СПОСОБ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2004 года по МПК B01D61/14 B01D61/18 

Изобретение относится к технологическим процессам разделения растворов ультрафильтрацией с тангенциальной подачей разделяемого раствора и может быть использовано, например, в пищевой промышленности для очистки диффузионного сока сахарной свеклы от высокомолекулярных соединений и мелкодисперсных механических частиц.

Известен способ ультрафильтрации (Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы. - М. Химия, 1986, с. 42-48), включающий пропускание разделяемого раствора под избыточным давлением внутри каналов трубчатого мембранного отделения и отвод проникающего через мембрану пермеата.

Недостатками является низкая удельная производительность мембраны, снижение скорости ультрафильтрации вследствие образования слоя отложений на поверхности мембраны и необходимость ее частой регенерации.

Известен способ мембранного концентрирования суспензий (см. а.с. SU №1554952, В 01 D 63/06), включающий пропускание суспензии под избыточным давлением внутри каналов трубчатого мембранного элемента и отвод проникающего через мембрану пермеата. При этом скорость потока выбирают равной одной из величин, определяемых по уравнению W=A·(ν·d_э)^1/3·(K·С_зв/L)^2/3, в котором А - константа определяется природой разделяемого раствора, температурой и тангенциальной скоростью разделяемого потока; ν - кинематическая вязкость раствора; d_э - эквивалентный диаметр разделяемого потока; К - любое целое число; С_зв - скорость звука; L - длина межмембранного канала.

Задачей изобретения является повышение безрегенерационного цикла работы мембраны, повышение удельной производительности мембранных аппаратов.

Сущность изобретения заключается в том, что разделяемый раствор пропускают под избыточным давлением внутри каналов мембранного элемента и отводят проникающий через мембрану пермеат, а в разделяемый поток вибрирующим устройством вносятся пульсации давления и расхода максимально допустимой амплитуды и резонансной частоты, выбираемой экспериментально по максимуму на зависимости производительности мембраны по пермеату от частоты вибраций.

Известно устройство для ультрафильтрации (см. а.с. SU №1667912, В 01 D 61/20), содержащее мембранный аппарат с фильтрующими элементами, линию подачи разделяемого раствора, линии отвода концентрата и фильтрата с запорными органами и средство для промывки мембран фильтрующих элементов, выполненное в виде гидропневматического аккумулятора, присоединенного к линии отвода фильтрата трубопроводом с обратным клапаном и вибрационного прерывателя, соединенного с гидропневматическим аккумулятором входной линией и выходной - с линией отвода фильтрата между мембранным аппаратом и трубопроводом гидропневматического аккумулятора.

Недостатки: низкая удельная производительность и невозможность реализации предлагаемого способа ультрафильтрации.

Задачей изобретения является повышение удельной производительности и возможность реализации предлагаемого способа ультрафильтрации.

Поставленная задача решается тем, что в известный мембранный аппарат с фильтрующими элементами, линией подачи разделяемого раствора, линией отвода концентрата и фильтрата с запорными органами и средством для промывки мембран фильтрующих элементов, выполненным в виде гидропневматического аккумулятора, присоединенного к линии отвода фильтрата трубопроводом с обратным клапаном, и вибрационного прерывателя, соединенного с гидропневматическим аккумулятором входной линией и выходной - с линией отвода фильтрата между мембранным аппаратом и трубопроводом гидропневматического аккумулятора, внесены дополнения, а именно в линию подачи исходного раствора включено вибрирующее устройство, которое вносит в разделяемый поток пульсации расхода и давления, создаваемые генератором вибраций.

На фиг.1 показана схема предлагаемого устройства для реализации предлагаемого способа ультрафильтрации.

На фиг.2 показана экспериментальная зависимость удельной производительности мембраны при ультрафильтрации диффузионного сока сахарной свеклы от частоты вибраций (кривая 1 - при тангенциальной скорости 3 м/с; кривая 2 - при тангенциальной скорости 2 м/с) при давлении 0,2 МПа.

