RU2188700C1

RU2188700C1 - Method of fluids purification and device for method embodiment

Info

Publication number: RU2188700C1
Application number: RU2001131056/12A
Authority: RU
Inventors: Г.М. Шарапов; А.Н. Драгунский; Ф.А. Шаймухаметов; И.Ш. Кузиахметов; В.Н. Гельфанд; В.А. Тулушманов; М.И. Ишмухаметов; В.Б. Котельников
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "Висма"; Шарапов Гиззат Музаянович
Priority date: 2001-11-16
Filing date: 2001-11-16
Publication date: 2002-09-10

Abstract

FIELD: membrane engineering; applicable in processes of fluids purification by methods of microfiltration and ultrafiltration with use of tubular filter members in systems of water supply, food, microbiological and medical industries. SUBSTANCE: method consists in filtering of purified fluid through membrane and its subsequent regeneration by means of flexible members installed for reciprocation. Purified fluid is introduced into device tangentially. Flexible members in the form of rings are moved automatically at attaining of preset value of pressure drop across membrane corresponding to reduction by 20-25% of its permeability. Device for method embodiment has a cylindrical casing with pipe for intake of purified fluid located tangentially to casing element and outlet pipes, tubular membrane module with external semipermeable membrane installed in a spaced relation to casing internal walls. Casing lower end is made conical. Tubular membrane module has flexible circular members installed for reciprocation at attaining of preset value of pressure drop across membrane. EFFECT: higher productivity of filtration due to regeneration of membrane filtering properties, simple design and operation of device in membrane replacement. 7 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к мембранной технике и может быть использовано при процессах очистки жидкостей методами микрофильтрации и ультрафильтрации с применением фильтрующих элементов трубчатой формы в системах водоснабжения и пищевой, микробиологической, медицинской промышленности. The invention relates to membrane technology and can be used in processes for cleaning liquids using microfiltration and ultrafiltration methods using tubular filter elements in water systems and food, microbiological, medical industries.

Очистка жидкостей с помощью мембранных процессов связана с уменьшением производительности мембран, вызванной несколькими причинами - концентрационной поляризацией, адсорбцией, образованием слоя геля и забиванием пор, поэтому мембраны требуют периодической очистки для повышения производительности фильтрования. Различают три типа процессов очистки (Мулдер М. Ведение в мембранную технологию. - М.: Мир, 1999): гидравлическая, механическая и химическая. Для восстановления эксплуатационных свойств трубчатых ультрафильтров используют комбинацию трех типов процессов очистки (RU 2094103). The purification of liquids using membrane processes is associated with a decrease in membrane productivity caused by several reasons - concentration polarization, adsorption, gel layer formation and clogging of pores, therefore membranes require periodic cleaning to increase filtration performance. Three types of cleaning processes are distinguished (Mulder M. Introduction to membrane technology. - M .: Mir, 1999): hydraulic, mechanical and chemical. To restore the operational properties of tubular ultrafilters, a combination of three types of cleaning processes is used (RU 2094103).

Известны способ и устройство для разделения растворов с помощью полупроницаемой мембраны (Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. - М.: Химия, 1978, с. 121), предусматривающие регенерацию мембраны с помощью эластичных шариков, размер которых превышает внутренний диаметр мембраны. При этом аппарат содержит пористый трубчатый каркас с расположенной на его внутренней поверхности полупроницаемой мембраной и заполненный эластичными шариками большего диаметра, чем диаметр мембраны. Недостатком известных способа устройства для его осуществления является постоянный контакт эластичных шариков с рабочей поверхностью мембраны, что приводит к механическому износу селективного слоя мембраны. A known method and device for separating solutions using a semi-permeable membrane (Dytnersky Yu.I. Reverse osmosis and ultrafiltration. - M .: Chemistry, 1978, p. 121), providing for the regeneration of the membrane using elastic balls whose size exceeds the inner diameter of the membrane. Moreover, the apparatus contains a porous tubular frame with a semipermeable membrane located on its inner surface and filled with elastic balls of a larger diameter than the diameter of the membrane. A disadvantage of the known method of the device for its implementation is the constant contact of the elastic balls with the working surface of the membrane, which leads to mechanical wear of the selective layer of the membrane.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ разделения растворов с помощью полупроницаемой мембраны (RU 2048867), включающий подачу исходного раствора на мембрану, концентрирование непроникающего компонента под действием разницы давления, отвод сконцентрированного раствора и периодическую очистку мембраны эластичными элементами с наложением пульсаций на поток исходного раствора так, что время движения пульсирующего потока в обратном направлении составляет 0,3-1,0 от времени его движения в прямом направлении, причем скорость потока исходного раствора в прямом направлении во время очистки мембраны составляет 0,02-0,10 от скорости потока при концентрировании. The closest in technical essence to the proposed one is a method for separating solutions using a semi-permeable membrane (RU 2048867), which includes supplying the initial solution to the membrane, concentrating the non-penetrating component under the influence of pressure difference, draining the concentrated solution and periodically cleaning the membrane with elastic elements with pulsations applied to the initial flow solution so that the movement time of the pulsating flow in the opposite direction is 0.3-1.0 of the time it moves in the forward direction, Rich initial solution flow rate in the forward direction during the cleaning of the membrane is from 0.02-0.10 flow rate during concentration.

