Шпаргалка по "Процессы и аппараты пищевых производств"

6. аппараты для мембранного  разделения смесей

Мембранные аппараты подразделяют на плоскокамерные, трубчатые, рулонные, с полыми волокнами, а также электродиализаторы (см. выше). В плоскокамерных аппаратах (рис. 3) разделительный элемент состоит из двух плоских (листовых) мембран, между к-рыми расположен пористый дренажный материал. Элементы размещены на небольшом расстоянии один от другого (0,5-5 мм), в результате чего между ними образуются мембранные каналы, по к-рым циркулирует разделяемая смесь. Образовавшийся концентрат выводится из аппарата, а пермеат отводится по дренажному материалу в коллектор. Для турбулизации потока путем поперечного перемешивания и предотвращения соприкосновения проницаемых элементов применяют сетку-сепаратор. В случае необходимости значит. концентрирова-ния исходного р-ра в аппарате устанавливают неск. последовательно работающих секций. Пов-сть разделительной мембраны, приходящаяся на единицу объема аппарата, т.е. плотность упаковки мембраны, для плоскокамерных аппаратов низка (60-300 м²/м ), поэтому их используют в установках небольшой производительности для разделения жидких и газовых смесей.

Рис. 3. Плоскокамерный многосекционный аппарат типа "фильтр - пресс": 1-мембрана; 2-дренажный материал.

Трубчатые аппараты (рис. 4) состоят  из набора пористых дренажных трубок диаметром 5-20 мм, на внутр. или наружной пов-сти к-рых расположены мембраны. В соответствии с этим исходный поток направляют в трубное либо межтрубное пространство. Трубчатые аппараты, в к-рых плотность упаковки мембран составляет 60-200 м²/м³, используются для очистки жидких сред от загрязнений, опреснения воды с высокой концентрацией солей, а также для разделения газовых смесей.

Рис. 4. Трубчатый  аппарат: 1-мембрана; 2-дренажный материал; 3-трубчатый фильтрующий элемент.В рулонных, или спиральных, аппаратах (рис. 5) мембранный элемент имеет вид пакета; три его кромки герметизированы, а четвертая прикреплена к перфорированной трубке для отвода пермеата, на к-рую накручивается пакет вместе с сеткой-сепаратором. Разделяемый поток движется в осевом направлении по межмембранным каналам, а пермеат-спиралеобразно по дренажному материалу и поступает в отводящую трубку. Аппараты этого типа отличаются высокой плотностью упаковки мембран (300-800 м²/м³), но сложнее, чем плоскокамерные, в изготовлении. Они используются в установках средней и большой производительности для разделения жидких и газовых смесей.

Рис. 5. Рулонный аппарат: a-корпус, б-фильтрующий элемент; 1-мембрана; 2-дренажный материал; 3-фиксатор; 4-сепаратор; 5-отводная трубка.В аппаратах с волокнистыми мембранами (рис. 6) рабочий элемент обычно представляет собой цилиндр, в к-рый помещен пучок полых волокон с наружным диаметром 80-100 мкм и толщиной стенки 15-30 мкм. Разделяемый р-р, как правило, омывает наружную пов-сть волокна, а по его внутр. каналу выводится пермеат. Благодаря высокой плотности упаковки мембран (до 20000 м²/м³) эти аппараты применяют в опреснительных установках большой производительности (десятки тыс. м³/сут).

Для обратного осмоса, как правило, используют плоскокамерные, трубчатые и рулонные аппараты; для ультрафильтрации - плоскокамерные и трубчатые; для микрофильтрации-те же аппараты, а также обычные патронные фильтры; для электродиализа - кроме электродиализаторов, иногда плоскокамерные и с полыми волокнами, снабженные подводкой электропитания; для мембранного газоразделения-рулонные, плоскокамерные и трубчатые; для испарения через мембрану-те же аппараты, что и для баро-мембранных процессов, снабженные системами подогрева, вакуумирования, .подачи инертного газа и конденсаторами паров; для диализа-плоскокамерные и др. мембранные.

Мембранные процессы разделения осуществляют, как правило, при т-ре окружающей среды без фазовых превращений и применения хим. реагентов, что наряду с простотой аппаратурного оформления и его обслуживания определяет их экономичность и широкие перспективы для создания принципиально новых, малоэнергоемких и экологически чистых произ-в (см. также Безотходные производства). Для организации и практич. реализации работ в области мембранных технологий в СССР создан (1986) межотраслевой науч.-техн. комплекс "Мембраны".

Рис. 6. Аппарат  с волокнистой мембраной: 1-трубная решетка с открытыми концами волокон; 2 поло

Наиболее высокая  плотность упаковки мембран достигается  в аппаратах с полыми волокнами. Они компактны, высокопроизводительны, низкоэнергоемки.Преимуществом трубчатых аппаратов является относительно невысокое гидродинамическое сопротивление аппарата, что позволяет увеличивать скорость потока разделяемой жидкости до 4–5 м/с. При этом возрастает производительность установки. Их можно использовать для разделения жидкости, содержащей взвешенные частицы, и легко очищать ее от осадков.

