Пищевое оборудование

Мембранные аппараты

Мембранные установки комплектуются из емкостей, циркуляционных и напорных насосов, трубопроводов и вентилей, мембранных аппаратов (элементов), обеспечивающих фильтрацию среды, измерительной аппаратуры, предназначенной для анализа технологических параметров и свойств обрабатываемой среды. Наиболее важным элементом являются мембранные аппараты. Поэтому большое значение имеет классификация имеющихся конструкций и оценка их работоспособности. Кроме того, она необходима для разработки новых конструкций.

В соответствии с  классификацией мембранные  аппараты  подразделяются на пять групп, в зависимости от способа укладки мембран:

  • с плоскими мембранными элементами;
  • трубчатыми мембранными элементами;
  • мембранными элементами   рулонного  типа;
  • мембранами в виде полого волокна;
  • патронными мембранными элементами.

Логическим продолжением ее служит классификация, по которой мембранные аппараты делятся на две группы:

  • аппараты, в которых подлежат замене только сами мембраны;
  • аппараты, в которых замене подлежат мембранные элементы или само оборудование.

К первой группе относится мембранная техника на основе плоскорамных аппаратов (типа “фильтр-пресс”), дисковых тупиковых или проточных ячеек, аппаратов с мешалками и т.п. Ко второй — относятся аппараты на основе рулонных модулей, плоскорамных, кассетного  типа, модулей из полых волокон, трубчатых элементов,  гофрированных патронов, центробежных мембранных аппаратов.

Целесообразнее иметь дело с модулями второй группы. В этом случае облегчается сборка установки, т.к.  замена мембранных модулей проще,  чем  отдельных  мембран. Однако с точки зрения экономичности мембранная техника первой группы  более предпочтительна.

Трубчатый мембранный элемент

Трубчатый мембранный элемент (рисунок 1) состоит из трубки 1, которая  является опорой для  мембраны 2 и  микропористой подложки 3, которая  необходима для обеспечения жесткости конструкции и отвода фильтрата. Различают трубчатые мембранные элементы с мембраной  внутри (рисунок 1, а), снаружи (рисунок 1, б) трубки и с комбинированным ее расположением (рисунок 1, в). Наибольшее распространение получили аппараты с мембраной внутри трубки. Их преимуществами являются: хорошие гидродинамические условия работы мембраны (движение потока с высокой скоростью и отсутствие застойных зон); возможность механической очистки мембранных элементов; удобство установки мембранных элементов в аппараты. К недостаткам можно отнести: малую удельную поверхность мембран в аппарате(60-200м23).

1 - трубка; 2-мембрана; 3-подложка; 4-корпус. а - с мембранами внутри трубки; б - с мембранами снаружи трубки; в - комбинированная конструкция Рисунок 1 - Трубчатые мембранные элементы
1 — трубка; 2-мембрана; 3-подложка; 4-корпус.
а — с мембранами внутри трубки; б — с мембранами снаружи трубки; в — комбинированная конструкция
Рисунок 1 — Трубчатые мембранные элементы

Плоский мембранный элемент

Плоский мембранный элемент состоит из плоских (листовых) мембран, которые укладываются по обе стороны плоского пористого материала — дренажа. Расстояние между соседними элементами колеблется в пределах 0,5-5 мм. Разделяемый раствор последовательно проходит между всеми мембранными элементами, концентрируется и удаляется из аппарата. Часть раствора, прошедшая через мембрану образует  пермеат (фильтрат). По форме элементы бывают круглыми (эллиптическими) и прямоугольными (квадратными). На рисунке 2  представлена  схема  аппарата  с плоскими мембранными элементами.  Аппарат   представляет  собой    пакет  мембранных    элементов  1 эллиптической формы, находящихся между круглыми фланцами 2. Их соосность обеспечивается двумя направляющими штангами 3. На концы которых навинчивается гайки. Мембранные элементы состоят из опорных пластин 4, по обеим сторонам которых уложены мембраны 5. Отверстия в опорных пластинах совмещаются и герметизируются двумя кольцами 6 и 7. Для подачи разделяемого раствора из переточного отверстия в мембранный канал и отвода его в другое переточное отверстие в проточных кольцах имеются прорези в радиальном направлении. Для распределения разделяемого раствора по секциям одно из переточных отверстий на соответствующих мембранных элементах перекрывают заглушкой 8. Пермеат (фильтрат) отбирают отдельно из каждого мембранного элемента по шлангам 9 в коллектор 10.

