УСТРОЙСТВО МЕМБРАННЫХ АППАРАТОВ

Кафедра

«Механизация переработки сельскохозяйственной продукции»

Лабораторная работа № 5

По дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств»

Устройство аппаратов для обратного осмоса и

Ультрафильтрации

Рязань – 2008 г.

Методические указания обсуждены на заседании кафедры МПСХП протокол №1 «9» сентября 2008 года

Заведующий кафедрой___________ В.К. Киреев

Одобрено советом (методической комиссией) технологического факультета

«_____» _____________ 2008 года.

Председатель ____________ Е.Н. Бондаренко

Цель работы – закрепление теоретических знаний по разделу «Гидромеханические процессы», изучение конструкций машин и аппаратов для обратного осмоса и ультрафильтрации.

В результате выполнения лабораторной работы студенты должны изучить конструкцию и порядок работы машин и для обратного осмоса и ультрафильтрации.

Для проведения процессов обратного осмоса и ультрафильтра­ции применяют пористые мембраны, изготовляемые в основном из полимерных материалов. Полимерные мембраны могут быть анизо­тропными и изотропными.

Мембрана с анизотропной структурой состоит из тонкого поверхностного слоя на микропористой «подложке». Разделение происходит на поверхностном активном слое, и практически весь перепад давления приходится на этот слой.

Изотропные мембраны образуются при облучении тонких поли­мерных пленок заряженными частицами с последующим травле­нием химическими реагентами. Выпускают изотропные мембраны на основе поликарбонатных пленок.

В промышленности применяют следующие полимерные мембра­ны: целлюлозные, на основе эфиров целлюлозы, акрилонитриловые, нейлоновые, поливинилхлоридные, изготовленные на основа­нии поликарбонатов и полисульфонов.

УСТРОЙСТВО МЕМБРАННЫХ АППАРАТОВ

Аппараты для обратного осмоса и ультрафильтрации бывают периодического и непрерывного действия. Аппараты периодичес­кого действия применяют, как правило, только в лабораторной практике. В промышленности работают проточные аппараты непрерывного действия.

Мембранные аппараты имеют большую удельную площадь поверхности разделения, просты в сборке и монтаже, надежны в работе. Перепад давления в аппаратах небольшой.

Недостатком аппаратов для обратного осмоса является высокое рабочее давление, что приводит к необходимости использования специальных уплотнений трубопроводов и арматуры, рассчитанных на высокое давление.

По способу расположения мембран аппараты делятся на аппа­раты типа «фильтр-пресс» с плоскокамерными фильтрующими эле­ментами, аппараты с цилиндрическими и рулонными элементами и аппараты с мембранами в виде полых волокон.

Перечисленные аппараты состоят из отдельных секций или модулей, что позволяет собирать аппараты с различной площадью поверхности разделения.

Аппарат типа «фильтр-пресс», по конструкции напоминающий фильтр для обычного фильтрования, является наиболее простым мембранным аппаратом.

(а) – мембранный фильтр-пресс; (б) — «подложка»:1 — плита; 2 — стяжной болт; 3 — «подложка»; 4 — мембрана; 5 — отверстие

Рисунок 1. Мембранный фильтр-пресс

Основа этой конструкции (рис. 1) — фильтрующий элемент, состоящий из двух мембран, уложенных по обе стороны листов «подложки», изготовленных из пористого материала, например полимерного. Листы «подложки» имеют отверстия для прохода жидкости. Эти листы расположены на расстоянии от 0,5 до 5 мм, образуя межмембранное пространство для разделяемого раствора. Пакет фильтрующих элементов зажимается между двумя плитами и стягивается болтами. Фильтруемый раствор последовательно про­ходит через все фильтрующие элементы и концентрируется. Кон­центрат и фильтрат непрерывно удаляются из аппарата.

Аппараты подобного типа применяют в установках для выделе­ния белков из подсырной сыворотки, а также для ультрафильтрации обезжиренного молока и творожной сыворотки.

Производительность аппарата по сыворотке составляет 5,0... 6,8 м³/ч, по концентрату — 0,16...0,3 м³/ч.

Аппарат с цилиндрическими фильтрующими элементами соби­рается из отдельных цилиндрических фильтрующих модулей (рис. 2).

Рисунок 2. Мембранный аппарат с цилиндрическими фильтрующими элементами

Цилиндрический фильтрующий элемент (рис. 3) представляет собой сменный узел, собранный из полупроницаемой мембраны и дренажного каркаса. Дренажный каркас состоит из трубы и пори­стой «подложки», исключающей вдавливание мембраны в дренаж­ные каналы трубы. Изготовляют цилиндрические фильтрующие элементы трех типов: с расположением мембраны на внутренней поверхности дренажного каркаса, на внешней и с комбинированным расположением мембраны.

