Шпаргалка по "Процессы и аппараты пищевых производств"

Мембрана -- открытая неравновесная система, на границах которой поддерживаются различные составы разделяемой смеси под действием извне сил различной природы. Это материал, который создает избирательный барьер между двумя растворами и остается непроницаемым для определенных частиц, молекул или веществ и в то же время не создает помех основному потоку. Некоторым компонентам мембрана позволяет проникнуть с потоком, но другие не проникают и концентрируются в приграничной зоне. Мембраны могут иметь однородную или неоднородную структуру. Мембраны также могут быть классифицированы относительно их диаметра их пор. Согласно Союзу Теоретической и Прикладной Химии они делятся на 3 категории по размеру пор: микропористые (d < 2нм), мезопористые (2нм < d < 50 нм) и макропористые (d > 50 нм). Мембраны бывают нейтральными или заряженными, перенос частиц активным или пассивным. Последний может быть инициирован давлением, разницей концентрации, химически или электрически обусловленным градиентом мембранным процессом.

Как правило мембраны делят на 3 группы: неорганические, полимерные и биологические. Эти 3 типа мембран значительно различаются по своей структуре и функциям. Синтетические мембраны производят из множества различных материалов. Они могут изготавливаться из органических и неорганических материалов, включая твердые как металл и керамика, однородных пленок (полимерных), смешанных твердых (полимерных смесей, стекла с примесями) и жидких. Керамические мембраны изготавливают из неорганических материалов, таких как оксид алюминия, карбид кремния и оксид циркония. Керамические мембраны устойчивы к воздействию агрессивных сред (кислот, сильных растворителей). Они устойчивы химически, термически, механически и биологически инертны. Даже если керамические мембраны имеют высокий удельный вес и солидную стоимость, они все таки экологически безвредны и имеют длительный срок эксплуатации. Керамические мембраны в основном имеют цельную форму, состоящую из цилиндрических капилляров.

Искусственная мембрана обычно представляет собой жесткую селективно-проницаемую перегородку, разделяющую массообменный аппарат на две рабочие зоны, в которых поддерживаются различные давления и составы разделяемой смеси. Синтетические мембраны успешно используются промышленных процессов как малой так и большой мощности с середины 20-го века. В настоящий момент синтетические мембраны достаточно разнообразны по свойствам. Они производятся из органических материалов как полимерных и жидких, так и неорганических. Синтетические мембраны применяемые в разделительных процессах имеют различную геометрию и соответствующую потоку конфигурацию. Мембраны могут быть выполнены в виде плоских листов, труб, капилляров и полых волокон. Мембраны выстраиваются в мембранные системы.

Наиболее распространенные искусственные  мембраны - полимерные мембраны. Они разделяются по поверхностному химическому составу, структуре, морфологии и способу изготовления. Химические и физические свойства синтетических мембран и разделяемые субстанции также как инициирующая сила определяются индивидуальными особенностями мембранного сепарационного процесса. Наиболее часто используемые инициирующие силы в индустриальных мембранных процессах - давление и разница концентрации. Соответствующие мембранные процессы называют фильтрацией. При определённых условиях, преимущественно могут быть использованы керамические мембраны.

Некоторые мембраны работают в широком  диапазоне мембранных операций, таких, как микрофильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос, первапорация, сепарация газа, диализ или хроматография. Способ применения зависит от типа функциональности включенной в мембрану, которые могут быть основаны на изоляции по размеру, химическом родстве или электростатике.

Они также классифицируются по форме  и режиму применения. Наиболее известные  мембранные процессы включают очистку  воды, обратный осмос, обезвоживание  природного газа, удаление частиц с  помощью микрофильтрации и ультрафильтрации, удаление бактерий из молочных продуктов, диализа, гемодиализа или в качестве компонентов топливных элементов.

