Актуальні проблеми розділення сумішей за допомогою молекулярних фільтрів у спиртовій промисловості

Технічний прогрес у спиртовій промисловості визначає сьогодні такий науко­во-технічний напрям, який сприяє підвищенню якості спирту та зниженню його собівартості. Такий напрям характеризується дослідженнями і розробкою принци­пово нового способу розділення водно-спиртової суміші та виділення харчового і технічного спирту.

До нового способу розділення компонентів і їх концентрування належить мем­бранна технологія, яка в останні роки одержала широке розповсюдження в різних галузях харчової промисловості. У спиртовій та лікеро-горілчаній промисловості мембранна технологія використовується при водопідготовці, створенні газового се­редовища (в основному азотного) при збереженні сировини, аеруванні при культи­вуванні мікроорганізмів, концентруванні ферментних препаратів, очистці стічної води і т.д.

Дослідженнями процесів тепло-масообміну в мембранних напірних каналах молекулярних фільтрів та розробкою високоефективних технологій харчового і тех­нічного спирту займаються як в Україні - проблемна науково-дослідна лабораторія Національного університету харчових технологій та Український науково-дослід­ний інститут спиртбіопрод - так і в інших країнах світу.

Метою роботи є:

• наукове обгрунтування вирішення даної проблеми;

• на основі результатів фундаментальних і прикладних досліджень розробка нової мембранної технології і сучасних методів розрахунку та прогнозування опти­ мальних режимів її експлуатації;

• розробка технології регенерації мембран з метою їх багаторазового викорис­ тання (протитоки, температурні перепади, регснерувальні композиції та інші);

• розробка нової технології і апаратури для розділення водно-спиртової суміші і впровадження її у виробництво.

де С, - концентрація компонента, який розглядається в початковій суміші, в %; С₂ - концентрація цього компонента в пермеаті.

Мембранне розділення характеризується відокремленням відповідного ком­понента або компонентів суміші за допомогою напівпроникливої мембрани. У про­цесі такого відокремлення первинна суміш розділяється на концентрат і пермеат (фільтрат або ультрафільтрат). Концентрат створюють компоненти, які затриму­ються мембраною, а пермеат - компоненти, які проходять через мембрану. Здат­ність мембрани затримувати який-небудь компонент (компоненти) із суміші харак­теризують її селективність по відповідному компоненту (компонентах). Для мем­бранних процесів селективність (в %) мембран визначається формулою:

473

Рушійну силу переносу компонента через мембрану характеризує різниця та­ких показників: хімічних потенціалів концентрацій у суміші, яка розділяється; гід­ростатичних тисків до і після мембрани та електричних потенціалів.

Відповідно до технічних потенціалів існує декілька методів розділення сумі­шей за допомогою мембран: дифузійний, метод випарювання, метод діалізу, розді­лення електродіалізом, баромембранний метод та інші.

Дифузійний: метод розділення газів грунтується на різній проникності мем­бран для окремих компонентів, в основному газових сумішей (кисень, азот, діоксид вуглецю та інші). Проникність характеризується коефіцієнтами дифузії в матеріалі мембрани та парціальним тиском газу в середовищі, яке розділяється. Для розді­лення газів використовуються мембрани, які мають різну проникність для різних газів. Для системи О₂ - N₂- CO₂ використовуються мембрани із натурального кау­чуку, полізопрена, полідиметил силоксана та інші.

При розділенні рідинної суміші через мембрану методом випарювання гаряча суміш спрямовується з однієї сторони напівпроникної мембрани і після проник­нення одного із компонентів через капіляри, розмір яких залежить від розмірів мо­лекул, компонент відводиться в потік або конденсується при вакуумуванні.

При розділенні розчинів і колоїдних систем методом діалізу враховується як різна проникність мембран, так і різна молекулярна маса компонентів. Метод діалі­зу широко використовується при очистці розчинів білків та інших високомолекуля-рних сполук (у тому числі і біологічно активних речовин) від розчинених солей через мембрану з нітроцелюлози.

Розділення речовин методом електродіалізу характеризується переносом че­рез мембрану іонів відповідного компонента під дією різниці електричних потенці­алів, що дозволяє ефективно демінералізувати розчини.

БаромембраннІ технологічні процеси включають у себе зворотній осмос, уль-трафільтрування та мікрофільтрування розчинів під тиском через напівпроникні мембрани, що пропускають розчинник І затримують розчинений у ньому компо­нент у вигляді іонів, колоїдних частинок або молекул.

При зворотному осмосі (діаметр пор в мембранах складає 0,5-5 нм) в процесі фільтрування суміші відділяються іони та недисоційовані молекули; при ультрафі-льтруванні (діаметр пор в мембранах складає 5-50 нм) відділяються високомолеку-лярні речовини та колоїди; при мікрофільтруванні (діаметр пор в мембранах скла­дає 50-10000 нм, що відповідає 0,05-10 мкм) відділяються колоїдні частинки та мікроорганізми.

На ефективність фільтрування при зворотному осмосі суттєво впливає осмо­тичний тиск суміші, яка розділяється, вступають у дію механізми фізико-хімічного характеру - абсорбція, гідратація, масообмін та інше.

Обґрунтовано, що в основі зворотного осмосу лежить самопливний перехід розчинника через напівпроникну мембрану, яка не пропускає розчинені речовини в розчинник (рис.16.4).

Тиск, при якому наступає рівновага, коли р дорівнює висоті Н, називається осмотичним П (рис. 16.5). При цьому розчинник переходить у ту і другу сторону в однаковій кількості. Тоді р=Н=П.

Якщо із сторони розчинника збільшити тиск, який буде перевищувати осмо­тичний, то розчинник буде переходити через мембрану тільки в зворотному напря­му. Такий процес називається "зворотний осмос", (рис. 16.6.)

474

Рис. 16.6 Швидкість переноса розчинника через мембрану S для всіх баромемб-ранних процесів у загальному вигляді записується:

де А - коефіцієнт проникливості мембрани;

- відповідно різниця робочого і осмотичного тиску по різні сторони мембрани

У всіх мембранних процесах надзвичайно велику роль відіграє явище концент­раційної поляризації, яка полягає в підвищенні концентрації затриманих мембраною речовин безпосередньо на ЇЇ поверхні. Крім того, в процесі фільтрування через мем-

475

брану різних розчинів або сумішей на її поверхні утворюється осад нерозчинних речовин, які знаходяться в суміші, що піддається фільтруванню. Можливі випадки, коли в результаті складних біохімічних реакцій у самій суміші утворюються нероз­чинні сполуки, які в процесі фільтрування переходять в осад на поверхні мембрани. Теоретично і практично обґрунтовано, що і концентраційна поляризація і особливо утворення осаду на поверхні мембрани значно знижують якість і ефективність розді­лення суміші. З метою зменшення негативного впливу цих факторів на процес філь­трування застосовують турбулізацію суміші. Це в деякій мірі приводить до усклад­нення апаратури І збільшення собівартості кінцевого продукту.

Мембранна фільтраційна установка зворотного осмосу ROMAX 2 для підго­товки води складається з пісочного фільтра; дозуючого пристрою хімічного розчи­ну; мікрофільтра; насосу високого тиску; рециркуляційного насосу; тонкоплівкової мембрани; ємності; трубопроводів із нержавіючої сталі і системи контрольно-ви­мірювальних приладів і автоматики (див. рис. 16.7.)

Рис. 16.7 Мембранна фільтраційна установка зворотного осмосу ROMAX 2

Установка монтується з підводом неочищеної води, відводом очищеної води, каналізацією та електрощитом.

Установка змонтована на каркасі і має такі габарити: довжина - 2,7 м, ширина - 0,8 м, висота - 1,4 м.

Технічна характеристика установки:

Об'см початкової води 3,1 м³/год (вміст солей не більше 2500 рр).

Температура початкової води 25° С.

Вихід чистої води 2 м^/год.

Ступінь очищення води 50 ррт.

Встановлена потужність 4 кВт.

