СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФИЛЬТРАЦИИ И РАЗДЕЛЕНИЯ ТЕКУЧИХ СРЕД ПОСРЕДСТВОМ МЕМБРАН Российский патент 2017 года по МПК B01D61/14 B01D61/18 B01D63/08 B01D63/10 

Изобретение касается способа фильтрации и разделения текучих сред посредством мембран, включающего в себя по существу герметичный под давлением корпус, в котором расположено множество мембран, по меньшей мере один впуск для направляемой в устройство текучей среды, подлежащей разделению, и по меньшей мере один выпуск для выводимого из устройства пермеата, а также выводимой остающейся фракции, причем эти мембраны выполнены в виде мембранных подушек, которые имеют область открытия для выхода собирающегося во внутреннем пространстве мембран пермеата, а также

устройства для фильтрации и разделения текучих сред посредством мембран, включающего в себя по существу герметичный под давлением корпус, в котором расположено множество мембран, по меньшей мере один впуск для направляемой в устройство текучей среды, подлежащей разделению, и по меньшей мере один выпуск для выводимого из устройства пермеата, а также выпуск для выводимой остающейся фракции, причем эти мембраны выполнены в виде мембранных подушек, которые имеют область открытия для выхода собирающегося во внутреннем пространстве мембран пермеата.

Способ или, соответственно, устройство, с помощью которого может выполняться такой способ, описано, например, в EP-A-1 445 013, причем там это устройство выполнено в связи с выполненным в форме т.н. витой мембраны самостоятельного разделительного узла, который может помещаться в герметичном под давлением корпусе.

Примененные там мембранные элементы, которые, как правило, выполнены в виде т.н. мембранных подушек, в кругу специалистов называемых также подушечными мембранами или мембранными карманами, адаптированы к соответствующей цели разделения в отношении подлежащей разделению среды также в отношении их размера (поверхности мембраны), при этом собственно избирательные к веществам мембраны, которые образуют мембранные подушки, также выбираются специально для цели разделения подлежащей разделению среды.

В гидравлических технологиях разделения различают фильтрацию, ультрафильтрацию, нанофильтрацию и обратный осмос. Эти гидравлические технологии разделения частично перекрываются, так что строгое разделение в кругу специалистов рассматривается только теоретически применительно к физическому механизму действия осуществляющегося в мембране разделения веществ. Все же, как правило, применяется вышеназванная грубая классификация, см. «Способы мембранного разделения, ультрафильтрация и обратный осмос, Роберт Раутенбах, издательство Залле + Зауэрлендер, 1981 г.».

Разделение веществ посредством мембран вошло почти во все области промышленного хозяйства и распространяется, например, от разделения веществ в морских сооружениях, таких как суда и буровые платформы, которые применяются или, соответственно, закреплены на море, до области обессоливания морской воды для получения технической и пресной воды и, например, разделения фильтрационной воды, как это происходит на мусорных свалках, а также в области промышленного и коммунального отведения сточных вод.

Многие из этих жидких текучих сред состоят из разнообразной смеси различных жидких компонентов, частично даже смешанных с газообразными компонентами, для которых до сих пор для каждого желаемого продукта разделения в соответствии с осуществлением процесса разделения должно было предоставляться устройство, с помощью которого может выполняться способ разделения, или, соответственно, специальное для данного продукта разделительное устройство. Это требует, как легко можно видеть, высоких затрат на оборудование и, кроме того, также трудоемкого управления способами, которые должны использоваться или, соответственно, выполняться для разделения комплексной смеси веществ. Многие из подлежащих разделению веществ из одной смеси веществ должны с помощью различных механизмов разделения в смысле описанной выше классификации выделяться из подлежащей разделению смеси веществ, так как определенный метод разделения не подходит для определенных веществ из подлежащей разделению смеси веществ, и только другой метод приводит к успеху. Даже различные вещества в одной смеси веществ, которые химически/физически относятся к одной и той же группе веществ, иногда могут сепарироваться из общей смеси, подлежащей разделению, только посредством одного метода разделения веществ, но не посредством другого метода разделения веществ.

К тому же, как указано выше, до сих пор у имеющих комплексный состав текучих сред разделение промежуточных продуктов, в свою очередь, могло достигаться путем повторного пропускания поочередно через устройства, настроенные соответственно на тот продукт, который хотят отделить. Это требует наряду с уже упомянутыми высокими затратами на оборудование также очень много времени, и требует высоких затрат энергии.

Поэтому задачей изобретения является создать способ, с помощью которого могут разделяться разные продукты из одной комплексной подлежащей разделению смеси веществ в одном шаге способа, которые доступны каждый только различным механизмам разделения, причем этот способ требует низких затрат на оборудование по сравнению с прежними разделительными устройствами, и модернизация, например, устройства, с помощью которого должен иметь возможность выполняться такого рода способ, не требуется, так что этот способ может осуществляться быстро и с оптимальными затратами.

Решается эта задача в соответствии с первым предлагаемым изобретением решением за счет того, что у пакета мембран соответствующее количество мембран различных областей разделения может эксплуатироваться с соответственно предопределенным, различным давлением подлежащей разделению среды, а во втором предлагаемом изобретением решении за счет того, что у пакета мембран соответствующее количество мембран различных областей разделения может эксплуатироваться с соответственно предопределенным, различным вакуумом подлежащей разделению среды.

Последнее из двух чрезвычайно предпочтительных предлагаемых изобретением решений позволяет также, например, выделять вещества из комплексных смесей веществ, что может выполняться только посредством мембран, которые, например, работают по методу первапорации.

