Міністерство освіти та науки України

Національний технічний університет України  ‘КПІ’

Факультет біотехнології та біотехніки

Доклад

з курсу “Устаткування виробництва та основи проектування”

Тема: Баромембранні апарати

Київ - 2002

 

Оглавление

1.    Вступление

Фильтрация — один из наиболее важных процессов в промышленности  и в лабо­раторных исследованиях. Мембранная филь­трация — это разновидность фильтрации, когда фильтр пред­ставляет собой тонкую перегородку толщиной менее 0,1 мм и с высокой степенью пористости. Диаметры пор мембранных фильтров тщательно контролируются и поддерживаются посто­янными в процессе их изготовления. Хотя фильтрация истори­чески является чрезвычайно старым процессом, использую­щимся еще древними египтянами, которые процеживали вино­градный сок через ткань, мембранная фильтрация — процесс от­носительно новый, получивший широкое распространение лишь после второй мировой войны.

Мембранные фильтры имеют следующие преимущества:

• они не требуют какого-то особого обращения с ними, и их можно легко доставить в любое место, где их предполагают ис­пользовать;

• их можно изготавливать одним и тем же способом при точно контролируемых условиях;

•  вследствие высокой пористости через них можно пропускать жидкость с большой скоростью потока;

• при помощи мембранного фильтра можно задерживать ча­стицы размерами порядка размеров бактерий и меньше;

• некоторые из них могут работать как сита, т. е. разделять ча­стицы разных размеров.

Мембранные фильтры получили очень широкое распростра­нение в науке и технике. При лабораторных исследованиях их применяют в самых разных областях знания для получения жидкостей, свободных от частиц. В микробиологии мембранные фильтры применяют для выделения микроорганизмов из раз­личных сред, для подсчета колоний микроорганизмов, а также для быстрого диагностирования индикаторов загрязнения и на­личия патогенных организмов. В биохимии мембранные филь­тры применяются в качестве пористых подложек при электро­форезе и для связывания нуклеиновых кислот при изучении гиб­ридизации. Они широко используются в клинической практике, в том числе для установления наличия раковых клеток в ткани, при цитологических исследованиях тканевых жидкостей, для приготовления тех или иных лекарственных средств и т. п. В аналитической практике вещества, собранные на фильтре, можно подвергнуть рентгеноструктурному анализу, эмиссионной спектроскопии, микроскопии, гравиметрии или активационному анализу. Мембраны используются во многих аналитических при­борах, например в газоанализаторах на кислород, в рН-метрах и электролитическом разделении ионов. В процессах диализа и ультрафильтрации используют по существу те же мембранные фильтры, но с другими размерами пор. Ныне один из самых тонких методов получения высококачественной воды, свободной от ионов, состоит в комбинировании микрофильтрации с обрат­ным осмосом; в последнем случае применяют более тонкопори­стые мембраны.

Мембранные фильтры находят также очень широкое приме­нение в промышленности. Одним из самых крупных их потреби­телей является химико-фармацевтическая промышленность (для получения стерильных растворов термолабильных материалов). Различные отрасли промышленности (например, электроника, производство компьютеров, аэрокосмическая промышленность) нуждаются в сверхчистых веществах, которые нетрудно полу­чить с помощью мембранной фильтрации. Ее также применяют при производстве пищевых продуктов и различных напитков.

Большинство мембранных фильтров изготавливают из эфиров целлюлозы, главным образом из нитрата и ацетата целлю­лозы, хотя используется большое множество и других исходных веществ, в том числе регенерированная целлюлоза, винил, акри-лонитрил, поливинилхлорид, нейлон, полипропилен, поликарбо­нат и политетрафторэтилен (тефлон). Для некоторых конкрет­ных случаев применения мембранные фильтры во время или после их изготовления могут подвергнуться определенной моди­фикации, а именно можно изменить их цвет (сделав их зеле­ными или черными вместо белых), нанести на поверхность се­точные маркеры, создать гидрофобное кольцо по краю мем­браны и подвергнуть предварительной стерилизации перед упаковкой. Кроме того, мембраны изготавливаются не только в общепринятой форме дисков, но мембранные фильтры могут поставляться также в виде больших листов или фильтр-патро­нов, последнее имеет место главным образом для промышлен­ного применения.

2. Процессы мембранного разделения

Процессы  разделения  жидких  и  газовых  смесей с помощью селективно проницаемых мембран харак­теризуются наличием трех потоков (рис. 1): потока, подходящего к мембране J₀, потока, проходящего через мембрану J₁, и потока, отходящего от мембраны J¹. Отношение величины потока J¹  к величине потока J₀ называют конверсией процесса и обычно выражают в процентах. Разделяющую способность мембран при­нято характеризовать значением селективности R:

где  С₂ - концентрация   задерживаемого   вещества   в   потоке  J₀; С₂ - концентрация этого же вещества в потоке J₁.

Иногда для мембран используют такие характери­стики, как коэффициент отталкивания

 и коэффициент разделения

где  и  - концентрации компонентов в потоке ; С₂ и С₀ - концентрации тех же компонентов в потоке J₀.

Рис. 1.1. Принципиальная схема мембранного разделения смесей.

Кроме того, разделяющую способность мембран (главным образом газоразделительных) характери­зуют величиной фактора разделения F, представляющего собой отношение проходящих  через  мембрану потоков двух компонентов разделяемой системы:

Все процессы в системах протекают при условии уменьшения энергии Гиббса .

Переходя от системы к молекуле можно утверждать что, процессы в системах будут протекать при условии уменьшения химического потен­циала.

Движущей силой переноса веществ через мембрану в общем случае является разность химических потен­циалов . При этом поток вещества, проходящего через мембрану, можно выразить уравнением:

где К — коэффициент, учитывающий химическую природу мате­риала мембраны, ее структуру, геометрические характеристики и взаимодействие мембраны с разделяемой системой.

В конкретных случаях разделения жидких и газо­вых смесей движущей силой процессов может быть перепад давлений , разность электрических потен­циалов , разность температуры и градиент кон­центрации . Ниже приведена классификация про­цессов мембранного разделения по движущей силе этих процессов:

Процесс	Движущая сила	Принцип действия
Диффузионное разделе­ние газовых смесей	Перепад   давлений,   гра­диент концентраций	Диффузионное разделение газов  основано на различной проницаемости мембран для от­дельных компонентов газовых смесей.
Испарение через мембра­ну	Перепад   давлений,   гра­диент концентраций	Разделение жидкостей методом испа­рения через мембрану также основано на различной диффузионной проницаемости мембран для паров веществ. Смесь жидкостей, находящуюся в контакте с мембраной, нагревают. Проникающие через мембрану пары отводят с помощью вакуумирования или потоком инертного газа.
Осмос	Градиент концентраций	Разделение растворов методом осмоса основано на проникновении через мембрану рас­творителя и задерживании растворенных веществ, причем движущей силой процесса является осмотиче­ское давление , зависящее от мольной концентрации растворенного вещества См где  Т - температура;   R - универсальная   газовая    постоянная; q - концентрация вещества  (г/см3);   М - молекулярная масса. Недавно Ф. Н. Карелин сформулировал гипотезу [23, с. 36] о механизме осмотического переноса воды через мембрану. Разработанная им модель переноса может быть названа капиллярно-диффузионной. Она предполагает существование в мембране пор постоян­ного размера, причем размер пор несколько больше размера молекул воды, но меньше размеров гидратированных ионов и молекул. На основе этой модели предложено уравнение для расчета скорости осмоти­ческого переноса воды через мембрану: где J1 - поток воды; D1 - коэффициент диффузии воды в мембране (или ее активном слое);  - концентрация воды в раз­деляемом растворе; d0 - плотность воды;  - толщина мембраны или ее активного слоя; А' = АD/А (А и А0 - соответственно площадь мембраны и поперечного сечения пор).
Диализ	Градиент концентраций	Основан на различной проницаемости мембран для веществ с различной молекулярной массой. Движущей силой процесса яв­ляется градиент концентраций. По разные стороны мембраны толщиной  и площадью А находятся си­стемы М и N, соответственно имеющие объемы  и  и концентрации См и СN. Обычно для устранения концентрационной поляризации жидкости по обе сто­роны мембраны движутся (рис. 2). При этом рас­творенное вещество малой молекулярной массы из раствора с повышенной его концентрацией проникает через мембрану. При постоянной толщине мембраны процесс описывается уравнением: где Q - количество вещества, перенесенного за единицу времени; А - площадь мембраны;  - разность концентраций переноси­мого вещества по обе стороны мембраны;  - коэффициент диа­лиза. Коэффициент диализа  зависит от коэффициен­тов диализа мембраны Dm и жидкой пленки, находя­щейся непосредственно у поверхности мембраны Коэффициент диализа определяют эксперименталь­но, исходя из данных, полученных при измерении ве­личины ,через определенные интервалы времени. Рис. 2.  Принципиальная схе­ма потоков жидкостей при диа­лизе.
Электроосмос	Разность  электрических потенциалов	Электроосмос - процесс, в основе которого лежат электрокинетические явления, обусловленные наличием на границе фазового раздела двойного электрического слоя, толщина которого соизмерима с размерами молекул. Двойной электрический слой можно рассматривать как плоскопараллельный кон­денсатор, распределение зарядов, в котором не зависит от налагаемого электрического поля. Твердая фаза (мембрана) представляет собой диэлектрик, а разде­ляемая жидкая смесь — проводник. Объем жидкости V, протекающий через мембрану при электроосмосе, может быть определен из следующего уравнения: где А — площадь живого сечения пор мембраны;  - диэлектри­ческая проницаемость вещества между обкладками конденсатора;  - электрокинетический потенциал;  - вязкость жидкости;  — градиент внешнего электрического поля (, где - разность потенциалов, a L — расстояние между электро­дами).
Электродиализ	Разность  электрических потенциалов	Электродиализ - перенос ионов через мем­браны под действием разности электрических потен­циалов. При наличии мембран, селективно пропускаю­щих одновалентные ионы, электродиализом удается расфракционировать ионы по величине их зарядов. На рис.3 представлена принципиальная схема обес-соливания воды методом электродиализа. Рис.3 представлена принципиальная схема обессоливания воды методом электродиализа.
Обратный осмос	Перепад давлений	Разделение растворов методом обратного осмоса происходит под действием пере­пада давлений по обе стороны мембраны, превышаю­щего осмотическое давление разделяемой системы (рис. 4). Обычно разделению подвергают водные растворы веществ с относительно малой молекулярной массой (в большинстве случаев растворы электроли­тов. Связь между концентрацией С растворенного ве­щества, его количеством, адсорбированным на границе раздела фаз Г, и поверхностным натяжением на этой границе а описывается уравнением Гиббса: Из уравнения следует, что если поверхностное натяжение  увеличивается с повышением концентра­ции С, т. е., если > 0, то Г < 0 или концен­трация растворенного вещества в поверхностном слое меньше, чем во всем объеме (отрицательная адсорб­ция). Справедливо и обратное утверждение: если < 0, то Г > 0 (положительная адсорбция). Для водных растворов неорганических солей > 0 (поверхностно-инактивные системы). По­этому на поверхности мембраны из растворов адсор­бируется слой воды . Если в мембране имеются поры диаметром d = 2, вода под действием перепада дав­лений проникает через эти поры (рис. 1.4). Схема 4   разделения растворов методами осмоса (а) и обратного осмоса (б): 1 -мембрана; 2 - раствор; 3 - рас­творитель.   Этой гипотезе о механизме обратного осмоса противоречит тот факт, что методом обратного осмоса удается разделить растворы поверх­ностно-активных веществ, хотя в этом случае, согласно уравнению Гиббса, на мембране должна адсорбиро­ваться не вода, а растворенное вещество.

3. Применение ультрафильтрационных аппаратов

Возможность проведения процессов без использования тепловых воздействий обусловила широкое использование процессов ультрафильтрации в медицине и пищевой промышленности. Получение высококаче­ственных вакцин, сывороток, ферментов и антибиоти­ков невозможно без применения ультрафильтрации. Применение мембран дает возможность осуществлять очистку высокомолекулярных веществ от низкомоле­кулярных, в частности удаление электролитов, карб­амида, лактозы и других веществ из растворов про­теинов. С помощью ультрафильтрации удается одно­временно осуществлять процессы концентрирования и очистки белков, гормонов, антибиотиков, ферментов и т. п. При использовании ультрафильтрации не толь­ко увеличивается выход готового продукта и улучша­ется его качество, но и резко сокращается число ста­дий технологического процесса при производстве ме­дицинских и биологических препаратов. Так были со­зданы новые виды препаратов, не содержащих бал­ластных веществ и обладающих высокой активностью при введении их в организм в малых объемах.

Благодаря созданию большого ассортимента ультрафильтрационных мембран в последнее время стало возможным фракционирование белков, полисахаридов и других биополимеров.

Процессы ультрафильтрации и обратного осмоса позволили создать новые технологические схемы переработки молока и молочных продуктов с ком­плексным использованием сырья. Так осуществляют концентрирование белка в обезжиренном молоке без увеличения концентрации лактозы и солей, что по­зволяет стандартизовать содержание в молоке не только жира, но и белка. Концентрат с повышенным содержанием белка используют для получения творо­га, сыра, йогурта, а также сухого обезжиренного мо­лока, продуктов детского питания и т. д. Лактозу, содержащуюся в фильтрате, концентрируют методом обратного осмоса и высушивают. Использование ультрафильтрации для концеитрирования обезжи­ренного молока, например в производстве сыров, позволяет увеличить выход готового продукта на 15 - 20%. В пищевой промышленности метод ультрафиль­трации используют для отделения красящих веществ от свекольного и тростникового сахара, обессахаривания яичного белка, очистки крахмала и т. д.

4.Аппараты и установки для разделения жидких систем

4.1. Введение

Основными узлами установок мембранного разде­ления являются разделительные аппараты, которые включают в себя напорный и безнапорный корпус со штуцерами для подключения линий разделяемой си­стемы и ее компонентов (рис. 5). Разработан так­же ряд конструкций бескорпусных аппаратов для использования плоских разделительных элементов.

Напорные корпуса аппаратов изготавливают из нержавеющей стали или стеклопластиков. Они дол­жны выдерживать давление от 3,0 до 10,0 МПа в аппаратах для обратного осмоса, до 1,0 МПа (реже до 2,0 МПа) в ультрафнльтрацнонных аппаратах и от 0,1 до 10,0 МПа в аппаратах для разделения га­зовых смесей.

В аппаратах для мембранного разделения жидких смесей безнапорные корпуса предназначены для сбора проникающего компонента (фильтрата) и защиты его от загрязнений и рассчитываются на работу под давлением не более 0,2 МПа. Их изготавливают из сополимера АБС, ударопрочного полистирола, поливинилхлорида, ацетобутирата целлюлозы и других полимеров.

Термином «фильтрат» в дальнейшем мы будем называть поток жидкости, проникающим через мембрану, а термином «концентрат» - поток, отводимый от мембраны.

При использовании пленочных мембран основны­ми составляющими разделительного элемента явля­ются мембрана 1, подложка 2 и опора, противосто­ящая давлению разделяемого раствора  3 (рис. 6).

Подложка под мембрану является одной из основных составных частей всех видов разделительных элемен­тов, за исключением элементов на основе полого во­локна.

