ФИЛЬТРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, ВКЛЮЧАЮЩЕЕ ЦИРКУЛЯЦИОННУЮ ПЕТЛЮ И НАСОС
FILTRATION DEVICE INCLUDING CIRCULATION LOOP AND PUMP

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области отделения частиц или молекул с использованием фильтрационных элементов, которые известны в целом как мембраны и предназначены для отделения молекул или частиц, содержащихся в подлежащей обработке текучей среде. Объект изобретения может особенно выгодно использоваться в области фильтрации текучей среды, в частности в нанофильтрации, ультрафильтрации, микрофильтрации и т.д.
Уровень техники
Из уровня техники известно множество вариантов выполнения фильтрационной установки для текучей среды, подлежащей обработке. В качестве примера фильтрационная установка включает по меньшей мере одно, а обычно два фильтрационных устройства, причем каждое из них содержит заключенный в оболочке комплект фильтрационных элементов трубчатой формы, расположенных параллельно друг другу и установленных каждым своим концом на позиционирующей плите. Каждый фильтрационный элемент содержит по меньшей мере один циркуляционный канал для текучей среды, подлежащей обработке. Фильтрационные элементы производят тангенциальную фильтрацию текучей среды с выпуском на периферийную поверхность фильтрационных элементов фильтрата, предназначенного для сбора в коллекторной емкости, расположенной между позиционирующими плитами и корпусом.
Два фильтрационных устройства соединены последовательно с образованием циркуляционной петли, в которой циркуляционный насос соединен с фильтрационными устройствами посредством питающей трубы для подачи подлежащей обработке текучей среды и обратной трубы для сбора текучей среды, которая совершила циркуляцию внутри фильтрационных элементов и называется ретентатом (не прошедший через мембрану поток, который покидает мембранный модуль). Циркуляционный насос используется для осуществления циркуляции подлежащей обработке текучей среды в фильтрационных элементах с высокой скоростью с целью создания тангенциального напряжения, под воздействием которого повторно рассредоточиваются материалы, отложившиеся на поверхности каналов мембраны. Следует полагать, что этот принцип удаления отложений осуществляется внутри циркуляционной петли, которая состоит из двух последовательно соединенных фильтрационных устройств, питающей и обратной труб для подлежащей обработке текучей среды. Такая установка работает удовлетворительно в отношении обработки текучей среды. Однако производственные затраты на установку относительно высоки, так как создание циркуляционной петли требует использования различных труб и соединений. Кроме того, установка довольно громоздка.
Для устранения указанных недостатков в патентном документе ЕР 0217568 предложено фильтрационное устройство с комплектом фильтрационных элементов трубчатой формы, расположенных параллельно друг другу во внешнем корпусе и проходящих каждым своим концом герметичным образом через позиционирующую плиту. Каждый фильтрационный элемент содержит по меньшей мере один циркуляционный канал для подлежащей обработке текучей среды и предназначен для фильтрации текучей среды с целью выпуска на периферийную поверхность фильтрационных элементов фильтрата, собираемого в коллекторной емкости, расположенной между позиционирующими плитами и внешним корпусом. Первые концы фильтрационных элементов выходят в полость, которая обеспечивает прохождение подлежащей обработке текучей среды, протекающей в двух раздельных комплектах фильтрационных элементов, между начальной ветвью и обратной ветвью. Эта встроенная циркуляционная петля подсоединена с внешней стороны к циркуляционному насосу, обеспечивающему циркуляцию обрабатываемой текучей среды. Такое устройство требует подсоединения к внешнему циркуляционному насосу, что увеличивает производственные затраты и размеры установки.
Фильтрационное устройство согласно патентному документу WO 01/96003 содержит циркуляционный насос внутри циркуляционной петли. Такое фильтрационное устройство содержит разделительную деталь, смонтированную в первой полости, в которую выходят первые концы фильтрационных элементов, вторые концы которых выходят во вторую полость. Рабочее колесо циркуляционного насоса установлено во внутреннем пространстве разделительной детали, которая разделяет мембраны на первый и второй комплекты, образующие начальную и обратную ветви циркуляционной петли.
