Фильтрационный модуль

Изобретение относится к области очистки воды, а именно к устройствам для очистки воды с использованием установок обратного осмоса.

В настоящее время фильтрационные модули на основе рулонных обратноосмотических 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.

В частности, известна система очистки воды (Пат. США № 4808287, 1988, кл. В 01 D 13/00), 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.

В устройстве (Пат. РФ №2162739, 1997, кл. В 01 D 63/02) предлагается усовершенствовать процесс обратного осмоса, помещением в обратноосмотический модуль ряда дополнительных мембранных элементов. Однако предлагаемое решение приводит к образованию значительного числа застойных зон, приводящих к загрязнению получаемой воды микроорганизмами, что исключает использование ее для получения воды повышенной чистоты, пригодной для использования в медицинской, пищевой и фармацевтической промышленности.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому является устройство для получения чистой воды (Пат. РФ №2119377, 1998, кл. B 01 D 61/02), состоящее из корпуса с трубкой и намотанной на нее мембраной, насоса и запорно-регулирующих приспособлений (клапанов), позволяющих менять направление сырой воды, идущей вдоль мембраны, на противоположное. Корпус имеет отверстия для прохода сырой воды, отвода концентрата, отвода чистой воды и отверстия для попеременного входа и выхода воды.

Недостатком данной установки является наличие в корпусе и линии чистой воды (фильтрата) застойных зон, способствующих интенсивному росту микроорганизмов, что ограничивает возможные области применения получаемой воды, в частности, не позволяет или значительно ограничивает использование данной воды в медицине, пищевой и фармацевтической промышленности.

Задачей, решаемой авторами, является создание фильтрационного устройства, в котором наличие застойных зон минимизировано.

При решении указанной задачи исходили из того, что наиболее проблематичным узлом с точки зрения образования застойных зон внутри рулонных обратноосмотических элементов выступает линия сбора отфильтрованной воды (фильтрата), конструктивно представляющая собой перфорированную трубку постоянного поперечного сечения, на которую наматывается полотно обратноосмотической мембраны, причем длина трубки может превышать ширину полотна.

Фильтрат проходит через мембранное полотно, поступает внутрь трубки через тонкие перфорационные отверстия, равномерно распределенные вдоль ширины полотна, а затем отбирается с открытого конца трубки. Трубка открыта с обоих концов или с одного из них, если второй конец заглушен.

Поскольку поступление фильтрата в трубку-сборник происходит через перфорационные отверстия равномерно по всей ширине мембранного полотна, то скорость потока фильтрата вдоль этой собирающей трубки непостоянна и возрастает от практически нулевого значения (застойная зона) до максимальной на открытом конце(ах) трубки.

При отборе фильтрата с обоих концов трубки-сборника область малоподвижной воды формируется в серединной части трубки. В случае же отбора фильтрата с одного конца трубки-сборника, застойная зона формируется вблизи пробки (заглушки), герметично устанавливаемой в этом случае на другой конец трубки. (Введение в конструкцию фильтрационного модуля такой заглушки оправдывается упрощением, удешевлением и повышением надежности работы установки за счет уменьшения длины магистралей и количества запорно-регулирующей арматуры, а также упрощает эксплуатацию всей установки обратного осмоса.)

Было найдено, что поставленная задача при эксплуатации модулей обратного осмоса, состоящих из рулонных обратноосмотических мембран, решается за счет введения в трубку-сборник конструкционных элементов (КЭ), которые позволяют минимизировать или даже полностью исключить вероятность образования застойных зон (источников контаминации) в линии отфильтрованной воды за счет создания по всей длине перфорированной трубки турбулентных потоков воды (в общем случае зависящее от температуры воды, диаметра трубопровода, степени турбулентности потока и др.), двигающихся со скоростью не менее 0.5 м/сек, путем уменьшения внутреннего поперечного сечения (ПВС) трубки вдоль ее длины, от зоны, где течение воды минимально или отсутствует (застойная зона), до места, в котором скорость потока воды достаточна для подавления роста микроорганизмов.

