CZ305501B6 - Zařízení na zpětný proplach separačních membrán v membránovém modulu - Google Patents

Abstract

Vynález se týká zařízení na zpětný proplach separačních membrán v membránovém modulu, opatřeného vnějším zdrojem tlaku a zařízením pro nastavení filtrace nebo zpětného proplachu. K membránovému modulu je připojeno zařízení pro nastavení filtrace nebo zpětného proplachu tvořené ventilem (30), sestávajícím z pístu (4) umístěného v pístnici (8), v jejíž horní části je výstup (6) permeátu a ve spodní části je vstup (7) permeátu z membránového modulu. Ventil (30) je elektricky řízený z řídicí elektrické jednotky (11) propojené s programovatelnou jednotkou (12), a řídicí elektrická jednotka (11) je propojena dvěma vodiči (14) s pohonem a koncovými spínači pro zajištění horní a dolní polohy pístu (4) ventilu (30).

Description

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení na zpětný proplach (ZP) separačních membrán v membránovém modulu, opatřeného vnějším zdrojem tlaku a zařízením pro nastavení filtrace nebo zpětného proplachu.

Dosavadní stav techniky

Membránová separace je v současné době jedna z nejefektivnějších metod čištění různých průmyslových kapalin a získávání čistých látek z roztoků. Nachází uplatnění v potravinářském průmyslu při zpracování mléka, syrovátky a sýrů, při čištění odpadních vod, ve farmaceutickém a kosmetickém průmyslu při izolaci antibiotik, nebo výrobě cenných látek a v mnoha dalších odvětvích jako odsolování mořské vody za účelem výroby pitné vody apod. Tenké separační membrány, podobné foliím, které mají vlastnost selektivně propouštět molekuly určité velikosti a zachycovat molekuly větší, jsou pro praktické použití uloženy v membránových modulech, nejčastěji např. trubkového tvaru.

Nejzávažnější nevýhodou membránových postupů je postupné snižování výkonu membrán způsobené jejich zanášením zachycovanými částicemi. Vedle zpětného proplachu, kdy tok permeátu přes membránu periodicky mění svůj smysl, bylo navrženo velké množství jiných způsobů, jak zanášení membrán co nejvíce omezit: tangenciální rychlost, přepážky a různé jiné turbulizátory, mechanické a chemické čištění, pulzace tlaku, systémy dosahující zvýšeného smykového napětí na membráně, jako je vibrace, ultrazvuk, probublávání tj. aerace prostoru nátoku nebo skrz membránu apod. Zpětný proplach však stále zůstává zásadní metodou, protože nevyžaduje vysoké energetické náklady a poměrně jednoduše se technicky zvládá. Studuje se zejména optimalizace délky a frekvence zpětných proplachů, eventuálně rozdělení zpětného proplachu do několika pulzů.

Délka a frekvence zpětných pulzů. Již dříve bylo doporučeno pro snížení ztrát permeátu a času při zpětném proplachu a rovněž pro lepší odstranění tuhých látek ulpělých na membráně aplikovat zpětný proplach (ZP) v několika diskrétních pulzech, které dohromady činily při jednom proplachu řádově desítky sekund a byly opakovány vždy jednou za několik desítek minut. Hillis P. et al.: Effect of backwash conditions on out-to-in membrane microfiltration, Desalination 118 (1998) 197 až 204.

Později bylo referováno o stále kratších a kratších dobách (ZP), typické hodnoty byly 1 až 5 sekund s frekvencí 1 až 10 krát za minutu. V tomto režimu se stále ztrácí asi 10 až 20 % času na ZP. Ještě kratší doby tzv. zpětných šoků v řádu desetin sekundy, typicky 0,1 s, byly doporučeny a ověřeny jako účinné Wentenem - Wenten I.G.: Mechanism and Control of Fouling in Crossflow Microfiltration, Filtration and Separation, March 1995 p. 252 až 253, který aplikoval takové šoky každých 1 až 5 sekund při separaci proteinů na asymetrické membráně umístěné opačně, tzn. otevřenou stranou k retentátu a skinem k permeátu. Membrána byla polymemí dutá vlákna - se skinem s póry 0,6 pm na vnějším povrchu a suportem s póry 20 pm na vnitřní straně.

Ještě kratší zpětné šoky v délce 50 ms (0.05 s) s typickou frekvencí 0,2 Hz tj. interval mezi šoky 5 sekund, použil Héran - Héran M. et al.: Effect of transmembrane pressure pulsing on fouling with high-frequency backshock, In: ECC2 Proceedings, Montepllier, 1999. Separoval suspenzi 1 g/1 bentonitu na 0,2 pm membráně v normální poloze, to znamená skinem směrem k retentátu, a dosáhnul prakticky 100 % obnovu fluxu, který byl 4 až 8 krát vyšší než bez zpětných proplachů. Ztráty času a permeátu zde již činí řádově jednotky %.

