Методы интенсификации гидромеханических процессов

Б. А. Лобасенко, В. Н. Иванец




            МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ


Учебное пособие




















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 532
ББК 30.123
     Л68


Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор (ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет) А. М. Попов;
д-р техн. наук, профессор (ФГБОУ ВО «Кузбасская государственная сельскохозяйственная академия») С. Н. Кравченко




     Лобасенко, Б. А.
Л68 Методы интенсификации гидромеханических процессов : учебное пособие / Б. А. Лобасенко, В. Н. Иванец.| - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2023. - 100 с. : ил., табл.
           ISBN978-5-9729-1313-8


           Представлены методы интенсификации гидромеханических процессов, рассмотрены теоретические основы мембранных процессов и перемешивания. Приводятся конструкции основных аппаратов, используемых для этих процессов, анализируются основные тенденции их развития. Представлены оборудование и установки, разработанные на основе научных исследований авторов.
           Для студентов, обучающихся по направлению подготовки магистратуры 15.04.02 «Технологические машины и оборудование».


                                                         УДК 532
ББК 30.123














ISBN 978-5-9729-1313-8

   © Лобасенко Б. А.,|Иванец В. Н.,|2023
   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

Оглавление


ВВЕДЕНИЕ......................................................4
1. МЕМБРАННЫЕ ПРОЦЕССЫ........................................5
1.1. Классификация мембранных процессов.......................5
1.2. Основные типы полупроницаемых мембран....................6
1.3. Качественные и количественные характеристики мембранных процессов .. 9
1.4. Физическое и математическое моделирование трансмембранного переноса.....................................................10
1.5. Явление концентрационной поляризации и гелеобразования..17
1.6. Классификация мембранных аппаратов. Конструкции мембранных аппаратов, оценка их работы..................................23
1.7. Интенсификация мембранных процессов.....................27
1.7.1. Способы интенсификации на основе типовых методов......27
1.7.2. Интенсификация мембранных процессов на основе аппаратов с отводом поляризационного слоя..............................31
1.8. Схемы мембранных установок и их сравнительная оценка....43
1.8.1. Типовые мембранные установки...................................43
1.8.2. Мембранные установки на основе оборудования с отводом поляризационного слоя........................................47
2. ПРОЦЕССЫ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКОФАЗНЫХ СРЕД............................50
2.1. Процесс перемешивания и его характеристики..............50
2.2. Способы перемешивания и конструкции механических мешалок.........50
2.3. Гидродинамика перемешивания жидкофазных систем..........59
2.4. Явление образования воронки в жидкофазных системах......63
2.4.1. Меры, предупреждающие образование воронки.............65
2.5. Диспергирование твердого вещества в жидкости............66
2.6. Расчет теплопередачи в аппаратах с механическими мешалками.......68
2.6.1. Теплопередача в аппаратах для обработки высоковязких жидкостей.72
2.7. Выбор оптимальных условий проведения процесса теплообмена в аппаратах с мешалками......................................75
2.8. Обогрев и охлаждение аппаратов..........................78
2.9. Циркуляционное перемешивание жидкостей..................81
2.10. Современные конструкции перемешивающих устройств.......88
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................96
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.....................................97

3

ВВЕДЕНИЕ


    Обеспечение высоких результатов при производстве пищевых продуктов возможно только на базе использования в промышленности современных достижений науки и техники. Для решения этой задачи необходима интенсификация процессов, создание новых более совершенных конструкций аппаратов и машин, полная механизация и автоматизация производства. В предлагаемом учебном пособии рассматриваются вопросы интенсификации гидромеханических процессов, в частности, мембранных методов и перемешивания. Эти процессы нашли достаточно широкое распространение в различных отраслях пищевой промышленности.
    Поэтому не случайно, что увеличению скорости их протекания уделяется такое большое внимание. Кроме того, это связано с органолептическими и физико-химическими свойствами, которые в огромной степени зависят от продолжительности обработки. При этом следует также учитывать, что некоторые материалы подвержены инактивации в результате продолжительного действия технологических параметров и способны менять свои свойства. В этой связи первоочередное значение имеют совершенствование процессов и разработка новых аппаратов.
    Для повышения интенсивности процесса мембранного разделения, концентрирования и фракционирования растворов целесообразно использовать явление концентрационной поляризации, т. е. формирование слоя с повышенной концентрацией задерживаемых веществ на поверхности мембраны, которое возникает при фильтровании растворов. Применение установок, укомплектованных аппаратами, позволяющими отводить часть этого слоя, приводит к интенсификации процесса и значительному снижению продолжительности обработки, что имеет существенное значение при получении качественных продуктов питания.
    Перспективным направлением при перемешивании жидких сред является использование нового поколения оборудования, которое позволяет увеличивать турбулизацию и циркуляцию потоков при одновременном снижении энергопотребления и металлоемкости. Это возможно как за счет использования закрученных потоков и вихревых движений, что обуславливает создание центробежных сил, существенно превосходящих гравитационные, так и применением звуковых акустических (20-2-104 Гц), упругих колебаний, которые создают кавитацию, акустическое давление, пульсирующие микропотоки и др. Наиболее эффективно эти стороны сочетаются в роторно-пульсационных аппаратах (РПА). Интенсивное перемешивание с помощью этих аппаратов осуществляется путем периодического прерывания потока, происходящего из-за вращения ротора, размещенного коаксиально статору. Для этого в рабочих поверхностях ротора и статора выполнены каналы для протекания обрабатываемой среды. При этом, по сравнению с другими типами механических перемешивающих устройств, выполняющих аналогичные функции, они наиболее энергоэкономичны.

4

                   1.     МЕМБРАННЫЕ ПРОЦЕССЫ         
1.1. Классификация мембранных процессов

    Процессы разделения жидких систем играют важную роль во многих отраслях народного хозяйства. Для осуществления этих процессов применяют различные методы, такие как перегонку, экстракцию, адсорбцию. В последнее время все большее распространение находит способ разделения с использованием полупроницаемых мембран (мембранные методы). Они обладают рядом преимуществ, по сравнению с традиционными, к которым относятся:
    -     проведение процессов в «мягких» технологических режимах, что важно при работе с лабильными веществами;
    -     возможность осуществления одновременной очистки и концентрирования растворов;
    -      проведение процесса без фазовых превращений перерабатываемого продукта, что способствует значительному сохранению качества продукта.
    К основным мембранным методам разделения жидких систем относятся: обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация, диализ, электродиализ. Наибольшее распространение в промышленности получили первые три метода. Поскольку их движущей силой является разность давлений (избыточного) до и после полупроницаемой мембраны они объединены в единую группу баромембранных процессов.
    Под обратным осмосом понимается фильтрование растворов под давлением, превышающим осмотическое, через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и задерживающие молекулы или ионы растворенных веществ.
    Ультрафильтрация - процесс мембранного разделения растворов высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений, а также фракционирования и концентрирования высокомолекулярных соединений.
    Если мембранный процесс служит для выделения из растворов крупных коллоидных частиц или взвешенных микрочастиц, он носит название микрофильтрации.
    Отличительной особенностью этих методов является размер задерживаемых частиц, диаметр пор мембраны и используемое давление. Согласно этому существующие баромембранные методы, как указывалось выше, можно условно разделить на три основные группы (табл. 1.1).


Таблица 1.1

Классификация и параметры баромембранных методов

     Метод       Диаметр частиц, мкм Используемое давление, МПа
 Обратный осмос     0,0001-0,001              1,0-10,0         
Ультрафильтрация     0,001-0,02               0,2-1,0          
Микрофильтрация       0,02-10,0               0,1-0,5          

5

    Кроме приведенной классификации существуют и другие, в которых размеры пор или диаметров частиц отличаются от указанных, поэтому значение границ интервалов в классификациях достаточно условны.

