RU2031697C1

RU2031697C1 - Membrane member

Info

Publication number: RU2031697C1
Authority: RU
Inventors: Н.С. Артемов; Э.И. Симаненков; В.Н. Артемов; В.Г. Бирало
Original assignee: Тамбовское акционерное общество "Комсомолец"
Priority date: 1992-01-03
Filing date: 1992-01-03
Publication date: 1995-03-27

Abstract

FIELD: solution separation. SUBSTANCE: membrane member to separate solutions has packages facing one another with substrates of the membranes assembled into a box open at solution input and output. The membranes have a support skeleton in the form of perforated or porous material installed between them. The support skeleton is corrugated with permanent bent radius for corrugations. A grid is installed on the box at solution inlet. Edges of grid holes are folded inward passages formed by corrugations in adjacent packages. The grid may be installed also at the side of solution outlet, in so doing edges of grid holes are folded inward passages at an angle to their longitudinal axes. The holes in the grids are made with increasing dimensions in the direction from box center to its periphery. Preferably, holes in the grids has similar dimensions at solution inlet and output. The support skeleton is hollow of two perforated plates with gaskets between them along perimeter. EFFECT: good separation parameters. 9 cl, 10 deg

Description

Изобретение относится к мембранной технике и технологии разделения жидких смесей методом обратного осмоса и ультрафильтрации, точнее к конструкциям мембранных элементов с полупроницаемыми мембранами, и может быть использовано в установках разделения жидких смесей методом обратного осмоса и ультрафильтрации. Мембранные установки широко используются для деминерализации солоноватых вод, очистки сточных вод, в системах водоподготовки, для концентрирования органических, коллоидных и ферментных растворов, извлечения ценных компонентов в химической, пищевой, микробиологической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности. The invention relates to membrane technology and technology for the separation of liquid mixtures by reverse osmosis and ultrafiltration, more specifically, to the construction of membrane elements with semipermeable membranes, and can be used in installations for the separation of liquid mixtures by reverse osmosis and ultrafiltration. Membrane plants are widely used for demineralization of brackish water, wastewater treatment, in water treatment systems, for the concentration of organic, colloidal and enzyme solutions, extraction of valuable components in the chemical, food, microbiological, petrochemical, pulp and paper and other industries.

Известны мембранные элементы трубчатого типа, у которых мембрана нанесена на внутреннюю поверхность трубок с оптимальным внутренним диаметром 8-25 мм. Одним из существенных достоинств такого типа элементов являются их хорошие гидродинамические характеристики: сопротивление потоку незначительно, а его линейная скорость может превышать 5 м/c. Одним из описанных выше типов элементов являются трубчатые разделительные элементы с подачей исходного раствора внутрь трубок, многоканальные с опорным каркасом из перфорированного или пористого материала, каналы для пропуска обрабатываемой жидкости которых выполнены в виде полуцилиндров (Брык М.Т. и др. Мембранная технология в промышленности. К.: Техника, 1990, с.106-107, рис. 34). Known membrane elements of the tubular type, in which the membrane is deposited on the inner surface of the tubes with an optimal inner diameter of 8-25 mm One of the significant advantages of this type of elements is their good hydrodynamic characteristics: the flow resistance is insignificant, and its linear velocity can exceed 5 m / s. One of the types of elements described above is tubular separation elements with the feed of the initial solution inside the tubes, multichannel with a supporting frame made of perforated or porous material, the channels for passing the processed fluid are made in the form of half-cylinders (Bryk M.T. et al. Membrane technology in industry .K .: Technique, 1990, pp. 106-107, Fig. 34).

Однако такие устройства характеризуются тем, что при рабочих скоростях потока обрабатываемой жидкости у них возможен отрыв мембраны от подложки или пористого каркаса набегающим потоком. Другим существенным недостатком является невозможность изменения материала мембраны с целью подбора оптимальной мембраны для каждого вида обрабатываемой жидкости. However, such devices are characterized in that, at operating flow rates of the fluid being treated, they can tear off the membrane from the substrate or the porous cage by a free flow. Another significant drawback is the impossibility of changing the membrane material in order to select the optimal membrane for each type of treated fluid.

Известны также плоскопараллельные мембранные элементы, состоящие из мембран, обращенных друг к другу подложками, между которыми установлен пористый материал, за счет герметизации по периметру образующих пакеты. Полости пакетов гидравлически соединены посредством стяжных болтов и образуют открытые с торцов прямоугольные короба. Между пакетами имеются зазоры, обеспечивающие дистанционирование пакетов и турбулизацию потока [1]. Plane-parallel membrane elements are also known, consisting of membranes facing each other by substrates, between which a porous material is installed, by sealing along the perimeter of the forming packets. The cavity of the packages are hydraulically connected by means of coupling bolts and form rectangular boxes open from the ends. Between the packets there are gaps that ensure the distance of the packets and turbulence of the flow [1].

Такие устройства непригодны для обработки вязких растворов, а также растворов с высокой склонностью к загрязнению мембран вследствие осадко- и гелеобразования, вызывающего снижение проницаемости мембранных элементов. Кроме того, при рабочих скоростях потока обрабатываемой жидкости в таких мембранных элементах возможен отрыв мембраны от подложки или пористого каркаса набегающим потоком. Другим существенным недостатком является невозможность изменения материала мембраны с целью подбора оптимальной мембраны для каждого вида обрабатываемой жидкости. Such devices are unsuitable for processing viscous solutions, as well as solutions with a high tendency to membrane fouling due to precipitation and gelation, causing a decrease in the permeability of membrane elements. In addition, at operating flow rates of the fluid to be treated in such membrane elements, the membrane can detach from the substrate or the porous cage by a free flow. Another significant drawback is the impossibility of changing the membrane material in order to select the optimal membrane for each type of treated fluid.

Цель изобретения - создание конструкции, обеспечивающей возможность многократной замены мембраны, исключение отрыва мембраны от подложки за счет формирования потока за пределами торцовой части мембранного элемента. The purpose of the invention is the creation of a design that provides the possibility of multiple replacement of the membrane, eliminating the separation of the membrane from the substrate due to the formation of the flow outside the end part of the membrane element.

Цель достигается тем, что в мембранном элементе для разделения растворов, содержащем пакеты обращенных друг к другу подложками мембран с опорным каркасом в виде перфорированного или пористого материала между ними, собранные в открытый со сторон входа и выхода раствора короб, опорный каркас выполнен гофрированным с одинаковым радиусом гиба гофр, и на коробе со стороны входа раствора установлена решетка, края отверстий которой отогнуты внутрь каналов, образованных гофрами соседних пакетов, кроме того мембранный элемент снабжен решеткой со стороны выхода раствора, края отверстий решетки со стороны выхода раствора отогнуты внутрь каналов под углом к их продольным осям, отверстия в решетке выполнены с увеличивающимися от центра к периферии короба размерами, отверстия в решетках со стороны входа и выхода раствора имеют неодинаковые размеры, опорный каркас выполнен полым из двух перфорированных пластин с прокладками между ними по периметру, мембранный элемент снабжен полыми стяжными болтами, установленными на боковых краях пакета и соединенными посредством отверстий с полостями, при этом в прокладках в местах установки полых стяжных болтов выполнены вырезы со стороны полости, опорный каркас снабжен дополнительными прокладками для образования зигзагообразного канала и на перфорированных пластинах выполнены дистанционирующие выступы. The goal is achieved in that in a membrane element for separating solutions containing packets of membranes facing each other with membranes with a support frame in the form of a perforated or porous material between them, assembled in a box open from the sides of the solution inlet and outlet, the support frame is made corrugated with the same radius the corrugation is flexible, and a grill is installed on the duct from the solution inlet side, the edges of the holes of which are bent into the channels formed by the corrugations of adjacent packets, in addition, the membrane element is equipped with a grill on the solution outlet side, the edges of the lattice holes on the solution outlet side are bent into the channels at an angle to their longitudinal axes, the holes in the lattice are made to increase in size from the center to the periphery of the box, the holes in the lattices on the solution inlet and outlet sides have different sizes, the supporting frame made of hollow of two perforated plates with gaskets between them around the perimeter, the membrane element is equipped with hollow coupling bolts mounted on the side edges of the package and connected through holes with awns, thus in the pads in the place of installation of hollow coupling bolts cutouts from the cavity, the support frame is provided with additional spacers to form a zigzag channel and perforated plates are made spacing protrusions.

Выполнение опорного каркаса гофрированным с одинаковым радиусом гиба гофр и установка на коробе со стороны входа раствора решетки, края отверстий которой отогнуты внутрь каналов, образованных гофрами соседних пакетов, обеспечивает образование продольных каналов для пропуска обрабатываемой среды с обеих сторон пакетов мембран при соединении последних в короб, что снижает удельную материалоемкость и уменьшает сопротивление потоку за счет протока жидкости через каналы с большим живым сечением по всей поверхности мембран, при этом обеспечивается фиксация частей элемента в продольном и поперечном направлениях, формирование потоков в продольных каналах элемента, защита торцов мембран от разрушения их набегающим потоком обрабатываемой жидкости и фиксация концов мембран на пористых или перфорированных вставках путем их стягивания продольными шпильками. The implementation of the supporting frame corrugated with the same bending radius of the corrugations and installing on the box from the input side a grill solution, the edges of the openings of which are bent into the channels formed by the corrugations of adjacent packages, provide longitudinal channels for passing the medium to be processed on both sides of the membrane packages when connecting the latter to the box, which reduces the specific material consumption and reduces the resistance to flow due to the flow of fluid through channels with a large living cross section over the entire surface of the membranes, while echivaetsya fixing element parts in the longitudinal and transverse directions, the formation of streams in the channels longitudinal member, the protection of the membrane from the ends of the destruction of their incident flow of liquid to be treated and fixing the ends of the membranes on porous or perforated boxes by tightening their longitudinal pins.

Снабжение мембранного элемента решеткой со стороны выхода раствора обеспечивает фиксацию частей элемента в продольном и поперечном направлениях и закрепление концов мембран на пористых или перфорированных вставках путем стягивания верхней и нижней решеток продольными шпильками. The supply of the membrane element with a lattice on the outlet side of the solution secures the parts of the element in the longitudinal and transverse directions and fixes the ends of the membranes on porous or perforated inserts by tightening the upper and lower lattices with longitudinal studs.

Выполнение краев отверстий решетки со стороны выхода раствора отогнутыми внутрь каналов под углом к их продольным оcям обеспечивает закрутку потока обрабатываемой жидкости, турбулизуя его, что способствует уменьшению вредного воздействия явлений концентрационной поляризации, приводящей к уменьшению проницаемости мембранного элемента. The execution of the edges of the lattice holes on the outlet side of the solution bent into the channels at an angle to their longitudinal axes ensures swirling of the processed fluid, turbulizing it, which helps to reduce the harmful effects of concentration polarization phenomena, leading to a decrease in the permeability of the membrane element.

Выполнение отверстий в решетке с увеличивающимися от центра к периферии короба размерами обеспечивает равномерность потока во всех каналах мембранного элемента, что позволяет применять в мембранных аппаратах подводящие трубы меньшего диаметра, обеспечивая снижение материалоемкости. The holes in the lattice with dimensions increasing from the center to the periphery of the box ensure uniform flow in all channels of the membrane element, which allows the use of smaller diameter supply pipes in the membrane apparatus, ensuring a reduction in material consumption.

Выполнение отверстий в решетках со сторон входа и выхода раствора с неодинаковыми размерами обеспечивает изменение режима течения жидкости в мембранном элементе; увеличение отверстий уменьшает сопротивление, что необходимо при обработке высоковязких сред; при работе с маловязкими жидкостями полезно применение решеток с меньшими отверстиями, создающими некоторый подпор для уменьшения скорости протекания жидкости над мембраной. Making holes in the gratings from the sides of the solution inlet and outlet with unequal dimensions provides a change in the flow regime of the liquid in the membrane element; the increase in holes reduces the resistance, which is necessary when processing highly viscous media; when working with low-viscosity fluids, it is useful to use gratings with smaller openings that create some pressure to reduce the rate of fluid flow over the membrane.

Выполнение опорного каркаса полым из двух перфорированных пластин с прокладками между ними по периметру обеспечивает простоту изготовления и сборки перфорированных пластин, дистанционирование пластин, создание на них симметричных гофров, упрощает стяжку пакетов в короб, так как в этой зоне перфорированные пластины опираются на прокладки и не деформируются. Кроме того благодаря простоте сборки и разборки можно многократно заменять мембраны в элементе при их выходе из строя либо необходимости перехода на другую марку мембран. The implementation of the support frame hollow of two perforated plates with gaskets between them along the perimeter provides ease of manufacture and assembly of perforated plates, spacing of the plates, the creation of symmetrical corrugations on them, simplifies the tightening of packages into the box, since in this area the perforated plates rest on the gaskets and are not deformed . In addition, due to the simplicity of assembly and disassembly, it is possible to repeatedly replace the membranes in an element when they fail or if it is necessary to switch to another brand of membranes.

Снабжение мембранного элемента полыми стяжными болтами, установленными на боковых краях пакета и соединенными посредством отверстий с полостями, в прокладках в местах установки полых стяжных болтов выполнены вырезы со стороны полости, обеспечивает упрощение конструкции и простоту отвода пермеата из полости между перфорированными пластинами, не создавая дополнительного сопротивления потоку, по сравнению с известным устройством, в котором отвод пермеата производится по центральной оси каждого пакета, из-за чего центральная часть их работает при более низких скоростях потока. The supply of the membrane element with hollow coupling bolts mounted on the side edges of the package and connected through holes with cavities, cutouts from the cavity side are made in the gaskets in the places where hollow coupling bolts are installed, simplifies the design and simplifies the removal of permeate from the cavity between the perforated plates without creating additional resistance flow, compared with the known device, in which the permeate is discharged along the central axis of each packet, due to which the central part of their p Botan at lower flow rates.

Снабжение опорного каркаса дополнительными прокладками для образования зигзагообразного канала обеспечивает возможность циркуляции пермеата вдоль всей поверхности мембран, что является одним из условий работы мембран в первапорационном режиме, а при работе в режиме ультрафильтрации или обратноосмотического разделения способствует повышению производительности мембранного элемента. The supply of the support frame with additional gaskets for the formation of a zigzag channel allows the permeate to circulate along the entire surface of the membranes, which is one of the conditions for operation of the membranes in the pervaporation mode, and when operating in the ultrafiltration or reverse osmosis separation mode, it increases the productivity of the membrane element.

Выполнение на перфорированных пластинах дистанционирующих выступов обеспечивает уменьшение прогиба пластин за счет уменьшения расстояния между опорами. Это позволяет использовать одни и те же пластины и для ультрафильтрации, и для обратного осмоса. The implementation on the perforated plates of the spacing protrusions reduces the deflection of the plates by reducing the distance between the supports. This allows the use of the same plates for ultrafiltration and reverse osmosis.

На фиг.1 показан мембранный элемент; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг. 3 - узел I на фиг.1; на фиг.4 - узел II на фиг.1; на фиг.5 - узел III на фиг.1; на фиг.6 - узел IV на фиг.5; на фиг.7 - разрез Б-Б на фиг.5; на фиг. 8 - пакет, вид сбоку (установка прокладок между перфорированными пластинами каркаса); на фиг.9 - узел V на фиг.4; на фиг.10 - вариант выполнения турбулизатора. 1 shows a membrane element; figure 2 - a view of figure 1; in FIG. 3 - node I in figure 1; figure 4 - node II in figure 1; figure 5 - node III in figure 1; in Fig.6 - node IV in Fig.5; Fig.7 is a section bB in Fig.5; in FIG. 8 - package, side view (installation of gaskets between perforated plates of the frame); figure 9 - node V in figure 4; figure 10 is an embodiment of a turbulator.

Мембранный элемент содержит мембраны 1 в виде нанесенного на пористую подложку тонкого покрытия с порами заданного размера. При этом мембраны попарно обращены друг к другу подложками, между ними установлен опорный каркас 2 в виде двух перфорированных пластин 3, перфорированные пластины собираются в каркас путем установки по периметру прокладок 4, закрепляемых на каркасе, при этом в боковых прокладках выполнены пазы 5 для пропуска через отверстия 6 в перфорированных пластинах 3 полых стяжных болтов 7 с установленными на концах гайками 8. В полых стяжных болтах 7 выполнены пазы 9. На концах болтов со стороны, противоположной гайке 8, отверстия выполнены в виде штуцеров 10. Собранные пакеты имеют гофрированное сечение, при этом радиусы гиба опорного каркаса выполнены одинаковыми на вогнутой части перфорированных пластин 3 с обеих сторон, и при сборке каркасов в пакет гофры образуют продольные каналы 11, открытые с торцов короба. На торцах короба на входе и выходе из каналов 11 установлены решетки 12, в которых выполнены отверстия 13, края которых отогнуты внутрь каналов, образованных гофрами соседних пакетов, и снабжены отогнутыми к середине отверстий 13 вдоль продольных надрезов краями 14, выполняющими роль турбулизаторов, закручивающих поток. Между перфорированными пластинами 3 установлены прокладки 15, образуя зигзагообразный канал. Для повышения жесткости перфорированных пластин 3 и обеспечения их дистанционирования на перфорированных пластинах 3 выполнены дистанционирующие элементы 16 в виде выштампованных выступов. Для выравнивания скоростей потока обрабатываемой жидкости отверстия 13 в решетках 12 со стороны входа потока могут быть выполнены с увеличивающимися от центра к периферии решетки размерами, кроме того в решетке со стороны выхода они могут быть выполнены с размерами, большими или меньшими, чем в решетке со стороны входа. Решетки 12 стянуты между собой шпильками 17. The membrane element contains the membrane 1 in the form of a thin coating deposited on a porous substrate with pores of a given size. In this case, the membranes are pairwise facing each other with substrates, a support frame 2 is installed between them in the form of two perforated plates 3, the perforated plates are assembled into the frame by installing along the perimeter of the gaskets 4, fixed on the frame, while grooves 5 are made in the side gaskets for passing through holes 6 in the perforated plates 3 of the hollow coupling bolts 7 with nuts 8. The hollow coupling bolts 7 have grooves 9. At the ends of the bolts from the side opposite the nut 8, the holes are made in the form of a fitting 10. Assembled packets have a corrugated cross section, the bending radii of the support frame are identical to the concave portion of the perforated plates 3 from both sides, and in assembling of carcases in package form corrugations longitudinal channels 11 with open ends of the box. At the ends of the box at the inlet and outlet of the channels 11, gratings 12 are installed, in which openings 13 are made, the edges of which are bent into the channels formed by the corrugations of adjacent packets, and are equipped with edges 14 bent to the middle of the openings 13 along the longitudinal cuts, acting as turbulators, twisting the flow . Between the perforated plates 3, gaskets 15 are installed, forming a zigzag channel. To increase the rigidity of the perforated plates 3 and to ensure their spacing on the perforated plates 3, spacing elements 16 are made in the form of stamped protrusions. To equalize the flow rates of the processed fluid, the openings 13 in the gratings 12 from the inlet side of the flow can be made with sizes increasing from the center to the periphery of the grate; moreover, in the grate from the outlet side, they can be made with sizes larger or smaller than in the grate from entrance. Lattices 12 are pulled together by pins 17.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. The proposed device operates as follows.

Исходная жидкость подается в мембранный элемент сверху под рабочим давлением от 0,2 до 0,5 МПа для ультрафильтрации и от 2,5 до 10 МПа при обратноосмотическом разделении. Проходя через отверстия 13 в решетках 12 за счет взаимодействия с выступами на отогнутых краях 14 отверстий 13, жидкость получает закрутку и поступает в продольные каналы 11. При движении потока жидкости над мембраной 1 очищенная жидкость проходит через нее и поступает в зазор между пластинами 3 и, перемещаясь между прокладками 15 и обтекая дистанционирующие элементы 16 каркаса 2, через пазы 5 в прокладках 4 и пазы 9 установленных в отверстиях 6 стяжных болтов 7 и через штуцеры 10 отводится из мембранного элемента. Остальная жидкость в виде концентрата выводится через отверстия в нижней решетке 12. Для замены мембран достаточно демонтировать шпильки 17, снять решетки 12 и, отвернув гайки 8, демонтировать стяжные болты 7. После этого заменить на опорных каркасах 2 мембраны 1 и произвести сборку в последовательности, обратной разборке. The initial liquid is supplied to the membrane element from above under a working pressure of 0.2 to 0.5 MPa for ultrafiltration and 2.5 to 10 MPa during reverse osmosis. Passing through the holes 13 in the gratings 12 due to the interaction with the protrusions on the bent edges 14 of the holes 13, the liquid swirls and enters the longitudinal channels 11. When the fluid flows over the membrane 1, the purified liquid passes through it and enters the gap between the plates 3 and, moving between the gaskets 15 and flowing around the spacing elements 16 of the frame 2, through the grooves 5 in the gaskets 4 and the grooves 9 of the tightening bolts 7 installed in the holes 6 and through the fittings 10 is discharged from the membrane element. The remaining liquid in the form of a concentrate is discharged through the holes in the lower grill 12. To replace the membranes, it is enough to dismantle the studs 17, remove the grilles 12 and, unscrew the nuts 8, dismantle the coupling bolts 7. After that, replace the membranes 1 on the supporting frames 2 and assemble in sequence, reverse disassembly.

Предлагаемое устройство обеспечивает возможность многократной замены мембраны, повышает надежность в работе мембранного элемента за счет исключения отрыва мембраны на входе потока. The proposed device provides the possibility of multiple replacement of the membrane, increases the reliability of the membrane element by eliminating the separation of the membrane at the inlet stream.

Claims

1. A MEMBRANE ELEMENT for separating solutions, containing packets of membranes facing one another with membranes with a support frame in the form of a perforated or porous material between them, assembled in a box open from the sides of the solution inlet and outlet, characterized in that the support frame is corrugated with the same radius bending of corrugations on the box from the inlet side of the solution there is a lattice, the edges of the openings of which are bent into the channels formed by the corrugations of adjacent packets.

2. The element according to claim 1, characterized in that it is provided with a lattice on the outlet side of the solution.

3. The element according to claim 1, characterized in that the edges of the holes of the lattice from the outlet side of the solution are bent into the channels at an angle to their longitudinal axes.

4. The element according to claims 1 and 2, characterized in that the holes in the grate are made with dimensions increasing from the center to the periphery of the box.

5. The element according to claims 1 and 2, characterized in that the holes in the gratings on the inlet and outlet sides of the solution have different sizes.

6. The element according to claim 1, characterized in that the supporting frame is made hollow of two perforated plates with gaskets between them along the perimeter.

7. The element according to claims 1 and 6, characterized in that it is equipped with hollow coupling bolts mounted on the side edges of the package and connected through openings with cavities, while cutouts from the side of the cavity are made in the gaskets at the installation sites of the hollow coupling bolts.

8. The element according to claims 1 and 6, characterized in that the supporting frame is provided with additional gaskets for the formation of a zigzag channel.

9. The element according to claims 1 and 6, characterized in that the spaced tabs are made on the perforated plates.