Вторая полость содержит впуск и выпуск для подлежащей обработке текучей среды, которая проходит через мембраны комплекта, образующего начальную ветвь, за счет всасывающего действия насоса. Насос нагнетает текучую среду, прошедшую первый комплект фильтрационных элементов, к мембранам комплекта, образующего обратную ветвь.
Такое устройство может иметь недостатки при определенных рабочих условиях. Исходя из принципа, что из-за скорости циркуляции текучей среды величина перепада давления в начальной и обратной ветви составляет ΔР, циркуляционный насос добавляет двойную величину перепада давления (для начальной и обратной петли) к величине напорного давления Ра для обеспечения циркуляции текучей среды в циркуляционной петле. Давление на выходе начальной ветви, которое также является давлением всасывания, равно Pa-ΔР. На напорной стороне циркуляционного насоса давление составляет Pa+ΔР. Следует отметить, что давление на впуске равно Ра-ΔР. При этом в зависимости от величин Ра и ΔР это давление на впуске может принимать отрицательную величину, а это означает, что фильтрационные элементы могут втягивать фильтрат. Результатом является потеря эффективности в отношении количества фильтруемой текучей среды.
Аналогичным образом в патенте США 4702842 описан фильтрационный аппарат, оснащенный впуском для подлежащей обработке текучей среды, расположенным между выходной стороной циркуляционного насоса и впуском начальной ветви циркуляционной петли. Следовательно, такой аппарат обладает теми же недостатками, что и описанное выше фильтрационное устройство.
Фактически в свете описанного принципа давление текучей среды на впуске должно быть больше, чем давление на выходной стороне циркуляционного насоса, а это ограничивает действие такого аппарата.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в устранении недостатков известных из уровня техники решений и создании устройства для тангенциальной фильтрации подлежащей обработке текучей среды, являющегося экономичным, компактным и в то же время обеспечивающим хороший фильтрационный поток.
В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет создания устройства для тангенциальной фильтрации подлежащей обработке текучей среды, предназначенной для разделения на фильтрат и ретентат, содержащего во внешнем корпусе:
- по меньшей мере один впуск для подлежащей обработке текучей среды;
- по меньшей мере один выпуск для удаления ретентата;
- комплект фильтрационных элементов трубчатой формы, расположенных параллельно друг другу и проходящих каждым концом с уплотнением через позиционирующую плиту, причем каждый фильтрационный элемент содержит по меньшей мере один циркуляционный канал для подлежащей обработке текучей среды и выполнен с возможностью фильтрации указанной текучей среды с выпуском на периферийную поверхность фильтрационного элемента фильтрата, собираемого в коллекторной емкости, расположенной между позиционирующими плитами и внешним корпусом;
- по меньшей мере один выпуск для фильтрата, сообщающийся с коллекторной емкостью для фильтрата;
- первую полость, в которую выходят первые концы фильтрационных элементов и в которой установлены разделительные средства в герметичном контакте со смежной с ними позиционирующей плитой с разделением указанной полости на первый объем и второй объем, соответственно образованные внутри и снаружи разделительных средств и соответственно сообщающиеся с первым комплектом и вторым комплектом фильтрационных элементов, образующих начальные и обратные ветви циркуляционной петли для подлежащей обработке текучей среды, при этом разделительные средства снабжены проходом между вторым объемом и первым объемом, внутри которого установлено рабочее колесо циркуляционного насоса, снабженное приводным валом, проходящим наружу из первой полости для соединения с приводным двигателем;
- и вторую полость, в которую выходят вторые концы фильтрационных элементов, обеспечивающую прохождение подлежащей обработке текучей среды между фильтрационными элементами первого комплекта и второго комплекта.
Согласно изобретению впуск для подлежащей обработке текучей среды выходит в первую полость внешнего корпуса между рабочим колесом циркуляционного насоса и фильтрационными элементами комплекта, образующего обратную ветвь циркуляционной петли.
