Интенсификация работы трубчатых мембранных фильтров на основе искусственной турбулизации потока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Глазев, Дмитрий Юрьевич

• Глазев, Дмитрий Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Глазев, Дмитрий Юрьевич

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Аналитические исследования

1.1 Мембранные методы разделения

1.1.1 История мембранного разделения

1.1.2 Классификация мембранных процессов

1.1.3 Применение мембранных технологий

1.1.3.1 Мембранные технологии в процессе получения наноалмазов

1.1.3.2 Мембранные технологии в процессе получения

окисленных декстранов

1.1.4 Мембраны и их виды

1.1.5 Мембранные аппараты 2

1.2 Особенности работы трубчатых мембранных фильтров

1.2.1 Основные закономерности фильтрации

1.2.2 Структура потока в трубчатых фильтрах

1.2.3 Концентрационная поляризация

1.3 Загрязнение мембран и методы очистки

1.3.1 Методы очистки мембран от загрязнений

1.3.2 Фильтрация в тангенциальном потоке

1.3.3 Устройства гидродинамической очистки мембран

1.4 Цели, задачи и объект исследования

2 Моделирование процесса фильтрации в трубчатом

мембранном фильтре с турбулизирующей вставкой

2.1 Основные допущения

2.2 Анализ основных закономерностей процесса

3 Экспериментальные исследования процесса фильтрации наносистем на трубчатом мембранном фильтре

3.1 Описание экспериментальных установок

3.1.1 Лабораторная установка для определения свойств осадка 5

3.1.2 Установка мембранная трубчатая 5

3.2 Сырье и материалы

3.3 Методика проведения экспериментов

3.3.1 Определение свойств осадка

3.3.2 Методика проведения экспериментов на лабораторном трубчатом ультрафильтре с турбулизатором

3.3.3Определение гидравлического сопротивления

турбулизатора

3.4 Обсуждение результатов экспериментальных исследований

3.4.1 Удельное сопротивление и плотность осадка

3.4.2 Определение скорости фильтрации на лабораторном трубчатом ультрафильтре

3.4.3 Гидравлическое сопротивление турбулизатора

3.4.4 Проверка соответствия разработанного математического описания экспериментальным данным

4 Методика расчета аппаратов для процессов ультрафильтрации

на трубчатых фильтрах

4.1 Выбор схемы проведения процесса ультрафильтрации

4.2 Определение расчетных параметров

4.3 Разработка опытно-промышленной установки ультрафильтрации

4.4 Испытания опытно-промышленной установки

Заключение

Список использованных источников

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интенсификация работы трубчатых мембранных фильтров на основе искусственной турбулизации потока»

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время мембранные методы разделения стали достаточно распространены. Это связано, в первую очередь, с созданием новых технологий и материалов.

Мембранные методы широко используются в химической, пищевой, микробиологической и медицинской отраслях промышленности при концентрировании и очистке различных нано- и ультрадисперсных систем

(УДС).

Наиболее эффективным и экономически выгодным мембранным методом разделения является тангенциальная фильтрация. Это связано с тем, что наряду с так называемыми «классическими» методами разделения, к которым относят центрифугирование, фильтрацию, отстаивание, тангенциальная фильтрация в проточных мембранных элементах обладает существенными преимуществами, а именно: отсутствием застойных зон, высокой селективностью по отношению к извлекаемому компоненту, возможностью промывки фильтра без разборки аппарата, а также низкой энергоемкостью, компактностью и простотой аппаратурного оформления.

Широкое применение для процессов мембранного разделения суспензий ультрадисперсных материалов нашли трубчатые фильтры, обладающие рядом важных технологических преимуществ по сравнению с другими типами фильтров. Однако, их производительность не всегда удовлетворительна. Одним из путей ее повышения является искусственная турбулизация потока с помощью встраиваемых устройств. Реализация этого подхода требует разработки методов расчета и проектирования трубчатых мембранных аппаратов с турбулизирующими устройствами, а так же поиска оптимальных конструктивных решений и определения условий проведения

процессов в них, отвечающих решению тех или иных технологических проблем.

В связи с этим, настоящая работа посвящена поиску путей повышения эффективности работы мембранных аппаратов с трубчатыми фильтровальными элементами, разработке методов их расчета и проектирования, применительно к процессам разделения УДС.

Исследования в области мембранной фильтрации водных растворов окисленных декстранов от диоксида марганца проводились в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2012 годы» по государственному контракту № 16.522.12.2001 «Разработка технологии и создание опытного производства окисленных декстранов».

1 АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1 МЕМБРАННЫЕ МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ Мембранные методы разделения известны с XVIII в., с тех пор, наука о мембранах существенно продвинулась вперед, а мембранные технологии широко применяются практически во всех отраслях промышленности.

1.1.1 История мембранного разделения Как отмечается в работах [1, 2], впервые мембраны изучал французский монах П. Ноллет в 1748 году. Он установил, что через стенки бычьего пузыря, помещенного в винный спирт, вода проходит, а спирт задерживается. Явление выравнивания концентраций растворов за счет проникновения растворителя через полупроницаемую мембрану (которой в данном случае был бычий пузырь), получило название «осмоса».

Следующей важной вехой становления науки о мембранных процессах следует считать установление в 1885 году А. Фиком законов диффузии, которые в настоящее время являются основой феноменологического описания разделительных свойств мембран. Он так же впервые получил и изучил синтетические мембраны из эфирноспиртовых растворов нитрата целлюлозы, которые впоследствии нашли широкое применение в коллоидной химии [3].

В 1857 году Т. Грехем провел первые эксперименты по диализу, ставшему одним из наиболее распространенных и доступных методов очистки коллоидных растворов, что во многом способствовало становлению коллоидной химии как отдельной области химических знаний. Так же он открыл явление газопроницаемости мембран.

В 1860 - 1887 г.г. М. Траубе, В. Пфеффер и Дж. Г. Вант-Гофф на ферроцианидных и коллодиевых мембранах количественно изучили закономерности осмоса, а Дж. Г. Вант-Гофф сформулировал

термодинамический закон (закон Вант-Гоффа) определения осмотического давления раствора.

В 1907 - 1918 г.г. Р. Зигмонди получил первые микрофильтрационные мембраны. В это же время Ф. Дж. Доннан сформулировал термодинамический закон распределения электролита между двумя растворами, разделенными полупроницаемой мембраной.

А. Михаэле (1926) и Е. Мейногольд (1929), используя целлофановые и коллодиевые мембраны, наблюдали явление обратного осмоса, которое, как указывалось ранее, открыто еще в XIX веке.

Т. Теорелл, К.Г. Сивере и Дж. Ф. Мейер в 1930 году сформулировали теоретические основы переноса через ионизированные (заряженные) мембраны и мембранные электролиты. В 40-х годах в Голландии испытаны первые электродиализные установки. Следует отметить, что теоретические основы электродиализа, осуществляемого на электрохимически нейтральных мембранах, разработаны и практически апробированы в те же годы И.И. Жуковым с сотрудниками [2].

Несмотря на то, что явление полупроницаемости и мембраны естественного происхождения открыты еще в XVII в., а синтетические мембраны известны с начала XX в., мембранной технологии и науки о мембранах в современном понимании до 50-х годов не существовало. Это было связано как с неудовлетворительными характеристиками имевшихся мембран, так и с отсутствием необходимости их использования в реальных технологических процессах.

Возникновение науки о мембранах и мембранной технологии относится к концу 50-х годов XX в., когда были получены полимерные мембраны с удовлетворительными разделительными свойствами. Одновременно химия и технология синтеза полимеров достигли уровня развития, когда стало возможно создание пористых полимерных структур,

обладающих в значительной мере регулируемыми свойствами: общей пористостью, размером пор, распределением пор по размерам, необходимой прочностью и т.д. Таким образом, была создана предпосылка для синтеза и широкомасштабного производства таких пористых полимерных материалов, как мембраны.

К тому времени относится и начало серьезного осознания экологических проблем (нехватка пресной воды, резкий рост объемов загрязненных отходами и засоленных сточных вод, неприемлемость многих традиционных технологий), возникших при интенсивном развитии промышленности и сельского хозяйства. Таким образом, сформировались технологические, экологические и экономические предпосылки зарождения и интенсивного развития мембранных технологий.

Наиболее острой проблемой представлялась нехватка пресной воды, поэтому в начале развития мембранных технологий широкое практическое использование получил обратный осмос. Первые работы по обессоливанию воды обратным осмосом с использованием синтетических полимерных мембран были осуществлены в середине 60-х годов К.Е. Рейдом [4]. Однако водопроницаемость таких мембран была очень низкой, менее 12,4 л/(м сут). Позже Г. Майон предложил использовать в качестве мембран тонкие полые волокна [5], которые, несмотря на очень низкую производительность (5 л/(м2сут)), стали широко применяться впоследствии, т.к. возможна высокая плотность их размещения в единице объема аппарата.

Однако революционным скачком в развитии мембранной технологии следует считать работу С. Лоеба и С. Соурираяджана [6], предложивших способ получения анизотропных мембран из ацетата целлюлозы (рисунок 1.1). Их производительность на порядок превышала производительность известных мембран.

Спустя десятилетие был признан перспективным другой важнейший баромембранный процесс - ультрафильтрация. Ее широкое внедрение в промышленность началось тогда, когда на основе имеющегося опыта синтеза обратноосмотических мембран были созданы высокопроизводительные анизотропные ультрафильтрационные мембраны.

Рисунок 1.1 - Мембрана из ацетата целлюлозы

Таким образом, развитие мембранных процессов, вплоть до нашего времени, сопровождается взаимным обогащением накопленными опытом и знаниями. Успешное развитие науки о мембранах и мембранной технологии базируется на фундаментальных достижениях химии, физики, механики материалов, а так же других отраслей науки и техники.

На сегодняшний день известно четыре вида мембранных процессов, классификация которых рассмотрена в следующем параграфе.

1.1.2 Классификация мембранных процессов

Методы разделения жидких и газовых смесей с помощью полупроницаемой перегородки называются мембранными методами [7-9].

