3.3.5. Рулонные элементы – спирально навитые модули ( spiral wound membrane modules )

 

  К оглавлению книги

Отработанные «высокие технологии» склейки плоских мембран в рулоны с плотной их упаковкой привели к тому, что в настоящее время рулонные элементы являются наиболее эффективными по критерию эффективность/стоимость. Причем под эффективностью подразумевается удельная или объемная производительность при заданном давлении и степени разделения. Поэтому они являются наиболее распространенными в мембранных процессах водоподготовки.

Рулонные элементы состоят из одного или нескольких мембранных пакетов (лепестков), представляющих собой склеенные с трех сторон прямоугольники из композиционных мембран, которые непроклеенной стороной подсоединяются к центральной перфорированной дренажной трубе для сбора фильтрата и скручиваются в спираль (рис. 3.46 ). Мембраны склеиваются селективным слоем наружу. Между пакетами проложена разделительная сетка вдоль которой протекает обрабатываемая вода. Сетка турбулизирует поток воды, мешая образованию отложений на мембране. Внутри пакета тоже находится разделительная сетка-прокладка с меньшим размером ячеек. Пакет мембран вместе с сеткой-сепаратором свернут в тугой рулон и зафиксирован от разматывания.

При работе исходный раствор подается в торец корпуса рулона и двигается вдоль поверхности мембраны параллельно центральной трубе через сетку-сепаратор, которая необходима для поддержания оптимального расстояния между мембранами и турбулизации движения раствора. Концентрат выводится с противоположного конца. Исходный раствор фильтруется внутрь склеенных мембранных пакетов. Пермеат по дренажной прокладке, расположенной внутри пакета между мембранами, движется к центру элемента и через отверстия проникает в центральную трубу для сбора фильтрата и выводится из водоподготовительного аппарата.

Рулонный элемент системы водоподготовки

Рис. 3.46. Рулонный элемент

Гидравлическое сопротивление очищаемому раствору создается при его движении в тонких межмембранных пространствах созданных и зафиксированных сетками-сепараторами толщиной 0,2– 0,5 мм . Внутренний сепаратор представляет собой мелкосетчатую ткань. При большой длине мембранного пакета гидравлическое сопротивление движению пермеата вносит значительный вклад в суммарную величину, особенно для низконапорных мембран. Поэтому в рулонных элементах промышленных габаритов применяется мембраны, состоящие из множества (27–35) лепестков ( рис. 3.47) .

Стандартные рулонные элементы производятся диаметром от 1,5 до 8 дюймов (в РФ от 45 до 200 мм ).

К 2010 г . для крупных опреснительных систем были выпущены также 16-ти и 18-ти дюймовые мембранные элементы.

Габариты стандартных элементов приведены на рисунке 3.48. Они признаны мировым стандартом, что позволяет применять рулоны различных производителей, размещая их в типовых корпусах.

В зависимости от применяемых мембран рулонные элементы могут использоваться для любых процессов мембранного разделения. Ведущими мировыми производителями рулонных обратноосмотических элементов являются: «DOW Chemical» (торговая марка «Filmtec» США); «Toray» (Япония); «Hydranautics» (США, входит в «Nitto Denko Corporation», Япония). Так же следует отметить «GE» (США, торговая марка «Desal») и «Saehan» (Южная Корея). В России обратноосмотические и нанофильтрационные мембраны мелкосерийными партиями производит ЗАО «Мембраны» (г. Владимир). Реализация проекта «Русские мембраны» (под эгидой корпорации Роснанотех) позволит организовать промышленный выпуск к 2013–2014 гг. [1–5].

Разрез и схема многолепесткового рулонного элемента обратного осмоса

Разрез и схема многолепесткового рулонного элемента обратного осмоса

Рис. 3.47. Разрез и схема многолепесткового рулонного элемента

Основные характеристики рулонных элементов Владипор , Filmtec и GE Water ( Osmonics ) даны в Приложении 3.

Сравнительные характеристики рулонных элементов этих производителей приведены в работах [144–146].

Следует отметить, что для нормальной эксплуатации современных композитных мембран содержание взвесей, коллоидов, нефтепродуктов, активного хлора в питающей воде не должны превышать некоторых значений. При работе вне этих пределов могут быть разрушены мембраны или на них образуются отложения. Кроме того, для каждого типа элементов существуют ограничения по максимальному расходу питающего раствора и минимальному расходу концентрата (табл. 3.11). При увеличении скорости раствора выше рекомендуемой возникают нерасчетные продольные усилия в мембранном элементе, а уменьшение расхода концентрата означает и уменьшение тангенциальной скорости раствора вдоль мембраны, которая, как указывалось выше, не должна опускаться ниже 2 м/с. В противном случае возможно образование на поверхности мембраны осадков.

Тип – диаметр, длина в дюймах

D – диаметр, мм

А – длина, мм

В – вылет штуцера, мм

С – диаметр соединительный, мм

2514

61

356

30

19

2521

61

533

30

19

2526

61

660

30

19

2540 (61–1016) *

61

1016

30

19

4014

99,4

256

27

19

4021

99,4

533

27

19

4025

99,4

635

27

19

4040 (100–1016) *

99,4

1016

27

19

8040 (200–1016) *

201

1016

29

* обозначения отечественных элементов

 

Рис. 3.48 . Габариты стандартных рулонных элементов.

3.11. Граничные значения расходов питающего раствора
и концентрата

Диаметр мембраны, дюйм

Максимальный расход исходной воды на одну мембрану, м 3 /ч

Минимальный расход концентрата с одной мембраны, м 3 /ч

4

3,6

0,7

6

8,8

1,6

8

17,0

2,7

8,6

19,3

3,2

Рулонные элементы размещаются в специальных напорных корпусах с внутренним диаметром 2,5; 4 и 8 дюймов . Корпус выполняется из нержавеющей стали или композитных пластмасс и имеет устройства для подвода исходной воды, отвода пермеата и солевого концентрата (рис. 3.49). В корпусе последовательно располагаются от 1 до 7 элементов. Давление обрабатываемой воды воспринимается только самим корпусом.

Размещение рулонных элементов обратного осмоса в корпусе

Рис. 3.49. Размещение рулонных элементов в корпусе

Габариты стандартных пластмассовых композитных корпусов для мембран диаметром 200 мм (8") приведены в таблице 3.12.

3.12. Размеры корпусов для рулонных элементов диаметром 200 мм

Количество размещаемых мембранных
элементов

Длина корпуса, мм

Расстояние между точками крепления, мм

Масса корпуса не более, кг

максимальная

минимальная

1

1473

875

500

21

2

2489

1890

500

29

3

3505

2910

960

37

4

4521

3190

1970

45

5

5537

3560

2990

55

6

6553

4020

4020

64

7

7569

6170

5090

73

Преимущества рулонных аппаратов составляют высокая плотность упаковки мембран технологичность изготовления, простота замены элементов. Недостатками являются высокая чувствительность таких мембран к наличию механических загрязнений и необходимость предварительной очистки исходного раствора от крупных взвесей.

При сравнении различных вариантов аппаратурного оформления мембранных процессов (табл. 3.13) видно, что наилучшие показатели имеют половолоконный и рулонный аппараты. Плоскорамный и трубчатый аппараты по своим характеристикам значительно уступают им. Их использование оправдано для ультрафильтрационной переработки растворов сильно загрязненных взвешенными веществами или химически агрессивных.

3.13. Сравнение различных вариантов аппаратурного оформления мембранных процессов

Поверхность фильтрации

половолоконный, рулонный >> плоскорамный > трубчатый

Масса

плоскорамный > трубчатый > рулонный > половолоконный

Занимаемая площадь

трубчатый > плоскорамный >> половолоконный > ру­лонный

Стоимость

трубчатый, плоскорамный >> половолоконный, рулонный

Потребление энергии

трубчатый > плоскорамный > половолоконный > рулонный

Устойчивость к загрязнениям

трубчатый > плоскорамный > рулонный > половолоконный

Плоскорамные мембранные элементы применяются для микро- и ультрафильтрациионного разделения концентрированных суспензий в пищевой промышленности, когда необходимо обеспечить возможность их максимально эффективной очистки от загрязнений, и для переработки сильно загрязненных вод, стоков.

Рулонные – применяются для всех видов технологий мембранного разделения, но для нанофильтрации и обратного осмоса – практически в обязательном порядке.

Трубчатые мембраны используются для микро- и ультрафильтрации сильно загрязненных вод и промышленных стоков.

Половолоконные мембранные элементы используются для микро- и ультрафильтрации, иногда – для нанофильтрации и обратного осмоса.

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

В табл. 3.14 приведены сравнительные данные мембранных процессов, а в табл. 3.15 указаны основные производители мембран и мембранных аппаратов.

3.14. Сравнение мембранных процессов

Процесс

Микрофильтрация

Ультрафильтрация

Нанофильтрация

Обратный
осмос

Тип мембраны

Симметричная Асимметричная

Асимметричная

Асимметричная

Многослойная

Асимметричная

Многослойная

Поддерживающий слой, мкм

10–150

150–250

150

150

Разделительный слой, мкм

 

10

< 1

< 1

Размер пор, мкм

0,01–1

0,001–0,01

0,0001 0,001

< 0,0001

Разделение

Частицы, бактерии

Макромолекулы, протеины, полисахариды, вирусы

Высокомолекулярная органика, многозарядные ионы

Низко-, высокомолекулярная органика, ионы, молекулы, глюкоза

Материал
мембраны

Ацетаты целлюлозы

Полипропилен

Полисульфон,

ПВДФ, ПЭ, лавсан, керамика, фторопласты

Ацетаты целлюлозы

Полисульфон

ПВДФ, керамика, композитные

Ацетаты целлюлозы, композитные

Ацетаты целлюлозы, композитные

Тип модуля

Плоскорамный

Трубчатый

Спиральный

Полое волокно

Плоскорамный

Трубчатый

Спиральный

Полое волокно

Рулонный

Полое волокно

Рулонный

Полое волокно Плоско-рамный

Рабочее давление, атм

< 2

1–10

5–35

15–150

Энергопотребление

низкое
(0,1–0,2 кВтч/м 3 )

низкое
( 0,1–0,2 кВтч/м 3 )

низко-умеренное

умеренное
(0,5–3,7 кВтч/м 3 )

Стойкость мембраны

высокая

высокая

умеренная

умеренная

Удаление растворенных органических веществ

нет

да

да

да

Удаление растворенных неорганических веществ

нет

нет

20–85 %

95–99 %

Удаление микроорганизмов

цисты простейших, большие бактерии, водоросли

цисты простейших, бактерии, водоросли, вирусы

все микроорганизмы

все микроорганизмы

 

3.15. Основные производители мембран и мембранных элементов

 

Головная
компания

Страна

Фирма-производитель

Страна

Тип элементов

Тип мембран

Трубчатые

Рулонные

Половолоконные

Плоскорамные

Керамические

Картриджные

ОО

НФ

УФ

МФ

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

«Alfa-Laval»

Швеция

« Danish Separation Systems » (DSS )

Дания

 

+

 

+

 

 

+

+

+

+

«Applied Membranes Inc.»

США

 

 

 

+

+

 

 

+

+

+

+

 

«Asahi Kasei»

Япония

 

 

 

 

+

+

 

 

 

 

+

+

« Atech Innovations»

Германия

 

 

+

 

 

 

+

 

 

 

+

+

« Daicen Membrane Systems »

Япония

 

 

+

+

+

 

 

 

 

+

+

+

« Dow Chеmical Company »

США

« Filmtec Corp . Omexell »

США

Китай

 

+

+

 

 

 

+

+

+

 

« DuPont »

США

 

 

 

 

+

 

 

+

 

+

 

+

« ESCO Technologies Foundation »

США

«PTI Technologies Inc.»

 

+

+

 

 

 

 

+

+

+

+

« General Electric »

США

« Desal Zenon Environmental Inc. »

США

Канада

 

+

+

 

 

+

+

+

+

+

«Inge AG»

Германия

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

+

 

«Koch Industries Inc.» (Koch Membrane Systems)

США

«Fluid Systems Puron Romicon Abcor»

США

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

« Microdyn-Nadir »

Германия

 

 

+

+

+

 

 

+

 

+

+

+

«Polypore Inc.»

США

«Membrana GmbH»

Германия

 

 

+

 

 

 

 

 

+

 

Продолжение таблицы 3.15

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

« Nitto-Denko Corporation »

Япония

« Hydranautics »

США

+

+

+

+

 

 

+

+

+

+

« Norit Membrane Technology »

Нидерланды

« Pentair »

 

 

 

+

 

 

 

 

+

+

+

« Pall Corporation »

США

 

 

 

 

+

+

 

+

+

 

+

+

« Rochem »

Германия

 

 

 

 

 

+

 

 

+

+

+

 

« Saehan Group »

Ю. Корея

 

 

 

+

+

 

 

 

+

 

 

+

« Societe des Ceramiques Techniques (SCT) »

Франция

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

+

« Tami Industries »

Франция

 

 

+

 

 

 

+

 

 

 

+

 

Rambler's Top100 Rambler's Top100