МЕМБРАННЫЙ МОДУЛЬ
MEMBRANE MODULE

Изобретение относится к энергетике, транспорту, нефтехимической и другим отраслям промышленности и может быть использовано в системах для очистки питьевой и технической воды, топлив, масел и других жидкостей.
Известен фильтр для очистки жидкости (патент РФ №2064325. Автоматический самоочищающийся фильтр с регенерацией фильтроэлементов противоточной промывкой. Опубл. 27.07.1996). Фильтр представляет собой цилиндрический корпус, разделенный по высоте перегородкой с отверстиями на верхнюю и нижнюю камеры, по оси отверстий на перегородке установлены цилиндрические фильтроэлементы. Фильтроэлементы сгруппированы группами. Очищаемая жидкость поступает через патрубок в нижнюю камеру, а очищенная отводится из верхней камеры через отводной патрубок.
Недостатками известного устройства являются относительно малые глубина очистки жидкости и ресурс работы отдельных фильтроэлементов, связанные с отсутствием профилирования расхода жидкости в проточной части между фильтроэлементами.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для фильтрации жидкости [Патент на изобретение РФ №2226120. Устройство для фильтрации жидкости и способ регенерации фильтрующих элементов. Опубл. 27.03.2004]. Известное устройство содержит корпус с установленными в нем фильтроэлементами и патрубком с краном для вывода осадка, установленным внизу корпуса, гидроаккумулятор, выполненный в виде резервуара, установленного над корпусом, патрубок для подвода очищаемой жидкости, конец которого выведен в корпус устройства, и расположенный в нижней зоне гидроаккумулятора патрубок с краном для вывода фильтрата. Фильтрующие элементы в устройстве установлены по типу гексагональной плотной упаковки с пористостью сборки 40-80% и смонтированы на трубной доске посредством штуцеров. Трубная доска прикреплена снизу к корпусу гидроаккумулятора с обеспечением герметичности гидроаккумулятора. Нижний конец патрубка для подвода очищаемой жидкости выведен на распределительную решетку, установленную в корпусе устройства над верхними торцами фильтрующих элементов. Фланцы корпуса модуля и гидроаккумулятора соединены болтовым соединением.
Недостатком известного устройства являются относительно малые глубина очистки жидкости и ресурс работы отдельных фильтроэлементов, вызываемые наличием застойной зоны в нижней части корпуса у нижних концов фильтроэлементов.
Решаемая задача состоит в создании мембранного модуля с относительно большим ресурсом работы как отдельных фильтроэлементов, так и устройства в целом и улучшенной глубиной очистки жидкости.
Для исключения указанных недостатков в мембранном модуле, содержащем корпус, фильтроэлементы, установленные в полости корпуса, параллельные его продольной оси и смонтированные на трубной доске посредством штуцеров, полости которых сообщены с полостью гидроаккумулятора и полостями фильтроэлементов, нижний отводящий патрубок, установленный внизу корпуса, гидроаккумулятор, выполненный в виде резервуара, установленного над корпусом, подводящий патрубок, установленный со смещением в сторону стенки корпуса относительно его продольной оси, боковой отводящий патрубок, установленный в нижней зоне полости гидроаккумулятора, трубную доску, прикрепленную снизу к гидроаккумулятору, распределительную решетку с отверстиями, причем подводящий патрубок, боковой и нижний отводящие патрубки оснащены кранами, фильтроэлементы состоят из цилиндрической пористой подложки и расположенные на их наружных боковых поверхностях наноструктурные мембраны, которые снизу и сверху ограничены соответственно нижним и верхним адаптерами, и нижние части штуцеров укреплены в соответствующих верхних адаптерах, предлагается:
- под трубной доской укрепить направляющую пластину, имеющую отверстия для прохода штуцеров и образующую с ней плоский щелевой канал;
- наружную боковую поверхность штуцеров установить с касанием внутренней боковой поверхности отверстий направляющей пластины;
- нижние концы фильтроэлементов ввести в соответствующие им отверстия распределительной решетки с образованием между ними кольцевых каналов;
- в полости корпуса вдоль его внутренней боковой поверхности установить разделительную обечайку с образованием между ними кольцевого канала;
- верхнюю часть разделительной обечайки соединить с периферийной частью направляющей пластины;
- в радиальном направлении исключить выход направляющей пластины за пределы разделительной обечайки.