Преимущество предлагаемых изобретением решений в отношении соответствующих способов разделения заключается в том, что, как стремятся в соответствии с задачей, как бы в одном шаге способа, за счет выбранных различных областей разделения отдельных частей всех задействованных мембранных элементов, возможно селективное разделение веществ, т.е. селективно для каждого желаемого продукта из подлежащей разделению смеси веществ. Благодаря этому необходимый до сих пор способ разделения, который должен был применяться многократно, может сокращаться, в принципе, до одного процесса разделения. Это, как и стремились, не только является значительным преимуществом в оборудовании, но и преимуществом, которое отражается в экономии времени и затрат.

В принципе, то же самое преимущество достигается также при предложенном изобретением решении, при котором процесс разделения веществ осуществляется посредством разрежения (вакуума), т.е. посредством метода, при котором разделение определенных смесей веществ возможно только посредством разрежения на обращенной к пермеату стороне мембранного элемента.

По одному из предпочтительных усовершенствований способа предопределяемая часть мембран пакета мембран эксплуатируется с различными давлениями подлежащей разделению среды, т.е. одно соответствующее количество мембранных элементов пакета мембран ответственно только за одну задачу разделения или, соответственно, одну область разделения, в то время как другая часть мембран пакета мембран предназначена для других областей разделения подлежащей разделению среды. Мощность количества отдельных частей мембран, в свою очередь, определяется количеством (объемом) имеющейся, подлежащей разделению текучей среды и ожидаемой доли определенных различных веществ в общей смеси веществ, которая должна разделяться.

То же самое предпочтительно относится по смыслу также к разделению веществ посредством разрежения, при этом предпочтительно на одну предопределяемую часть мембран пакета мембран подается вакуум различной величины применительно к подлежащей разделению среде.

Предпочтительно можно также осуществлять способ так, чтобы по меньшей мере на одну первую предопределенную часть мембран пакета мембран подавался вакуум различной величины и по меньшей мере на одну вторую часть мембран подавалось различное давление применительно к подлежащей разделению среде.

Устройство для фильтрации и разделения текучих сред посредством мембран, с помощью которого может выполняться вышеназванный способ фильтрации и разделения текучих сред посредством мембран, предпочтительно выполнено таким образом, что соответствующие части мембран, которые образуют пакет мембран, выполнены для различных областей разделения применительно к подлежащей разделению текучей среде.

Так, предпочтительно одна часть мембран, образующих пакет мембран, состоит из мембран, которые, например, пригодны для нанофильтрации, другая часть мембран состоит из мембран, которые могут эксплуатироваться для разделения по принципу образного осмоса, и другое количество мембран пакета мембран из мембран, которые выполнены для разделения по принципу ультрафильтрации, причем это перечисление различных количеств мембран для различных областей разделения должно пониматься здесь только в качестве примера, при этом также все другие мембраны могут образовывать соответствующие части мембран пакета мембран, которые здесь дословно не названы. К выполненному в соответствии с изобретением устройства при одинаковой по смыслу задаче относятся те же самые преимущества, которые были описаны в связи с вышеназванным предлагаемым изобретением способом.

Хотя, в принципе, предлагаемое изобретением устройство в отношении расположения мембран в устройстве или, соответственно, в принадлежащем устройству корпусе может выбираться любым надлежащим образом, т.е., в принципе, пригодны также устройства, у которых мембранные элементы состоят из мембран из полых нитей или, соответственно, капиллярных мембран, чрезвычайно предпочтительно выполнять пакет мембран подобно многослойной спирали. Такого рода пакеты мембран называются также спиральными модулями и обладают тем большим преимуществом, что фактически при пересечении спиралеобразно расположенных мембран для подлежащей разделению среды, которая протекает через спираль с торцевой стороны, действуют одинаковые условия давления во всех местах мембраны. Такого рода спиральный модуль, называемый также витым модулем, может в одинаковом объеме пространства вмещать большую поверхность мембраны, чем, например, пакет мембранных элементов, у которого подлежащая разделению среда меандрообразно пропускается через пакет мембранных элементов от входа для подлежащей разделению среды до выхода остающейся фракции из устройства.

Выполнение спирального модуля или, соответственно, витого модуля для предлагаемой изобретением системы отдельных количеств мембран различных областей разделения имеет то преимущество, что также в каждом месте поверхностей мембран действуют одинаковые условия давления подлежащей разделению среды (режимы).

В мембранной технологии существенно, что во внутреннем пространстве мембранной подушки пермеат, образующийся между избирательными к веществам мембранными элементами, т.е. собственно мембранами мембранной подушки, может стекать быстро и без помех. Так как пермеат в различных областях разделения, на которые рассчитана эта мембрана, обладает различными свойствами текучести, предпочтительно оптимизировать эти свойства текучести за счет того, что между мембранными элементами в своем внутреннем пространстве расположен по меньшей мере один промежуточный элемент, который не только имеет функции дистанционирования, т.е. служит для того, чтобы обе внутренние поверхности мембран одной мембранной подушки удерживались на расстоянии, но и для того, чтобы заставлять пермеат во внутреннем пространстве мембранной подушки стекать без помех или, соответственно, беспрепятственно.

Предпочтительно, чтобы по существу плоскостной промежуточный элемент имел предварительно выбираемую соответственно области разделения мембранной подушки, различную толщину, причем эта толщина подобрана к выбранной области разделения, для которой выбран или, соответственно, выполнен этот мембранный элемент, и ему придается оптимизированная форма, чтобы избежать помехи стекания пермеата, собирающегося во внутреннем пространстве мембран.

