МЕМБРАННЫЙ АППАРАТ

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам для очистки, разделения и концентрирования жидкостей микрофильтрацией и может быть использована для очистки воды, виноматериалов и других пищевых жидкостей.
Известен мембранный аппарат для разделения и концентрирования жидкостей с помощью полупроницаемых мембран (патент РФ №2038139, МПК B01D 63/08 (1995.01). Опубликовано 27.06.1995). Мембранный аппарат содержит верхнюю и нижнюю коллекторные плиты со штуцерами и отверстиями для ввода исходной смеси и вывода концентрата и фильтрата, пакет мембранных элементов, каждый из которых имеет каркасную пластину с отверстиями для ввода исходной смеси и вывода концентрата и фильтрата. На одной поверхности каркасной пластины размещено турбулизирующее устройство, а на другой - дренажное устройство в виде каналов. На дренажном устройстве расположена полупроницаемая мембрана, контурные герметизирующие прокладки и прокладки вокруг отверстий вывода фильтрата и подачи исходной смеси. Верхняя плита снабжена размещенным на внутренней поверхности турбулизирующим устройством, нижняя плита выполнена с каналами на внутренней поверхности, соединенными с каналами мембранных элементов. Плиты и каркасные пластины выполнены с канавками для герметизирующих прокладок вокруг отверстий и снабжены шайбами, расположенными под прокладками, а турбулизирующее устройство выполнено в виде выступов, размещенных перпендикулярно потоку исходной смеси. К основным недостаткам известного аппарата относятся сложность его изготовления и замены мембранных элементов, высокая материалоемкость, уменьшение ресурса полупроницаемой мембраны, наличие застойных зон, необходимость герметизации больших поверхностей.
Известен мембранный аппарат, предназначенный для микро- и ультрафильтрации и концентрирования жидких сред (патент РФ №2083269, МПК B01D 63/06 (1995.01). Опубликовано 10.07.1997). Мембранный аппарат содержит собранные в пакет полупроницаемые мембраны, например трековые, и дренажные пластины с прорезями на поверхности, соединенные со сквозными отверстиями, в которых установлены уплотняющие кольца с отверстиями на боковой поверхности для перетока жидкости. Дренажные пластины изготовлены из материала, предел текучести которого меньше предела текучести материала мембран, кольца для перетока жидкости изготовлены из материала, предел текучести которого больше, чем предел текучести материала дренажной пластины, а торцы колец покрыты слоем материала дренажной пластины. Такая конструкция обеспечивает герметичность уплотнения тонких пленочных мембран. Дренажные пластины изготавливаются из полиэтилена высокого давления, кольца - из полипропилена, покрытого слоями полиэтилена. Герметизация аппарата осуществляется с помощью опорных плит, стянутых шпильками. Основными недостатками аппарата является технологически сложный способ уплотнения тонких трековых мембран в области колец путем сжатия с усилием до деформации материала дренажных пластин, не исключающий возможности растрескивания мембран; наличие больших поверхностей герметизации и возможность протечек. К другим недостаткам относятся сложность замены мембран, их отмывки (регенерации).
Известен мембранный аппарат для разделения растворов с помощью полупроницаемых мембран (патент на полезную модель РФ №39506, МПК B01D 63/14 (2000.01). Опубликовано 10.08.2004). Мембранный аппарат состоит из корпуса в виде прямоугольной емкости с крышкой, кассеты, собранной из мембранных элементов и прокладок. Мембранные элементы и прокладки сжаты в пакет устройствами для сжатия, Устройства для сжатия расположены по двум противоположным сторонам мембранных элементов, прилегают к дну и крышке корпуса и выполнены в виде двух планок, стянутых набором шпилек. Кассета мембранных элементов плотно занимает объем корпуса и крепится к нижней стенке корпуса штуцером для отвода фильтрата, который проходит через отверстие в нижней стенке корпуса, герметизирующую прокладку и соосно с каналом для отвода фильтрата ввинчен в устройство для сжатия. Аппарат содержит диффузор для подачи разделяемого раствора и конфузор для отвода концентрата, приваренные по боковым стенкам корпуса. Основным недостатком данного аппарата является низкая технологичность изготовления и эксплуатации из-за сложности сборки устройства с тонкими полимерными мембранами, особенно трековыми, из-за высокой вероятности растрескивания мембран при герметизации мембранных элементов по контуру канала отвода фильтрата путем сжатия с помощью прокладок, невозможность замены отдельных мембранных элементов. Конструкция аппарата не позволяет выполнять его промывку обратным потоком фильтрата. Длина и конфигурация канала прохождения разделяемого раствора создают местные гидравлические сопротивления, т.