мембранный аппарат со струйными потоками

Формула изобретения

Мембранный аппарат со струйными потоками, включающий трубчатый мембранный модуль, выполненный в виде пористого тела с нанесенной на внутреннюю поверхность полупроницаемой мембраной, патрубки для ввода исходного раствора, вывода фильтрата и концентрата, отличающийся тем, что внутри трубчатого мембранного модуля коаксиально полупроницаемой мембране расположены струйные устройства, каждое из которых выполнено в виде цилиндра, к торцевым поверхностям которого при помощи фланцев герметично присоединены с одной стороны диск с отверстиями для штанг, с другой - корпусная деталь и обойма с лепестковым клапаном, внутри цилиндра имеется гофрированная армированная мембрана, имеющая повышенный характер упругих деформаций и выполненная в виде стакана, торцевая открытая часть которого помещена между фланцем цилиндра и корпусной деталью, образуя герметичное соединение, а к днищу при помощи фасонной шайбы, прилегающей к донной части стакана с внутренней стороны, неподвижно прикреплен толкатель с возможностью перемещения в цилиндре, на боковой поверхности корпусной детали размещены форсунки, равноудаленные друг от друга и направленные в противоположные стороны по отношению друг к другу таким образом, чтобы выходящие струи были направлены тангенциально полупроницаемой мембране, расстояние между струйными устройствами выбирается таким образом, чтобы струи исходного раствора, выходящие из форсунок, направленных в одну сторону одного струйного устройства, образовывали вертикальную плоскость соприкосновения со струями, выходящими из форсунок, направленных в другую сторону другого струйного устройства, струйные устройства неподвижно установлены при помощи штанг, закрепленных во фланцевых соединениях и проходящих через отверстия в дисках, неподвижно присоединенных к фланцам цилиндров со стороны толкателей, к штокам толкателей неподвижно присоединены диски с отверстиями для штанг, соединяющих диски других струйных устройств, образуя подвижную систему, причем диски закреплены таким образом, чтобы в каждом струйном устройстве толкатель совершал одинаковые перемещения.

Описание изобретения к патенту

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.

Известен мембранный аппарат с нестационарной гидродинамикой (Патент №2174432 Мембранный аппарат с нестационарной гидродинамикой, авторы Кретов И.Т., Шахов С.В., Ключников А.И., Ряжских В.И., кл. В 01 D 63/06, 2001 г.), включающий трубчатый мембранный модуль, выполненный в виде пористого тела с нанесенной на внутреннюю поверхность полупроницаемой мембраной, патрубки для ввода исходного раствора, вывода фильтрата и концентрата.

Недостатком известного мембранного аппарата является неэффективность работы мембран в ламинарном режиме, низкая степень очистки мембранной поверхности при установившемся режиме.

Технической задачей изобретения является повышение производительности мембранного аппарата за счет улучшения гидродинамического воздействия на разделяемый поток вследствие снижения слоя высокой концентрации на всей длине полупроницаемой мембраны.

