Принцип работы бак мембранный: Мембранный бак — расчет, конструкция, особенности подбора и установки

Разное

Содержание

область применения, конструкция, механизм действия, советы по монтажу

Вопрос водоснабжения во многих населенных пунктах стоит довольно остро. Особенно дело касается частных секторов, где централизованная подача воды отсутствует. Помимо бытовых нужд, водоснабжение необходимо и в промышленности, сельском хозяйстве и других отраслях.

Назначение мембранных баков Wester

Мембранный бак Wester представляет собой гидротехническую установку, внедряемую в напорную систему водоснабжения с целью обеспечения в последней давления определенной величины.

Проще говоря, при регулярных колебаниях уровня воды в емкости или водоеме, из которого она откачивается, давление постоянно падает и снова поднимается, может произойти порча оборудования и выход из строя всей системы. В этом случае устанавливается мембранный бак, или гидроаккумулятор, который служит как бы посредником между насосом и резервуаром с водой. Жидкость наполняет бак и обеспечивает нормальную работу насоса без включения повысительных устройств за счет нагнетания в систему накопленной воды и компенсации падающего давления.

Конструкция мембранного бака Wester

Конструктивно гидроаккумуляторы Wester имеют собой сложного устройства. Они могут быть представлены в горизонтальном или вертикальном исполнении.

Основными элементами мембранных баков устройство для закрепления мембраны являются:

  • стальной корпус;
  • сменная резиновая мембрана;
  • воздушный клапан с колпачком и пластмассовой крышкой;
  • стальной оцинкованный фланец с резьбовым штуцером.

Снаружи гидроаккумулятора находится специальное эпоксиполиэфирное покрытие, которое надежно защищает корпус от коррозии и возможных механических воздействий. Корпус бака Wester имеет цилиндрическую форму и изготовлен из толстой высокопрочной стали, обеспечивающей долгую и надежную работу устройства. Внутри он разделен на 2 полости: с водой и воздухом.

Для разделения полостей служит сменная мембрана, выполненная из бутилкаучука марки БК 1675. Она может работать, не теряя своих свойств, при температурах от — 11°С до + 101°С. Мембрана играет важнейшую роль в функционировании всего гидроаккумулятора. Она исключает возможность соприкосновения воды и воздуха, тем самым предотвращая появление окислительных процессов, повышая КПД системы и срок службы бака.

Принцип работы мембранных баков Wester

Механизм функционирования гидроаккумулятора Wester основан на наличии в нем сжатого воздуха, который находится между стенками и мембраной, с давлением выше атмосферного. Работа насоса приводит к увеличению давления воды, что в свою очередь обеспечивает дополнительное сжатие воздуха и накопление жидкости в баке до момента включения реле давления насоса и достижения равновесия между давлением воздуха и воды.

В нерабочем состоянии в бак со стороны воздушного клапана закачивается воздух до давления 1,5 атм. В ходе работы со стороны штуцера фланца в мембрану под давлением поступает вода, которая сжимает воздух, в результате чего он выталкивает жидкость из мембраны при не работающем насосе.

Особенности монтажа баков Wester

Самостоятельно не сумеет поставить гидроаккумулятор Wester только ленивый. Конечно, привлечение специалистов дает максимум гарантий надежной работы устройства и спокойствие владельца. Но при желании и небольших усилиях можно сэкономить и установить мембранный бак Wester своими руками.

В процессе монтажа бака следует учитывать некоторые моменты:

  • размещать мембранный бак в месте, где на него могут попадать атмосферные осадки или воздействовать приборы, вызывающие вибрацию;
  • перед выполнением монтажа необходимо с помощью манометра измерить давление воздушной полости;
  • при подключении гидроаккумулятора к котлу или водонагревателю не должно быть запорной арматуры или участков трубы с сужением;
  • бак необходимо устанавливать на ровной поверхности и максимально близко к реле давления;
  • перед введением устройства в пуск следует залить установку водой, потом открыть самый дальний кран и включить установку, чтобы удалить из системы воздух.

Техническое обслуживание мембранных баков осуществляется 1 раз в год. Ежемесячно обязательно надлежит проверять давление в воздушной полости.

Мембранный расширительный бак для системы отопления

Для любой отопительной системы нужна установка специального оборудования, компенсирующего расширение теплоносителя. Такое требование обусловлено возможным повреждением батарей, труб и теплообменников котла.

Расширительный бак мембранного типа

Кроме клапана также обязательна установка мембранного расширительного бака, от работы которого во многом зависит эффективность и безопасность работы всей системы в целом.

Устройство и принцип работы расширительных баков для отопления

Расширительные бачки, как и обогревательные системы, бывают:

  • закрытого типа,
  • открытого типа.

Открытый расширительный бачок — это изготовленная из нержавеющей стали емкость в виде параллелепипеда, устанавливаемая в наивысшей точке системы, чаще всего на чердаке.

Как выглядит открытый расширительный бачок

К баку подсоединяются несколько труб:

  • магистральная;
  • циркуляционная;
  • сигнальная.

В системах открытого типа теплоноситель перемещается под воздействием естественной гравитации без установки насосов.

Вопреки относительно небольшим затратам на обустройство и легкость обслуживания, открытые системы стремительно теряют свою популярность по причине слишком большого количества слабых мест:

  • необходимость обязательного отслеживания уровня воды в бачке по причине интенсивного испарения теплоносителя в открытых сосудах;
  • необходимость добавления воды по мере необходимости;
  • невозможность использования антифриза в связи с открытостью бака, испаряющегося еще быстрее воды;
  • необходимость устройства дренажа либо подводa канализации, так как иногда случается перелив находящейся в расширительной емкости воды;
  • наличие эффективной теплоизоляции с целью предотвращения замерзания теплоносителя в открытой расширительной емкости;
  • необходимость дополнительного приобретения соединительных частей и труб для установки на чердаке расширительного бака мембранного типа;
  • появление ржавчины на радиаторах и трубах, образование пробки, связанное с попаданием в отопительную сеть из расширительного сосуда воздуха.

Схема открытого бачка

Сфера применения: системы с открытыми емкостями устанавливаются преимущественно для обогрева зданий малой площади в один этаж. В больших домах целесообразно устанавливать систему закрытого типа.

Устройство закрытого мембранного расширительного бака

Закрытый мембранный расширительный бак разделяется гибкой мембраной на отсеки для:

  • жидкости, куда поступает образовавшийся при нагревании избыточный теплоноситель;
  • газов, где под давлением находится воздух, а в некоторых случаях — инертный газ либо азот.

Конструкция закрытого расширительного бака

Принцип работы мембранного расширительного бака:

  • увеличение температуры теплоносителя приводит к тому, что все больший его объем подается в отсек;
  • объем газового отсека сокращается, а давление в нем нарастает;
  • критическое давление приводит к включению предохранительного клапана и сбросу лишнего давления.

Как устроены закрытые баки

При охлаждающейся отопительной системе наблюдается противоположный процесс: мембранный расширительный бак возвращает воду обратно в трубопровод.

Виды мембранных бачков

Устройство расширительного бака мембранного типа кажется простым только сначала. Для каждой системы следует подбирать свой тип, в наиболее полной мере отвечающий предъявляемым требованиям и условиям эксплуатации.

Фиксированный бак

Особенностью такого вида является невозможность разборки конструкции, то есть мембрану нельзя достать и заменить на другую.

Несмотря на кажущийся существенным недостаток, такие баки обладают весомым плюсом — низкой ценой. Именно по этой причине они востребованы в небольших системах со стабильным давлением.

Часто при расчетах указанное производителем давление принимается неизменным, но при возможном превышении допустимого параметра расширения теплоносителя следует подобрать мембранный бак для отопления иного типа.

Фланцевые бачки со сменной мембраной

В их конструкции предусмотрено наличие фланца, позволяющего заменить износившуюся мембрану. Таким образом регулируется объем бачка, и появляется возможность установки мембран различной степени упругости.

Бак со сменной мембраной

В мембранном баке такого типа допускается непостоянное давление с большой долей вероятности повышения. Примеры: котлы на твердом топливе, в которых нет возможности оперативно отрегулировать нагрев воды.

Баки выпускаются в горизонтальном и в вертикальном исполнении.

Баки различной формы

Оптимальный объем бачка связан с его геометрической формой. Для домашних отопительных сетей с небольшой протяженностью труб лучше подбирать плоские устройства, а для имеющих большую протяженность систем больше подходят конструкции цилиндрической формы.

Расчет объема мембранного бака

По одной из методик за требуемый объем расширительного сосуда принимается порядка 10% от суммарного объема циркулирующего в системе теплоносителя. Данный подход основывается на том, что показатели теплового расширения теплоносителя не превышают значения 0,08 при добавлении гликоля до 90% и нагревании до 100°С. Этот метод расчетов достаточно приблизительный, так как не берет в расчет давление в системе.

Для более точного определения требуемого объема бака рекомендуется воспользоваться формулой:

V = C*Bt/(1-( Pmin/Pmax)), где:

  • С — объем теплоносителя;
  • Bt — параметр теплового расширения теплоносителя;
  • Pmin — начальное (настроечное) давление в сосуде;
  • Pmax — допускаемое давление в системе (при котором происходит срабатывание предохранительного клапана).

Суммарный объем (С) используемого в системе теплоносителя рассчитывается по всем ее элементам. Это значение обычно приводится в технической части проекта отопления.

Значение параметра расширения жидкости (Bt) зависит от ее состава и температуры. В отопительных системах индивидуальных домов в качестве теплоносителя в основном применяется вода, но для улучшения характеристик можно добавить гликоль. Табличное значение параметра приведено в специальной литературе либо на тематических интернет-порталах.

Значение настроечного давления (Pmin) принимается равным значению начального давления в системе при не нагретом теплоносителе.

Максимальное давление (Pmax) ограничивается наименьшей из всех величиной, допускаемых для отдельных узлов. Это значение определяет момент включения предохранительного клапана.

Полученная расчетная величина (V) характеризует прибавление объема жидкости при ее нагревании.

Расширитель подбирается исходя из полученной расчетной величины и коэффициента заполнения. Этот коэффициент можно определить по специальным таблицам в зависимости от начального и наибольшего давления, которые легко можно отыскать в специальной литературе.

Требования к установке

Монтаж бака нельзя назвать сложной работой, поэтому можно обойтись и собственными силами.

