Результат интеллектуальной деятельности: Кавитационно-озонная мембранная установка

Изобретение относится к области разделения суспензий промышленного, сельскохозяйственного и бытового назначения и может быть использовано в различных отраслях промышленности, в частности,

Известны фильтровальные мембранные элементы, в которых снижение концентрационной поляризации осуществляется с помощью цилиндрической гильзы с карманами и очистительными подвижными вкладышами [а.с. 1431795 В 01 D 13/00], турбулизирующей вставки в виде цепи или ленты из гибких элементов, шарнирно закрепленных одним концом на пористом каркасе [а.с. 1502042 В 01 D 13/00], соединенных между собой при помощи перемычек втулок, имеющих в продольном сечении крыловидный профиль [а.с. 1505563 В 01 D 13/00], вращающих втулок с лопастями [а.с. 1367995 В 01 D 13/00], винтовых каналов турбулизатора [а.с. 521902 В 01 D 13/00 и а.с. 1430054 В 01 D 13/00], плоских элементов виде пластин с отверстиями [а.с. 152041 В 01 D 13/00], очистительного элемента, выполненного в виде двух продольных половинок гиперболоида [а.с. 1465069 В 01 D 13/00], двух полых штоков, установленных с возможностью возвратно-поступательного движения [а.с. 528011 В 01 D 13/00].

Недостатком известных фильтровальных мембранных элементов является увеличение уровня концентрационной поляризации, как с течением времени, так и по их длине, что ведет к нестабильной работе и, соответственно, низкой производительности.

Известен мембранный аппарат [а.с. 1775145 СССР, МКП B01D63/16/ Мембранный аппарат/Н. С. Орлов, А. Ш. Шаяхметов, А. Г. Бородкин; Московский химико-технологический институт им. Д. И. Менделеева; заявл. 12.02.1990; опубл. 15.11.1992], содержащий корпус с пучком полых волокон, закрепленных в двух трубных решетках, крышки со штуцерами ввода и вывода растворов, а также излучатель ультразвука, выполненный в виде пластины, имеющей форму трубной решетки и расположенной перпендикулярно каналам полых волокон.

Недостатком известного мембранного аппарата является ограниченная зона действия, т.к. ультразвуковые колебания гасятся на входе в каналы полых волокон, что не обеспечивает равномерного снижения уровня концентрационной поляризации по их длине, что ведет к нестабильной работе и, соответственно, низкой производительности аппарата.

Известен реверсивный мембранный механизм [Патент 2142330 (Российская Федерация), МКИ В01D63/00, 63/16 Реверсивный мембранный аппарат / С.Т. Антипов, С.В. Шахов, Ю.А. Завьялов, А.Н. Рязанов, А.В. Колтаков - Заявл. 20.07.98, № 98114473/12, опубл. в Б.И., 1999, № 34], содержащий трубчатый пористый каркас с уложенной на его внутренней поверхности на подложке полупроницаемой мембраной, причем внутри каркаса расположен очистительный элемент, установленный с возможностью возвратно-поступательного движения и выполненный из эластичного материала, торцевые части которого повторяют конфигурацию внутренней поверхности штуцеров, при этом средняя часть очистительного элемента имеет углубление, торцевая поверхность которого выполнена в форме усеченного конуса, и в продольном сечении элемент имеет вид зеркально отображенной стрелы, при этом на концах каркаса установлены конусообразные штуцера, соединенные с клапанами и связанные между собой трубой.