ФІЛЬТРУЮЧІ ЕЛЕМЕНТИ Й УСТАТКУВАННЯ

Сьогодні розроблено і впроваджено у виробництво серію вітчизняних і закор­донних фільтруючих елементів- мембран різного призначення. Для спиртової про­мисловості мембрани повинні задовольняти такі основні вимоги:

476

• велика питома потужність (проникність);

• висока розділююча властивість (селективність);

• хімічна стійкість до впливу компонентів суміші, яка розділяється, та темпе­ ратури;

• нешкідливість для організму людини (якщо мембрана призначена для роз­ ділення суміші в харчовій або медичній промисловості);

• висока механічна стійкість;

• можливість досягнення заданих кінцевих результатів (для розділення повітря більше 95% азоту, для розділення водно-спиртової суміші більше 96% об. спирту),

Для виготовлення мембран використовують різні матеріали: скло, полімери, кераміку, металокераміку та інші.

Сьогодні розроблено 4 типи апаратів з мембранними фільтруючими елементами:

1. апарати з плоскими фільтруючим елементами (ПФЕ);

2. апарати з трубчастими фільтруючими елементами (ПФЕ);

3. апарати з рулонними фільтруючими елементами (РФЕ);

4. апарати з половолоконними фільтруючими елементами (ГТВФЕ).

За формою мембрани виробляються плоскі, циліндричні та поліволокнисті. За призначенням - для розділення повітряних сумішей та для розділення рідинних сумішей. За конструкцією - ізотропні та анізотропні (асиметричні) мембрани. Ізо­тропні мембрани характеризуються однорідною структурою по всій товщині, ані­зотропні - двошарової конструкцією, тобто тонкий селективний шар покриває тов­стий основний шар з порівняно великими капілярами, який виконує функції фун­даменту (опори) селективного шару.

Якість і ефективність мембранної технології визначаються як конструкцією самої мембрани, так і конструкцією устаткування, які разом складають апаратуру для розділення сумішей. Для конкретної суміші якість і ефективність мембранної технології визначається також такими показниками як оптимальний тиск, оптима­льна швидкість суміші в міжмембранних каналах, склад і концентрація суміші та ін.

Для проведення ультрафільтрації на апараті будь-якої конструкції необхідно очистити суміш від твердої фази. Крім того, суспензії, які розшаровуються, розді­лити на мембранних фільтрах неможливо.

Апарат з трубчастими фільтруючими елементами (ТФЕ) може бути найбільш ефективним при розділенні вод но-спиртов их сумішей на воду і спирт (технічний). На рис. 16.8. показано апаратурно-технологічну схему апарата з трубчастими філь­труючими елементами, до складу якої входять циліндричні напівпровідні мембра­ни 1, насос 2, збірник псрмеату (води) З та турбіна рекуперації енергії 4.

Для збільшення поверхні фільтрування сумішей в одиниці об'єму апарата роз­роблені і застосовуються в основному для демінералІзації води установки з рулон­ними фільтруючими елементами (РФЕ). При модернізації такі апарати можуть бути використані для розділення водно-спиртової суміші в режимі зворотного осмосу. Робочим фільтруючим елементом є труба діаметром від 70 до 200 мм, завдовжки від 1 до 10 м, в яку вставлені рулонні мембрани. Посередині труби встановлена фільтрові дві дна трубка, на яку накручена рулонна мембрана. Для утворення дренаж­них каналів між мембраною, по яким проходить вхідна суміш, пакет-мембрану на­кручують на сітку-сепаратор.

477

Рис. 16.8 Апаратурно-технологічна схема апарата з трубчастими фільтруючими елементами

В апаратах з половолоконними фільтруючими елементами (ПВФЕ) всередині кожуха знаходяться джути тонких волокон діаметром 45-200 мкм. Апарат працює за принципом зворотного осмосу і може бути застосований для розділення водно-спиртової суміші.

ЗАСТОСУВАННЯ МЕМБРАННОЇ ТЕХНОЛОГІЇ В СПИРТОВІЙ ПРОМИСЛОВОСТІ