Мембранный аппарат непрерывного действия

 

Изобретение относится к мембранной технике и может быть использовано в любой отрасли промышленности для разделения, концентрирования и очистки различных растворов. Мембранный аппарат непрерывного действия содержит штуцеры для подачи исходного раствора и отвода концентрата и пермеата, а также мембранные элементы, которые выполнены из пористых трубчатых каркасов с расположенными на их внутренней поверхности полупроницаемыми мембранами, установлены вертикально и объединены в блоки, верхние части которых снабжены камерами и упругими оболочками. При этом блоки мембранных элементов в нижней части соединены по два в секции, а камера одного из блоков мембранных элементов каждой секции соединена с генератором колебаний. 1 ил.

Изобретение относится к мембранной технике и может быть использовано в любой отрасли промышленности для разделения, концентрирования и очистки различных растворов.

Известен мембранный аппарат (Дытнерский Ю. И. Мембранные процессы разделения жидких смесей. М. Химия, 1975. С. 63), содержащий последовательно соединенные между собой мембранные элементы из пористых трубчатых каркасов с расположенными на внутренней их поверхности полупроницаемыми мембранами и технологическими штуцерами для подачи раствора, отвода концентрата и пермеата. Эффективная работа такого аппарата достигается при скоростях циркуляции жидкофазного потока через трубчатые мембранные элементы порядка 3 6 м/с, обеспечивающих снижение влияния концентрационной поляризации. Однако это приводит к повышению энергозатратам и необходимости дополнительного теплоотвода по причине сильного разогрева жидкофазной среды из-за развитого турбулентного режима, а также возможности работы аппарата только в периодическом режиме.

Известны также мембранные аппараты (а.с. СССР N 1367995, В 01 D 65/08, 1988; 1465069, В 01 D 63/06, 1989; 1502042, В 01 D 63/06, 1989; 1505563, В 01 D 63/06, 1989), содержащие мембранные элементы из пористых трубчатых каркасов с расположенными на внутренней их поверхности полупроницаемыми мембранами и внутри них турбулизующими или очистительными вставками (неподвижными или совершающими возвратно-поступательные перемещения). Применение таких вставок способствует снижению влияния концентрационной поляризации, однако сокращает срок службы мембранных элементов и приводит к усложнению конструкции аппарата.

Известен мембранный аппарат (а. с. СССР N 1613146, кл. В 01 D 63/06, 1990), содержащий блок трубчатых элементов, снабженный вибратором в виде прикрепленной к блоку оси и расположенных на ней вращающейся втулки с лопастями и дебалансной системы. За счет создания колебательного движения мембранных элементов исключается оседание на колеблющейся их поверхности твердых частиц и снижается концентрационная поляризация, чем обеспечивается высокая и стабильная проницаемость мембран. Однако надежность работы такого аппарата низка и ограничивается периодически режимом.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является мембранный аппарат (Kennedy T. J. and fc. Omproving permeaxion flux by pulsed reverse osmsis, Chemical Engineering Science, 1974, v. 29. р.р. 1927-1931), содержащий трубчатые мембранные элементы, штуцеры для подачи исходного раствора и отвода концентрата и пермеата, а также генератор колебаний. Пульсирующая подача раствора в значительной степени снижает влияние концентрационной поляризации и способствует увеличению проницаемости мембран. Например, при частоте пульсаций 1 Гц она повышается на 70% что равносильно увеличению скорости стационарного потока примерно в 6 раз. Однако создание пульсирующего потока раствора требует повышенных энергозатрат.

В основу изобретения положено решение задачи снижения энергозатрат и повышения производительности.

Согласно изобретению в мембранном аппарате непрерывного действия мембранные элементы выполнены из пористых трубчатых каркасов с расположенными на их внутренней поверхности полупроницаемыми мембранами, установлены вертикально и объединены в блоки, верхние части которых снабжены камерами с упругими оболочками,при этом блоки мембранных элементов в нижней части соединены по два в секции, а камера одного из блоков мембранных элементов каждой секции соединена с генератором колебаний.

Объединение двух самостоятельных блоков мембранных элементов, снабженных камерами с упругими оболочками, в единую секцию позволяет использовать камеру одного из них в качестве буферной (резонансной) емкости и создавать резонансные колебания в обрабатываемом растворе при осуществлении колебательных воздействий генератором колебаний, сообщенным с внутренней полостью одной из камер (по аналогии с теми, которые возникают при колебаниях находящегося между двумя пружинами груза).

Требуемая производительность и заданная степень концентрирования раствора могут быть достигнуты путем подбора соответствующего количества однотипных секций, при этом резонансный режим работы аппарата сохраняется, если ни подсоединены к одному генератору колебаний или к нескольким, работа которых синхронизована. По мере перетока раствора из секции в секцию происходит его обеднение пермеатом и обогащение растворенным веществом. Таким образом создаются предпосылки для работы аппарата в непрерывном режиме.

Благодаря работе мембранного аппарата в резонансном режиме резко сокращаются его энергозатраты.

При организации резонансных колебаний жидкофазной среды с необходимой частотой и амплитудой можно создать такие условия, при которых жидкофазная среда будет испытывать гораздо более мощные динамические воздействия по сравнению с безрезонансным пульсирующим потоком, что приведет к более существенному снижениювлияния концентрационной поляризации и, следовательно, увеличению производительности, а также снижению эксплуатационных затрат путем исключения необходимости частой промывки мембранных элементов и повышению срока их службы.

