способ разделения растворов с помощью полупроницаемой мембраны и мембранный аппарат

Формула изобретения

1. Способ разделения растворов с помощью полупроницаемой мембраны, включающий подачу исходного раствора на мембрану, концентрирование непроникающего компонента на мембране под действием разницы давления, отвод сконцентрированного раствора и периодическую очистку мембраны эластичными элементами с наложением пульсаций на поток исходного раствора, отличающийся тем, что наложение пульсаций на исходный поток осуществляют так, что время движения пульсирующего потока в обратном направлении составляет 0,3-1,0 от времени его движения в прямом направлении, причем скорость потока исходного раствора в прямом направлении во время очистки мембраны составляет 0,02-0,10 от скорости потока при концентрировании.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при очистке мембраны давление фильтрата превышает давление концентрата на 0,002-0,010 МПа.

3. Мембранный аппарат, содержащий пористый трубчатый каркас с расположенной на его внутренней поверхности полупроницаемой мембраной и турбулизирующее устройство, выполненное с возможностью возвратно-поступательного движения, отличающийся тем, что турбулизирующее устройство выполнено в виде эластичных плоских крыльчаток, жестко закрепленных на гибкой тяге, один конец которой жестко закреплен со стороны входа исходного раствора, а другой является свободным, и расположенных по всей длине трубчатого каркаса.

4. Аппарат по п. 2, отличающийся тем, что диаметр каждой плоской крыльчатки составляет 0,95-1,05 внутреннего диаметра трубчатого каркаса.

5. Аппарат по п. 2, отличающийся тем, что расстояние между жестко закрепленными плоскими крыльчатками составляет 10-20 диаметров трубчатого каркаса.

6. Аппарат по п. 2, отличающийся тем, что зазор между концами крыльев плоской крыльчатки составляет 0,5-1,0 мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к разделению путем концентрирования различных растворов методом ультрафильтрации и может быть использовано в пищевой, химической, медицинской и других отраслях промышленности.

Известен способ разделения растворов с помощью полупроницаемой мембраны (Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. М. Химия, 1978, с. 121), включающий подачу исходного раствора на мембрану, концентрирование непроникающего компонента на мембране под действием разности давлений, отвод сконцентрированного раствора с последующей очисткой мембраны в потоке исходного раствора эластичными элементами. При этом использован аппарат, содержащий пористый трубчатый каркас с расположенной на его внутренней поверхности полупроницаемой мембраной и заполненный эластичными шариками. Имеющийся циркуляционный насос прокачивает жидкость короткими импульсами в прямом и обратном направлении, обеспечивая перемещение эластичных шариков относительно мембраны и механическое воздействие на ее поверхность при условии, когда диаметр шариков больше или равен внутреннему диаметру трубчатого каркаса.

Недостатком данного способа и устройства для его осуществления является постоянный контакт эластичных элементов с рабочей поверхностью мембраны как в процессе концентрирования раствора, так и в процессе очистки поверхности мембраны, что ведет к механическому износу селективного слоя.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ разделения растворов с помощью полупроницаемой мембраны, включающий подачу исходного раствора на мембрану, концентрирование непроникающего компонента на мембране под действием разности давлений, отвод сконцентрированного раствора с периодической очисткой мембраны эластичными элементами с наложением пульсаций на поток исходного раствора.

Устройство для реализации этого способа содержит пористый трубчатый каркас с расположенной на его внутренней поверхности полупроницаемой мембраной и турбулизирующее устройство, выполненное с возможностью возвратно-поступательного движения. Турбулизирующее устройство выполнено в виде вставки из мягкой или губчатой резины, совершающей возвратно-поступательное движение при изменении направления потока исходного раствора вдоль трубчатого каркаса.

Недостатком такого способа и устройства для его осуществления является постоянный жесткий контакт турбулизирующего устройства с поверхностью мембраны как в процессе концентрирования, так и в процессе очистки поверхности мембраны, что приводит к механическому износу селективного слоя мембраны. Кроме того, высокая инерционность системы переключения потоков приводит к увеличению времени регенерации и, соответственно, к снижению производительности процесса разделения.