Мембранные процессы классифицируются по виду основной движущей силы. Движущей силой мембранного процесса является градиент химического (для незаряженных частиц потока) или электрохимического (для заряженных частиц потока) потенциала. Однако для технических расчетов таких процессов, так же как и для других массообменных процессов, в качестве движущей силы мембранного процесса принимают градиент фактора, определяющего скорость данного процесса, например градиент давления, температуры, концентрации и электрического потенциала.

Таким образом, основной движущей силой мембранного процесса может быть градиент давлений - баромембранные процессы, градиент концентраций - диффузионно-мембранные процессы, градиент электрического потенциала - электромембранные процессы, градиент температур - термомембранные процессы.

Прошедший через мембрану продукт называется пермеатом, а оставшаяся перед мембраной разделяемая смесь - ретантом (иногда концентратом).

Основным показателем мембранных процессов является скорость фильтрации (удельная производительность), которая выражается объемом пермеата, получаемого при данной движущей силе в единицу времени с единицы рабочей поверхности мембраны.

Баромембранные процессы характеризуются движущей силой -перепадом давления до мембраны и после нее [7 - 9]. К данному классу относятся осмос, нано-, ультра-, микро- и диафильтрация. В свою очередь,

баромембранные процессы делятся в зависимости от размеров фильтруемых частиц, условные границы которых показаны в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Условные границы применения баромембранных процессов

Процесс Обратный осмос Нанофильтрация Ультрафильтрация Микрофильтрация

Диаметр частиц, мкм 0,0001 -0,003 0,001 - 0,005 0,005 - 0,05 0,05- 10,0

Процесс обратного осмоса заключается в фильтровании растворов через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и задерживающие молекулы либо ионы растворенных веществ размером 0,0001 - 0,003 мкм, под давлением, превышающим осмотическое [7, 8, 10]. В основе данного метода лежит явление осмоса - самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор до достижения равновесия. Давление, при котором оно устанавливается, называется осмотическим. Если со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое, то перенос растворителя будет происходить в обратном направлении, что нашло отражение в названии процесса «обратный осмос».

Нанофильтрация - мембранный процесс, способный задерживать частицы свыше 1 - 5 нм. Преимуществом нанофильтрации перед обратным осмосом при производстве питьевой воды является сохранение жизненно необходимых для здоровья человека солей и микроэлементов [11 - 13].

Ультрафильтрация - процесс разделения растворов высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений. Ультрафильтрацию в отличие от обратного осмоса используют для разделения систем, в которых

молекулярная масса растворенных компонентов намного больше молекулярной массы растворителя [14].

Микрофильтрация занимает промежуточное положение между ультрафильтрацией и обычной фильтрацией [14]. Применение данного процесса эффективно для подготовки жидкостей перед проведением обратного осмоса, нано- и ультрафильтрации.

Диафильтрация используется в случаях, когда мембрана обладает заметно различной селективностью по отношению к разделяемым компонентам раствора. Ее применение эффективно для обессоливания.

Диффузионно-мембранные процессы обусловлены градиентом концентрации или давления по толщине пористых либо непористых мембран на основе полимеров или материалов с жесткой структурой. Их используют для разделения газовых и жидких смесей. К диффузионно-мембранным процессам относятся: мембранное газоразделение, испарение через мембрану и диализ.

Мембранное газоразделение применяется для разделения на компоненты газовых смесей или их обогащение одним из компонентов, т.е. пермеат обогащается компонентом с меньшей молекулярной массой, а ретант - с большей [15-23]. Для проведения мембранного газоразделения обычно применяют полимерные пленки и половолоконные мембраны.

Испарение через мембрану применяется для разделения жидких смесей [24]. Данный процесс основывается на различной скорости переноса компонентов смеси через полупроницаемую мембрану вследствие различных значений их коэффициентов диффузии. Для процесса разделения испарением через мембрану применяют пористые и непористые мембраны, обычно на основе различных полимеров [25], например, полипропилена и полиэтилена. На основе неорганических материалов, например, керамики, изготовляют пористые мембраны.

Диализ - это процесс, основанный на различии скоростей диффузии веществ через полупроницаемую мембрану, разделяющую концентрированный и разбавленный растворы. Его обычно применяют для разделения веществ, значительно различающихся по молекулярным массам (а значит, и по коэффициентам диффузии) [7]. В качестве полупроницаемых мембран для диализа используют целлофан, пленки из нитратов и ацетатов целлюлозы, микропористый поливинилхлорид.

Электромембранные процессы широко используют для обессоливания и концентрирования растворов электролитов, обессоливания сахарных растворов, молочной сыворотки. Движущей силой электромембранных процессов является градиент электрического потенциала по толщине мембран. К электромембранным процессам относится электродиализ, который нашел наибольшее практическое применение в данном классе. Суть процесса заключается в разделении растворов под действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны разделяющей его мембраны [26, 27].

Мембраны для диализа изготавливаются из полимерных или неорганических материалов с размером пор (2-8) ■ 10"3 мкм, проницаемых для любых ионов, и служат для отделения электролитов от неэлектролитов.

Другой тип мембран, селективных только для катионов или только для анионов, изготовляют из ионообменных смол. Ионообменные мембраны применяют для обессоливания растворов электролитов или фракционирования ионов.

Термомембранные процессы обусловлены движущей силой -градиентом температур по толщине пористой мембраны на основе полимеров или материалов с жесткой структурой. К этому классу относится мембранная дистилляция, которая в настоящее время является наиболее полно разработанным процессом [28 - 31].

13

Суть мембранной дистилляции заключается в следующем [32 - 35]. Нагретый до сравнительно невысоких температур (порядка 30 - 70 °С) исходный раствор подается с одной стороны гидрофобной микропористой мембраны. Вдоль другой стороны мембраны движется менее нагретый растворитель. Испаряющийся с поверхности горячего раствора пар проникает в поры мембраны, диффундирует через слой воздуха в поре и конденсируется на поверхности менисков холодной жидкости.

Мембранную дистилляцию широко используют для концентрирования и обессоливания водных растворов электролитов и других веществ.

Для проведения мембранных процессов основным рабочим органом является мембрана. В зависимости от вида процесса выпускаются разные виды мембран, которым и посвящен следующий раздел.

1.1.3 Применение мембранных технологий

На сегодняшний день области применения мембранных процессов очень обширны - это химическая, пищевая, микробиологическая, медицинская и другие отрасли промышленности.

Обратный осмос широко применяется при обработке разбавленных растворов, умягчении воды и удаление токсичных ионов для последующего использования на паровых установках [10].

Нанофильтрация применяется для получения особо чистой воды, очищенной от бактерий, вирусов, микроорганизмов, коллоидных частиц органических соединений, солей тяжелых металлов, нитратов, нитритов и других вредных примесей [11-13].

Ультрафильтрация имеет наибольшую популярность, ее применяют: в медицине - для разделения биополимеров [36], фракционирования антибиотиков и ферментов, стерилизации биопрепаратов, выделения вакцин и вирусов [37], разделения различных водомасляных эмульсий [38, 39]; в химической промышленности - для очистки отходов производства от

вредных примесей [40, 41], разделения модельных растворов гибкоцепных полимеров (полиэтиленгликоля) [42], очистки воды от соединений металлов [43, 44], концентрировании растворов ПАВ [45, 46], фильтрации синтетических красителей [47], концентрировании солей [48, 49], очистки сточных вод от нефтепродуктов [50], при переработке жидких радиоактивных отходов [51], в производстве ультрадисперсных алмазов для концентрирования и отмывки их от примесей [52]; в пищевой промышленности - для концентрирования фруктовых и овощных соков, сиропов [53], для выделения жировых веществ в производстве маргарина [54], в производстве творога с регулируемым содержанием жира [55], для концентрирования и стерилизации молока и сливок, переработки сыворотки, фильтрации сахарного сиропа, для подготовки воды в производстве вина и его стерильной фильтрации [56, 57], в производстве пива [58], и др.

Микрофильтрация получила широкое распространение в электронной, медицинской, химической, микробиологической, пищевой и других отраслях промышленности. В частности ее применяют для концентрирования тонких суспензий (например, латексов) [14], осветления различных растворов, очистки сточных и природных вод, экстракции и концентрирования соков [59], молока и т.д. Применение микрофильтрации эффективно для подготовки жидкостей перед проведением процесса обратного осмоса, нано-и ультрафильтрации. Диафильтрация применяется, например, при выделении альбумина [60].

1.1.3.1 Мембранная фильтрация в технологии получения наноалмазов Еще одной из областей применения мембранных технологий является технология очистки ультрадисперсных алмазов (наноалмазов).

Наноалмазы - это уникальный продукт, не имеющий природных аналогов. Уникальность наноалмазов состоит в сочетании необычных свойств. С одной стороны - алмазная структура ядра, алмазная твердость и

химическая инертность, с другой - наноразмерность частиц, развитая и активная поверхность. В отличие от природных и известных синтетических алмазов, наноалмаз способен структурировать среды, образуя многоуровневые агрегаты различной плотности, модифицируя

реологические свойства основы. Влияние активной поверхности распространяется на все основные свойства и определяет области применения наноалмазов: изготовление керамических и композиционных материалов; гальваническое производство износостойких покрытий; полирование монокристаллов, прецизионных изделий из керамики и металла; присадки к маслам и смазки для оборудования, механизмов и деталей машин, снижающие трение и износ.

Наноалмазы получают методом направленного синтеза в детонационной волне из собственного углерода взрывчатых веществ при высоких давлениях 20 - 30 ГПа в диапазоне температур 3000 - 5000 К [52, 61, 62]. Формирование частиц происходит за 0,1 - 0,5 мкс. При таких условиях образуются сверхмалые частицы алмаза с размерностью от 5 нм. Полученный продукт (алмазная шихта) может содержать 30 - 75 % (масс.) наноалмазов, остальная часть - примеси. В результате технологической очистки наноалмазов от примесей в ОАО «ФНПЦ «Алтай» (г. Бийск) получают продукт УДА-В-ГО - гидрозоль, где дисперсной фазой являются частицы наноалмазов с размерами от 5 до 500 нм, дисперсионной средой является деионизованная вода. Такая среда имеет рН 6 - 6,5. В состоянии глубокой очистки наноалмазы обладают повышенной седиментационной устойчивостью, поэтому не осаждаются.

