Применение вибрационного воздействия для интенсификации мембранных процессов

ТЕХНОЛОГИИ ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

УДК 6641:66.067.38

ПРИМЕНЕНИЕ ВИБРАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ МЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ

© 2010 г. В.Я. Мищенко, Е.М. Кувардина

Курский государственный технический университет

Kursk State Technical University

Представлены результаты экспериментальных исследований процесса ультрафильтрации с применением вибрационного воздействия. Показано, что влияние вибрационного воздействия на процесс ультрафильтрации является эффективным приемом повышения надежности мембранного аппарата.

Ключевые слова: вибрация; ультрафильтрация; мембрана.

In work results of experimental researches of process of an ultrafiltration with application of vibrating influence are presented. It is shown that influence of vibrating influence on ultrafiltration process is effective reception of increase of reliability membran the device.

Keywords:vibration; ultrafiltration; membrane.

Процессы разделения многокомпонентных растворов составляют одну из основных частей технологического цикла ряда отраслей пищевой, микробиологической, химической, фармацевтической и др. видов промышленности.

В технологии производства сахара из сахарной свеклы на этапе экстрагирования сахарозы образуется побочный продукт - свекловичный жом. Выходящий из диффузионного аппарата жом содержит всего 6 - 8 % сухих веществ, поэтому для выполнения с ним других операций (транспортирования, высушивания) отжимается на прессах. В результате прессования жома часть содержащейся в нем свободной воды удается отделить, эта вода получила название жомопрес-совой. Количество образующейся жомопрессовой воды зависит от степени отжатия жома и составляет 35 - 40 % к общей массе сахарной свеклы, поступающей на переработку.

В целях экономии водных ресурсов на сахарных заводах рационально использовать не только конденсат вторичных паров, образующийся при сгущении сока в выпарных установках, но и жомопрессовую воду.

Однако возврат жомопрессовой воды в технологический поток невозможен без предварительной ее очистки от механических и коллоидных включений, а также стабилизации микробиологического фона.

В связи с этим актуальными являются исследования по очистке жомопрессовой воды от ее составляющих на основе мембранных технологий, конечной целью которых является снижение расхода свежей воды в свеклосахарном производстве; уменьшение сброса сточных вод на очистные сооружения, улуч-

шение экологической обстановки в местах расположения сахарных заводов.

В настоящее время во многих технологических процессах широко применяется ультрафильтрация, позволяющая отделять крупные макромолекулы (например, белки и крахмалы). Основной проблемой, возникающей при этом, является образование слоя отложений на поверхности мембраны, состоящего из микрочастиц, коллоидных образований, высокомолекулярных соединений (ВМС) и др. Слой начинает формироваться в начале процесса ультрафильтрации и по мере продолжительности процесса толщина его возрастает, снижая производительность мембранного аппарата. Динамике образования слоя отложений посвящено много работ [1, 2].

Особый интерес вызывает изучение процесса ультрафильтрации в условиях внешнего вибрационного воздействия. Исследование влияния вибрации на процесс перемещения различных сред, в том числе и жидкостей, через поры привлекает внимание многих ученых. В работах [3, 4] показано, что скорость процесса переноса жидкости через мембрану зависит от параметров вибрационного воздействия. В то же время оборудование, реализующее вибрационный перенос жидкостей через мембрану, разработано недостаточно. Поэтому исследования в этой области представляются важными и актуальными как для развития фундаментальной теории процесса, так и для прикладных разработок. В силу сложности математического моделирования процесса трансмембранного переноса жидкости, важную роль играют экспериментальные методы, поэтому в данной работе представ-

лены результаты экспериментальных исследований процесса ультрафильтрационной очистки жомопрес-совой воды при вибрационном воздействии.

Для проведения экспериментальных исследований процесса ультрафильтрации в условиях вибрационного внешнего воздействия был разработан лабораторный комплекс. На рис. 1 показана схема комплекса, основными узлами которого являются мембранный модуль 5, схема которого представлена на рис. 2, и источник вибрации 9, в качестве которого использовался электродинамический вибровозбудитель.

