CC BY
87
664.1:534.242:66.067.38
ВЛИЯНИЕ РЕЗОНАНСА НА ПРОЦЕСС УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ САХАРНЫХ РАСТВОРОВ
В.А. КУДРЯВЦЕВ, Е.М. КУВАРДИНА, В.В. СПИЧАК,
П.А. АНАНЬЕВА
Российский научно-исследовательский институт сахарной пром ышленности Россельхозакадемии
Разделение сахарных растворов с использованием мембранных технологий относится к перспективным способам очистки растворов от примесей. Для отделения низкомолекулярных примесей применяется обратный осмос мелкодисперсных механических примесей и высокомолекулярных соединений - ультрафильтрация
Известно, что в процессе ультрафильтрации на поверхности мембраны происходит отложение слоя частиц, не пропускаемых мембраной. Слой отложений играет роль дополнительной динамической мембраны, что в значительной степени увеличивает сопротивление прохождению сахарного раствора через мембрану и в конечном счете определяет как скорость процесса ультрафильтрации, так и время работы мембраны до ее регенерации [1]. Ранее мы подробно описали механизм формирования слоя нежелательных отложений [2].
Для снижения влияния слоя отложений в работе [3] предложено использование автомодельных резонансных колебаний, возникающих при скорости потока, равной одной из величин, определяемых по уравнению
М = А (псСэ)1/3 (КСзВ/I)2/3,
где А - константа, определяемая природой разделяемого раствора, температурой и тангенциальной скоростью разделяемого потока; V -кинематическая вязкость раствора, м2/с; - эквивалентный диаметр
разделяемого потока, м; К - поправочный коэффициент (К = 1, 2, 3, ...); Сзв - скорость звука, м/с; Ь - длина межмембранного канала, м.
Увеличение тангенциальной скорости потока уменьшает толщину ламинарного пограничного слоя, увеличивает интенсивность перемешивания в пристенной области мембраны и снижает скорость формирования слоя отложений. В то же время периодичные процессы, возникающие между ядром потока и пристенным пограничным слоем, при оптимальных условиях приводят к образованию стоячих волн, которые создают разрушающий эффект для слоя отложений. Однако образующиеся стоячие волны не устойчивы и их интенсивность недостаточна для предотвращения образования слоя отложений. По этой причине пред-
ложенный способ [1] только снижает скорость формирования слоя отложений на поверхности мембраны.
Нами разработаны новые способ и устройство для очистки диффузионного сока сахарной свеклы от высокомолекулярных соединений и мелкодисперсных механических частиц ультрафильтрацией. Сущность способа состоит во внесении в разделяемый поток вибрирующим устройством пульсаций давления и расхода резонансной частоты.
Эксперименты проводили на установке (рис. 1), где разделяемый раствор насосом 2 под избыточным давлением до 0,5 МПа, средней скоростью до 5 м/с подается из промежуточной емкости 3 в мембранный аппарат
I. В аппарате происходит разделение раствора на концентрат, возвращаемый в промежуточную емкость 3, и фильтрат, отводимый линией 8. Давление в мембран -ном аппарате регулируется вентилем 7 и контролируется манометром 6. Для предотвращения образования слоя отложений на фильтрующих элементах мембранного аппарата в поток разделяемого раствора с помощью вибрирующего устройства 4 вносятся колебания расхода и давления резонансной частоты, которые создаются генератором вибраций 5. Процесс ультрафильтрации протекает до достижения в емкости 3 заданной концентрации, после чего концентрат сливается из установки, она заполняется новой порцией разделяемого раствора, и цикл разделения повторяется. Кроме того, схема установки включает вентиль 9; обратный клапан 10, гидропневматический аккумулятор
II, вибрационный прерыватель - 12, манометр 13.
В предложенном способе ультрафильтрации обра -зование стоячей волны в межмембранном канале осуществляется вынужденно с помощью вибрирующего устройства, подключенного к потоку на входе в мембранный аппарат. Частоту вибраций подбирают экспе-
Рис. 1
Рис. 2
риментально в зависимости от заданной удельной производительности мембраны по пермеату д.
