Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Информационно-патентный обзор

1.1 Технология и оборудование для разделения и концентрирования смесей, а так же очистки сточных вод методом ультрафильтрации

В основу изобретения [1] положена задача создать конструкцию мембранной установки на основе половолоконных разделительных аппаратов и способ их регенерации, позволяющие сократить выход промывных вод, снизить металлоемкость оборудования и энергозатраты, упростить схему автоматизации, повысить ресурс работы и удельную производительность аппаратов за счет более эффективной их регенерации.

На рисунке 1 представлена предлагаемая мембранная установка для очистки воды.

Рисунок 1 Мембранная установка: 1 насос; 2 трехходовой кран; 3 линии отвода; 4 батареи разделительных аппаратов; 5 ультрафильтрационные мембраны; 6 нижние штуцеры; 7 верхние штуцеры; 8 линии отвода; 9 запорный клапан; 10 накопительная емкость; 11 промывочный насос; 12 обратный клапан; 13 компресорная установка; 14 линии подвода; 15 запорный клапан; 16 компенсатор.

Способ очистки воды состоит из стадии ее фильтрования в разделительных аппаратах и стадии их регенерации.

На стадии фильтрования исходная вода подается насосом 1 через трехходовой кран 2 по линии подвода исходной воды 3 к нижним штуцерам 6 аппаратов 5, соединенных внутри их непосредственно с каналами полых волокон, стенки которых представляют собой ультрафильтрационные мембраны. Скопившийся в верху аппаратов воздух вытесняется в компенсатор 16, т.к. давление в каналах волокон повышается.

Фильтрование осуществляется методом тупиковой фильтрации, т.е. без отвода концентрата. Фильтрат собирается в корпусах аппаратов 5 и через их боковые штуцера отводится по линии отвода фильтрата 8 через запорный клапан 9 в накопительную емкость фильтрата 10.

На стадии регенерации аппаратов выключают насос 1 подачи исходной воды, переключают трехходовой кран 2, отсоединяя нижние штуцера 6 аппаратов 5 от насоса 1 исходной воды и соединяя их через линию подвода исходной воды 3 с линией отвода промывных вод 4, закрывают запорный клапан 9 на линии отвода фильтрата 8, включают промывочный насос 11, подавая фильтрат из накопительной емкости 10 через обратный клапан 12 в корпуса аппаратов, осуществляя тем самым обратную фильтрацию через мембраны полых волокон из корпусов аппаратов в каналы волокон, включают компрессорную установку 13 и открывают запорный клапан 15. Давлением сжатого воздуха, подаваемого к верхним штуцерам 7 аппаратов 5, вытесняют исходную воду, а затем и фильтрат после его обратной фильтрации, из каналов волокон в линию подвода исходной воды 3, а далее через трехходовой кран 2 в линию отвода промывных вод 4.

Давление сжатого воздуха регулируют клапаном 15 и устанавливают на уровне, не препятствующем обратной фильтрации через мембраны. При этом по каналам движется порциями попеременно вода, воздух, вода, воздух, и т.д. За счет того, что сопротивление такого потока по каналам волокон меньше, чем сплошного потока воды, скорость его выше, что ускоряет удаление загрязнений из пор мембраны и с внутренних стенок канала. Кроме того, скорость движения потока «вода воздух, вода воздух» носит пульсирующий характер, что вызывает мини-гидроудары в каналах волокон и порах мембраны, способствующие интенсификации процесса регенерации аппаратов. Также имеет положительное значение и направление движения по каналу водо-воздушной смеси - сверху вниз, то есть гидростатическое давление ее столба способствует увеличению скорости потока и снижает затраты энергии на его преодоление.

Преимущества заявляемого технического решения:

- увеличивается удельная производительность и ресурс работы аппаратов за счет более полного вымывания загрязняющих веществ из пор мембран на стадии их регенерации, что дает возможность сократить количество аппаратов без уменьшения производительности установки;

- упрощается конструкция установки, т.к. концентрат в режиме фильтрования не отводится;

- уменьшается объем промывных вод, поскольку исходная вода не используется на стадии регенерации аппаратов;

- уменьшаются удельные энергозатраты за счет увеличения времени между регенерациями аппаратов, их продолжительностью и отсутствием подачи исходной воды в аппараты при их регенерации;

- уменьшается материалоемкость трубопроводной сети и размеры запорно-регулирующей арматуры за счет уменьшения потока промывных вод;

- упрощается схема автоматизации установки за счет управления всей запорной арматурой одним сигналом.

Сущность предлагаемого в изобретении [2] способа фильтрации жидкости заключается в том, что прохождение жидкости в порах мембраны осуществляется в электрическом поле, созданном постоянным напряжением, причем положительный заряд накладывается на одну сторону, а отрицательный заряд - на другую сторону плоской мембраны.

Сущность устройства, обеспечивающая работу предлагаемого способа фильтрации жидкости, заключается в том, что обе поверхности мембраны покрыты пленкой из токопроводимого материала, к которым подведено постоянное напряжение, причем к пленке на одной стороне мембраны подведен положительный, а к пленке на другой стороне мембраны - отрицательный полюс.

Использование предлагаемого изобретения обеспечивает следующий технический результат:

- расширение области применения устройства очистки,

- повышение эффективности работы устройства.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что предложенный способ включает пропускание очищаемой жидкости через однородную или композитную мембраны, имеющие поры.

Особенность заключается в том, что способ фильтрации жидкости через однородные и композитные мембраны осуществляется в электрическом поле, созданном постоянным напряжением, причем положительный заряд накладывается на одну сторону, а отрицательный заряд - на другую сторону плоской мембраны. деэмульгатор ультрафильтрация водомасляной

Устройство для осуществления способа фильтрации включает в себя однородные или композитные мембраны, имеющие поры.

Особенность заключается в том, что обе поверхности мембраны покрыты пленкой из токопроводимого материала, к которым подведено постоянное напряжение, причем к пленке на одной стороне мембраны подведен положительный, а к пленке на другой стороне мембраны - отрицательный полюс.

Конструкция изобретения представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 Схема однородной композитной мембраны: 1 корпус; 2 входной патрубок; 3,4,5 - выходные патрубки; 6 мембрана; 7 основа; 8,9 пленки.

Устройство работает следующим образом. Очищаемая жидкость по входному патрубку 2 подается в корпус 1 фильтра. Проходя через мембраны 6, жидкость очищается от растворенных веществ и по патрубкам 3 и 4 направляется потребителю. Часть жидкости (концентрированный рассол) по патрубку 5 отправляется на дальнейшую очистку. С целью интенсификации процесса фильтрации (увеличения производительности) к пленкам 8 и 9 подводится постоянное напряжение. Возникающие между пленками электромагнитные силы действуют на ионы и диполи, содержащиеся в жидкости, приводя их в движение. Благодаря вязкости они увлекают в нужном направлении молекулы всей жидкости.

Таким образом, предложенный способ и устройство фильтрации жидкости через однородные и композитные мембраны позволяет повысить эффективность работы устройства в части увеличения производительности мембран без увеличения давления подаваемой жидкости.

Целью способа [3] является повышение эффективности процесса разделения устойчивых водомасляных эмульсий с одновременным выполнением экологических требований, предъявляемых к современному производству.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является достижение наиболее полного отделения масла, как наиболее ценного компонента СОЖ, для повторного использования; кроме того масла являются сильными загрязнителями окружающей среды и попадание их вместе с СОЖ в сточные воды недопустимо.

Поставленная задача достигается за счет того, что в известном способе перед утилизацией в концентрат дополнительно вводят гидроокись кальция в виде известкового молока в количестве 4-50 г/л (в пересчете на Ca(OH)₂), затем термостатируют при температуре 20-95^oC в течение 3-75 ч, после чего масляную фазу утилизируют, а водную с pH 9,5-12,5 используют для регенерации мембранных элементов.

Для повышения эффективности процесса разделения водомасляных эмульсий в качестве деэмульгатора добавляется гидроокись кальция, которая, во-первых, образует с ПАВами, определяющими стабильность эмульсии, нерастворимые кальциевые соли, которые выпадают в осадок; во-вторых, адсорбируют часть ПАВов на поверхности осадка нерастворившейся гидроокиси кальция.

Схема данного способа представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 Схема разделения устойчивых водомаслянных эмульсий: 1 фильтр; 2 емкость; 3 ультрафильтрационный модуль; 4 отстойник; 5 емкость; 6 механический фильтр; 7 дроссель.

Водомасляную эмульсию, например отработанную СОЖ типа НГЛ-205, в состав которой входят нефтепродукты 6,2 г/л, СПАВ 1,5 г/л, взвешенные частицы 1 г/л и другие примеси, через фильтр предварительной очистки 1 собирают в емкость с рубашкой 2 исходного раствора.

Фильтр предварительной очистки 1 задерживает взвешенные частицы размером более 50 мкм, способные при ультрафильтрационном разделении механически повредить мембрану.

Подготовленный таким образом и предварительно нагретый до температуры 45^oC раствор дозируют с расходом 1 м³/ч в ультрафильтрационный модуль 3, обеспечивая при этом скорость потока над мембраной 4 м/с. С помощью дросселя 7 в ультрафильтрационном модуле создают рабочее давление 0,3 МПа.

Постоянную температуру в емкости 2 поддерживают за счет подачи теплоносителя или хладагента в рубашку аппарата.

Удельная производительность по пермеату составила 50 л/м²ч.