Частично проницаемая  мембрана -- искусственная мембрана, предназначенная для разделения смеси жидкостей или газов на составляющие компоненты. Также называется избирательно-проницаемой мембраной, полупроницаемой мембраной или дифференциально-проницаемой мембраной. Она позволяет определённым молекулам или ионам проходить через неё благодаря диффузии. Скорость прохождения зависит от давления, концентрации и температуры молекулы или растворённых веществ с обеих сторон, а также проницаемости мембраны для каждого раствора.

Микрофильтрация -- процесс разделения жидких или газовых смесей от взвешенных частиц диаметром 100-0,1 мкм и выше. Фильтрация производится на мелкозернистом материале, песок, кварц и т. д., для грубой фильтрации больших частиц. Процесс проводят в тупиковом режиме с регенерацией обратным током жидкости/газа.

Обратный осмос -- прохождение воды или других растворителей через мембрану из более концентрированного в менее концентрированный раствор в результате воздействия давления, превышающего разницу осмотических давлений обоих растворов. Обратный осмос используется в различных технологиях очистки воды от примесей, в том числе для опреснения воды и очищения питьевой воды для различных целей с начала 1970-х годов.

Первапорация - технология разделения преимущественно жидких смесей различных веществ, при которой поток жидкости, содержащий два или более смешивающихся компонента помещен в контакт с одной стороной непористой полимерной мембраны или молекулярно-пористой неорганической мембраны (типа цеолитной мембраны), в то время как с другой стороны используется вакуумная или газовая продувка. Компоненты жидкого потока абсорбируются в/на мембране, проникают через мембрану, и испаряются в паровую фазу (откуда и образуется слово 'pervaporate'). Образующийся пар, названный 'пермеатом', конденсируется. Вследствие различных видов питающих смесей, имеющие различные сродства к мембране и различные скорости диффузии через мембрану, даже компонент, находящийся в малой концентрации питающей среде, может быть обогащен с высокой степенью в пермеате. Таким образом, состав растворенного вещества может сильно отличаться от того, что находится в виде пара, образующегося после развития свободного равновесия жидкость-пар. Коэффициенты обогащения, степень пермеирования концентрации питающей смеси находятся в диапазоне от единиц до нескольких тысяч, в зависимости от состава, мембраны и условий процесса.

Мембраны можно классифицировать по любому из их признаков. Например, по области применения – мембраны для микрофильтрации, для утрафильтрации, для нанофильтрации или для обратного осмоса. По пористости – мембраны пористые или непористые. По структуре – изотропные, анизотропные или композитные. По форме – плоские, трубчатые, волоконные. По агрегатному состоянию – мембраны твердые или жидкие. По способу изготовления – плетенные, спеченные или формованные. По типу мембранного элемента, в котором они используются, и т.д.

Одной из наиболее важных и определяющих характеристик является материал мембраны. Во многом именно выбор материала  задает способ производства мембраны, ее возможные структуру и свойства, область приложения и конструкцию  аппарата. В качестве материалов для  изготовления мембран применяются  как неорганические материалы –  металлические шарики и проволока, керамика и металлокерамика, стекло- и графитопласты, так и широкий спектр органических материалов, главным образом полимеров – таких, как ацетаты целлюлозы, ароматические полиамиды, полисульфонамид, полиэтилен, полипропилен и фторопласты и др.

Зачастую само появление или  становление тех или иных разделов мембранных технологий водоподготовки было связано с открытием и  введением в практическое использование  новых мембранных материалов. Например, промышленное становление технологии обратного осмоса есть во многом результат  создания полиамидных мембран.

Поэтому ниже мы рассмотрим различные  типы мембран подробнее, исходя именно из их классификации по исходному  материалу.

Мембраны можно классифицировать по любому из их признаков. Например, по области применения – мембраны для  микрофильтрации, для утрафильтрации, для нанофильтрации или для обратного осмоса. По пористости – мембраны пористые или непористые. По структуре – изотропные, анизотропные или композитные. По форме – плоские, трубчатые, волоконные. По агрегатному состоянию – мембраны твердые или жидкие. По способу изготовления – плетенные, спеченные или формованные. По типу мембранного элемента, в котором они используются, и т.д.