На рис. 2 приведены такие зависимости при разных тангенциальных скоростях разделяемого потока (кривая 1 - 3 м/с, 2 - 2 м/с). Кривые имеют максимум при одинаковой частоте, близкой к резонансной частоте вибрирующего устройства. При экспериментальном исследовании влияния значений частоты вибрации ^ на удельную производительность мембраны по пермеату д было обнаружено, что в диапазоне значений частоты 60-70 Г ц происходит всплеск производительности, в среднем на 30% превышающий производительность при других значениях исследуемых частотных диапазонов.
Учитывая, что собственная частота колебаний корпуса мембранного аппарата составляет порядка 500-600 Гц, мы провели расчет частоты собственных колебаний мембранного элемента с толщиной жесткого каркаса 1 мм. Она соответствует указанному диапазону частот, при которых происходит резкий всплеск производительности процесса ультрафильтрации с внесением вынужденных резонансных частот.
На основании изложенного пришли к выводу, что в данном случае возникает явление резонанса, когда собственная частота мембранных элементов совпадает с частотой вносимых в разделяемый раствор пульсаций электродинамического вибровозбудителя. Таким образом, на участке постоянной скорости фильтрации образуются устойчивые стоячие волны, создаваемые вибрирующим устройством. Это, в свою очередь, предотвращает возможность образования слоя нежелательных отложений на поверхности мембраны.
На рис. 3 представлены кинетические кривые ультрафильтрации диффузионного сока сахарной свеклы
Рис. 3
при давлении 0,2 МПа: 1 - при наличии вибраций резонансной частоты 67 Гц; 2 - при промышленной частоте 50 Гц; 3 - при отсутствии вибраций.
По характеру изменения кинетических кривых ультрафильтрации при отсутствии вибраций (кривая 3) и при наличии вибраций промышленной частоты (кривая 2) можно выделить три периода: начальный, основной и затухания процесса.
В начальном периоде происходит закупоривание крупных пор разделяющего слоя мембраны. Микроструйки фильтрата, возникающие у крупных пор, увлекают частицы примесей разделяемого раствора. Часть этих частиц проходит через крупные поры, а более крупные задерживаются у устья пор и закупоривают их. Подтверждением этого является низкая степень очистки, которая наблюдается в начальном периоде.
В основном периоде величина удельной производительности практически не меняется, мембрана работает в режиме, близком к стационарному. В этом периоде формируется слой отложений частиц, имеющих размеры, превышающие размер микропор мембраны. Образование слоя отложений происходит последовательной укладкой микрослоев толщиной в одну задерживаемую частицу. В течение достаточно длительного времени, судя по незначительному снижению скорости фильтрации во втором периоде, сопротивление первых микрослоев отложений существенно ниже сопротивления мембраны. При достижении толщины 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.
Третий период - затухания - начинается после формирования динамического мембранного слоя. Механизм снижения скорости фильтрации в этом периоде аналогичен наблюдаемому в первом периоде. Ввиду того, что поверхность слоя отложений имеет большую степень шероховатости, 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 микро-фильтрационным мембранам. Его поры быстро забиваются микрочастицами, и гидравлическое сопротивление начинает резко повышаться. На поверхности мембраны образуется слой отложений, для удаления которого требуются специальные меры.
Следует отметить, что при использовании вибраций нерезонансной частоты продолжительность периодов существенно больше, чем при равномерной подаче разделяемого потока. Очевидно, что возмущения,
вносимые вибрациями, создают разрушающий эффект для слоя отложений.
При наложении вибраций резонансной частоты кинетическая кривая (кривая 1 на рис. 3) имеет только два периода: начальный и период постоянной скорости фильтрации. Физическая природа снижения скорости фильтрации на начальном периоде аналогична процессам ультрафильтрации при отсутствии вибраций и при наличии вибраций нерезонансной частоты. В периоде постоянной скорости фильтрации стоячие волны, создаваемые вибрирующим устройством, формируют условия, предотвращающие возможность образования слоя отложений, и скорость фильтрации в наблюдаемый период времени остается неизменной.
