РУЛОННЫЙ ФИЛЬТР
WEB FILTER

Изобретение относится к фильтру для мембранной фильтрации жидкостей, в частности к рулонному фильтру. Изобретение также относится к аппарату, содержащему такой фильтр, и к способам применения такого аппарата.
В последние десятилетия широкое распространение получило промышленное применение технологий мембранной фильтрации, таких как микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос. Важными областями применения являются, например, водоснабжение, водоотвод, биотехнология и пищевая промышленность. Мембранная фильтрация в промышленных условиях в обязательном порядке включает проточную фильтрацию или фильтрацию в тангенциальном потоке, при которой по поверхности мембраны пропускается поперечный поток для снижения загрязнения мембраны. Противоположным способу проточной фильтрации является фильтрация в тупиковом режиме, наиболее часто применяемая в лабораторных условиях.
Мембранные фильтры представляют собой фильтры, способные осуществлять сепарацию на молекулярном уровне при максимальном размере отделяемых примесей, составляющем десятки микрометров. Мембранные фильтры помещают в мембранные модули, также называемые мембранными блоками, для обеспечения их встраивания в технологическую систему. Существуют различные модели мембранных фильтров и их модулей, такие как с половолоконные, плоско-листовые, трубчатые, рулонные модули. Промышленный аппарат мембранной фильтрации чаще всего содержит множество мембранных модулей, образующих одну или несколько ступеней.
Наибольшее применение в промышленных установках получили рулонные модули. По-видимому, это вызвано компактностью их конструкции (высоким значением отношения площади мембраны к объему модуля, малым объемом задержки), сочетающейся с хорошими общими характеристиками. Рулонные фильтры обычно содержат корпус, в фильтрующей полости которого расположены один или несколько фильтрующих блоков. На одном конце корпуса имеется подающее входное отверстие, а на другом - отверстие для выхода концентрата. За счет возникновения перепада давления между входным и выходным отверстиями создается поперечный поток жидкости на всем протяжении мембраны. Корпус также имеет отверстие для выпуска жидкости, прошедшей через фильтр. Рулонный фильтрующий блок содержит одну или несколько мембранных фильтрующих «оболочек», открытые стороны которых герметично соединены с перфорированной трубкой для сбора фильтрата. Оболочки обернуты вокруг указанной собирающей трубки, образуя цилиндрический рулонный фильтрующий блок. Фильтруемая жидкость подается параллельно поверхности мембраны вдоль оболочки мембраны. Разница давлений в мембранном фильтре (трансмембранное давление) вызывает фильтрацию жидкости через мембранный фильтр в сторону канала для фильтрата. С фильтратной стороны фильтрат перемещается перпендикулярно входящему потоку через спиральный канал для фильтрата в мембранной оболочке. После прохождения спирального канала для фильтрата фильтрат собирается в центральной трубке для сбора фильтрата и сливается через отверстие для выпуска фильтрата.
Однако до настоящего времени применение рулонных мембран ограничено в большей или меньшей степени фильтрационными процессами, протекающими при относительно высоких трансмембранных давлениях. Это объясняется, в частности, и компактностью конструкции: поперечный поток жидкости над мембраной приводит к возникновению относительно большого перепада давления по длине канала поперечного потока от входного отверстия модуля к его выходному отверстию. В результате средний трансмембранный перепад давления также является высоким. Это даже в большей степени характерно для промышленных систем, в которых в основном последовательно устанавливают два или более рулонных модулей, в результате чего возникает пропорциональное увеличение трансмембранного давления по сравнению с одним модулем.
Хорошо известно, что для получения требуемых эксплуатационных характеристик мембранных фильтрующих систем важно подобрать хороший баланс между (большим) расходом поперечного потока, с одной стороны, и (низким) трансмембранным давлением, с другой стороны, поскольку он влияет на возникновение явления концентрационной поляризации у поверхности мембраны («загрязнения»). Для фильтруемых жидкостей с высокой склонностью к созданию загрязнения данный баланс требует очень точной настройки, что часто означает то, что успешное осуществление процесса фильтрации невозможно без принятия специальных мер для достижения требуемого баланса.
