Мембранные аппараты

Промышленные аппараты для мембранных процессов должны удовлетворять следующим требованиям: иметь большую рабочую поверхность мембран в единице объема аппарата; быть доступными для сборки и монтажа; жидкость при движении по секциям должна равномерно распределяться на мембране и иметь достаточно высокую скорость течения; перепад давлений в аппарате должен быть по возможности небольшим. При конструировании мембранных аппаратов необходимо учитывать также требования, обусловленные работой аппарата при повышенных давлениях: обеспечение механической прочности и герметичности. Создать аппарат, который в полной мере удовлетворял бы всем перечисленным требованиям, по-видимому, невозможно. Поэтому для каждого конкретного процесса разделения следует подбирать аппарат такой конструкции, которая обеспечивала бы наиболее выгодные условия проведения процесса.

Аппараты для мембранных процессов подразделяют на четыре основных типа, различающихся способом укладки мембран: аппараты с плоскокамерными фильтрующими элементами; с трубчатыми фильтрующими элементами; со спиральными фильтрующими элементами; мембранами в виде полых волокон.

Аппараты с плоскокамерными фильтрующими элементами находят применение в установках небольшой производительности. Типичным является аппарат типа «фильтр-пресс» (рис.4.45).

Аппарат собран из разделяющих элементов, каждый их которых состоит из двух мембран 1, уложенных по обе стороны плоской пористой пластины 2, предназначенной для сбора и стока фильтрата. Пластины расположены на расстоянии 0,5-5 мм друг от друга, образуя камеры 3 для стока разделяемого раствора. Пакет фильтрующих элементов зажимается между двумя крышками 4,5 и стягивается болтами или шпильками 6. Исходный раствор последовательно перетекает через все камеры, концентрируется и в виде концентрата выводится из аппарата. Прошедший через мембраны фильтрат поступает в пористые пластины и через коллектор 7 выводится из аппарата.

Рис.4.45. Схема аппарата с с плоскокамерными фильтрующими элементами:

1- мембраны; 2- пористые пластины; 3- камеры; 4,5-крышки; 6- шпильки; 7- коллектор

Эффективность работы аппарата во многом зависит от материала пластин, воспринимающих высокое давление. В большинстве случаев используют металлические и пластмассовые листы с фрезерованными и высверленными каналами; пористые спрессованные из металлических, пластмассовых и керамических материалов; тканные материалы из натуральных, искусственных, синтетических и металлических волокон; различные виды бумаги, фетра и войлока.

Аппараты типа «фильтр-пресс» просты в изготовлении, удобны в монтаже и эксплуатации, в них легко произвести замену мембран. К недостаткам следует отнести лишь относительно невысокую удельную поверхность мембран (60-300 м²/м³) и ручную сборку и разборку аппарата.

Аппараты с трубчатыми фильтрующими элементами. Основным их узлом является изготовленная из керамики, металлокерамики, пластмассы или металлической ткани пористая труба 1 (рис.4.46.), на внутренней поверхности которой расположена полупроницаемая мембрана.

Внутрь трубы под давлением подают исходный раствор, который, проходя по трубе, концентрируется и выводится и аппарата в виде концентрата. Фильтрат, проникая через мембрану пористой каркасной трубы, собирается в сборнике 2. Давление исходного раствора создается насосом 3, а сброс давления при выводе концентрата из аппарата осуществляется через турбину 4, благодаря которой часть энергии возвращается.

Рис.4.46. Схема аппарата с трубчатыми фильтрующими элементами:

1- пористая каркасная труба; 2- сборник фильтрата; 3- насос; 4- турбина

Трубчатый фильтрующий элемент (рис.4.47) представляет собой сменный узел аппаратов для проведения обратного осмоса или ультрафильтрации, состоящий из полупроницаемой мембраны 1, дренажного каркаса, изготовленного из пористой трубы 2, и дренажной прокладки 3, предотвращающей вдавливание мембраны в каналы пористой трубки и ее разрыв под действием давления рабочей смеси.

Рис.4.47. Трубчатый фильтрующий элемент с мембраной внутри пористой трубки: 1- полупроницаемая мембрана; 2- пористая трубка; 3- дренажная прокладка

К недостаткам аппаратов с трубчатыми фильтрующими элементами следует отнести более сложный монтаж трубчатых элементов, чем у «фильтр-прессов», и невысокую удельную поверхность мембран, равную 60-200 м²/м³.

