Мембранное устройство
Полезная модель относится к области водоподготовки и водоочистки, а именно к оборудованию, используемому в фильтровальных установках, работающих на основе рулонных обратноосмотических или нанофильтрационных мембран. Предлагается мембранная установка, включающая в себя из фильтродержатели, с установленными внутри рулонными мембранными элементами, которые оснащены торцевыми крышками и связаны с трубопроводами ввода обрабатываемой жидкости и вывода фильтрата и концентрата, насосы, микрофильтры и вспомогательного оборудования, которая дополнительно оснащена двумя дополнительными мембранными элементами бытового класса, один из которых устанавливается параллельно головному рабочему модулю на трубопроводе исходной воды, а второй - последовательно относительно хвостового мембранного элемента на трубопроводе вывода концентрата. Использование предлагаемого решения позволяет: - определять характер загрязнений и разрабатывать программы по их удалению в превентивном режиме, поскольку бытовые элементы можно будет подвергать анализу уже на ранних сроках эксплуатации оборудования и оперативно получать информацию о характере загрязнений; - резко сократить издержки, связанные с заменой промышленных мембранных элементов и простоями основного оборудования; - существенно снизить расходы, ассоциированные с проведением аутопсии и анализов, поскольку габариты и стоимость бытовых элементов в несколько раз меньше, чем у их промышленных аналогов, повысить межрегенерационный цикл в 3-5 раз.
Полезная модель относится к области водоподготовки и водоочистки, а именно к оборудованию, используемому в фильтровальных установках, работающих на основе рулонных обратноосмотических или нанофильтрационных мембран.
В настоящее время фильтровальные установки на основе рулонных обратноосмотических (ОО) и нанофильтрационных (НФ) мембран находят широкое применение в практике в связи с высокой эффективностью очистки и относительной дешевизной используемого оборудования как самостоятельно, так и в качестве элемента более сложных комплексных систем. Конструкции установок НФ и ОО отличаются лишь типом используемых мембран и рабочим давлением исходного раствора. Установки ОО собираются из большого числа одиночных мембранных элементов, устанавливаемых по определенным схемам. При этом мембранные элементы, помещенные в корпуса-фильтродержатели, представляют собой единый базовый элемент-модуль. (Б.Е. Рябчиков "Современная водоподготовка", М., ДеЛи плюс, 2013, с.204)
В частности, известна система очистки воды (US 4808287, 1988), включающая в себя фильтр предварительной очистки, два фильтра с активированным углем, 1-5-микронный фильтр и два модуля обратного осмоса, работающие под давлением около 28 атм. Указанный комплекс устройств отличается сложностью, связанной с необходимостью создания относительно высоких давлений, недостаточной эффективностью и малой надежностью.
Стандартные ОО и НФ установки состоят из мембранных модулей, насосов, микрофильтров, трубопроводов обвязки, запорно-регулирующей арматуры, средств КИПиА. Мембранные модули (RU 125881, 2011) содержат фильтродержатели, с установленными внутри рулонными элементами, которые оснащены торцевыми крышками и штуцерами ввода обрабатываемой жидкости и вывода пермеата и концентрата. Внутри фильтродержателей установлены рулонные элементы (Пантелеев А.А., Рябчиков Б.Е., Хоружий О.В., Громов С.Л., Сидоров А.Р. - Технологии мембранного разделения в промышленной водоподготовке - М., ДеЛи плюс, 2012, Рис.3.49 стр.102).
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому решения является мембранная установка (Б.Е. Рябчиков "Современная водоподготовка", М., ДеЛи плюс, 2013, с.204-206) в состав которой входят катриджный микрофильтр, насос, мембранный модуль, трубопроводы подачи воды, отвода пермеата (фильтрата) и концентрата, а также вспомогательные элементы (регулировочные вентили, контрольно-измерительные приборы и средства автоматизации (КИПиА)).