Одной из наиболее важных и определяющих характеристик является материал мембраны. Во многом именно выбор материала  задает способ производства мембраны, ее возможные структуру и свойства, область приложения и конструкцию  аппарата. В качестве материалов для  изготовления мембран применяются  как неорганические материалы –  металлические шарики и проволока, керамика и металлокерамика, стекло- и графитопласты, так и широкий спектр органических материалов, главным образом полимеров – таких, как ацетаты целлюлозы, ароматические полиамиды, полисульфонамид, полиэтилен, полипропилен и фторопласты и др.

Зачастую само появление или  становление тех или иных разделов мембранных технологий водоподготовки было связано с открытием и  введением в практическое использование  новых мембранных материалов. Например, промышленное становление технологии обратного осмоса есть во многом результат  создания полиамидных мембран.

Поэтому ниже мы рассмотрим различные  типы мембран подробнее, исходя именно из их классификации по исходному  материалу.

Неорганические мембраны

Отличительными свойствами неорганических мембран являются их высокая механическая прочность, термическая, биологическая  и химическая устойчивость.

Основными методами производства неорганических мембран являются:

• плетение сеток из микропроволоки;
• спекание порошков или волокон;
• нанесение разделительного слоя на пористую подложку.

Основным преимуществом металлических  мембран является однородность структуры  и, как следствие, размеров пор. Эти  мембраны не разрушаются бактериями, химически стойки в различных  средах и могут подвергаться термической, химической и радиационной обработке. Они могут очищаются обратным током воды, прокаливанием, либо обработкой химическими реагентами. Такие мембраны и картриджи выпускают в России НПП «Экспресс-Эко» и НПП «Технофильтр»

Металлокерамические мембраны

Среди лучших образцов мембран  данного класса, производимых в России, можно отметить многослойные композиционные металлокерамические мембраны Трумем [110]. Они имеют узкое распределение пор по размерам, незначительное гидравлическое сопротивление и гладкую поверхность. Мембраны могут выдерживать перепад трансмембранного давления (ТМД) до 10 атм. Выпускаются с порами в диапазоне от 0,1 мкм до 5 мкм.

Керамические микро- и ультрафильтрационные мембраны

Керамические мембраны отличаются особенно высокой химической и температурной  стойкостью. Мембраны имеют многослойную структуру, состоящую из высокопористой матрицы с нанесенными на поверхность  ее внутренних каналов разделительными  слоями Такие мембранные элементы выпускаются различных типов.

• Одноканальный цилиндрический элемент. Внешний диаметр – 9,5 мм , внутренний диаметр – 5,0 мм , длина – 830 мм , размеры пор селективного слоя – 0,2–0,4 мкм; размеры пор подложки – 4–6 мкм, производительность по дистиллированной воде – 400–1000 л/(м 2 ·ч).
• Семиканальный цилиндрический элемент. Диаметр – 23,5 мм , диаметр каналов – 3,6– 4,0 мм , длина – 830 мм , размеры пор селективного слоя – 5–7; 1,0–2,5; 0,2–0,5 мкм; размеры пор подложки – 10–15 мкм, производительность по дистиллированной воде – 300–900 л/(м 2 ·ч), площадь фильтрации – 0,1 м 2 .
• Девятнадцатиканальный шестигранный элемент. Шестигранник – 34 мм, диаметр каналов – 5 мм (1 шт.), 4,5 мм (6 шт.), 3,4– 4,0 мм (12 шт.), длина – 830 мм , размеры пор селективного слоя – 5–7; 1,0–2,5; 0,2–0,5 мкм, размеры пор подложки – 10–15 мкм, производительность по дистиллированной воде – 200–800 л/(м2 ·ч), площадь фильтрации – 0,2 м2 .
• Преимущества керамических мембран перед полимерными:
• – высокая термическая стойкость, температура эксплуатации до 400 ° С;
• – стойкость в агрессивных средах с рН 0–13;
• – стойкость в эрозионных потоках со скоростями 5–10 м/с;
• – возможность эксплуатации при высоких перепадах давления (10–15 атм) при фильтровании и обратной промывке;
• – высокая (90–95 %) пористость и трещиностойкость мембран.
• Производство керамических мембран основано на последовательном получении пористой керамической заготовки с нанесением на нее тонкого разделительного слоя.

