7.3. Апарати з рулонними мембранними елементами
Рисунок 8. Схема (а) і загальний вигляд (б) апарата з рулонними мембранними елементами:
1 – перміатовідвідна трубка; 2 – мембрани; 3 – дренажний лист; 4 – сітка-сепаратор; 5 – область склеювання; 6 – фіксатор; 7 – корпус.
(Розглянути апарати з рулонними мембранними елементами!)
Достоїнства таких апаратів:
мають високу питому поверхню мембран (300 – 800 м²/м³);
малу металоємність;
багато операцій при збірці мембранних елементів можуть бути механізовані.
Недоліки апаратів цього типу:
складність монтажу пакетів деяких конструкцій;
необхідність заміни всього пакету при пошкодженні мембрани;
високий гідравлічний опір як міжмембранних каналів, так і дренажного листа.
7.4. Апарати з порожнистими волокнами (лекція 13)
Ці апарати знайшли широке застосування для розділення розчинів зворотним осмосом і ультрафільтрацією. Мембрани у вигляді порожнистих волокон для зворотного осмосу зазвичай мають зовнішній діаметр 45-200 мкм і товщину стінки 10-50 мкм, а для ультрафільтрації відповідно 200-1000 і 50-200 мкм. При таких розмірах забезпечується необхідна міцність волокон під дією робочого тиску, використовуваного при рідкофазному мембранному розділенні (до 10 МПа) або розділенні газів.
Апарати з порожнистими волокнами прості за побудовою, технологічні у виготовленні; вони легко збираються і зручні в експлуатації. У цих апаратах унаслідок малих діаметрів волокон забезпечується дуже висока питома поверхня мембран - до 20-30 тис. м²/м³. Тому вони знайшли широке застосування у великотоннажних хімічних виробництвах, у виробництві особливо чистої води, в харчовій промисловості, при очищенні і розділенні газів і так далі. Проте при експлуатації цих апаратів заявляють підвищені вимоги до попереднього очищення сумішей, що розділяються, від суспензій. У разі виходу з ладу частини порожнистих волокон доводиться замінювати весь пучок волокон.
Апарати з порожнистими волокнами можна розділити на наступні групи: з паралельним розташуванням порожнистих волокон, з циліндровими мембранними елементами, з U-подібним розташуванням порожнистих волокон.
Апарати з порожнистими волокнами можуть бути як безопорними, так і з опорно-розподільними трубками. Безопорні апарати простіші за побудовою, але гідродинамічні умови в них і розподіл суміші, що розділяється, по перетину і довжині апарату гірші, ніж в апаратах з опорно-розподільними трубками. Для поліпшення гідродинамічних умов в апаратах застосовують різні розподільні пристрої і турбулізатори.
Апарат з паралельним розташуванням порожнистих волокон представлений на рисунку 9.
Рисунок 9. Схема безопорного апарату з паралельно розташованими порожнистими волокнами:
1 - збірники пермеату; 2-фланці; 3-корпус; 4-волокна; 5-трубні грати.
Апарат поміщений в корпус 3 з штуцерами для введення і виведення розчину, що розділяється, та з фланцями 2 для кріплення збірок пермеату 1 і трубних грат 5. Порожнисті волокна у вигляді пучків 4 розміщено в корпусі 3 апарата паралельно його осі, а кінці порожнистих волокон за допомогою епоксидної смоли і ущільнень герметично закріплені в трубних гратах 5. Суміш (наприклад, розчин), що розділяється, рухається уздовж зовнішньої поверхні порожнистих волокон 4. Під тиском частина рідини проходить через стінки волокон і по їх внутрішніх капілярах відводиться в збірку, утворюючи пермеат. Концентрований розчин – ретант - безперервно виводиться з апарату.
Апарати розглянутого типу мають істотні недоліки, наприклад, складність кріплення і герметизації пучків волокна, нерівномірний розподіл розчину, що розділяється, в пучках волокон та ін. Відмічені недоліки усунені в апаратах з мембранними елементами у вигляді порожнистих волокон, утворюючих один пучок (рисунок 10).
Рисунок 10. Схема апарату з одним пучком порожнистих волокон:
1 - корпус; 2 - збірка пермеату; 3 - перемичка; 4 - спіральна нитка; 5 - пучок волокон.
У корпус 1 апарату, забезпеченого штуцерами для подачі початкового розчину, відведення пермеату і ретанта, встановлений пучок порожнистих волокон 5. Волокна зібрані в пучок за допомогою спіральної навитої нитки 4, яка одночасно забезпечує необхідний зазор між окремими волокнами, що покращує розподіл розчину, що розділяється, в пучку волокон 5. У апараті даної конструкції рідину, що розділяється, можна прокачувати як уздовж зовнішньої поверхні порожнистих волокон, так і по капілярних каналах цих волокон.
Для підвищення інтенсивності перемішування розчину, що розділяється, в апараті вмонтовують розподільну трубу, в центральній частині якої є отвори для подачі розчину що розділяється всередину пучка волокон.
Апарати з мембранними елементами у вигляді порожнистих волокон, утворюючих один пучок, мають низьку матеріаломісткість. Проте недостатня інтенсивність перемішування розчину, що розділяється, в апаратах і жорстке кріплення порожнистих волокон в перемичках (трубних грат) не дозволяють використовувати їх для обробки розчинів, що містять зважені частинки.
Апарати з U-подібним розташуванням порожнистих волокон прості у виготовленні і збірці, зручні в монтажі і експлуатації, мають низьку матеріаломісткість. Тому вони знайшли широке практичне застосування.
а
б
Рисунок 11. Схема апаратів з U-подібними мембранними елементами у вигляді порожнистих волокон:
а - з конічним опорним фланцем: 1 - корпус; 2 -пучок порожнистих волокон; 3 - шайба; 4 - кільцеві ущільнення; 5-збірник пермеату;
б - з пористою опорною підкладкою: 1 - пучок порожнистих волокон; 2-шайба; 3 -пористая підкладка; 4 - кришка; 5 - фланцеве з'єднання; 6 – корпус.
Апарат цього типу (рисунок 11, а) має корпус 1, збірка пермеату 5 і кільцеві ущільнення 4. Відкриті кінці U-подібного пучка порожнистих волокон 2 завдовжки 1,5-2,0 м склеюють епоксидною смолою в шайбі 3.
Серед основних недоліків апаратів з U-подібним розташуванням порожнистих волокон слід зазначити досить складну систему герметизації і зменшення (на 5-10%) робочої поверхні волокон при вклеюванні їх в шайбу 3. Останнє обумовлене тим, що шайба 3 повинна витримувати дію високого тиску і тому має велику товщину.
У апараті, конструкція якого показана на рисунку 11, б, використовують шайби 2 значно меншої товщини (10-20 мм), оскільки під ними розташовують пористу підкладку 5, що розвантажує шайбу від механічної напруги при створенні робочого тиску в апараті і використовується для виведення пермеату з торців порожнистих волокон.