2.12.3. Схемы аппаратов разделения на полупроницаемых мембранах

К промышленным аппаратам для ультрафильтрации и обрат­ного осмоса предъявляют следующие основные требования:

большая площадь поверхности мембраны, приходящаяся на единицу объема аппарата;

доступность для сборки и монтажа;

равномерное распределение жидкости над мембраной при дви­жении внутри аппарата. Скорость течения жидкости должна быть достаточно высокой, чтобы уменьшить загрязнение мембран фильтруемым материалом;

по возможности небольшой перепад давлений в аппарате;

механическая прочность, герметичность и пр.

В связи с тем, что очистка мембранных аппаратов от осадка, ко­торый может присутствовать в растворах, подвергаемых разделе­нию, затруднена, растворы, поступающие на концентрирование, должны предварительно очищаться от осадка. Эту очистку назы­вают водоподготовкой и требования к ней ужесточают для аппара­тов, очистка которых от осадка более затруднена.

По способу укладки мембраны различают аппараты: с плоски­ми мембранными элементами; с трубчатыми мембранными эле­ментами; с мембранами рулонного типа; с мембранами в виде по­лых волокон.

Аппараты с плоскими мембранными элементами. Они имеют фильтрующий элемент, состоящий из плоских (листовых) мемб­ран, уложенных по обе стороны плоского пористого материала - дренажа либо приготовленных непосредственно на поверхности мембран. Расстояние между соседними мембранами, где протека­ет исходный раствор, составляет 0,5...5 мм. Разделяемый раствор последовательно проходит между всеми мембранными элемента­ми, концентрируется и удаляется из аппарата. Часть этого раство­ра, прошедшего через мембрану, образует фильтрат (пермеат).

Выпускают различные модификации аппаратов с плоскими мембранными элементами: корпусные и бескорпусные, с цент­ральным и периферийным отводом фильтрата, с общим отводом фильтрата или с его раздельным отводом из каждого элемента.

По форме мембранные элементы изготовляют цилиндрически­ми, эллиптическими, прямоугольными и квадратными. При этом форма элементов существенно влияет на организацию потока раз­деляемого раствора над поверхностью мембран и на характеристи­ки процесса разделения. Сборка такого аппарата довольно проста: набор мембран (мембранных пакетов) зажимают с помощью фланцев. Между мембранами по краям пакетов устанавливают рамки с отверстиями для отвода фильтрата и соответствующие прокладки. Схема мембранного аппарата типа «фильтр-пресс» по­казана на рисунке 2.8.

Блочные плоскорамные аппараты А1-ОУС имеют площадь фильтрации 8 м² и используются для ультрафильтрационной об­работки молочных продуктов. Обратноосмотические плоскока­мерные установки УГ-1, УГ-10 и УГ-50 имеют фильтрующие эле­менты (143 шт.) с рабочей площадью поверхности мембран 100 м², которые сгруппированы в шесть блоков. Эти аппараты использу­ют для опреснения воды. Работают они при давлениях 4...5 МПа.

Преимущество аппаратов с плоскими мембранными элемента­ми состоит в простоте их изготовления. Они уникальны и в том отношении, что позволяют потребителю самостоятельно оптими­зировать выбор мембран, поскольку в опытном образце можно разместить различные мембраны и в течение длительных испыта­ний установить их соответствие технологическим требованиям (производительность, устойчивость к загрязнениям и т. п.). С дру­гой стороны, аппараты данного типа ограниченно используют при создании больших аппаратов, так как их сборку и демонтаж про­водят в основном вручную. Это требует высокой квалификации рабочих. Кроме того, сложно герметизировать фильтрующие эле­менты. Аппараты имеют сравнительно небольшую плотность упа­ковки мембран в единице объема аппарата. При работе возникают проблемы, связанные с ограниченной скоростью циркуляции ра­створа над мембраной и с неравномерностью гидродинамических условий в отдельных зонах аппарата.

Исходный

раствор

Концентрат

Рис. 2.8. Схема мембранного аппарата типа «фильтр-пресс»:

1-корпус; 2-дренаж с мембраной; 3-болт; 4-поддон.

