CZ20012794A3 - Postup filtrace kříľovým tokem - Google Patents

Description

Vynález se týká postupu filtrace křížovým tokem s otočnými kotoučovými membránami a s filtrátem, který prošel kotoučovou membránou (membránami) do dutého tělesa kotouče, a to radiálně vůči ose otáčení, odkud vychází dutým hřídelem, kde se kotoučové disky otáčí stejným směrem, a kde se u povrchu membrány vytváří turbulence, a to v oblasti překrývání alespoň dvou kotoučů.

Dosavadní stav techniky

V oboru jsou známé postupy a zařízení, u kterých jsou tekutiny čištěny pomocí pevných membrán, například pomocí trubkovitých membrán nebo pevných kotoučových membrán. V případě kotoučových membrán je filtrát je přiváděn na jednu stranu obvodu kotouče a je odváděn na druhé straně. Prostupující látka (permeát) je odváděna po tom, co prošla membránou. Problémem trubkovitých membrán je pouze malá fíltrovací plocha, která je k dispozici pro jednotku objemu. Filtrát se musí po jisté době odstranit vodou, aby se opět dosáhlo plné filtrační kapacity. U velkých filtračních kapacit, větších jak 5 až 10 m³/h , se musí použít několik modulů sestavených paralelně nebo do série, a by se získala potřebná filtrační plocha. Toto uspořádání vyžaduje použití velkého množství potrubí a tím i nároky na prostor. Vysoké ztráty tlaku v zadržovacích kanálech (přívod znečištěné vody, která se má filtrovat) modulů vyžadují mít k dispozici vysokou kapacitu čerpadel. Například JP 7-75722 (Agentura Indie) uvádí filtr, který zahrnuje několik kotoučových membrán, kde je tekutina v tělese kotouče vedena do otočné osy a odtud ven dutým hřídelem. Těleso kotouče sestává z tělesa zhotoveného z homogenního polypropylenu (bez kanálů). Systém funguje při vakuu (provozní tlak má hodnotu 0,5 kg/cm²). Nevýhodou je v tomto případě velký odpor proti toku v tělese kotouče a v části odvodu filtrátu při vakuu. JP 6-210295 (Hitachi Plant) popisuje ílokulační a filtrační zařízení. Zařízení je otevřeným systémem, ve kterém je filtrát odstraňován vakuem, a to z důvodu zamezit ucpávání zařízení. Kromě toho jsou do suspenze vstřikovány vločky a medium schopné ovládat hodnotu pH. Obvodová rychlost kotouče je

2,2 m/s. Toto uspořádání způsobí, že přepadová rychlost má hodnotu přibližně 1 m/s při ♦♦♦ · • 4 ·· ·· · ♦ · ♦ · · ·· · • · · · · ♦· · ·· λ · · · · · ···♦·♦·

- Z - «··♦ · ♦ ♦ · ··· ·· ·· ♦· ·· ·♦ ♦·· zmíněném provozním režimu a přesahu. Při takové rychlosti může být čištění kotoučových membrán nedostatečné.

Cílem vynálezu je zajistit filtrační modul s velkou filtrační plochou na jednotku objemu, tím i malý požadovaný prostor bez nutného omývání membrány.

Vynález je charakteristický přepadovou rychlostí na povrchu membrán, která dosahuje hodnot mezi 1 a 5 m/s, a dále koncentrátem 7, který se odstraňuje při přetlaku, který může dosahovat hodnot od 10 do 14 barů.

Při zmíněných hodnotách přepadové rychlosti je zajištěno dobré čištění povrchu membrány, čímž se zabrání, nebo alespoň minimalizuje, vytváření vrstvy nánosu. Vlivem přetlaku na straně koncentrátu membrány, který může být vyšší než je hodnota vakua na straně permeátu, lze dosáhnout lepší filtrace.

Pokrokové uspořádání vynálezu je charakteristické tím, že kotouč má pravoúhlý průřez.