Полученный в процессе ультрафильтрации концентрат возвращают в емкость 2, а пермеат отводят на дальнейшее потребление или обработку. При достижении степени концентрирования 50:1 (отношение исходного объема к объему полученного концентрата) процесс ультрафильтрации прекращают.

Концентрат, имеющий в своем составе нефтепродукты 260 г/л, СПАВ 36 г/л, взвешенные частицы 50 г/л, направляют в термоотстойник 4, где проводят обработку концентрата при помощи гидроокиси кальция в виде 45%-ного известкового молока в количестве, обеспечивающем дозу гидроокиси кальция 25 г/л.

Полученную смесь перемешивают, нагревают до температуры 80^oC и выдерживают при этой температуре 10 ч, при этом происходит отделение масляной фазы, которая составляет 25% от всего объема.

Затем масляную фазу отводят из отстойника 4 и направляют на дальнейшую переработку, а водную фазу, имеющую pH 11,0, после отделения от осадка на механическом фильтре 6 с задерживающей способностью 5 мкм направляют в емкость 5 для последующего использования при регенерации мембранных элементов. Для этого мембранный модуль заполняют водной фазой, которая затем циркулирует при полностью открытом дросселе 7. Процесс регенерации проводят в течение 2 ч. В процессе регенерации концентрат и фильтрат возвращают в емкость 5 для водной фазы. После регенерации удельная производительность мембранных элементов по пермеату восстановилась полностью и составила 50 л/м²ч.

Результаты проведенных опытов показывают, что применение в качестве деэмульгатора гидроокиси кальция в количестве 4-50 г/л позволяет полностью выделить масляную фазу из водомасляной эмульсии и, используя для регенерации мембранных элементов водную фазу с pH 9,5-12,5, восстановить производительность мембранных элементов на 100%

Целью изобретения [4] является повышение производительности мембранного разделения растворов обратным осмосом и ультрафильтрацией.

С этой целью используется слой геля с повышенным содержанием растворенных веществ. Этот слой отводится устройством, представляющим собой гайку, внутри которой имеется коническая втулка с кольцевыми прорезями. Втулка входит меньшим диаметром в трубчатую мембрану на такую величину, чтобы обеспечить минимальный зазор между мембраной и внешней поверхностью конической втулки, через который будет производиться отвод слоя геля, имеющего повышенное содержание растворенных веществ. Другая же часть потока отводится через кольцевые прорези и внутреннюю полость конической втулки.

Предлагаемое устройство представлено на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схема трубчатого мембранного аппарата: 1 гайка; 2 резьба; 3 дреннажная трубка; 4 мембрана; 5 коническая втулка; 6 прорези; 7 переточные каналы; 8 отводные каналы; 9 фланец; 10 отверстие.

Устройство работает следующим образом.

При работе мембранного оборудования на поверхности мембраны 4 практически мгновенно (в пределах 1 с [2]) образуется движущийся слой геля с повышенным содержанием растворенных веществ. Величина концентрации растворенных веществ в геле для большинства гидрофильных соединений находится в пределах 35% . Высота слоя геля имеет величину 3,37^oC 6,92 мкм. Поворачивая гайку 1 можно добиться, чтобы расстояние между мембраной 4 и внешней поверхностью конической втулки было минимально и сопоставимо с толщиной слоя геля. После этого открывают отводной канал 8 и добиваются устойчивого отвода концентрата. Уровень содержания растворенных веществ определяют с помощью прибора. Оставшаяся часть раствора проходит через внутреннюю часть конуса и отводится через выходное отверстие 10. Для предотвращения образования застойных зон между конической втулкой и мембраной и возможной турбулизации потока у поверхности мембраны в конической втулке предусмотрены кольцевых прорези 6.

Использование данного устройства позволит наряду с обычной мембраной фильтрацией использовать слоя с повышенным содержанием растворенных веществ, что позволит интенсифицировать процесс разделения и повысит его производительность.

Задачей изобретения [5] является интенсификация процесса концентрирования растворов методом ультрафильтрации и обратного осмоса.

Поставленная задача достигается тем, что внутри трубчатой мембраны находится сетка, расположенная с некоторым зазором с селективным слоем мембраны, в которой подается дисперсная фаза, причем внутри мембраны со стороны выхода раствора в кольцевое сечение, ограниченное сеткой, входит конус на такую величину, чтобы имелся зазор между образующей конуса и мембраной для отвода дисперсной фазы.

Предлагаемое изобретение представлено на рисунке 5.

Рисунок 5 Схема трубчатого мембранного аппарата: 1 корпус; 2 крышка; 3 штуцер; 4 патрубок; 5 конус; 6 патрубок; 7 кожух; 8,9 втулки; 10 мембрана; 11 сетка; 12 патрубок.

