Мембранний реактор

Реферат: UA 75568 U UA 75568 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до установок для проведення процесів розділення рідини на фільтрат і концентрат з зануреними касетами мембранних модулів і може бути використана для отримання якісної води в хімічній, металургійній, енергетичній і інших галузях промисловості. Відомий мембранний біореактор, що утримує щонайменше одну розташовану у резервуарі з водою касету мембранних модулів з колекторами фільтрату і повітря на кінцях, під'єднаними відповідно до лінії фільтрату з відцентровим насосом і до лінії повітря з повітродувкою /Биологическая очистка сточных вод. ООО Научно-производственная фирма «Экое». www.ecossamara.ru/index.php/. Відомий також мембранний реактор, що утримує щонайменше одну занурену у воду касету мембранних модулів з камерами фільтрату і повітря, відповідно під'єднаними до лінії фільтрату з відцентровим насосом і накопичувальною ємністю і лінії повітря з компресором чи повітродувкою і між якими закріплені мембранні модулі /Прутьянова Ю.О. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук «Усовершенствование мембранной технологии доочистки сточных вод с применением гидроциклона». Казахский национальный аграрный университет. www.kazntu.kz/?q=ru/sciense/. Недоліком згадуваних вище аналогів є недостатня ефективність роботи, яка полягає у недостатньому використанні енергії їх відцентрових насосів для утворення оптимальних умов фільтрації у мембранних модулях касети. Відомо, що використання відцентрового насосу для утворення вакууму у мембранних модулях за визначенням обмежується 1 атм, а на практиці не перевищує 0,6 атм. Тому збільшення значення цього параметру, збільшить продуктивність реактора або зменшить кількість у ньому мембран, тобто підвищить ефективність роботи реактора або, при сучасній дорожнечі мембран, зменшить його вартість. Відсутність у лінії фільтрату перед відцентровим насосом відсіяного крана чи засувки знижує ефективність роботи реактора, так як потребує циклічного тимчасового відключення відцентрового насосу у разі необхідності очищення модулів від забруднень з припиненням процесу фільтрації. Застосування повітря для покращення умов розділення сприяє його надлишковій наявності у фільтраті, що не завжди є допустимим, так як погіршує його якість. Наприклад, наявність надлишкового кисню у фільтраті, що використовується для охолодження ряду елементів нагрівних металургійних агрегатів, різко знижує їх стійкість, що стримує використання таких реакторів або змушує додатково застосовувати системи для видалення повітря з фільтрату. Крім того, застосування тільки аерації води для покращення умов розділення не завжди є достатнім, що знижує продуктивність реактора і можливості його застосування. Найбільш близьким за технічною сутністю і досягнутим ефектом є відомий мембранний реактор, який утримує занурену у воду щонайменше одну мембранну касету з колекторами фільтрату і повітря на протилежних кінцях ультрафільтраційних елементів, приєднаними відповідно до лінії фільтрату з технологічним насосом і до лінії повітря з компресором, лінію зворотної промивки у вигляді основного і додаткового обвідних трубопроводів, приєднаних до лінії фільтрату входами після технологічного насосу і виходами - перед ним, основний з яких утримує бак промивного фільтрату, і лінію дегазації фільтрату, при цьому лінії фільтрату і зворотної промивки обладнані відповідними клапанами, що забезпечують здійснення зворотної промивки ультрафільтраційних елементів технологічним насосом лінії фільтрату /Установки очистки питьевой воды. Технологические схемы. www.reshetilov.ru/stations-new3.html/. У відомому реакторі заслуговують уваги задекларовані описом наявність системи видалення повітря з фільтрату і використання технологічного насосу лінії фільтрату для здійснення зворотної промивки ультрафільтраційних елементів фільтратом. Але представлена у опису гідравлічна схема реактора не забезпечує здійснення згадуваної зворотної