2. Аппараты с трубчатыми мембранными элементами

Мембранные аппараты такого типа появились одними из первых, но их промышленное применение до сих пор остается ограниченным из-за конструктивных недостатков. На рисунке 5.12 представлена конструкция трубчатого мембранного модуля.

Рис. 5.12. Конструкция трубчатого мембранного модуля

Концы нескольких (от 3 до 7) мембранных элементов с двух сторон залиты эпоксидным компаундом в виде гильзы диаметром 60-100 мм. Трубчатые корпуса мембранных элементов изготовлены из крупнопористого материала путем многослойной навивки на оправку пропитанного клеем синтетического или стекловолокна. Внутренняя поверхность трубок гладкая за счет использования при намотке более тонкого волокна. После двухстороннего формования концевых гильз на внутреннюю поверхность трубок наносят полупроницаемую мембрану методом, который рассматривался в главе 4.

Длина модуля – обычно 2 м, диаметр трубок – 13 мм. Тогда в одном модуле из 7 трубок площадь фильтрации составляет 0,5 м². Понятно, что компактность таких аппаратов невысока – до 200 м²/м³.

Далее каждый модуль размещают в трубчатом корпусе, который функционально выполняет только роль сборника пермеата. На концах трубы между гильзами и торцевыми крышками (рис. 5.13) образуются распределительная камера исходного раствора и сборная камера концентрата.

Рис.5.13. Аппарат с трубчатым мембранным модулем

Аппараты такого типа применяются только в процессах ультра- и микрофильтрации и обычно только в тех редких случаях, когда разделению подвергаются загрязненные твердыми частицами жидкости.

По причине большого условного прохода для снижения влияния КП через мембранный аппарат приходится пропускать очень большие объемные расходы жидкости, что значительно ухудшает энергетику процесса разделения. Иногда для улучшения ситуации внутри мембранных каналов размещают турбулизаторы и вытеснители в виде стержней, шнеков и спиралей.

15. Аппараты с капиллярными мембранными модулями

Капилляры и полые волокна отличаются друг от друга только величиной диаметра, оба вида мембран являются самонесущими, поэтому конструкции аппаратов для них одинаковы.

Принципиальным обстоятельством при конструировании является то, что из-за малого размера внутреннего канала гидравлическое сопротивление его всегда высоко, поэтому в аппарате нельзя использовать длинные элементы. Обычно длина не превышает 1 метра, и для создания больших площадей отдельные волоконца собирают в пучки диаметром до 200 мм. Далее по особой технологии, схема которой представлена на рисунке 5.14, пучки соединяют торцевыми гильзами из эпоксидного компаунда.

Рис. 5.14. Технология изготовления капиллярного мембранного модуля

Конец пучка волокон опускают в чашку с фиксированными размерами (диаметр и высота) и заливают жидким герметиком. Герметик должен заполнить абсолютно все зазоры между волокнами и стенками чашки, поэтому иногда такую заготовку устанавливают на центрифугу и при вращении добиваются абсолютного заполнения зазоров.

После отверждения герметика чашку снимают, и образовавшуюся гильзу обрезают по торцу для открытия залитых герметиком внутренних каналов.

Аналогичную операцию проводят с другим концом пучка капилляров, после чего готовый мембранный модуль помещают в трубчатый корпус и закрывают торцевыми крышками. Открытый торец такого аппарата представлен на рисунке 5.15.

Рис. 5.15. Мембранный аппарат с капиллярным модулем

Исходный раствор можно подавать как в межкапиллярное пространство, так и внутрь волокон. На рисунке 5.16 показаны схемы таких решений.

Если исходный раствор подаётся внутрь каналов (а), то в них нельзя развивать высокие рабочие давления, поскольку механическая прочность каналов значительно меньше при действии давления изнутри.

Рис. 5.16. Схемы капиллярных модулей с подачей исходного раствора

внутрь волокон (а) и в межкапиллярное пространство (б, в)

Во втором же случае практически невозможно бороться с поляризационными явлениями, поскольку обтекание снаружи всех волокон затруднено.

В таких случаях изготавливают мембранный модуль с центральной перфорированной трубой (в), в которую вводят исходный раствор. Внутри модуля образуются радиальные потоки, равномерно обтекающие все капилляры.

Плотность упаковки мембран в аппаратах такого типа достигает 30000 м²/м³для полых волокон и до 3000 м²/м³– для капилляров. Однако это огромное преимущество практически нивелируется очень низкой удельной производительностью мембран – не выше 1 л/м²ч. Самым большим недостатком половолоконных модулей является необходимость тщательной чистки исходного раствора от механических загрязнений.