RU2093253C1

RU2093253C1 - Membrane apparatus

Info

Publication number: RU2093253C1
Authority: RU
Inventors: Н.И. Белов; В.И. Белов; А.И. Белов
Original assignee: Белов Николай Илларионович
Priority date: 1992-05-26
Filing date: 1992-05-26
Publication date: 1997-10-20

Abstract

FIELD: membrane apparatuses used in chemical, food and other industries. SUBSTANCE: apparatus comprises a package of compressed between two plates alternating membrane and intermediate members having frames with holes for introduction of separated mixture and discharge of separated products which part is communicated through crossflow slots with internal space of frames filled with drainage or turbulizing device. Frames have inserts over lapping the crossflow slots to form channels. Inserts may be made in the form of plates with central hole and located from both sides of frame and sealed with it. Inserts may be made in the form of plates located above crossflow slots from both sides of frames or in the form of two interconnected plates installed in slots. EFFECT: improved design. 4 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам мембранного разделения, применяемым в химической, пищевой и др. отраслях производства. The invention relates to membrane separation devices used in the chemical, food and other industries.

Заявляемый аппарат относится к таким устройствам, которые могут работать в режиме регенерации мембран обратным током фильтрата (пермеата). The inventive apparatus relates to such devices that can operate in the mode of regeneration of the membranes by reverse current of the filtrate (permeate).

Цель изобретения повышение надежности работы аппарата, заключающейся в предотвращении смешивания необработанной и обработанной (прошедшей через мембрану) смеси. The purpose of the invention is to increase the reliability of the apparatus, which consists in preventing mixing of the untreated and processed (passed through the membrane) mixture.

Известны аппараты, содержащие пакет чередующихся мембранных и промежуточных элементов, сжимаемых между двумя плитами (Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы. М. 1986, с.41). Элементы изготовлены в виде пластин, имеющих рифления на своей поверхности. Недостаток этих аппаратов заключается в невозможности проведения достаточно эффективной регенерации мембран обратным током фильтрата. Known apparatuses containing a package of alternating membrane and intermediate elements, compressed between two plates (Dytnersky Yu.I. Baromembrane processes. M. 1986, p.41). Elements are made in the form of plates having corrugations on their surface. The disadvantage of these devices is the impossibility of carrying out sufficiently effective regeneration of the membranes by reverse current of the filtrate.

Наиболее близким по сущности к заявляемому является аппарат по заявке ЕПВ N 0185067, кл. B01D 13/00, 1989 (прототип). The closest in essence to the claimed is the apparatus according to the application EPO N 0185067, cl. B01D 13/00, 1989 (prototype).

Этот аппарат включает пакет сжимаемых между двумя плитами чередующихся мембранных и промежуточных элементов в виде рамок с отверстиями для ввода разделяемой смеси и вывода продуктов разделения. Часть отверстий переточными прорезями (под термином "прорезь" понимается разомкнутое в перпендикулярном сечении отверстие) соединена с внутренним пространством (окном) рамок, заполненным дренажным или турбулизирующим устройством. Мембранные элементы несут на своих поверхностях мембраны. This apparatus includes a packet of alternating membrane and intermediate elements compressible between two plates in the form of frames with holes for introducing a mixture to be separated and outputting separation products. Part of the openings by transfer slots (the term “slot” means a hole open in a perpendicular section) is connected to the internal space (window) of the frames filled with a drainage or turbulizing device. Membrane elements carry membranes on their surfaces.

Недостатком прототипа является то, что под воздействием усилия сжатия пакета мембраны прогибаются внутрь переточных прорезей. В результате этого нарушается герметичность и создаются условия для перетока разделяемой смеси в фильтрат (пермеат). Селективность процесса снижается, что приводит к снижению надежности работы аппарата в целом, особенно при увеличенной ширине прорези (более 2 мм). The disadvantage of the prototype is that under the influence of the compression force of the package of the membrane bend inside the transfer slots. As a result of this, the tightness is broken and conditions are created for the overflow of the separated mixture into the filtrate (permeate). The selectivity of the process is reduced, which leads to a decrease in the reliability of the apparatus as a whole, especially with an increased slot width (more than 2 mm).

Цель изобретения достигается тем, что рамки снабжены вставками, перекрывающими переточные прорези с образованием каналов (под термином "канал" понимается сомкнутое по периметру в перпендикулярном сечении отверстие). The aim of the invention is achieved in that the frames are equipped with inserts overlapping the overflow slots with the formation of channels (the term "channel" means a hole closed around the perimeter in a perpendicular section).

Сущность изобретения иллюстрируется приведенными фигурами. На фиг.1 представлен сложный горизонтальный продольный разрез аппарата по отверстиям и переточным каналам в несжатом состоянии. На фиг.2 показана рамка элемента по варианту исполнения вставки в виде пластины с центральными отверстиями, герметично скрепленной с поверхностью рамки, включая зоны между отверстиями и переточными прорезями, а на фиг.3 сечение рамки со вставками по В-В фиг.2. На фиг.4 показана рамка аппарата со вставками, выполненными в виде пластин, расположенных над переточными прорезями, а на фиг.5 разрез по С-С фиг.4. На фиг.6 представлена рамка элемента со вставками, выполненными в виде двух соединенных перемычкой пластин и установленными в прорезях, а на фиг.7 - разрез по Д-Д фиг.6. На фиг.8 показан мембранный элемент аппарата со вставками с перемычками, а на фиг.9 его разрез по Е-Е фиг.8. The invention is illustrated by the figures. Figure 1 presents a complex horizontal longitudinal section of the apparatus through holes and transfer channels in an uncompressed state. Figure 2 shows the frame of the element according to the embodiment of the insert in the form of a plate with central holes tightly fastened to the surface of the frame, including the zones between the holes and the recesses, and figure 3 is a sectional view of the frame with inserts BB-2. Figure 4 shows the frame of the apparatus with inserts made in the form of plates located above the transfer slots, and in figure 5 a section along CC of Fig. 4. Fig.6 shows the frame of the element with inserts made in the form of two plates connected by a jumper and installed in the slots, and Fig.7 is a section along DD of Fig.6. In Fig.8 shows a membrane element of the apparatus with inserts with jumpers, and in Fig.9 its section along EE of Fig.8.

Мембранный аппарат содержит пакет мембранных 1 и промежуточных 2 элементов, сжимаемых между двумя плитами 3. Мембранный и промежуточный элементы представляют собой рамки 4, имеющие отверстия 5, образующие в пакете элементов отдельные коллекторы ввода разделяемой смеси и вывода продуктов разделения. Эти коллекторы дополняют отверстия 6, 7, 8 в плитах 3, где 6 - отверстие ввода смеси, 7 отверстие вывода концентрата и 8 вывода (или ввода) фильтрата (пермеата). Часть отверстий 5 соединяется переточными прорезями 9 с внутренним пространством (окном) рамки, причем коллекторы разделяемой смеси и концентрата соединяются с пространством рамок промежуточных элементов, а коллекторы фильтрата с пространством рамок мембранных элементов. Рамки мембранных и промежуточных элементов могут быть выполнены идентичными и одновременно асимметричными относительно оси О-О, как это видно на фиг.2, 4, 6, или неидентичными и одновременно симметричными, как это показано на фиг. 8. Рамки могут иметь разнообразную форму: прямоугольную, круглую, эллипсную и др. The membrane apparatus contains a package of membrane 1 and intermediate 2 elements, compressed between two plates 3. Membrane and intermediate elements are frames 4, having openings 5, forming separate collectors for inputting the mixture to be separated and outputting separation products in the package of elements. These collectors supplement the openings 6, 7, 8 in plates 3, where 6 is the mixture inlet, 7 is the concentrate outlet and 8 is the filtrate (permeate) outlet (or inlet). Part of the holes 5 is connected by transfer slots 9 to the internal space (window) of the frame, and the collectors of the mixture to be separated and the concentrate are connected to the space of the frames of the intermediate elements, and the filtrate collectors to the space of the frame of the membrane elements. The frames of the membrane and intermediate elements can be made identical and simultaneously asymmetric with respect to the O-O axis, as can be seen in FIGS. 2, 4, 6, or non-identical and simultaneously symmetrical, as shown in FIG. 8. Frames can have a variety of shapes: rectangular, round, ellipse, etc.

Рамки снабжаются дренажным устройством (оснасткой) для мембранного элемента, или турбулизирующим устройством (оснасткой) для промежуточного элемента 10, причем эти устройства по конструкции и материалу могут быть как идентичными для всех элементов, так и различными. The frames are equipped with a drainage device (equipment) for the membrane element, or a turbulizing device (equipment) for the intermediate element 10, moreover, these devices can be identical in design or material to all elements.

