3.5. Мембранные элементы и аппараты

 

  К оглавлению книги

Мембраны могут иметь форму полимерных пленок, трубок и полых волокон, а также микропористых пластин и трубок из керамики, металлокерамики, спеченных металлических микрочастиц, сеток из металла и полимеров и т.п. В соответствии с формой мембраны и применяемым материалом создается конструкция мембранного элемента и аппарата.

В зависимости от способа использования мембран мембранные элементы могут быть нескольких видов:

1. Тупиковые одноразовые легко заменяемые патроны или картриджи для МФ.

2. Тупиковые, регенерируемые обратным током фильтрата, в виде:

  • керамических, металлокерамических, стекло- и графитопластиковых трубок без или с разделительным слоем для МФ и УФ;
  • половолоконных элементов для МФ и УФ;
  • модернизированных рулонных элементов для МФ и УФ.

3. С тангенциальной фильтрацией:

  • полимерные и металлокерамические пленки с разделительным слоем в плоскорамных и дисковых аппаратах для МФ и УФ;
  • керамические, стекло- и графитопластиковые трубки с разделительным слоем для МФ, УФ и частично – для НФ;
  • половолоконные элементы для УФ, НФ и ОО;
  • рулонные элементы для НФ и ОО.

На сегодняшний день в водоподготовке наибольшее распространение получили рулонные и половолоконные мембранные элементы.

3.5.1. Тупиковые одноразовые легкозаменяемые патроны (картриджи)

Фронтальная (тупиковая) фильтрация реализуется в так называемых картриджных (патронных) фильтрах, основой которых является сменный фильтрующий элемент – картридж, или патрон. Мембраны с отверстиями 0,1–100 мкм стоят относительно дешево, поэтому они часто используются однократно. В настоящее время мировыми и отечественными производителями разработана и выпускается огромная номенклатура картриджей с тонкостью фильтрации (рейтингом) от 0,05 до 100 мкм из самых разных материалов.

Конструкция сменных элементов и их размеры были разработаны в 60-х гг. компаниями « Millipor » и « Pall » [88, 89] и стали мировым стандартом. Выпускаются два основных типоразмера: стандартные диаметром 67–70, которые называются Slim Line – SL , и для корпусов типа Big Blue диаметром 114–115 мм (рис. 3.20). Картриджи изготавливаются с заглушками (тупиковые) и без них (проходные). Последние можно устанавливать 2–3–4 шт. последовательно, обеспечивая возможность увеличения рабочей длины путем соединения нескольких картриджей. Различаются два основных типа картриджей: с плоскими торцами и со специальным фланцем, снабженным уплотняющими кольцами (рис. 3.21). Остальные конструкции (рис. 3.22 и 3.23) представляют собой их варианты, предназначенные для разных корпусов и условий эксплуатации.

Стандартные размеры картриджей составляют:

•  Длина:

– для импортных – 254 (10"), 508 (20"), 762 (30"), 1016 (40") мм;

– для отечественных – 250, 500, 750, 1000 мм , либо аналогичная импортным.

•  Диаметр:

– стандартные – 67–70;

– для « Big Blue » – 114–115 мм.

•  Элементы с фланцем имеют посадочный диаметр 44,5 либо 56 мм .

Сменные фильтрующие элементы бывают двух основных типов: с объемной и поверхностной фильтрацией.

В первом случае картридж представляет собой относительно толстую пористую массу, размещенную вокруг дренажной трубки (рис. 3.24, а ).

Стандартные фильтрующие элементы SL   длиной 250, 500 и 750 мм

Рис. 3.20. Стандартные фильтрующие элементы SL ( а ) и ВВ ( б ) длиной 250, 500 и 750 мм

 

Схематическое изображение

Назначение фильтрующего элемента
и вариант исполнения

Фильтры ФП.ПО

Без адаптеров

Фильтры ФП.КН

Проходной адаптер с уплотнительным кольцом с одного конца и непроходной – с другого конца

Фильтры ФП.К

Адаптер с наружной резьбой с одного конца и непроходной – с другого конца.

Фильтры ФЭПп

Без адаптера с заливкой торцов пластизолем

Фильтры ФЭП

Проходной адаптер с одного конца и непроходной – с другого конца.

Фильтры ФЭПП

Проходной адаптер с обоих концов.

Рис. 3.21. Варианты исполнения фильтрующих элементов

В идеале – это многослойная конструкция со специально подобранным распределени ем размера пор по ее глубине (рис. 3.25), при котором их отверстия уменьшаются от периферии к центру. В таком картридже тонкость фильтрации обеспечивается самым мелкопористым слоем, а грязеемкость – всем объемом картриджа.

Рис. 3.22. Соединительные детали (по порядку слева – направо): адаптер диаметром 44,5 мм , адаптер диаметром 56 мм,
с уплотнительным кольцом, без адаптера

 

Рис. 3.23. Концевые детали: (по порядку слева – направо): заглушка хвостового типа, заглушка дискового типа, без адаптера,
с уплотнительным кольцом

 

Схема глубинных ( а )

Схема глубинного фильтра оптимизированной структуры

Рис. 3.24. Схема глубинных ( а )
и гофрированных мембранных ( б ) фильтрующих элементов

Рис. 3.25. Схема глубинного фильтра оптимизированной структуры

 

Во втором случае используется тонкослойная мембрана типа пленки или бумаги. Раствор пропускается через мембрану и все взвеси с размером частиц, бoльшим, чем размер ее отверстий, задерживаются и накапливаются на ее поверхности (рис. 3.24, б ).

Между разработчиками этих направлений постоянно идет жесткая конкуренция за повышение качества очистки и увеличению грязеемкости. Первое обеспечивается созданием одинаковых пор по всей поверхности мембраны. Повышение грязеемкости пленочных «бумажных» фильтров достигается увеличением их рабочей поверхности путем гофрирования, что также снижает гидродинамическое сопротивление и повышает производительность, а для объемных – оптимизацией слоистой структуры (рис. 3.25).

Следует отметить, что мембранные элементы могут быть частично регенерированы вне фильтра отмывкой от загрязнений струей воды и мягкой щеткой, а также низкоинтенсивной обратной промывкой. Объ емные элементы в реальной жизни практически не поддаются регенерации, кроме тех случаев, когда задержанные частицы могут быть растворены химическими реактивами.

Наиболее существенно то, что только мембранные элементы могут обеспечивать гарантированное отсечение частиц заданного размера – абсолютную фильтрацию. Это является критически важным для микроэлектроники и медицины.

В системах водоподготовки применяются все виды картриджей.

Глубинные элементы изготавливаются из полиэтилена, полипропилена, фторопласта. Наилучшие характеристики по эффективности и грязеемкости обеспечивают многослойные элементы из полипропиленового волокна.

Элементы, изготовленные намоткой полипропиленового шпагата, имеют номинальную тонкость фильтрации 0,5–50 мкм, но реально не обеспечивают гарантированного задержания частиц заданного размера и предназначаются для грубой предфильтрации. Их стоимость минимальна.

В мембранных (пленочных) фильтрующих элементах (картриджах) используется листовая мембрана, которая для увеличения площади фильтрации обычно гофрируется (рис. 3.26, а ). Торцы мембраны герметично заделываются в концевые детали.

В качестве мембраны могут использоваться металлические и полимерные сетки саржевого плетения, фильтровальные бумаги различного типа. Мембрана закрепляется на специальном каркасе, снабженном присоединительными деталями (адаптерами). Во многих случаях снаружи мембраны устанавливают ограждающий каркас.

