МЕМБРАННЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖИДКОСТИ
FLUID CLEANING 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 относительно неравномерным распределением расхода жидкости на входе в проточную часть между фильтроэлементами, обусловленным смещением патрубка для подвода очищаемой жидкости относительно продольной оси корпуса модуля.
Решаемая задача состоит в создании модуля 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 модуле для очистки жидкости, 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 к стенке корпуса относительно его продольной оси, боковой отводящий патрубок, установленный в нижней зоне полости гидроаккумулятора, трубную доску, прикрепленную снизу к гидроаккумулятору, распределительную решетку с отверстиями для прохода штуцеров, укрепленную под трубной доской и образующую с ней плоский щелевой канал, подводящий патрубок, боковой и нижний отводящие патрубки оснащены кранами, причем фильтроэлементы состоят из цилиндрической пористой подложки и расположенной на ее наружной боковой поверхности наноструктурной мембраны, которые снизу и сверху ограничены соответственно нижним и верхним адаптерами, нижние части штуцеров укреплены в соответствующих верхних адаптерах, а штуцера образуют кольцевые каналы с боковыми поверхностями соответствующих отверстий распределительной решетки, предлагается:
- в плоском щелевом канале между трубной доской и распределительной решеткой установить распределитель в виде полого элемента, содержащий, по меньшей мере, одно отверстие для прохода штуцера;
- верхнюю часть распределителя ввести в подводящий патрубок для образования с ним кольцевого канала;
- нижнюю торцевую часть распределителя установить с касанием сплошной поверхности распределительной решетки;
- распределитель установить со щелевым зазором относительно нижней поверхности трубной доски;
- минимальную площадь проходного сечения в плоском щелевом зазоре между распределителем и трубной доской обеспечить, по меньше мере, равной площади проходного сечения кольцевого канала между подводящим патрубком и входной частью распределителя;
- отношение площадей проходных сечений входной части распределителя и кольцевого канала, образованного подводящим патрубком и входной частью распределителя, обеспечить равным отношению суммы площадей проходных сечений кольцевых каналов, образованных штуцерами и выравнивающей решеткой и сообщенных с полостью распределителя, к сумме площадей проходных сечений кольцевых каналов, образованных штуцерами и распределительной решеткой и сообщенных со щелевым каналом между трубной доской и распределителем, и кольцевого канала, образованного корпусом и распределительной решеткой.
В частных случаях исполнения мембранного модуля предлагается:
- один фильтроэлемент расположить в центре корпуса, а другие фильтроэлементы установить, по меньшей мере, в один ряд, причем фильтроэлементы разместить с образованием кольцевой или гексагональной упаковки;
- распределительную решетку укрепить к трубной доске с помощью шпилек и установить по отношению к ней со щелевым зазором;
- при переходе от входной части распределителя к ее выходной части обеспечить как постоянство площади проходного сечения распределителя, так и ее увеличение;
- ширину кольцевого зазора между корпусом и распределительной решеткой выполнить постоянной или обеспечить периодически изменяющейся по периметру корпуса;
- входную и выходную части распределителя выполнить в виде цилиндров различных диаметров, соединенных между собой торцевыми частями посредством усеченного конуса или кольца;
- распределитель выполнить в виде диффузора.
Принципиальная схема исполнения одного из вариантов мембранного модуля представлена на чертежах. На фигуре 1 изображен общий вид мембранного модуля, на фиг.2, 3 и 4 - продольные осевые сечения трех вариантов исполнения распределителей, на фигурах 5 и 6 - различные продольные осевые сечения мембранного модуля; на фигуре 7 - поперечное сечение мембранного модуля, на фигуре 8 - продольное осевое сечение мембранного модуля в районе установки распределителя (место 1).
На фигурах 1-8 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 - распределитель, 14 - распределительная решетка, 15 - трубная доска, 16 - фланец, 17 - шпилька, 18 - штуцер.
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, распределительную решетку, верхнюю крышку, распределитель, группу фильтроэлементов, кран 7 подводящего патрубка 11, кран 5 бокового отводящего патрубка 1, кран 6 нижнего отводящего патрубка 10.
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 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.
Распределительная решетка 14 имеет отверстия для прохода штуцеров 18, укреплена под трубной доской 15 и образует с ней щелевой канал.
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.
Штуцера 18 образуют кольцевые каналы с боковыми поверхностями соответствующих отверстий распределительной решетки 14.
В щелевом канале между трубной доской 15 и распределительной решеткой 14 установлен распределитель 13 в виде полого элемента. Распределитель 13 содержит, по меньшей мере, одно отверстие для прохода штуцера 18. Верхняя часть распределителя 13 введена в подводящий патрубок 11 и образует с ним кольцевой канал. Нижняя торцевая часть распределителя 13 установлена с касанием цельной поверхности распределительной решетки 14. Распределитель 13 установлен со щелевым зазором относительно нижней поверхности трубной доски 15.
В частных случаях исполнения распределителя 13 имеет место следующее.
Во-первых, входная и выходная части распределителя 13 выполнены в виде цилиндров различных диаметров, соединенных между собой торцевыми частями посредством усеченного конуса или кольца. Во-вторых, распределитель 13 выполнен в виде диффузора.
Минимальная площадь проходного сечения в щелевом зазоре между распределителем 13 и трубной доской 15, по меньше мере, равна площади проходного сечения кольцевого канала между подводящим патрубком 11 и входной частью распределителя 13. Данное решение позволяет исключить возмущение потока жидкости на входе распределителя и обеспечивает необходимое распределение расходов между полостью входной части распределителя и кольцевым каналом, образованным входной частью распределителя и подводящим патрубком.
Отношение площадей проходных сечений входной части распределителя 13 и кольцевого канала, образованного подводящим патрубком 11 и входной частью распределителя 13, равно отношению суммы площадей проходных сечений кольцевых каналов, образованных штуцерами 18 и распределительной решеткой 14 и сообщенных с полостью распределителя 13, к сумме площадей проходных сечений кольцевых каналов, образованных штуцерами 18 и распределительной решеткой 14 и сообщенных со щелевым каналом между трубной доской 15 и распределителем 13, и кольцевого канала, образованного корпусом 4 и распределительной решеткой 14.
Обеспечение указанного условия позволяет исключить неравномерное распределение расхода очищаемой жидкости на входе в полость корпуса 4 за счет того, что в ее центральной и периферийной частях обеспечиваются расходы жидкости, соответствующие условиям работы фильтроэлементов. Наличие кольцевого зазора между корпусом 3 и распределительной решеткой 14 позволяет компенсировать различие соотношений площадей проходного сечения центральных и периферийных каналов, образованных фильтроэлементами в полости корпуса 4.
Распределительная решетка 14 укреплена к трубной доске 15 с помощью шпилек 18 и установлена по отношению к ней со щелевым зазором.
При переходе от входной части распределителя 13 к ее выходной части имеет место как постоянство площади проходного сечения распределителя 13, так и ее увеличение.
Ширина кольцевого зазора между корпусом 4 и распределительной решеткой 14 имеет постоянное значение или обеспечена периодически изменяющейся по периметру корпуса 4.
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. В выходной части подводящего патрубка 11 общий поток очищаемой жидкости делится на два потока. Один из потоков очищаемой жидкости попадает во входную часть распределителя 13, выходит из него в центральную часть распределительной решетки 14, расположенную в пределах выходной части распределителя 13, проходит, по меньшей мере, через один кольцевой канал, расположенный между штуцером 18 и распределительной решеткой 14, и попадает в центральную часть полости корпуса 4. Другой очищаемый поток жидкости последовательно проходит кольцевой канал, образованный входной частью распределителя 13 и подводящим патрубком 11, щелевой зазор между трубной доской 15 и распределителем 13, кольцевые каналы, образованные штуцерами 18 и распределительной решеткой 14, и кольцевой канал, образованный корпусом 4 и распределительной решеткой 14, и попадает в периферийную часть полости корпуса 4. Из полости корпуса 4 очищаемая жидкость последовательно проходит через наноструктурную мембрану 8 и пористую подложку 12, очищается при этом от загрязнений (нерастворимых примесей) и очищенные потоки жидкости поступают в полости фильтроэлементов, 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 236 мм.
В 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 корпуса 4 равен 78 мм. Пористость сборки фильтроэлементов составляет 64,9%.
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.
Распределитель 13 выполнен из нержавеющей стали Х18Н10Т. Толщина его стенки составляет 1,5 мм. Входная часть распределителя 13 выполнена в виде круглого цилиндра, имеющего внутренний и наружный диаметры, равные 5 мм и 8 мм соответственно. Выходная часть распределителя 13 имеет вид эллиптического цилиндра и окружает центральный фильтроэлемент.
Гидроаккумулятор 3 выполнен из нержавеющей стали Х18Н10Т и имеет максимальную высоту полости, равную 118 мм, и внутренний диаметр 236 мм.
Трубная доска 15 выполнена из нержавеющей стали Х18Н10Т и содержит 7 отверстий для установки штуцеров 18.
Использование распределителя 13 в мембранном модуле позволяет 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 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 работы мембранного модуля с распределителем составляет ~185 м до замены фильтроэлементов с учетом их регенерации и без разборки мембранного модуля.