RU158111U1

RU158111U1 - MEMBRANE REACTOR FOR GAS-LIQUID REACTIONS

Info

Publication number: RU158111U1
Application number: RU2015132780/05U
Authority: RU
Inventors: Анна Геннадиевна Баландина; Адиля Рустэмовна Хангильдина; Рустэм Ильдусович Хангильдин
Priority date: 2015-08-05
Filing date: 2015-08-05
Publication date: 2015-12-20

Abstract

1. Мембранный реактор для газожидкостных реакций, содержащий цилиндрический корпус, днище, крышку, узлы уплотнения центрального полого вала и соединения с двигателем, узлы ввода обрабатываемой газожидкостной смеси, вывода концентрата и пермеата, центральный полый вал с перфорированными стенками, на котором закреплен набор вращающихся круглых мембранных элементов с дренажным слоем для отвода пермеата, разделенных между собой неподвижными сепараторными элементами, каждый из которых выполнен в виде внутреннего и периферийного колец, соединенных перемычками, отличающийся тем, что перемычки каждого сепараторного элемента выполнены по форме отрезков логарифмической спирали, выпуклые части которых направлены в сторону вращения мембранных элементов.2. Мембранный реактор для газожидкостных реакций по п. 1, отличающийся тем, что в каждом сепараторном элементе по меньшей мере установлено три перемычки.1. Membrane reactor for gas-liquid reactions, comprising a cylindrical body, a bottom, a cover, nodes for sealing the central hollow shaft and connections to the engine, nodes for introducing the processed gas-liquid mixture, outlet for concentrate and permeate, a central hollow shaft with perforated walls, on which a set of rotating round membrane elements with a drainage layer for permeate removal, separated by stationary separator elements, each of which is made in the form of an inner and peripheral ring, soy bridges, characterized in that the bridges of each separator element are made in the form of segments of a logarithmic spiral, the convex parts of which are directed in the direction of rotation of the membrane elements. 2. The membrane reactor for gas-liquid reactions according to claim 1, characterized in that at least three jumpers are installed in each separator element.

Description

Полезная модель относится к устройствам для проведения газожидкостных реакций и предназначена для обработки жидкости газообразными окислителями и может быть использована в области очистки трудно окисляемых сточных вод.The utility model relates to devices for conducting gas-liquid reactions and is intended for treating liquids with gaseous oxidizing agents and can be used in the field of treatment of difficultly oxidized wastewater.

Наличие в сточных водах абразивных и агрессивных веществ, применение сильных окислителей, например, таких, как озон, перекись водорода и т.п., способствующих разрушению многих конструкционных материалов, требует создания аппаратов из коррозионностойких материалов. К таким материалам можно отнести коррозионностойкие стали и керамику. Некоторым из перечисленных требований соответствует известный мембранный аппарат плоскорамного типа на основе металлокерамических мембран Трумем. Они предназначены для очистки жидких отходов (в том чисел радиоактивных) ультрафильтрацией (см. Мембранный плоскорамный каталитический реактор / А.Г. Баландина. - // Водоснабжение, водоотведение и системы защиты окружающей среды: ст.и тез. V Междунар. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / УГНТУ. - Уфа, 2014. - С. 32-37.).The presence of abrasive and aggressive substances in wastewater, the use of strong oxidizing agents, for example, such as ozone, hydrogen peroxide, etc., contributing to the destruction of many structural materials, requires the creation of apparatus from corrosion-resistant materials. These materials include corrosion-resistant steels and ceramics. Some of the above requirements correspond to the well-known flat-type membrane apparatus based on Trum metal-ceramic membranes. They are intended for the purification of liquid wastes (including radioactive ones) by ultrafiltration (see. Membrane flat-bed catalytic reactor / A.G. Balandina. - // Water supply, drainage and environmental protection systems: articles and thesis. V International scientific. technical conference of students, graduate students and young scientists / UGNTU. - Ufa, 2014. - P. 32-37.).

Недостатком этого аппарата являются высокие энергозатраты из-за необходимости обеспечивать высокие скорости движения разделяемых смесей.The disadvantage of this apparatus is the high energy consumption due to the need to provide high speeds for the movement of the separated mixtures.

Наиболее близким к предлагаемому является мембранный аппарат для разделения жидких смесей, содержащий набор вращающихся мембранных элементов, каждый из которых выполнен в виде двух полупроницаемых мембран и размещенного между ними дренажного слоя с отверстием в центре и с герметизирующим слоем на периферии, центральный полый вал с перфорированными стенками, на котором закреплен набор мембранных элементов, набор неподвижных сепараторных элементов, каждый из которых выполнен в виде внутреннего и периферийного колец, соединенных радиальными перемычками, причем каждый сепараторный элемент размещен между каждыми двумя смежными мембранными элементами, а в периферийных кольцах выполнены отверстия, при осевом совмещении которых в наборе сепараторных элементов образуются каналы для размещения стягивающих шпилек, цилиндрический корпус, выполненный в виде обечайки и днища, верхнюю крышку со штуцером ввода исходной смеси, узел уплотнения центрального полого вала, узел соединения центрального вала с электродвигателем, узел ввода концентрата и узел вывода пермеата - продуктов разделения исходной смеси (см. RU 2179062 C1).Closest to the proposed is a membrane apparatus for separating liquid mixtures, containing a set of rotating membrane elements, each of which is made in the form of two semipermeable membranes and a drainage layer placed between them with a hole in the center and with a sealing layer on the periphery, a central hollow shaft with perforated walls on which a set of membrane elements is fixed, a set of stationary separator elements, each of which is made in the form of inner and peripheral rings connected by a jumpers, each separator element is placed between each two adjacent membrane elements, and holes are made in the peripheral rings, with axial alignment of which channels are formed in the set of separator elements for accommodating the tie rods, a cylindrical body made in the form of a shell and a bottom, the upper cover with the input mixture of the input mixture, the sealing unit of the Central hollow shaft, the connection node of the Central shaft with the electric motor, the input node of the concentrate and the output node of the permeate - product s of the separation of the initial mixture (see RU 2179062 C1).

В известном аппарате достигается высокая энергоэффективность за счет отсутствия необходимости в перекачивании обрабатываемой жидкости с большими скоростями, обеспечивающими замедление загрязнения мембран. Благодаря вращению мембранных элементов и наличию сепараторных элементов, расположенных в плоских зазорах между мембранными элементами достигается то, что исходная загрязненная жидкость, находящаяся под рабочим давлением в корпусе аппарата и увлекаемая во вращение вращающимися на центральном валу мембранными элементами, постоянно тормозится радиальными перемычками сепараторных элементов, турбулизируется при этом, и турбулентные вихри постоянно смывают с поверхности мембран осевшие на них частички загрязнений.In the known apparatus, high energy efficiency is achieved due to the absence of the need for pumping the processed fluid at high speeds, which slow down the contamination of the membranes. Due to the rotation of the membrane elements and the presence of separator elements located in the flat gaps between the membrane elements, it is achieved that the original contaminated liquid, which is under the working pressure in the apparatus body and entrained in the rotation by the membrane elements rotating on the central shaft, is constantly inhibited by the radial jumpers of the separator elements, is turbulized at the same time, turbulent vortices constantly wash away particles of impurities deposited on them from the membrane surface.

Однако в известном аппарате резко падает производительность, если обрабатываемая жидкость насыщена растворенными в ней газами, что затрудняет его применение как реактора для осуществления газожидкостных химических каталитических процессов и, прежде всего, для очистки воды газообразными окислителями.However, in the known apparatus, productivity drops sharply if the liquid to be treated is saturated with gases dissolved in it, which complicates its use as a reactor for carrying out gas-liquid chemical catalytic processes and, above all, for purifying water with gaseous oxidizing agents.