Výhodné uspořádání vynálezu je charakteristické tím, že kotouč má trojúhelníkový průřez.

Pokrokové uspořádání vynálezu je charakteristické tím, že kotoučové membrány se otáčí různými rychlostmi. Umožňuje to nastavení požadované přepadové rychlosti a/nebo relativní rychlosti v oblasti přesahu.

φφ φφφφ φφ φφ φφ * • φ φ φφφφ φφφφ • φ φ ΦΦΦΦ Φ ♦Φ _Λ ΦΦ ΦΦΦ ΦΦΦΦΦ·Φ

- 3 - ΦΦ>· φφφφ φφφ φφ φφ φφ φφ ·* φφφ

Pokrokové uspořádání vynálezu je charakteristické tím, že permeát je odváděn při vakuu, které může dosahovat hodnoty 0,5 barů. Přitom se vytváří vhodný rozdíl tlaků (transmembránový tlak) pro filtraci.

Přehled obrázků na výkrese

Vynález bude dále popsán pomocí příkladů a přiložených výkresů kde:

obr. 1 znázorňuje jednu variantu provedení podle tohoto vynálezu, obr.2 znázorňuje půdorysné zobrazení obr.l, obr.3 znázorňuje půdorysné zobrazení další varianty provedení, obr.4 znázorňuje variantu tvarů membrány, obr. 5 znázorňuje variantu tvarů v příčném řezu, obr.6 znázorňuje variantu sestavy membrán, obr.7 znázorňuje další variantu sestavy membrán, obr.8 znázorňuje rozložení rychlostí na kotoučové membráně.

Příklady provedení vynálezu

Obr.l znázorňuje modul filtrace křížovým tokem 1 podle tohoto vynálezu. Na dutém hřídeli 2, 2 je namontováno několik kotoučových membrán 3 • · · ···· · ·· • · · · · ·· · · · ··

- 4 - .... .... .·· • · · · ·· ·· · ·· · · možnost použít i otevřenou nádobu, kde jsou membrány ponořené do tekutiny. Kotoučové membrány zde mají válcovitý průřez. Filtrát prochází membránou do dutého tělesa kotouče 3 a dále do středu kotouče jako pronikající látka, dále směrem ven dutým hřídelem 2, 2' a trubkou 6. Čištěný koncentrát je současně vypouštěn trubkou 7. Membránový modul 1 lze ovládat jak přetlakem na straně koncentrátu, tak i vakuem na straně permeátu. V souladu s tím se modul 1 může použít v uzavřeném kontejneru_4, nebo ve formě ponořené membrány. Přetlak může dosahovat hodnot do 10 až 14 barů. Teplota filtrovaného roztoku může dosahovat hodnoty 70 až 80°C, a to v závislosti na aplikaci provedení.

Kotoučové membrány 3 mohou sestávat jak z anorganických těles, tak i z nosných těles s polymerní membránou. Konstrukce je výhodná z hlediska čištění membrán v operaci souběžného toku, ale i při plně automatickém promývání permeátu, který se má filtrovat. Filtrační modul 1 lze použít pro mikrofiltraci (začínající u hodnoty kolem 0,3 pm), pro ultrafiltraci i nanofiltraci (do hodnoty 4000 Daltonů) a pro reverzní osmosu v takových oblastech, jakou je úprava pitné vody, úpravu užitkové vody, úpravu pro městské a průmyslové použití vody a pro filtraci výrobků. Lze dosáhnout kapacitu propustnosti jednoho filtračního modulu s hodnotou 10 - 20 m³ .

Obr.2 znázorňuje půdorys filtračního modulu 1 z obr. 1. Na obrázku lze vidět duté hřídele 2, 2', které slouží pro odvádění permeátu. Primární otočná membrána 8 a sekundární otočná membrána 9 se otáčí okolo zmíněných dutých hřídelů 2, 2'. Primární otočná membrána 8 se otáčí ve směru 10 a sekundární rotační membrána 9 ve směru 11. V oblasti přesahu 12 se vytváří turbulentní čisticí zóna. Turbulence vzniká při_opačném směru otáčení membrán v oblastech přesahu 12. Vlivem této turbulence vzniká na povrchu membrán další čisticí efekt. Turbulence může být vyvolána pomocí speciálních zařízení proudění. Pomocí mechanického pohonu kotoučových membrán 8 a 9 lze dosáhnout turbulentního toku a vysoké filtrační kapacity, což se projevuje v možnosti dosáhnout nízkých výrobních nákladů. Specifické požadavky na výkon pohonu činí přibližně 2,5 kWh/m³ permeátu. Interval chemického čištění lze zvýšit z běžné hodnoty 50 - 100 h na přibližně 200 - 500 provozních hodin, a to v závislosti na použité aplikaci.

Pokud se požaduje vyšší rychlost otáčení, a přitom se má průměr kotoučů snížit, může se použít více dutých hřídelů a na nich namontovaných kotoučových membrán, aby se tím získala alespoň stejná filtrační plocha. Obr.3 znázorňuje variantu provedení se třemi dutými hřídeli 2, 2', 2 a příslušnými kotoučovými membránami 8, 10, 13. Otáčení disku 13 ve směru 14 vytváří další zónu turbulentního čištění 15.

·· ··· · • 4 · · · · · ··· • · · ···· ·· • · · · · ·· · · · ·

Obr,.4 znázorňuje alternativu k provedení kotoučových membrán, a to ve formě desek 16, 16'. Zatímco deska 16' je pevnou deskou, deska 16 se pohybuje excentricky a přitom osciluje okolo šipky 17 tak, že se na površích membrán vytváří turbulence, která povrchy zbavuje nánosů. Odvod permeátu se realizuje trubkami 18, 18', přitom je možné namontovat další trubky 19, 19'. aby se tím vylepšil odvod permeátu na opačných stranách desek 16, 16'. Trubky 18, 19, které jsou připojeny k pohyblivé desce 16, jsou pružnými trubkami nebo vhodnými hadicemi.

Obr. 5 znázorňuje sekci filtračního modulu při bočním pohledu. Na obrázku jsou vidět speciálně konstruované kotoučové membrány 20, 20', které mají v průřezu trojúhelníkový tvar. Kromě tohoto tvaru a pravoúhlého tvaru zobrazeného na obr. 1, mohou mít kotoučové membrány v průřezu a u speciálních konstrukcí libovolný tvar. Tam, kde se vyžaduje velká filtrační plocha, a to při nejmenším možném prostoru, se používá trojúhelníkový tvar (v průřezu). Průřez kotoučů 20, 20' je nutné stanovit tak, aby se zvětšoval ve směru odvodu permeátu do dutých hřídelů 2, 2', a stejně tak s větším množstvím permeátu. Výhoda filtračního modulu podle tohoto vynálezu, při srovnání s membránovými moduly podle dosavadního stavu techniky, spočívá v menších nárocích na prostor, na menší spotřebě trubek a na menší spotřebě energie. Pro vytváření křížového toku nejsou nutná cirkulační čerpadla, čímž se snižují i výrobní náklady.

Obr.6 znázorňuje řez strukturou filtračního modulu. Znázorněné jsou například kotoučové membrány 3 pravoúhlého průřezu, namontované na dutých hřídelích 2, 2'. Pouzdra 21, která se mohou vyměnit, jsou namontovaná na dutých hřídelích 2, 2'a slouží k nastavení mezer mezi kotoučovými membránami 3. Vlivem délky těchto pouzder 21 může být šířka zadržovacího kanálu 22, to znamená vzdálenost u dvou kotoučových membrán 3 namontovaných na různých dutých hřídelích v překrývající se oblasti, nastavena podle požadavků. Šířka zadržovacího kanálu 22 závisí na viskozitě zadržované tekutiny (retentátu).

Alternativně lze kotoučové membrány uspořádat těsně u sebe, tak jak je to znázorněno na obr.7. Pokud se vyberou vhodné průřezy, potom se kotoučové membrány mohou zasouvat na duté hřídele 2, 2', a to přímo jedna za druhou přes drážku 24 s těsnicím kroužkem 25. Zadržovací kanál 26 vzniká jako výsledek konstrukce kotoučových membrán

23.

Obr.8 znázorňuje půdorys podobný půdorysu na obr.2. Kotoučová membrána 8 se otáčí ve směru 27 a kotoučová membrána 9_se otáčí ve směru 28. Obvodová rychlost jednotlivých kotoučových membrán 8, 9 a relativní rychlost z ní vycházející je zobrazena nad čárou 29 spojující oba duté hřídele 2,2/. Kotouč 8 má maximální obvodovou rychlost 30, která se snižuje na nulovou hodnotu ve směru osy. Výsledkem je rozložení rychlosti 31. Analogicky platí, že při maximální obvodové rychlosti 32 je u kotouče 9 rozložení rychlosti 33. Výsledná relativní rychlost 34 je při stejné rychlosti otáčení dvou kotoučových membrán konstantní. Změnou rychlosti otáčení lze nastavit požadovanou relativní rychlost.

Přiklad

N systému, podle tohoto vynálezu, který zahrnuje anorganickou kotoučovou membránu (velikost pórů 50 nm, 152 mm dia) se filtrovala a/nebo koncentrovala různá média.

U testu s bílou vodou z oblasti papírenského stroje a při vstupní koncentraci 0,1 % DS a konečné koncentraci 11 % DS, se dosáhlo průměrné specifické filtrační kapacity 270 1/m². Přepadová rychlost měla hodnotu 2 m/s. Požadovaný interval chemického čištění měl v tomto případě hodnotu 450 h.

Vybraly se přepadové rychlosti v rozmezí 1 až 5 m/s, tlaky v rozmezí 0,5 až 6 barů. Bylo přitom zjištěno, že se dosáhlo vyšší hodnoty toku (specifická kapacita membrány) než je tomu u obvyklé operace křížového toku s válcovitými membránami, a to v závislosti na médiu a jeho obsahu, a rovněž v závislosti na rychlosti otáčení a mezerách mezi kotoučovými membránami, filtračním tlaku a nastavené teplotě.

Claims (6)

1. Postup filtrace křížovým tokem otočnými kotoučovými membránami, kde filtrát prochází kotoučem membrány (membrán), dále je veden do dutého tělesa kotouče /3/ radiálně vůči ose otáčení, odtud je veden ven dutým hřídelem /2, 27, kde se kotoučové membrány /3, 8, 9/ otáčí stejným směrem /10, 11/, kde je vytvořená turbulence u povrchu membrány v oblasti přesahu /12/ alespoň dvou kotoučových membrán /8, 9/, přitom je charakteristický tím, že vytvořené přepadové rychlosti u povrchu membrán mají hodnotu 1 až 5 tn/s, a koncentrát /7/je odváděn při přetlaku, který má hodnotu v rozmezí od 10 do 14 barů.

2. Postup podle nároku 1,vyznačující se tím, že kotoučové membrány mají pravoúhlý průřez.

3. Postup podle nároku 1,vyznačující se tím, že kotouče mají trojúhelníkový průřez.

4. Postup podle nároku 3 nebo 4, vyznačující se tím, že kotoučové membrány se otáčí různými rychlostmi.

5. Postup podle jednoho z nároků laž 8, vyznačující se tím, že permeát /6/ je odváděn při vakuu.

6. Postup podle nároku 9, vyznačující se tím, že vakuum má hodnotu až 0,5 baru.