Достоинством этих аппаратов является возможность создания высоких скоростей движения раствора в каналах (до 3 м/с), что позволяет снизить влияние концентрационной поляризации. К недостаткам можно отнести высокое гидравлическое сопротивление, невысокую удельную поверхность мембраны (60-300 м23).

1-мембранный элемент; 2- фланец; 3-направляющая штанга; 4-опорная пластина; 5-мембрана; 6-проточное кольцо; 7-замковое кольцо; 8-заглушка; 9-шланг; 10-коллектор пермеата Рисунок 2 - Схема устройства аппарата с плоскими мембранными элементам
1-мембранный элемент; 2- фланец; 3-направляющая штанга; 4-опорная пластина; 5-мембрана; 6-проточное кольцо; 7-замковое кольцо; 8-заглушка; 9-шланг; 10-коллектор пермеата
Рисунок 2 — Схема устройства аппарата с плоскими мембранными элементам

Рулонный аппарат

Рулонный аппарат (рисунок 3) состоит из трубчатого коллектора для фильтрата 1, полупроницаемой мембраны 2, разделительной сетки 3, пористой подложки 4. Этот тип аппарата может использоваться для концентрирования водно-солевых растворов лактозы, получения чистой воды, концентратов низкомолекулярных веществ. Преимуществами этих аппаратов является высокая удельная поверхность (до 600м23), простота эксплуатации, монтажа и замены. Недостаток — высокое гидродинамическое сопротивление.

1 - сборник фильтрата; 2 - полупроницаемая мембрана; 3 - сетка-разделитель; 4 - пористая подложка Рисунок 3 - Схема рулонного фильтрующего аппарата
1 — сборник фильтрата; 2 — полупроницаемая мембрана; 3 — сетка-разделитель; 4 — пористая подложка
Рисунок 3 — Схема рулонного фильтрующего аппарата

Аппараты с полыми волокнами

Аппараты с полыми волокнами бывают нескольких типов: с цилиндрическими мембранными элементами, с параллельным расположением полых волокон, с U- образным расположением полых волокон. Наибольшее распространение получили элементы с параллельным расположением волокон (рис.4). Аппарат имеет корпус 1, снабженный штуцерами для подачи исходного раствора, отвода пермеата и концентрата. В корпусе крепится пучок полых волокон 5. Диаметр их достаточно мал (до 1 мм). Волокна собраны в пучок  с помощью спирально навитой нити 4, которая служит для обеспечения необходимого зазора  между волокнами, что улучшает распределение разделяемого раствора. В данном аппарате разделяемую жидкость можно подавать как внутрь волокна, так и  снаружи.

Достоинствами аппаратов этой конструкции является высокая удельная поверхность (до 30000 м23), низкая материалоемкость. К недостаткам можно отнести трудность замены волокон в случае их порывов, необходимость использования предварительной фильтрации в случае содержания в исходном растворе  взвешенных частиц.

1 - корпус; 2 - сборник пермеата; 3 - перемычка; 4 - спиральная нить; 5 - волокно Рисунок 4 - Схема аппарата с одним пучком полых волокон
1 — корпус; 2 — сборник пермеата; 3 — перемычка; 4 — спиральная нить; 5 — волокно
Рисунок 4 — Схема аппарата с одним пучком полых волокон

Мембранные аппараты нового типа

В КемТИППе под руководством проф. Лобасенко Б.А. разработаны новые конструкции мембранных аппаратов, с отводом  диффузионного пограничного слоя задерживаемых (растворенных) веществ из области, прилегающей к поверхности мембраны. Рассмотрим некоторые конструкции  и принцип их работы.

Аппарат  для  мембранного  разделения

Аппарат  для  мембранного  разделения (рисунок 5) состоит из гайки 1, которая с  помощью резьбы 2 присоединяется к дренажной трубке 3, на которой находится мембрана 4. Внутри гайки находится коническая втулка 5, имеющая прорези 6 для прохода разделяемого раствора. Между внешней стороной конической втулки и гайкой имеются зазор 11,  каналы и отводные каналы 7 и 8 соответственно для прохода и отвода слоя концентрата, имеющего повышенное содержание задерживаемых веществ. Крепление устройства осуществляется с помощью фланца 9, в котором имеется выходное отверстие 10.

