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 определенным 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.
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 центральную трубку с отверстиями для отвода фильтрата, на которую намотаны листы сложенной активным слоем вовнутрь мембраны, внутри каждого листа которой находится лист сетки-турбулизатора, создающего канал для очищаемого раствора, листы сложенной мембраны разделены пористым материалом - каналом для отвода очищенной жидкости - фильтрата. Герметизация этих каналов осуществляется путем нанесения клеевой композиции на пористый материал - дренаж по трем его сторонам перед намоткой.
После спиральной 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.
Однако, следует отметить наряду с безусловными достоинствами (прежде всего многопакетность, при которой длина каждого мембранного пакета, а следовательно, гидравлическое сопротивление каналов для отвода очищенной жидкости сведено к оптимальному минимуму) определенные недостатки вышеуказанной конструкции:
- при герметизации мембранного рулонного элемента путем нанесения клеевой композиции по трем сторонам периметра дренажного листа образуются достаточно широкие клеевые швы (30-50 мм), которые существенно уменьшают активную рабочую площадь мембраны в элементе, особенно, в малогабаритных элементах, предназначенных для доочистки питьевой воды в бытовых условиях, для офисов, для мембранных установок малой производительности. Для них уменьшение активной площади мембраны составляет 20-30%;
- приготовление и нанесение клеевой композиции, как правило, осуществляется оператором вручную. Этот процесс достаточно трудоемок. Мировая потребность в чистой воде из года в год стремительно растет, ужесточаются требования к ее качеству. В связи с этим увеличивается единичная мощность очистных устройств и установок, в первую очередь на основе мембранных технологий как наиболее экономичных и перспективных. Поэтому, возникает необходимость в более производительных мембранных элементах. В настоящее время производятся элементы диаметром 200 мм (8 дюймов), у которых общая длина клеевых швов составляет 45 п.м. Существуют элементы диаметром 400 мм (16 дюймов), длина клеевых швов у которых возрастает до 120-130 п.м. Если иметь ввиду, что в смену можно изготовить 6 таких элементов, то каждый аппаратчик должен нанести вручную ~750-800 п.м. клеевых швов. Кроме того, при этом неизбежно выдавливание избытка клеевой композиции на торцы мембранного элемента. Поэтому, необходима операция подрезки обоих торцев элемента для «открытия» напорных каналов, предназначенных для входа и выхода очищаемой жидкости;
- при использовании высокопроизводительной мембраны дренажный канал не способен пропустить большой расход фильтрата;
- невозможность использования МЭ для фильтрации в тупиковом режиме с регулярными восстановительными противоточными промывками и продувками сжатым воздухом.
Таким образом, недостатками МЭ по патенту США №3417870 являются его низкая производительность в следствии большой зоны герметизации мембранных пакетов и низкой пропускной способности дренажных каналов, высокая трудоемкость при изготовлении, 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 (при прочих равных условиях), более низкой трудоемкостью изготовления, возможностью использования МЭ для фильтрации в тупиковом режиме с регулярными восстановительными противоточными промывками и продувками сжатым воздухом и тем самым увеличения срока его эксплуатации.
Согласно полезной модели МЭ состоит из центральной трубки с радиальными отверстиями и спирально намотанными вокруг нее мембранными пакетами, каждый из которых состоит из сложенной вдвое мембраны, турбулизаторной сетки, пористого материала. Вокруг центральной трубки равномерно, параллельно ей и на одинаковом расстоянии от центра расположен ряд периферийных трубок с радиальными отверстиями, на каждой из которой закреплен мембранный пакет, при этом периферийная трубка размещена внутри сложенной вдвое мембраны, а количество периферийных трубок и число их рядов определяется требуемым количеством мембранных пакетов. При этом герметизация мембранных пакетов осуществляется методом сплошной заливки обоих торцов элемента, за исключением отверстий в трубках, термореактивной клеевой композицией или расплавом термопластичного материала.
Ввод исходной фильтруемой среды в МЭ производится через его наружную цилиндрическую поверхность по спиральным каналам к центру, а организация вывода определяется ориентацией активного слоя мембраны в пакете:
а) мембрана сложена активным слоем во внутрь пакета, в этом случае концентрат выводится через отверстия периферийных трубок, а фильтрат - через отверстие в центральной трубке (Фиг.1),
б) мембрана сложена активным слоем наружу пакета, в этом случае концентрат выводится через отверстие в центральной трубке, а фильтрат - через отверстия периферийных трубок (Фиг.2).
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.
При необходимости увеличения единичной производительности элемента (за счет увеличения рабочей поверхности мембраны), предлагаемая конструкция позволяет размещать вокруг центральной трубки дополнительно второй, третий и т.д. ряд трубок и соответственно этому увеличивать число мембранных пакетов, при этом сохраняя практически оптимальную длину каждого мембранного пакета.