1.2. Основные типы полупроницаемых мембран

    Полупроницаемая мембрана является главным элементом всех мембранных аппаратов. Эффективность мембранных процессов находится в непосредственной зависимости от свойств полупроницаемых мембран и присущих им характеристик. В соответствии с этим мембраны должны удовлетворять следующим основным требованиям:
    -  иметь высокую разделяющую способность (селективность);
    -  высокую производительность;
    -  быть химически стойкой к действию разделяемой среды;
    -  механически прочной при работе;
    -      иметь разрешение Минздрава (сертификат) при работе с пищевыми и лекарственными средствами.
    Многими авторами предлагаются классификации полупроницаемых мембран. Наиболее удачной можно считать классификацию, которая представлена на рисунке 1.1 [1]. Согласно этой классификации мембраны подразделяются на пористые и диффузионные. Пористые мембраны имеют как анизотропную, так и изотропную структуру. Мембраны с анизотропной структурой имеют поверхностный тонкопористый слой (селективный) толщиной 0,25-0,5 мкм, представляющий собой селективной барьер. Ниже располагается крупнопористый слой толщиной 100-200 мкм. Его функция заключается в механической прочности мембраны. Мембраны с анизотропной структурой характеризуются высокой удельной производительностью.
    Мембраны с изотропной структурой получают облучением тонких полимерных пленок заряженными частицами или электромагнитным излучением с последующим травлением химическими реагентами. В результате химического травления образуются сквозные поры практически одинакового диаметра. Как правило, используются пленки толщиной 10-15 мкм. Преимуществом ядерных фильтров является правильная, практически круглая форма поперечного сечения пор, возможность получения мембран с заранее заданным числом и размером пор. Однако их недостатком является быстрое снижение проницаемости вследствие закупорки пор коллоидными или взвешенными частицами, находящимися в разделяемых растворах.
    Диффузионные мембраны являются непористыми. Они представляют собой квазигомогенные гели, через которые растворитель и растворенные вещества проникают под действием градиента концентраций (молекулярной диффузией). Скорость прохождения молекул через мембрану прямопропорциональна коэффициенту диффузии, который определяется размерами молекул и их формой. Поэтому эти мембраны применяются для разделения компонентов, имеющих практически одинаковые свойства, но различающихся размерами и формой молекул. Проницаемость диффузионных мембран почти не снижается со 6

временем. Вследствие того, что диффузионные мембраны имеют большое гидродинамическое сопротивление, их применяют в виде ультратонких пленок толщиной порядка 0,02-0,04 мкм, которые закрепляют на пористых подложках. Они обычно используются для разделения газов и жидких смесей методом испарения через мембрану.


Рис. 1.1 Классификация полупроницаемых мембран

    В зависимости от материалов, из которых изготавливаются мембраны, они подразделяются на:
    -      уплотняющиеся (полимерные), которые уплотняются в результате действия давления или других параметров;
    -      жесткие, структура которых не меняется в процессе мембранного разделения;
    -      жидкие, в которых полупроницаемые свойства создает жидкая пленка, связанная с материалом мембраны (подложки) и перекрывающая ее поры.
    Первоначально в баромембранных процессах использовались полимерные мембраны анизотропного типа на основе ацетата и ее производных (этилцеллюлоза, бутират целлюлоза). Они сравнительно дешевы и по санитарно-гигиенической оценке допущены к контакту с пищевыми продуктами. Они обладают хорошей