Недостатком таких установок является формирование в процессе эксплуатации на поверхности рулонных мембранных элементов отложений, которые в головных элементах состоят главным образом из взвешенных в обрабатываемой жидкости нерастворимых твердых частиц и коллоидов, а в хвостовых элементах - из малорастворимых соединений, образующихся в процессе кристаллизации из пересыщенных растворов. Такое осадкообразование приводит к резкому снижению производительности мембранной установки или качества очистки. Если не принимать специальных мер, то отложения на поверхности мембран накапливаются в процессе эксплуатации постепенно и способны формировать такие осадки, для удаления которых приходится разрабатывать специальные программы химической мойки, подбирая реагенты и определяя условия для их применения. Причем для проведения работ по подбору реагентов надо выключать действующую установку, извлекать из нее мембранные элементы, заменяя их новыми, а извлеченные элементы подвергать вскрытию и анализировать образовавшиеся депозиты. Как правило, в мембранных модулях, применяемых для промышленных установок, используются от 5-ти до 8-ми т.н. 8-и дюймовых мембранных элементов (диаметром 200 мм и длиной 1000 мм). С учетом того, что стоимость каждого из таких элементов может составлять от 300 до 1000 долларов США (а их совокупность - 20-25% от стоимости всей мембранной установки), а также убытков от простоя оборудования во время операций по замене мембранных элементов и выводу установки на рабочий режим, такие мероприятия сопряжены с ощутимыми затратами для потребителя.
Задачей, решаемой авторами, являлась разработка модифицированной схемы установки, которая позволяла бы заблаговременно фиксировать образование значительного количества отложений, определять природу загрязнений и разрабатывать мероприятия по их устранению.
Техническая задача состоит в оснащении установки дополнительными элементами, контроль за состоянием которых позволит оптимизировать параметры ее эксплуатации - увеличить межпромывочные интервалы и повысить качество очистки воды.
Технический результат достигался оснащением мембранной установки, содержащей фильтродержатель мембранного модуля, с установленными внутри рулонными мембранными элементами, оснащенный торцевыми крышками и связанный с трубопроводами ввода обрабатываемой жидкости и вывода фильтрата и концентрата, насос, микрофильтр и вспомогательное оборудование -регулировочные вентили, контрольно-измерительные приборы и средства автоматизации (КИПиА), двумя дополнительными мембранными элементами бытового класса, один из которых устанавливается параллельно головному рабочему модулю на трубопроводе исходной воды, а второй - последовательно относительно хвостового модуля на концентратном трубопроводе. В качестве мембранных элементов бытового класса используют элементы обладающие селективностью по NaCl не ниже, чем 50% (при рабочем давлении до 0,5 МПа, температуре 25 С и концентрации NaCl в исходном растворе 500 мг/дм3), способные работать при расходах исходной воды до 0,45 м3/ч в максимально широком диапазоне значений pH, например, типов Filmtec TW30-1512 или Filmtec TW30-1812, производимые компанией Dow Chemical диаметром 38-45 мм и длиной около 305 мм, (стоимость таких элементов составляет 12-30 долларов США).
Применение данных достаточно дешевых элементов позволяет проводить контроль состояния поверхности мембран рабочей установки без вывода ее из эксплуатации и разборки путем анализа количества и природы осадка, образовавшегося в указанных выше узлах.
На фиг.1 и фиг.2 показана принципиальная схема установок нанофильтрации и обратного осмоса с рулонными элементами [Пантелеев А.А., Рябчиков Б.Е., Хоружий О.В., Громов С.Л., Сидоров А.Р. - Технологии мембранного разделения в промышленной водоподготовке - М., ДеЛи плюс, 2012, Рис.5.10 стр.215; Б.Е. Рябчиков "Современная водоподготовка", М., ДеЛи плюс, 2013, с.204-206)], на фиг.3 - схема заявляемой установки с использованием мембранных элементов бытового класса. При этом используются следующие обозначения: 1 - корпус фильтродержателя (КФД); 2 - торцевая крышка фильтродержателя; 3, 4, 5 - мембранные элементы (3 - головной, 5 - хвостовой); 6 - пермеатоотводящая трубка; 7 - соединительная втулка типа "Interconnector"; 8 - насос; 9 - трубопровод ввода обрабатываемой жидкости (ТВО); 10 - трубопровод вывода очищенной жидкости (пермеата, фильтрата) (ТВФ); 11 - трубопровод вывода концентрата (ТВК), 12 - микрофильтры (МФ); 13 и 14 - мембранный элемент бытового класса (МЭБ); 15-запорно-регулирующие вентили (ВНТ).
Установка работает следующим образом. Очищаемая вода прокачивается насосом 8 через катриджный микрофильтр 12 по трубопроводу 9 в фильтродержатель мембранного модуля и параллельно в мембранный элемент бытового класса Filmtec TW30-1812 13. При помощи вентиля 15 давление в линии с Filmtec TW30-1812 ограничивается пределом, допустимым для корпуса, в который помещен элемент 13. Из элемента 13 очищенная вода поступает в трубопровод 10, а концентрат в трубопровод 11. После прохождения мембранных элементов 3-5 мембранного модуля пермеат по трубопроводу 10 поступает потребителю, а концентрат из хвостового мембранного элемента 5 поступает в трубопровод 11 и, частично, в мембранный элемент бытового класса Filmtec TW30-1812 14, а оттуда в трубопровод 11.
При помощи вентиля 15 давление в линии с Filmtec TW30-1812 ограничивается пределом, допустимым для корпуса, в который помещен элемент 14.
Через 3-8 недель после запуска установки в эксплуатацию с помощью вентилей 15 в мембранные элементы 13 и/или 14 отключаются (не отключая установки в целом), извлекаются и подвергаются анализу на предмет количества и природы накопившихся загрязнений, на основе чего вносятся коррективы в режим работы установки и выбираются оптимальные методы ее промывок. К проведению подобного рода операций можно прибегать в любой период эксплуатации для контроля работы установки, например, в периоды сезонных колебаний качества исходной воды, при внесении изменений в технологию предподготовки воды перед обратным осмосом или нанофильтрацией, при переходе на новые источники водоснабжения и т.д.
Использование предлагаемого решения позволяет:
- определять характер загрязнений и разрабатывать программы по их удалению в превентивном режиме, поскольку бытовые элементы можно будет подвергать анализу уже на ранних сроках эксплуатации оборудования и оперативно получать информацию о характере загрязнений;
- резко сократить издержки, связанные с заменой промышленных мембранных элементов и простоями основного оборудования;
- существенно снизить расходы, ассоциированные с проведением аутопсии и анализов, поскольку габариты и стоимость бытовых элементов в несколько раз меньше, чем у их промышленных аналогов;
- повысить межрегенерационный цикл при обработке стоков с 8-12 часов до 5-7 дней.
1. Мембранное устройство, включающее в себя фильтродержатель мембранного модуля, с установленными внутри рулонными мембранными элементами, оснащенный торцевыми крышками и связанный с трубопроводами ввода обрабатываемой жидкости и вывода фильтрата и концентрата, насос, микрофильтр, регулировочные вентили, контрольно-измерительные приборы и средства автоматизации, отличающееся тем, что оно оснащено двумя дополнительными мембранными элементами бытового класса, один из которых устанавливается параллельно головному рабочему модулю на трубопроводе исходной воды, а второй - последовательно относительно хвостового мембранного элемента на трубопроводе вывода концентрата.
2. Мембранная установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве мембранных элементов бытового класса используют элементы, обладающие селективностью по NaCl не ниже чем 50% при рабочем давлении до 0,5 МПа, температуре 25°С и концентрации NaCl в исходном растворе 500 мг/дм3, способные работать при расходах исходной воды до 0,45 м3/ч.
