Мембранный аппарат с нестационарной гидродинамикой

 

Изобретение относится к области разделения, концентрирования и опреснения различных растворов методами обратного осмоса и ультрафильтрации и может быть использовано в пищевой, фармацевтической, микробиологической промышленности, а также на предприятиях агропромышленного комплекса. Технический результат - повышение производительности мембранного аппарата за счет улучшения гидродинамических условий потока разделяемого раствора. В мембранном аппарате с нестационарной гидродинамикой, включающем трубчатые мембранные модули, выполненные в виде пористых тел с нанесенными на внутреннюю поверхность полупроницаемыми мембранами, патрубки для ввода исходного раствора, вывода фильтрата и концентрата, полупроницаемый рукав, расположенный коаксиально мембранной поверхности, элементы, соединенные между собой звеньями цепи, согласно изобретению элементы выполнены шаровыми и приводимыми в движение посредством ведущей и ведомой звездочек. Шаровые элементы имеют возможность перемещения в непроницаемом рукаве вдоль мембранной поверхности. 3 ил.

Изобретение относится к области разделения, концентрирования и опреснения различных растворов методами обратного осмоса и ультрафильтрации и может быть использовано в пищевой, фармацевтической, микробиологической промышленности, а также на предприятиях агропромышленного комплекса.

Известны мембранные элементы (а.с. N 1367995, кл. В 01 D 13/00, 1988 г. ), содержащие пористые трубчатые каркасы с полупроницаемыми мембранами и турбулизирующими устройствами, выполненными в виде закрепленной в торцовых крышках оси, на которой размещены вращающиеся втулки с лопастями.

Недостатком известного мембранного элемента являются неэффективность работы мембран в ламинарном режиме, неравномерный гидродинамический режим по длине аппарата, а также повышенный расход исходного раствора.

Известен мембранный аппарат (а.с. N 1034754, кл. В 01 D 13/00, 1983 г.), состоящий из корпуса со штуцерами ввода разделяемой смеси и вывода продуктов, мембранного элемента, выполненного в виде герметизированного по трем сторонам сложенного гармошкой пакета из двух плоских полупроницаемых мембран и размещенного между ними дренажа, обоймы, в которой закреплена негерметизированная сторона пакета.

Недостатком известного мембранного аппарата является сложность и большая трудоемкость сборки и замены мембран.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является мембранный элемент трубчатого типа (а.с. N 1502042, кл. В 01 D 13/00, 1989 г. ), содержащий пористый каркас, расположенную на его внутренней поверхности полупроницаемую мембрану и турбулизирующую вставку, выполненную в виде цепи или ленты.

Недостатком известного мембранного элемента является возможность повреждения мембраны в результате механической очистки.

Технической задачей изобретения является повышение производительности мембранного аппарата за счет улучшения гидродинамических условий потока разделяемого раствора вследствие снижения уровня концентрационной поляризации и исключения возможности повреждения мембран.

Техническая задача достигается тем, что в мембранном аппарате с нестационарной гидродинамикой, включающем трубчатые мембранные модули, выполненные в виде пористых тел, с нанесенными на внутреннюю поверхность полупроницаемыми мембранами, патрубки для ввода исходного раствора, вывода фильтрата и концентрата, полупроницаемый рукав, расположенный коаксиально мембранной поверхности, шаровые элементы, соединенные между собой звеньями цепи и приводимыми в движение посредством ведущей и ведомой звездочек, новым является то, что шаровые элементы имеют возможность перемещения в непроницаемом рукаве вдоль мембранной поверхности.

На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый мембранный аппарат; на фиг. 2 - элемент мембранного аппарата; на фиг. 3 - схема гидродинамического процесса.

