RU2113895C1

RU2113895C1 - Device for diaphragm separation of liquid media

Info

Publication number: RU2113895C1
Application number: RU96119566A
Authority: RU
Inventors: В.И. Муштаев; С.А. Трифонов; А.А. Пахомов; Д.Л. Палеев; В.А. Колпаков; Н.В. Тырин
Original assignee: Московская государственная академия химического машиностроения
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1996-09-30
Publication date: 1998-06-27

Abstract

FIELD: separation of liquid media in any industry. SUBSTANCE: diaphragm apparatus consists of modules connected in series and provided with tubular metal diaphragms; perforated plates having holes with bent edges are mounted between modules; they form lobes with bevelled edges bent in helical line. Perforated plates are located between modules in alternating order with single gaskets whose diameter exceeds diameter of holes of tubular diaphragms; gaskets have passages for flow of liquid from one tube to another. Covers of apparatus are provided with partitions dividing the interior of cover into parts; ends of partitions are received by slots provided in tube sheets. Liquid to be separated is fed to apparatus under excessive pressure. Part of liquid flow adjoining inner surface of tube is subjected to action of lobes at inlet of porous metal tube which is set it in rotary motion making it intensively wash inner surface of tube. Then flow runs in succession through modules and is discharged from apparatus. Part of liquid flows through porous metal diaphragms and enters interior of apparatus housing where it flows down and is discharged through branch pipe. EFFECT: enhanced intensity of separation process due to continuous cleaning of inner surface of diaphragm. 4 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для разделения различных растворов методами обратного осмоса, ультрафильтрации, микрофильтрации и может быть использовано в химической, металлургической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности. The invention relates to devices for the separation of various solutions by reverse osmosis, ultrafiltration, microfiltration and can be used in chemical, metallurgical, food, pharmaceutical and other industries.

Известно, что вынужденно появляющаяся при мембранной фильтрации и отрицательно сказывающаяся на процессе разделения концентрационная поляризация может быть понижена введением в межмембранные каналы различного рода элементов, активно перемешивающих жидкостной поток [1, 2]. It is known that the concentration polarization that is forced to appear during membrane filtration and adversely affects the separation process can be reduced by introducing various types of elements into the intermembrane channels that actively mix the liquid flow [1, 2].

Однако их общим недостатком является резкое усложнение конструкции, малая эффективность положительного воздействия, так как перемешиванию подвергается весь объем жидкостного потока, находящегося в межмембранном канале, а не примембранная область, где в наибольшей степени проявляется концентрационная поляризация. However, their common drawback is a sharp complication of the design, low efficiency of the positive effect, since the entire volume of the liquid stream located in the intermembrane channel is subjected to mixing, and not the near-membrane region, where the concentration polarization is most pronounced.

Наиболее близким является мембранный аппарат, содержащий несколько последовательно соединенных модулей. Модуль включает корпус, крышки, фланцы, патрубки для ввода и вывода исходной смеси, фильтрата и концентрата, а также мембраны в виде полых волокон [3]. Недостатком указанного выше мембранного аппарата является сложность его эксплуатации при возникновении сильной концентрационной поляризации. The closest is a membrane apparatus containing several series-connected modules. The module includes a housing, covers, flanges, nozzles for input and output of the initial mixture, filtrate and concentrate, as well as membranes in the form of hollow fibers [3]. The disadvantage of the above membrane apparatus is the difficulty of its operation in the event of a strong concentration polarization.

Цель изобретения - интенсификация процесса мембранного разделения жидких смесей путем снижения концентрационной поляризации. The purpose of the invention is the intensification of the process of membrane separation of liquid mixtures by reducing concentration polarization.

Указанная цель достигается тем, что мембранный аппарат снабжен перфорированной пластиной, установленной между двумя смежными прокладками, находящимися между трубной доской и фланцем, а перфорированная пластина имеет отверстия с отогнутыми кромками, образующими лепестки со скошенными краями, загнутыми в винтовую линию, при этом пластины чередуются с одиночными прокладками, расположенными между трубными досками, и имеют отверстия, диаметр которых больше диаметра отверстия трубчатой мембраны, выполненной из металлических пористых трубок, причем в прокладках имеются каналы для перетока жидкости из одной трубки в другую, кроме того, крышки снабжены перегородками, делящими внутренний объем крышки на части, а трубные доски имеют пазы, в которых установлены перегородки, а отверстия с отогнутыми кромками в пластинах размещены между перегородками и корпусом по ходу поступления жидкости в металлические пористые трубки. This goal is achieved by the fact that the membrane apparatus is equipped with a perforated plate mounted between two adjacent gaskets located between the tube plate and the flange, and the perforated plate has holes with bent edges forming petals with beveled edges bent into a helical line, while the plates alternate with single gaskets located between the tube plates and have holes larger than the diameter of the hole of the tubular membrane made of porous metal pipes ok, and in the gaskets there are channels for the flow of fluid from one tube to another, in addition, the covers are equipped with partitions that divide the internal volume of the cover into parts, and tube boards have grooves in which partitions are installed, and openings with bent edges in the plates are located between partitions and the casing along the flow of fluid into the porous metal tubes.

