Ультрафильтрационное разделение водных растворов дрожжевых и спиртовых производств Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 66.067.38.661.515

УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИОННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ДРОЖЖЕВЫХ И СПИРТОВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

© С.И. Лазарев, В. Л. Головашин

Ключевые слова: ультрафильтрация; мембрана; коэффициент задержания; удельная производительность. Проведены исследования по определению разделительных характеристик ультрафильтрационных мембран УАМ-150 и УПМ-К в зависимости от рабочего давления исходного раствора. Выявлено, что с повышением рабочего давления удельная производительность сначала возрастает, а затем остается постоянной, коэффициент задержания при увеличении рабочего давления возрастает.

ВВЕДЕНИЕ

Для проектирования ультрафильтрационных аппаратов, а также при эксплуатации ультрафильтрацион-ного оборудования необходимы сведения не только о физико-химических свойствах разделяемых растворов и применяемых ультрафильтрационных мембран, но и сведения о таких кинетических параметрах процесса, как коэффициент задержания и удельная производительность мембран. Данные параметры зачастую можно определить только экспериментальным путем, т. к. в расчетные формулы входят величины, плохо поддающиеся прогнозированию и математическому моделированию.

При производстве хлебопекарных дрожжей и этилового спирта из свеклосахарной массы образуется ценный продукт - последрожжевая водная барда [1], которую необходимо сконцентрировать и в дальней-

Рис. 1. Схема экспериментальной ультрафильтрационной установки трубчатого типа

шем утилизировать. Нами для решения задачи концентрирования был использован один из баромембранных методов - ультрафильтрация. Задачей исследований являлось изучение влияния давления на коэффициент задержания и удельную производительность ультра-фильтрационных мембран при очистке последрожже-вой барды от растворенных веществ, с последующим использованием продуктов разделения во вторичных производствах.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Экспериментальные исследования проводились на мембранной разделительной установке трубчатого типа с использованием ультрафильтрационных ацетат-целлюлозных (УАМ-150) и полисульфонамидных (УПМ-К) мембран (рис. 1).

Установка работает следующим образом. Из расходной емкости (1) через систему вентилей высокого давления рабочий раствор нагнетается в камеру разделения плунжерным насосом (2). Пройдя трубчатый модуль (3), дроссель (5), разделяемый раствор по шлангу возвращается в расходную емкость (1). Для сглаживания пульсации давления и расхода в системе установлены ресиверы (6), которые представляют собой цилиндрические сварные сосуды (У = 3,5 л; У2 = = 8 л), предварительно заполняемые сжатым воздухом до давления, составляющего 30 + 40 % от рабочего, компрессором высокого давления (9).

Давление в установке контролируется образцовым манометром (7). Кроме измерительного манометра в установке используется электроконтактный манометр (8), который при превышении давления в системе выше установленного значения отключает плунжерный насос (2) с помощью электроконтактного реле. Расход раствора контролируется и регулируется шаровым расходомером (4), подключенным к вторичному прибору, путем изменения частоты вращения вала привода плунжерного насоса (2). Все элементы установки, соприкасающиеся с исследуемыми растворами, изготовлены из нержавеющей стали.

Эксперименты по определению коэффициента задержания мембран проводились по нижеизложенной методике. В ультрафильтрационный модуль (3) вставлялась и закреплялась трубчатая мембрана. Затем систему заполняли рабочим раствором. Проводили холостой опыт в течение 30 минут. Затем выключали установку, сбрасывали давление в системе. При этом и по тракту пермеата, и по тракту ретентата установка работала в замкнутом режиме, и оставляли установку на несколько часов (обычно на ночь). После ночной выдержки раствор сливали из установки, перемешивали и заливали в емкость (1). Запускали установку, выводили на рабочий режим и проводили контрольный опыт в течение 4 часов. По окончании контрольного опыта собранный пермеат сливали в емкость (1). Рабочий опыт проводили в течение 30 минут. Время опыта фиксировалось секундомером. После рабочего эксперимента сбрасывалось давление, установка отключалась. Замерялся объем собранного во время рабочего опыта пермеата.

Удельная производительность рассчитывалась по формуле (1):

О =

У

(1)

где О - удельная производительность, м3/м2 -с; V - объем собранного пермеата, м3; ^ - рабочая площадь трубчатой мембраны, м2; т - время проведения эксперимента, с.

Затем по бихроматной окисляемости (ХПК) [4] определялись концентрации растворенных веществ в исходной жидкости и пермеате. Коэффициент задержания рассчитывался по формуле:

(2)

где К - коэффициент задержания, %; Спер - концентрация растворенного вещества в пермеате, кг/м3; Сисх -концентрация растворенного вещества в исходном растворе, кг/м3.

Рис. 2. Зависимость коэффициента задержания от давления

Рис. 3. Зависимость удельной производительности от давления

Результаты расчетных данных приведены на рис. 2, 3 в виде зависимостей коэффициента задержания и удельной производительности от давления.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Давление, являясь движущей силой процесса ультрафильтрации, изменяет коэффициент задержания и удельную производительность мембран. Рассмотрим влияние давления на коффициент задержания. При увеличении давления коэффициент задержания мембран в исследуемом диапазоне давлений и данной концентрации возрастает.

Увеличение коэффициента задержания от давления при ультрафильтрационной очистке последрожжевой водной барды от растворенных веществ можно объяснить образованием на ультрафильтрационных мембранах динамических мембран [5]. Их формирование происходит из мембранообразующего вещества, в данном случае из свекольного крахмала, адсорбирующегося на мембране, т. е. при прохождении раствора через ульт-рафильтрационную мембрану на ее поверхности и в порах адсорбируется крахмал. Удерживание мембранообразующих веществ на поверхности ультрафильт-рационной мембраны зависит от энергии взаимодействия между веществом и мембраной. То есть чем больше энергия взаимодействия молекул вещества с по-

верхностью мембранні, тем больше времени вещество находится на поверхности мембраны [5, 6].

Стационарное существование толщины селективного слоя динамической мембраны задается сдвиговым напряжением, определяемым значением тангенциального и нормального потоков. Поскольку тангенциальный поток поддерживается одинаковым, а его средняя линейная скорость намного превышает скорость трансмембранного потока, то снижение последнего происходит до тех пор, пока не достигается некоторая оптимальная для данных гидродинамических условий толщина, при которой скорость подвода мембранообразующих частиц к динамической мембране уравновешивается обратнодиффузионным отводом.

При изменении гидродинамических условий подачи (повышение давления) исходного раствора над мембраной коэффициент задержания (рис. 2) по растворенным веществам возрастает во всем диапазоне повышения давления и на всех типах формируемых динамических мембран. Это повышение коэффициента задержания вызвано особенностью динамических мембран, формируемых из крахмала - их высокой сжимаемостью, т. е. с ростом давления над мембраной происходит сжимаемость селективного слоя динамической мембраны, вследствие чего возрастает вклад поверхностных сил (нерастворяющего объема, электроповерх-ностных сил и т. д.). Эти вклады различны по величине для исследованных ультрафильтрационных мембран, на которых образуется селективный слой динамической мембраны.

Удельная производительность имеет более сложный вид зависимости от давления (рис. 3). В первом периоде она с ростом давления повышается, а при более высоких давлениях (второй период) удельная производительность остается неизменной. Такой характер зависимости объясняется тем, что в области низких давлений (до 2 МПа) сжимаемость динамической мембраны не влияет на изменение удельной призводитель-ности (1 период). Повышение давления свыше 2 МПа уплотняет дисперсные частицы селективного слоя динамической мембраны таким образом, что пористость динамической мембраны (отношение объема водозаполненных областей к общему объему мембранной фазы) уменьшается, а ее сопротивление потоку жидкости увеличивается (2-й период). Для описания изменения удельной производительности от давления предложена следующая расчетная формула:

G = к •(АРп )• exp [A j, (3)

где к - коэффициент водопроницаемости мембраны, м3/м2 -с-Па; АР - разность давлений, Па; n, A - числовые коэффициенты, (см. табл. 1); T - температура раствора, К.

Для описания изменения коэффициента задержания от давления предложена следующая расчетная формула:

Таблица 1

Тип мембраны n m k1 k2 кз

УАМ-150 0,129 0,255 0,509 7361574 -28789

УПМ-К 0,160 6,011 0,768 7361574 -37652

Таблица 2

Тип мем- браны P-105, Па G-105, м3/м2 -с к, %

Экс- пер. Расч. По- грешн. Экс- пер. Расч. По- грешн.

УАМ- 150 0,35 3,42 3,35 2,07 0,52 0,57 -8,08

1 3,83 3,83 0,00 0,55 0,60 -8,51

2 4,83 4,19 14,19 0,60 0,66 -9,10

4 4,92 4,59 6,95 0,67 0,67 0,70

6 4,83 4,83 0,00 0,75 0,66 12,46

УПМ-К 0,35 3,67 3,67 0,00 0,48 0,48 0,00

1 4,25 4,34 -2,05 0,50 0,54 -5,72

2 5,42 4,85 11,09 0,57 0,64 -11,34

4 5,42 5,42 0,00 0,64 0,64 0,00

6 5,50 5,78 -4,97 0,71 0,65 9,77

Расхождение экспериментальных и полученных с помощью формул (3-4) значений не превышает 15 %, что является достаточным для инженерных расчетов (табл. 2).

ВЫВОДЫ

При очистке последрожжевой барды от растворенных веществ на ультрафильтрационной мембране образуются динамические мембраны из веществ, содержащихся в ней, что позволяет: во-первых, осуществить процесс самозадерживания таких веществ; во-вторых, достигать высокого коэффициента задержания и удельной производительности ультрафильтрационных мембран; в-третьих, за счет сжимаемости динамических мембран регулировать характеристики процесса разделения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Артюхов В.Г., Горбатенко В.Г., Гайворонский Я.С. Переработка мелассы на спирт и другие продукты по безотходной технологии. М.: Агропромиздат, 1985. 287 с.

2. Лазарев С.И., Коробов В.Б., Клиот М.Б., Пирогов П.А. Очистка сточных вод производства сульфенамида Ц обратным осмосом // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1993. Т. 36. Вып. 5. С. 76-80.

3. Лазарев С.И., Коробов В.Б., Абоносимов О.А. Влияние давления на эффективность ультрафильтрационной очистки водных растворов спиртовых производств // Изв. вузов. Пищевая технология. 1998. № 1. С. 78-80.

4. Лурье Ю.Ю. Унифицированные методы анализа вод. М.: Химия, 1973. 376 с.

5. Брык М.Т., Цапюк Е.А. Ультрафильтрация. Киев: Наукова думка, 1989. 288 с.

6. Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы. Теория и расчет. М.: Химия, 1986. 378 с.

к = 1 —

(к -1)-(1 - exp(-к2 • G)• exp(-к3 • G) где kj, 2, 3 - числовые коэффициенты (см. табл. 1).

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при под-(4) держке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., по теме «Теоретико-экспериментальные исследования влияния поверхностных явлений на

1

сорбционные и проницаемые коэффициенты пористых тел», ГК № 02.740.11.0272 07.о7.2009 г., и по теме «Влияние поверхностно-активных веществ на кинетику разделения агропромышленных растворов в пористых ультрафильтрационных мембранах», ГК № П2065 03.11.2009 г.

Поступила в редакцию 5 июля 2010 г.

Lazarev S.I., Golovashin V.L. Ultrafiltrational division of water solutions of barmy and spirit manufactures

The researches by definition of dividing characteristics of ultrafiltrational membranes UAM-150 and UPM-K depending on working pressure of initial solution are carried out. It is revealed that with increase of working pressure specific productivity at first increases, and then remains constant, the detention factor at increase of working pressure increases.

Key words: ultrafiltration; membrane; detention factor; specific productivity.