Способ изготовления секций, состоящих из полых волокон и являющихся составными элементами модулей, и секция, являющаяся составным элементом модуля

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЕКЦИЙ, СОСТОЯЩИХ ИЗ ПОЛЫХ ВОЛОКОН И ЯВЛЯЮЩИХСЯ СОСТАВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ МОДУЛЕЙ, И СЕКЦИЯ, ЯВЛЯЮЩАЯСЯ СОСТАВНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ МОДУЛЯ(72) Авторы ГЕЛЕФФ Свенн Анреас, ПЕДЕРСЕН Кнуд Сндертофт(57) 1. Способ изготовления секций, состоящих из полых волокон и являющихся составными элементами модулей, отличающийся тем, что используя литейную форму, содержащую борт (6) и горизонтальную перфорированную пластину (3), в которой в заранее определенном порядке расположено некоторое количество отверстий с пропущенными через них непрерывными полыми волокнами а) заливают отверждающийся литейный материал в литейную форму для образования цельной трубной решетки (4),б) поднимают трубную решетку с заделанными в нее непрерывными полыми волокнами в вертикальном направлении на желаемое расстояние от перфорированной пластины,в) разрезают трубную решетку по горизонтальной плоскости с целью обнажить концы полых волокон,г) повторяют стадии а, б и в для образования секции (5) с полыми волокнами. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что каждое отверстие размещают в таком порядке, что отверстие находится по существу на одинаковом расстоянии от ближайших соседних отверстий. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расстояние между отверстиями, измеренное между окружностями,равно 0,1-100-кратной величине радиуса отверстий, предпочтительно 1/2-2 радиуса. Фиг. 1 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что литейная форма включает горизонтальную, перфорированную пластину и борт (6) вокруг указанной перфорированной пластины, причем используют борт с краями, выступающими вверх относительно перфорированной пластины. 3745 1 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют перфорированную пластину, выполненную со средством подачи разделительного состава и литейного материала. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в трубной решетке используют регуляторы интенсивности потока жидкости. 7. Секция, являющаяся составным элементом модуля, изготавливаемая по способу в соответствии с п. 1,и состоящая из параллельно установленных полых волокон (1), зафиксированных по краям в трубной решетке (4) и имеющим открытые торцевые поверхности, отличающаяся тем, что ее полые волокна имеют предварительно заданное расположение. 8. Секция по п. 7, отличающаяся тем, что ее каждое полое волокно расположено по существу на неизменном расстоянии от ближайших к нему соседних волокон. 9. Секция по п. 7, отличающаяся тем, что ее полые волокна изготовлены из металла, стекла, полимерных или керамических материалов с пористой или цельной структурой. 10. Секция по п. 7, отличающаяся тем, что в ней установлен жесткий сквозной стержень, зафиксированный в трубных решетках (4 а) с целью увеличения ее механической прочности. Настоящее изобретение касается способа изготовления секций, состоящих из полых волокон и являющихся составными элементами модулей. Модули такого типа используются для осуществления операций перераспределения, разложения (отделения) и смешивания. Под операциями перераспределения подразумеваются процессы тепло- и массообмена. При теплообмене осуществляется перераспределение тепла между двумя жидкостями с разными температурами, где жидкость, имеющая более низкую температуру, повышает ее за счет получения дополнительного тепла. Процесс массообмена - это главным образом процесс с использованием мембраны односторонней проводимости,подобно диализу (например, искусственная почка), прямому осмосу, процессу перераспределения массы между газами и между газом и жидкостью (например, оксигенератор). В операциях разложения (отделения), при осуществлении главным образом сверхточной фильтрации, интерес представляют процессы обратного осмоса и газоотделения. Операция смешивания - это, например, процесс увлажнения и/или кондиционирования воздуха за счет ввода водяных паров. В настоящем описании изобретения термин секция, состоящая из полых волокон - это составной элемент модуля с полыми волокнами, которые, например, с внешней стороны подвергаются герметизации, во избежание просачивания из модуля жидкости, омывающей волокна. Термин жидкость означает жидкое или газообразное вещество с коэффициентом текучести, достаточным для беспрепятственного прохождения через полые волокна модуля. Под жидким веществом подразумеваются растворы и суспензии, включающие в себя коллоидные частицы. В 2 091 125 приводится описание способа изготовления секции, состоящей из полых волокон, в которой отдельные полые волокна расположены в заранее установленном порядке за счет использования не менее двух перфорированных пластин, отверстия в которых служат для них в качестве направляющих. Перфорированные пластины остаются в модуле, и полые волокна не соединены с ними, в результате чего невозможно осуществить операцию заливки до обрезки волокон. В японском патенте 62-160. 108 описывается способ погружения пучка полых волокон в смолу с последующей обрезкой скрепленного таким образом участка пучка. Данное изобретение не рассматривает вопрос упорядоченного взаиморасположения волокон оно носит случайный характер, при котором волокна будут непосредственно касаться друг друга. Шведский патент 397, 638 касается способа изготовления приспособления для ректификации, в ходе которого волокна устанавливают в одном или более каналах стержня с плотной в них посадкой волокна на концах стержня смазываются отверждаемым клеем с последующей их обрезкой до или после обрезки волокон осуществляют установку кожуха, охватывающего, как минимум, выполненные в стержне каналы или канал. Данное изобретение также не рассматривает вопрос упорядоченного взаиморасположения волокон, которые будут непосредственно касаться друг друга. Недостатки вышеупомянутых изобретений состоят в невозможности организации массового производства секций, состоящих из полых волокон, без использования трудоемкого технологического процесса, т.е. с как можно меньшим количеством простых по исполнению операций, а также в отсутствии контроля над взаимным расположением полых волокон. 2 3745 1 Целью настоящего изобретения является создание способа изготовления секций, состоящих из полых волокон и являющихся составными элементами модуля. Способ легко может быть автоматизирован, обеспечивая таким образом непрерывное производство. Кроме этого, целью изобретения является также создание способа, строго обеспечивающего предварительно заданное расположение волокон относительно друг друга. Оказалось, что вышеупомянутые задачи могут быть достигнуты при осуществлении способа изготовления модулей с полыми волокнами, отличительной особенностью которого является использование формообразующей матрицы, включающей в себя горизонтально установленную перфорированную пластину с определенным количеством выполненных в ней отверстий и с заданным расположением относительно друг друга, через которые пропускаются сплошные полые волокна, в результате чего а) в перфорированную пластину осуществляют заливку отверждаемого материала, формирующего цельную трубную решетку,б) трубную решетку с зафиксированными в ней сплошными полыми волокнами поднимают в вертикальном направлении на заданное расстояние от перфорированной пластины,в) трубную решетку режут в горизонтальной плоскости с целью вскрытия торцов полых волокон,г) для получения готовой секции, состоящей из полых волокон, действия, изложенные в пп. а, б и в,повторяют еще раз. Вышеупомянутая секция, включающая в себя параллельно установленные полые волокна, концы которых с открытыми с внешней стороны торцами закреплены в трубной решетке, отличается тем, что ее полые волокна имеют предварительно заданное расположение относительно друг друга. В перфорированной пластине, используемой в данном процессе, выполнены отверстия, имеющие предварительно заданное расположение относительно друг друга, в зависимости от предлагаемой конструкции модуля и цели его применения. Данная перфорированная пластина изготавливается преимущественно таким образом, чтобы расстояния между краями выполненных в ней соседних отверстий оставались по существу неизменными и составляли от 0,1 до 100 их радиусов предпочтительный вариант - 1/2-2 радиуса. Необходимо, чтобы через каждое отверстие проходило как можно меньшее количество полых волокон,например менее десяти волокон на отверстие наиболее предпочтительный вариант - одно полое волокно на отверстие. Полые волокна могут быть изготовлены из того материала, который наиболее соответствует конечной цели использования модуля. Для осуществления операций теплообмена (в теплообменниках) таким материалом может быть металл, стекло или любой другой материал с хорошей теплопроводностью. Для осуществления операций диализа, сверхточной фильтрации, обратного осмоса и газоотделения волокна могут быть изготовлены из полимерных (например, ацетилцеллюлозы, полиамида и др.) и керамических материалов. Материалы, применяемые для изготовления полых волокон, могут иметь пористую или цельную структуру однако для осуществления