Гидродинамические аспекты ультрафильтрации диффузионного сока Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

выполнены две кольцевые шели 4 и 5. В первую из них по ходу движения поступает слой с повышенным содержанием растворенных веществ. В области щели 4 образуется давление большее, чем в сечении, где расположена щель 5. Это осуществляется за счет перемещения конуса 6 с помощью гайки 9. Положение конуса устанавливается таким образом, чтобы создать требуемое давление. Величина общего давления, создаваемого в кожухе 1, будет меньше, чем в сечении щели 5. А в целом давление будет избыточным по отношению к атмосферному. Таким образом слой концентрата с внутренней поверхности втулки 3 за счет разности давлений в сечении щели 4 и кожухе 1 будет засасываться в кожух, а оттуда через штуцер 2 удаляться. Остальная часть потока будет проходить между образующей конуса и втулкой 3, далее сквозь ”ерш” 7, отводясь через гайку 9.

Конус 6 выполнен из достаточно легкого материала, поэтому он плавает в потоке продукта. Стабильное положение конуса осуществляется за счет его вращения с помощью имеющихся каналов 8.

Через некоторый интервал времени на внутренней поверхности мембраны вследствие КП образуется устойчивый неподвижный слой с повышенным содержанием растворенных веществ, который в дальнейшем может преобразоваться в слой геля. Это снижает движущую силу процесса, а следовательно, и производительность. Для очистки мембраны изменяют направление движения потока. При этом конус 6 начинает перемещаться из правого положения в левое, счищая ’’ершом” 7 слой с поверхности мембраны. После прохода конуса 6 вдоль мембраны 10 направление движения потока вновь изменится и он возвратится в исходное положение. При необходимости операцию повто-

ряют до тех пор, пока не будет достигнута необходимая степень очистки мембраны.

На основе конструкций 3-й группы нами предложена технологическая схема концентрирования с помощью мембранного оборудования, использующего слой с повышенным содержанием растворенных веществ.

выводы

1. Проведена оценка мембранного оборудования, используемого в настоящее время. Предложена классификация, наиболее полно отражающая достигнутый уровень развития мембранной техники и перспективы ее совершенствования.

2. Описаны новые конструкции мембранных аппаратов, в работе которых используется слой с повышенным содержанием задерживаемых веществ, образующихся в примембранной зоне.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лобасенко Б.А., Космодемьянский Ю.В., Болотов

О.С. Состояние и развитие мембранной техники. — Кемерово, 1998. — 10 с. — Деп. в ВИНИТИ 03.09.98 г., № 2738-В98.

2. Bruine S. Uverview о[ concentration polarisation in ultrafiltration // Desalination. — 1980. — 35. — 1. — 3.

— 223-242.

3. Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы и расчет.

— М.: Химия, 1986. — 272 с.

4. Пат. 2094100. Способ мембранного разделения жидких сред / Б.А. Лобасенко, В.Н. Иванец, Ю.В. Космодемьянский. — Опубл. в Б.И. — 1997. — № 30.

5. Пат. 2119378. Аппарат для мембранного разделения / Б.А. Лобасенко, В.Н. Иванец, Ю.В. Космодемьянский, Л.М. Лопухинский. Опубл. в Б.И. — 1998. — № 27.

6. Лобасенко Б.А., Болотов О.С. Разработка высокоэффективного оборудования для разделения пищевых сред: Тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. ’’Ресурсосберегающие технологии пищевых производств”. — Спб., 1998.

Кафедра процессов и аппаратов пищевых производств

Поступила 16.04.99 г.

664.1.037:66.067.38

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ ДИФФУЗИОННОГО СОКА

В.В. СПИЧАК, В.А. КУДРЯВЦЕВ, П.А. АНАНЬЕВА, Л.И. БЕЛЯЕВА, В.В. ХОЛОДОВА, Е.М. КУВАРДИНА

Российский научно-исследовательский институт сахарной промышленности

Экспериментальная установка, используемая для исследования ультрафильтрационной очистки диффузионного сока [1], имеет ряд недостатков, обусловленных тем, что мембранная перегородка уложена непосредственно на внутреннюю поверхность створок мембранного модуля (рис. 1;а). В этом случае отвод фильтрата осуществляется через прорези, расположенные на расстоянии 10 мм друг от друга. Судя по степени загрязнения мембраны, основная масса фильтрата проходит через участки, прилегающие к прорезям. Следовательно, эффективность использования поверхности мембраны не одинакова: в области прорезей она выше, а между ними — ниже. Причина неравномерной нагрузки на мембрану заключается в неодинаковых условиях отвода фильтрата от участков мембраны. У прорезей фильтрат преодолевает гидравлическое сопротивление мембраны по нормали к ней, а

между прорезями, после прохода через разделяющий поверхностный слой, он двигается по несущей подложке (рис. 1, а). Несмотря на низкое удельное сопротивление несущей подложки (по сравнению с удельным сопротивлением микроскопического разделяющего слоя), оно оказалось достаточным для создания неравномерности фильтрации по поверхности мембраны. Вторым недостатком используемой схемы установки мембраны является деформация последней в области прорезей. Мембрана под действием давления втягивается в прорезь, что, естественно, нарушает ее структуру и размер пор разделяющего слоя.

Для предотвращения указанных недостатков в установку были внесены некоторые конструктивные изменения. Под мембрану установили подложку из капроновой фильтрующей ткани (рис. 1, б). Применение подложки существенно снизило деформацию мембраны, так как силы давления в этом случае передаются на более жесткую тканевую подложку. Продольное движение фильтрата между прорезями сместилось теперь в область тканевой подложки, обладающей существенно

а)

б)

•» ■•■••■>■>■■■■■■■■<* ............

!!!!!!!!!!!'■.........

!!!!!!•!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!!! !!!!!”!!!!

шш

Рис. 1

сти фи

:1г (п:: рис. 2.

р!:с.«и- V. к

Л’-" лДм^ч)

[| 1 "ЬТ- 70 -

и^аг-

Е1к1

СМ

£"са и 50 -

гкд

40-

: к£ и л

|у1ГИН 30 -

И иОД-

(да £ 20

М?.. мс

рКяА В 10 -

меньшим удельным гидравлическим сопротивлением, чем несущая подложка мембраны.

Второе изменение в схеме экспериментальной установки относится к системе циркуляции разделяемого раствора. В ранее используемом варианте циркуляционный поток создавался центробежным насосом, создающим максимальное давление 0,25 Мпа. При использовании центробежного насоса изменение расхода в циркуляционном контуре сопровождается соответствующими изменениями давления. Это не позволяет получить достоверные данные по зависимости параметров ультрафильтрации от скорости потока и давления. В новом варианте центробежный насос был заменен насосом мембранного типа, создающим максимальное давление до 0,6 МПа. При использовании этого насоса изменение давления в сети вызывает несущественные изменения расхода разделяемого раствора. Мембранный насос, в отличие от центробежного, создает пульсирующий поток. Пульсация расхода должна оказывать положительное влияние на ультрафильтрацию, обеспечивая более высокую степень турбулизации потока разделяемого раствора и тем самым улучшая условия для очистки мембраны от загрязнения отложениями.

Кинетика процесса ультрафильтрации в виде изменения удельной производительности (скоро-

0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 т, мин

Рис. 2

По изменению скорости фильтрации процесс может быть разделен на три периода: начальный, постоянной скорости фильтрации и затухания процесса. В начальный период наблюдается резкое падение скорости фильтрации от максимальной в начале процесса (64 л/(м2,ч)) до стабилизированной во втором периоде (40—38 л/(м2-ч)). Второй период отличается относительным постоянством скорости процесса ультрафильтрации. Однако и в нем происходит ее неуклонное снижение. В последнем периоде скорость фильтрации вновь начинает резко снижаться.

Изменение скорости фильтрации обусловлено в первую очередь увеличением гидравлического сопротивления мембранной перегородки. Возможно, что скорость процесса в некоторой степени зависит и от гидравлического сопротивления тканевой подложки, применяемой для повышения эффективности использования всей поверхности мембраны. Однако влияние этого параметра не должно быть существенным.

