4. Мембранні елементи і установки з трубчастими мембранами

У деяких випадках при розділенні розчинів харчових продуктів на молекулярному рівні, з метою запобігання утворення на поверхні мембрани осаду, необхідно "прокачувати" розділюваний розчин з лінійною швидкістю не менше як 3 м/с. При таких лінійних швидкостях значно зростає градієнт тиску по довжині напірного каналу мембранного фільтрувального елементу і, відповід но, енергетичні витрати. Те ж саме може статися на заключних стадіях концентрування високомолекулярних харчових продуктів, коли градієнт тиску зростає не з причини збільшення лінійної швидкості руху розділюваного розчину в напірному мембранному каналі, а його в'язкості.

В обох випадках градієнт тиску по довжині напірного мембранного каналу можна зменшити шляхом збільшення його гідравлічного радіуса т_г відносно плоского напірного канала висотою Н (характерна величина г_г=0,25...2,5 мм) і капілярного напірного каналу радіуса R (характерна величина г =0,25... 1,0 мм).

Конструктивно це реалізується в трубчастих мембранних фільтрувальних елементах, в яких мембрана має трубчасту форму з гідравлічним радіусом г =3.. .6мм[11,15].

Мембрана може бути розташована як на внутрішній поверхні дренажної трубки (рис. 11.18, а), так і на її зовнішній поверхні (рис. 11.18, б) чи одночасно на внутрішній і зовнішній поверхнях дренажної трубки (рис. 11.18, в).

Всі три типи мембранних фільтрувальних елементів мають однаковий принцип роботи. Розділюваний розчин І під тиском поступає в напірний канал і, віддаючи частково крізь мембрану розчинник і розчинені речовини, у вигляді концентрату II виводиться з елементу. Розчин, який пройшов крізь мембрану, потрапляє у дренажний канал і у вигляді пермеату ІІІ виводиться з мембранного фільтрувального елементу.

Конструкція трубчастого фільтрувального елементу з розташуванням мембрани на внутрішній поверхні дренажної основи (рис. 11.18, а) має такі переваги : мала матеріалоємність з причини відсутності напірного корпуса; хороші масообмінні характеристики в об'ємі напірного каналу, які забезпечуються значним його гідравлічним радіусом; можливість механічного очищення напірного каналу від осаду на поверхні трубчастої мембрани; захищеність самої мембрани під час монтажу-демонтажу фільтрувального елементу. До недоліків можна віднести таке: низька питома поверхня мембран в установці (30...75м²/м³); відсутність візуального контакту за станом поверхні мембрани і процесом її формування. Конструкція трубчастого фільтрувального елементу з розташуванням мембрани на зовнішній поверхні дренажної основи (рис. 11.18, б) дає можливість виготовляти елементи з меншим гідравлічним радіусом мембрани, що збільшує їх питому поверхню в установці,візуально контролювати стан поверхні мембрани

і процес її формування. З другого боку за наявністю напірного корпуса збільшується матеріалоємність конструкції, при однаковій площі поперечного перерізу напірного каналу в зменшується його гідравлічний радіус (тут r - внутрішній радіус напірного каналу, R - його зовнішній радіус), ускладнюється конструкція самого елементу.

Конструкція трубчастого фільтрувального елементу при комбінованому розташуванні мембран (рис. 11.18 в) має в 1,6...1,8 разів більшу питому поверхню мембран. Однак у додаток до недоліків другого типу трубчастого фільтрувального елементу додається зростання гідравлічного опору дренажної основи 1, що обмежує довжину елемента. Тому другий та третій типи трубчастих фільтрувальних елементів не знайшли широкого застосування в промисловості.

Найбільш поширений метод виготовлення крупнопористої дренажної основи трубчастого фільтрувального елемешу є набивка на оправу декількох шарів скловолокна з подальшим обробленням утвореної таким чином конструкції смолами і термообробленням. Скловолокно один із найбільш інертних і дешевих матеріалів, має високу стійкість щодо кислот, лугів, високих температур, мікроорганізмів. Серед інших методів слід виділити такі: перфорація металевих чи пластмасових труб, плетіння рукавів із синтетичних ниток чи нержавіючого дроту; одержання пористих трубок із керамічних, металокерамічних чи пластмасових порошкових матеріалів екструзією і тощо.

Як дрібнопористий дренаж, який розташовують між мембраною і крупнопористою дренажною основою, використовується: папір, оброблений смолами; текстильні тканини; дрібнопористі поропласти і тощо.

З багатьох методів з'єднання мембрани з трубчастою дренажною основою найбільш поширені: утворення мембрани з формовочного розчину безпосередньо на внутрішній поверхні трубчастої дренажної основи, формування трубчастої мембрани з листової спіральним намотуванням чи скручуванням вздовж дренажної основи, а також обплетенням дренажем безперервно формованої трубчастої мембрани.

