Под поточными схемами понимаются способы соединения мембранных аппаратов между собой для достижения поставленных задач. Задача инженера – собрать аппараты таким образом, чтобы оптимизировать систему, т.е. добиться минимальной стоимости продукта.
Принципиально существуют два способа проведения процессов мембранного разделения – тупиковый и проточный (рис. 5.22).
Рис.5.22. Два способа мембранного разделения – тупиковый (а) и проточный (б)
Тупиковый используют редко, в основном на патронных мембранных элементах, хотя при введении регенерации мембран с помощью гидравлического удара обратным током пермеата со сбросом порции загрязнений из аппарата такой способ возможен и в других случаях.
При организации проточного процесса необходимо учитывать следующие обстоятельства:
1 – по длине аппарата объемный расход разделяемого потока уменьшается за счет оттока пермеата. Пропорционально уменьшается линейная скорость жидкости вдоль мембраны и усиливается влияние КП;
2 – по длине аппарата концентрация задерживаемых мембраной компонентов растет, пропорционально повышается и концентрация их в пермеате;
3 – по длине аппарата давление над мембраной падает из-за гидравлического сопротивления в напорном канале, соответственно снижается движущая сила процесса;
4 – глубокое концентрирование раствора требует каскадной схемы соединения аппаратов;
5 – глубокая очистка раствора требует многоступенчатой схемы соединения аппаратов.
В проточных схемах используют две конфигурации потоков – транзитная схема и циркуляционная схема (рис. 5.23).
Рис. 5.23. Транзитная (а) и циркуляционная (б) схемы осуществления
мембранных процессов
В транзитной схеме раствор проходит через мембранный аппарат только один раз, концентрируясь по длине. Условно можно сравнить такую схему с аппаратом идеального вытеснения. Основным для учета является обстоятельство № 1 – снижение линейной скорости по длине. Решить эту проблему можно, если транзитную схему строить по принципу конического каскада, как это показано на рисунке 5.24.
Рис. 5.24. Коническая каскадная транзитная схема
Скорость потока вдоль мембран остается одинаковой по всем стадиям каскада, но концентрация пермеата по стадиям растет.
В циркуляционной схеме необходимая скорость потока достигается за счет циркуляционного насоса, установленного на обводной линии. Условно такая схема ближе к аппаратам идеального смешения. Основным для учета здесь является обстоятельство №2 – рост концентрации. Фактически во всем объеме циркуляционного контура находится концентрат, что понижает эффективность очистки пермеата. Решить эту проблему можно, если циркуляционную схему нескольких последовательных стадий, снабдив каждую собственным циркуляционным контуром, как это показано на рисунке 5.25.
Рис. 5.25. Многостадийная циркуляционная схема
Каскадные транзитные схемы чаще используются в установках обратного осмоса при обессоливании воды, когда нет необходимости добиваться глубокого концентрирования исходного раствора. Циркуляционные схемы более гибки, поэтому им отдается предпочтение в установках микро- и ультрафильтрации, где обычно наблюдаются интенсивные отложения на мембранах.
Учитывая то обстоятельство, что иногда одного прохода через мембрану бывает недостаточно для достижения необходимой степени очистки, проектируют схемы многоступенчатые, в которых пермеат первой ступени является сырьем для второй ступени. Появляется множество вариантов соединения аппаратов для достижения различных целей: глубокой очистки пермеата, глубокого концентрирования исходного раствора, совместного достижения этих целей и т.п. Некоторые из этих схем приведены на рисунке 5.26.
Разработка таких схем обусловлена конкретными задачами разделения. Растет и оптимизация их – довольно сложная процедура, где необходимо учитывать большое число переменных.
Рис. 5.26. Схемы многостадийные и многоступенчатые:
а – двухстадийная с рециклом пермеата второй стадии; б – двухступенчатая с рециклом концентрата второй ступени; в – трехстадийная с рециклом пермеатов 2-й и 3-й стадий; г – двухстадийная двухступенчатая с рециклом концентрата второй ступени