Завершающей стадией технологии получения продукта УДА-В-ГО является его сгущение до концентрации твердой фазы 5 - 6 % (масс.) методом мембранной фильтрации на трубчатых ультрафильтрах [52].

Для этой цели используются трубчатые фильтры марки БТУ-0,25/1 (ЗАО НТЦ «Владипор», г. Владимир), выбор которых обусловливается наиоразмерностью алмазной фазы, высокой скоростью и степенью разделения, возможностью очистки от накапливаемого осадка без разборки аппарата.

Низкоконцентрированные гидрозоли (до 2 % (масс.)) слабо влияют на скорость процесса, но начиная с концентрации 2 % (масс.) и выше скорость фильтрации заметно снижается. Именно поэтому интенсификация процесса ультрафильтрации на трубчатых фильтрах является актуальной задачей.

1.1.3.2 Мембранная фильтрация в технологии получения окисленных

декстранов

Окисленный декстран (декстраналь) является вспомогательным веществом фармацевтического назначения, которое будет использоваться в процессе изготовления лекарственных препаратов для придания им необходимых физико-химических свойств [63]. В настоящее время декстраны применяются в качестве заменителей плазмы крови.

Сырьем для производства окисленного декстрана являются: декстран [64], уксусная кислота, перманганат калия и этанол. Процесс получения окисленных декстранов заключается в проведении химической реакции декстрана с перманганатом калия в присутствии уксусной кислоты. Получаемая реакционная масса представляет собой суспензию частиц диоксида марганца в растворе окисленного декстрана. Раствор окисленного декстрана необходимо отделять от частиц диоксида марганца. Данный раствор хорошо фильтруется через поры фильтра размером 100 нм, поэтому для фильтрации диоксида марганца целесообразно применить мембранную фильтрацию.

В настоящее время технология получения окисленного декстрана предложена для разработки в ОАО «ФНПЦ «Алтай» в рамках

17

государственного контракта № 16.522.12.2001 «Разработка технологии и создание опытного производства окисленных декстранов» в период с 21.04.2011 по 31.10.2013 г.г.

1.1.4 Мембраны и их виды

Мембрана - полупроницаемая перегородка, являющаяся рабочим органом в мембранном аппарате и пропускающая определенные компоненты жидких или газовых смесей. Для изготовления мембран применяют различные полимеры, керамику, стекло, металлическую фольгу и др.

Все полупроницаемые мембраны делятся на две основные группы: пористые и непористые (диффузионные). В зависимости от механической прочности используемых материалов мембраны подразделяют на уплотняющиеся и жесткоструктурные.

Пористые мембраны широко применяются в процессах обратного осмоса, микро- и ультрафильтрации, реже - для разделения газов. Они имеют как анизотропную, так и изотропную структуру [14].

Мембраны с анизотропной структурой имеют поверхностный активный слой толщиной 0,25 - 0,5 мкм, которым и разделяются компоненты смеси. Этот вид мембран характеризуется высокой удельной производительностью и медленной закупоркой пор в процессе их эксплуатации.

Для мембран с изотропной структурой характерно быстрое снижение проницаемости вследствие закупорки пор коллоидными или взвешенными частицами, часто содержащимися в разделяемых растворах.

Диффузионные (непористые) мембраны обычно применяют для разделения газов, жидких смесей в процессах испарения через мембрану, диализа. Диффузионные мембраны представляют собой квазигомогенные гели, через которые растворитель и растворенные вещества проникают под действием градиента концентраций.

В зависимости от типа используемых мембранных аппаратов как пористые, так и диффузионные мембраны изготовляют листовыми, трубчатыми, либо в виде полых волокон.

Уплотняющимися являются мембраны, которые под воздействием давления или каких-либо других факторов уплотняются. Отличительной особенностью таких мембран является эластичность - это упрощает их герметизацию в аппаратах. Наибольшее применение получили полимерные мембраны из лиофильных материалов, обладающие высокой удельной производительностью. Существует два вида уплотняющихся мембран - с анизотропной и изотропной структурой [14].

Уплотняющиеся мембраны с анизотропной структурой получают обычно из растворов полимеров с различными добавками путем удаления растворителей или предварительно введенных в них добавок в условиях, препятствующих уплотнению полимера вследствие действия капиллярных сил.

Уплотняющиеся мембраны с изотропной структурой получают облучением тонких полимерных пленок заряженными частицами или электромагнитным излучением с последующим травлением химическими реагентами, поэтому их называют ядерными мембранами, или «нуклеопорами» [65]. В настоящее время получают ядерные мембраны с порами диаметром от нескольких нанометров до нескольких десятков микрометров. Толщина этих мембран - от одного до нескольких микрометров.

Ядерные мембраны с успехом используют для получения очищенной от бактерий воды в полевых условиях, для изучения размеров и строения клеток крови различных типов. Они перспективны для микроаналитических исследований, для фракционирования растворов высокомолекулярных соединений, и для других целей [66].

К мембранам с жесткой структурой относятся металлические, керамические, из пористого стекла, динамические и другие [14].

Металлические мембраны изготовляют выщелачиванием или возгонкой одного из компонентов сплава. Диаметр пор у мембран, полученных таким способом, находится в пределах от нескольких микрометров до десятых и даже сотых долей микрометра. Основное преимущество металлических мембран - однородность структуры и размеров пор, химическая стойкость в различных средах, так же они не подвержены воздействию бактерий, и их можно очищать обратным током воды или какой-либо другой жидкости, либо прокаливанием.

Керамические мембраны относятся к композиционным мембранам, и их изготовляют двух- или трехслойными [67 - 69]. Сегодня мембранные элементы изготавливаются в виде трубок с внутренним диаметром около 3 мм. Керамические мембраны широко используются в процессах микро- и ультрафильтрации, их можно использовать для разделения и очистки агрессивных сред, в том числе при повышенных температурах.

Мембраны из пористого стекла обладают высокой химической стойкостью и жесткостью структуры, не подвержены действию микроорганизмов. Эти свойства позволяют использовать их при разделении растворов в широком интервале рН 1-10 [70 - 72]. Такие мембраны изготовляют в виде пластин, пленок, трубок, капилляров, полого волокна, и их можно подвергать как тепловой, так и химической стерилизации.

Динамические мембраны получают фильтрованием раствора, содержащего специальные добавки диспергированных веществ, через пористые подложки. В результате на подложках образуется искусственный фильтрующий слой. Полученные таким образом динамические мембраны имеют высокую удельную производительность (несколько сотен литров с

квадратного метра в час), так же срок службы динамических мембран практически неограничен.

Жидкие мембраны представляют собой тонкую жидкую пленку, заключенную либо в отверстия стенки или сетки сепараторов, отделяющих две жидкости, подлежащие разделению, либо между двумя параллельными полимерными пленками. В таких мембранах основное сопротивление переносу вещества связано с диффузией этого вещества через жидкую пленку. Процесс разделения с помощью жидких мембран осуществляется в аппаратах для проведения жидкостной экстракции [73], например, в распылительной колонне или в роторно-дисковом экстракторе.

Как было показано, на сегодняшний день существует большое разнообразие мембран. Ввиду этого, выбор мембраны для проведения какого-либо процесса, достаточно сложен, а правило о том, что размер пор перегородки должен быть максимален, и в тоже время получаемый пермеат должен быть достаточно чистым, вызывает затруднение, т.к. увеличение или уменьшение размера пор приводит к изменению скорости фильтрации и задерживающей способности, причем эти характеристики противоположны.

При фильтровании к продукту предъявляется ряд требований, что еще в большей степени делает выбор фильтра затруднительным [74]. Поэтому перед выбором необходимо решить следующие вопросы, например: следует ли стремиться к повышению скорости фильтрования или степени очистки фильтрата, а так же является ли более существенной стоимость мембраны или продолжительность ее службы. Например, в некоторых случаях выбранная мембрана, которая является очень дорогой, оказывается единственной подходящей в данных условиях разделения суспензий, и поэтому экономический вопрос при выборе не является определяющим.

Таким образом, при выборе мембраны, необходимо, что бы все предъявляемые к ней требования, относительно разделяемой суспензии, были удовлетворительными.

Существует примерный порядок выбора мембран, применяя который необходимо иметь следующие сведения:

- назначение фильтрования, т.е. что является целевым продуктом - осадок, фильтрат или то и другое одновременно;

- свойства твердых частиц - размер, форма, плотность;

- свойства жидкости - рН, температура, вязкость, плотность;

- свойства суспензии - концентрация суспензии, склонность к агрегации, вязкость;

- свойства осадка - удельное сопротивление, сжимаемость; кристаллический, рассыпчатый, пластичный, липкий, слизистый;

- необходимая производительность, что поможет определить движущую силу процесса;

- тип фильтра, на котором будет разделяться суспензия.

С учетом приведенных выше сведений выбранная мембрана должна:

- обладать высокой разделяющей способностью (селективностью);

- обеспечивать высокую удельную производительность (проницаемость);

- обладать химической стойкостью к действию разделяемой среды;

- иметь механическую прочность, достаточную для их сохранности при монтаже, транспортировании и хранении;

- свойства мембраны в процессе эксплуатации не должны существенно изменяться.

Все мембраны являются основными рабочими органами мембранных аппаратов. На сегодняшний день известно большое количество конструкций мембранных аппаратов. Рассмотрим наиболее часто применяемые.

1.1.5 Мембранные аппараты

Мембранные аппараты применяются для проведения мембранных процессов, описанных ранее. Разработаны специальные конструкции аппаратов, определяющие режимы движения сред внутри них. При выборе мембранных аппаратов предъявляется ряд требований: аппараты должны иметь большую рабочую поверхность мембран в единице объема аппарата; быть доступными для сборки и монтажа; жидкость при движении по секциям или элементам должна равномерно распределяться над мембраной и иметь достаточно высокую скорость течения для снижения вредного влияния концентрационной поляризации; при этом перепад давления в аппарате должен быть по возможности небольшим. При конструировании мембранных аппаратов необходимо учитывать также требования, обусловленные работой аппарата при повышенных давлениях: обеспечение механической прочности, герметичности и др. Создать аппарат, который в полной мере удовлетворял бы всем перечисленным требованиям, по-видимому, невозможно. Поэтому для каждого конкретного процесса разделения следует подбирать аппарат такой конструкции, которая обеспечивала бы наиболее выгодные условия проведения процесса [14].

