RU2060804C1

RU2060804C1 - Hollow-fiber membrane apparatus

Info

Publication number: RU2060804C1
Application number: RU93044669A
Authority: RU
Inventors: А.П. Борщев; Э.М. Айзенштейн; Н.И. Кокин; Л.Н. Нечаева; Г.Л. Бычкова; С.И. Крупенченков; М.С. Казаков; В.М. Гришков; Ю.А. Рахманин; Р.И. Михайлова
Original assignee: Фирма "Торн Лтд"
Priority date: 1993-09-17
Filing date: 1993-09-17
Publication date: 1996-05-27

Abstract

FIELD: chemical engineering. SUBSTANCE: favourable hydrodynamic conditions of separation preventing from formation of dead zone are created in apparatus as a result of combination of parallel axis of placement apparatus of hollow-fiber membranes in membranous member, as a result of limiting total open area of perforation in axial pipe by range of 600-900 mm² and of decreasing interfiber (free) volume in membranous member by the value less than 10%. The apparatus is used for separating liquid mixtures according to method of nanofiltration, water treatment (water softening) in industry. EFFECT: enhanced quality of obtaining ecologically pure drinkable water in homes, excluded sedimentation. 1 dwg

Description

Изобретение относится к разделению жидких смесей с помощью мембранных аппаратов на основе половолоконных мембран, в частности к разделению жидких смесей методом нанофильтрации. The invention relates to the separation of liquid mixtures using membrane devices based on hollow fiber membranes, in particular to the separation of liquid mixtures by nanofiltration.

Метод нанофильтрации вследствие более низкой степени очистки жидкостей (прежде всего воды) от растворенных солей, чем обратный осмос, позволяет получать экологически полноценную питьевую воду без дополнительного кондиционирования, обеспечивая международные стандарты ВО3 (Всемирная организация здравоохранения) как по верхним, так и прежде всего по нижним пределам концентраций солей в питьевой воде. Для создания эффективного процесса мембранного разделения жидких смесей методом нанофильтрации наряду с эксплуатационными характеристиками используемых мембран, таких как селективность по различным солям и удельная производительность, существенную роль играет также конструкция мембранного аппарата. При создании мембранных аппаратов основные усилия направлены на размещение максимальной фильтрующей поверхности в объеме аппарата и создание в нем благоприятных гидродинамических условий разделения, уменьшающих вероятность возникновения застойных зон и предотвращающих выпадения осадка на поверхности мембраны. The nanofiltration method, due to the lower degree of purification of liquids (primarily water) from dissolved salts than reverse osmosis, allows one to obtain environmentally friendly drinking water without additional conditioning, ensuring international standards BO3 (World Health Organization) both on the upper and especially the lower limits of salt concentrations in drinking water. To create an effective process of membrane separation of liquid mixtures by nanofiltration, along with the operational characteristics of the membranes used, such as selectivity for various salts and specific productivity, the design of the membrane apparatus also plays a significant role. When creating membrane devices, the main efforts are aimed at placing the maximum filtering surface in the volume of the device and creating favorable hydrodynamic separation conditions in it, reducing the likelihood of stagnant zones and preventing precipitation on the membrane surface.

Наибольшую фильтрующую поверхность в объеме аппарата обеспечивает использование мембран в форме полого волокна. Разделительные аппараты для фильтрации жидких смесей методами обратного осмоса или нанофильтрации представляют собой цилиндрический корпус, в который помещен мембранный элемент с полым волокном, уложенным на осевую перфорированную трубку и торцовые блоки со стороны выхода фильтрата и концентрата. Разделяемая жидкость под давлением подается через осевую трубку в корпус аппарата. Проникший через стенки полого волокна фильтрат выводится из аппарата по каналам полого волокна, концы которого вклеены в торцовой блок, а концентрат, пройдя между волокнами, выводится с другого конца аппарата. В зависимости от того, как будет построен гидродинамический режим работы аппарата и прежде всего режим омывания полых волокон в аппарате, во многом зависит эффективность его работы, отсутствие осадкообразования на поверхности полых волокон, срок его службы. Особенно это актуально для нанофильтрации, так как в этом случае разделению подвергается вода, содержащая многокомпонентные загрязнители, склонные в процессе очистки к осадкообразованию. The largest filtering surface in the volume of the apparatus is ensured by the use of hollow fiber membranes. Separators for filtering liquid mixtures by reverse osmosis or nanofiltration are a cylindrical body in which a membrane element with a hollow fiber placed on an axial perforated tube and end blocks from the outlet of the filtrate and concentrate is placed. The liquid to be separated is supplied under pressure through an axial tube to the apparatus body. The filtrate penetrated through the walls of the hollow fiber is discharged from the apparatus through the channels of the hollow fiber, the ends of which are glued to the end block, and the concentrate, passing between the fibers, is discharged from the other end of the apparatus. Depending on how the hydrodynamic mode of operation of the apparatus will be built and, first of all, the regime of washing hollow fibers in the apparatus, the efficiency of its operation, the absence of sedimentation on the surface of the hollow fibers, and its service life largely depend. This is especially true for nanofiltration, since in this case, water containing multicomponent pollutants, which are prone to sedimentation during cleaning, is subjected to separation.

