RU2141866C1

RU2141866C1 - Membrane apparatus

Info

Publication number: RU2141866C1
Application number: RU98117920/28A
Authority: RU
Inventors: тов А.В. Дес; А.В. Десятов; А.И. Инкин; Г.М. Сидорин
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский центр им.М.В.Келдыша"; Закрытое акционерное общество НПО "Энергетические и космические технологии"
Priority date: 1998-10-01
Filing date: 1998-10-01
Publication date: 1999-11-27

Abstract

FIELD: tubular membrane apparatuses for treatment of liquids, in particular, treatment of sewage of industrial enterprises, natural waters in water supply systems, treatment of lubricant-coolants in the process of recovery of waste oils and detergent solutions and for concentration of solutions of ferments, clarification of juices, etc. SUBSTANCE: the membrane apparatus has a body with branch-pipes for delivery of source liquid, discharge of treated liquid and concentrate and tube plates with tubular membrane members attached to them. One end of the tubular membrane members is closed by plugs of sealant and clamped by a bearing head with blind holes for each membrane member. The other end of the membrane members is sealed by means of two tube plates, with a layer of sealant filled up between them, and clamped by a perforated bearing disk with a diameter of holes equal to the inside diameter or smaller than the inside diameter of the tubular membrane members through the layer of sealant. EFFECT: reduced specific quantity of metal per structure and labour input in manufacture, enhanced range of temperature conditions and provision of impulse high-rate washing by return flow of treated liquid during the whole service life without replacement of separate tubular members. 1 dwg

Description

Изобретение относится к трубчатым мембранным аппаратам для очистки жидкостей, в частности очистки сточных вод промышленных предприятий, очистки природных вод в системах водоснабжения, очистки смазочно-охлаждающих жидкостей. Трубчатые мембранные аппараты включаются в технологические процессы регенерации отработанных масел и моющих растворов; применяются для концентрирования растворов ферментов, осветления соков и т.д. The invention relates to a tubular membrane apparatus for purifying liquids, in particular wastewater treatment of industrial enterprises, purification of natural waters in water supply systems, purification of cutting fluids. Tubular membrane devices are included in the technological processes for the regeneration of waste oils and washing solutions; used for concentration of enzyme solutions, clarification of juices, etc.

Известен мембранный модуль [1], содержащий пакет трубчатых мембранных элементов с наружным фильтрующим слоем, закрепленных в трубных решетках, заключенных в корпус с патрубками подвода очищаемой жидкости, отвода очищенной жидкости и концентрата, причем мембранные элементы закреплены в трубной решетке накидными гайками или коническими втулками. A known membrane module [1], containing a package of tubular membrane elements with an outer filter layer, fixed in tube sheets, enclosed in a housing with nozzles for supplying the cleaned liquid, drainage of the purified liquid and concentrate, and the membrane elements are fixed in the tube sheet with union nuts or tapered bushings.

Указанный мембранный модуль имеет относительно высокую трудоемкость при изготовлении и сборке, так как для крепления трубок используются точеные детали - накидные гайки или конические втулки. Вместе с тем при обработке высокотемпературных сред жесткое соединение трубок с трубными решетками приводит к возникновению в конструкции высоких термических напряжений. The specified membrane module has a relatively high complexity in the manufacture and assembly, as for the fastening of the tubes turned parts are used - union nuts or tapered bushings. At the same time, in the processing of high-temperature media, the rigid connection of tubes with tube sheets leads to the appearance of high thermal stresses in the structure.

Известен аппарат [2], содержащий патрубки подачи жидкости, отвода концентрата и фильтрата, трубчатые мембранные элементы с наружным фильтрующим слоем, жестко укрепленные с одной стороны в трубной решетке, с другой стороны - в кольцевой чашке. Причем кольцевая чашка не закреплена и может перемещаться относительно корпуса. Со стороны чашки трубчатые мембранные элементы заглушены, со стороны трубной решетки они сообщаются с полостью вывода фильтрата. A known apparatus [2], containing nozzles for supplying liquid, discharge of concentrate and filtrate, tubular membrane elements with an outer filter layer, rigidly fixed on one side in the tube sheet, on the other hand in an annular cup. Moreover, the annular cup is not fixed and can move relative to the housing. On the cup side, the tubular membrane elements are plugged, on the tube side they communicate with the filtrate outlet cavity.

В таком аппарате термические напряжения, возникающие при обработке высокотемпературных сред, устраняются за счет свободного перемещения кольцевой чашки относительно корпуса. В то же время на этапе импульсной промывки мембранных элементов обратным током очищенной жидкости основная нагрузка приходится на узел крепления мембранных элементов в трубной решетке. При этом кольцевая чашка поддерживается самими мембранными элементами и не может воспринять даже часть падающей нагрузки. Вставленные и закрепленные в гнездах решетки трубчатые мембранные элементы в условиях резкого колебания давления при промывке выдерживают ограниченное число циклов нагружения в ограниченном диапазоне давлений, следовательно срок службы аппарата сокращается. Кроме того, эффективность промывки увеличивается с увеличением давления и продолжительности. При высоких скоростях потока в межтрубном пространстве аппарата неизбежно возникновение колебаний, которые также оказывают разрушающее воздействие на узел крепления мембранных элементов к трубной решетке, сокращая срок его службы,
Целью настоящего изобретения является создание аппарата с пониженной металлоемкостью и трудоемкостью в изготовлении, работающего в широком диапазоне температурных режимов, допускающего проведение импульсной высокоскоростной промывки обратным током очищенной жидкости в течение всего срока службы без замены отдельных мембранных элементов, а также создание аппарата, противодействующего возникновению колебаний при высоких скоростях потока.In such an apparatus, thermal stresses arising during the processing of high-temperature media are eliminated due to the free movement of the annular cup relative to the housing. At the same time, at the stage of pulsed washing of the membrane elements with the reverse current of the purified liquid, the main load falls on the attachment unit of the membrane elements in the tube sheet. At the same time, the annular cup is supported by the membrane elements themselves and cannot even absorb part of the falling load. The tubular membrane elements inserted and fixed in the lattice lattice under the conditions of sharp pressure fluctuations during washing withstand a limited number of loading cycles in a limited pressure range, therefore, the service life of the apparatus is reduced. In addition, the washing efficiency increases with increasing pressure and duration. At high flow rates in the annulus of the apparatus, the occurrence of oscillations is inevitable, which also have a destructive effect on the attachment site of the membrane elements to the tube sheet, reducing its service life,
The aim of the present invention is to provide an apparatus with reduced metal consumption and laboriousness in manufacturing, operating in a wide range of temperature conditions, allowing pulsed high-speed washing with reverse current of the purified liquid during the entire service life without replacing individual membrane elements, and also creating an apparatus that counteracts the occurrence of vibrations during high flow rates.

Поставленная цель достигается тем, что в мембранном аппарате, содержащем корпус с патрубками для подвода исходной жидкости, отвода очищенной жидкости и концентрата, трубные решетки с закрепленными в них трубчатыми мембранными элементами, согласно предложенному изобретению, один конец трубчатых мембранных элементов закрыт пробками из герметика и зажат опорной головкой с глухими отверстиями под каждый мембранный элемент. Другой конец мембранных элементов герметизирован с помощью двух трубных решеток, между которыми налит слой герметика и через слой герметика зажат перфорированным опорным диском с диаметром отверстий, равным внутреннему диаметру или меньшим внутреннего диаметра трубчатых мембранных элементов. This goal is achieved in that in a membrane apparatus containing a housing with nozzles for supplying the source fluid, drainage of the purified fluid and concentrate, tube sheets with tubular membrane elements fixed therein, according to the invention, one end of the tubular membrane elements is closed with sealant plugs and clamped support head with blind holes for each membrane element. The other end of the membrane elements is sealed using two tube sheets, between which a layer of sealant is poured and through a layer of sealant is clamped by a perforated support disk with a hole diameter equal to the inner diameter or smaller than the inner diameter of the tubular membrane elements.

Предлагаемый мембранный аппарат изображен на чертеже. The proposed membrane apparatus is shown in the drawing.