Подложка должна быть мелкопористой, устойчивой к высоким давлениям, она не должна деформиро­ваться и не должна менять своих свойств при дли­тельной эксплуатации. Она служит механической опо­рой для мембраны и должна обеспечивать транспор­тирование проникающего компонента разделяемой системы от мембраны в отводящий канал без боль­ших гидравлических и аэродинамических сопротив­лений. При этом она не должна загрязнять фильтрат посторонними веществами. Подложки под мембрану изготавливают из пористых металлов, керамики, пластмасс, бумаги, тканых и нетканых (в том числе плетеных) материалов. Для изготовления подложек используют материалы, стойкие к гниению, коррозии и гидролитическим и микробиологическим воздей­ствиям. Поверхность и структура подложки должны быть такими, чтобы по возможности меньше создавать в местах контакта с мембраной зоны, препят­ствующие выводу проникающего компонента. Если в качестве подложки под мембрану используют (осо­бенно для процессов с небольшими давлениями) хо­рошо обработанные поверхности пористых пли пер­форированных металлов, керамики, иногда жестких иоропластов, то нет необходимости и дополнительном опоре для обеспечения достаточной прочности. В этом случае подложка одновременно выполняет и роль опорного элемента. В других случаях подложку укла­дывают на достаточно жесткую и прочную опору - каркас.

	Рис. 5. Схема разделительных аппаратов:  а - с напорным корпусом,  б - с безнапорным корпусом; 1 - разделяемая система, 2 - корпус; 3 - разделительный элемент; 4 - поток малопроникающего компонента; 5 - поток проникающего компонента.
	Рис.6. Составляющие    разделительного элемента: 1 - мембрана; 2 - подложка; 3 - опора.

В качестве опор используют пористые стеклопластиковые каркасы, перфорированные или пористые металлические, пластмассовые пластины, трубы, а также оплетки из высокопрочных волокон или метал­лической проволоки.

Опора под подложку становится ненужной, если давление в двух соседних камерах взаимно уравно­вешено, что характерно для разделительных элемен­тов рулонного типа, а также для многоканальных элементов конструкции — типа пчелиных сот.

Система подвода и распределения разделяемых систем в аппаратах должна обеспечивать хорошие гидродинамические условия для разделения, отсутствие застойных зон, турбулизацию потока и предотвраще­ние отложения осадков на поверхности мембран. Это достигается выбором определенной площади сечения протоков, скорости движения разделяемого потока и рядом конструктивных особенностей, характерных для каждого типа элементов.

Система отвода фильтрата не должна создавать больших гидравлических сопротивлений его потоку. В аппаратах часто предусматривают возможность раздельного отвода фильтрата из каждого эле­мента.

Для крепления разделительных элементов в кор­пусах аппаратов используют отводящие центральные трубки, уплотнительные кольца и прокладки. Мате­риал для изготовления уплотнителей не должен на­бухать и разрушаться под действием разделяемых систем, должен быть эластичным, иметь достаточный модуль упругости, чтобы обеспечить хорошую герме­тизацию. Для этих целей наиболее приемлемы мате­риалы из наполненных силиконовых каучуков.

В настоящее время в промышленности используют четыре основных типа разделительных элементов: 1) плоскокамерные в конструкциях аппаратов типа «фильтр-пресс»; 2) рулонные; 3) трубчатые; 4) на основе полых волокон.

4.2. Плоскокамерные разделительные элементы и аппараты

Одна из первых конструкций плоскокамерных фильтрующих элементов была использована в аппа­ратах типа «фильтр-пресс» фирмой «Аэроджет Джене­рал». В настоящее время разработаны многочис­ленные варианты аппаратов с использованием различ­ных плоскокамерных фильтрующих элементов. В этих элементах полупроницаемую мембрану прямоуголь­ной  или круглой конфигурации укладывают на подложку и дренажный ма­териал.

Положительной особенностью плоскокамерных элементов является простота конструктивных ре­шений.

К основным недостаткам аппаратов с плоскими элементами можно отнести следующие: использова­ние ручных операций при их сборке и разборке, вы­сокую металлоемкость, низкую плотность укладки мембран в единице объема, сложность герметиза­ции отдельных узлов. Стремление к уменьшению трудоемкости операций по сборке аппаратов привело к созданию конструкции [6], в которой укладка мем­бран осуществляется на опорные плиты не отдельны­ми листами, а в виде непрерывной ленты (рис. 7).

Рис. 7.  Схема  аппарата    типа «фильтр-пресс»: 1 - мембрана  в  виде  непрерывной   лен­ты;  2 - опорная плита.

Оригинальная конструкция аппарата предложена фирмой «Дорр-Оливер» (США). Аппарат состоит из стеклопластикового кор­пуса, в который устанавли­вается три однотипных сме­няемых блока мембран с фильтрующей поверхностью 1,8 м² (рис. 8). Каждый блок включает 10 пористых пластин, расположенных на общем основании парал­лельно друг другу с рас­стояниями между ними 3 мм. На поверхности пла­стин с обеих сторон нане­сены мембраны. Каждая смежная пара пластин образует напорную камеру, куда поступает на разделение исходный раствор. Фильтрат, проходящий через мембрану, проникает в пористые пластины, откуда выводится в коллектор.

Рис. 8. Схема аппарата фирмы «Дорр-Оливер»: 1 - разделяемая система   раствора;   2 - концентрат; 3 - фильтрат;   4 -  мем­браны;   5 - пористая   пластина; 6 - ультрафнльтрат; 7 - блок    мембран; 8 - крышка блока.

Преимуществом этой конструкции является то, что разделительные элементы легко устанавливаются и извлекаются из аппарата. К недостаткам элементов такого типа относится сложность их изготовления, большой размер каналов, ограниченная возмож­ностью нанесения мембран из растворов полимеров на пористую подложку.

4.3. Трубчатые разделительные элементы и аппараты

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.

По конструкции и способам изготовления трубча­тые разделительные элементы делятся на три типа:

с  подачей   разделяемых  систем   внутрь  трубки;

с подачей разделяемых систем снаружи трубки;

с подачей разделяемых систем одновременно внутрь и снаружи трубки одновременно.

Элементы первого типа представляют собой труб­ки с нанесенными на внутренней поверхности мембра­нами. Оптимальный диаметр трубчатой мембраны в таких элементах находится в пределах 8,5—25 мм. Трубки в аппарате уложены в виде блоков, концы которых залиты герметизирующим компаундом.

В элементах с подачей разделяемой,среды внутрь трубки мембрана работает на растяжение, а аппарат имеет безнапорный корпус (рис. 9). Такие аппараты имеют небольшую металлоемкость, мембраны ра­ботают в благоприятных гидродинамических усло­виях за счет равномерности потока раствора во всех точках ее поверхности, гидродинамические сопротив­ления потоку фильтрата в них незначительны вслед­ствие малой длины дренажного канала. Возможна механическая очистка таких аппаратов без их раз­борки.

Рис.  9.   Схема    аппарата   с   подачей   разделяемого   раствора внутрь трубки: 1 - разделяемая система; 2 - разделительный элемент; 3 - корпус аппарата; 4 - концентрат; 5 - фильтрат;  6 - герметизирующий компаунд.

Недостатками такой конструкции являются: не­большая плотность укладки мембран и высокие тре­бования к точности изготовления внутреннего диа­метра каркаса.

4.4. Рулонные разделительные элементы и аппараты

К достоинствам разделительных аппаратов рулонного типа (иногда   эти   разделительные  элементы  называют  спиральными) следует отнести:

высокую плотность упаковки мембран в единице объема;

удобство монтажа и демонтажа разделительного элемента в аппарате;

простоту конструкции и низкую стоимость напор­ного корпуса аппарата;

относительно низкие потери давления в аппарате;

использование для изготовления разделительных элементов плоской мембраны, качество которой мо­жет быть предварительно проконтролировано неслож­ными способами.

К недостаткам рулонных разделительных элемен­тов следует отнести необходимость предварительной подготовки разделяемых систем.

Рулонный разделительный элемент изготавливают путем свертывания в рулон на трубке, отводящей фильтрат, сложенной вдвое мембраны и помещенного между полотнами мембраны листа дренажного ма­териала. При свертывании рулона дренажный материал по контуру пропитывают клеем и склеивают с обоими полотнами мембраны. При этом получается безнапорный дренажный канал. С рабочей стороны мембраны помещают полосу турбулпзатора-разделлителя, создающую гарантированный зазор между по­лотнами мембран и образующую таким образом на­порный канал (рис. 10).