Чтобы также обеспечить по возможности наиболее беспрепятственное течение подлежащей разделению текучей среды через пакет мембран, по другому предпочтительному варианту осуществления изобретения между образующими пакет мембран мембранными подушками расположены дистанционные элементы. Эти дистанционные элементы служат для того, чтобы подлежащая разделению текучая среда могла по существу беспрепятственно течь через пакет мембран. Также в отн. проточного канала для подлежащей разделению среды через пакет мембран очень предпочтительно, чтобы выполненный по существу плоским или решетчатым дистанционный элемент имел различную толщину, выбираемую в соответствии с областью разделения мембранных элементов по меньшей мере соседних с каждой из обеих сторон мембранных подушек. Эта толщина дистанционного элемента также является определяющей для наиболее беспрепятственного возможного течения подлежащей разделению текучей среды через пакет мембран, причем эта толщина дистанционного элемента может выбираться, адаптируясь к выбранной области разделения соответствующих мембранных подушек. Таким образом, в свою очередь, возможна простая адаптация к цели достижения оптимального течения подлежащей разделению среды через пакет мембран.

По другому предпочтительному варианту осуществления изобретения образующие пакет мембран мембранные подушки намотаны друг на друга подобно спирали вокруг устройства для слива и сбора пермеата, пересекающего данное устройство, таким образом, что область открытия мембранной подушки соединена с соответствующими отверстиями для слива пермеата устройства для слива и сбора пермеата. Для этого устройство для слива и сбора пермеата имеет множество отверстий, которые проходят через его трубчатую боковую поверхность, причем эти отверстия ориентированы таким образом, что они соединены с отверстиями для слива пермеата или, соответственно, областями для слива пермеата мембранных подушек, и пермеат может стекать через эти отверстия.

По еще одному другому предпочтительному варианту осуществления изобретения выполненный подобно спирали пакет мембран намотан на отдельный трубчатый элемент, при этом в его внутреннем отверстии размещено устройство для слива и сбора пермеата. Это имеет то преимущество, что спиральный модуль или, соответственно, витой модуль может предварительно подготавливаться как бы до готовности к функционированию и должен только надеваться на выполненное в трубчатой форме, в этом варианте осуществления отдельное, устройство для слива и сбора пермеата. В этом варианте осуществления устройства трубчатое устройство для слива и сбора пермеата может применяться также в качестве центрального, пересекающего корпус стяжного болта, чтобы можно было герметично под давлением помещать спиральный или, соответственно, витой модуль в корпус устройства.

Как тоже уже указано выше, можно также применять предлагаемый изобретением принцип устройства к таким пакетам мембран, которые образуются каждый некоторым количеством сложенных, чередуясь, стопой друг на друга, выполненных в форме диска дистанционных элементов и мембранных подушек. Например, из EP-A-0 289 740 известно такого рода устройство, которое при в принципе одинаковой конструкции известно в уровне техники во многих вариантах осуществления. Предлагаемый изобретением принцип в отношении устройства, а также в отношении способа может также применяться без затруднений к пакету мембран такого рода.

Чтобы у выполненных таким образом пакетов мембран достичь аналогичного по действию, как у упомянутых выше плоскостных дистанционных элементов, которые, как правило, выполнены решетчатыми, соответствующего пространства для подлежащей разделению среды над поверхностью мембраны и под поверхностью мембраны, предпочтительно по меньшей мере на одной поверхности дистанционного элемента предусмотрено множество выпукло отстоящих от поверхности выступов, размер которых по высоте выбран таким образом, что мембранная подушка своей соответствующей избирательной к жидкостям поверхностью не прилегает к поверхностям выступов, более того, при необходимости она опирается только на небольшом расстоянии от мембранной подушки. При выступах другого рода выпукло выступающие относительно поверхности дисковидного дистанционного элемента, выступы с небольшой поверхностью выполнены параллельно поверхности дистанционных элементов, так что мембранный элемент может опираться на эти параллельные поверхности выступов во избежание повреждений избирательных к жидкостям поверхностей мембран.

В принципе, считается, что предпочтительно толщина дистанционных элементов определяется высотой выступов.

Наконец, при этом варианте осуществления пакета мембран дистанционный элемент может быть также снабжен наружным окружным краем, который соответственно отстоит от поверхности дистанционного элемента, при этом толщина дистанционного элемента определяется высотой края дистанционного элемента.

Таким образом, в этом варианте осуществления пакета мембранных элементов гарантируется, что всегда простым образом обеспечен канал для подлежащей разделению среды, адаптированный к высоте выступов и/или высоте края в соответствии с желаемой областью разделения среды.

Теперь изобретение подробно описывается со ссылкой на следующие схематичные чертежи на первом примере осуществления, при этом второй пример осуществления коротко поясняется только в отношении его отличий от первого примера.