Срок их службы возрастает благодаря отсутствию очистительных и турбулизирующих вставок, стабилизации работы в результате снятия концентрационной поляризации и существенного снижения скорости перетока жидкости через трубчатые мембранные элементы вплоть до лимитируемой производительностью аппарата.

Упругие камеры могут быть выполнены в виде газовых полостей, находящихся в непосредственном контакте с жидкостью, или газонаполненных упругих оболочек, исключающих прямой контакт газа с жидкостью, либо упругосжимаемых пористых тел, в которых исключен доступ жидкости в заполненные газом поры. Предпочтительнее выполнение упругих элементов в виде газовых полостей, поскольку простым регулированием их высоты (высотой налива жидкости) можно изменять резонансную частоту колебаний жидкофазной среды.

Соединение генератора колебаний с внутренней полостью одного из блоков возможно через упругую камеру или непосредственно через находящуюся в ней жидкостную среду. Предпочтительнее соединение его через упругую камеру, так как в этом случае колебательные воздействия осуществляют в прямом контакте с упругосжимаемой средой.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема аппарата.

Аппарат состоит из секций 1, содержащих сообщающиеся между собой в нижней части с помощью переточных колен 8 парные блоки 2. Парные блоки 2 снабжены газовыми полостями 3 и 5, из них газовые полости 5 подсоединены через побудитель колебаний 6 к генератору колебаний 7. Газовые полости 3 могут быть сообщены между собой и с источником давления. Секции 1 в верхней части соединены друг с другом через переточные каналы 9. Блоки 2 заключены в кожухи 4, сообщающиеся с патрубками 12 для отвода пермеата, и могут быть выполнены из одиночного трубчатого мембранного элемента или нескольких трубчатых мембранных элементов, скомпонованных по вы соте и в плоскости.

Аппарат снабжен технологическими штуцерами 10 для подачи раствора и 11 для отвода концентрата.

Работа аппарата осуществляется следующим образом.

После заполнения аппарата раствором и установления в газовых полостях 3 и 5 рабочего давления включают генератор колебаний 7 и регулированием его частоты устанавливают резонансный режим колебаний, который фиксируют по изменениям рабочего давления. Поддерживают постоянными на протяжении всего периода работы аппарата заданную высоту газовых полостей 3 и 5, относительно которой происходят колебания уровней раствора в трубчатых элементах, регулированием расхода раствора при непрерывной его подаче через штуцер 10 и резонансную частоту колебаний.

При резонансном режиме колебаний жидкость в мембранных трубчатых элементах (блоках) секций совершает интенсивные возвратно-поступательные перемещения, о чем свидетельствует резкое возрастание амплитуды ее колебаний по отношению к задаваемой генератором колебаний. В результате таких воздействий снимается концентрационная поляризация в пристенном слое, исключается накопление осадкана фильтрующей мембране, благодаря чему фильтрация раствора через нее стабилизируется и отток пермеата происходит практически с постоянным во времени расходом. По мере продвижения концентрата из секции в секцию за счет оттока пермеата содержание удерживаемых веществ в нем возрастает и на выходе получают концентрат заданной концентрации. Отводят в самостоятельные сборники концентрат по штуцеру II, пермеат по штуцерам 12. По окончании работы аппаратура прекращают подачу раствора на фильтрование и отключают генератор колебаний.

Изобретение иллюстрируется следующим примером конкретного выполнения.

При фильтровании водного раствора гидроокиси алюминия со средним размером частиц 50 мкм и его концентрации 350 кг/м³ в одной парной секции из двух микрофильмов трубчатого типа БТМ 0,5/2-Ф (ТУ 6-55-221-961/1-88) с рабочим давлением 0,2 МПа производительность про пермеату составляет 0,1 м³/(м² ч): мощность привода генератора колебаний при этом 0,25 кВт на частоте резонансных колебаний 3 Гц и амплитуде вынужденных колебаний 0,007 м.

В действующем мембранном аппарате с одним мембранным элементом в циркуляционном контуре (базовый объект) для достижения половины от указанной производительности требуется рабочее давление 0,4 МПа и скорость потока в трубах мембранных элементов порядка 4 м/с, при этом потребляемая мощность составляет 0,4 кВт.

Таким образом, предлагаемое решение в условиях непрерывной работы аппарата позволяет более чем в полтора раза снизить энергозатраты, повысить удельную производительность мембранных элементов, увеличить срок их службы.

Формула изобретения

1 Мембранный аппарат непрерывного действия, содержащий трубчатые мембранные элементы, штуцеры для подачи исходного раствора и отвода концентрата и пермеата и генератор колебаний, отличающийся тем, что мембранные элементы выполнены из пористых трубчатых каркасов с расположенными на их внутренней поверхности полупроницаемыми мембранами, установлены вертикально и объединены в блоки, верхние части которых снабжены камерами с упругими оболочками, при этом блоки мембранных элементов в нижней части соединены по два в секции, а камера одного из блоков мембранных элементов каждой секции соединена с генератором колебаний.

РИСУНКИ

Рисунок 1