Способы производства пищевых красителей (стр. 7 из 14)
Мембранный аппарат имеет корпус, состоящий из цилиндрической обечайки, конусообразного днища с перфорациями, покрытого дренажным материалом, с нанесенной на него полупроницаемой мембраной, входного, и выходных патрубков, полого фильтрующего элемента в виде спирали, покрытого дренажным материалом, с нанесенной на него полупроницаемой мембраной и установленного параллельно образующей конусообразного перфорированного днища корпуса.
Полость спирали фильтрующего элемента последовательно соединена трубками коллектора с центральной полостью армированного упругого шланга и патрубком отвода фильтрата, при этом фильтрующий элемент заключен в кожух, имеющий тангенциально расположенные отверстия.
Кроме этого, армированный упругий шланг соединен неподвижно с одной стороны с полым валом фильтрующего элемента, а с другой стороны с патрубками отвода фильтрата и подачи исходного раствора.
При этом полый вал соединен с периферийной полостью и имеет тангенциальное отверстие для подачи исходного раствора в межмембранный канал фильтрующего элемента.
Для обеспечения своевременного удаления фильтрата, прошедшего через полупроницаемую мембрану, расположенную на конусообразном перфорированном днище служит сборник с патрубком.
На внутренней поверхности цилиндрической обечайки корпуса по периметру имеется направляющая, контактирующая с роликом, установленным на полом валу фильтрующего элемента.
Корпус мембранного аппарата имеет съемную крышку, оборудованную предохранительным клапаном, манометром и запорной арматурой, состоящей из болта стяжного и маховичка.
Для обеспечения крепления в корпусе мембранного аппарата армированного упругого шланга и соединения его с патрубками подачи исходного раствора и удаления фильтрата имеется гайка фиксирующая и гайки прижимные.
С целью поддержания на необходимом уровне давления (например 0,3 – 0,5 МПа) в мембранном аппарате на патрубке установлен клапан (не показан).
Мембранный аппарат с погружным фильтрующим элементом, вращающимся под действием разделяемого потока, работает следующим образом.
Исходный раствор под давлением (например, 0,3-0,5 МПа), необходимым для разделения раствора поступает через патрубок 6 по периферийной полости армированного упругого шланга тангенциально в межмембранные каналы спирали фильтрующего элемента мембранного аппарата и разделяется с помощью полупроницаемой мембраны на фильтрат, удаляемый из полости спирали фильтрующего элемента мембранного аппарата через трубки коллектора, центральную полость армированного упругого шланга и патрубок, и на концентрат, тангенциально выходящий из отверстий кожуха фильтрующего элемента, который дополнительно фильтруется на полупроницаемой мембране, расположенной на конусообразном перфорированном днище, и выводится из мембранного аппарата за его пределы через патрубок. При этом разделенный на мембране и прошедший через нее фильтрат собирается в сборник и удаляется затем через патрубок.
В результате воздействия энергии потока разделяемого раствора на криволинейную спиралеобразную поверхность каналов фильтрующего элемента и взаимодействия его с продуктом, находящимся в корпусе аппарата, при тангенциальном выходе из отверстий кожуха происходит движение фильтрующего элемента по траектории, определяемой направляющей.
При этом происходит омывание струями продукта поверхности мембраны конусообразного перфорированного днища, что позволяет снизить уровень концентрационной поляризации раствора над мембраной, через которую осуществляется дополнительная фильтрация раствора и его окончательное концентрирование.
Сконцентрированный раствор продукта удаляется из аппарата через патрубок после срабатывания клапана (не показан) при превышении уровня рабочего давления (например 0,3 – 0,5 МПа).
Преимущества предлагаемого мембранного аппарата заключаются в следующем:
- размещение на внутренней поверхности цилиндрической обечайки корпуса по периметру направляющей, контактирующей с роликом, установленным на валу фильтрующего элемента, заключенного в кожух, имеющий тангенциально расположенные отверстия позволяет использовать кинетическую энергию потока для движения фильтрующего элемента, а так же снизить концентрационную поляризацию за счет омывания мембраны конусообразного перфорированного днища;
-выполнение фильтрующего элемента в виде спирали позволяет снизить гидравлическое сопротивление потока жидкости проходящего по его каналам
3. Расчеты, подтверждающие работоспособность разрабатываемого объекта
3.1 Выбор рабочей температуры и перепада давления через мембрану
С повышением температуры разделяемого раствора селективность мембран изменяется мало, а удельная производительность увеличивается в первом приближении обратно пропорционально вязкости пермеата (в том диапазоне температур, где мембраны не разрушаются от термических воздействий). Обратный осмос целесообразно проводить при температуре окружающей среды (обычно 20-25 0С). В тех случаях когда технологический раствор, подвергаемый разделению, уже имеет повышенную температуру, экономически оправдана работа и при температурах выше 25 0С.