На них показано:

фиг.1 - предлагаемое изобретением устройство в сечении;

фиг.2 - в сечении часть устройства в соответствии с фиг.1, которая состоит из спирали, состоящей из подушечных мембран и дистанционных элементов, которые намотаны друг на друга на трубчатом элементе и на которые может надеваться устройство для слива и сбора пермеата, по существу пересекающее в форме болта это устройство;

фиг.3 - сечение спирали по линии C-D в соответствии с фиг.2, однако, в отличие от фиг.2, со вставленным во внутреннее пространство трубчатого элемента устройством для слива и сбора пермеата в увеличенном по сравнению с фиг.2 масштабе, а также еще не намотанные друг на друга мембранные подушки и расположенные между мембранными подушками дистанционные элементы, для пояснения конструкции изобретения;

фиг.4a - фрагмент дистанционного элемента в сечении в сильно увеличенном масштабе на виде сбоку;

фиг.4b - дистанционный элемент в сильно увеличенном масштабе на виде сверху;

фиг.5 - применяемая в соответствии с изобретением мембранная подушка с расположенной с одной стороны областью, которая образует отверстие для слива пермеата;

фиг.6 - фрагмент сечения по линии A-B с фиг.5, показывающий конструкцию мембранной подушки, снабженной промежуточным элементом;

фиг.7 - фрагмент сечения по линии A-B с фиг.5, показывающий конструкцию мембранной подушки, которая не имеет промежуточного элемента;

фиг.8 - на виде сверху дистанционный элемент, который применяется в разделительных устройствах, выполненных в виде по существу цилиндрического пакета мембран, у которого количество всех дистанционных элементов чередуется с количеством всех мембранных подушек (2-й вариант устройства в соответствии с изобретением), на виде сверху, с обозначенными мембранными подушками, и

фиг.9 - на виде сбоку дистанционный элемент с фиг.8 в сечении с опущенными деталями, не нужными для понимания изобретения.

В отношении конструкции устройства 10 ссылка делается сначала на фиг.1 и 2. Устройство 10 включает в себя герметичный под давлением корпус 14, который здесь на фигуре выполнен в виде трубчатого цилиндрического элемента. По существу в осевом направлении к корпусу 14 предусмотрено по существу пересекающее устройство 10 устройство 21 для слива и сбора пермеата, которое дополнительно также имеет функцию стяжного болта, несущего на себе или, соответственно, удерживающего в сборе разделительный узел 110, о чем еще ниже будет сказано в подробностях.

Часть разделительного узла 110 изображена на фиг.2, причем этот разделительный узел наряду с устройством 21 для слива и сбора пермеата, пересекающим подобно болту устройство 10, имеет оконечные элементы 25, 26, которые на фиг.2 в целях наглядности не изображены.

На устройстве 21 для слива и сбора пермеата находится отдельный трубчатый элемент 27, который может надеваться, но который может также сниматься с устройства 21 для слива и сбора пермеата.

На отдельном трубчатом элементе 27, который также по существу пересекает устройство 10, и по своей осевой длине несколько меньше, чем осевая длина корпуса 14, множество мембран, которые выполнены в виде мембранных подушек 13, намотаны друг на друга подобно многоэлементной или, соответственно, многослойной спирали 20, сравн. также фиг.3. На фиг.1 и 2 многоэлементная спираль 20 изображена в своем окончательном состоянии с намотанными друг на друга мембранами.

Количество всех мембран в соответствии с фиг.1 и 2 образует пакет 12 мембран, который изображен на фиг.3 и который ниже описывается в подробностях. Образующие пакет 12 мембран мембранные подушки 13 выполнены для различных областей разделения применительно к подлежащей разделению текучей среде 11. Т.е. часть пакета 12 мембран выполняется из мембранных элементов 13, которые, например, выполнены для обратного осмоса, например, для нанофильтрации, например, для ультрафильтрации или же для обычной фильтрации или же для разделения веществ по методу первапорации.

Определенные части образующих пакет 12 мембран мембранных подушек 13 могут применяться в описанном выше смысле для образования пакета 12 мембран.

Можно также, например, выполнять разделение веществ при выполненных надлежащим образом мембранных подушках 13 посредством метода первапорации с вакуумной поддержкой. Все комбинации разных областей разделения текучих сред 11 возможны и могут образовывать пакет 12 мембран спиральной конструкции.

Изображение фиг.3, на котором показано сечение фиг.2 по линии C-D фиг.2, показывает, однако в более крупном масштабе, иначе, чем изображено на фиг.2, вставленное в трубчатый элемент 27 в его внутреннее отверстие 270 устройство 21 для слива и сбора пермеата, многоэлементную спираль 20 из отдельных мембранных подушек 13 в не намотанном друг на друга состоянии. Изображенные на фиг.3 мембранные подушки, изображенные в виде сплошной линии, изображены без соблюдения масштаба. В реализованном варианте осуществления мембранные подушки имеют, например, ширину 950 мм и длину 755 мм, причем эта длина является эффективной длиной мембранной подушки 13, если смотреть в направлении трубчатого элемента 27. Приведенные выше данные ширины и длины относительно мембранных подушек относятся только к одному из возможных примеров осуществления, но для отличающегося варианта осуществления устройства 10 могут также предусматриваться совершенно другие ширины и длины мембранных подушек 13.

В изображенном на фиг.3 примере осуществления многоэлементная спираль 20 состоит из 18 мембранных подушек 13, причем в этом случае также надо указать, что и другое количество мембранных подушек 13 может образовывать спираль 20.

В зависимости от желаемого вида применения выбирается соответствующая часть мембранных подушек 13, которые образуют пакет 12 мембран, и таким образом может компоноваться предварительно с учетом намеченного разделения веществ текучих сред 11, имеющих комплексный состав, т.е. также в соответствии с желаемой степенью разделения, которой желают достичь в качественном и количественном отношении, и желаемого результата разделения в целом.

Следует также указать на то, что изображение фиг.3 должно пониматься только схематично для лучшего понимания устройства 10. Поэтому отдельные образующие многоэлементную спираль 20 мембранные подушки 13 здесь также изображены как бы в рассредоточенном состоянии.

Мембранные подушки 13 имеют конструкцию, которая изображена на фиг.5, 6 и 7, о чем еще ниже будет сказано в подробностях. В состоянии многоэлементной спирали 20 с окончательно намотанными друг на друга мембранами спираль 20 принимает форму, которая изображена на фиг.1 и 2.

Мембранные подушки 13 многоэлементной спирали 20 расположены относительно трубчатого элемента 27 своими отверстиями 131 для слива пермеата таким образом, что области или, соответственно, отверстия 131 для слива пермеата направлены на радиальные отверстия 271, которые выполнены в трубчатом элементе 27, или, соответственно, впадают в них, сравн. снова фиг.3. Так, возможно, чтобы пермеат 18, выходящий из отверстий для слива пермеата мембран 13, мог входить в радиальные отверстия 271 и через них в расположенные во внутреннем отверстии 270 трубчатого элемента 27 отверстия 210 для впуска пермеата устройства 21 для слива и сбора пермеата, и оттуда, так как отверстия 210 для впуска пермеата в виде осевых пазов на выполненных на устройстве 21 для слива и сбора пермеата могут быть проведены к выполненному на одном конце устройства 21 для слива и сбора пермеата кольцевому каналу, и оттуда через выпуск 16 пермеата наружу.

Но можно также, вместо отдельных пазовых отверстий 210 для слива пермеата между внутренним отверстием 270 трубчатого элемента 27 и по существу пересекающим устройство 10 в форме болта устройством 21 для слива и сбора пермеата предусмотреть кольцеобразный канал, через который пермеат 18 направляется тогда к выпуску пермеата 16.

В описанном здесь примере осуществления устройства 10 соответствующие восемнадцати мембранным подушкам 13 восемнадцать радиальных отверстий 271 предусмотрены в трубчатом элементе 27. Вдоль отдельного трубчатого элемента 27 соответственно длине мембранных подушек 13 предусмотрено множество радиальных отверстий 271, расположенных в ряд в осевом направлении, для обеспечения как можно более равномерного стекания пермеата 18, выходящего из мембранных подушек 13.

Вторая многоэлементная спираль 22 образуется дистанционными элементами 23, которые расположены таким образом, что образующие многоэлементную спираль 20 мембранные подушки 13 удерживаются на расстоянии друг от друга указанными, во множестве образующими многоэлементную вторую спираль 22 дистанционными элементами 23. На фиг.3 дистанционные элементы 23, в противоположность мембранным подушкам 13, изображены штриховой линией.

Дистанционные элементы 23, которые приблизительно имеют длину и ширину, как мембранные подушки 13, имеют решетчатую структуру, сравн. фиг.4a и 4b. Изображения дистанционных элементов 23 на фиг.4a и 4b для пояснения конструкции дистанционных элементов 23 представлены с увеличением. Решетчатая структура дистанционных элементов 23 образуется множеством перекрещивающихся по существу под прямым углом первых и вторых элементов 230, 231. Элементы 230, 231 выполнены в форме стержней. При этом первые элементы 230 в поперечном сечении выполнены больше, чем вторые элементы 231. Дистанционные элементы 23 для образования многоэлементной второй спирали 22 в устройстве 10 или, соответственно, относительно многоэлементной первой спирали 20 из мембранных подушек 13, расположены таким образом, что первые элементы 230 дистанционных элементов 23 ориентированы по существу в осевом направлении относительно трубчатого элемента 27 или, соответственно, относительно имеющего форму болта устройства 21 для слива и сбора пермеата, так что пересекающая спираль 20 или, соответственно, 22, подлежащая разделению текучая среда 11 может течь вдоль вторых элементов 231, т.е. образуют пренебрежимо малое гидравлическое сопротивление для подлежащей разделению текучей среды 11.

Первые и вторые элементы 230, 231 дистанционных элементов 23 имеют в изображенном здесь на фиг.4a и 4b примере осуществления по существу круглую структуру. Но в принципе возможны и другие формы поперечного сечения, когда, например, должно целенаправленно достигаться турбулентное течение подлежащей разделению текучей среды 11 при перетекании через мембранные подушки 13 сквозь многоэлементную спираль 20, что может быть необходимо для особых желаемых случаев применения устройства. Дистанционные элементы 23 состоят из эластичного материала, например, полимерного материала, который может быть эластомерным полимерным материалом.

В зависимости от вида образованной определенным количеством желаемых в каждом случае мембранных подушек 13 части мембранных подушек 13 может предусматриваться, чтобы дистанционный элемент 23 имел выбираемую, различную толщину 232. За счет выбираемой толщины 232 дистанционного элемента 23 может определяться соответствующий проточный канал для текучей среды 11 между двумя граничащими мембранными подушками 13, причем также в зависимости от желаемого результата разделения текучей среды 11 и желаемой в каждом случае области разделения. В пакете 12 мембран, таким образом, в зависимости от соответствующих частей выполненных для определенных областей разделения мембранных подушек 13, могут также применяться различные дистанционные элементы 23, т.е. с различной толщиной 232.