Он состоит из корпуса 1 с патрубками подачи исходной жидкости 2, отвода концентрата 3 и очищенной жидкости 4, трубных решеток 5, 6 с мембранными элементами 7, перфорированного опорного диска 8 с диаметром отверстий, равным либо меньшим внутреннего диаметра мембранных элементов, опорной головки 9 с глухими отверстиями под каждый трубчатый элемент, отбойного щитка 10. Стержень II жестко соединяет трубную решетку 5 с опорной головкой 9. Существенным отличительным признаком предлагаемого устройства является упругая установка мембранных элементов в трубных решетках и опорной головке с использованием кислотощелочестойкого герметика. Каждый мембранный элемент с одной стороны закрыт пробками из герметика 12 и вставлен в соответствующее глухое отверстие опорной головки 9. С другой стороны мембранные элементы закреплены в неподвижных трубных решетках, соединенных между собой через слой герметика 13. Торец трубного пучка упирается в перфорированный опорный диск 8 также через слой герметика. Использование герметика в конструкции крепления мембранных элементов исключает протечки между полостью сбора очищенной воды и межтрубным пространством аппарата. В то же время герметик создает податливую упругую прослойку между трубным пучком и опорными элементами крепления. Это позволяет практически полностью компенсировать термические напряжения при работе аппарата с высокотемпературными средами, эффективно гасить напряжения в трубчатых элементах пучка, а также полностью устранить вибрации трубчатых мембранных элементов, либо уменьшить их частоту при работе с потоками высокой скорости. Все это позволяет успешно проводить высокоэффективную импульсную промывку мембранных элементов обратным током очищенной жидкости в данном аппарате. It consists of a housing 1 with nozzles for supplying the initial liquid 2, drainage of the concentrate 3 and purified liquid 4, tube sheets 5, 6 with membrane elements 7, a perforated support disk 8 with a hole diameter equal to or smaller than the inner diameter of the membrane elements, the support head 9 s blind holes for each tubular element, baffle plate 10. Rod II rigidly connects the tube sheet 5 to the support head 9. An essential distinguishing feature of the proposed device is the elastic installation of the membrane elements in tube sheets and support head using an alkali-resistant sealant. Each membrane element is closed on one side by stoppers from sealant 12 and inserted into the corresponding blind hole of the support head 9. On the other hand, the membrane elements are fixed in fixed tube sheets connected to each other through a layer of sealant 13. The end of the tube bundle abuts against the perforated support disk 8 through a layer of sealant. The use of sealant in the design of the fastening of the membrane elements eliminates leakage between the collection cavity of purified water and the annulus of the apparatus. At the same time, the sealant creates a malleable elastic layer between the tube bundle and the support elements of the fastening. This makes it possible to almost completely compensate for thermal stresses during operation of the apparatus with high-temperature media, effectively dampen stresses in the tubular elements of the beam, and completely eliminate vibrations of tubular membrane elements, or reduce their frequency when working with high-speed flows. All this makes it possible to successfully conduct a highly efficient pulsed flushing of membrane elements with the reverse current of the purified liquid in this apparatus.

Аппарат работает следующим образом. Исходная жидкость через патрубок 2 подается во внутреннюю полость цилиндрического корпуса 1. Двигаясь вдоль поверхности трубчатых мембранных элементов, исходная жидкость под напором 0.6-1.0 МПа фильтруется через боковую поверхность трубчатых мембранных элементов, очищается и через патрубок 4 выводится из аппарата. Неочищенная жидкость (концентрат) остается в полости цилиндрического корпуса и выводится из аппарата через патрубок 3. При гидравлической промывке мембранных элементов обратным током очищенной жидкости поток очищенной жидкости под напором 1.0-1.5 МПа через патрубок отвода очищенной воды 4 подается в аппарат. Далее, огибая отбойный щиток 10, поток очищенной жидкости проходит через опорный диск 8 во внутреннюю полость трубчатых мембранных элементов и проходит через трубчатые мембранные элементы, промывая и очищая их, затем смешивается с потоком исходной жидкости и выходит через патрубок 3. За счет того, что пучок трубчатых мембранных элементов жестко ограничен с двух сторон опорным диском и опорной головкой, рабочая нагрузка распределяется между двумя узлами крепления трубок. В то же время податливая упругая прослойка из герметика гасит энергию рабочего потока, что позволяет устранить напряжения в трубчатых элементах и практически полностью ликвидировать их колебания. Кроме того герметик гарантирует отсутствие протечек через соединения. Все выше перечисленные признаки предлагаемой конструкции мембранного аппарата делают его более надежным в эксплуатации, менее трудоемким и металлоемким в изготовлении по сравнению с существующими аналогами. The device operates as follows. The source fluid through the pipe 2 is fed into the inner cavity of the cylindrical body 1. Moving along the surface of the tubular membrane elements, the source fluid under pressure of 0.6-1.0 MPa is filtered through the side surface of the tubular membrane elements, is cleaned and discharged through the pipe 4 from the apparatus. The crude liquid (concentrate) remains in the cavity of the cylindrical body and is discharged from the apparatus through the nozzle 3. When hydraulically flushing the membrane elements with a reverse current of the purified liquid, the flow of the purified liquid under a pressure of 1.0-1.5 MPa is supplied through the branch pipe of the purified water 4 to the apparatus. Further, enveloping the baffle plate 10, the flow of purified liquid passes through the support disk 8 into the internal cavity of the tubular membrane elements and passes through the tubular membrane elements, washing and cleaning them, then mixes with the flow of the original liquid and leaves through the pipe 3. Due to the fact that the bundle of tubular membrane elements is rigidly bounded on both sides by a support disk and a support head, the work load is distributed between two tube attachment nodes. At the same time, a flexible elastic layer of sealant dampens the energy of the working stream, which allows you to eliminate stresses in the tubular elements and almost completely eliminate their fluctuations. In addition, the sealant ensures that there are no leaks through the joints. All of the above listed features of the proposed design of the membrane apparatus make it more reliable in operation, less time-consuming and metal-intensive in manufacture in comparison with existing analogues.

ПРИМЕР. Использованы трубчатые мембранные элементы из пористой керамики наружным диаметром 10 мм и длиной 800 мм с микропористым покрытием, обеспечивающим тонкость фильтрации на уровне 0.2-2.0 мкм. В изготовленном по приведенному выше описанию микрофильтрационном мембранном аппарате достигнут уровень давления 1 МПа при работе и 1.5 МПа при обратной промывке. Масса микрофильтрационного мембранного аппарата составила 5 кг, диаметр цилиндрического корпуса - 100 мм. Плотность упаковки трубчатых мембранных элементов составила 52 кв.м/куб.м. EXAMPLE. We used tubular membrane elements made of porous ceramics with an outer diameter of 10 mm and a length of 800 mm with a microporous coating, providing a filter fineness of 0.2–2.0 μm. In the microfiltration membrane apparatus manufactured according to the above description, a pressure level of 1 MPa was reached during operation and 1.5 MPa during backwashing. The mass of the microfiltration membrane apparatus was 5 kg, the diameter of the cylindrical body was 100 mm. The packing density of the tubular membrane elements was 52 sq. M / m3.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент N 2050956, кл. В 01 D 63/06. Мембранный модуль. / Артемов Н.С. , Симаненков Э.И., Артемов В.Н., Кочетыгов С.М. - Опубл. 27.12.95.SOURCES OF INFORMATION
1. Patent N 2050956, cl. B 01 D 63/06. Membrane Module / Artemov N.S. , Simanenkov E.I., Artemov V.N., Kochetygov S.M. - Publ. 12/27/95.

2. Патент N 2102127, кл. В 01 D 63/06. Аппарат для фильтрации жидкости. /Терпугов Г.В., Мынин В.Н., Комягин Е.А. - Опубл. 20.01.98. 2. Patent N 2102127, cl. B 01 D 63/06. Apparatus for filtering liquids. / Terpugov G.V., Mynin V.N., Komyagin E.A. - Publ. 01/20/98.

Claims

Membrane apparatus, consisting of a housing with nozzles for supplying the initial fluid, drainage of the purified fluid and concentrate, tube sheets with tubular membrane elements fixed to them, characterized in that one end of the tubular membrane elements is closed with sealant plugs and clamped by a support head with blind holes for each membrane element, the other end of the membrane elements is sealed with two tube sheets between which a layer of sealant is poured, and a perforated support is clamped through the layer of sealant m disk with a hole diameter equal to or smaller than the inner diameter of the inner diameter of the tubular membrane elements.