Мембранный аппарат

 

Изобретение относится к устройствам для мембранного разделения и может быть использовано в химической, пищевой и других отраслях промышленности. Мембранный аппарат включает пакет сжигаемых между двумя плитами чередующихся мембранных и промежуточных элементов, содержащих рамки с отверстиями для ввода разделяемой смеси и вывода продуктов разделения, часть которых переточными прорезями соединена с внутренним пространством рамок, заполненным дренажным или турбулизирующим устройством. При этом рамки снабжены вставками, перекрывающими переточные прорези с образованием каналов. Вставки могут быть выполнены в виде пластин с центральным отверстием, расположены с обеих сторон рамки и герметично с ней скреплены. Вставки могут быть выполнены в виде пластин, расположенных над переточными прорезями с обеих сторон рамки, или в виде двух соединенных перемычками пластин, установленных в прорезях. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к устройствам мембранного разделения, применяемым в химической, пищевой и др. отраслях производства.

Заявляемый аппарат относится к таким устройствам, которые могут работать в режиме регенерации мембран обратным током фильтрата (пермеата).

Цель изобретения повышение надежности работы аппарата, заключающейся в предотвращении смешивания необработанной и обработанной (прошедшей через мембрану) смеси.

Известны аппараты, содержащие пакет чередующихся мембранных и промежуточных элементов, сжимаемых между двумя плитами (Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы. М. 1986, с.41). Элементы изготовлены в виде пластин, имеющих рифления на своей поверхности. Недостаток этих аппаратов заключается в невозможности проведения достаточно эффективной регенерации мембран обратным током фильтрата.

Наиболее близким по сущности к заявляемому является аппарат по заявке ЕПВ N 0185067, кл. B01D 13/00, 1989 (прототип).

Этот аппарат включает пакет сжимаемых между двумя плитами чередующихся мембранных и промежуточных элементов в виде рамок с отверстиями для ввода разделяемой смеси и вывода продуктов разделения. Часть отверстий переточными прорезями (под термином "прорезь" понимается разомкнутое в перпендикулярном сечении отверстие) соединена с внутренним пространством (окном) рамок, заполненным дренажным или турбулизирующим устройством. Мембранные элементы несут на своих поверхностях мембраны.

Недостатком прототипа является то, что под воздействием усилия сжатия пакета мембраны прогибаются внутрь переточных прорезей. В результате этого нарушается герметичность и создаются условия для перетока разделяемой смеси в фильтрат (пермеат). Селективность процесса снижается, что приводит к снижению надежности работы аппарата в целом, особенно при увеличенной ширине прорези (более 2 мм).

Цель изобретения достигается тем, что рамки снабжены вставками, перекрывающими переточные прорези с образованием каналов (под термином "канал" понимается сомкнутое по периметру в перпендикулярном сечении отверстие).

Сущность изобретения иллюстрируется приведенными фигурами. На фиг.1 представлен сложный горизонтальный продольный разрез аппарата по отверстиям и переточным каналам в несжатом состоянии. На фиг.2 показана рамка элемента по варианту исполнения вставки в виде пластины с центральными отверстиями, герметично скрепленной с поверхностью рамки, включая зоны между отверстиями и переточными прорезями, а на фиг.3 сечение рамки со вставками по В-В фиг.2. На фиг.4 показана рамка аппарата со вставками, выполненными в виде пластин, расположенных над переточными прорезями, а на фиг.5 разрез по С-С фиг.4. На фиг.6 представлена рамка элемента со вставками, выполненными в виде двух соединенных перемычкой пластин и установленными в прорезях, а на фиг.7 - разрез по Д-Д фиг.6. На фиг.8 показан мембранный элемент аппарата со вставками с перемычками, а на фиг.9 его разрез по Е-Е фиг.8.

Мембранный аппарат содержит пакет мембранных 1 и промежуточных 2 элементов, сжимаемых между двумя плитами 3. Мембранный и промежуточный элементы представляют собой рамки 4, имеющие отверстия 5, образующие в пакете элементов отдельные коллекторы ввода разделяемой смеси и вывода продуктов разделения. Эти коллекторы дополняют отверстия 6, 7, 8 в плитах 3, где 6 - отверстие ввода смеси, 7 отверстие вывода концентрата и 8 вывода (или ввода) фильтрата (пермеата). Часть отверстий 5 соединяется переточными прорезями 9 с внутренним пространством (окном) рамки, причем коллекторы разделяемой смеси и концентрата соединяются с пространством рамок промежуточных элементов, а коллекторы фильтрата с пространством рамок мембранных элементов. Рамки мембранных и промежуточных элементов могут быть выполнены идентичными и одновременно асимметричными относительно оси О-О, как это видно на фиг.2, 4, 6, или неидентичными и одновременно симметричными, как это показано на фиг. 8. Рамки могут иметь разнообразную форму: прямоугольную, круглую, эллипсную и др.

Рамки снабжаются дренажным устройством (оснасткой) для мембранного элемента, или турбулизирующим устройством (оснасткой) для промежуточного элемента 10, причем эти устройства по конструкции и материалу могут быть как идентичными для всех элементов, так и различными.

Рамки элементов снабжены вставками 11, предотвращающими прогиб мембраны внутрь переточной прорези 9. Вставки 11 могут быть выполнены в виде пластин с центральными отверстиями, герметично скрепленных с поверхностью рамок, включая промежутки между отверстиями 5 и переточными прорезями 9, как это показано на фиг.2 и 3. Они могут также выполняться в виде пластин над переточными прорезями 9, накладываемых на поверхности рамок, как это показано на фиг.4 и 5, а также в виде двух соединяемых перемычками 13 пластин, составляющих единое целое, как это показано на фиг.6, 7, 8 и 9.

Элементы 1 и 2 могут иметь уплотнительные устройства в виде прокладок 14 (фиг. 1), поясков, выступов 15 (фиг. 8 и 9) и т.д. Мембранный элемент 1 снабжен мембраной 12, которая накладывается с обеих сторон мембранного элемента. Размеры мембран могут совпадать с наружными размерами рамок или быть меньше. В первом случае мембраны должны иметь отверстия, совпадающие с отверстиями 5.

Рамки изготавливаются из достаточно жесткого и прочного материала, способного выдерживать нагрузки гидростатического давления внутри аппарата (например, из стали), а толщины материалов выбираются таким образом, чтобы суммарная толщина периферийных частей элемента превышала суммарную толщину частей элемента внутри окна. Последнее условие необходимо с целью возможности перемещения мембраны в момент перемены направления подачи жидкости для более эффективной регенерации обратным током фильтрата (пермеата).

В качестве полупроницаемых применяют мембраны, имеющие условный диаметр пор преимущественно 0,01 1,0 мкм (ультрафильтрационные) и изготовленные преимущественно из эластичных материалов, например, полимерных. Из отечественных могут использоваться мембраны типа Владипор УАМ, УПМ и др. Наиболее эффективно аппарат работает в том случае, если он укомплектован мембранами, разделение через которые коллоидных систем осуществляется по принципу с образованием осадка на поверхности мембран.

Вставки 11 могут быть изготовлены из различных материалов: металла, пластмассы. Они должны обладать достаточной жесткостью во избежание их деформации под действием усилия сжатия пакета и вдавливания внутрь переточных прорезей 9 (сталь, полиэтилен, поликарбонаты и др.). Крепление вставок к рамкам может осуществляться склеиванием, сваркой и пайкой, а также вовсе без них. В последнем случае предусматривается изготовление, например, литьем фасонных вставок специального профиля, позволяющего закрепить вставку в переточной прорези, как это показано на фиг.6 и 7.

Устройство (оснастка) 10 изготавливается из различных материалов, допускающих упругую деформацию, преимущественно пластмасс (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид и др.), в виде сеток, нитей, монолитных рифленых пластин и т.д. Предусматривается применение как однослойной, так и многослойной оснастки. На фиг.8 и 9 условно часть оснастки выполнена в виде сетки, а другая в виде нитей. Крепление оснастки осуществляется различными способами. По одному из них оснастка крепится путем пропитки ее краев на поверхности рамки эластичной композицией. В этом случае участок пропитки может одновременно выполнять функцию уплотнительного устройства 14. В другом случае крепление оснастки осуществляют либо к внутренним краям рамки, либо к внутренним краям уплотнительного устройства 14. В этом случае уплотнительное устройство (например, из резины) наносится на рамку путем наклеивания или литья (гуммированием).