Достоинствами разделительных аппаратов рулонного типа являются высокая удельная поверхность мембран, низкая металлоемкость, простота в конструкции. Недостатками аппаратов такого типа являются необходимость в подготовке разделяемых систем, замена всего пакета при повреждении мембраны.

Конструктивно просты плоскомерные мембраны, но они трудоемки в сборке и разборке, высокометаллоемки, имеют невысокую плотность укладки мембран в единице объема.

Основными регулируемыми  параметрами процесса мембранного фильтрования являются качество получаемых фракций и производительность установки по основному  продукту. Эти показатели зависят от удельной нагрузки устройства по исходной смеси, ее температуры, величины движущей силы, сопротивлений  осадка и фильтровальной перегородки.

В настоящее время  выпускаются  аппараты для разделения жидких и газовых смесей с помощью мембран непрерывного и периодического действия. Установки для мембранного разделения жидких систем выпускают фирмы США, Германии, Франции, Дании, Японии, Италии, России и др.

Процессы, основанные на мембранной технологии, кроме самостоятельного применения, хорошо сочетаются с традиционными  производственными  приемами, используемыми  в АПК. Это открывает  широкие возможности  для создания новых, простых и комплексных, высокоэффективных  технологических  процессов в отраслях АПК, где необходимо разделение газовых  и жидких смесей.

Широко используется мембранная техника  в пищевой промышленности (например, для достижения микробиологической стабильности в производстве сиропов и безалкогольных напитков, а также  в решении задач  водоподготовки). Это  приводит к повышению  органолептических  и физико-химических качеств продукции.

Процессы  мембранного разделения смесей осуществляются с помощью полупроницаемых мембран. Эти процессы применяют для очистки  и концентрирования растворов, разделения близкокипящих компонентов, азеотропных и нетермостойких смесей, отделения высокомолекулярных веществ от низкомолякулярных растворителей, глубокой очистки сточных вод и т.п. 
Существует много мембранных процессов, базирующихся на различных принципах или механизмах разделения и применимых для разделения объектов разных размеров – от частиц до молекул. Несмотря на эти различия, все мембранные процессы имеют мембрану. Мембрана – это сердце каждого мембранного процесса, ее можно рассматривать как селективно проницаемый барьер между двумя фазами.Процесс разделения может происходить настолько полно, что в пермеате практически не содержатся примеси тех компонентов смеси, которые задерживаются мембраной. Не прошедшая через мембрану смесь компонентов в виде концетрата выводится из аппарата. 
Процессы мембранного разделения характеризуются двумя основными параметрами: проницаемостью и селективностью. 
Проницаемость, или удельная производительность, равная массовому расходу пермеата через единицу поверхности мембраны, определяет скорость процесса мембранного разделения. 
Селективность процесса мембранного разделения может быть охарактеризована с помощью фактора разделения

К основным мембранным методам разделения относятся обратный осмос, ультрафильтрация, испарение через мембрану (первопарация), диализ, электродиализ, диффузионное разделение газов. 
Обратный осмос основан на процессе фильтрования растворов под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и полностью (или частично) задерживающие молекулы (или ионы) растворенных веществ. 
В основе метода лежит явление осмоса – самопроизвольный переход растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор. Рассмотрим подробнее этот процесс. 
Пусть некоторый сосуд разделен на две части полностью проницаемой мембраной. По одну сторону мембраны налит раствор соли, а по другую – чистый растворитель. Это соответствует тому, что по одну сторону от мембраны реализована повышенная концентрация растворенного вещества, а по другую – повышенная концентрация растворителя. Вследствие того, что мембрана полностью проницаема, начнутся два диффузионных процесса. В сторону от раствора к растворителю потечет диффузионный поток растворенного вещества, а в противоположную сторону – диффузионный поток растворителя. В целом такой процесс называют встречной диффузией. Он будет продолжаться до полного выравнивания концентраций растворенного вещества с обеих сторон мембраны. 
Если мембрану заменить на полупроницаемую с уменьшенными размерами пор, то процесс диффузии растворенного вещества прекратится. В результате будет протекать только один диффузионный процесс – перетекание растворителя в объем с растворенным веществом. Вследствие этого количество растворенного вещества в части сосуда, содержащей раствор, будет увеличиваться, уровень жидкости в ней будет возрастать и вместе с ней будет возрастать и гидростатическое давление. Это явление называется осмосом, а появившийся избыток давления в растворе – осмотическим.

7.влияние  различных факторов на процесс  мембранного разделения смеси

Сегодня на рынке мембран 76% приходится на полимерные мембраны, хотя их недостатки очевидны: 
низкая механическая прочность; 
химическая деградация за счет гидролиза, окисления и т.п.; 
ограничения по температуре; 
микробное воздействие (полимер в качестве субстрата); 
радиационное разрушение.