Аппараты со спиральными фильтрующими элементами имеют более высокую, чем предыдущие, плотность упаковки мембран, достигающей 300-800 м²/м³. Высокая удельная поверхность мембран в таких аппаратах достигается за счет спиральных фильтрующих элементов в виде рулонов 1 (рис.4.48), помещаемых в трубе или в цилиндрическом корпусе 2 высокого давления.

Рис.4.48. Конструктивная схема аппарата со спиральным фильтрующим элементом: 1- спиральный фильтрующий элемент; 2- корпус аппарата.

Спиральный фильтрующий элемент (рис.4.49.), представляющий собой пакет из двух полупроницаемых мембран 1 с расположенным между ними дренажным слоем 2 в виде спирали, который накручивается на фильтроотводящую трубу 3. Вместе с пакетом накручивается сетка-сепаратор 4, образующая спиральный канал, в который под давлением вводится исходный раствор. В процессе навивки спирального фильтрующего элемента кромки пакета для его герметизации проклеивают.

Исходный раствор течет в межмембранном канале с сеткой-сепаратором 4 вдоль оси навивки и выходит с противоположного конца в виде концентрата. Проникающий через мембраны фильтрат движется по спиральному дренажному пористому слою к центральной оси и попадает в фильтроотводящую трубу, по которой и выводится из аппарата.

К достоинствам аппаратов со спиральными фильтрующими элементами относятся большая плотность упаковки мембран, малая металлоемкость, механизированная сборка фильтрующих элементов, высокая производительность аппарата.

Рис.4.49. Схема спиральной укладки полупроницаемых мембран в элементе аппарата: 1- мембраны; 2- дренажный слой для отвода фильтрата; 3- фильтроотводящая перфорированная труба; 4- сетка-сепаратор.

Аппараты с мембранами в виде полых волокон. Эти аппараты нашли широкое применение для разделения растворов обратным осмосом и ультрафильтрацией. Мембраны в виде полых волокон для обратного осмоса обычно имеют наружный диаметр 45-200 мкм и толщину стенки 10-50 мкм, а для ультрафильтрации - соответственно 200-1000 и 50-200 мкм. При таких размерах обеспечивается необходимая прочность волокон под действием рабочих давлений, используемых при жидкофазном мембранном разделении (до 10 МПа) или разделении газов.

Аппараты с полыми волокнами просты по устройству, технологичны в изготовлении; они легко собираются и удобны в эксплуатации. В этих аппаратах вследствие малых диаметров волокон обеспечивается очень высокая удельная поверхность мембран - до 20000-300000 м²/м³. Поэтому они нашли широкое применение в крупнотоннажных химических производствах, в производстве особо чистой воды, в пищевой промышленности, при очистке и разделении газов и т.д. Однако при эксплуатации этих аппаратов предъявляют повышенные требования к предварительной очистке разделяемых смесей от взвесей. В случае выхода из строя части полых волокон приходится заменять весь пучок волокон.

Аппараты с мембранами из полых волокон делятся на следующие группы: с параллельным расположением полых волокон; с цилиндрическими мембранными элементами; с U-образным расположением полых волокон.

Рассмотрим устройство и принцип действия аппарата с мембранами из U-образных полых волокон (рис.4.50.). Они просты в изготовлении и сборке, удобны в монтаже и эксплуатации, имеют низкую материалоемкость, поэтому находят широкое практическое применение.

Рис.4.50. Конструктивная схема аппарата с мембранами из U-образных полых волокон: 1- полупроницаемые мембраны; 2- шайба; 3- пористая подложка; 4- болты; 5- корпус аппарата; 6- крышка аппарата.

Фильтрующий элемент этого аппарата состоит из U-образного пучка 1 полых волокон длиной 1,5-2,0 м и шайбы 2, служащей для склеивания эпоксидной смолой всех открытых концов полых волокон. Шайба 2 опирается на пористую подложку 3. Шайба с подложкой зажаты посредством фланцевого соединения болтами 4 между корпусом 5 и крышкой 6 аппарата.

Аппараты с мембранами в виде полых волокон компактны и производительны. Один аппарат диаметром 240 мм и длиной 1220 мм позволяет обессоливать и получать 50 м³ чистой воды в сутки, что недостижимо в других аппаратах при таких габаритах.