МАШИНОСТРОЕНИЕ

АППАРАТЫ ДЛЯ ОБРАТНОГО ОСМОСА, УЛЬТРА — И МИКРОФИЛЬТРАЦИИ

Мембрана - тонкая пленка, пронизанная огромным количеством пор. В объеме пленки поры составляют до 80 %.

Первое поколение отечественных поли­мерных мембран разработано более 20 лет на­зад на основе ацетатов целлюлозы. Недоста­точная химическая стойкость, подверженность микробиологическому воздействию, малая ме­ханическая прочность ограничила область применения мембран этого класса. Использо­вание для получения мембран полимеров с по­вышенными показателями химической и тер­мической стойкости (полиамидов, полисуль - фонамидов, фторопластов, кремнийсодержа - щих сополимеров) позволило получить мем­браны, имеющие высокие показатели селек­тивности и проницаемости и отличающиеся более широкой сферой применения [7, 9].

В последнее время появились металличе­ские (стальные, серебряные, золотые, титано­вые), стеклянные, углеродные и другие неорга­нические мембраны, в числе которых керами­ческие мембраны третьего поколения. Благо­даря более высокой термической, механиче­ской, химической и биологической стойкости и возможности регенерации «жесткими» режи­мами (в отдельных случаях - выжиганием) они все шире применяются для очистки жидкостей и газов в биотехнологии, пищевой, фармацев­тической, химической, металлургической и других отраслях промышленности [43].

Движущей силой мембранного процесса разделения могут быть градиенты давления, концентрации или электрического потенциала. Ниже рассматриваются только процессы, осу­ществляемые под действием разности давле­ний - баромембранные процессы.

Между размером пор и градиентом дав­ления существует определенная взаимосвязь: уменьшение размера пор в мембране, приво­дящее к способности задерживать более мел­кие частицы, обусловливает необходимость использования все более высокого давления (табл. 5.5.1).

5.5.1. Классификация баромембранных процессов

Микрофильтрация - мембранный про­цесс, применяемый для отделения от раствора крупных коллоидных частиц или взвешенных микрочастиц. Его используют для концентри­рования тонких суспензий (например, латек - сов), осветления (удаления взвешенных ве­ществ) различных растворов, очистки сточных и природных вод.

Ультрафильтрация - процесс мембран­ного разделения растворов высокомолекуляр­ных и низкомолекулярных соединений, а также фракционирования и концентрирования высо­комолекулярных соединений. Ультрафильтра­цию обычно используют для разделения сис­тем, в которых молекулярная масса растворен­ных компонентов намного больше молекуляр­ной массы растворителя.

Обратный осмос - процесс фильтрации растворов под давлением, превышающим ос­мотическое, через мембраны, пропускающие растворитель и задерживающие молекулы и ионы растворенных веществ. В основе этого метода лежит явление осмоса - самопроиз­вольного перехода растворителя через полу­проницаемую перегородку в раствор. Давле­ние, при котором наступает равновесие, назы­вается осмотическим. Если со стороны раство­ра приложить давление, превышающее осмо­тическое, то перенос растворителя будет осу­ществляться в обратном направлении - обрат­ный осмос. Обратный осмос - метод опресне­ния и обессоливания воды, широко используе­мый в энергетике, в медицинской, пищевой, химической промышленности, а также для улучшения качества технической и питьевой воды. Исключительный интерес представляет применение обратного осмоса для очистки промышленных и бытовых стоков.

Нанофильтрация занимает промежу­точное положение между ультрафильтрацией и обратным осмосом и характеризуется малой задерживающей способностью (селективно­стью) по солям с одновалентными анионами и органическими соединениями и высокой - по солям с двух - и поливалентными анионами и органическими соединениями. Широкое при­менение нанофильтрация находит в питьевом водоснабжении для умягчения и частичного обессоливания жестких и солоноватых вод.

Основными характеристиками мембран [64] являются средний диаметр пор dcp,

Селективность ф и удельная производитель­ность G.

Средний диаметр пор,, нм,

[ 810~55Q 1,5 103-60П

Где 8 - числовая постоянная в законе Пуазейля; МО-5 - динамическая вязкость воды при тем­пературе 20,5 °С, гс/см\ 5 - толщина испы­туемого образца мембраны, см; Q - производи­тельность испытуемого образца мембраны, см3/(см2 мин); П - пористость, характеризую­щая объем пустот в мембране; 1,5-103 - давле­ние (в момент испытания на производитель­ность), г/см2.