промивки взагалі із-за відсутності ще двох відсічних чи інших засувок в лінії фільтрату, а саме перед врізом у лінію фільтрату вихідного кінця трубопроводу лінії зворотної промивки, що утримує бак фільтрату, і після врізу вхідного кінця цього трубопроводу в лінію фільтрату. Відомо, що для покращення умов фільтрації подання повітря може здійснюватись і безперервно, при цьому ефективність його вища у разі циклічного припинення процесу фільтрації, що вимагає або відключення технологічного насосу на дуже незначний проміжок часу з послідуючим включенням або перекриття лінії фільтрату перед цим насосом за допомогою відсічної засувки, яка помилково відсутня, що разом з відсутністю і другої, згадуваної вище, відсічної засувки погіршує умови роботи технологічного насосу і потребує додаткових заходів його захисту і ускладнення системи керування. Крім того, застосування двох компресорів або повітродувок підвищує вартість реактора, що стримує його використання. Технічною задачею корисної моделі є удосконалення мембранного реактора, у якому, завдяки конструктивним особливостям ліній фільтрату, повітря і зворотної промивки та 1 UA 75568 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 наявності додаткового обладнання досягається підвищення ефективності роботи і розширення можливостей використання мембранного реактора. Поставлена задача досягається тим, що у мембранному реакторі, який утримує занурену у воду щонайменше одну мембранну касету з колекторами фільтрату і повітря на протилежних кінцях ультрафільтраційних елементів, приєднаними відповідно до лінії фільтрату з технологічним насосом і до лінії повітря з компресором, лінію зворотної промивки у вигляді основного і додаткового обвідних трубопроводів, приєднаних до лінії фільтрату входами після технологічного насосу і виходами - перед ним, основний з яких утримує бак промивного фільтрату, і лінію дегазації фільтрату, при цьому лінії фільтрату і зворотної промивки обладнані відповідними клапанами, що забезпечують здійснення зворотної промивки технологічним насосом лінії фільтрату, згідно корисній моделі, повітродувка лінії дегазації виконана у вигляді ежектора повітря, який встановлено в лінію повітря після компресора, а порожнина бака промивного фільтрату з'єднана трубопроводом з його камерою зниженого тиску, до того ж бак промивного фільтрату лінії зворотної промивки виконаний у вигляді герметичної накопичувальної ємності, розташованої в лінії фільтрату після приєднання до неї додаткового обвідного трубопроводу лінії зворотної промивки, а лінія дегазації виконана у вигляді циркуляційного трубопроводу повітря, що сполучає камеру зниженого тиску ежектора повітря і верхню частку порожнини герметичної накопичувальної ємності лінії фільтрату, а лінія фільтрату після технологічного насосу додатково обладнана ежектором фільтрату, між якими розташований триходовий клапан, до якого приєднаний входом додатковий обвідний трубопровід лінії зворотної промивки, камера зниженого тиску якого трубопроводом з'єднана через триходовий клапан і основний обвідний трубопровід з герметичною накопичувальною ємністю і з колектором фільтрату, додатково приладнаним перед входом технологічного насосу і гідравлічно з'єднаним через відсічний клапан і лінію фільтрату з колектором фільтрату мембранної касети. На фіг. 1-3 показана гідравлічна схема одного з варіантів мембранного реактора, а саме за п. 3 формули корисної моделі, у різних станах його роботи. Мембранний реактор утримує касету 1 мембранних модулів з колекторами 2 і 3 фільтрату і повітря, відповідно, установлену в резервуарі 4 з водою, з якої передбачається отримання фільтрату, звільненого від забруднень і повітря. Колектор 2 касети 1 приєднано до лінії 5 фільтрату з відсічним 6 і триходовим 7 кранами, колектором 8, технологічним насосом 9, ежектором 10 фільтрату і герметичною накопичувальною ємністю 11 на виході, при цьому колектор 8 з'єднаний трубопроводами 13 і 14 з камерою зниженого тиску ежектора фільтрату 10 