мембранный фильтрующий элемент рулонного типа

Формула изобретения

1. Мембранный фильтрующий элемент рулонного типа (МЭ), включающий в себя фильтратотводящую трубку с радиальными отверстиями, вокруг которой спирально намотан один или несколько мембранных пакетов, каждый состоит из сложенной активной стороной внутрь полупроницаемой мембраны с вложенной в нее турбулизаторной сеткой и промежуточных листов пористого материала, напорные каналы элемента открыты с его наружной цилиндрической поверхности, отличающийся тем, что торцы элементов полностью загерметизированы методом заливки термореактивной клеевой композицией или расплавом термопластичного материала, при этом на его наружной цилиндрической поверхности размещена эластичная, легко растягивающаяся в радиальном направлении оболочка, занимающая 70-80% длины элемента, закрепленная с одного торца на диске, имеющем каналы для поступления фильтруемой среды под эластичную оболочку, а на торцевом диске установлена уплотнительная манжета двухстороннего действия, предотвращающая обтекание МЭ фильтруемой средой как справа налево, так и слева направо, отношение длины мембранного пакета к его ширине составляет от 1:1 до 1:3.

2. Мембранный элемент по п.1, отличающийся тем, что пористый материал включает в себя не менее двух листов дренажного материала.

3. Мембранный элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что пористый материал включает в себя не менее одной сетки толщиной от 0,2 до 2 мм.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области конструкции (устройства) мембранного фильтрующего элемента рулонного типа (далее МЭ).

МЭ состоит из мембранных пакетов, чередующихся с листами дренажного материала для отвода пермеата, намотанных на фильтратотводящую перфорированную трубку и загерметизированных определенным образом.

МЭ нашли широкое применение практически во всех областях промышленности в процессах обратного осмоса, нано-, ультра-, микрофильтрации. Наиболее широко МЭ используются для обессоливания природных и сточных вод промышленных предприятий, водоподготовки технологической воды для различных производств, для получения питьевой воды, в том числе для бытовых нужд.

Появление новых конструкций МЭ является неизбежным следствием, прежде всего, создания новых мембран и возрастанием требований, предъявляемых к МЭ.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны различные конструкции МЭ. МЭ отличаются друг от друга общей конструкцией, технологией изготовления, применяемыми конструкционными материалами, герметизацией (Патенты Японии №№54-151571, 54-149384, 54-149383, 53-124179; Патенты США №№3966616, 3417870, 4235723, 4906372, 5538642; Авторские свидетельства №№1205359, 1213100, 1595553).

Наиболее близкая к заявляемой конструкция МЭ приведена в патенте США №4906372. Согласно этому патенту МЭ содержит трубку с отверстиями для отвода фильтрата, на которую намотаны листы сложенной мембраны, внутри каждого листа находится лист сетки, листы сложенной мембраны разделены пористым материалом. После намотки образуется МЭ, представляющий собой цилиндр с осевой фильтратотводящей трубкой, внутри которого сформированы каналы исходной воды и фильтрата. Каналы для подачи воды открыты с двух сторон (торцев) МЭ и с его наружной цилиндрической поверхности. Исходная жидкость подается в один торец МЭ и выводится через другой торец. Фильтрат выводится через фильтратотводящую трубку.

Недостатком МЭ по патенту США №4906372 является большая зона герметизации мембранных пакетов, что уменьшает рабочую поверхность МЭ и его производительность, а также невозможность использования МЭ для фильтрации в тупиковом режиме с регулярными восстановительными противоточными промывками и продувками сжатым воздухом.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью изобретения является создание конструкции МЭ с увеличенной производительностью, которая обеспечивала бы при этом оптимальные условия проведения фильтрации как в проточном, так и в тупиковом режиме с регулярными восстановительными противоточными промывками и продувками сжатым воздухом.

Согласно изобретению, МЭ состоит из фильтратотводящей трубки 1 с радиальными отверстиями по длине, вокруг которой спирально намотан один или несколько мембранных пакетов, каждый из которых состоит из сложенной вдвое полупроницаемой мембраны 7 активный стороной во внутрь с листом турбулизаторной сетки 8 и промежуточного пористого материала 9, напорные каналы элемента открыты с его наружной цилиндрической поверхности (фиг.1).

Для уменьшения зоны герметизации мембранных пакетов и увеличения за счет этого производительности МЭ его торцы полностью загерметизированы методом заливки термореактивной клеевой композиции или расплавом термопластичного материала 11.

Согласно изобретению, для создания оптимальных условий проведения фильтрации как в проточном, так и в тупиковом режиме с регулярными восстановительными противоточными промывками и продувками сжатым воздухом, на наружной цилиндрической поверхности МЭ размещена эластичная, легко растягиваемая в радиальном направлении оболочка 6, закрепленная с одного торца на диске 3, имеющем каналы 4 для поступления фильтруемой среды как в торцевую часть элемента, так и под эластичную оболочку, занимающую 70-80% длины МЭ. На торцевом диске установлена уплотнительная манжета 5 двухстороннего действия, предотвращающая обтекание МЭ фильтруемой средой как справа налево, так и слева направо. Отношение длины мембранного пакета к его ширине составляет от 1:1 до 1:3.

Согласно изобретению, для улучшения отвода фильтрата пористый материал может включать в себя не менее двух листов дренажного материала. Пористый материал может включать в себя одну или несколько сеток толщиной от 0,2 до 2 мм.

Авторами изобретения найдено, что выполнение конструкции МЭ в соответствии с указанными выше особенностями позволяет увеличить его производительность и использовать его для фильтрации в тупиковом режиме с регулярными восстановительными противоточными промывками и продувками сжатым воздухом.

Герметизация торцев МЭ методом заливки термореактивной клеевой композиции или расплавом термопластичного материала позволила снизить площадь герметизации на 80-100% и за счет этого увеличить производительность в среднем на 10%. Оптимальные условия проведения фильтрации как в традиционном для мембранных элементов проточном, так и в тупиковом режимах с регулярными восстановительными противоточными промывками и продувками сжатым воздухом достигаются тем, что на его наружной цилиндрической поверхности размещена эластичная, легко растягивающаяся в радиальном направлении оболочка, закрепленная с одного торца на диске, имеющем каналы для поступления фильтруемой среды как в торцевую часть элемента, так и под эластичную оболочку и занимающая 70-80% длины МЭ. Увеличение длины эластичной оболочки до значений, превышающих 80% от длины МЭ, приводит к увеличению его сопротивления. Длины эластичной оболочки менее 70% длины МЭ может привести к образованию застойных зон в напорных каналах МЭ и снижению эффективности его работы. При этом на торцевом диске установлена уплотнительная манжета двухстороннего действия, предотвращающая обтекание МЭ фильтруемой средой как справа налево, так и слева направо.

В рабочем режиме тупиковой фильтрации (ультра-, микрофильтрация) фильтруемая среда поступает в каналы МЭ и под эластичную оболочку. Эластичная оболочка 6 растягивается в радиальном направлении и образует коллектор исходной фильтруемой среды, откуда она имеет доступ ко всем участкам мембраны (фиг.2). При проведении восстановительной противоточной промывки (фиг.3) вода или водовоздушная смесь для промывки подается со стороны противоположного торца МЭ, при этом эластичная оболочка 6 прижимается к наружной цилиндрической поверхности МЭ, обеспечивая высокие линейные скорости потока воды в напорных каналах, необходимые для эффективной промывки. Во время промывки вода подается также и в фильтратотводящую трубку со стороны дренажного канала.

При использовании заявляемого МЭ в режиме проточной фильтрации (обратный осмос, нанофильтрация) исходная фильтруемая среда подается в МЭ со стороны торца, противоположного торцу с диском 3, на котором установлена уплотнительная манжета двустороннего действия 5 (фиг.4). При этом эластичная оболочка 6 прижимается к наружной цилиндрической поверхности МЭ, обеспечивая этим высокие линейные скорости потока воды в каналах, необходимые для эффективного проведения процесса обратного осмоса или нанофильтрации.

В качестве турбулизаторной сетки 8 предпочтительно использовать безузелковые сетки толщиной от 0,3 до 2 мм. Лучшим дренажным материалом является трикотажное основовязальное полотно из лавсановой нити, пропитанное раствором эпоксидной смолы с последующим ее отверждением.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 приведен эскиз заявляемого МЭ с показом основных его деталей и их расположения относительно друг друга.

На фиг.2 приведен эскиз заявляемого МЭ с указанием направления потоков исходной фильтруемой среды и фильтрата в рабочем режиме тупиковой фильтрации.

На фиг.3 приведен эскиз заявляемого МЭ с указанием направления потоков исходной фильтруемой среды и фильтрата в режиме восстановительной противоточной промывки тупиковой фильтрации.

На фиг.4 приведен эскиз заявляемого МЭ с указанием направления потоков исходной фильтруемой среды, концентрата и фильтрата в рабочем режиме проточной фильтрации:

1 - фильтратотводящая трубка;

2 - отверстия в трубке для отвода фильтрата;

3 - диск;

4 - отверстия в диске для поступления исходной фильтруемой среды;

5 - уплотнительная манжета двухстороннего действия;

6 - эластичная оболочка;

7 - мембрана;

8 - лист турбулизаторной сетки;

9 - пористый материал;

10 - место герметичного соединения пористого материала с прилегающими мембранами (соединение мембрана - пористый материал-мембрана) в зоне внешней цилиндрической поверхности МЭ;

11 - место герметичного соединения торцев МЭ (соединение мембрана-пористый материал-мембрана-турбулизаторная сетка).