С увеличением перепада рабочего давления через мембрану возрастает движущая сила обратного осмоса и увеличивается удельная производительность мембран. Практика применения обратного осмоса показывает, что в условиях длительной эксплуатации оптимальный перепад давления для металлокерамических мембран составляет от 8 до 36 МПа.
Выбираем t = 25 0С, Dр = 8 МПа.
3.2 Выбор мембраны
При выборе мембраны следует исходить из того, что она должна обладать максимальной удельной производительностью при селективности, обеспечивающей выполнение требований к качеству фильтрованного продукта (максимальная биологическая стойкость, содержание экстрактивных веществ, плотность и др.). Кроме того, мембрана должна обладать высокой химической стойкостью по отношению к разделяемому продукту [5].
Применение некоторых типов мембран (керамических или динамических) дает возможность решать весьма специфические технологические задачи, например, очистку сильно агрессивных жидкостей (кислот, щелочей, некоторых органических соединений), где применение полимерных мембран, как и других методов, невозможно или неэффективно. Основные свойства керамических мембран указаны в таблице 3.1
Таблица 3.1 Основные свойства керамических мембран
| Размер пор(порог задержки), мкм | Толщина мембраны, мкм | Состав мембраны | Объемная пористость, % | Производительность по воде, м3/м2/ч | |
| Микрофильтрация | 0,4 - 0,6 | 20 | SIC | 90 | 2500 - 3500 |
| 0,1 - 0,2 | 20 | SIC | 80 | 1500 - 2000 | |
| Ультрафильтрация | 0,03 - 0,05 | 20 + 3 | SIC | 70 | 700 - 1000 |
Для микрофильтрации пива выбираем керамическую мембрану волокнистой структуры типа КМФЭ (ТУ 000-41-002-92). Мембрана предназначена для оснащения фильтровальных аппаратов и выполняется по специальному заказу.
Произведем необходимые расчеты для установки обратного осмоса, предназначенной для умягчения водопроводной воды.
Начиная с концентраций растворенных веществ 0,2 - 0,4 моль/л воды, характеристики обратного осмоса начинают ухудшаться; становится существенным снижение удельной производительности мембран и их селективности, которая для разбавленных растворов остается примерно постоянной. Это приводит к увеличению необходимой поверхности мембран и ухудшению качества воды, что снижает экономичность обратного осмоса. Поэтому примем концентрацию 0,3 моль/ л воды в качестве конечной для степени обратного осмоса. Из [5] определили величину jи = 0,9.
Ниже представлены характеристики ацетатцеллюлозных мембран для обратного осмоса (характеристики установлены при перепаде рабочего давления через мембрану D р = 5 МПа и рабочей температуре t = 25 0С). Использую рекомендации работы [10], находим, что принятое значение соответствует концентрации 3,2 % (масс.)
Таблица 3.2 Характеристики ацетатцеллюлозных мембран для обратного осмоса
| Марка и тип мембраны | Общая пористость, % | Производительность по дистиллированной воде J . 103, м3/(м2 . сут) | Коэффициент задерживания, % |
| МГА – 100 | 75 ± 3 | 300 | 98 |
| МГА – 95 | 75 ± 3 | 500 | 95 |
| МГА – 90 | 75 ± 3 | 600 – 800 | 90 |
| МГА – 80 | 75 ± 3 | 1000 – 1200 | 80 |
| МГА - 70 | 75 ± 3 | > 1200 | 70 |
Рассчитаем истинную селективность мембран приняв в первом приближении, что наблюдаемая селективность равна истинной, определим концентрацию растворенного вещества по формуле:
, (4.1)где К – степень концентрирования, равная:
, (4.2)где Х1н, Х1к – начальная и конечная концентрация водопроводной воды для процесса обратного осмоса.
К =
.Подставляя известные величины в формулу (4.1) окончательно получим:
1,31 . 10-3 кг соли/кг раствора.Расход пермеата найдем по формуле: