Результат интеллектуальной деятельности: Мембранный аппарат с турбулизатором двойного действия

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 (Пат. №2174432 Российская Федерация, МПК⁷ В01 D63/06. Мембранный аппарат с нестационарной гидродинамикой [Текст] Кретов И. Т., Шахов С. В., Ключников А. И., Ряжских В. И.; заявитель Воронеж. гос. технол. акад. – 2000130308/12; заявл. 04.12.00; опубл. 10.10.01. Бюл. №28. – 5 с.: ил.), содержащий трубчатые мембранные модули, патрубки для ввода исходного раствора, вывода фильтрата и концентрата и непроницаемый рукав, расположенный коаксиально мембранной поверхности.

Недостатком известного аппарата является неэффективность работы мембран в ламинарном режиме, низкая степень очистки мембранной поверхности при установившемся режиме вследствие обтекания округлой поверхности, образуемой непроницаемым рукавом и шаровыми элементами, движущимися внутри него.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является реверсивный мембранный аппарат (Пат. № 2142330 Российская Федерация, МПК⁶ B01 D63/00, B01 D63/16. Реверсивный мембранный аппарат [Текст] Антипов С. Т., Шахов С. В., Завьялов Ю. А., Рязанов А. Н., Колтаков А. В.; заявитель Воронеж. гос. технол. акад. – №98114473/12; заявл. 20.07.98; опубл. 10.12.99), содержащий трубчатый пористый каркас, внутри которого расположен очистительный элемент с возможностью возвратно-поступательного движения под действием потока исходного раствора.

Недостатком известного аппарата является возможность механического повреждения полупроницаемой мембраны в результате многократного воздействия очистительного элемента на ее поверхность при осуществлении процесса, а также наличие гидроударов, вызываемых работой клапанов.

Технической задачей изобретения является увеличение производительности мембранного аппарата за счет улучшения гидродинамического воздействия на разделяемый поток вследствие снижения уровня концентрационной поляризации на поверхности мембраны.

Техническая задача достигается тем, что в мембранном аппарате, включающем трубчатый мембранный модуль, выполненный в виде пористого тела с нанесенной на его внутреннюю поверхность полупроницаемой мембраной, патрубки для ввода исходного раствора, вывода фильтрата и концентрата, турбулизатор, новым является то, что турбулизатор установлен с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль оси трубчатого мембранного модуля при помощи ходового вала, размещенного с возможностью вращения в резьбовой втулке корпуса турбулизатора и направляющих, неподвижно закрепленных на внутренней поверхности пористого тела, при этом турбулизатор выполнен в виде двойного усеченного конуса, направленного меньшими основаниями навстречу потоку исходного раствора, первый усеченный конус выполнен сплошным и содержит сужающиеся конические отверстия, размещенные по окружности, оси вращения сужающихся конических отверстий параллельны оси трубчатого мембранного модуля, причем диаметр отверстий снижается по пути движения через них потока исходного раствора, второй усеченный конус турбулизатора выполнен полым и содержит на наружной поверхности вблизи большего основания вильчатые направляющие, равноудаленные друг от друга по окружности, вблизи большего основания первого усеченного конуса имеются выступы, отогнутые назад по ходу движения турбулизатора для предотвращения проворачивания детали при вращении ходового вала, диаметры образующих первого d₁ и D₁ и второго d₂ и D₂ усеченных конусов, их длина l₁ и l₂, диаметры большего d_отв.1 и меньшего d_отв.2 отверстий первого усеченного конуса, углы входа α₁ и выхода α₂ вильчатых направляющих второго усеченного конуса выбираются с возможностью, чтобы поток исходного раствора, проходящий через сужающиеся конические отверстия первого усеченного конуса и вильчатые направляющие второго усеченного конуса испытывал бы наибольшее завихрение в полостях, образованных большим основанием первого усеченного конуса, внешней образующей второго усеченного конуса и поверхностью полупроницаемой мембраны, а также вильчатыми направляющими второго усеченного конуса, его полостью и поверхностью полупроницаемой мембраны.

