Аппараты для обратного осмоса и ультрафильтрации

Аппараты для обратного осмоса и ультрафильтрации бывают периодического и непрерывного действия. Аппараты периодического действия применяются, как правило, только в лабораторной практике. В промышленности работают проточные аппараты непрерывного действия.

Мембранные аппараты имеют большую удельную площадь поверхности разделения, просты в сборке и монтаже, надежны в работе. Перепад давления в аппаратах небольшой.

Недостатком аппаратов для обратного осмоса является высокое рабочее давление, что требует специальных уплотнений у трубопроводов и арматуры, рассчитанных на высокое давление.

По способу расположения мембран аппараты делятся на аппараты типа «фильтр-пресс» с плоскокамерными фильтрующими элементами, аппараты с цилиндрическими и рулонными элементами и аппараты с мембранами в виде полых волокон.

Перечисленные аппараты состоят из отдельных секции или модулей, что позволяет собирать аппараты с различной площадью поверхности разделения.

Аппарат типа «фильтр-пресс», по конструкции напоминающий фильтр для обычного фильтрования, является наиболее простым мембранным аппаратом.

Основой этой конструкции (рис. I) является фильтрующий элемент, состоящий из двух мембран, уложенных по обе стороны листов «подложки», изготовленных из пористого материала, например полимерного. Листы «подложки» имеют отверстия для прохода жидкости. Эти листы расположены на расстоянии от 0.5 до 5 мм, образуя межмембранное пространство для разделяемого раствора. Пакет фильтрующих элементов зажимается между двумя плитами и стягивается болтами. Фильтруемый раствор последовательно проходит через все фильтрующие элементы и концентрируется. Концентрат и фильтрат непрерывно удаляются из аппарата.

Рис. 1 Мембранный фильтр-пресс (а) и «подложка» (б):

1 — плита; 2 — стяжной болт; З — «подложка»; 4 — мембрана; 5 — отверстие

Аппараты подобного типа применяются в установках для выделения белков из подсырной сыворотки, а также для ультрафильтрации обезжиренного молока и творожной сыворотки.

Производительность аппарата по сыворотке составляет 5, 0 - 6, 8 м³/ч, по концентрату—0, 16-0, 3м³/ч.

Аппарат с цилиндрическими фильтрующими элементами собирается из отдельных цилиндрических фильтрующих модулей (рис. 2).

Цилиндрический фильтрующий элемент (рис. 3) представляет собой сменный узел, собранный из полупроницаемой мембраны и дренажного каркаса. Дренажный каркас состоит из трубы и пористой «подложки», исключающей вдавливание мембраны в дренажные каналы трубы.

Цилиндрические фильтрующие элементы изготавливаются трех типов: с расположением мембраны на внутренней поверхности дренажного каркаса, на внешней и с комбинированным расположением мембраны.

Аппарат с цилиндрическими фильтрующими элементами с мембраной, расположенной на внутренней поверхности дренажного каркаса (рис., 3а), имеет следующие преимущества: малую материалоемкость из-за отсутствия напорного корпуса, небольшое гидравлическое сопротивление, возможность механической очистки фильтрующих элементов от осадка без разборки, надежность конструкции.

Недостатками этой конструкции являются низкая удельная рабочая площадь поверхности фильтрации мембран, высокие требования к сборке элементов.

Конструкции фильтрующих элементов с наружным расположением мембраны (рис. 36) имеют большую удельную рабочую площадь поверхности фильтрации. Однако они более металлоемки и не позволяют осуществлять механическую очистку фильтрующих элементов.

Рис. 2 Мембранный аппарат с цилиндрическими фильтрующими элементами:

 

Цилиндрические фильтрующие элементы с комбинированным расположением мембран (рис. Зв) имеют примерно в 2 раза большую удельную рабочую площадь поверхности фильтраты, чем описанные. Однако такие конструкции обладают значительно большими гидравлическими сопротивлениями из-за большой длины каналов для отвода фильтрата.

а б

Рис. 3 Цилиндрические фильтрующие элементы с различным расположением мембраны:

а - на внутренней поверхности дренажного каркаса; б — на внешней; в- комбинированно; 1 — труба; 2 — мембрана; З — «подложка»

 

Ультрафильтрационные установки с цилиндрическими фильтрующими элементами широко применяются для осветления фруктовых соков. От сока отделяются все вещества, вызывающие помутнение сока, как например, протеин, крахмал, пектин, дубильные вещества большой молекулярной массы, частицы целлюлозы и другие вещества. В осветленном соке содержатся все вещества в натуральном составе.

Аппараты с рулонными фильтрующими элементами выполняются в виде трубы, в которую последовательно вставлено, несколько (плотность упаковки мембран составляет 300— 800м²/м) рулонных фильтрующих элементов (рис. 4а). Каждый элемент состоит из накрученного на отводящую трубу пакета из двух мембран и «подложки». Для создания межмембранного пространства между мембранами устанавливается сетка-сепаратор. Исходный раствор движется по межмембранным каналам в продольном направлении (рис. 46), а фильтрат по спиральному дренажному слою поступает в трубу и выводится из аппарата.

Увеличение рабочей площади мембран в этих аппаратах повышает плотность упаковки, а также снижает стоимость изготовления. Увеличение площади мембран может достигаться за счет увеличения длины и ширины навиваемого пакета. Однако ширина пакета лимитируется размерами мембран и дренажного слоя. Максимальная ширина пакета достигает 900 мм. Длина пакета ограничивается гидравлическим сопротивлением дренажного слоя потоку фильтрата и обычно не превышает 2 м.

Рис. 4 Рулонный фильтрующий элемент (а) и аппарат, заряженный такими элементами (б):

1 — труба; 2 — мембрана; З — < подложка> 4— сетка-сепаратор

 

Эффективность применения мембранных процессов в пищевых производствах рассмотрена ниже.

На рис. 5 показана двухступенчатая схема установки для концентрирования апельсинового сока, работающая с возвратом фильтрата со второй ступени.

Основными аппаратами являются мембранные фильтры-прессы. Материальный баланс процесса представлен на схеме. В результате ультрафильтрации концентрация продукта повышается в 4 раза.

Рис. 5 Двухступенчатая схема установки для концентрирования апельсинового сока.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. В чем сущность процессов обратного осмоса и ультрафильтрации? Каковы общность и различие этих процессов?

2. Для каких целей применяются обратный осмос и ультрафильтрация в пищевой технологии?

3. Какой процесс лежит в основе обратного осмоса? Что является движущей силой процессов обратного осмоса и ультрафильтрации?

4. Чем принципиально отличается ультрафильтрация от обычного фильтрования?

5. Какие мембраны используются в процессах обратного осмоса и ультрафильтрации? Какими свойствами должны обладать мембраны?

6. Какие конструкции аппаратов для проведения процессов обратного осмоса и ультрафильтрации применяются в пищевых производствах?

7. Как устроены аппараты типа «Фильтр-пресс»?

8. Какие конструкции фильтрующих элементов применяют в аппаратах с цилиндрическими фильтрующими элементами?

9. Как устроен рулонный фильтрующий элемент?