Полученные результаты показали перспективность использования резонансных пульсаций расхода и давления для повышения эффективности ультрафильтрации сахаросодержащих растворов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гидродинамические аспекты ультрафильтрации предде -фекованного сока в плоскорамном мембранном аппарате / В.А. Кудрявцев, В.В. Спичак, Е.М. Кувардина и др. // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2001. - № 1. - С. 44-47.
2. Гидродинамические аспекты ультрафильтрации диффузионного сока / В.В. Спичак, В.А. Кудрявцев, Е.М. Кувардина и др. // Изв. вузов. Пищевая технология. - 1999. - № 5-6. - С. 78-80.
3. А. с. 1554952 СССР, МКИ3 В 01 Б 63/06. Способ мембранного концентрирования суспензий / Е.С. Шитиков, А. А. Анто -нов, А.Ю. Винаров и др. - Опубл. в БИ. - 1990. - № 13.
Поступила 31.08.04 г.
664.1.037.002.237
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБА ОЧИСТКИ САХАРОСОДЕРЖАЩИХ РА СТВОРОВ
А.В. САВОСТИН, Н.В. ЕМЕЛЬЯНЧИКОВА,
И.А. СИДОРЕНКО
Кубанский государственный технологический университет
Возможности известково-углекислотной очистки сахаросодержащих растворов используются не более чем на 70%. Так, при теоретически возможном эффекте очистки диффузионных соков 40-45% на практике в зависимости от качества свеклы и применяемой технологической схемы он не превышает 30% и колеблется в пределах 22-26%; а на некоторых сахарных заводах Кубани при низком качестве свеклы зачастую составляет 18-20%. Такая же картина наблюдается и при очистке клеровок сахара-сырца на свеклосахарных заводах: при теоретически возможном эффекте очистки 60-70% на практике он не превышает 50% и в основном составляет 44-46%. Повышение эффекта очистки сахаросодержащих растворов напрямую связано с увеличением выхода готовой продукции - сахара-песка, поэтому совершенствование способов очистки является актуальным.
Один из путей решения этого вопроса - увеличение реакционной способности известкового молока, представляющего собой водную суспензию гидроксида кальция в его насыщенном растворе, твердая фаза которого включает помимо гидроксида кальция примеси: песок, недопал ( частицы не разложенного при обжиге карбоната кальция) и клинкерные частицы (частицы оксида кальция, оплавленные оксидами железа, алюминия и кремния) [1-3]. Часть твердых примесей удаляется из суспензии при ее очистке в известковом отделении сахарного завода, а оставшаяся часть поступает вместе с известковым молоком в очищаемые сахаросодержащие растворы и затем выводится с фильтрационным осадком в отходы. Песок, недопал и
клинкерные частицы фактически являются балластом, увеличивающим нагрузку на фильтры. При этом возрастает количество фильтрационного осадка и потери сахара с ним.
Известно, что при физических воздействиях в известковом молоке происходят различные процессы, приводящие к повышению его реакционной способности. Одним из таких устройств является активатор для жидкостей и суспензий, разработанный ЗАО «НПО Технопром», принцип работы которого основан на одновременном воздействии гидродинамической кавитации и механического измельчения как на твердую, так и на жидкую фазы суспензии гидроксида кальция [4]. После обработки в активаторе должно получаться мелкодисперсное известковое молоко с повышенной реакционной способностью. Это обусловлено следующими причинами.
С увеличением дисперсности частиц гидроксида кальция повышается его растворимость, что в соответствии с принципом Ле-Шателье приводит к увеличению концентрации ионов кальция и гидроксила в растворе как по первой, так и по второй ступеням его диссоциации. По закону действующих масс это должно привести к увеличению скоростей химических реакций на дефекации.
В известковом молоке содержится до 4% клинкерных частиц. При их измельчении высвобождается и разгашается оксид кальция СаО, в результате чего повышается активность известкового молока, устраняются нарастания щелочности отсатурированных клеровок сахара-сырца и диффузионных соков на фильтрации.
В известковом молоке содержится до 3% частиц недопала. При измельчении частиц карбоната кальция в воде повышается его растворимость, при этом рас-