На фиг. 1 схематически изображена схема предлагаемого мембранного аппарата; на фиг. 2 – турбулизатор двойного действия; на фиг. 3 – схема гидродинамического процесса при движении турбулизатора навстречу потоку исходного раствора.

Мембранный аппарат содержит трубчатый мембранный модуль (фиг. 1), выполненный в виде двух коаксиально расположенных цилиндров 1 и 2. Причем цилиндр 1 выполнен из пористого материала, на внутреннюю поверхность которого нанесена полупроницаемая мембрана 3, а цилиндр 2 – из непроницаемого для жидкости материала. Цилиндр 1 снабжен штуцерами ввода исходного раствора 4, вывода концентрата 5, размещенными в торцовых крышках 6 и 7 соответственно. Цилиндр 2 снабжен штуцером 8 вывода фильтрата.

Внутри цилиндра 1 соосно расположен турбулизатор 9 двойного действия, имеющий возможность возвратно-поступательного движения вдоль оси трубчатого мембранного модуля при помощи ходового вала 10, вращающегося в резьбовой втулке 11 корпуса турбулизатора и направляющих 12, неподвижно закрепленных на внутренней поверхности цилиндра 1.

Ходовой вал опирается на герметичные подшипниковые узлы 13 и 14, размещенные на торцовых крышках 6 и 7 соответственно и приводится во вращение при помощи реверсивного электродвигателя 15 с изменяемой частотой вращения. Торцовые крышки 6 и 7 также снабжены кольцевыми проточками для укладки уплотнительных колец 16 с целью обеспечения герметичности трубчатого мембранного модуля.

Турбулизатор 9 (фиг. 2) выполнен в виде двойного усеченного конуса, направленного меньшими основаниями навстречу движущемуся потоку исходного раствора. Первый усеченный конус выполнен сплошным и содержит сужающиеся конические отверстия, размещенные по окружности, оси вращения сужающихся конических отверстий параллельны оси трубчатого мембранного модуля, причем диаметр отверстий снижается по пути движения через них потока исходного раствора.

Второй усеченный конус турбулизатора выполнен полым и содержит на наружной поверхности вблизи большего основания вильчатые направляющие 17, равноудаленные друг от друга по окружности.

Вблизи большего основания первого усеченного конуса имеются выступы 18, отогнутые назад по ходу движения турбулизатора вдоль оси трубчатого мембранного модуля для предотвращения проворачивания детали при вращении ходового вала 10.

Диаметры образующих первого d₁ и D₁ и второго d₂ и D₂ усеченных конусов, их длина l₁ и l₂, диаметры большего d_отв.1 и меньшего d_отв.2 отверстий первого усеченного конуса, углы входа α₁ и выхода α₂ вильчатых направляющих второго усеченного конуса выбираются таким образом, чтобы поток исходного раствора, проходящий через сужающиеся конические отверстия первого усеченного конуса и вильчатые направляющие второго усеченного конуса испытывал бы наибольшее завихрение в полостях, образованных большим основанием первого усеченного конуса, внешней образующей второго усеченного конуса и поверхностью полупроницаемой мембраны 3, а также вильчатыми направляющими 17 второго усеченного конуса, его полостью и поверхностью полупроницаемой мембраны 3.

Мембранный аппарат работает следующим образом.

Вначале следует убедится, что турбулизатор 9 занимает в трубчатом мембранном модуле крайнее левое положение. Затем исходный раствор подают во внутрь пористого цилиндра 1 при помощи патрубка 4 под давлением, превышающем осмотическое для данной технологической жидкости. Прошедший через полупроницаемую мембрану 3 пористого цилиндра 1 фильтрат, поступает в полость, образованную наружной поверхностью пористого цилиндра 1 и внутренней поверхностью цилиндра 2, откуда он отводится при помощи патрубка 8.

После того, как понизятся рабочие характеристики полупроницаемой мембраны 3 (например, ее проницаемость), включают подачу электрического тока на обмотки реверсивного электродвигателя 15, который, вращая ходовой вал 10, приводит в движение турбулизатор 9 за счет резьбовой втулки 11 и выступов 18, размещенных в направляющих 12 вдоль оси трубчатого мембранного модуля.

Поток исходного раствора (фиг. 3), текущий навстречу движущемуся турбулизатору за счет обтекаемой формы первого усеченного конуса, попадает в сужающиеся конические отверстия, расположенные по концентрической окружности детали, делясь при этом на отдельные потоки, количество которых соответствует числу отверстий. По мере прохождения потоков через сужающиеся отверстия первого усеченного конуса их скорость увеличивается, а при выходе из них резко уменьшается с одновременным резким увеличением давления в полости, образованной большим основанием первого усеченного конуса, боковой поверхностью второго усеченного конуса и полупроницаемой мембраной 3. За счет резкого перераспределения основных гидродинамических характеристик потока исходного раствора в этой полости образуются вихревые потоки, приводящие к срыву слоя высокой концентрации с поверхности полупроницаемой мембраны 3 и его уносу вместе с концентратом в полость, образованную боковой поверхностью второго усеченного конуса с размещенными на ней вильчатыми направляющими 17 и поверхностью полупроницаемой мембраны 3. Одновременно с этим, основные вихревые потоки исходного раствора, выходящие из сужающихся отверстий первого усеченного конуса, порождают другие, более мелкие вихревые потоки, которые уносятся основными вихревыми потоками к вильчатым направляющим 17 второго усеченного конуса. Мелкие вихревые потоки исходного раствора, проходя по расширяющейся боковой поверхности второго усеченного конуса увеличивают свою скорость, которая дополнительно стабилизируется вильчатыми направляющими 17. На выходе из кольцевого зазора, образованного большим основанием второго усеченного конуса с направляющими 17 и поверхностью полупроницаемой мембраны 3, происходит снова резкое снижение скорости микропотоков исходного раствора с одновременным резким увеличением давления, которое усиливается за счет полой конструкции второго усеченного конуса. Также за счет резкого перераспределения основных гидродинамических характеристик потоков исходного раствора в полости второго усеченного конуса образуются вторичные вихревые потоки, приводящие к дополнительному срыву слоя высокой концентрации с поверхности полупроницаемой мембраны 3, усиливая гидродинамический эффект ее очистки. Также, как и в первом случае, основные вихревые потоки, срывающиеся с большего основания второго усеченного конуса и вильчатых направляющих 17, порождают другие, более мелкие вихревые потоки, которые уносятся основными вихревыми потоками вдоль оси трубчатого мембранного модуля, приводя к удалению слоя высокой концентрации на всем участке полупроницаемой мембраны 3, восстанавливая ее пропускную способность.

Таким образом, поток исходного раствора дважды претерпевает перераспределение основных гидродинамических характеристик при встречном движении турбулизатора, чем и вызван механизм его двойного действия.

При достижении турбулизатором 9 правой торцовой крышки 7 трубчатого мембранного модуля направление вращения ходового вала 10 изменяют на противоположное, после чего турбулизатор 9 перемещается в исходное положение, при котором отключают подачу электрического тока на обмотки реверсивного электродвигателя 15.

Данный аппарат позволяет обеспечить:

– низкий уровень концентрационной поляризации на поверхности полупроницаемой мембраны за счет периодического движения турбулизатора вдоль оси трубчатого мембранного модуля навстречу потоку исходного раствора, приводящего к двойному изменению гидродинамического режима в примембранной области;

– широкий диапазон производительности мембранного аппарата за счет изменения частоты вращения реверсивного электродвигателя, приводящего к гидродинамическому воздействию различной интенсивности;

– полного исключения повреждения полупроницаемой мембраны движущимся турбулизатором за счет его соосного расположения в трубчатом мембранном модуле при помощи ходового вала и направляющих;

– отсутствие гидроударов в трубчатом мембранном модуле за счет отсутствия замкнутых полостей с давлением, отличающимся от давления исходного раствора, движущегося вдоль оси аппарата.