Разделяемая система, которую подают в аппарат под давлением, поступает в элемент и движется по напорному каналу параллельно оси трубки. Часть высоко проникающего компонента системы проходит через мембрану, попадает в дренажный слой и дви­жется по спирали к перфорированной отводящей трубке, по которой удаляется из аппарата.

Рис. 10. Схема рулонного разделительного элемента: 1 - мембрана;   2 - дренажное   устройство;   3 - клеевое   соединение;    4 - турбулизатор; 5 - поток   разделяемого раствора;  6 - отводящая трубка; 7 - по­ток фильтрата; 8 - поток концентрата.

Операция намотки материалов с одновременной склейкой безнапорного дренажного канала достаточ­но легко может быть механизирована, в то время как операция крепления материалов к отводящей трубке выполняется вручную. Поэтому для изготовления раз­делительных элементов рулонного типа целесообраз­но использовать мембрану возможно большей длины, тем более что увеличение длины мембранного паке­та приводит к увеличению плотности упаковки мем­бран. Однако длина безнапорного дренажного канала ограничена по чисто конструктивным соображениям и лимитируется прежде всего, величиной гидродинамических потерь в дренажном канале. Максимальная длина дренажного канала в промышленно выпускае­мых рулонных элементах не превышает 3 м.

4.5. Разделительные аппараты на основе полых волокон

Основными достоинствами разделительных аппа­ратов с полыми волокнами, имеющими селективно проницаемые стенки, являются высокая удельная производительность, исключение необходимости при­менения специальных дренажных систем, простота эксплуатации. Кроме того, аппараты с полыми волок­нами выгоднее других аппаратов при эксплуатации с энергетической точки зрения, так как для них тре­буются меньшие затраты энергии на турбулизацию потока.

 Так, для обеспечения стабильной работы трубчатого аппарата на основе динамических мем­бран рекомендуется [29] значение критерия Рейнольдса 2500 - 3000, для аппарата плоскокамерного типа Re = 180 - 200, а для аппарата с полыми волок­нами достаточно значение Re = 20 - 30. К преимуще­ствам аппаратов на основе полых волокон можно от­нести высокую плотность упаковки мембран.

Аппараты с полыми волокнами имеют много кон­структивных вариантов, но несмотря на разнообразие конструкций они могут быть отнесены к двум груп­пам: безопорные аппараты и аппараты с опорно-распределительными трубками. Безопорные аппара­ты в конструктивном отношении наиболее просты. Аппарат такого типа представляет собой раздели­тельный элемент, помещенный в пластмассовый, стек­лянный или металлический корпус, закрытый крыш­ками с уплотнителями (рис. 11). Разделительным элементом в данном случае является пучок парал­лельно уложенных полых волокон, концевые части которых закреплены в пластмассовом блоке-коллек­торе. Для закрепления концов волокон используют заливочные полимерные составы — компаунды. Опе­рация закрепления волокон с помощью компаундов является весьма ответственной, так как именно на этой стадии изготовления разделительных элементов обеспечивается герметичность торцевых частей аппа­рата.

Разделительные аппараты безопорного типа в большинстве случаев используют для разделения растворов и коллоидных систем методом ультрафиль­трации и диализа, В частности, безопорные раздели­тельные аппараты нашли широкое применение в ка­честве гемодиализаторов для аппаратов «искусствен­ная почка». При разделении жидких смесей, методом диализа в один из штуцеров корпуса аппарата по­дают диализуюшую жидкость (вариант А, рис. 11), разделяемую систему обычно подают в каналы воло­кон через штуцер крышки аппарата. Аналогичным образом можно вести разделение жидких смесей ме­тодом испарения через мембрану.

При разделении жидких смесей методом ультра­фильтрации, а также при разделении газовых смесей разделяемая система может быть подана либо в каналы волокон, либо в межволоконное пространство. В первом случае компонент смеси, проникающий через стенки волокон, выводят через боковые штуце­ра корпуса (вариант Б, рис. 11). Смесь, обогащен­ная малопроникающим компонентом, выводят со сто­роны, противоположной вводу разделяемой системы, через штуцер крышки. Во втором случае разделяемую систему подают в один из боковых штуцеров, а про­никающий компонент смеси выводят из торцов аппа­рата.

Рис. 11. Схема безопорного разделительного аппарата на основе полых волокон (A и Б - варианты подачи и вывода компонентов разделяемой смеси) 1 - поток разделяемой системы; 2 - крышка аппарата;  3 - корпус аппарата; 4 - полое волокно;   5 - блок-коллектор;   6 - поток, обогащенный малопроникающим компонентом смеси; 7 - поток, обогащенный   проникающим   компо­нентом смеси.

Как правило, ультрафильтрационные безопорные аппараты эксплуатируют при небольших рабочих дав­лениях (до 0,3 МПа). Во избежание высокого гидро­динамического сопротивления протоку жидкости ис­пользуют волокна со значительным диаметром цен« трального канала (0,2 - 1,5 мкм). С этой же целью избегают изготовления аппаратов большой длины. Обычно длина ультрафильтрационного (или диализного) безопорного аппарата с подачей разделяемой системы внутрь каналов волокна не превышает 1000 мм. При длине аппарата, превышающей 250 - 300 мм, используют полые волокна с внутренним диаметром 0,5 - 1,5 мм. При меньшей длине аппара­та (до 250 - 300 мм) возможно применение волокна с внутренним диаметром 0,2 мм. Естественно, что при уменьшении диаметра создается возможность увели­чить плотность упаковки волокна в аппарате.

На рис. 12 представлена схема разделитель­ного аппарата «Dowex RO-4K Permeator». Раздели­тельные элементы этих аппаратов изготавливают на специальном станке. На вращающемся шпулярнике укреп­ляют бобины с полым волокном. С помощью враща­ющегося раскладчика волокна натягивают между двумя параллельными стренгами. Образующимся холст непрерывно наматывают на перфорированную трубку с одновременным склеиванием волокон по обеим сторонам движущегося холста. Подобный ста­нок используют и при изготовлении разделительных элементов для аппаратов типа «Permasep». Полое волок­но в этих разделительных элементах уложено вдоль опорно-распределительных трубок слоями, разделен­ными тонким ненабухающим нетканым материалом.

Рис. 5.22. Схема разделительных аппарата: 1 - поток разделяемой системы; 2 - поток, обогащенный малопроникающим компонентом; 3 - передняя крышка; 4 - полое волокно; 5 - поли­эфирная оболочка; 6 - корпус аппарата; 7 - блок-коллектор; 8 - задняя крышка; 9 - поток, обогащенный проникающим компонентом; 10 - зажимное кольцо; II - опорно-распределительная трубка;

Необходимость разделения слоев волокна вызвана тем, что при высоких скоростях движения жидкости в аппаратах изменяется взаимное расположение во­локон, что ухудшает гидродинамический режим рабо­ты разделительных элементов. Нетканый материал, уложенный между слоями волокна и легко проницае­мый для жидкости, препятствует смещению волокна в разделительных элементах при эксплуатации. Концы полых волокон, собранные вместе, заполммеризовы-вают с помощью компаунда (обычно для этой цели применяют эпоксидные смолы). Торцы волокон вме­сте с компаундом образуют цилиндрический блок-коллектор.

5. Классификация мембран

Необходимость в классификации селективно про­ницаемых мембран не существует сама по себе, а воз­никает либо в связи с их получением, либо в связи с их применением или изучением. Обычно в качестве основы классификации принимают: метод получения мембран, геометрическую форму, назначение, структурные особенности и материал, из которого мембраны изготовлены.

Методы получения полимерных мембран весьма разнообразны. Наиболее распространенными из них являются: формование мембран из расплавов поли­меров; получения мембран из растворов полимеров способами сухого, мокрого и сухо-мокрго формования; образование полиэлектролитных комплексов; образование пор в полимерах с помощью ядерных ча­стиц и последующего выщелачивания продуктов де­струкции полимера; осаждение на пористой подложке продуктов плазменной полимеризации в тлеющем разряде.

Исходя из геометрической формы, различают мем­браны в виде плоских пленок; пленок цилиндрической формы, соединенных с пористой основой; покрытий, нанесенных на поверхность различного профиля, по­лых волокон.

По назначению различают мембраны для разделения газовых смесей и мембраны для разделения жидких смесей. Иногда в специальную группу выделяют мембраны для разделения жидких смесей мето­дом селективного испарения отдельных компонентов.

Внутри этих классов можно выделить мембраны, предназначенные для осуществления того или иного процесса разделения. Например, газоразделительные мембраны могут быть различны по типу проницаемо­сти (диффузионному или фазовому), что зависит от структуры мембран. Мембраны для разделения жидких смесей подразделяют на ультрафидьтрапионные. микрофильтрационные, диализные, осмотические для обратного осмоса. Эта классификация не является строгой, так как во многих случаях ультрафильтры, например, могут быть использованы для раз­деления смесей методом диализа, газоразделительные мембраны широко используют для разделения жидких смесей методом испарения через мембрану и т. д.

Если в основу классификации положить различия в структуре то все полимерные мембраны целесооб­разно разделить на монолитные и пористые. Моно­литными следует считать такие мембраны, в которых отсутствуют поры постоянных размеров, а проницае­мость обеспечивается системой «дырок» флуктуационнй природы. Для этих мембран характерна диф­фузионная проницаемость компонентов разделяемых систем. Пористыми мембранами являются такие мем­браны, в которых существует система сквозных пор (на надмолекулярном или морфологическом уровне), которые обеспечивают фазовую проницаемость компо­нентов разделяемых смесей. Поры в этих мембранах могут быть изолированными друг от друга или обра­зуют лабиринтообразную систему связанных между собой каналов. Поскольку в ряде случаев разделение одних и тех же смесей может происходить как по мембранному принципу, так и по принципу закупорочной фильтрации,   необходимо  отметить, что   к полупроницаемым мембранам относятся только те материалы, которые обеспечивают разделение смесей на поверхности материала поры мембран должны быть недоступными для проникновения, задерживаемого компонента. Различие между этими материалами ил­люстрирует рис. 13.

Рис. 13.   Схема   разделения  частиц дисперсной  системы  с  по­мощью мембран (а) и объемного фильтра (б).

Наоборот, в объемных фильтрах (бумага, картон и др.), структура которых построена по типу войлока, разделение смесей происходит вслед­ствие задерживания частиц в лабиринте пустот, об­разованных волокнами, сферами или другими элемен­тами твердой фазы фильтра. Весьма важным требо­ванием, предъявляемым к мембранам, является жесткость структуры фильтра, гарантирующая задержание только частиц определенного размера. Широко практикуется использование асимметричных мембран, то есть таких, у которых плотность полимера в по­верхностном слое существенно отличается от плотно­сти полимера в остальной массе (рис. 14). Если в этом случае поверхностный слой, ответственный за разделение жидкой или газовой смеси, является мо­нолитным, то мембрану в целом следует, относить к монолитным.

Рис. 14. Схема асимметричной мембраны: 1-активный слой; 2-матрица.

Асимметричные мембраны - это класс мембран­ных материалов, характеризуемых анизотропной структурой по толщине. Как правило, асимметричные мембраны изготавливают из одного полимера или смеси полимеров. Эти мембраны имеют сравнительно плотные верхние слои и довольно рыхлую структуру нижнего слоя.

Обычно плотный слой мембраны определяет ее задерживающую способность (селективность) по от­ношению к тому или иному компоненту смеси, а по­ристая ее часть служит субстратом, выполняющим роль несущей подложки. С этой точки зрения понятно стремление иметь максимально тонкий и бездефект­ный плотный слой. Пористые мембраны служат осно­вой получения составных мембран, полученных на­ложением друг на друга и соединением нескольких мембран или мембран с другими пористыми мате­риалами с целью увеличения прочности мембраны, изменения ее проницаемости для отдельных компо­нентов разделяемых смесей, повышения производи­тельности и т. д. Существуют различные варианты составных мембран. Примером таких материалов слу­жат мембраны, полученные путем образования уль­тратонких пленок на пористых мембранах или на различных пористых подложках (ткани, бумаге и пр.). Кроме того, составные мембраны могут быть получены путем заполнения пор материала другим веществом, влияющим на процесс мембранного разделения. Ди­намические и жидкие мембраны являются также раз­новидностью составных мембран и их целесообразно выделить в отдельный класс, так как в отличие от других составных мембран они всегда образуются и существуют непосредственно в процессе эксплуатации при разделении жидких смесей.

Динамическими называют мембраны, обра­зующиеся в результата подачи на поверхность пори­стого тела разделяемой системы, содержащей диспер­гированные частицы, которые, задерживаясь на по­верхности, создают слой, обеспечивающий селектив­ную проницаемость компонентов разделяемой системы. Этот слой находится в динамическом равновесии с раствором, поэтому постоянное присутствие диспер­гированных частиц в разделяемом растворе является обязательным условием существования динамических мембран.

В зависимости от того, какие вещества осаждаются на поверхности пористой основы, можно регулировать разделяющую способность образованной мембраны. Так, например, осаждая частицы положительно или отрицательно заряженных веществ, можно придавать селективному слою ионообменные свойства.

В качестве осаждаемых частиц при получении ди­намических мембран могут быть использованы золи гидроксидов металлов (А1+³; Zr+⁴; Fe+³; U+⁶), поли­акриловая кислота, поливинилпирролидон; гуммино-вая кислота, бентониты; в качестве подложек - ме­таллокерамика, пористый графит в виде трубок или пластин, ультрафильтры, пористые полимерные мате­риалы [3-7].

Жидкими мембранами называют полупроницае­мые пленки из молекул поверхностно-активных ве­ществ, образованные на поверхности пористой осно­вы. По существу жидкая мембрана является разно­видностью динамической. Особенно эффективным является добавление в разделяемые растворы микроколичеств (до 10 г/м³) неионогенных поверх­ностно-активных веществ (ПАВ) [8]. Необходимым условием эффективного образования жидкой мем­браны является наличие водородных связей между молекулами воды и ПАВ. Такие ПАВ, как поливи-нилметиловый эфир и полиоксиэтилированные алкил-фенолы, по данным Кестинга [9, 10], весьма эффек­тивно повышают солезадерживающую способность мембран.

Из многочисленных требований к мембранам целе­сообразно выделить несколько общих, характерных для всех типов мембран. Важнейшими из них являют­ся: высокая разделяющая способность, высокая удельная производительность, инертность по отноше­нию к компонентам разделяемой смеси, стабильность свойств во времени, низкая стоимость, специальные требования. Каждое из этих требований может при­обретать большее или меньшее значение для конкрет­ного вида мембран и для конкретного процесса. Ино­гда определяющими могут становиться два или несколько требований или определенное их соотношение. Однако, сочетание высокой разделяющей способности с высокой удельной производительностью является не­обходимым для всех типов мембран.

Разделяющая способность мембран зависит как от химической природы полимера, структуры мембран, так и от состава разделяемой системы.

Удельная  производительность,  то  есть количество вещества, проходящего через единицу по­верхности мембраны в единицу времени, обусловлена  теми же причинами, что и разделяющая способность. Высокая удельная производительность является весь­ма важным свойством мембран, так как определяет продолжительность процесса разделения и габариты разделительных аппаратов.

Инертность мембраны по отношению к ком­понентам разделяемой смеси является важным тре­бованием, так как, с одной стороны, определяет при­менимость мембраны для разделения конкретной си­стемы с медико-биологической, санитарно-гигиениче­ской и других точек зрения. Кроме того, она влияет на стабильность свойств мембран при эксплуатации. Понятие инертности мембран включает ее низкую сорбционную емкость по отношению к компонентам разделяемой смеси, отсутствие химического или физико-химического взаимодействия с компонентами, приводящего к изменению их свойств.