В частных случаях выполнения мембранного модуля предлагается:
- нижние торцевые части фильтроэлементов расположить в плоскости, соответствующей нижней торцевой части разделительной обечайки, или сместить относительно указанной плоскости внутрь полости разделительной обечайки;
- при использовании в качестве разделительной обечайки круглого цилиндра ширину кольцевого канала как между корпусом и разделительной обечайкой, так и между корпусом и направляющей пластиной выполнить постоянной по периметру данного кольцевого канала;
- разделительную обечайку выполнить в виде гофры, количество ее продольных складок обеспечить равным количеству периферийных каналов, образованных внутренней боковой поверхностью корпуса и обращенными к ней частями наружных боковых поверхностей смежных периферийных фильтроэлементов, выступающие в направлении центрального фильтроэлемента продольные складки гофры частично ввести в указанные периферийные каналы, а ширину кольцевого канала как между корпусом и разделительной обечайкой, так и между корпусом и направляющей пластиной выполнить переменной по периметру данного кольцевого канала;
- один фильтроэлемент расположить в центре корпуса, а другие фильтроэлементы установить, по меньшей мере, в один ряд с образованием кольцевой или гексагональной упаковки;
- направляющую пластину укрепить к трубной доске с помощью шпилек;
- периферийную часть распределительной решетки укрепить на разделительной обечайке.
Принципиальная схема исполнения одного из вариантов мембранного модуля представлена на чертежах. На фигуре 1 изображен общий вид мембранного модуля, на фигуре 2 - поперечное сечение мембранного модуля; на фигурах 3 и 4 - различные продольные осевые сечения мембранного модуля.
На фигурах 1-4 приняты следующие обозначения: 1 - боковой отводящий патрубок, 2 - верхний адаптер, 3 - гидроаккумулятор, 4 - корпус, 5 - кран бокового отводящего патрубка, 6 - кран нижнего отводящего патрубка, 7 - кран подводящего патрубка, 8 - наноструктурная мембрана, 9 - нижний адаптер, 10 - нижний отводящий патрубок, 11 - подводящий патрубок, 12 - пористая подложка, 13 - разделительная обечайка, 14 - распределительная решетка, 15 - трубная доска, 16 - фланец, 17 - шпилька, 18 - штуцер; 19 - направляющая пластина.
Мембранный модуль для очистки жидкости содержит корпус 4, гидроаккумулятор 3, подводящий патрубок 11, боковой 1 и нижний 10 отводящие патрубки, трубную доску 15, группу штуцеров 18, распределительную решетку 14, направляющую пластину 19, группу фильтроэлементов, кран 7 подводящего патрубка 11, кран 5 бокового отводящего патрубка 5, кран 6 нижнего отводящего патрубка 10, разделительную обечайку 13 и фланец 16.
Фильтроэлементы установлены в полости корпуса 4 параллельного его продольной оси и смонтированы на трубной доске 15 посредством штуцеров 18.
Один фильтроэлемент расположен в центре корпуса 4, а другие фильтроэлементы установлены, по меньшей мере, в один ряд. Причем фильтроэлементы образуют кольцевую или гексагональную упаковку.
Каждый фильтроэлемент состоит из цилиндрической пористой подложки 12 и расположенной на ее наружной боковой поверхности наноструктурной мембраны 8. Пористая подложка 12 и наноструктурная мембрана 8 снизу и сверху ограничены соответственно нижним 9 и верхним 2 адаптерами.
2
2
2
3
Наноструктурная мембрана 8 выполнена из тугоплавких металлов: титана (Ti), циркония (Zr), хрома (Cr), их нитридов (TiN, ZrN, CrN) и оксидов (TiO, ZrO, CrO). В наноструктурной мембране 8 диаметр сквозных пор составляет 1-3 мкм, толщина составляет 7-12 мкм, а объемная пористость - 10-13 об.%.
Подложка 12 выполнена из пористого сверхвысокомолекулярного полиэтилена низкого давления (ТУ №2211-153-00203335-2004), имеет объемную пористость 55-60 об.% и диаметр сквозных пор - 1-3 мкм.
Полости штуцеров 18 сообщены с полостью гидроаккумулятора 3 и полостями фильтроэлементов.
Нижний отводящий патрубок 10 установлен внизу корпуса 4 и предназначен для отвода жидкости с загрязнениями.
Гидроаккумулятор 3 выполнен в виде резервуара, установленного над корпусом 4.
Подводящий патрубок 11 установлен со смещением в сторону стенки корпуса 4 относительно его продольной оси.
Боковой отводящий патрубок 1 установлен в нижней зоне полости гидроаккумулятора 3.
Трубная доска 15 прикреплена снизу к гидроаккумулятору 3.