Недостатком реверсивного мембранного механизма является малая сила воздействия на примембранный высококонцентрированный слой продукта, а также недостаточная степень турбулизации потока при повышении концентрации сухих веществ в растворе и увеличении его вязкости, что приводит к снижению эффективности разделения жидкости, а также невозможности использования мембранного механизма для процессов эмульгирования, диспергирования и гомогенизации.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является кавитационный мембранный аппарат [Патент 2372974 (Российская Федерация), МКИ В 01 D 63/06 Кавитационный мембранный аппарат / И.Т. Кретов, С.В. Шахов, А.И. Потапов, А.В. Барковский, Е.С. Попов, Д.С. Попов - Заявл. 20.11.2009, № 2008139996/13, опубл. в Б.И. 20.11.2009, № 32], содержащий каркас с полупроницаемой мембраной, очистительный элемент, установленный внутри каркаса с возможностью совершения возвратно-поступательного движения, в котором каркас выполнен в виде последовательно расположенных конфузора и двух диффузоров, причём последний диффузор выполнен в виде металлокерамической полупроницаемой мембраны и имеет меньший угол наклона относительно предыдущего, а очистительный элемент, расположенный в диффузорной части каркаса, представляет собой ряд последовательно расположенных кавитаторов конусообразной или куполообразной формы, увеличивающихся по направлению движения потока и соединённых между собой пружинами, закреплённый на штоке, выполненным с возможностью осевого перемещения посредством винтовой передачи, причём большее основание кавитаторов направлено в сторону выхода из мембранного аппарата.

Недостатком кавитационного мембранного аппарата является невысокая эффективность обеззараживания обрабатываемых жидких сред, а также не обеспечивается обесцвечивание жидкости и ее дезодорация.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности обеззараживания обрабатываемых жидких сред при баромембранной очистке, а также обеспечение обесцвечивания жидкостей и их дезодорации путем совместного воздействия на жидкие среды наряду с кавитацией сильного окислителя виде озона.

Техническая задача изобретения достигается тем, что в кавитационно-озонной мембранной установке, содержащей аппарат для кавитации и мембранного разделения жидких сред, состоящий их каркаса в виде последовательно расположенных конфузора и двух диффузоров с металлокерамической полупроницаемой мембраной, внутри которого по его оси установлен с возможностью совершения возвратно-поступательного движения очистительный элемент, закреплённый на штоке с возможностью осевого перемещения и расположенный в диффузорной части каркаса, представляющий собой ряд последовательно расположенных кавитаторов конусообразной или куполообразной формы, увеличивающихся, большее торцевое основание которых направлено в сторону выхода из мембранного аппарата новым является то, что очистительный элемент и шток выполнены полыми, общая внутренняя полость которых соединена с системой создания озона, последовательно состоящей из концентратора кислорода и озонатора, причем большее по направлению движения потока торцевое основание крайнего к выходу из мембранного аппарата кавитатора выполнено из металлокерамической мембраны.

Технический результат заключается в повышении эффективности обеззараживания обрабатываемых жидких сред при баромембранной очистке, а также обеспечении обесцвечивания жидкостей и их дезодорации путем совместного воздействия на жидкие среды наряду с кавитацией сильного окислителя виде озона.

На фиг. 1 изображена схема кавитационно-озонной мембранной установки; на фиг. 2 – выносной элемент кавитационного мембранного аппарата с физической моделью проведения процесса.

Кавитационно-озонная мембранная установка (фиг. 1, 2) содержит каркас 1, выполненный в виде последовательно расположенных конфузора 2 и двух диффузоров 3 и 4, причём последний диффузор выполнен в виде металлокерамической полупроницаемой мембраны и имеет меньший угол наклона относительно предыдущего. Внутри каркаса 1, в его диффузорной части, расположен очистительный элемент 5, выполненный с возможностью совершения возвратно-поступательного движения, представляющий собой ряд последовательно расположенных кавитаторов 6 конусообразной или куполообразной формы, увеличивающихся по мере увеличения диаметра диффузора 4, закреплённый на штоке 7, установленным с возможностью осевого перемещения посредством винтовой передачи 8, причём большее основание кавитаторов 6 направлено в сторону выхода из мембранного аппарата. Количество кавитаторов 6 зависит от физико–химических свойств исходных растворов.

Закрепление очистительного элемента 5 на штоке 8 с возможностью перемещения в ту или иную сторону вызвано необходимостью регулировки режима работы устройства в зависимости от исходных свойств продукта (в основном от структурных и реологических его характеристик) в начальный период.

При этом очистительный элемент 5 и штока 7 выполнены полыми, а большее по направлению движения потока торцевое основание крайнего к выходу из мембранного аппарата кавитатора выполнено из металлокерамической мембраны 9.

Для подачи исходного раствора служит патрубок 10 с фланцем 11, а для вывода концентрата используется патрубок 12 с фланцем 13.