Аппараты для мембранных процессов подразделяются на четыре основных типа и различаются способом укладки мембран:

- аппараты с плоскими мембранными элементами;

- с мембранными элементами рулонного типа;

- с мембранами в виде полых волокон;

- с трубчатыми мембранными элементами.

Эти аппараты могут быть корпусными и безкорпусными. По положению мембранных элементов аппараты делят на горизонтальные и вертикальные; по условиям монтажа - на разборные и неразборные. В зависимости от конструкции аппаратов и схемы установок аппараты могут

работать как в режиме идеального вытеснения, гак и в режиме идеального перемешивания.

Основой аппаратов с плоскими мембранными элементами является мембранный элемент, состоящий из плоских мембран. Расстояние между соседними мембранными элементами в пределах 0,5 - 5 мм. Разделяемый раствор последовательно проходит между всеми мембранными элементами, концентрируется и удаляется из аппарата [14]. По форме мембранные элементы бывают круглыми (эллиптическими) и прямоугольными или квадратными. Модификации различны: корпусные и безкорпуспые. с общим отводом пермеата или отдельно из каждого элемента, с центральным и периферийным выводом пермеата.

Пример фильтра с плоскими мембранными элементами показан на рисунке 1.2. Фильтрационный модуль состоит из набора фильтрационных

1 и »меняемая высота канала ) Дренажные штифты пермеата

Кдвал пермеата

Рисунок 1.2 - Схема фильтра с плоскими мембранными элемен тами

кассет, расположенных между двумя полушалями из специального материала. Плоский модуль очень простой по своей конструкции, мембранные кассеты очень быстро и просто подлежат замене или контролю [75].

Аппараты кассетного типа широко применяют для фильтрации водных сред [76].

Аппараты с рулонными мембранными элементами широко используются для разделения жидких и газовых сред во многих отраслях промышленности [77]. Принципиальная схема аппаратов с рулонными мембранными элементами приведена на рисунке 1.3. В корпусе 7 последовательно установлено несколько рулонных мембранных элементов. Такой элемент состоит из трубки 1, имеющей прорези для прохода пермеата, и герметично присоединенного к ней пакета из двух мембран 2, расположенного между ними дренажного листа 3 и сетки-сепаратора 4, образующей межмембранные каналы [14].

Для предотвращения сдвига слоев в рулоне вдоль оси в корпусе 7 аппарата устанавливают фиксаторы 6. Разделяемый раствор движется по межмембранному каналу.

пермеат исх. /7-/7

/

аз

4 / 5 ;

а) б)

пермеатоотводящая трубка; 2 - мембраны; 3 - дренажный лист; 4 - сетка-

сепаратор; 5 - область склеивания: 6 - фиксатор; 7 - корпус

Рисунок 1.3- Схема (а) и общий вид (б) аппарата с рулонными

мембранными элементами

Аппараты с рулонными мембранными элементами имеют высокую

2 3

удельную поверхность мембран в диапазоне 300 - 800 м /м" и малую металлоемкость.

Аппараты с полыми волокнами широко применяются для разделения растворов обратным осмосом и ультрафильтрацией в крупнотоннажных производствах. Такой выбор был основан ввиду того, что мембраны имеют маленький диаметр волокон при очень высокой удельной поверхности. Они имеют простую конструкцию, технологичны в изготовлении, легко собираются и удобны в эксплуатации [14].

В зависимости от расположения волокон данные аппараты могут быть трех видов: с параллельным расположением волокон, с цилиндрическим расположением и с и-образным.

Устройство трубчатых мембранных аппаратов определяется конструкцией комплектующих их мембранных элементов [14]. Трубчатые мембранные аппараты (рисунок 1.4) состоят из набора пористых дренажных трубок диаметром 5-20 мм, на поверхности которых расположены мембраны.

Трубчатые мембранные элементы бывают с мембраной внутри трубки, снаружи, и с комбинированным ее расположением. В соответствии с этим исходный поток направляют в трубное либо межтрубное пространство.

Аппараты с трубчатыми мембранными элементами имеют следующие преимущества: малая материалоемкость; низкое гидравлическое сопротивление потоку пермеата; равномерное движение потока раствора с высокой скоростью над ее поверхностью и отсутствием застойных зон; возможность механической очистки мембранных элементов от осадка без разборки аппарата; удобство установки трубчатых мембранных элементов в аппараты; надежность герметизации аппарата.

1 2 3

элемент

Рисунок 1.4 - Трубчатый мембранный аппарат

Аппараты с трубчатыми мембранными элементами нашли широкое применение в процессах ультра- и микрофильтрации суспензий, в которых возможно образование осадка, очистки жидких сред от загрязнений, опреснения воды с высокой концентрацией солей, а также для разделения газовых смесей.

Таким образом, рабочие возможности трубчатых мембранных фильтров представляют наибольший интерес для выделения ультрадисперсных систем. Поэтому рассмотрим поподробнее особенности их работы.

1.2 ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ТРУБЧАТЫХ МЕМБРАННЫХ

ФИЛЬТРОВ

С точки зрения рассмотрения гидродинамики процесс фильтрации в тангенциальном потоке можно разделить на две составляющих, это течение жидкости в трубчатом канале фильтра вдоль его оси, и одновременное течение жидкости через дренажный канал фильтра. Оба процесса имеют свои особенности и влияют друг на друга. Их математическое описание

необходимо для разработки подходов к расчету трубчатых мембранных фильтрующих элементов [78].

1.2.1 Основные закономерности фильтрации

Процесс фильтрации в трубчатых фильтрах - баромембранный, движущей силой является перепад давления, т. е. разность давлений до и после фильтра.

Существует несколько видов фильтрования, каждый из которых подчиняется своим закономерностям. Если частицы больше размера пор мембраны, то они накапливаются на ее поверхности. Такое фильтрование называется фильтрованием с образованием осадка. В случае, когда частицы меньше размера пор мембраны, то они проникают внутрь пор и задерживаются там за счет сил адгезии или адсорбции. Такое фильтрование называется фильтрованием с закупориванием пор.

Основным показателем, характеризующим процесс фильтрации, является скорость фильтрации, которая показывает, какой объем пермеата прошел за единицу времени через фильтровальную поверхность [79].

Процесс фильтрации ультрадисперсных частиц в мембранном фильтре связан с отложением осадка, который с нарастанием увеличивает сопротивление фильтрации, что в итоге приводит к существенному снижению скорости фильтрации.

Вся область течения делится на три зоны: ядро потока, слой концентрационной поляризации и слой неподвижных частиц.

Частицы в пристеночной области находятся под воздействием двух противоположно направленных сил: силы гидродинамического воздействия потока фильтрации и подъемной силы.

В пределах слоя концентрационной поляризации переносу взвешенных частиц пермеатом в направлении мембранной поверхности противостоит суммарный перенос частиц в обратном направлении за счет напряжения

28

сдвига, создаваемого потоком и турбулентного перемешивания. При этом непосредственно у внутренней границы слоя основную роль в переносе играет напряжение сдвига потока, а на удалении от поверхности слоя неподвижных частиц перенос осуществляется в основном турбулентностью [80].

1.2.2 Структура потока в трубчатых фильтрах При фильтрации гетерогенных сред в трубчатых фильтрах, течение потока в трубчатом канале фильтра имеет структуру, схожую с течением в трубах. Перемещение среды в трубке фильтра происходит вследствие перепада давления, создаваемого насосом [81 - 85].

Вследствие влияния сил вязкости (трения) в разных точках поперечного сечения потока скорость частиц движущейся среды не одинакова: по оси потока она максимальна, а у стенки трубы равна нулю.

Поскольку установить распределение скоростей по поперечному сечению потока часто затруднительно, в инженерных расчетах обычно используют так называемую среднюю скорость; при этом допускают, что всс частицы потока движутся с одинаковой скоростью.

Поток в трубе условно подразделяют на ядро и пограничный слой, в котором происходит переход турбулентного движения в ламинарное. График профиля скоростей на рисунке 1.5 позволяет выявить несколько областей, на которые можно разделить течение в канале. В рассматриваемом частном случае течения в трубе основные изменения скорости происходят в области, занимающей менее 15 % радиуса трубы. Размер области, непосредственно прилегающей к стенке, на рисунке показан в увеличенном масштабе. В действительности же толщина областей 1 и 2 составляет лишь очень малую часть радиуса - порядка 1 % и менее.

/

4

/

//

///

О

К *

I - вязкий подслой; 2 - переходный (буферный) слой; 3 - полностью турбулентный слой; 4 - турбулентное ядро потока; I - пристеночная область;

II - полностью турбулентное течение; III - область вязкого течения

Рисунок 1.5 - Модель структуры поперечного сечения турбулентного потока в трубе

Рассмотрим подробнее области, показанные на рисунке 1.5.

Вязкий подслой - изменение средней скорости определяется значением коэффициента молекулярной вязкости и практически линейно, как и в ламинарном потоке.

Переходный (буферный) слой - вязкие и турбулентные напряжения сравнимы по величине, происходит резкое затухание турбулентности.

Полностью турбулентный слой - на течение еще влияет эффект стенки, однако турбулентность развита уже в такой степени, что вязкими напряжениями можно пренебречь; поскольку изменение средней скорости в этой области практически следует логарифмическому закону, область часто называют логарифмическим слоем.

Турбулентное ядро - поток полностью турбулентен; масштаб турбулентности обусловлен определяющим параметром канала (диаметром трубы).

Эти четыре области можно объединить следующим образом. Области 1 и 2 составляют вязкий слой - область вязкого течения (III), т.е. область, в которой вязкость играет значительную роль в возникновении трения и в подводе энергии из осредненного движения. Вязкий слой такого вида существует только тогда, когда выступы шероховатости стенки малы по сравнению с толщиной этого слоя. Практически это описание верно в том случае, когда выступы шероховатости не проникают в переходный слой. Области 3 и 4 образуют область полностью турбулентного течения (II). В этой, области масштаб турбулентности не зависит от вязкости.

Области 1, 2 и 3 образуют пограничный слой - пристеночную область (I), в которой происходит переход турбулентного движения в ламинарное.

