Основные тенденции развития мембранного оборудования Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

1.4

его жа-:ах, по-їжу ого на-|ого де-мое зма >і 5, іну-

1

две Ь пе-кон-1>шие [пни-Ьние вием рром гея в

?щей

шала

>узку

ация

фик-

эпре-

В исследованиях использовали схему однофакторного эксперимента и варьировали следующие геометрические и силовые факторы: толщина ножей 0,1-1,0 мм; усилия натяжения 100-500 Н; эксцентриситет 0,05-0,2. Во всех сериях опытов использовали ножи со свободной длиной I = 410 мм и шириной В = 10 мм.

Наличие отклонений формы разрезаемых заготовок связано с возникновением в процессе резания боковых сил, действующих на режущую кромку перпендикулярно боковой поверхности ножа. Эти силы приводят к смещению положения статического равновесия пластинчатого ножа и, как следствие, возникновению переходного колебательного процесса, сказывающегося на качественных показателях резания. Причинами появления боковых сил могут быть несимметричность поперечного сечения ножа, неточность его установки в горизонтальном и вертикальном направлении, неточность движения ножей или подачи разрезаемого материала. Все эти причины полностью устранить нельзя, их можно уменьшить путем более точной подготовки режущего инструмента и оборудования. Очевидно, что для более качественного резания необходимо увеличивать способность ножей противостоять действию боковых сил, т.е. повышать жесткость режущей кромки ножа в плоскости действия боковых сил.

Экспериментальная зависимость /н = /(АО имеет линейный характер с достаточно плотным расположением опытных точек. Разный угол наклона прямых показывает большую эффективность натяжения для ножей с малой толщиной. Например, при возрастании N от 50 до 500 Н величина начальной жесткости для ножей толщиной 0,1 мм увеличивается на 81%, а для ножей толщиной 1,0 мм — только на 33%. Технологическая жесткость всегда меньше начальной, и степень уменьшения зависит от близости величин Р и Р , т.е. величина

кр

/т во многом определяется устойчивостью пластинчатых ножей.

Сопоставление результатов экспериментального определения Ркр с теоретическими расчетами дает относительную погрешность около 12-15%. Наибольшие отличия характерны для ножей с меньшей толщиной. При увеличении толщины ножа на

0.1.мм устойчивость в среднем возрастает на 6%. Критическая сила и сила натяжения связаны почти прямолинейной зависимостью. Натяжение ножа является эффективным средством повышения его устойчивости, однако ее величина ограничена прочностью узлов крепления, натяжных приспособлений и самого ножа.

При малых эксцентриситетах (£ = 0,05) экспериментальные значения Р значительно меньше теоретических, а при е>0,2 могут превышать теоретические значения. Величина £ = 0,2 может считаться оптимальной, так как Ркр в этом случае имеет максимальное значение. Как показали производственные испытания машин А2-ХР-2П, за счет установки ножей с оптимальным е величина Ркр повышается почти на 50%, что существенно уменьшает количество возвратных отходов и брака.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зимон А.Д. Адгезия пищевых масс. — М.: Агропромиздат, 1988. — 283 с.

2. Хромеенков В.М., Рензяев О.П., Мустафаев Х.С., Ури-

нов Н.Ф. Режущая способность ножей // Изв. вузов. Пищевая технология. — 1991. — № 4-6. — С. 135-137.

3. Прокофьев Г.Ф. Интенсификация пиления древесины рамными и ленточными пилами. — М.: Лесная пром-сть, 1990. — 240 с.

Кафедра технологического оборудования пищевых предприятий

Поступила 04.12.96 г. .■

ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МЕМБРАННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Б.А. ЛОБАСЕНКО, О.С. БОЛОТОВ

Кемеровский технологический институт пищевой промышленности

Мембранные методы находят все большее распространение в различных отраслях промышленности. Однако они не свободны от недостатков. Характерной особенностью мембранных методов является образование повышенной концентрации задерживаемых веществ при фильтровании (явление концентрационной поляризации КП). Это негативно отражается на скорости процесса и при определенных условиях может привести к образованию слоя геля на поверхности мембраны. По некоторым литературным данным, в этом слое сосредоточено основное сопротивление массопере-носу. Явление КП характерно в большей или меньшей степени для всех мембранных процессов, особенно сильно оно проявляется при ультрафильтрации. В настоящее время нет классификации мембранных аппаратов, учитывающей данное яв-

66.067.38

ление. Нами предложена такая классификация [1], разделяющая мембранные аппараты по отношению к явлению КП на 3 группы (рис. 1).

К 1-й относятся конструкции преимущественно первого поколения, в которых не предусматривается снижения КП.

Во 2-ю включены конструкции, предусматривающие уменьшение явления КП, в результате чего увеличивается производительность процесса. Достаточно полная характеристика этих методов представлена в работах [2, 3].

Наибольший интерес представляет 3-я группа мембранных аппаратов, в которых используется явление КП. Данный способ, предложенный авторами [4], заключается в отводе концентрата задерживаемых (растворенных) веществ из области, прилегающей к поверхности мембраны. При этом производится обычное мембранное фильтрование. Отвод концентрата с большим содержанием растворенных веществ и использование его в качестве готового продукта либо исходного раствора для

Мсибравкые аппараты

По отношению к явлению

КП

Не предусматривающие снижения КП

Уменьшающие КП

Использующие КП

По способу турбулизапии потока

По способу отвода концентрата ю области, прилегающей к поверхности мембраны

Высокоскоростное ! течение

I—

Подвижные турбины в погоже

I

Разделение

среды

вибратором

Ввод

дисперсной

фазы

г

Отвод

концентрата из всего

надмембраквого

пространства

Отвод

поверхностного ело* концентрата

±

Побуждение ■ движения I

отводимого поверхностного слоя концентрата вводом дисперсной фазы ,

т

Имеющиеся формы мембран

Рис. 1

последующего концентрирования (если необходима высокая степень концентрирования) позволит интенсифицировать мембранные процессы.

Для устойчивого отвода концентрата от поверхности мембраны рекомендуется производить его при ламинарном движении обрабатываемой жидкости, причем минимальное отношение скорости фильтрации к скорости потока должно быть меньше 5-1СГ4. Переход ламинарного движения в турбулентное может вызвать отрыв ламинарного пограничного слоя от поверхности мембраны или преобразовать его в турбулентный. Это повлечет за собой большие потери энергии либо снизит концентрацию растворенных веществ в слое концентрата, что уменьшит производительность процесса.

Для реализации способа разработан ряд конструкций. Наиболее характерные из них рассмотрены ниже.

На рис, 2 представлен аппарат для мембранного разделения [5], в котором производится отвод поверхностного слоя концентрата. Он состоит из гайки /, на внутренней поверхности которой имеется резьба 2, с ее помощью устройство присоединяется к дренажной трубке <3, на которой находится мембрана 4, Внутри гайки находится коническая втулка 5, которая имеет прорези 6 для прохода

разделяемого раствора. Между внешней стороной конической втулки и гайкой имеется зазор 11, переточные и отводные каналы 7 и 8 соответственно для прохода и отвода слоя концентрата, имеющего повышенное содержание задерживаемых веществ. Крепление устройства осуществляется с помощью фланца 9, в котором имеется выходное отверстие 10.

Аппарат работает следующим образом. В процессе фильтрования на внутренней поверхности мембраны происходит образование слоя с повышенным содержанием задерживаемых веществ. Поворачивая гайку /, можно добиться, чтобы величина зазора между мембраной 4 и внешней поверхностью конической втулки 5 была минимальна по сравнению с величиной слоя концентрата. После этого открывают отводной канал 8 и добиваются устойчивого отвода концентрата. Оставшаяся часть раствора проходит через внутреннюю часть конуса и отводится через выходное отверстие 10. Для предотвращения образования застойных зон между конической втулкой и мембраной и возможной турбулизации потока у поверхности мембраны в конической втулке предусмотрены кольцевые прорези 6.

На рис. 3 представлено устройство для мембранного концентрирования, которое также предназна-

гг

ЇП.І *Ц| 'її \ 1Г-'

&

їІ(

иь

(к]

:г(

і.й

ш

■-■Он

Зч

ХЕ,

5и. в _■

от

СЛ.І

I

да

14 и!

и_оЭ

цеО-

ЛЙН>

; ве-рр ■: пы:*--

!ЭДК-

В£8к‘“

|иел*

1ПЕС*

ЧПЯй

ЛЯ1ГГ1-

1И ни

1о^гй

ЭОЛ и 15 лея часг^ с >0

! ЭПИ ■\IL.4i' Р-:М'.1 I

(,|-.т:Ь’ь

С-рЛК-12 И У-

Л-А

Рис. 3

чено для отвода концентрата [6]. Оно состоит из кожуха / со штуцером 2 для отвода продукта. Внутри кожуха находится диффузор 3, имеющий две щели 4 и 5. В полости диффузора установлен конус 6, который способен перемещаться в осевом направлении с помощью резьбы 7. Основной поток проходит через отверстия 8 и удаляется через штуцер 9. Устройство присоединяется к трубчатой мембране 10.

Устройство работает следующим образом. Исходный раствор под давлением подается по трубчатой мембране 10. При этом на внутренней поверхности мембраны образуется слой с повышенным содержанием растворенных веществ. Поток и слой устремляются в диффузор, угол которого равен 6 градусам. Такая величина принята для создания минимальной величины сопротивления и турбули-зации потока. В диффузоре выполнено две кольцевые щели 4 и 5. В первую из них по ходу движения поступает слой с повышенным содержанием растворенных веществ. В области щели 5 создается давление меньшее, чем в сечении, где расположена щель 4. Это осуществляется за счет перемещения конуса 6. Его положение устанавливается таким образом, чтобы создать требуемое давление. Величина общего давления, создаваемого в кожухе, будет меньше, чем в сечении щели 4, но больше, чем в сечении щели 5. А в целом давление в кожухе будет избыточным по отношению к атмосферному. Таким образом слой с повышенным содержанием растворенных веществ с поверхности

мембраны за счет разности давления в сечении щели 4 ив кожухе будет засасываться в кожух, а оттуда будет удаляться через штуцер 2. Остальная часть потока будет проходить между образующей конуса и диффузором, далее через отверстие 8, удаляясь из штуцера 9. Попадание слоя из кожуха в диффузор через щель 5 и наоборот исключено, так как в первом случае этому будет мешать сопротивление проходящего потока, а во втором большая величина давления в кожухе, чем в сечении щели 5.

Нами предложена модернизация конструкции описанного устройства, в которой наряду с отводом концентрата с повышенным содержанием задерживаемых веществ возможно проведение очистки мембраны (рис. 4).

Устройство состоит из кожуха 1 со штуцером 2 для отвода продукта. Внутри кожуха находится втулка 3, имеющая две кольцевые щели 4 и 5. Внутри втулки находится конус 6. К торцу конуса крепится ”ерш” 7 из полимерного материала. Для стабилизации своего положения в потоке конус выполнен с каналами 8, расположенными под углом к оси конуса. Положение конуса внутри втулки регулируется с помощью гайки 9. Устройство присоединяется к трубчатой мембране 10.

Исходный раствор под давлением подается по трубчатой мембране 10. Происходит мембранная фильтрация. При этом на внутренней поверхности мембраны образуется слой с повышенным содержанием растворенных веществ (явление КП). Поток и слой устремляются во втулку 3, в которой

I

Рис. 4

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