Известен аппарат, у которого для предотвращения осадкообразования в мембранный элемент с полым волокном помещают цилиндрические вставки из непроницаемого для разделяемой жидкости материала, которые способствуют образованию лабиринтного канала (авт. св. СССР N 1498531, кл. В 01 D 63/02, 1989). При этом подача исходной жидкости осуществляется через перфорацию в осевой трубке, расположенной по всей длине трубки. A device is known in which, to prevent sedimentation, cylindrical inserts of a material impervious to the liquid to be separated are placed in the hollow fiber membrane element, which contribute to the formation of the labyrinth channel (ed. St. USSR N 1498531, class 01 D 63/02, 1989). In this case, the supply of the source fluid is carried out through perforation in the axial tube located along the entire length of the tube.

При такой конструкции аппарата у блока вывода фильтрата образуется застойная зона, где не только не уменьшается, но и усиливается явление осадкообразования. Кроме того, наличие цилиндрических вставок в мембранном элементе, размещенных непосредственно в мембранном элементе, уменьшает количество полых волокон в нем и следовательно площадь фильтрации мембранного элемента. With such a design of the apparatus, a stagnant zone is formed at the filtrate output unit, where not only does the sedimentation not only decrease, but also intensify. In addition, the presence of cylindrical inserts in the membrane element located directly in the membrane element, reduces the number of hollow fibers in it and therefore the filtration area of the membrane element.

Наиболее близким к изобретению является разделительный аппарат, который состоит из мембранного элемента с пучком полых волокон, уложенным на перфорированную осевую трубку, который помещен в цилиндрический корпус, но перфорация выполнена не по всей длине, а с одного края трубки и пучок полых волокон снабжен непроницаемым для разделяемой среды кожухом, открывающим пучок полых волокон со стороны, противоположный перфорированному краю трубки. Такая конструкция позволяет избежать образования застойной зоны у блока вывода фильтрата. Closest to the invention is a separation apparatus, which consists of a membrane element with a bundle of hollow fibers laid on a perforated axial tube, which is placed in a cylindrical body, but the perforation is not made along the entire length, but from one end of the tube and the bundle of hollow fibers is impervious to shared medium casing, opening a bundle of hollow fibers from the side opposite the perforated edge of the tube. This design avoids the formation of a stagnant zone at the filtrate outlet block.

Однако недостатком данной конструкции является то, что полые волокна в мембранном элементе расположены под углом к оси аппарата, что возможно только при крестообразной намотке полых волокон в мембранном элементе. В этом случае в месте перехлеста половолоконных мембран неизбежно образуются локальные застойные зоны и увеличивается вероятность осадкообразования. Кроме того, место перехлеста исключается из процесса фильтрации, что уменьшает реальную фильтрующую поверхность аппарата. К тому же при таком способе укладки полых волокон в мембранном элементе увеличивается межволоконный объем (объем в мембранном элементе не заполненный полым волокном), что ухудшает эффективность омывания полых волокон. Поэтому во втором варианте конструкции аппарата предусмотрено размещение в мембранном элементе проницаемых для разделяемой среды вставок с целью улучшения распределения потока разделяемой смеси и улучшения эффективности омывания. Однако это, как указывалось выше, уменьшает количество полых волокон в мембранном элементе и площадь фильтрации. Кроме того, это усложняет и удорожает его конструкцию. However, the disadvantage of this design is that the hollow fibers in the membrane element are located at an angle to the axis of the apparatus, which is only possible with crosswise winding of the hollow fibers in the membrane element. In this case, local stagnant zones inevitably form at the overlap of the hollow fiber membranes and the probability of sedimentation increases. In addition, the overlap is excluded from the filtering process, which reduces the actual filtering surface of the apparatus. In addition, with this method of laying hollow fibers in the membrane element, the inter-fiber volume increases (the volume in the membrane element not filled with hollow fiber), which affects the efficiency of washing the hollow fibers. Therefore, in the second embodiment of the apparatus, the insertion of inserts that are permeable to the shared medium in the membrane element is provided in order to improve the distribution of the flow of the shared mixture and improve the washing efficiency. However, this, as mentioned above, reduces the number of hollow fibers in the membrane element and the filtration area. In addition, this complicates and increases the cost of its construction.

Технической задачей изобретения является улучшение гидродинамических условий разделения, исключающих возникновение как застойной зоны у блока фильтрата, так и локальных при упрощении конструкции разделительного аппарата. An object of the invention is to improve the hydrodynamic conditions of separation, eliminating the occurrence of both a stagnant zone at the filtrate block and local ones while simplifying the design of the separation apparatus.

Это достигается тем, что укладку половолоконных мембран в мембранном элементе проводят параллельно оси аппарата (осевой трубки); при этом ограниченное суммарное живое сечение отверстий на осевой трубке (перфорация), расположенных в шахматном порядке, величиной 600-900 мм²; плотность упаковки параллельно уложенных полых волокон в мембранном элементе доведена до величины свободного (межволоконного) объема мембранного элемента до величины менее 10%
Последнее обстоятельство достигается использованием половолоконных нанофильтрационных мембран из ацетата целлюлозы с наружным и внутренним диаметром 280-320 мкм и 90-120 мкм соответственно, средним размером пор более 0,001 мкм и обладающих селективностью при давлении 1-1,5 МПа по 0,2%-ному раствору сульфата магния более 80% по 15%-ному раствору хлорида натрия в пределах 25-60% и проницаемостью по этому раствору более 6 л/(м² · ч).This is achieved by the fact that the laying of hollow fiber membranes in the membrane element is carried out parallel to the axis of the apparatus (axial tube); while a limited total living section of the holes on the axial tube (perforation), located in a checkerboard pattern, the size of 600-900 mm ² ; packing density of parallelly laid hollow fibers in the membrane element is brought to the free (interfiber) volume of the membrane element to less than 10%
The latter circumstance is achieved using hollow fiber nanofiltration membranes made of cellulose acetate with an outer and inner diameter of 280-320 microns and 90-120 microns, respectively, with an average pore size of more than 0.001 microns and having a selectivity of 0.2% at a pressure of 1-1.5 MPa a magnesium sulfate solution of more than 80% in a 15% sodium chloride solution in the range of 25-60% and a solution permeability of more than 6 l / (m ² · h).

На чертеже представлена конструкция предлагаемого аппарата. The drawing shows the design of the proposed apparatus.

Аппарат содержит корпус 1, мембранный элемент, состоящий из кожуха 4 из непроницаемого материала, полых волокон 5, уложенных параллельно на осевой трубке, осевой трубки 6, блока вывода концентрата 7, блока вывода фильтрата 8. Кроме того, 9 перфорация осевой трубки, 10 распределение потоков внутри мембранного аппарата, 2 крышка с отверстиями для выхода фильтрата и концентрата. The apparatus comprises a housing 1, a membrane element consisting of a casing 4 of impermeable material, hollow fibers 5, laid parallel to the axial tube, an axial tube 6, a concentrate output unit 7, a filtrate output unit 8. In addition, 9 axial tube perforation, 10 distribution flows inside the membrane apparatus, 2 cover with openings for the exit of the filtrate and concentrate.

Мембранный аппарат работает следующим образом. Membrane apparatus operates as follows.