Картридж с гофрированной мембраной

Картридж с гофрированной мембраной

а

б

Рис. 3.26. Картридж с гофрированной мембраной:

1 – мембрана; 2, 5 – концевые детали; 3 – дренажная трубка; 4 – каркас

Основными отечественными производителями картриджей различного типа и фильтродержателей являются бывшие предприятия Минатома: ООО «Промфильтр» (г. Дубна), НПП «Тензор», НПП «Экспресс-Эко» (г. Обнинск), ЗАО «Фильтр» (п. Товарково), а также ЗАО   НТЦ «Владипор», НПП «Технофильтр» (г. Владимир) [101–107]. Основным производителем самих мембран для изготовления картриджей является ЗАО НТЦ «Владипор» [103]. Крупнейшими западными производителями являются компании « Millipore », « Pall », « Sartorius AG», « Harmsco », « Ametek », « US Filter », « Atlas Filter » [88–91].

В таблице 3.6. приведены основные характеристики картриджей НПП «Технофильтр» [107] .

3.6. Геометрические характеристики мембранных элементов патронного типа

Поскольку размер пор мембран относительно велик, то сопротивление таких мембран незначительно. Потери давления составляют, как правило, не более 0,1–0,2 МПа. Производительность пропорциональна приложенному давлению. Типичная производительность фильтроэлементов типа SL длиной 250 мм в зависимости от их рейтинга показана в таблице 3.7. Для других типоразмеров она пропорциональна длине.

3.7. Ориентировочная производительность фильтроэлемента длиной 250 мм [ООО «Промфильтр»]

Тонкость фильтрования (рейтинг), мкм

0,5

0,8

1

2

5

10

Производительность по воде, л/час при
t = 20 ° С и ? Р = 0, 01 МПа (0,1 атм или
Н = 1 м)

490

520

660

820

1000

1400

 

По мере загрязнения перепад давления увеличивается, и это сигнализирует о необходимости замены картриджа. Чем мельче отверстия в мембране, тем быстрее она забивается. Следует подчеркнуть, что потоки, представленные в таблице 3.7, определяются по дистиллированной воде. В практическом применении рекомендуется рассчитывать на потоки в 2–3 раза меньше приведенных в данной таблице.

Критерием выработки фильтроэлементами своего ресурса является:

– падение производительности ниже заданной величины;

– увеличение перепада давления между входом и выходом фильтра до 0,35 МПа (3,5 атм).

Естественно, что для увеличения срока службы таких фильтров желательно предварительно удалять основную массу крупных взвесей, например, на регенерируемых засыпных фильтрах или крупных регенерируемых сетках.

Процесс фильтрации осуществляется в аппаратах, рассчитанных на определенное давление и допускающих размещение заданного числа картриджей.

Корпуса фильтров, или фильтродержатели, в зависимости от требуемой производительности рассчитываются на установку одного или нескольких картриджей; соответственно, они называются одно- или многопатронными. Они изготавливаются из различных марок пластмасс и нержавеющей стали. Корпуса рассчитаны на подвод воды либо сверху, либо снизу. Для промышленных целей предпочтительнее последние, поскольку в первом случае для замены картриджей необходимо предварительное опорожнение корпуса.

Однопатронные корпуса выпускаются огромным количеством производителей и рассчитываются в основном на патроны Slim Line – SL диаметром 67–70 мм (рис. 3.27, а ). Выпускаются также корпуса под картриджи диаметром 114 мм, называемые по размеру и цвету корпуса Big Blue – BB (рис. 3.27, б ). Высота корпусов позволяет устанавливать 1, 2, 3 или 4 (250– 1000 мм ) стандартных картриджа ( Big Blue – 1 или 2), соединенных последовательно, либо использовать менее распространенные картриджи длиной 250, 500, 750 и 1000 мм . Производительность определяется типом картриджа и пропорциональна количеству и высоте установленных картриджей (табл. 3.8).