Kombinace ZP s dalšími postupy. Zpětné proplachy permeátem byly dále studovány v kombinaci s proplachy tangenciálními tj. retentátem, dále v kombinaci s pulzacemi toku retentátu v kombinaci s pulzacemi tlaku ZP. Tangenciální proplachy se ukazují jako účinné zejména při tzv. dead-end ultrafiltraci vody, kdy základním způsobem je přímá filtrace přes membránu a cross-flow se uplatňuje vlastně jen při proplachu, což vede k velkým úsporám na energii pro pohon čerpadel. Kombinace ZP s předcházejícím nebo následným tangenciálním proplachem, jakož i v kombinaci s pulzacemi tlaku ZP a pulzacemi toku retentátu se ukázala téměř vždy účinnější než samostatný ZP. Uvedená problematika je popsána v následujících spisech: Kennedy M. et al.: Intermittent crossflushing of hollow fiber ultrafiltration systems, Desalination 118 (1998) 175 až 188; Hadzismajlovic D.E. et al.: Flux enhancement in turbulent crossflow microfiltration of yeast using a collapsible-tube pulsation generátor, JM Sci 163 (1999) 123 až 134, Jones W. F.: Removal of suspended clay from water using transmembrane pressure pulsed MF, Journal of Membrane Science 157 (1999) p. 199 až 210 a Wakeman R. J., Dead-end constant flow rate MF with periodic backflushing, WFC8 (445^148).

Výzkumy se týkaly jednak velmi rychlých podsekundových pulzů tj. frekvence vyšší než 1 Hz, resp. délka pulzu ve zlomcích sekundy, jednak klasických režimů nadsekundových tj. délka ZP v minutách, resp. délka crossflush 5 sekund.

Jedno z typických stávajících provedení zařízení pro zpětný proplach membránových modulů bylo patentované v r. 2003 v patentu US 6,562,246. Zařízení pro zpětný proplach je umístěno za membránovým modulem a sestává z vnějšího zdroje tlaku zajišťujícího vyšší tlak zpětného proplachu než je tlak filtrační, akumulační nádrže kapaliny na zpětný proplach s balónem naplněným inertním plynem a systémem 6-ti pneumatiky ovládaných ventilů. Režimy filtrace nebo zpětného proplachu se nastavují přestavením těchto ventilů, které je elektronicky řízeno z rozvaděče.

Dosud známé systémy pro zpětný proplach ZP používají pneumatický pohon, což vyžaduje přípoj stlačeného vzduchu. V laboratorní praxi je pohodlnější pohon elektrický, protože elektřina je na všech pracovištích, zatímco stlačený vzduch nikoliv. Stále se snižující doba trvání zpětného pulzu vede k potřebě nastavení doby ZP pod 1 sekundu. Protože jsou známé způsoby založeny na komplikované funkci řady potrubních ventilů, které se musí v krátké době všechny přestavět do opačné polohy, činí to určité technické problémy. Přestavení souboru ventilů rovněž vyžaduje určitý čas, tzv. mrtvou dobu, kdy se ani neproplachuje ani nefiltruje a tento čas je v procesu ztracen.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky, jsou do značné míry odstraněny zařízením na zpětný proplach separačních membrán v membránovém modulu, opatřeným vnějším zdrojem tlaku a zařízením pro nastavení filtrace nebo zpětného proplachu, podle tohoto vynálezu. Jeho podstatou je to, že k membránovému modulu je připojeno zařízení pro nastavení filtrace nebo zpětného proplachu tvořené ventilem, sestávajícím z pístu umístěného v pístnici. V horní části pístnice je výstup permeátu a ve spodní části je vstup permeátu z membránové modulu. Ventil je elektricky řízený zřídící elektrické jednotky propojené s programovatelnou jednotkou, a řídicí elektrická jednotka je propojena dvěma vodiči s pohonem a koncovými spínači pro zajištění horní a dolní polohu pístu ventilu.

Ventil je s výhodou umístěn na nosném rámu opatřeném pohonem s momentovou spojkou, a držákem koncových spínačů pro zajištění horní a dolní polohy pístu, přičemž pohon je od tělesa táhla pístu oddělen spojkou. Řídicí elektrická jednotka je s výhodou opatřena signalizaci ovládání.

Schéma zapojení zařízení je jednoduché. Zařízení sestává z jediného elektricky řízeného ventilu zajišťujícího všechny funkce. Zařízení je umístěno opět za membránovým modulem. Řízení ventiluje ovládáno z rozvaděče.

Zařízení umožňuje studium optimalizace délky a frekvence zpětných proplachů, eventuálně rozdělení zpětného proplachu do několika pulzů. K takovému studiu je uzpůsobena nově vyvinutá jednotka zpětného proplachu na elektrický pohon.

Výhodou nového systému je, že v klidové poloze, kdy probíhá filtrace, permeát volně protéká zařízením, a zařízení je permeátem stále naplněno. Při zpětném proplachu je použit permeát vyplňující vnitřní objem zařízení. Proto není zapotřebí žádného přídavného zásobníku na permeát, který je vyžadován v jiných systémech pro zpětný proplach. Další výhodou je, že nejsou zapotřebí žádné řídicí elektroventily, které jsou v jiných systémech nutné pro vytvoření zpětného toku permeátu do modulu. Další nemalou výhodou je, že je možno ovládáním rychlosti pístu nastavit velikost tlaku zpětného proplachu. Tato vlastnost je důležitá proto, že velikost tlaku potřebného pro zpětný proplach je různá pro různé porozity membrán a pro různé velikosti otvorů membrán.

