Конструкция с полым волокном

Модули полого волокна представляют собой патроны, содержащие пучки элементов из полого волокна – от 45 до 3000 шт. в каждом патроне. Волокна уложены параллельно друг другу, их концы зафиксированы в полимерном материале и помещены в сборную трубу для фильтрата, изготовленную из эпоксидной смолы.

Внутренний диаметр мембраны может быть от 0,5 до 2,7 мм, а активная поверхность мембраны находится на внутренней стороне полого волокна. Наружная сторона полого волокна, в отличие от внутренней, имеет грубую структуру и служит в качестве опоры.

Поток обрабатываемой жидкости движется внутри этих волокон, а фильтрат собирается снаружи и удаляется через верхний отдел трубы.

Специфическое свойство этой конструкции – в ее способности самопромывки противотоком, что используется для очистки системы направленным в обратную сторону фильтратом для удаления осадка с поверхности мембраны. На рис. 6.4.14 показаны различные варианты применения модуля полых волокон.

Материал мембраны: полимеры.

Предел разделения мембран

Предел разделения мембран определяется минимальным весом молекулы, которая может быть отфильтрована. Мембрана может иметь определенный или размытый предел разделения, как это проиллюстрировано на рис. 6.4.15 для двух УФ мембран.

Аналогичный феномен наблюдается и в мембранных разделителях других типов, отличаясь лишь наклоном кривой. Мембраны с определенным пределом фильтрации отделяют все, что имеет определенно меньший молекулярный вес, тогда как мембраны с размытым пределом пропускают некоторые материалы с более высоким молекулярным весом и задерживают некоторые материалы с более низким молекулярным весом.

Точность фильтрации мембраны определяется размером пор и распределением размеров пор. Поскольку невозможно выполнить точное разделение по молекулярному весу или диаметру молекулы, порог фильтрации более или менее размыт.

Утверждение, что молекулярный вес определяет предел фильтрации, должно приниматься с некоторым допуском, поскольку имеет также значение и форма отделяемой частицы. Молекулу сферической формы отделить легче, чем частицу, имеющую вид цепочки.

Кроме того, макромолекулы – например, протеины – образуют “вторичную мембрану”, которая может реально влиять на размер задерживаемых молекул.

Прохождение материала сквозь мембрану

Скорость разделения зависит от следующих факторов:

• Сопротивление мембраны, которое является постоянной характеристикой каждой мембраны и определяется

– толщиной мембраны

– площадью поверхности

– диаметром пор.

• Сопротивление прохождению, т.е. поляризация или эффект загрязнения. Поляризация представляет собой эффект загрязнения (или связывания), который возникает на поверхности мембраны в процессе фильтрации.

Образование слоя осадка можно объяснить следующим образом:

• Крупные молекулы (т.е. протеин или жир) конвекционным путем наносятся на мембрану под прямым углом к направлению потока

• Градиент концентрации приводит к обратной диффузии в противоположном направлении

• Параллельно мембране протеины, присутствующие в примыкающем к ней слое, перемещаются со скоростями, меняющимися с ростом продольной скорости потока

• Эффект поляризации не распространяется равномерно по мембране, в особенности когда снижение давления порождает разные трансмембранные давления (ТМД) на поверхности мембраны. Поэтому первым начинает закупориваться начальный отрезок мембраны. Поляризация постепенно распространяется по всей поверхности мембраны, снижая ее пропускную способность и в конечном счете вынуждая останавливать установку и производить мойку

• Главный итог поляризации состоит в том, что по мере фильтрации скорость получения фильтрата снижается

• Воздействие поляризации может быть снижено применением обратной промывки, направлением потока в обратном направлении или методом равномерного ТМД (применимого в варианте с керамическими мембранами).

Значения давления

Давление – это движущая сила фильтрации, причем следует подчеркнуть принципиальную разницу между:

1 Падением гидравлического давления вдоль модуля Р = Р1 – Р2.

