2. Мембранні елементи і апарати з плоскими мембранами

Плоский фільтрувальний елемент складається з дренажної основи, з однієї чи обох боків якої розташована напівпроникна мембрана. Дренажна основа може складатися з однієї чи двох опорних пластин, в яких виконані канали для відведення пермеату і дрібнопористої підкладки, яка зберігає форму та структуру мембрани, що працює під тиском. Для процесів ультрафільтрації, первапорації і мембранної дистиляції, коли градієнт тиску в напірному та дренажному каналах не перевищує 0,3 МПа, цими каналами можуть бути пустоти в полімерній сітці об'ємного плетення, яка розташовується з обох боків полімерної мембрани, утворюючи напірний і дренажний канали плоского фільтрувального елемента (касета).

Опорні пластини виготовлюються з пластмаси, дренажні - з полімерних сіток, тканин, підкладки-з паперу, тканин тощо [11].

Фільтрувальний елемент круглої форми апарату фірми "Аероджет Дженерал Корпорейшен" складається з пористого диска 1, на якому з боків сторін розташований оброблений смолою фільтрувальний папір Нетон 5, № 2602 і напівпроникна мембрана 2. Краї мембрани по внутрішньому периметру склеюються (рис. 11.5а).

Внутрішній вузол перетікання розчину, що розділяється, з одного напірного каналу в сусідній виконано в зоні напірного каналу і є зазор між поверхнею фільтрувального елементу по його внутрішньому периметру і втулкою 4. Мембрани по внутрішньому периметру герметизуються взаємним склеюванням, по зовнішньому периметру-за допомогою прокладок. Зовнішній вузол перетікання розчину, що розділяється, виконано у формі отворів по периферії проміжного диску 3.

У другому варіанті фільтрувальний елемент складається з двох пластмасових дисків 2,3 товщиною 1,5мм, в кожному з яких виконані перпендикулярно до радіуса наскрізні щілини 1 шириною 0,25 мм, з'єднані радіальним пазом 4 (рис. 11.5, б). Щілини 1 розташовані по сторонах правильного восьмикутника. Із зовнішнього боку кожного диска є поглиблення, в яких розташовані дрібнопористий дренаж (фільтрувальний папір) і мембрана. Поглиблення в дисках забезпечує утворення напірного каналу, в якому рухається розчин, що розділяється. У цій конструкції апарата обидва вузли перетікання розчину винесені із зони напірного каналу: зовнішній перетік організований за допомогою корпуса 7 через пази в опорному диску 2, внутрішній - через співвісні отвори 5 в обох опорних дисках 2,3 . Взаємна герметизація напірних каналів і колектора для виділення пермеату забезпечується двома ущільнюючими кільцями 8. Вертикальні канали 9 відводять розчин, що проникає з напірних каналів, через кільця 8 . Вузол для виділення пермеату виконано у вигляді центрального пустотілого стяжного болта 6, в стінках якого виконані щілини.

Фільтрувальний елемент круглої форми фірми ДЦС складається з двох опорних дисків 8,9 з поліоксіметилену, кожний з яких має наскрізні щілини трапецієвидної форми (рис. 11.6а). Опорні диски накладаються один на одного з взаємоперпендикулярним розташуванням щілин. Диски з'єднуються між собою шляхом одягання на них по внутрішньому і зовнішньому периметрах спеціальної форми кілець, а з обох боків дренажної основи розташовують послідовно фільтрувальний папір 4 і мембрану 5. Конструкції вузлів перетікання розчину, що розділяється, в цьому апараті такі ж, як і в апараті, показаному на рис. 11,5а.

На поверхні опорної пластини фільтрувального елементу еліптичної форми виконані поглиблення 7 для відведення пермеату від внутрішньої поверхні мембрани і переточні отвори 8 (рис. 11.66). Вузол перетікання в цьому апараті виконано у вигляді двох роз'ємних кілець 4 і 5. Кільце 4 має виступи 6, між якими при з'єднанні цих кілець утворюються канали для протікання розчину. Герметизація напірних каналів по внутрішньому периметру здійснюється притисканням мембран до поверхні опорного диска 3 гладкими боками кілець 4 і 5, по зовнішньому-взаємним ущільненням матеріалів мембрани і опорного диска при пропусканні через зібраний апарат гарячої води при температурі 80°С.

Відведення пермеату в усіх конструкціях апаратів фірми ДДС здійснюється від кожного фільтрувального елементу через трубки в збірний колектор.

Один із фільтрувальних елементів фірми "Рон-Пуленк" складається з опорної пластини 1, в якій закріплена сітка 4 і дрібнопористий дренаж 5. На опорній пластині розташовано фільтрувальний папір 6 і мембрана 7 (рис. 11.7, а).

У фільтрувальному елементі, який зображено на рис. 11.7, б, мембрана 3 кріпиться за рахунок пружності матеріалу розпірної втулки 4.

Фільтрувальний елемент, який зображено нарис. 11.7в, складається з двохопорних пластин 2 і 3, розділених рамкою 7. У пластинах виконані отвори 4 для відведення пермеату від мембрани 1 через дрібнопористий дренаж 5, виготовлений з паперу, обробленого фенолформальдегідною смолою. Мембрана герметизується за допомогою клейкої стрічки 6 .

У конструкціях ультрафільтраційних елементів опорна пластина складається з двох однакових фасонних елементів 6 і 8, одержаних штампуванням з тонкого листового металу (рис. 11.7г). Елементи з'єднуються замком 1. З обох боків опорної пластини розташовується дрібно-пористий дренаж 7 і мембрана 9.

Переточний отвір у фільтрувальному елементі герметизується прокладкою 3, дренажні канали - прокладками 4,5.

Виведення пермеату в усіх конструкціях апаратів здійснюється від кожного фільтрувального елемента через трубки у збірник-колектор.

Ф ірмою "Юнівесел Ойл Продактс Корпорейшен" розроблено механізований спосіб виробництва плоских фільтрувальних елементів прямокутної форми з нанесенням мембрани на пористу стрічку , яка безперервно рухається, а також апарати на їх основі (рис.11.8а). Перед нанесенням мембрани в стрічці пробивається отвір 5. Навколо отвору стрічка проклеюється і відрізається по лінії 6.

Блок фільтрувальних елементів фірми "Дорр-Олівер" складається з паралельно розташованих дренажних пластин 1, жорстко зв'язаних між собою розпірною пластиною 3 (рис. 11.86). Верхня частина дренажних пластин виведена в камеру 4 для збирання пермеату, вся інша поверхня покривається шаром мембрани. Такі блоки послідовно встановлюються в напірний корпус 2 прямокутного перерізу.

Фільтрувальний елемент фірми "Емерейс Корпорейшен" складається з крупнопористого елемента 2, в якому виконані повздовжні канали 1 трапецієвидної форми (рис. 11,8в). 3 обох сторін елемента 2 розташовані: дрібнопориста прокладка 3 і мембрана 4.

Однією з економічно виправданих конструкцій мембранних апаратів є безкорпусні апарати з плоскими фільтрувальними елементами крутої форми . Такі апарати відрізняються високою технологічністю при виготовленні, збиранні і розбиранні, надійною герметизацією нагарних і дренажних каналів при меншій у порівнянні з апаратами з прямокутними фільтрувальними елементами силі стискання пакету елементів. Основний недолік таких апаратів - наявність перегінних вузлів у зоні напірних каналів, які збільшують їх загальний гідравлічний опір. Коефіцієнт гідравлічного опору перетічних пристроїв може досягати ξ =2,5. Тому такі апарати доцільно експлуатувати в ламінарних режимах течії розділюваного розчину.

