МЕМБРАННЫЙ АППАРАТ С НЕУСТАНОВИВШЕЙСЯ ГИДРОДИНАМИКОЙ
MEMBRANE APPARATUS WITH TRANSIENT HYDRODYNAMICS

Изобретение относится к области разделения, концентрирования и опреснения различных растворов методами обратного осмоса и ультрафильтрации и может быть использовано в пищевой, фармацевтической, микробиологической промышленности, а также на предприятиях агропромышленного комплекса.
6
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является реверсивный мембранный аппарат [Патент №2142330 РФ, МПК B01D 063/00, B01D 063/16. Реверсивный мембранный аппарат [Текст] /Антипов С. Т., Шахов С. В., Завьялов Ю. А., Рязанов А. Н., Колтаков А. В., заявитель и патентообладатель Воронеж. гос. технол. акад. - 98114473/12; заявл. 20.07.98; опубл. 10.12.99. Бюл. №34. - 4 с.], содержащий трубчатый каркас, внутри которого расположен очистительный элемент, установленный с возможностью возвратно-поступательного движения.
Недостатком известного аппарата является неэффективность работы мембран в ламинарном режиме, низкая степень очистки мембранной поверхности при установившемся режиме.
Технической задачей изобретения является повышение производительности мембранного аппарата за счет улучшения гидродинамического воздействия на разделяемый поток вследствие снижения слоя высокой концентрации, образующегося на мембране, и его уноса.
Техническая задача изобретения достигается тем, что в мембранном аппарате с неустановившейся гидродинамикой, включающем трубчатый мембранный модуль, выполненный в виде пористого тела с нанесенной на него полупроницаемой мембраной, турбулизатор, патрубки для ввода исходного раствора, вывода фильтрата и концентрата, новым является то, что пористое тело выполнено в виде неподвижного полого цилиндра, внутренняя поверхность которого выполнена в виде сужающихся усеченных конусов, резко переходящих в цилиндры, диаметр которых больше диаметра меньшего основания усеченных конусов и равен диаметру большего основания усеченных конусов, а торцевые плоскости меньшего и большего оснований усеченных конусов совпадают с торцевыми плоскостями цилиндра, турбулизатор выполнен в виде подвижного полого тела, причем его наружная поверхность выполнена в виде расширяющихся усеченных конусов, резко переходящих в цилиндры, диаметр которых меньше диаметра большего основания усеченных конусов и равен диаметру меньшего основания усеченных конусов, а торцевые плоскости большего и меньшего оснований усеченных конусов совпадают с торцевыми плоскостями цилиндров, турбулизатор установлен в неподвижном пористом теле с возможностью эксцентричного вращения и возвратно-поступательного перемещения при помощи узлов трения, величины углов наклона образующих усеченных конусов неподвижного пористого тела и турбулизатора выбираются равными, диаметры меньшего основания усеченных конусов и цилиндров неподвижной пористой детали и диаметры большего основания усеченных конусов и цилиндров турбулизатора выбираются таким образом, чтобы при совмещении торцевых плоскостей усеченных конусов и цилиндров неподвижного пористого тела и турбулизатора между поверхностями усеченных конусов образовывался сужающийся конический канал с минимальным кольцевым зазором, на выходе из которого поток исходного раствора подвергался бы наибольшему завихрению в образовавшемся цилиндрическом канале, а при совмещении торцевых плоскостей усеченных конусов неподвижного пористого тела и турбулизатора с торцевыми плоскостями цилиндров этих деталей образовывался канал переменного сечения, турбулизатор заглушен с одной стороны толкателем, перемещающимся в корпусной детали одного узла трения, а с другой стороны - направляющей втулкой, узлы трения выполнены в виде идентичных корпусных цилиндрических деталей, на внутренних поверхностях которых имеются кольцевые треугольные проточки для размещения металлических шариков, обеспечивающих эксцентричное вращение турбулизатора, на боковых поверхностях толкателя и направляющей втулки выполнены кольцевые проточки, обеспечивающие возвратно-поступательное перемещение турбулизатора.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении низкого уровня концентрационной поляризации на поверхности полупроницаемой мембраны, высокой производительности мембранного аппарата, сохранности мембран.
На фиг. 1 представлен мембранный аппарат с неустановившейся гидродинамикой; на фиг. 2 - разрез узла трения; на фиг. 3 - схема гидродинамического процесса при совмещении торцевых плоскостей усеченных конусов и цилиндров неподвижного пористого тела и турбулизатора; на фиг. 4 - схема гидродинамического процесса при совмещении торцевых плоскостей усеченных конусов неподвижного пористого тела с торцевыми плоскостями цилиндров тела и турбулизатора.