Техническая задача достигается тем, что в мембранном аппарате со струйными потоками, включающем трубчатый мембранный модуль, выполненный в виде пористого тела с нанесенной на внутреннюю поверхность полупроницаемой мембраной, патрубки для ввода исходного раствора, вывода фильтрата и концентрата, новым является то, что внутри трубчатого мембранного модуля, коаксиально полупроницаемой мембране расположены струйные устройства, каждое из которых выполнено в виде цилиндра, к торцевым поверхностям которого при помощи фланцев герметично присоединены с одной стороны диск с отверстиями для штанг, с другой - корпусная деталь и обойма с лепестковым клапаном, внутри цилиндра имеется гофрированная армированная мембрана, имеющая повышенный характер упругих деформаций и выполненная в виде стакана, торцевая открытая часть которого помещена между фланцем цилиндра и корпусной деталью, образуя герметичное соединение, а к днищу при помощи фасонной шайбы, прилегающей к донной части стакана с внутренней стороны, неподвижно прикреплен толкатель с возможностью перемещения в цилиндре, на боковой поверхности корпусной детали размещены форсунки, равноудаленные друг от друга и направленные в противоположные стороны по отношению друг к другу таким образом, чтобы выходящие струи были направлены тангенциально полупроницаемой мембране, расстояние между струйными устройствами выбирается таким образом, чтобы струи исходного раствора, выходящие из форсунок, направленных в одну сторону одного струйного устройства, образовывали вертикальную плоскость соприкосновения со струями, выходящими из форсунок, направленных в другую сторону другого струйного устройства, струйные устройства неподвижно установлены при помощи штанг, закрепленных во фланцевых соединениях и проходящих через отверстия в дисках, неподвижно присоединенных к фланцам цилиндров со стороны толкателей, к штокам толкателей неподвижно присоединены диски с отверстиями для штанг, соединяющих диски других струйных устройств, образуя подвижную систему, причем диски закреплены таким образом, чтобы в каждом струйном устройстве толкатель совершал одинаковые перемещения.

На фиг.1 изображен разрез описываемого аппарата и вид А; на фиг.2 - разрезы Б-Б и В-В струйного устройства; на фиг.3 и 4 схемы гидродинамического процесса во время рабочего хода толкателя.

Мембранный аппарат (фиг.1) содержит трубчатый мембранный модуль, выполненный в виде двух коаксиально распложенных цилиндров 1 и 2. Причем цилиндр 1 выполнен из пористого материала, на внутренней поверхности которого расположена полупроницаемая мембрана 3. Цилиндр 1 снабжен патрубками 4 и 5 для ввода исходного раствора и вывода концентрата соответственно, а цилиндр 2 - патрубком 6 для удаления фильтрата. Цилиндры 1 и 2 герметично соединены между собой при помощи фланцевых соединений 7.

Внутри цилиндра 1 коаксиально полупроницаемой мембране 3 расположены струйные устройства 8, неподвижно закрепленные во фланцевых соединениях 7 при помощи штанг 9.

Струйное устройство выполнено в виде цилиндра 10, к торцевых поверхностям которого при помощи фланцев 11 герметично присоединены с одной стороны диск 12 с отверстиями для штанг, с другой - корпусная деталь 13 и обойма 14 с лепестковым клапаном 15, внутри цилиндра 10 имеется гофрированная армированная мембрана 16, имеющая повышенный характер упругих деформаций и выполненная в виде стакана, торцевая открытая часть которого помещена между фланцем 11 цилиндра 10 и корпусной деталью 13, образуя герметичное соединение, а к днищу при помощи фасонной шайбы 17, прилегающей к донной части стакана с внутренней стороны, неподвижно прикреплен толкатель 18 с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости цилиндра 10.

На боковой поверхности корпусной детали 13 струйного устройства размещены форсунки 19, равноудаленные друг от друга и направленные в противоположные стороны по отношению друг к другу таким образом, чтобы выходящие струи были направлены тангенциально полупроницаемой мембране 3 (фиг.3).

Обойма 14 выполнена таким образом, чтобы при холостом ходе толкателя 18 под действием внутреннего давления в мембранном канале лепестковый клапан 15 открывался во внутрь струйного устройства, обеспечивая тем самым его наполнение исходным раствором, а при рабочем ходе толкателя 18 плотно прилегал к кольцевому выступу обоймы 14 под действием создаваемого движущимся толкателем 18 давления, большего величины давления в мембранном канале, обеспечивающего выход исходного раствора через отверстия форсунок 19 в виде струй.

Расстояние между струйными устройствами выбирается таким образом, чтобы струи исходного раствора, выходящие из форсунок 19, направленных в одну сторону одного струйного устройства, образовывали вертикальную плоскость соприкосновения со струями, выходящими из форсунок, направленных в другую сторону другого струйного устройства (фиг.4).

