МЕМБРАННЫЙ ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ РУЛОННОГО ТИПА

Полезная модель относится к области конструкции (устройства) мембранного фильтрующего элемента рулонного типа (далее МЭ).
МЭ состоит из мембранных пакетов, чередующихся с листами дренажного материала для отвода пермеата, намотанных на фильтратотводящую перфорированную трубку и загерметизированных опредленным образом.
МЭ нашли широкое применение практически во всех областях промышленности в процессах обратного осмоса, нано-, ультра-, микрофильтрации. Наиболее широко МЭ используются для обессоливания природных и сточных вод промышленных предприятий, водоподготовке технологической воды для различных производств, для получения питьевой воды, в том числе для бытовых нужд.
Появление новых конструкций МЭ является неизбежным следствием, прежде всего, создания новых мембран и возрастанием требований, предъявляемых к МЭ.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны различные конструкции МЭ. МЭ отличаются друг от друга общей конструкцией, технологией изготовления, применяемыми конструкционными материалами, герметизацией (Патенты Японии №№54-151571, 54-149384, 54-149383, 53-124179; Патенты США №№3966616, 3417870, 4235723, 5538642; Авторские свидетельства №№1205359, 1213100, 1595553).
Наиболее близкая к заявляемой конструкция МЭ приведена в патенте США №3417870. Согласно этого патента МЭ содержит трубку с отверстиями для отвода фильтрата, на которую намотаны листы сложенной мембраны, внутри каждого листа находится лист сетки, листы сложенной мембраны разделены пористым материалом. После намотки образуется МЭ, представляющий собой цилиндр с осевой фильтратотводящей трубкой, внутри которого сформированы каналы исходной воды и фильтрата. Каналы для подачи воды открыты с двух сторон (торцев) МЭ. Исходная жидкость подается в один торец МЭ и выводится через другой торец. Фильтрат выводится через фильтратотводящую трубку.
Недостатком МЭ по патенту США №3417870 является большая зона герметизации мембранных пакетов, что уменьшает рабочую поверхность МЭ и его производительность,
а также невозможность использования МЭ для фильтрации в тупиковом режиме с регулярными восстановительными противоточными промывками и продувками сжатым воздухом.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Целью полезной модели является создание конструкции МЭ с увеличенной производительностью, которая обеспечивала бы при этом оптимальные условия проведения фильтрации как в проточном, так и в тупиковом режиме с регулярными восстановительными противоточными промывками и продувками сжатым воздухом.
Согласно полезной модели МЭ состоит из фильтратотводящей трубки с радиальными отверстиями по длине, вокруг которой спирально намотано определенное количество загерметизированных мембранных пакетов, каждый из которых состоит из сложенной вдвое полупроницаемой мембраны активный стороной во внутрь с листом турбулизаторной сетки и промежуточного пористого материала (фиг.1).
Для уменьшения зоны герметизации мембранных пакетов и увеличения за счет этого производительности МЭ его торцы полностью загерметизированы методом заливки термореактивной клеевой композиции или расплавом термопластичного материала,
Для создания оптимальных условий проведения фильтрации как в проточном, так и в тупиковом режиме с регулярными восстановительными противоточными промывками и продувками сжатым воздухом, его напорные каналы открыты с наружной цилиндрической поверхности МЭ.
Согласно полезной модели на наружной цилиндрической поверхности МЭ размещена эластичная, легко растягиваемая в радиальном направлении оболочка, закрепленная с одного торца на диске, имеющем каналы для поступления фильтруемой среды как в торцевую часть элемента, так и под эластичную оболочку и занимающую 70-80% длины МЭ. На торцевом диске установлена уплотнительная манжета двухстороннего действия, предотвращающая обтекание МЭ фильтруемой средой как справа налево так и слева направо.
Согласно полезной модели для улучшения отвода фильтрата пористый материал включает в себя не менее двух листов дренажного материала. Кроме того, пористый материал одновременно с листами дренажного материала может включать в себя одну или несколько сеток толщиной от 0,2 до 2 мм. Отношение длины мембранного пакета к его ширине составляет от 1:1 до 1:3.
Авторами полезной модели найдено, что выполнение конструкции МЭ в соответствии с указанными выше особенностями позволило увеличить его производительность и использовать его для фильтрации в тупиковом режиме с регулярными восстановительными противоточными промывками и продувками сжатым воздухом.
Герметизация торцев МЭ методом заливки термореактивной клеевой композицией или расплавом термопластичного материала позволила снизить площадь герметизации на 80-100% и, за счет этого, увеличить производительность в среднем на 10%. Оптимальные условия проведения фильтрации как в традиционном для мембранных элементов проточном, так и в тупиковом режимах достигаются тем, что его напорные каналы открыты с наружной цилиндрической поверхности элемента, а на его наружной цилиндрической поверхности размещена эластичная, легко растягивающаяся в радиальном направлении оболочки, закрепленной с одного торца на диске, имеющем каналы для поступления фильтруемой среды как в торцевую часть элемента, так и под эластичную оболочку и занимающая 70-80% длины МЭ. Увеличение длины эластичной оболочки до значений, превышающих 80% от длины МЭ, приводит к увеличению его сопротивления. Длины эластичной оболочки менее 70% длины МЭ может привести к образованию застойных зон в напорных каналах МЭ и снижению эффективности его работы. При этом на торцевом диске установлена уплотнительная манжета двухстороннего действия, предотвращающая обтекание МЭ фильтруемой средой как справа налево так и слева направо.
В рабочем режиме тупиковой фильтрации (ультра-, микрофильтрация) фильтруемая среда поступает в каналы МЭ и под эластичную оболочку. Эластичная оболочка растягивается в радиальном направлении и образует коллектор исходной фильтруемой среды, откуда она имеет доступ ко всем участкам мембраны (Фиг.2). При проведении восстановительной противоточной промывки (Фиг.3) вода или водовоздушная смесь для промывки подается с противоположного торца МЭ, при этом эластичная оболочка прижимается к наружной цилиндрической поверхности МЭ, обеспечивая высокие линейные скорости потока воды в напорных каналах, необходимые для эффективной промывки. Во время промывки вода подается также и в фильтратотводящую трубку со стороны дренажного канала.
При использовании заявляемого МЭ в режиме проточной фильтрации (обратный осмос, нанофильтрация) исходная фильтруемая среда подается в МЭ со стороны торца, противоположного торцу с диском, на котором установлена уплотнительная манжета двустороннего действия (Фиг.4). При этом эластичная оболочка прижимается к наружной цилиндрической поверхности МЭ, обеспечивая этим высокие линейные скорости потока
воды в каналах, необходимые для эффективного проведения процесса обратного осмоса или нанофильтрации,
В качестве турбулизаторной сетки предпочтительно использовать безузелковые сетки толщиной от 0,3 до 2 мм. Лучшим дренажным материалом является трикотажное основовязальное полотно из лавсановой нити, пропитанное раствором эпоксидной смолы с последующим ее отверждением.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 - приведен эскиз заявляемого МЭ с показом основных его деталей и их расположения относительно друг друга.
На Фиг.2 - приведен эскиз заявляемого МЭ с указанием направления потоков исходной фильтруемой среды и фильтрата в рабочем режиме тупиковой фильтрации.
На Фиг.3 - приведен эскиз заявляемого МЭ с указанием направления потоков исходной фильтруемой среды и фильтрата в режиме восстановительной противоточной промывки тупиковой фильтрации.
На Фиг.4 - приведен эскиз заявляемого МЭ с указанием направления потоков исходной фильтруемой среды, концентрата и фильтрата в рабочем режиме проточной фильтрации.