9. контактные  сушилкиКонтактная - путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку.Контактная сушка осуществляется путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку в контактных сушилках, которые делятся на периодически и непрерывно действующие. Из периодически действующих сушилок распространены вакуум-сушильные шкафы и гребковые вакуум-сушилки, в которых скорость сушки увеличивается за счет перемешивания материала медленно вращающейся горизонтальной мешалкой с гребками. Из непрерывно действующих применяют двухвальцовые атмосферные и вакуумные сушилки, а также одновальцовые формующие сушилки. Высушивание при пониженном давлении в замкнутом пространстве используется в тех случаях, когда материал чувствителен к высоким температурам.Простейшими контактными сушилками периодического действия являются вакуум-сушильные шкафы, которые в настоящее время широко используются в производствах с малотоннажным выпуском и разнообразным ассортиментом. К таким относится фармацевтическое производство, где применение высокопроизводительных механизированных сушилок непрерывного действия экономически нецелесообразно.Вакуум-сушильный шкаф представляет собой цилиндрическую камеру, в которой размещены полые плиты, обогреваемые изнутри паром или горячей водой. Высушиваемый материал в виде сгущенной сметанообразной массы намазывается на противни (толщиной 0,5÷4 см), которые устанавливают на плиты. Камеру герметически закрывают с помощью дверец и соединяют патрубком с вакуумной линией. Сушка происходит под вакуумом при температуре около 50°С, что зависит от глубины вакуума. При этом образуется высокий (до 15÷20 см) слой пористого легкого материала хорошо растворяющегося в воде. Выгрузка материала производится вручную. Такие сушилки пригодны для сушки легкоокисляющихся, взрывоопасных и выделяющих вредные или ценные пары веществ. Однако они малопроизводительны и малоэффективны, поскольку сушка в них происходит в неподвижном слое при наличии плохо проводящих тепло зазоров между противнями и греющими плитами. Напряжение рабочей поверхности плит со стороны материала обычно не превышает 0,5-2,5 кг/ (м³-ч) влаги.Простейшими контактными сушилками являются вакуум сушильные шкафы – аппараты периодического действия, которые широко используются в лабораторной технике и малотоннажных производствахК контактным сушилкам непрерывного действия относятся одно-вальцовые и двухвальцовые сушилки, используемые для сушки паст и суспензий. Схема двухвальцовой сушилки показана на рис. . Сырье поступает через верхний патрубок в зазор между вальцами , вращающимися навстречу друг другу со скоростью 10–20 об/мин. Вальцы изнутри подогреваются паром, горячей водой или другим теплоносителем. Зазор между вальцами регулируется. Тонкий слой высушенного материала снимается ножами С поверхности вальцов, ссыпается вниз и выводится из аппарата . Вальцовые сушилки могут работать при атмосферном давлении и вакууме. В последнем случае отвод паров осуществляется через патрубок Так же, как при работе вакуум-сушильного шкафа. В вакуумных вальцовых сушилках можно эффективно сушить материалы, не выдерживающие длительного воздействия высоких температур. Помимо этого к достоинствам вальцовых сушилок относятся: экономичность сушки, чистота получаемого продукта, возможность полной герметизации внутреннего пространства. К недостаткам вальцовых сушилок можно отнести сравнительно высокую остаточную влажность высушенного материала и опасность его перегрева.