Недостатком известного аппарата является то, что при подаче в него насыщенной газом жидкости в первую очередь начинает происходить разделение газа и жидкости, и площадь контакта газожидкостной смеси с каталитически активной поверхностью мембран при этом уменьшается, вследствие чего и падает производительность аппарата. При этом не эффективно используется газ-окислитель, который свободно выходит через мембранные элементы.A disadvantage of the known apparatus is that when a gas-saturated liquid is supplied to it, gas and liquid separation first begins to occur, and the contact area of the gas-liquid mixture with the catalytically active surface of the membranes decreases, as a result of which the productivity of the apparatus decreases. In this case, an oxidizing gas is not effectively used, which freely exits through the membrane elements.

Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно возможность проведения химических каталитических реакций в насыщенной газами-окислителями жидкости при максимально возможной производительности реактора.The objective of this utility model is to eliminate these drawbacks, namely the possibility of carrying out chemical catalytic reactions in a liquid saturated with oxidizing gases at the maximum possible reactor productivity.

Поставленная задача решается тем, что мембранный реактор для газожидкостных реакций, содержащий цилиндрический корпус, днище, крышку, узлы уплотнения центрального полого вала и соединения с двигателем, узлы ввода обрабатываемой газожидкостной смеси, вывода концентрата и пермеата, центральный полый вал с перфорированными стенками, на котором закреплен набор вращающихся круглых мембранных элементов с дренажным слоем для отвода пермеата, разделенных между собой неподвижными сепараторными элементами, каждый из которых выполнен в виде внутреннего и периферийного колец, соединенных перемычками, отличающийся тем, что перемычки каждого сепараторного элемента выполнены по форме отрезков логарифмической спирали, выпуклые части которых направлены в сторону вращения мембранных элементов, а в каждом сепараторном элементе установлено по меньшей мере три перемычки.The problem is solved in that a membrane reactor for gas-liquid reactions, containing a cylindrical body, a bottom, a cover, seal units of the central hollow shaft and connections to the engine, input nodes of the processed gas-liquid mixture, output of concentrate and permeate, a central hollow shaft with perforated walls, on which fixed set of rotating round membrane elements with a drainage layer for permeate removal, separated by stationary separator elements, each of which is made in the form of morning and peripheral rings connected by jumpers, characterized in that the jumpers of each separator element are made in the form of segments of a logarithmic spiral, the convex parts of which are directed towards the rotation of the membrane elements, and at least three jumpers are installed in each separator element.

Сущность полезной модели иллюстрируется фиг. 1-4. На фиг. 1 представлен общий вид мембранного аппарата с присоединенным электродвигателем, на фиг. 2 - разрез мембранного аппарата, на фиг. 3 - поперечный разрез мембранного элемента, на фиг. 4 - общий вид сепараторного элемента.The essence of the utility model is illustrated in FIG. 1-4. In FIG. 1 shows a general view of a membrane apparatus with an attached electric motor; FIG. 2 is a sectional view of the membrane apparatus; FIG. 3 is a cross-sectional view of the membrane element; FIG. 4 is a general view of a separator element.

Мембранный аппарат 1 с помощью муфты 2 соединен с электродвигателем 3. Вся сборка размещена на раме 4 и закреплена на ней крепежными элементами 5 и 6. Рама снабжена регулируемыми опорами 7.The membrane apparatus 1 with the help of the coupling 2 is connected to the electric motor 3. The entire assembly is placed on the frame 4 and fixed on it with fasteners 5 and 6. The frame is equipped with adjustable supports 7.

Мембранный аппарат 1 состоит из цилиндрического корпуса, выполненного в виде обечайки 8 и плоского днища 9. По оси корпуса размещен центральный вал 10, по оси которого выполнен внутренний канал 11. С двух концов канал 11 закрыт верхней 12 и нижней 13 торцевыми пробками. В верхней части вала 10, находящегося внутри корпуса, в его стенках выполнены перфорационные отверстия 14. Под днищем 9 размещен узел уплотнения центрального вала, состоящий из сальниковой коробки 15, сальникового уплотнения 16, 17 нажимной втулки 18 и двух центрирующих подшипников 19 и 20. На нижней торцевой пробке 13 крепится муфта 2 соединения центрального вала с электродвигателем. Сверху корпус закрыт верхней крышкой 21. На верхней крышке 21 закреплен штуцер 22 ввода исходной смеси. При необходимости мембранный аппарат 1 может быть снабжен горловиной 23, предохранительным клапаном 24 и манометром 25, размещенными на крышке 21. Для термостатирования аппарат 1 может быть снабжен рубашкой 26 со штуцерами 27 и 28 ввода и вывода хладагента. Внутри корпуса мембранного аппарата 1 размещены наборы из мембранных 29 и сепараторных 30 элементов, причем таким образом, что между каждыми двумя мембранными элементами 29 расположен один сепараторный элемент 30 и наоборот. Каждый мембранный элемент 29 выполнен в виде сборки из жесткой недеформируемой основы, размещенной внутри дренажного слоя 31, и двух полупроницаемых мембран 32. По периферии круглого в плане мембранного элемента размещен герметизирующий слой 33, а в центре выполнено отверстие 34. Каждый сепараторный элемент 30 представляет собой внутреннее 35 и периферийное 36 кольца, соединенные перемычками 37, выполненными по форме отрезков логарифмической спирали. Во внутреннем кольце выполнено центральное отверстие 38, а в периферийном - отверстия 39. Набор мембранных элементов 29 размещен на центральном валу 10 с определенным зазором между каждой парой элементов. Величина зазора обеспечивается шайбами 40, а весь набор по центральной части уплотняется с помощью нажимной втулки 41 и уплотняющей гайки 42. Отверстия 39 всех элементов совмещены таким образом, что они образуют канал для размещения стягивающих шпилек 43. Нижним концом шпильки 43 крепятся на внутренней поверхности днища 9, а сжатие набора сепараторных элементов 30 осуществляется с помощью гаек 44. Зазор между сепараторными элементами 30 обеспечивается проставочными втулками 45. Узел вывода концентрата размещен в стенке сальниковой коробки 15 и выполнен в виде системы каналов 46, сообщающихся с внутренним объемом корпуса, и штуцера 47. Узел вывода пермеата размещен в стенке нажимной втулки 18 и выполнен в виде системы кольцевого 48 и радиального 49 каналов втулки и радиального канала 50 центрального вала 10, сообщающегося с внутренним каналом 11 центрального вала 10. Полупроницаемые мембраны 32 выполнены в виде двухслойных пластин, в каждой из которых нижний слой выполнен из пористого металла, а верхний слой - из пористой керамики. В качестве пористого металла можно использовать нержавеющую сталь, титан и другие металлы. Нижний слой несет функции подложки для верхнего слоя и дренажа для пермеата.The membrane apparatus 1 consists of a cylindrical body made in the form of a shell 8 and a flat bottom 9. A central shaft 10 is placed along the axis of the body, along the axis of which an internal channel 11 is made. At both ends, the channel 11 is closed by end caps 12 and bottom 13. Perforation holes 14 are made in the upper part of the shaft 10 located inside the housing. Under the bottom 9, a central shaft seal assembly is located, consisting of a stuffing box 15, an oil seal 16, 17 of a pressure sleeve 18 and two centering bearings 19 and 20. On the lower end plug 13 is attached to the coupling 2 of the connection of the Central shaft with the motor. On top of the housing is closed by the top cover 21. On the top cover 21, a fitting 22 for introducing the initial mixture is fixed. If necessary, the membrane apparatus 1 can be equipped with a neck 23, a safety valve 24 and a pressure gauge 25 located on the cover 21. For temperature control, the apparatus 1 can be equipped with a jacket 26 with refrigerant inlet and outlet fittings 27 and 28. Inside the housing of the membrane apparatus 1, sets of membrane 29 and separator 30 elements are placed, in such a way that between each two membrane elements 29 there is one separator element 30 and vice versa. Each membrane element 29 is made in the form of an assembly of a rigid non-deformable base placed inside the drainage layer 31 and two semi-permeable membranes 32. A sealing layer 33 is placed on the periphery of the round membrane element in the plan, and a hole 34 is made in the center. Each separator element 30 is inner 35 and peripheral 36 rings connected by jumpers 37 made in the form of segments of a logarithmic spiral. A central hole 38 is made in the inner ring, and holes 39 are made in the peripheral ring. A set of membrane elements 29 is placed on the central shaft 10 with a certain gap between each pair of elements. The size of the gap is provided by washers 40, and the entire set is sealed in the central part by means of a pressure sleeve 41 and a sealing nut 42. The holes 39 of all the elements are aligned so that they form a channel for accommodating the fastening pins 43. The lower end of the pins 43 are mounted on the inner surface of the bottom 9, and the set of separator elements 30 is compressed using nuts 44. The gap between the separator elements 30 is provided by spacer sleeves 45. The concentrate outlet assembly is located in the wall of the stuffing box 15 and flax in the form of a system of channels 46 communicating with the internal volume of the housing, and a fitting 47. The permeate outlet assembly is located in the wall of the pressure sleeve 18 and is made in the form of a ring system 48 of radial 48 and channel 49 of the sleeve and radial channel 50 of the central shaft 10 in communication with the internal channel 11 of the central shaft 10. Semi-permeable membranes 32 are made in the form of two-layer plates, in each of which the lower layer is made of porous metal, and the upper layer is made of porous ceramic. As the porous metal, stainless steel, titanium and other metals can be used. The lower layer has the functions of a substrate for the upper layer and drainage for permeate.