Устройство для осуществления этого способа содержит пористый трубчатый каркас с расположенной на его внутренней поверхности полупроницаемой мембраной и турбулизирующее устройство, установленное с возможностью возвратно-поступательного движения и выполненное в виде эластичных плоских крыльчаток. A device for implementing this method comprises a porous tubular skeleton with a semipermeable membrane located on its inner surface and a turbulizing device mounted with the possibility of reciprocating movement and made in the form of elastic flat impellers.

Недостатками известных способа и устройства является невысокое качество регенерации мембраны и сложность эксплуатации устройства при ее замене. The disadvantages of the known method and device is the low quality of membrane regeneration and the complexity of the operation of the device when it is replaced.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для мембранного разделения растворов (а.с. СССР 1650226), содержащее корпус со штуцерами ввода разделяемого раствора и вывода пермеата и концентрата и трубчатый мембранный элемент, состоящий из жесткого пористого материала с нанесением на наружную поверхность активным слоем, наружная поверхность мембранного элемента выполнена в виде шнека, а штуцер ввода расположен тангенциально к образующей корпуса. The closest in technical essence to the claimed is a device for membrane separation of solutions (A.S. USSR 1650226), comprising a housing with fittings for the input of a shared solution and the output of permeate and concentrate and a tubular membrane element consisting of a rigid porous material applied to the outer surface with active layer, the outer surface of the membrane element is made in the form of a screw, and the input fitting is located tangentially to the generatrix of the housing.

Однако очистка мембраны поступающим тангенциальным потоком недостаточно эффективна и периодически требуется замена дорогостоящего мембранного элемента. However, cleaning the membrane with an incoming tangential flow is not effective enough and periodically requires the replacement of an expensive membrane element.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение производительности процессов очистки жидкостей за счет восстановления фильтрующих свойств мембраны и создание простого и удобного в эксплуатации устройства, пригодного для использования в бытовых условиях или для предварительной очистки жидкостей перед мембранными процессами более тонкой очистки. The problem to which the claimed invention is directed is to increase the productivity of liquid purification processes by restoring the filtering properties of the membrane and creating a simple and easy-to-use device suitable for use in domestic conditions or for pre-cleaning liquids before thinner membrane processes.

Поставленная задача решается за счет того, что способ, заключающийся в фильтровании очищаемой жидкости через мембрану с периодической регенерацией последней при помощи эластичных элементов, установленных с возможностью возвратно-поступательного движения, предусматривает тангенциальный ввод очищаемой жидкости, а регенерацию мембраны осуществляют с помощью эластичных элементов в виде колец при достижении заданной величины перепада давления на мембране, соответствующей снижению ее проницаемости на 20-25%. The problem is solved due to the fact that the method consisting in filtering the liquid to be cleaned through a membrane with periodic regeneration of the latter using elastic elements installed with the possibility of reciprocating movement, provides for the tangential input of the liquid to be cleaned, and the membrane is regenerated using elastic elements in the form rings upon reaching a predetermined pressure drop across the membrane, corresponding to a decrease in its permeability by 20-25%.

