УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МЕМБРАННЫЙ ЭЛЕМЕНТ
ULTRASONIC MEMBRANE ELEMENT

Изобретение относится к области разделения суспензий промышленного, сельскохозяйственного и бытового назначения и может быть использовано в различных отраслях промышленности.
Известны фильтровальные мембранные элементы, в которых снижение концентрационной поляризации осуществляется с помощью цилиндрической гильзы с карманами и очистительными подвижными вкладышами [а.с. 1431795, В01D 13/00], турбулизирующей вставки в виде цепи или ленты из гибких элементов, шарнирно закрепленных одним концом на пористом каркасе [а.с. 1502042, В01D 13/00], соединенных между собой при помощи перемычек втулок, имеющих в продольном сечении крыловидный профиль [а.с. 1505563, В01D 13/00], вращающих втулок с лопастями [а.с. 1367995, В01D 13/00], винтовых каналов турбулизатора [а.с. 521902, В01D 13/00 и а.с. 1430054, В01D 13/00], плоских элементов в виде пластин с отверстиями [а.с. 152041, В01D 13/00], очистительного элемента, выполненного в виде двух продольных половинок гиперболоида [а.с. 1465069, В01D 13/00], двух полых штоков, установленных с возможностью возвратно-поступательного движения [а.с. 528011, В01D 13/00].
Недостатком известных фильтровальных мембранных элементов является увеличение уровня концентрационной поляризации как с течением времени, так и по их длине, что ведет к нестабильной работе и соответственно низкой производительности.
Известен мембранный аппарат [а.с. 1775145 СССР, МКП B01D 63/16. Мембранный аппарат / Н.С.Орлов, А.Ш.Шаяхметов, А.Г.Бородкин; Московский химико-технологический институт им.Д.И.Менделеева; заявл. 12.02.1990; опубл. 15.11.1992], содержащий корпус с пучком полых волокон, закрепленных в двух трубных решетках, крышки со штуцерами ввода и вывода растворов, а также излучатель ультразвука, выполненный в виде пластины, имеющей форму трубной решетки и расположенной перпендикулярно каналам полых волокон.
Недостатком известного мембранного аппарата является ограниченная зона действия, т.к. ультразвуковые колебания гасятся на входе в каналы полых волокон, что не обеспечивает равномерного снижения уровня концентрационной поляризации по их длине, что ведет к нестабильной работе и соответственно низкой производительности.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является реверсивный мембранный механизм [Патент 2142330 (Российская Федерация), МКИ B01D 63/00, 63/16. Реверсивный мембранный аппарат / С.Т.Антипов, С.В.Шахов, Ю.А.Завьялов, A.Н.Рязанов, А.В.Колтаков, - заявл. 20.07.98, №98114473/12, опубл. в БИ, 1999, №34], содержащий трубчатый пористый каркас с уложенной на его внутренней поверхности на подложке полупроницаемой мембраной, причем внутри каркаса расположен очистительный элемент, установленный с возможностью возвратно-поступательного движения и выполненный из эластичного материала, торцевые части которого повторяют конфигурацию внутренней поверхности штуцеров, при этом средняя часть очистительного элемента имеет углубление, торцевая поверхность которого выполнена в форме усеченного конуса, и в продольном сечении элемент имеет вид зеркально отображенной стрелы, при этом на концах каркаса установлены конусообразные штуцера, соединенные с клапанами и связанные между собой трубой.
Недостатком реверсивного мембранного механизма является малая сила воздействия на примембранный высококонцентрированный слой продукта, а также недостаточная степень турбулизации потока при повышении концентрации сухих веществ в растворе и увеличении его вязкости, что приводит к снижению эффективности разделения жидкости.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности разделения жидкости за счет увеличения силы воздействия на примембранный высококонцентрированный слой продукта, а также степени турбулизации потока при повышении концентрации сухих веществ в растворе и увеличении его вязкости.
Техническая задача изобретения достигается тем, что в ультразвуковом мембранном элементе, содержащем пористый трубчатый каркас с уложенной на его внутренней поверхности на подложке полупроницаемой мембраной, очистительный элемент, установленный внутри каркаса с возможностью совершения возвратно-поступательного движения, новым является то, что очистительный элемент снабжен пьезоэлементом, соединенным с ультразвуковым генератором, для создания возможности совершения возвратно-поступательного движения, при этом в продольном сечении очистительный элемент имеет вид штока с выступами обтекаемой куполообразной или конусообразной формы и шагом, уменьшающимся по ходу движения продукта, причем большее основание выступов направлено в сторону выхода из мембранного элемента.
Технический результат заключается в повышении эффективности разделения жидкости за счет увеличения силы воздействия на примембранный высококонцентрированный слой продукта, а также степени турбулизации потока при повышении концентрации сухих веществ в растворе и увеличении его вязкости.
На чертеже изображен поперечный разрез ультразвукового мембранного элемента.
Ультразвуковой мембранный элемент содержит пористый трубчатый каркас 1, на внутренней поверхности которого расположена подложка 2. На подложке размещена полупроницаемая мембрана 3. Внутри каркаса расположен очистительный элемент 4, установленный в подшипниках скольжения 5, 6 с возможностью совершения возвратно-поступательного движения от пьезоэлемента 7, соединенного с ультразвуковым генератором, при этом в продольном сечении очистительный элемент имеет вид штока с выступами обтекаемой куполообразной или конусообразной формы с шагом, уменьшающимся по ходу движения продукта, причем большее основание выступов направлено в сторону выхода из мембранного элемента.
На концах пористого трубчатого каркаса установлены штуцера 8, 9, которые снабжены крышками 10, 11 и уплотнениями 12, 13, 14, 15, обеспечивающими герметизацию мембранного элемента. Для подачи исходного раствора служит патрубок 16, а концентрат выводится через патрубок 17.
Предложенный ультразвуковой мембранный элемент работает следующим образом.
Исходный раствор, предназначенный для разделения, через патрубок 16 подается в ультразвуковой мембранный элемент под рабочим давлением. При этом очистительный элемент 4, совершая возвратно-поступательные движения, оказывает проталкивающее воздействие на жидкость в сторону ее выхода из элемента, скорость которой по мере обтекания вокруг каждого куполообразного или конусообразного элемента увеличивается за счет уменьшения расстояния между ним и мембраной 3, что приводит к турбулизации пограничного слоя и срыву его в середину потока, что приводит к возникновению в разделяемом растворе кавитации путем образования и схлопывания пузырьков, обеспечивающих дополнительные импульсные воздействия на примембранный слой продукта, способствующие снижению уровня концентрационной поляризации.
Кроме этого, пузырьки, оказывая силовое воздействие за счет энергии их схлопывания на осевшие и прилипшие к поверхности мембраны высокомолекулярные частицы продукта, а также частицы, находящиеся на входе и внутри капилляра, отрывают их от поверхности, после чего частицы уносятся с потоком разделяемой жидкости.
По мере движения раствора в элементе часть его через мембрану 3 проникает в подложку 2, пористый каркас 1 и выводится наружу в виде фильтрата. Вывод концентрата осуществляется через патрубок 17.
Предложенный ультразвуковой мембранный элемент позволяет:
- повысить эффективность разделения жидкости;
- увеличить силу воздействия на примембраниый высококонцентрированный слой продукта;
- увеличить степень турбулизации потока при повышении концентрации сухих веществ в растворе и увеличении его вязкости.