CC BY
19
•. .... —■ 664.1.035.1.002.5
"п . ПОВЫШЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМПУЛЬСАЦИОННОЙПОДАЧИ - ’ ДИФФУЗИОННОГО СОКА
В.В. СПИЧАК, В.А. КУДРЯВЦЕВ, Е.М. КУВАРДИНА, ~ м И.И. СЕЛЮТИНА
Российский научно-исследовательский институт сахарной промышленности (Курск) ц-’
В процессах ультрафильтрации растворов скорость разделения в значительной степени зависит от состояния поверхности разделяющей мембраны. При ультрафильтрации диффузионного сока на поверхности мембраны происходит образование слоя отложений, который существенно повышает гидравлическое сопротивление и снижает скорость продвижения ультрафильтрата через мембрану [1]. Скорость формирования слоя отложений определяется рядом факторов, основными из которых являются размеры и структура задерживаемых частиц, степень турбулизации разделяемого раствора и др. Поскольку состав и концентрация отделяемых частиц в диффузионном соке остаются практически неизменными, основным параметром, определяющим скорость формирования слоя отложений, становится степень турбулизации разделяемого раствора.
Простейшим способом увеличения степени турбулизации является повышение скорости разделяемого раствора. В этом случае турбулизируется ядро потока и практически не изменяется турбулизация пристенного слоя. Кроме того, увеличение скорости потока сопровождается ростом потерь давления. При скорости 4-5 м/с потери давления соизмеримы с давлением ультрафильтрации, а значит, использование скоростей выше указанных становится экономически нецелесообразным. Более выгодным представляется повышение степени турбулизации за счет изменения конструкции мембранного аппарата и применения пульсаций.
Для дополнительной турбулизации потока в экспериментальную установку, используемую для исследования процессов ультрафильтрации диффузионного сока [2], были внесены конструктивные изменения. Во-первых, в ней использовали мембранные элементы двухсторонней фильтрации с многоходовым потоком разделяемого раствора, что позволило получить дополнительную турбулизацию потока на каждом повороте раствора. Второе изменение заключалось в установке на входе и выходе экспериментального модуля плоских диффузора и конфузора. Как известно, в расширяющихся трубах сильно возрастает величина пульсационных скоростей, а так как средняя скорость
потока по длине уменьшается, то отношение пульсационных скоростей к средней, т.е. степень турбулизации, возрастает, вследствие чего повышается интенсивность обмена количеством движения между различными слоями движущейся среды [3].
В диффузорах с углом расширения а>40° поток отрывается по всему периметру сечения. При этом отрыв потока начинается у его входного сечения и в плоских диффузорах проходит в обеих плоскостях. Таким образом, наличие в аппарате диффузора естес твенно увеличивает турбулентность разделяемого раствора на входе в аппарат.
Для сходящейся трубы (конфузора) структура потока противоположна структуре потока в диффузоре; профиль скорости более сплющен, чем в трубе постоянного сечения, а градиент скорости вблизи стенок соответственно меньше, что гасит пульсации потока выходящего из аппарата раствора и предотвращает образование застойных зон на выходе из аппарата.
В качестве основного приема турбулизации потока использовали неустановившийся поток, создаваемый насосом мембранного типа. Пульсационная подача раствора обеспечивает колебания скорости и давления на всем пути движения разделяемого потока. Согласно [4] создание стоячей волны в аппаратах для мембранного разделения растворов в значительной степени повышает турбулизацию пристенного слоя, создавая условия для разрушения пограничного слоя. Угловая частота колебаний по рекомендации [5] определяется зависимостью
а=А{у^)'п{ка/Ь)т,
где А - константа, А = 4-5; V - кинематическая вязкость, м2/с; «4 - эквивалентный диаметр потока, м; а -скорость звука, м/с; I-длина канала, м; к - поправочный коэффициент, к - 1,2,3,... .
При к = 1 для воды и с учетом размеров экспериментальной установки имеем ю = 0,89 - 11,113.
На рисунке приведены кинетические кривые ультрафильтрации диффузионного сока (/ - пульсацион-Кс1Я ПОДаЧЗ. насосом мембранного ТИПЗ!, 2 — равномер-пая подача центробежным насосом) в виде зависимости удельной производительности (скорости фильтрации) от времени. По изменению скорости фильтрации процесс может быть разделен на три периода: началь-
ный (АВ), постоянной скорости фильтрации (ВС) и затухания процесса (СО).
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11(,ч
В начальном периоде, по-видимому, в первую очередь происходит закупоривание крупных пор разделяющего слоя мембраны. Мы полагаем, что микроструйки фильтрата, возникающие у крупных пор, увлекают частицы примесей разделяемого раствора. Часть этих частиц проходит через крупные поры, а наиболее крупные задерживаются у устья пор и закупоривают их. Это подтверждается низкой степенью очистки, которая наблюдается в начальный период. В этом плане начальный период аналогичен начальной стадии макрофильтрации, при которой первые порции фильтрата загрязнены мелкодисперсной фракцией твердой фазы. 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 в случае пульсационной подачи раствора составила 1,5 ч, что в 3-4 раза превышает результаты ранее проведенных исследований при равномерной подаче раствора [4]. Это объясняется улучшенными гидродинамическими условиями очистки мембраны от отложений. Улучшение гидродинамики мы связываем, в первую очередь, с увеличением степени турбулизации потока.
Во втором периоде (ВС) 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 частиц, имеющих размеры, превышающие размер микропор мембраны. Вполне логичным представляется, что об-р^ование слоя отложений происходит последователь-
ной укладкой микрослоев толщиной в одну задерживаемую частицу и в течение достаточно длительного времени. Судя по незначительному снижению скорости фильтрации во втором периоде, сопротивление первых микрослоев отложений существенно ниже сопротивления мембраны. При достижении слоя отложений в 2-3 микрослоя он начинает играть роль дополнительного фильтрующего элемента, т.е. происходит формирование второго (динамического) мембранного слоя с более крупными порами, чем поры основной мембраны, Как и для начального периода, продолжительность этого периода при неустановившемся потоке выше, чем в случае равномерной подачи раствора.
Третий период - затухания - начинается после формирования динамического слоя. Удельная производительность начинает снижаться с темпом, близким к темпу начального периода. Мы полагаем, что механизм снижения скорости фильтрации в этом периоде аналогичен действующему в первом периоде, т.е. и в этом случае происходит закупоривание пор, но уже 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 свойствам этот слой близок к микро-фильтрационным мембранам. Его поры быстро забиваются микрочастицами, и гидравлическое сопротивление начинает резко повышаться. На поверхности мембраны образуется налет, для удаления которого требуются специальные меры. Следует отметить, что характер изменения кинетических кривых в этом периоде практически не зависит от свойств потока разделяемого раствора.
На основании проведенных исследований можно сделать следующий вывод: в режиме пульсационной подачи диффузионного сока время работы мембранного аппарата в начальный и стационарной периоды превышает время работы того же аппарата при равномерной подаче раствора.
ЛИТЕРАТУРА ' -
1. Гидродинамические аспекты ультрафильтрации диффузионного сока / В.В. Спичак, В.А. Кудрявцев, П.А. Ананьев и др. // Изв. вузов. Пищевая технология. - 1999. - № 5-6. - С. 78-80.
2. Очистка диффузионного сока ультрафильтрацией / В.В. Спичак, П.А. Ананьева, Л.И. Беляева и др. // Сахарная пром-еть. -1998.-№5-6.-С. 10-12.
3. Идельчик И.Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов. М.: Машиностроение, 1983. -450 с.
4. Седякина Т.В., Шляхова И.И., Булахов В.В. Влияние параметров на процесс ультрафильтрации // Сахарная пром-сть. -1998.-№5-6.-С. 12-15.
Поступила 07.05.02 г. . ,
