МЕМБРАННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖИДКОСТИ
MEMBRANE DEVICE FOR WATER TREATMENT PLANT

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 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 устройства для очистки жидкости с относительно большим ресурсом работы как отдельных фильтроэлементов, так и устройства в целом и улучшенной глубиной очистки жидкости.
Для исключения указанных недостатков в мембранном устройстве для очистки жидкости, содержащем корпус, фильтроэлементы, установленные в полости корпуса параллельно 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, боковой отводящий патрубок, сообщенный с нижней частью полости гидроаккумулятора, трубную доску, прикрепленную снизу к гидроаккумулятору, в мембранном устройстве подводящий патрубок, боковой и нижний отводящие патрубки оснащены кранами, фильтроэлементы состоят из цилиндрической пористой подложки и расположенной на ее наружной боковой поверхности наноструктурной мембраны, которые снизу и сверху ограничены соответственно донышками и штуцерами, нижние части штуцеров укреплены в соответствующих фильтроэлементах, предлагается:
- подводящий патрубок расположить на нижней боковой части корпуса;
- в нижней части полости корпуса установить вставку;
- обращенную к фильтроэлементам верхнюю часть вставки укрепить на корпусе над верхней частью проходного сечения подводящего патрубка с зазором относительно донышек фильтроэлементов;
- обращенную к нижнему отводящему патрубку нижнюю часть вставки установить с зазором относительно нижней части корпуса, а ее торцевую часть расположить под нижней частью проходного сечения подводящего патрубка.
В частных случаях выполнения мембранного модуля предлагается:
- один фильтроэлемент расположить в центре корпуса, а другие фильтроэлементы установить, по меньшей мере, в один ряд, с образованием кольцевой или гексагональной упаковки;
- вставку выполнить в виде трубы с плавным входом, конфузора или трубы, укрепленной в отверстии кольца.
Принципиальная схема исполнения одного из вариантов выполнения мембранного устройства для очистки жидкости представлена на фигурах 1-4. На фигуре 1 изображен общий вид мембранного устройства для очистки жидкости, на фигуре 2 - поперечное сечение мембранного устройства для очистки жидкости; на фигурах 3 и 4 - различные продольные осевые сечения мембранного устройства для очистки жидкости.
На фигурах 1-4 приняты следующие обозначения: 1 - боковой отводящий патрубок, 2 - вставка; 3 - гидроаккумулятор, 4 - донышко фильтроэлемента; 5 - корпус; 6 - кран бокового отводящего патрубка; 7 - кран нижнего отводящего патрубка, 8 - кран подводящего патрубка; 9 - наноструктурная мембрана; 10 - нижний отводящий патрубок; 11 - подводящий патрубок; 12 - пористая подложка; 13 - трубная доска, 14 - фланец, 15 - штуцер.
Мембранное устройство для очистки жидкости содержит корпус 5, фильтроэлементы, трубную доску 13, гидроаккумулятор 3, подводящий патрубок 11, нижний 10 и боковой 1 отводящие патрубки, кран 6 бокового отводящего патрубка 1, кран 7 нижнего отводящего патрубка 10, кран 8 подводящего патрубка 11 и вставку 2.
Фильтроэлементы установлены в полости корпуса 5 параллельного его продольной оси и смонтированы на трубной доске 13 посредством штуцеров 15.
Полости штуцеров 15 сообщены с полостью гидроаккумулятора 3 и полостями фильтроэлементов.
Нижний отводящий патрубок 10 установлен внизу корпуса 5.
Гидроаккумулятор 3 выполнен в виде резервуара, установленного над корпусом 5.
Боковой отводящий патрубок 1 сообщен с нижней частью полости гидроаккумулятора 3.
Трубная доска 13 прикреплена снизу к гидроаккумулятору 3.
Подводящий патрубок 11, боковой 1 и нижний 10 отводящие патрубки оснащены соответственно кранами 8, 6,10.
Фильтроэлементы состоят из цилиндрической пористой подложки 12 и расположенной на ее наружной боковой поверхности наноструктурной мембраны 9.
Фильтроэлементы снизу и сверху ограничены соответственно донышками 4 и штуцерами 15.
В частном случае исполнения устройства один фильтроэлемент расположен в центре корпуса 5, а другие фильтроэлементы установлены, по меньшей мере, в один ряд и образуют кольцевую или гексагональную упаковку.
Пористая 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.
2
2
2
3
Наноструктурная мембрана 9 выполнена из тугоплавких металлов: титана (Ti), циркония (Zr), хрома (Cr), их нитридов (TiN, ZrN, CrN) и оксидов (TiO, ZrO, CrO). В наноструктурной мембране 9 диаметр сквозных пор составляет 1÷3 мкм, толщина 7÷12 мкм, а объемная пористость 10÷13 об.%.
Нижние части штуцеров 15 укреплены в соответствующих фильтроэлементах.
Подводящий патрубок 11 расположен на нижней боковой части корпуса 5. Подобная конструкция, во-первых, исключает наличие застойных зон в нижней части полости корпуса 5, во-вторых, увеличивает эффективную рабочую площадь фильтроэлементов и, в-третьих, исключает попадание загрязнений из нижней части полости корпуса 5 в подводящий патрубок 11.
В нижней части полости корпуса 5 установлена вставка 2.
Обращенная к фильтроэлементам верхняя часть вставки 2 укреплена на корпусе 5 над верхней частью проходного сечения подводящего патрубка 11 и образует зазор относительно донышек 4 фильтроэлементов.
Обращенная к нижнему отводящему патрубку 10 нижняя часть вставки 2 установлена с зазором относительно нижней части корпуса 5.
Торцевая часть вставки 2 расположена под нижней частью проходного сечения подводящего патрубка 11. Это решение минимизирует азимутальную неравномерность профиля скорости очищаемой жидкости на входе в верхнюю часть полости корпуса 5, которая обусловлена локальным боковым подводом потока и наличием горизонтальной закрутки потока в нижней части полости корпуса 5 в районе подводящего патрубка 11.
Вставка 2 может быть выполнена в виде трубы с плавным входом, конфузора или трубы, укрепленной в отверстии кольца.
Вставка 2 позволяет обеспечить относительно равномерное азимутальное распределение потока очищаемой жидкости на входе в верхнюю часть полости корпуса 5.
Мембранное устройства для очистки жидкости работает следующим образом.
Перед началом фильтрации очищаемой жидкости кран 8 подводящего патрубка 11 и кран 6 бокового отводящего патрубка 1 открыты, а кран 7 нижнего отводящего патрубка 10 закрыт. Очищаемую жидкость подают в мембранное устройство через подводящий патрубок 11. Из выходной части подводящего патрубка 11 поток очищаемой жидкости попадает на наружную боковую поверхность нижней части вставки 2, проходит через кольцевой канал, образованный корпусом 5 и нижней частью вставки 2, попадает в нижнюю часть полости корпуса 5, изменяет направление движения и через центральный канал вставки 2 движется преимущественно снизу вверх в верхнюю часть полости корпуса 5, образованной фильтроэлементами и корпусом 5. Из верхней части полости корпуса 5 очищаемая жидкость последовательно проходит через наноструктурные мембраны 9 и пористые подложки 12 в полости фильтроэлементов и очищается при этом от загрязнений (нерастворимых примесей).
В полостях фильтроэлементов очищенные потоки жидкости поднимаются преимущественно снизу вверх, через проточные части штуцеров 15 попадают в полость гидроаккумулятора 3, сливаются в нем в общий поток жидкости, который через боковой отводящий патрубок 1 выходит из мембранного устройства.
По мере загрязнения поверхности наноструктурной мембраны 9 скорость фильтрации жидкости падает. В этом случае выполняют регенерацию фильтроэлементов. В процессе регенерации фильтроэлементов сначала закрывают кран 6 бокового отводящего патрубка 1, через определенное время (1÷2 мин) закрывают кран 8 подводящего патрубка 11 и затем полностью открывают кран 7 нижнего отводящего патрубка 10. При этом происходит гидроимпульсное воздействие на внутреннюю поверхность наноструктурной мембраны 9 и отслаивание (сброс) в нижнюю часть полости корпуса 5 накопленных загрязнений с внешней поверхности наноструктурной мембраны 9. Жидкость с загрязнениями сбрасывают через кран 7 нижнего отводящего патрубка 10. Регенерацию фильтроэлементов повторяют не более 4-5 раз. После регенерации мембранных фильтроэлементов производительность мембранного устройства восстанавливается.
Фланцы 14 корпуса 5 и гидроаккумулятора 3 соединены болтовым соединением.
Пример конкретного выполнения мембранного устройства
Снаряженное мембранное устройство для очистки жидкости имеет массу 15±1 кг, а его габаритные размеры равны 358 мм × 358 мм × 1150 мм.
Корпус 5 выполнен из нержавеющей стали Х18Н10Т. Высота цилиндрической части корпуса 5 составляет 350 мм, а его внутренний диаметр равен 250 мм.
В мембранном устройстве использовано 7 фильтроэлементов, образующих гексагональную упаковку. Высота фильтроэлемента с донышком 4 и штуцером 15 составляет 250 мм. Фильтроэлемент имеет внешний диаметр 70 мм и толщину стенки 15 мм. Шаг расположения фильтроэлементов в корпусе 5 равен 78 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 9 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.
Донышко 4 фильтроэлемента выполнено из блочного полиэтилена (марка ПЭ2НТ22-12 ТУ 2243-176-002033350-2007) и имеет толщину 5 мм.
Штуцер 15 изготовлен из нержавеющей стали Х18Н10Т, имеет высоту 65 мм, внутренний диаметр 18 мм, наружные диаметры верхней и нижней частей, соответственно равные 19,2 мм и 40 мм.
Гидроаккумулятор 3 выполнен из нержавеющей стали Х18Н10Т и имеет максимальную высоту полости, равную 118 мм, и внутренний диаметр 250 мм.
Трубная доска 13 выполнена из нержавеющей стали Х18Н10Т, содержит 7 отверстий диаметром 19,2 мм для установки штуцеров 15 и имеет толщину 5 мм.
Вставка 2 выполнена в виде трубы с плавным входом. У вставки 5 высота равна 60 мм, максимальный диаметр верхней части 250 мм, минимальные наружный и внутренний диаметры нижней части вставки 5 - соответственно 210 мм и 200 мм, а толщина стенки 5 мм.
Установка в нижней части полости корпуса 5 вставки 2 позволяют увеличить ресурс мембранного устройства, по меньшей мере, на 15-20%, а глубину очистки жидкости улучшить от 0,30 мкм до 0,15 мкм.
Проверка работоспособности мембранного устройства проведена с использованием технической воды при температуре и давлении воды, равных соответственно 20°С и 0,35 МПа.
3
3
Скорость фильтрации мембранного устройства составила 0,400÷0,700 м/ч, а ресурс его работы со вставкой 2 составляет ~ 185 м до замены фильтроэлементов с учетом их регенерации и без разборки мембранного устройства.