Аппарат с цилиндрическими фильтрующими элементами и с мембраной, расположенной на внутренней поверхности дренажного каркаса (рис. 3, а), имеет следующие преимущества: малую мате­риалоемкость из-за отсутствия напорного корпуса, небольшое гид­равлическое сопротивление, возможность механической очистки фильтрующих элементов от осадка без разборки, надежность кон­струкции.

Недостатки этой конструкции — низкая удельная рабочая пло­щадь поверхности фильтрации мембран, высокие требования к сборке элементов.

Конструкции фильтрующих элементов с наружным расположением мембраны (рис. 3, б)имеют большую удельную рабочую площадь поверхности фильтрации. Однако они более металлоемки, а, кроме того, механическая очистка фильтрующих элементов прак­тически невозможна.

а — на внутренней поверхности дре­нажного каркаса; б — на внешней; в — комбинированно, 1 — труба, 2 — мембрана, 3 — «подложка»

Рисунок 3. Цилиндрические фильтрующие элементы с раз­личным расположением мем­браны

Цилиндрические фильтрующие элементы с комбинированным расположением мембран (рис. 3, в) имеют примерно в 2 раза большую удельную рабочую площадь поверхности фильтрации, чем описанные. Однако такие конструкции обладают значительно боль­шими гидравлическими сопротивлениями из-за большой длины каналов для отвода фильтрата.

Ультрафильтрационные установки с цилиндрическими фильтру­ющими элементами широко применяют для осветления фруктовых соков. От сока отделяются все вещества, вызывающие помутнение сока, как, например, протеин, крахмал, пектин, дубильные веще­ства большой молекулярной массы, частицы целлюлозы и другие вещества. В осветленном соке содержатся все вещества в натураль­ном составе.

Аппараты с рулонными фильтрующими элементами выполняют в виде трубы, в которую последовательно вставлено несколько (плотность упаковки мембран составляет 300...800 м²/м³) рулонных фильтрующих элементов (рис. 4, а). Каждый элемент состоит из накрученного на отводящую трубу пакета из двух мембран и «подложки». Для создания межмембранного пространства между мембранами устанавливается сетка-сепаратор.

Исходный раствор движется по межмембранным каналам в продольном направлении (рис. 4, б),а фильтрат по спиральному дре­нажному слою поступает в трубу и выводится из аппарата.

(а) – элемент; (б) – аппарат, заряженный такими элемен­тами: 1 — труба, 2 — мембрана, 3 — «подложка», 4 — сетка-сепаратор

Рисунок 4. Рулонный фильтрующий

Увеличение рабочей площади мембран в этих аппаратах повы­шает плотность упаковки, а также снижает стоимость изготовле­ния. Площадь мембраны возрастает при увеличении длины и ширины навиваемого пакета. Однако ширина пакета ограничена размерами мембран и дренажного слоя. Максимальная ширина пакета достигает 900 мм. Длина пакета ограничивается гидравличес­ким сопротивлением дренажного слоя потоку фильтрата и обычно не превышает 2 м.

Эффективность применения мембранных процессов в пищевых производствах представлены на двух примерах.

На рисунке 5 показана двухступенчатая схема установки для концентрирования апельсинового сока, работающая с возвратом фильтрата со второй ступени. Основ­ными аппаратами являются мембранные фильтр-прессы. Материальный баланс про­цесса представлен на схеме. В результате ультрафильтрации концентрация продукта повышается в 4 раза.

Рисунок 5. Двухступенчатая схема установки для концентрирования апельсино­вого сока

Схема переработки молока с получением основных молочных продуктов представлена на рисунке 6. Основными технологическими стадиями являются сепарирование молока с получением масла, ультрафильтрация обезжиренного молока и обратный осмос. Из концентрата обезжиренного молока получают ассортимент молоч­ных продуктов. Использование мембранных аппаратов при перера­ботке молока позволяет также решить проблему очистки сточных вод.

Рисунок 6. Схема переработки молока

контрольные вопросы

1. Осиновые отличия обратного осмоса от ультрафильтрации.

2. Материалы, используемые для изготовления полимерных мембра­н.

3. Где применяют мембранные аппараты периодичес­кого действия.

4. Классификация мембранных аппаратов по способу расположения мембран.

5. Назначение «подложки» в мембранных аппаратах.

6. Преимущества аппаратов с цилиндрическими фильтрующими элементами.

7. Примеры использование мембранных аппаратов в молочной промышленности.

литература

1. Кавецкий Г. Д., Васильев Б. В., Процессы и аппараты пищевой технологии, - М.: Колос, 2007. -555с.

2. Плаксин Д. С. Процессы и аппараты пищевых производств, - М.: «Информагротех», 2006. -735с.

Поиск по сайту: