RU2174432C1

RU2174432C1 - Membrane apparatus with nonstationary hydrodynamics

Info

Publication number: RU2174432C1
Application number: RU2000130308/12A
Authority: RU
Inventors: И.Т. Кретов; С.В. Шахов; А.И. Ключников; В.И. Ряжских
Original assignee: Воронежская государственная технологическая академия
Priority date: 2000-12-04
Filing date: 2000-12-04
Publication date: 2001-10-10

Abstract

FIELD: separation, concentration and desalination of various solutions by reverse osmosis and ultrafiltration; food-processing, pharmaceutical and microbiological industries and agroindustrial complexes. SUBSTANCE: membrane apparatus includes tubular membrane modules made in form of porous bodies with semi-permeable membranes applied on inner surface, branch pipes for introducing starting solution and discharge of filtrate and concentrate, semi-permeable hose located coaxially relative to membrane surface, members interconnected by chain links which are spherical in shape and are set in motion by means of drive and driven sprockets. Spherical members are movable in impermeable hose along membrane surface. EFFECT: increased productivity of apparatus due to improved hydrodynamic conditions of flow of separable solution. 3 dwg

Description

Изобретение относится к области разделения, концентрирования и опреснения различных растворов методами обратного осмоса и ультрафильтрации и может быть использовано в пищевой, фармацевтической, микробиологической промышленности, а также на предприятиях агропромышленного комплекса. The invention relates to the field of separation, concentration and desalination of various solutions by reverse osmosis and ultrafiltration methods and can be used in the food, pharmaceutical, microbiological industry, as well as in agricultural enterprises.

Известны мембранные элементы (а.с. N 1367995, кл. В 01 D 13/00, 1988 г. ), содержащие пористые трубчатые каркасы с полупроницаемыми мембранами и турбулизирующими устройствами, выполненными в виде закрепленной в торцовых крышках оси, на которой размещены вращающиеся втулки с лопастями. Known membrane elements (A.S. N 1367995, class B 01 D 13/00, 1988), containing porous tubular frames with semipermeable membranes and turbulizing devices, made in the form of an axis fixed in the end caps on which rotary bushings are placed with blades.

Недостатком известного мембранного элемента являются неэффективность работы мембран в ламинарном режиме, неравномерный гидродинамический режим по длине аппарата, а также повышенный расход исходного раствора. A disadvantage of the known membrane element is the inefficiency of the membranes in the laminar mode, the uneven hydrodynamic mode along the length of the apparatus, as well as the increased consumption of the initial solution.

Известен мембранный аппарат (а.с. N 1034754, кл. В 01 D 13/00, 1983 г.), состоящий из корпуса со штуцерами ввода разделяемой смеси и вывода продуктов, мембранного элемента, выполненного в виде герметизированного по трем сторонам сложенного гармошкой пакета из двух плоских полупроницаемых мембран и размещенного между ними дренажа, обоймы, в которой закреплена негерметизированная сторона пакета. Known membrane apparatus (A.S. N 1034754, class B 01 D 13/00, 1983), consisting of a housing with fittings for the input of a shared mixture and output of products, a membrane element made in the form of a package sealed on three sides with an accordion of two flat semi-permeable membranes and drainage placed between them, a holder in which the unsealed side of the bag is fixed.

Недостатком известного мембранного аппарата является сложность и большая трудоемкость сборки и замены мембран. A disadvantage of the known membrane apparatus is the complexity and complexity of the assembly and replacement of membranes.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является мембранный элемент трубчатого типа (а.с. N 1502042, кл. В 01 D 13/00, 1989 г. ), содержащий пористый каркас, расположенную на его внутренней поверхности полупроницаемую мембрану и турбулизирующую вставку, выполненную в виде цепи или ленты. The closest in technical essence and the achieved effect to the proposed one is a tubular-type membrane element (A.S. N 1502042, class B 01 D 13/00, 1989), containing a porous skeleton, a semi-permeable membrane located on its inner surface and turbulent an insert made in the form of a chain or ribbon.

Недостатком известного мембранного элемента является возможность повреждения мембраны в результате механической очистки. A disadvantage of the known membrane element is the possibility of damage to the membrane as a result of mechanical cleaning.

Технической задачей изобретения является повышение производительности мембранного аппарата за счет улучшения гидродинамических условий потока разделяемого раствора вследствие снижения уровня концентрационной поляризации и исключения возможности повреждения мембран. An object of the invention is to increase the performance of the membrane apparatus by improving the hydrodynamic conditions of the flow of the solution being separated due to a decrease in the concentration polarization level and eliminating the possibility of damage to the membranes.

Техническая задача достигается тем, что в мембранном аппарате с нестационарной гидродинамикой, включающем трубчатые мембранные модули, выполненные в виде пористых тел, с нанесенными на внутреннюю поверхность полупроницаемыми мембранами, патрубки для ввода исходного раствора, вывода фильтрата и концентрата, полупроницаемый рукав, расположенный коаксиально мембранной поверхности, шаровые элементы, соединенные между собой звеньями цепи и приводимыми в движение посредством ведущей и ведомой звездочек, новым является то, что шаровые элементы имеют возможность перемещения в непроницаемом рукаве вдоль мембранной поверхности. The technical problem is achieved in that in a membrane apparatus with non-stationary hydrodynamics, including tubular membrane modules made in the form of porous bodies, with semi-permeable membranes deposited on the inner surface, nozzles for introducing the initial solution, output of the filtrate and concentrate, a semi-permeable sleeve located coaxially to the membrane surface , ball elements interconnected by chain links and driven by means of the drive and driven sprockets, new is that ball ele cients are movable along the sleeve in an impermeable membrane surface.

На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый мембранный аппарат; на фиг. 2 - элемент мембранного аппарата; на фиг. 3 - схема гидродинамического процесса. In FIG. 1 schematically shows the proposed membrane apparatus; in FIG. 2 - an element of the membrane apparatus; in FIG. 3 is a diagram of a hydrodynamic process.

Аппарат содержит мембранные модули 1 (фиг. 1), выполненные в виде двух коаксиально расположенных цилиндров 2 и 3. Причем цилиндр 2 выполнен из непроницаемого для раствора материала, а цилиндр 3 - из пористого материала, на внутреннюю поверхность которого нанесена полупроницаемая мембрана 5. Цилиндры 2 и 3 снабжены штуцерами ввода исходного раствора 4, штуцерами вывода фильтрата 6 и концентрата 7. Внутри цилиндра 3 расположен непроницаемый рукав 8, выполненный, например, в виде гофрированной трубки, имеющей повышенный характер упругих деформаций. Для возникновения упругих деформаций непроницаемого рукава 8 предназначена вильчатая цепь 9 с шаровыми фторопластовыми элементами 10. Шарнир цепи 9 является, в свою очередь, осью 11 (фиг. 2), которая закрепляет шаровые элементы 10 между собой. Для предотвращения осевых перемещений шаровых элементов 10 предназначены фторопластовые втулки 12 и стопорные кольца 13. Непроницаемый рукав 8 при помощи фланцевого соединения 14 закрепляется внутри цилиндра 3. Для приведения вильчатой цепи в движение предназначены ведущая 15 и ведомая 16 звездочки, имеющие в торцовой стороне вырезы для захвата звеньев цепи 9 и шаровых элементов 10. The apparatus contains membrane modules 1 (Fig. 1), made in the form of two coaxially arranged cylinders 2 and 3. Moreover, cylinder 2 is made of a material impermeable to solution, and cylinder 3 is made of porous material, on the inner surface of which a semi-permeable membrane is applied 5. Cylinders 2 and 3 are equipped with fittings for input of the initial solution 4, fittings for the output of the filtrate 6 and concentrate 7. Inside the cylinder 3 there is an impermeable sleeve 8, made, for example, in the form of a corrugated tube having an increased character of elastic deformation. For the occurrence of elastic deformations of the impermeable sleeve 8, a forked chain 9 with spherical fluoroplastic elements 10 is intended. The hinge of the chain 9 is, in turn, the axis 11 (Fig. 2), which secures the ball elements 10 to each other. To prevent axial movements of the ball elements 10, fluoroplastic sleeves 12 and retaining rings 13 are designed. An impermeable sleeve 8 is secured inside the cylinder 3 by means of a flange connection 14. To drive the fork chain, the drive sprocket 15 and the driven sprocket 16 are provided, having cutouts on the front side links of the chain 9 and ball elements 10.

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

Исходный раствор подается через штуцеры 4 в мембранные модули 1 под определенным давлением противоточно движению цепи 9. Прошедший через полупроницаемые мембраны фильтрат отводится по каналам с помощью штуцеров 6, а образующийся в процессе разделения концентрат из напорного канала - через штуцеры 7. Исходный раствор, попадая в напорный канал мембранных модулей 1, претерпевает ряд гидродинамических изменений, в частности гидродинамических параметров разделяемой среды, например рабочего давления P_раб. и линейной скорости потока V_лин. по всей длине мембранной поверхности модулей 1. При движении шаровых элементов 10 внутри рукава 8 происходит деформация последнего, при которой обеспечивается необходимый зазор между поверхностями рукава 8 и мембраны 7.The initial solution is supplied through fittings 4 to the membrane modules 1 under a certain pressure countercurrent to the movement of chain 9. The filtrate passing through semipermeable membranes is discharged through the fittings 6, and the concentrate formed during the separation process from the pressure channel through the fittings 7. The initial solution enters the pressure channel of the membrane modules 1 undergoes a number of hydrodynamic changes, in particular the hydrodynamic parameters of the medium being shared, for example, the working pressure P _slave. and linear flow velocity V _lin. along the entire length of the membrane surface of the modules 1. When the ball elements 10 move inside the sleeve 8, the latter deforms, which ensures the necessary clearance between the surfaces of the sleeve 8 and the membrane 7.