Предложенный мембранный реактор работает следующим образом.The proposed membrane reactor operates as follows.

Исходная жидкость, насыщенная газом-окислителем, например, озоном под рабочим давлением (до 10 ат) подается в реактор через штуцер 22, где она полностью заполняет весь внутренний объем реактора. С помощью электродвигателя 3 приводится во вращение центральный вал 10 и закрепленный на нем пакет мембранных элементов 29. При этом пакет сепараторных элементов 30 остается неподвижным. Под действием давления через полупроницаемые мембраны 32 проходит очищенная жидкость - пермеат, попадает в дренажный слой 31, движется к центральному отверстию 34 мембранного элемента 29. Далее через перфорационные отверстия 14 пермеат проникает во внутренний канал 11 центрального вала 10, движется по нему до радиального канала 50, перетекает в кольцевой канал 48 нижней втулки 18 и по радиальному каналу 49 выводится из аппарата. Не прошедший через полупроницаемые мембраны 32 раствор - концентрат вытесняется из внутреннего объема аппарата новыми порциями подаваемой насосом исходной смеси, проходит через систему отводящих каналов 46 и через штуцер 47 выводится из аппарата. Для поддержания заданного рабочего давления, которое контролируется по манометру 25, на линии отвода концентрата после штуцера 47 установлен дросселирующий вентиль (на фиг. не показан).The initial liquid, saturated with an oxidizing gas, for example, ozone under a working pressure (up to 10 atm), is supplied to the reactor through a nozzle 22, where it completely fills the entire internal volume of the reactor. By means of an electric motor 3, the central shaft 10 and the package of membrane elements 29 fixed on it are driven. The package of separator elements 30 remains stationary. Under the action of pressure, a purified liquid passes through semipermeable membranes 32 - permeate, enters the drainage layer 31, moves to the central hole 34 of the membrane element 29. Then, through the perforation holes 14, the permeate penetrates the inner channel 11 of the central shaft 10, moves along it to the radial channel 50 flows into the annular channel 48 of the lower sleeve 18 and is discharged from the apparatus via the radial channel 49. Not passed through the semipermeable membranes 32, the solution - concentrate is displaced from the internal volume of the apparatus with new portions of the initial mixture supplied by the pump, passes through the system of outlet channels 46 and is discharged from the apparatus through the fitting 47. To maintain a given working pressure, which is controlled by a pressure gauge 25, a throttle valve (not shown) is installed on the concentrate discharge line after the nozzle 47.