Мембранный аппарат работает следующим образом. Смесь, подлежащая разделению, через отверстие 6 в плите 3 поступает под давлением в коллектор, образуемый отверстиями 5 в мембранных 1 и промежуточных 2 элементах. Разделяясь параллельно на ряд промежуточных элементов 2, она по переточным каналам 9 этих элементов проходит по турбулизирующему устройству (оснастке) 10 этих же элементов вдоль мембран 12 мембранных элементов. Проникшая через мембрану фракция смеси (фильтрат, пермеат) проходит по оснастке 10 мембранного элемента 1, которая играет роль дренажного устройства, и отводится через переточные каналы 9 мембранных элементов (на фиг.1 эти каналы в разрез не попадают и изображены пунктиром) в коллектор фильтрата и, далее, через отверстия 8 в плите 3, или два отверстия в обеих плитах. Не проникшая через мембрану фракция (концентрат, сброс) через переточные каналы промежуточных элементов 2 проходит в коллектор концентрата и далее через отверстие 7 в плите 3 отводится из аппарата.

В процессе работы (рабочий период) мембрана 12 прижата к дренажной оснастке 10 мембранного элемента 1 и в некоторой степени повторяет профиль этой оснастки. Процесс разделения ведут, как правило, при скорости смеси в межмембранных камерах порядка 0,1 2,5 м/с, позволяющей снизить концентрационную поляризацию, с отводом концентрата. Однако возможна работа и без отбора концентрата ("в тупик") при закрытом вентиле сброса. Продолжительность рабочего периода составляет от 5 мин до нескольких часов и суток в зависимости от показателей среды.

Во время рабочего периода одновременно с разделением веществ, находящихся в растворенном состоянии, на поверхности мембран накапливается осадок нерастворимых коллоидных частиц. Для его удаления применяют регенерацию мембран обратным током фильтрата (подачей его через мембрану в обратном направлении). С этой целью подачу разделяемой смеси в аппарат прекращают, одновременно включая подачу пермеата через отверстие 8 плиты 3. Промывку ведут под давлением, преимущественно на 10 25% превышающим рабочее. При этом мембрана 12 пригибается в обратном направлении, прижимаясь к турбулизирующей оснастке 10 промежуточных элементов 2. В момент перехода от рабочего периода к промывному, который продолжается несколько секунд, мембрана скользит по выступам этой оснастки, повторяя ее профиль. Скольжение способствует лучшему удалению осадка под давлением промывки, чем обеспечивается эффективность регенерации. Осадок вместе с промывной жидкостью сбрасывается через отверстия 6 и 7 плит 3. Цикл повторяется.

Преимущество заявляемого аппарата в сравнении с прототипом заключается в повышении надежности работы аппарата, под которой понимается способность аппарата, укомплектованного мембранами, полностью задерживающими определенное вещество, сохранять усредненную селективность по этому веществу, близкую к единице, при многократной замене мембран. Таким образом надежность может быть охарактеризована способностью сохранять усредненную по аппарату селективность, вычисляемую по формуле R=(1-C_p/C_u)·100, где C_p концентрация задерживаемых мембраной веществ в фильтрате (пермеате); С_u концентрация задерживаемых мембраной веществ в разделяемой смеси.

В свою очередь, усредненная селективность является функцией многих конструктивных и технологических параметров, влияющих на протечки разделяемой смеси в пермеат в зоне переточного канала: складки и сквозные дефекты мембран, ее толщина и жесткость, эластичность уплотнительного устройства, ширина и высота переточного канала, усилие сжатия пакета, рабочее давление, скорость разделяемой смеси в переточном канале и т.п.

Нами утверждается, что возможное отрицательное влияние указанных параметров устраняется применением вставок.

Формула изобретения

1. Мембранный аппарат, включающий пакет сжимаемых между двумя плитами чередующихся мембранных и промежуточных элементов, содержащих рамки с отверстиями для ввода разделяемой смеси и вывода продуктов разделения, часть которых переточными прорезями соединена с внутренним пространством рамок, заполненным дренажным или турбулизирующим устройством, отличающийся тем, что рамки снабжены вставками, перекрывающими переточные прорези с образованием каналов.

2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что вставки выполнены в виде пластин с центральным отверстием, расположенных с обеих сторон рамки и герметично с нею скрепленных.

3. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что вставки выполнены в виде пластин, расположенных над переточными прорезями с обеих сторон рамок.

4. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что вставки выполнены в виде двух соединенных перемычками пластин, установленных в прорезях.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9