Влияние рабочего давления на проницаемые свойства мембраны УАМ-200

УДК 66.067.38.661.515

ВЛИЯНИЕ РАБОЧЕГО ДАВЛЕНИЯ НА ПРОНИЦАЕМЫЕ СВОЙСТВА МЕМБРАНЫ УАМ-200

© С.И. Лазарев, В. Л. Головашин

Ключевые слова: ультрафильтрация; рабочее давление; мембрана; удельный поток растворителя.

Проведены исследования по определению удельного потока растворителя ультрафильтрационной мембраны УАМ-200 в зависимости от рабочего давления и концентрации исходного раствора. Выявлено, что с повышением рабочего давления удельный поток растворителя возрастает, а затем принимает асимптотические значения, удельный поток растворителя при увеличении концентрации растворенных веществ снижается.

ВВЕДЕНИЕ

В процессе производства этилового спирта из зерна образуются большие объемы водной массы паточной барды [1-3]. Барда - это скоропортящийся малотранспортабельный продукт. Использование барды на корм животным и в качестве удобрений ограниченно из-за большого содержания в ней калия и минеральных солей. Также следует отметить, что при разложении паточной барды выделяются промежуточные продукты с неприятным запахом, отравляющие воздух. В данной работе исследовано обратноосмотическое разделение водной массы паточной барды Новолядинского спиртового завода (Тамбовская область) с целью ее дальнейшего использования во вторичных производствах.

В настоящей работе исследовалось влияние рабочего давления и концентрации растворенных веществ на основную кинетическую характеристику процесса ультрафильтрации: удельный поток растворителя.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Экспериментальные исследования проводились на мембранной разделительной установке трубчатого типа с использованием ультрафильтрационной ацетатцеллю-лозной мембраны УАМ-200 (рис. 1). Данный тип установки выбран исходя из следующих соображений: в растворе присутствуют взвешенные частицы, образующие слой геля на поверхности мембраны, поэтому необходима достаточная скорость потока над мембраной, которую и обеспечивают установки трубчатого типа.

Рис. 1. Схема лабораторной ультрафильтрационной установки

Установка работает следующим образом. Из расходной емкости (1) через систему вентилей высокого давления рабочий раствор нагнетается в камеру разделения плунжерным насосом НД100/63 (2). Пройдя трубчатый мембранный модуль (3), дроссель (5) и поплавковый ротаметр (4), разделяемый раствор по шлангу возвращается в расходную емкость (1). Для сглаживания пульсации давления и расхода в системе установлен ресивер (6), который представляет собой цилиндрический сварной сосуд (V = 3,5 л), предварительно заполняемый сжатым воздухом до давления, составляющего 30^40 % от рабочего, компрессором высокого давления (9).

Давление в установке контролируется образцовым манометром (7), установленным до трубчатого мембранного модуля (3). Кроме измерительного манометра, в установке используется электроконтактный манометр (8), который при превышении давления в системе выше установленного значения отключает плунжерный насос (2) с помощью электроконтактного реле. Расход раствора задается регулированием рабочего хода плунжерного насоса (2). Жидкость, прошедшая в результате разделения сквозь мембраны, собирается в стеклянные емкости (10). Все элементы установки, соприкасающиеся с исследуемыми растворами, изготовлены из нержавеющей стали.

Колебания давления и расхода на описанной установке не превышали 5 % от установленного значения.

Основным элементом экспериментальной ультра-фильтрационной установки является трубчатый мембранный модуль (3), в котором непосредственно происходит процесс разделения.

Эксперименты по определению удельного потока растворителя проводились по нижеизложенной методике. В ультрафильтрационный модуль (3) вставлялась и закреплялась трубчатая мембрана. Затем систему заполняли рабочим раствором. Проводили холостой опыт в течение 30 минут. Затем выключали установку, сбрасывали давление в системе. При этом и по тракту пермеата, и по тракту ретентата установка работала в замкнутом режиме, и оставляли установку на несколько часов (обычно на ночь). После ночной выдержки раствор сливали из установки, перемешивали и заливали в емкость (1). Запускали установку, выводили на рабочий режим и проводили контрольный опыт в течение 4 часов. По окончании контрольного опыта собранный пермеат сливали в емкость (1). Рабочий опыт проводили в течение 30 минут. Время опыта фиксировалось секундомером. После рабочего эксперимента сбрасывалось давление, установка отключалась. Замерялся объем собранного во время рабочего опыта пермеата. Затем по бихроматной окисляемости (ХПК) [4] определялись концентрации растворенных веществ в исходной жидкости и пермеате.

Удельный поток растворителя рассчитывался по формуле (1):

V

Г • т

где 7 - удельный поток растворителя, м3/м2 -с; V - объем собранного пермеата, м3; F - рабочая площадь трубчатой мембраны, м2; т - время проведения эксперимента, с.

ло°

з, і

М 1М 1

8,5

7,5

6,5

5,5

с 1 \ Ч - . -

\

, 4 5

0,5

2,5

4,5

Р, МПа

Рис. 2. Зависимость удельного потока растворителя от давления и концентрации исходного раствора. Концентрации С, кг/м3 обозначены: 1 - 23,8; 2 - 26,3; 3 - 27,5; 4 - 28,7; 5 - 30,8

Результаты экспериментальных данных приведены на рис. 2 в виде зависимостей удельного потока растворителя от рабочего давления и концентрации растворенных веществ.