Такое изменение ПВС трубки достигается установкой в ней в качестве конструкционного элемента по крайней мере одного трубчатого или стержневого вкладыша, либо их сочетанием.

Геометрическая форма вкладыша, как правило, выполняется в виде тела вращения с криволинейной или ломанной линией контура боковой поверхности сложного вида. Вкладыш может быть съемным или являться неразъемной частью трубки-сборника. Длина вкладыша, как правило, составляет не менее четверти длины трубки, а диаметр подобран таким образом, чтобы линейная скорость потока вдоль трубки в любой точке составляла, как правило, не менее 0.5 м/сек, что гарантирует отсутствие роста микрофлоры в линии фильтрата модуля.

В качестве стержневого вкладыша используют пространственную конструкцию, состоящую из одного или нескольких стержней, снабженных крепежными приспособлениями, способными, закрепить вкладыш внутри трубки неподвижно. Диаметр стержня(ей) меньше внутреннего диаметра трубки-сборника. Стержень может иметь цилиндрическую, коническую или более сложную геометрическую форму. Стержневой вкладыш, в частности, при отборе фильтрата с одного конца трубки-сборника при заглушенном втором конце может быть смонтирован как составной элемент заглушки.

В качестве трубчатого вкладыша используют, как правило, трубку, снабженную крепежными приспособлениями, способными закрепить вкладыш внутри трубки-сборника неподвижно. Трубка вкладыша может быть перфорированной отверстиями, продольными или поперечными проточками и/или изготовленной из пористого материала, с внутренней конической или более сложной геометрической поверхностью. Она может быть сквозной или заглушенной с одного конца. Внешний диаметр трубчатого вкладыша должен быть меньше внутреннего диаметра трубки-сборника.

Поверхность вкладыша может быть ровной или содержать турбулентообразующие и уплотняющие элементы. В качестве турбулентообразующих элементов используют, например, спиральные направляющие вокруг стержня, позволяющие выполнить стержень в виде винта Архимеда с переменным или постоянным шагом и в виде других аналогичных конструкций, в качестве уплотняющих - кольца из эластичного материала. Материалы, из которых изготавливают съемные элементы, соответствуют требованиям, предъявляемым к материалам установок для получения чистой воды, и имеют сплошную или пористую структуру.

Фильтрационные модули могут состоять из нескольких последовательно соединенных рулонных обратноосмотических элементов (РОЭ). В этом случае обычно устанавливают только один вкладыш-заглушку на один из концов трубки-сборника первого мембранного элемента, обеспечивая, таким образом, необходимую надпороговую (с точки зрения микробиологической чистоты) скорость потока фильтрата по трубкам второго и последующих элементов в цепочке из РОЭ. Если отбор фильтрата в таких многоэлементных модулях производят с обоих концов цепочки РОЭ, то в зависимости от количества мембранных элементов применяют либо стержневые, либо трубчатые вкладыши. Так, для модулей с цепочкой из двух, четырех, шести и т.д. (четное число) РОЭ застойная зона формируется в середине цепочки в месте соединения двух центральных элементов. В этом случае в разрыв между этими элементами устанавливают два вкладыша-заглушки. Если количество мембранных элементов в цепочке нечетно (три, пять и т.д.) и застойная зона формируется в средней части серединного мембранного элемента, то в трубку-сборник фильтрата этого элемента устанавливают трубчатый или стержневой вкладыш без заглушки.

Выбор конкретного конструктивного решения определяется задаваемыми параметрами очистки, особенностями очищаемой жидкости, характеристиками применяемых мембран и мощностью насоса.

Сущность предлагаемой конструкции иллюстрируется следующими чертежами.