Рамки элементов снабжены вставками 11, предотвращающими прогиб мембраны внутрь переточной прорези 9. Вставки 11 могут быть выполнены в виде пластин с центральными отверстиями, герметично скрепленных с поверхностью рамок, включая промежутки между отверстиями 5 и переточными прорезями 9, как это показано на фиг.2 и 3. Они могут также выполняться в виде пластин над переточными прорезями 9, накладываемых на поверхности рамок, как это показано на фиг.4 и 5, а также в виде двух соединяемых перемычками 13 пластин, составляющих единое целое, как это показано на фиг.6, 7, 8 и 9. The frames of the elements are equipped with inserts 11, preventing the deflection of the membrane inside the transfer slot 9. The insert 11 can be made in the form of plates with central holes sealed to the surface of the frames, including the gaps between the holes 5 and the transfer slots 9, as shown in figure 2 and 3. They can also be made in the form of plates above the overflow slots 9, superimposed on the surface of the frames, as shown in Figs. 4 and 5, as well as in the form of two plates connected by jumpers 13, forming a single unit, as shown but Figure 6, 7, 8 and 9.

Элементы 1 и 2 могут иметь уплотнительные устройства в виде прокладок 14 (фиг. 1), поясков, выступов 15 (фиг. 8 и 9) и т.д. Мембранный элемент 1 снабжен мембраной 12, которая накладывается с обеих сторон мембранного элемента. Размеры мембран могут совпадать с наружными размерами рамок или быть меньше. В первом случае мембраны должны иметь отверстия, совпадающие с отверстиями 5. Elements 1 and 2 may have sealing devices in the form of gaskets 14 (Fig. 1), belts, protrusions 15 (Figs. 8 and 9), etc. The membrane element 1 is provided with a membrane 12, which is superimposed on both sides of the membrane element. The dimensions of the membranes may coincide with the external dimensions of the frames or be smaller. In the first case, the membranes should have holes matching the holes 5.

Рамки изготавливаются из достаточно жесткого и прочного материала, способного выдерживать нагрузки гидростатического давления внутри аппарата (например, из стали), а толщины материалов выбираются таким образом, чтобы суммарная толщина периферийных частей элемента превышала суммарную толщину частей элемента внутри окна. Последнее условие необходимо с целью возможности перемещения мембраны в момент перемены направления подачи жидкости для более эффективной регенерации обратным током фильтрата (пермеата). The frames are made of sufficiently rigid and durable material capable of withstanding the hydrostatic pressure loads inside the apparatus (for example, steel), and the thicknesses of the materials are selected so that the total thickness of the peripheral parts of the element exceeds the total thickness of the parts of the element inside the window. The last condition is necessary in order to be able to move the membrane at the time of changing the direction of fluid supply for more efficient regeneration by reverse current of the filtrate (permeate).

В качестве полупроницаемых применяют мембраны, имеющие условный диаметр пор преимущественно 0,01 1,0 мкм (ультрафильтрационные) и изготовленные преимущественно из эластичных материалов, например, полимерных. Из отечественных могут использоваться мембраны типа Владипор УАМ, УПМ и др. Наиболее эффективно аппарат работает в том случае, если он укомплектован мембранами, разделение через которые коллоидных систем осуществляется по принципу с образованием осадка на поверхности мембран. As semipermeable membranes, membranes are used that have a conditional pore diameter of predominantly 0.01 1.0 μm (ultrafiltration) and made predominantly of elastic materials, for example, polymeric. Membranes of the type Vladipor UAM, UPM, etc. can be used from domestic ones. The apparatus works most efficiently if it is equipped with membranes, the separation of colloidal systems through which is carried out according to the principle with the formation of a precipitate on the surface of the membranes.

Вставки 11 могут быть изготовлены из различных материалов: металла, пластмассы. Они должны обладать достаточной жесткостью во избежание их деформации под действием усилия сжатия пакета и вдавливания внутрь переточных прорезей 9 (сталь, полиэтилен, поликарбонаты и др.). Крепление вставок к рамкам может осуществляться склеиванием, сваркой и пайкой, а также вовсе без них. В последнем случае предусматривается изготовление, например, литьем фасонных вставок специального профиля, позволяющего закрепить вставку в переточной прорези, как это показано на фиг.6 и 7. Insert 11 can be made of various materials: metal, plastic. They should have sufficient rigidity in order to avoid their deformation under the action of the compression force of the package and indentation of the overflow slots 9 (steel, polyethylene, polycarbonates, etc.). The inserts can be fixed to the frames by gluing, welding and soldering, as well as without them at all. In the latter case, it is envisaged to manufacture, for example, by casting shaped inserts of a special profile, which allows fixing the insert in the transfer slot, as shown in Figs. 6 and 7.

Устройство (оснастка) 10 изготавливается из различных материалов, допускающих упругую деформацию, преимущественно пластмасс (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид и др.), в виде сеток, нитей, монолитных рифленых пластин и т.д. Предусматривается применение как однослойной, так и многослойной оснастки. На фиг.8 и 9 условно часть оснастки выполнена в виде сетки, а другая в виде нитей. Крепление оснастки осуществляется различными способами. По одному из них оснастка крепится путем пропитки ее краев на поверхности рамки эластичной композицией. В этом случае участок пропитки может одновременно выполнять функцию уплотнительного устройства 14. В другом случае крепление оснастки осуществляют либо к внутренним краям рамки, либо к внутренним краям уплотнительного устройства 14. В этом случае уплотнительное устройство (например, из резины) наносится на рамку путем наклеивания или литья (гуммированием). The device (equipment) 10 is made of various materials that allow elastic deformation, mainly plastics (polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, etc.), in the form of nets, threads, monolithic corrugated plates, etc. The application of both single-layer and multi-layer tooling is envisaged. On Fig and 9 conventionally part of the snap is made in the form of a grid, and the other in the form of threads. Snap fastening is carried out in various ways. According to one of them, the snap is fastened by impregnating its edges on the surface of the frame with an elastic composition. In this case, the impregnation section can simultaneously serve as a sealing device 14. In another case, the fastening is carried out either to the inner edges of the frame or to the inner edges of the sealing device 14. In this case, the sealing device (for example, from rubber) is applied to the frame by gluing or molding (gumming).

Мембранный аппарат работает следующим образом. Смесь, подлежащая разделению, через отверстие 6 в плите 3 поступает под давлением в коллектор, образуемый отверстиями 5 в мембранных 1 и промежуточных 2 элементах. Разделяясь параллельно на ряд промежуточных элементов 2, она по переточным каналам 9 этих элементов проходит по турбулизирующему устройству (оснастке) 10 этих же элементов вдоль мембран 12 мембранных элементов. Проникшая через мембрану фракция смеси (фильтрат, пермеат) проходит по оснастке 10 мембранного элемента 1, которая играет роль дренажного устройства, и отводится через переточные каналы 9 мембранных элементов (на фиг.1 эти каналы в разрез не попадают и изображены пунктиром) в коллектор фильтрата и, далее, через отверстия 8 в плите 3, или два отверстия в обеих плитах. Не проникшая через мембрану фракция (концентрат, сброс) через переточные каналы промежуточных элементов 2 проходит в коллектор концентрата и далее через отверстие 7 в плите 3 отводится из аппарата. Membrane apparatus operates as follows. The mixture to be separated, through the hole 6 in the plate 3 is supplied under pressure to the manifold, formed by the holes 5 in the membrane 1 and the intermediate 2 elements. Dividing in parallel into a number of intermediate elements 2, it passes through the transfer channels 9 of these elements through a turbulizing device (snap) 10 of the same elements along the membranes 12 of the membrane elements. The fraction of the mixture (filtrate, permeate) that penetrated through the membrane passes through the snap-in 10 of the membrane element 1, which plays the role of a drainage device, and is discharged through the transfer channels of 9 membrane elements (in Fig. 1 these channels do not enter the section and are dotted) into the filtrate collector and then through holes 8 in plate 3, or two holes in both plates. The fraction (concentrate, discharge) that did not penetrate the membrane through the transfer channels of the intermediate elements 2 passes into the concentrate collector and is then discharged from the apparatus through the opening 7 in the plate 3.

В процессе работы (рабочий период) мембрана 12 прижата к дренажной оснастке 10 мембранного элемента 1 и в некоторой степени повторяет профиль этой оснастки. Процесс разделения ведут, как правило, при скорости смеси в межмембранных камерах порядка 0,1 2,5 м/с, позволяющей снизить концентрационную поляризацию, с отводом концентрата. Однако возможна работа и без отбора концентрата ("в тупик") при закрытом вентиле сброса. Продолжительность рабочего периода составляет от 5 мин до нескольких часов и суток в зависимости от показателей среды. In the process of work (working period), the membrane 12 is pressed against the drainage equipment 10 of the membrane element 1 and to some extent repeats the profile of this equipment. The separation process is carried out, as a rule, at a mixture speed in the intermembrane chambers of the order of 0.1 to 2.5 m / s, which allows to reduce the concentration polarization, with the discharge of the concentrate. However, it is possible to work without the selection of concentrate ("dead end") with a closed discharge valve. The duration of the working period is from 5 minutes to several hours and days, depending on the environmental indicators.