Аппарат содержит мембранные модули 1 (фиг. 1), выполненные в виде двух коаксиально расположенных цилиндров 2 и 3. Причем цилиндр 2 выполнен из непроницаемого для раствора материала, а цилиндр 3 - из пористого материала, на внутреннюю поверхность которого нанесена полупроницаемая мембрана 5. Цилиндры 2 и 3 снабжены штуцерами ввода исходного раствора 4, штуцерами вывода фильтрата 6 и концентрата 7. Внутри цилиндра 3 расположен непроницаемый рукав 8, выполненный, например, в виде гофрированной трубки, имеющей повышенный характер упругих деформаций. Для возникновения упругих деформаций непроницаемого рукава 8 предназначена вильчатая цепь 9 с шаровыми фторопластовыми элементами 10. Шарнир цепи 9 является, в свою очередь, осью 11 (фиг. 2), которая закрепляет шаровые элементы 10 между собой. Для предотвращения осевых перемещений шаровых элементов 10 предназначены фторопластовые втулки 12 и стопорные кольца 13. Непроницаемый рукав 8 при помощи фланцевого соединения 14 закрепляется внутри цилиндра 3. Для приведения вильчатой цепи в движение предназначены ведущая 15 и ведомая 16 звездочки, имеющие в торцовой стороне вырезы для захвата звеньев цепи 9 и шаровых элементов 10.

Мембранный аппарат работает следующим образом.

Исходный раствор подается через штуцеры 4 в мембранные модули 1 под определенным давлением противоточно движению цепи 9. Прошедший через полупроницаемые мембраны фильтрат отводится по каналам с помощью штуцеров 6, а образующийся в процессе разделения концентрат из напорного канала - через штуцеры 7. Исходный раствор, попадая в напорный канал мембранных модулей 1, претерпевает ряд гидродинамических изменений, в частности гидродинамических параметров разделяемой среды, например рабочего давления P_раб. и линейной скорости потока V_лин. по всей длине мембранной поверхности модулей 1. При движении шаровых элементов 10 внутри рукава 8 происходит деформация последнего, при которой обеспечивается необходимый зазор между поверхностями рукава 8 и мембраны 7.

Мембранный аппарат с нестационарной гидродинамикой может быть использован, например, для разделения, концентрирования и фракционирования продуктов микробиологического происхождения.

Течение разделяемого раствора вдоль мембранной поверхности зоны I (фиг. 3) неизбежно сопровождается увеличением его кинетической энергии и падением давления. Возникающая в этом случае турбулентность усиливается движением навстречу потоку цепи 9 с набором шаровых элементов 10, благодаря чему повышается сжатие разделяемой среды и срыв слоя высокомолекулярных соединений 17 с цилиндрических стенок мембранной поверхности 5. Молекулы разделяемого раствора по мере продвижения по зоне II преодолевают нарастающее давление за счет кинетической энергии потока, уменьшающейся вдоль этой зоны до некоторого момента, а также в направлении от оси модуля к мембранной поверхности. Периферийный поток, непосредственно прилегающий к мембране 5, обладает низким скоростным показателем, поэтому он не может преодолеть нарастающее давление и в некоторый момент времени возникают противоточные основному потоку перетоки, что также приводит к турбулизации разделяемой среды. Эффект турбулизации исходного раствора усиливается тем, что противоточное основному потоку движение цепи 9 с набором шаровых элементов 10 приводит к интенсивному пульсационному гидродинамическому режиму, который носит нестационарный временной характер.

Данный аппарат позволяет обеспечить - низкий уровень концентрационной поляризации вследствие противоточного движения цепи с набором шаровых элементов и разделяемого потока; - полную герметизацию отвода продуктов разделения, благодаря использованию непроницаемого рукава; - сохранность мембранной поверхности в результате защиты движущихся частей аппарата непроницаемым рукавом; - получение широкого диапазона производительности за счет изменения гидродинамических условий в аппарате, связанных с частотой вращения ведомой звездочки и скоростью прокачки разделяемого потока.

Формула изобретения

Мембранный аппарат с нестационарной гидродинамикой, включающий трубчатые мембранные модули, выполненные в виде пористых тел с нанесенными на внутреннюю поверхность полупроницаемыми мембранами, патрубки для ввода исходного раствора, вывода фильтрата и концентрата, полупроницаемый рукав, расположенный коаксиально мембранной поверхности, элементы, соединенные между собой звеньями цепи, отличающийся тем, что элементы выполнены шаровыми, приводимыми в движение посредством ведущей и ведомой звездочек, и имеют возможность перемещения в непроницаемом рукаве вдоль мембранной поверхности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3