При размещении в корпусе аппарата на один из концов МЭ устанавливается манжета, которая направляет поток исходной фильтруемой среды в каналы МЭ.
Авторами установлено, что выполнение МЭ в соответствии с предлагаемыми конструкционными решениями позволяет значительно повысить его производительность за счет более эффективного использования поверхности мембраны (для элементов длиной 1016 - на 8-10%, для элементов длиной 500 мм - на 15-18%), существенно снизить трудоемкость его изготовления, использовать МЭ для фильтрации в тупиковом режиме с регулярными восстановительными противоточными промывками и продувками сжатым воздухом.
Для реализации полезной модели могут быть использованы все типы мембран: обратноосмотические, нано-, ультра-, микрофильтрационные.
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 мембраной, сложенной активным слоем во внутрь пакета, концентрат выводится через отверстия периферийных трубок, а фильтрат - через отверстие в центральной трубке.
На Фиг.2 - приведен эскиз заявляемого МЭ с мембраной, сложенной активным слоем наружу пакета, концентрат выводится через отверстие в центральной трубке, а фильтрат - через отверстия периферийных трубок.
1 - мембрана;
2 - дренаж;
3 - сетка в дренажном канале;
4 - турбулизаторная сетка;
5 - периферийная трубка;
6 - радиальные отверстия периферийной трубки;
7 - центральная трубка;
8 - радиальные отверстия центральной трубки;
9 - зона герметизации торцов МЭ;
10 - зона герметизации мембранных пакетов,
11 - корпус аппарата,
12 - манжета,
Ф - фильтрат,
К - концентрат.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Заявителем совместно с авторами полезной модели были изготовлены и испытаны опытные образцы МЭ с внешним диаметром 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.3 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 (см. п.4.2., образцы 1, 2 и 3, 4) и, как следствие, увеличение его производительности при прочих одинаковых условиях (см. п.5.1., образцы элементов 1, 2 и 3, 4).
3. Образцы 2, 4, 5, изготовленные согласно настоящей заявки, требуют меньше времени для их герметизацию (см.3.2.1).
4. Ресурсные испытания элемента (образец 5) 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.
№ п/п
Наименование основных параметров и эксплуатационные характеристики
Данные по опытным образцам
Примечание
1.
2.
3.
4.
5.
1.
Используемое мембранное полотно
1.1.
Нанофильтрационная композитная мембрана
+
+
-
-
-
1.2.
Микрофильтрационная мембрана (размер пор 1,0 мкм)
-
-
+
+
+
2.
Параметры образца МЭ
2.1.
Диаметр, 100,0 мм
+
+
+
+
+
2.3.
Материалы в дренажном канале
2.3.1.
Два листа дренажного материала
+
+
+
+
+
2.3.2.
Сетка толщиной 0,6 мм
-
-
+
+
+
3.
Способ герметизации мембранных пакетов
3.1.
Строчное нанесение клеевой композиции по 3-м сторонам до спиральной намотки согласно патенту №3417870, США
+
-
+
-
-
3.1.1.
Продолжительность нанесения клеевой композиции, мин
15-18
15-18
3.2.
Заливка торцев элемента после спиральной термореактивной композицией согласно настоящей заявке (мембрана сложена активным слоем наружу пакета)
-
+
-
4-
+
3.2.1.
Продолжительность заливки торцев, мин
3-5
3-5
3-5
4.
Площадь мембраны в элементе
4.1.
Общая площадь, м<sup>2</sup>
3,5
3,5
2,5
2,5
2,5
4.2.
Эффективная рабочая площадь, м<sup>2</sup>
2,9
3,4
1,9
2,4
2,4
Определялась
после разборки элемента
5.
Эксплуатационные характеристики МЭ
5.1.
Производительность МЭ, л/ч
400
465
1200
1380
1380
5.2.
Селективность, % по MgSО<sub>4</sub>
94,7
94,6
-
-
-
5.3.
Селективность по мутности (ГОСТ 3351-74)
-
-
74,1
76,4
76,2
6.
Условия испытаний
6.1.
Рабочая среда:
- водный раствор MgSО<sub>4</sub>
+
+
-
-
+
- водопроводная вода, р.Клязыма г.
-
-
+
+
-
Владимир
1,6
1,6
0,1
0,1
0,1
- давление, МПа
20,0
20,0
20,0
20,0
20,0
-температура, °С
+
+
+
+
-
- режим проточной фильтрации
- режим тупиковой фильтрации с циклическими восстановительными обратноточными промывками
-
-
-
-
+
Ресурсные испытания
-
-
-
-
+