Аппаратурное оформление процессов ультрафильтрации и обратного осмоса

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 или элементам должна равномерно распределяться над мембраной и иметь достаточно высокую скорость течения для снижения вредного влияния концентрационной поляризации;

· перепад давления в аппарате должен быть небольшим.

При конструировании мембранных аппаратов необходимо учитывать также требования, обусловленные работой аппарата при повышенных давлениях: обеспечение механической прочности, герметичности и др. 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 плоскими мембранными элементами;

· с трубчатыми мембранными элементами;

· с мембранными элементами рулонного типа;

· с мембранными элементами в виде полых волокон.

Эти аппараты могут быть корпусными и бескорпусными. По положению мембранных элементов их делят на горизонтальные и вертикальные; по условиям монтажа – на разборные и неразборные.

Основой аппаратов с плоскими мембранными элементами является мембранный элемент, состоящий из плоских (листовых) мембран, уложенных по обе стороны плоского пористого дренажа, либо приготовленных непосредственно на его поверхности. Расстояние между соседними мембранными элементами (межмембранное пространство – канал, по которому протекает исходный раствор) невелико, в пределах 0,5 – 5 мм. Разделяемый раствор последовательно проходит между всеми мембранными элементами, концентрируется и удаляется из аппарата. Часть этого раствора, прошедшая через мембрану в дренаж, образует пермеат.

Аппараты с плоскими мембранными элементами могут быть корпусными и бескорпусными, с центральным и периферийным выводом пермеата, с общим отводом пермеата либо с отводом его отдельно из каждого элемента. По форме мембранные элементы изготовляют круглыми (эллиптическими), прямоугольными или квадратными. Форма элементов существенно влияет на организацию потока разделяемого раствора над поверхностью мембран и на характеристики процесса разделения.

Недостатки плоскокамерных аппаратов – невысокая удельная (на 1 м³ объема аппарата) поверхность мембран – 60 – 300 м². Основные рекомендации по созданию аппаратов данного типа: принцип сборки должен быть секционным, что обеспечивает оптимальный гидродинамический режим; предпочтительной является бескорпусная модель аппарата.

Аппарат типа «фильтр-пресс» представлен на рис. 3.21 (а) и представляет собой вертикальную колонну, состоящую из нескольких секций и двух фланцев, стянутых шпильками. Фильтрат выводится самотеком из каждой секции, содержащей пакет мембранных элементов, чередующихся с уплотнительными прокладками. Пакет уложен в цилиндрическую обечайку.

Рис. 3.21. Схемы основных аппаратов, применяемых при ультрафильтрации и обратном осмосе : а) аппарат типа «фильтр-пресс»; б) аппарат с мембранами в виде полых волокон; 1– сточная вода; 2- очищенная вода; 3- концентрат

 

Паронитовые прокладки толщиной 1 мм, расположенные между мембранными элементами, обеспечивают герметичность секции, а при обжатии шпильками за счет сил трения передают усилие рабочего давления на дренажный материал. Это позволяет в данной конструкции обойтись без специального прочного корпуса и существенно снизить металлоемкость конструкции. Прокладки образуют межмембранные каналы для протока разделяемого раствора, в которые уложены сепараторы-турбулизаторы из крупноячеистой полимерной сетки, улучшающие гидродинамические условия процесса и предотвращающие соприкосновение мембранных элементов.

Переточные отверстия всех мембранных элементов секции совпадают, образуя коллекторы для входа раствора в секцию, распределения его между мембранными элементами и выхода в следующую секцию. Число мембранных элементов в каждой последующей секции по ходу раствора в аппарате (снизу вверх) уменьшается, что обеспечивает необходимую скорость раствора в любом межмембранном канале.

Аппараты этого типа нашли применение для очистки и концентрирования сточных и природных вод.

Из аппаратов с трубчатыми мембранными элементами наибольшее применение получили аппараты с мембраной внутри трубки.

Они имеют следующие преимущества:

· малая материалоемкость из-за отсутствия корпуса;

· низкое гидравлическое сопротивление потоку пермеата в связи с небольшой длиной дренажного канала;

· хорошие гидродинамические условия работы мембраны, т. е. равномерное движение потока раствора с высокой скоростью над ее поверхностью и отсутствие застойных зон;

· возможность механической очистки мембранных элементов от осадка без разборки аппарата;

· удобство установки трубчатых мембранных элементов в аппараты;

· надежность герметизации аппарата.

Недостатки аппаратов этого типа: малая удельная поверхность мембран в аппарате (60 – 200 м²/м³); необходимость повышенной точности изготовления и механической обработки внутренней поверхности дренажного каркаса; невозможность визуального контроля процесса формования мембран.

При расположении мембраны снаружи трубки можно получить трубчатые мембранные элементы малых диаметров, что позволяет значительно увеличить удельную поверхность в аппарате. Кроме того, не требуется высокой точности обработки дренажного каркаса аппарата и возможен контроль процесса формования мембраны. Однако эти аппараты по сравнению с аппаратами, в которых мембрану располагают внутри трубки, отличаются большой материалоемкостью (необходим корпус, выдерживающий рабочее давление), плохими гидродинамическими условиями; их сложнее очищать от осадка, а при замене трубчатых мембранных элементов повредить селективный слой мембран.

В аппаратах с комбинированным расположением мембран в трубчатых мембранных элементах мембраны помещаются на дренажном каркасе как внутри труб, так и снаружи их. Аппараты этого типа имеют наибольшую удельную поверхность мембран. Однако помимо недостатков, характерных для аппаратов с трубчатыми мембранными элементами, в которых мембраны расположены внутри или снаружи труб, аппараты этого типа имеют значительное гидравлическое сопротивление из-за большой протяженности пути пермеата внутри трубки. Трубчатые мембранные элементы различаются конструкцией дренажного каркаса и способом крепления на нем мембраны.

Аппараты с трубчатыми мембранными элементами чаще применяют для разделения ультра- и микрофильтрацией растворов, в которых возможно образование осадка.

Аппараты с рулонными мембранными элементами имеют следующие преимущества:

· высокую удельную поверхность мембран (300 – 800 м²/м³);

· малую металлоемкость;

· многие операции при сборке мембранных элементов могут быть механизированы.

Недостатки аппаратов этого типа – сложность монтажа пакетов некоторых конструкций, необходимость замены всего пакета при повреждении мембраны, высокое гидравлическое сопротивление, как межмембранных каналов, так и дренажного листа.

Аппараты с полыми волокнами (рис.3.17,б) 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 или разделении газов.

Аппараты с полыми волокнами выгодно отличаются от других тем, что они:

· просты по устройству;

· технологичны в изготовлении;

· легко собираются и удобны в эксплуатации;

· вследствие малых диаметров волокон обеспечивается высокая удельная поверхность мембран – 20 – 30 тыс. м²/м³.

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.

В промышленности используют модульные технологические схемы очистки с несколькими ступенями концентрирования. Концентрат предыдущей ступени является исходным раствором для следующей. Количество модулей в каждой последующей ступени обычно сокращается с учетом уменьшения потока воды в результате образования пермеата. На рис. 3.22 представлена двухступенчатая схема установки ультрафильтрации или обратного осмоса.

Рис. 3.22. Двухступенчатая схема очистки сточных вод методом

ультрафильтрации или обратного осмоса