Общая внутренняя полость очистительного элемента 5 и штока 7 соединена с системой создания озона, которая последовательно состоит из концентратора кислорода 14 и озонатора 15.

В качестве концентратора кислорода могут использоваться установки адсорбционного или мембранного типа.

Преимуществами применения воздухоразделительной адсорбционной кислородной установки являются низкие затраты на получаемый газообразный кислород при высокой до 99 % его чистоте. Безусловным преимуществом этих систем, помимо экономической выгоды, является их простота в работе и обслуживании, а также высокая надежность.

Принцип работы кислородных установок базируется на свойствах адсорбирующих материалов селективного поглощения молекул азота и примесных газов, содержащихся в атмосферном воздухе, пропуская при этом молекулы кислорода. Все используемые в кислородных генераторах адсорбенты проходят сертификацию и освидетельствование на территории России, что гарантирует надежность работы систем и высокое качество получаемого продукта.

В связи с тем при применении мембранных кислородных установок получают кислород чистотой до 45 %, то использование таких систем оказывается очень эффективным с экономической точки зрения.

Принцип работы мембранных кислородных установок заключается в различной скорости проникновения азота и кислорода через материал мембраны, при этом в отличие от азота кислород является целевым продуктом, который выходит под небольшим избыточным давлением.

Кроме кислородных генераторов газоразделительные мембранные или адсорбционные установки могут также включать в себя: компрессор, ресивер, систему фильтров и систему управления.

Так для извлечения пыли из воздуха, подаваемого в систему создания озона применяются матерчатые фильтры специальных конструкций (не показаны), а для удаления влаги устанавливают осушители, например, адсорберы (не показаны).

Предложенная кавитационно-озонная мембранная установка работает следующим образом.

Перед началом работы аппарата для кавитации и мембранного разделения жидких сред с помощью осевого перемещения штока 8 устанавливается в зависимости от исходных свойств продукта положение очистительного элемента 5 в виде блока кавитаторов 6.

Исходный раствор, предназначенный для обработки, через патрубок 10 подаётся в аппарат для кавитации и мембранного разделения жидких сред под рабочим давлением (например, 5-10 МПа) и поступает в конфузор 2, в котором происходит увеличение скорости его движения, а затем поступает в два последовательно расположенных диффузора 3 и 4, в которых обеспечивается сглаживание пульсационных давлений и создаются условия для более плавного его течения и обтекания вокруг кавитаторов 6. По мере обтекания раствора вокруг каждого кавитатора 6 происходит турбулизация пограничного слоя у поверхности металлокерамической полупроницаемой мембраны и срыв его в середину потока с возникновением в разделяемом растворе гидродинамической кавитации (фиг. 2) в результате местного повышения скорости и уменьшения давления ниже критического значения (для реальной жидкости оно приблизительно равно давлению насыщенного пара этой жидкости при данной температуре) в напорном потоке капельной жидкости.

Т.е. давление p_l в локальном объеме с температурой T_l ста новится ниже давления насыщения p_sat(T_l), а затем резко возрастает до значений p_l > p_sat(T_l). На первой стадии процесса формируются и растут паровые пузырьки, образующие в совокупности кавитационный кластер. На второй стадии (p_l > p_sat (T_l)) пузырьки интенсивно сжимаются и затем схлопываются, инициируя динамические и термические кавитационные эффекты.

Таким образом в результате образования и схлопывания пузырьков, обеспечивающих дополнительные импульсные воздействия на примембранный слой продукта приводит к снижению уровня концентрационной поляризации.

Кроме этого, пузырьки, оказывая силовое воздействие за счёт энергии их схлопывания на осевшие и прилипшие к поверхности мембраны высокомолекулярные частицы продукта, а также частицы, находящиеся на входе и внутри капилляра, отрывают их от поверхности, после чего частицы уносятся с потоком разделяемой жидкости.

Наряду с повышением эффективности баромембранного разделения кавитация обеспечивает инактивацию патогенной микрофлоры и гибель микроорганизмов, что связано с гидромеханическими, термическими, химическими, электрическими эффектами кавитации или с совокупным действием этих факторов. Например, на стадии сжатия пузырьков, когда кинетическая энергия радиального движения жидкости трансформируется в потенциальную энергию сжатого пара и сжатой жидкости, в окрестности пузырька реализуется эффект гидравлического удара (фиг. 2), разрушающего клеточную стенку микроорганизма, что приводит к его гибели.

Одновременно с подачей жидкой среды в аппарат для кавитации и мембранного разделения жидких сред внутрь очистительного элемента 5 через внутреннюю полость штока 7 направляется озон, который создается в системе состоящей из концентратора кислорода 14 и озонатора 15.

Озон 0₃ в системе получают из атмосферного воздуха в озонаторе 15 путем воздействия на него электрического заряда, т.е. при прохождении электрического переменного тока, (например, напряжением 8 ... 10 кВ) через разрядное пространство происходит разряд коронного типа, в результате которого образуется озон. Предварительно осушенный и очищенный воздух проходит через разрядное пространство и таким образом озонируется, т. е. образуется озоновоздушная смесь.

Необходимость в системе получения озона предварительного освобождения от влаги и пыли воздуха связана с тем, что даже небольшая часть влаги попадая в разрядное пространство аппарата для кавитации и мембранного разделения жидких сред, вызывает появление искрового разряда, который значительно снижает показатели работы озонатора, т.е., уменьшается выход озона примерно в 4 раза и возрастает расход электроэнергии (по сравнению с подачей сухого воздуха). Кроме того, присутствие следов влаги делает озон весьма агрессивным к деталям озонатора, трубам и арматуре.

Использование концентратора кислорода в схеме установки (фиг. 1) для увеличения эффективности работы озонатора 15 обеспечивает выход кислорода в нем в 2...2,5 раза по сравнению с непосредственной подачей воздуха.

Полученный в озонаторе 15 озон из полости крайнего к выходу из кавитационно-мембранного аппарата кавитатора 6 через поры металлокерамической мембраны 9 (из которой выполнено торцевое основание кавитатора 6) попадает в разреженное пространство за кавитатором 6, образованное в результате с увеличивающейся скорости потока при обтекании кавитатора 6 и нарушения сплошности внутри жидкости, т.е. образование в капельной жидкости полостей, заполненных озоном, паром или их смесью (т.н. кавитационных пузырьков или каверн).

При этом очистительный элемент 5 и штока 7 выполнены полыми, а большее по направлению движения потока торцевое основание крайнего к выходу из кавитационно-мембранного аппарата кавитатора 6 выполнено из металлокерамической мембраны 9.

Попадая в зону кавитации пузырьки озона при схлопывании каверн раздробляются равномерно распределяются по обрабатываемой жидкости, обеспечивая дополнительное окислительное воздействие на бактерии, споры и вирусы, что приводит к их инактивации. При этом часть озона попадает непосредственно в кавитационные пузырьки (каверны), которые при схлопывании усиливают эффект равномерного распределения озона и окисления патогенной микрофлоры.

Преимуществом озонирования является и то, что при этом одновременно с обеззараживанием происходит обесцвечивание воды, а также ее дезодорация и улучшение вкусовых качеств. Озон не изменяет природные свойства воды, так как его избыток (непрореагировавший озон) через несколько минут превращается в кислород.

По мере движения раствора в аппарате для кавитации и мембранного разделения жидких сред происходит его разделение, часть которого проходит через мембрану 4 и выводится наружу в виде фильтрата. Вывод концентрата осуществляется через патрубок 12.

Преимущества предложенной кавитационно-озонной мембранной установки заключаются в том, что выполнение очистительного элемента и штока полыми, общая внутренняя полость которых соединена с системой создания озона, последовательно состоящей из концентратора кислорода и озонатора, а также выполнение большего по направлению движения потока торцевого основания крайнего к выходу из мембранного аппарата кавитатора из металлокерамической мембраны позволяет повысить эффективность обеззараживания обрабатываемых жидких сред при баромембранной очистке, а также обеспечить обесцвечивание жидкостей и их дезодорацию путем совместного воздействия на жидкие среды наряду с кавитацией сильного окислителя виде озона.