Когда первая многоэлементная спираль 20 из мембранных подушек 13 приводится в свою окончательную форму, сравн. фиг.1 и 2, расположенные между мембранными подушками 13 дистанционные элементы 23 прижимаются к поверхности соответствующих соседних мембранных элементов 133, 134 соответственно соседних мембранных подушек 13, но препятствуют тому, чтобы соответствующие мембранные элементы 133, 134 соответственно соседних мембранных подушек 13 непосредственно прилегали друг к другу, и таким образом образуют проточный канал для подлежащей разделению текучей среды 11, так чтобы этот канал с торцевой стороны мог входить в многоэлементную спираль 20 из мембранных подушек 13, сравн. фиг.1 справа, а после прохождения всей длины мембранных подушек 13 снова выходить из многоэлементной спирали 20, сравн. фиг.1 слева. Благодаря наличию расположенных между мембранными элементами первой многоэлементной спирали 20 дистанционных элементов 23, которые также образуют многоэлементную вторую спираль 22, постоянно обеспечивается достаточно большой в поперечном сечении потока проточный канал для текучей среды 11.

Когда первая и вторая многоэлементная спираль 20, 22, которая тогда в описанном здесь примере состояла бы из тридцати шести элементов, т.е. восемнадцать мембранных подушек 13 и восемнадцать дистанционных элементов 23, приводится в свое окончательное намотанное положение, сравн. фиг.1 и 2, т.е. мембранные подушки 13 тогда при соответствующем промежуточном размещении дистанционных элементов 23 лежат друг на друге, спирали 20, 22 фиксируются по своему наружному периметру 24, сравн. фиг.2. Это может происходить, например, за счет того, что спирали 20, 22 по своему наружному периметру 24 обматываются тогда нитеобразным элементом или множеством нитеобразных элементов. Чтобы придать спиралям 20, 22 более высокую прочность еще в намотанном состоянии, можно пропитывать нитеобразные элементы отверждаемой смолой или полимерным материалом. Посредством надлежащей подачи тепла или же надлежащего регулирования процесса отверждения смолы или полимерного материала после произошедшего обматывания спиралей 20, 22 может тогда индуцироваться процесс отверждения нитеобразных элементов. Но можно также обматывать спирали 20, 22 по их наружному периметру 24 например, лентой из эластомерного материала подобно катушке.

Такого рода окончательно изготовленный каркас из спиралей 20, 22, который, например, изображен на фиг.2, надевается затем на устройство 21 для слива и сбора пермеата, пересекающее устройство 10 в форме болта. Затем с обеих сторон этот каркас из многоэлементных спиралей 20, 22, а также трубчатого элемента 27 снабжается ограничивающими с каждой из двух сторон оконечными элементами 25, 26, в которых соответственно предусмотрен по меньшей мере один впуск 15 для подлежащей разделению среды 11 и по меньшей мере один выпуск 17 для остающейся фракции 19. С помощью надлежащих средств уплотнения, а также накидных втулок оконечные элементы 25, 26 удерживаются, осуществляя уплотнение, относительно трубчатого элемента 17, при этом оконечные элементы 25, 26 имеют средства уплотнения, с помощью которых они затем могут размещаться герметично под давлением относительно корпуса 14, сравн. фиг.1, после того, как разделительный узел 110 из спиралей 20, 22, устройства 20 для слива и сбора пермеата, а также оконечных элементов 25, 26 были помещены в корпус 14.

Применяемые в устройстве 10 мембранные подушки 13 имеют по существу прямоугольную структуру, сравн. фиг.5.

Мембранные подушки 13 этого рода описаны, например, в EP-B-0 129 663 и могут изготавливаться известным образом.

Эти мембранные подушки 13 состоят, как правило, из двух мембранных элементов 133, 134 и, как правило, изготовлены из надлежащего полимерного материала, при этом полимеры выбираются таким образом, чтобы они подбирались специально к той задаче разделения, которая должна осуществляться с помощью устройства 10, т.е. в зависимости от подлежащей разделению текучей среды 11. Эти два мембранных элемента 133, 134, сравн. также фиг.6 и 7, на своем окружном крае 136 известным образом, например, посредством ультразвуковой обработки, сварены или надлежащим образом склеены.

Особенностью мембранной подушки 13, применяемой в связи с предлагаемым изобретением устройством, является то, что у этой мембранные подушки 13 на одной из ее торцевых сторон 132, т.е. в некоторой предопределенной области, выполнено отверстие 131 для слива пермеата, которое находится на одной оси с описанными выше радиальным отверстиями 271 трубчатого элемента 27 таким образом, что пермеат 18, выходящий из мембранных подушек 13 через отверстие 131 для слива пермеата, может входить в радиальные отверстия 271 трубчатого элемента 27. Внутри мембранных подушек 13, т.е. между образующими мембранную подушку 13 мембранными элементами 133, 134, может быть расположен по меньшей мере один промежуточный элемент 135, сравн. вариант осуществления мембранной подушки 13 в соответствии с фиг.6.

Промежуточный элемент 135 может также иметь различную толщину 139, чтобы оптимально адаптировать полость, созданную между двумя избирательными к веществам мембранными слоями, которые образуют мембранную подушку 13, к подлежащей разделению текучей среде 11 с учетом образующегося в мембранной подушке 13 пермеата 18. В зависимости от подлежащей разделению текучей среды 11 посредством устройства 10 путем надлежащего выбора толщины 139 промежуточного элемента 135, наряду с видом исполнения собственно мембраны и надлежащим образом выбираемой толщиной 232 дистанционного элемента 23, существует также другой параметр, который может выбираться и делает возможной оптимальную адаптацию к подлежащей разделению текучей среде 11. Промежуточный элемент 135 может также оказывать на мембранную подушку 13 механически стабилизирующее действие, при этом количество всех промежуточных элементов 135 может, в свою очередь, механически стабилизировать пакет 12 мембран в его совокупности.

