Выбор аппарата и определение его основных характеристик
Наиболее часто для проведения процесса ультрафильтрации используют аппараты типа фильтр-пресс с плоскокамерными фильтрующими элементами; аппараты с трубчатыми фильтрующими элементами и аппараты с мембранами в виде полых волокон. Сборку и разборку аппаратов первого типа проводят вручную, поэтому их не используют в установках большой производительности. Однако при небольшой потребной производительности они обладают рядом преимуществ по сравнению с другими типами аппаратов ультрафильтрации: возможностью выявления и замены поврежденных мембран, многократного использования сепарирующих и дренажных материалов при замене мембран, отработавших срок службы.
Учитывая, что потребная производительность в рассматриваемом случае невелика, выберем аппарат типа фильтр-пресс. Среди аппаратов этого типа следует отдать предпочтение бескорпусным. Такие аппараты не имеют массивного корпуса, рассчитанного на работу при высоких давлениях, благодаря чему снижается металлоемкость и достигается относительно высокая удельная поверхность мембран.
Аппарат (общий вид ультрафильтрационного аппарата ) состоит из ряда секций, стянутых между собой крышками 11, 12 с помощью шпилек 14 и гаек 15. Каждая секция представляет собой пакет мембранных элементов, чередующихся с уплотнительными прокладками. Пакет уложен в цилиндрическую обечайку. Прокладки 13 обеспечивают герметичность секции и благодаря силам трения при обжатии шпильками передают усилие рабочего давления на дренажный материал (этот эффект позволяет в данной конструкции обойтись без специального корпуса). Между элементами располагаются сетки- сепараторы, предотвращающие соприкосновение элементов и создающие каналы для протекания разделяемого раствора. Переточные отверстия всех мембранных элементов секции совпадают, образуя коллекторы для входа раствора в секцию, распределения его между элементами и выхода в следующую секцию. Число мембранных элементов в каждой последующей секции по ходу раствора в аппарате уменьшается, что обеспечивает необходимую скорость раствора в любом межмембранном канале.
Мембранный элемент (выноска I) состоит из двух мембран, уложенных на подложки из мелкопористого материала, между которыми размещается дренажный материал. Для предотвращения вдавливания мембран и подложек в дренажный материал между подложками и дренажом располагаются кольца из тонкого жесткого материала (лавсана). Мембраны, расположенные по обе стороны дренажного слоя, приклеиваются одна к другой по периферии переточных отверстий. Исходный раствор поступает в аппарат через штуцер Б в нижнем фланце и последовательно проходит все секции. В каждой секции раствор движется параллельными потоками по межмембранным каналам. Пройдя вдоль мембран, раствор собирается в выходном коллекторе секции и поступает во входной коллектор следующей секции. Концентрат (ретентат) выходит из аппарата через штуцер В верхнего фланца. Фильтрат (пермеат) движется внутри каналов, образованных дренажными сетками, в радиальном направлении, поступает в обечайки и из них сливается через отводные патрубки Г – Н.
Диаметр аппарата определяется шириной выпускаемого мембранного полотна (0,45 м). Переменными величинами могут быть толщина сепарирующей сетки и дренажного слоя (составленного из собственно дренажного материала и двух подложек), а также число секций.
При уменьшении толщины сетки-сепаратора и дренажного слоя повышается компактность установки, но растет гидравлическое сопротивление. Поэтому наиболее правильно проводить выбор сепараторов и дренажей на основе технико-экономических расчетов. Для целей настоящего проекта можно принять, исходя из практики, следующие значения: толщина сепаратора δс = 0,5 мм; толщина дренажной сетки δд = 0,4 мм; толщина подложки и мембраны соответственно δ1 = 0,2 и δ2 = 0,1 мм.
Диаметр рабочей части мембраны равен общему диаметру за вычетом удвоенной ширины прокладочного кольца. Примем ширину кольца равной 0,025 м. Тогда диаметр мембраны dм = 0,45 – 2·0,025 = 0,4 м.