Аппараты с трубчатыми мембранными элементами. В таких аппа­ратах (рис. 2.9) исходный раствор подается внутрь трубки; разде­лительная поверхность (мембрана) находится либо на внутренней стороне трубки диаметром 8...25 мм, либо снаружи трубки, либо расположена на обеих сторонах этих поверхностей. При сборке аппарата трубки укладывают в виде блоков, а их концы заливают герметизирующим составом. Такие аппараты имеют ряд преиму­ществ:

Рис. 2.9. Схемы мембранных аппаратов с трубчатыми фильтрующими элементами:

а - трубчатый фильтрующий элемент с мембраной на внутренней поверхности;

б - трубчатый фильтрующий элемент с мембраной на наружной поверхности;

в - мембранный аппарат с трубчатыми фильтрующими элементами;

1 - мембрана;

2 - кожух;

3 - пористый каркас;

4 - трубчатый фильтрующий элемент

они имеют безопорный корпус, т. е. мембрана не передает уси­лий на корпус. Трубка сочетает в себе функции разделительного элемента, дренажного материала и несущей конструкции. Благо­даря этому трубчатые аппараты имеют низкую металлоемкость;

аппараты имеют низкое гидродинамическое сопротивление по­току раствора и высокую скорость его течения, которая может превышать 5 м/с;

конструкция аппарата позволяет легко и эффективно осуще­ствлять все способы очистки мембраны от осадка, включая и меха­нический, без разборки аппарата;

гидравлическое сопротивление потоку фильтрата (пермеата) малое в связи с небольшой длиной дренажного канала;

в аппаратах создаются хорошие гидравлические условия работы мембраны, так как поток раствора движется равномерно и с высо­кой скоростью, отсутствуют застойные зоны;

удобно устанавливать трубчатые мембранные элементы в аппа­рате, герметизация его надежная.

Эти преимущества дают возможность использовать трубчатые аппараты для ультрафильтрации при разделении вязких раство­ров, а также растворов с высокой склонностью к загрязнению мембран вследствие осаждения на них фильтрата или образования гелей из жидких пищевых продуктов.

К недостаткам аппаратов трубчатого типа относят:

малую удельную площадь поверхности мембран в аппарате (60...200 м²/м³);

требуемую повышенную точность изготовления и механичес­кой обработки внутренней поверхности дренажного каркаса;

отсутствие визуального контроля процесса формования мемб­ран.

Трубчатые мембранные элементы различаются также пористо­стью дренажного каркаса. Изготовляют его точением из высоко­пористых пластмасс, а также навивкой на оправу нескольких сло­ев синтетического волокна или стекловолокна с последующей ча­стичной пропиткой смолой; плетением рукавов из синтетических нитей или из нержавеющей проволоки; из металлических перфо­рированных труб; прессованием керамических, металлокерамических или пластиковых порошковых материалов; пропиткой на­полнителя термопластами.

Чтобы снизить гидравлическое сопротивление фильтрату, в плетеных и витых трубах иногда укладывают продольные волокна, а при использовании непористых труб на их поверхности делают продольные пазы. С этой же целью пористые трубы иногда изго­товляют из пучков волокон или из гофрированной ткани, образу­ющей после ее пропитки смолой жесткий дренажный каркас с продольными каналами для отвода фильтрата.

Аппараты с мембранами рулонного типа (рис. 2.10). Используют главным образом при обратном осмосе для опреснения воды. Преимущества таких аппаратов:

высокая рабочая площадь поверхности мембран в единице объема;

удобство изготовления и монтажа;

сравнительно простая конструкция;

возможность использования для его изготовления заранее оп­робованной плоской мембраны и др.

В рулонном аппарате исходный раствор под давлением движет­ся по напорному каналу параллельно оси элемента. Опресненная вода, проходя через мембрану, попадает в дренажный слой и через него отводится в трубку-коллектор. Для уменьшения гидродина­мического сопротивления дренажные каналы изготовляют длиной не более 3 м.

Мембраны наматывают на перфорированную винипластовую трубку. Рабочие давления в аппаратах 3...5 МПа, объемная по­дача исходного раствора 0,6... 1 м³/ч. На основе этих элементов выпускают аппараты для очистки воды от органических веществ, минеральных солей, коллоидных и бактериальных заг­рязнений и т. д.

а б

Рис. 2.10. Схема рулонного фильтрующего элемента (а) и мембранного аппарата рулонного типа (б):

1 - мембрана; 2 - пористая подложка; 3 - сетка

Аппараты рулонного типа имеют следующие недостатки:

требования к предварительной очистке воды здесь намного же­стче, чем для плоскокамерных и особенно трубчатых аппаратов;

невозможна механическая очистка мембран;

в таких аппаратах ненадежным и трудоемким является процесс склеивания мембранных пакетов;

вследствие недостаточно высокой надежности элементов в них чаще, чем в других аппаратах, появляются дефекты при эксплуата­ции. В очищенной воде в этом случае резко повышается содержа­ние солей, органических веществ и других загрязнений;

вследствие повышенной трудоемкости изготовления и загряз­нения элементов стоимость таких аппаратов высока, что заметно ухудшает их экономические показатели.

