Трубчатый мембранный элемент

(51)5 В 01 О 63 06 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ того турбулентного движе раствора, что приводит к ницаемости и селективн вследствие снижения конц ренных веществ в погран равнивания концентр сечению потока. Для этой меняются закрепленные т вставки. ия разделяемого увелйчению проости мембраны ентрации раствоичном слое и вы- фь ции по всему (Л цели широко при- (Д урбулизирующие ) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Авторское свидетельство СССРМ 1505563, кл, В 01 О 1300, 1989.(54) ТРУБЧАТЫЙ МЕМБРАННЫЙ ЭЛЕМЕНТ(57) Изобретение относится к устройствамдля разделения, концентрирования и опрес-нения различных растворов методом обратного осмоса и ультрафильтрации и можетбыть использовано, например, для очистки Изобретение относится к устройствам для разделения, концентрирования и опреснения различных растворов методами обратного осмоса и ультрафильтрации и может быть использовано, например, для очистки сточных вод от органических примесей.При фильтрации разделяемой жидкости в мембранных аппаратах з результате концентрационной поляризации на поверхности мембраны образуется слой слаборастворимых солей, гель, осадки микрочастиц, а также механические загрязнения, содержащиеся в растворе, В результате этого резко ухудшаются характеристики процесса .разделения, быстро уменьшается проницаемость мембраны, снижается длительность фильтроцикла (время между регенерациями аппарата).Для снижения концентрированной поляризации рекомендуется создание развисточных вод от органических примесей. Цель изобретения - увеличение производительности элемента за счет интенсификации процесса очистки мембраны. Трубчатый мембранный элемент содержит пористый трубчатый каркас, расположенную на его внутренней поверхности полуп роницаемую мембрану и установленную коаксиально трубчатому элементу турбулизирующую вставку. Последняя выполнена в виде чередующихся участков в форме цилиндров и усеченных конусов с углом конусности 30 - 40 О. При этом цилиндрические участки расположены между меньшими и большими основаниями усеченных конусов, 1 табл 1.Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является трубчатый а мембранный элемент, 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 производительностьпроцесса возрастает за счет увеличениятурбулизации потока разделяемого раствора, интенсификации массообмена и удаления высококонцентрированных веществ с 5поверхности мембраны путем смыва потоком разделяемой жидкости, Очистка мембРаны в этом устройстве происходит только .за счет увеличения скб 5 ости движения разделяемого раствора, достигаемого циркуляцией жидкости через отверстия междувтулками без воздействия других физических факторов. Опыт эксплуатации аппаратов с трубчатыми мембраннымиэлементами показывает, что увеличение 15скорости потока разделяемой жидкости необеспечивает эффективной очистки мембраны от задержанного ею слоя из слаборастаоримых солей, осадков микрочастиц икрупных механических загрязнений. что ограничивает производительность известного устройства и является его недостатком,Цель изобретения - увеличение производительности элемента за счет интенсификации процесса очистки мембраны. 25Поставленная цель достигается тем, чтоа трубчатом мембранном элементе, содеркащем пористый трубчатый каркас, расположенную на его.внутренней поверхностиполупроницаемую мембрану и установленную коаксиально трубчатому элементу турбулизирующую вставку, Последняявыполнена в виде втулки переменного сечения,.состоящей из чередующихся цилиндров и усеченных конусов с углом конусности 3530-40", При этом цилиндрами соединенымежду собой меньшие и большие основанияусеченных конусов,При таком выполнении устройства ско 40рость потока разделяемой жидкости возрастает на участках с узким кольцевым сечением (между поверхностью трубчатого элемента и цилиндром большего диаметра) и уменьшается на участках с широким кольцеаым сечением (между поверхностью трубчатого элемента и цилиндром меньшего диаметра), Благодаря этому на участках с большой скоростью потока происходит интенсивный смыв загрязнений с внутреннейповерхности трубчатого мембранного элемента, при этом выделяются парогазоаые пузырьки, которые захлопываются на участках с меньшей скоростью потока и большим давлением, т,е. происходит кавитация с зррозионной очисткой поверхности мембраны, Воздействие кааитации способствует интенсификации процесса очистки мембраны от задержанного ею слоя из слаборастворимых солей и осадков из механических примесей,Турбулизирующая вставка выполнена из чередующихся цилиндров и усеченных конусов с углом конусиости 30-40 О, Подобное устройство имеет дроссельный расходомер, сужающий поток и выполненный в виде трубы Вентури.В устройстве подобный элемент служит для очистки поверхности цилиндрической мембраны высокоскоростным потоком жидкости и кавитацией.На чертеже показан мембранный эле-. мент, продольный разрез,Мембранный элемент содержит трубчатый каркас 1, выполненный из пористых керамических, металлокерамических или пластмассовых порошковых материалов, На внутренней поверхности каркаса 1 расположена микропористая подложка 2, выполненная из пористого или тканого материала, например, капрона. На подложку 2 уложена полупроницаемая мембрана 3, которая может быть выполнена из ацетата целлюлозы, полиамида, мелкопористой керамики или а виде напылениой металлической пленки. Внутри трубчатого мембранного элемента на выступах 4 установлена коаксиально турбулизирующая вставка 5, Последняя выполнена в виде втулки переменного сечения, состоящей из постепенно. сужающихся б и постепенно расширяющихся участков в форме усеченного кочуса, последовательно соединенных цилиндрическими участками большего диаметра 8 и меньшего диаметра 9, длины которых приблизительно равны их диаметры. Вставка 5 может быть выполнена из полимерного материала любым из известных способов, например, литьем. Подвод исходной жидкости и вывод из него концентрата производится соответственно через осевые патрубки 10 и 11.Трубчатый мембранный элемент работает следующим образом.Исходный раствор подается под необходимым давлением, определяемым проницаемостью мембраны, подложки и каркаса через патрубок 10, частично проходит через кольцевые зазоры между поверхностью мембраны 3 и турбулизирующей вставкой 5 переменного сечения и выводится в виде концентрата через патрубок 11. По мере движения раствора внутри трубчатого элемента 1 часть его фильтруется через мембрану 3, подложку 2 и пористый каркас 1 и выводится наружу в виде пермеата.При движении разделяемой жидкости внутри трубчатого элемента скорость потока значительно возрастает в узком сечении, создаваемом цилиндром большего диаметра 8, при этом здесь возникают завихрения, и пульсации потока с отрывом его от повер1745320 10 15 20 30 35 40 45 50 55 хности мембраны, что способствует смыву слоя слаборастворимых солей геля, осадков из механических примесей с поверхности мембраны и снижения концентрации растворенных веществ в пограничном слое потока разделяемой жидкости. Увеличение скорости потока в узком сечении приводит также к уменьшению давления вплоть до образования вакуума, благодаря чему происходит интенсивноепарообразование с выделением газов на этом участке. Парогазовые пузырьки переносятся потоком жидкости на участок с широким кольцевым сечением, создаваемым цилиндром меньшего диаметра 9. 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 ударЬв, воздействующих на поверхность мембраны и вызывающих разрушение слоя из нераство. римых солей и механических примесей, отделение их.рт поверхности мембраны,сспоследующим выносом потоком жидкости через патрубок 11 за пределы аппарата, Кавитация сопровождается интенсивным перемешиванием . потока, пульсацией давления и скорости, что способствует выравниванию концентрации солей и нерастворимых примесей по сечению потока, увеличению массообмена, снижению концентрационной поляризации и, в конечном счете, увеличению производительности аппарата,В трубчатом мембранном элементе угол конусности участков в форме усеченного конуса турбулизирующей вставки составляет приблизительно 30-40 и обеспечивает постепенное плавное сужение и расширение потока при минимальных гидравлических сопротивлениях, При большем угле конусности возрастают местные гидравлические сопротивления, при меньшем угле конусности ухудшаются условия для образования кавитационных процессов. Диаметр турбулизирующей вставки в широкой и узкой частях подбирается расчетом в зависимости от расхода потока разделяемой жидкости так, чтобы скорость потока в узком кольце 3вом сечений составляла 30-40 м/с, а в широком кольцевом сечении 5-10 м/с. П р и м е р, Устройство представляло собой патрубок из пористой металлокерамики диаметром 50 мм и длиной 200 мм, на внутренней поверхности которого были уложены подложка из капроновой ткани и цилиндрическая полупроницаемая мембрана бдиаметром 40 мм из ацетат целлюлозы типа УАМс пористостью 12 - 76 и диаметром пор до 0,005 мкм.С двух сторон трубчатого мембранного элемента были установлены на резьбе накидные гайки со штуцерами диаметром 10 мм для подачи разделяемой смеси и вывода концентрата, Внутри трубчатого элемента на резиновых сферических выступах была установлена турбулизирующая вставка, выточенная из гетинакса из трех сужающихся и расширяющихся участков с углом конусности 30, соединенных между собой цилинд рическими участками диаметром в широкой части 35 мм, а в сужении 25 мм, что создавало кольцевой зазор шириной соответственно 2,5 мм и 7,5 мм,При проведении испытаний на опытный аппарат подавалась под давлением 0;5 МПа предварительно очищенная от механических примесей сточная вода, содержащая органические примеси, составляющие по ХПК. около 1000 мг 02/л ( вариант), Фильтроцикл считался завершенным, когда скорость фильтрации уменьшалась в 2 раза по сравнению с начальной, После этого производилась регенерация мембранного фильтрующего элемента промывкой обратным потоком фильтрата,Для сравнения обрабатываемая жидкость подавалась на этот же трубчатый мембранный элемент, в котором была. установлена турбулизирующая вставка, со-. стоящая из полой втулки с отверстиями с крылевидным профилем, аналогичная устройству, принятому за прототип. Некоторые усредненные параметры ппоцесса фильтрования, отнесенные к 1 м фильтрующей по 2верхности в трубчатом мембранном элементе ( вариант) и известном устройстве ( вариант) приведены в таблице.Таким образом, результаты испытаний показали, что в предлагаемом.аппарате обеспечивается более эффективная очистка трубчатого мембранного элемента за счет воздействия на него высокоскоростного гидродинамического потока и кавитации по .сравнению с аппаратом, принятым за прототип, что позволяет увеличить скорость фильтрования и производительность аппарата,Формула изобретения Трубчатый мембранныйэлемент, содержащий пористый трубчатый каркас, расположенную на его внутренней поверхности полупроницаемую мембрану и расположенную коаксиально трубчатому элементу турбулизирующую вставку, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения производительности элемента за счет интенсификации про1745320 Составитель Е.Хосидедактор О.Головач Техред М.Моргентал Корректор Э.Лончакова Заказ 2343 Тираж ПодписноеВНИЛПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина, 10 цеса очистки мембраны, турбулизирующая вставка выполнена в виде чередующихся цилиндров и усеченных конусов с углом конусности 30-40, причем цилиндры попеременно расположены между меньшими и большими основаниями усеченных конусов.