Аппарат работает следующим образом. В процессе фильтрования на поверхности мембраны происходит образование слоя с повышенным содержанием задерживаемых веществ. Высота слоя концентрата достаточно мала. Поворачивая гайку 1 можно добиться, чтобы величина зазора между мембраной  4 и внешней поверхностью конической втулки 5 была минимальной и сопоставимой с толщиной концентрата. После этого открывают канал 8 и добиваются устойчивого отвода концентрата. Оставшаяся часть раствора проходит через внутреннюю часть конуса и далее через выходное отверстие 10. Для предотвращения образования  застойных зон  между конической втулкой и мембраной,  а также  возможной турбулизации  потока  в  конической втулке  предусмотрены кольцевые прорези 6.

1 - гайка; 2 - резьба; 3 - дренажная трубка; 4 - мембрана; 5 - втулка коническая; 6 - прорези; 7,8 - переточные и отводные каналы; 9 - фланец; 10 - выходное отверстие; 11 - зазор Рисунок 5 - Аппарат для мембранного разделения
1 — гайка; 2 — резьба; 3 — дренажная трубка; 4 — мембрана; 5 — втулка коническая; 6 — прорези; 7,8 — переточные и отводные каналы; 9 — фланец; 10 — выходное отверстие; 11 — зазор
Рисунок 5 — Аппарат для мембранного разделения

Аппарат для мембранного концентрирования

Аппарат для мембранного концентрирования  (рисунок 6) состоит из корпуса 1 и кожуха  2. Отвод продукта  осуществляется  через   кольцевые щели 4 и 5 и патрубок 3. Внутри корпуса находится полый  шток  6,  на конце которого  выполнен  конус,  положение которого может регулироваться за  счёт резьбы 7. Устройство присоединяется к трубчатой мембране 8. На  корпусе  имеется штуцер  9 для отвода диффузионного слоя.

1 - корпус; 2 - конус; 3 - штуцер; 4,5 - щели; 6 - шток; 7 - резьба; 8 - трубчатая мембрана; 9 - штуцер Рисунок 6 - Аппарат для мембранного концентрирования
1 — корпус; 2 — конус; 3 — штуцер; 4,5 — щели; 6 — шток; 7 — резьба; 8 — трубчатая мембрана; 9 — штуцер
Рисунок 6 — Аппарат для мембранного концентрирования

Устройство работает следующим образом. Исходный раствор под давлением, проходя по трубчатой мембране 8, фильтруется. При этом на её внутренней поверхности образуется  слой  с  повышенным содержанием  растворенных веществ. Поток и слой устремляются в корпус 1, в котором выполнены две кольцевые щели 4 и 5. При этом давление, возникающее  в  первой  из  них, будет больше чем во второй.  Это  происходит  за  счет  перемещения конуса  штока 6.

Величина  общего  давления, создаваемого в кожухе 2, будет  меньше, чем в сечении щели 4, но больше, чем в 5. Вследствие  этого слой  концентрата,  находящийся  на  внутренней  поверхности  корпуса 1  засасываться в кожух (за счет разности давлений в сечении щели 4   и  кожухе  2, а  затем   удаляется   через   штуцер 3.  Основная  часть потока разделяется полым конусом на две части: диффузионный слой с более высокой концентрацией  и  основной  поток. Диффузионный  слой проходит по кольцевому  пространству  между    поверхностями  штока  6  и  корпуса  1,  и отводится  из  штуцера 9, имеющего вентиль для плавной регулировки.  Оставшаяся  часть  потока (с   меньшей   концентрацией)  выводится через отверстие в полом   штоке.

В данной конструкции увеличение производительности процесса концентрирования предусмотрено за счет одновременного отвода диффузионного  слоя  через  кольцевое  сечение  и   зазор  между  полым  конусом  и  втулкой.

Аппарат для мембранного концентрирования с очисткой  мембраны

Аппарат для мембранного концентрирования с очисткой  мембраны благодаря  вводу дисперсной фазы в  аппарат (рисунке 7).