По поводу обоснованности перечисленных выше признаков и их взаимосвязи с поставленной целью авторы отмечают следующее. Regarding the validity of the above signs and their relationship with the goal, the authors note the following.

Наличие перфорированной пластины с отверстиями с отогнутыми кромками, образующими лепестки со скошенными краями, загнутыми в винтовую линию, позволяет направлять поток жидкости в межмембранном канале в сторону внутренней поверхности трубки, тем самым эффективно смывать приповерхностный слой, ответственный за концентрационную поляризацию; кроме того, выполнение пластины из одного листа металла удешевляет конструкцию и упрощает монтаж изделия. Одиночные прокладки, имеющие отверстия меньше, чем отверстия трубок, вызывают срыв жидкости в месте соединения мембранных модулей, что положительно сказывается на борьбе с концентрационной поляризацией. Применение мембран в виде металлических пористых трубок позволяет использовать указанные выше пластины, так как мембраны из полых волокон имеют диаметры порядка 40-2500 мкм, для таких размеров отверстий технически сложно устанавливать внутренние элементы для смыва пограничных слоев. The presence of a perforated plate with holes with bent edges, forming petals with beveled edges bent into a helix, allows you to direct the fluid flow in the intermembrane channel toward the inner surface of the tube, thereby effectively washing away the surface layer responsible for concentration polarization; in addition, the implementation of the plate from one sheet of metal reduces the cost of construction and simplifies installation of the product. Single gaskets having openings smaller than the openings of the tubes cause liquid breakdown at the junction of the membrane modules, which positively affects the fight against concentration polarization. The use of membranes in the form of porous metal tubes allows the use of the above plates, since hollow fiber membranes have diameters of the order of 40-2500 μm, for such hole sizes it is technically difficult to install internal elements to flush the boundary layers.

Выполнение крышки с перегородками, а также досок с пазами приводит при одном и том же расходе жидкой фазы к увеличению скорости жидкости в трубках, что благотворно влияет на ликвидацию концентрационной поляризации. The implementation of the lid with partitions, as well as boards with grooves, at the same flow rate of the liquid phase leads to an increase in the velocity of the liquid in the tubes, which has a beneficial effect on eliminating concentration polarization.

Чередование пластин и одиночных прокладок в межтрубных досках дополняет отличительный признак в п. 1 формулы и применимо для мембранных аппаратов больших длин для усиления эффекта снятия концентрированной поляризации. The alternation of plates and single gaskets in the annular boards complements the distinguishing feature in paragraph 1 of the formula and is applicable to membrane apparatus of long lengths to enhance the effect of removing concentrated polarization.

Наличие в прокладках каналов для перетока жидкости из одной трубки в другую связано с необходимостью равномерного распределения жидкости по всем трубкам, чтобы в каждом трубчатом элементе примембранный слой подвергался одинаковому воздействию. The presence in the gaskets of channels for the flow of fluid from one tube to another is associated with the need for uniform distribution of fluid across all tubes, so that in each tubular element the membrane layer is exposed to the same effect.

С целью уменьшения металлоемкости аппарата вместо корпуса применяют стержни или изогнутые пластины для соединения трубных досок. Пористые металлические трубки не выдерживают значительных нагрузок, поэтому необходим тот или иной вид опоры между трубными досками. In order to reduce the metal consumption of the apparatus, rods or curved plates are used instead of the casing to connect the tube plates. Porous metal tubes do not withstand significant loads, so this or that type of support between the tube plates is necessary.

На основании вышеизложенного авторы считают, что предложенное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия". Based on the foregoing, the authors believe that the proposed technical solution meets the criterion of "significant differences".

На фиг. 1 изображен мембранный аппарат; на фиг. 2 - узел I с пластиной на фиг. 1; на фиг. 3 - узел II с размещением одиночной прокладки на фиг.1; на фиг. 4 - модификация мембранного аппарата с перегородками; на фиг. 5 - разрез по А-А на фиг. 4; на фиг. 6 - прокладка с каналами для перетока жидкости. In FIG. 1 shows a membrane apparatus; in FIG. 2 - assembly I with a plate in FIG. one; in FIG. 3 - node II with the placement of a single gasket in figure 1; in FIG. 4 - modification of the membrane apparatus with partitions; in FIG. 5 is a section along AA in FIG. 4; in FIG. 6 - gasket with channels for fluid flow.