Следует отметить, что рассмотренная четырехслойная модель турбулентного потока является в значительной мере идеализацией реального течения, поскольку в действительности границы между слоями размыты, и выделенные на рисунке 1.5 точки, разграничивающие эти слои, носят условный характер.

Наиболее полную информацию о гидродинамической структуре потока можно получить, если известна мгновенная скорость потока в любой точке аппарата или его модели, т.е. если известно поле скоростей в потоке.

Наличие вязкого подслоя является областью концентрационной поляризации в трубчатом фильтре, и именно изучение этой области является актуальной задачей многих исследователей.

1.2.3 Концентрационная поляризация Основной проблемой при фильтровании гетерогенных сред (суспензий, эмульсий, растворов и т.д.) на мембранных фильтрах является их забивка и снижение проницаемости. Этому способствует явление концентрационной поляризации, которое происходит вследствие различной скорости прохождения компонентов смеси через мембрану. При концентрационной поляризации в пограничном слое около поверхности фильтровальной перегородки накапливается вещество, имеющее наименьшую скорость проницания. В результате при разделении жидких смесей снижаются движущая сила процесса и соответственно селективность, производительность и срок службы мембран. Кроме того, возможно осаждение на мембране труднорастворимых солей, а также гелеобразование высокомолекулярных соединений, что приводит к необходимости очистки мембран [14, 86].

1.3 ЗАГРЯЗНЕНИЕ МЕМБРАН И МЕТОДЫ ОЧИСТКИ В процессе эксплуатации поверхность мембран загрязняется, что приводит к резкому ухудшению фильтрационных показателей. Существует ряд методик, позволяющих существенно повысить производительность процесса фильтрации.

1.3.1 Методы очистки мембран от загрязнений Методы очистки мембран условно подразделяют на механические, гидромеханические, физические и химические [2].

Механическая очистка - обработка поверхности перегородок эластичной губкой (нередко с применением моющих средств), не обладающей абразивными свойствами, полиуретановыми шарами и т.п.

Гидродинамическая очистка - воздействие на загрязненную поверхность мембран пульсаций разделяемой смеси или промывной жидкости [86]; промывка газожидкостной эмульсией; обратная продувка

32

мембран сжатым воздухом; обратный ток смеси, резкое снижение давления в системе. Так же эффективно перемешивание разделяемой смеси, что способствует выравниванию концентраций компонентов у поверхности перегородки и в ядре потока. Перемешивание осуществляют путем увеличения скорости потока (до 3-5 м/с); турбулизацией раствора путем применения специальных вставок в виде сеток, перфорированных или гофрированных листов, спиралей, шариков [87]; использованием ультразвука и т. д.

Физическая очистка - воздействие на перегородку электрических, магнитных и ультразвуковых полей.

Химическая очистка - промывка рабочей поверхности мембран разбавленными растворами кислот или щелочей.

1.3.2 Фильтрация в тангенциальном потоке

Для снижения влияния отложений на фильтровальной перегородке важную роль играет аппаратурно-технологическое оформление процесса. Как известно, фильтрация требует постоянного отвода осадка. Это связано с забивкой мембраны и дальнейшим снижением производительности. Для решения этой задачи используются системы с постоянным интенсивным движением обрабатываемой среды вдоль поверхности мембраны -тангенциальная фильтрация [88, 89]. При этом концентрат извлеченных из жидкости веществ постоянно удаляется с поверхности фильтра, т.е. тангенциальный поток позволяет мембране самоочищаться. Образуется два потока. Одна часть проходит через мембрану и образует пермеат, то есть очищенную жидкость, а другая часть потока направляется вдоль поверхности мембраны, чтобы смывать задержанные примеси и удалять их из зоны фильтрации. Эта часть потока называется концентратом или ретантом. Таким образом, узел мембранной фильтрации в тангенциальном потоке имеет один вход и два выхода, и часть жидкости постоянно расходуется на очистку

мембраны. Данный вид фильтрации так же называется кросс-фильтрацией -фильтрацией в перекрестном потоке. Скорость движения среды вдоль мембраны должна обеспечивать турбулентный режим движения и обычно составляет не менее 3 м/с.

1.3.3 Устройства гидродинамической очистки мембран Наряду с тангенциальной фильтрацией эффективно применение различных турбулизаторов потока. Они позволяют увеличить скорость движения среды в пристеночном слое, тем самым создать размывание слоя осадка. На сегодняшний день известно множество различных конструкций турбулизаторов, которые используются в трубчатых фильтрах.

В работе [90] представлена конструкция турбулизатора в виде дисков, насаженных неподвижно на вал. При вращении вала создается небольшой крутящий момент (рисунок 1.6). Техническим результатом является повышение производительности мембранного аппарата за счет улучшения гидродинамического воздействия на разделяемый поток вследствие снижения слоя высокой концентрации на всей длине полупроницаемой мембраны.

Исходный растбор

О...................^

3

1 /

7 /

Концентрат

?

Фильтрат

1 - фильтр; 2 - вращающийся диск; 3 - шкив Рисунок 1.6- Конструкция турбулизатора с вращающимся валом

В работе [91] представлена конструкция турбулизирующего устройства с регулируемым зазором между диском турбулизатора и поверхностью фильтра (рисунок 1.7).

Усиление сегмента 1

Исходный раствор

1

?

Концентрат

Фильтрат

1 - фильтровальная ткань; 2 - дренажный каркас Рисунок 1.7- Конструкция турбулизатора с регулировочным

механизмом

Турбулизатор имеет регулировочный механизм, с помощью которого можно регулировать зазор между диском и поверхностью фильтра. Это дает возможность изменять скоростной режим внутри фильтра.

В работе [92] турбулизатор представлен в виде цилиндрического сердечника с продольными каналами, при этом каналы выполнены в виде

1 2

Исходный ростдор

Концентрат

1 - фильтр; 2 - винтовой турбулизатор

Рисунок 1.8- Конструкция турбулизатора в виде сердечника

35

многозаходной винтовой нарезки с шагом 0,5 - 2 диаметра сердечника. Данный сердечник помещается внутрь трубчатого фильтра и в процессе фильтрации позволяет повысить производительность процесса (рисунок 1.8).

В работе [93] представлено турбулизирующее устройство, имеющее в сечении многоугольник, например, квадрат, треугольник, своими гранями соприкасающийся с мембраной, образуя винтовые каналы (рисунок 1.9).

/ 7

1 - фильтр; 2 - турбулизатор Рисунок 1.9 - Турбулизирующее устройство с многоугольником в

сечении

В работе [94] турбулизирующее устройство выполнено в виде стержня с насаженными лопастями и втулками (рисунок 1.10), причем лопасти на смежных втулках установлены зеркально.

1 2

1 - фильтр; 2 - турбулизатор Рисунок 1.10- Турбулизирующее устройство с зеркальным расположением

лопастей 36

Представленные выше турбулнзаторы имеют достаточно сложные конструкции, так же наличие острых кромок может повредить мембрану.

Для интенсификации теплообмена в трубчатых каналах широко применяются турбулизаторы в виде дисков, закрепленных на стержне [95]. Такие устройства (рисунок 1.11) позволяют существенно интенсифицировать теплоотдачу.

1 - трубчатый теплообменник; 2 - дисковый турбулизатор Рисунок 1.11- Дисковый турбулизатор в трубчатом теплообменнике

Дисковые турбулизаторы имеют простое устройство, и их изготовление не связано со значительными технологическими трудностями. С помощью дискового турбулизатора возможна очистка поверхности внутри трубки.

Стоит отметить, что процессы теплоотдачи в трубчатых теплообменниках и массоотдачи в трубчатых фильтрах подобны, поэтому они могут описываться уравнениями, сходными по структуре.

Принимая во внимание положительные характеристики дисковых турбулизаторов, можно сказать, что целесообразно их применить для интенсификации массообмена и в трубчатых мембранных фильтрах.

Ввиду того, что конструкция турбулизатора в виде дисков наиболее простая, то разработка инженерной методики расчета процесса фильтрации с

ее использованием может стать основной для расчета более сложных конструкций.

1.4 ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ И ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Из проведенного обзора мембранных методов разделения коллоидных систем, а также применяемых для их организации конструкций аппаратов, можно заключить, что перспективным для разделения нано- и ультрадисперсных систем, таких как гидрозоли наноалмазов и суспензия диоксида марганца, является использование трубчатых мембранных фильтров с тангенциальным движением обрабатываемой среды. Однако, как было показано, использование трубчатых фильтров имеет недостатки, связанные со снижением производительности в результате концентрационной поляризации дисперсной среды на их поверхности. Устранение этого недостатка возможно за счет использования турбулизирующей вставки.

Однако, на сегодняшний день, работа трубчатых фильтров при наличии вставки не имеет математического описания, а так же не достаточно разработаны методы расчета и проектирования трубчатых мембранных фильтров с турбулизирующей вставкой. В связи с этим целью настоящей работы является повышение производительности трубчатых мембранных фильтров с помощью искусственной турбулизации потока применительно к процессу разделения наносистем. Для достижения поставленной цели необходимо решить комплекс задач, а именно:

- разработка математического описания фильтрации суспензий наноматериалов на трубчатом мембранном фильтре с турбулизирующей вставкой;

- экспериментальное исследование работы трубчатого мембранного фильтра с турбулизирующей вставкой при разделении суспензий наноматериалов и проверка адекватности математического описания;

- разработка инженерной методики расчета трубчатых мембранных фильтров с турбулизирующей вставкой для процесса мембранной фильтрации и проверка ее применимости при разработке опытно-промышленной установки.

В настоящей работе объектом изучения является трубчатый мембранный фильтр, в полость которого встроена турбулизиругощая вставка. В рамках этого объекта предметом исследования являются основные закономерности процесса фильтрации в трубчатом мембранном элементе с турбулизирующей вставкой.

2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФИЛЬТРАЦИИ В ТРУБЧАТОМ МЕМБРАННОМ ФИЛЬТРЕ С ТУРБУЛИЗИРУЮЩЕЙ ВСТАВКОЙ

В соответствии с целями, сформулированными в литературном обзоре, большой интерес представляет разработка математического описания процесса фильтрации гидрозолей наноалмазов и суспензий диоксида марганца в трубчатых фильтрах, снабженных турбулизирующей вставкой в виде дисков, насаженных на стержень.

