Фильтровальная установка для разделения частиц суспензии по их размерам

Предложена фильтровальная установка для разделения частиц суспензий по их размерам, состоящая из пористого трубчатого каркаса, на внешней поверхности которого расположена микропористая подложка с полупроницаемой мембраной, где внутри трубчатого элемента установлен гидродинамический кавитационный реактор, выполненный в виде втулки переменного сечения, состоящей из последовательно расположенных конфузора и проточной камеры, полость проточной камеры выполнена в виде цилиндрического участка и диффузора, внутри диффузора установлен конусный кавитатор, при этом угол у вершины конуса диффузора, на котором расположен кавитатор меньше на 5-10 градусов угла у вершины конуса кавитатора, а длина цилиндрического участка равна его диаметру. Технический результат - повышение качества разделения частиц суспензии по их размерам, производительности мембранного процесса разделения суспензий по размерам частиц, эффективности очистки мембраны от задержанного ею слоя из осадков микрочастиц и крупных механических загрязнений, увеличение проницаемости и селективности мембраны, сокращение длительности процесса фильтрования. 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к устройствам для проведения процессов мембранного разделения различных суспензий методами обратного осмоса и ультрафильтрации и может быть использовано в пищевой промышленности, например, для разделения крахмальной суспензии на фракции по размеру крахмальных гранул.

Изобретение может найти применение также в химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, строительной и других отраслях промышленности.

Известен трубчатый мембранный аппарат с внутренним селективным слоем [1].

Недостатком этой конструкции является накопление растворенных веществ у поверхности мембраны, что ведет к увеличению сопротивления и уменьшению движущей силы процесса, а следовательно, и производительности аппарата.

Известен аппарат трубчатого типа, содержащий винтовые лопасти из эластичного материала, соприкасающиеся с поверхностью мембраны и вращающиеся под действием потока жидкости [2]. При вращении лопастей осуществляется очистка мембраны.

Недостатком конструкции является недостаточно эффективная очистка за счет того, что ограничена поверхность контакта лопастей с мембраной.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является трубчатый мембранный элемент [3] - прототип, содержащий пористый трубчатый каркас, расположенную на его внутренней поверхности полупроницаемую мембрану и установленную внутри трубчатого элемента турбулизирующую вставку, состоящую из втулок с отверстиями, имеющими в продольном сечении крылевидный профиль.

В этом устройстве производительность процесса возрастает за счет увеличения турбулизации потока разделяемого раствора, интенсификации массообмена и удаления высококонцентрированных веществ с поверхности мембраны путем смыва потоком разделяемой жидкости. Очистка мембраны в этом устройстве происходит только за счет увеличения скорости движения разделяемого раствора, достигаемого циркуляцией жидкости через отверстия между втулками без воздействия других физических факторов. Однако, увеличение скорости потока разделяемой жидкости не обеспечивает эффективной очистки мембраны от задержанного ею слоя из осадков микрочастиц и крупных механических загрязнений, что ограничивает производительность известного устройства и является его недостатком. Кроме того к недостатками прототипа еще являются: малая удельная поверхность мембран (60-200 м23), сложный монтаж трубчатых элементов.

При фильтрации разделяемой жидкой суспензии в мембранных аппаратах в результате концентрационной поляризации на поверхности мембраны образуется слой осадка микрочастиц, содержащихся в суспензии. В результате этого резко ухудшаются характеристики процесса разделения, быстро уменьшается проницаемость мембраны, снижается длительность фильтроцикла (время между регенерациями аппарата).

Для снижения концентрированной поляризации и повышения производительности процесса разделения рекомендуется создание мембранной установки с кавитационным реактором, что приводит к увеличению проницаемости и селективности мембраны вследствие снижения концентрации растворенных веществ в пограничном слое и выравнивания концентрации по всему сечению потока. Для этой цели предлагается применение кавитационного реактора, закрепленного внутри мембранного устройства.

Таким образом, технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение является повышение качества разделения частиц суспензии по их размерам, производительности мембранного процесса разделения суспензий по размерам частиц, эффективности очистки мембраны от задержанного ею слоя из осадков микрочастиц и крупных механических загрязнений, увеличение проницаемости и селективности мембраны, сокращение длительности процесса фильтрования.

Решение технической задачи достигается тем, что фильтровальная установка для разделения частиц суспензий по их размерам, состоящая из пористого трубчатого каркаса, на внешней поверхности которого расположена микропористая подложка с полупроницаемой мембраной, отличающаяся тем, что внутри трубчатого элемента установлен гидродинамический кавитационный реактор, выполненный в виде втулки переменного сечения, состоящей из последовательно расположенных конфузора и проточной камеры, полость проточной камеры выполнена в виде цилиндрического участка и диффузора, внутри диффузора установлен конусный кавитатор, при этом угол у вершины конуса участка диффузора, на котором расположен кавитатор меньше на 5-10 градусов угла у вершины конуса кавитатора, а длина цилиндрического участка равна его диаметру.

При использовании такого кавитационного реактора скорость потока воды, подаваемой внутрь реактора в определенный промежуток времени, будет возрастать по мере уменьшения сечения реактора. Благодаря этому на участке с большой скоростью потока происходит выделение парогазовых пузырьков, которые захлопываются на выходе из реактора, т.е. происходит кавитация. Воздействие кавитации способствует интенсификации процесса очистки мембраны от задержанного ею слоя осадка микрочастиц фильтруемой суспензии.

Суспензия (от позднелат. suspensio-подвешивание) - это дисперсная система, в которой дисперсной фазой являются частицы твердого вещества, находящиеся во взвешенном состоянии, а дисперсной средой - жидкость.

Крахмальная суспензия, подлежащая фильтрованию, представляет собой суспензию с температурой 45-50°С и содержанием 28-32% сухих веществ [4].

Основной величиной, характеризующей процесс фильтрования, является скорость, т.е. количество продукта, прошедшего в единицу времени через единицу площади поверхности фильтра. Эта скорость прямо пропорциональна разности давлений продукта при фильтровании и обратно пропорциональна вязкости фильтрата и общему сопротивлению осадка и фильтровальной перегородки. В дифференциальной форме это равно:

где W - скорость фильтрования, м32⋅с;

V - объем фильтрата, м3;

S - площадь поверхности фильтрования, м2;

τ - время фильтрования, с;

ΔP - разность давлений, н/м2 (Па);

μ - вязкость фильтрата, н.с./м2 (Па⋅с.);

Roc - сопротивление слоя осадка, м-1;

Rср.п. - сопротивление фильтровальной перегородки, м-1.

где ro - удельное объемное сопротивление осадка (сопротивление, оказываемое потоку фильтрата равномерным слоем осадка толщиной 1 м), м-2;

xo - отношение объемов осадка и фильтрата.

Таким образом, движущей силой процесса является разность давлений продукта по обе стороны фильтровальной перегородки.

Существенное влияние на скорость фильтрования оказывает вязкость жидкой фазы суспензии. Кроме того, важно учитывать и форму ячеек фильтровальной перегородки. Как известно, крахмальная суспензия содержит частицы (крахмальные гранулы) нативного крахмала. Основной структурной единицей строения (морфологии) нативного крахмала, обуславливающей его физико-химические свойства, является крахмальное зерно (гранула). Выявлено большое разнообразие форм крахмальных зерен. Были идентифицированы крахмальные зерна правильной и неправильной: овальной, округлой или многогранной формы.

Тонкость разделения определяется размером ячейки и формы сетки.

Также важно учитывать и материал, из которого изготовлены перегородки. В пищевой промышленности при разделении крахмальной суспензии наиболее устойчивыми к коррозии и безопасными являются пластмассовые фильтровальные перегородки. Обычно тонкость фильтрования пластмассовых перегородок составляет около 10 мкм, но можно изготовить сетку с ячейками размером в десятые доли микрометра.

Сетчатые фильтрующие элементы часто изготовляют многослойными, что несколько увеличивает тонкость и эффективность очистки, но приводит к росту гидравлического сопротивления фильтрующего элемента пропорционально количеству слоев сеток.

Структура образующегося при фильтровании осадка и, следовательно, его сопротивление потоку жидкости зависят от свойств твердых частиц и жидкой фазы суспензии, от условий фильтрования.

Предлагаемые наименования групп фракций крахмальных гранул нативного крахмала, согласно [5] в соответствии с размерами фракции приведены в табл. 1.

На фиг. 1 схематично показан мембранный элемент, продольный разрез в режиме фильтрования.

При работе в режиме фильтрования подача промывной воды в фильтровальную установку не осуществляется.

Мембранный элемент содержит корпус 6, внутри которого расположен трубчатый каркас 3, выполненный из пористых керамических, металлокерамических или пластмассовых порошковых материалов. На внешней поверхности каркаса расположена микропористая подложка 5, выполненная из пористого или тканого материала. На подложку уложена полупроницаемая мембрана 4, которая может быть выполнена из ацетата целлюлозы, полиамида, мелкопористой керамики или в виде напыленной металлической пленки. Внутри трубчатого мембранного элемента установлен кавитационный реактор 2, выполненный в виде втулки переменного сечения, состоящей из последовательно расположенных конфузора и проточной камеры, полость проточной камеры выполнена в виде цилиндрического участка и диффузора, внутри диффузора установлен конусный кавитатор. Реактор может быть выполнен из полимерного материала любым из известных способов, например, литьем. Подвод исходной суспензии и вывод из него концентрата производится соответственно через патрубки 1, 7.