1 - фильтратотводящая трубка;
2 - отверстия в трубке для отвода фильтрата;
3 - диск;
4 - отверстия в диске для поступления исходной фильтруемой среды;
5 - уплотнительная манжета двухстороннего действия;
6 - эластичная оболочка;
7 - мембрана;
8 - лист турбулизаторной сетки;
9 - пористый материал;
10 - место герметичного соединения склейкой или сваркой пористого материала с прилегающими мембранами (соединение мембрана-пористый материал-мембрана) в зоне внешней цилиндрической поверхности МЭ;
11 - место герметичного соединения склейкой или сваркой торцев МЭ (соединение мембрана-пористый материал-мембрана-турбулизаторная сетка).
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Заявителем совместно с авторами полезной модели были изготовлены и испытаны опытные образцы МЭ с внешним диаметром 65 и 100 мм и длиной 1016 мм.
Основные конструктивные особенности, исходные материалы и результаты испытаний опытных образцов МЭ приведены в таблице.
Контрольные испытания проводились:
4
- нанофильтрационных элементов на 0,2% растворе MgSО,
- микрофильтрационных элементах на водопроводной воде (Клязыминский водозабор г.Владимира).
Анализ результатов испытаний экспериментальных образцов элементов позволяет сделать следующие выводы:
1. Оба способа герметизации мембранных пакетов в элементах (см. п.5 таблицы) достаточно надежны.
2. При герметизации методом заливки торцев по сравнению с герметизацией нанесением клеевой композиции по 3 сторонам периметра каждого мембранного пакета перед спиральной намоткой обеспечивается увеличение эффективной (рабочей) площади мембраны в элементе, и, как следствие, увеличение его производительности при прочих одинаковых условиях (см. п.6.1., образцы элементов 1 и 2).
3. Ресурсные испытания элемента (7) в течение 100 часов в тупиковом режиме на водопроводной воде с циклическими восстановительными обратноточными промывками показали их безусловно положительное влияние на ресурс работы элемента. При этом клеевые швы испытывали многократные знакопеременные нагрузки (сжатие-растяжение) без нарушения герметичности МЭ.
Основные параметры и результаты испытаний опытных образцов МЭ.
Таблица
Наименование основных параметров и эксплуатационные характеристики
Данные по опытным образцам
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
1. Используемое мембранное полотно:
1.1. нанофильтрационная композитная мембрана
+
+
-
-
-
+
-
1.2. Микрофильтрационная мембрана (размер пор 1,00 мкм)
-
-
+
+
+
-
+
2. Наружный диаметр образца МЭ, мм
2.1. 65,0
+
4-
+
+
-
-
+
2.2. 100,0
-
-
-
-
+
+
-
3. Отношение длины к ширине мембранного пакета
3.1. 1:1
+
-
-
-
+
-
-
3.2. 1:3
-
+
+
+
-
+
+
4. Число мембранных пакетов (п) в МЭ
4
10
10
10
4
10
10
4.1. Состав пористого материала 4.1.1. 1 лист дренажного материала 4.1.2. 2 листа дренажного материала и 1 сетка
+
+
+
+
+
+
+
5. Метод герметизации мембранных пакетов в МЭ:
5.1. Нанесением клеевой композиции по 3 сторонам периметра каждого мембранного пакета перед спиральной намоткой
+
-
+
-
-
-
-
5.2. Заливкой обоих торцев элемента после его спиральной намотки
-
+
-
+
+
+
+
6. Эксплуатационные характеристики МЭ
6.1. Производительность (по фильтрату), л/час
180
205
280
320
725
410
335
6.2. Селективность, %: - по MgSО<sub>4</sub>
96,9
97,0
-
-
-
95,9
-
- по мутности (ГОСТ 3351-74)
-
-
74
73,5
76,1
-
74-76
Условия испытаний:
Давление, МПа
1,6
1,6
0,15
0,15
0,15
1,6
0,15
Температура, °С
20
20
20
20
20
20
20