Мембранный аппарат с нестационарной гидродинамикой может быть использован, например, для разделения, концентрирования и фракционирования продуктов микробиологического происхождения. A membrane apparatus with non-stationary hydrodynamics can be used, for example, for the separation, concentration and fractionation of products of microbiological origin.

Течение разделяемого раствора вдоль мембранной поверхности зоны I (фиг. 3) неизбежно сопровождается увеличением его кинетической энергии и падением давления. Возникающая в этом случае турбулентность усиливается движением навстречу потоку цепи 9 с набором шаровых элементов 10, благодаря чему повышается сжатие разделяемой среды и срыв слоя высокомолекулярных соединений 17 с цилиндрических стенок мембранной поверхности 5. Молекулы разделяемого раствора по мере продвижения по зоне II преодолевают нарастающее давление за счет кинетической энергии потока, уменьшающейся вдоль этой зоны до некоторого момента, а также в направлении от оси модуля к мембранной поверхности. Периферийный поток, непосредственно прилегающий к мембране 5, обладает низким скоростным показателем, поэтому он не может преодолеть нарастающее давление и в некоторый момент времени возникают противоточные основному потоку перетоки, что также приводит к турбулизации разделяемой среды. Эффект турбулизации исходного раствора усиливается тем, что противоточное основному потоку движение цепи 9 с набором шаровых элементов 10 приводит к интенсивному пульсационному гидродинамическому режиму, который носит нестационарный временной характер. The flow of the solution to be separated along the membrane surface of zone I (Fig. 3) is inevitably accompanied by an increase in its kinetic energy and a drop in pressure. The turbulence arising in this case is enhanced by moving towards the flow of the chain 9 with a set of spherical elements 10, due to which the compression of the shared medium and the breakdown of the layer of high molecular weight compounds 17 from the cylindrical walls of the membrane surface 5 increase. The molecules of the separated solution overcome the increasing pressure as they move through zone II due to kinetic energy of the flow, decreasing along this zone to a certain moment, as well as in the direction from the axis of the module to the membrane surface. The peripheral flow directly adjacent to the membrane 5 has a low velocity index, therefore, it cannot overcome the increasing pressure and at some point in time countercurrent flows to the main flow occur, which also leads to turbulization of the shared medium. The effect of turbulization of the initial solution is enhanced by the fact that the countercurrent motion of the chain 9 with the set of spherical elements 10 leads to an intense pulsating hydrodynamic regime, which is non-stationary in time.

Данный аппарат позволяет обеспечить
- низкий уровень концентрационной поляризации вследствие противоточного движения цепи с набором шаровых элементов и разделяемого потока;
- полную герметизацию отвода продуктов разделения, благодаря использованию непроницаемого рукава;
- сохранность мембранной поверхности в результате защиты движущихся частей аппарата непроницаемым рукавом;
- получение широкого диапазона производительности за счет изменения гидродинамических условий в аппарате, связанных с частотой вращения ведомой звездочки и скоростью прокачки разделяемого потока.This unit allows you to provide
- a low level of concentration polarization due to countercurrent movement of the circuit with a set of ball elements and a shared stream;
- complete sealing of the discharge of separation products through the use of an impermeable sleeve;
- the safety of the membrane surface as a result of the protection of the moving parts of the apparatus with an impermeable sleeve;
- obtaining a wide range of performance due to changes in the hydrodynamic conditions in the apparatus associated with the speed of the driven sprocket and the pumping speed of the shared stream.

Claims

Membrane apparatus with non-stationary hydrodynamics, including tubular membrane modules made in the form of porous bodies with semi-permeable membranes deposited on the inner surface, nozzles for introducing the initial solution, extracting the filtrate and concentrate, a semi-permeable sleeve located coaxially to the membrane surface, elements interconnected by chain links , characterized in that the elements are made of spherical, driven by means of the leading and driven sprockets, and have the ability to move in n permeable sleeve along the membrane surface.