Трубчатый мембранный элемент

Изобретение относится к трубчатым мембранным элементам для разделения растворов и может быть использовано в пищевой, химической, микробиологической и других отраслях промышленности. Трубчатый мембранный элемент содержит пористый каркас с уложенной на его внутренней стороне полупроницаемой мембраной, внутри которой установлено турбулизирующее устройство, закрепленное в торцевых крышках. Турбулизирующее устройство представляет собой цилиндр с турбулизаторами в виде кольцевых конических выступов с углом конуса 45-46°, переменным внешним диаметром и проточками со скругленным дном между ними. Поверхность, описывающая внешние диаметры турбулизаторов, имеет коническую форму. Наличие сужающегося канала для потока разделяемого раствора обеспечивает одинаковую по всей длине мембранного элемента интенсивность массообмена. Технический результат - упрощение конструкции и повышение производительности процесса мембранного разделения. 3 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для разделения растворов баромембранными способами и может быть использовано в пищевой, химической микробиологической, и других отраслях промышленности.

Известен мембранный элемент для разделения жидких сред методом ультрафильтрации (см. патент RU №2050177, В01D 63/06, опубл. 12.12.95), содержащий пористый трубчатый каркас с расположенной на его внутренней поверхности полупроницаемой мембраной и подвижное турбулизирующее устройство, выполненное в виде набора пластин, закрепленное на цилиндре соосным мембране и вращающееся под воздействием разделяемого потока у поверхности цилиндра.

Недостаток элемента - сложность конструкции, возможность повреждения поверхности мембраны движущимся турбулизирующимся устройством и уменьшение интенсивности массообмена по длине мембранного элемента. Сомнительна и возможность длительной работы конструкции турбулизирующего устройства, выполненного в виде набора пластин, установленных наклонно и закрепленных в обойме, которая установлена консольно. В процессе эксплуатации несомненно появление люфтов и перекосов, которые приведут к заклиниванию обоймы и механическому повреждению мембраны. При этом вероятность таких повреждений растет с уменьшением зазоров между цилиндром и обоймой, обоймой и мембраной, величина которых должна быть минимальна с точки зрения эффективности турбулизации потока.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому аппарату трубчатый элемент (см. а.с. SU №521902 В01D 13/00), содержащий пористый каркас, внутри которого расположена подложка из тканевого или пористого полимерного материала с уложенной на ее внутренней стороне полупроницаемой мембраной. Внутри элемента установлено турбулизирующее спиралевидное устройство, которое закреплено в торцевых крышках.

Недостаток элемента - низкая степень турбулизации и уменьшение интенсивности массообмена по длине мембранного элемента. Турбулизирующее спиралевидное устройство, имеющее в сечении многоугольник и образующее спиралевидные каналы, за счет действия центробежных сил создает направленный поток более тяжелых компонентов (в большинстве случаев при ультрафильтрации отделяются тяжелые фракции) к разделяющей поверхности мембраны. Таким образом, спиральные каналы создают эффект центробежного разделения и на поверхности мембраны в лучшем случае будет образовываться слой с повышенным содержанием более плотных частиц, препятствующих процессу мембранного разделения, в худшем случае произойдет образование плотного слоя с высоким гидравлическим сопротивлением.

Технической задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции, повышение интенсивности массообмена и производительности процесса мембранного разделения.

Технический результат достигается тем, что в трубчатом мембранном элементе, содержащим пористый каркас с уложенной на его внутренней стороне полупроницаемой мембраной, внутри которой установлено турбулизирующее устройство, закрепленное в торцевых крышках, крепление пористого каркаса к торцевым крышкам осуществлено посредством круглой резьбы, а турбулизирующее устройство представляет собой цилиндр с турбулизаторами в виде кольцевых конических выступов с углом конуса 45-46°, переменным внешним диаметром и проточками со скругленным дном между ними.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых элементов: отсутствием подложки из тканевого или пористого полимерного материала, способом крепления пористого каркаса в торцевых крышках, конструкцией турбулизирующего устройства, выполненного в виде цилиндра с турбулизаторами в виде кольцевых конических выступов с углом конуса 45-46°, переменным внешним диаметром и проточками со скругленным дном между ними.