Мембранный аппарат с неустановившейся гидродинамикой (фиг. 1) содержит трубчатый мембранный модуль, выполненный в виде пористого тела 1 с нанесенной на него полупроницаемой мембраной 2, патрубки для ввода исходного раствора 3, вывода фильтрата 4, концентрата 5.
Пористое тело 1 выполнено в виде неподвижного полого цилиндра, внутренняя поверхность которого выполнена в виде сужающихся усеченных конусов, резко переходящих в цилиндры, диаметр которых больше диаметра меньшего основания усеченных конусов и равен диаметру большего основания усеченных конусов, а торцевые плоскости меньшего и большего оснований усеченных конусов совпадают с торцевыми плоскостями цилиндров.
На внутренних поверхностях усеченных конусов и цилиндров неподвижного пористого тела 1 расположена полупроницаемая мембрана 2.
Турбулизатор 6 выполнен в виде подвижного полого цилиндра, наружная поверхность которого выполнена в виде расширяющихся усеченных конусов, резко переходящих в цилиндры, диаметр которых меньше диаметра большего основания усеченных конусов и равен диаметру меньшего основания усеченных конусов, а торцевые плоскости большего и меньшего оснований усеченных конусов совпадают с торцевыми плоскостями цилиндров.
Углы наклона образующих усеченных конусов неподвижного пористого тела 1 и турбулизатора 6 выполнены равными, а их величина и диаметры меньшего основания усеченных конусов и цилиндров неподвижной пористой детали 1 и диаметры большего основания усеченных конусов и цилиндров турбулизатора 6 выбираются таким образом, чтобы при совмещении торцевых плоскостей усеченных конусов и цилиндров неподвижного пористого тела 1 и эксцентрично вращающегося турбулизатора 6 между поверхностями усеченных конусов образовывался сужающийся конический канал с минимальным кольцевым зазором, на выходе из которого поток исходного раствора подвергался бы наибольшему завихрению в образованном цилиндрическом канале, а при совмещении торцевых плоскостей усеченных конусов неподвижного пористого тела 1 и турбулизатора 6 с торцевыми плоскостями соответствующих цилиндров этих деталей образовывался канал переменного сечения.
Пористое тело 1 трубчатого мембранного модуля коаксиально расположено в цилиндре 7, выполненном из непроницаемого материала.
Торцевые плоскости неподвижного пористого тела 1 и цилиндра 7 герметично соединены между собой при помощи фланцевых соединений 8, на боковых поверхностях которых неподвижно установлены с одной стороны патрубок 3 для ввода исходного раствора, а с другой стороны - патрубок 5 для вывода концентрата. Цилиндр 7 снабжен патрубком 4 для удаления фильтрата из пространства, образованного наружной поверхностью неподвижного пористого тела 1 и внутренней поверхностью цилиндра 7.
Турбулизатор 6 установлен в неподвижном пористом теле 1 трубчатого мембранного модуля с возможностью эксцентричного вращения и возвратно-поступательного перемещения при помощи узлов трения 9, расположенных в соответствующих фланцевых соединениях 8.
Турбулизатор 6 заглушен с одной стороны толкателем 10, перемещающимся в корпусной детали одного узла трения, а с другой - направляющей втулкой 11, перемещающейся во фланце другого узла трения.
Узлы трения 9 (фиг. 2) выполнены в виде корпусной цилиндрической детали, присоединенной к фланцу 8, на внутренней поверхности которой имеются кольцевые треугольные проточки 21 для размещения металлических шариков 12, обеспечивающих эксцентричное вращение и возвратно-поступательное перемещение турбулизатора 6 внутри неподвижного пористого тела 1.
На внутренней поверхности корпусной цилиндрической детали 9 узлов трения также имеются кольцевые проточки для размещения сальникового уплотнения 13.
Фланцы 8 соответствующих узлов трения в местах входа толкателя 10 и направляющей втулки 11 выполнены с отверстиями для размещения сальникового уплотнения 13.
Для обеспечения эксцентричного вращения турбулизатора 6 внутри неподвижного пористого тела 1 предназначен электродвигатель 14, неподвижно закрепленный на плите 15 с возможностью ее горизонтального перемещения в направляющих 16. Для обеспечения возвратно-поступательного перемещения турбулизатора 6 внутри неподвижного пористого тела 1 предназначен кулачковый механизм 17.
Мембранный аппарат с неустановившейся гидродинамикой работает следующим образом.
Вначале осуществляют подачу электрического тока на обмотки электродвигателя 14, в результате которой вал, соединенный через муфту 18 с направляющей втулкой 11 турбулизатора 6, совершает эксцентричное вращение в корпусных цилиндрических деталях 9 узлов трения и фланцах 8.