Для половолоконых, капиллярных и трубчатых мембранных систем подобные меры описаны в литературе. Одним из способов, например, является создание рециркулирующего потока вдоль фильтратной стороны мембраны. При увеличении сопротивления канала рециркуляционного потока, например, за счет заполнения канала шариками достигается падение давления между впускным и выпускным отверстиями канала для потока фильтрата, приводящее к уменьшению трансмембранного давления (US 6709598).
Кроме того, для трубчатых модулей, выполненных из керамических мембран, было предложено уменьшать толщину или повышать пористость мембран в направлении поперечного потока для создания равномерного потока по длине канала.
В общем случае данные меры для получения хорошего баланса между поперечным потоком и трансмембранным давлением, предложенные для половолоконных, капиллярных и трубчатых мембранных систем, не подходят для рулонных мембран. Во-первых, потому что материал мембраны обычно имеет полимерное происхождение и в нем отсутствует возможность контролируемого изменения пористости или толщины. Во-вторых, потому что особая конструкция рулонных мембран не позволяет применять подобные меры.
Особая конструкция, а более конкретно, тот факт, что фильтратная сторона мембраны образует оболочку с отверстием только с одной стороны, четко отличает рулонные модули от других модулей, таких как трубчатые, капиллярные или половолоконные модули. Например, очевидно, что в рулонных модулях невозможно использование рециркуляционного потока фильтрата, как это предлагается для других модулей.
Задачей изобретения является улучшение характеристик рулонных фильтрующих систем посредством усовершенствования управления трансмембранным давлением. Согласно изобретению указанная задача решена путем создания рулонного фильтра согласно пункту 1 формулы изобретения и способа обработки жидкости согласно пункту 15 формулы изобретения.
Поскольку канал для потока фильтрата имеет ограничитель потока, давление на участке канала для потока фильтрата сзади по потоку от ограничителя потока может быть повышено, следовательно, трансмембранное давление может быть понижено на участке мембраны. Благодаря этому изменения трансмембранного давления вдоль мембранного фильтра могут быть существенно снижены, за счет чего обеспечивается более постоянное трансмембранное давление. Наличие ограничителя потока также позволяет обеспечить более низкое трансмембранное давление, чем в случае отсутствия этого ограничителя потока. Более низкое и/или более постоянное трансмембранное давление может обеспечить меньшее загрязнение при работе и, следовательно, более высокие фильтрационные характеристики. Таким образом, наличие ограничителя потока улучшает фильтрационные характеристики одного или нескольких мембранных фильтров. Обнаружено, что хотя обеспечение более постоянного трансмембранного давления дает эффект и при обратном осмосе и нанофильтрации, но наибольшее повышение фильтрационных характеристик обеспечивается при ультрафильтрации и микрофильтрации.
Предпочтительно по меньшей мере один ограничитель потока расположен снаружи фильтрационной зоны, на втором участке канала для фильтрата в одном или нескольких рулонных фильтрующих блоках или между двумя или более фильтрующими блоками. В результате может быть получена простая конструкция фильтрующего агрегата.
Предпочтительно по меньшей мере один ограничитель потока содержит клапан, такой как обратный клапан или регулирующий клапан. Таким образом, возможно задание и точное выставление заданного давления на участке канала для потока фильтрата, расположенном по потоку до клапана. Благодаря этому может быть выставлена заданная величина или диапазон трансмембранного давления на требуемом участке мембраны.
Предпочтительно обратный клапан настраивается таким образом, чтобы обеспечивать по существу постоянный перепад давления в клапане в большом диапазоне расходов потока текучей среды, например от 60 до 4000 л/ч, предпочтительно от 60 до 8000 л/ч, а наиболее предпочтительно - от 60 до 12000 л/ч. Таким образом, возможна установка и точное поддержание давления на участке канала потока фильтрата, расположенном по потоку до клапана. Обратный клапан может содержать корпус, предпочтительно коническую тарелку и/или седло, причем тарелка, и/или корпус, и/или седло имеют форму и/или размеры такие, что при полном открытии клапана сечение для потока текучей среды является по существу постоянным по всей осевой длине обратного клапана.
Предпочтительно в случае, когда фильтрующий агрегат содержит два или более рулонных фильтрующих блоков, каналы для фильтрата которых взаимно соединены через антителескопическое устройство, по меньшей мере один из ограничителей потока образует часть антителескопического устройства или соединен с ним. Таким образом, при замене фильтрующих блоков ограничитель потока может быть сохранен и использован повторно с одновременным обеспечением простоты установки ограничителя потока в фильтр.