Чем больше величина Р, тем выше скорость прохождения через модуль, тем больше воздействие, направленное перпендикулярно мембранам, и тем меньше воздействие поляризации. Однако существуют ограничения, в том числе сопротивление мембраны давлению и стоимость насосов, способных обеспечивать как высокий расход, так и высокое давление.

2 Трансмембранное давление (ТМД) – это перепад давлений между двумя сторонами мембраны в какой-то конкретной точке. Основной критерий эффективности мембранной системы (интенсивность потока в л/м²/ч) является функцией ТМД.

ТМД, т.е. сила, проталкивающая фильтрат через мембрану, достигает своих максимальных значений на входе в модуль и минимальных – на выходе из него. Поскольку уменьшение ТМД носит линейный характер, среднее ТМД определяется следующей формулой:

Перепад гидравлического давления при прохождении сквозь мембрану (А) и профиль трансмембранного давления (В) показаны на рис. 6.4.16.

Конструктивные особенности

Успешное функционирование установок мембранной фильтрации в основном зависит от давления, создаваемого применяемыми насосами. В этой связи следует учитывать следующие рекомендации:

1. Производительность насоса (насосов) должна соответствовать требуемой скорости потока и характеристикам модуля (модулей), которые могут быть абсолютно различными – в зависимости от конструкции и размеров модуля.

2. Насос должен быть нечувствительным к изменениям в ограничениях модуля в отношении вязкости. Он также должен эффективно работать в интервале температур, применяемых для производства и мойки.

3. Насос должен полностью отвечать гигиеническим требованиям, предъявляемым к оборудованию, предназначенному для использования на молочных заводах.

Применяются насосы нескольких типов, в том числе центробежные насосы и объемные насосы. Пищевые центробежные насосы обычно применяются как подающие и циркуляционные насосы, а пищевые объемные насосы используются, как правило, в качестве подающих и циркуляционных насосов высокого давления для работы с жидкостями повышенной вязкости, то есть на конечных стадиях ультрафильтрации молочного сгустка.

Разделительные установки мембранного типа могут применяться и для периодического, и для непрерывного производства. Подаваемый раствор не должен содержать крупных частиц, которые могут повредить самый первый тонкий слой фильтрующей поверхности. Поэтому зачастую в питающую систему включается фильтр тонкой очистки (мелкоячеистое сито).

Периодическое производство

Установки для периодического производства (рис. 6.4.17) в основном применяются для фильтрации небольших объемов продукта – например, в лабораториях и на экспериментальных заводах. Определенное количество продукта, предназначенного для обработки, заливается в буферный бак. Продукт циркулирует через мембранный сепаратор до тех пор, пока не будет получена необходимая концентрация.

Непрерывное производство

Схемы конструкций установок, работающих в непрерывном цикле. Конструкции спирального типа предназначены для функционирования в режимах ОО, НФ и УФ. Они оснащены полимерными мембранами с порами различного размера.

Установка оснащена керамическими мембранами и предназначена для микрофильтрации.

Поскольку мембраны, предназначенные для обратного осмоса, гораздо менее проницаемы, чем мембраны двух других систем, установки, которыми они оборудованы, требуют более высокого давления на входе. Оно обеспечивается тремя последовательно установленными пищевыми нагнетающими насосами центробежного типа и одним центробежным циркуляционным насосом.

У двух других фильтрационных установок – для нанофильтрации и ультрафильтрации проницаемость выше, и поэтому они могут обходиться двумя нагнетающими и одним циркуляционным насосами.

Как уже было сказано выше, в основу концепции микрофильтрации заложена последовательная работа двух элементов, составляющих один фильтрационный контур. В нее входит один центробежный насос для циркуляции концентрата и другой – для циркуляции фильтрата.

Загружаемый раствор может поступать из разделительной установки с системой обеспечения постоянного давления на выходе или из уравнительного бака, оборудованного насосом и системой управления производительностью.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: