Мембранный элемент

(51)01 69/00, 71/02, 61/02 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины(72) Автор Купреев Михаил Петрович(73) Патентообладатель Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины(57) 1. Мембранный элемент, содержащий стержень, изготовленный из пористого полупроницаемого материала и имеющий продольные пазы между торцами, полупроницаемую мембрану, нанесенную на поверхность стержня и его пазов, штуцер, выполненный в виде выступа на боковой поверхности стержня и изготовленный из пористого проницаемого материала, причем боковая поверхность выступа покрыта полупроницаемой мембраной или слоем непроницаемого материала, отличающийся тем, что стержень имеет форму параллелепипеда, в боковой грани которого между торцами выполнены пазы, образующие параллельные ребра и присоединенное к ним основание, совмещенное с противоположной боковой гранью, выступ соединен с основанием на противоположной грани, а мембранный элемент дополнительно содержит перемычки в форме пластин или стержней, расположенных на боковой грани параллелепипеда с выполненными в ней пазами поперечно ребрам и соединенных с ними, причем перемычки покрыты полупроницаемой мембраной или выполнены из непроницаемого материала. 2. Мембранный элемент по п. 1, отличающийся тем, что в выступе со стороны торца выполнено глухое осевое отверстие.- Киев Тэхнка, 1990. - С. 98. 3. Заявка на изобретение Республики Беларусь а 19980711, МПК В 0163/00, В 0169/00, В 0171/00, 2000 (прототип). Полезная модель относится к мембранным разделительным элементам, преимущественно на основе неорганических мембран, предназначенным для тангенциальной фильтрации, и может быть использована в мембранной технике при очистке, концентрировании и разделении текучих сред методами ультра-, микрофильтрации и обратного осмоса. Известен мембранный элемент, выполненный в форме удлиненного фильтрующего тела, содержащего пористую дренажную основу и нанесенную на нее полупроницаемую мембрану, расположенную на наружной боковой стороне удлиненного тела 1. Известный мембранный элемент имеет форму трубки, в которой мембрана нанесена на наружную боковую поверхность, при этом концевые участки трубки используются для герметизации. В силу этого известный мембранный элемент имеет ограниченную номинальную площадь фильтрации. Закрепление на торцах препятствует тангенциальному движению потока среды вдоль трубки, способствует созданию на элементе застойных зон,что снижает эффективную площадь фильтрации. Наличие двух участков для закрепления мембранного элемента усложняет конструкции мембранных ячеек, модулей и аппаратов,созданных на его основе. Известен мембранный элемент, содержащий удлиненное фильтрующее тело с выступом в форме тела вращения для закрепления фильтрующего тела и отвода среды из его внутренней дренажной области 2. Известный мембранный элемент имеет форму цилиндра, закрытого с одного торца и снабженного выступом на втором. Такая бутылкообразная форма позволяет закреплять элемент только с одного конца, а всю остальную часть мембранного элемента (удлиненное фильтрующее тело) использовать для тангенциальной фильтрации. Однако размещение выступа на торце создает сопротивление потоку среды разделительной стенкой. Это нарушает режим тангенциальной фильтрации, способствует образованию застойных зон и отложений в области выступа, что снижает эффективную площадь фильтрации. Удлиненное тело выполнено из полупроницаемого тонкостенного керамического материала, ограничивающего дренажную область - пустое пространство. Большая толщина тонкой стенки тела, необходимая для обеспечения его прочности, уменьшает проницаемость мембранного элемента, особенно при использовании его для ультрафильтрации. С другой стороны,прочность тонкостенного удлиненного тела и выступа может оказаться недостаточной для применения повышенного давления текучей среды. В силу этого известный элемент имеет недостаточную производительность и ограниченную область применения. Кроме того,цилиндрическая форма известного элемента имеет ограниченную площадь фильтрации,что также снижает производительность. Наиболее близким к заявленному является мембранный элемент, содержащий стержень, изготовленный из пористого проницаемого материала, и имеющий продольные пазы между торцами, полупроницаемую мембрану, нанесенную на поверхность стержня и его пазов, штуцер, выполненный в виде выступа на боковой поверхности стержня и изготовленный из пористого проницаемого материала, причем боковая поверхность выступа покрыта полупроницаемой мембраной или непроницаемым материалом 3. В известном мембранном элементе в пористом дренажном теле, имеющем форму стержня (удлиненного тела), между торцами стержня выполнены пазы, что увеличивает площадь, покрытую полупроницаемой мембраной, а значит - площадь фильтрации мем 2 1303 бранного элемента. Благодаря этому, повышается производительность мембранного элемента при тангенциальной фильтрации. Однако возможность увеличения числа пазов для увеличения площади фильтрации ограничена, так как ослабляет прочность пористого дренажного тела (стержня), а значит - прочность мембранного элемента. Это ограничивает возможность его применения в условиях повышенных и пульсирующих давлений фильтруемой среды. Ограничение площади фильтрации и величин рабочих давлений уменьшает производительность известного мембранного элемента. Предлагаемая полезная модель обеспечивает возможность создания мембранного элемента для тангенциальной фильтрации текучих сред. Технический результат полезной модели заключается в повышении производительности мембранного элемента. Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что в мембранном элементе, содержащем стержень, изготовленный из пористого полупроницаемого материала и имеющий продольные пазы между торцами, полупроницаемую мембрану, нанесенную на поверхность стержня и его пазов, штуцер, выполненный в виде выступа на боковой поверхности стержня и изготовленный из пористого проницаемого материала, причем боковая поверхность выступа покрыта полупроницаемой мембраной или слоем непроницаемого материала, стержень имеет форму параллелепипеда, в боковой грани которого между торцами выполнены пазы, образующие параллельные ребра и присоединенное к ним основание, совмещенное противоположной гранью, выступ соединен с основанием на противоположной грани, а мембранный элемент дополнительно содержит перемычки в форме пластин или стержней, расположенных на боковой грани параллелепипеда с выполненными в ней пазами поперечно ребрам и соединенных с ними, причем перемычки покрыты полупроницаемой мембраной или выполнены из непроницаемого материала. Дополнительно этому в выступе со стороны торца выполнено глухое осевое отверстие. Предлагаемый мембранный элемент имеет форму параллелепипеда, выполненного из пористого проницаемого материала. В силу этого грани параллелепипеда, параллельные оси, совпадающей с наибольшим линейным размером, являются боковыми, а поперечные ей - торцевыми. Параллельные плоские пазы (паз) придают параллелепипеду более сложную форму в поперечном основной оси сечении он имеет форму гребенки, образованной параллельными ребрами, соединенными с общим основанием. Каждое из ребер имеет форму плоской удлиненной пластины. Поперечные ребрам перемычки соединяют их и выступают над гранью, в которой выполнены пазы (паз). Штуцер - выступ соединен с основанием со стороны, ограничивающей основание грани, т.е. расположен поперек основной оси параллелепипеда. Указанные конструктивные части предлагаемого мембранного элемента определяют его внешнюю форму, а также форму его основы, выполняющей роль подложки, на которую нанесен тонкий полупроницаемый слой - полупроницаемая мембрана. Основа - это пористый проницаемый материал. Вся основа покрыта полупроницаемой мембраной. В силу этого поверхность предлагаемого мембранного элемента (за исключением указанных ниже ограничений) покрыта полупроницаемой мембраной. Выполнение паза (пазов) в параллелепипеде увеличивает площадь, покрытую мембраной, а значит, номинальную площадь фильтрации элемента. Чем больше пазов, ребер в заявленном элементе, тем больше номинальная площадь фильтрации. Основа придает мембранному элементу необходимую конструктивную прочность, обеспечивает сбор и вывод прошедшей через мембрану компоненты текучей среды. Увеличение числа пазов, ребер ограничено конструктивной прочностью мембранного элемента. Поперечные перемычки придают ребрам необходимую прочность, жесткость, долговечность. Так, при наличии перемычек в параллелепипеде можно выполнить больше углубленных пазов без существенного снижения прочности и долговечности мембранного элемента, а значит, увеличить номинальную площадь фильтрации. 1303 Выступ выполнен так же, как и основание из пористого проницаемого материала. Размеры выступа обеспечивают необходимую конструктивную прочность для выполнения его основных функций - для закрепления мембранного элемента в мембранном устройстве (ячейке,модуле, аппарате) и для вывода прошедшей через мембрану компоненты среды из дренажной области, образованной основанием и ребрами. Покрытие боковой поверхности выступа слоем непроницаемого материала незначительно уменьшает (в сравнении с параллелепипедом (с пазами площадь фильтрации, а в то же время при соединении мембранного элемента с разделительной стенкой мембранного устройства улучшает и упрощает герметизацию, повышает надежность соединения. Непроницаемый слой, нанесенный на пористую основу перемычки (так же, как и выполнение перемычки из непроницаемого материала), незначительно уменьшает площадь фильтрации элемента и в то же время обеспечивает возможность дополнительного контакта мембранного элемента со стенками мембранного устройства и/или стенками других мембранных элементов, предотвращает разрушение мембраны в точках контакта и повышает надежность работы мембранного элемента. Наличие перемычек позволяет,с одной стороны, увеличить число ребер (пазов), а с другой, сохранить или повысить рабочее давление, что способствует росту производительности заявляемого мембранного элемента. Форма и расположение элементов конструкции мембранного элемента также способствуют сохранению высоких эффективной площади фильтрации элемента и производительности за счет формирования и/или сохранения режима тангенциальной фильтрации. Выполнение выступа на боковой грани параллелепипеда позволяет при закреплении мембранного элемента обеспечивать параллельное его расположение относительно разделительной стенки мембранного устройства и с зазором относительно последней, что не создает препятствий потоку среды и формирует режим тангенциальной фильтрации. Выполнение основной части мембранного элемента в форме параллелепипеда позволяет устанавливать мембранные элементы в мембранных устройствах (особенно в мембранных модулях и аппаратах) на фиксированных расстояниях друг относительно друга, что обеспечивает возможность выбора оптимальных по размерам зазоров для формирования тангенциальных потоков вдоль стенок с обеспечением однородности режимов фильтрации вдоль них. При этом перемычки могут служить для выставления фиксированных зазоров между элементами (стенками) в мембранном устройстве. Ребра сохраняют направление движения тангенциального потока вдоль параллелепипеда и формируют параллельные тангенциальные потоки в пазах. Размеры ребер, пазов выбирают из условия формирования режима тангенциальной фильтрации. Выполнение мембранного элемента из керамики обеспечивает возможность его эксплуатации в сложных режимах перепада давлений и температур. Однако в отдельных случаях эксплуатации при невысоких температурах непроницаемый для текучей среды слой может быть выполнен из полимерного материала, что упрощает технологию изготовления мембранного элемента. Фиг. 1-7 иллюстрируют конструкцию предлагаемого мембранного элемента. На фиг. 1 изображен вид спереди предлагаемого мембранного элемента, на фиг. 2 изображен его вид сверху, на фиг. 3 - разрез по А-А. Фиг. 4 поясняет конструкцию выступа (увеличенный разрез,обозначенный как выносной элемент Б). Фиг. 5 иллюстрирует взаимное расположение мембран, непроницаемого слоя и пористого дренажного тела на участке между выступом и пазами (увеличенный разрез, обозначенный как выносной элемент В). Фиг. 6 иллюстрирует конструктивное выполнение поперечных перемычек и взаимное расположение при этом мембраны, непроницаемого слоя и пористого тела (увеличенный разрез, обозначенный как выносной элемент Г). Фиг. 7 иллюстрирует конструкцию перемычки (сечение по Б-Б). Фиг. 8 иллюстрирует вариант выполнения мембранного элемента, у которого выступ изготовлен без осевого отверстия и покрыт полупроницаемой мембраной (осевой разрез). Фиг. 9 иллюстрирует вариант выполнения мембранного элемента, у которого перемычки изготовлены из непроницаемого для текучей среды материала (сечение по А-А, увеличено). 4 1303 Заявляемый мембранный элемент выполнен в форме параллелепипеда 1, например, прямоугольного, у которого длина превышает ширину и толщину, и выступа 2 в форме цилиндра или усеченного конуса, соединенного основанием с одной из боковых граней параллелепипеда 1. В параллелепипеде 1 в одной из боковых граней выполнены плоские пазы 3, параллельные друг другу и проходящие от одной торцевой грани к другой. Пазы 3 выполнены в боковой грани, противоположной той, на которой расположен выступ 2. Пазы 3 разделяют параллелепипед 1 на параллельные друг другу плоские ребра 4 и соединенное с их боковыми торцами основание 5, ограниченное с одной стороны пазами 3 и ребрами 4, а с других - гранями параллелепипеда 1, причем одна из боковых граней полностью совмещена с основанием 5. Ребра 4 соединены с поперечными им перемычками 6, расположенными на боковой грани параллелепипеда 1. Перемычки 6 выполнены в форме пластин или стержней. Ребра 4, основание 5, перемычки 6, выступ 2 выполнены из пористого проницаемого материала и образуют основу 7 мембранного элемента (фиг. 2, 3), выполняющую функцию дренажного тела. Основа 7 покрыта на всех гранях параллелепипеда 1, на поверхностях пазов 3 (ребер 4), перемычек 6 полупроницаемой мембраной 8, а на боковой стороне выступа 2 - непроницаемым для