Трубчатый мембранный элемент Советский патент 1992 года по МПК B01D63/06 

Изобретение относится к устройствам для разделения, концентрирования и опреснения различных растворов методами обратного осмоса и ультрафильтрации и может быть использовано, например, для очистки сточных вод от органических примесей.

При фильтрации разделяемой жидкости в мембранных аппаратах s результате концентрационной поляризации на поверхности мембраны образуется слой слаборастворимых солей, гель, осадки микрочастиц, а также механические загрязнения, содержащиеся в растворе. В результате это го резко ухудшаются характеристики процесса разделения, быстро уменьшается проницаемость мембраны, снижается длительность фильтроцикла (время между регенерациями аппарата).

Для снижения концентрированной поляризации рекомендуется создание развитого турбулентного движения разделяемого раствора, что приводит к увеличению проницаемости и селективности мембраны вследствие снижения концентрации растворенных веществ в пограничном слое и выравнивания концентрации по всему сечению потока. Для этой цели широко применяются закрепленные турбулизирующие вставки.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является трубчатый мембранный элемент, содержащий пористый трубчатый каркас, расположенную на его внутренней поверхности полупроницаемую мембрану и установленную внутри трубчатого элемента турбулизирующую вставку, состоящую из втулок с отверстиями, имеющими в продольном сечении кры- левидный профиль.

ь

01 Ы Ю

В этом устройстве производительность процесса возрастает за счет увеличения турбулизации потока разделяемого раствора, интенсификации массообмена и удаления высококонцентрированных веществ с 5 поверхности мембраны путем смыва потоком разделяемой жидкости. Очистка мемб- раны в э том устройстве происходит только . за счет увеличения скбрости движения разделяемого раствора, достигаемого циркуля- 10 цией жидкости через отверстия между втулками без воздействия других физических факторов. Опыт эксплуатации аппаратов с трубчатыми мембранными элементами показывает, что увеличение 15 скорости потока разделяемой жидкости не обеспечивает эффективной очистки мембраны от задержанного ею слоя из слаборастворимых солей, осадков микрочастиц и крупных механических загрязнений, что ог- 20 раничивает производительность известного устройства и является его недостатком.

Цель изобретения - увеличение производительности элемента за счет интенсификации процесса очистки мембраны.25

Поставленная цель достигается тем, что в трубчатом мембранном элементе, содержащем пористый трубчатый каркас, расположенную на его внутренней поверхности полупроницаемую мембрану и установлен- 30 ную коаксиально трубчатому элементу тур- булизирующую вставку. Последняя выполнена в виде втулки переменного сечения, состоящей из чередующихся цилиндров и усеченных конусов с углом конусности 35 30-40°. При этом цилиндрами соединены между собой меньшие и большие основания усеченных конусов,

При таком выполнении устройства скорость потока разделяемой жидкости возра- 40 стает на участках с узким кольцевым сечением (между поверхностью трубчатого элемента и цилиндром большего диаметра) и уменьшается на участках с широким кольцевым сечением (между поверхностью труб- 45 чатого элемента и цилиндром меньшего диаметра). Благодаря этому на участках с большой скоростью потока происходит интенсивный смыв загрязнений с внутренней поверхности трубчатого мембранного эле- 50 мента, npj/з этом выделяются парогазовые пузырьки, которые захлопываются на участках с меньшей скоростью потока и большим давлением, т.е. происходит кавитация с эр- розионной очисткой поверхности мембра- 55 мы. Воздействие кавитации способствует интенсификации процесса очистки мембраны от задержанного ею слоя из слаборастворимых солей и осадков из механических примесей.

Турбулизирующая вставка выполнена из чередующихся цилиндров и усеченных конусов с углом конусности 30-40°. Подобное устройство имеет дроссельный расходомер, сужающий поток и выполненный в виде трубы Вентури.

В устройстве подобный элемент служит для очистки поверхности цилиндрической мембраны высокоскоростным потоком жидкости и кавитацией,

На чертеже показан мембранный элемент, продольный разрез.

Мембранный элемент содержит трубчатый каркас 1, выполненный из пористых керамических, металлокерамических или пластмассовых порошковых материалов. На внутренней поверхности каркаса f расположена микропористая подложка 2, выполненная из пористого или тканого материала, например, капрона. На подложку 2 уложена полупроницаемая мембрана 3, которая может быть выполнена из ацетата целлюлозы, полиамида, мелкопористой керамики или в виде напыленной металлической пленки. Внутри трубчатого мембранного элемента на выступах 4 установлена коаксиально тур- булизирующая вставка 5. Последняя выполнена в виде втулки переменного сечения, состоящей из постепенно сужающихся 6 и постепенно расширяющихся участков в форме усеченного конуса, последовательно соединенных цилиндрическими участками большего диаметра 8 и меньшего диаметра 9, длины которых приблизительно равны их диаметры, Вставка 5 может быть выполнена из полимерного материала любым из известных способов, например, литьем. Подвод исходной жидкости и вывод из него концентрата производится соответственно через осевые патрубки 10 и 11.

Трубчатый мембранный элемент работает следующим образом.

Исходный раствор подается под необходимым давлением,определяемым проницаемостью мембраны, подложки и каркзса через патрубок tO, частично проходит через кольцевые зазоры между поверхностью мембраны 3 и турбулизирующей вставкой 5 переменного сечения и выводится в виде концентрата через патрубок 11. По мере движения раствора внутри трубчатого элемента 1 часть его фильтруется через мембрану 3, подложку 2 и пористый каркзс 1 и выводится наружу в виде пермеата.