Селективность ф (%) характеризует сте­пень задержания растворенных веществ:

Ф=£і^іоо= *і

*1

Где Xj и ~ концентрации растворенного

Вещества соответственно в исходной смеси и в фильтрате.

При разделении ультрафильтрацией ве­личину ф часто называют коэффициентом за­держания при нанофильтрации и обратном ос­мосе - солезадержанием.

Удельная производительность (прони­цаемость), л/(м2ч),

(5.5.3)

Где V - объем (или масса) фильтрата, л; т - время фильтрации, ч; F - рабочая площадь по­верхности мембраны, м2.

Аппараты для баромембранных про­цессов. Большинство процессов мембранного разделения - обратный осмос, нано-, ультра­фильтрация - осуществляются в режиме тан­генциальной фильтрации. В этом случае разде­ляемую среду подают параллельно рабочему слою мембраны. Под действием разности дав­лений происходит разделение исходного пото­ка на две части: раствор,' прошедший через мембрану, - фильтрат (пермеат) и раствор, за­держанный мембраной, - концентрат (ретен - тат), который содержит ионы, молекулы и их ассоциаты, твердые частицы, бактерии. По­скольку разделяемая среда подается вдоль по­верхности мембраны, то только часть загрязне­ний, задержанных мембраной веществ накап­ливается на ее поверхности, что удерживает
значение удельной производительности на оп­ределенном уровне [7, 71].

Часть процессов мембранного разделе­ния - микро-, ультрафильтрация - может осу­ществляться в режиме тупиковой фильтрации, при которой подающийся на мембрану поток перпендикулярен ее поверхности. Под дейст­вием перепада давлений жидкость проходит через поры мембраны, а микрочастицы задер­живаются, при этом происходит их накопление с образованием слоя отложений на поверхно­сти мембраны. Толщина этого слоя возрастает со временем фильтрации, поэтому с увеличе­нием его толщины уменьшается удельная про­изводительность мембраны [33].

Основным узлом установок для про­цессов мембранного разделения является мембранный аппарат, который включает на­порный или безнапорный корпус со штуцера­ми, мембранный элемент и систему подвода и отвода основных потоков.

Напорные корпусы аппаратов изготовля­ют из коррозионно-стойкой стали или стекло­пластиков и должны выдерживать давление до 10 МПа. Безнапорные корпусы предназначены для сбора фильтрата и защиты его от загрязне­ний и рассчитываются на работу под давлени­ем не выше 0,2 МПа. Их изготовляют из сопо­лимера АБС, ударопрочного полистирола, по - ливинилхлорида, ацетобутирата целлюлозы и др. При особых требованиях к коррозионной стойкости или чистоте фильтрата корпусы из­готовляют из коррозионно-стойкой стали.

Система подвода и распределения разде­ляемых систем в аппаратах должна обеспечи­вать хорошие гидродинамические условия для разделения, отсутствие застойных зон, турбу- лизацию потока и предотвращение отложения осадков на поверхности мембран.

Аппараты для баромембранных процес­сов подразделяют на несколько типов в зави­симости от используемого мембранного фильт­рующего элемента и от режима фильтрации:

Для процесса микро-, ультрафильтрации в тупиковом режиме - патронного (картриджно - го) типа;

Для мембранных процессов (микро-, ультра-, нанофильтрации и обратного осмоса) в режиме тангенциальной фильтрации - с пло­скими мембранными элементами, трубчатыми мембранными элементами, мембранными эле­ментами рулонного типа и в виде полых воло­кон.

Аппараты патронного (картриджиого) типа. Мембранная фильтрация в тупиковом режиме осуществляется, как правило, с исполь­зованием фильтр-патронов (рис. 5.5.1). Внутри корпуса патрон фиксируется при помощи спе­циальных прокладок или колец. Жидкость, подлежащая фильтрации, подается в патрон, проходит через складчатчю мембрану к центру и выходит через отвод в нижней части устрой­ства. В фильтровальной установке патроны можно соединять последовательно или парал­лельно. Мембраны для фильтр-патронов изго­товляют из эфиров целлюлозы, политетрафтор­этилена (тефлона), фторопласта, нейлона, ак­рила и др. Существует большое число самых разнообразных конструкций корпусов для па­тронных фильтров. Мембранные модули па­тронного типа могут отличаться конструкция­ми, материалами и уплотнениями, которыми патрон удерживается в корпусе [7].

Среди отечественных изготовителей ап­паратов патронного типа следует отметить: ЗАО НТЦ «Владипор» (г. Владимир), ООО «ЭКСПРЕСС - ЭКО» (г. Обнинск), НПП «БИОТЕХПРОГРЕСС» (г. Кириши, Ленин­градской области). Зарубежными фирмами яв­ляются Палл (США), Сарториус (Германия), Кюно (Япония), Домник (Великобритания), Миллипор (США).

Воздушный

Аппараты с плоскими мембранными эле­ментами. В аппаратах этого типа используют­ся листовые (пленочные) мембраны, которые собираются по аналогии с фильтр-прессом, по­этому их часто называют аппаратами фильтр - прессного типа.

Мембранный элемент состоит из плоских (листовых) мембран, уложенных по обе сторо­ны плоского пористого делителя - дренажа. Расстояние между соседними мембранами - канал, по которому проходит исходный рас­твор, обычно составляет 0,5...5 мм. Разделяе­мый раствор, проходя последовательно между всеми мембранными элементами, концентри­руется и выводится из аппарата. Часть исход­ного раствора, прошедшая через мембрану в дренаж, образует пермеат.

Аппараты с плоскими мембранными эле­ментами выпускают в различных модификаци­ях: корпусные и бескорпусные, с центральным и периферийным выводом пермеата, с общим отводом пермеата либо отдельно из каждого элемента. По форме мембранные элементы из­готовляют круглыми (эллиптическими) и пря­моугольными (квадратными). Форма элементов существенно влияет на организацию потока разделяемого раствора над поверхностью мем­бран и на характеристики процесса разделения [8].

В бескорпусном аппарате типа фильтр - пресса используется плоский элемент типа «сэндвич» (рис. 5.5.2, а): две мембраны 4 уло­жены по обе стороны юнкой опорной рамы 3. между мембраной и пластиной находится по­ристый материал - дренаж б, служащий для отвода пермеата. Набор таких элементов пря­моугольного сечения (от нескольких до сотен штук в зависимости от производительности), разделенных по периферии тонкими проклад­ками 1 (рис 5 5.2, 6). стягивается также по пе­риферии болтами 4 между двумя плоскими прижимными фланцами 3. Схема ввода исход­ного потока предусматривает последователь­ное и, по возможности, равномерное прохож­дение исходного раствора над мембранами в напорной камере. Под действием рабочего дав­ления часть воды фильтруется через мембраны и по дренажу подводиться к отверстию в опор­ной пластине и выводится из аппарата. Высота напорной камеры, по которой течет исходная вода-концентрат, определяется толщиной про­кладок (обычно 0,5... 1 мм). В напорных каме­рах между «сэндвичами» укладываются капро­новые сетки, турбулизирующие поток [21, 26].

Аппараты фирмы ДДС (Дания) являются наиболее распространенной конструкцией фильтр-прессного типа (рис. 5.5.3). Они пред­ставляют собой набор круглых в плане с цен­тральным отверстием фильтрующих элементов

каждый из которых включает две мембраны

расположенные на опорной пластине 3, обеспечивающей сбор и отвод фильтрата из аппарата. Между фильтрующими элементами расположен разделительный диск 4. имеющий

Утолщения по контуру и около центрального отверстия, обеспечивающие герметизацию на­порной камеры при сборке аппарата. В разде­лительном диске предусмотрены отверстия и желобки для равномерного распределения по­тока обессоливаемой воды вдоль поверхности мембран. Фильтрующие и распределительные элементы в пакете сживаются между двумя круглыми фланцами 5 и с помощью централь­ного стяжного болта б. Фильтрат от каждой напорной пластины отводится индивидуальной полимерной трубочкой 7 в общий коллектор 8.

Аппараты фирмы ДДС предназначены для работы при давлении до 2 МПа с раствора­ми,-имеющими значение рН 0...14 и темпера­туру до 100 °С. В зависимости от числа мем­бранных элементов площадь поверхности мем­бран в одном аппарате составляет 4,5; 9; 18; 27 и 42 м2.

В аппарате, разработанном в ЗАО «Мем­браны», фильтрующий элемент состоит из двух мембранных полотен 1 (рис. 5.5.4, а), ме­жду которыми вложен дренажный материал 2, создающей канал для сбора пермеата через от­верстие 3. Делители 4 (рис. 5.5.4, б) выполнены из полиэтилена высокого давления и конструк­
тивно изготовлены так, что фильтрующий эле­мент 5, зажатый между двумя делителями 4, омывается с двух сторон рабочим раствором. Под действием рабочего давления часть потока проходит через мембрану и по дренажному ка­налу собирается в пермеатотводящую трубку 8 и выводится из аппарата.

Мембранный аппарат (рис. 5.5.4, в) наби­рается из 50 - 70 делителей 4, последовательно чередующихся с фильтрующими элементами. Аппарат может работать в широком диапазоне рН (0...14), при температуре до 45 °С и давле­нии до 1 МПа и широко используется для мик­ро-, ультрафильтрации агрессивных сред (тра­вильных растворов и электролитов). Площадь поверхности мембраны в одном аппарате до 3 м2.

Для аппаратов с плоскими мембранами производительность установки обычно не пре­вышает 8 м3/ч. Дальнейшее увеличение произ­водительности плоскорамного модуля связано с конструктивными трудностями (равномерно­стью затягивания стяжных болтов, короблени­ем пластин).

Положительной особенностью плоскопа­раллельных элементов является простота кон­структивных решений. К основным недостат­кам относятся: использование ручных опера­ций при сборке и разборке, высокая металло­емкость, низкая плотность укладки мембран в единице объема, сложность герметизации от­дельных узлов.

Аппараты с трубчатыми мембранными элементами. Трубчатые мембранные элементы делятся на три типа [21] в зависимости от по­дачи разделяемой среды: 1) внутрь трубки мембранного элемента; 2) снаружи трубки мембранного элемента; 3) одновременно внутрь и снаружи трубки мембранного элемен­та.

В элементах с подачей разделяемой сре­ды внутрь трубки мембрана расположена на внутренней поверхности и работает на растя­жение, при этом корпус аппарата безнапорный. Такие аппараты имеют небольшую металлоем­кость, мембраны работают в благоприятных гидродинамических условиях за счет равно­мерности потока раствора во всех точках ее поверхности, гидродинамическое сопротивле­ние потоку фильтрата в них незначительное, возможна механическая очистка таких аппара­тов без разборки.

Элементы второго типа представляют со­бой трубки или стержни с нанесенными на на­ружную поверхность мембранами. Эти элемен­ты имеют ббльшую плотность укладки, чем элементы первого типа, так как могут иметь малый диаметр. При этом не требуется высокая точность диаметра опорной поверхности кар­каса и возможен визуальный контроль процес­са формования мембраны на поверхности трубки.

Элементы с подачей разделяемых сред внутрь и снаружи трубки одновременно не на­шли широкого практического применения из - за сложности конструкции (особенно вследст­вие уплотнения торцов элементов), а также вследствие значительного гидравлического со­противления из-за большой длины каналов для отвода фильтрата в продольном направлении.

Выбор материала и способа изготовления опорных каркасов осуществляется в соответст­вии с конкретными условиями его применения (рН среды, температуры, требуемого качества фильтрата, давления при разделении и т. д.). Наиболее распространенными в настоящее время являются каркасы на основе стеклопла­стиков. Диаметр трубки в таких элементах 6...25 мм [69].

Трубчатые микро-, ультрафильтры типа БТМ (БТУ) 05/2 разработаны в России (ЗАО НТЦ «Владипор», г. Владимир). Блок трубча­тый ультрафильтрационный БТУ 0,5/2 (рис. 5.5.5) представляет собой семь плотно уложен­ных параллельно друг другу трубчатых эле­ментов, каждый из которых состоит из мем­браны 2 и дренажного каркаса 1. Дренажный каркас изготовляют из открытопористой пла­стиковой трубки, являющейся опорой для мем­бранного элемента и обеспечивающего отвод пермеата и микропористой подложки. Полу­проницаемая мембрана 2 наносится на внут­реннюю поверхность дренажного каркаса. Тип используемой мембраны - на основе ацетата целлюлозы, фторопласта, ароматического по - лисульфонамида, поливинилхлорида, поли­амида. Оба конца трубок залиты в обоймы 3 из отвержденной смолы.

Аппарат с трубчатым мембранным эле­ментом, разработанный в ЗАО «Мембраны», показан на рис. 5.5.6. Трубчатый мембранный блок 1 герметично размещается в безнапорном корпусе 2. Соединение аппаратов осуществля­ется с помощью калачей 3. Длина элемента со­ставляет 2 м, диаметр обоймы 60 мм, общая

Площадь фильтрующей поверхности 0,5 м2, внутренний диаметр трубок 13,2 мм, рабочее давление фильтрации 0,1...0,6 МПа, темпера­тура до 60 °С [69].

Фирма KOCH/ABCOR (США) выпускает ультрафильтрационные трубчатые элементы, с внутренним нанесением мембраны с трубками диаметром 12,7...25,4 мм, длиной 1,5 м и 2,8 м. В фильтрующих аппаратах трубки соединены параллельно-последовательно в количестве, обеспечивающем необходимую производи­тельность. Внешний каркас ультрафильтраци­онных трубок выполнен из пористого плетено­го материала. Рабочее давление фильтрации 0,1...0,6 МПа, температура 50...60 °С. В по­следнее время фирма перешла на выпуск мно­готрубчатых систем с 7 или 19 мембранными каналами, вмонтированными в один корпус. Трубчатые аппараты оснащают разными ульт­ра - и микрофильтрационными мембранами, преимущественно из поливинилиденфторида и полисульфона.

Трубчатые фильтрующие мембранные аппараты, выпускаемые фирмой Нитто Денко (Япония) могут использоваться как для ульт­рафильтрации. так и для обратноосмотического концентрирования. Конструкция этих уст­ройств аналогична описанной выше и отлича­ется только количеством и диаметром фильт­рующих трубок.

Для уменьшения количества разъемных соединений фирма Филко Форд (США) ис­пользует в мембранных аппаратах длинные трубчатые мембранные элементы. Элементы в виде оплетенных рукавов длиной в несколько десятков метров наматывают на катушку мно­гослойной спиралью, имеющей разделитель­ные перегородки, и укладывают в безнапорный кожух. На концах трубчатого мембранного элемента закрепляют штуцера для подачи раз­деляемого раствора и вывода концентрата.

В последние годы в промышленности на­ходят широкое применение ультрафильтраци­онные модули, представляющие собой трубча­тые элементы диаметром преимущественно 6 мм, изготовленные из порошковых материа­лов. Внутреннюю поверхность покрывают ок­сидом циркония или другого неорганического материала, выполняющего роль микропористо­го фильтрующего слоя. Выпускаются аппараты трубчатого типа или в виде профилированных труб.

Фильтрующие аппараты фирмы Имека - Жетеви (Франция) имеют вертикальное распо­ложение трубчатых элементов. Поток фильт­руемого раствора в этих аппаратах движется сверху вниз. Аппараты имеют профилирован­ные трубы длиной 0,85 м со сквозными по всей длине каналами диаметром 4 мм. Такие профи­лированные трубы монтируют в герметичные корпуса из коррозионно-стойкой стали для создания ультрафильтрационных модулей. Фирма Имека-Жетеви выпускает модули трех видов: в виде одного трубчатого элемента с площадью рабочей поверхностью фильтрации 0,2 м2; с семью профилированными трубами с площадью рабочей поверхностью 1,4 м2; с 19-профилированными трубами с площадью поверхности фильтрации 3,8 м2.

Аналогичные аппараты изготовляют фирмы Церавар и Сфек (Франция), отличаю­щиеся от трубчатых элементов фирмы Имека - Жетеви внутренним диаметром.

Сравнительно короткий срок службы трубчатых мембранных элементов определяет главное требование, предъявляемое к аппара­там, - легкость их замены и надежная гермети­зация. Преимуществами трубчатых раздели­тельных элементов являются: возможность их использования для разделения систем, содер­жащих взвешенные частицы; невысокие требо­вания к предварительной очистке разделяемых систем; возможность предотвращения образо­вания осадка в процессе разделения и легкость очистки поверхности мембран от осадков. К недостаткам относятся низкая плотность пло­щади мембран в единице объема аппарата и высокие затраты электроэнергии на осуществ­ление процесса.

Аппараты с рулонными мембранными элементами. Аппарат с рулонными мембран­ными элементами включает напорный корпус со штуцерами для подключения линий разде­ляемой системы и ее компонентов и непосред­ственно мембранный рулонный разделитель­ный элемент. Конструкция рулонного элемента должна обеспечивать хорошие гидродинами­ческие условия для разделения, отсутствие за­стойных зон, турбулизацию потока и предот­вращение отложения осадков на поверхности мембран [21, 33].

Наиболее широкое промышленное при­менение нашли рулонные мембранные элемен­ты с несколькими пакетами И одной пермеат - отводящей трубкой (рис. 5.5.7). Дренажный материал 2 размещается между двумя полу­проницаемыми мембранами 7. Каждый пакет склеен по трем сторонам периферии, а четвер­тая открытая сторона прикрепляется дренажем к перфорированной трубке 4 для отвода пер­меата. Между пакетами прокладывают разде­лительные капроновые сетки-турбулизаторы 3. Пакеты и сетки свернуты вокруг трубки в ру­лон. В получившемся элементе напорные кана­лы образованы капроновой сеткой-турбулиза - тором и открыты с торцов элемента. Высота канала зависит от толщины сетки, а его гид­равлическое сопротивление при заданном рас­ходе исходной воды определяется плотностью сетки (числом нитей на 1 см длины) и спосо­бом плетения.

Фирма Торей (Япония) разработала кон­струкцию рулонного элемента с боковым вхо­дом исходного потока (рис. 5.5.8), подаваемого на внешнюю поверхность рулонного элемента и движущегося по турбулизатору-разделителю 1 по спирали к центру элемента. Часть обраба -

Тываемой воды отводится через торец рулон­ного элемента. Фильтрат поступает по дренажу 3 к центральной водоотводящей трубке. В та­ком рулонном элементе отсутствует опасность сдвига слоев мембран.

Для стабильной работы рулонного эле­мента при низких скоростях потока над мем­браной ЗАО «Мембраны» разработало конст­рукцию мембранного элемента, схема которого показана на рис. 5.5.9. Мембранный рулонный элемент содержит пакет из двух мембран У и 2, между которыми размещено дренажное полот­но 3, сепаратор и фильтратотводящая трубка 5. Сепаратор состоит из сетки-турбулизатора б, на поверхности которой выполнены попереч-

Ные перегородки 4, образующие каналы дви­жения рабочего раствора перпендикулярно фильтратотводящей трубке 5. Поперечные пе­регородки располагаются в шахматном поряд­ке по ходу движения рабочего раствора. Пакет загерметизирован по трем сторонам, а четвер­той присоединен к фильтратотводящей трубке 5 и намотан вокруг нее по спирали с разме­щенным между витками сепаратором.

Рулонные элементы чаще всего изготов­ляют длиной около 1000 мм, диаметром 100 и 200 мм. Плотность упаковки мембран в рулон­ных элементах 800...900 м2/м3. Основные фир­мы, выпускаеющие мембранные рулонные элементы, Нитто Денко, Торей (Япония), Дю­пон, Гидронавтик, Филмтек (США) имеют принципиально одинаковые конструкции, но несколько отличаются площадью рабочей по­верхности мембран. В России рулонные обрат - ноосмотические элементы выпускаются ЗАО НТЦ «Владипор».

Аппарат может включать несколько ру­лонных мембранных элементов до шести штук. Элементы 1 последовательно, один за другим вставляются в корпус-трубку 2 из металла или стеклопластика (рис. 5.5.10), рассчитанный на необходимое рабочее давление. Диаметр эле­мента лишь немного (на 2...4 мм) меньше внутреннего диаметра корпуса. Этот зазор гер­метизируется специальной манжетой, чтобы

2 1

\ У--------------------------------------------------------

Весь поток исходной воды направлялся внутрь рулона. Центральные трубки для отвода пер­меата также герметизируются при сочленении соседних элементов в модуле.

В ЗАО «Мембраны» разработаны и более 15 лет эксплуатируются аппараты с рулонными мембранными элементами, работающие при низком (до 2 МПа) и высоком (до 6 МПа) дав­лении. Первый тип аппаратов используется для проведения процессов микро-, ультра - и нано - фильтрации, второй - для обратноосмотиче - ского разделения.

Аппараты с рулонными мембранными элементами имеют высокую плотность упаков­ки мембран до 900 м2/ м3 и малую металлоем­кость, они просты в эксплуатации, монтаже и легко заменяемы. Недостатком этих аппаратов являются необходимость предварительной фильтрации исходного раствора перед подачей в аппарат.

Аппараты с полыми волокнами. Аппара­ты с полыми волокнами нашли широкое при­менение для разделения растворов ультра­фильтрацией и обратным осмосом. Схема ап­парата с полыми волокнами показана на рис. 5.5.11 [69].

Мембраны в виде полых волокон для об­ратного осмоса обычно имеют наружный диа­метр 45...200 мкм и толщину стенки 10... 50 мкм, а для ультрафильтрации соответствен­но 200.. .1000 и 50.. .200 мкм. При таких разме­рах обеспечивается необходимая прочность волокон под действием рабочих давлений, ис­пользуемых при обратном осмосе и ультра­фильтрации (соответственно до 10 и 1 МПа).

Аппараты с полыми волокнами различа­ются по способу их расположения [6, 21].

В аппарате с параллельным расположе­нием полых волокон и с движением разделяе­мого раствора вдоль их наружной поверхности в корпус 1 установлен пучок полых волокон 5 (рис. 5.5.12), собранный с помощью спирально навитой нити 4, которая одновременно обеспе­чивает необходимый зазор между отдельными волокнами, что улучшает распределение разде­ляемого раствора в пучке.

Аппараты с цилиндрическими мембран­ными элементами комплектуются мембранны­ми элементами 2, собранными в корпусе 1 в секции, разделенные отражательными перего­родками 3, которые совместно с сердечником 4 обеспечивают последовательное прохождение разделяемым раствором всех цилиндрических мембранных элементов (рис. 5.5.13). Разделяе­мый раствор, поступающий в кольцевой зазор между корпусом 1 и мембранными элементами 2, движется вдоль полых волокон 5 сначала к продольной оси аппарата, на которой располо­жен сердечник 4, а затем от центра к стенке аппарата.

Аппараты с цилиндрическими мембран­ными элементами используют для создания ус­тановок большой производительности. Недос­татки этих аппаратов - необходимость замены всей секции при выходе из строя одного из мембранных элементов, большие потери рабо­чего давления при движении разделяемого рас­твора по полым волокнам (так как используют -

Ся полые волокна большой длины). При разра­ботке аппаратов с цилиндрическими мембра­нами большие трудности вызывает создание простой и надежной системы герметизации по­лых волокон в мембранных элементах и самих мембранных элементов в корпусе.

Аппараты с U-образным расположением полых волокон просты в изготовлении и сбор­ке, удобны в монтаже и эксплуатации, имеют низкую материалоемкость (рис. 5.5.14). Откры­тые концы U-образного пучка 2 полых волокон длиной 1,5...2 м склеивают эпоксидной смолой в шайбе 3. Среди основных недостатков таких аппаратов следует отметить довольно сложную систему герметизации и уменьшение (на 5... 10%) площади рабочей поверхности воло­кон при вклеивании их в шайбу 3. Последнее
обусловлено тем, что шайба должна выдержи­вать воздействие высокого давления и поэтому имеет большую толщину.

Аппараты с полыми волокнами просты по устройству, технологичны в изготовлении; они легко собираются и удобны в эксплуатации. В этих аппаратах вследствие малых диаметров волокон обеспечивается очень высокая удель­ная площадь поверхности мембран (20... 30 тыс. м2/м3). Поэтому они нашли широкое применение в крупнотоннажных химических производствах, в производстве особо чистой воды, в пищевой промышленности и т. д. Одна­ко при эксплуатации этих аппаратов предъяв­ляют повышенные требования к предваритель­ной очистке разделяемых растворов от взвесей. В случае выхода из стоя части полых волокон приходится заменять весь пучок полых воло­кон.

Мембранные аппараты на основе полых волокон производят фирмы Амикон и Ромикон (США), Нитто (Япония) и др. В нашей стране ультрафильтрационные аппараты на основе полисульфоновых полых волокон выпускаются ГП ВНИИПВ (г. Мытищи).

Типовые схемы баромембранных про­цессов [33]. Установки для проведения баро­мембранных процессов включают комплекс устройств и технических средств, обеспечи­вающих процесс мембранного разделения. В него входят: мембранный модуль и вспомога­тельное оборудование. Мембранный модуль представляет собой систему аппаратов, ком­пактно уложенных в определенном геометри­ческом порядке, объединенных единой гидрав­лической схемой и обеспечивающих заданную производительность мембранной установки. Для удобства обслуживания установки боль­шой производительности ее модуль может разделяться на несколько автономных секций или блоков.

Вспомогательное оборудование включа­ет:

Насосное оборудование для проведения как основного процесса мембранном разделе­нии. так и вспомогательных операций, напри­мер. химической или обратноточной промы­вок:

Емкости для приготовления растворов химических реагентов (моющих, дезинфици­рующих, консервирующих), обеспечивающих стабильную работу мембранного модуля уста­новки:

Приборы контроля, измерения и автома­тизации основных технологических показате­лей баромембранного разделения (давления на входе и выходе из мембранного модуля, тем­пературы разделяемой среды, расхода основ­ных потоков и др.);

Теплообменники, фильтры, арматуру, трубопроводы.

Полный расчет установок включает тех­нологический, гидравлический и механический расчеты. В ряде случаев, когда используются системы подогрева или охлаждения растворов, необходим также тепловой расчет. В ходе тех­нологического расчета определяют необходи­мую площадь поверхности мембран, жидкост­ные потоки и их состав.

Цель гидравлического расчета - опреде­ление гидравлического сопротивления аппара­тов и арматуры, механического - обоснование размеров элементов аппаратов и выбор арма­туры для работы установки при соответствую­щих давлениях. Тепловой расчет позволяет оп­ределить необходимую площадь поверхности теплообмена и расход тепло - или хладоносите - лей.

Параметры мембранного процесса [64].

Коэффициент уменьшения объема - величина, равная отношению расхода (объема) исходной смеси Ки к расходу (объему) ретен - тата Fp,

^уо = ^и/Гр •

Коэффициент концентрирования одно­го компонента раствора - величина, равная от­ношению концентрации данного вещества в ретентате Ср к концентрации его в исходной смеси Си,

Кк=Ср/Си

Оба коэффициента идентичны, если все компоненты полностью отфильтрованы и на­ходятся в пермеате или ретентате.

Объем пермеата - количество пермеа­та, отфильтрованного за единицу времени, л/ч.

Коэффициент (константа) проницаемо­сти Kq - количество вещества, проникающе­го через единицу площади поверхности мем­браны в единицу времени, на единицу движу­щей силы, л/(м2 ч-МПа). Коэффициент Kq определяется опытным путем для конкретных мембран и сред.

Удельная производительность мембра­ны (пропускная способность) Q, л/(м2 ч), зави­сит в первую очередь от трансмембранного давления, и для жидкой фазы его можно пред­ставить следующим выражением:

Q=Kg(p-я),

Где р - рабочее давление над мембраной, МПа; ті - осмотическое давление раствора, МПа.

Средняя концентрация растворенного вещества в пермеате при обратноосмотическом разделении

Где ф - наблюдаемая селективность мембраны.

Системы организации баромембранных процессов. Системы с открытой циркуляцией разделяемой среды (рис. 5.5.15, а) - простые системы с наличием одного насоса, который создает необходимое рабочее давление и ско­рость потока над мембраной в модуле. Недос­татком этой схемы является то, что любое из­менение скорости, зависящей от вязкости раз­деляемой среды, влияет на соотношение давле­ний на входе и выходе из мембранного модуля.

Модифицированные системы с открытой циркуляцией разделяемой среды отличаются тем, что имеют клапан на выходе ретентата из мембранного модуля, который регулирует ра­бочее давление в системе.

Системы с закрытой циркуляцией разде­ляемой среды (рис. 5.5.15. б) для оптимизации скорости тангенциального потока и перепада трансмембранного давления имеют два насоса, один из которых является подпитывающим и подает разделяемую среду из емкости в замк­нутый цикл, обеспечивая в первую очередь требуемое рабочее давление. Это позволяет без особых энергозатрат достичь рабочих парамет­ров в системе. Циркуляционный насос облада­ет небольшой мощностью, однако при необхо­димости можно получить требуемую скорость потока в мембранном модуле, увеличивая его подачу. Недостатком системы является быст­рый рост концентрации в цикле ретентата, ко­торый зависит от объема циркуляционного контура.

Для уменьшения скорости нарастания концентрации в циркулирующей через модуль жидкости предусматривается слив определен­ного количества разделяемого раствора из сис­темы.

В системах полуоткрытого цикла перио­дического процесса разделения (рис. 5.5.15, в) предусмотрен возврат ретентата (10...20 %) в емкость исходного раствора, что снижает и обеспечивает выравнивание концентрации компонентов в циркулирующей системе.

Системы полуоткрытого цикла непре­рывного процесса разделения характеризуются наличием постоянного отвода ретентата из циркуляционного контура (рис. 5.5.15, г). В тех случаях, когда необходимо достигнуть высо­кой степени концентрирования, применяется система полуоткрытого цикла непрерывного производства. Эта система состоит из несколь­ких каскадов, расположенных один за другим. Ретентат, прошедший первую ступень, посту­пает последовательно в следующие.

В процессе эксплуатации мембранных установок происходит снижение производи­тельности за счет загрязнения мембран. Для восстановления производительности проводит­ся периодическая химическая мойка мембран­ных элементов.

Для увеличения времени работы установ­ки между химическими мойками применяются:

(

Периодическая гидравлическая промывка мембранного модуля исходным потоком разде­ляемой смеси: резкое увеличение скорости ис­ходного потока над поверхностью мембраны, вследствие чего происходит вынос загрязнений из канала мембранного элемента. Для интен­сификации этого процесса часто используется одновременная подача в исходный поток воз­духа (водовоздушная промывка);

Обратноточная промывка для микро-, ультрафильтрационных мембран, при этом пермеат, поступающий импульсом в направле­нии, обратном обычной фильтрации, разруша­ет гель-слой на поверхности мембраны, что увеличивает производительность пермеата.