На фиг.1 приведена схема фильтрационного модуля установки обратного осмоса со стержневым вкладышем при отборе фильтрата с двух сторон трубки. На фиг.2 приведена схема рулонного обратноосмотического элемента (РОЭ), содержащего стержневой вкладыш-заглушку с переменным ПВС при отборе фильтрата с одного из концов трубки-сборника. На фиг.3 - варианты таких стержневых вкладышей-заглушек. На фиг.4 - варианты используемых стержневых (а, г) и трубчатых (б, в) вкладышей, используемых в модуле при отборе фильтрата с двух сторон трубки. На фиг.5 приведены варианты использования вкладышей в составных модулях, т.е. модулей, состоящих из нескольких последовательно соединенных мембранных элементов, трубки-сборники которых соединяют между собой трубчатыми переходниками, формируя единую линию сбора и отвода фильтрата. При этом на фиг.5а показано использование стержневого вкладыша с заглушкой при отборе фильтрата с одного конца составного модуля, на фиг.5б показано использование двух стержневых вкладышей-заглушек при отборе фильтрата с обоих концов составного модуля, на фиг.5в показано использование стержневого вкладыша при отборе фильтрата с обоих концов составного модуля.

Фильтрационная установка обратного осмоса, как правило, состоит из фильтрационного модуля связанных с ним трубопроводных линий для подачи воды 1, отвода концентрата 2 и отвода очищенной воды (фильтрата) 3, насоса и вспомогательных аппаратуры и оборудования (на схемах не обозначены). Фильтрационный модуль состоит из корпуса 4, внутри которого расположена перфорированная трубка-сборник 5 и мембрана 6 в виде рулона, намотанного на трубку 5, и закрепленная в корпусе с помощью уплотняющих элементов 7.

В качестве мембраны 6 используют, в частности, мембранные ультрафильтрационные элементы, позволяющие очищать воду от пирогенов и частиц размерами от 500 до 100 килоДальтон.

На обоих концах корпуса 4 герметично установлены крышки 8. Крышки имеют центральный канал, диаметр которого соответствует наружным диаметрам концов трубки 5. Каждая крышка 8 оснащена уплотняющими элементами 9 и 10. Внутри трубки 5 расположен вкладыш 11, устанавливаемый внутри трубки с помощью фиксирующих элементов 12. При схеме модуля, обеспечивающей отбор фильтрата с одного из концов (фиг.2), вкладыш выполняется в виде части заглушки 13. Основные варианты используемых заглушек 13 приведены на фиг.3, где изображены: а) конический стержень, б) цилиндрический стержень, в) стержень со спиральной поверхностью (винт Архимеда), г)-е) трубчатые стержни. Конструктивно все заглушки имеют турбулизатор 14, основание 15 и уплотняющие приспособления 16. Основные варианты используемых вкладышей при отборе фильтрата с обеих концов трубки показаны на фиг.4, где изображены: а) стержень с двумя коническими поверхностями из сплошного материала, б) стержень с четырьмя коническими поверхностями 17 из сплошного материала, в) полая трубка из сплошного материала с двумя внутренними коническими поверхностями, имеющая тонкие отверстия и/или прорези (проточки) 18 для отвода фильтрата внутрь вкладыша, г) полая трубка из пористого материала 19 с двумя внутренними коническими поверхностями.

При необходимости трубки 5 соединяются в единую систему с помощью переходников 20 (фиг.5).

Используемые в установке материалы устойчивы к термическому воздействию и воздействию химических реагентов, что дает возможность проводить термическую или химическую санитарную обработку модуля и химическую мойку мембранного элемента в линии фильтрата. Так, заглушка 13 и вкладыш 11 из сплошного материала выполняются, как правило, из полипропилена или фторопласта (ПТФЭ) с полированными поверхностями, а уплотнители 7, 9, 10, 12, 16 - из резины, фторопласта или витона.

Фильтрационный модуль работает следующим образом. Исходная вода под действием насоса через штуцер 1 поступает внутрь корпуса 4 под повышенным давлением и течет вдоль поверхности мембранного полотна внутри рулона РОЭ 6. На мембранном полотне исходная вода разделяется на два потока: фильтрат - очищенную воду и концентрат - воду с повышенным по сравнению с исходной водой содержанием растворенных солей и механических и коллоидных частиц. Концентрат сбрасывается через штуцер 2, а фильтрат, пройдя через мембрану, в конечном итоге собирается в перфорированной трубке-сборнике 5. Во внутреннее пространство трубки 5 фильтрат поступает по всей длине мембранного полотна и выводится наружу через ее торцы.