1 - корпус; 2 - крышка; 3 - штуцер для ввода исходного раствора; 4 - патрубок для ввода дисперсной фазы; 5 - конус; 6 - патрубок; 7 - кожух; 8,9 - втулки; 10 - мембрана; 11 - сетка; 12 - патрубок Рисунок 7 - Аппарат для мембранного концентрирования с очисткой мембраны
1 — корпус; 2 — крышка; 3 — штуцер для ввода исходного раствора; 4 — патрубок для ввода дисперсной фазы; 5 — конус; 6 — патрубок; 7 — кожух; 8,9 — втулки; 10 — мембрана; 11 — сетка; 12 — патрубок
Рисунок 7 — Аппарат для мембранного концентрирования с очисткой мембраны

Аппарат включает в  свой  состав  корпус 1, крышку 2 со штуцером 3 для ввода исходного раствора и патрубок 4 для ввода дисперсной фазы. Отвод  подсгущённого  раствора осуществляется через конус 5, а  дисперсной фазы с концентратом через патрубок 6.Внутри корпуса 1, при помощи втулок 8, 9, крепится мембрана 10. На мембране расположена сетка 11, установленная с некоторым зазором с её поверхностью. Фильтрат удаляется через патрубок 12.

Устройство работает следующим образом: исходный раствор под давлением поступает в патрубок 3. При этом на селективной поверхности мембраны образуется слой с повышенным содержанием растворенных веществ. Одновременно в патрубок 4, расположенный тангенциально, с некоторым наклоном к оси мембраны (с целью  придать дисперсной фазе  наряду с поступательным,  вращательное  движение по её  поверхности)  подаётся  дисперсная  фаза.

 Благодаря сетке 11, расположенной внутри мембраны исключается возможность перемешивания  исходного  раствора с дисперсной фазой. Последняя, проходя вдоль поверхности мембраны, увлекает за собой неподвижный слой с повышенным содержанием задерживаемых веществ, который затем  отводится  через патрубок 6, а  затем отделяется от неё. Фильтрат  удаляется  через патрубок 12, а  дисперсная  фаза повторно подаётся в  мембранный  аппарат. Наличие конуса 5 позволяет отводить поверхностный слой концентрата, находящийся выше сетки.

Таким  образом, данное устройство предусматривает отвод подвижного и неподвижного слоёв. Очистка мембраны от  неподвижного  слоя позволит поддерживать высокую производительность по фильтрату. Совмещение этих процессов дает возможность получать необходимую степень концентрирования за меньший промежуток  времени, т.е. интенсифицировать процесс.

Устройство для мембранного концентрирования

На рисунке 8 представлено  устройство для мембранного концентрирования.

1,11 - корпус; 2 - кожух; 3 - патрубок; 4,5 - кольцевые щели; 6 - шток; 7 - резьба; 8 - трубчатая мембрана; 9 - спираль; 10 - лопасти; 12,13 – штуцера для подвода продукта Рисунок 8 - Аппарат для мембранного концентрирования
1,11 — корпус; 2 — кожух; 3 — патрубок; 4,5 — кольцевые щели; 6 — шток; 7 — резьба; 8 — трубчатая мембрана; 9 — спираль; 10 — лопасти; 12,13 – штуцера для подвода продукта
Рисунок 8 — Аппарат для мембранного концентрирования

Оно состоит из корпуса 1, c двумя кольцевыми щелями 4 и 5, находящегося внутри кожуха 2 с патрубком для отвода продукта 3. В полости корпуса находится полый  шток переменной конфигурации 6. Положение конуса регулируется при помощи резьбы 7. Устройство присоединяется к трубчатой мембране 8. Внутри полости мембраны находится спираль 9, приводящаяся во вращение лопастями 10. Лопасти расположены в корпусе 11.  На  корпусе  имеются  штуцера 12, 13 для подвода продукта.

Устройство работает следующим образом. Основная  часть исходного  раствора под давлением подается в канал мембранного аппарата, другая часть поступает на лопасти, которые приводят во вращение спираль. За счёт создания движущей силы в канале аппарата происходит мембранная фильтрация. При этом на внутренней поверхности мембраны образуется слой с повышенным содержанием растворенных веществ (явление концентрационной поляризации).

