Результат интеллектуальной деятельности: МЕМБРАННЫЙ ФИЛЬТР ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖИДКОСТИ

Изобретение относится к энергетике, транспорту, нефтехимической и другим отраслям промышленности и может быть использовано в системах для очистки питьевой и технической воды, топлив, масел и других жидкостей.

Известно устройство для фильтрации жидкости [Патент на изобретение РФ №2226120. Устройство для фильтрации жидкости и способ регенерации фильтрующих элементов. Опубл. 27.03.2004]. Известное устройство содержит корпус с установленными в нем фильтроэлементами и патрубком с краном для вывода осадка, установленным внизу корпуса, гидроаккумулятор, выполненный в виде резервуара, установленного над корпусом, патрубок для подвода очищаемой жидкости, конец которого выведен в корпус устройства, и расположенный в нижней зоне гидроаккумулятора патрубок с краном для вывода фильтрата. Фильтрующие элементы в устройстве установлены по типу гексагональной плотной упаковки с пористостью сборки 40 ÷80% и смонтированы на трубной доске посредством штуцеров. Трубная доска прикреплена снизу к корпусу гидроаккумулятора с обеспечением герметичности гидроаккумулятора. Нижний конец патрубка для подвода очищаемой жидкости выведен на распределительную решетку, установленную в корпусе устройства над верхними торцами фильтрующих элементов. Фланцы корпуса мембранного фильтра для очистки жидкости и гидроаккумулятора соединены болтовым соединением.

Недостатками известного устройства являются относительно малая глубина очистки жидкости и преждевременное прекращение ее фильтрации на отдельных фильтрующих элементах, связанные с различием скоростей фильтрации очищаемой жидкости на различных фильтрующих элементах, являющимся следствием различия массовых расходов (скоростей) потока в системе параллельных каналов сборки, образованных фильтрующими элементами.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является мембранный модуль [Патент на изобретение РФ №2417117. Мембранный модуль. Опубл. 27.04.2011]. Известное устройство содержит корпус, фильтроэлементы, установленные в полости корпуса и смонтированные на трубной доске посредством штуцеров, полости которых сообщены с полостью гидроаккумулятора и полостями фильтроэлементов. Нижний отводящий патрубок, гидроаккумулятор, выполненный в виде резервуара, установленного над корпусом, подводящий патрубок, установленный со смешением в сторону стенки корпуса относительно его продольной оси, боковой отводящий патрубок, трубную доску, прикрепленную снизу к гидроаккумулятору, распределительную решетку с отверстиями. Подводящий патрубок, боковой и нижний отводящие патрубки оснащены кранами. Фильтроэлементы состоят из цилиндрической пористой подложки и расположенной на ее наружной поверхности наноструктурной мембраны. Под трубной доской укреплена направляющая пластина, образующая с ней плоский щелевой канал. Нижние концы фильтроэлементов введены в соответствующие им отверстия распределительной решетки с образованием между ними кольцевых каналов. В полости корпуса вдоль его внутренней боковой поверхности установлена распределительная обечайка с образованием между ними кольцевого канала, верхняя часть распределительной обечайки соединена с периферийной частью направляющей пластины.

Недостатками известного устройства являются относительно малая глубина очистки жидкости и преждевременное прекращение ее фильтрации на отдельных фильтроэлементах, связанные с различием скоростей фильтрации очищаемой жидкости на различных фильтроэлементах, являющимся следствием различия массовых расходов (скоростей) потока в системе параллельных каналов сборки, образованных фильтроэлементами.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно создание мембранного фильтра для очистки жидкости (далее - мембранный фильтр) с относительно большой глубиной очистки жидкости, и исключение преждевременного прекращения фильтрации на отдельных фильтроэлементах.

Для исключения указанных недостатков в мембранном фильтре для очистки жидкости, содержащем корпус, фильтроэлементы, имеющие идентичную конструкцию и установленные в полости корпуса параллельно его продольной оси и смонтированные на трубной доске посредством штуцеров, полости которых сообщены с полостью гидроаккумулятора и полостями фильтроэлементов, нижний отводящий патрубок, установленный внизу корпуса, гидроаккумулятор в виде установленного над корпусом резервуара, подводящий патрубок, смещенный относительно продольной оси корпуса, боковой отводящий патрубок, расположенный в нижней зоне полости гидроаккумулятора, трубную доску, прикрепленную снизу к гидроаккумулятору, разделительную обечайку в виде круглого цилиндра, распределительную решетку с отверстиями, укрепленную на разделительной обечайке, причем подводящий патрубок, боковой и нижний отводящие патрубки оснащены кранами, фильтроэлементы состоят из круглой цилиндрической пористой подложки и расположенной на ее наружной боковой поверхности наноструктурной мембраны, которые снизу и сверху ограничены соответственно нижним и верхним адаптерами, один фильтроэлемент расположен в центре корпуса, а другие фильтроэлементы установлены, по меньшей мере, в один ряд, и образуют гексагональную упаковку, нижние части штуцеров укреплены в соответствующих верхних адаптерах, под трубной доской укреплена направляющая пластина, имеющая отверстия для прохода штуцеров и образующая с ней плоский щелевой канал, наружная боковая поверхность штуцеров установлена с касанием внутренней боковой поверхности отверстий направляющей пластины, нижние концы фильтроэлементов введены в соответствующие им отверстия распределительной решетки с образованием между ними кольцевых каналов, в полости корпуса вдоль его внутренней боковой поверхности установлена разделительная обечайка с образованием между ними кольцевого канала, верхняя часть разделительной обечайки соединена с периферийной частью направляющей пластины, а в радиальном направлении исключен выход направляющей пластины за пределы разделительной обечайки, ширина кольцевого канала как между корпусом и разделительной обечайкой, так и между корпусом и направляющей пластиной выполнена постоянной по периметру данного кольцевого канала, нижние торцевые части фильтроэлементов расположены в пределах плоскости разделительной обечайки, предлагается при числе Рейнольдса, рассчитанном по средней скорости очищаемой жидкости в проходном сечении сборки фильтроэлементов, соответствующем диапазону 6·10³-2·10⁵, и отношении шага расположения фильтроэлементов в сборке к наружному диаметру фильтроэлемента, соответствующему диапазону от 1,01 до 1,50, положение фильтроэлементов в поперечном сечении сборки, расположенном под направляющей пластиной и проходящем через фильтроэлементы, выбирают в соответствии с соотношением, учитывающим число фильтроэлементов в сборке, число рядов фильтроэлементов в сборке, число Пи, внутренний радиус разделительной обечайки, наружный радиус фильтроэлемента и шаг расположения фильтроэлементов в сборке.

Принципиальная схема исполнения одного из вариантов мембранного фильтра представлена на фигурах. На фигуре 1 изображен общий вид мембранного фильтра, на фигурах 2 и 3 - различные поперечные сечения мембранного фильтра; на фигурах 4 и 5 - различные продольные осевые сечения мембранного фильтра.

На фигурах 1-4 приняты следующие обозначения: 1 - боковой отводящий патрубок; 2 - верхний адаптер; 3 - гидроаккумулятор; 4 - корпус; 5 - кран бокового отводящего патрубка; 6 - кран нижнего отводящего патрубка; 7 - кран подводящего патрубка; 8 - наноструктурная мембрана; 9 - нижний адаптер; 10 - нижний отводящий патрубок; 11 - подводящий патрубок; 12 - пористая подложка; 13 - разделительная обечайка; 14 - распределительная решетка; 15 - трубная доска; 16 - фланец; 17 - шпилька; 18 - штуцер; 19 - направляющая пластина.