Очевидно, в начальном периоде в первую очередь происходит закупоривание крупных пор разделяющего слоя мембраны. Так как проницаемость пор пропорциональна их диаметру в четвертой степени (при ламинарном режиме течения), то наблюдаемое резкое снижение скорости фильтрации можно считать вполне обоснованным влиянием этого фактора. Длительность начального периода определяется, прежде всего, гидродинамическими условиями процесса и зависит также от свойств исходного раствора и температуры. В полученных кинетических кривых продолжительность этого периода составила порядка 1,5 ч, что в 3-4 раза превышает данные ранее проведенных исследований. Это объясняется улучшенными гидродинамическими условиями для очистки мембраны от отложений. Улучшение гидродинамики мы связываем, в первую очередь, с увеличением линейной скорости очищаемого раствора, которая в проведенных экспериментах составляла 1,1-1,25 м/с (прежние данные 0,65-0,8 м/с). Существенное влияние оказывают и пульсации расхода, создаваемые мембранным насосом. Создание низкочастотных пульсаций является высокоэффективным способом интенсификации большинства массообменных процессов, к которым в некоторой степени относится и мембранное разделение смесей. Изучение влияния пульсации на ультрафильтрацию диффузионного сока может быть предме-

том дальнейших, а может быть и отдельных исследований. В работе [2] продолжительность начального периода при скоростях потока 4 м/с достигала 1,5 ч и при снижении скорости потока сокращалась. В наших опытах та же продолжительность начального периода получена при значительно меньших скоростях разделяемого потока, что может быть обусловлено в первую очередь пульсациями расхода.

Во втором периоде величина удельной производительности практически не изменяется. Мембрана работает в режиме, близком к стационарному. Если исходить из предположения, что в начальном периоде произошла закупорка наиболее крупных пор, то во втором периоде формируется слой отложений микроскопических размеров, соизмеримых с размером отделяемых частиц. Толщина этого слоя в ходе процесса постепенно растет, вызывая соответствующее незначительное снижение скорости фильтрации. По-видимому, в конце начального периода эта толщина оказывается достаточной для создания дополнительного разделяющего слоя. Мы полагаем, что происходит формирование второго (динамического) мембранного слоя с более крупными порами, чем поры основной мембраны.

Третий период, названный периодом затухания, начинается после формирования динамического слоя. Удельная производительность начинает снижаться с темпом, близким к темпу начального периода. Мы полагаем, что и механизм снижения скорости фильтрации в обоих случаях аналогичен. Но в третьем периоде происходит закупоривание пор динамического разделяющего слоя. Ввиду того, что поверхность слоя отложений должна быть с большей степенью шероховатости, то на ней будут удерживаться и более крупные частицы, чем на поверхности самой мембраны. Пористость и шероховатость новых отложений выше, чем предшествующего слоя. По гидродинамическим параметрам этот слой близок к микрофильтрационным мембранам. Его поры быстро забиваются микрочастица-

ми и гидравлическое сопротивление начинает резко повышаться. На поверхности мембраны образуется налет, для удаления которого требуются специальные меры.

Процесс ультрафильтрации прекращали при снижении производительности в периоде затухания на 15-20% от этого показателя в периоде постоянной скорости фильтрации.

Промывку мембраны проводили горячей водой с линейной скоростью промывного раствора 2-3 м/с. Время промывки составляло 20-30 мин. После промывки скорость фильтрации и характер ее изменения существенно не менялись. Однако между циклами наблюдается тенденция к снижению усредненных значений скорости фильтрации и времени эффективной работы мембранного модуля.

ВЫВОД

Цикл мембранного разделения диффузионного сока по скорости фильтрации может быть разделен на три периода: начальный — с резким снижением скорости фильтрации, основной — с постоянной скоростью процесса и третий период — с затуханием скорости фильтрации. Продолжительность периодов зависит в основном от свойств разделяемого раствора, скорости потока и наличия пульсаций расхода и давления разделяемого раствора. Использование пульсаций увеличивает продолжительность первых двух периодов, повышая время межпромывочного использования мембраны и скорость фильтрации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Очистка диффузионного сока ультрафильтрацией / В.В. Спичак, П.А. Ананьева, Л.И. Беляева и др. // Сахарная пром-сть. — 1998. — № 5-6. — С. 10-12.

2. Седякина Т.В., Шляхова И.И., Булахов В.В. Влияние параметров на процесс ультрафильтрации / / Там же. —

С. 12-15.

Поступила 07.04.99 г.

ВЛ1

Р01

НИ

ля

ли

СТ1

эв<

эв<

сад

от

ЗН!

Н01

ма;

ве{

вн

сое

бу;

ции

ств;

нес!

в к<

Г»г

нот

ЦИЙ

Стр

ост;

что

СЛ31

ело: пар] = 4 нор ЧеС! вел]