і герметичною накопичувальною ємністю 11, відповідно, через триходовий кран 12. При цьому касета 1, лінія 5 фільтрату, відсічний кран 6, колектор 8, технологічний насос 9, триходовий кран 7, ежектор 10 фільтрату і герметична накопичувальна ємність 11 утворюють основний технологічний контур (фіг. 1); касета 1, лінія 5 фільтрату, відсічний кран 6, колектор 8, триходовий кран 12, трубопровід 13, ежектор 10 фільтрату і герметична накопичувальна ємність 11 утворюють додатковий технологічний контур (фіг. 1); герметична накопичувальна ємність 11, трубопровід 14, триходовий кран 12, колектор 8, технологічний насос 9, триходовий кран 7 і ежектор 10 фільтрату утворюють циркуляційний контур фільтрату (фіг. 2); герметична накопичувальна ємність 11, трубопровід 14, триходовий кран 12, колектор 8, технологічний насос 9, триходовий кран 7, трубопровід 15 зворотної промивки, лінія 5 фільтрату і касета 1 утворюють контур зворотної промивки мембранних модулів касети 1 фільтратом (фіг. 3). Колектор 3 касети 1 приєднано до лінії 16 повітря з компресором 17, після якого вона обладнана ежектором 18 повітря, камера зниженого тиску якого циркуляційним трубопроводом 19 з'єднана з порожниною герметичної накопичувальної ємності 11 лінії 5 фільтрату, що обладнана захисними клапанами і датчиками рівня фільтрату (не показані). При необхідності очищену воду безперервним потоком подають у резервуар 4, рівень якої підтримується наявністю патрубка 20 переповнення і/чи необхідного ресурсу автоматики. Після повного занурення касети 1 у воду включається в роботу компресор 17 і, як наслідок, повітря по лінії 16 потрапляє у колектор 3 касети 1, з якої витікає у воду в вертикальному напрямку знизу вверх, і у вигляді бульбашок рухається уздовж мембран модулів касети 1. Відомо, що таке подання повітря у воду утворює ерліфтний потік її у резервуарі 4 і при достатніх витратах повітря має турбулентний характер, забезпечуючий очищення мембран модулів від забруднень. Відразу чи з деяким запізненням вручну чи системою управління крани 6, 7 і 12 приводяться в стан, зображений на фіг. 1, і включається в роботу технологічний насос 9. В результаті у мембранних модулях касети 1 утворюється розрідження, що забезпечує проникнення води у вигляді фільтрату через мембрани її модулів і виведення його з неї, тобто починає працювати основний технологічний контур реактора, склад якого описаний вище, і фільтрат потрапляє у 2 UA 75568 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 герметичну накопичувальну ємність 11 та далі за призначенням. При цьому після насосу 9 фільтрат вже рухається під тиском і, протікаючи через ежектор 10 фільтрату, утворює розрідження у його камері зниженого тиску та згадуваному вище додатковому технологічному контурі реактора, що збільшує рівень розрідження в мембранних модулях касети 1 і, як наслідок, підвищує швидкість проникнення фільтрату через мембрани її модулів, тобто підвищує продуктивність реактора. Наявність у лінії 5 фільтрату колектора 8, який є загальним для основного і додаткового технологічних контурів реактора, знижує негативний вплив роботи одного з них на ефективність роботи іншого. Але не завжди є достатнім очищення мембран модулів касети 1 від забруднень у ході фільтрації за рахунок використання тільки безперервного ерліфтного потоку очищеної води у резервуарі 4, тобто так званої безперервної продуви повітрям. В таких випадках додатково здійснюється так звана циркуляційна продувка повітрям, яка полягає у здійснені безперервної продувки очищеної води з тимчасовим і циклічним припиненням процесу її фільтрації. За п. 1 формули моделі передбачений варіант мембранного реактора, в якому таке циклічне припинення процесу фільтрації можливе за рахунок відключення технологічного насосу 9, але при значних за часом циклах. У випадках, коли цикли відключення технологічного насосу 9 за часом лежать в межах, наприклад, 4-10 хвилин з послідуючим його включенням через, наприклад, 10-60 секунд, умови роботи насосу 9 є