Мембраны: понятие и виды

     - от температуры

     - от давления

     - от вязкости

     - от степени турбулизации потока  жидкости над мембраной.

     Мембранные  процессы и мембранные технологии в целом имеют один существенный отрицательный эффект – это явление концентрационной поляризации мембран.

     

     Вследствие  этого явления задерживаемые  частицы над мембраной обладают более высокой концентрацией, чем  в основном объеме жидкости. Эти частицы создают своеобразный молекулярный слой, являющийся барьером для проходящего потока. 

     

     Вследствие роста концентрации задерживаемых частиц в определенный момент их молекулы начинают агрегироваться и оседать на поверхности мембраны в виде геля. Это явление называют гелевой поляризацией.

     И концентрационная и гелевая поляризация  – отрицательные явления. На практике их пытаются устранить с помощью следующих приемов:

     - увеличение подвижности фильтруемой  жидкости (снижение вязкости)

     - повышение температуры

     - турбулизацией потока над мембраной  (увеличение скорости потока; применение  турбулизационных насадок – препятствий;  введение в жидкость включений  в виде шариков, которые также  турбулизируют поток; применение  вибраций мембраны). 
 

Конструкции мембран, мембранных модулей и установок 

     Типы  мембран:

1. плоские (листовые)
2. половолоконные
3. трубчатые
4. рулонные

 

     Плоские мембраны выпускаются в виде листов различной ширины, длины и конфигурации (овальные, квадратные и т.д.), которые  зависят от конструкции мембранной установки.

     Мембранным  модулем называют конструкцию, состоящую из нескольких фильтрующих элементов. Все мембранные фильтрующие элементы устроены одинаково.

     Плоские фильтрующие элементы формируют  плоскорамный мембранный модуль. Отдельным  фильтрующим элементом в таком модуле является плоская рамка, которая разнообразна по конфигурации. Она выполняет роль дренажного устройства для отбора фильтрата и одновременно является подложкой для мембраны.

     Плоские рамки снижают механическую и  гидравлическую нагрузку на помещенные на них мембраны.

     Плоские рамки в виде прямоугольников, которые  выпускаются промышленностью имеют  следующий вид:

Рисунок 15. Схема сборки электродиализного пакета:

1- электродная плита   в сборке  с электродной   камерой;   2- внутренние перегородки электродной   камеры;   3 — направляющие  стержни;     4 — катионитовая мембрана; 5 – пазы для стяжных болтов; 6 — прокладка-турбулизатор; 7 — рамка камеры; 8- анионитовая мембрана; 9 — катионитовая мембрана; 10 — коллекторы.

     Дренажная основа может быть изготовлена из различных пористых материалов (пористый полипропиленов, фторпластов и т.д.), сверху дренажная основа покрыта тканью (лавсан,,,). 

     Плоскорамные  модули представляют собой конструкцию  сходную с фильтр-прессом. Рамки  мембраны и резиновые прокладки устанавливаются в определенную матрицу для удобства сборки и стягиваются затем между двумя сплошными плитами с помощью шпилек и гаек с усилием, необходимым для герметизации всей конструкции.

     

 

     Конструкция плоскорамных модулей может позволять жидкости циркулировать на поверхности мембран либо последовательно, либо параллельно (в обратносомотических установках).

     При параллельной организации потока жидкости в надмембранном пространстве площадь  поперечного сечения канала равна  сумме всех площадей канала между двумя мембранными элементами (рамка с мембраной). За счет этого скорость потока снижается и снижается гидравлическое сопротивление потоку перекачиваемой жидкости (важно для высоковязких сред).

     Недостатки  плоскорамных модулей: 

1. высокая трудоемкость при сборке и замене мембран и мембранных элементов
2. значительный вес конструкции
3. необходимость разборки всего модуля даже при замене одной мембраны, вышедшей из эксплуатации (повреждение, брак, неправильность размещения рабочей поверхности мембран в отношении жидкости).
4. значительное гидравлическое сопротивление потоку перекачиваемой жидкости.
5. невозможность создания высоких скоростей потока среды (не более 10 м/с).
6. наличие тупиковых зон, в которых со временем накапливаются выпавшие в осадок задерживаемые вещества.

 

     Преимущества  плоскорамных модулей: 

1. простота  конструкции
2. компактность
3. значительная упаковочная площадь мембран по сравнению с другими мембранными элементами и модулями
4. возможность визуального контроля за работой отдельных мембраных элементов (по прозрачности фильтрата, у каждой рамки свой отводящий патрубок для фильтрата)

 
 

     Половолоконные мембраны 
 
 

     В трубчатых мембранных элементах  как и в половолоконных при  выходе из строя хотя бы одного фильтрующего элемента замене подлежит целый модуль

     В трубчатых модулях упаковочная  плотность мембраны гораздо меньше, чем в плоскорамных и половолоконных.

     Однако, трубчатые мембраны находят большее  применение для фильтрования вязких сред. В таких мембранах можно  создать очень высокие скорости потока вплодь до 15 м/с вследствие чего отрицательное влияние концентрационной поляризации в таких мембранах минимальное. 
 

     Рулонные  мембраны, элементы и модули 
 
 

6. Мембранные разделительные  модули

     Для осуществления разделительного  процесса должны быть организованы потоки исходной смеси, пермеата (фильтрата) и транзита (концентрата). (см. приложение) Конструкции промышленных установок оказалось удобнее компоновать отдельными стандартными модулями из мембранных элементов, которые компактны и взаимозаменяемы. Большие разделительные аппараты и установки состоят, таким образом, из модулей, совокупность которых обеспечивает разделение исходного потока смеси.

     Модули  имеют разнообразную конструкцию, основными из которых являются: плоскорамные, рулонные и половолоконные.

     Организация потоков в плоскорамном модуле и  типичная конструкция модуля с плоскими мембранными элементами показана в  приложении. В корпусе аппарата на трубчатом коллекторе герметично закреплены мембранные плоские элементы. Во фланцах  находятся отверстия для ввода исходной смеси и отвода транзита (концентрата) соответственно. Между элементами параллельно расположены проставки, изготовленные из отрезков проволоки, сваренных в местах пересечения под углом 60⁰, или же из ткани. Концы элементов утоплены в стенку из кремнийорганической смолы, полиуретана, эпоксидной или любой полимеризующейся смолы. Мембранный элемент (см. приложение) имеет пористую опору с полупроницаемой мембраной на противоположных концах. В центре элемента предусмотрено отверстие под коллектор. На мембранный элемент преимущественно круглой формы нанесена на концах по периферии смолистая масса для его герметизации. Это позволяет еще на стадии сборки, до введения элемента в корпус, проверить характеристики каждого элемента и герметичность их соединения со стенкой.

     Рабочая поверхность мембранного элемента в сборе составляет 70%, остальная  часть загерметизирована в стенке. Вариантом конструкции является мембранный элемент, сохраняющий все  конструктивные единицы, но имеющий  по периферии элемента два диаметрально противоположных скоса.

     Модуль  работает следующим образом: разделяемая  смесь вводится через отверстие  и далее последовательно проходит секции мембранного элемента в направлениях, указанных стрелками. При этом часть  смеси проникает через мембрану и отводится из модуля через коллектор (пермеат, фильтрат). Непроникшая часть смеси (транзит, концентрат) выводится из модуля через отверстие. Данную конструкцию модуля с плоскими мембранными элементами можно считать базовой.

     Рулонный  модуль.

     Мембранная упаковка разделительного модуля рулонного типа (приложение) состоит из гибких ленточных элементов. Основной элемент представляет собой непрерывную полосу проницаемой мембраны. Элемент, являющийся опорой для мембраны и служащий для разделения потоков, выполнен в виде гибкой пластмассовой ленты. Продольные каналы предназначены для подвода перерабатываемой смеси, а поперечные – для отвода пермеата (фильтрата). Мембрана вместе с гибкой опорой наматывается на перфорированную трубу.

     Мембранная  рулонная упаковка помещается в корпус (приложение), в котором может быть размещено несколько таких упаковок.

     Модули  рулонного типа отличаются простотой  изготовления. Их общим недостатком  является сложность коллектирования  потоков.

     Модули  из полых волокон представляют наибольший интерес по сравнению с мембранными модулями других видов, так как с их помощью можно создавать разделяющую поверхность 30 тыс. м² в 1м³ половолоконной упаковки для разделения газовых смесей. Применение в качестве мембранных элементов полых волокон обеспечивает наибольшую удельную поверхность мембран в единице объема модуля, что способствует созданию компактных и высокопроизводительных аппаратов.

     Конструкция половолоконных разделительных модулей  развивается в двух направлениях:

• безопорная укладка волокон в корпусе (рис. );
• укладка волокон на опорную трубу, которая служит также распределителем потоков смеси (рис ).

     Вертикальный  вариант модуля с безопорной укладкой полых волокон может содержать  до 1 млн. волокон в зависимости  от их толщины и требуемой производительности модуля. Один конец каждого волокна в пучке заделан в трубной решетке, и каналы полых волокон сообщаются с нижним (выходным) штуцером. Трубная решетка (заделка) пучка полых волокон может формоваться заливкой герметизирующего материала вокруг пучка или путем пропитки концов волокон герметизирующим материалом в процессе компоновки полых волокон с образованием пучка. В качестве герметизирующихся материалов используются отвержденные жидкие составы полимеров (эпоксидные смолы, уретаны и т.д.), припои, клеи, воски.

     Верхний конец каждого волокна заделывается так же, как и в трубчатой  решетке, за исключением того, что  каналы полых волокон не сообщаются через заглушку (заперты). Данное уплотнение может свободно перемещаться в продольном направлении и собственно массой обеспечивает продольное уплотнение пучка волокон на 0,5%. Наружный диаметр волокон составляет 150 – 800 мкм, А толщина стенки волокон зависит от прочностных характеристик материала и может составлять 50–300 мкм. Эффективная длина полых волокон может варьироваться в широких пределах от 0,2 до 20 м.

     Ввод  исходного потока высокого давления осуществляется через питательный  штуцер вблизи днища с внешней  стороны волокон, поскольку полое  полимерное волокно обычно лучше  противостоит давлению сжатия, чем внутреннего расширения. Поток смеси распределяется радиально в направлении от питательной зоны и поднимается вдоль оси, обтекая полые волокна. Компоненты, проникшие через мембрану (пермеат), проходят вниз по полости внутри волокон, противотоком к течению исходной смеси. Поток (транзит), который не проникает через мембраны, выходит из модуля сверху при давлении, почти равном давлению в питающем потоке.

     Разработаны также варианты горизонтального  модуля, в которых для плотного продольного прилегания пучка волокон к внутренней поверхности корпуса между заглушкой и днищем устанавливается неупругая вставка или пружина.

      

     Модуль  с укладкой волокон  на опорную трубу.

     Конструкция мембранного половолоконного модуля с укладкой волокон на опорную  трубу (см. приложение) состоит из корпуса, половолоконной упаковки на опорной перфорированной трубе, штуцеров, уплотнителей, клеевых блоков, крышек и уплотнительных колец. Такая конструкция позволяет работать разделителю, как в горизонтальном, так и в вертикальном положении, при подаче исходной смеси как внутрь, так и снаружи волокон (см. приложение). Для подачи снаружи волокон исходную смесь направляют в перфорированную трубу, откуда она подается в межволоконное пространство. Проникая внутрь волокон и обогащаясь легкопроникающим компонентом, смесь выходит через патрубок верней и нижней крышек модуля. Непроникшая смесь, обедненная легкопроникающим компонентом. Отводится через боковой патрубок.

     7. Типовые схемы  соединения разделительных  модулей

     Параллельное  и последовательное соединения модулей