Изобретение также относится к антителескопическому устройству для рулонного фильтра согласно изобретению, содержащему ограничитель потока для повышения давления в канале для фильтрата по потоку до ограничителя потока. Предпочтительно ограничитель потока содержит клапан такой, как обратный клапан или регулирующий клапан. Таким образом, клапан может быть сохранен и использован повторно с одновременным обеспечением простоты установки ограничителя потока в фильтр.
Обнаружено, что установка ограничителя потока как на первом участке канала для потока фильтрата, на котором направление потока по существу перпендикулярно направлению входящего потока, так и на втором участке канала для потока фильтрата вне зоны фильтрации рулонного фильтра способствует повышению фильтрационных характеристик несмотря на сложность конструкции канала для потока фильтрата и отсутствие рециркуляционного потока фильтрата.
За счет снижения (среднего) трансмембранного давления и/или изменения трансмембранного давления при поддержании поперечного потока вдоль мембранного фильтра в подающем канале для предотвращения загрязнения мембраны возможно улучшение общих характеристик рулонного фильтра.
Конкретные варианты осуществления изобретения изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Прочие эффекты и особенности изобретения изложены в подробном описании со ссылками на примеры, некоторые из которых схематично показаны на чертежах.
На фиг.1 схематично показан рулонный фильтр согласно изобретению, вид в сечении;
на фиг.2 - часть рулонного фильтрующего блока, вид в перспективе;
на фиг.3 - часть рулонного фильтрующего блока согласно изобретению, вид в сечении;
на фиг.4 - альтернативный вариант выполнения рулонного фильтра согласно изобретению, вид в сечении;
на фиг.5 - еще один альтернативный вариант выполнения рулонного фильтра согласно изобретению, вид в сечении.
Как показано на фиг.1, рулонный фильтр 1 содержит корпус 2, имеющий фильтрующую полость 14, в которой расположен рулонный фильтрующий блок 3. Подобный фильтр может представлять собой часть фильтрующего устройства или фильтрующей установки для обработки жидкостей. Корпус 2 фильтра 1 имеет подающее входное отверстие 7, расположенное с одной стороны фильтрующей полости 14, и отверстие 8 для выпуска задержанных веществ, расположенное с другой стороны фильтрующей полости 14, причем жидкость подается через фильтрующую полость 14 в направлении 9 подачи потока от подающего входного отверстия 7 к отверстию 8 для выпуска задержанных веществ. В данном примере для слива фильтрата из фильтрующей полости имеется единственное выходное отверстие 12 для выпуска фильтрата.
В рулонном фильтре, показанном на фиг.1, отверстие 8 для выпуска задержанных веществ соединено с подающим входным отверстием 7 через рециркуляционный контур и насос для рециркуляции обрабатываемой жидкости. Жидкость, подвергаемая фильтрации в фильтре 1, может поступать в рециркуляционный контур через впускной канал 16, а задержанные вещества могут выводиться из рециркуляционного контура через канал 17 для выпуска задержанных веществ.
Рулонный фильтр предпочтительно является частью крупного устройства для обработки жидкостей. Устройства, содержащие рулонные фильтры для фильтрации жидкости, известны и поэтому подробно не описаны.
На фиг.2 более подробно показан рулонный фильтрующий блок 3. Рулонный фильтрующий блок обычно содержит канал 5 для фильтрата, который в данном примере образован спиральным каналом в мембранной «оболочке» 5а и трубкой 5b для сбора фильтрата.
Каждая из так называемых оболочек 5а содержит два слоя мембран 6, разделенных прокладкой 19 канала для фильтрата. Два слоя мембран 6 с расположенной между ними прокладкой 19 канала для фильтрата герметизированы с трех сторон и образуют мембранную оболочку 5а. Прокладка 19 канала для фильтрата обеспечивает прохождение фильтрата через мембранную оболочку 5а.
Открытая сторона каждой оболочки 5а герметично соединена с отверстиями в собирающей трубке 5b. Когда фильтр является частью изображенного на фиг.1 рулонного фильтра 1, трубка 5b для сбора фильтрата соединена с отверстием 12 для выпуска фильтрата.