Под трубной доской 15 укреплена направляющая пластина 19, имеющая отверстия для прохода штуцеров 18 и образующая с ней плоский щелевой канал.
Наружная боковая поверхность штуцеров 18 установлена с касанием внутренней боковой поверхности отверстий направляющей пластины 19.
Нижние концы фильтроэлементов введены в соответствующие им отверстия распределительной решетки 14 с образованием между ними кольцевых каналов.
В полости корпуса 4 вдоль его внутренней боковой поверхности установлена разделительная обечайка 13 с образованием между ними кольцевого канала.
Верхняя часть разделительной обечайки 13 соединена с периферийной частью направляющей пластины 19.
В радиальном направлении исключен выход направляющей пластины 19 за пределы разделительной обечайки 13.
Подводящий патрубок 11, боковой 1 и нижний 10 отводящие патрубки оснащены соответственно кранами 7, 5 и 6.
Нижние части штуцеров 18 укреплены в соответствующих верхних адаптерах 2.
В частных случаях исполнения распределителя 13 имеет место следующее.
Во-первых, нижние торцевые части фильтроэлементов расположены в плоскости, соответствующей нижней торцевой части разделительной обечайки, или смещены относительно указанной плоскости внутрь полости разделительной обечайки 13. В последнем случае снижается неравномерность распределения расхода жидкости на выходе из распределительной решетки из-за того, что исключается влияние на него тороидальной вихревой зоны, возникающей на входе в распределительную решетку 14 в результате поворота потока жидкости.
Во-вторых, при использовании в качестве разделительной обечайки 13 круглого цилиндра ширина кольцевого канала как между корпусом 4 и разделительной обечайкой 13, так и между корпусом 4 и направляющей пластиной 19 выполнена постоянной по периметру данного кольцевого канала.
В-третьих, разделительная обечайка 13 выполнена в виде гофры, количество ее продольных складок соответствует количеству периферийных каналов, образованных внутренней боковой поверхностью корпуса 4 и обращенными к ней частями наружных боковых поверхностей смежных периферийных фильтроэлементов. При этом выступающие в направлении центрального фильтроэлемента продольные складки гофры частично введены в указанные периферийные каналы. Это решение позволяет обеспечить равенство площадей проходного сечения центральных и периферийных каналов, расположенных в полости, образованной разделительной обечайкой 13 и фильтроэлементами и, соответственно, оптимизировать гидродинамику проточной части мембранного модуля в данной области. Ширина кольцевого канала как между корпусом 4 и разделительной обечайкой 13, так и между корпусом 4 и направляющей пластиной 19 выполнена переменной по периметру данного кольцевого канала.
В-четвертых, один фильтроэлемент расположен в центре корпуса 4, а другие фильтроэлементы установлены, по меньшей мере, в один ряд, и образуют кольцевую или гексагональную упаковку.
В-пятых, направляющая пластина 19 укреплена к трубной доске 15 с помощью шпилек 17.
В-шестых, периферийная часть распределительной решетки 14 укреплена на разделительной обечайке 13.
Мембранный модуль работает следующим образом.
Перед началом фильтрации очищаемой жидкости кран 7 подводящего патрубка 11 и кран 5 бокового отводящего патрубка 1 открыты, а кран 6 нижнего отводящего патрубка 10 закрыт. Очищаемую жидкость подают в мембранный модуль через подводящий патрубок 11 из выходной части подводящего патрубка 11 поток очищаемой жидкости попадает на направляющую пластину 19, проходит через кольцевой канал, образованный корпусом 4 и разделительной обечайкой 13, попадает в нижнюю полость, образованную корпусом 4 и распределительной решеткой 14, и через кольцевые каналы, образованные фильтроэлементами и распределительной решеткой 14, попадает в верхнюю полость, образованную фильтроэлементами, корпусом 4, разделительной обечайкой 13 и направляющей пластиной 19. Из верхней полости очищаемая жидкость последовательно проходит через наноструктурные мембраны 8 и пористые подложки 12 в полости фильтроэлементов и очищается при этом от загрязнений (нерастворимых примесей). В полостях фильтроэлементов очищенные потоки жидкости поднимаются вверх, через штуцера 18 попадают в полость гидроаккумулятора 3, сливаются в нем в общий поток жидкости, который через боковой отводящий патрубок 1 выходит из мембранного модуля.