7

разделяющей способностью и высокой проницаемостью. Однако они имеют существенные недостатки, к которым относятся узкий рабочий диапазон значений pH, температуры, чувствительность к действию окислителей.
    В нашей стране выпускались ацетацеллюлозные мембраны Владипор марки УАМ и обратноосмотические типа МГА. Эту группу мембран можно отнести к первому поколению.
    В последние годы нашли распространение мембраны второго поколения анизотропной структуры из других полимерных материалов. К ним можно отнести ароматические полиамиды, полисульфоны, сополиамиды и полимеры других классов. Большинство отечественных и зарубежных мембран второго поколения выпускаются на основе ароматических полисульфонов и полиамидов. Нашей промышленностью выпускаются полимерные мембраны «Владипор» марки УПМ, УПМ-П в виде ленты, а также полые волокна типа ВПУ.
    Мембраны второго поколения имеют более широкий рабочий диапазон температур и рН, чем ацетатцеллюлозные мембраны. Их можно эксплуатировать в диапазоне температур от 0 до 80 °C и рН от 2 до 12. Эти мембраны устойчивы к воздействию дезинфицирующих растворов хлора, к сжатию при действии давления.
    К мембранам с жесткой структурой относятся металлические мембраны, металлокерамические, мембраны из пористого стекла, а также нанесенные и динамические мембраны. Эти мембраны можно отнести к мембранам третьего поколения.
    Металлические мембраны изготавливают выщелачиванием или возгонкой одного из компонентов сплава. Их также можно изготовить спеканием металлического порошка при высокой температуре. Диаметр пор в таких мембранах составляет 0,1-5 мкм. Эти мембраны однородны по структуре, химически стойки в различных средах, не подвержены воздействию бактерий.
    Мембраны из пористого стекла получают кислотной обработкой щелоче-борсиликатного стекла. Изменяя режимы термической и химической обработки, можно получать мембраны различной пористой структуры с порами различных размеров.
    Нанесенные мембраны разделяют в зависимости от способа получения на пропитанные и напыленные.
    При получении пропитанных мембран в качестве пористой основы (подложки) используют различные материалы: пористую нержавеющую сталь, металлокерамические перегородки. Их получают, пропитывая пористую основу насыщенным раствором какой-либо растворимой соли, а затем обрабатывают в растворе соли, образующий с первой в результате химической реакции нерастворимый осадок.
    Напыленные мембраны получают в результате нанесения на микропористую подложку различных веществ, склонных к сцеплению с материалом подложки. При этом за счет изменения толщины напыленного слоя можно регулировать размер пор. Одним из способов получения этих мембран может служить плазменная полимеризация. Это производится в тлеющем разряде органических соединений с последующим осаждением продуктов полимеризации на по

8

ристой подложке. Эти мембраны называют плазменные. Их достоинством является высокая селективность при очень тонком активном слое (от 1 мкм и менее), использование различных по форме и материалу подложках.
    Разновидностью напыленных мембран являются композитные мембраны. Их получают конденсацией полимера на пористой подложке. Толщина активного слоя этих мембран составляет 25-50 нм.
    Динамические мембраны получают фильтрованием раствора, содержащего специальные добавки диспергированных веществ, через пористые подложки. В результате сорбции этих веществ на крупнопористых подложках образуется полупроницаемый слой, способный задерживать молекулы и ионы растворенных веществ. Материалом мембраны могут служить как жесткие материалы (стекло, графит, фарфор, металл), так и полимерные.
    Диаметр пор в подложках находится в пределах 3-5 мкм. В качестве дисперсных добавок может использоваться гидроксид циркония и железа, органические и неорганические иониты (бетонит) и т. п. Выбор добавки определяется природой растворенных веществ, их концентрацией, селективностью и рядом других факторов. Концентрация дисперсного вещества должна находиться в пределах 0,1-10 мг/л раствора.
    Преимуществами динамических мембран является возможность работы в сложных технологических условиях, например, при обработке сточных вод, простота изготовления, высокая производительность, практически неограниченный срок эксплуатации. К недостаткам можно отнести необходимость постоянного внесения в разделяемый раствор дисперсных добавок.
    В жидких мембранах процесс переноса вещества заключается в растворении и диффундировании его через жидкую пленку, а затем через подложку мембраны. Их применение в промышленности достаточно перспективно.

1.3. Качественные и количественные характеристики мембранных процессов

    С практической точки зрения для оценки эффективности мембран используют два показателя: коэффициент задержания, растворенных веществ (селективность) и проницаемость [1,2]:
Ф = 1-Сф / Ср,                      (1.1)
где Ср, Сф - концентрация растворенного вещества в исходном растворе и фильтрате, % масс.
    удельная производительность (проницаемость) определяется:
G = V / 5т,                         (1.2)
где V- объем образовавшегося фильтрата, м³;
   5- площадь фильтрации, м²;
   т - продолжительность фильтрации, с.