Гидрозоли наноалмазов представляют водную суспензию от серого до черного цвета. Размеры частиц и агрегатов частиц наноалмазов находятся в диапазоне 5 - 500 нм. При таких размерах частицы наноалмазов в водных суспензиях глубокой очистки имеют высокую седиментационную устойчивость, поэтому сила Архимеда не оказывает влияния на их выделение.

Суспензия диоксида марганца в растворе окисленного декстрана представляет собой среду, в которой распределены частицы коричневого цвета. Размер частиц диоксида марганца от 100 нм, концентрация частиц 0,1 % масс.

Ввиду малого размера и большой удельной поверхности, частицы исследуемых сред при фильтрации способны образовывать плотные осадки, которые создают большое сопротивление потоку фильтрата. В результате фильтрования слой осадка накапливается, растет сопротивление фильтрации, падает скорость фильтрования, что, в итоге, может привести к выходу фильтра из строя.

В фильтре для предотвращения нарастания слоя осадка используются встраиваемые турбулизирующие вставки, способствующие размыванию слоя. В литературном обзоре были рассмотрены различные виды конструкций турбулизаторов, и было сказано, что наиболее простыми по

I РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Глазев, Дмитрий Юрьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В итоге проведения исследовательской работы получены следующие результаты:

1. Разработано математическое описание фильтрации суспензий наноматериалов на трубчатом мембранном фильтре с турбулизирующей вставкой в виде дисков, где впервые использовано модельное представление о массообменном механизме размывания фильтруемого осадка наночастиц полуограниченной затопленной струей.

2. Экспериментально исследована работа трубчатого мембранного фильтра с турбулизирующей вставкой при фильтрации гидрозолей наноалмазов и суспензии диоксида марганца. Определены фильтрационные свойства осадков наноалмазов и диоксида марганца. Выявлены закономерности влияния расстояния между дисками и их диаметр на скорость процесса. Экспериментально подтверждена адекватность математического описания в диапазоне размеров частиц до 500 нм.

3. Разработана инженерная методика расчета трубчатых мембранных фильтров с турбулизирующей вставкой в виде дисков и экспериментально подтверждена ее применимость при разработке опытно-промышленных установок.

4. Результаты внедрены в ОАО «ФНПЦ «Алтай» в производстве УДА-В-ГО, что позволило увеличить предел концентрирования продукта с 6 до 10 % (масс.) и повысить производительность фильтрации до 3,5 раз, и в производстве окисленного декстрана на стадии отделения от примесей диоксида марганца.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Глазев, Дмитрий Юрьевич, 2012 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Lonsdale, Н.К. The growth of membrane technology / H.K. Lonsdale //J. Membrane Sci. - 1982- 10, № 2/3. - P. 81 - 181.

2. Брык, M. Т. Ультрафильтрация / M.T. Брык, E.A. Цапюк; отв. ред. A.T. Пилипенко. - Киев: Наук, думка, 1989. - 288 с.

3. Фридрихсберг, Д. А. Курс коллоидной химии / Д.А. Фридрихсберг. - Л.: Химия, 1984. - 368с.

4. Reid, С.Е. Water and ion flow across cellulosic membranes / C.E. Reid, E.J. Breton // J. Appi. Polym. Sci. - 1959. - 1, № 2. - P. 133 - 143.

5. Mahon, H.I. Hollow fiber membranes for selective permeation / H.I. Mahon, E.A. McLain, W.E. Skiens et al. // AIChESymp. Ser. - 1969. - 65, №91. _p. 48-51.

6. Loeb, S. Sea water demineralization by means of an osmotic membranes / S. Loeb, S. Sourirajan // Adv. Chem. Ser. - 1963. - №38.-P. 116132.

7. Дытнерский, Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация / Ю.И. Дытнерский. - М.: Химия, 1978. - 293 с.

8. Дытнерский, Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов в 2 ч. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты / Ю.И. Дытнерский. - изд. 3-е. - М.: Химия, 2002. - 368 с.

9. Кувшинский, М. Н. Курсовое проектирование по предмету «Процессы и аппараты химической промышленности»: учеб.пособие для техникумов / М.Н. Кувшинский, А.П. Соболева. - 2-е изд. - М.: Высш. школа, 1980.-223 с.

10. Ярощук, А.Э. Свойства и применение заряженных обратноосмотических мембран / А.Э. Ярощук, В.П. Дубяга // ТОХТ. — 1991. — Т.25. - №3. - С. 85 - 88.

11. Сияница, В.В. Нанофильтрационная очистка водных растворов от триазиновых гербицидов / В.В. Сияница, В.М. Кочкодан, В.В. Гончарук // ЖПХ. - 2008. - Т.81. - №3. - С.408 -411.

12. Scott, К. Industrial Menbrane Separation Technology / К. Scott, R. Huges. - London: Blackie Acad. - 2002. - 356 p.

13. Baker, R. Membrane technology and application / R. Baker. - New York: McGraw-Hill. - 2000. - 514 p.

14. Брок, Т. Мембранная фильтрация / Т. Брок. - М.: Мир, 1987. -

464 с.

15. Шелехин, А.Б. Математическое описание процессов газопереноса в мембранных абсорберах / А.Б. Шелехин, В.В. Тепляков, И.Н. Бекман // ТОХТ. - 1992. - Т.26. - №4. - С.570 - 573.

16. Бекман, И.Н. Мембранное разделение газовых смесей в нестационарных условиях / И.Н. Бекман, А.Б. Шелехин, В.В. Тепляков // Доклады АН СССР. - 1989. - Т.308. - №3. - С.635.

17. Ломакин, В.В. Процессы мембранного разделения газовых смесей при высоких давлениях / В.В. Ломакин, М.А. Крыкин, И.П. Сторожук // ТОХТ. - 1992. - Т.26. - №5. - С.410 - 414.

18. Платэ, Н.А. Промышленные процессы мембранного разделения газов / Н.А. Платэ, С.Г. Дургарьян, Ю.П. Ямпольский // Химическая промышленность. - 1988. - №4. - С.З - 6.

19. Ohno, М. Comparison of gas membrane separation cascades using conventional separation cell and two-unit separation cells / M. Ohno, T. Morisue, O. Ozaki // J. Nucl. Sci. and Technol. - 1978. - v. 15. - №5. - P.376 - 379.

20. Кириченко, В.М. Течение и фильтрация газа через проницаемые стенки каналов / В.М. Кириченко, Ю.Л. Юров, И.М. Ефимов, И.В. Петрянов-Соколов // Доклады академии наук. - 1993. - Т.329. - №5. -С.562-564.

21. Дытнерский, Ю.И. Мембранное разделение газов /

Ю.И. Дытнерский, В.П. Брыков, Г.Г. Каграманов. - М.: Химия, 1991. - 235с.

89

22. Maison, S.L. Separation of gases with synthetic membranes / S.L. Matson, J. Lopez, J.A. Quinn // Chem. Eng. Sei. - 1983. - v.38. - №4. -P.503-507.

23. A.c. 1493295 СССР, МКИ B01D53/00. Устройство для разделения газовых смесей / Е.Б. Груздев, Н.И. Лагунцов, Е.В. Левин (СССР). -№4316555/31- 26; заявлено 15.10.87; опубл. 15.07.89, Бюл. №26.

24. Мулдер, М. Введение в мембранную технологию / М. Мулдер. -М.: Мир, 1999.-337с.

25. Кузнецов, Ю.П. Глубокое опреснение воды испарением через полимерные мембраны / Ю.П. Кузнецов, Е.В. Кручинина, Ю.Г. Баклагина, А.К. Хрипунов, O.A. Тулупова // ЖПХ. - 2007. - Т.80. - №5. - С.812 - 820.

26. Дытнерский, Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Ю.И. Дытнерский. - М.: Химия, 1983.-272 с.

27. Абрамова, В.В. Исследование скорости осаждения и фильтрации осадков, образующихся при электродиализной очистке сточных вод от соединений фосфора и фтора / В.В. Абрамова, С.М. Васина, С.А. Широва П Химическая промышленность. - 2005. - Т.82. - №5. - С.245 - 250.

28. Елкина, Е.Б. О производительности и селективности микрофильтрационных гидрофобных мембран для мембранной дистилляции с газовым зазором / Е.Б. Елкина, П.П. Золотарев, В.В. Угрозов, В.Н. Никулин // Коллоидный журнал. - 1995. - Т.57. - №3. - С.321 - 324.

29. Золотарев, П.П. О процессе мембранной дистилляции водных растворов солей / П.П. Золотарев, С.Ф. Тимашев // ТОХТ. - 1990. - Т.24. -№2. - С.252 - 254.

30. Стариков, E.H. Селективность многослойной мембраны в установившемся процессе мембранной дистилляции / E.H. Стариков // ТОХТ. - 1992. - Т.26, №1. - С.250 - 255.

31. Елкина, Е.Б. Разделение и концентрирование растворов солей

методом мембранной дистилляции с газовым зазором / И.Б. Елкина, П.П.

90

Золотарев, В.Н. Никулин, В.В. Угрозов, Р.Х. Хамизов // Коллоидный журнал. - 1995. -Т.57.-№3.-С.325 - 328.

32. Угрозов, В.В. Влияние вязкого течения пара на процесс контактной мембранной дистилляции / В.В. Угрозов // ТОХТ. - 1996. - Т.30, №2.-С. 188- 194.

33. Findley, М.Е. Vaporization through porous membranes / M.E. Findley // Ind. Eng. Chem. Process. Des. Dev. - 1967. - v.6. - P.226 - 230.

34. Fane, A.G. The efficient use of energy in membrane distillation / A.G. Fane, R.W. Schofield, C.J.D. Fell // Desalination. - 1987. - V.64. - P.231 -237.

35. Жуковский, А.А. Термобарический эффект / А.А. Жуковский, А.Д. Малисова, В.А. Ротин, C.M. Яновский // Доклады АН СССР. - 1980. -Т.251. - №2. - С.389 - 395.

36. Черкасов, А.Н. Ультрафильтрация на ядерных фильтрах / А.Н. Черкасов, О.Л. Власова, С.В. Царева, В.М. Коликов, Б.В. Мчедлишвили // Коллоидный журнал. - 1990. - Т.52. -№2. - С. 323 - 328.