На фиг.1 изображен предлагаемый мембранный элемент с разрезом, на фиг.2 - турбулизирующее устройство, фиг.3 - схема турбулентных потоков в разделяемой смеси.

Трубчатый мембранный элемент включает торцевые крышки 1 и 6, прокладки 2, полупроницаемую мембрану 3, пористый каркас 4, турбулизирующее устройство 5 и лоток для сбора пермеата 7. Турбулизирующее устройство 5 состоит из цилиндрического корпуса 8, конусов 9 с углом 45...60°, центрирующих пластин 10 и турбулизаторов 11. Пористый каркас 4 изготовлен из твердого пористого материала, например стекла или керамики, и крепится в торцевых крышках 1 и 6 посредством круглой резьбы 12.

Предложенный мембранный элемент работает следующим образом.

Разделяемый раствор через левую торцевую крышку 1 попадает внутрь мембранного элемента, проходит по зазору между турбулизирующим устройством 5 и полупроницаемой мембраной 3 и выходит из трубчатого мембранного элемента через правую торцевую крышку 6. Фильтрат (пермеат), прошедший через полупроницаемую мембрану и пористый каркас 4, собирается в лотке для сбора пермеата 7.

Герметичность соединения пористого каркаса 4 с торцевыми крышками 1 и 6 обеспечивается использованием прокладок 2 и круглой резьбы с зазором по всему профилю, равному толщине мембраны. Турбулизирующее устройство 5 имеет свободную посадку в торцевых крышках 1 и 6, что создает условия для беспрепятственной сборки. Осевое расположение турбулизирующего устройства обеспечивается центрирующими пластинами 10. Турбулизаторы 11 представляют собой кольцевые конические выступы с углом конуса 45-46° и переменным внешним диаметром. Поверхность, описывающая внешние диаметры турбулизаторов, имеет коническую форму с углом α.

Между внутренней поверхностью мембраны и турбулизирующей вставкой образован канал для прохода разделяемого раствора переменного сечения, средние значения которого уменьшаются по мере отвода фильтрата. Проточки между турбулизаторами имеют скругленное дно, что снижает величину коэффициента местного сопротивления, предотвращает образование отложений на поверхности турбулизирующей вставки и обеспечивает образование нестационарных вихрей в кольцевых проточках.

Диаметр последнего турбулизатора определяется из условия неизменности коэффициента массоотдачи по длине трубчатого мембранного элемента совместным решением уравнения материального баланса и критериального уравнения.

Максимальная интенсивность баромембранного разделения растворов наблюдается в случае турбулентного режима движения разделяемой смеси, при котором для определения коэффициента массоотдачи в условиях длинного канала (отношение длины канала L к определяющему диаметру канала d_э больше 60) обычно используется критериальное уравнение вида

Nu'=0,023·Re^0,8·(Pr')^1/3 или β·d_э/D=0,023·(w·d_э/ν)^0,8·(ν/D)^1/3,

где Nu' - массообменный критерий Нуссельта (Шервуда); Re - критерий Рейнольдса; Pr' - массообменный критерий Прандтля (Шмидта); β - коэффициент массоотдачи; dэ=Д-d - определяющий диаметр кольцевого канала; Д и d - диаметры кольцевого канала; D - коэффициент диффузии; w=Q/[0,785·(Д²-d²)] - скорость разделяемого потока; Q - объемный расход разделяемой смеси; ν - кинематическая вязкость разделяемого потока.

