Фильтровальная установка для разделения частиц суспензии по их размерам
FILTERING UNIT FOR DIVIDING SUSPENSION PARTICLES BY SIZE

Изобретение относится к устройствам для проведения процессов мембранного разделения различных суспензий методами обратного осмоса и ультрафильтрации и может быть использовано в пищевой промышленности, например, для разделения крахмальной суспензии на фракции по размеру крахмальных гранул.
Изобретение может найти применение также в химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, строительной и других отраслях промышленности.
Известен трубчатый мембранный аппарат с внутренним селективным слоем [1].
Недостатком этой конструкции является накопление растворенных веществ у поверхности мембраны, что ведет к увеличению сопротивления и уменьшению движущей силы процесса, а следовательно, и производительности аппарата.
Известен аппарат трубчатого типа, содержащий винтовые лопасти из эластичного материала, соприкасающиеся с поверхностью мембраны и вращающиеся под действием потока жидкости [2]. При вращении лопастей осуществляется очистка мембраны.
Недостатком конструкции является недостаточно эффективная очистка за счет того, что ограничена поверхность контакта лопастей с мембраной.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является трубчатый мембранный элемент [3] - прототип, содержащий пористый трубчатый каркас, расположенную на его внутренней поверхности полупроницаемую мембрану и установленную внутри трубчатого элемента турбулизирующую вставку, состоящую из втулок с отверстиями, имеющими в продольном сечении крылевидный профиль.
2
3
В этом устройстве производительность процесса возрастает за счет увеличения турбулизации потока разделяемого раствора, интенсификации массообмена и удаления высококонцентрированных веществ с поверхности мембраны путем смыва потоком разделяемой жидкости. Очистка мембраны в этом устройстве происходит только за счет увеличения скорости движения разделяемого раствора, достигаемого циркуляцией жидкости через отверстия между втулками без воздействия других физических факторов. Однако, увеличение скорости потока разделяемой жидкости не обеспечивает эффективной очистки мембраны от задержанного ею слоя из осадков микрочастиц и крупных механических загрязнений, что ограничивает производительность известного устройства и является его недостатком. Кроме того к недостатками прототипа еще являются: малая удельная поверхность мембран (60-200 м/м), сложный монтаж трубчатых элементов.
При фильтрации разделяемой жидкой суспензии в мембранных аппаратах в результате концентрационной поляризации на поверхности мембраны образуется слой осадка микрочастиц, содержащихся в суспензии. В результате этого резко ухудшаются характеристики процесса разделения, быстро уменьшается проницаемость мембраны, снижается длительность фильтроцикла (время между регенерациями аппарата).
Для снижения концентрированной поляризации и повышения производительности процесса разделения рекомендуется создание мембранной установки с кавитационным реактором, что приводит к увеличению проницаемости и селективности мембраны вследствие снижения концентрации растворенных веществ в пограничном слое и выравнивания концентрации по всему сечению потока. Для этой цели предлагается применение кавитационного реактора, закрепленного внутри мембранного устройства.
Таким образом, технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение является повышение качества разделения частиц суспензии по их размерам, производительности мембранного процесса разделения суспензий по размерам частиц, эффективности очистки мембраны от задержанного ею слоя из осадков микрочастиц и крупных механических загрязнений, увеличение проницаемости и селективности мембраны, сокращение длительности процесса фильтрования.
Решение технической задачи достигается тем, что фильтровальная установка для разделения частиц суспензий по их размерам, состоящая из пористого трубчатого каркаса, на внешней поверхности которого расположена микропористая подложка с полупроницаемой мембраной, отличающаяся тем, что внутри трубчатого элемента установлен гидродинамический кавитационный реактор, выполненный в виде втулки переменного сечения, состоящей из последовательно расположенных конфузора и проточной камеры, полость проточной камеры выполнена в виде цилиндрического участка и диффузора, внутри диффузора установлен конусный кавитатор, при этом угол у вершины конуса участка диффузора, на котором расположен кавитатор меньше на 5-10 градусов угла у вершины конуса кавитатора, а длина цилиндрического участка равна его диаметру.
