КАВИТАЦИОННЫЙ МЕМБРАННЫЙ АППАРАТ
CAVITATION MEMBRANE APPARATUS

Изобретение относится к области разделения суспензий промышленного, сельскохозяйственного и бытового назначения и может быть использовано в различных отраслях промышленности.
Известны фильтровальные мембранные элементы, в которых снижение концентрационной поляризации осуществляется с помощью цилиндрической гильзы с карманами и очистительными подвижными вкладышами [а.с. 1431795, В01D 13/00], турбулизирующей вставки в виде цепи или ленты из гибких элементов, шарнирно закрепленных одним концом на пористом каркасе [а.с. 1502042, В01D 13/00], соединенных между собой при помощи перемычек втулок, имеющих в продольном сечении крыловидный профиль [а.с. 1505563, В01D 13/00], вращающих втулок с лопастями [а.с. 1367995, В01D 13/00], винтовых каналов турбулизатора [а.с. 521902, В01D 13/00 и а.с. 1430054, В01D 13/00], плоских элементов виде пластин с отверстиями [а.с. 152041, В01D 13/00], очистительного элемента, выполненного в виде двух продольных половинок гиперболоида [а.с. 1465069, В01D 13/00], двух полых штоков, установленных с возможностью возвратно-поступательного движения [а.с. 528011, В01D 13/00].
Недостатком известных фильтровальных мембранных элементов является увеличение уровня концентрационной поляризации как с течением времени, так и по их длине, что ведет к нестабильной работе и, соответственно, низкой производительности.
Известен мембранный аппарат [а.с. 1775145 СССР, МКП B01D 63/16 /Мембранный аппарат/ Н.С.Орлов, А.Ш.Шаяхметов, А.Г.Бородкин, Московский химико-технологический институт им. Д.И.Менделеева, опубл. 15.11.1992], содержащий корпус с пучком полых волокон, закрепленных в двух трубных решетках, крышки со штуцерами ввода и вывода растворов, а также излучатель ультразвука, выполненный в виде пластины, имеющей форму трубной решетки и расположенной перпендикулярно каналам полых волокон.
Недостатком известного мембранного аппарата является ограниченная зона действия, т.к. ультразвуковые колебания гасятся на входе в каналы полых волокон, что не обеспечивает равномерного снижения уровня концентрационной поляризации по их длине, что ведет к нестабильной работе и, соответственно, низкой производительности аппарата.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является реверсивный мембранный механизм [Патент 2142330 (Российская Федерация), МКИ B01D 63/00, 63/16 Реверсивный мембранный аппарат / С.Т.Антипов, С.В.Шахов, Ю.А.Завьялов, А.Н.Рязанов, А.В.Колтаков, опубл. в БИ, 1999, №34], содержащий трубчатый пористый каркас с уложенной на его внутренней поверхности на подложке полупроницаемой мембраной, причем внутри каркаса расположен очистительный элемент, установленный с возможностью возвратно-поступательного движения и выполненный из эластичного материала, торцевые части которого повторяют конфигурацию внутренней поверхности штуцеров, при этом средняя часть очистительного элемента имеет углубление, торцевая поверхность которого выполнена в форме усеченного конуса, и в продольном сечении элемент имеет вид зеркально отображенной стрелы, при этом на концах каркаса установлены конусообразные штуцера, соединенные с клапанами и связанные между собой трубой.
Недостатком реверсивного мембранного механизма является малая сила воздействия на примембранный высококонцентрированный слой продукта, а также недостаточная степень турбулизации потока при повышении концентрации сухих веществ в растворе и увеличении его вязкости, что приводит к снижению эффективности разделения жидкости, а также невозможности использования мембранного механизма для процессов эмульгирования, диспергирования и гомогенизации.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности разделения жидкости за счет увеличения силы воздействия на примембранный высококонцентрированный слой продукта, степени турбулизации потока при повышении концентрации сухих веществ в растворе и увеличении его вязкости, а также расширение области применения.
Техническая задача изобретения достигается тем, что в кавитационном мембранном аппарате, содержащем каркас с полупроницаемой мембраной, очистительный элемент, установленный внутри каркаса с возможностью совершения возвратно-поступательного движения, новым является то, что каркас выполнен в виде последовательно расположенных конфузора и двух диффузоров, причем последний диффузор выполнен в виде металлокерамической полупроницаемой мембраны и имеет меньший угол наклона относительно предыдущего, а очистительный элемент, расположенный в диффузорной части каркаса, представляет собой ряд последовательно расположенных кавитаторов конусообразной или куполообразной формы, увеличивающихся по направлению движения потока и соединенных между собой пружинами, закрепленный на штоке, выполненном с возможностью осевого перемещения посредством винтовой передачи, причем большее основание кавитаторов направлено в сторону выхода из мембранного аппарата, а диаметры кавитаторов определяются из соотношения
,
i
где d - диаметр i-го кавитатора, мм;
i
i
i+1
L - расстояние между соседними кавитаторами, мм, L=L=…=L;
α - угол раствора диффузора, град.
