PL193718B1

PL193718B1 - Sposób filtracji z przepływem krzyżowym

Info

Publication number: PL193718B1
Application number: PL00350856A
Authority: PL
Inventors: Herbert Zegg
Original assignee: Andritz Ag Maschf
Priority date: 1999-02-08
Filing date: 2000-01-31
Publication date: 2007-03-30
Also published as: DE50002724D1; CZ20012794A3; TW495367B; HRP20010567B1; HRP20010567A2; CA2360208A1; US6808634B1; AU2668200A; EP1154840A1; WO2000047312A1; PL350856A1; ATA15599A; ES2202055T3; EP1154840B1; BR0008050A; ZA200106473B; HUP0105441A2; HU222973B1; AT406936B

Abstract

1. Sposób filtracji z przeplywem krzyzowym, za pomoca obracajacych sie tarcz membrano- wych, przy czym filtrat przeprowadzany przez tarcze membranowe prowadzi sie we wne- trzach ich wydrazonych korpusów, zwlaszcza promieniowo wzgledem osi obrotu i nastepnie odprowadza sie na zewnatrz przez wydrazony walek, przy czym tarcze membranowe maja korzystnie ten sam kierunek obrotu, a w ob- szarze pokrywania sie zarysu co najmniej dwóch tarcz membranowych wywoluje sie tur- bulencje substancji przy powierzchni wierzch- niej tarcz membranowych, znamienny tym, ze przy powierzchni wierzchniej tarcz membrano- wych (3, 8, 9) wytwarza sie za pomoca ruchu wzglednego miedzy sasiednimi tarczami membranowymi (3, 8, 9) predkosci przelewo- we, wynoszace od 1 do 5 m/sek, a koncentrat filtracji odprowadza sie przewodem (7) pod zwiekszonym cisnieniem wynoszacym 10.10 5 do 14.10 5 Pa. PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób filtracji z przepływem krzyżowym, za pomocą obracających się tarcz membranowych.

Za pomocą tego rodzaju filtracji filtrat przeprowadzany przez tarcze membranowe prowadzi się we wnętrzach ich wydrążonych korpusów a w obszarze pokrywania się zarysu co najmniej dwóch tarcz membranowych wywołuje się turbulencję substancji przy powierzchni wierzchniej tarcz membranowych.

Znane są sposoby i urządzenia, w których oczyszczanie cieczy prowadzi się za pomocą nieruchomych membran, takich jak na przykład membrany rurowe, albo stałe tarcze membranowe. W przypadku tarcz membranowych po jednej stronie ich obszaru doprowadza się filtrat, a po drugiej stronie odprowadza koncentrat. Produkt przenikania przez membrany odprowadza się po przejściu przez membranę. W przypadku membran rurowych problem polega na tym, że można wykorzystywać tylko nieznaczną powierzchnię filtracyjną na jednostkę objętości oczyszczania. Ponadto filtr po pewnym czasie musi być płukany zwrotnie, aby mógł ponownie osiągnąć swoją pełną wydajność filtracji. W przypadku wielkich wydajności filtracji, większych niż 5-10 m³/godz., musi być włączone równolegle albo szeregowo wiele modułów w celu uzyskania wymaganej powierzchni filtracyjnej. Powoduje to wysoki koszt orurowania i olbrzymie zapotrzebowanie na miejsce. Wysokie straty ciśnienia w retencyjnych kanałach (doprowadzanie filtrowanej surowej wody) modułów wymagają wysoko wydajnych pomp.

