Мембранный трубчатый модуль
Изобретение относится к трубчатым мембранным аппаратам для фильтрации жидкостей в режиме перекрестноточной ультра-, микро- или диафильтрации. Мембранный трубчатый модуль содержит кожух, два фитинга для подвода и отвода обрабатываемой жидкости и мембранный трубчатый фильтрующий элемент. Фильтрующий элемент состоит из нескольких открытопористых трубок, внутренняя поверхность которых покрыта полупроницаемой мембраной, а концы загерметизированы в обоймах. Для герметизации напорных камер обрабатываемой жидкости и камеры сбора фильтрата служат эластичные кольца, надетые на обоймы фильтрующего элемента. При стяжке концов кожуха и фитингов эластичные кольца заполняют кольцевые полости, образованные за счет фаски, выполненной на концах кожуха или фитингов. Технический результат - надежность, удобство в изготовлении и эксплуатации, уменьшение эксплуатационных затрат. 3 ил.
Изобретение относится к трубчатым мембранным модулям, используемым в перекрестноточных процессах микро-, ультра- или диафильтрации при концентрировании и/или разделении на компоненты жидких сред.
Трубчатый мембранный модуль для перекрестноточной фильтрации обычно содержит кожух, фитинги к нему для подвода и отвода обрабатываемой жидкой среды и мембранный трубчатый фильтрующий элемент внутри кожуха; на кожухе имеется патрубок для отвода фильтрата; фильтрующий элемент может содержать одну или несколько трубок, внутренняя поверхность которых покрыта полупроницаемой мембраной, а концы с обеих сторон герметизированы в обоймах, которые фиксируются в кожухе модуля.
Известен мембранный трубчатый модуль (пат. США 3834545), содержащий кожух в виде трубы с фланцами на концах и мембранный трубчатый фильтрующий элемент, состоящий из нескольких открытопористых трубок, внутренняя поверхность которых покрыта полупроницаемой мембраной, а на концах с внутренней и наружной стороны размещены тонкие резиновые уплотнения, при этом на уплотнение, находящееся на внутренней части конца трубки, установлено распорное металлическое кольцо; концы трубок с уплотнениями расположены в обоймах, выполненных в виде трубных решеток.
Недостатком конструкции известного модуля является то, что при резких температурных изменениях возможна разгерметизация и попадание исходной жидкости в фильтрат. Разгерметизация возможна также при абразивном износе или другом повреждении тонкослойного резинового уплотнения, а также при некачественной установке распорного металлического кольца на уплотнении внутри открытопористой трубки с мембраной. Кроме того, сильно затруднен монтаж открытопористых трубок с мембранами и резиновыми уплотнениями в обоймах, особенно вторых концов трубок.
Известен (пат. США 4747946) трубчатый мембранный модуль, содержащий кожух и трубчатый мембранный фильтрующий элемент внутри кожуха, состоящий из нескольких открытопористых трубок из нетканого материала, внутренняя поверхность которых покрыта полупроницаемой мембраной, а концы загерметизированы в обоймах в виде трубных решеток, выполненных из отвержденного эпоксидного компаунда.
Недостатком известного модуля является трудность качественной герметизации концов трубок в кожухе с одной, а затем с другой стороны. При этом конец полупроницаемой мембраны слабо защищен и может сдираться потоком обрабатываемой жидкости, скорость которого обычно составляет 3-5 м/с. После изготовления обойм на концах пучка открытопористых трубок известный модуль представляет собой единую неразъемную конструкцию, состоящую из кожуха и находящегося внутри него трубчатого мембранного фильтрующего элемента. В случае выхода из строя какой-либо открытопористой трубки, мембраны или неудачной заливки обоймы ни одна из составляющих модуля не может быть повторно использована по прямому назначению.
Известен мембранный аппарат (SU 1238297 A, 10.07.99), содержащий секции блоков трубчатых мембранных элементов, каждый из которых состоит из дренажных трубок, на внутренней поверхности которых размещена полупроницаемая мембрана, а по оси каналов установлены турбулизирующие вставки в виде натянутого гибкого шнура.