Для получения компактного рулонного фильтрующего блока оболочку 5а оборачивают вокруг собирающей трубки 5b. Подаваемая жидкость перемещается вдоль оболочки по подающим каналам 4.
В подающем канале расположена подающая прокладка 20, которая в данном примере выполнена из сетчатого полимерного материала. Подающие прокладки часто используются для усиления турбулентности, что помогает предотвратить загрязнение мембраны. Когда рулонный фильтрующий блок 3 является частью рулонного фильтра, подающие каналы 4 расположены в фильтрующей полости 14 между подающим входным отверстием 7 и отверстием 8 для выпуска задержанных веществ. Фильтруемая жидкость подается в фильтр в направлении 9 параллельно мембранным фильтрам.
В одном из вариантов осуществления изобретения снаружи зоны фильтрации во второй части канала для фильтрата в одном или нескольких рулонных фильтрующих блоках или между двумя или более фильтрующими блоками расположен по меньшей мере один ограничитель потока. В рулонном фильтре, изображенном на фиг.1, ограничитель 13 потока расположен в трубке 5b для сбора фильтрата канала 5 для фильтрата с целью увеличения давления в сечении канала для фильтрата по потоку до ограничителя потока. В качестве ограничителя потока может использоваться один или несколько стандартных клапанов. Например, как показано на фиг.1, ограничитель потока образован клапаном, имеющим два положения (открытое и закрытое) и открывающимся при перепаде давления на клапане в 1 бар. В показанном на фиг.1 примере клапан представляет собой обратный клапан, который открывается при заданном перепаде давления на нем.
Предполагается, что (относительное) давление в сечении канала для фильтрата, которое расположено по потоку до клапана предельного давления, может быть легко установлено за счет подбора или настройки перепада давлений, при котором происходит открытие клапана.
В еще одном варианте осуществления изобретения клапан может представлять собой регулирующий клапан, который, например, подсоединен к блоку управления. Предполагается, что регулирующий клапан может полностью или частично открываться или закрываться по сигналу, принимаемому от блока управления. Блок управления может сравнивать требуемое значение параметра, такое как требуемое значение давления в канале 5 для фильтрата или фильтрующей полости 14, с замеренным значением параметра, таким как замеренное значение давления в канале 5 для фильтрата или фильтрующей полости 14. Таким образом, возможна регулировка настроек клапана в процессе работы, например, для корректировки изменений давления в процессе работы. В качестве альтернативы сопротивление потоку может создаваться за счет местного уменьшения диаметра канала.
На фиг.1 показан фильтр с одним ограничителем потока. При необходимости возможно использование нескольких ограничителей потока. В качестве примера можно установить два клапана давления, каждый из которых имеет два положения и открывается при давлении, например, 0,5 бар. Один клапан может быть расположен, например, на расстоянии около четверти, а другой, например, на расстоянии около трех четвертей длины трубки для сбора фильтрата.
В другом варианте осуществления изобретения спиральный канал для фильтрата в мембранной оболочке, т.е. первая часть 5а канала 5 для фильтрата, снабжен ограничителем потока, например, в виде выступа в материале прокладки 19 для фильтрата. Выступ может быть выполнен таким образом, что во время фильтрации на первом участке канала для фильтрата имеются две зоны с разным давлением.
На фиг.3 схематично показан участок рулонного фильтрующего блока 103 согласно изобретению. Для упрощения оболочка блока показана в развернутом положении. Первый участок канала для фильтрата в мембранной оболочке обозначен 105а, а второй участок - 105b. На первом участке канала для фильтрата в материале прокладки выполнены ограничители потока в виде выступов 120, проходящих параллельно направлению потока фильтрата и идущих от закрытой стороны оболочки 105а к открытой стороне, которая связана с трубкой 105b для сбора фильтрата. Помимо выступов на втором участке канала для фильтрата имеются два дополнительных ограничителя 113 потока, например, в виде клапанов. Клапаны могут быть расположены на участках трубки для сбора фильтрата, на которых с этой трубкой контактируют выступы. Таким образом, канал для фильтрата разделен на зоны давления. В качестве альтернативы выступы могут быть расположены, например, под углом к показанному участку и не заходить в боковые части оболочки или трубки канала для фильтрата и т.д.