Принципова схема мембранного апарату з плоскими фільтрувальними елементами круглої форми наведена на рис. 11.9. Розділюваний розчин 4 подається в перший напірний канал і через вузол перетікання 5 поступає в наступний напірний канал , який утворюється розташуванням проміжного диску 6 між двома фільтрувальними елементами (дренажно-опорний диск 3 і мембрана 2) і виводиться з апарата у формі концентрату 8. Пермеат 7 відводиться від кожного фільтрувального елемента окремо.

З метою збільшення надійності роботи мембранного апарату за схемою 11.9 розроблена конструкція вузла перетікання, виконаного у вигаяді двох кільцевих прокладок 3 і 4, одна з яких має прорізи по внутрішньому периметру (рис. 11.10), а друга - по зовнішньому. При цьому прорізи принаймні в одній прокладці виконані під кутом 30...50° до її радіуса. При накладанні прокладок одна на одну прорізи пе­ретинаються, що утворює надійний перегінний канал.

З метою спрощення процесу збирання - розбирання розроблена конструкція мембранного апарату з плоскими фільтрувальними елементами круглої форми, в якому вузол перетікання розташовано в проміжному диску 1 у вигляді двох циліндричних заглиблень 2, виконаних з обох боків диска, та центрального отвору 6 (рис. 11.11). У циліндричних заглибленнях розташовано дві Т-подібні втулки 3, які скріплені гвинтом 5 і мають перегінні канали 4. Діаметр циліндричних заглиблень перевищує діаметр основи Т-подібної втулки, діаметр її маточини перевищує діаметр центрального отвору, а висота втулки дорівнює висоті циліндричного заглиблення.

З метою підвищення надійності експлуатації мембранного апарата та спрощення процесів збирання-розбирання застосовується конструкція з вузлом перетікання у вигляді двох циліндро-конічних втулок 4, які скріплені гвинтом 2 і повернені циліндричною частиною одна до одної, а конічною - до мембран 3 (рис. 11.12). Перетічні канали 5 розташовані в тілі циліндро-конічних втулок. Загальний вигляд цього апарата наведено нарис.11.13.

Апарат являє собою безкорпусну вертикальну конструкцію, яка складається з чотирьох паралельно з'єднаних секцій по двадцять фільтрувальних елементів в кожній.

Напірні канали в апараті створюються за допомогою проміжних дисків і з'єднані послідовно. Пакет фільтрувальних елементів стискається за допомогою з'ємного гідравлічного пристосування і фіксується в стислому стані стяжними шпилькам. Фільтрувальний елемент складається з дренажно-опорного диска, крупнопористого дренажу (сіточна тканина арт. 56279 ТУ17-УССР 303977), дрібнопористого дренажа (фільтрувальний папір за ГОСТ12026-66) і мембрани. Герметизація напірних каналів по внутрішньому периметру забезпечується циліндро-конічними втулками, по зовнішньому-круглими кільцевими прокладками 330x340x5,8-2-2заГОСТ 9833-73.

Розчин, який поділяєіься, подається паралельно у кожну секцію, починаючи з нижнього напірного каналу, а концентрат виводиться з верхнього напірного каналу кожної секції. Пермеат відводиться від кожного елемента в двох місцях і поступає в загальний трубопровід-колектор.

Одним із недоліків мембранних апаратів з фільтрувальними елементами круглої форми і центральним вузлом перетікання є зменшення лінійної швидкості поділюваного розчину при його протіканні від центра до периферії напірного канала, що не дозволяє збільшити діаметр фільтрувального елемента і його поверхню розділення. З метою усунення цього недоліку в напірних каналах можна розташувати проклад ки спеціальної конфігурації, які забезпечать однакову швидкість руху поділюваного розчину , хоча і зменшать робочу поверхню мембрани і збільшать гідравлічний опір напірного канала. Одна з таких прокладок подана на рис. 11.14.

Рис. 11.13.Загальний вигляд

мембранного апарата із плоскими фільтрувальними елементами круглої форми з вузлом перетікання у вигляді двох циліндро-конічних втулок