При отборе фильтрата с обоих концов трубки-сборника 5 (фиг.1) повышенное давление создается в серединной части трубки 5. Установка вкладыша 11, выполненного из сплошного материала, уменьшает ПВС в застойной части трубки и скорость потока фильтрата в этой зоне возрастает до величины, позволяющей также ограничить или полностью исключить развитие микроорганизмов.

При использовании вкладыша 11 из пористого материала фильтрат, проходя через перфорацию трубки 5, затем поступает в поры турбулентообразующего элемента 14 вкладыша, которые, как правило, отличаются от пор трубки 5 меньшим диаметром. Затем фильтрат поступает в его внутренний конический канал, где приобретает повышенную скорость, исключая рост микрофлоры. Применение пористого материала упрощает конструкцию вкладыша и удешевляет изготовление трубчатых вкладышей.

Наличие съемной заглушки 13 на одном из концов трубки-сборника (фиг.2) приводит к неравномерному давлению жидкости в различных частях трубки и разным скоростям потока фильтрата по ее протяжению. Уменьшение ПВС турбулентообразующим элементом 14 в заглушенной (застойной) части трубки позволяет повысить скорость потока фильтрата в этой зоне до величины, позволяющей ограничить или полностью исключить развитие микроорганизмов на внутренних поверхностях линии фильтрата.

Использование заглушек и вкладышей с турбулентообразующими элементами в виде стержня обеспечивает возможность дополнительного управления гидродинамикой процесса. При использовании стержневых съемных элементов струи фильтрата, бьющие из отверстий перфорированной трубки 5, ударяются о поверхность стержня, создавая дополнительные турбулентные завихрения, и далее направляются вдоль трубки к выходу(ам) из модуля, создавая дополнительный подсос в отверстиях трубки и повышая скорость фильтрации. По мере движения вдоль стенок трубки к выходу и поступления дополнительных количеств воды скорость потока возрастает и потребность в приспособлениях, понижающих ПВС, уменьшается, что позволяет уменьшить их длину.

После прохождения по трубке 5 фильтрат поступает в магистраль 3, а затем в емкость готовой продукции.

Проведенные эксперименты показали, что при использовании данного изобретения даже после 6 месяцев эксплуатации уровень содержания микроорганизмов в фильтрате не меняется и соответствует требованиям стандартов для воды, используемой в фармацевтической, пищевой и медицинской промышленности (см. таблицу ниже).

1. Фильтрационный модуль, состоящий из корпуса со штуцерами для подачи очищаемой жидкости и отвода фильтрата и концентрата, а также размещенной в корпусе перфорированной трубки-сборника фильтрата с намотанным на нее мембранным полотном, отличающийся тем, что трубка-сборник снабжена не менее чем одним конструкционным элементом, позволяющим уменьшить площадь ее внутреннего поперечного сечения до величины, обеспечивающей повышение линейной скорости потока вдоль трубки до величины не менее 0,5 м/с.

2. Фильтрационный модуль по п.1, отличающийся тем, что в качестве конструкционного элемента используют стержневые вкладыши.

3. Фильтрационный модуль по п.2, отличающийся тем, что стержневые вкладыши выполнены в виде стержня цилиндрической или конической формы.

4. Фильтрационный модуль по п.2, отличающийся тем, что стержневые вкладыши выполнены как составной элемент заглушки.

5. Фильтрационный модуль по п.1, отличающийся тем, что в качестве конструкционного элемента используют трубчатые вкладыши.

6. Фильтрационный модуль по п.5, отличающийся тем, что трубчатый вкладыш выполнен с внутренней конической поверхностью и имеет отверстия, продольные или поперечные проточки для сброса фильтрата во внутренний канал вкладыша.

7. Фильтрационный модуль по пп.1, 2 или 5, отличающийся тем, что вкладыш выполнен съемным.

8. Фильтрационный модуль по п.2 или 5, отличающийся тем, что длина вкладыша составляет не менее четверти длины трубки-сборника.

9. Фильтрационный модуль по п.2 или 3, отличающийся тем, что часть поверхности вкладыша выполнена в виде турбулентно-образующего элемента.