Мембранный аппарат представляет устройство с последовательно состыкованными модулями 1, соединенными между собой при помощи трубных досок 2. Крайние модули 3 имеют на концах крышки 4 с патрубками для ввода исходного раствора 5 и вывода концентрата 6. Отдельный модуль 1 состоит из корпуса 7, закрепленного между трубными досками 2. На корпусе установлен патрубок для отвода фильтрата 8. Трубные доски 2 имеют отверстия, в которые вставлены мембрана в виде металлических пористых трубок 9. Между трубными досками помещены прокладки 10, между которыми расположены перфорированные пластины 11, имеются отверстия с отогнутыми кромками, образующимися лепестками со скошенными краями, загнутыми в винтовую линию 12. Между трубными досками 12 уложена одиночная прокладка 14, с каналами 15 для перетока жидкости из одной трубки в другую Крышки 16 снабжены перегородками 17, делящими объем крышки на части. Перегородок 17 может быть установлено в крышке несколько штук. Трубные доски 18 имеют пазы 19, в которых поставлена перегородка 17. Для удобства сборки трубные доски 13 изготовлены с пазами 19, в которых размещены перегородки 20. The membrane apparatus is a device with sequentially docked modules 1 connected to each other by means of tube plates 2. The end modules 3 have at the ends of the lid 4 with nozzles for introducing the initial solution 5 and withdrawing the concentrate 6. A separate module 1 consists of a housing 7 fixed between the tube boards 2. On the casing there is a nozzle for drainage of the filtrate 8. Tube boards 2 have holes in which a membrane is inserted in the form of porous metal tubes 9. Between the tube boards there are gaskets 10 between which perforated plates 11 are arranged, there are holes with bent edges formed by petals with beveled edges bent into a helical line 12. A single gasket 14 is laid between the tube plates 12, with channels 15 for the flow of liquid from one tube to another. The covers 16 are provided with partitions 17 dividing the volume of the cap into parts. Partitions 17 can be installed in the lid several pieces. The tube boards 18 have grooves 19 in which a partition 17 is placed. For ease of assembly, the tube boards 13 are made with grooves 19 in which the partitions 20 are placed.

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

Исходная жидкость под избыточным давлением через патрубок 5 поступает в аппарат, равномерно распределяется по сечению аппарата и попадает в первый по ходу движения жидкости мембранный модуль 3. При входе в металлическую пористую трубку 9 часть жидкостного потока, непосредственно примыкающая к внутренней поверхности трубки, испытывает воздействие лепестков со скошенными краями, загнутыми в винтовую линию 12, приобретает вращательное движение, интенсивно омывает внутреннюю поверхность трубки и тем самым уменьшает концентрационную поляризацию и образование твердых отложений на поверхности. Основное ядро жидкостного потока не входит в соприкосновение с пластиной 10, что не вызывает значительного роста гидравлического сопротивления аппарата. В конце металлических пористых трубок 9 вращательное движение жидкости у поверхности мембран затухает. Жидкость прокачивается в следующий модуль 1. При выходе поверхностных слоев жидкости в пористые металлические трубки 9 модуля 1 они попадают в паз, образованный боковинами трубных досок 13 и прокладкой 14, где происходит их интенсивное перемешивание за счет отрыва слоев жидкости от поверхности мембраны. Часть жидкости при этом перетекает по каналам 15, из одной трубки в другую. Пройдя последний модуль, сконцентрированная жидкость выводится из аппарата через патрубок 6. При движении потока по металлическим пористым трубкам часть подаваемой жидкости продавливается через поры мембраны, попадает на внешнюю поверхность трубки, стекает далее в нижнюю часть корпуса 7 и через патрубок 8 выводится из аппарата. The initial liquid under excess pressure through the pipe 5 enters the apparatus, is evenly distributed over the cross section of the apparatus and enters the membrane module 3, the first in the direction of the fluid flow. When entering the metal porous tube 9, the part of the liquid flow directly adjacent to the inner surface of the tube is affected by the petals with beveled edges bent into a helix 12, acquires a rotational movement, intensively washes the inner surface of the tube and thereby reduces the concentration polar zatsiyu and formation of solid deposits on the surface. The main core of the fluid flow does not come into contact with the plate 10, which does not cause a significant increase in the hydraulic resistance of the apparatus. At the end of the porous metal tubes 9, the rotational movement of the fluid at the surface of the membranes damps. The fluid is pumped into the next module 1. When the surface layers of liquid exit into the porous metal tubes 9 of module 1, they fall into the groove formed by the sides of the tube plates 13 and gasket 14, where they are intensively mixed due to separation of the liquid layers from the membrane surface. Part of the fluid flows through channels 15, from one tube to another. Having passed the last module, the concentrated liquid is discharged from the apparatus through the nozzle 6. When the flow moves through metallic porous tubes, a part of the supplied fluid is forced through the pores of the membrane, enters the outer surface of the tube, flows down to the lower part of the housing 7 and is discharged through the nozzle 8 from the apparatus.

Мембранный аппарат, представленный на фиг. 4, работает аналогичным образом, но при более высоких скоростях. Исходная смесь под избыточным давлением через патрубок 5 поступает в аппарат, последовательно проходит через модуль по металлическим пористым трубкам, расположенным в верхней части модуля, испытывая воздействие лепестков со скошенными краями, загнутыми в винтовую линию 12, и интенсивно перемешивается в местах соединения трубных досок 13 через прокладку 14. В крышке 4 жидкостной поток меняет свое направление на противоположное и в обратном порядке проходит последовательно все модули, через металлические пористые трубки 9, размещенные в нижней части корпусов 7, подвергаясь аналогичным воздействиям. Концентрат выводят из аппарата через патрубок 8. Образовавшийся на внешней поверхности металлических пористых трубок 9 пермеат удаляют из модулей через патрубки 8. The membrane apparatus shown in FIG. 4, works in a similar way, but at higher speeds. The initial mixture under excess pressure through the pipe 5 enters the apparatus, sequentially passes through the module through metallic porous tubes located in the upper part of the module, experiencing the action of the petals with beveled edges bent into the helix 12, and intensively mixed at the junction of the tube plates 13 through gasket 14. In the lid 4, the liquid flow reverses its direction and in the reverse order passes all the modules sequentially, through metal porous tubes 9 located at the bottom s part of the bodies 7, undergoing similar influences. The concentrate is removed from the apparatus through the pipe 8. The permeate formed on the outer surface of the metal porous tubes 9 is removed from the modules through the pipes 8.

Вследствие того, что наличие элементов внутри трубок не приводит к значительному росту гидравлического сопротивления, при работе рассмотренного аппарата дополнительное снижение концентрационной поляризации обусловлено высокой скоростью движения жидкостного потока по трубам. Due to the fact that the presence of elements inside the tubes does not lead to a significant increase in hydraulic resistance, during the operation of the apparatus considered, an additional decrease in the concentration polarization is due to the high velocity of the fluid flow through the pipes.

Изобретение позволяет повысить интенсивность процесса мембранного разделения жидких смесей благодаря тому, что часть жидкостного потока, двигающегося по металлическим пористым трубкам, направляют к внутренней поверхности мембран, где происходит смыв пристенных слоев жидкости, а также благодаря тому, что в местах соединения мембранных модулей происходит срыв слоев жидкости и их перемешивание, что в конечном итоге уменьшает концентрационную поляризацию и осадкообразование. The invention allows to increase the intensity of the process of membrane separation of liquid mixtures due to the fact that part of the fluid flow moving through the metal porous tubes is directed to the inner surface of the membranes, where the wall layers of liquid are washed off, and also because layers breakdown at the junction of the membrane modules liquids and their mixing, which ultimately reduces concentration polarization and sedimentation.

Список литературы
1. Авторское свидетельство СССР N 1586756, кл. B 01 D 69/04, 1990.Bibliography
1. USSR author's certificate N 1586756, cl. B 01 D 69/04, 1990.

2. Авторское свидетельство СССР N 1604441, кл. B 01 D 71/00, 1990. 2. Copyright certificate of the USSR N 1604441, cl. B 01 D 71/00, 1990.

3. Патент США N 4720342, кл. B 01 D 13/01, 1988. 3. US patent N 4720342, CL. B 01 D 13/01, 1988.

Claims

1. Membrane apparatus comprising serially connected modules consisting of a housing, covers, flanges, nozzles for input and output of the initial mixture, filtrate and concentrate and tubular membranes, characterized in that the membrane apparatus is provided with at least one perforated plate mounted between two adjacent gaskets located between the tube plate and the flange, and the perforated plate has openings with bent edges forming petals with beveled edges bent into a helical line.

2. The apparatus according to claim 1, characterized in that the plates alternate with single gaskets located between the tube plates and have holes whose diameter is larger than the diameter of the hole of the tubular membrane, and in the gaskets there are channels for the flow of fluid from one tubular membrane to another.

3. The apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the tubular membranes are made of porous metal tubes.

4. The apparatus according to claims. 1 and 2 or 3, characterized in that the caps are provided with partitions dividing the internal volume of the cap into parts, and the tube boards have grooves in which partitions are installed, and openings with bent edges in the plates are placed between the partitions and the casing along the liquid in the metal porous tubes.