Струйные устройства неподвижно установлены при помощи штанг 9, закрепленных во фланцевых соединениях 7 и проходящих через отверстия в дисках 12, неподвижно присоединенных к фланцам 11 цилиндров 10 со стороны толкателей 18, к штокам 20 толкателей 18 при помощи стопорных колец 21 неподвижно присоединены диски 22 с отверстиями для штанг 23, соединяющих диски 22 других струйных устройств между собой, образуя подвижную систему, причем диски 22 закреплены таким образом, чтобы в каждом струйном устройстве толкатель 18 совершал одинаковые перемещения.

Шток 20 струйного устройства, непосредственно прилегающего к патрубку 4 для ввода исходного раствора, присоединен к механизму, обеспечивающему его возвратно-поступательное перемещение, например кривошипно-шатунному. Для обеспечения герметичности перемещения штока 20 предназначен узел 24, неподвижно установленный в соответствующем фланцевом соединении 7.

Мембранный аппарат работает следующим образом.

Исходный раствор подается в мембранный канал через патрубок 4 под давлением, превышающим осмотическое. Одновременно с этим с помощью кривошипно-шатунного механизма шток 20, совершая холостой ход, приводит толкатель 18 в каждом цилиндре 10 струйного устройства в крайнее левое положение посредством штанг 23, неподвижно соединенных с дисками 22 при помощи гаек 25.

Под действием внутреннего давления в мембранном канале происходит открытие лепесткового клапана 15 и заполнение внутреннего пространства струйного устройства исходным раствором.

Прошедший через полупроницаемую мембрану 3 фильтрат, скапливается в полости, образованной цилиндрами 1 и 2, откуда удаляется через патрубок 6. Образующийся в процессе мембранного разделения концентрат отводится через патрубок 5.

После того как проницаемость полупроницаемой мембраны 3 уменьшится, включают привод кривошипно-шатунного механизма, шток 20 которого, совершая рабочий ход, приводит толкатель 18 в каждом цилиндре 10 струйного устройства в крайнее правое положение. Причем начальное ускорение толкателя 18 выбирается таким образом, чтобы вызванный перепад давления исходного раствора внутри гофрированной армированной мембраны 16 струйного устройства и мембранного канала приводил к закрытию лепесткового клапана 15 и его герметичному удерживанию в обойме 14 во время рабочего хода кривошипно-шатунного механизма.

Одновременно с этим происходит нагнетание толкателем 18 исходного раствора в пространство корпусной детали 13 и его выпрыскивание в виде струй в мембранный канал тангенциально поверхности полупроницаемой мембраны 3 при помощи форсунок 19.

Расстояние между струйными устройствами обеспечивает интенсивное гидродинамическое воздействие на слой высокой концентрации, находящийся на всей поверхности полупроницаемой мембраны 3, и его удаление с концентратом через патрубок 5.

В результате тангенциально направленных струй происходит закручивание исходного раствора в мембранном канале, усиливающее эффективность очистки поверхности полупроницаемой мембраны 3.

Затем кривошипно-шатунный механизм совершает холостой ход и далее процессы повторяются аналогично описанным выше.

Данный мембранный аппарат позволяет обеспечить:

- низкий уровень концентрационной поляризации за счет струй исходного раствора, создаваемых при рабочем ходе толкателя, направленных тангенциально поверхности полупроницаемой мембраны, и возникающего

вследствие этого дополнительного закручивания потока исходного раствора в мембранном канале, обеспечивающего регенерацию всей длины фильтрующей поверхности;

- широкий диапазон производительности и интенсивность гидродинамического воздействия на слой высокой концентрации за счет изменения частоты вращения кривошипно-шатунного механизма и положений толкателей в цилиндрах струйных устройств путем перемещения дисков относительно штоков и штанг;

- устранение застойных зон на участках полупроницаемой мембраны, прилегающих к фланцевым соединениям, благодаря струям исходного раствора, непосредственно направленным в эти участки.