.6) выводится из МЭ в виде концентрата. Фильтрат, проникая через мембрану 1 (фиг.10, фиг.9), движется по спиральному каналу, образованному пористым материалом, к периферийной трубке 5 (фиг.9, фиг.10) и через ее отверстия 6 (фиг.9, фиг.10) выводится из МЭ (фиг.6).

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

Основные конструктивные особенности, исходные материалы и результаты испытаний опытных образцов МЭ приведены в таблице.

Контрольные испытания проводились:

- нанофильтрационных элементов на 0,2% растворе MgSO₄,

- микрофильтрационных элементах на водопроводной воде (Клязьминский водозабор г.Владимира).

Анализ результатов испытаний экспериментальных образцов элементов позволяет сделать вывод о том, что конструкция МЭ согласно настоящему изобретению может быть использована как для мембранного разделения в проточном режиме, так и для фильтрации в тупиковом режиме с регулярными восстановительными противоточными промывками и продувками сжатым воздухом. Ресурсные испытания элемента (образец 5) в течение 100 часов в тупиковом режиме на водопроводной воде с циклическими восстановительными обратноточными промывками показали их, безусловно, положительное влияние на ресурс работы элемента. При этом клеевые швы испытывали многократные знакопеременные нагрузки (сжатие-растяжение) без нарушения герметичности МЭ. Основные параметры и результаты испытаний опытных образцов МЭ.

Изобретение относится к мембранным фильтрующим элементам рулонного типа для процессов обратного осмоса, нано-, ультра- и микрофильтрации. Мембранный элемент (МЭ) включает центральную трубку с радиальными отверстиями и спирально намотанными вокруг нее мембранными пакетами, каждый из которых состоит из сложенной вдвое мембраны, турбулизаторной сетки и пористого материала. Вокруг центральной трубки равномерно, параллельно и на одинаковом расстоянии от центра размещен ряд периферийных трубок с закрепленными на них мембранными пакетами. Периферийная трубка размещена внутри сложенной вдвое мембраны. Мембранные пакеты загерметизированы методом сплошной заливки обоих торцов элемента, за исключением отверстий в трубках, термореактивной клеевой композицией или расплавом термопластичного материала. Ввод очищаемой жидкости в мембранный элемент производится через его наружную цилиндрическую поверхность по спиральным каналам к центру, а вывод концентрата и фильтрата определяется ориентацией активного слоя мембраны в пакете. Технический результат - повышение производительности МЭ, снижение трудоемкости его изготовления, а также использование МЭ для фильтрации в тупиковом режиме. 2 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.

1. Мембранный фильтрующий элемент рулонного типа (МЭ), включающий центральную трубку с радиальными отверстиями и спирально намотанными вокруг нее мембранными пакетами, каждый из которых состоит из сложенной вдвое мембраны, турбулизаторной сетки и пористого материала, отличающийся тем, что вокруг центральной трубки равномерно, параллельно ей и на одинаковом расстоянии от центра расположен ряд периферийных трубок с радиальными отверстиями, на каждой из которых закреплен мембранный пакет, при этом периферийная трубка размещена внутри сложенной вдвое мембраны, а количество периферийных трубок и число их рядов определяется требуемым количеством мембранных пакетов, мембранные пакеты загерметизированы методом сплошной заливки обоих торцов элемента, за исключением отверстий в трубках, термореактивной клеевой композицией или расплавом термопластичного материала, ввод исходной фильтруемой среды в МЭ предусмотрен через его наружную цилиндрическую поверхность по спиральным каналам к центру, а вывод концентрата и фильтрата зависит от ориентации активного слоя мембраны в пакете, при этом в случае, когда мембрана сложена активным слоем внутрь пакета, предусмотрен вывод концентрата через отверстия периферийных трубок, а фильтрата - через отверстие в центральной трубке, а в случае, когда мембрана сложена активным слоем наружу пакета, предусмотрен вывод концентрата через отверстие в центральной трубке, а фильтрата - через отверстия периферийных трубок.2. Мембранный элемент по п.1, отличающийся тем, что пористый материал включает в себя не менее двух листов дренажного материала.3. Мембранный элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что пористый материал включает в себя не менее одной сетки толщиной от 0,2 до 2 мм.