Устройство работает следующим образом: исходный раствор под давлением подается в патрубок 3. При этом на селективной поверхности мембраны образуется слой с повышенным содержанием растворенных веществ. Одновременно в патрубок 4 подается дисперсная фаза. Патрубок 4 расположен тангенциально с некоторым наклоном к оси мембраны, что позволяет дисперсной фазе вместе с поступательным приобретать вращательное движение по поверхности мембраны. Благодаря сетке 11, расположенной внутри мембраны, исключается перемешивание дисперсной фазы с исходным раствором. Дисперсная фаза, проходя вдоль поверхности мембраны, увлекает за собой неподвижный слой с повышенным содержанием задерживаемых веществ, который выводится через патрубок 6, а затем отделяется от дисперсной фазы. Фильтрат удаляется через патрубок 12. Дисперсная фаза возвращается и снова подается в мембранный аппарат. Наличие конуса 5 позволяет отводить поверхностный слой концентрата, находящийся выше сетки.

Использование данного устройства позволит отводить поверхностный слой, имеющий высокую концентрацию задерживаемых частиц, и снимать неподвижный слой с поверхности мембраны. При этом будет одновременно осуществляться очистка мембраны, что позволит поддерживать высокую производительность по фильтрату. Совмещение этих процессов позволяет получить необходимую степень концентрирования за меньшую продолжительность обработки, т.е. интенсифицировать процесс.

Задачей изобретения [6] является повышение удельной производительности и возможность реализации процесса ультрафильтрации с тангенциальной подачей разделяемого раствора.

Способ заключается в том, что при разделении раствора его пропускают по межмембранному зазору и вибрирующим устройством вносят в разделяемый поток пульсации давления и расхода максимально допустимой амплитуды и резонансной частоты. Устройство содержит мембранный аппарат с фильтрующими элементами, линию подачи разделяемого раствора, линии отвода концентрата и фильтрата с запорными органами и средство для промывки мембран фильтрующих элементов. В линию подачи раствора включено вибрирующее устройство, вносящее в разделяемый поток пульсации расхода и давления, создаваемые генератором вибраций, подключенным к вибрирующему устройству. Средство для промывки мембран выполнено в виде гидропневматического аккумулятора, присоединенного к линии отвода фильтрата трубопроводом с обратным клапаном, и вибрационного прерывателя, соединенного с гидропневматическим аккумулятором входной линией и выходной - с линией отвода фильтрата между мембранным аппаратом и трубопроводом гидропневматического аккумулятора, в линию подачи исходного раствора. Данное изобретение позволяет повысить удельную производительность мембранных аппаратов.

Схема изобретения представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 Cхема устройства для ультрафильтрации: 1 мембранный аппарат; 2 насос; 3 емкость; 4 вибрирующее устройство; 5 генератор вибрации; 6 манометр; 7 вентиль; 8 линия; 9 вентиль; 10 обратный клапан; 11 гидропневманический аккумулятор; 12 вибрационный прерыватель; 13 манометр.

Устройство работает следующим образом.

Разделяемый раствор насосом 2 под давлением подается из промежуточной емкости 3 в мембранный аппарат 1, в котором происходит разделение раствора на концентрат, возвращаемый в промежуточную емкость 3, и фильтрат, отводимый линией 8. Давление в мембранном аппарате регулируют вентилем 7 и контролируют манометром 6. Для предотвращения образования слоя отложений на фильтрующих элементах мембранного аппарата в поток разделяемого раствора с помощью вибрирующего устройства 4 вносят колебания расхода и давления резонансной частоты, которые создаются генератором вибраций 5. Процесс ультрафильтрации протекает до достижения в емкости 3 заданной концентрации, после чего концентрат сливают из установки, заполняют ее новой порцией разделяемого раствора, и цикл разделения повторяется.

Предварительно определяем резонансную частоту вибрирующего устройства без разделяемого раствора. Для этого включаем виброгенератор и плавно увеличиваем частоту вибраций от нулевой. При этом с ростом частоты колебаний интенсивность звукового излучения установки возрастает, достигает максимума в области резонансной частоты вибрирующего устройства и затем снижается. Отмечаем резонансную частоту вибрирующего устройства, соответствующую максимуму интенсивности звукового излучения. На нашей установке резонансная частота вибрирующего устройства составила 58-60 Гц.

В емкость 3 загружаем разделяемый раствор и включаем циркуляционный насос. После появления первых порций фильтрата проводим измерение расхода циркулирующего раствора, включаем виброгенератор и устанавливаем частоту вибраций 30 Гц. Спустя 2-3 мин проводим измерение расхода фильтрации и увеличиваем частоту вибраций на 8-10 Гц. Проводим последующие измерения расхода фильтрата с шагом изменения частоты вибраций 8-10 Гц до достижения резонансной частоты вибрирующего устройства. Последующие измерения, вплоть до снижения расхода фильтрата, соответствующего резонансной частоте вибрирующего устройства, проводим с шагом изменения частоты вибраций 3-5 Гц. После чего проводим еще 5-6 измерений расхода фильтрата с шагом изменения частоты вибраций 8-10 Гц. Результаты опытов представляем в виде зависимости удельной производительности мембраны по пермеату q от частоты вибраций . Максимум кривой q=f(W) соответствует частоте вибраций, близкой к резонансной частоте вибрирующего устройства.