На рис. 11.19а подана схема руху формувача 5 у трубчастому каналі дренажної основи під дією гнучкої тяги 3. Трубчасті мембрани 1 формуються, як правило, з концентрованих розчинів ацетатів целюлози, поліамідів тощо і мають асиметричну структуру, яка складається з тонкого активного (селективного) шару і пористого шару, який підтримує активний. Селективним шаром мембрана обернена до розчину, що розділяється. Формувач 5 рухається в гору, а в зазорі між ним і внутрішньою поверхнею дренажної основи 2 залишається тонкий шар формуючого розчину 4. Після випаровування частини розчинника і пороутворювача з поверхні цього шару та його оброблення в осаджувальній рідині одержується трубчаста мембрана.

При виготовленні трубчастої мембрани з листової стрічки 1 остання намотується по спіралі на дренажну основу 2 (рис. 11.196) чи скручується вздовж цієї основи в напуск (рис.11.19в). На краї мембрани наноситься клей (в іншому випадку за допомогою диска 8), який остаточно стає твердим після подальшого теплового оброблення. Крім того, для герметичного з'єднання країв мембрани 1 (рис. 11.19 б) можна застосувати склеювальну стрічку 6.

Отримані трубчасті мембрани на дренажній основі для досягнення промислово доцільної площі поверхні (0,5 ...1м²) з'єднуються паралельно у блоки. Один із таких трубчастих фільтрувальних елементів марки БТУ-0,5/2, який

складається із семи паралельно з'єднаних трубчастих мембран на склопластиковій дренажній основі, зображено на рис. 11.20. Кінці трубок 1 заливаються смолою, яка робить матеріали твердими. Мембрана 2 наноситься на внутрішню поверхню склопластикових трубок 1. Характеристики мембран наведені в табл. 11.1. Фільтрувальні елементи БТУ-0,5/2 зберігаються в герметичному вигляді у середовищі консерванта (70%-вий розчин гліцерина з добавкою формаліна). Перед початком експлуатації елементи промиваються м'якою водою протягом 0,5 годин.

На основі трубчастих фільтрувальних елементів БТУ-0,5/2 були розроблені, зокрема, модулі, які складалися із 6-ти чи 7-ми паралельно з 'єднаних елементів, загальна площа поверхні мембран в яких склала 3 і 3,5 м². На базі таких модулів розроблені установки для концентрування і очищення розчинів харчових продуктів.

Таблиця 11.1.

Показник	Марка мембрани
	А-1	Ф-1	ПСА-1
Площа поверхні мембран , м2	0,5	0,5	0,5
Матеріал мембрани	Ацетатцелюлоза	Фторопласт	Полісульфонамід
Продуктивність за дистильованою водою при тиску 0,2 МПа і температурі 20 "С , л/год	50...100	50...300	50...250
РН розділюваного розчину	4...8	0.5...13	3...11
Температура, °С	5...35	5...90	5...50

Особливістю конструкцій мембранних первапораційних апаратів для процесів виділення з гомогенних органічних сумішей легких компонентів чи води з суміші "етанол-вода" є застосування непоруватих листових чи трубчастих мембран, які під час експлуатації набухають, змінюють свій об'єм та конфігурацію [8].

На рис. 11.21 зображено конструкцію первапораційного апарата з трубчастими мембранами на основі силіконового каучуку чи полідиметилвінілсилоксану. Апарат складається з корпуса 6 і трубчастих мембран 1, які фіксуються в трубних решітках 2,4. Герметизація вузлів з'єднання мембран з решітками забезпечуються пластинами 3,5. Для компенсаціїтеплових втрат при випаровуванні пермеаіу в конструкції передбачено теплообмінну сорочку 7.3 метою компенсації подовження трубчастих непоруватих мембран під час експлуатації трубна решітка 4 виконується рухомою, що забезпечує попередній натяг трубчастих мембран, початкова довжина яких менша за висоту корпуса апарата.

П ервапораційний аппарат працює так. Розподілюваний розчин з температурою 50...70°Сподаєгьсяувнутрішнюпорожнинутрубчастих мембран. Завдяки роздільним властивосгам мембран, різні компоненти органічної суміші сорбуватимуться поверхнею мембран, дифунтуватимуть крізь них і десорбуватимуться на їх протилежному боці з різною швидкістю. Потік менш проникних юмпонетів суміші, який не пройшов крізь мембрану, у формі ретанту виходить з апарату. Потік, який пройшов крізь мембрану і збагачений більш проникними компонентами, у вигляді парів пермеату відсмоктується вакуум-насосом з міжтрубного простору і конденсується у виносному конденсаторі. Пара пермеату, яка часково сконденсувалася в апараті, відводиться через нижній патрубок. Для компен­сації теплових втрат в апараті перед­бачено підігрівання міжтрубного об'єму.

Установки з трубчастими фільт­рувальними елементами проектуються продуктивністю до декількох тисяч м³/добу по пермеату. У таких установках для рекуперації остаточної енергії потоків після фільтрувальних елементів встановлюються рекупераційні турбіни.