Скорость вращения вала с пакетом мембранных элементов может быть от 200 до 2000 об/мин. При вращении пакета мембранных элементов не происходит осаждения, адсорбции и прилипания к поверхности мембран растворенных и суспендированных частиц загрязнений, а также уменьшается слой концентрационной поляризации.The speed of rotation of the shaft with a package of membrane elements can be from 200 to 2000 rpm. During the rotation of the package of membrane elements, precipitation, adsorption and adherence to the surface of the membranes of dissolved and suspended particles of contaminants does not occur, and the concentration polarization layer also decreases.

Для устранения закручивания жидкости вместе с вращающимся пакетом мембранных элементов служат сепараторные элементы, а именно их перемычки 37. Форма поперечного сечения перемычек может быть любой, например, форма равнобедренной трапеции, большое основание которой обращено в сторону набегающего потока жидкости. А форма продольного сечения перемычек должна быть в виде отрезка логарифмической спирали, причем ее выпуклая часть должна быть направлена в сторону вращения мембранных элементов. При такой форме и таком расположении перемычек не происходит значительного перепада давления жидкости между осью реактора и его периферией, что обеспечивает стабильность насыщенной газожидкостной смеси в реакторе и препятствует активному выделению из жидкости газа, что, в свою очередь, обеспечивает максимально возможную производительность реактора.To eliminate the twisting of the liquid together with the rotating package of membrane elements, separator elements are used, namely their jumpers 37. The cross-sectional shape of the jumpers can be any, for example, the shape of an isosceles trapezoid, the large base of which faces the incoming liquid flow. And the shape of the longitudinal section of the jumpers should be in the form of a segment of a logarithmic spiral, and its convex part should be directed in the direction of rotation of the membrane elements. With such a shape and such arrangement of jumpers, there is no significant difference in liquid pressure between the axis of the reactor and its periphery, which ensures the stability of the saturated gas-liquid mixture in the reactor and prevents the active release of gas from the liquid, which, in turn, ensures the maximum possible reactor productivity.

Применение мембранного реактора с предложенными конструктивными особенностями эффективно для очистки природных и сточных вод, загрязненных трудно окисляемыми веществами с помощью озона и кислорода. Предлагаемый реактор может найти применение в химической и нефтехимической промышленности, а также в коммунальном хозяйстве.The use of a membrane reactor with the proposed design features is effective for the purification of natural and wastewater contaminated with difficultly oxidized substances using ozone and oxygen. The proposed reactor can find application in the chemical and petrochemical industries, as well as in public utilities.

Claims

1. Membrane reactor for gas-liquid reactions, comprising a cylindrical body, a bottom, a cover, nodes for sealing the central hollow shaft and connections to the engine, nodes for introducing the processed gas-liquid mixture, outlet for concentrate and permeate, a central hollow shaft with perforated walls, on which a set of rotating round membrane elements with a drainage layer for permeate removal, separated by stationary separator elements, each of which is made in the form of an inner and peripheral ring, soy bridges, characterized in that the bridges of each separator element are made in the form of segments of a logarithmic spiral, the convex parts of which are directed in the direction of rotation of the membrane elements.

2. A membrane reactor for gas-liquid reactions according to claim 1, characterized in that at least three jumpers are installed in each separator element.