Na przykład z japońskiego opisu patentowego nr JP 7-75722 (Agency of Ind.) jest znany filtr z wieloma tarczami membranowymi, w których ciecz prowadzi się w elementach tarczowych, a stąd przez wydrążony wałek na zewnątrz. Wydaje się, że element tarczowy składa się z jednorodnego korpusu propylenowego (bez kanałów). Układ pracuje pod zmniejszonym ciśnieniem (ciśnienie robocze 0,5 kg/cm²). Niedogodność polega tu na dużych oporach przepływu i przy odprowadzaniu filtratu za pomocą zmniejszonego ciśnienia. Z japońskiego opisu patentowego nr JP 6-210295 (Hitachi Plant) jest natomiast znane urządzenie flokulacyjne i filtracyjne. Chodzi tam o układ otwarty, w którym filtrat odsysa się za pomocą podciśnienia. Dzięki temu powinno się uniknąć ryzyka zapychania. Ponadto do zawiesiny wprowadza się środek flokulujący i środek regulujący wartość pH. Nadaje się tarczy prędkość obiegową 2,2 m/sek. Prowadzi to przy podanym sposobie pracy i nakładaniu się, do szybkości przelewania w zakresie około 1 m/s. W ten sposób czyszczenie tarcz membranowych może mieć miejsce tylko w niedostatecznym stopniu.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu, który umożliwi udostępnienie modułu filtracyjnego o dużej powierzchni filtracyjnej i z małym zapotrzebowaniem miejsca, bez konieczności płukania wstecznego.

Sposób filtracji z przepływem krzyżowym, za pomocą obracających się tarcz membranowych, przy czym filtrat przeprowadzany przez tarcze membranowe prowadzi się we wnętrzach ich wydrążonych korpusów, zwłaszcza promieniowo względem osi obrotu i następnie odprowadza się na zewnątrz przez wydrążony wałek, przy czym tarcze membranowe mają korzystnie ten sam kierunek obrotu, a w obszarze pokrywania się zarysu co najmniej dwóch tarcz membranowych wywołuje się turbulencję substancji przy powierzchni wierzchniej tarcz membranowych, polega według wynalazku na tym, że przy powierzchni wierzchniej tarcz membranowych wytwarza się za pomocą ruchu względnego między sąsiednimi tarczami membranowymi prędkości przelewowe, wynoszące od 1 do 5 m/sek, a koncentrat filtracji odprowadza się przewodem pod zwiększonym ciśnieniem wynoszącym 10.10⁵ do 14.10⁵ Pa (10 do 14 bar).

Korzystnie, tarcze membranowe napędza się z różną prędkością obrotową a produkt z procesu filtracji odprowadza się pod zmniejszonym ciśnieniem, które korzystnie wynosi do 0,5.10⁵ Pa (0,5 bar).

Z tymi prędkościami przelewu daje się zapewnić dobre oczyszczanie powierzchni tarcz membranowych, przez co zapobiega się albo przynajmniej minimalizuje narastanie warstwy pokrywającej. Dzięki zwiększonemu ciśnieniu po stronie koncentratu tarczy membran, które w przeciwieństwie do zmniejszonego ciśnienia po stronie produktu przenikania przez tarczę membrany może być znacznie wyższe, można także uzyskać dodatkowo znacznie lepszą filtrację.

Dzięki temu, że tarcze membranowe napędza się z różnymi prędkościami można uzyskać żądane prędkości przepływu lub prędkości względnej w obszarze pokrywania się tarcz membranowych.

Dzięki temu, że produkt w procesie filtracji odprowadza się pod zmniejszonym ciśnieniem, wynoszącym do 0,5.10⁵ Pa, uzyskuje się odpowiednie dla filtracji spadki ciśnienia (ciśnienia transmisji tarcz membranowych).

PL 193 718 B1

Wynalazek zostanie bliżej opisany za pomocą rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia jeden z wariantów wykonania modułu do realizacji sposobu według wynalazku, fig. 2 - wariant z fig. 1w widoku z góry, fig. 3 -w widoku z góry dalszy wariant modułu według wynalazku, fig. 4 - wariant kształtu tarcz membranowych, fig. 5 - wariant kształtu przekrojów tarcz membranowych, fig. 6 - wariant konstrukcji tarcz membranowych, fig. 7 - dalszy wariant ich konstrukcji i fig. 8 - rozkład szybkości nad tarczami membranowymi.