операций массообмена необходимо, чтобы структура такого материала была обязательно пористой. Формообразующая матрица, используемая для производства секций, состоящих из полых волокон, помимо горизонтально расположенной перфорированной пластины, включает в себя буртик, жестко соединенный с окаймляемой им перфорированной пластиной, основная цель которого - предотвращение вытекания заливаемого материала из матрицы в связи с этим высота буртика должна быть не меньше толщины образуемой трубной решетки. Матрица может быть выполнена любой формы, в зависимости от конечной цели применения готовой секции, имеющей полые волокна, например круглой, овальной, в виде многоугольника или соответствовать любой другой геометрической фигуре. Отверждаемая литейная масса может подаваться в формообразующую матрицу любым приемлемым способом, однако наиболее предпочтительный вариант - через впускные отверстия в перфорированной пластине. Для снижения вероятности прилипания литейной массы к формообразующей матрице, при необходимости, можно нанести на ее поверхность специальную разделительную смазку с помощью, например,соответствующего устройства, установленного в перфорированной пластине. Литейная масса может быть любого приемлемого типа, при условии ее способности к отверждению. Это может быть расплавленный металл или отверждаемый полимерный материал. Очень важно не повредить волокна в процессе формирования трубной решетки, поэтому необходимо предпринимать все меры предосторожности при вводе литейной массы, во избежание разрушения волокон в результате их, например, расплавления или растворения. Образуемая цельная трубная решетка режется в горизонтальной плоскости на две равные половины. Процесс резания может быть осуществлен любым приемлемым способом, например, с помощью режущего полотна или нагретой проволоки трубная решетка может быть раздвоена с помощью топорообразного инструмента. Очень важно осуществлять резку трубной решетки таким образом, чтобы концы всех вскрывающихся при этом волокон не были заблокированы и обеспечивали свободное и беспрепятственное прохождение жидкости. Если полые волокна изготовлены из упругого материала, желательно в процессе изготовления секций с такого рода полыми волокнами осуществлять установку опорных элементов для увеличения их механиче 3 3745 1 ской прочности. В качестве таких опорных элементов могут служить, например, жесткие сквозные стержни,зафиксированные в трубных решетках. В способе изготовления секций, состоящих из полых волокон, согласно изобретению, необходимо по ходу осуществления заливки держать волокна прямо для обеспечения их одинаковой длины и предотвращения непосредственного контакта друг с другом в противном случае, на участках в непосредственной близости от места контакта, не будет должным образом осуществляться процесс тепло- или массообмена между жидкостью, протекающей с наружной стороны волокон, и жидкостью, проходящей внутри них. Целью изобретения является устранение взаимного физического контакта полых волокон секций, составляющих модуль, в результате чего достигается по существу беспрепятственный поток жидкости в заданном направлении, что в свою очередь подразумевает оптимальное использование поверхности мембраны в модуле, предназначенном для осуществления операции массообмена. Таким образом, преимущество данного способа изготовления секции, согласно изобретению, состоит в том, что полые волокна можно расположить таким образом, чтобы расстояния между ними оставались по существу неизменными, в результате чего достигается образование фактически однородного потока жидкости в заданном направлении по отношению ко всем волокнам, а следовательно, ее одинаковая обработка и оптимальная эксплуатация всей площади мембраны, используемой в модуле для осуществления операции массообмена. То же самое касается и операции теплообмена в результате оптимального использования всей площади контакта между нагреваемой и охлаждаемой жидкостями. Необходимо отметить, что процесс заливки по желанию может быть осуществлен одновременно с процессом резки сформированной до этого трубной решетки или заливка новой трубной решетки может быть осуществлена до обрезки ранее отлитой трубной решетки. Согласно изобретению, в процессе изготовления секции, состоящей из полых волокон, на разрезанную трубную решетку устанавливают специальный кожух с приспособлениями для ввода и вывода жидкости соответственно. Герметичное соединение кожуха с трубной решеткой обеспечивается с помощью пайки, сварки или с использованием клея. При желании операцию по установке кожуха и его креплению к трубной решетке можно ввести в общий непрерывный процесс по изготовлению модулей с полыми волокнами. По завершению резки трубной решетки секция, имеющая полые волокна, может быть введена в цилиндр с последующим его соединением с трубными решетками методом пайки, сварки или склеивания. Может оказаться полезным применение в модуле регуляторов интенсивности потока жидкости, протекающей с наружной стороны волокон, с целью обеспечения необходимого режима ее течения. Регуляторы интенсивности потока жидкости могут быть получены любым приемлемым способом, например А путем деления перфорированной пластины на секции, способные перемещаться в вертикальном направлении относительно друг друга, придавая формообразующей матрице любую необходимую конфигурацию, и обеспечивающие в процессе формирования как трубной решетки, так и регулятора интенсивности потока плотное облегание заливаемым материалом волокон. По завершению заливки формообразующего участка матрицы,ограниченного с одной стороны буртиком в месте, где секция или секции перфорированной пластины были предварительно опущены относительно других секций, и с другой стороны - оставшимися на одном уровне с буртиком секциями перфорированной пластины, а также полыми волокнами, и после отверждения литой массы полученный таким образом регулятор интенсивности потока поднимается вверх на необходимую высоту после этого можно видоизменить форму перфорированной пластины, а следовательно, и формообразующей матрицы для последующего получения еще одного регулятора интенсивности потока с измененной геометрией. По завершению получения необходимого количества регуляторов интенсивности потока формируют замыкающую трубную решетку. Б путем установки выдвижных или взаимозаменяемых буртиков перфорированной пластины, обеспечивающих создание отдельных формообразующих участков для получения литых деталей требуемой формы. По завершению заливки, отверждения и поднятия первой детали вверх на расстояние, как минимум соответствующее по величине ее высоте, а затем за счет поднятия одних и опускания других буртиков осуществляется подготовка формообразующей поверхности для получения другой детали. Таким образом осуществляется изготовление регуляторов интенсивности потока, вытянутых относительно соответствующих участков трубной решетки. В путем установки в трубную решетку жестких пластин. Более подробно данное изобретение представлено схематически на рисунках, где на фиг. 1 изображен поперечный разрез матрицы с отлитой в ней трубной решеткой,на фиг. 2 изображена трубная решетка, поднятая на заданное расстояние от перфорированной пластины,на фиг. 3 изображена трубная решетка, разрезанная на две половины,на фиг. 4 изображен продольный разрез готовой секции, состоящий из полых волокон,на фиг. 5 - изображение готовой секции на виде сверху. На фиг. 1 изображены сплошные полые волокна (1), проходящие через определенное количество отверстий(2) в горизонтально расположенной перфорированной пластине (3) с окаймляющим ее буртиком (6). Перфорированная пластина (3) с буртиком (6) составляют формообразующую матрицу. Литейная масса через впускные 4 3745 1 отверстия, не показанные на рисунке, подается в формообразующую матрицу, отверждается, формируя таким образом трубную решетку (4). На фиг. 2 трубная решетка с зафиксированными в ней полыми волокнами поднимается вертикально вверх на заданное расстояние от перфорированной пластины с помощью приспособления, не показанного на рисунке, путем перемещения либо волокон, либо самой трубной решетки. На фиг. 3 трубная решетка разрезана в горизонтальной плоскости на две половины (4 а) с целью вскрытия торцевой части волокон. В результате повторного осуществления операций, отображенных на фиг. 1, 2 и 3,получается готовая секция, состоящая из полых волокон, продольный разрез и вид сверху которой изображены на фиг. 4 и 5 соответственно. Секция, состоящая из полых волокон, изображенная на фиг. 5, имеет семь волокон, по существу расположенных на неизменных расстояниях друг относительно друга. Очевидно, что данное изобретение может быть применимо при использовании произвольного количества волокон, расположенных на любом необходимом расстоянии друг относительно друга. По желанию готовый модуль может быть сформирован из нескольких объединенных вместе секций, состоящих из полых волокон, окаймленных одним общим кожухом. Процесс изготовления секций из полых волокон, согласно изобретению, может быть осуществлен быстро и эффективно на автоматизированной основе за счет выполнения нескольких несложных технологических операций, не требующих больших трудозатрат. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 5