Мембранный фильтр содержит корпус 4, гидроаккумулятор 3, подводящий патрубок 11, боковой 1 и нижний 10 отводящие патрубки, трубную доску 15, группу штуцеров 18, распределительную решетку 14, направляющую пластину 19, сборку фильтроэлементов, кран 7 подводящего патрубка 11, кран 5 бокового отводящего патрубка 5, кран 6 нижнего отводящего патрубка 10, разделительную обечайку 13 и фланец 16.

Фильтроэлементы имеют идентичную конструкцию, установлены в полости корпуса 4 параллельно его продольной оси и смонтированы на трубной доске 15 посредством штуцеров 18.

Полости штуцеров 18 сообщены с полостью гидроаккумулятора 3 и полостями фильтроэлементов.

Нижний отводящий патрубок 10 установлен в нижней части корпуса 4 и предназначен для отвода жидкости с загрязнениями.

Гидроаккумулятор 3 выполнен в виде резервуара, установленного над корпусом 4.

Подводящий патрубок 11 смещен относительно продольной оси корпуса 4.

Боковой отводящий патрубок 1 расположен в нижней зоне полости гидроаккумулятора 3.

Трубная доска 15 прикреплена снизу к гидроаккумулятору 3.

Разделительная обечайка 13 имеет вид круглого цилиндра.

Распределительная решетка 14 с отверстиями укреплена на разделительной обечайке 13.

Подводящий патрубок 11, боковой 1 и нижний 10 отводящие патрубки оснащены соответственно кранами 7, 5 и 6.

Каждый фильтроэлемент состоит из цилиндрической пористой подложки 12 и расположенной на ее наружной боковой поверхности наноструктурной мембраны 8. Пористая подложка 12 и наноструктурная мембрана 8 снизу и сверху ограничены соответственно нижним 9 и верхним 2 адаптерами.

Пористая подложка 12 выполнена из пористого сверхвысокомолекулярного полиэтилена низкого давления (ТУ №2211-153-00203335-2004), имеет объемную пористость 55-60 об.% и диаметр сквозных пор - 1-3 мкм.

Наноструктурная мембрана 8 выполнена из тугоплавких металлов: титана (Ti), циркония (Zr), хрома (Cr), их нитридов (TiN, ZrN, CrN) и оксидов (TiO₂, ZrO₂, Cr₂O₂). В наноструктурной мембране 8 диаметр сквозных пор составляет 1-3 мкм, толщина составляет 7-12 мкм, а объемная пористость - 10-13 об. %.

Один фильтроэлемент расположен в центре корпуса 4, а другие фильтроэлементы установлены, по меньшей мере, в один ряд. Причем фильтроэлементы образуют гексагональную упаковку.

Нижние части штуцеров 18 укреплены в соответствующих верхних адаптерах 2.

Под трубной доской 15 укреплена направляющая пластина 19, имеющая отверстия для прохода штуцеров 18 и образующая с ней плоский щелевой канал.

Наружная боковая поверхность штуцеров 18 установлена с касанием внутренней боковой поверхности отверстий направляющей пластины 19.

Нижние концы фильтроэлементов введены в соответствующие им отверстия распределительной решетки 14 с образованием между ними кольцевых каналов.

В полости корпуса 4 вдоль его внутренней боковой поверхности установлена разделительная обечайка 13 с образованием между ними кольцевого канала.

Верхняя часть разделительной обечайки 13 соединена с периферийной частью направляющей пластины 19.

В радиальном направлении исключен выход направляющей пластины 19 за пределы разделительной обечайки 13.

Ширина кольцевого канала как между корпусом 4 и разделительной обечайкой 13, так и между корпусом 4 и направляющей пластиной 19 выполнена постоянной по периметру данного кольцевого канала.

Нижние торцевые части фильтроэлементов расположены в пределах плоскости разделительной обечайки 13.