На фиг.3 приведены кинетические кривые ультрафильтрации диффузионного сока сахарной свеклы: зависимость q=f(W) при наличии вибраций резонансной частоты 67 Гц (кривая 1), промышленной частоты 50 Гц (кривая 2), и при отсутствии вибраций (кривая 3) при давлении 0,2 МПа.

Устройство для ультрафильтрации (см. фиг.1) содержит мембранный аппарат 1, соединенный на входе с линией подачи разделяемого раствора, включающей насос 2, промежуточную емкость 3, и вибрирующее устройство 4, соединенное с генератором вибраций 5. На выходе мембранный аппарат соединен с линией отвода концентрата с манометром 6 и вентилем 7, подключенной к промежуточной емкости 3. К линии отвода фильтрата 8 с вентилем 9 подключено средство для промывки мембран фильтрующих элементов, состоящее из последовательно соединенных обратного клапана 10, гидропневматического аккумулятора 11, вибрационного прерывателя 12 и манометра 13.

Устройство работает следующим образом.

Разделяемый раствор насосом 2 под давлением подается из промежуточной емкости 3 в мембранный аппарат 1, в котором происходит разделение раствора на концентрат, возвращаемый в промежуточную емкость 3, и фильтрат, отводимый линией 8. Давление в мембранном аппарате регулируют вентилем 7 и контролируют манометром 6. Для предотвращения образования слоя отложений на фильтрующих элементах мембранного аппарата в поток разделяемого раствора с помощью вибрирующего устройства 4 вносят колебания расхода и давления резонансной частоты, которые создаются генератором вибраций 5. Процесс ультрафильтрации протекает до достижения в емкости 3 заданной концентрации, после чего концентрат сливают из установки, заполняют ее новой порцией разделяемого раствора, и цикл разделения повторяет.

В предлагаемом решении способа ультрафильтрации образование стоячей волны в межмембранном канале осуществляется вынужденно с помощью вибрирующего устройства, подключенного к потоку на входе в мембранный аппарат. Частоту вибраций подбирают экспериментально. Для этого находят зависимость удельной производительности мембраны по пермеату q от частоты вибраций η. На фиг.2 приведены такие зависимости при разных тангенциальных скоростях разделяемого потока. Кривые имеют максимум при одинаковой частоте, близкой к резонансной частоте вибрирующего устройства.

По характеру изменения кинетических кривых ультрафильтрации при отсутствии вибраций (кривая 3 на фиг.2) и при наличии вибраций промышленной частоты можно выделить (кривая 2 на фиг.2) 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. Во втором периоде формируется слой отложений частиц, имеющих размеры, превышающие размер микропор мембраны. Образование слоя отложений происходит последовательной укладкой микрослоев толщиной в одну задерживаемую частицу. Судя по незначительному снижению скорости фильтрации во втором периоде, сопротивление первых микрослоев отложений существенно ниже сопротивления мембраны. Образование слоя отложений проходит в течение достаточно длительного времени. При достижении слоя отложений в два-три 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 - 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 микрофильтрационным 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 фиг.2) 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. На периоде постоянной скорости фильтрации стоячие волны, создаваемые вибрирующим устройством, создают условия, предотвращающие возможность образования слоя отложений, и скорость фильтрации в наблюдаемый период времени остается неизменной.

Предлагаемое решение может быть использовано в устройстве для ультрафильтрации, схема которого приведена на фиг.1.

Предварительно определяем резонансную частоту вибрирующего устройства без разделяемого раствора. Для этого включаем виброгенератор и плавно увеличиваем частоту вибраций от нулевой. При этом с ростом частоты колебаний интенсивность звукового излучения установки возрастает, достигает максимума в области резонансной частоты вибрирующего устройства и затем снижается. Отмечаем резонансную частоту вибрирующего устройства, соответствующую максимуму интенсивности звукового излучения. На нашей установке резонансная частота вибрирующего устройства составила 58-60 Гц.