Экономические показатели работы установки снижаются так­же из-за необходимости тщательной предварительной подготовки воды, требования к которой существенно превосходят требования к воде, поступающей на трубчатые аппараты. Эти требования обусловлены, прежде всего, невозможностью механической очист­ки мембран рулонного типа.

Аппараты с мембранами в виде полых волокон. Их широко при­меняют для разделения растворов обратным осмосом и ультра­фильтрацией. Мембраны в виде полых волокон для обратного ос­моса обычно имеют наружный диаметр 45...200 мкм и толщину стенки 10...15 мкм, а для ультрафильтрации соответственно 200...1000 и 50...2000 мкм. При таких размерах обеспечивается не­обходимая прочность волокон под действием рабочих давлений, используемых при обратном осмосе (до 10 МПа) и ультрафильтрации (до 1 МПа).

Полое волокно представляет собой мембрану, выполненную в виде тонкого капилляра. Активный слой может находиться как с внутренней, так и с внешней стороны. Аналогия между полым во­локном и трубчатой мембраной обусловила во многом сходство конструкций этих аппаратов с трубчатыми.

Вместе с тем малый диаметр полого волокна обеспечивает принципиально более высокие характеристики этих аппаратов.

Аппараты имеют следующие преимущества: простота устройства; технологичность; легкая сборка и удобство в эксплуатации; высо­кая удельная площадь поверхности мембран (до 20...30 тыс. м²/м³), более высокая скорость потока во внутреннем канале полого во­локна вблизи рабочей поверхности (выше, чем в аппаратах всех других типов).

Благодаря указанным преимуществам аппараты с полыми во­локнами широко применяют в крупнотоннажных химических производствах, в производстве особо чистой воды, в пищевой промышленности и т.д. Эти преимущества способствуют более интенсивному внедрению их модулей не только в обратном осмо­се, но также в ультрафильтрации.

Аппараты с полыми волокнами можно разделить на следующие группы:

с параллельным расположением полых волокон;

с цилиндрическими мембранными элементами;

с -образным расположением полых волокон;

со сферическими мембранными элементами.

Аппараты с полыми волокнами могут быть безопорными и с опорно-распределительными трубками. Безопорные аппараты проще по устройству, но гидродинамические условия в них и рас­пределение разделяемого раствора по сечению и длине аппарата хуже, чем в аппаратах с опорно-распределительными трубками.

Безопорные аппараты обычно представляют собой пучок по­лых волокон, помещенный в корпус, который изготовляют из стекла, пластмассы или металла. Выбор материала корпуса опре­деляется рабочим давлением в нем. Используют безопорные аппа­раты в основном при низких давлениях в ультра- и микрофильт­рации, а также в качестве диализаторов. Исходный раствор можно подавать во внутренние каналы или в межволоконное простран­ство.

Аппараты на основе мембран в виде полых волокон имеют сле­дующие недостатки:

повышенные требования к предварительной подготовке фильт­руемого раствора;

попадание крупных частиц внутрь капилляра волокна, что нео­братимо выводит его из строя;

практическая невозможность очистки загрязненных мембран;

дефектность отдельного волокна (вероятность которого довольно высока при числе капилляров в несколько десятков тысяч) и выход его из строя, например вследствие разрыва, резко ухудша­ет показатели качества работы аппарата. Именно этим обстоятель­ством, очевидно, объясняется то, что по величине солезадержания аппараты на основе полых волокон существенно уступают осталь­ным типам мембранных аппаратов.

В молочной промышленности применяют обратное осмотичес­кое сгущение молока и лактозосодержащего продукта. Наиболь­шая перспектива здесь открывается при сгущении ультрафильтра­та молока, сыворотки и пахты.

В сахарном производстве одним из основных полупродуктов является диффузионный сок, представляющий собой сложный по составу раствор сахарозы и примесей минерального и органичес­кого характера. Для обработки сока можно использовать ультра­фильтрацию и обратный осмос. Аналогичные перспективы вне­дрения мембранных методов относятся к очистке и концентриро­ванию соков, пива, безалкогольных напитков, вин, сточных вод пищевой промышленности и т. д.