В еще одном варианте осуществления изобретения по меньшей мере один ограничитель потока расположен на переходном участке между первым участком и вторым участком канала для фильтрата. Например, трубка для сбора фильтрата может иметь ограничитель в виде перфорированных отверстий. В перфорированной трубке для сбора фильтрата, в которой диаметры отверстий изменяются от относительно малого около входного отверстия до относительно большого около выпускного отверстия, на первом участке канала для фильтрата может быть получен градиент давления. Этот градиент давления может приводить к снижению трансмембранного давления и тем самым способствовать предотвращению загрязнения.
На фиг.4 показан вариант осуществления изобретения, в котором в фильтрующей полости 214 рулонного фильтра 201 установлены два фильтрующих блока 203 и 203'. Последовательное размещение нескольких рулонных фильтров в фильтрующей полости обеспечивает экономические преимущества (может быть использован насос с меньшей производительностью и/или необходимо меньшее количество материала для изготовления корпуса). Однако при этом необходимо создание большего перепада давления по длине подающего канала из-за повышенного сопротивления удлиненного подающего канала.
Два фильтрующих блока 203, 203' разделены антителескопическим устройством 215, которое обычно представляет собой устройство в виде колеса с трубчатой осью и спицами, выступающими от трубчатой оси в радиальном направлении. Трубчатая ось соединяет расположенный сзади по потоку канал для фильтрата фильтрующего блока с расположенным спереди по потоку каналом для фильтрата фильтрующего блока. Таким образом, трубчатая ось образует канал, проходящий через антителескопическое устройство вдоль его центральной оси. В данном примере рулонный фильтр 201 имеет единственное отверстие для выпуска фильтрата. Спицы предотвращают раскрытие расположенного сзади по потоку мембранного рулона и в то же время обеспечивают свободное прохождение задержанных веществ из расположенного сзади по потоку фильтрующего блока к расположенному спереди по потоку фильтрующему блоку.
Антителескопическое устройство заднего по потоку рулонного фильтрующего блока 203' расположено около переднего по потоку края мембранных элементов для предотвращения разворачивания мембранного рулона. В предпочтительном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.4, антителескопическое устройство 215 снабжено ограничителем 213 потока. Этот ограничитель потока расположен между двумя фильтрующими блоками, и давление в расположенном сзади по потоку рулонном блоке 203 может быть повышено, а трансмембранное давление может быть снижено. Это относительно простой способ получения канала для фильтрата рулонного фильтра с ограничителем потока. Подобное антителескопическое устройство может применяться как в сочетании со стандартными рулонными фильтрами без ограничителей потока, так и в сочетании с рулонными фильтрами, уже имеющими ограничители потока в канале для фильтрата. Другим преимуществом установки ограничителя потока в антителескопическом устройстве является то, что обычно антителескопическое устройство имеет больший ресурс, чем рулонный фильтрующий блок. Таким образом, экономически выгоднее устанавливать ограничитель потока в антителескопическом устройстве. В предпочтительном варианте осуществления изобретения антителескопическое устройство снабжено клапаном, таким как обратный клапан или, предпочтительно, регулирующий клапан. Клапан может быть выполнен в виде клапана, имеющего два положения (открытое и закрытое) и открывающегося при перепаде давлений в клапане, например, 0,05-10 бар, предпочтительно 0,1-5 бар, например 1 бар при расходе фильтрата 60-1200 л/ч. Таким образом, клапан представляет собой обратный клапан, который открывается при заданном перепаде давления на клапане. Клапан может быть регулирующим клапаном и, например, может быть подсоединен к блоку управления, как описано выше.
Если ограничитель потока выполнен в виде обратного клапана, желательно, чтобы клапан открывался по существу при одинаковом перепаде давления на клапане в широком диапазоне расходов. Таким образом, клапан создает по существу одинаковый перепад давления в широком диапазоне расходов, например от 60 до 4000 л/ч, предпочтительно от 60 до 8000 л/ч, а более предпочтительно - от 60 до 12000 л/ч. Обратные клапаны обычно имеют корпус, содержащий тарелку, седло и пружину, прижимающую тарелку к седлу с заданным усилием. В предпочтительном варианте осуществления изобретения обратный клапан имеет такую конструкцию, при которой тарелка, и/или корпус, и/или седло имеют такие формы и/или размеры, что при полном открытии клапана сечение для прохода потока по существу является постоянным по всей осевой длине обратного клапана.