Стабильность свойств мембраны во време­ни является важнейшим условием в тех случаях, когда она используется в аппаратах, предназначенных для длительной эксплуатации (в опреснителях, промыш­ленных ультрафильтрационных установках, установ­ках финишной очистки воды, газоразделительных установках). В случаях, когда мембрана предназна­чена для разового использования (в исследователь­ских лабораториях, при проведении разовых кратко­временных операций), это требование является второ­степенным.

Низкая стоимость мембраны - требование желательное во всех случаях, но особое значение оно приобретает, когда требуется частая смена мембран. В первую очередь это относится к мембранам для гемодиализа, микрофильтрационным мембранам для холодной стерилизации биопрепаратов и т. д.

6. Выбор ультрафильтрационного оборудования

Этот раздел посвящен выбору ультрафильтрационного оборудования для концентрирование и мембраны.

При выборе оборудования необходимо руководствувадся следующими требованиями:

1. Высокая производительность.

Высокая производительность обеспечивается высоко производительной мембраной это необходимо учесть при выборе мембраны.  Необходимо учесть, что основным лимитирующим фактором производительности мембраны является концентрационная поляризацыя, а как следствие гелеобразование, сорбция вещества на поверхности мембраны, необратимая забивка мембраны.

КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ

В процессе разделения жидких систем через мембрану прохо­дит преимущественно растворитель. При этом концентрация растворенного вещества в пограничном слое у поверхности мембраны повышается. Повышение концентрации происходит до тех пор, пока диффузионный поток растворенного вещества из пограничного слоя в разделяемый раствор не уравновесится потоком растворенного вещества через мембрану с установле­нием так называемого динамического равновесия.

Отношение концентрации растворенного вещества у поверх­ности мембраны к его концентрации в разделяемом растворе называют концентрационной поляризацией. Влияние концент­рационной поляризации на рабочие характеристики мембран отрицательно, так как при этом вследствие увеличения осмоти­ческого давления раствора снижается движущая сила процес­са разделения. Кроме того, при этом возможно выпадение в осадок и осаждение на мембране труднорастворимых солей, гелеобразование высокомолекулярных соединений, что влечет за собой чистку или замену мембран.

При использовании модели с распределением концентрации растворенного вещества у по­верхности мембраны, показанным на рис. 15, предполагают, что растворенное вещество переносится в погранич­ном слое молекулярной диффузией и конвекцией. В этом случае,  где G₁ и G₂ - соответствен­но удельная проницаемость мембраны по растворителю и растворенному веществу; D - коэффициент диффузии.

Для уменьшения вредного влияния концентрационной поляриза­ции на процессы ультра- и микрофильтрации Мы можем повысить температуру, используя увеличение коэф­фициента диффузии D и уменьшение толщины пограничного слоя повы­шенной концентрации вследствие снижения вязкости, а также увеличение с температурой концентрации гелеобразования. Однако увеличение температуры приведет к увеличению энерго затрат, а также к уменьшению активности фермента.

Можно снизить уровень поляризации, проводя процессы при низких давлениях. Хотя это и не при­водят к повышению производительности процесса, которая определяется только диффузионным уносом задерживаемых веществ в перемешивае­мый объем, все же таким образом снижается концентрация у поверхно­сти мембраны, что уменьшает ее забивку и облегчает последующую реге­нерацию.

Можно также использовать для процессов концентрирования мембраны, не полностью задерживающие целевые продукты, что позво­ляло увеличить производительность процесса за счет снижения поляриза­ции, компенсируя низкое задержание увеличением числа стадий. Однако наиболее эффективным методом борьбы с концентрационной поляризацией является уменьшение толщины слоя повышенной концент­рации за счет циркуляции растворов в зазорах мембранных разделительных аппаратов (модулей).

Рис. 15. Распределение концентрации, в погранич­ном слое.

Для реализации режимов циркуляции раствора у поверхности мембран, снижающих уровень концентрационной поляризации, мембраны помещают в специальные аппараты, называемые мембранными модулями. В модулях циркуляция разделяемых растворов проходит в узких (от 0,5 до 5 мм) зазорах, снабженных обычно турбулизующими сетками при значительных скоростях тангенциального потока (до 5-10 м/с). Такой режим носит название тангенциальной или проточной (cross-flow) фильтрации, в отличие от ‘тупиковой’ (dead ended) фильтрации, когда разделяемый раствор подают на мембрану нормально к ее поверхности.

Поточный режим значительно повышает коэффициент массоотдачи, что обеспечивает рост производительности процессов ультра- и микрофильтрации.

2. Отсутствие инактивации ферментов

Однако при всей эффективности и универсальности такой способ имеет существен­ный недостаток, связанный с деструктирующим действием на компонен­ты суспензий и растворов сдвиговых напряжений , возникающих при движении жидкости в зазорах фильтрационных аппаратов:

где  - динамическая вязкость; v - градиент скорости.

Эти напряжения приводят к инактивации биологически активных частиц и макромолекул, а в некоторых случаях даже к деструкции поли­меров.

Потери биологической активности в процессах ультра- и микрофильтрации вызвали широкое изучение причин гидродинамической инактивации и способов борьбы с этим явлением. Традиционное рассмотрение кинетики инактивации проводят в рамках теории предельных напряже­ний, рассматривающей элементарный акт разрушения как критический процесс, происходящий мгновенно при достижении системой критиче­ских значений _кр . Для ферментов _кр =10⁹ с^-1

3. Низкая стоимость оборудования.

4. Простота в эксплуатации.

Всем выше перечисленным требованиям наиболее полно удовлетворяет аппарат типа “Фильтр пресс”.

При выборе мембраны необходимо руководствувадся следующими критериями:

1. Проницаемость мембраны. Проницаемость мембран характеризуется двумя критериями: удельной производителностью, коэфициентомпроницаемости.

Удельная производительность — количество вещества, проходящего через единицу поверхно­сти мембраны в единицу времени. Этот показатель имеет размерность кг/(м²с), моль/(м²-с), м³/(м²с) и т. п.

Коэффициент проницаемости - количество вещества, проникающего через единицу поверхности мембраны, имеющей единичную толщину, в единицу времени при перепаде давления, равном единице. Размерность этого показателя: (м кг/(м² с Па).

2. Селективность мембраны. Селективность мембраны характеризуется селективностью, коэффициентом отталкивания, коэффициентом разделения, фактором разделения. Теперь рассмотрим каждый фактор.

Процессы  разделения  жидких  и  газовых  смесей с помощью селективно проницаемых мембран харак­теризуются наличием трех потоков (рис. 1): потока, подходящего к мембране J₀, потока, проходящего через мембрану J₁, и потока, отходящего от мембраны J '. Отношение величины потока J₁  к величине потока J₀ называют конверсией процесса и обычно выражают в процентах. Разделяющую способность мембран при­нято характеризовать значением селективности R:

где  С₂ - концентрация   задерживаемого   вещества   в   потоке  J₀; С₂ - концентрация этого же вещества в потоке J₁.

Иногда для мембран используют такие характери­стики, как коэффициент отталкивания

 и коэффициент разделения

где  и  - концентрации компонентов в потоке ; С₂ и С₀ - концентрации тех же компонентов в потоке J₀.

Рис. 16. Принципиальная схема мембранного разделения смесей.

Кроме того, разделяющую способность мембран (главным образом газоразделительных) характери­зуют величиной фактора разделения F, представляющего собой отношение проходящих  через  мембрану потоков двух компонентов разделяемой системы:

3. Инертность по отношению к компонентам разделяемой смеси.

Инертность мембраны по отношению к ком­понентам разделяемой смеси является важным тре­бованием, так как, с одной стороны, определяет при­менимость мембраны для разделения конкретной си­стемы с медико-биологической, санитарно-гигиениче­ской и других точек зрения. Кроме того, она влияет на стабильность свойств мембран при эксплуатации. Понятие инертности мембран включает ее низкую сорбционную емкость по отношению к компонентам разделяемой смеси, отсутствие химического или физико-химического взаимодействия с компонентами, приводящего к изменению их свойств.