По мере загрязнения поверхности наноструктурной мембраны 8 скорость фильтрации жидкости падает. В этом случае выполняют регенерацию фильтроэлементов. В процессе регенерации фильтроэлементов сначала закрывают кран 5 бокового отводящего патрубка 1, и через определенное время (1-2 мин) закрывают кран 7 подводящего патрубка 11 и затем полностью открывают кран 6 нижнего отводящего патрубка 10. При этом происходит гидроимпульсное воздействие на внутреннюю поверхность наноструктурной мембраны 8 и отслаивание (сброс) в нижнюю часть полости корпуса 4 накопленных загрязнений с внешней поверхности наноструктурной мембраны 8. Жидкость с загрязнениями сбрасывают через кран 6 нижнего отводящего патрубка 10. Регенерацию фильтроэлементов повторяют не более 4-5 раз. После регенерации мембранных фильтроэлементов производительность мембранного модуля восстанавливается.
Фланцы 16 корпуса 4 и гидроаккумулятора 3 соединены болтовым соединением.
Пример конкретного выполнения мембранного модуля
Снаряженный мембранный модуль имеет массу 15±1 кг, а его габаритные размеры равны 358 мм × 358 мм × 1150 мм.
Корпус выполнен из нержавеющей стали Х18Н10Т. Высота цилиндрической части корпуса составляет 350 мм, а его внутренний диаметр равен 250 мм.
В мембранном модуле использовано 7 фильтроэлементов, образующих гексагональную упаковку. Высота фильтроэлемента с верхним 2 и нижним 9 адаптерами составляет 250 мм. Фильтроэлемент имеет внешний диаметр 70 мм и толщину стенки 15 мм. Шаг расположения фильтроэлементов в полости разделительной обечайки 13 равен 78 мм. Пористость сборки фильтроэлементов составляет 64,9%.
Щелевой зазор между трубной доской 15 и направляющей пластиной 19 составляет 15 мм.
Подводящий патрубок 11, боковой 1 и нижний 10 отводящие патрубки выполнены из нержавеющей стали Х18Н10Т и имеют наружный диаметр 19,2 мм и внутренний диаметр 18 мм.
Наноструктурная мембрана 8 выполнена из титана, имеет толщину 9 мкм, объемную пористость 11 об.% и диаметр сквозных пор 0,15 мкм.
Пористая подложка 12 изготовлена из пористого сверхвысокомолекулярного полиэтилена низкого давления (ТУ №2211-153-00203335-2004) и имеет объемную пористость равную 55 об.%, толщину - 15 мм и диаметр сквозных пор - 1,7 мкм.
Нижний 9 и верхний 2 адаптеры выполнены из блочного полиэтилена (марка ПЭ2НТ22-12 ТУ 2243-176-002033350-2007) и имеют толщину 5 мм.
Штуцер 18 изготовлен из нержавеющей стали Х18Н10Т, имеет высоту 65 мм, наружный диаметр 19,2 мм и внутренний диаметр 18 мм.
Разделительная обечайка 13 выполнена из нержавеющей стали Х18Н10Т, имеет толщину 2 мм, высоту 305 мм и внутренний диаметр 236 мм.
Распределительная решетка 14 выполнена из нержавеющей стали Х18Н10Т, имеет толщину 5 мм и диаметр 236 мм. Диаметр отверстий в распределительной решетке 14 для прохода фильтроэлементов составляет 76 мм. Распределительная решетка 14 смещена относительно нижней торцевой части разделительной обечайки 13 на 10 мм.
Гидроаккумулятор 3 выполнен из нержавеющей стали Х18Н10Т и имеет максимальную высоту полости, равную 118 мм, и внутренний диаметр 250 мм.
Трубная доска 15 выполнена из нержавеющей стали Х18Н10Т, содержит 7 отверстий диаметром 19,2 мм для установки штуцеров 18 и имеет толщину 5 мм.
Направляющая пластина 19 выполнена из нержавеющей стали Х18Н10Т, содержит 7 отверстий диаметром 50 мм для прохода штуцеров 18, имеет толщину 1,5 мм и диаметр 236 мм.
Установка в нижней полости распределительной решетки 14 и использование направляющей пластины 19 и разделительной обечайки 13 позволяют увеличить ресурс мембранного модуля, по меньшей мере, на 15-20%, а глубину очистки жидкости улучшить от 0,30 мкм до 0,15 мкм.
Проверка работоспособности мембранного модуля проведена на технической воде при температуре жидкости, равной 20°С, и давлении в потоке жидкости, равном 0,35 МПа.
3
3
Скорость фильтрации мембранного модуля составила 0,400-0,700 м/ч, а ресурс его работы с направляющей пластиной 19, разделительной обечайкой и распределительной решеткой 14 составляет ~ 185 м до замены фильтроэлементов с учетом их регенерации и без разборки мембранного модуля.