Рабочая поверхность элемента, включающего две мембраны, равна:
,
где dпер = 0,02 м – диаметр переточного отверстия.
Общее число элементов в аппарате n = F / Fэ = 54/ 0,25 = 116.
Проведем секционирование аппарата, исходя из необходимости обеспечения примерно одинакового расхода разделяемого раствора во всех сечениях аппарата. Число элементов в первой секции определим из соотношения 
, для последующих 
[1, с. 131-133].
Средний расход раствора в канале:
- для первой секции
(3)
- для последней секции
(4)
Отношение средних расходов:
. (5)
Уравнение (5) определяет соотношение расходов в крайних секциях, отвечающее принятому значению q. Детальный анализ этого уравнения показывает: чем меньше q, тем больше соотношение расходов, поэтому, снижая q и тем самым уменьшая степень изменения расхода по длине каждой секции, мы одновременно увеличиваем неравномерность расходов между секциями.
С целью выбора оптимального значения q проведем несколько вариантов секционирования, задаваясь различными значениями q.
Расход пермеата на одном элементе
.
Примем q = 1,6. Тогда
.
Для последующих секций:
; 
;
; 
;
Суммируя число элементов, получим:
.
Соотношение расходов:
.
Примем q = 1,4. Тогда
; 
;
; 
;
; 
;
; 
.
Вычтем один избыточный элемент из первой секции. Т.е., n1 = 36. Тогда
.
Примем q = 1,2. Получим:
; 
;
; 
;
; 
;
; 
;
; 
;
; 
;
.
Добавим по одному недостающему элементу к первой, второй и третьей секциям. Т.е., n1 = 22. Тогда
.
Примем q = 1,1. Получим:
; 
;
; 
;
; 
;
; 
;
; 
;
; 
;
; 
; 
; 
; 
; 
; 
; 
.
Рассчитаем соотношение расходов:
.
Сведем все варианты расчета в таблицу 2.
Таблица 2. Характеристики вариантов компоновки аппаратов
| q | 1,6 | 1,4 | 1,2 | 1,1 |
| m | ||||
| 1,113 | 1,115 | 1,279 | 1,108 |
На основе этих данных строим график зависимости отношения 
и числа секций m от q (рисунок 1). [ 2, с 135]
Из рисунка 1 можно видеть, что с увеличением q отношение расходов и число секций сначала быстро снижаются, а затем в интервале q = 1,15…1,20 на кривых наблюдается перегиб, и снижение становится замедленным.
|
Рисунок 1. Зависимость отношения расходов  и числа секций m от параметра q
|
Построив на графике диагональ, можно увидеть, что при q = 1,12 отношение 
= q, т. е. при этом значении q снижение расхода по длине каждой секции равно снижению среднего расхода от первой до последней секции. Однако, по мере концентрирования раствора мембраны загрязняются, что может привести к ускоренному загрязнению мембран в последних секциях, сопровождающемуся снижением удельной производительности, а иногда и селективности. Кроме того, снижение q сопровождается увеличением числа секций, что усложняет конструкцию аппарата. В связи с этим в качестве рабочего значения q целесообразно выбрать значение больше диагонального. Примем для дальнейших расчетов q = 1,4. Для этого значения полученное распределение элементов по секциям приведено в таблице 3.
Таблица 3. Распределение элементов по секциям
| Секция | |||||||
| Число элементов в секции | 9,5 |
Определим средние расходы в каналах первой и последней секции:
;
Отношение 
= 0,00048/0,0004 = 1,127. Найдем отклонение этого значения от полученного в расчетах: (1,115 – 1,127)·100 / 1,115 = 1,1 %.
Такую сходимость следует признать удовлетворительной, учитывая, что в расчетах число элементов в секциях округлялось до целого и в число элементов в первой секции были добавлены два избыточных элемента.