На фиг.5 показан еще один пример, в котором один или несколько фильтрующих блоков расположены в одном корпусе и каждый из них имеет отверстие для выпуска фильтрата. На фиг.5 показан рулонный фильтр 301, содержащий три рулонных фильтрующих блока 303, 303' и 303'', разделенных первым и вторым антителескопическими устройствами 315, 315'. Два расположенных спереди по потоку фильтрующих блока 303', 303'' имеют канал 305 для фильтрата, который подсоединен к ним через антителескопическое устройство 315' и содержит ограничитель 313 потока. Антителескопическое устройство 315' может быть выполнено, например, так же, как и антителескопическое устройство 215, описанное со ссылкой на фиг.4. Расположенный сзади по потоку рулонный фильтрующий блок 303 имеет отдельный канал 325 для фильтрата, в котором установлен ограничитель 333 потока. За счет снабжения рулонного фильтрующего блока 303 отдельным выпускным отверстием 312 и ограничителем 333 потока ограничитель потока может быть расположен, например, вне фильтрующей полости, в результате чего он становится более доступным при обслуживании и тому подобных операциях. В системе, показанной на фиг.5, может быть осуществлена более надежная фильтрация, поскольку ее характеристики в меньшей степени зависят от характеристик единственного ограничителя потока.
Во время фильтрации ограничитель потока поддерживает перепад давления в проходящем через него потоке. Величина перепада давления сильно зависит от конструкции фильтрующей системы и условий фильтрации. В общем случае ограничитель потока выполнен с возможностью обеспечения перепада давления в диапазоне 0,05-10 бар, предпочтительно 0,1-5 бар, предпочтительно при расходе фильтрата 60-12000 л/ч.
В способе мембранной фильтрации жидкостей применяется рулонный фильтр, содержащий мембранный фильтр, отделяющий подающий канал от канала для фильтрата и имеющий отверстие для выпуска фильтрата.
На подающей стороне мембранного фильтра обеспечивается перепад давлений вдоль канала подачи в направлении подачи для подачи жидкости через подающий канал. На мембранном фильтре трансмембранное давление создается таким образом, что давление на стороне, с которой осуществляется подача, выше, чем на стороне фильтрата. Трансмембранное давление вызывает перемещение жидкости через мембранный фильтр к фильтрующей стороне. Фильтрат перемещается через канал для фильтрата к отверстию для выпуска фильтрата. Ограничитель потока установлен таким образом, что давление, по меньшей мере, на участке канала для фильтрата повышается, а максимальный перепад давлений по длине мембранного фильтра снижается.
В предпочтительном варианте реализации способа применяется рулонный фильтр согласно изобретению, а предпочтительно применяется устройство, содержащее такой фильтр.
Предпочтительными жидкостями для фильтрации являются жидкости с высокой склонностью к созданию загрязнений, такие как молочные продукты, пищевые продукты, напитки, такие как пиво и фруктовые соки, сточные воды, отвары брожения, биотехнологические и фармакологические текучие среды.
Специалисту в данной области техники понятно, что устройство в соответствии с изобретением в объеме его формулы может иметь множество вариантов осуществления. Например, рулонный фильтр может иметь множество фильтрующих полостей с рулонными фильтрующими блоками, взаимно соединенными через подающие каналы и/или каналы для фильтрата или имеющими раздельные подающие каналы и/или каналы для фильтрата.
Однако возможны и другие модификации, варианты и альтернативные конструкции. Представленные описание, чертежи и примеры следует рассматривать как иллюстрации, а не как ограничения.
В пунктах формулы изобретения любые обозначения, помещенные в скобках, не следует рассматривать в качестве ограничений. Слово «содержащий» не исключает наличия прочих характерных признаков или этапов помимо перечисленных в пункте формулы. Кроме того, упоминание в формуле элемента не должно рассматриваться в значении «единственный элемент», а должно рассматриваться в значении «по меньшей мере один элемент», не исключающем множественности. Сам факт того, что определенные признаки изложены в различных пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что для получения преимуществ не может использоваться сочетание этих признаков.