текучей среды слоем 9. При этом один из торцов выступа 2 соединен с основанием 5, а в другом его торце выполнено глухое отверстие 10. Перед началом работы мембранный элемент герметично закрепляют выступом 2 на разделительной стенке рабочей камеры мембранного аппарата. Элементы конструкции мембранного аппарата на фигурах не показаны. Мембранный элемент работает следующим образом. Поток текучей среды прокачивают вдоль мембранного элемента тангенциально боковым граням параллелепипеда 1 в направлении от одной его торцевой грани к другой. При этом часть потока проникает в пазы 3 и разделяется ребрами4 на параллельные потоки, движущиеся тангенциально стенкам ребер 4. Прошедшая через мембрану 8 компонента текучей среды (пермеат) проникает в пористую(дренажную) основу 7 ребер 4, основание 5, мигрирует в выступ 2 и выводится через его торец на противоположную сторону разделительной стенки мембранного устройства. Не прошедшая через полупроницаемую мембрану компонента текучей среды (концентрат) выводится из пазов 3 и с поверхностных областей боковых граней параллелепипеда 1 у второго торца параллелепипеда 1. В процессе разделения обеспечивается режим тангенциальной фильтрации, осуществляемый преимущественно боковыми гранями параллелепипеда 1 и ребрами. Торцевые грани параллелепипеда 1, благодаря пазам 3, не оказывают существенного сопротивления текучей среды, площадь их значительно меньше площади боковых граней. Расположение выступа 2 на боковой грани (на основании 5) улучшает условия перемешивания текучей среды на выходном торце параллелепипеда 1. В силу указанных особенностей в процессе фильтрации обеспечивается высокая эффективная площадь фильтрации и высокая производительность мембранного элемента. Перемычки 6 выполнены из пористого проницаемого материала и могут быть полностью покрыты полупроницаемой мембраной 8 или не проницаемым для текучей среды слоем материала 9, либо частично мембраной 8, частично не проницаемым для текучей среды слоем материала 9. При этом расположение участков, покрытых мембраной 8 и слоем 9, определяется особенностями эксплуатации мембранного элемента. Как правило,слоем непроницаемого материала 9 покрывают участок поверхности, параллельный боковой грани параллелепипеда, на которой размещены перемычки 6. Выполнение перемычек из пористого проницаемого материала и покрытие ее или ее части полупроницаемой мембраной 8, равно как и покрытие боковой поверхности выступа 2 полупроницаемой мембраной 8, увеличивает номинальную площадь фильтрации. В процессе работы эффективная площадь фильтрации на этих участках, как правило, уменьшается. Поэтому покрытие указанных участков непроницаемым слоем 9, равно как и выполнение перемычек 6 из непроницаемого материала при длительной работе, не оказывает существенного влияния на эффективную площадь фильтрации элемента и его производительность. Работа устройства при 5 1303 выполнении указанных участков выступа 2 и перемычек 6 из непроницаемого материала и/или полупроницаемой мембраны фактически не отличается от вышеописанного варианта. Минимальное число пазов 3, обеспечивающих создание ребер 4, равно одному. Выполнение большего числа пазов 3 (равно как и образование ребер 4) ограничено прочностными характеристиками основы 7 и размерами параллелепипеда 1, числом перемычек 6. В процессе работы мембранного элемента перемычки 6 незначительно турбулизируют поток в области соединения с боковой гранью, что, с одной стороны, способствует сохранению эффективной площади фильтрации на перемычках 6 при нанесении на них полупроницаемой мембраны 8, а с другой - ограничивает число перемычек 6, поскольку большое их количество может вызвать турбулизацию всего потока и нарушение режима тангенциальной фильтрации. Минимальное число перемычек 6 - две, поскольку две перемычки могут обеспечить увеличение жесткости конструкции на участке между ними. Максимальное число перемычек 6 зависит также от размеров элемента, материала основы,необходимой конструктивной прочности элемента и технологии его изготовления. Выполнение глухого осевого отверстия 10 в выступе 2 ускоряет выход прошедшей через мембрану 6 компоненты текучей среды из дренажной области элемента, что способствует росту производительности. Форма выступа 2 должна обеспечивать герметичное закрепление мембранного элемента на разделительной стенке мембранного устройства. Выступ может быть выполнен в форме цилиндра, усеченного конуса, соединенного большим основанием с боковой гранью, другой формы, например, цилиндра с буртиком и т.п. Основа 7, полупроницаемая мембрана 8, непроницаемый слой 9 могут быть выполнены из пористой керамики, пластмассы, другого материала. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7