При несущественной зависимости физических свойств разделяемого потока от его состава диаметр последнего турбулизатора определяется по формуле

d_к=Д·[q+(Д/d)²-1]^0.5/q^0.5,

где q=Q/(Q-u·F) - степень изменения расхода в мембранном элементе; Q - начальный расход разделяемой смеси, м³/с; u - скорость фильтрата по нормали к поверхности мембраны (удельная производительность мембраны), м/с; F - рабочая поверхность мембраны, м²; Д - внутренний диаметр мембраны, м; d - наружный диаметр первого по ходу разделяемого раствора турбулизатора, м.

В тех случаях, когда необходимо учесть зависимость физических свойств разделяемого потока от его состава, диаметр последнего турбулизатора рассчитывается из формулы

[(Д+d_к)/(Д+d)]^0,8·(Д-d_к)/(Д-d)=(ν_к/ν)^0,467·(D/D_к)^0,667/q^0,8,

где ν и D - кинематическая вязкость и коэффициент диффузии входящей разделяемой смеси на входе, м²/с; ν_к и D_к - то же, на выходе из мембранного элемента.

Для других гидродинамических режимов вид уравнения находится по выбранному критериальному уравнению для определения коэффициента массоотдачи.

Угол конической поверхности, описывающей внешние диаметры турбулизаторов, определяется по формуле

α=arctg[(d_к-d)/L],

где L - длина рабочей поверхности мембраны, м.

Упрощение конструкции достигается за счет исключения подложки из тканевого или пористого полимерного материала.

Использование сужающегося канала для потока разделяемого раствора позволяет поддерживать постоянные гидродинамические условия процесса разделения раствора и одинаковую по всей длине мембранного элемента интенсивность массообмена, близкую к характерной для входного участка и превышающую среднюю интенсивность массообмена при неизменном среднем сечении разделяемого потока.

Использование турбулизаторов в виде кольцевых конусов со скругленным дном в проточках между ними снижает величину коэффициента местного сопротивления, обеспечивает образование нестационарных вихрей, возникающих в результате отрыва потока разделяемой смеси от острой кромки турбулизатора. Нестационарные вихри снижают концентрационную поляризацию и предотвращают образование отложений на поверхностях мембраны и турбулизирующей вставки, в результате чего интенсифицируется массообмен и повышается производительность процесса мембранного разделения. Повышение производительности достигается также за счет исключения подложки из тканевого или пористого полимерного материала, которая оказывает дополнительное гидравлическое сопротивление и снижает полезно используемый перепад давлений.

В одинаковых условиях были проведены испытания прототипа и предлагаемого мембранного элемента с поверхностью фильтрации 1 м² (диаметр мембраны 40 мм, длина 800 мм) и кольцевым зазором для прохода разделяемой смеси, равным 1,5 мм. При ультрафильтрации диффузионного сока сахарной свеклы на мембране УПМ-50 по сравнению с прототипом производительность предлагаемого элемента оказалась на 23% выше, а время безрегенерационной работы выросло в 1,8 раза. При очистке жомопрессовой воды микрофильтрацией на мембране УФМ-100 положительный эффект использования турбулизаторов составил: увеличение производительности 8÷12%; увеличение времени безрегенерационной работы в 1,4 раза.

Внешний диаметр первого по ходу разделяемого раствора турбулизатора на предлагаемом элементе составил 37 мм, вязкость диффузионного сока на входе ν_н=1,29·10^-6, на выходе ν_к=1,31·10^-6 м²/с, расход разделяемого раствора Q_н=2,72·10^-4 м³/c.

Трубчатый мембранный элемент, содержащий пористый каркас с уложенной на его внутренней стороне полупроницаемой мембраной, внутри которой установлено турбулизирующее устройство, закрепленное в торцевых крышках, отличающийся тем, что крепление пористого каркаса к торцевым крышкам осуществлено посредством круглой резьбы, а турбулизирующее устройство представляет собой цилиндр с турбулизаторами в виде кольцевых конических выступов с углом конуса 45-46°, переменным внешним диаметром и проточками со скругленным дном между ними, при этом поверхность, описывающая внешние диаметры турбулизаторов, имеет коническую форму.