Исходная разделяемая жидкость (преимущественно загрязненная вода) под давлением 1-1,5 МПа подается в осевую трубку 6 и через отверстия, расположенные в шахматном порядке (перфорация) у блока вывода фильтрата 8 с суммарным живым сечением 600-900 мм², попадает в мембранный элемент. Причем, диапазон величин живого сечения отверстий сопряжен с удельной производительностью ацетатцеллюлозных полых волокон (более 6 л/м² · ч) и позволяет с одной стороны поддерживать эффективную скорость омывания полых волокон, а с другой предотвратить их повреждение. Далее жидкость, омывая полые волокна, уложенные параллельно оси аппарата, движется также параллельно полым волокнам в направлении от блока вывода фильтрата 8 к блоку вывода концентрата 7. То, что омывающая жидкость движется в мембранном элементе параллельно полым волокнам, которые к тому же не перехлестываются между собой обеспечивает наиболее эффективный смыв загрязнителей, а следовательно, длительную и стабильную их работу. Кроме того, если величина межволоконного (свободного) объема мембранного элемента не превышает 10% полые волокна сами начинают эффективно распределять потоки и поэтому необходимость введения в мембранный элемент проницаемых или непроницаемых вставок для улучшения распределения потоков отпадает. Это упрощает конструкцию аппарата и увеличивает при прочих равных условиях его фильтрующую поверхность. Под воздействием давления более 50% объема исходной омывающей жидкости (преимущественно 75%), очищаясь, проникает через стенки половолоконной мембраны и по ее каналам выводится через блок вывода фильтрата 8 из аппарата, а другая часть, составляющая менее 50% объема (преимущественно 25% ), с загрязнителями через зазор между корпусом и блоком вывода концентрата также выводится из аппарата с другой стороны.The initial liquid to be separated (mainly contaminated water) is supplied to the axial tube 6 under a pressure of 1-1.5 MPa and through the holes staggered (perforation) at the filtrate output unit 8 with a total live section of 600-900 mm ² , enters the membrane element. Moreover, the range of values of the live section of the holes is associated with the specific productivity of cellulose acetate hollow fibers (more than 6 l / m ² · h) and allows, on the one hand, to maintain an effective speed of washing the hollow fibers, and on the other to prevent damage. Further, the liquid, washing the hollow fibers laid parallel to the axis of the apparatus, also moves parallel to the hollow fibers in the direction from the output unit of the filtrate 8 to the output unit of the concentrate 7. That the washing liquid moves in the membrane element parallel to the hollow fibers, which also do not overlap between It provides the most effective flushing of pollutants, and therefore, their long and stable operation. In addition, if the interfiber (free) volume of the membrane element does not exceed 10%, the hollow fibers themselves begin to efficiently distribute flows, and therefore there is no need to introduce permeable or impermeable inserts into the membrane element to improve the distribution of flows. This simplifies the design of the apparatus and increases, ceteris paribus, its filtering surface. Under the influence of pressure, more than 50% of the volume of the initial washer fluid (predominantly 75%), being purified, penetrates through the walls of the hollow fiber membrane and is discharged through its channels through the filtrate output unit 8 from the apparatus, and the other part, which is less than 50% of the volume (predominantly 25%) , with pollutants through the gap between the housing and the concentrate output unit is also removed from the apparatus on the other hand.

Таким образом, использование мембранного аппарата позволит обеспечить за счет улучшенного гидродинамического режима разделения, исключающего возникновение застойных зон, увеличить ресурс работы аппарата при упрощении его конструкции. Особенно предпочтительно его использование для разделения жидких смесей методом нанофильтрации (преимущественно воды), содержащих многокомпонентные загрязнители, склонные в процессе мембранного разделения к осадкообразованию. Thus, the use of a membrane apparatus will allow, due to the improved hydrodynamic separation mode, eliminating the occurrence of stagnant zones, to increase the life of the apparatus while simplifying its design. Particularly preferred is its use for the separation of liquid mixtures by the nanofiltration method (mainly water) containing multicomponent pollutants that are prone to sedimentation during membrane separation.

Claims

A hollow fiber membrane apparatus including a cylindrical body with covers, in one of which holes are made for the inlet of the liquid to be separated and for the output of concentrate, and in the other holes for the output of the filtrate, a membrane element is placed in the body, consisting of an axial perforated tube from one end, two end blocks installed on the axial tube and hollow fibers, the ends of which are embedded in end blocks, the block on the outlet side of the filtrate is hermetically installed in the housing, and the other on the outlet side of the concentrate, has the gap with the apparatus body, and the bundle of hollow fibers is provided with a casing not permeable to the liquid to be separated, opening it from the side opposite to the perforated edge of the axial tube, characterized in that as the hollow fibers laid parallel to the axis of the apparatus, it contains cellulose acetate hollow fibers with an average size then more than 0.001 μm, with an outer and inner diameter of 280 320 and 90 120 μm, respectively, having selectivity at a pressure of 1 1.5 MPa for a 0.2% solution of magnesium sulfate over 80% for a 0.15% solution of sodium chloride within 25-60% and the permeability of this solution is more than 6 l / m ² • h, and the perforation in the axial tube, made in the form of holes arranged in a checkerboard pattern, has a total live section in the range of 600 900 mm ² and the volume of interfiber (free ) the space in the membrane element does not exceed 10%