Согласно первому варианту осуществления приводной двигатель насоса выполнен с возможностью управления таким образом, что фильтрационные элементы второго комплекта, снабжаемые текучей средой из второго объема, образуют начальную ветвь, а фильтрационные элементы первого комплекта, выходящие в первый объем, образуют обратную ветвь, при этом впуск для подлежащей обработке текучей среды выходит в первый объем первой полости между выходом фильтрационных элементов первого комплекта и рабочим колесом, установленным внутри разделительных средств.
Согласно второму варианту осуществления приводной двигатель насоса выполнен с возможностью управления таким образом, что фильтрационные элементы первого комплекта, снабжаемые текучей средой из первого объема, образуют начальную ветвь, а фильтрационные элементы второго комплекта, выходящие во второй объем, образуют обратную ветвь, при этом впуск для подлежащей обработке текучей среды выходит во второй объем первой полости, образованный снаружи разделительных средств, между выходом фильтрационных элементов второго комплекта и рабочим колесом, установленным внутри разделительных средств.
Разделительные средства предпочтительно смонтированы внутри камеры насоса, установленной на позиционирующей плите.
Согласно одному примеру выполнения разделительные средства содержат по меньшей мере один трубчатый статор, внутри которого размещено рабочее колесо насоса.
В предпочтительном примере выполнения трубчатый статор закреплен с уплотнением на смежной с ним позиционирующей плите.
Предпочтительно в качестве продолжения трубчатого статора предусмотрено трубчатое тело, смонтированное с уплотнением на смежной с ним позиционирующей плите.
Согласно другому примеру выполнения трубчатое тело снабжено фланцем для монтажа внутри камеры, причем этот фланец имеет проходы для текучей среды.
В предпочтительном примере осуществления впуск для подлежащей обработке текучей среды содержит трубчатый элемент, проходящий через камеру и трубчатый статор с обеспечением доступа к нему снаружи внешнего корпуса и выхода внутрь разделительных средств.
В другом примере впуск для подлежащей обработке текучей среды содержит трубчатое соединение, проходящее через камеру с обеспечением доступа к нему снаружи внешнего корпуса и выхода за пределы разделительных средств.
В соответствии с другой особенностью изобретения вторая полость образована между донной крышкой и позиционирующей плитой, не ограничивающей первую полость, причем вторая полость предназначена для сбора подлежащей обработке текучей среды, которая прошла начальную ветвь, и подачи текучей среды в обратную ветвь циркуляции.
Донная крышка, которая ограничивает вторую полость, предпочтительно снабжена выпуском для удаления ретентата.
Согласно одному примеру выполнения позиционирующие плиты соединены друг с другом посредством цилиндра, ограничивающего коллекторную емкость для фильтрата, причем цилиндр снабжен по меньшей мере одним выпуском для фильтрата.
Предпочтительно внешний корпус содержит цилиндр, камеру насоса и донную крышку.
Согласно предпочтительному примеру выполнения разделительные средства смонтированы таким образом, что первый и второй комплекты фильтрационных элементов содержат примерно одинаковое количество фильтрационных элементов.
Приводной вал предпочтительно установлен на одной линии с осью цилиндра, а приводной двигатель предпочтительно установлен с опорой на камеру.
Согласно другому варианту выполнения выпуск для удаления ретентата сообщается с первой полостью.
В предпочтительном варианте выпуск для удаления ретентата сообщается либо с первым объемом первой полости и проходит через камеру и разделительные средства, либо со вторым объемом первой полости.
Краткое описание чертежей
Другие особенности будут ясны из описания примеров осуществления изобретения, не являющихся ограничительными, со ссылками на прилагаемые чертежи. На чертежах:
фиг.1 изображает в продольном разрезе фильтрационное устройство по изобретению в первом примере выполнения,
фиг.2 изображает вид устройства в поперечном разрезе по линии II-II на фиг.1,
фиг.3 изображает в продольном разрезе часть фильтрационного устройства во втором примере выполнения.
Осуществление изобретения
На фиг.1 и 2 показано устройство или модуль 1 для тангенциальной фильтрации подлежащей обработке текучей среды любой природы. Устройство 1 содержит заключенный во внешнем корпусе 2 комплект фильтрационных элементов 3 трубчатой формы, расположенных параллельно друг другу. Каждый фильтрационный элемент 3 имеет внешнюю форму правильного поперечного сечения, например шестиугольную или круглую. Каждый фильтрационный элемент содержит по меньшей мере один канал, проходящий параллельно его продольной оси. Поверхность каналов покрыта по меньшей мере одним разделяющим слоем (не показан), который предназначен для контакта с проходящей внутри канала текучей средой, подлежащей обработке. Свойства разделяющего слоя или слоев выбраны в соответствии с фильтрационной способностью, которая должна достигаться.
Фильтрационные элементы 3 установлены каждым своим концом на позиционирующей плите 4, установленной внутри внешнего корпуса 2. Известным образом в каждой позиционирующей плите 4 выполнено отверстие для прохода конца трубчатого фильтрационного элемента 3. Каждое отверстие снабжено уплотнительной прокладкой, предназначенной для герметичной установки фильтрационных элементов 3 в позиционирующих плитах 4. Между позиционирующими плитами 4 и внешним корпусом 2 образована коллекторная емкость 6 для фильтрата, выходящего из периферийной поверхности фильтрационных элементов 3. Эта коллекторная емкость 6 сообщается по меньшей мере с одним, а в показанном примере выполнения с двумя выпусками 7 для отвода фильтрата. Каждый выпуск 7 для фильтрата представляет собой трубчатый элемент, прикрепленный к цилиндру 9, который образует часть внешнего корпуса 2, и к концам которого прикреплены позиционирующие плиты 4. Таким образом, цилиндр 9 и позиционирующие плиты 4 ограничивают коллекторную емкость 6.
Фильтрационное устройство 1 содержит также первую полость 11, расположенную внутри внешнего корпуса 2. С этой полостью 11 за пределами позиционирующей плиты 4 сообщается один конец каждого фильтрационного элемента 3. Другие концы фильтрационных элементов 3 за пределами другой позиционирующей плиты 4 сообщаются со второй полостью 12. Как более подробно показано на фиг.1, первая полость 11 образована внутри закрывающей камеры 13, которая прикреплена к цилиндру 9 и/или позиционирующей плите 4. Вторая полость 12 образована между соответствующей позиционирующей плитой 4 и донной крышкой 14, прикрепленной к цилиндру 9 и/или позиционирующей плите 4.
1
2
1
1
1
2
2
2
1
1
2
1
2
1
2
Фильтрационное устройство 1 содержит разделительные средства 15, размещенные в первой полости 11 с разделением этой полости на первый объем V и второй объем V. Первый объем V сообщается с первым комплектом S фильтрационных элементов 3 для направления подлежащей обработке текучей среды в первом направлении по стрелке f. Второй объем V сообщается со вторым комплектом S фильтрационных элементов 3 для направления подлежащей обработке текучей среды во втором направлении f, противоположном первому направлению f. Разделительные средства 15 вставлены в смежную с ними позиционирующую плиту 4 герметичным образом для разделения объема первой полости 11 на первый объем V и второй объем V, расположенные, соответственно, внутри и снаружи разделительных средств. Следует отметить, что фильтрационные элементы 3 первого комплекта S отличаются от фильтрационных элементов 3 второго комплекта S. Согласно предпочтительному примеру выполнения разделительные средства 15 установлены таким образом, что комплекты S и S фильтрационных элементов 3 содержат примерно одинаковое число фильтрационных элементов 3.
1
2
1
2
2
1
Согласно данному примеру выполнения фильтрационные элементы 3, принадлежащие к первому комплекту S, расположены внутри виртуальной оболочки, образованной разделительными средствами 15, а фильтрационные элементы 3, принадлежащие ко второму комплекту S, расположены за пределами этой виртуальной оболочки. Следует понимать, что фильтрационные элементы 3 первого комплекта S и второго комплекта S образуют внутри внешнего корпуса начальную и обратную ветви циркуляционной петли для подлежащей обработке текучей среды. В примере выполнения по фиг.1 фильтрационные элементы второго комплекта S образуют начальную ветвь, а фильтрационные элементы первого комплекта S образуют обратную ветвь.
1
2
1
2
Разделительные средства 15 образуют внутренний корпус 22 для рабочего колеса 23 циркуляционного насоса. Разделительные средства 15, которые будут более подробно описаны ниже, имеют трубчатую или цилиндрическую форму и герметичным образом установлены в ближайшей к ним позиционирующей плите 4. Разделительные средства 15 образуют первый внутренний объем V и второй внешний объем V по отношению к камере 13. Камера 13 может быть прикреплена к позиционирующей плите 4 с помощью крепежных средств. Разделительные средства 15 включают проход 24, через который подлежащая обработке текучая среда проходит между объемами V, V.
Рабочее колесо 23 содержит приводной вал 25, соединенный с приводным двигателем 26 вращения, который установлен на камере 13. Предпочтительно приводной вал 25 установлен на одной линии с осью цилиндра 9, в котором фильтрационные элементы 3 равномерно распределены с расположением вдоль цилиндра. Очевидно, что в камере 13 имеется уплотненный проход для приводного вала 25.
1
2
2
В примере выполнения по фиг.1 предусматривается, что приводной двигатель 26 приводит насос в режиме всасывания. Рабочее колесо используется, во-первых, для всасывания текучей среды, выходящей из мембран первого комплекта S, образующего обратную ветвь, и, во-вторых, для нагнетания жидкости через проход 24 в объем V для подачи текучей среды на мембраны второго комплекта S, образующего начальную ветвь циркуляционной петли.
1
Согласно другой особенности устройства по изобретению оно снабжено впуском Е для подлежащей обработке текучей среды. Этот впуск Е выходит в первую полость 11 во внешнем корпусе между рабочим колесом 23 циркуляционного насоса и фильтрационными элементами 3 комплекта, образующего обратную ветвь циркуляционной петли. В примере по фиг.1 это фильтрационные элементы 3 первого комплекта S.
2
1
Согласно другой выгодной особенности вторая полость 12 расположена в донной крышке 14, которая снабжена выпуском S для удаления ретентата. Вторая полость 12 образована позиционирующей плитой 4 и обеспечивает сообщение между фильтрационными элементами 3 второго комплекта S и фильтрационными элементами 3 первого комплекта S.
1
2
2
2
2
1
1
1
Работа устройства по фиг.1 и 2 понятна из приведенного описания. Подлежащая обработке текучая среда поступает через впуск Е в объем V и всасывается под действием рабочего колеса 23 насоса в фильтрационные элементы 3 второго комплекта S, вначале пройдя в объем V через проход 24. Текучая среда проходит через фильтрационные элементы 3 второго комплекта S, которые, таким образом, являются начальной ветвью циркуляционной петли. Из фильтрационных элементов 3 второго комплекта S текучая среда поступает во вторую полость 12 для распределения, во-первых, к выпуску 8 для удаления ретентата и, во-вторых, для направления за счет всасывающего эффекта рабочего колеса насоса через фильтрационные элементы 3 первого комплекта S, которые образуют обратную ветвь циркуляционной петли. Текучая среда, прошедшая через фильтрационные элементы 3 первого комплекта S, поступает в объем V. Далее цикл фильтрации продолжается описанным выше образом.
1
2
1
1
2
1
1
2
2
2
2
1
1
В примерах выполнения по фиг.1 и 2 впуск Е для текучей среды выходит в объем V первой полости 11, которая расположена внутри разделительных средств 15. Согласно этому примеру осуществления впуск Е выполнен в виде трубчатого элемента 30, проходящего через камеру 13, объем V полости 11 и разделительные средства 15 для сообщения с объемом V внутри разделительных средств 15. Согласно одному из примеров выполнения разделительные средства 15 содержат статор 15 трубчатой формы, внутри которого расположено рабочее колесо 23 насоса. Разделительные средства 15 содержат также трубчатое тело 15, которое образует продолжение статора 15 и закреплено герметичным образом не только на смежной с ним позиционирующей плите 4, но и на статоре 15. Предпочтительно трубчатое тело 15 снабжено металлическим посадочным элементом, на который опирается рабочее колесо. Таким образом, посадочный элемент обеспечивает герметичное соединение между статором и трубчатым телом, а также возможность вращения рабочего колеса насоса. Трубчатое тело 15 имеет достаточную высоту для монтажа трубчатого элемента 30, который смонтирован радиально по отношению к трубчатому телу 15. Таким образом, трубчатый элемент 30 сообщается с внутренней полостью трубчатого тела 15 между выходом фильтрационных элементов 3 первого комплекта S и рабочим колесом 23 внутри разделительных средств 15, то есть с объемом V.
2
2
2
Трубчатый элемент 30 доступен с наружной стороны внешнего корпуса, так что он может быть подсоединен к соединительному трубопроводу. Следует отметить, что трубчатое тело 15 может быть снабжено фланцем для установки в контакте с внутренней стенкой камеры 13. Этот фланец, выступающий радиально 15 между трубчатым телом 15 и камерой 13, имеет проходы для текучей среды в объеме V.
1
2
2
1
В описанном выше примере выполнения насос всасывает текучую среду через фильтрационные элементы первого комплекта S и нагнетает ее через фильтрационные элементы второго комплекта S. Очевидно, что при реверсе 20 вращения рабочего колеса текучая среда может всасываться через фильтрационные элементы 3 второго комплекта S и затем нагнетаться через фильтрационные элементы 3 первого комплекта S.
1
1
1
2
2
2
Согласно второму варианту выполнения, показанному на фиг.3, фильтрационные элементы 3 первого комплекта S запитаны через первый объем V и образуют начальную ветвь циркуляционной петли. После выхода из фильтрационных элементов 3 первого комплекта S текучая среда распределяется, во-первых, к выпуску S для удаления ретентата и, во-вторых, к фильтрационным элементам 3 второго комплекта S, которые образует обратную ветвь. После выхода из фильтрационных элементов 3 второго комплекта S текучая среда входит во второй объем V.
2
2
2
2
В этом примере выполнения впуск Е текучей среды выходит во второй объем V, то есть в область между рабочим колесом 23 и фильтрационными элементами 3 второго комплекта S, образующими обратную ветвь циркуляционной петли. Таким образом, текучая среда во втором объеме V, поступающая от впуска Е и выхода 35 фильтрационных элементов второго комплекта S, всасывается в рабочее колесо 23 через проход 24.
В одном или другом из этих примеров выполнения впуск Е для текучей среды, подлежащей обработке, расположен выше по потоку от рабочего колеса 23 циркуляционного насоса. В этих условиях давление на впуске Е может быть ниже давления с напорной стороны циркуляционного насоса.
1
2
2
В примере осуществления по фиг.3 впуск Е для подлежащей обработке текучей среды выполнен в виде трубчатого элемента 31, который проходит через камеру 13, доступен снаружи внешнего корпуса и выходит в пространство за пределами разделительных средств 15. В показанном примере выполнения разделительные средства 15 содержат статор 15 и трубчатое тело 15. Следует заметить, что в этом варианте можно обойтись без трубчатого тела 15.
2
2
1
2
В примере выполнения по фиг.1 выпуск S для удаления ретентата сообщается со второй полостью 12. Следует отметить, что выпуск S для удаления ретентата может сообщаться с первой полостью 11, в которую выходит также впуск Е для подлежащей обработке текучей среды. В примере выполнения по фиг.1 выпуск S для удаления ретентата может проходить либо через камеру 13 с выходом во второй объем V, либо через камеру 13 и трубчатое тело 15 с выходом в первый объем V, либо на противоположной стороне от впуска Е, либо в другом месте. В примере выполнения по фиг.3 выпуск S для удаления ретентата может проходить через камеру 13 с выходом во второй объем V либо противоположно впуску Е, либо другим образом.
Изобретение не ограничено вышеприведенными примерами, и при его осуществлении возможны различные изменения и модификации, не выходящие за рамки изобретения.