Поток и верхняя часть образовавшегося слоя устремляются в корпус 1, где происходит их разделение. Поток поступает  во внутреннюю полость штока 6, а слой – в кольцевую щель 4  и область, ограниченную  проточкой  штока и внутренней поверхностью корпуса. Далее они выводятся  из аппарата. Через некоторое время на мембране вследствие концентрационной поляризации образуется устойчивый неподвижный слой с повышенным содержанием растворенных веществ, который  в дальнейшем  может преобразоваться  в слой  геля. Это значительно снижает скорость процесса, а,

следовательно, и производительность. Для его предотвращения  необходимо производить постоянное вращение спирали 9,скорость которой зависит от свойств перерабатываемой среды и условий образования слоя.  В случае необходимости, при интенсивном образовании последнего  увеличивают частоту вращения спирали.

Таким образом, установка и использование подвижной спирали позволяет добиться  постоянной очистки мембраны от накопившегося на ней слоя и способствует отводу продукта с большим содержанием растворенных веществ, что в целом приводит к интенсификации процесса разделения.

Оценка технических возможностей рассмотренных выше аппаратов показала, что в каждой из них в процессе фильтрации происходит уменьшение проницаемости за счет накопления осадка на поверхности мембраны. В этом случае  производят   её   очистку,  что   приводит  к    уменьшению   основного  времени работы, т.е. производительности. Для её увеличения необходимо уменьшить вспомогательное  время (продолжительность очистки). В этой связи была предложена конструкция, которая позволяет производить  очистку одновременно с фильтрацией среды и тем самым обеспечить непрерывность её работы.

Мембранное устройство

Мембранное устройство состоит из корпуса 1, на котором находится кожух 2 со штуцерами  3  и 4 (рисунок 9).  Корпус  имеет  две   кольцевые  щели  5  и  6.  Внутри  корпуса находится полый шток 7 с конусом. Корпус присоединен к трубчатой мембране 8.  Внутри  канала  мембраны  находится  подвижный  полый  вал  9  с насаженными на него лопастями 10, один конец которого крепится к конусу штока 7, а другой выходит через корпус 11 наружу. Вал 9 имеет два отверстия для подачи газа, расположенные под углом 90о относительно оси вала. Вал 9 приводится во вращение лопастями 12, которые расположены в корпусе 11, присоединенном к другому концу мембраны. На корпусе имеются штуцера 13 и 14 для подвода продукта. К корпусу крепится кожух 15 со штуцерами 16, 17 для подачи газа и  отвода фильтрата соответственно.

1, 11 - корпус; 2, 15 - кожух; 3,4 - штуцера; 5,6 - кольцевые щели; 6 - шток; 7 - шток; 8 - трубчатая мембрана; 9 - полый вал; 10, 12 - лопасти; 13,14 – штуцера для подвода продукта; 16,17– штуцера для отвода фильтрата (подачи газа) Рисунок 9 - Мембранное устройство
1, 11 — корпус; 2, 15 — кожух; 3,4 — штуцера; 5,6 — кольцевые щели; 6 — шток; 7 — шток; 8 — трубчатая мембрана; 9 — полый вал; 10, 12 — лопасти; 13,14 – штуцера для подвода продукта; 16,17– штуцера для отвода фильтрата (подачи газа)
Рисунок 9 — Мембранное устройство

Устройство работает следующим образом. Исходный раствор под давлением подается в устройство через штуцер 13.

Лопасти 10 делят поток на четыре сектора. В двух из них происходит фильтрование раствора, а в остальные осуществляется подача газа. При фильтровании раствора на внутренней поверхности мембраны образуется подвижный диффузионный слой с повышенным содержанием растворенных веществ (явление концентрационной поляризации). Диффузионный слой отводится из штуцеров 3 и 4, а основная часть потока – через отверстия в полости штока 7. Через  некоторое  время  на  мембране  образуется устойчивый неподвижный слой с повышенным содержанием растворенных веществ, который в дальнейшем может преобразоваться в слой геля. Для предотвращения образования слоя геля и  сохранения производительности на высоком уровне осуществляют очистку мембраны, которая производится вращением полого вала 9 с лопастями 10 на 180о за счет подачи исходного раствора через штуцер 14. Подача газа турбулизирует среду и в сочетании с вращением лопастей, снимающих неподвижный  осадок с поверхности мембраны, позволяет интенсивно производить очистку. При необходимости, для лучшей очистки производят подачу газа через штуцер 16 в направлении, противоположном отводу фильтрата.

Турбулизация среды за счет подачи газа  в сочетании с вращением лопастей, снимающих неподвижный  осадок с поверхности мембраны,  интенсифицирует процесс ее очистки, что позволяет поддерживать производительность по фильтрату на высоком уровне.