РЕЗУЛЬТАТЫ

При ультрафильтрационном разделении водного раствора паточной барды рабочее давление и концентрация растворенных веществ оказывают существенное влияние на удельный поток растворителя. Рассмотрим влияние рабочего давления. Повышение рабочего давления приводит к линейному увеличению удельного потока растворителя в области давлений до 2 МПа, а затем к асимптотическому значению удельного потока растворителя. Данный эффект связан с наличием в растворе взвешенных частиц, которые осаждаются на поверхности мембраны, а при увеличении давления при-мембранный слой частиц начинает сжиматься. При этом возрастает сопротивление, складывающееся в общем случае из сопротивления мембраны и сопротивления примембранного гель-слоя [5]. Толщина поверхностного слоя зависит от скорости потока над мембраной и от величины удельного потока растворителя, а также от величины энергии взаимодействия растворенного вещества и мембраны [5, 6].

Стационарное существование толщины гель-слоя определяется сдвиговым напряжением, определяемым значением тангенциального и нормального потоков. Поскольку тангенциальный поток поддерживается одинаковым, а его средняя линейная скорость намного превышает скорость трансмембранного потока, то снижение последнего происходит до тех пор, пока не достигается некоторая оптимальная для данных гидродинамических условий толщина, при которой скорость подвода частиц к мембране уравновешивается их отводом в ядро потока.

Рассмотрим влияние концентрации растворенных веществ на удельный поток растворителя. Повышение концентрации растворенных веществ приводит к снижению удельного потока растворителя. Данный эффект объясняется как адсорбцией растворенных веществ поверхностью пор мембраны и уменьшением их проходного сечения, так и образованием примембранного гель-слоя, обладающего сопротивлением массопереносу.

Для описания изменения удельного потока растворителя от давления и концентрации предложена следующая расчетная формула:

J = k \APn )• exp

где k1 - коэффициент водопроницаемости мембраны, м3/м2 -с-Па; AP - разность давлений, Па; k2, n, m, A -числовые коэффициенты (табл. 1); T - температура.

Расхождение экспериментальных и полученных с помощью формул (1-2) значений не превышает 15 %, что является достаточным для инженерных расчетов (табл. 2).

Таблица 1

Тип мембраны n m ¿1-10"12 k2 A

УАМ-200 0,16 5 3,409 150 -0,412 -1175

Таблица 2

C, кг/м3 P-105, Па J-106 м3/м2 -с

Экспер. Расч. Погрешн.

23,8 0,5 6,03 6,11 1,38

1 7,15 6,86 -4,20

2 8,61 7,69 -11,31

4 9,10 8,62 -5,40

6 9,13 9,22 0,97

26,3 0,5 5,89 5,89 0,00

1 6,80 6,61 -2,91

2 8,28 7,41 -11,13

4 8,93 8,31 -7,24

6 8,95 8,88 -0,76

27,5 0,5 5,80 5,80 -0,08

1 6,57 6,50 -1,08

2 8,05 7,29 -9,93

4 8,73 8,17 -6,59

6 8,74 8,74 0,00

28,7 0,5 5,6 5,71 1,92

1 6,44 6,40 -0,60

2 7,73 7,18 -7,40

4 8,24 8,05 -2,33

6 8,22 8,61 4,61

30,8 0,5 5,57 5,57 0,00

1 6,36 6,25 -1,80

2 7,25 7,00 -3,44

4 7,91 7,86 -0,70

6 7,91 8,40 6,01

ВЫВОДЫ

При очистке паточной барды от растворенных веществ на ультрафильтрационной мембране образуется поверхностный гель-слой, при этом общее сопротивление складывается из двух составляющих: сопротивления мембраны и сопротивления гель-слоя. Повышение рабочего давления более 2 МПа приводит к уплотнению поверхностного слоя и асимптотическим значениям удельного потока растворителя.

ЛИТЕРАТУРА

1. Артюхов В.Г., Горбатенко В.Г., Гайворонский Я.С. Переработка мелассы на спирт и другие продукты по безотходной технологии. М.: Агропромиздат, 1985. 287 с.

2. Лазарев С.И., Коробов В.Б., Клиот М.Б., Пирогов П.А. Очистка сточных вод производства сульфенамида Ц обратным осмосом // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1993. Т. 36. Вып. 5. С. 76-80.

3. Лазарев С.И., Коробов В.Б., Абоносимов О.А. Влияние давления на эффективность ультрафильтрационной очистки водных растворов спиртовых производств // Изв. вузов. Пищевая технология. 1998. № 1. С. 78-80.

4. Лурье Ю.Ю. Унифицированные методы анализа вод. М.: Химия, 1973. 376 с.

5. Брык М.Т., Цапюк Е.А. Ультрафильтрация. Киев: Наукова думка, 1989. 288 с.

6. Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы. Теория и расчет. М.: Химия, 1986. 378 с.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., по теме «Теоретико-экспериментальные исследования влияния поверхностных явлений на сорбционные и проницаемые коэффициенты пористых тел», ГК № 02.740.11.0272 07.07.2009 г., и по теме «Влияние кинетических параметров на баромембранное разделение промышленных растворов содержащих поверхностно-активные вещества», ГК №П674 от 20.05.2010 г.

Поступила в редакцию 3 декабря 2010 г.

Lazarev S.I., Golovashin V.L. Influence of pressure on penetrated properties of membranes UAM-200

The studies to determine the specific solvent flow of ultrafiltration membrane UAM-200 depending on pressure and initial solution concentration are conducted. It is revealed that with increasing of operating pressure of the solvent flux increases and then takes the asymptotic values, the specific flux of the solvent with increasing concentration of solute decreases.

Key words: ultra-filtration; working pressure; membrane; flux solvent.