Неорганические мембраны.; 
        С середины 80-х годов на рынке появляются мембраны из неорганических материалов — керамики и графита. Уже сегодня их доля на рынке 24%, при том, что особенности их технологии ограничивают применимость мембран процессами микро- и ультрафильтрации. 
Неорганические мембраны практически лишены недостатков полимерных, но имеют очень крупный собственный недостаток — хрупкость. Это лимитирует их геометрическую форму — трубки или многоканальные блоки.

МЕМБРАННЫЕ  ПРОЦЕССЫ РАЗДЕЛЕНИЯ, основаны на преим. проницаемости одного или неск. компонентов жидкой либо газовой смеси, а также коллоидной системы через разделительную перегородку-мембрану. Фаза, прошедшая через нее, наз. пермеатом (иногда - фильтратом), задержанная - концентратом. Движущая сила мембранных процессов разделения -разность хим. или электрохим. потенциалов по обе стороны перегородки. Мембранные процессы м. б. обусловлены градиентами давления (баромембранные процессы), электрич. потенциала (электромембранные процессы), концентрации (диффузионно-мембранные процессы) или комбинацией неск. факторов.

           Вследствие различной скорости  прохождения компонентов смеси  через мембрану происходит т. наз. концентрационная "поляризация", при к-рой в пограничном слое около пов-сти перегородки накапливается в-во, имеющее наименьшую скорость проницания. В результате при разделении жидких смесей снижаются движущая сила процесса и соотв. селективность, производительность и срок службы мембран. Кроме того, возможно осаждение на мембране труднорастворимых солей, а также гелеобразование высо-комол. соединений, что приводит к необходимости очистки мембран (см. ниже). Для уменьшения влияния концентрационной поляризации и улучшения работы мембран разделяемую систему перемешивают, что способствует выравниванию концентраций компонентов у пов-сти перегородки и в ядре потока. Перемешивание осуществляют путем увеличения скорости потока (до 3-5 м/с); турбулизацией р-ра путем применения спец. вставок в виде сеток, перфорированных или гофрированных листов, спиралей, шариков; использованием ультразвука и т. д. При разделении газовых смесей благодаря высоким коэф. диффузии компонентов через мембраны концентрационная поляризация мала и ее можно не учитывать.

Др. фактор, оказывающий влияние  на мембранные процессы разделения,-продольное (обратное) перемешивание системы. По мере распределения компонентов между исходным потоком и перме-атом возникает соответствующий концентрационный профиль, к-рый приводит к продольному выравниванию концентраций из-за молекулярной диффузии. При использовании турбулизирующих вставок наиб. воздействие на продольный перенос оказывает конвективная диффузия.

Мембранные процессы разделения могут быть осложнены также рядом  др. факторов, напр. недостаточной стойкостью мембран к агрессивным средам и действию микроорганизмов. Хим. стойкость мембран, напр., к гидролизу обеспечивается тщательным подбором материала, характеристик рабочей среды и условий проведения процесса. Для предотвращения биол. обрастания, а иногда и разрушения мембран нек-рыми видами микроорганизмов исходную смесь хлорируют, напр. Сl₂ или гипохлоритами, обрабатывают р-ром CuSO₄ либо формальдегидом, а также подвергают озонированию и УФ облучению.

8. мембранные процессы

Мембраной называют пленку, плоское тело,протяженность которого по двум координатам значительно превышает протяженность по третьей координате. Мембраны могут быть проницаемыми для жидкостей и газов или непроницаемыми. Непроницаемые упругие мембраны применяют в микрофонах, телефонах, насосах, используют в качествеуплотняющих и предохраняющих прокладок.

Различают мембраны монолитные (сплошные), пористые, асимметричные (двухслойные), составные (композиционные) и др., а также мембраны жидкие и мембраны ионообменные (о получении мембран и их св-вах см. Мембраны разделительные).

В процессе эксплуатации пов-сть мембран загрязняется, что приводит к резкому ухудшению показателей мембранных процессов разделения. Один из способов, снижающих загрязнение мембран,-предварит. очистка системы (см., напр., Водопад готовка, Жесткость воды). Методы очистки мембран условно подразделяют на механические, гидромеханические, физические и химические. Мех. очистка - обработка пов-сти перегородок эластичной губкой (нередко с применением моющих ср-в), не обладающей абразивными св-вами, полиуретановыми шарами и т.п. Гидродинамич. очистка - воздействие на загрязненную пов-сть мембран пульсаций разделяемой смеси или промывной жидкости (обычно воды), турбулизация потока; промывка газожидкостной эмульсией (как правило, смесью воды и воздуха); обратная продувка мембран (особенно микррфильтров) сжатым воздухом; обратный ток смеси, резкое снижение давления в системе (загрязнения отслаиваются от перегородки и вымываются сильным потоком воды). Физ. очистка - воздействие на перегородки элек-трич., магн. и ультразвуковых полей. Хим. очистка-промывка рабочей пов-сти мембран разб. р-рами к-т или щелочей, р-ром I₂ и т.д.