8. 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.1.

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 мембран 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.

9. 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 8.

Табл. 8.

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)

Для упращения расчотов введем переменную q’

Преобразуем уравнение (2) учитывая, что  члены ряда геометрической прогрессии то согласно [33] получем:

Учитывая что   то

Произведем замену  в уравнении (1) и получим:

Получаем систему уравнений

                            (4)

                              (5)

Для решения системы уравнений выразим q’^m из уравнения (4)

                                           (6)

Подставим полученое выражение в уравнение (5)

                       (7)

Подставим значения L_н  L_ф.э.  в уравнение (7)

Учитывая что  и q>1 получим q=1.064

Подставим q’ в уравнение (6) получим:

Пролагорифмировав обе части уравнения получим

Откуда m равняется 20.1

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, две мембраны лишние.

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