При этом кулачок механизма 17 находится в положении, при котором совмещены торцевые плоскости усеченных конусов неподвижного пористого тела 1 и турбулизатора 6 с торцевыми плоскостями цилиндров этих тел, т.е. образуется канал переменного сечения.
Затем исходный раствор подается с помощью патрубка 3 в мембранный канал переменного сечения.
Прошедший через полупроницаемую мембрану 2 неподвижного пористого тела 1 фильтрат поступает в полость, образованную наружной поверхностью неподвижного пористого тела 1 и внутренней поверхностью цилиндра 7, откуда он отводится при помощи патрубка 4.
После того, как понизятся селективность и проницаемость полупроницаемой мембраны 2 неподвижного пористого тела 1, включают подачу электрического тока на обмотки электродвигателя привода кулачкового механизма 17 в результате чего, под действием пружин 19 и 20 толкатель 10, совершая поступательное перемещение в корпусных цилиндрических деталях 9 узлов трения и фланцах 8, переходит из своего начального положения в конечное, при котором совмещены торцевые плоскости усеченных конусов и цилиндров неподвижного пористого тела 1 и турбулизатора 6, т.е. между наружными поверхностями усеченных конусов неподвижного пористого тела 1 и турбулизатора 6 образуются сужающиеся конические каналы с минимальным кольцевым зазором.
При образовании сужающихся конических каналов между наружными поверхностями усеченных конусов неподвижного 1 пористого тела и турбулизатора 6, поток исходного раствора, направляясь в эти сужающиеся конические каналы, претерпевает увеличение скорости и уменьшение давления, т.е. постоянное изменение во времени основных гидродинамических характеристик.
На выходе потока исходного раствора через минимальные кольцевые зазоры сужающихся конических каналов неподвижного пористого тела 1 и турбулизатора 6 происходит резкое уменьшение его скорости и резкое увеличение давления в образованном цилиндрическом канале. Одновременно с этим поток исходного раствора при данных гидродинамических условиях срывается с углов усеченных конусов неподвижного пористого тела 1 и турбулизатора 6 (фиг. 3) и попадает в цилиндрический канал, в котором между потоком и поверхностями полупроницаемой мембраны 2 и турбулизатора 6 образуются вихревые потоки, приводящие к срыву слоя высокой концентрации с их поверхности и его уносу вместе с концентратом в патрубок 5. Одновременно с этим основной вихревой поток исходного раствора порождает другие, более мелкие вихревые потоки, которые уносятся основным вихревым потоком вдоль оси трубчатого мембранного модуля, приводя к удалению слоя высокой концентрации на всем участке полупроницаемой мембраны 2 поверхностей усеченных конусов и цилиндров неподвижного пористого тела 1 и турбулизатора 6.
После этого снова осуществляют отключение привода кулачкового механизма 17 в таком положении кулачка, при котором турбулизатор 6 занимает положение, при котором образуется канал переменного сечения. Смена положений турбулизатора 6 относительно неподвижного пористого тела 1 приводит к резкому увеличению давления потока исходного раствора, приводящему к дополнительной его турбулизации в канале переменного сечения. При этом продолжается эксцентричное вращение турбулизатора 6 внутри неподвижного пористого тела 1.
Поскольку давление потока исходного раствора на начальных участках усеченных конусов неподвижного пористого тела 1 и турбулизатора 6 выше, чем на конечных, причин к возникновению вихревых потоков и их срывов с углов усеченных конусов неподвижного пористого тела 1 и турбулизатора 6 нет (фиг. 4). Поток исходного раствора при данном положении омывает поверхности полупроницаемой мембраны 2, удаляя, таким образом, слой высокой концентрации и восстанавливая их селективность и проницаемость.
После этого все процессы повторяются аналогично описанным выше.
Мембранный аппарат с неустановившейся гидродинамикой позволяет обеспечить:
- низкий уровень концентрационной поляризации на поверхности полупроницаемой мембраны за счет постоянного изменения во времени гидродинамического режима в мембранном канале переменного сечения трубчатого мембранного модуля;
- многозадачный режим работы мембранного аппарата, например, при вращении турбулизатора, при возвратно-поступательном перемещении турбулизатора, при одновременном вращении и возвратно-поступательном перемещении турбулизатора;
- широкий диапазон производительности мембранного аппарата за счет различных вариаций параметров работы электродвигателей приводов кулачкового механизма и турбулизатора, профиля кулачка, перенастраиваемой жесткости пружин;
- абсолютную сохранность мембран по причине отсутствия непосредственного контакта турбулизатора с их поверхностью.