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Заявителем совместно с авторами изобретения были изготовлены и испытаны опытные образцы МЭ с внешним диаметром 65 и 100 мм и длиной 1016 мм.

Основные конструктивные особенности, исходные материалы и результаты испытаний опытных образцов МЭ приведены в таблице.

Основные параметры и результаты испытаний опытных образцов МЭ.

Таблица
Наименование основных параметров и эксплуатационные характеристики	Данные по опытным образцам
	1.	2.	3.	4.	5.	6.	7.
1. Используемое мембранное полотно:
1.1. нанофильтрационная композитная мембрана	+	+	-	-	-	+	-
1.2. Микрофильтрационная мембрана (размер пор 1,00 мкм)	-	-	+	+	+	-	+
2. Наружный диаметр образца МЭ, мм
2.1. 65,0	+	+	+	+	-	-	+
2.2. 100,0	-	-	-	-	+	+	-
3. Отношение длины к ширине мембранного пакета
3.1. 1:1	+	-	+	-	+	-	-
3.2. 1:3	-	+	-	+	-	+	+
4. Число мембранных пакетов в МЭ	4	10	4	10	4	10	10
4.1. Состав пористого материала
4.1.1. 1 лист дренажного материала	+	+	-	-	-	+	-
4.1.2. 2 листа дренажного материала и 1 сетка толщиной 0,2 мм	-	-	+	-	+	-	+
4.1.3. 2 листа дренажного материала и 1 сетка толщиной 2 мм				+
5. Длина эластичной оболочки
- 70% длины элемента	-	+	-	-	-	-	+
- 80% длины элемента	-	-	-	+	+	+	-
6. Герметизация мембранных пакетов в МЭ:
6.1. согласно патенту США 4906372	+	-	+	-	-	-	-
6.2. согласно настоящему изобретению	-	+	-	+	+	+	+

7. Эксплуатационные характеристики МЭ
7.1. Производительность (по фильтрату), л/час	180	205	280*	320*	725*	410	335*
7.2. Селективность, %:
- по MgSO4	96,9	97,0	-	-	-	95,9	-
- по мутности (ГОСТ 3351-74)	-	-	74	73,5	76,1	-	74÷76
Условия испытаний:
Давление, МПа	1,6	1,6	0,15	0,15	0,15	1,6	0,15
Температура, °С	20	20	20	20	20	20	20
* - начальные значения производительности

Контрольные испытания проводились:

- нанофильтрационных элементов на 0,2% растворе MgSO₄,

- микрофильтрационных элементах на водопроводной воде (Клязьминский водозабор г.Владимира).

Анализ результатов испытаний экспериментальных образцов элементов позволяет сделать следующие выводы:

1. Оба способа герметизации мембранных пакетов в элементах достаточно надежны:

селективность элемента (см. п.7.2 таблицы) практически соответствует селективности используемой мембраны.

2. При герметизации методом заливки торцов по сравнению с герметизацией согласно прототипу обеспечивается увеличение эффективной (рабочей) площади мембраны в элементе, и, как следствие, увеличение его производительности при прочих одинаковых условиях (см. п.7.1., образцы элементов 1 и 2; 3 и 4). Этот эффект наблюдается во всем диапазоне соотношения длины к ширине мембранного пакета от 1:1 до 1:3 ив диапазоне толщины сетки, используемой в дренажном канале, от 0,2 до 2 мм, а также в диапазоне длины эластичной оболочки 70-80% длины элемента.

3. Ресурсные испытания микрофильтрационных элементов, изготовленных согласно настоящему изобретению, 4, 5, 7 в течение 100 часов в тупиковом режиме на водопроводной воде с циклическими восстановительными обратноточными промывками, показали их, безусловно, положительное влияние на ресурс работы элемента: после каждой промывки производительность элемента восстанавливалась до уровня 80-85% от первоначальной. При этом клеевые швы испытывали многократные знакопеременные нагрузки (сжатие-растяжение) без нарушения герметичности МЭ. Конструкция микрофильтрационного элемента, изготовленного согласно патенту США №4906372, не позволяет проводить циклические восстановительные обратноточные промывки. Поэтому производительность элемента, изготовленного согласно патенту США №4906372, после эксплуатации в течение первых часов падает до 5-10% от первоначальной производительности.

4. МЭ согласно настоящему изобретению имеет увеличенную по сравнению с прототипом производительность и обеспечивает оптимальные условия проведения фильтрации как в проточном, так и в тупиковом режиме с регулярными восстановительными противоточными промывками и продувками сжатым воздухом во всем диапазоне соотношения длины к ширине мембранного пакета от 1:1 до 1:3 и в диапазоне толщины сетки, используемой в дренажном канале, от 0,2 до 2 мм, а также в диапазоне длины эластичной оболочки 70-80% длины элемента.