Недостатком известного мембранного аппарата является большое количество съемных стыкуемых друг с другом элементов (диффузор, конфузор, корпус, блоки мембранных трубчатых фильтрующих элементов, крайние трубные решетки, прижимные трубные решетки, резиновые кольца, уплотнительные прокладки между диффузором (конфузором) и крайними трубными решетками, между фланцами корпуса и прижимными трубными решетками, междусекционные прокладки с большим количеством просечек для перехода обрабатываемой жидкости из одной секции в другую, турбулизирующие вставки и закрепляющие их по концам шпильки). Аппарат сложен конструктивно, предъявляет высокие требования к допускам по размерам у сопрягаемых составляющих, неудобен при изготовлении и в сборке, при которой возможна поломка трубок у блоков фильтрующих элементов, т.к. прижимные и крайние трубные решетки, диффузор, конфузор, а также плоские уплотнительные прокладки между ними висят на обоймах блоков относительно непрочных опорных трубок мембранных трубчатых фильтрующих элементов. Наличие большого количества уплотнительных прокладок, в том числе сложной конфигурации, делает ненадежным разделение и герметизацию напорной камеры от камеры сбора фильтрата. В этом аппарате невозможен контроль качества фильтрата с каждого блока фильтрующих элементов, а в случае какого-либо дефекта фильтрующих элементов из системы баромембранной фильтрации выводится весьма большая доля фильтрующей поверхности. Используемые в известном аппарате гибкие вставки улучшают турбулизацию обрабатываемой жидкой смеси, но за счет поперечно-продольных колебаний повреждают мембрану, что приводит к выходу из строя фильтрующих элементов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является трубчатый мембранный модуль (пат. США 5100549). Он содержит кожух и два фитинга к нему из поливинилхлорида, которые склеены с кожухом эпоксидным адгезивом, и трубчатый мембранный фильтрующий элемент внутри кожуха. Трубчатый мембранный фильтрующий элемент состоит из нескольких открытопористых трубок, внутренняя поверхность которых покрыта полупроницаемой мембраной, а концы трубок с мембранами размещены в углублениях специальной трубной решетки и загерметизированы вместе с этой решеткой эпоксидным компаундом внутри кожуха с образованием обоймы и неразъемной конструкции мембранного трубчатого модуля.
Недостатком известного модуля являются трудности сборки пучка открытопористых трубок с мембранами в узких углублениях специальных трубных решеток и обеспечения качественной герметизации камеры сбора фильтрата в кожухе от напорных камер, образуемых фитингами и обоймами, полученными путем заливки и отверждения, эпоксидного компаунда в узких полостях межтрубного пространства и между внутренней поверхностью кожуха и наружной поверхностью трубной решетки специальной конструкции. Кроме того, для изготовления модуля все его составляющие должны иметь малые допуски по размерам и близкие температурные коэффициенты расширения, а также хорошо склеиваться эпоксидным адгезивом.
Наиболее подходящим материалом для изготовления составляющих известного трубчатого мембранного модуля является, как указано в патенте, поливинилхлорид. Однако этот полимер может быть использован только при относительно низких температурах (не выше 60°С), сильно стареет и хрупок.
Недостатком известного трубчатого мембранного модуля является и то, что он выполнен в виде единой неразъемной конструкции, и в случае каких-то дефектов в мембранном фильтрующем элементе или в местах герметизации ликвидации подлежит мембранный трубчатый модуль полностью, без повторного использования по прямому назначению каких-либо его составляющих (кожуха, фитингов, мембранного трубчатого фильтрующего элемента).
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание трубчатого мембранного модуля для фильтрации с подачей обрабатываемой жидкости внутрь трубок более совершенной конструкции, удобного в сборке, более надежного в эксплуатации с меньшими требованиями к допускам в размерах у составляющих модуля, с возможностью использования широкого ассортимента материалов для изготовления, возможностью замены и повторного использования отдельных составляющих модуля по прямому назначению.
Это достигается тем, что в трубчатом мембранном модуле, содержащем кожух, два фитинга к нему для подвода и отвода обрабатываемой жидкости и трубчатый мембранный фильтрующий элемент внутри кожуха, состоящий из нескольких открытопористых трубок, внутренняя поверхность которых покрыта полупроницаемой мембраной, а концы загерметизированы в обоймах в виде трубных решеток, согласно изобретению при стяжке концов кожуха и фитингов за счет имеющихся у них фасок образуются кольцевые полости, которые заполняются деформируемыми упругоэластичными кольцами, надетыми на обоймы мембранного трубчатого фильтрующего элемента.
На фиг.1 изображен один из преимущественных вариантов мембранного трубчатого модуля, представленного в настоящем изобретении, на фиг.2 - общий вид составляющих мембранного трубчатого модуля в месте их стыковки с разрезом стыкуемого конца фитинга, на фиг.3 - узел стыковки составляющих мембранного трубчатого модуля в разрезе.