Промежуточный элемент 135 может иметь структуру, подобную ваточному холсту, благодаря чему пермеату легче течь к отверстию 131 для слива пермеата или, соответственно, стекать. Но в принципе, можно также, сравн. вариант осуществления мембранной подушки 13 в соответствии с фиг.7, не предусматривать промежуточный элемент 135 между мембранными элементами 133, 134.

Устройство 10 было описано выше в связи с конструкцией, которая вообще общепринята у спиральных или, соответственно, витых мембранных модулей. Предлагаемое изобретением устройство 10 и предлагаемый изобретением способ могут, в принципе, также применяться у пакетов 12 мембран, выполненных в виде разделительных устройств, у которых между составленными стопой в виде цилиндрического пакета дистанционными элементами соответственно предусмотрена прокладка из мембранной подушки 13, причем такого рода устройство было описано, например, в EP-A-0 289 740.

Такого рода дисковый дистанционный элемент изображен, например, на фиг.8, при этом текучая среда 11 меандрообразно протекает через пакет из мембранных подушек 13 и плоскостного дистанционного элемента 23 от впуска для текучей среды 11 к выпуску для остающейся фракции. Пермеат собственно известным образом собирается в центральном устройстве 21 для слива и сбора пермеата и через выпуск для пермеата выводится из не изображенного здесь в подробностях устройства. Дистанционный элемент 23 имеет две поверхности 28, 29, которые выполнены по существу параллельно друг другу и имеют множество выступов 30, высота 31 которых является определяющей для проточного канала для текучей среды 11, (который они) образуют, между каждыми двумя включая в себя мембранную подушку 13. Окружающий по обеим сторонам дистанционного элемента 23 край 32, 33 может также либо альтернативно, либо дополнительно к высоте 31 выступов 30 определять поперечное сечение потока для подлежащей разделению текучей 11 среды по обеим сторонам поверхностей дистанционного элемента 23. В некоторых вариантах осуществления дистанционного элемента 23, как это известно в уровне техники, мембранная подушка 12 опирается только между вершинами выступов 30, но не прижимается к ним, в отличие от чего у другого дистанционного элемента 23 мембранная подушка 12 слегка прилегает к выполненным параллельно и ровно относительно поверхности дистанционных элементов поверхностям выступов на вершине выступов 30.

Вообще считается, что устройство 10, которое было описано в связи с фиг.8 и 9, может снабжаться мембранными подушками 12 и эксплуатироваться, как было описано в связи с описанным выше спиральным или, соответственно, витым модулем.

Предлагаемый изобретением способ осуществляется, например, с использованием устройства 10, которое было описано в соответствии с изобретением, таким образом, что

текучая среда 11 разделяется посредством мембран 13, при этом устройство 10 имеет по существу герметичный под давлением корпус 14, в котором расположено множество мембран 13, и включает в себя по меньшей мере один впуск 15 для направляемой в устройство подлежащей разделению текучей среды 11 и по меньшей мере один выпуск 13 для выводимого из устройства пермеата 11, а также выпуск 17 для выводимой остающейся фракции. Мембраны 13 выполнены в виде мембранных подушек, которые имеют область 131 открытия для выхода собирающегося во внутреннем пространстве 137 мембран пермеата 18. Способ осуществляется так и устройство 10 сконструировано таким образом, что соответствующие части мембран 13, которые образуют пакет 12 мембран, выполнены для различных областей разделения с учетом подлежащей разделению текучей среды 11.

Способ и устройство 10 выполнены таким образом, что для различных областей разделения мембран 13 пакета 12 мембран они эксплуатируются с соответственно предопределяемым, различным давлением на подлежащую разделению текучую среду 11. Но можно также подавать на подлежащую разделению среду, например, со стороны, обращенной к пермеату, для различных областей разделения соответственно различный, предопределенный вакуум.

Список ссылочных обозначений

10 Устройство

110 Разделительный узел

11 Текучая среда

12 Пакет мембран

13 Мембрана/мембранная подушка

130 Конец мембранной подушки

131 Отверстие для слива пермеата

132 Торцевая сторона

133 Мембранный элемент

134 Мембранный элемент

135 Промежуточный элемент

136 Область

137 Внутреннее пространство мембран

138 Край

139 Толщина/промежуточный элемент

14 Корпус

15 Впуск

16 Выпуск пермеата

17 Выпуск для выводимой остающейся фракции

18 Пермеат

19 Остающаяся фракция

20 Спираль (первая)

21 Устройство для слива и сбора пермеата

210 Отверстие для слива пермеата (устройство для слива и сбора пермеата)

22 Спираль (вторая)

23 Дистанционный элемент

230 Первый элемент решетки, имеющий форму стержня

231 Второй элемент решетки, имеющий форму стержня

232 Толщина/дистанционный элемент

24 Наружный периметр (спирали)