Задача решается также за счет того, что устройство для очистки жидкости содержит цилиндрический корпус с патрубком ввода очищаемой жидкости, расположенным тангенциально к образующей корпуса, и патрубками вывода очищенной и недоочищенной жидкости, фильтр грубой очистки, трубчатый мембранный модуль с наружной полупроницаемой мембраной, установленный с зазором относительно внутренних стенок корпуса. Трубчатый мембранный модуль, состоящий из каркаса с дренажными отверстиями и наружной полупроницаемой мембраны с удерживающей способностью 0,1-5,0 мкм, снабжен эластичными кольцевыми элементами, установленными с возможностью возвратно-поступательного движения при достижении заданной величины перепада давления на мембране. Внутренний диаметр эластичных кольцевых элементов несколько меньше или равен диаметру трубчатого мембранного модуля, нижний торец корпуса выполнен конусообразным. Для увеличения производительности фильтрования в корпусе может быть установлено более одного трубчатого мембранного модуля. The problem is also solved due to the fact that the liquid purification device comprises a cylindrical body with a nozzle for introducing a fluid to be cleaned, located tangentially to the generatrix of the housing, and nozzles for outputting a cleaned and uncleaned fluid, a coarse filter, a tubular membrane module with an external semi-permeable membrane installed with a gap relative to the inner walls of the housing. The tubular membrane module, consisting of a frame with drainage holes and an outer semi-permeable membrane with a holding capacity of 0.1-5.0 μm, is equipped with elastic ring elements that are installed with the possibility of reciprocating movement when the specified pressure drop across the membrane is reached. The inner diameter of the elastic ring elements is slightly less than or equal to the diameter of the tubular membrane module, the lower end of the housing is made conical. To increase filtration performance, more than one tubular membrane module can be installed in the housing.

Предлагаемые нами способ и устройство эффективны для восстановления фильтрующих свойств мембраны в жидкостях, содержащих загрязнения, обладающие повышенной адгезионной прочностью и устойчивые к щелочам и кислотам. Предлагаемое устройство для очистки жидкостей позволяет активно использовать всю площадь мембраны, в несколько раз увеличивает время эксплуатации (до 12-18 месяцев), которое ограничивается только износом мембраны. Our proposed method and device are effective for restoring the filtering properties of the membrane in liquids containing contaminants that have increased adhesive strength and are resistant to alkalis and acids. The proposed device for cleaning liquids allows you to actively use the entire area of the membrane, several times increases the operating time (up to 12-18 months), which is limited only by the wear of the membrane.

На фиг.1 схематически изображен трубчатый мембранный модуль в продольном разрезе, на фиг. 2 схематически изображен общий вид устройства, продольный разрез, на фиг.3 - то же, вид сверху. In Fig.1 schematically shows a tubular membrane module in longitudinal section, in Fig. 2 schematically shows a General view of the device, a longitudinal section, figure 3 is the same, top view.

Трубчатый мембранный модуль (фиг.1) содержит трубчатый каркас 1 с дренажными отверстиями 3 и расположенной на его наружной поверхности полупроницаемой мембраной 2. Нижний торец мембранного модуля имеет глухое днище 4, а в верхнем торце имеется съемная крышка 5 с патрубком 6 для вывода очищенной воды. Снаружи мембранного модуля установлены эластичные кольцевые элементы 7, способные перемещаться в прямом и обратном направлении. The tubular membrane module (Fig. 1) contains a tubular frame 1 with drainage holes 3 and a semipermeable membrane 2 located on its outer surface. The lower end of the membrane module has a blind bottom 4, and at the upper end there is a removable cover 5 with a pipe 6 for outputting purified water . Outside the membrane module, elastic ring elements 7 are installed, capable of moving in the forward and reverse direction.

