5.11. Мембранные аппараты

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 и элементам должна равномерно распределяться над мембраной и иметь достаточно высокую скорость течения для снижения вредного влияния концентрационной поляризации; при этом перепад давления в аппарате должен быть по возможности небольшим. При конструировании мембранных аппаратов необходимо учитывать также требования, обусловленные работой аппарата при повышенных давлениях: обеспечение механической прочности, герметичности и др. Создать аппарат, который в полной мере удовлетворял бы всем перечисленным требованиям, по-видимому, невозможно. Поэтому 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 мембранами 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. В зависимости от конструкции аппаратов и схемы установок аппараты могут работать как в режиме идеального вытеснения, так и в режиме идеального перемешивания.

Аппараты с плоскими мембранными элементами. Основой аппаратов является мембранный элемент, состоящий из плоских (листовых) мембран, уложенных по обе стороны плоского пористого материала – 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 (фильтрат).

Аппараты с плоскими мембранными элементами выпускают в различных модификациях: 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) и прямоугольными или квадратными. Форма элементов существенно влияет на организацию потока разделяемого раствора над поверхностью мембран и на характеристики процесса разделения.

Мембранные аппараты с элементами эллиптической или круглой формы имеют ряд существенных недостатков: нерациональный раскрой листовых материалов (мембран, опорных пластин и т.д.); сложность герметизации переточных отверстий как при склеивании, так и при использовании специальных уплотняющих элементов или разделительных пластин с фигурными проточками либо отверстиями; неравномерность движения разделяемого раствора в поперечном сечении межмембранного канала и возможность образования застойных зон. Эти недостатки устранены в аппаратах с плоскими мембранными элементами прямоугольной формы.

Недостатки плоскокамерных аппаратов – невысокая удельная (на 1 м³ объема аппарата) поверхность мембран – 60…300 м², а также то, что сборка аппаратов и замена мембран осуществляются вручную.

Основные рекомендации по созданию аппаратов данного типа:

• целесообразной формой мембранного элемента является прямоугольная (в плане);

• принцип сборки аппаратов должен быть секционным, что обеспечивает оптимальный гидродинамический режим;

• предпочтительной является бескорпусная модель аппарата.

Аппараты с трубчатыми мембранными элементами. Устройство аппаратов этого типа определяется конструкцией комплектующих их мембранных элементов.

Из аппаратов с трубчатыми мембранными элементами наибольшее применение получили аппараты с мембраной внутри трубки. Они имеют следующие преимущества: малую 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 отсутствием 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 мембран в аппарате. Кроме того, не требуется высокой точности обработки дренажного каркаса аппарата и возможен контроль процесса формования мембраны. Однако эти аппараты отличаются большой материалоемкостью, плохими гидродинамическими условиями; их сложнее очищать от осадка, а при замене трубчатых мембранных элементов легко повредить селективный слой мембран.

Аппараты с трубчатыми мембранными элементами нашли широкое применение для разделения ультра- и микрофильтрацией растворов, в которых возможно образование осадка, а также для опреснения обратным осмосом воды с высокой концентрацией солей.

Аппараты с рулонными мембранными элементами имеют 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 можно разделить на следующие группы:

• с параллельным расположением полых волокон;

• с цилиндрическими мембранными элементами;

• с U-образным расположением полых волокон.

Эти аппараты 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 (до 10 МПа) или разделении газов.

Аппараты с полыми волокнами просты по устройству, технологичны в изготовлении; они легко собираются и удобны в эксплуатации. В этих аппаратах вследствие малых диаметров волокон обеспечивается очень высокая удельная поверхность мембран –до 20–30 тыс. м²/м³. Поэтому 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 волокон.