37. Савина, И. А. Структурные и электроповерхностные характеристики ультрафильтрационных мембран в растворах NaCl / И.А. Савина, М.П. Сидорова, С.А. Зубарев, Л.Э. Ермакова // Коллоидный журнал. - 1990. - Т. 52. - №4. - С.722 - 728.

38. Трифонов, С.А. Применение металлических мембран для разделения водомасляных эмульсий / С.А. Трифонов, В.А. Колпаков, Н.В. Тырин, В.И. Муштаев // Химическая промышленность. - 1997. - №8. -С. 87-91.

39. Fane, A.G. Membrane Technology for Water: Microfiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration, and Reverse Osmosis / A.G. Fane, C.Y. Tang, R. Wang //Treatise on Water Science. -2011,- v. 4. -P. 301 -335.

40. Козлов, С.В. Ультрафильтрация бутадиен-стирольного латекса / / С.В. Козлов // Коллоидный журнал. - 1996. - Т.58. - №6. - С.791 - 794.

41. Воюцкий, С.С. Курс коллоидной химии / С.С. Воюцкий. - М.: Химия, 1976.-357 с.

42. Касперчик, В.П. К механизму транспорта гибкоцепных полимеров при ультрафильтрации / В.П. Касперчик, A.B. Бильдюкевич, Ф.Н. Капуцкий // Коллоидный журнал. - 1990. - Т.52. - №4. - С.690 - 694.

43. Забродский, В.Н. Сорбция Fe(IÏI) полимерными ультрафильтрационными мембранами из водных растворов / В.Н. Забродский, В.В. Святченко, A.B. Бильдюкевич // Коллоидный журнал. - 1992. - Т.54. - №3. - С. 53 - 56.

44. Забродский, В.Н. Сорбция различных форм железа (III) ^модифицированными и модифицированными ядерными мембранами /

B.Н. Забродский, Л.М. Земскова, H.H. Житарюк, H.H. Штанько // Коллоидный журнал. - 1992. - Т.54. - №4. - С. 35 - 40.

45. Козлов, C.B. Ультрафильтрация водных растворов сульфанола /

C.B. Козлов // ЖПХ. - 2000. - Т.73. - №8. - С.1392 - 1394.

46. Тимашев, С.Ф. Физикохимия мембранных процессов / С.Ф. Тимашев. -М.: Химия, 1988. -240с.

47. Козлов, C.B. Ультрафильтрация водных растворов красителя бромкрезолового пурпурового в присутствии дисперсии угля /C.B. Козлов // ЖПХ. - 2003. - Т.76. - №7. - С. 1137 - 1139.

48. Старов, В.М. Концентрирование солей в пермеате при ультрафильтрации в присутствии полиэлектролита / В.М. Старов // Коллоидный журнал, - 1996,-Т.58,-№5.-С. 677-687.

49. Volchek, К.А. Negative rejection of low molecular substances at ultrafiltration / K.A. Volchek, E.S. Tsetsura, E.B. Krentsel // Proc. 7-th Europ. Summer School on Membrane Sei. June 5-9. Netherlands: ITM-CNR, 1989. - P. 16-20.

50. Купчинская, E.B. Очистка нефтесодержащих сточных вод методом ультрафильтрации / Е.В. Купчинская, И.Н. Липунов,

Ю.Г. Мартынова, Г.Г. Рудькина // Химическая промышленность. - 1992. -№1. - С. 13-15.

51. Свитцов, A.A. Применение мембранных процессов в технологии переработки жидких радиоактивных отходов / A.A. Свитцов // Экология промышленного производства. - 2002. - №2. - С.32 - 38.

52. Сакович, Г.В. Получение алмазных кластеров взрывом и их практическое применение / Г.В. Сакович, П.М. Брыляков, АЛ. Верещагин, В.Ф. Комаров, В.Д. Губаревич // ЖВХО им. Менделеева. - 1990. - Т. 35. -№5. - С.600 - 602.

53. Binning, R.C. Separation of liquid mixtures by permeation / R.C. Binning, R.I. Lee // Ind. Eng. Chem. - 1961. - v.53. -№1. - P.45 -48.

54. Мачигин, B.C. Ультрафильтрация - альтернатива реагентным физикохимическим методам очистки жирсодержащих сточных вод / B.C. Мачигин // Масложировая промышленность. - 2007. - №4. - С. 25 - 31.

55. Валян, В.А. Баромембранные технологии и оборудование / В.А. Валян // Молочная промышленность. - 2007. - №7. - С. 13 - 18.

56. Горшков, A.A. Автоматические установки для финишной фильтрации вина и ликероводочной продукции / A.A. Горшков // Ликероводочное производство и виноделие. - 2006. - №8. - С. 23 - 27.

57. Смирнов, В.Б. Ультрафильтрация - технологически обоснованный метод подготовки воды / В.Б. Смирнов, А.Р. Сидоров // Ликероводочное производство и виноделие. - 2007. - №11. - С. 32 - 37.

58. Пат. 2302454 Российская Федерация, МПК С12 С12/00. Способ производства полутемного пива «Толстый фраер» / А.Я. Розенбаум, A.A. Хасбулатов; заявитель и патентообладатель А.Я. Розенбаум. - опубл. 10.07.2007, Бюл. № 19.

59. Сагдуллаев, Б.Т. Изучение эффекта загрязнения и очистки микрофильтрационной мембраны при фильтрации водного экстракта шиповника / Б.Т. Сагдуллаев, Э.В. Сафронова, М.А. Ходжаева // ЖПХ. -2003. - Т.76. - №9. - С. 91 - 96.

60. Hwang, S.-T. Membranes in separations / S.-T. Hwang, К. Kammermeyer. - New York: Wiley-lnterscience, 1975, - 385 P.

61. Верещагин, A.JI. Детонационные наноалмазы / A.Л. Верещагин. - Бийск: АлтГТУ, 2001. - 177 с.

62. Долматов, В.Ю. Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза: свойства и применение / В.Ю. Долматов // Успехи химии. - 2001. -Т. 70.-№7.-С. 687-708.

63. Пат. 011718 Евразия, МПК С08В37/02. Способ получения диальдегиддекстрана / В.А. Шкурупий, A.B. Троицкий, О.В. Потапова, Н.Г. Лузгина; заявитель и патентообладатель НЦКЭМ СО РАМН. - опубл. 28.04.09, Бюл. № 2.

64. Розенфельд, Е.Л. Декстран, его особенности и значение, как заменителя плазмы крови / Е.Л. Розенфельд // Успехи биологической химии -1958. - т.З. - С. 366-369.

65. Березкин, В.В. Электропроводность растворов KCl в порах ядерных фильтров и их электроповерхностные свойства / В.В. Березкин, O.A. Киселева, А.Н. Нечаев, В.Д. Соболев, Н.В. Чураев // Коллоидный журнал. - 1994. - Т.56. - №3. - С.319 - 325.

66. Черкасов, А.Н. Ультрафильтрация на ядерных фильтрах / А.Н. Черкасов, О.Л. Власова, C.B. Царева, В.М. Коликов, Б.В. Мчедлишвили // Коллоидный журнал. - 1990. - Т.52. - №2. - С. 323 - 328.

67. Беляков, A.B. Нанопористая керамика из кремнийорганических полимеров / A.B. Беляков, H.H. Фомин, Д. Кох // Стекло и керамика. - 2002. -№2.-С.16- 19.

68. Антонова, A.A. Получение и некоторые свойства ультрафильтрационных мембран на основе гидрозолей Се02 / A.A. Антонова, О.В. Жилина, Г.Г. Каграманов, К.И. Киенская, В.В. Назаров, О.С. Никольская // Химическая промышленность. - 2002. - №4. - С.25 - 29.

69. Пат. 2088319 Российская Федерация, МКИ B01D67/10/.

Керамическая ультра- и нанофильтрационная мембрана с селективным слоем

94

на основе оксидов переходных металлов и способ ее получения / В.В. Назаров, Г.Г. Каграманов, Н.Г. Медведкова, Ю.И. Дытнерский; заявитель и патентообладатель В.В. Назаров, Г.Г. Каграманов, Н.Г. Медведкова, Ю.И. Дытнерский. - опубл.27.08.97, Бюл. №24.

70. Ермакова, JI.E. Электрохимические характеристики мембран из макропористых стекол в растворах HCl и KCl / Л.Э. Ермакова, М.П. Сидорова // Коллоидный журнал. - 1994. - Т.56. - №6. - С.782 - 787.

71. Хадаханэ, Н.Э. Фильтрация воды через тонкопористьте стеклянные мембраны / Н.Э. Хадаханэ, В.Д. Соболев, Н.В. Чураев // Коллоидный журнал. - 1980. - №5. - С.911 - 915.

72. Захаров, Л.С. Боросиликатные микропористые стекла для обратного осмоса / Л.С. Захаров // Стекло и керамика. - 2004. - №6. - С.8 - 9.

73. Булавченко, А.И. Модельные эмульсионно-экстракционные мембраны. Использование экстракции / А.И. Булавченко, В.Г. Торгов // Коллоидный журнал. - 1993. - Т.55. - №1. - С.42 - 46.

74. Красный, Б.Л. Пористая проницаемая керамика для фильтрующих элементов установок очистки горячих газов от пыли / Б.Л. Красный, В.П. Тарасовский, А.Ю. Вальдберг, Т.О. Казначеева // Стекло и керамика. - 2005. - №5. - С. 14 - 18.

75. Марцулевич, H.A. Гидродинамические характеристики мембранного аппарата кассетного типа / H.A. Марцулевич, Ван Чжань, О.М. Флисюк // ЖПХ. - 1992. - Т.65. -№5. - С. 1135 - 1138.

76. Марцулевич, H.A. Использование аппаратов кассетного типа для процессов мембранной фильтрации / H.A. Марцулевич, В.А. Гуляренко, В.П. Кононов // ЖПХ. - 1990. - №10. - С.2249 - 2252.

77. Пат. 2121393 Российская Федерация, МКИ B01D63/10, B01D53/00. Мембранный рулонный элемент для разделения газов и паров / А.И. Костин, Е.Э. Дерягина, С.Б. Масленин, A.B. Тарасов; заявитель и патентообладатель ООО «Новые мембранные системы». - Бюл. №31.