4. Стабильность свойств во времени.

Стабильность свойств мембраны во време­ни является важнейшим условием в тех случаях, когда она используется в аппаратах, предназначенных для длительной эксплуатации (в опреснителях, промыш­ленных ультрафильтрационных установках, установ­ках финишной очистки воды, газоразделительных установках). В случаях, когда мембрана предназна­чена для разового использования (в исследователь­ских лабораториях, при проведении разовых кратко­временных операций), это требование является второ­степенным.

5.Стоимость мембраны.

Низкая стоимость мембраны - требование желательное во всех случаях, но особое значение оно приобретает, когда требуется частая смена мембран. В первую очередь это относится к мембранам для гемодиализа, микрофильтрационным мембранам для холодной стерилизации биопрепаратов и т. д.

Всем выше перечисленным требованиям отвечает мембрана из ацетатцеллюлозы.

 Среди аппаратов с плоскопараллельной укладкой мембран   (типа   «фильтр-пресс»),   которые   находят наибольшее применение в установках малой производительности, предпочтение следует отдать «бескорпусным» аппаратам. Такие аппараты не имеют массивного корпуса, рассчитанного на работу при высоких давлениях, благодаря чему снижается ме­таллоемкость и достигается  относительно высокая удельная поверхность мембран. Одна из конструкций изображена на рис.16.

Аппарат представляет собой   вертикальную  колонну,  со­стоящую из ряда секций, стянутых во фланцах 3 с помощью шпилек 1 и гаек 2. Каждая секция представляет собой пакет мембранных элементов 6, чередующихся с уплотнительными прокладками 5. Пакет уложен в цилиндрическую обечайку 4. Прокладки 5 обеспечивают герметичность секции и при обжатии шпильками вследствие сил трения передают усилие рабочего давления на дренажный материал (именно этот эффект позволяет в данной конструкции обойтись без специального прочного корпуса).   Между   элементами   располагаются   сетки-сепараторы,  предотвращающие   соприкосновение   элементов,   улучшающие гидродинамические условия процесса и создающие каналы для протекания   разделяемого   раствора.

Переточные отверстия всех мембранных элементов секция совпадают, образуя коллекторы для входа раствора в секцию, распределения его между мембранными элементами и выхода  в следующую секцию. Число мембранных элементов в каждой последующей секции по ходу раствора в аппарате уменьшается, что обеспечивает необходимую скорость раствора в любом межмембранном канале.

  Мембранный элемент состоит из двух добран 7, уложенных на подложки из мелкопористого материала 8, между которыми размещается дренажный материал 10. Для предотвращения вдавливания мембран и подложек в дренажный материал в зоне обжатия между подложками и дренажом располагаются кольца 9 из тонкого жесткого материала. В области переточных отверстий мембраны, расположенные по обе стороны дренажного слоя, приклеиваются одна к другой. Исходный раствор поступает в аппарат через штуцер нижнего фланца и последовательно проходит все секции. Сконцентрированный раствор уходит через штуцер верхнего фланца. В каждой секции раствор движется параллельными потоками по всем межмембранным каналам. Пройдя вдоль мембран, раствор собирается в выходном коллекторе секции и поступает во входной коллектор следующей секции. Фильтрат уходит через дренажные сетки и сливается через отводные патрубки.

Диаметр аппарата определяется шириной вы­пускаемого мембранного полотна (0,45 м). Перемен­ными величинами могут быть толщина сетки-сепара­тора и дренажного слоя (составленного из собственно дренажного материала и двух подложек), а также число секций.

При  уменьшении  толщины  сетки-сепаратора  и дренажного  слоя   повышается  компактность  установки,   но   растет   гидравлическое   сопротивление. Для последующих расчетов примем следующие значения:   _с = 0,5  мм,   _п = 1,0 мм   (_С—толщина  сепарирующей сетки, _п — толщина пакета, состав­ленного из двух мембран и дренажного слоя).

Рис.16. Схема устройства аппарата с плоскопараллельной укладкой мембран: 1 - шпилька; 2 - гайка; 3 - фланец; 4 - обечайка; 5 - прокладка; 6 - мембранный    элемент;   7 - мембрана;  8 - подложка; 9 - прок­ладочное кольцо; 10 - дренажный слой.

Диаметр рабочей части мембраны равен общему диаметру за вычетом удвоенной ширины прокладоч­ного кольца. Примем ширину кольца равной 0,025 м. Тогда диаметр мембраны d_M = 0,45 — 2*0,025 = 0,4 м.

Рабочая поверхность одного элемента, состоящего из двух мембран, равна:

F_э==2*0,785(0,4²—2*0,02²) =0,25 _М2

где d_пер= 0,02м — диаметр  переточного отверстия.

7. Расчет ультрафильтрационного аппарата

Прежде всего, нам необходимо определить эквивалентный диаметр молекулы белка по формуле Стокса,  так как молярная масса комплекса ферментов составляет от 15 до 70kD ,то

После определения d молекулы необходимо выбрать мембрану. Мембрана должна иметь максимальную производительность при селективности удовлетворяющей требования  к качеству фильтрата, а также минимальную стоимость. Этим требованиям удовлетворяют мембраны производящиеся в Российской Федерации типа УАМ.

 Селективность различных мембран для нашего в-ва приведена в таблице 1.

Табл. 1.

Тип мембраны	Средний диаметр пор, нм	Константа проницаемости по чистой воде A		Селективность
УАМ-30	3	0,0015	1,25-2,26	0,999-0,999
УАМ-50	5	0,0033	0,76-1,36	0,998-0,999
УАМ-100	10	0,017	0,38-0,68	0,9-0,999
УАМ-150	15	0,037	0,25-0,45	0,7-0,999
УАМ-200	20	0,075	0,19-0,34	0,25-0,999

Условиям высокой селективности и оптимальной производительности удовлетворяет мембрана УАМ-50. Константа проницаемости по чистой воде A=0,0033,селективность  (0,998-0,999).

Допустим, установка работает 220 дней в год 6ч в день.

Так как годовое производство составляет 10т то нам необходимо отделить 300т фильтрата за год или L_ф=0,063л/с. Всего через аппарат необходимо пропустить 420т исходного раствора в год или L_н=0,088л/с.

Степень концентрирования K=

Приближенный  расчет  рабочей поверхности  мембран

Рабочая поверхность мембран зависит от расхода фильтрата и проницаемости мембраны. Определим проницаемость по чистой воде, пользуясь приведен­ными выше данными о константах проницаемости. При рабочем давлении 0,2 МПа проницаемость по чистой воде составит:

 кг/(м²с)

 Для перехода от этой величины к проницаемости в рабочих условиях следует учесть, что осмотические давления неконцентрированных растворов ВМС пренебрежимо   малы.   Селективность   ультрафильтрационных мембран по неорганическим солям близка к нулю, поэтому осмотическое давление фильтр равно осмотическому давлению исходного раствора, и последнее также не сказывается на проницаемости. Основным   фактором,   снижающим   проницаемость, является повышение вязкости,  определяемое концентрацией соли, которая значительно превышает концентрацию ВМС.

Течение растворов  через  поры ультрафильтрационных  мембран   подчиняется  закону  Пуазе поэтому   проницаемость   обратно   пропорциональна динамической вязкости.

Из коэффициент кинематической вязкости 5,5 %-ного раствора NaCl при t = 25 °С составляет  м²/с, плотность раствора р = 1036 кг/м³. Отсюда коэффициент динамической вязкости равен:

Вязкость   воды   при   той   же   температуре   = 0,000894 кг/(мс). Тогда

Поскольку в процессе концентрирования ВМС концентрация NaCl, определяющая вязкость рас­твора, не изменяется, полученная проницаемость может быть принята постоянной для любого сечения аппарата.

 Рабочая поверхность мембраны:

F = L_ф/G = 0,063/6.1•10^-4 = 103,3 м²

Расход  концентрата   равен

L_k = L_H - L_ф=0.088-0.063=0,025 кг/с

Общее число элементов в аппарате: n = F/F_э =103,3/0,25 = 413.

Проведем секционирование аппарата, исходя из необходимости обеспечить примерно одинаковый рас­ход разделяемого раствора во всех сечениях аппарата

Пусть L_нi, L_кі - расход разделяемого раствора соответственно на входе в i-ю секцию и на выходе из нее (i - 1,2, ..., т, где m — число секций в аппа­рате); L_i - средний расход разделяемого раствора в канале, образованном двумя соседними элементами i-й секции; n_t - число элементов в i-й секции; L_ф.э - расход фильтрата на одном элементе, q = L_нi/L_кі — величина, определяющая допустимое изменение расхода по длине каждой секции.

Выразим расход раствора на выходе из секции как разницу между расходом на входе в секцию и расходом фильтрата в секции:

       L_кі =L_нi -L_ф.э n_i        
Представим величину L_кі в виде:

L_кі =L_нi/q

Находим число элементов, приравнивая выражения:

Соотношение  определяет число элементов в каждой секции, отвечающее допустимой величине q. Преобразуем это соотношение, учитывая, что на­чальный расход в каждой секции, начиная со второй, равен конечному расходу в предыдущей секции:

L_нi =L_к(i-1)

Отсюда с учетом соотношения L_кі =L_нi/q , зная расход исходного раствора L_H, получим:

L_нi =L_н(i-1)/ q=L_н /q^i-1

Подставляя   выражение L_нi =L_н(i-1)/ q=L_н/ q^i-1   в   уравнение , получим:

Тогда для первой секции:

С учетом последнего уравнения перепишем соотношение в виде:

Рассмотрим, как соотносятся расходы раствора в первой и последней секциях. Средний расход раствора в каждом канале t-й секции можно вы­разить в виде

Отношение средних расходов с учетом  будет равно:

Оптимально чтобы  =q                    (1)

Также необходимо чтобы  413                                              (2)

Учитывая что                                                             (3)

Решим систему 3 уравнений с 3 переменными.

Учитывая, что  члены ряда геометрической прогрессии то

q’=1/q

a₁

Получаем систему уравнений

413

В результате решения системы уравнений получим q=1,064

q’=0,9398

m=20,3

Однако следует учесть, что по мере концентрирования раствора в нем одновременно увеличивается содержание взвешаных частиц, практически всегда имеющихся в технологических растворах, даже подвергнутых предварительному фильтрованию. Это может привести к ускоренному загрязнению мембран в последних секциях, сопровождающемуся снижением проницаемости и селективности. Уменьшение расхода от первой к последней секции способствует этому нежелательному процессу. Кроме того, столь низкое значение q приводит к высокому числу секций в аппарате (21секцыя). В связи с этим целесообразно выбрать в качестве рабочего значения q=1,2.

Тогда число мембран в секциях:

n₂=96/1.2=80

n₃=80/1.2=67

n₄=67/1.2=56

n₅=56/1.2=46

n₆=46/1.2=38

n₇=38/1.2=32

Всего n₁+n₂+n₃ +n₄+n₅+n₆+n₇=415 мембран, одна мембрана лишняя.

Примем что n₁=98

n₂=80

n₃=70

n₄=55

n₅=45

n₆=35

n₇=30

Проверим точность расчетов, определив средние расходы в каналах первой и последней секций:

Такую сходимость следует признать удовлетворительной.

Расчет гидравлического сопротивления

Определение . Общая длина канала, по которому проходит разделяемый раствор, равна произведению диаметра элемента на число секций: l = 0.4*7=2,8м.

Поскольку скорость течения мало меняется от первой секции к последней, используем в расчетах среднеарифметическое значение скорости:

Тогда

Примем =7. Тогда =950*7=6650 Па

Определение . Скорость фильтрата в дренажном слое меняется от нуля в центре элемента до максимальной на окружности элемента. Общая длина канала, по которому приходит фильтрат, равна радиусу элемента: l = r = d/2=0.2 м.

Примем =150. Тогда =10*150=1500 Па

Напор насоса  м

8. Стерилизация мембранных фильтров.

Мембранные фильтры можно стерилизовать несколькими способами: кипятить в течение 15-20 мин или стерилизовать паром, поместив между листками фильтровальной бумаги в чашку Петри на 30 мин в аппарате Коха, или стерилизовать ультрафиолетовыми лучами с расстояния около 40 см в течение 60-120 мин. В качестве источника ультрафиолетовых лучей используют, например, БУВ-6О. [24]

9. Список использованной литературы

1.            Брок Т. Мембранная фильтрация / Пер.  с англ. под ред. Б.В.Мчедлишвили.-М.: Мир, 1987. - 464с.

2.            Черкасов А.Н., Пасечник В.А. Мембраны и сорбенты в биотехнологии. -Л.: Химия,1991.-240с.

3.            Брик М.Т., Голубев В.Н., Чагаровский А.П. Мембранная технология в пищевой промышленности К.: Урожай, 1991.- 222 с.

4.            Дытнерский Ю.И. Мембранные процессы разделения жидких смесей. - М.: Химия.-1975.-232 с.

5.            Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. - М.: Химия.-1978.-35 с.

6.          Дытнерский Ю.И. Баромембранние процессы. Теория и расчет. - М.: Химия, 1986.-272с.

7.          Брик М.Т., Цапюк Е.А., Ультрафильтрация. -К.: Наукова думка,1989. - 288с.

8.           Начинкин О.И. Полимерные микрофильтры. - М.: Химия, 1985. -216 с.

9.          Дубяга В.П., Перепечкин Л.П., Каталевский Е.Е. Полимерные мембраны. - М.:. Химия, 1981. -231 с.

10.      Яровенко В. В. Концентрирование ферментных растворов методом ультрафильтра­ции / Обзор.-М.: ОНТИТЕИмикробиопрма, 1978.-36с.

11.      Гуцалюк В.М. Обладнання для оброблення розчишв харчових продукпв мем­бранними методами.- В кн.: Обладнання гадприемств переробнї та харчової промисловості / За ред. 1.С.Гулого.- Київ; Нова книга,2000.- С.536-566.

12.      Гуцалюк В.М., Гулий I.C., Рябцев Г. Л. Первапорацшне роздшення органічних сис­тем.- В кн.: Харчова промисловість, додаток до вип. №45,- К.: УДУХТ.- 2000.- 41 с.

13.      С.- Т. Хванг.,К. Каммерейер. Мембранные процессы разделения / Пер. с англ. под ред. Ю.И.Дытнерского.-М.:Химия,1981.- 464с.

14.      Кестинг Р.Е. Синтетические полимерные мембраны. Структурный аспект./Пер. с англ. под. ред.В.К.Ежова.- М.:Химия,1991.- 336 с.

15.      Тимашев С.Ф. Физико-химия мембранных процессов.- М.: Химия, 1988.- 240с.

16.      Технологические  прцессы  с  применением  мембран  /  Пер.   с   англ,   под.ред. Ю.А.Мазитова.- М.: Мир, 1976.- 370 с.

17.      Гуцалюк В.М. Вариационные методы в решениях задач мембранной технологии.-К.: Выща школа, 1991.- 59 с.

18.      ГребенюкВ.Д. Электреодиализ. -К.: Техніка,1976. -160 с.

19.      Биологические   мембраны.    Методы   /   Под.ред.    Дж.Финделея    и    У.Эванза.-М. Мир, 1990.-424 с.

20.      Бобровник Л.Д., Загородний П.П. Электромембранные процессы в пищевой про­мышленности.- К.: Выща школа, 1989.- 272 с.

21.      Брык М.Т., Цагаок Е.А, Твердый А.А Мембранная технология в промышленности.-Киев: Техшка, 1990.- 247 с. 22.

22.      Дытнерский Ю.И.Основныепроцесы и аппараты хим технологиию.:Пособие по проектированию [Для хим. –технол. Спец вузов] М.Химия 1991. –493с.

23.      Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты хим технологии: Учебник для студентов хим – техтол. Спец. Вузов. –М.: Химия 1995 г.