Устройство для очистки жидкостей (фиг.2, 3) содержит цилиндрический корпус 8, внутри которого установлен трубчатый мембранный модуль, состоящий из трубчатого каркаса 1 с дренажными отверстиями 3 для прохода очищаемой воды и расположенной на наружной поверхности полупроницаемой мембраны 2, верхний конец трубчатого мембранного модуля соединен с патрубком 6 вывода очищенной жидкости, а нижний конец заглушен. Корпус 8 снабжен патрубком 9 для ввода очищаемой жидкости, расположенным тангенциально к образующей корпуса 8, за счет чего создается турбулизация потока жидкости, и фильтром грубой очистки (ФГО) 10. Вывод недоочищенной жидкости осуществляют через патрубок 11 на нижнем конусообразном торце корпуса 8. На верхнем горце корпуса 8 установлена съемная крышка 12, на трубчатом мембранном модуле - эластичные кольцевые элементы 7, которые автоматически приводят при помощи привода 13 в движение вдоль фильтровального патрона. В устройствах с высокой производительностью в корпусе 8 устанавливается несколько трубчатых мембранных модулей. The device for cleaning liquids (figure 2, 3) contains a cylindrical body 8, inside which a tubular membrane module is installed, consisting of a tubular frame 1 with drainage holes 3 for the passage of purified water and located on the outer surface of the semipermeable membrane 2, the upper end of the tubular membrane module connected to the outlet pipe 6 of the purified liquid, and the lower end is plugged. The housing 8 is equipped with a nozzle 9 for introducing the fluid to be cleaned, which is located tangentially to the generatrix of the housing 8, which creates a turbulization of the fluid flow, and a coarse filter (CSF) 10. The output of the untreated fluid is carried out through the nozzle 11 on the lower conical end of the housing 8. the highlander of the housing 8 is equipped with a removable cover 12, on the tubular membrane module - elastic ring elements 7, which are automatically driven by the drive 13 into motion along the filter cartridge. In devices with high performance in the housing 8 is installed several tubular membrane modules.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Подлежащая мембранной очистке жидкость поступает через фильтр грубой очистки 10 и патрубок 9, расположенный тангенциально к образующей корпуса 8. Создается кольцевое движение жидкости, наиболее крупные частицы отбрасываются к периферии под действием центробежной силы и осаждаются, что способствует более длительному сохранению проницаемости мембраны 2. Проходя через полупроницаемую мембрану 2 трубчатого мембранного модуля, жидкость очищается от механических примесей и по дренажным отверстиям 3 поступает внутрь трубчатого мембранного модуля и очищенная выводится через патрубок 6 потребителю. При работе устройства в режиме фильтрации патрубок 11 для вывода недоочищенной жидкости закрыт. В процессе работы устройства происходит засорение поверхности мембраны 2, что приводит к увеличению перепада давления на трубчатом мембранном модуле. При достижении величины перепада давления до заданной, автоматически приводят в движение эластичные кольцевые элементы 7 при помощи привода 13, перемещаемые вдоль трубчатого мембранного модуля в прямом и обратном направлении. Эластичные кольцевые элементы 7, скользя по поверхности мембраны 2, снимают загрязнения, которые смываются тангенциальным потоком жидкости, проводится промывка мембраны 2, при этом недоочищенная жидкость сливается через патрубок 11. Периодичность регенерации препятствует износу мембраны 2. Эластичные кольцевые элементы 7 выполнены из мягких материалов, которые механически очищают поверхность мембраны без ее разрушения. После длительной эксплуатации (до 12-18 месяцев) удаляются старые мембраны 2 и заменяются на новые. Операция замены мембраны проста и занимает 10-20 мин. The liquid to be cleaned through the membrane enters through the coarse filter 10 and the nozzle 9 located tangentially to the generatrix of the housing 8. An annular movement of the liquid is created, the largest particles are discarded to the periphery by centrifugal force and are deposited, which contributes to a longer preservation of the membrane permeability 2. Passing semipermeable membrane 2 of the tubular membrane module, the liquid is cleaned of mechanical impurities and through the drainage holes 3 enters the tubular membrane m The modul and cleaned are discharged through the pipe 6 to the consumer. When the device is in filtration mode, the pipe 11 for withdrawing under-treated liquid is closed. During operation of the device, the surface of the membrane 2 is clogged, which leads to an increase in the pressure drop across the tubular membrane module. Upon reaching the pressure drop to a predetermined value, the elastic ring elements 7 are automatically set in motion by means of a drive 13, moved along the tubular membrane module in the forward and reverse direction. The elastic ring elements 7, sliding along the surface of the membrane 2, remove impurities that are washed away by a tangential fluid flow, the membrane 2 is flushed, and the under-treated liquid is drained through the pipe 11. The regeneration frequency prevents the wear of the membrane 2. The elastic ring elements 7 are made of soft materials, which mechanically clean the surface of the membrane without destroying it. After prolonged use (up to 12-18 months), the old membranes 2 are removed and replaced with new ones. The membrane replacement operation is simple and takes 10-20 minutes.

Пример реализации способа. An example implementation of the method.

В корпусе концентрично установлен один трубчатый мембранный модуль, содержащий каркас высотой 400 мм из полимерного материала с дренажными отверстиями и наружную мембрану МУСА-6 с удерживающей способностью 0,2 мкм. One tubular membrane module is concentrically installed in the casing, containing a 400 mm high frame made of polymer material with drainage holes and an MUSA-6 outer membrane with a holding capacity of 0.2 μm.

В предлагаемом устройстве по предлагаемому способу очищаемая вода с мутностью 10 мг на литр поступает в корпус под давлением 3-6 кг/см² тангенциальным потоком, проходит через мембрану по дренажным каналам в трубчатый каркас и через патрубок вывода очищенной жидкости к потребителю. Производительность мембранного модуля составляет 1,2 м³/час.In the proposed device according to the proposed method, the purified water with a turbidity of 10 mg per liter enters the housing under a pressure of 3-6 kg / cm ^{2 by a} tangential flow, passes through the membrane through the drainage channels into the tubular frame and through the outlet pipe of the purified liquid to the consumer. The performance of the membrane module is 1.2 m ³ / h.

Во время работы устройства степень загрязненности мембраны контролирует датчик перепада давления (на чертеже не показан). При достижении перепада давления на мембране, соответствующей снижению проницаемости мембраны на 20-25% (2,5-3,0 кг/см²), датчик включает привод эластичных кольцевых элементов. Во время работы эластичных кольцевых элементов открывается дренажный кран для сброса загрязненной жидкости в канализацию. Работа устройства и регенерация мембраны происходят в автоматическом режиме. При этом производительность мембран восстанавливается практически полностью.During operation of the device, the degree of contamination of the membrane is controlled by a differential pressure sensor (not shown in the drawing). Upon reaching a pressure drop across the membrane, corresponding to a decrease in membrane permeability of 20-25% (2.5-3.0 kg / cm ² ), the sensor includes a drive elastic ring elements. During operation of the elastic ring elements, a drainage valve opens to discharge contaminated liquid into the sewer. The operation of the device and the regeneration of the membrane occur in automatic mode. At the same time, membrane performance is restored almost completely.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство очистки жидкостей позволяют обеспечивать высокую производительность фильтрования при простоте конструкции, а также простоту эксплуатации при замене мембраны. Thus, the proposed method and device for cleaning liquids can provide high filtration performance with a simple design, as well as ease of operation when replacing the membrane.

Claims

1. The method of purification of liquids, which consists in filtering the liquid to be cleaned through a membrane with periodic regeneration of the latter using elastic elements mounted with the possibility of reciprocating movement, characterized in that they provide tangential input of the liquid to be cleaned, and elastic elements in the form of rings automatically set in motion when the specified pressure drop across the membrane is reached.

2. The method according to p. 1, characterized in that the predetermined pressure drop corresponds to a decrease in membrane permeability by 20-25%.

3. A device for cleaning liquids, comprising a cylindrical body with a nozzle for introducing a liquid to be cleaned, located tangentially to the generatrix of the body, nozzles for withdrawing cleaned and uncleaned liquid, a tubular membrane module with an outer semipermeable membrane installed with a gap relative to the inner walls of the housing, characterized in that the tubular a membrane module containing a frame with drainage holes is provided with elastic annular elements mounted with the possibility of reciprocating movement when reaching a predetermined differential pressure value on the membrane, and the lower end of the housing is made conical.

4. The device according to p. 3, characterized in that as a semi-permeable membrane using a membrane with a holding capacity of 0.1-5.0 microns.

5. The device according to claim 3 or 4, characterized in that a coarse filter is installed at the entrance to the housing.

6. The device according to any one of paragraphs. 3-5, characterized in that more than one tubular membrane module is installed in the housing.

7. The device according to any one of paragraphs. 3-6, characterized in that it is equipped with an automatic control system for the differential pressure on the membrane.