неприйнятними для оптимальної ефективності роботи реактора. Тому, за п. 3 формули моделі передбачений варіант мембранного реактора, в якому припинення процесу фільтрації можливе за рахунок гідравлічного відділення касети 1 мембранних модулів від технологічного насосу 9 за посередництвом розташованого між ними відсічного крана 6. При цьому, робота насосу 9 здійснюється в режимах холостого ходу чи під напором, що не є завжди оптимальним варіантом його ефективної роботи, так як умови роботи при цьому не з кращих, потребують захисту і ускладнення системи управління реактором. В зв'язку з цим п. 3 формули моделі передбачає варіант мембранного реактора з циркуляційним контуром фільтрату з обвідним трубопроводом 14, який запобігає відключення технологічного насосу 9 у разі закриття відсічного крана 6 для припинення процесу фільтрації. Режим роботи насосу 9 при цьому не погіршується в порівнянні з робочим режимом і при певних умовах, навіть, покращується. Але мають місце випадки, коли безперервна і циклічна продувки повітрям очищеної води є недостатніми для ефективного проведення процесу її очищення від забруднень з причини швидкого засмічення мембран модулів і навіть стає не можливим. В таких випадках додатково використовують зворотну промивку мембран модулів фільтратом, що і передбачено варіантом мембранного реактора за п. 3 формули моделі. І так як зворотна промивка можлива тільки після припинення процесу фільтрації, а циклічність за часом таких промивок мало відрізняється від вище описаних при циклічній продувці повітрям, то наявність обвідного трубопроводу 14 є безперечною і для цього варіанту мембранного реактора. Для здійснення зворотної промивки фільтратом служить вище згадуваний контур зворотної промивки з обвідним трубопроводом 15, для роботи якого вручну чи системою управління крани 6, 7 і 12 приводять в стан, зображений на фіг. 3. Після чого, під дією технологічного насоса 9, фільтрат з накопичувальної ємності 11 по описаному вище контуру зворотної промивки потрапляє у мембранні модулі касети 1 і у зворотному напрямку витікає крізь пори мембран модулів у резервуар 4. В результаті пори мембран за деякий час, наприклад за 10-60 секунд, або до заздалегідь заданої міри звільняються від забруднень і мембрани знову стають придатними до ефективної фільтрації води, про що повідомляється системі управління, яка повертає переводить крани 6, 7 і 12 в стан, зображений на фіг. 1, що забезпечує продовження процесу фільтрації води за схемою, описаною вище. Далі цикл фільтрації і регенерації мембранних модулів повторюється і контролюється системою управління мембранного реактора. Але у ході розділення води на концентрат і фільтрат з останнім у лінію фільтрату та далі потрапляє і повітря, що рухається з ним за описаною вище схемою і надає йому якість, що не задовольняє всіх споживачів фільтрату. У такому випадку якість фільтрату покращують за рахунок видалення з нього тієї частки повітря, що погіршує у конкретному випадку якість. Для цього, відповідно до п. 2, використовується лінія дегазації фільтрату у вигляді циркуляційного трубопроводу 19, ежектора 18 повітря і верхньої частки порожнини герметичної накопичувальної ємності 11, при роботі котрих і компресора 17 повітря, проходячи через ежектор 18, утворює розрідження у його камері зниженого тиску, циркуляційному трубопроводі 19 і порожнині над фільтратом герметичної накопичувальної ємності 11. Завдяки цьому повітря, частка якого визначена можливістю заданого розрідження, з ємності 11 і фільтрату залишає їх, рухається по трубопроводу 19 і потрапляє спочатку у ежектор 18 повітря, а потім разом з аераційним повітрям повторю шлях, описаний вище. 3 UA 75568 U 5 10 15 20 25 Наявність ежектора 10 фільтрату на виході технологічного насосу 9, камера зниженого тиску якого сполучена через колектор 8 і лінію 5 фільтрату з колектором 2 касети 1, забезпечує підвищення продуктивності мембранного реактора або зменшення кількості мембран у касеті 1, тобто вартості, а