На фиг. 2 продемонстрированы различные возможные варианты форм ячеек фильтровальной перегородки:

- фиг. 2 а - в виде квадрата;

- фиг. 2 б - в виде круга;

- фиг. 2 в - в виде параллелограмма;

- фиг. 2 с - в виде ромба.

Трубчатый мембранный элемент работает следующим образом.

Исходная суспензия подается под необходимым давлением, определяемым проницаемостью мембраны, подложки и каркаса через патрубок 1, проходит через между стенками мембраны и выводится в виде концентрата через патрубок 7. По мере движения суспензии внутри трубчатого элемента часть его фильтруется через мембрану 4, подложку 5 и пористый каркас 3 и выводится наружу через центральный патрубок.

На фиг. 3 схематично показан мембранный элемент, продольный разрез в режиме промывки.

При работе в режиме промывки подача исходной суспензии в фильтровальную установку не осуществляется. Происходит подача промывной воды внутрь трубчатого элемента с установленным гидродинамическим кавитационным реактором.

По мере протекания процесса фильтрования происходит нарастание слоя осадка на поверхности мембраны 4, скорость процесса снижается. Именно в этот момент вступает в работу кавитационный реактор 2, внутрь которого подается жидкость (промывная вода). При движении этой жидкости внутри кавитационного элемента скорость потока значительной возрастает в узком сечении, создаваемо цилиндром большего диаметра, при этом здесь возникают завихрения и пульсации потока с отрывом его от поверхности мембраны, что способствует смыву слоя осадка с поверхности мембраны и снижения концентрации частиц разделяемой суспензии. Увеличение скорости потока в узком сечении приводит также к уменьшению давления, вплоть до образования вакуума, благодаря чему происходит интенсивное парообразование с выделением газов на этом участке. Парогазовые пузырьки переносятся потоком жидкости за пределы кавитационного реактора в полость трубчатой мембраны с фильтруемой суспензией. Здесь скорость потока жидкости уменьшается, а давление увеличивается, благодаря чему прекращается парообразование. Под действием давления происходит схлопывание парогазовых пузырьков с конденсацией пара (кавитация), которое сопровождается образованием местных гидравлических ударов, воздействующих на поверхность мембраны и вызывающих разрушения слоя осадка, отдаления его от поверхности мембраны с последующих выносом потоком суспензии через патрубок за пределы аппарата. Кавитация сопровождается интенсивным перемешиванием потока, пульсацией давления и скорости, что способствует выравниванию концентрации осадка по сечению потока, увеличению производительности аппарата.

В трубчатом мембранном элементе угол конусности конического участка кавитационного реактора составляет приблизительно 30-40°, и обеспечивает постепенное плавное сужение и последующее расширение потока при минимальных гидравлических сопротивлениях. При большем угле конусности возрастают местные гидравлические сопротивления, при меньшем угле конусности ухудшаются условия для образования кавитационных процессов.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволит повысить производительность процесса разделения суспензий по размеру частиц на фракции, повысить эффективность очистки элемента разделения (мембраны) от задержанного ею слоя из осадков микрочастиц и крупных механических загрязнений, увеличить проницаемость и селективность мембраны, снизить длительность процесса фильтрования.

Источники информации, принятые во внимание при оформлении заявки на изобретение:

1. Дитнерский Ю.И. Баромембранные процессы. Теория и расчет / Ю.И. Дитнерский. - М.: Химия, 1986, 272 с.

2. Заявка Японии № 58-18124, кл. B01D 13/00, 1983.

3. Заявка Российской Федерации № B01D 63/06, 2004.

4. Жужиков В.А. Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий / В.А. Жужиков. - М.: Химия - 1971. - 440 с.

5. Литвяк В.В. Технические условия: ТУ BY 190239501.924-2019 «Крахмал нативный, классифицированный по размеру гранул» /В.В. Литвяк, А.А. Заболотец // РУП «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по продовольствию». Минск, 2019. - 16 с. - Государственная регистрация № 054974 от 23.01.2019 г.

Фильтровальная установка для разделения частиц суспензий по их размерам, состоящая из пористого трубчатого каркаса, на внешней поверхности которого расположена микропористая подложка с полупроницаемой мембраной, отличающаяся тем, что внутри трубчатого элемента установлен гидродинамический кавитационный реактор, выполненный в виде втулки переменного сечения, состоящей из последовательно расположенных конфузора и проточной камеры, полость проточной камеры выполнена в виде цилиндрического участка и диффузора, внутри диффузора установлен конусный кавитатор, при этом угол у вершины конуса диффузора, на котором расположен кавитатор меньше на 5-10 градусов угла у вершины конуса кавитатора, а длина цилиндрического участка равна его диаметру.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к системам очистки жидкости с применением фильтрующих мембран, предназначенным для очистки или обессоливания жидкости, преимущественно воды, из различных источников, в том числе питьевой воды, технологических растворов, сточных вод, напитков и других жидкостей в бытовых или промышленных условиях, на дачных и садовых участках.

Изобретение относится к области элементов для разделения фильтрацией в поперечном потоке для разделения обрабатываемой текучей среды на фильтрат и концентрат, обычно называемых мембранными фильтрами. Элемент для разделения фильтрацией в поперечном потоке содержит цельную жесткую пористую основу, внутри объема которой имеется по меньшей мере один канал для прохождения потока обрабатываемой текучей среды, канал обладает объемом изогнутого пути, образованным изменением направления образующего сечения вдоль криволинейного пути вокруг референтной оси, и референтная ось не пересекается с образующим сечением и заключена внутри объема пористой основы.

Изобретение относится к области элементов для разделения фильтрацией в поперечном потоке для разделения обрабатываемой текучей среды на фильтрат и концентрат, обычно называемых мембранными фильтрами. Элемент для разделения фильтрацией в поперечном потоке содержит цельную жесткую пористую основу, внутри объема которой имеется по меньшей мере один канал для прохождения потока обрабатываемой текучей среды, канал обладает объемом изогнутого пути, образованным изменением направления образующего сечения вдоль криволинейного пути вокруг референтной оси, и референтная ось не пересекается с образующим сечением и заключена внутри объема пористой основы.

Изобретение относится к области разделения, концентрирования и очистки растворов методами электромикрофильтрации, электроультрафильтрации, электроосмофильтрации и может быть использовано в химической, текстильной, микробиологической, медицинской, пищевой и других областях промышленности. Электробаромембранный аппарат комбинированного типа включает две крышки, имеющие штуцеры для ввода разделяемого раствора, отвода пермеата первой ступени, отвода ретентата первой ступени и отвода ретентата второй ступени, два трубчатых мембранных модуля, выступы для фиксации трубчатых модулей, корпус плоскомембранного модуля, имеющий впадину для установки опорных колец, обратный клапан, пористую подложку, поплавковый уровнемер, герметизирующие заливки, байонетное кольцо.

Изобретение относится к технической области сепарационных элементов с тангенциальным потоком. Предлагается моноблочный сепарационный элемент для разделения молекул и/или частиц обрабатываемой текучей среды на фильтрат и остаток, причем этот элемент содержит входную пластину и выходную пластину, поддерживающие между собой по меньшей мере две жесткие пористые колонки, выполненные из одного и того же материала, расположенные рядом друг с другом, ограничивая снаружи своих наружных стенок объем для сбора фильтрата, при этом каждая колонка содержит внутри по меньшей мере одну открытую структуру для пропускания потока текучей среды, открытую наружу на одном из концов этой пористой колонки для входа обрабатываемой текучей среды и на другом конце для выхода остатка, при этом он является моноблочной жесткой структурой, выполненной в своей совокупности в виде однородной и непрерывной единой детали без сварного шва или экзогенного припоя.

Изобретение относится к технической области сепарационных элементов. Моноблочный сепарационный элемент для разделения обрабатываемой текучей среды на фильтрат и остаток, при этом указанный сепарационный элемент содержит моноблочную жесткую пористую основу, выполненную из одного материала и имеющую, с одной стороны, на своей периферии сплошную периметрическую стенку, проходящую между, с одной стороны пористой основы, входом для обрабатываемой текучей среды и, с другой стороны пористой основы, выходом для остатка, и, с другой стороны, внутри по меньшей мере одну поверхность, покрытую по меньшей мере одним сепарационным слоем и ограничивающую открытую структуру, образованную пустыми пространствами для циркуляции обрабатываемой текучей среды, для сбора на периферии пористой основы фильтрата, прошедшего через сепарационный слой и пористую основу, при этом пустые пространства для прохождения обрабатываемой текучей среды, ограниченные поверхностью основы, покрытой сепарационным слоем, выполнены в пористой основе для создания внутри пористой основы по меньшей мере межсоединения, для создания по меньшей мере первой циркуляционной сети (R1, R2, …, RK) для обрабатываемой текучей среды, содержащей по меньшей мере два взаимосвязанных контура (R11, R12,…) циркуляции обрабатываемой текучей среды между входом и выходом пористой основы.

Изобретение относится к области концентрирования растворов методом ультрафильтрации, обратного осмоса и может быть использовано в пищевой, химической, фармацевтической и других отраслях промышленности. Аппарат для мембранного концентрирования, включающий кожух для отвода продукта, корпус с кольцевыми щелями, в полости которого установлен полый шток, имеющий переднюю часть в виде конуса, отличающийся тем, что внутри корпуса установлена подвижная втулка, передний край которой образует рассекатель потока, а внутренняя поверхность втулки образует конически сужающийся канал с поверхностью конуса, имеющий форму конфузора, кожух для отвода продукта выполнен двухсекционным.

Изобретение может быть использовано в мембранной технологии: электроультрафильтрации, электронанофильтрации, электромикрофильтрации и электроосмофильтрации. Разделяемый раствор под давлением, превышающим осмотическое давление растворенных в нем веществ, через штуцер ввода исходного раствора 5 поступает в камеру разделения 28, которая образована между прианодными и прикатодными мембранами 18, 24, прижимными решетками 8 и 9, цилиндрической обечайкой 15 и центральной трубкой 22.

Изобретение относится к фильтрационным мембранам. Представлен монолитный сепарационный элемент для тангенциальной сепарации обрабатываемой текучей среды на фильтрат и ретентат, при этом указанный сепарационный элемент содержит прямолинейную жесткую пористую основу трехмерной структуры, внутри которой выполнен по меньшей мере один канал для протекания потока обрабатываемой текучей среды с целью сбора фильтрата на наружной поверхности основы, при этом наружная поверхность основы имеет постоянный профиль, так что все внешние образующие линии, параллельные центральной оси основы, являются параллельными между собой прямыми линиями, отличающийся тем, что монолитная жесткая пористая основа содержит препятствия, начинающиеся от внутренней стенки канала или каналов, для циркуляции обрабатываемой текучей среды, которые характеризуются идентичностью материала и пористой текстуры с основой, а также непрерывностью материала и пористой текстуры с основой, при этом препятствия, появляясь между первым и вторым положениями вдоль продольной оси канала, создают резкое сужение или схождение в направлении течения обрабатываемой текучей среды в указанном канале, затрудняя или возмущая поток текучей среды, причем указанное резкое сужение имеет радиальную стенку, расположенную перпендикулярно к продольной оси, а указанное схождение имеет стенку, наклоненную относительно продольной оси под углом α, строго превышающим 0° и меньшим 90°.

Изобретение относится к фильтрационным мембранам. Сепарационный элемент для тангенциальной сепарации обрабатываемой текучей среды на фильтрат и ретентат, при этом указанный сепарационный элемент содержит монолитную жесткую пористую основу прямолинейной структуры, в которой выполнены несколько каналов для протекания обрабатываемой текучей среды между входом и выходом для ретентата с целью сбора фильтрата от наружной поверхности основы, при этом монолитная жесткая пористая основа ограничивает препятствия, простирающиеся от внутренних стенок указанных каналов, для потока обрабатываемой текучей среды, которые характеризуются идентичностью материала и пористой текстуры с основой, а также непрерывностью материала и пористой текстуры с основой, при этом указанные препятствия создают вариации проходного сечения канала, когда варьирует по меньшей мере один из следующих критериев: площадь прямого сечения, форма прямого сечения, размеры прямого сечения канала.

Изобретение относится к фильтрующему устройству. Фильтрующее устройство, содержащее: i) секцию коллектора, имеющую входное отверстие для жидкости; ii) диск, имеющий множество отверстий, каждое из которых удерживает первый конец полупроницаемой мембраны в виде полого волокна, выступающей из диска и запечатанной на ее втором конце; и iii) трубчатую секцию, имеющую выходное отверстие для жидкости; секцию коллектора, закрывающую первую поверхность диска; и трубчатую секцию, закрывающую вторую поверхность диска, противоположную первой поверхности, и закрывающую множество полупроницаемых мембран в виде полого волокна; причем секция коллектора, диск и трубчатая секция содержат термопластический полимер и диск содержит поглощающий инфракрасное излучение пигмент, выбираемый из группы, состоящей из сажи, поглощающих инфракрасное излучение неорганических пигментов и поглощающих инфракрасное излучение органических пигментов. Технический результат – обеспечение возможности фильтровать большие объемы жидкости за малое время. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.
Наркология
Наверх