В емкость 3 загружаем разделяемый раствор и включаем циркуляционный насос. После появления первых порций фильтрата проводим измерение расхода циркулирующего раствора, включаем виброгенератор и устанавливаем частоту вибраций 30 Гц. Спустя 2-3 мин проводим измерение расхода фильтрации и увеличиваем частоту вибраций на 8-10 Гц. Проводим последующие измерения расхода фильтрата с шагом изменения частоты вибраций 8-10 Гц до достижения резонансной частоты вибрирующего устройства. Последующие измерения, вплоть до снижения расхода фильтрата, соответствующего резонансной частоте вибрирующего устройства, проводим с шагом изменения частоты вибраций 3-5 Гц. После чего проводим еще 5-6 измерений расхода фильтрата с шагом изменения частоты вибраций 8-10 Гц. Результаты опытов представляем в виде зависимости удельной производительности мембраны по пермеату q от частоты вибраций η. Максимум кривой q=f(W) соответствует частоте вибраций, близкой к резонансной частоте вибрирующего устройства.

Пульсации расхода и давления резонансной частоты, создаваемые в мембранном аппарате вибрирующим устройством, разрушают ламинарный пограничный слой и обеспечивают интенсивное перемешивание разделяемого раствора в пристенной зоне. Что создает условия для снижения концентрационной поляризации до минимума и предотвращает образование слоя отложений на фильтрующей поверхности. В результате чего повышается время безрегенерационного цикла работы мембраны и повышается удельная производительность мембранного аппарата.

Предлагаемые способ и устройство относятся к технологическим процессам разделения растворов ультрафильтрацией с тангенциальной подачей разделяемого раствора и могут быть использованы в пищевой промышленности. Способ заключается в том, что при разделении раствора его пропускают по межмембранному зазору и вибрирующим устройством вносят в разделяемый поток пульсации давления и расхода максимально допустимой амплитуды и резонансной частоты. Устройство содержит мембранный аппарат с фильтрующими элементами, линию подачи разделяемого раствора, линии отвода концентрата и фильтрата с запорными органами и средство для промывки мембран фильтрующих элементов. В линию подачи раствора включено вибрирующее устройство, вносящее в разделяемый поток пульсации расхода и давления, создаваемые генератором вибраций, подключенным к вибрирующему устройству. Средство для промывки мембран выполнено в виде гидропневматического аккумулятора, присоединенного к линии отвода фильтрата трубопроводом с обратным клапаном, и вибрационного прерывателя, соединенного с гидропневматическим аккумулятором входной линией и выходной - с линией отвода фильтрата между мембранным аппаратом и трубопроводом гидропневматического аккумулятора, в линию подачи исходного раствора. Данное изобретение позволяет повысить удельную производительность мембранных аппаратов. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ ультрафильтрации, включающий пропускание разделяемого раствора под избыточным давлением внутри каналов мембранного элемента и отвод проникающего через мембрану пермеата, отличающийся тем, что в разделяемый поток вибрирующим устройством вносятся пульсации давления и расхода максимально допустимой амплитуды и резонансной частоты, выбираемой экспериментально по максимуму на зависимости производительности мембраны по пермеату от частоты вибраций.2. Устройство для ультрафильтрации, содержащее мембранный аппарат с фильтрующими элементами, линию подачи разделяемого раствора, линии отвода концентрата и фильтрата с запорными органами и средство для промывки мембран фильтрующих элементов, выполненное в виде гидропневматического аккумулятора, присоединенного к линии отвода фильтрата трубопроводом с обратным клапаном и вибрационного прерывателя, соединенного с гидропневматическим аккумулятором входной линией и выходной - с линией отвода фильтрата между мембранным аппаратом и трубопроводом гидропневматического аккумулятора, отличающееся тем, что в линию подачи исходного раствора включено вибрирующее устройство, вносящее в разделяемый поток пульсации расхода и давления, создаваемые генератором вибраций, подключенным к вибрирующему устройству.