[На предыдущий раздел]

Среди множества методов снижения влияния концентрационной поляризации (КП) на процесс мембранного разделения имеется группа методов, связанных с использованием движущихся в слое жидкости над поверхностью мембран турбулизаторов. Это различного рода мешалки, совершающие круговое движение; вибрирующие элементы, совершающие колебательные движения под действием потока набегающей жидкости или от внешнего привода; шаровые элементы, совершающие возвратно-поступательные движения либо под действием силы тяжести, либо за счет изменения направления движения потока жидкости [1]. Во всех случаях энергия, необходимая для размывания слоя КП (или гелевого слоя при проведении ультрафильтрации растворов высокомолекулярных соединений), передается в этот слой через посредничество поперечных турбулентных вихрей, возникающих при создании общего турбулентного режима движения всего потока жидкости в межмембранном канале. Тот же эффект наблюдается и при простом ускорении потока жидкости в межмембранном канале до возникновения турбулентного режима.

Одним из конструктивных решений, повышающих КПД турбулизирующих устройств, является изготовление мешалки в виде диска со сложным профилем. Поиск такого турбулизатора велся по принципу “самого плохого колеса центробежного насоса”, то есть такого, у которого возникновение вихрей происходит не на периферии, а по всей площади. Принципиальные результаты такого поиска были опубликованы ранее [2], в настоящей статье рассматриваются некоторые аспекты оптимизации как конструкции мешалки, так и режимов ее ра-боты.

Необходимо сразу отметить, что предлагаемая конструкция разрабатывается для промышленных мембранных аппаратов, оснащаемых плоскими металлокерамическими мембранами “Трумем”, свойства и технология которых опубликованы [3]. Отсюда привязка к конкретным геометрическим и технологическим параметрам: диаметр 270 мм (вписанная окружность в стандартный лист мембраны “Трумем”); испытания на 0,5%-ном растворе натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ) со средней молекулярной массой 200 000 (полное задержание растворенного вещества микрофильтрационной мембраной с выбранным средним размером пор 0,06 мкм, а также очень быстрое развитие КП); регенерация мембраны 1%-ным раствором фермента “Целловиридин Г20Х” при рН 4 и температуре 50°C с последующей отмывкой горячей водой и сушкой при 110°C (высокая термическая и химическая стойкость материала мембраны).

Эксперименты проводились на испытательном стенде в мембранной ячейке, описание которой дано ранее [2]. Ячейка сконструирована таким образом, что гидродинамические режимы в ней полностью адекватны режимам в промышленном мембранном аппарате с общей площадью мембран 3,7 м². В ячейке предусмотрена возможность устанавливать любые мешалки, менять скорость вращения, расстояние до мембраны, место ввода исходного раствора, рабочее давление и температуру. Площадь мембраны в ячейке 0,05 м².

Для возможности унификации и сравнения результатов, полученных на разных образцах мембраны, удельная производительность мембран представлена удельной относительной производительностью G\G₀, где G – проницаемость мембраны по рабочему раствору в условиях опыта, G₀ – начальная (измерено в первые секунды в начале опыта) проницаемость по рабочему раствору. С некоторым допущением можно принять, что это проницаемость в условиях отсутствия дополнительного сопротивления в виде слоя КП. Абсолютные значения удельной производительности образцов мембран по воде составляли G_воды = 300–350 л/м²·ч, начальные по раствору Na-КМЦ G₀ = 19–21 л/м²·ч при рабочем давлении 1,5 кгс/см² и t = 20°C.

Ранее было показано [2], что весьма высоким турбулизирующим эффектом обладают мешалки, выполненные в виде плоского диска с отверстиями, определенным образом расположенными по плоскости. Если исходить из общих представлений о высоких напряжениях сдвига дисковых мешалок [4], то наличие отверстий должно еще более усилить это свойство. Ранее уже было показано, что диск с отверстиями существенно повышает турбулизирующий эффект по сравнению с гладким диском. Вместе с тем естественно предположить, что линейная скорость прохождения турбулизирующего элемента (отверстия в диске) над мембраной, форма и размер этого элемента, а также расстояние до мембраны тоже будут влиять на эффективность разрушения слоя КП. Решению этих вопросов и посвящена настоящая статья.

В экспериментах испытывались мешалки различного профиля, представленные на рис. 1. Во всех случаях эксперименты проводились одинаково: регистрировалось изменение проницаемости мембран во времени до достижения ею некоторого постоянного значения, которое являлось равновесным с действующими в ячейке факторами и считалось результатом опыта. Наиболее значимым параметром представлялась скорость вращения дисков. На рис. 2 показаны две петли, полученные на сплошном диске и на диске по варианту М10. Число оборотов дисков сначала уменьшалось (нисходящие ветви), затем увеличивалось. Отсюда можно сделать следующие выводы:

– число оборотов диска заметно влияет на турбулизирующий эффект;

– перфорированный диск существенно лучше турбулизирует примембранный слой жидкости, чем сплошной;

– для данной геометрии не следует увеличивать число оборотов мешалки больше 400 об/мин в силу несоразмерности добавочного эффекта и дополнительных энергетических затрат;

– размывание гелевого слоя КП происходит и после его формирования (восходящие ветви зависимостей).

При одной и той же частоте вращения сильно меняется линейная скорость движения турбулизирующих элементов в зависимости от расстояния от центра. Чтобы оценить степень турбулизации в различных зонах поверхности мембраны, на ней были выделены 4 кольцевые зоны таким образом, что кольцевые ряды отверстий в мешалке М10 приходились на середину зоны. Ширина каждой зоны составляла 3 см, а при исследовании каждой зоны остальные блокировались клейкой лентой, то есть в проницаемости не участвовали. На рис. 3 показан процесс выхода проницаемости на стационарное равновесное состояние в разных зонах мембраны. Результат интересен следующими обстоятельствами:

– даже при самой большой линейной скорости размер турбулизирующих отверстий в зоне I слишком велик для эффективного разрушения слоя КП;

– в зоне IV результат наихудший, что можно объяснить как низкой линейной скоростью, так и малым размером турбулизирующих отверстий.

Для решения этого вопроса была изготовлена и испытана мешалка по варианту М13 в зоне IV с отверстиями, равными отверстиям на периферии из варианта М10. Результаты испытаний изображены пунктирной кривой на рис. 3 и говорят об уникальности достигнутого эффекта: величина параметра G\G₀ близка к 1, что означает практически полное снятие КП в исследуемой зоне. Теперь можно сделать окончательный вывод, что размеры отверстий в большей степени, чем линейная скорость их движения, ответственны за эффективность разрушения гелевых слоев на мембране.

Итогом этой части исследований стала конструкция мешалки, которую сегодня мы считаем лучшей – вариант М19: отверстия одного диаметра размещены по 4 концентрическим окружностям и сдвинуты друг относительно друга на смежных окружностях на 45°. Оцениваемая по параметру G\G₀ эффективность турбулизации для зоны IV составляет 0,99, для зоны I – 0,96, а для всей поверхности мембраны – 0,97, что явится отличным результатом для промышленных мембранных аппаратов в случае его воспроизведения в реальных условиях.

Для промышленных аппаратов важнейшим обстоятельством является сохраняемость достигнутого результата долгое время. Наблюдать эту сохраняемость мы попытались на испытательном стенде в ходе длительного непрерывного эксперимента, в котором получаемые пермеат и концентрат возвращались обратно в емкость исходного раствора. Постоянными поддерживались также рабочее давление, частота вращения мешалки и температура раствора. Результаты показаны на рис. 4. Через 5 минут после начала эксперимента процесс разделения вышел на стационарное состояние и в следующие 48 часов удельная производительность мембраны отклонялась от равновесной не более, чем на 1%. Можно предположить, что только привходящие факторы могут повлиять на равновесие, как то: температура, концентрация раствора, деградация мембран.

[На Список литературы]

Copyright ©