МЕМБРАННЫЙ АППАРАТ С МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИМИ ФИЛЬТРУЮЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Полезная модель относится к устройствам для разделения растворов с помощью полупроницаемых металлокерамичесих мембран и может быть использовано в пищевой, микробиологической и химической отраслях промышленности.
2
Известна установка стерилизующей фильтрации УСФ-293-7 (И.В.Беседина и др. "Мембранное микрофильтрование растворов для инъекций аптечного изготовления", Фармация N 1, 1989 г. с.54 54), применяемая для мембранного микрофильтрования растворов. В состав установки входит фильтродержатель ФД-293, содержащий два фланца, расположенный между ними пакет из мембранных и промежуточных элементов и уплотнительных прокладок и элементы крепления в виде струбцин. Установка используется для микрофильтрования растворов при давлении до 3 кГ/см и имеет относительно большой (около 30 см) диаметр мембраны. В этих условиях на фланцы действует значительная (более 2000 кГ) распирающая сила, что приводит для обеспечения необходимой прочности к увеличению массы и размеров установки. Кроме того тяжелый и громоздкий фильтродержатель, внутренние поверхности которого непосредственно контактируют с фильтруемым раствором, приходится изготавливать его из специальных материалов и проводить стерилизацию в автоклаве. Указанные особенности конструкции установки приводят к увеличению ее материалоемкости и к усложнению эксплуатации, что ограничивает производительность и возможность применения установки, например, для очистки жидкостей для медицинских целей.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является мембранный аппарат, содержащий два фланца со штуцерами ввода разделяемой смеси и вывода продуктов, размещенный между ними пакет из дисковых мембранных и промежуточных элементов, кольцевых прокладок, а также из расположенных на периферии фланцев с элементами крепления (RU 2070428 C1). Производительность этого устройства в значительной степени определяется диаметром дисковых мембранных элементов. Поэтому устройству-прототипу свойственны недостатки приведенного выше аналога, т.е. оно имеет высокую материалоемкость и размеры и неудобно в эксплуатации. Кроме того, конструкция устройства не позволяет проводить эффективную регенерацию дисковых мембранных элементов.
Задачей полезной модели является создание компактного устройства с повышенной производительностью очистки жидкостей и эффективностью регенерации фильтрующих элементов.
Поставленная задача решена с помощью технического результата, достигаемого полезной моделью, который заключается в возможности изменения геометрии и гидродинамических характеристик мембранного узла при функционировании в режиме регенерации мембран.
Указанный технический результат достигается тем, что в мембранном аппарате (содержащем герметичный корпус, к которому подсоединены штуцера ввода смеси и вывода продуктов разделения, размещенный внутри корпуса фильтрующий пакет из дисковых мембран с кольцевыми прокладками, промежуточными и разделительными элементами, средство для регенерации фильтрующего пакета) корпус выполнен в форме цилиндрического стакана с крышкой, фильтрующий пакет выполнен в виде сильфона, торцевые части которого закреплены на дне и крышке стакана с возможностью растяжения сильфона в сторону крышки, а фильтрующий пакет выполнен на основе металлокерамических двухслойных мембран.
В частном случае реализации аппарата металлокерамические двухслойные мембраны выполнены из пористой нержавеющей стали и наружным слоем из пленки оксидов пористой керамики, с размером пор керамического слоя от 0,03 до 1 мкм.
В другом частном случае выполнения аппарата торец сильфона соединен со штоком, смонтированным снаружи на крышке с возможностью перемещения в осевом направлении.
В другом частном случае выполнения аппарата фильтрующие элементы пакета выполнены из двух соединенных между собой по наружному периметру металлокерамических двухслойных мембран между которыми размещен дренирующий слой, например, сетчатый материал, причем элементы разделены между собой металлическими дисками с шероховатой поверхностью.
Сущность полезной модели состоит в том, что заявляемая совокупность существенных признаков (использование гибких и упругих металлокерамических двухслойных мембран, выполнение корпуса в форме цилиндрического стакана, а фильтрующего пакета в виде сильфона, торцевые части которого закреплены на дне и крышке стакана с возможностью растяжения сильфона в сторону крышки) позволяет получить компактный мембранный аппарат с повышенной производительностью очистки жидкостей и высокой эффективностью регенерации фильтрующих элементов, которые достигаются за счет возможности оптимизации геометрии и гидродинамических характеристик фильтрующего пакета, как для режима разделения смеси, так и для режима его регенерации.
Конструкция аппарата поясняется рисунком, на котором приведен общий вид мембранного аппарата.
Мембранный аппарат состоит из выполненного в виде цилиндрического стакана корпуса (1), с дном (2) и крышкой (3), которая соединена со стаканом фланцевым соединением. Со стороны крышки (3) подсоединен патрубок (4) для подвода разделяемой смеси, а со стороны дна (2) подсоединены патрубок (5) вывода ретинтата и патрубок (6) вывода пермиата. Внутри корпуса (1) размещен выполненный в виде сильфона фильтрующий пакет (7). Нижняя торцевая часть пакета (7) герметично закреплена на дне (2) с помощью опоры (8), уплотнений (9) и гайки (10). Верхний торец пакета (7) соединен со штоком (11), размещенном на крышке (3) с помощью дуговой опоры (12), гайки (13), уплотнительных шайб (14) и (15). Фильтрующий пакет (7) выполнен на основе металлокерамических двухслойных мембран (16), выполненных из пористой нержавеющей стали с наружным слоем из пленки оксидов пористой керамики, с размером пор керамического слоя от 0,03 до 1 мкм., Фильтрующие элементы сильфонообразного пакета (7) выполнены из двух дисковых металлокерамических двухслойных мембран (16), которые по наружному периметру соединены между собой сваркой или пайкой (17). Между мембранами (16) размещен дренирующий слой(18), например, сетчатый материал. Мембраны (16) соседних фильтровальных элементов герметично сварены или спаяны между собой по внутреннему периметру с помощью колец (19) и разделены разделены между собой тонкими (толщиной не более 1 мм) металлическими дисками (20) боковая поверхность которых выполнена с шероховатостью равной 10-50 мкм и с наружным диаметром примерно равным внутреннему диаметру стакана корпуса (1). Диски (20) изменяют направление потока фильтруемой жидкости вдоль поверхности мембран (16), обеспечивая тангенциальный режим фильтрации и зигзагообразный путь движения разделяемой смеси.
Мембранный аппарат в режиме разделения смеси работает следующим образом. Шток (11) с помощью дуговой опоры (12) и гайки (13) приводится в нижнее положение при котором верхняя уплотнительная шайба (14) герметично закрывает отверстие в крышке (3), а сильфонообразный пакет (7) находится в сжатом состоянии. Разделяемая смесь поступает по патрубку (4) в полость между корпусом (1) и фильтрующим пакетом (7), проходит в зазоры между торцами разделительных дисков (20) и корпусом, а затем в зазоры между шероховатыми боковыми поверхностями разделительных дисков (20) и металлокерамическими мембранами (16). За счет того, что внешний диаметр разделительных дисков (20) немного больше диаметра дисков металлокерамических мембранных (16), а внутренний диаметр разделительных дисков (20) больше внутреннего диаметра фильтрующих металлокерамических дисков обеспечивается тангенциальный режим фильтрации и зигзагообразный характер течения разделяемой смеси.
Разделение смеси осуществляется на мембранах (16) с отводом пермиата через дренирующий слой (18) в центральную часть аппарата и его выводом через патрубок (6), а ретинтат отводится через патрубок (5).
3
Мембранный аппарат в режиме регенерации фильтрующего пакета (7) работает следующим образом. Шток (11) с помощью дуговой опоры (12) и гайки (13) приводится в верхнее положение, при котором нижняя уплотнительная шайба (15) герметично закрывает отверстие в крышке (3) снизу, а сильфонообразный пакет (7) находится в растянутом состоянии. В этом положении зазоры между шероховатыми боковыми поверхностями разделительных дисков (20) и металлокерамическими мембранами (16) существенно увеличены до оптимальной для регенерации величины (на 20-30%). Промывную жидкость подают через патрубок (5), а регенерат отводят через патрубок (4). Регенерацию осуществляют специальным раствором до полной очистки поверхности металлокерамических мембран (16) от грязевых включений. После завершения регенерации шток (11) перемещают вниз и приводят сильфонообразный пакет (7) в исходное рабочее положение. В качестве промывочной жидкости для металлокерамических мембран могут быть использованы растворы IN p-p HNO, либо горячая NaOH с pH - 12. Окончательную промывку аппарата осуществляется горячей водой при 90°C.
Заявленная конструкция мембранного аппарата с металлокерамическими фильтрующими элементами позволяет изготовить компактное устройство с высокой производительностью тонкой очистки смесей и высокой эффективностью регенерации фильтрующих элементов и может быть использована в различных технологических процессах.