Корпуса, рассчитанные на 1 картридж высотой 5, 10, 20", диаметром 67–70 ( а ) и 114 мм ( б ), из пластика Корпуса, рассчитанные на 1 картридж высотой 5, 10, 20", диаметром 67–70 ( а ) и 114 мм ( б ), из пластика

а б в

Рис. 3.27. Корпуса, рассчитанные на 1 картридж высотой 5, 10, 20", диаметром 67–70 ( а ) и 114 мм ( б ), из пластика
и нержавеющей стали ( в )

Многопатронные корпуса (рис. 3.28) используются, когда необходимо обеспечить еще большую производительность. Изготавливаются из нержавеющей стали и обеспечивают быструю разборку и замену картриджей. В РФ серийно выпускаются корпуса, рассчитанные на установку до 18 элементов длиной 1000 мм , производительностью до 48 м 3 /ч, а за рубежом – до 200 стандартных 250 мм картриджей (или 100 по 500 мм) производительностью до 200 м 3 .

Многопатронные фильтродержатели Многопатронные фильтродержатели

Рис.  3.28. Многопатронные фильтродержатели

Многопатронные фильтродержатели марки из нержавеющей стали (рис. 3.28) состоят из основания и корпуса. В основании имеется от 3 до 18 посадочных мест для фильтрующих элементов. Для фильтрации жидкостей, агрессивных по отношению к нержавеющей стали, внутренняя поверхность фильтродержателя может быть футерована фторопластом.

Интересным решением являются фильтры Ураган (Hurricane) фирмы «Harmsco» [91], которые представляют собой гидроциклон с расположенным по центру крупногабаритным картриджем.

Исходная вода, входя тангенциально внутрь корпуса фильтра, сначала освобождается от крупной взвеси, оседающей в его нижней части и выводимой из нее через дренажный патрубок периодически или непрерывно. В центре аппарата находится фильтрующий элемент, на котором затем происходит удаление из воды тонкодисперсной взвеси. Такая конструкция обеспечивает высокое качество очищенной воды с одновременным увеличением продолжительности фильтроцикла. Один фильтр такого типа позволяет очищать до 36 м3 /ч. Картридж может быть регенерирован отмывкой водой вне фильтра. Параметры фильтров Hurricane представлены в табл. 3.9.

3.8. Основные характеристики фильтродержателей

Наименование

Количество размещаемых фильтрующих элементов

Длина фильтрующих элементов, мм

Максимальная пропускная способность, м 3 /ч

Условный проход (Д у ) вход/ выход

Габаритные размеры
(В?Ш), мм

ФД-1-250

1

250

1,2

1/2

400x200

ФД-1-500

1

500

1,5

1/2

800x200

ФД-1-750

1

750

1,7

1/2

1050x200

ФД-1-1000

1

1000

1,9

1/2

1300x460

ФД-3-500

3

500

3,3

1

1000x460

ФД-3-750

3

750

6,8

1 1/4

1250x460

ФД-5-500

5

500

8,0

1 1/4

1100x460

ФД-5-750

5

750

10,0

1 1/2

1250x460

ФД-5-1000

5

1000

12,0

1 1/2

1500x460

ФД-9-750

9

750

18,0

2

1250x560

ФД-9-1000

9

1000

19,2

2

1500x560

ФД-14-750

14

750

20,0

2

1290x610

ФД-14-1000

14

1000

21,2

2

1540x610

ФД-18-1000

18

1000

33,0

2

1570x660

ФД-24-1000

24

1000

48,0

2,5

1665x800

Фильтры Ураган

Рис.  3.29. Фильтры Ураган

3.9. Технические гидравлические характеристики гидроциклонных фильтров HURRICANE

Модель

Максимальная производит., м3 /ч

Количество картриджей, шт.

Размеры фильтра, HxD, мм

Масса фильтра без картриджей, кг

Присоед. размеры вх./вых./ дренаж, мм

HUR-40-НР

11,0

1

530x330

18

50/50/25

HUR-90-НР

25,0

1

790x330

23

50/50/25

HUR-170-НР

36,0

1

1040x330

29

50/50/25

 

Rambler's Top100 Rambler's Top100