е. приводят к потерям напора, и затрудняют проведение прямой промывки аппарата.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является мембранный аппарат с плоскими мембранными элементами на основе тонких полупроницаемых мембран, в частности трековых для очистки и концентрирования жидких сред микрофильтрацией или ультрафильтрацией (патент на полезную модель РФ №133754, МПК B01D 63/08 (2006.01). Опубликовано 27.10.2013). Мембранный аппарат включает корпус в виде прямоугольной в поперечном сечении емкости со штуцерами для подачи исходной жидкости, отвода концентрата и отвода фильтрата, пакет из мембранных элементов прямоугольной формы двухсторонней фильтрации и прокладок, снабженный каналом отвода фильтрата, соединяющим все мембранные элементы со штуцером для отвода фильтрата. Корпус аппарата оснащен дополнительным штуцером для отвода фильтрата. Пакет из мембранных элементов снабжен каналом отвода фильтрата, соединяющим все мембранные элементы с дополнительным штуцером для отвода фильтрата. Каждый мембранный элемент включает плоский каркас с выполненными на его краях двумя сквозными коллекторными отверстиями, между которыми сформирован двусторонний рельеф с продольными открытыми канавками, преимущественно в виде гофр с закругленными ребрами. С обеих сторон каркаса расположена полупроницаемая мембрана, герметично закрепленная по его периметру с образованием двух коллекторов и соединяющих их каналов. Мембранный элемент имеет патрубки, сообщенные с коллекторами посредством выходных отверстий, выполненных в торцах каркаса параллельно его плоскостям. Каналы отвода фильтрата выполнены с вертикальным рядом отверстий для подсоединения патрубков мембранных элементов. Прокладки выполнены в виде литых полимерных решеток с диаметром продольных прутьев большим, чем поперечных, и уложены с двух сторон каждого мембранного элемента в один или несколько слоев продольными прутьями вдоль направления движения исходной жидкости. К недостаткам данного аппарата относятся высокая стоимость, особенно при единичном и мелкосерийном производстве, сложность изготовления. Наличие двух выходов фильтрата из каждого мембранного элемента и двух коллекторов, соединенных посредством манжетных уплотнений значительно увеличивает вероятность разгерметизации, следствием чего является ухудшение качества фильтрата.
Перед авторами заявляемой полезной модели стояла задача устранить указанные выше недостатки и разработать простое в сборке и эксплуатации устройство для очистки, разделения и концентрирования жидкостей путем микрофильтрации с применением трековых мембран, характеризующееся простотой конструкции, большой площадью фильтрации и, как следствие, высокой удельной производительностью при небольших размерах, а также невысокой стоимостью изготовления.
Для решения поставленной задачи предлагается мембранный аппарат, включающий корпус в виде емкости с герметично примыкающей крышкой, штуцеры для подвода фильтруемой жидкости и отвода концентрата, разнесенные вдоль направления движения фильтруемой жидкости, штуцер для отвода фильтрата и размещенный в корпусе фильтрующий пакет, сформированный из плоских фильтроэлементов, выполненных из полупроницаемых мембран, и турбулизирующих прокладок, снабженный каналом для отвода фильтрата. В отличие от прототипа в предлагаемом мембранном аппарате
- каждый фильтроэлемент выполнен из двух слоев фильтровального материала, представляющего собой трековую мембрану из полимерной пленки с диаметром сквозных пор от 0,10 мкм до 0,65 мкм, герметично соединенных по периметру с образованием замкнутого объема, в котором размещена дренажная подложка,
- в каждом фильтроэлементе выполнено сквозное отверстие, ось которого перпендикулярна фильтрующей поверхности, совместимое со сквозными отверстиями остальных фильтроэлементов при формировании фильтрующего пакета, периметр сквозных отверстий усилен изнутри с помощью изолирующих контурных прокладок,
- канал для отвода фильтрата образован путем соосного совмещения сквозных отверстий фильтроэлементов при формировании фильтрующего пакета и соединен со штуцером для отвода фильтрата,
- фильтроэлементы и прокладки сжаты в фильтрующий пакет стягивающим устройством, выполненным в виде резьбового стержня, проходящего внутри канала для отвода фильтрата и выведенного из корпуса в штуцер для отвода фильтрата,
- конец стержня, выведенного из корпуса, снабжен фиксирующим устройством с внутренней резьбой, а к другому концу стержня прикреплена пластина, перпендикулярная его оси.