Objasnění výkresů

Zařízení na zpětný proplach separačních membrán podle tohoto vynálezu bude podrobněji popsáno na konkrétních příkladech provedení s pomocí přiložených výkresů. Na obr. 1 je znázorněno schéma zapojení, z něhož je vidět, že elektricky řízený ventil, zajišťující všechny zásadní funkce zařízení, je umístěn opět za membránovým modulem. Na obr. 2 je znázorněno v axonometrickém pohledu příkladné zařízení. Na obrázku 3 je zobrazen řez příkladného provedení uložení pístu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příkladné provedení a příkladná konstrukce zařízení je na obr. 2. Zařízení se skládá z nosného rámu 5, na kterém je připevněn pohon I s momentovou spojkou 2 a tělesa táhla pístu 4 a pístnice 8. Na rámu 5 je také upevněn držák W koncových spínačů. Koncové spínače 10 zajišťují horní a dolní polohu pístu 4. Pohon 1 je od tělesa táhla pístu 4 oddělen spojkou 3. Na pístnici 8 v její horní části je hadicový nástavec na výstup 6 permeátu. Ve spodní části pístnice 8 je závitový hadicový nástavec 9, do kterého je zaveden vstup 7 permeátu z modulu na keramické membrány. Hadice na vstupu 7 slouží současně jako přívod zpětného proplachu do permeátového prostoru v modulu. Jednotka zpětného proplachu je ovládána rozvaděčem 24 z řídicí elektrické jednotky 11, na které je signalizace 13 ovládání a programovatelná jednotka 12, kde se nastavují potřebné pracovní časy a rychlosti posuvu pístu 4. Řídicí elektrická jednotka lije propojena dvěma vodiči 14 s pohonem a koncovými spínači.

Na obrázku 3 je zobrazen řez příkladného provedení uložení pístu 4. Zařízení je neustále naplněno permeátem a sestává z táhla 21 pístu 4, uloženého v těsnění 20 táhla 21 pístu 4 a vodicím pouzdru 17, které unáší píst 4, opatřený těsněním 15 pístu 4 a dalším těsněním 16 čelní plochy pístu 4, prostřednictvím držáku 19 pístu 4. Během fáze filtrace je táhlo 21 v horní poloze a cesta pro permeát tekoucí ve směru od vstupu 7 permeátu v dolní části k výstupu 6 permeátu je otevřena. Permeát protéká zařízením a jímá se do zásobníku permeátu. Signálem pro zpětný proplach se uvede táhlo 21 do pohybu směrem dolů, takže je během zpětného proplachu píst 4 odtlačován táhlem 21 dolů, cesta pro permeát je mezi táhlem 21 a pístem 4 uzavřena, takže objem permeátu pod pístem 4 je vytlačován zpět do modulu a provádí zpětný proplach 23. V dolní poloze se začne táhlo 21 automaticky vracet, čímž se opět okamžitě otevře cesta pro permeát a bez mrtvé doby nastane ihned filtrace. K omezení pohybu pístu 4 slouží doraz koncového spínače 18.

Průmyslová využitelnost

Zařízení na zpětný proplach separačních membrán v membránovém modulu, opatřené vnějším zdrojem tlaku a zařízením pro nastavení filtrace nebo zpětného proplachu podle tohoto technického řešení nalezne uplatnění především ve všech biotechnologických procesech výroby nových a cenných organických látek, při nichž dochází vlivem zachycených organických látek k prudkému klesání výkonu membrán, ale i při finální membránové filtraci piva, filtraci odstředěného a surového mléka a všeobecně ve všech koncentračních a separačních membránových procesech, kde se vyskytuje silné zanášení membrán.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení na zpětný proplach separačních membrán v membránovém modulu, opatřené vnějším zdrojem tlaku a zařízením pro nastavení filtrace nebo zpětného proplachu, vyznačující se tím, že kmembránovému modulu je připojeno zařízení pro nastavení filtrace nebo zpětného proplachu tvořené ventilem (30), sestávajícím z pístu (4) umístěného v pístnici (8), v jejíž horní části je výstup (6) permeátu a ve spodní části je vstup (7) permeátu z membránového modulu, přičemž ventil (30) je elektricky řízený z řídicí elektrické jednotky (11) propojené s programovatelnou jednotkou (12), a řídicí elektrická jednotka (11) je propojena dvěma vodiči (14) s pohonem a koncovými spínači pro zajištění horní a dolní polohu pístu (4) ventilu (30).
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že ventil (30) je umístěn na nosném rámu (5) opatřeném pohonem (1) s momentovou spojkou (2), a držákem (10) koncových spínačů pro zajištění horní a dolní polohy pístu (4), přičemž pohon (1) je od tělesa táhla (21) pístu (4) oddělen spojkou (3).
3. 3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že řídicí elektrická jednotka (11) je opatřena signalizací (13) ovládání.