Во время рабочего периода одновременно с разделением веществ, находящихся в растворенном состоянии, на поверхности мембран накапливается осадок нерастворимых коллоидных частиц. Для его удаления применяют регенерацию мембран обратным током фильтрата (подачей его через мембрану в обратном направлении). С этой целью подачу разделяемой смеси в аппарат прекращают, одновременно включая подачу пермеата через отверстие 8 плиты 3. Промывку ведут под давлением, преимущественно на 10 25% превышающим рабочее. При этом мембрана 12 пригибается в обратном направлении, прижимаясь к турбулизирующей оснастке 10 промежуточных элементов 2. В момент перехода от рабочего периода к промывному, который продолжается несколько секунд, мембрана скользит по выступам этой оснастки, повторяя ее профиль. Скольжение способствует лучшему удалению осадка под давлением промывки, чем обеспечивается эффективность регенерации. Осадок вместе с промывной жидкостью сбрасывается через отверстия 6 и 7 плит 3. Цикл повторяется. During the working period, simultaneously with the separation of substances in a dissolved state, a precipitate of insoluble colloidal particles accumulates on the surface of the membranes. To remove it, regeneration of the membranes is carried out using the reverse filtrate current (feeding it through the membrane in the opposite direction). To this end, the supply of the separable mixture to the apparatus is stopped, at the same time including the permeate supply through the opening 8 of the plate 3. The washing is carried out under pressure, mainly 10 25% higher than the working one. In this case, the membrane 12 is bent in the opposite direction, pressing against the turbulizing tool 10 of the intermediate elements 2. At the time of the transition from the working period to the washing period, which lasts several seconds, the membrane slides along the protrusions of this tool, repeating its profile. Sliding contributes to better removal of sludge under washing pressure, which ensures regeneration efficiency. The precipitate, together with the washing liquid, is discharged through the openings 6 and 7 of the plates 3. The cycle is repeated.

Преимущество заявляемого аппарата в сравнении с прототипом заключается в повышении надежности работы аппарата, под которой понимается способность аппарата, укомплектованного мембранами, полностью задерживающими определенное вещество, сохранять усредненную селективность по этому веществу, близкую к единице, при многократной замене мембран. Таким образом надежность может быть охарактеризована способностью сохранять усредненную по аппарату селективность, вычисляемую по формуле
R=(1-C_p/C_u)•100,
где C_p концентрация задерживаемых мембраной веществ в фильтрате (пермеате);
С_u концентрация задерживаемых мембраной веществ в разделяемой смеси.The advantage of the claimed apparatus in comparison with the prototype is to increase the reliability of the apparatus, which is understood as the ability of the apparatus, equipped with membranes that completely retain a certain substance, to maintain an average selectivity for this substance, close to unity, with repeated replacement of the membranes. Thus, reliability can be characterized by the ability to maintain the selectivity averaged over the apparatus, calculated by the formula
R = (1-C _p / C _u ) • 100,
where C _{p the} concentration of membrane-retained substances in the filtrate (permeate);
C _{u is the} concentration of substances retained by the membrane in the shared mixture.

В свою очередь, усредненная селективность является функцией многих конструктивных и технологических параметров, влияющих на протечки разделяемой смеси в пермеат в зоне переточного канала: складки и сквозные дефекты мембран, ее толщина и жесткость, эластичность уплотнительного устройства, ширина и высота переточного канала, усилие сжатия пакета, рабочее давление, скорость разделяемой смеси в переточном канале и т.п. In turn, the averaged selectivity is a function of many design and technological parameters that affect the leakage of the separated mixture into the permeate in the zone of the transfer channel: folds and through defects of the membranes, its thickness and rigidity, the elasticity of the sealing device, the width and height of the transfer channel, and the compression force of the packet , working pressure, speed of the separated mixture in the transfer channel, etc.

Нами утверждается, что возможное отрицательное влияние указанных параметров устраняется применением вставок. We argue that the possible negative impact of these parameters is eliminated by the use of inserts.

Claims

1. Membrane apparatus, comprising a packet of alternating membrane and intermediate elements compressible between two plates, containing frames with openings for introducing the mixture to be separated and output of separation products, some of which are connected by recesses to the internal space of the frames filled with a drainage or turbulent device, characterized in that the frames are equipped with inserts overlapping the overflow slots with the formation of channels.

2. The apparatus according to claim 1, characterized in that the inserts are made in the form of plates with a central hole located on both sides of the frame and sealed tightly with it.

3. The apparatus according to claim 1, characterized in that the inserts are made in the form of plates located above the transfer slots on both sides of the frames.

4. The apparatus according to claim 1, characterized in that the inserts are made in the form of two plates connected by jumpers installed in the slots.