В частных случаях выполнения заявляемой полезной модели:
- герметичное соединение двух слоев фильтровального материала может быть выполнено при помощи плоской рамки, размещенной между ними;
- герметичное соединение двух слоев фильтровального материала может быть выполнено термосваркой слоев между собой по периметру;
- между фильтроэлементами соосно сквозным отверстиям дополнительно могут быть размещены уплотняющие контурные прокладки;
- в качестве фильтровального материала может быть использована трековая мембрана из полиэтилентерефталатной пленки;
- дренажные подложки могут быть изготовлены из ситовой ткани;
- турбулизирующие прокладки могут быть выполнены из переплетенных синтетических нитей;
- фильтроэлементы могут иметь прямоугольную форму,
- длина и ширина турбулизирующих прокладок могут совпадать с соответствующими размерами фильтроэлементов, при этом в каждой турбулизирующей прокладке выполнено сквозное отверстие, совместимое со сквозными отверстиями фильтроэлементов при формировании фильтрующего пакета;
- штуцер для подвода фильтруемой жидкости и штуцер для отвода концентрата могут быть расположены на противоположных боковых поверхностях корпуса;
- штуцеры для подвода фильтруемой жидкости и отвода концентрата могут быть расположены в дне корпуса и разнесены к противоположным стыкам дна с соответствующими боковыми поверхностями корпуса;
- фильтрующий пакет может быть размещен в корпусе с образованием зазоров со сторон подвода фильтруемой жидкости и отвода концентрата.
- штуцер для отвода фильтрата может быть расположен на крышке;
- крышка и дно корпуса могут быть выполнены плоскими, при этом дно предлагается выполнить съемным;
- фиксирующее устройство с внутренней резьбой может быть выполнено в виде прорезной гайки;
- мембранный аппарат может быть снабжен дополнительным штуцером для соединения с источником сжатого газа, при этом дополнительный штуцер расположен со стороны подвода фильтруемой жидкости.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является достижение высокой удельной производительности мембранного аппарата при его небольших размерах, а также простота сборки/разборки и эксплуатации предлагаемого устройства.
Ниже сущность полезной модели поясняется более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи:
на фиг. 1 представлен мембранный аппарат (вид сбоку) со штуцерами для подвода фильтруемой жидкости и отвода концентрата, расположенными в дне корпуса;
на фиг. 2 представлен мембранный аппарат (вид сбоку) со штуцерами для подвода фильтруемой жидкости и отвода концентрата, расположенными на противоположных боковых поверхностях корпуса;
на фиг. 3 представлен мембранный аппарат со штуцером для отвода фильтрата, расположенным на крышке (вид сверху);
на фиг. 4 представлен продольный разрез мембранного аппарата;
на фиг. 5 представлена схема расположения фильтроэлементов и прокладок в частном случае выполнения мембранного аппарата.
Позиции на фиг. 1-5 обозначают:
1 - корпус; 2 - крышка; 3 - штуцер для подвода фильтруемой жидкости; 4 - штуцер для отвода концентрата; 5 - штуцер для отвода фильтрата; 6 - дно корпуса; 7 - канал для отвода фильтрата; 8 - фильтрующий пакет; 9 - плоский фильтроэлемент; 10 - фильтровальный материал/трековая мембрана; 11 - турбулизирующая прокладка; 12 - дренажная подложка; 13 - сквозное отверстие; 14 - резьбовой стержень; 15 - фиксирующее устройство; 16 - пластина; 17 - уплотняющая контурная прокладка; 18 - изолирующая контурная прокладка.
Примеры мембранного аппарата, представленные на фигурах, иллюстрируют некоторые частные случаи выполнения устройства и не охватывают все возможные варианты его реализации в соответствии с формулой заявляемой полезной модели.
5
8
2
Мембранный аппарат включает корпус 1 в виде емкости с герметично примыкающей крышкой 2. Герметичное соединение корпуса 1 с крышкой 2 выполнено при помощи уплотняющей прокладки (на фигуре позицией не обозначена), например, из силиконовой резины. Корпус 1 и крышка 2 могут быть изготовлены из нержавеющей стали марки AISI 304 (российский аналог по ГОСТ - 08X18H10) или пластмассы. Мембранный аппарат снабжен штуцером 3 для подвода фильтруемой жидкости, штуцером 4 для отвода концентрата и штуцером 5 для отвода фильтрата. В корпусе 1 размещен фильтрующий пакет 8, сформированный из плоских фильтроэлементов 9, предпочтительно прямоугольной формы, и турбулизирующих прокладок 11, которые могут быть изготовлены из переплетенных синтетических нитей или из тонких решеток, изготовленных из пластмассы, например, из полипропилена. Каждый фильтроэлемент 9 состоит из двух слоев трековой мембраны 10, изготовленной, например, из полиэтилентерефталатной пленки толщиной от 8 мкм до 23 мкм с количеством сквозных пор 5×10 - 5×10 на см. Практически калиброванные сквозные поры фильтровального материала 10 с диаметром в интервале от 0,10 мкм до 0,65 мкм обеспечивают очень высокую степень очистки жидкости при фильтрации. В качестве трековых мембран 10 также могут быть использованы мембраны, изготовленные из других материалов, например, поликарбоната, полиимида или полипропилена.
Два слоя фильтровального материала 10 герметично соединены по периметру с образованием замкнутого объема, в котором размещена дренажная подложка 12, изготовленная, например, из нетканого полипропиленового материала, например, спанбонда, или ситовой ткани из полипропиленовых нитей. В каждом фильтроэлементе 9 выполнено сквозное отверстие 13, ось которого перпендикулярна фильтрующей поверхности. Сквозное отверстие 13 каждого фильтроэлемента 9 выполнено с возможностью совмещения со сквозными отверстиями 13 других фильтроэлементов 9 для образования канала 7 для отвода фильтрата. Периметр сквозных отверстий 13 усилен изнутри изолирующими контурными прокладками 18, создающими равномерное давление на дренажные подложки 12 и предотвращающими разрыв фильтровального материала 10 при сжатии. Изолирующие контурные прокладки 18 могут быть изготовлены из тонкой полипропиленовой пластины.
Фильтрующий пакет 8 снабжен каналом 7 для отвода фильтрата. Канал 7 для отвода фильтрата образован путем соосного совмещения сквозных отверстий 13 фильтроэлементов 9 при формировании фильтрующего пакета 8 и соединен со штуцером 5 для отвода фильтрата.
Фильтроэлементы 9 и прокладки 11 сжаты в пакет 8 стягивающим устройством, выполненным в виде резьбового стержня 14, проходящего внутри канала 7 для отвода фильтрата и выведенного из корпуса 1 в штуцер 5 для отвода фильтрата. Конец стержня 14, выведенного из корпуса 1, снабжен фиксирующим устройством 15 с внутренней резьбой, которое может быть выполнено в виде прорезной гайки 15. К другому концу стержня 14 прикреплена пластина 16, перпендикулярная его оси. Между фильтроэлементами 9 соосно сквозным отверстиям 13 могут быть размещены уплотняющие контурные прокладки 17, которые полностью исключают попадание концентрата в канал 7 для отвода фильтрата.
В частном случае выполнения мембранного аппарата для образования замкнутого объема фильтроэлемента 9 герметичное соединение двух трековых мембран 10 может быть выполнено при помощи плоской рамки (на фигуре позицией не обозначена), размещенной между ними. В другом частном случае герметичное соединение двух слоев фильтровального материала 10 может быть выполнено термосваркой слоев между собой по периметру.
Длина и ширина турбулизирующих прокладок 11 могут совпадать с соответствующими размерами фильтроэлементов 9, при этом в каждой турбулизирующей прокладке 11 выполняют сквозное отверстие (на фиг. позицией не обозначено), совместимое со сквозными отверстиями 13 фильтроэлементов 9 при формировании фильтрующего пакета 8.
В частном случае выполнения мембранного аппарата штуцер 3 для подвода фильтруемой жидкости и штуцер 4 для отвода концентрата могут быть расположены на противоположных боковых поверхностях корпуса 1. В другом частном случае штуцеры 3 и 4 могут быть установлены в дне 6 корпуса 1 и разнесены к противоположным стыкам дна 6 с соответствующими боковыми поверхностями корпуса 1. Штуцер для отвода фильтрата можно размещать на крышке 2 или на дне 6. Крышку 2 и дно 6 корпуса 1 целесообразно изготовить плоскими, при этом дно 6 предлагается выполнить съемным. Пакет 8 фильтроэлементов 9 может быть размещен в корпусе 1 с образованием зазоров со сторон подвода фильтруемой жидкости и отвода концентрата.