При использовании такого кавитационного реактора скорость потока воды, подаваемой внутрь реактора в определенный промежуток времени, будет возрастать по мере уменьшения сечения реактора. Благодаря этому на участке с большой скоростью потока происходит выделение парогазовых пузырьков, которые захлопываются на выходе из реактора, т.е. происходит кавитация. Воздействие кавитации способствует интенсификации процесса очистки мембраны от задержанного ею слоя осадка микрочастиц фильтруемой суспензии.
Суспензия (от позднелат. suspensio-подвешивание) - это дисперсная система, в которой дисперсной фазой являются частицы твердого вещества, находящиеся во взвешенном состоянии, а дисперсной средой - жидкость.
Крахмальная суспензия, подлежащая фильтрованию, представляет собой суспензию с температурой 45-50°С и содержанием 28-32% сухих веществ [4].
Основной величиной, характеризующей процесс фильтрования, является скорость, т.е. количество продукта, прошедшего в единицу времени через единицу площади поверхности фильтра. Эта скорость прямо пропорциональна разности давлений продукта при фильтровании и обратно пропорциональна вязкости фильтрата и общему сопротивлению осадка и фильтровальной перегородки. В дифференциальной форме это равно:
3
2
где W - скорость фильтрования, м/м⋅с;
3
V - объем фильтрата, м;
2
S - площадь поверхности фильтрования, м;
τ - время фильтрования, с;
2
ΔP - разность давлений, н/м (Па);
2
μ - вязкость фильтрата, н.с./м (Па⋅с.);
oc
-1
R - сопротивление слоя осадка, м;
ср.п.
-1
R - сопротивление фильтровальной перегородки, м.
o
-2
где r - удельное объемное сопротивление осадка (сопротивление, оказываемое потоку фильтрата равномерным слоем осадка толщиной 1 м), м;
o
x - отношение объемов осадка и фильтрата.
Таким образом, движущей силой процесса является разность давлений продукта по обе стороны фильтровальной перегородки.
Существенное влияние на скорость фильтрования оказывает вязкость жидкой фазы суспензии. Кроме того, важно учитывать и форму ячеек фильтровальной перегородки. Как известно, крахмальная суспензия содержит частицы (крахмальные гранулы) нативного крахмала. Основной структурной единицей строения (морфологии) нативного крахмала, обуславливающей его физико-химические свойства, является крахмальное зерно (гранула). Выявлено большое разнообразие форм крахмальных зерен. Были идентифицированы крахмальные зерна правильной и неправильной: овальной, округлой или многогранной формы.
Тонкость разделения определяется размером ячейки и формы сетки.
Также важно учитывать и материал, из которого изготовлены перегородки. В пищевой промышленности при разделении крахмальной суспензии наиболее устойчивыми к коррозии и безопасными являются пластмассовые фильтровальные перегородки. Обычно тонкость фильтрования пластмассовых перегородок составляет около 10 мкм, но можно изготовить сетку с ячейками размером в десятые доли микрометра.
Сетчатые фильтрующие элементы часто изготовляют многослойными, что несколько увеличивает тонкость и эффективность очистки, но приводит к росту гидравлического сопротивления фильтрующего элемента пропорционально количеству слоев сеток.
Структура образующегося при фильтровании осадка и, следовательно, его сопротивление потоку жидкости зависят от свойств твердых частиц и жидкой фазы суспензии, от условий фильтрования.
Предлагаемые наименования групп фракций крахмальных гранул нативного крахмала, согласно [5] в соответствии с размерами фракции приведены в табл. 1.
На фиг. 1 схематично показан мембранный элемент, продольный разрез в режиме фильтрования.
При работе в режиме фильтрования подача промывной воды в фильтровальную установку не осуществляется.
Мембранный элемент содержит корпус 6, внутри которого расположен трубчатый каркас 3, выполненный из пористых керамических, металлокерамических или пластмассовых порошковых материалов. На внешней поверхности каркаса расположена микропористая подложка 5, выполненная из пористого или тканого материала. На подложку уложена полупроницаемая мембрана 4, которая может быть выполнена из ацетата целлюлозы, полиамида, мелкопористой керамики или в виде напыленной металлической пленки. Внутри трубчатого мембранного элемента установлен кавитационный реактор 2, выполненный в виде втулки переменного сечения, состоящей из последовательно расположенных конфузора и проточной камеры, полость проточной камеры выполнена в виде цилиндрического участка и диффузора, внутри диффузора установлен конусный кавитатор. Реактор может быть выполнен из полимерного материала любым из известных способов, например, литьем. Подвод исходной суспензии и вывод из него концентрата производится соответственно через патрубки 1, 7.
