МЕМБРАННЫЙ АППАРАТ

Изобретение относится к области разделения, концентрирования жидких пищевых сред мембранными методами и может быть использовано в пищевой, фармацевтической, микробиологической промышленности, а также на предприятиях агропромышленного комплекса.
Известен мембранный аппарат, включающий трубчатую керамическую мембрану с внутренним селективным слоем [1] (прототип). Аппарат состоит из мембраны, помещенный в корпус с патрубками для ввода исходной среды и отвода конечного продукта и фильтрата.
Недостатком является образование на поверхности мембраны слоя задерживаемых веществ, что значительно снижает производительность аппарата.
Известен мембранный аппарат с направленными потоками [2] (аналог), который содержит корпус с патрубками ввода исходной жидкости, вывода очищенной жидкости и жидкости с осадком. В корпусе расположен фильтродержатель с закрепленными в нем фильтрующими элементами и распределительным перфорированным устройством. По периферии корпуса установлен профильный элемент, выполненный по отношению к фильтрующим элементам с образованием сужающегося зазора, в узкой части которого расположены отводящие каналы для отвода очищенной жидкости. Исходная жидкость подается в перфорированное распределительное устройство, откуда через отверстия в виде струй жидкости подается по касательной на поверхности фильтрующих элементов. Образующийся поток жидкости поступает в уменьшающийся зазор, образованный поверхностями профильного элемента и фильтрующего элемента. По ходу движения потока внутри уменьшающегося зазора происходит увеличение его скорости. Благодаря этому происходит очистка поверхности фильтрующего элемента от образующихся отложений.
Недостатком мембранного аппарата является возможность очистки внешней поверхности фильтрующего элемента.
Известен мембранный аппарат со струйными потоками [3] (аналог), который включает трубчатый мембранный модуль, выполненный в виде пористого тела с нанесенной на внутреннюю поверхность полупроницаемой мембраной, патрубки для ввода исходного раствора, вывода фильтрата и концентрата. Внутри трубчатого мембранного модуля коаксиально полупроницаемой мембране расположены струйные устройства, каждое из которых выполнено в виде цилиндра, к торцевым поверхностям которого присоединены с одной стороны диск с отверстиями для штанг, с другой - корпусная деталь и обойма с лепестковым клапаном. На боковой поверхности корпусной детали размещены форсунки, направленные таким образом, чтобы выходящие струи были направлены тангенциально полупроницаемой мембране. Благодаря струйным устройствам происходит снижение слоя высокой концентрации на всей длине полупроницаемой мембраны.
Недостатком является сложность конструкции струйных устройств и невозможность их применения в трубчатых мембранах с внутренним диаметром 0,004-0,006 м.
Известен мембранный аппарат с вращающимися потоками [4] (аналог), который включает корпус с патрубками ввода исходной жидкости, вывода очищенной жидкости и жидкости с осадком, состоящий из цилиндрической обечайки с эллиптическим верхом и днищем, по периферии которой установлены вертикальные профильные элементы, фильтродержателя с закрепленными в нем фильтрующими элементами, распределительного устройства, вертикально размещенного в центральной части фильтродержателя, зажимной плиты и опор в виде ножек. Распределительное устройство установлено с возможностью вращения на опорных нижнем и верхнем шарнирах и выполнено в виде турбины цилиндрической формы, к боковой поверхности которой по касательной приварены сопла, диаметр входных и выходных отверстий которых выбирают таким образом, чтобы выходящие из сопла потоки жидкости обеспечивали свободное вращение турбины со скоростью, обеспечивающей удаление отложений с поверхности фильтрующих элементов, при этом в распределительном устройстве коаксиально расположен патрубок ввода исходной жидкости, и между распределительным устройством и патрубком ввода исходной жидкости размещено лабиринтное уплотнение, причем верхний опорный шарнир распределительного устройства контактирует посредством шарика с подпружиненным штоком, а нижний опорный шарнир, расположенный в крестообразной пластине, опирается на шарик, установленный в крестообразном подпятнике, при этом профильные элементы повторяют профиль фильтрующего элемента таким образом, чтобы образующийся между профильными и фильтрующими элементами проточный канал обеспечивал свободную циркуляцию разделяемого потока.
Недостатком является сложность и высокая материалоемкость конструкции.
Технической задачей является повышение производительности аппарата путем удаления с поверхности мембраны слоя задерживаемых веществ гидродинамическими способами.
Задача решается путем установки в аппарате внутри мембраны вставки состоящей из несущего стержня с установленными на нем, через одинаковые промежутки, специальными конусообразными деталями, на поверхности которых присутствуют продольные насечки изогнутой формы.
Мембранный аппарат (фиг. 1) содержит корпус 1, выполненный в виде цилиндра. С одной стороны корпуса располагается патрубок 2 для подачи исходного потока, с другой - патрубок 3 для отвода конечного продукта в виде концентрата, а также патрубок 4 для отвода фильтрата. Внутри корпуса располагается коаксиально полупроницаемая мембрана 5. В мембране располагается вставка, состоящая из несущего стержня 6, конусообразных элементов 7 и фиксирующих колец 8. Каждый конусообразный элемент за счет изгибающихся продольных насечек создает направленный закрученный поток и увеличивает турбулизацию внутри мембранного канала.
Мембранный аппарат работает следующим образом.
Исходный раствор под давлением подается через патрубок 2 во внутренний канал мембраны 5. Раствор, проходя внутри мембраны, образует поток, который, подойдя к конусообразному элементу 7, направляется к внутренней поверхности мембраны и закручивается. При этом на внутренней поверхности мембраны формируется слой осадка, который снижает производительность процесса. Направленный поток раствора увеличивает турбулизацию за счет изгибающихся продольных насечек на конусообразных элементах 7, что способствует снижению толщины слоя осадка. Также по ходу движения потока вдоль стенок мембраны, за счет уменьшающегося зазора между конусообразным элементом 7 и внутренней стенкой мембраны 5, происходит увеличение его скорости. Благодаря этому происходит очистка поверхности фильтрующего элемента от образующихся отложений. Прошедший через мембрану фильтрат отводится через патрубок 4. Оставшаяся часть исходного раствора отводится через патрубок 3.
Технический результат - повышение производительности процесса мембранной фильтрации жидких сред путем уменьшения толщины слоя осадка на мембране воздействием направленного потока среды.
Источники литературы
1. Дытнерский, Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. В 2 ч. Ч. 2. Массообменные процессы и аппараты / Ю.И. Дытнерский. - Москва: Химия, 1995. - 368 с. (прототип)
7
2. Пат. 2331456 Российская Федерация. МПК B01D 27/08 (2006.01), B01D 63/06 (2006.01). Мембранный аппарат с направленными потоками / Ключников А.И., Шахов С.В., Потапов А.И., Марков А.А., Огурцов А.В., Колиух С.А.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Воронежская государственная технологическая академия (ГОУ ВПО ВГТА) - №2007106333/15; заявл. 19.02.2007; опубл. 20.08.2008 (аналог)
7
3. Пат. 2252815 Российская Федерация. МПК B01D 63/06 Мембранный аппарат со струйными потоками / Кретов И.Т., Востриков С.В., Ключников А.И., Ключникова Д.В.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежская государственная технологическая академия - №2004113915/15; заявл. 05.05.20042007; опубл. 27.05.2005 (аналог)
7
4. Пат. 2379097 Российская Федерация. МПК B01D 63/06 (2006.01), B01D 63/16 (2006.01). Мембранный аппарат с вращающимися потоками / Кретов И.Т., Шахов С.В., Потапов А.И., Попов Е.С, Попов Д.С; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Воронежская государственная технологическая академия (ГОУ ВПО ВГТА) - №2008137335/15; заявл. 17.09.2008; опубл. 20.01.2010 (аналог)