Мембранный трубчатый модуль (фиг.1) содержит кожух 1 с фланцами 2 и патрубком 3 для фильтрата, два фитинга 4 к нему для подвода и отвода обрабатываемой жидкости и трубчатый мембранный фильтрующий элемент 5 (фиг.2) внутри кожуха, состоящий из нескольких открытопористых трубок 6, внутренняя поверхность которых покрыта полупроницаемой мембраной, а концы загерметизированы в обоймах 7 в виде трубных решеток.
На обоймах 7 трубчатого мембранного фильтрующего элемента расположены эластичные кольца 8 (фиг.2), которые при стяжке концов кожуха и фитингов (в приведенном варианте - фланцев) деформируются, обтягивают обойму, закрывают просветы между кожухом и обоймой, между фитингом и обоймой и таким образом разделяют и герметизируют камеру сбора фильтрата в кожухе от напорной камеры с обрабатываемой жидкостью, которая создается обоймами фильтрующего элемента и фитингами. Фаски (9) на концах фитингов (фиг.2, 3) или кожуха при стяжке образуют кольцевые полости, заполняемые упругоэластичными кольцами при их деформации. Это обеспечивает одновременно с герметизацией вышеуказанных камер и фиксацию трубчатого мембранного фильтрующего элемента в кожухе модуля за счет обхвата обойм.
Каждый из составляющих (кожух, трубчатый мембранный фильтрующий элемент и фитинги) мембранного трубчатого модуля изготавливается отдельно и поставляется для сборки модулей в установках ультра-, микро- или диафильтрации. Одни из них (кожух, фитинги) служат 15 лет и более, другие (трубчатый мембранный фильтрующий элемент) - кратковременно (1-5 лет) и заменяются по мере выхода из строя новыми.
Трубчатый мембранный фильтрующий элемент для заявляемого мембранного модуля может быть изготовлен, например, согласно пат. РФ 2156645, а после выхода его из строя по причине износа или дефекта полупроницаемой мембраны может быть восстановлен в эксплуатационных свойствах согласно пат. РФ 2141372.
Упругоэластичное кольцо может иметь O-образную форму и изготавливаться из резины.
Кожух и фитинги могут быть изготовлены из металла и/или пластмассы любого типа (полипропилен, полиэтилен, поливинилхлорид, полисульфон и другие).
Мембранный трубчатый модуль работает следующим образом. В установке мембранного разделения (на чертеже не показана, так как не является предметом настоящего изобретения) один или обычно несколько (последовательно соединенных с помощью фитингов 4) мембранных трубчатых модулей крепят на раме и обвязывают с насосом и емкостью, куда заливают обрабатываемую жидкость.
При включении насоса обрабатываемая жидкость под давлением не более 0,7 МПа, со скоростью 3-5 м/с прокачивается насосом над полупроницаемой мембраной внутри открытопористых трубок 6. Компоненты обрабатываемой жидкости, проходящие через полупроницаемую мембрану, образуют фильтрат, который собирается в кожухе 1 и сливается через патрубок 3 в сборник фильтрата, а оставшаяся жидкость с компонентами, задерживаемыми полупроницаемой мембраной, сливается в исходную емкость и затем многократно циркулируется через мембранный трубчатый модуль до достижения требуемой концентрации задерживаемых полупроницаемой мембраной компонентов.
Предлагаемый модуль содержит небольшое количество составляющих. Имеет более совершенную и надежную конструкцию, прост в изготовлении без жестких допусков к размерам сопрягаемых составляющих, удобен при сборке и эксплуатации, может быть изготовлен из различных пластмасс и металла или того и другого одновременно. Этот модуль обеспечивает надежное разделение и герметизацию напорной камеры сбора фильтрата и одновременно надежную фиксацию фильтрующего элемента в кожухе модуля от сдвига при атаке высокоскоростного (3-5 м/с) потока обрабатываемой жидкости, обеспечивается также контроль качества фильтрата, поступающего с фильтрующего элемента; при необходимости отключения выхода фильтрата в общий коллектор фильтрата со всей установки доля потери площади фильтрации незначительна.
Длительные испытания мембранного трубчатого модуля предлагаемой конструкции показали удобство его в сборке, эксплуатации, надежность и долговечность в работе.
Мембранный трубчатый модуль, содержащий кожух, два фитинга для подвода и отвода обрабатываемой жидкости, расположенный внутри кожуха мембранный фильтрующий элемент, состоящий из нескольких открытопористых трубок, внутренняя поверхность которых покрыта полупроницаемой мембраной, а концы загерметизированы в обоймах, выполненных в виде трубных решеток, отличающийся тем, что на концах кожуха или фитингов выполнена фаска с возможностью образования кольцевой полости при стяжке кожуха и фитингов, причем в кольцевой полости расположено эластичное кольцо, надетое на обойму.