Технический результат заключается в повышении эффективности разделения жидкости за счет увеличения силы воздействия на примембранный высококонцентрированный слой продукта, степени турбулизации потока при повышении концентрации сухих веществ в растворе и увеличении его вязкости, а также расширении области применения.
На фиг.1 изображен поперечный разрез кавитационного мембранного аппарата; на фиг.2 - трехмерная модель кавитационного мембранного аппарата; на фиг.3 - расчетная схема для определения диаметра кавитатора; на фиг.4 - расчетная схема для определения i-го количества диаметров кавитаторов, на фиг.5 - схема работы аппарата.
Кавитационный мембранный аппарат (фиг.1-2) содержит каркас 1, выполненный в виде последовательно расположенных конфузора 2 и двух диффузоров 3 и 4, причем последний диффузор выполнен в виде металлокерамической полупроницаемой мембраны и имеет меньший угол наклона относительно предыдущего. Внутри каркаса 1, в его диффузорной части, расположен очистительный элемент 5, выполненный с возможностью совершения возвратно-поступательного движения, представляющий собой ряд последовательно расположенных кавитаторов 6 конусообразной или куполообразной формы, увеличивающихся по мере увеличения диаметра диффузора 4 и соединенных между собой пружинами 7, закрепленный на штоке 8, выполненном с возможностью осевого перемещения посредством винтовой передачи 9, причем большее основание кавитаторов 6 направлено в сторону выхода из мембранного аппарата, при этом задаемся диаметром основания первого кавитатора по ходу движения исходного раствора. А диаметр второго кавитатора определяется исходя из расчетной схемы (фиг.3) следующим образом.
Примем, что АС=L.
Выразим АС из треугольника ABC
,
отсюда
Выразим ВС из треугольника ABC
Диаметр кавитатора определяется по формуле
D=d+2·ВС,
тогда, подставляя выражение для ВС с учетом выражения для АВ, получим
Преобразуя последнее выражение, получим
Диаметры всех остальных кавитаторов (фиг.4) определяются из соотношения
,
i
где d - диаметр i-го кавитатора, мм;
i
i
i+1
L - расстояние между соседними кавитаторами, мм, L=L=…=L;
α - угол раствора диффузора, град.
Количество кавитаторов 6 зависит от физико-химических свойств исходных растворов.
Закрепление очистительного элемента 5 на штоке 8 с возможностью перемещения в ту или иную сторону вызвано необходимостью регулировки режима работы устройства в зависимости от исходных свойств продукта (в основном от структурных и реологических его характеристик) в начальный период. А жесткость пружин 7 обеспечивает необходимые расстояния между кавитаторами 6 в зависимости от давления жидкости и вязкостных свойств продукта, изменяющихся по длине мембраны.
Для подачи исходного раствора служит патрубок 10 с фланцем 11, а для вывода концентрата используется патрубок 12 с фланцем 13.
Предложенный кавитационный мембранный аппарат работает следующим образом.
Перед началом работы кавитационного мембранного аппарата с помощью осевого перемещения штока 8 устанавливается в зависимости от исходных свойств продукта положение очистительного элемента 5 в виде блока кавитаторов 6.
Исходный раствор, предназначенный для обработки, через патрубок 10 подается в кавитационный мембранный аппарат под рабочим давлением (например, 5-10 МПа) и поступает в конфузор 2, в котором происходит увеличение скорости его движения, а затем поступает в два последовательно расположенных диффузора 3 и 4, в которых обеспечивается сглаживание пульсационных давлений и создаются условия для более плавного его течения и обтекания вокруг кавитаторов 6. По мере обтекания раствора вокруг каждого кавитатора 6 происходит турбулизация пограничного слоя у поверхности металлокерамической полупроницаемой мембраны и срыв его в середину потока с возникновением в разделяемом растворе кавитации (фиг.5) путем образования и схлопывания пузырьков, обеспечивающих дополнительные импульсные воздействия на примембранный слой продукта и способствующих снижению уровня концентрационной поляризации.
Кроме этого, пузырьки, оказывая силовое воздействие за счет энергии их схлопывания на осевшие и прилипшие к поверхности мембраны высокомолекулярные частицы продукта, а также частицы, находящиеся на входе и внутри капилляра, отрывают их от поверхности, после чего частицы уносятся с потоком разделяемой жидкости.
Причем с изменением вязкости продукта происходит изменение скорости потока и, соответственно, расстояния между кавитаторами 6, которое автоматически регулируется жесткостью соединяющих их пружин 7.
По мере движения раствора в аппарате происходит его разделение, часть которого проходит через мембрану и выводится наружу в виде фильтрата. Вывод концентрата осуществляется через патрубок 12.
Предложенный кавитационный мембранный аппарат позволяет:
- повысить эффективность разделения жидкости;
- увеличить силу воздействия на примембранный высококонцентрированный слой продукта;
- увеличить степень турбулизации потока при повышении концентрации сухих веществ в растворе и увеличении его вязкости;
- расширить диапазон использования аппарата с целью его использования для процессов эмульгирования, диспергирования и гомогенизации.