наявність при цьому колектора 8 у лінії 5 фільтрату знижує вплив роботи технологічного насосу 9 на ефективність роботу ежектора 10 фільтрату чи навпаки. Тобто має місце підвищення ефективності роботи мембранного реактора. Наявність відсічного крана 6 в лінії фільтрату перед її же колектором 8 у мембранному реакторі забезпечує додаткове здійснення циклічної продувки повітрям без зупинки технологічного насосу, що підвищує ефективність роботи такого реактора і розширює можливості його використання. Наявність обвідного трубопроводу 14 з триходовим краном 12 покращує умови роботи технологічного насосу 9 і підвищує ефективність роботи мембранного реактора. Наявність обвідного трубопроводу 15 зворотної промивки і триходового крана 7 забезпечує використання технологічного насосу 9 для здійснення зворотної промивки фільтратом мембранних модулів касети 1, знижує установчу електричну потужність, підвищує ефективність роботи мембранного реактора і розширює можливості його використання. Застосування триходових кранів 7 і 12 з електроприводами забезпечує зменшення у двічі кількості електричних запірних органів в гідравлічній схемі мембранного реактора, що зменшує його установчу електричну потужність, кількість включень і відключень двигунів і втрати електричної енергії, підвищує надійність роботи електричного обладнання і системи управління та ефективність роботи мембранного реактора взагалі. Наявність ежектора 18 у лінії повітря і циркуляційного трубопроводу 19 забезпечує спрощення системи видалення повітря з фільтрату і зменшує вартість реактора, знижує витрати повітря за рахунок можливості циркуляції його частки. Таким чином, запропоновані корисною моделлю відмітні ознаки разом з відомими забезпечують підвищення ефективності роботи мембранного реактора і розширення можливостей його використання. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 40 45 50 55 1. Мембранний реактор, утримує занурену у воду щонайменше одну мембранну касету з колекторами фільтрату і повітря на протилежних кінцях ультрафільтраційних елементів, приєднаними відповідно до лінії фільтрату з технологічним насосом і до лінії повітря з компресором, лінію зворотної промивки у вигляді основного і додаткового обвідних трубопроводів, приєднаних до лінії фільтрату входами після технологічного насосу і виходами перед ним, основний з яких утримує бак промивного фільтрату, і лінію дегазації фільтрату, при цьому лінії фільтрату і зворотної промивки обладнані відповідними клапанами, що забезпечують здійснення зворотної промивки технологічним насосом лінії фільтрату, який відрізняється тим, що повітродувка лінії дегазації виконана у вигляді ежектора повітря, який встановлено в лінію повітря після компресора, а порожнина бака промивного фільтрату з'єднана трубопроводом з його камерою зниженого тиску. 2. Мембранний реактор за п. 1, який відрізняється тим, що бак промивного фільтрату лінії зворотної промивки виконаний у вигляді герметичної накопичувальної ємності, розташованої в лінії фільтрату після приєднання до неї додаткового обвідного трубопроводу лінії зворотної промивки, а лінія дегазації виконана у вигляді циркуляційного трубопроводу повітря, що сполучає камеру зниженого тиску ежектора повітря і верхню частку порожнини герметичної накопичувальної ємності лінії фільтрату. 3. Мембранний реактор за пп. 1 і 2, який відрізняється тим, що лінія фільтрату після технологічного насосу додатково обладнана ежектором фільтрату, між якими розташований триходовий клапан, до якого приєднаний входом додатковий обвідний трубопровід лінії зворотної промивки, камера зниженого тиску якого трубопроводом з'єднана через триходовий клапан і основний обвідний трубопровід з герметичною накопичувальною ємністю і з колектором фільтрату, додатково приладнаним перед входом технологічного насосу і гідравлічно з'єднаним через відсічний клапан і лінію фільтрату з колектором фільтрату мембранної касети. 4 UA 75568 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5