Мембранный аппарат может быть оснащен дополнительным штуцером (на фиг. не показан) для соединения с источником сжатого газа, при этом дополнительный штуцер устанавливают на крышке 2 или на корпусе 1 со стороны подвода фильтруемой жидкости. Возможность подачи сжатого газа в мембранный аппарат через указанный штуцер обеспечивает дополнительную очистку мембранных фильтроэлементов 9 без разборки корпуса 1, а также упрощает процесс контроля сохранности и работоспособности фильтроэлементов 9 в процессе эксплуатации устройства. В случае фильтрации виноматериалов и других пищевых жидкостей подача сжатого газа, инертного по отношению к фильтруемой жидкости, например, азота, аргона или иного инертного газа приводит к получению дополнительного технического результата, а именно к предотвращению окисления фильтрата и концентрата.
Сборка мембранного аппарата производится вручную путем выполнения простых операций без использования специальных инструментов и сложного оборудования. Перед началом работы собирают фильтрующий пакет 8 из чередующихся фильтроэлементов 9, турбулизирующих прокладок 11 и уплотняющих контурных прокладок 17, пропуская резьбовой стержень 14 через сквозные отверстия. Устанавливают собранный пакет 8 в корпусе 1 мембранного аппарат, выводя свободный конец стержня 14 либо через крышку 2, либо через дно 6 в зависимости от выбранного варианта изготовления аппарата, и затягивают прорезную гайку 15 до герметизации канала 7 и герметичного соединения фильтрующего пакета 8 с крышкой 2 или с дном 6 соответственно. Поверх прорезной гайки 15 через герметизирующую прокладку (на фиг. позицией не обозначена) устанавливают штуцер 5 для отвода фильтрата. Затем производят окончательную сборку, соединяя через прокладки (на фиг. не указаны) корпус 1 и крышку 2 в сборе с фильтрующим пакетом 8, например при помощи болтового соединения, обеспечивая герметичность мембранного аппарата.
Кроме стандартной промывки обратным током конструкция предлагаемого устройства предусматривает возможность извлечения фильтрующего пакета 8 в сборе, что позволяет выполнять его регенерацию вне мембранного аппарата, не разбирая пакет 8 на составляющие компоненты.
Мембранный аппарат работает следующим образом. Исходная жидкость при помощи насоса (на фиг. не показан) через штуцер 3 подается в корпус 1 аппарата со скоростью, обеспечивающей турбулизацию потока с помощью турбулизирующих прокладок 11, и движется между плоскими фильтроэлементами 9, омывая их с двух сторон, в направлении штуцера 4 для отвода концентрата. В процессе движения часть фильтруемой жидкости через поры фильтровального материала (трековой мембраны) 10 проходит внутрь фильтроэлементов 9. На поверхности трековой мембраны 10 остаются твердые частицы, бактерии и другие взвешенные объекты, размеры которых превышают размеры пор трековой мембраны 10. За счет высокой скорости потока фильтруемой жидкости эти объекты смываются с поверхности трековых мембран 10 и через штуцер 4 для отвода концентрата выводятся из мембранного аппарата. Отфильтрованная часть жидкости попадает в канал 7 для отвода фильтрата и через штуцер 5 выводится из мембранного аппарата.
2
Проведена фильтрация водопроводной воды и виноматериала на экспериментальной установке тангенциальной фильтрации, включающей предлагаемый мембранный аппарат, насос DELTA ВСН1-370 с максимальным напором 3 атм и производительностью 35 л/мин, регулирующую и контролирующую аппаратуру. Давление на входе в мембранный аппарат поддерживалось на уровне 2 атм. Для фильтрации водопроводной воды с высоким содержанием коллоидного железа использовался мембранный аппарат с двумя плоскими прямоугольными фильтроэлементами с общей площадью фильтрующей поверхности 520 см. Для фильтрации виноматериала с содержанием нерастворимых веществ от 1,00 до 1,50 г/л использовался мембранный аппарат с четырьмя плоскими прямоугольными фильтроэлементами с общей площадью фильтрующей поверхности 1040 см. Фильтрация в течение двух часов подтвердила высокую удельную производительность мембранного аппарата - 80 л/ч при фильтрации воды и 120 л/ч при фильтрации виноматериала.