Окончательный спуск концентрата

Рис. 1. Схема лабораторного мембранного комплекса: 1 - емкость; 2, 4 - вентиль расхода жомопрессовой воды; 3 - манометр; 5 - мембранный модуль; 6 - вентиль регулировки давления; 7 - вентиль окончательного сброса концентрата; 8 - насос

Рис. 2. Схема мембранного аппарата с выносным элементом (I), поясняющим движение раствора в межмембранных каналах: 1 - источник вибрации; 2 - вибропередающий

узел

Исследовалось влияние параметров вибрационного воздействия на качество очистки ультрафильтрационных мембран УПМ-50П.

Предварительные эксперименты проводились в диапазоне частот 30 - 100 Гц. Временная продолжительность каждой частоты составляла 1 ч. Для всех частот последовательно определялась скорость фильтрации во всем временном промежутке с интервалом в 10 мин, после чего вычислялась средняя арифметическая скорость фильтрации для каждой частоты колебаний вибратора.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что наибольшая производительность достигается при использовании частот в диапазоне 66 - 68 Гц (рис. 3), при этом производительность аппарата (53,3 л/м2ч) остается постоянной и применение других способов регенерации мембраны в процессе очистки жомопрессовой воды не требуется. При частотах ниже 62 Гц и выше 72 Гц наблюдалось резкое падение производительности аппарата, что можно объяснить тем, что эти частоты не попадают в диапазон резонансных частот аппарата и, следовательно, резко ухудшается очистка поверхности мембран от отложений.

НИ 60

о п _

сх и -1-1-1-1-1-1-

Ь 62 64 66 67 68 70 72

Частота, Гц

Рис. 3. Зависимость производительности мембранного аппарата от частоты вибрации

На рис. 4 приведены динамические кривые процесса ультрафильтрации при различных условиях проведения процесса.

012345678

Время, ч

Рис. 4. Динамические кривые ультрафильтрации: -ф— вибрация отсутствует; ^И— частота вибрации 66 Гц; -Д— частота вибрации 68 Гц

Из рисунка видно, что вибрационное воздействие обеспечивает надежную работу мембранного аппарата, поддерживая высокую производительность процесса очистки жомопрессовой воды постоянной.

Следовательно, использование вибрационного воздействия на процесс ультрафильтрации жомопрес-совой воды является эффективным приемом повышения надежности мембранного аппарата и увеличения срока его работы.

Работа выполнена при поддержке гранта Курск-ГТУ № 1.77.09 П/11.

Литература

1. Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. М.,1978. 351 с.

2. Спичак В.В., Кудрявцев, В.А., Кувардина Е.М. Гидродинамические аспекты ультрафильтрации диффузионного сока. // Изв. вузов. Пищевая технология. 1999. № 5 - 6. С. 78 - 80.

3. Яцун С.Ф., Мищенко В.Я., Яцун С.М. Исследование процесса фильтрации жидких сред через пористую поверхность при вибрационных воздействиях.// Изв. вузов. Машиностроение. 2007. № 5. С. 67 - 74.

4. Влияние резонанса на процесс ультрафильтрации сахарных растворов / В.В. Кудрявцев [и др.] // Изв. вузов. Пищевая технология. 2005. № 4. С. 43 - 45.

Поступила в редакцию 13 апреля 2009 г.

Мищенко Владимир Яковлевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра теоретической механики и мехатроники, Курский государственный технический университет. Тел. (4712) 56-13-59. E-mail: mishenko47@mail.ru

Кувардина Елена Михайловна - канд. техн. наук, доцент, Курский государственный технический университет. Тел. (4712) 58-77-98.

Mishenko Vladimir Yakovlevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department of theoretical mechanics and mechatronics, Kursk State Technical University. Ph. (4712) 56-13-59. E-mail: mishenko47@mail.ru

Kuvardina Elena Michaylovna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Kursk State Technical University. Ph. (4712) 58-77-98.