Цель изобретения повышение производительности процесса разделения растворов за счет интенсификации очистки поверхности мембраны.

Цель достигается тем, что в известном способе разделения растворов с помощью полупроницаемой мембраны, включающем подачу исходного раствора на мембрану, концентрирование непроникающего компонента на мембране под действием разности давлений, отвод сконцентpированного раствора с периодической очисткой мембраны эластичными элементами с наложением пульсаций на поток исходного раствора, согласно изобретения, наложение пульсаций на исходный поток осуществляют так, что время движения пульсирующего потока в обратном направлении составляет 0,3-1,0 от времени его движения в прямом направлении. Скороcть потока иcходного раcтвора в прямом направлении во время очистки мембраны составляет 0,02-0,1 от скорости потока при концентрировании. Очистку мембраны проводят при давлении фильтрата, превышающем давление концентрата на 0,002-0,01 МПа.

Цель достигается также и тем, что устройство для разделения растворов содержит пористый трубчатый каркас с расположенной на его внутренней поверхности полупроницаемой мембраной и турбулизирующее устройство, выполненное с возможностью возвратно-поступательного движения. Согласно изобретению турбулизирующее устройство выполнено в виде эластичных плоских крыльчаток, жестко закрепленных на гибкой тяге, один конец которой жестко закреплен со стороны входа исходного раствора, а другой свободный, расположенных по всей длине трубчатого каркаса. При этом расстояние между жестко закрепленными плоскими крыльчатками составляет 10-20 диаметров трубчатого каркаса, диаметр каждой плоской крыльчатки составляет 0,95-1,05 внутреннего диаметра трубчатого каркаса, а зазор между концами крыльев плоской крыльчатки составляет 0,5-1,0 мм.

Выполнение турбулизирующего устройства в виде нескольких эластичных плоских крыльчаток, жестко закрепленных на гибкой тяге, один конец которой жестко закреплен со стороны входа исходного раствора, обеспечивает возможность их складывания у осевой линии под действием потока исходного раствора при концентрировании и раскрытие до касания с поверхностью мембраны под действием пульсирующего потока при очистке мембраны.

Исходный раствор, проходя через зазоры, образованные сложившимися плоскими крыльчатками и поверхностью мембраны, турбулизируется, что уменьшает величину концентрационной поляризации в процессе концентрирования и увеличивает производительность ультрафильтрации.

Для удаления загрязнений на поток исходного раствора накладывают пульсацию и при возвратно-поступательном движении под действием потока жидкости эластичные плоские крыльчатки периодически касаются поверхности мембраны, скользя по ней и производя тем самым ее очистку. Очистка проходит в оптимальном режиме, если скорость движения потока жидкости в прямом и обратном направлении примерно одинакова. Это достигается тем, что скорость потока исходного раствора на время проведения очистки мембраны снижают, а наложение пульсаций на поток исходного раствора осуществляют так, что время движения пульсирующего потока в обратном направлении становится меньше времени его движения в прямом направлении. Экспериментально установлено, что время движения пульсирующего потока в обратном направлении составляет 0,3-1,0 от времени его движения в прямом направлении, что обеспечивает хороший контакт плоских крыльчаток с поверхностью мембраны при их перемещении в прямом и обратном направлении.

Снижение скорости потока исходного раствора на время пульсации обеспечивает распрямление плоских крыльчаток и их касание поверхности мембраны, необходимое для качественной ее очистки, но необходимость сохранения определенного взаимного расположения плоских крыльчаток, жестко закрепленных на гибкой тяге внутри мембранного аппарата ограничивает минимальное значение скорости потока исходного раствора. Экспериментально установлено, что оптимальная величина скорости потока исходного раствора в прямом направлении составляет 0,02-0,1 от скорости потока при концентрировании.

Процесс очистки может быть интенсифицирован и проведен более качественно при создании со стороны фильтрата избыточного давления, т.е. условий, когда давление фильтрата превышает давление находящегося в мембранном аппарате концентрата. В этом случае условия удаления осадка за счет гидравлического отделения отложений от поверхности мембраны и уноса их потоком исходного раствора улучшаются. Экспериментально установлено, что оптимальной величиной превышения давления фильтрата является 0,002-0,01 МПа.

Поскольку процесс очистки осуществляется в основном за счет механического воздействия плоских крыльчаток на поверхность мембраны, то для качественного проведения процесса важны основные конструктивные параметры мембранного аппарата, используемого для осуществления способа разделения растворов. Так, величина наружного диаметра каждой жестко закрепленной на гибкой тяге плоской крыльчатки должна быть близка к величине внутреннего диаметра трубчатого каркаса и составлять 0,95-1,05 от этой величины (установлено экспериментально). Расстояние между плоскими крыльчатками определяют исходя из необходимости создания эффективной турбулизации потока исходного раствора как в процессе концентрирования, так и в процессе очистки, но увеличение расстояния между плоскими крыльчатками требует увеличения амплитуды пульсаций, накладываемых на поток исходного раствора при очистке мембраны, что может привести к смещению всего турбулизирующего устройства к месту жесткого закрепления гибкой тяги и закупориванию входа в мембранный аппарат. Уменьшение расстояния между крыльчатками ведет к увеличению гидравлического сопротивления аппарата. Экспериментально установлено, что расстояние между плоскими крыльчатками составляет 10-20 диаметров трубчатого каркаса. Зазор между концами крыльев плоской крыльчатки должен быть таким, чтобы охватить всю поверхность мембраны по периметру трубчатого каркаса, не вызывая значительного повышения гидравлического сопротивления мембранного аппарата. Экспериментально установлено, что оптимальная величина зазора между концами крыльев плоской крыльчатки составляет 0,5-1,0 мм.

Заявляемое устройство схематически изображено на фиг.1, где показан аппарат для осуществления способа, продольный разрез; на фиг.2 то же, поперечный разрез; на фиг.3 схема предлагаемого аппарата.

Мембранный аппарат (фиг.1) содержит пористый трубчатый каркас 1 с расположенной на его внутренней поверхности полупроницаемой мембраной 2 и турбулизирующее устройство, выполненное в виде эластичных плоских крыльчаток 3, жестко закрепленных на гибкой тяге 4, один конец которой жестко закреплен со стороны входа исходного раствора, а другой свободный. Диаметр каждой плоской крыльчатки составляет 0,95-1,05 от внутреннего диаметра трубчатого каркаса, а расстояние между плоскими крыльчатками 10-20 диаметров трубчатого каркаса. Зазор между концами крыльев плоской крыльчатки (фиг.2) составляет 0,5-1,0 мм.

Разделение растворов по предлагаемому способу осуществляют на аппарате, схема которого представлена на фиг.3.

Установка работает следующим образом.

Исходный раствор подают в трубчатый каркас 1 мембранного аппарата, где под действием разности давлений 0,3-0,4 МПа происходит концентрирование исходного раствора с отделением фильтрата, отводимого через накопительную емкость 8 с переливом на высоте 600 мм. Необходимая турбулизация потока исходного раствора создается за счет скорости потока 3-5 м/с и наличия турбулизирующего устройства в виде плоских крыльчаток 3, жестко закрепленных на гибкой тяге 4. При падении скорости ультрафильтрации из-за образования гелеобразного слоя на поверхности мембраны пользуясь запорной арматурой 6 снижают давление в мембранном аппарате до атмосферного и включают пульсатор 7, обеспечивая возвратно-поступательное движение турбулизирующего устройства. При этом эластичные крыльчатки располагаются перпендикулярно к рабочей поверхности мембраны 2. За счет контакта крыльчаток 3 с поверхностью мембраны, обратного потока фильтрата под избыточным давлением в напорной емкости 8 и пульсирующего потока исходного раствора гелеобразные отложения отделяются, смываются с поверхности мембраны и выносятся за пределы аппарата.

Опыты по разделению водомасляных эмульсий отработанной смазочно-охлаждающей жидкости с начальной концентрацией нефтепродуктов 5-10 г/л показали, что предлагаемые способ разделения и аппарат для его осуществления позволяют повысить среднюю производительность мебранного аппарата на 15-20% с восстановлением фильтрующих свойств полупроницаемой мембраны на 100%