При турбулентном режиме течения рабочей очищаемой жидкости в проточной части сборки фильтроэлементов их положение в поперечном сечении устройства, расположенном под направляющей пластиной и проходящем через фильтроэлементы, выбирают в соответствии с соотношением

,

где n₀ - число фильтроэлементов в сборке, шт.; m - число рядов фильтроэлементов в сборке, шт.; π - число Пи; r - внутренний радиус разделительной обечайки 13, м; R - наружный радиус фильтроэлемента, м; s - шаг расположения фильтроэлементов в сборке, м.

Указанное приближенное полуэмпирическое соотношение получено в следующих предположениях.

Потери полного напора на прокачку жидкости в различных каналах проточной части сборки фильтроэлементов идентичны.

Плотность очищаемой жидкости в проточной части сборки фильтроэлементов идентична, скорости фильтрации в наноструктурных мембранах 8 идентичны. Массовые расходы очищаемой жидкости через характерные каналы проточной части сборки фильтроэлементов равны массовым расходам очищаемой жидкости через соответствующие им участки наноструктурных мембран 8. Проходное сечение сборки фильтроэлементов условно разбито на две зоны: центральную часть, расположенную в пределах шестиугольника, проходящего через центры фильтроэлементов последнего ряда) и периферийную часть, расположенную между корпусом 4 и указанным ранее шестиугольником.

Течение очищаемой жидкости в сборке фильтроэлементов имеет турбулентный характер. Число Рейнольдса, рассчитанное по средней скорости очищаемой жидкости в проходном сечении сборки фильтроэлементов, соответствует диапазону 6·10³-2·10⁵. Отношение шага расположения фильтроэлементов в сборке к наружному диаметру фильтроэлемента соответствует диапазону от 1,01 до 1,50.

Мембранный фильтр работает следующим образом.

Перед началом фильтрации очищаемой жидкости кран 7 подводящего патрубка 11 и кран 5 бокового отводящего патрубка 1 открыты, а кран 6 нижнего отводящего патрубка 10 закрыт. Очищаемую жидкость подают в мембранный фильтр для очистки жидкости через подводящий патрубок 11, из выходной части подводящего патрубка 11 поток очищаемой жидкости попадает на направляющую пластину 19, проходит через кольцевой канал, образованный корпусом 4 и разделительной обечайкой 13, попадает в нижнюю полость, образованную корпусом 4 и распределительной решеткой 14, и через кольцевые каналы, образованные фильтроэлементами и распределительной решеткой 14, попадает в верхнюю полость, образованную фильтроэлементами, корпусом 4, разделительной обечайкой 13 и направляющей пластиной 19. Из верхней полости очищаемая жидкость последовательно проходит через наноструктурные мембраны 8 и пористые подложки 12 в полости фильтроэлементов и очищается при этом от загрязнений (нерастворимых примесей). В полостях фильтроэлементов очищенные потоки жидкости поднимаются вверх, через штуцера 18 попадают в полость гидроаккумулятора 3, сливаются в нем в общий поток жидкости, который через боковой отводящий патрубок 1 выходит из мембранного фильтра для очистки жидкости.

По мере загрязнения поверхности наноструктурной мембраны 8 скорость фильтрации жидкости падает. В этом случае выполняют регенерацию фильтроэлементов. В процессе регенерации фильтроэлементов сначала закрывают кран 5 бокового отводящего патрубка 1 и через определенное время (1-2 мин) закрывают кран 7 подводящего патрубка 11 и затем полностью открывают кран 6 нижнего отводящего патрубка 10. При этом происходит гидроимпульсное воздействие на внутреннюю поверхность наноструктурной мембраны 8 и отслаивание (сброс) в нижнюю часть полости корпуса 4 накопленных загрязнений с внешней поверхности наноструктурной мембраны 8. Жидкость с загрязнениями сбрасывают через кран 6 нижнего отводящего патрубка 10. Регенерацию фильтроэлементов повторяют не более 4-5 раз. После регенерации мембранных фильтроэлементов производительность мембранного фильтра восстанавливается.

Фланцы 16 корпуса 4 и гидроаккумулятора 3 соединены болтовым соединением.

Пример конкретного выполнения мембранного фильтра

Снаряженный мембранный фильтр имеет массу 15±1 кг, а его габаритные размеры равны 358 мм × 358 мм × 1150 мм.

Корпус выполнен из нержавеющей стали Х18Н10Т. Высота цилиндрической части корпуса составляет 350 мм, а его внутренний диаметр равен 250 мм.

В мембранном фильтре использовано семь фильтроэлементов, образующих гексагональную упаковку. Высота фильтроэлемента с верхним 2 и нижним 9 адаптерами составляет 250 мм. Фильтроэлемент имеет внешний диаметр 70 мм и толщину стенки 15 мм. Оптимальный шаг расположения фильтроэлементов в полости разделительной обечайки 13 равен 72 мм. При определении шага расположения фильтроэлементов использовано рассмотренное ранее соотношение. При этом в соотношении задавали внутренний радиус разделительной обечайки 13 и наружный диаметр фильтроэлемента.

Щелевой зазор между трубной доской 15 и направляющей пластиной 19 составляет 15 мм.

Подводящий патрубок 11, боковой 1 и нижний 10 отводящие патрубки выполнены из нержавеющей стали Х18Н10Т и имеют наружный диаметр 19,2 мм и внутренний диаметр 18 мм.

Наноструктурная мембрана 8 выполнена из титана, имеет толщину 9 мкм, объемную пористость 11 об.% и диаметр сквозных пор 0,15 мкм.

Пористая подложка 12 изготовлена из пористого сверхвысокомолекулярного полиэтилена низкого давления (ТУ №2211-153-00203335-2004) и имеет объемную пористость, равную 55 об.%, толщину - 15 мм и диаметр сквозных пор - 1,7 мкм.

Нижний 9 и верхний 2 адаптеры выполнены из блочного полиэтилена (марка ПЭ2НТ22-12 ТУ 2243-176-002033350-2007) и имеют толщину 5 мм.

Штуцер 18 изготовлен из нержавеющей стали Х18Н10Т, имеет высоту 65 мм, наружный диаметр 19,2 мм и внутренний диаметр 18 мм.

Разделительная обечайка 13 выполнена из нержавеющей стали Х18Н10Т, имеет толщину 2 мм, высоту 305 мм и внутренний диаметр 236 мм.

Распределительная решетка 14 выполнена из нержавеющей стали Х18Н10Т, имеет толщину 5 мм и диаметр 236 мм. Диаметр отверстий в распределительной решетке 14 для прохода фильтроэлементов составляет 76 мм. Распределительная решетка 14 смещена относительно нижней торцевой части разделительной обечайки 13 на 10 мм.

Гидроаккумулятор 3 выполнен из нержавеющей стали Х18Н10Т и имеет максимальную высоту полости равную 118 мм и внутренний диаметр 250 мм.

Трубная доска 15 выполнена из нержавеющей стали Х18Н10Т, содержит семь отверстий диаметром 19,2 мм для установки штуцеров 18 и имеет толщину 5 мм.

Направляющая пластина 19 выполнена из нержавеющей стали Х18Н10Т, содержит семь отверстий диаметром 50 мм для прохода штуцеров 18, имеет толщину 1,5 мм и диаметр 236 мм.

Обеспечение идентичной скорости фильтрации очищаемой жидкости в наноструктурных мембранах 8 позволяют повысить эффективность очистки жидкости.

Проверка работоспособности мембранного фильтра проведена на технической воде при температуре жидкости, равной 20°C, и давлении в потоке жидкости равном 0,35 МПа.

Скорость фильтрации мембранного фильтра составила 0,400-0,700 м³/ч.

На наружной поверхности всех фильтроэлементов установлена одинаковая толщина слоя загрязнений, т.е. все фильтроэлементы работали в относительно идентичных гидродинамических условиях.

Технический результат: повышение эффективности очистки жидкости.