78. Малиновская, Т.А. Разделение суспензий в промышленности органического синтеза / Т.А. Малиновская. - М.: Химия, 1971. - 268 с.

79. Жужиков, В.А. Фильтрование: Теория и практика разделения суспензий / В.А. Жужиков. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1980. -400 с.

80. Марцулевич, H.A. Моделирование массопереноса при микрофильтрации / H.A. Марцулевич // ЖПХ. - 1993. - Т. 66, вып. 4. - С. 4549.

81. Кутателадзе, С.С. Гидравлика газо-жидкостных систем / С.С. Кутателадзе, М.А. Стырикович. - Л.: Госэнергоиздат, 1958. - 232 с.

82. Ибрагимов, М.Х. Структура турбулентного потока и механизм теплообмена в каналах / М.Х. Ибрагимов, В.И. Субботин, В.П. Бобков, Г.И. Сабелев, Г.С. Таранов. - М.: Атомиздат, 1978. - с.296.

83. Шлихтинг, Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихинг. Пер. с нем. - М.: Изд-во иностр. лит., 1956. - 713 с.

84. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа / Л.Г. Лойцянский. -Изд. 5-е, перераб. - М.: Наука, 1978. - 736 с.

85. Хинце, И.О. Турбулентность / И.О. Хинце. - М.: Физматгиз, 1963.-347 с.

86. Сагдуллаев, Б.Т. Изучение эффекта загрязнения и очистки микрофильтрационной мембраны при фильтрации водного экстракта шиповника / Б.Т. Сагдуллаев, Э.В. Сафонова, М.А. Ходжаева // ЖПХ. - 2003. - Т.76. - №9. - С.1518 - 1521.

87. Поляков, C.B. Концентрационная поляризация в узком канале с полупроницаемыми стенками и турбулизатором / C.B. Поляков // ТОХТ. -1992. - Т.26. - №4. - С.534 - 539.

88. Дытнерский, Ю.И. Мембранные процессы разделения жидких смесей / Ю.И. Дытнерский. - М.: Химия, 1975. - 232 с.

89. Хванг, С.-Т. Мембранные процессы разделения / С.-Т. Хванг,

К. Каммермейер; под ред. Ю.И. Дытнерского. - М.: Химия, 1981. - 464 с.

96

90. Пат. 2251446 Российская Федерация, МКИ B01D63/06. Мембранный аппарат для фильтрации вязких жидкостей / И.Т. Кретов, C.B. Востриков, А.И. Ключников, Д.В. Ключникова; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение Воронежская государственная техническая академия. - опубл. 10.05.2005, Бюл. № 13.

91. Пат. 2238794 Российская Федерация, МКИ B01D63/06. Мембранный аппарат с импульсным режимом фильтрации / И.Т. Кретов, C.B. Востриков, А.И. Ключников, Д.В. Ключникова; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение Воронежская государственная техническая академия. - опубл. 27.10.2004, Бюл. №30.

92. Пат. на ПМ 15475 Российская Федерация, МКИ С06В21/00. Устройство для ультрафильтрации / К.И. Тимин, С.А. Артемьев, К.Ш. Валиуллин, П.С. Смирнов; заявитель и патентообладатель Государственный научно-исследовательский институт «Кристалл». - опубл. 20.10.2000, Бюл. №29.

93. A.c. 521902 РФ, МКИ B01D13/00, B01D31/00. Элемент для разделения растворов методами обратного осмоса и ультрафильтрации /

A.A. Ясминов, Д.Л. Майэлик, В.М. Богомолова, А.К. Орлов, Е.А. Котяхов, М.У. Миропольский (РФ). - № 1964093/23-26; заявлено 12.10.73; опубл. 25.07.76, Бюл. №27.

94. A.c. 1367995 РФ, МКИ B01D13/00. Мембранный элемент /

B.Г. Гнеушев, С.А. Клименко, Г.В. Милях, В.П. Прохорец (РФ). - № 4055929/23-26; заявлено 14.04.86; опубл. 23.01.88, Бюл. №3.

95. Калинин, Э.К. Интенсификация теплообмена в каналах / Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, С.А. Ярхо. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 208 с.

96. Рид, Р. Свойства газов и жидкостей: справочное пособие / Р. Рид, Дж. Праусниц, Т. Шервуд; под ред. Б.И. Соколова - 3-е изд. - JL: Химия, 1982.-592 с.

97. Акатнов, Н.И. Распространение плоской турбулентной струи вдоль твердой, гладкой и шероховатой поверхностей / Н.И. Акатнов // Известия АН СССР, ОТН. - 1960. -№1. - С.27 -32.

98. Кутателадзе, С.С. Пристенная турбулентность / С.С. Кутателадзе. - Новосибирск: Наука, 1973. - 227 с.

99. Волчков, Э.П. Взаимодействие затопленной турбулентной струи с твердой стенкой / Э.П. Волчков, С.С. Кутателадзе, А.И. Леонтьев // ПМТФ. - 1965. - №2. - С.50 - 53.

100. Павлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: учеб. пособие для вузов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, A.A. Носков. - 11-е изд. - М.: ООО «РусМедиаКонсалт», 2004. - 576 с.

101. Глазев, Д.Ю. Способ концентрирования гидрозолей наноалмазов с помощью трубчатых мембранных фильтров / Д.Ю. Глазев, В.А. Куничан, И.С. Ларионова, Л.И. Полева, Н.М. Кутакова // Нанотехника. - 2011. - №4(24). _С. 45-47.

102. Глазев, Д.Ю. Способ концентрирования алмазных золей с помощью трубчатых фторопластовых и керамических мембранных фильтров / Д.Ю. Глазев, В.А. Куничан, И.С. Ларионова, Л.И. Полева, Н.М. Кутакова // Физико-химические основы ионообменных процессов: материалы XII Международной конференции. Сорбционные и хроматографические процессы. Специальный выпуск. - 2011. - Т. 11.- Вып. 2. - С. 172- 177.

103. Пат. 2430016 Российская Федерация, МПК С01В 31/06, В82В 3/00. Способ получения золей наноалмазов / И.С. Ларионова, Д.Ю. Глазев, A.C. Жарков, Л.И. Полева, Н.М. Кутакова, A.B. Фролов; заявитель и патентообладатель ОАО «ФНПЦ «Алтай», опубл. 27.09.2011, Бюл. № 27.

104. Глазев, Д.Ю. Опыт концентрирования алмазных золей с помощью трубчатых фторопластовых и керамических фильтров / Д.Ю. Глазев, И.С. Ларионова, Ю.И. Ладыгин, Л.И. Полева, Н.М. Кутакова // Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы: получение, свойства, применение: труды научно-технической конференции с международным участием. - Красноярск: ИПК СФУ, 2009. - С.89-91.

105. Глазев, Д.Ю. Изучение работы турбулизирующей вставки в процессе мембранного концентрирования алмазных золей / Д.Ю. Глазев, В.А. Куничан, И.С. Ларионова // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием. - Бийск: АлтГТУ, 2010. - С. 35-39.

106. Глазев, Д.Ю. Исследование процесса сгущения гидрозолей наноалмазов на трубчатых мембранных фильтрах с турбулизирующей вставкой / Д.Ю. Глазев // Пищевые продукты и здоровье человека: материалы всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. -Кемерово: КемТИПП, 2010. - С. 420 - 422.

107. Глазев, Д.Ю. Исследование влияния пульсаций на производительность фильтра при концентрировании гидрозолей наноалмазов / Д.Ю. Глазев, В.А. Куничан, И.С. Ларионова // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Бийск: АлтГТУ. - С. 36-37.

108. Глазев, Д.Ю. Устройство для повышения эффективности мембранного концентрирования алмазных золей / Д.Ю. Глазев, В.А. Куничан, И.С. Ларионова // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы 2-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Бийск: АлтГТУ, 2009. - С. 41-45.

109. Глазев, Д.Ю. Устройство для интенсификации мембранного концентрирования алмазных золей / Д.Ю. Глазев, В.А. Куничан, И.С. Ларионова // Инновационные технологии: производство, экономика, образование: материалы всероссийской научно-практической конференции. -Бийск: АлтГТУ, 2009. - С. 414^115.

110. Установка мембранная трубчатая лабораторная УМТ-Л. Паспорт Т 825.00.00.00 ПС. - Москва: НПО «БиоМаш», 1989. -23 с.

111. Михалев, М.Ф. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств: Примеры и задачи для вузов / М.Ф. Михалев, Н.П. Третьяков, А.И. Мильченко, В.В. Зобнин: под ред. М.Ф. Михалева. - Л.: Машиностроение, 1984. -301 с.

112. Росляков, А.И. Гидромашины. Основы проектирования: учебно-методическое пособие / А.И. Росляков, K.P. Резанов. - Бийск: АлтГТУ, 1995. -40с.

113. Ультрафильтры трубчатые типа БТУ 0,5/2 марки Ф-1: ТУ 6-052010-86. - Владимир: Владипор, 1986. - 24 с.

«УТВЕРЖДАЮ» енералыного директора-ФНПЦ «Алтай» Певченко Б.В.

2011 г.

АКТ

использования результатов научного исследования

На базе лаборатории ультрадисперсных алмазов ОАО «ФНПЦ «Алтай» аспирантом БТИ АлтГТУ Глазевым Д.Ю. была проведена работа по исследованию процесса фильтрации гидрозолей УДА в трубчатом мембранном фильтре с турбулизирующей вставкой.

При выполнении работы были исследованы основные закономерности фильтрации гидрозолей УДА на трубчатом мембранном фильтре с турбулизирующей вставкой и разработано математическое описание данного процесса. На основании полученных данных разработана методика расчета и подбора оборудования для процесса мембранной фильтрации с использованием трубчатых мембранных фильтров с турбулизирующей вставкой.

Результаты исследований были использованы в технологии получения УДА на ОАО «ФНПЦ «Алтай». Использование полученных результатов и трубчатого фильтра с турбулизирующей вставкой позволило увеличить производительность стадии концентрирования гидрозолей УДА в 1,25-2 раза при увеличении концентрации твердой фазы от 2 до 8 % (масс.).

Нач. отдела 20

Нач. лаборатории УДА

д.х.н. Лобанова А.А. Ларионова И.С.