Мембранний елемент

Изобретение относится к мембранным элементам, используемым в устройства х для разделения, очистки и концентрирования жидких систем мембранными методами разделения, в частности, испарением через мембрану и дистилляцией, и может быть использовано в химической, нефтехимической, пищевой, микробиологической и других отраслях промышленности, а также для очистки промышленных и бытовых сточных вод. Известны мембранные элементы, которые наиболее распространены, выполненные в виде спирали-рулона (Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы. Теория и расчет. - М.: Химия, 1986. - С.48 - 52) и отличаются высокой удельной поверхностью и значительной производительностью. Однако, существенными недостатками таких мембран являются сложность конструкции, сборки-разборки, трудность замены отдельного участка вышедшей из строя мембраны, невысокую надежность, а также невозможность использования в аппаратах мембранной дистилляции и испарения через мембрану. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому те хническому решению является мембранный элемент, рабочая поверхность которого выполнена в виде двух плоских спиралеобразных мембран (Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы. Теория и расчет. - М.: Химия, 1986. - Рис.2 - 11. - С.49). Указанный элемент представляет собой пакет, содержащий кроме двух мембран дренажный слой и сеткусепаратор. Данный мембранный элемент, имеющий высокие удельную поверхность и производительность, используется во многих мембранных процессах для разделения газовых и жидких смесей. Однако он обладает рядом недостатков. Так, сложная конструкция его значительно затрудняет процессы сборки-разборки. При этом имеют место трудности, а иногда и полное отсутствие возможности замены повреждений мембраны, невысокая надежность ввиду большого количества герметичных стыков и соприкосновения тонких мембран с металлической сеткой-сепаратором. Наконец, указанный элемент невозможно использовать в аппаратах мембранной дистилляции и испарения через мембрану из-за высокого гидравлического сопротивления канала для отвода пермеата, преждевременной конденсации прошедших через мембрану паров компонентов жидкой смеси и таким образом снижения движущей силы процесса, а значит уменьшения проницаемости и селективности мембраны. В основу изобретения поставлена задача разработки мембранного элемента, в котором высокая удельная поверхность сочетается с простой конструкцией и технологией изготовления, так как производится одновременное формование целостной конструкции, за счет чего, при значительной производительности, обеспечивается высокая надежность, за счет повышенной гибкости элемента и ремонтопригодности, благодаря доступности всей рабочей поверхности элемента, увеличивается срок службы. Расширяется также область применения мембранного элемента, так как в зависимости от организации направление в нем движения среды его можно использовать в аппаратах различных конструкций и назначения. Поставленная задача достигается тем, что в известном мембранном элементе, содержащем рабочую поверхность в виде спирали и канал для движения разделяемой среды, согласно настоящему изобретению, указанный канал образован трубкой, при этом наружные стенки соседних витков соединены друг с другом, образуя целостную конструкцию. Для дальнейшего упрощения конструкции, технологии изготовления и повышения срока службы мембранный элемент может быть выполнен плоским. Отличительными признаками изобретения являются: образование канала для движения разделяемой среды трубкой, соединение наружных стенок соседних витков указанной трубки друг с другом, благодаря чему образуется целостная конструкция. Выполнение мембранного элемента, содержащего рабочую поверхность в виде спирали (пространственной или плоской), на основе трубки не только сохраняет основное преимущество спирального (рулонного) элемента - высокую удельную поверхность, но и еще обеспечивает целый ряд ценных достоинств. Так, конструкция элемента, исключающая дренажный слой, сеткусепаратор, наличие неразъемных герметичных стыков (швов), гарантирует простоту его изготовления, обслуживание, замены, увеличение срока службы, а доступность всей рабочей поверхности элемента - простоту ремонта. Кроме того, при обработке жидкостей, вызывающих разбухание материала элемента, конструкция последнего, обладающая достаточной гибкостью, предупреждает пережим канала, а значит повышает надежность не только элемента, а и самого аппарата в целом. При изготовлении мембранного элемента из резиновой смеси исходную сырую смесь формуют, например, экструзией, в виде трубки. Затем придают трубке форму спирали (плоской или пространственной) с контактирующими витками. При этом соседние витки благодаря адгезионным силам прочно скрепляются (слипаются) друг с другом, образуя общую стенку. После этого заготовку вулканизируют, получая готовый мембранный элемент. При изготовлении мембранного элемента из полимера (пластмассы), полимера (пластмассы), полимер формуют в виде трубки, охлаждают ее, затем ее стенки обрабатывают растворителем, после чего трубке придают форму спирали с контактирующими соседними витками. После полимеризации мономера в среде растворителя образуется готовый мембранный элемент с прочно соединенными стенками соседних витков. Как видно из вышесказанного технология изготовления элемента также значительно упрощается. На основании проведенного анализа существующего уровня техники, патентной и научнотехнической литературы можно сделать вывод, что заявленное техническое решение соответствуе т критерию "изобретательский уровень". Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено: на фиг.1 и 2 - мембранный элемент в виде пространственной спирали; на фиг.3 - 6 - мембранный элемент в виде плоской спирали; на фиг.7 - разрез А - А на фиг.3. Мембранный элемент содержит рабочую поверхность в виде спирали 1 и канал 2 для движения разделяемой среды, образованной трубкой 3, наружные стенки соседних витков которой, например витков 4 и 5, соединены друг с другом, образуя целостную конструкцию. Элемент может быть выполнен в виде плоской (фиг.3 - 6) или пространственной (фиг.1, 2) спирали, при этом входной 6 и вы ходной 7 участки мембранного аппарата и удобства подвода разделяемой жидкости и отвода концентрата (фиг.1 - 6). Мембранный элемент работает следующим образом. Жидкость, подлежащая разделению, подается в канал входного участка 6 мембранного элемента, движется внутри трубки 3 и в виде концентрата (ретанта) удаляется из канала выходного участка 7. Один или несколько компонентов жидкой смеси, движущейся в трубке 3, ди ффундируют через ее стенку и удаляются с ее наружной поверхности в виде паров (пермеата). Разделяемая жидкость может и омывать мембранный элемент снаружи, гри этом пары проникают внутрь канала и отводятся за его пределы. В качестве разделяемой жидкости используют нагретые на 90°C сточные воды производства поликарбоната, содержащие 2% метиленхлорида, 1% ацетона и 0,01% триэтиламина. Смесь при движении через аппарат с мембранными элементами на основе силиконового каучука, выполненными в виде плоской спирали (фиг.3), достигает концентрации по метиленхлориду 0,03%, по ацетону - 0,009% и по триэтиламину 0,0002%. Производительность аппарата составила 350л/ч. При выполнении мембранного элемента в виде пространственной спирали, его входной и выходной участки могут либо не контактировать друг с другом (фиг.1), либо контактировать (фиг.2). При выполнении мембранного элемента в виде плоской спирали его входной (выходной) участок может быть расположен снаружи спирали, а выходной (входной) - внутри ее (фиг.3, 4), либо его входной и выходной участки расположены внутри спирали (фиг.5) либо снаружи ее (фиг.6). Способ изготовления мембранного элемента из резиновой смеси состоит в следующем. Резиновую смесь на основе винилсодержащего силиконового каучука СКТВ-1 экструдируют через трубн ую головку и укладывают на посыпанный тальком вращающийся плоский поддон. При этом на поддоне формируется плоская спираль с контактирующими витками. После достижений заготовкой заданного диаметра трубку отрезают, а заготовку на поддоне помещают в вулканизационный шкаф. После вулканизации и охлаждения спираль отделяют от поддона (благодаря слою талька, обладающего антиадгезионными свойствами по отношению к резинам). Формирование мембранного элемента в виде пространственной спирали осуществляют на вращающемся цилиндре, наружную поверхность которого также покрывают слоем талька. Способ изготовления мембранного элемента из полимера (пластмассы) состоит в следующем. Гранулированный полимер (полиэтилен) подают в экструдер, расплавляют и формуют в виде трубки, которую охлаждают и наматывают в виде бухты на приемное устройство. При этом гарантируется сохранение формы и размеров трубки. После этого тр убку режут на мерные куски, смазывают наружную стенку растворителем (бензолом) в местах контакта соседних витков и сворачивают в спираль. После полимеризации мономера в среде растворителя получают готовый мембранный элемент с прочно соединенными стенками соседних витков. Мембранный элемент можно получить и непосредственным формированием спирали из расплава полимера после экструдера. Однако при этом необходимо строго выдерживать температурный режим при формировании элемента (для гарантированного соединения витков) и согласовывать скорость выхода тр убки из экструдера и окружной скорости формируемой спирали (особенно плоской). Предлагаемый мембранный элемент благодаря своей простоте, несложным изготовлению и эксплуатации может найти широкое применение в установках для разделения жидких смесей. Лабораторные и опытно-промышленные установки показали высокую эффективность созданных мембран.