25 Оконечный элемент

26 Оконечный элемент

27 Трубчатый элемент

270 Внутреннее отверстие

271 Радиальное отверстие

28 Поверхность

29 Поверхность

30 Выступ

31 Высота/выступ

32 Край

33 Край

34 Высота/край

Изобретение относится к фильтрации и разделению текучих сред посредством мембран. Способ фильтрации и разделения текучих сред посредством мембран, включающий в себя по существу герметичный под давлением корпус, в котором расположено множество мембран, по меньшей мере один впуск для направляемой в устройство текучей среды, подлежащей разделению, и по меньшей мере один выпуск для выводимого из устройства пермеата, а также выводимой остающейся фракции, причем мембраны выполнены в виде мембранных подушек, которые имеют область открытия для выхода собирающегося во внутреннем пространстве мембран пермеата, отличающийся тем, что в пакете мембран соответствующую часть мембран различных областей разделения эксплуатируют с соответственно предопределенным, различным давлением подлежащей разделению среды. Также заявлено устройство фильтрации и разделения текучих сред посредством мембран. Технический результат – создание способа и устройства разделения текучих сред в одну стадию. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ фильтрации и разделения текучих сред посредством мембран, включающий в себя по существу герметичный под давлением корпус, в котором расположено множество мембран, по меньшей мере один впуск для направляемой в устройство текучей среды, подлежащей разделению, и по меньшей мере один выпуск для выводимого из устройства пермеата, а также выводимой остающейся фракции, причем мембраны выполнены в виде мембранных подушек, которые имеют область открытия для выхода собирающегося во внутреннем пространстве мембран пермеата, отличающийся тем, что в пакете мембран соответствующую часть мембран различных областей разделения эксплуатируют с соответственно предопределенным, различным давлением подлежащей разделению среды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что одну предопределяемую часть мембран пакета мембран эксплуатируют с различными давлениями подлежащей разделению среды.

3. Способ по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере на одну первую предопределяемую часть мембран пакета мембран подают вакуум различной величины, а по меньшей мере на одну вторую предопределяемую часть мембран подают различное давление применительно к подлежащей разделению среде.

4. Способ фильтрации и разделения текучих сред посредством мембран, включающий в себя по существу герметичный под давлением корпус, в котором расположено множество мембран, по меньшей мере один впуск для направляемой в устройство текучей среды, подлежащей разделению, и по меньшей мере один выпуск для выводимого из устройства пермеата, а также выводимой остающейся фракции, причем мембраны выполнены в виде мембранных подушек, которые имеют область открытия для выхода собирающегося во внутреннем пространстве мембран пермеата, отличающийся тем, что в пакете мембран соответствующую часть мембран различных областей разделения эксплуатируют с соответственно предопределенным, различным вакуумом на обращенной к пермеату стороне подлежащей разделению среды.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что одну предопределяемую часть мембран пакета мембран эксплуатируют с вакуумом различной величины применительно к подлежащей разделению среде.

6. Способ по любому из пп.4 или 5, отличающийся тем, что по меньшей мере на одну первую предопределяемую часть мембран пакета мембран подают вакуум различной величины, а по меньшей мере на одну вторую предопределяемую часть мембран подают различное давление применительно к подлежащей разделению среде.

7. Устройство (10) для фильтрации и разделения текучих сред (11) посредством мембран (13), включающее в себя по существу герметичный под давлением корпус (14), в котором расположено множество мембран (13), по меньшей мере один впуск (15) для направляемой в устройство (10) текучей среды (11), подлежащей разделению, и по меньшей мере один выпуск (16) для выводимого из устройства (10) пермеата (18), а также выпуск (17) для выводимой остающейся фракции (19), причем мембраны (13) выполнены в виде мембранных подушек, которые имеют область (131) открытия для выхода собирающегося во внутреннем пространстве (137) мембран пермеата (18), отличающийся тем, что соответствующие части мембран (13), которые образуют пакет (12) мембран, выполнены для различных областей разделения применительно к подлежащей разделению текучей среде (11).

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что пакет (12) мембран выполнен подобно многослойной спирали (20).

9. Устройство по любому из пп.7 или 8, отличающееся тем, что во внутреннем пространстве (137) мембранной подушки (13) между избирательными к веществам мембранными элементами (133, 134) расположен по меньшей мере один промежуточный элемент (135).

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что по существу плоскостной промежуточный элемент (135) имеет различную толщину (139), выбираемую в соответствии с областью разделения мембранной подушки (13).

11. Устройство по любому из пп.7, 8 или 10, отличающееся тем, что между образующими пакет (12) мембран мембранными подушками (13) расположены дистанционные элементы (23), через которые подлежащая разделению текучая среда (11) может течь по существу беспрепятственно.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что по существу плоскостной дистанционный элемент (23) имеет различную толщину (232), выбираемую в соответствии с областью разделения по меньшей мере соседних с обеих сторон мембранных подушек (13).

13. Устройство по любому из пп.7, 8, 10 или 12, отличающееся тем, что образующие пакет (12) мембран мембранные подушки (13) намотаны друг на друга подобно спирали (22) вокруг устройства (21) для слива и сбора пермеата, пересекающего устройство (10), таким образом, что область (136) открытия мембранной подушки (13) соединена с соответствующими отверстиями (210) для слива пермеата устройства (21) для слива и сбора пермеата.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что выполненный подобно спирали (27) пакет (12) мембран намотан на отдельный трубчатый элемент (27), при этом в его внутреннем отверстии (270) размещено устройство (21) для слива и сбора пермеата.

15. Устройство по любому из пп.7, 10 или 12, отличающееся тем, что пакет (12) мембран образуется множеством сложенных, чередуясь, стопой друг на друга, выполненных в форме диска дистанционных элементов (23) и мембранных подушек (13).

16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что по меньшей мере на одной поверхности (28, 29) предусмотрено множество выпукло отстоящих от поверхности (28, 29) выступов (30).

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что функциональная толщина (232) дистанционных элементов (23) определяется высотой (31) выступов (30).

18. Устройство по п.15, отличающееся тем, что дистанционный элемент (23) имеет по меньшей мере один наружный окружной край (32, 33), соответственно отстоящий от поверхности (28, 29), при этом функциональная толщина (232) дистанционного элемента (23) определяется высотой (34) этого края (32, 33).