9

    Так как эти показатели зависят от условий проведения процесса (давления, гидромеханический обстановки, температуры и т. д.), то для более объективной оценки вводят еще два показателя: коэффициент фильтрации Кф, равный объемному потоку, нормированному по градиенту давления Р:
Кф = G / АР = V / 5ТАР,                 (1.3)

и коэффициент отражения мембраны:
5 = (АР / АП) g ^₀,                   (1.4)

где АП - разность осмотических давлений раствора по обе стороны мембраны, Па.
    Для полностью проницаемой по данному растворенному веществу этот коэффициент равен 0, а для идеальной полупроницаемой мембраны он равен 1. Коэффициент отражения (коэффициент Ставермена) характеризует полупроницаемые свойства мембраны в «чистом виде», т. е. вне зависимости от внешних условий и целей использования мембраны. Однако на него оказывает существенное влияние анизотропное строение мембраны, что значительно осложняет определение «истинного» значения этого показателя.

1.4. Физическое и математическое моделирование трансмембранного переноса

    В настоящее время основные модели можно разделить на две большие группы: физические и феноменологические [1, 3].
    К физическим можно отнести:
    -  пористую модель мембран;
    -  динамических мембран;
    -  концентрационной поляризации-гелеобразования;
    -  модель диффузионных мембран.
    Наиболее ранние теории процессов переноса модели через мембрану под действием давления основывались на пористой модели мембраны. Предполагалось, что все потоки проходят через поры, которые составляют определенную долю поверхности мембраны и характеризуются распределением по размерам. При этом селективность и проницаемость мембраны зависит от распределения пор по размерам и специфических взаимодействий внутри пор, заполненных растворителем.
    На начальном этапе развития мембранных методов нашла распространение модель грубопористой мембраны. В классическом варианте по этой модели предполагается, что мембрана состоит из цилиндрических пор, которые равномерно распределены на поверхности. Общий объемный поток через мембрану равен сумме потоков растворенного вещества и растворителя через поровое пространство мембраны. Поток растворенного вещества имеет конвективную природу. Его диффузионной составляющей можно пренебречь. Авторы этой модели предложили рассматривать исходный раствор, состоящий из раствори-

10

теля и сферических частиц растворенного вещества. В основе задержания растворенных веществ лежит «ситовой» эффект. Величину объемного потока через мембрану можно определить:

Пг ⁴ n

       f Г или G = fX-, 8ц h

(1.5)

где г - средний радиус пор в мембране;
   n  - число пор, приходящихся на единицу площади;
   п  - динамическая вязкость жидкости;
   h  - толщина мембраны;
   f, = Пг²n - общая пористость мембраны.
    Используя молекулярную статистику и закон Гагена-Пуазейля, было получено выражение для расчета количества задерживаемых растворенных веществ:

1-ф=2(1-Х)² - (1-Х)⁴,

(1.6)

где Х - соотношение размеров частиц и пор.
Х = а / г,                         (1.7)
где а - радиус частиц;
   г-радиус пор.
    Недостатком приведенной модели является изменение пористой структуры мембраны (эффект динамических мембран) и увеличение концентрации растворенных веществ у поверхности мембраны (модель концентрационной поляризации - гелеобразования). Их влияние на процесс массопереноса может быть столь значительными, что это необходимо учитывать при описании процесса.
    Дальнейшее развитие механизм трансмембранного переноса получил при описании динамических мембран. Динамические мембраны, как указывалось выше, образуются при фильтровании растворов макромолекул и коллоидов через ультра- и микрофильтры, в результате чего изменяются их первоначальные свойства. Механизм формирования динамических мембран заключается во взаимодействии частиц растворенного вещества с мембраной-подложкой и накоплении частиц в порах и на ее поверхности.
    В основе классификации динамических мембран лежит соотношение размеров пор мембраны и частиц растворенного вещества. В соответствии с ней различают динамические мембраны трех типов:
    -       первый тип характеризуется соизмеримыми размерами пор в мембране и дисперсных частиц;
    -       ко второму типу относятся мембраны, радиус пор в которых больше, чем радиус дисперсных частиц (в три и более раз);
    -       к третьему типу относятся мембраны, образованные в результате концентрационной поляризации - гелеобразования.
    Механизм фильтрования динамической мембраны первого типа основывается на теории конвективного фильтрования. При этом предполагается, что каждая пора мембраны закупоривается одной мембранообразующей частицей.

11