Кавитационный мембранный аппарат

Кавитационный мембранный аппарат

Идея аппарата относится к области разделения суспензий промышленного, сельскохозяйственного и бытового назначения и может быть использовано в различных отраслях промышленности.

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

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

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

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

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является реверсивный мембранный механизм [Патент 2142330 (Российская Федерация), МКИ В01D63/00, 63/16 Реверсивный мембранный аппарат / , , - Заявл. 20.07.98, № 000/12, опубл. в Б. И., 1999, № 34], содержащий трубчатый пористый каркас с уложенной на его внутренней поверхности на подложке полупроницаемой мембраной, причем внутри каркаса расположен очистительный элемент, установленный с возможностью возвратно-поступательного движения и выполненный из эластичного материала, торцевые части которого повторяют конфигурацию внутренней поверхности штуцеров, при этом средняя часть очистительного элемента имеет углубление, торцевая поверхность которого выполнена в форме усеченного конуса, и в продольном сечении элемент имеет вид зеркально отображенной стрелы, при этом на концах каркаса установлены конусообразные штуцера, соединенные с клапанами и связанные между собой трубой.

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

Поэтому технической задачей является повышение эффективности разделения жидкости за счёт увеличения силы воздействия на примембранный высококонцентрированный слой продукта, степени турбулизации потока при повышении концентрации сухих веществ в растворе и увеличении его вязкости, а также расширение области применения.

Для реализации данной задачи предложен кавитационный мембранный аппарат (рис. 1-2), который содержит каркас 1, выполненный в виде последовательно расположенных конфузора 2 и двух диффузоров 3 и 4, причём последний диффузор выполнен в виде металлокерамической полупроницаемой мембраны и имеет меньший угол наклона относительно предыдущего. Внутри каркаса 1, в его диффузорной части, расположен очистительный элемент 5, выполненный с возможностью совершения возвратно-поступательного движения, представляющий собой ряд последовательно расположенных кавитаторов 6 конусообразной или куполообразной формы, увеличивающихся по мере увеличения диаметра диффузора 4 и соединённых между собой пружинами 7, закреплённый на штоке 8, выполненным с возможностью осевого перемещения посредством винтовой передачи 9, причём большее основание кавитаторов 6 направлено в сторону выхода из мембранного аппарата, при этом задаёмся диаметром основания первого кавитатора по ходу движения исходного раствора. А диаметр второго кавитатора определяется исходя из расчётной схемы (рис. 3) следующим образом

Примем, что .

Выразим АС из треугольника АВС

, отсюда

.

Выразим ВС из треугольника АВС

.

Диаметр кавитатора определяется по формуле

,

тогда подставляя выражение для ВС, с учётом выражения для АВ, получим

.

Преобразуя последнее выражение получим

.

Диаметры всех остальных кавитаторов (рис. 4) определяются из соотношения

,

где         – диаметр i-го кавитатора, мм; – расстояние между соседними кавитаторами, мм, ; – угол раствора диффузора, град.

Количество кавитаторов 6 зависит от физико–химических свойств исходных растворов.

Закрепление очистительного элемента 5 на штоке 8 с возможностью перемещения в ту или иную сторону вызвано необходимостью регулировки режима работы устройства в зависимости от исходных свойств продукта (в основном от структурных и реологических его характеристик) в начальный период. А жёсткость пружин 7 обеспечивает необходимые расстояния между кавитаторами 6, в зависимости от давления жидкости и вязкостных свойств продукта, изменяющихся по длине мембраны.

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

Предложенный кавитационный мембранный аппарат работает следующим образом.

Перед началом работы кавитационного мембранного аппарата с помощью осевого перемещения штока 8 устанавливается в зависимости от исходных свойств продукта положение очистительного элемента 5 в виде блока кавитаторов 6.

Исходный раствор, предназначенный для обработки, через патрубок 10 подаётся в кавитационный мембранный аппарат под рабочим давлением (например, 5-10 МПа) и поступает в конфузор 2, в котором происходит увеличение скорости его движения, а затем поступает в два последовательно расположенных диффузора 3 и 4, в которых обеспечивается сглаживание пульсационных давлений и создаются условия для более плавного его течения и обтекания вокруг кавитаторов 6. По мере обтекания раствора вокруг каждого кавитатора 6 происходит турбулизация пограничного слоя у поверхности металлокерамической полупроницаемой мембраны и срыв его в середину потока с возникновением в разделяемом растворе кавитации (рис. 5) путём образования и схлопывания пузырьков, обеспечивающих дополнительные импульсные воздействия на примембранный слой продукта и способствующие снижению уровня концентрационной поляризации. Кроме этого, пузырьки, оказывая силовое воздействие за счёт энергии их схлопывания на осевшие и прилипшие к поверхности мембраны высокомолекулярные частицы продукта, а также частицы, находящиеся на входе и внутри капилляра, отрывают их от поверхности, после чего частицы уносятся с потоком разделяемой жидкости.

Причём с изменением вязкости продукта происходит изменение скорости потока и, соответственно, расстояния между кавитаторами 6, которое автоматически регулируется жёсткостью соединяющих их пружин 7.

По мере движения раствора в аппарате происходит его разделение, часть которого проходит через мембрану и выводится наружу в виде фильтрата. Вывод концентрата осуществляется через патрубок 12.

Предложенный кавитационный мембранный аппарат позволяет:

- повысить эффективность разделения жидкости;

-увеличить силу воздействия на примембранный высококонцентрированный слой продукта;

- увеличить степень турбулизации потока при повышении концентрации сухих веществ в растворе и увеличении его вязкости;

Рис.2 трехмерная модель кавитационного мембранного аппарата

- расширить диапазон использования аппарата, с целью его использования для процессов эмульгирования, диспергирования и гомогенизации.

Рис. 1 Поперечный разрез кавитационного мембранного аппарата

Рис.3 расчётная схема для определения диаметра кавитатора

Рис. 4 Расчётная схема для определения i – того количества диаметров

кавитаторов

Рис.5 Схема работы аппарата