При движении разделяемой жидкости внутри трубчатого элемента скорость потока значительно возрастает в узком сечении, создаваемом цилиндром большего диаметра 8, при этом здесь возникают завихрения. и пульсации потока с отрывом его от поверхности мембраны, что способствует смыву слоя слаборастворимых солей геля, осадков из механических примесей с поверхности мембраны и снижения концентрации растворенных веществ в пограничном слое по- тока разделяемой жидкости. Увеличение скорости потока в узком сечении приводит также к уменьшению давления вплоть до образования вакуума, благодаря чему происходит интенсивное парообразование с выделением газов на этом участке. Парогазовые пузырьки переносятся потоком жидкости на участок с широким кольцевым сечением, создаваемым цилиндром меньшего диаметра 9. Здесь скорость потока жидкости уменьшается, а давление увеличивается, благодаря чему прекращается парообразование. Под действием давления происходит схлопывание парогазовых пузырьков с конденсацией пара (кавитация), которое сопровождается образованием местных гидравлических ударов, воздействующих на поверхность мембраны и вызывающих разрушение слоя из нерастворимых солей и механических примесей, от- деление их рт поверхности мембраны с последующим выносом потоком жидкости через патрубок 11 за пределы аппарата. Кавитация сопровождается интенсивным перемешиванием потока, пульсацией давления и скорости, что способствует выравниванию концентрации солей и нерастворимых поимесей по сечению потока, увеличению массообмена, снижению концентрационной поляризации и, в конечном счете, увеличению производительности аппарата.

В трубчатом мембранном элементе угол конусности участков в форме усеченного конуса турбулизирующей вставки составляет приблизительно 30-40°/ и обеспечивает постепенное плавное сужение и расширение потока при минимальных гидравлических сопротивлениях. При большем угле конусности возрастают местные гидравлические сопротивления, при меньшем угле конусности ухудшаются условия для образования кавитационных процессов. Диаметр турбулизирующей вставки в широкой и узкой частях подбирается расчетом в зависимости от расхода потока разделяемой жидкости так, чтобы скорость потока в узком кольцевом сечении составляла 30-40 м/с, а в широком кольцевом сечении 5-10 м/с.

Пример. Устройство представляло собой патрубок из пористой металлокерамики диаметром 50 мм и длиной 200 мм, на внутренней поверхности которого были уложены подложка из капроновой ткани и цилиндрическая полупроницаемая мембрана

диаметром 40 мм из ацетат целлюлозы типа УАМ-500 с пористостью 72-76% и диаметром пор до 0,005 мкм.

С двух сторон трубчатого мембранного элемента были установлены на резьбе накидные гайки со штуцерами диаметром 10 мм для подачи разделяемой смеси и вывода концентрата. Внутри трубчатого элемента на резиновых сферических выступах была установлена турбулизирующая вставка, выточенная из гетинакса из трех сужающихся и расширяющихся участков с углом конусности 30°, соединенных между собой цилиндрическими участками диаметром в широкой части 35 мм, а в сужении 25 мм, что создавало кольцевой зазор шириной соответственно 2,5 мм и 7,5 мм.

При проведении испытаний на опытный аппарат подавалась под давлением 0,5 МПа предварительно очищенная от механических примесей сточная вода, содержащая органические примеси, составляющие по ХПК около 1000 мг Оа/л (I вариант). Фильт- роцикл считался завершенным, когда скорость фильтрации уменьшалась в 2 раза по сравнению с начальной, После этого производилась регенерация мембранного фильтрующего элемента промывкой обратным потоком фильтрата.

Для сравнения обрабатываемая жидкость подавалась на этот же трубчатый мембранный элемент, в котором была установлена турбулизирующая встапка, со-, стоящая из полой втулки с отверстиями с крылевидным профилем, аналогичная устройству, принятому за прототип. Некоторые усредненные параметры ппоцесса фильтрования, отнесенные к 1 м2 фильтрующей поверхности в трубчатом мембранном элементе (I вариант) и известном устройстве (И вариант) приведены в таблице.

Таким образом, результаты испытаний показали, что в предлагаемом аппарате обеспечивается более эффективная очистка трубчатого мембранного элемента за счет воздействия на него высокоскоростного гидродинамического потока и кавитации по .сравнению с аппаратом, принятым за прототип, что позволяет увеличить скорость фильтрования и производительность аппарата.

Формула изобретения

Трубчатый мембранный элемент, содержащий пористый трубчатый каркас, расположенную на его внутренней поверхности полупроницаемую мембрану и расположенную коаксиально трубчатому элементу тур- булизирующую вставку, отличающийся тем, что, с целью увеличения производительности элемента за счет интенсификации процеса очистки мембраны, турбулизирующая нусности 30-40°, причем цилиндры попере- вставка выполнена в виде чередующихся менно расположены между меньшими и цилиндров и усеченных конусов с углом ко- большими основаниями усеченных конусов.

Изобретение относится к устройствам для разделения, концентрирования и опрес- нения различных растворов методом обратного осмоса и ультрафильтрации и может быть использовано, например, для очистки сточных вод от органических примесей. Цель изобретения - увеличение производительности элемента за счет интенсификации процесса очистки мембраны. Трубчатый мембранный элемент содержит пористый трубчатый каркас, расположенную на его внутренней поверхности полупроницаемую мембрану и установленную коаксиально трубчатому элементу турбулизирующую вставку. Последняя выполнена в виде чередующихся участков в форме цилиндров и усеченных конусов с углом конусности 30- 40 °. При этом цилиндрические участки расположены между меньшими и большими основаниями усеченных конусов. 1 табл., 1 ил.

9

4 В I 3 / / I /

Ю

//

/