Лабораторная работа №7 устройство мембранных аппаратов

Цель работы: ознакомиться с назначением, изучить устройство и принцип действия аппаратов для обратного осмоса и ультрафильтрации.

Порядок выполнения работы

1. Изучить устройство мембранных аппаратов с фильтрующими элементами.

2. Ознакомиться с работой фильтрующих мембранных аппаратов.

3. Составить отчет.

Аппараты для обратного осмоса и ультрафильтрации бывают периодического и непрерывного действия. Аппараты периодического действия применяются, как правило, только в лабораторной практике. В промышленности используются проточные аппараты непрерывного действия.

Мембранные аппараты имеют большую удельную площадь поверхности разделения, просты в сборке и монтаже, надежны в работе. Перепад давления в них небольшой. Их недостаток – высокое рабочее давление, что требует специальных уплотнений у трубопроводов и арматуры.

По способу расположения мембран аппараты бывают с плоскокамерными фильтрующими элементами (типа фильтра-пресса), с цилиндрическими и рулонными элементами и с мембранами в виде полых волокон. Перечисленные аппараты состоят из отдельных секций или модулей, что позволяет собирать их с различной площадью поверхности разделения.

Фильтр-пресс, по конструкции напоминающий фильтр для обычного фильтрования, является наиболее простым (рис. 70).

Рис. 70. Мембранный фильтр-пресс (а) и «подложка» (б): 1 – плита; 2 – стяжной болт; 3 – «подложка»; 4 – мембрана; 5 – отверстие

Его основа – фильтрующий элемент, состоящий из двух мембран, уложенных по обе стороны листов «подложки» из пористого материала (например, полимерного). Листы «подложки» имеют отверстия для прохода жидкости и расположены на расстоянии от 0,5 до 5,0 мм друг от друга. Пакет фильтрующих элементов зажимается между двумя плитами и стягивается болтами. Фильтруемый раствор последовательно проходит через все фильтрующие элементы и концентрируется на них. Концентрат и фильтрат непрерывно удаляются из аппарата.

Фильтры-прессы применяются в установках для выделения белков из подсырной сыворотки, а также для ультрафильтрации обезжиренного молока и творожной сыворотки. Производительность аппарата по сыворотке составляет 5,0 – 6,8 м³/ч, а по концентрату – 0,16 – 0,3 м³/ч.

Аппарат с цилиндрическими фильтрующими элементами собирается из отдельных цилиндрических фильтрующих модулей (рис. 71).

Рис. 71. Мембранный аппарат с цилиндрическими фильтрующими элементами

Цилиндрический фильтрующий элемент представляет собой сменный узел, собранный из полупроницаемой мембраны и дренажного каркаса. Дренажный каркас состоит из трубы и пористой «подложки», исключающей вдавливание мембраны в дренажные каналы трубы. Цилиндрические фильтрующие элементы изготавливаются трех типов (рис. 72).

Рис. 72. Цилиндрические фильтрующие элементы с различным расположением мембраны: а – на внутренней поверхности дренажного каркаса; б – на внешней; в – комбинированное. 1 –труба; 2 – мембрана; 3 – «подложка»

Аппарат с цилиндрическими фильтрующими элементами с мембраной, расположенной на внутренней поверхности дренажного каркаса (см. рис. 72, а), имеет следующие преимущества: малая материалоемкость из-за отсутствия напорного корпуса, небольшое гидравлическое сопротивление, возможность механической очистки фильтрующих элементов от осадка без разборки, надежность конструкции. Недостатки – низкая удельная рабочая площадь поверхности фильтрации мембран, высокие требования к сборке элементов.

Конструкции фильтрующих элементов с наружным расположением мембраны (см. рис. 72, б) имеют большую удельную рабочую площадь поверхности фильтрации. Однако они металлоемки и не позволяют осуществлять механическую очистку фильтрующих элементов.

Цилиндрические фильтрующие элементы с комбинированным расположением мембран (см. рис. 72, в) имеют примерно в 2 раза большую удельную рабочую площадь поверхности фильтрации, чем предыдущие. Однако такие конструкции обладают значительными гидравлическими сопротивлениями из-за большой длины каналов для отвода фильтрата.

Ультрафильтрационные установки с цилиндрическими фильтрующими элементами широко применяются для осветления фруктовых соков. От сока отделяются вещества, вызывающие его помутнение (протеин, крахмал, пектин, дубильные вещества большой молекулярной массы, частицы целлюлозы и др.). В осветленном соке содержатся все вещества в натуральном составе.

Рис. 73. Аппарат (а), заряженный рулонными фильтрующими элементами (б). 1 – труба; 2 – мембрана; 3 – «подложка»; 4 – сетка-сепаратор

Аппараты с рулонными фильтрующими элементами (рис. 73) выполняются в виде трубы, в которую последовательно вставлено несколько (плотность упаковки мембран составляет 300 – 800 м²/м³) рулонных фильтрующих элементов. Каждый элемент состоит из накрученного на отводящую трубу пакета из двух мембран и «подложки». Для создания межмембранного пространства между мембранами устанавливается сетка-сепаратор. Исходный раствор движется по межмембранным каналам в продольном направлении (см. рис. 73, а), а фильтрат По спиральному дренажному слою поступает в трубу и выводится из аппарата. Увеличение рабочей площади мембран в этих аппаратах повышает плотность упаковки, а также снижает стоимость изготовления. Увеличение площади мембран может достигаться за счет увеличения длины и ширины навиваемого пакета. Но длина пакета ограничивается гидравлическим сопротивлением дренажного слоя потоку фильтрата и обычно не пресыщает 2 м, а ширина – размерами мембран и дренажного слоя и максимально достигает 0,9 м.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем сущность процессов обратного осмоса и ультрафильтрации? В чем сходство и различие этих процессов?

2. Для каких целей применяются обратный осмос и ультрафильтрация в пищевой технологии?

3. Какой процесс лежит в основе обратного осмоса? Что является движущей силой процессов обратного осмоса и ультрафильтрации?

4. Чем принципиально отличается ультрафильтрация от обычного фильтрования?

5. Какие мембраны используются в процессах обратного осмоса и ультрафильтрации? Какими свойствами они должны обладать?

6. Какие конструкции аппаратов для проведения процессов обратного осмоса и ультрафильтрации применяются в пищевых производствах?