Пульсации расхода и давления резонансной частоты, создаваемые в мембранном аппарате вибрирующим устройством, разрушают ламинарный пограничный слой и обеспечивают интенсивное перемешивание разделяемого раствора в пристенной зоне. Что создает условия для снижения концентрационной поляризации до минимума и предотвращает образование слоя отложений на фильтрующей поверхности. В результате чего повышается время безрегенерационного цикла работы мембраны и повышается удельная производительность мембранного аппарата.

Техническая задача изобретения [7] увеличение площади мембран, повышение эффективности разделения и снижение энергозатрат в электробаромембранном аппарате за счет замены средней части последовательно расположенных биполярных электродов диэлектрической перегородкой и графитовой тканью, служащей монополярным электродом и дренажом для отвода пермеата, а в межмембранном канале расположены ионообменные спейсеры, состоящие из ионообменной сетки и гранул.

Данное изобретение показано на рисунке 7.

Рисунок 7 Схема электробаромембранного аппарата: 1 два фланца; 2,3,4,5 каналы; 6 отверстие; 7 устройство для подвода тока; 8,9 прикатодная и прианодная мембраны; 10 графитовая ткань; 11 спейсер; 12 отверстие; 13 шпилька; 14 прокладка; 15 биполярный электрод; 16 диэлектрическая перегородка; 17 катионообменная сетка;

Аппарат работает следующим образом.

Исходный раствор под давлением, превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, по каналу 2, подается в первую камеру разделения. В этот же момент времени к аппарату подводится внешнее постоянное электрическое поле с заданной плотностью тока. Затем раствор, через ионопроводящий спейсер 11, поступает к мембранам. В камере разделения анионы, проникающие через прианодную мембрану 8, расположенную вместе с анодом на фланце 1, отводятся с пермеатом по каналам 4 в виде кислот, а катионы, проникающие через прикатодную мембрану 9, находящуюся на катоде 20 пористого биполярного электрода 15, отводятся с пермеатом по каналам 5 в виде оснований. Далее разделяемый раствор переходит из камеры в камеру по переточным отверстиям 12, где происходит аналогичное разделение, анионы и катионы с пермеатом отводятся через прианодную и прикатодную мембраны 8, 9 в виде кислот и оснований. Исходный раствор, протекая по всем камерам, очищается от анионов и катионов. После разделения исходный раствор отводится по каналу 3.

Графитовая ткань является токопроводящим материалом между электродами и дренажом для отвода пермеата.

Заполнение камеры разделения ионопроводящими наполнителями позволяет совместить периодическую деполяризацию (разрушение диффузионных слоев) с увеличением поверхности массообмена, по сравнению с инертными турболизаторами, экранирующими часть рабочей поверхности мембраны, и позволяет уменьшить электрическое сопротивление электромембранной системы. Таким образом, наличие ионопроводящих спейсеров, приводит к увеличению локальной скорости потока раствора в местах сужения канала и образованию зоны повышенного массопереноса. Также функцией спейсеров, заполняющих межмембранное пространство при электробаромембранном процессе, является предотвращение слипания мембран, которое приводит к протеканию тока через контакт и прогоранию мембран вследствие выделения большого количества Джоулева тепла. Кроме того, спейсеры, разделяющие мембраны, интенсифицируют массоперенос за счет турбулизации потока, а следовательно, и снижения концентрационной поляризации.

В изобретении [8] достигается технический результат, заключающийся в повышении эффективности периодической очистки фильтрующих элементов обратноосмотических мембран и увеличения срока их службы.

Указанный технический результат достигается в изобретении следующим образом.

Устройство для фильтрации сточных вод с системой очистки обратноосмотических мембран содержит приемный резервуар, основной нагнетающий насос, входной трехпозиционный быстродействующий клапан, штуцер ввода очищаемого стока, мембранный блок, штуцер для вывода очищенного стока, выходной трехпозиционный быстродействующий клапан и резервуар очищенного стока, последовательно соединенные между собой трубопроводом для работы в режиме очистки стока.

В свою очередь резервуар очищенного стока, дополнительный насос, выходной трехпозиционный быстродействующий клапан, штуцер для вывода очищенного стока, мембранный блок, входной трехпозиционный быстродействующий клапан и отстойник последовательно соединены дополнительным трубопроводом для работы в режиме очистки обратноосмотической мембраны.

Мембранный блок соединен с ультразвуковым генератором.

Блок управления, которым снабжено устройство, соединен с входным и выходным трехпозиционными быстродействующими клапанами, дополнительным насосом и ультразвуковым генератором.

Изобретение поясняется рисунком 8, на котором схематически изображено предложенное устройство.

Рисунок 8 - Схема устройства для фильтрации сточных вод: 1 трубопровод; 2 резервуар; 3 насос; 4 клапан; 5 мембранный блок; 6 штуцер; 7 дополнительный трубопровод; 8 резервуар; 9 штуцер; 10 клапан; 11 дополнительный насос; 12 отстойник; 13 ультразвуковой генератор; 14 блок управления; 15 линия управления.

Устройство работает следующим образом.

Очищаемый сток, например, фильтрат полигона захоронения твердых бытовых отходов, по трубопроводу 1 поступает в приемный резервуар 2. Далее с помощью основного нагнетающего насоса 3 сток подают во входной трехпозиционный быстродействующий клапан 4.

При превышении перепада давления на мембранном блоке 5, менее чем на 10% от номинального значения, клапан 4 вводит через штуцер 6 очищаемый сток в мембранный блок 5, в котором происходит очистка стока. Очищенный сток через штуцер 9 и выходной трехпозиционный быстродействующий клапан 10 поступает в резервуар 8.

В процессе очистки стока на поверхности обратноосмотической мембраны блока 5 образуется слой осадка, препятствующий фильтрации.

При превышении перепада давления на мембранном блоке 5, более чем на 10% от номинального значения, регистрируемого датчиком давления, на блок управления 14 поступает соответствующий сигнал и по сигналу от блока управления 14 клапан 4 перекрывает ввод очищаемого стока в мембранный блок 5.

После этого происходит очистка мембраны следующим образом. Из резервуара 8 с помощью дополнительного нагнетающего насоса 11 по трубопроводу 7 для работы в режиме очистки обратноосмотической мембраны очищенный сток через клапан 10 и штуцер 9 поступает в мембранный блок 5. Происходит промывка мембраны и продукты промывки сбрасываются в отстойник 12.

Таким образом происходит периодическая очистка мембранного блока 5 реверсивным потоком очищенного стока со сбросом продуктов промывки в отстойник 12.

Для снижения давления, создаваемого дополнительным нагнетающим насосом 11 при промывке мембранного блока 5 и во избежание его повреждения мембранный блок 5 соединен с ультразвуковым генератором 13.

Генератор 13 создает на мембране колебания с длиной волны и амплитудой, не меньшей среднего размера ячеек мембраны. В соответствие с теорией нелинейных колебаний наложенные колебания с длиной волны, соответствующей характерному размеру тела, к которому они приложены, вызывают колебательные процессы на его поверхности в слое, соответствующем по толщине амплитуде колебаний.

Как показывают эксперименты по очистке фильтрата полигона твердых бытовых отходов, толщина слоя осадка на мембране, при котором прекращается фильтрация, составляет 22-26 мкм. Зависимость толщины слоя от времени работы мембранного блока носит линейный характер.

Наиболее рациональным на практике оказалось наложение ультразвуковых колебаний на слой толщиной 10-12 мкм. При этом уменьшение расхода фильтрата через мембранный блок составляло 20%-25% от номинального значения.

Наложение ультразвуковых колебаний с частотой от 3,0 до 22,0 кГц в течение 30-50 секунд один раз за 10 суток работы позволило поддерживать постоянство объема очищаемого стока с точностью 1,5%.

Срок службы фильтрующих обратноосмотических мембран для очистки фильтрата без периодической промывки мембранного блока 6 реверсивным потоком очищенного стока 9 составил 92-96 суток.

Срок службы фильтрующих обратноосмотических мембран для очистки фильтрата с периодической промывкой мембранного блока 6 реверсивным потоком очищенного стока 9 составил 205-215 суток.

Срок службы фильтрующих обратноосмотических мембран для очистки фильтрата с периодической промывкой мембранного блока 6 реверсивным потоком очищенного стока 9 и наложением ультразвуковых колебаний с частотой от 3,0 до 22,0 кГц составил 725-760 суток.

При наложении ультразвуковых колебаний осадок на поверхности фрагментов разрушается, образуя хорошо заметный визуально, псевдоожиженный слой, который удаляется реверсивным потоком.

Экономическая эффективность предлагаемого изобретения определяется значительным снижением потребности в мембранных блоках при очистке сточных вод.

Техническим результатом устройства [9] является уменьшение гидравлического сопротивления пор полупроницаемой мембраны.

Поставленный технический результат достигается тем, что в устройстве для приготовления жидких смесей, включающем корпус с входным и выходным патрубками, внутри которого размещены пластины с отверстиями, установленные вдоль потока среды, и на каждой пластине снаружи закреплены полупроницаемые мембраны, а сами пластины с мембранами закреплены в герметичном кожухе с патрубком для подачи компонентов жидкой смеси, при этом снаружи полупроницаемых мембран установлены теплоэлектронагреватели для превращения компонентов жидкой смеси в пар.

Установка теплоэлектронагревателей снаружи полупроницаемых мембран позволяет превращать компоненты жидкой смеси в пар, вязкость которого значительно меньше вязкости компонентов жидкой смеси, а так как гидравлическое сопротивление пор полупроницаемых мембран пропорционально вязкости фильтруемой среды, то гидравлическое сопротивление пара и в целом энергозатраты для приготовления жидких смесей будет значительно меньше, чем при фильтровании через поры полупроницаемых мембран жидких компонентов. В качестве полупроницаемых мембран можно использовать пористые стекла «Викор» работающие при высоких температурах.

На рисунке 9 схематично изображено предлагаемое устройство в разрезе.

Рисунок 9 Устройство для приготовления жидких смесей: 1 корпус; 2 входной патрубок; 3 выходной патрубок; 4 пластины; 5 полупроницаемые мембраны; 6 кожух; 7 патрубок; 8,9 манометры; 10,12 расходомеры; 11 трубопровод; 13 теплоэлектронагреватель; 14 источник тока.

Устройство для приготовления жидкой смеси работает следующим образом.

Основной поток высокомолекулярной жидкости, например, мазут марки М 100, подают под давлением p₁, которое контролируют манометром 8, по патрубку 2 с расходом q₁, который контролируют расходомером 10 в
корпусе 1. Одновременно от трубопровода 11 по патрубку 7 под давлением p₂>p₁, которое контролируют манометром 9, в кожух 6 подают компоненты жидкой смеси с малым размером молекул, например, воду. Ее расход q₂ контролируют расходомером 12, так чтобы отношение расходов q₂/q₁=C, обеспечивало необходимую концентрацию C микрокапель воды в мазуте. Давление молекул воды в кожухе 6 p₂ больше, чем давление мазута p₁ в корпусе 1, поэтому молекулы воды, имеющие размер меньший, чем размер пор в полупроницаемых мембранах 5 свободно проходят сквозь эти поры и поступают в основной поток мазута в виде пара, так как под действием тепловой энергии теплоэлектронагревателей 13 вода вблизи поверхности полупронецаемых мембран 5 превращается в пар, вязкость которого много меньше вязкости воды. Поэтому молекулы водяного пара легко фильтруются через поры полупроницаемых мембран 5 в поток мазута, где конденсируются, образуя тонкодисперсную эмульсию.

Пример. Динамическая вязкость воды при 20єС приблизительно составляет 10^-3 Па, динамическая вязкость водяного пара при 110 єС - 0,0135·10^-3 Па, то есть вязкость водяного пара в 74 раза меньше. При минимальном перепаде давления на полупроницаемых мембранах 5, работающих с жидкостями Др_ж=3 атм, при фильтровании пара потери давления составят Др_п= Др_ж/74= 3/74= 0,04 ат.

Таким образом, установка теплоэлектронагревателей снаружи полупроницаемых мембран для превращения компонентов жидкой смеси в пар позволяет значительно снизить гидравлическое сопротивление и энергозатраты при фильтровании компонентов смеси пара через поры полупроницаемых мембран.

Задачей изобретения [10] является увеличение производительности при концентрировании растворов методом ультрафильтрации.

Решается задача тем, что в трех секторах находится сетка, крепящаяся к лопастям на некотором расстоянии от мембраны, а в четвертом - на валу по всей его длине установлены диски.

На рисунке 10 представлен предлагаемый аппарат.

Рисунок 10 - Схема мембранного аппарата: 1 корпус; 2 штуцер; 3,13 кожухи; 4,5 кольцевые щели; 6 шток; 7 трубчатая мембрана; 8 лопасти; 9 диски; 10 цилиндрическая сетка; 11,12,14,15 штуцеры.

Аппарат состоит из корпуса 1, на котором находится штуцер 2 и кожух 3. Корпус имеет две кольцевые щели 4 и 5. Внутри корпуса находится полый шток 6 с конусом. Положение штока регулируется при помощи резьбы. Корпус присоединен к трубчатой мембране 7. Внутри канала мембраны расположены четыре лопасти 8, которые образуют сектора. Внутри одного из образованных лопастями секторов к валу на небольшом расстоянии друг от друга крепятся диски 9. В остальных секторах к лопастям на некотором расстоянии от мембраны крепится цилиндрическая сетка 10. Поворот вала с лопастями осуществляется путем подачи раствора через штуцер 11. Подача исходного раствора осуществляется через штуцер 12. К корпусу крепится кожух 13 со штуцерами для отвода фильтрата 14 и подачи газа 15.

Мембранный аппарат работает следующим образом. Исходный раствор под давлением подается в устройство через штуцер 12. При фильтровании раствора на внутренней поверхности мембраны образуется подвижный диффузионный слой с повышенным содержанием растворенных веществ (явление концентрационной поляризации). Диффузионный слой отводится из штуцера 2 и кожух 3, а основная часть потока - через внутреннюю полость штока 6. Благодаря лопастям 8, поток делится на четыре сектора, в трех из которых осуществляется формирование диффузионного слоя, а в четвертом - очистка мембраны за счет установленных дисков, создающих интенсивную турбулизацию потока. Установленная в трех секторах, цилиндрическая сетка 10 способствует сохранению концентрации в отводимом слое, препятствуя его размытию в радиальном направлении.

По мере загрязнения поверхности мембраны в других секторах производят поворот вала с дисками, для чего подают исходный раствор через штуцер 11. При этом внешние кромки лопастей также осуществляют очистку мембраны. Помимо этого для очистки внутренних пор мембраны возможна подача газа через штуцер 15.

Список использованных источников

1. Пат. 2062641 Российская федерация, B01d61/14. Способ разделения устойчивых водомасляных эмульсий методом ультрафильтрации / Поворов А.А., Ерохина Л.В., Шиненкова Н.А; заявитель Научно-производственное предприятие "Мембранная технология", патентообладатель Поворов Александр Александрович № 94040738/26; заявл. 04.11.1994; опубл.: 27.06.1996.

2. Пат. 2119378 Российская федерация, B01D61/14. Аппарат для мембранного разделения / Лобасенко Б.А., Иванец В.Н., Космодемьянский Ю.В., Лопухинский Л.М.; заявитель и патентообладатель Кемеровский технологический институт пищевой промышленности № 95122363/25; заявл. 26.12.1995; опубл.: 27.09.1998.

3. Пат. 2162008 Российская федерация, B01D61/14. Аппарат для мембранного разделения / Лобасенко Б.А., Иванец В.Н., Космодемьянский Ю.В., Фахрутдинов Ю.Г.; заявитель и патентообладатель Кемеровский технологический институт пищевой промышленности № 99109832/12; заявл. 07.05.1999; опубл.: 20.01.2001.

4. Пат. 2228788 Российская федерация, B01D61/14. Способ ультрафильтрации и устройство для его реализации / Кудрявцев В. А., Яцун С. Ф., Кудрявцев Л. Е., Кувардина Е. М., Чеховский И. Р., Сокол И. И.; заявитель и патентообладатель Курский государственный технический университет № 2002120179/12; заявл. 24.07.2002; опубл.: 20.05.2004.

5. Пат. 2324529 Российская федерация, B01D61/14. Электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа / Лазарев Сергей Иванович, Вязовов Сергей Александрович, Рябинский Михаил Андреевич; заявитель и патентообладатель Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ); заявл. 10-01-2006; опубл.: 20.05.2008.

6. Пат. 2411068 Российская федерация, B01D61/14. Способ фильтрации жидкости через однородные и композитные мембраны и устройство для его осуществления / Булыжев Евгений Михайлович, Булыжев Эдуард Евгеньевич; заявитель и патентообладатель Закрытое Акционерное Общество "Булыжев. Промышленные экосистемы"; заявл. 26-01-2009; опубл.: 10.02.2011.

7. Пат. 2446111 Российская федерация, B01D35/16. Устройство для фильтрации сточных вод с системой очистки обратноосмотических мембран / Гонопольский Адам Михайлович, Мурашов Владимир Ефимович, Ладыгин Константин Владимирович, Стомпель Семен Исаакович; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)"; заявл. 03-12-2012; опубл.: 20.07.2014.

8. Пат. 2446111 Российская федерация, C02F1/44. Способ очистки воды и мембранная установка для его осуществления / Микиртычев Александр Владимирович, Микиртычев Владимир Яковлевич; заявитель и патентообладатель Микиртычев Александр Владимирович; заявл. 14-09-2010; опубл.: 27.03.2012.

9. Пат. 2530100 Российская федерация, B01D63/06. Мембранный аппарат / Лобасенко Борис Анатольевич, Кириченко Александр Алексеевич, Истратова Евгения Евгеньевна, Котляров Роман Витальевич; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО "Кемеровский технологический институт пищевой промышленности"; заявл. 13.08.2013; опубл.: 10.10.2014.

10. Пат. 2506990 Российская федерация, B01D63/00. Мембранный аппарат с неустановившейся гидродинамикой / Ключников Андрей Иванович, Шевцов Александр Анатольевич, Мажулина Инна Вячеславовна; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО "Кемеровский технологический институт пищевой промышленности"; заявл. 03.07.2012; опубл.: 20.02.2014.

Размещено на Allbest.ru