Na fig. 1 przedstawiono moduł filtracyjny 1z przepływem krzyżowym według wynalazku. Na wydrążonych wałkach 2, 2' mocuje się tu w danym przypadku kilka tarcz membranowych 3. Filtrowaną ciecz/zawiesinę doprowadza się przewodem 5 do zbiornika 4. Na figurze jest przedstawiony zamknięty zbiornik 4. Zbiornik może być także zbiornikiem otwartym, przy czym tarcze membranowe są zanurzone w cieczy. Tarcze membranowe 3 mają tu zarys cylindryczny. Filtrat wchodzi przez powierzchnię tarcz membranowych 3 do pustych wnętrz tarcz membranowych 3 i w postaci produktu przenikania prowadzi się go do środka tarcz membranowych 3 a następnie przez wydrążony wałek 2, 2' przewodem 6na zewnątrz. Oczyszczony koncentrat odprowadza się w dalszej kolejności przewodem 7. Moduł filtracyjny 1może pracować zarówno ze zwiększonym ciśnieniem po stronie koncentratu, jak i ze zmniejszonym ciśnieniem po stronie produktu przenikania przez tarcze membranowe 3. Zgodnie z tym moduł filtracyjny 1 można stosować w zamkniętym zbiorniku 4 albo w postaci tarcz membranowych zanurzonych. Zwiększone ciśnienie może przy tym wynosić do 10.10⁵ do 14.10⁵ Pa (10 do 14 bar). Temperatura filtrowanego roztworu wynosi w zależności od zastosowania do 70-80°C.

Tarcze membranowe 3 mogą składać się zarówno z nieorganicznych elementów, jak i z elementów podporowych z membraną polimeryczną. Konstrukcja nadaje się zarówno do oczyszczania chemicznego membran w reżimie współprądowym, jak i do w pełni automatycznego płukania zwrotnego produktem przenikania przez membrany. Moduły filtracyjne 1 można w zależności od membrany stosować do mikrofiltracji (od około 0,3 μm), ultrafiltracji, nanofiltracji (do około 4000 daltonów) do osmozy odwrotnej w dziedzinie uzdatniania wody pitnej, uzdatniania wody technologicznej, oczyszczania ścieków komunalnych i przemysłowych, a także przy filtracji produktów. Przy tym uzyskuje się wydajności produktu przenikania przez membrany 10-20 m³/godz na moduł filtracyjny.

Na fig. 2 przedstawiono w widoku z góry moduł filtracyjny 1z fig. 1. Widoczne są wydrążone wałki 2, 2', które służą do odprowadzania produktu przenikania przez membrany. Dla obracania tych wydrążonych wałków 2, 2' obraca się pierwotna obrotowa tarcza membranowa 8i wtórna obrotowa tarcza membranowa 9. Pierwotna tarcza membranowa 8 obraca się w kierunku 10, natomiast wtórna tarcza membranowa 9obraca się w kierunku 11. W obszarze 12 przecinania się zarysów tarcz membranowych 8, 9 tworzy się turbulencyjna strefa oczyszczania. Ta turbulencyjność pojawia się dzięki tarczom membranowym 8, 9 obracającym się przeciwbieżnie w obszarze 12 przecinania się. Dzięki tej turbulencyjności uzyskuje się dodatkowy wpływ czyszczący na powierzchnię tarcz membranowych 8, 9. Turbulencyjność czyli burzliwość można wywoływać także drogą specjalnie wbudowanych jednostek przepływowych. Dzięki mechanicznemu napędowi tarcz membranowych 8 i 9, przepływowi burzliwemu oraz dzięki związanej z tym wysokiej specyficznej wydajności filtracji uzyskuje się bardzo niskie koszty nakładowe. Specyficzne zapotrzebowanie mocy dla napędu wynosi około 2,5 KWh/m³ produktu przenikania przez membrany. Chemiczny przedział czasowy czyszczenia można w zależności od zastosowania w tym czasie podwyższyć od około 50-100 godzin do około 200-500 godzin roboczych.

Jeżeli jest wymagana większa liczba obrotów i stąd należy zmniejszyć średnicę tarcz membranowych, to dla uzyskania przynajmniej tej samej powierzchni filtracyjnej stosuje się więcej wydrążonych wałków z umocowanymi na nich tarczami membranowymi. Na fig. 3 przedstawiono przykładowo wariant z trzema wydrążonymi wałkami 2, 2', 2'' i przyporządkowanymi im tarczami membranowymi 8, 10, 13. Dzięki obracaniu się tarczy 13 w kierunku 14 pojawia się dalsza turbulencyjna strefa oczyszczania 15.

Na fig. 4 przedstawiono alternatywne tarcze membranowe, przy czym w tym przypadku jako membrany stosuje się płyty 16, 16'. O ile płyta 16' jest zamontowana na stałe, to płyta 16 porusza się zgodnie ze strzałką 17mimośrodowo w sposób drgający, tak że na powierzchniach tarcz membranowych pojawia się burzliwość, dzięki której powierzchnie tarcz membranowych są w najwyższym stopniu wolne od osadów. Odprowadzanie produktu przenikania przez tarcze membranowe odbywa się przewodami 18, 18', przy czym w celu lepszego odprowadzenia można umieścić dodatkowe przewody 19, 19' po przeciwnej stronie płyt 16, 16'. Przewody 18, 19, które są związane z poruszającą się płytą 16, mogą być przy tym wykonane z elastycznej rurki albo z odpowiednich węży.

Na fig. 5 przedstawiono wycinek z modułu filtracyjnego 1w widoku z boku i widoczne są tu specjalnie wykonane tarcze membranowe 20, 20' o trójkątnym przekroju poprzecznym ich wnętrza. Obok

PL 193 718 B1 tego kształtu i prostokątnego kształtu przekroju poprzecznego z fig. 1 tarcze membranowe mogą mieć dla specjalnych rozwiązań także inne dowolnie określone kształty przekrojów. Trójkątne kształty przekrojów poprzecznych stosuje się także tam, gdzie na możliwie wąską przestrzeń przypada duża powierzchnia filtracyjna. Przekrój poprzeczny tarcz membranowych 20, 20' jest. przy tym tak dobrany, że może on rozszerzać się w kierunku odpływu produktu przenikania przez tarczę membranową 20, 20' do wydrążonego wałka 2, 2' i odpowiednio większej ilości tego produktu. Zalety modułu filtracyjnego według wynalazku w porównaniu z modułami membranowymi według dotychczasowego stanu techniki polegają przede wszystkim na nieznacznym zapotrzebowaniu miejsca, zmniejszonych nakładach na orurowanie i nieznacznym zużyciu energii, a ponadto nie jest konieczna żadna kosztowna pompa cyrkulacyjna do wytwarzania przepływu krzyżowego.

Na fig. 6 przedstawiono w przekroju konstrukcję modułu filtracyjnego. Na wydrążonych wałkach 2, 2' są umieszczone na przykład tarcze membranowe 3 o przekroju prostokątnym wnętrza. Do nastawiania odstępu tarcz membranowych 3 względem siebie służą umieszczone dookoła wydrążonych wałków 2, 2' wymienne tuleje 21. Poprzez zmianę długości tych tulei 21 daje się nastawiać zgodnie z wymaganiami kanał retencyjny 22, to jest odstęp dwóch tarcz membranowych 3 umocowanych w obszarze pokrywania się na różnych wydrążonych wałkach 2, 2'. Szerokość kanału retencyjnego 22 zależy istotnie od lepkości produktu retencji.

Jak przedstawiono na fig. 7, tarcze membranowe 23 mogą alternatywnie stykać się ze sobą bezpośrednio. Przy odpowiednim doborze kształtu przekroju, tarcze membranowe 23 dają się nasuwać do siebie bezpośrednio na wydrążonym wałku 2, 2', w tym przypadku dzięki rowkowi 24 z pierścieniem uszczelniającym 25. Kanał retencyjny 26 wynika wtedy z ukształtowania występów dystansowych tarcz membranowych 23.

Na fig. 8 przedstawiono tarcze membranowe 8, 9 w widoku z góry, analogicznie do fig. 2. Tarcza membranowa 8 obraca się tu w kierunku 27, natomiast tarcza membranowa 9 w kierunku 28. Nad linią łączącą 29 obydwa wydrążone wałki 2, 2' jest tu naniesiona prędkość obwodowa poszczególnych tarcz membranowych 8, 9 oraz wynikająca stąd prędkość względna. W przypadku tarczy 8 daje to maksymalną prędkość obwodową 30, która w kierunku jej osi spada do zera. Stąd wynika rozkład prędkości 31. Analogicznie dla tarczy membranowej 9, przy maksymalnej prędkości obwodowej 32, daje to rozkład prędkości 33. Otrzymana prędkość względna 34 jest wtedy stała przy takiej samej liczbie obrotów obydwóch tarcz membranowych 8, 9. Przez zmianę liczby obrotów daje się nastawiać pożądaną prędkość względną.

W urządzeniu dla realizacji sposobu według wynalazku, które zawiera nieorganiczne tarcze membranowe (wielkość porów 50 nm, j 152 mm), filtrowano, względnie zatężano najróżniejsze media.

W przypadku prób z wodą sitową z maszyn papierniczych uzyskano przez stężeniu wejściowym ₂

0,1% TS i stężeniu końcowym 11% TS przeciętną specyficzną wydajność filtracji 270 l/m².godz. Prędkość przelewowa wynosiła przy tym 2 m/sek. Wymagany chemiczny czasowy przedział czyszczenia wynosił 450 godzin.

Szybkości przelewowe wybiera się zwykle od 1 do 5 m/sek, a ciśnienia od 0,5 do 6 barów, przy czym okazało się, że w zależności od medium i zawartych składników, w zależności od liczby obrotów i odstępu tarcz membranowych względnie w zależności od nastawionych ciśnień i temperatur filtracji uzyskiwano większy strumień (specyficzna wydajność membrany) niż w przypadku konwencjonalnej pracy z przepływem krzyżowym z membranami rurowymi.

Claims

1. Sposób filtracji z przepływem krzyżowym, za pomocą obracających się tarcz membranowych, przy czym filtrat przeprowadzany przez tarcze membranowe prowadzi się we wnętrzach ich wydrążonych korpusów, zwłaszcza promieniowo względem osi obrotu i następnie odprowadza się na zewnątrz przez wydrążony wałek, przy czym tarcze membranowe mają korzystnie ten sam kierunek obrotu, a w obszarze pokrywania się zarysu co najmniej dwóch tarcz membranowych wywołuje się turbulencję substancji przy powierzchni wierzchniej tarcz membranowych, znamienny tym, że przy powierzchni wierzchniej tarcz membranowych (3, 8, 9) wytwarza się za pomocą ruchu względnego między sąsiednimi tarczami membranowymi (3, 8, 9) prędkości przelewowe, wynoszące od 1 do 5 m/sek, a koncentrat filtracji odprowadza się przewodem (7) pod zwiększonym ciśnieniem wynoszącym 10.10⁵ do 14.10⁵ Pa.

PL 193 718 B1

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że tarcze membranowe (3, 8, 9) napędza się z różną prędkością obrotową.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że produkt w procesie filtracji odprowadza się pod zmniejszonym ciśnieniem.

₅

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że zmniejszone ciśnieniem wynosi do 0,5.10⁵ Pa.