На фиг. 2 продемонстрированы различные возможные варианты форм ячеек фильтровальной перегородки:
- фиг. 2 а - в виде квадрата;
- фиг. 2 б - в виде круга;
- фиг. 2 в - в виде параллелограмма;
- фиг. 2 с - в виде ромба.
Трубчатый мембранный элемент работает следующим образом.
Исходная суспензия подается под необходимым давлением, определяемым проницаемостью мембраны, подложки и каркаса через патрубок 1, проходит через между стенками мембраны и выводится в виде концентрата через патрубок 7. По мере движения суспензии внутри трубчатого элемента часть его фильтруется через мембрану 4, подложку 5 и пористый каркас 3 и выводится наружу через центральный патрубок.
На фиг. 3 схематично показан мембранный элемент, продольный разрез в режиме промывки.
При работе в режиме промывки подача исходной суспензии в фильтровальную установку не осуществляется. Происходит подача промывной воды внутрь трубчатого элемента с установленным гидродинамическим кавитационным реактором.
По мере протекания процесса фильтрования происходит нарастание слоя осадка на поверхности мембраны 4, скорость процесса снижается. Именно в этот момент вступает в работу кавитационный реактор 2, внутрь которого подается жидкость (промывная вода). При движении этой жидкости внутри кавитационного элемента скорость потока значительной возрастает в узком сечении, создаваемо цилиндром большего диаметра, при этом здесь возникают завихрения и пульсации потока с отрывом его от поверхности мембраны, что способствует смыву слоя осадка с поверхности мембраны и снижения концентрации частиц разделяемой суспензии. Увеличение скорости потока в узком сечении приводит также к уменьшению давления, вплоть до образования вакуума, благодаря чему происходит интенсивное парообразование с выделением газов на этом участке. Парогазовые пузырьки переносятся потоком жидкости за пределы кавитационного реактора в полость трубчатой мембраны с фильтруемой суспензией. Здесь скорость потока жидкости уменьшается, а давление увеличивается, благодаря чему прекращается парообразование. Под действием давления происходит схлопывание парогазовых пузырьков с конденсацией пара (кавитация), которое сопровождается образованием местных гидравлических ударов, воздействующих на поверхность мембраны и вызывающих разрушения слоя осадка, отдаления его от поверхности мембраны с последующих выносом потоком суспензии через патрубок за пределы аппарата. Кавитация сопровождается интенсивным перемешиванием потока, пульсацией давления и скорости, что способствует выравниванию концентрации осадка по сечению потока, увеличению производительности аппарата.
В трубчатом мембранном элементе угол конусности конического участка кавитационного реактора составляет приблизительно 30-40°, и обеспечивает постепенное плавное сужение и последующее расширение потока при минимальных гидравлических сопротивлениях. При большем угле конусности возрастают местные гидравлические сопротивления, при меньшем угле конусности ухудшаются условия для образования кавитационных процессов.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволит повысить производительность процесса разделения суспензий по размеру частиц на фракции, повысить эффективность очистки элемента разделения (мембраны) от задержанного ею слоя из осадков микрочастиц и крупных механических загрязнений, увеличить проницаемость и селективность мембраны, снизить длительность процесса фильтрования.
Источники информации, принятые во внимание при оформлении заявки на изобретение:
1. Дитнерский Ю.И. Баромембранные процессы. Теория и расчет / Ю.И. Дитнерский. - М.: Химия, 1986, 272 с.
2. Заявка Японии № 58-18124, кл. B01D 13/00, 1983.
3. Заявка Российской Федерации № B01D 63/06, 2004.
4. Жужиков В.А. Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий / В.А. Жужиков. - М.: Химия - 1971. - 440 с.
5. Литвяк В.В. Технические условия: ТУ BY 190239501.924-2019 «Крахмал нативный, классифицированный по размеру гранул» /В.В. Литвяк, А.А. Заболотец // РУП «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по продовольствию». Минск, 2019. - 16 с. - Государственная регистрация № 054974 от 23.01.2019 г.