Схема систем отопления открытого и закрытого типа

При установке нужно строго выполнять следующие требования:

  • не следует устанавливать бак в помещениях с отрицательной температурой;
  • установить бак можно в любой точке системы до разветвления;
  • особое внимание необходимо уделять надежности крепления, так как при наполнении бака жидкостью вес его значительно увеличивается;
  • все соединения должны быть герметичны;
  • не допускается применение герметиков, так как они ухудшают трение между корпусом и мембраной;
  • не рекомендуется размещение сосуда на выходной трубе сразу за котлом.

Нельзя прикреплять мембранные баки большого объема (свыше 30 л) к несущим конструкциям. В большинстве случаев они оборудованы ножками для установки на пол.

Рекомендации по установке

Устанавливая мембранный расширительный бак в систему отопления, следует учесть следующее:

  • окружность патрубка обычно равна 3/4, поэтому в «обратке» следует предусмотреть наличие совпадающего резьбового канала;
  • проведению работ не должны мешать части системы либо посторонние предметы;
  • нужно полностью исключить любую нагрузку на расширительный бак для водоснабжения или отопления;
  • рекомендуется использовать прокладки из паронита, обладающие требуемой устойчивостью к воздействию повышенных температур и давления;
  • для регулирования и поддержания давления в газовом отсеке следует непременно оборудовать расширитель воздушным клапаном.

Всякий раз после включения закрытой системы на мембрану действует высокое давление, по этой причине как минимум один раз в 2 года необходима проверка состояния мембраны и при необходимости ее замена.

Какие бывают мембраны для бака

Устанавливая мембранные расширительные баки для отопительных систем необходимо постараться избегать серьезных ошибок, приводящих к некорректной работе оборудования.

Самая серьезная из них — это неверное указание максимального давления в газовом отсеке. Оно должно составлять 85-90% от критического, иначе мембрана перестанет расширяться по направлению к отсеку, что чревато прорывом труб и выходом из строя батарей отопления. Лучшее решение такой проблемы — установка рабочего поверенного манометра.

Перед установкой бака следует убедиться в его отсутствии в котле. Если согласно расчетам его объема недостаточно, то можно установить дополнительный бак.

Рекомендации по выбору

При выборе бака особое внимание нужно обратить на его конструкцию. Если не ожидается критических перепадов давления, то лучше предпочесть недорогой фиксированный бак. В ином случае потребуется установка расширительного разборного бака, так как замена мембраны обойдется значительно дешевле, чем замена всей конструкции полностью.

Дополнительные факторы, которые нужно учесть при выборе:

  • толщина стенок: должна составлять не менее 1 мм;
  • тип внешнего и внутреннего покрытия: изготовленный из металла корпус не должен подвергаться коррозии;
  • объем жидкостного отсека: не должен быть слишком большим во избежание снижения температуры теплоносителя в трубах;
  • конструкция емкости: она может быть горизонтальной или вертикальной, в других положениях его установка запрещена.

Расширительный бак в помещении

Несмотря на кажущуюся простоту такого элемента отопительной системы, как бак для воды, его выбор и установка требуют немало внимания и скрупулезности даже в мелочах. Серьезное отношение позволит избежать любых неприятностей и сделать обогрев частного дома эффективным и безопасным.

Видео по теме:

Принцип действия мембранного накопительного бака


Компания «Аквабосс» занимается выпуском и продажей очистительного оборудования и вспомогательных элементов. В каталоге представлены изделия, одобренные FDA (Управлением по контролю за качеством пищевых продуктов и лекарств).


Мембранные накопительные баки


Бак используется для накопления и хранения отфильтрованной воды.  Установка таких емкостей необходима, если вы ежедневно потребляете более 3 литров очищенной воды. В качестве накопительного элемента выступает гидроаккумулятор. Устройство также увеличивает скорость фильтрации и передачи жидкости в бак, так как обычная бытовая мембрана немного замедляет процесс.


Принцип работы?


Накопительные баки для систем обратного осмоса изготавливаются в виде цельной ёмкости с двумя внутренними камерами. Камеры разделяет эластичная мембрана, задерживающая частички грязи и опасных примесей. Вода сначала поступает в нижнюю камеру, проходит через мембрану и в чистом виде накапливается в верхней.


Чтобы вода переходила от нижней камеры к верхней, в первую закачивают воздух, под его давлением жидкость и перемещается. Уровень давления контролируется специальным резьбовым штуцером. Давление выталкивает жидкость как только открывается кран. Благодаря такому алгоритму не важно с какой производительностью работает мембрана, в баке всегда есть вода.


На что обращать внимание при выборе накопителя?


Выбирая мембранный накопительный бак, ориентируйтесь на такие параметры:


  • Материал изготовления. Используется специальный пластик, нержавеющая сталь и металл с эмалевым покрытием. Надёжным и долговечным считается стальное исполнение, на втором месте – пластик.

  • Объём. Показатель варьируется от 1,5 до 150 л. Рассчитывать объём рекомендуется исходя из отметки 4 литра в сутки на человека (+3 дополнительных литра). Выходит, что для семьи из 3-х человек достаточно 15 литров.

  • Тип очистительной мембраны. Желательно останавливать выбор на последних наработках. Например, быстро и качественно справляется с поставленной задачей хлорбутиловая диафрагма.

  • Габариты.


Преимущества баков от «Аквабосс»


Купить накопительный бак для обратного осмоса в интернет-магазине «Аквабосс» стоит по таким причинам:


  • Изготовление конструкции из высокопрочной нержавеющей стали с дополнительным покрытием эпоксидной грунтовокой. Для внутренних стенок используется полипропилен.

  • Использование нержавеющей стали для выпуска регулировочного штуцера (разработка запатентована компанией).

  • Установка хлорбутиловой диафрагмы. В диафрагме не содержатся опасные вещества, так как перед установкой она вулканизуется. Внутренняя конструкция бака сделана таким образом, чтобы мембарана была защищена от повреждений.

  • Соответствие американскому стандарту для систем фильтрации воды NSF 58 и наличие знака европейского соответствия (СЕ).


Компания «Аквабосс» занимается не только продажей очистительного оборудования. Мастера помогут установить мембранный накопительный бак и проведут пуско-наладочные работы, далее мы осуществляем обслуживание и техническую поддержку.

принцип работы, инструкция по наладке, схема подключения + видео

Расширительный мембранный бак – обязательный компонент индивидуального водоснабжения, без которого функционирование системы не представляется возможным. Именно он создает необходимое давление для полноценной работы водопровода, делает резервные запасы воды и даже выполняет ряд защитных функций. В связи со столь высокой важностью оборудования ожидаемо возникает вопрос: как выбрать и грамотно установить бак? Чтобы разобраться, подойдем к вопросу комплексно: к вашему вниманию строение и принципы работы расширительного прибора, его виды, особенности выбора, а также схема подключения и полезная инструкция по наладке с видео.

Функции и принцип работы

Мембранный бак – это герметичный преимущественно металлический резервуар, состоящий из двух разделенных камер: воздушной и водяной. В роли разделителя выступает специальная резиновая мембрана – она, как правило, выполнена из крепкого бутила, который устойчив к развитию бактериальных микроорганизмов. Водяная камера оснащена патрубком, через который непосредственно подается вода.

Главная задача расширительного мембранного бака – аккумулировать определенный объем воды и подавать ее по запросу пользователя под необходимым давлением. Но этим функции прибора не ограничиваются – также он:

  • защищает насос от преждевременной деформации: благодаря резерву воды насос включается не при каждом открывании крана, а только при опустошении бака;
  • предохраняет от перепадов давления воды при параллельном использовании нескольких кранов;
  • защищает от гидравлических ударов, которые потенциально могут происходить при включении насосной установки.

Функционирование прибора

Принцип работы бака следующий. Когда насос включается, в водяную камеру под давлением начинает закачиваться вода, а объем воздушной камеры в это время уменьшается. Когда давление достигает максимально допустимой отметки, насос отключается, и подача воды прекращается. Затем по мере забора воды из бака давление снижается и, когда оно уменьшается до минимально допустимой отметки, насос вновь включается и возобновляет закачку воды.

Совет. В процессе работы бака в водяной камере может накапливаться воздух, что провоцирует снижение эффективности оборудования, поэтому как минимум раз в 3 месяца нужно проводить обслуживание отсека – стравливать из него лишний воздух.

Виды мембранных баков

Различают два вида расширительных мембранных резервуаров:

  1. С заменяемой мембраной – модели, подразумевающие возможность смены резиновой мембраны. При первой же необходимости ее можно вынуть через фланец, раскрутив его болты. В крупных баках мембрана дополнительно зафиксирована к ниппелю, что позволяет стабилизировать прибор, но и в этом случае ее можно без проблем снять с креплений на задней части.

    Мембрана для гидроаккумулятора

  2. Со стационарной мембраной – баки, в которых разделительная мембрана закреплена максимально жестко и не подлежит замене. Если она выйдет из строя, менять придется весь прибор. Цена таких расширительных резервуаров ниже, чем стоимость моделей предыдущего вида, но о полноценном удобстве эксплуатации тут говорить не приходится.

Совет. Выбирая между сменной и стационарной мембраной, учитывайте один важный фактор: в первом случае вода полностью находится в мембране и не вступает в контакт с внутренней поверхностью бака, что исключает коррозионные процессы, а во втором случае контакт сохраняется, поэтому добиться максимальной защиты от коррозии невозможно.

Особенности выбора бака

Главный фактор выбора мембранного бака – его объем. При расчете оптимального объема резервуара следует учитывать следующие нюансы:

  • количество пользователей водопроводной системы;
  • количество точек водозабора: кранов, выходов для душа и джакузи, выходов для бытовой техники и котлов, которые работают с водой;
  • производительность насоса;
  • максимальное количество циклов включения/выключения насоса за один час.

Для расчета приблизительного объема бака можете воспользоваться такими ориентирами от специалистов: если количество пользователей не более трех, а производительность насоса составляет не больше 2 куб.м./ч, то вполне достаточно резервуара объемом 20-24 л; если количество пользователей от четырех до восьми, а производительность насоса колеблется в рамках 3-3,5 куб.м./ч, потребуется резервуар объемом 50-55 л.

Выбирая бак, помните: чем скромнее его объем, тем чаще придется включать насос и тем выше риск перепадов давления в водопроводной системе.

Совет. Если вы предполагаете, что со временем возникнет необходимость увеличения объема мембранного бака, покупайте оборудование с возможностью подключения дополнительных емкостей.

Схема подключения бака

Мембранный резервуар может устанавливаться как вертикально, так и горизонтально, но в обоих случаях схема подключения будет идентичной:

  1. Определите место монтажа. Прибор должен располагаться со стороны всасывания циркуляционного насоса и до разветвления водопровода. Проследите, чтобы к баку обеспечивался свободный доступ для выполнения обслуживающих работ.
  2. Закрепите резервуар к стене или полу через каучуковые прокладки и заземлите его.
  3. К патрубку резервуара с помощью фитинга-американки подсоедините пятивыводной штуцер.
  4. К четырем свободным выводам последовательно подсоедините: реле давления, трубу от насоса, манометр и разводную трубу, которая подает воду непосредственно к точкам забора.

Подключение бака

Важно, чтобы сечение подсоединяемой трубы водопровода было равным или немного большим по отношению к сечению приемного патрубка, но оно ни в коем случае не должно быть меньшим. Еще один нюанс: между расширительным баком и насосом желательно не располагать никаких технических устройств, дабы не спровоцировать увеличение гидравлического сопротивления в системе водоснабжения.

Инструкция по наладке оборудования

После того как мембранный бак установлен и подключен, важно грамотно его настроить и запустить. Остановимся на главных моментах этого этапа.

Первым делом нужно узнать величину внутреннего давления бака. В теории оно должно составлять 1,5 атм, но не исключено, что во время хранения прибора на складе или в процессе транспортировки случилась протечка, которая спровоцировала понижение столь важного показателя. Дабы убедиться в правильности давления, снимите колпачок золотника и выполните замеры манометром. Последний может быть трех видов: пластиковый – дешевый, но не всегда точный; механический автомобильный – более надежный и сравнительно доступный в цене; электронный – дорогой, но максимально точный.

После измерений необходимо определиться, какое давление будет наиболее оптимальным в вашем случае. Практика показывает, что для нормального функционирования сантехники и бытовых приборов давление в мембранном баке должно варьироваться в рамках 1,4-2,8 атм. Предположим, что вы выбрали эти показатели – что делать дальше? Сначала, если исходное давление в баке оказалось ниже 1,4-1,5 атм, его нужно повысить путем подкачки воздуха в соответствующую камеру резервуара. Затем следует настроить реле давления: откройте его крышку и при помощи большой гайки P настройте максимальный показатель давления, а при помощи малой гайки ∆P – минимальный показатель.

Процесс наладки оборудования несложен

Теперь можно запускать систему: по мере закачки воды наблюдайте за манометром – давление должно постепенно подниматься, а после того, как оно достигнет максимальной установленной отметки, насос должен отключиться.

Как видите, без расширительного мембранного бака вы действительно можете даже и не рассчитывать на полноценную работу индивидуального водоснабжения. Поэтому, если хотите бесперебойно пользоваться благами цивилизации, основательно подойдите к выбору и подключению прибора – все принципы и тонкости перед вами, так что советуем их хорошо проштудировать и только потом переходить к активным действиям.

Расчет объема гидроаккумулятора: видео

Мембранный расширительный бак для водоснабжения: фото

Мембранные расширительные баки для отопления – устройство, принцип работы и советы по выбору

Всякая система отопления подвержена резким перепадам температуры, приводящим к изменению объема теплоносителя. Последнее чревато авариями, ввиду чего нужно сделать все возможное для предупреждения подобных ситуаций. Для этого производится монтаж особого агрегата — мембранного расширительного бака, встраиваемого в отопительный контур.

Расширительный бак: ликбез

Когда температура теплоносителя повышается, в контуре системы отопления и котлах происходит увеличение давления; динамика обуславливается повышением объемов проходящих жидкостей. Поскольку вода не может сжиматься, а система отличается герметичностью, следствием становится выход из строя трубопроводных конструкций.

Нередко устанавливают клапан, который выдавливает лишний объем нагретого носителя. Однако охлажденная вода сжимается, и вместо нее попадают воздушные массы, из-за чего возникают проблемы с циркуляционными процессами. Воздушные массы нужно будет регулярно выводить.

Из-за подобных проблем с отоплением рекомендуется установка в систему расширительного бака. По конструкции —это емкость, которая с помощью трубопроводной линии подключается к системе. Лишний напор компенсируется за счёт объема, что и обеспечивает бесперебойную и беспроблемную работу контура.

Расширитель «берёт на себя» некоторое количество воды при возрастании объема и давления; когда показатели возвращаются к норме, жидкость отправляется обратно. 

Среди преимуществ:

  • Возможность применения вне зависимости от типа рабочей жидкости (даже в случае, если состав содержит много кальция).

  • Возможность синхронизации с системами, с циркулирующей питьевой водой.

  • Большой полезный объем вытеснения (если сравнивать с обычными агрегатами, не имеющими мембранных элементов).

  • Подкачка воздушных масс практически не требуется.

  • Незамысловатая установка и простой уход, не требующий серьезных расходов.

Конструкционные особенности

Выделяют отопительные системы открытого и закрытого типа. Вторые считаются более надежными, поэтому используются чаще. При анализе мы будем ориентироваться на них.

На системах закрытого типа расширительный бак с мембраной устанавливается внутри. Он представляет собой устройство, включающее емкость для жидкости и изготовленную из резины мембрану; выделяют баллонный и диафрагменный типы мембран.

В первом случае теплоноситель находится во внутренней части баллона (а снаружи — азот либо воздушные массы). Преимущество — возможность замены при износе элемента. Диафрагменный тип не отличается подобным достоинством: тогда изделие представляет собой не подлежащую демонтажу перегородку, сделанную из тонкого металла либо отличающегося высокой эластичностью полимерного материала.

Диафрагменные мембраны не отличаются большой емкостью, обеспечивают компенсацию лишь небольших изменений уровня давления. Однако стоят они существенно дешевле, чем баллонные.

Принцип работы

Уровень газового давления выставляется согласно инструкции к устройству. Вид мембраны не оказывает принципиального влияния на принцип работы оборудования, однако если последнее относится к баллонному типу, в агрегат можно поместить большее количество теплоносителя (жидкости). 

Можно выделить общие принципы работы:

  • При возрастании напора жидкости ввиду расширения происходит растягивание мембранного элемента.

  • Затем происходит сжатие газа, который находится на противоположной стороне, ввиду чего остатки воды попадают вовнутрь расширительной емкости (бака).

  • При падении давления сети — жидкость остывает, что обеспечивает обратный эффект.

Регулировка постоянного напора в системе происходит автоматически. Для обеспечения стабильности работы важно разумно выбрать бак, предварительно рассчитав его характеристики в соответствии с системой.

Подходящего уровня давления нельзя будет достичь, если бак будет иметь слишком большой объем. Наоборот: если он будет обладать слишком малым объемом, то не сумеет вместить излишки теплоносителя. В обоих случаях есть риск столкнуться с аварийной ситуацией.

Выбор оборудования

Естественно, для обеспечения бесперебойной работы расширительного бачка необходимо принимать во внимание не только объем, но и другие параметры, характеристики. 

Среди основных критериев:

  • Мембранный элемент должен отличаться стойкостью к серьезным перепадам температуры и давления.

  • Мембранный элемент должен отвечать гигиеническим и санитарным нормам.

  • Способ монтажа бака (учитывайте, что расширительное оборудование может монтироваться как на пол, так и на стену).

В рыночном пространстве есть немало моделей, при том как от отечественных, так и от зарубежных брендов. Не стоит отдавать предпочтение излишне дешевым устройствам, поскольку они могут быть изготовлены из материалов низкого качества.

Не нужно полагать, что зарубежная продукция всегда превосходит отечественную по характеристикам. При потребности приобрести недорогой бак в Москве, обратите внимание на такое расширительное мембранное оборудование, как представленные в нашем каталоге бак расширительный мембранный для котлов CP387/10 Л CIMM и мембранный для водоснабжения 20 Л STOUT: цены на них сравнительно невысоки.

Выше уже было указано, что одним из ключевых критериев выбора будет объем. Специалисты советуют отдавать предпочтение бакам, размер которых находится в пределах десяти процентов от суммарного объема жидкости отопительной системы. Подобная рекомендация обусловлена тем, что коэффициент теплого расширения даже при самом серьезном нагревании не превышает восемь сотых.

В одном случае оказывается достаточно такой модели, как мембранный бак для водоснабжения WAO 50 Л WESTER. В другом требуется серьезное оборудование, как агрегат для водоснабжения 750 Л STOUT.

Расчеты производят с учетом следующих характеристик:

  • Предельное допустимое давление.

  • Суммарный объем рабочей жидкости (теплоносителя).

  • Изначальный уровень давления в бачке.

  • Коэффициент теплового расширения.

Перед покупкой необходимо принять во внимание все элементы системы, просмотрев документы (почти всякий серьезный спецпроект имеет подробное техническое описание). Можно выполнить подробный расчет, учитывая, что на один киловольт приходится порядка пятнадцати литров жидкости. Коэффициент теплового расширения при необходимости можно определить за счёт анализа состава воды. Подчас она может содержать гликоли, которые влияют на ее свойства.

При необходимости коэффициент вычисляется по температурным показателям рабочей жидкости. Предельное давление высчитывается с учетом минимальной величины, которая допустима для узлов. Изначальное давление, в случае с охлажденным теплоносителем, равняется минимальному давлению. Иногда происходит регуляция при помощи накачки либо стравливания воздушных масс. Уровень давления в баке можно контролировать посредством прибора, позволяющего проводить анализ, — манометра.

Также нужно учитывать, что имеющий мембрану бак можно использовать далеко не всегда: принимайте во внимание конструкционные особенности, лежащий в основе расширительного бачка материал. Например, продукция некоторых брендов ориентирована на конкретные условия эксплуатации (которые могут касаться состава рабочей жидкости, циркулирующей по системе). Не всегда допустимо наличие теплоносителя с высоким уровнем антифриза и этиленгликоля в составе. Воспрещается применение расширительных баков, когда превышения максимальных показателей уровня давления. Важно установить группу безопасности, обеспечивающую ограничения и контроль работы.

Установка

Конечно, всегда лучше обратиться к компетентному мастеру, который выполнит монтаж; однако при наличии базовых навыков осуществить установку можно самостоятельно. 

Среди базовых правил, которые нужно принимать во внимание:

  • Нельзя устанавливать расширительный бак в помещениях, температура которых может опускаться ниже нуля.

  • Устройство может быть установлено в любом узле системы отопления до разветвления.

  • Важно грамотно зафиксировать бачок, поскольку после наполнения резервуар становится достаточно тяжелым.

  • Необходимо обеспечить герметичность всех сочленений; при этом воспрещается использовать герметики, ухудшающие трение между корпусной частью и мембраной.

  • Бачок нельзя располагать на выходной трубе невдалеке от котельного оборудования.

  • Если суммарный объем емкости превышает тридцать литров, нельзя закреплять ее на несущих конструкциях (подобное оборудование предполагает напольный монтаж).

Также можно дать несколько более конкретных советов по монтажу:

  • Патрубок должен иметь в окружности три четверти, а значит, необходимо присутствие аналогичного канала резьбы в обратке.

  • Установку производят лишь после того, как объект подготовлен: другие составляющие системы или сторонние предметы не должны мешать монтажу.

  • Необходимо свести к нулю внешнее давление.

  • Полезными будут специальные прокладки, отличающиеся стойкостью к колебаниям температуры и давления.

  • Для обеспечения возможности регуляции давления в газовом отсеке желательно, чтобы расширитель имел воздушный клапан.

Важно проводить монтаж грамотно, поскольку в противном случае придется столкнуться с серьезными неполадками впоследствии — вплоть до критичных аварий.

Важно правильно подсчитать предельное давление в газовом отсеке, которое составляет около 9/10 от критического. Если отопительная система относится к типу закрытых, сразу после включения на мембранный элемент будет оказано высокое давление.

Первое первые пару лет использования системы желательно регулярно производить проверку и при необходимости производить замену.

Как выбрать мембранный расширительный бак системы отопления?

При нагревании любой теплоноситель расширяется и увеличивается в размерах. В результате давление в закрытой системе отопления постепенно растет и достигает критической отметки. Мембранный расширительный бак системы отопления предназначен предотвратить разрушение узлов и трубопровода вследствие расширения теплоносителя.

Основной функцией расширительного бачка является оптимизация рабочего напора в системе обогрева. Закрытые системы отопления не могут нормально работать, если к ним не подключен мембранный бак для отопления.

Устройство мембранного расширительного бака

Хотя мембранные расширительные баки в зависимости от производителя и предназначения могут отличаться, но некоторые детали остаются неизменными в любой приобретаемой модели. А именно:

  • Корпус из металла – обязательным условием производства баков является возможность выдерживать предельные нагрузки без нарушения герметичности.
  • Мембрана – должна быть высокоэластичной и способной реагировать на изменяющееся давление, связанное с нагревом теплоносителя. Одновременно к мембране предъявляются высокие требования относительно прочности. Обычно при производстве мембраны используют резину.

Устройство мембранного бака отопления для закрытых систем отопления подразумевает использование баков со сменными и несменными диафрагмами. У каждой конструкции есть как свои преимущества, так и недостатки.

Как работает мембранный расширительный бак

Принцип работы мембранного расширительного бака-накопителя основан на использовании физических законов. После нагревания теплоносителя происходит следующее:

  • Вода или антифриз начинает расширяться, в результате увеличивается его объем в системе.
  • Конструкция расширительного бака мембранного типа подразумевает его наполнение газом.
  • Мембрана является своего рода прослойкой между газом и теплоносителем.
  • При нагревании жидкость, расширяясь и создавая давление, поступает в бачок и вытесняет воздух или газ.
  • После того как давление теплоносителя падает газ выталкивает теплоноситель из бачка с помощью мембраны.
  • Работа клапана безопасности в системе отопления с мембранным баком заключается в сбросе излишнего давления газа в случае большого расширения теплоносителя. Клапан сброса давления обеспечивает безопасность работы системы в случае перегрева жидкости или антифриза.

Для нормальной работы отопления в мембранном баке должно быть давление соответственное высоте верхней точки. Если бачок устанавливается в двухэтажный дом и максимальная высота от котла на первом этаже до радиатора на верхнем 7 метров, тогда в расчеты принимаем 0,7 и прибавляем к нему 0,5. Получаем первоначальное давление при подаче теплоносителя в системе. Полученный коэффициент для бачка должен быть ниже на 0,2. Получается, что норма давления в расширительном бачке мембранного типа в этом случае 1 атм.

Как и все отопительное оборудование, мембранный бачок нуждается в обслуживании. В нем необходимо поддерживать соответствующее рабочее давление и заправлять газом или воздухом время от времени.

Виды расширительных бачков системы отопления

Каждый производитель вносит в конструкцию закрытого расширительного бачка нововведения. Но в основном все модификации можно разделить на несколько групп в зависимости от используемой мембраны. А именно:

  • Мембрана расширительного бачка в виде диафрагмы. Такое устройство больше напоминает бочонок, разделенный подвижной резиновой перегородкой. Поступая в свой отдел жидкость, наполняет резервуар, а после под давлением начинает сжимать газ, постепенно двигая мембрану. Это устройство не всегда эффективно для домов с малой отапливаемой площадью.
  • Круглые мембранные баки баллонного типа. В этом случае воздушная камера находится по периметру всего резервуара. Она окружает камеру для воды. Во время увеличения давления эта камера начинает расширяться подобно надуваемому резиновому шарику. Уникальность такого устройства состоит в том, что с его помощью удается более точно контролировать давление теплоносителя, даже в закрытых системах с небольшим объемом жидкости в трубопроводе.
  • Несъемная мембрана. Диафрагма крепится по всему периметру. Предназначены несъемные мембраны для использования в частных системах отопления и для обогрева коттеджей. Допускается ограниченное использование и монтаж в небольших промышленных объектах.
  • Бак со сменной мембраной. Представляют собой полую грушу. Съемные мембраны способны эффективно работать в системах с большой интенсивностью нагревания теплоносителя и высоким атмосферным давлением. Преимуществом такого устройства является возможность замены диафрагмы. Недостатком то, что к выполнению работ по смене мембраны предъявляются высокие требования. Не допускается перекоса мембраны при ее установке.

Роль расширительного бака в системе отопления не сводится исключительно к амортизации избыточного давления. Перед выбором подходящего устройства необходимо определить, с какой именно целью его планируют использовать.

Как рассчитать объем расширительного бака мембранного типа

Выбирая резервуар необходимо обращать внимание на следующие несколько показателей:

  • Диапазон температур, считающихся рабочими для устройства.
  • Эластичность мембраны.
  • Диффузионная устойчивость.
  • Динамические показатели.

Помимо этих четырех критериев важно произвести расчёт давления в отопительной системе с бачком мембранного типа. Данные о давление помогут подобрать наиболее подходящую модель бака. Требования к выполнению расчетов в сложных системах закрытого типа предъявляются высокие. Правильно сделать подсчеты можно по следующей формуле:

V=(V сис ×K)÷D

Объем расширительного бака для закрытой системы отопления составляет согласно этой формуле произведение объема системы V сис и коэффициента увеличения теплоносителя К (он составляет 4%) разделенное на эффективность самого бачка.

Можно также отдельно высчитать эффективность бачка с помощью другой формулы:

D=(Pmax-P нач)÷(Pmax+1)

P – в данном случае является сокращением обозначающим максимальное и начальное давление. С помощью этих двух формул можно легко выполнить расчет и подобрать необходимую модель.

Кроме стандартного круглого устройства можно приобрести прямоугольный расширительный бак мембранного типа, он более удобен в эксплуатации и имеет привлекательный внешний вид.

Как установить расширительный бак мембранного типа

Установка расширительного бака в закрытой системе отопления выполняется достаточно просто. Единственным условием для подключения является понимание основных принципов работы. Выполнить монтаж можно соблюдая следующие рекомендации:

  1. Расширительный бачок лучше установить перед, а не после циркуляционного насоса, это поможет избежать скачков в напоре. Остальных ограничений относительно места установки не существует.
  2. После установки необходимо проверить соответствует ли рабочее давление устройства с тем, которое необходимо. Сделать проверку можно достаточно просто, если при подключении установить датчик давления в баке. Датчик, измеряющий давление в баке устанавливается непосредственно на входе. Если существующие показатели не соответствуют требуемым, необходимо сбросить воздух и прокачать устройство заново, до тех пор, пока напор диафрагмы не будет соответствовать требуемому.
  3. Расширительный бачок при закрытой системе отопления правильно монтируется таким образом, чтобы впускной клапан (водяной патрубок) был направлен вниз. Это позволит слить теплоноситель, даже в случае выхода мембраны из строя. Некоторые модели имеют указатель уровня теплоносителя, позволяющий определить, выполнен ли слив жидкости из системы полностью.

Установка мембранного бачка является обязательным условием для монтажа схемы отопления закрытого типа. Некоторые котлы уже укомплектованы таким устройством, в таком случае при необходимости допускается монтаж дополнительного резервуара.

Статьи — Устройство мембранного бака, его предназначение

Важным элементом автономной отопительной системы является расширительный бак, обеспечивающий необходимое давление в системе. В прежние времена в этом качестве использовались емкости открытого типа, в которые необходимо регулярно доливать воду. Появление мембранных устройств позволило обеспечить максимальную эффективность работы системы. Кроме того эти емкости гарантируют удобство в эксплуатации отопления.


Что собой представляет мембранный бак

Конструкция закрытого мембранного бака простая. Емкость разделена на две камеры: водяную и воздушную. Их разделяет перегородка из мембраны. Специфика структуры этого материала не позволяет средам смешиваться. Поверхность, обращенная к водяной камере, имеет мельчайшие поры, в которые могут проникать только молекулы воздуха.
Теплоноситель из системы поступает в водяную часть емкости, уменьшая объем воздушной камеры. Давление в баке увеличивается, создаются оптимальные условия для работы отопительной конструкции. Манометр, установленный в системе, позволяет устанавливать диапазон рабочего давления в баке, контролировать его в процессе функционирования отопления.
Мембранные расширители могут устанавливаться не только в отопительных коммуникациях. Это оборудование широко применяется и в автономных системах водоснабжения. Наличие устройства позволяет обеспечить оптимальный напор воды. Кроме того емкости могут использоваться в качестве резервного хранилища воды, включаются в системы пожаротушения.


Преимущества закрытого мембранного бака, виды

У мембранных баков закрытого типа несколько неоспоримых преимуществ. Эти устройства:


  • могут устанавливаться в любом удобном месте;

  • являются герметичными, что исключает протекание воды;

  • создают оптимальное давление, обеспечивая эффективность работы системы;

  • предотвращают скопление воздуха в трубопроводе, радиаторах;

  • исключают контакт теплоносителя с воздухом, снижая риск окисления батарей, труб;

  • гарантируют удобство эксплуатации системы, благодаря отсутствию необходимости регулярного доливания воды.

Открытый расширительный бак должен монтироваться в самой верхней точке системы. Обычно емкость устанавливается на чердаке, что создает неудобства в контроле уровня воды, его пополнении. Расширительный бак, размещенный в верхней точке, становится причиной образования воздушных пробок.
Мембранная закрытая емкость исключает возникновение таких проблем. Она может устанавливаться в любом удобном месте. Есть только два требования к монтажу. Бак не должен находиться в помещении с отрицательной температурой воздуха, к нему необходимо обеспечить свободный доступ, позволяющий регулировать, контролировать давление.
Производители выпускают два вида этих агрегатов. Фланцевые модели оснащаются сменной мембраной. В экспанзоматах этот элемент является несменным. Баки фланцевого типа могут устанавливаться как вертикально, так и горизонтально. В них теплоноситель не контактирует с металлическими поверхностями, что продляет срок службы.

В интернет-магазине «Море Тепла» всегда большой выбор мебранных баков и гидроаккумуляторов от европейских и российских производителей, в наличии более 100 моделей, смотрите наш Каталог .

Свойства мембранных резервуаров для перевозки СПГ на судах

СПГ в качестве топлива теперь является проверенным и доступным решением для судоходной отрасли. Хотя в ближайшем будущем обычное топливо на нефтяной основе останется основным вариантом топлива для большинства существующих судов, коммерческие возможности СПГ представляют интерес для многих новых проектов строительства и конверсии.

СПГ (сжиженный природный газ) представляет собой природный газ (например, метан) в жидкой форме и считается самым чистым горючим топливом.Он сравнительно доступен в изобилии и относительно недорого. Согласно последнему отчету, США лидируют по использованию СПГ, причем 76% домов в США используют СПГ в качестве топлива для отопления.

Кредиты изображений: Википедия / Quatar Gas / devopstom

Свойства СПГ

Как обсуждалось ранее, СПГ представляет собой жидкую форму природного газа, конденсированного при -160 ° C при атмосферном давлении.

В отличие от природного газа (КПГ), СПГ сжимается в жидкость для транспортировки, поскольку газ занимает больше места.Транспортировка КПГ (сжатого природного газа) использует закон Бойля (при постоянной температуре и массе давление обратно пропорционально объему), чтобы занимать меньше места по сравнению с природным газом, но все же он уступает СПГ.

Например, возьмем по 1000 кг СПГ и КПГ каждый. Давайте построим резервуар для любого из этих видов топлива и сравним минимальный объем резервуара, необходимый для их размещения.

Плотность СПГ 450 кг / м 3 (приблизительно) при -160 градусах Цельсия (Атм.Давление)

Плотность КПГ 194 кг / м 3 (приблизительно) при 30 ° C (250 бар)

Кроме того, резервуары для КПГ подвергаются воздействию высокого давления (более 200 бар), поэтому резервуары (также связанные с ними трубопроводы) должны соответствовать правилам конструкции резервуаров высокого давления и всем правилам безопасности резервуаров высокого давления. Это дает газовозам СПГ преимущество перед газовозами КПГ с точки зрения экономики и безопасности.

Типы грузовых танков СПГ

Резервуары

для СПГ производятся с учетом различных свойств сжиженного природного газа, как описано в предыдущем параграфе.На судах используются три основных типа систем удержания СПГ:

1. Тип мембраны

2.MOSS тип

3. Призматический тип

Изолирующая система мембранного типа дополнительно классифицируется следующим образом:

(Двумя основными разработчиками грузовых танков мембранного типа являются Газтранспорт и Технигаз.)

1. Mark-III

Mark-III изначально был разработан Технигазом. Он состоял из — Первичная мембрана: нержавеющая сталь (304L) толщиной 1.Гофрированный 2 мм, Вторичная мембрана: Триплекс, Изоляция: Пенополиуретан толщиной 160 мм, армированный стекловолокном. (Толщина изоляции основана на допустимой скорости кипения (B.O.R).)

2.GT-96

ГТ-96 изначально был разработан «Газтранспортом». При этом первичная и вторичная мембраны выполнены из инвара (толщина 0,7 мм). Первичная и вторичная изоляция представляют собой фанерные ящики, заполненные перлитом.

3.CS-1

GTT разработал CS-1, который представляет собой комбинацию Mark-III и GT-96.

Здесь первичная мембрана — инвар, а вторичная мембрана — триплекс.

Выбор материала

Интересно знать, что материал, используемый для этой мембраны, — нержавеющая сталь, а не углеродистая сталь. Причем толщина мембраны очень мала (Mark III — нержавеющая сталь 1,2 мм, GT-96 — Invar 0,7 мм). Это связано с тем, что материалы ведут себя по-разному при разных температурах. Характеристики материала меняются при значительном изменении температуры.Самое главное, энергия удара материала значительно уменьшается при криогенной температуре. Здесь следует отметить вязкость к температуре хрупкого перехода (DBTT).

Температура перехода от вязкого к хрупкому

Материалы при очень низких температурах демонстрируют переход от пластичности к хрупкости, также известный как переход нулевой пластичности (NDT), то есть на этой стадии материал теряет пластичность.

Пластичные материалы деформируются, прежде чем выйти из строя.Проще говоря, они подают предупреждающий знак перед выходом из строя, в то время как хрупкий материал выходит из строя без предупреждения, демонстрируя катастрофический отказ (например, стекло).

Для системы удержания груза СПГ важно отметить, что материал мембраны, который находится в контакте с грузом, должен иметь очень низкую температуру перехода из пластичного в хрупкое состояние (DBTT).

Кристаллическая структура

Характеристики материала, используемого для строительства, определяются кристаллической структурой, которая отображает устройство атома.Материал с гранецентрированной кубической структурой (например, аустенитная нержавеющая сталь, инвар) не демонстрирует перехода от пластичного к хрупкому, в то время как материал с объемно-центрированной кубической структурой (углеродистая сталь) имеет очень высокое значение DBTT.

Объемно-центрированная кубическая структура

Гранецентрированная кубическая структура

Почему металлы FCC обладают высокой пластичностью?

Металлы

FCC обладают высокой пластичностью из-за концепции, называемой системой скольжения. Плоскости скольжения — это направление дислокации кристаллографической плоскости.Материалам с высокой атомной плотностью легче скользить друг по другу и вызывать пластическую деформацию; с другой стороны, для деформации ОЦК требуется очень большое напряжение сдвига, поскольку они слабо упакованы, и поэтому эти материалы разрушаются до того, как деформируются.

Аналогично падению велосипедов на стоянке. Например, на стоянке, если велосипеды плотно упакованы (припаркованы), требуется лишь небольшое количество силы, чтобы многочисленные велосипеды упали, аналогично, поскольку атомы плотно упакованы в металле FCC, они имеют тенденцию деформироваться, а затем выходить из строя.

Теплообмен

Еще одним важным фактором, который принимается во внимание при выборе материала для изготовления грузового танка для СПГ, являются характеристики теплопередачи материала. Теплопередача обычно зависит от свойств и толщины материала. Чем толще изоляция, тем меньше теплопередача.

Для оценки теплопередачи от A к B мы используем закон теплопроводности Фурье.

Q = k A ΔT / т

Где Q — скорость теплопередачи, K — коэффициент теплопроводности, ΔT изменяется при изменении температуры, t — толщина.

Из приведенного выше уравнения очевидно, что скорость теплопередачи снижается с увеличением толщины.

Изоляция защищает резервуар от внешнего тепла и, следовательно, снижает вероятность выкипания (испарения СПГ).

Иногда изоляция проектируется таким образом, чтобы позволить определенному количеству выкипания, которое позже используется в качестве топлива.

Отходящий газ

Эта особая характеристика СПГ также учитывается при выборе материала для конструкции резервуара, как было сказано ранее.Толщина изоляции основана на допустимой скорости кипения (B.O.R).

СПГ очень летуч и очень легко испаряется. Последующее сравнение воды и СПГ объясняет, насколько легко испарить СПГ.

Приведенное выше сравнение объясняет, насколько легко СПГ испаряется.

Два основных возможных способа образования отходящего газа:

1) Попадание тепла

2) Эффект выплескивания

Управление BOG очень важно, поскольку они влияют на стоимость из-за потери груза и безопасности системы (они увеличивают давление в резервуаре).

Отходящий газ в качестве топлива (технологическая схема)

Строительство резервуаров для СПГ

Наиболее распространенными методами сварки, используемыми при строительстве резервуаров для СПГ, являются сварка TIG и плазменная сварка.

Плазменная сварка имеет небольшое преимущество перед сваркой TIG из-за более высокой скорости сварки. Это увеличивает производительность.

Качество сварного шва подтверждается визуальным осмотром и контролем окраски (стандарт ASTM 165).

Сварка мембранного листа:

Листы мембраны — стальные уголки : 1.Листы мембраны толщиной 2 мм привариваются к стальным уголкам толщиной 8 мм. Перед полной непрерывной сваркой выполняется предварительная прихваточная сварка для позиционирования мембранного листа.

Аналогичный принцип выполняется при сварке внахлест листа мембраны с листом мембраны.

По классу (ABS) шаг прихваточной сварки должен составлять 50-70 мм.

Прерывистая сварка обеспечивает соединение листа мембраны с анкерными лентами.

Важно отметить, что на крепежных заклепках не должно быть сварных швов.

Прерывистая сварка — Источник: ABS

Эти фиксирующие заклепки изготовлены из алюминия, и его растворение может привести к поломке.

Дефекты сварки и методы ремонта в соответствии с ABS

1) Перекрытие сварного шва / чрезмерная выпуклость: удалите излишек сварочного металла

2) Чрезмерная вогнутость / кратеры / поднутрение: Подготовьте поверхность и переплавьте сварной шов с присадочным металлом или без него

3) Неполное сплавление: Отшлифуйте неприемлемую часть и повторно сварите

Приемлемые критерии:

1) Ширина сварного шва: 3 мм <= 4.8 мм

2) Зазор перед сваркой: 0,3 мм

3) Окисление на тыльной стороне: Плоская часть: 10 мм, гофра: 20 мм,

4) Горловина сварного шва:> 0,8 мм

Приклеивание панели к внутреннему корпусу: Эпоксидная мастика (смесь смолы и отвердителя) прикрепляет панель к внутренней части корпуса. Эластичное поведение эпоксидной мастики компенсирует локальный прогиб корпуса.

Триплексное соединение: Плотность вторичного барьера зависит от триплексного соединения.Приклеивание к панели обеспечивает эпоксидный клей (520 гр / м 2 ).

Тест на герметичность резервуара:

Тест на утечку гелия

В этом испытании гелий вводится в слой изоляции и находится под избыточным давлением. На проверяемый сварной шов устанавливается вакуумная камера (колпак). Роль вытяжки состоит в том, чтобы всасывать протекающий гелий. Детектор собирает все ионы гелия, где сила сигнала затем преобразуется в скорость утечки.

Испытание на герметичность вторичного барьера — Испытание на распад вакуума

N 2 или Сухой воздух используется в испытании на распад вакуума.Предварительное испытание проводится перед началом фактического испытания, чтобы убедиться, что система работает должным образом.

Между первичным и вторичным пространством создается перепад давления. В первичном пространстве поддерживается атмосферное давление, а во вторичном — около -500 мбар. Повышение давления отслеживается в течение определенного периода (обычно 12 часов), и строится кривая спада вакуума.

Как оценивается целостность?

Целостность оценивается на основе нормализованной площади пористости (NPA).В правилах указано

NPA <= 0,85 см 2 .

NPA = (1,210 X 10 -3 V IS ) / (A SB X Δt)

A SB — Площадь вторичного барьера

V IS -Объем вторичного барьера

Δt-Время от -400 мбар до -300 мбар

Кривая затухания вакуума

Тип системы герметизации, используемой для перевозки груза, зависит от нескольких факторов, таких как тип груза, возможные воздействия на конструкцию, способы их устранения и т. Д.

К вам ..

Знаете ли вы, какие еще пункты системы герметизации мембранного типа можно добавить в статью? Расскажите об этом в комментариях ниже.

Сначала мы узнали о самом СПГ, в основном о его свойствах, возможных эффектах наличия криогенной жидкости внутри резервуара, теплопередаче, выборе материала, некоторых основных правилах сварки и о том, как целостность сварки обеспечивается с помощью гелиевого теста и SBTT. Помните, что статья ограничена грузовым танком СПГ мембранного типа, другим важным типом является MOSS Rosenberg.

Принцип

мембранная технология

Определение мембраны: промежуточная фаза, которая отделяет две фазы друг от друга и устанавливает разное сопротивление переносу различных химических компонентов.

Свойства технической фильтрующей мембраны: разделительный слой, удерживающий более крупные молекулы или частицы и позволяющий проходить более мелким молекулам и растворителям.

Диапазоны разделения обратного осмоса, нанофильтрации, ультрафильтрации и микрофильтрации

Продукт: желаемый продукт может быть концентратом (концентрация ценного материала) или пермеатом (удаление крупных молекулярных примесей).

Фильтрация с поперечным потоком (фильтрация с тангенциальным потоком, TFF): В отличие от классической фильтрации (фильтрация по осадку, тупиковая фильтрация), существует сильный поперечный поток вдоль мембраны со стороны давления.

Cross-Flow сохраняет пограничный слой тонким и избегает верхнего слоя. Тем не менее, концентрация удерживаемого компонента на поверхности мембраны всегда несколько выше, чем в исходном потоке. Концентрация растворенных компонентов на мембране регулируется таким образом, чтобы конвективный перенос к мембране (из-за потока пермеата) был равен диффузионному обратному переносу.Сравните величины перетока и скорости пермеата. Эффективность пермеата даже самой лучшей мембраны ограничена возможным поперечным потоком.

Базовый процесс: Наиболее часто используемые мембранные процессы — это микрофильтрация (MF), ультрафильтрация (UF), нанофильтрация (NF) и обратный осмос (UO). Все это процессы, управляемые давлением. Обычно он варьируется от 1 бар для микрофильтрации до 40 бар и более для обратного осмоса.

Партия или Conti:

Чаще всего используется пакетный процесс. На следующей схеме показан основной принцип простой системы дозирования , состоящей из питающего бака, насоса, мембранного модуля, клапана поддержания давления и теплообменника.

Исходный раствор или суспензия протекает через мембрану под давлением (фильтрация с поперечным потоком, фильтрация с тангенциальным потоком, TFF). Давление регулируется клапаном регулировки давления. Возникающее тепло отводится теплообменником. Контейнеры безнапорные. Мембрана выбрана так, чтобы избирательно удерживать желаемые компоненты.В зависимости от области применения продукт может быть концентратом или пермеатом. Возможные режимы работы установки — концентрирование и диафильтрация (промывка). Во время концентрирования пермеат удаляется, так что объем в загрузочном контейнере уменьшается, а концентрация удерживаемого компонента увеличивается. При диафильтрации тот же объем, что и пермеат, свежий промывочный раствор добавляется в загрузочный контейнер, так что концентрация удерживаемого компонента остается прежней, в то время как более мелкие молекулы вымываются.Для получения дополнительной информации см. Также Расчет мембранных процессов.

Преимущества периодического процесса:
Гибкость с различными свойствами продукта, сменой продукта, пропускной способностью, коэффициентом концентрации или рабочим режимом (диафильтрация / концентрирование).
Работает при самой низкой средней концентрации корма даже с простой системой, что позволяет избежать минимальных потерь продукта.
Низкие инвестиционные затраты

Недостатки:
Более высокое потребление энергии (актуально только для очень больших заводов)
Требуется дополнительный буферный резервуар

Установка непрерывного действия: Подающий насос, создающий давление, настолько мал по производительности, что оставшийся ретентат = концентрат имеет желаемый коэффициент концентрации непосредственно после удаления потока пермеата.Обычно имеется несколько мембранных контуров, каждый с циркуляционным насосом, который при рабочем давлении установки должен иметь лишь небольшой перепад давления для создания необходимой циркуляции в каждом контуре. То, что достигается в периодическом процессе с течением времени, должно достигаться в непрерывном процессе на протяжении всего места (от входа до выхода установки). Чтобы добиться благоприятного роста концентрации в периодической системе, в непрерывной системе необходимо установить большое количество мембранных контуров, каждая со своим собственным циркуляционным насосом.Расчеты также для установки непрерывного действия см. В методе расчета мембран. Из-за большого количества циркуляционных насосов и контуров система непрерывного действия является более дорогой в инвестициях и очень негибкой в ​​применении. Как правило, он создается для крупных заводов и для одного фиксированного применения (например, для опреснения морской воды) или если его необходимо интегрировать в дальнейший непрерывный процесс.

1.10: Мембранная фильтрация — рабочая сила LibreTexts

Цели обучения

  • Объясните теорию частиц
  • Опишите типы и классификацию процессов мембранной обработки
  • Перечислить составные части процесса мембранной обработки
  • Описание применения и работы процессов мембранной обработки

Кинетическая теория материи или теория частиц сообщает, что материя состоит из множества маленьких частиц, которые постоянно движутся или находятся в непрерывном состоянии движения.Степень движения частиц определяется количеством энергии, которую они имеют, и их отношением к другим частицам. Теория частиц материи используется для объяснения того, как твердые тела, жидкости и газы взаимозаменяемы в результате увеличения или уменьшения тепловой энергии. Когда объекты нагреваются, движение увеличивается, поскольку частицы становятся более энергичными. Если объекты охлаждаются, движение частиц уменьшается, поскольку они теряют энергию.

Технологии мембранной очистки быстро развиваются в области очистки воды.Мембраны используются на муниципальных водоочистных сооружениях, бытовых установках, мелиоративных сооружениях и очистных сооружениях для удаления взвешенных и растворенных минералов из воды.

Мембраны содержат очень мелкие поры, которые пропускают воду и блокируют проникновение любых загрязняющих веществ, размер которых превышает диаметр поры. Мембраны, используемые при очистке воды, классифицируются по диаметру пор. Классифицируются от самого большого диаметра пор до самого маленького: микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос.

Микрофильтрация (MF) и ультрафильтрация (UF) эффективны при удалении Giardia и Cryptosporidium . Мембраны обратного осмоса (RO) используются для опреснения / деминерализации и в бытовых установках питьевой воды. Мембраны обратного осмоса и нанофильтрации используются для удаления растворенных органических веществ и растворенных загрязнителей, таких как мышьяк, нитраты, пестициды и радионуклиды. Кроме того, эти мембраны могут удалять ионы, такие как кальций и магний, а также натрий и хлорид.Нанофильтрация может использоваться для снижения концентрации естественного органического вещества, чтобы контролировать образование побочных продуктов дезинфекции.

Тип используемой мембраны зависит от компонентов, которые необходимо удалить из обрабатываемой воды. Во время обработки воды вода обычно перекачивается на поверхность мембраны; однако вода может вытягиваться через мембрану с помощью вакуума. Давление воды заставляет воду проходить через мембрану, и компоненты, которые не проходят сквозь нее, образуют поток отходов, который может потребовать обработки и надлежащей утилизации.

Описание установок мембранной фильтрации

Сосуд под давлением или погружной поток

Типовые мембранные фильтры для очистки воды устанавливаются в резервуарах высокого давления или погружаются в резервуары. Мембраны представляют собой полые волокна или нити с внешним диаметром от 0,5 до 2 мм и толщиной стенки от 0,07 до 0,6 мм. В установке сосуда высокого давления тысячи мембранных волокон или нитей укладываются на стеллажи или салазки, причем каждый сосуд высокого давления имеет диаметр от 4 до 12 дюймов и длину от 3 до 18 футов.Фильтрующий поток может быть снаружи внутрь или изнутри наружу половолоконной мембраны.

Погружные или погружные мембранные системы фильтрации — это мембранные модули, подвешенные в резервуарах, содержащих воду, подлежащую обработке. Обработанная вода затем может быть пропущена через мембрану с помощью вакуума. Некоторые очистные сооружения удалили песок из песочных фильтров и установили погружные мембранные модули в старый резервуар фильтра.

Типы мембранного потока

Существуют два различных типа потоков питательной воды для мембранной фильтрации:

  • Системы фильтрации с поперечным потоком
  • Тупиковые системы фильтрации

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Система фильтрации с поперечным потоком — Изображение AD и Benutzer: Mæx является общественным достоянием

В системах фильтрации с поперечным потоком поток идет изнутри мембраны через мембрана, и отфильтрованная вода вытекает из системы.Поток внутри мембраны течет по внутренней поверхности мембраны, становится концентрированным и вытекает из конца волокна мембраны в виде потока отходов. В тупиковых системах фильтрации фильтруемая вода может течь снаружи в полое волокно или изнутри наружу; однако в этой системе поток отходов не образуется. Все твердые частицы накапливаются на мембране во время фильтрации и удаляются при обратной промывке.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Тупиковая система фильтрации — Изображение Alexdruz и Mæx находится в общественном достоянии

Membrane Fouling

Загрязнение мембраны может стать серьезной проблемой при работе процессов мембранной фильтрации.Загрязнение мембраны можно описать тем, может ли причина загрязнения быть устранена (обратимая или необратимая, материалом, вызывающим засорение (биологическим, органическим, твердым или растворенным)), и средствами загрязнения (образование корки или закупорка пор мембраны. ).

Возможность устранения причины загрязнения зависит от типа используемой мембраны и компонентов исходной воды. При продолжении работы поток через мембрану может уменьшаться; однако поток можно восстановить путем обратной промывки и очистки.

Компоненты фильтруемой воды могут вызвать загрязнение. Во время мембранной фильтрации микроорганизмы переносятся на поверхность мембраны, где может происходить биообрастание. Эти микроорганизмы нельзя удалить обратной промывкой; однако их можно контролировать с помощью хлора. Некоторые мембранные материалы, такие как ацетат целлюлозы или полипропилен, могут быть повреждены хлором. Производители мембран обычно используют материалы, не повреждаемые хлором.

Растворенные органические вещества могут вызвать загрязнение мембраны.Степень проблемы загрязнения зависит от характеристик растворенного органического вещества, материала мембраны и характеристик фильтруемой воды.

Во время мембранной фильтрации твердые частицы из фильтруемой воды собираются на поверхности мембраны в пористую пленку, называемую фильтровальной лепешкой. Загрязнение твердыми частицами обычно обратимо во время периодической обратной промывки.

Природные органические вещества могут быть наиболее распространенной формой загрязнения мембран. Растворенные органические вещества включают отходы и части водных растений и животных, а также органические вещества, смытые в поверхностные воды с суши.Источники растворенного органического вещества включают органические химические вещества, обнаруженные в биологических системах, и растворенные органические химические вещества из промышленных и коммерческих отходов. Загрязнение зависит от характеристик растворенного органического вещества, материала мембраны и исходной воды.

Предварительная обработка

Опыт

Операторы узнали, что взаимодействия между коагулянтами, различными составляющими природной воды и материалами мембран очень сложны, что затрудняет прогнозирование влияния коагуляции на характеристики мембраны.В некоторых очистных сооружениях поток через мембрану увеличивается с предварительной обработкой коагуляцией; однако на других заводах может произойти уменьшение потока.

При использовании предварительной обработки коагуляцией перед мембранной фильтрацией операторы испытали противоречивые результаты в отношении загрязнения мембраны и снижения потоков через мембрану. Несоответствия, очевидно, являются результатом того факта, что коагуляция и мембранная фильтрация могут выполняться в самых разных рабочих условиях.Коагуляцию можно проводить с флокуляцией или без, а также с осаждением или без него перед мембранной фильтрацией. Мембранная фильтрация может выполняться с погруженными мембранами или мембранами под давлением и при постоянном давлении или условиях постоянного потока. Исследования, проведенные на конкретной исходной воде с индивидуальным коагулянтом и установленной дозой коагулянта, нелегко сравнить с другими исходными водами, коагулянтами и дозами коагулянта.

Еще одно важное соображение во взаимосвязи между коагуляцией и характеристиками мембраны заключается в том, что коагуляция влияет на твердые частицы и растворенный органический углерод, каждый из которых может влиять на характеристики мембраны.Коагуляция собирает частицы в массу слоя и, если практикуется осаждение, удаляет частицы из раствора, что может изменить загрязнение мембраны из-за сопротивления корки. Коагуляция также удаляет растворенный органический углерод из воды, который может изменить загрязнение мембраны, вызванное адсорбцией.

Контроль рабочих характеристик мембраны

Работа мембран включает в себя мониторинг и тестирование скорости фильтрации мембраны и целостности мембраны. Этот процесс выполняется с помощью испытаний на падение давления и звуковых испытаний.Когда обнаруживаются сломанные или поврежденные волокна мембраны, их ремонтируют или заменяют.

Конструкция и состав мембраны обратного осмоса

Два типа полупроницаемых мембран, которые наиболее часто используются для деминерализации, — это ацетат целлюлозы и тонкопленочные композиты. Ацетат целлюлозы (CA), первая коммерчески доступная мембрана. Мембрана из ацетата целлюлозы асимметрична, что означает, что одна сторона отличается от другой. Общий слой ацетата целлюлозы составляет от 50 до 100 микрон; однако тонкий плотный слой примерно 0.На поверхности существует толщина 2 микрона. Этот тонкий и плотный слой служит отводящим барьером мембраны.

Исследователи осознали необходимость в мембране с лучшими характеристиками потока и отражения, чем у ацетата целлюлозы. Подход к разработке лучшей мембраны заключался в повышении эффективности тонкого отклоняющего слоя и пористой подложки, поэтому была разработана тонкая композитная мембрана.

При производстве тонкой композитной мембраны полупроницаемая мембрана отделена от поддерживающих слоев, и такая конструкция позволяет производителям мембран выбирать полимеры, которые будут производить мембраны с оптимальным отводом растворенных твердых частиц и скоростью потока воды.

Характеристики и свойства мембраны

Основное поведение полупроницаемых мембран обратного осмоса из ацетата целлюлозы можно описать двумя уравнениями. Расход воды в продукте через полупроницаемую мембрану можно выразить:

  • F w = A (ΔP — Δπ), где …
    • F w = Поток воды (г / см2 с)
    • A = константа водопроницаемости (г / см2 · сек атм21)
    • ΔP = перепад давления на мембране (атм.)
    • Δπ = разность осмотического давления на мембране (атм.)

Обратите внимание, что поток воды — это поток воды в граммах в секунду через мембрану площадью один квадратный сантиметр.Думайте об этом потоке как о потоке через быстрый песчаный фильтр в галлонах в минуту через фильтрующую площадь в один квадратный фут (галлонов в минуту / фут2).

Минеральный (солевой) поток (минеральный проход) через мембрану можно выразить:

  • F w = B (C1 — C2), где …
    • F w = Минеральный поток (г / см2 сек)
    • B = константа минеральной проницаемости (см / сек)
    • C1 — C2 = Градиент концентрации на мембране (г / см2)

Константы водопроницаемости (A) и минеральной проницаемости (B) являются характеристиками конкретной используемой мембраны и обработки, которую она получила.

Анализ уравнений показывает, что поток воды, который представляет собой скорость потока через мембрану, зависит от приложенного давления, в то время как поток минералов не зависит от давления. По мере увеличения давления питающей воды поток воды через мембрану увеличивается, в то время как поток минерала остается постоянным. Следовательно, количество и качество очищенного продукта (пермеата) должны увеличиваться с повышением давления. Этот результат возникает из-за того, что для разбавления того же количества минерала присутствует больше воды.

Поток воды (Fw) уменьшается по мере увеличения содержания минералов в корме, поскольку вклад осмотического давления (Δπ) увеличивается с увеличением содержания минералов. Поскольку Δπ увеличивается, член (ΔP — Δπ) уменьшается, что приводит к уменьшению Fw, потока воды. По мере того, как через мембрану проходит все больше и больше исходной воды, ее минеральное содержание становится все выше и выше (более концентрированным). Вклад осмотического давления (Δπ) концентрата увеличивается, что приводит к снижению потока воды.

Поскольку мембрана не пропускает постоянный процент минералов, качество получаемой воды снижается с увеличением концентрации исходной воды. Также обратите внимание, что уравнение 2 показывает, что чем больше градиент концентрации (C1 — C2) через мембрану, тем больше поток минералов (поток минералов). Следовательно, чем выше концентрация исходного материала, тем больше минеральный поток и концентрация минералов в воде, содержащей продукт.

Операторы водоочистных сооружений должны иметь базовое представление о математических соотношениях, описывающих работу мембраны обратного осмоса (обратного осмоса).

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Фильтрация обратного осмоса — изображение от Starsend под лицензией CC BY-SA 3.0

Определение Flux

Термин «поток» используется для описания скорости потока воды через полупроницаемую мембрану. Поток обычно выражается в галлонах в день на квадратный фут поверхности мембраны или в граммах в секунду на квадратный сантиметр.

Средняя скорость потока через мембрану системы обратного осмоса является важным рабочим показателем. На практике большинство систем обратного осмоса требуют периодической очистки.Было продемонстрировано, что частота очистки может зависеть от средней скорости потока через мембрану системы. Слишком высокая скорость потока может привести к чрезмерному загрязнению, требующему частой очистки. Некоторые отраслевые рекомендации по допустимой скорости потока:

Источник питательной воды

Скорость потока, GFD

Промышленные / коммунальные отходы

8-12

Поверхность (река, озеро, океан)

8-14

Скв.

14-20

Отторжение минералов

Целью деминерализации является отделение минералов от воды: способность мембраны отторгать минералы называется отторжением минералов.Отторжение минералов определяется как:

  • Отклонение,% = (1- (Концентрация продукта / Концентрация исходной воды)) x 100%

Отторжение минералов можно рассчитать для отдельных компонентов в растворе, используя их концентрации.

Основные уравнения, описывающие работу мембраны обратного осмоса, показывают, что отвод уменьшается по мере увеличения концентрации минералов в исходной воде, потому что более высокая концентрация минералов увеличивает осмотическое давление.Кроме того, по мере увеличения концентрации минеральных веществ в корме (TDS) отклонение уменьшается при заданном давлении подачи. Отклонение улучшается по мере увеличения давления подачи.

Типичное отклонение для наиболее часто встречающихся растворенных неорганических веществ обычно составляет от 92 до 99 процентов. Двухвалентные ионы, такие как кальций и сульфат, лучше отклоняются, чем одновалентные ионы, такие как натрий или хлорид.

Большинство приложений деминерализации требуют использования мембраны с высокой степенью отбраковки (более 95 процентов).Однако в некоторых случаях можно использовать мембрану с более низкой степенью отбраковки (80 процентов) и более низким рабочим давлением (менее 150 фунтов на квадратный дюйм). Мембраны, соответствующие этой классификации, обычно называют смягчающими или нанофильтрационными мембранами. Эти мембраны производят такое же количество воды, что и стандартные мембраны обратного осмоса при более низком рабочем давлении.

Смягчающие или нанофильтрационные мембраны находят широкое применение для деминерализации муниципальных систем водоснабжения, которые требуют высоких уровней отбраковки из-за жесткости и потенциала образования ТГМ, а также умеренного отклонения TSD.

Влияние температуры и pH питательной воды на характеристики мембраны

В режиме обратного осмоса температура питательной воды оказывает значительное влияние на характеристики мембраны и поэтому должна приниматься во внимание при проектировании и эксплуатации системы. По сути, значение постоянной водопроницаемости постоянно только для данной температуры. По мере увеличения температуры питающей воды поток увеличивается. Обычно поток указывается при некоторых стандартных эталонных условиях температуры, например 25 ° C.

Мембраны из ацетата целлюлозы подвержены длительному гидролизу. Гидролиз приводит к уменьшению способности улавливать минералы. Скорость гидролиза увеличивается при повышении температуры и зависит от pH сырья. Слегка кислые значения pH обеспечивают более низкую скорость гидролиза, как и более низкие температуры. Поэтому для обеспечения максимально длительного срока службы мембраны из ацетата целлюлозы и для замедления гидролиза кислоту добавляют в качестве стадии предварительной обработки перед деминерализацией. Тонкопленочные композитные мембраны не подвергаются гидролизу; однако для контроля накипи может потребоваться корректировка pH исходной воды.

Восстановление

Извлечение определяется как процент потока сырья, извлеченного в виде воды. Выражаясь математически, восстановление может быть определено как:

  • Извлечение,% = (поток продукта / поток сырья) x 100%

Скорость возмещения обычно определяется или ограничивается двумя соображениями. Во-первых, это желаемое качество воды в продукте. Поскольку количество минералов, проходящих через мембрану, зависит от разницы концентраций между рассолом и продуктом, чрезмерное извлечение может привести к превышению критериев качества продукта.Второе соображение касается пределов растворимости минералов в рассоле. Не следует концентрировать рассол до такой степени, при которой на мембране осаждаются минералы. Этот эффект обычно называют концентрационной поляризацией.

Наиболее распространенная и серьезная проблема, возникающая в результате концентрационной поляризации, — это возрастающая тенденция к осаждению труднорастворимых солей и осаждению твердых частиц на поверхности мембраны.

В любой проточной гидравлической системе жидкость у твердой поверхности движется медленнее, чем основной поток жидкости.Жидкая граница существует на твердой поверхности, и это явление верно на поверхности мембраны в спирально намотанном элементе или в любой другой конфигурации упаковки мембраны. Поскольку вода проходит через мембрану с гораздо большей скоростью, чем минералы, концентрация минералов нарастает в пограничном слое (концентрационная поляризация), и минералам необходимо диффундировать обратно в текущий поток. Поляризация уменьшит поток и отказ от системы обратного осмоса.Поскольку полностью исключить эффект поляризации непрактично, необходимо минимизировать его за счет хорошей конструкции и эксплуатации.

Эффект пограничного слоя можно свести к минимуму за счет увеличения скорости потока воды и создания турбулентности в элементах обратного осмоса. Расход рассола можно поддерживать на высоком уровне, поскольку вода из продукта удаляется за счет ступенчатого регулирования (уменьшения) сосудов под давлением модуля. Такой дизайн в народе называют расположением на елку. Чаще всего используются типовые схемы потоков, такие как 4 единицы — 2 единицы — 1 единица (извлечение 85 процентов) или 2 единицы -1 единица (извлечение 75 процентов).

Эти конфигурации состоят из подачи воды в серию параллельно работающих сосудов, где около 50 процентов воды отделяется мембраной в виде воды продукта, а 50 процентов воды удаляется. Отходы поступают в половину числа параллельно включенных емкостей, где снова около 50 процентов составляет вода, а 50 процентов — отходы. Отклонение становится кормом для следующего набора сосудов. Устанавливая сосуды высокого давления по схеме 4-2-1, можно извлекать более 85 процентов исходной воды в виде воды продукта и поддерживать адекватные скорости потока через поверхность мембраны, чтобы минимизировать поляризацию.

Компоненты установки обратного осмоса

Насосы

Нагнетательный насос

Давление, необходимое для обратного осмоса, может составлять от 100 до 1200 фунтов на квадратный дюйм. Обычно диапазоны давления можно разбить как:

Приложение

Диапазон давления (фунт / кв. Дюйм)

Умягчение

100-200

Солоноватый

200-500

Смесь солоноватой / морской воды, промышленное концентрирование

500-800

Морская вода

800–1200

Для повышения давления питательной воды используются насосы двух основных типов: центробежные и поршневые.Перечислены важные характеристики каждого типа насоса, связанные с его использованием в системах обратного осмоса:

Центробежные насосы

  1. Обычно используется для приложений менее 500 фунтов на кв. Дюйм
  2. Наиболее экономично для приложений ниже 500 фунтов на кв. Дюйм
  3. Одиночные рабочие колеса, предназначенные для работы на скорости, превышающей скорость двигателя, создают чрезмерный шум
  4. Многоступенчатые центробежные насосы дороже в эксплуатации, чем одноступенчатые насосы, но более эффективны

Насосы прямого вытеснения

  1. Обычно используется для приложений более 500 фунтов на квадратный дюйм
  2. Очень эффективен для морской воды (800–1200 фунтов на кв. Дюйм)
  3. Пульсации потока требуют использования демпфера пульсаций для скоростей более 2FPS (футов в секунду)

Производительность центробежного насоса можно регулировать с помощью многооборотного дроссельного клапана.Дроссельные клапаны используются для новых систем или после успешной очистки мембраны.

Производительность поршневого насоса прямого вытеснения нельзя регулировать. Напорный трубопровод насоса должен содержать механизм сброса давления. Необязательными элементами могут быть перепускной клапан для управления потоком в мембранную секцию и гаситель пульсаций.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Обработка воды методом обратного осмоса — изображение Vishalsh521 находится под лицензией CC BY-SA 3.0

Piping

Выбор материала трубопровода зависит от солености и давления воды.Обратный осмос морской воды требует использования высококачественной нержавеющей стали для трубопроводов высокого давления. В настоящее время наиболее распространенными типами материалов являются 316L и 317L из-за высокого содержания в них молибдена. Установки для солоноватой воды обычно используют нержавеющую сталь 304 и 316.

Трубопроводы низкого давления обычно изготавливаются из поливинилхлорида (ПВХ) или армированного волокном пластика / полимера (FRP). Некоторые экзотические материалы, такие как 316SS и поливинилидфторид (PVDF), используются в приложениях высокой чистоты, таких как вода для ополаскивания полупроводников.

Корпуса сосудов под давлением

Несколько спирально-навитых мембранных элементов соединены последовательно и содержатся в сосудах высокого давления. В большинстве случаев в одном сосуде содержится не более шести спирально-навитых элементов длиной 40 дюймов. В связи с усовершенствованием гидравлики спирально-навитой конструкции в одну емкость поместили семь элементов длиной 40 дюймов. Стандартный материал конструкции — пластик / полимер, армированный волокном (FRP). Сосуды под давлением доступны в номиналах 200, 400, 600, 1000 и 1200 фунтов на квадратный дюйм.Некоторые производители могут предоставить сосуды, сконструированные и проштампованные в соответствии с ASME Code-Section X.

Пучки полого волокна упакованы в индивидуальные корпуса из стекловолокна. Для опреснения морской воды эти кожухи могут быть рассчитаны на давление до 1200 фунтов на квадратный дюйм.

Клапан управления концентратом

Регулирующий клапан, расположенный в линии концентрата, обеспечивает средство противодавления на мембрану. Размещение этого клапана вместе с нагнетательным клапаном насоса (байпасный клапан для поршневых насосов прямого вытеснения) установит расход концентрата и пермеата.

Пробные клапаны

Клапаны отбора проб должны располагаться на линиях подачи, пермеата и концентрата. Расположение должно быть таким, чтобы пробы можно было брать во время всех режимов работы, таких как обслуживание, промывка, очистка и ополаскивание. Клапаны для отбора проб также должны быть расположены на линии пермеата каждого пермеатора или резервуара высокого давления.

Патрубки заподлицо

Для некоторых применений необходимо предусмотреть промывку устройства. Примерами могут служить морская вода или солоноватая вода с высоким содержанием органических веществ.Промывочная вода может быть подкисленной подачей или пермеатом. Если используется пермеат, потребуется отдельный вход. Для всех агрегатов, требующих промывки, необходимо предусмотреть отдельный выпускной патрубок в линии концентрата перед регулирующим клапаном концентрата. Клапан управления концентратом будет ограничивать поток промывки, который обычно превышает проектный поток концентрата.

Очистка соединений

Все установки должны иметь соединения для очистки для каждой группы пермеаторов или сосудов под давлением, подключенных параллельно.Запорные клапаны для каждого банка позволят одному банку пропитаться во время очистки верхнего или нижнего берега. В больших системах с несколькими сосудами или пермеаторами, подключенными параллельно, размер системы очистки по экономическим причинам рассчитан на очистку только части банка. В этом случае клапаны необходимы для изоляции определенного количества сосудов, которые можно очистить за один раз.

Промывка пермеатом

Полезно иметь условия для отправки пермеата из одного банка или блока в дренаж.Некоторые процессы требуют, чтобы пермеат достиг качества за счет промывки до слива после периода простоя. Также для определенных процедур поиска и устранения неисправностей пермеат низкого качества может быть направлен в дренаж, в то время как отдельные сосуды проверяются на предмет низкого качества.

Резервуар для отвода пермеата

Для морской воды может быть предусмотрен резервуар для отвода пермеата. Назначение возвратного бака можно указать. Резервный резервуар предназначен для подачи воды или автономного агрегата, подверженного осмосу.После выключения и снятия приложенного давления обратный осмос прекращается и начинается осмос. Во время осмоса поток будет происходить от пермеата к стороне мембраны со стороны исходного концентрата. Промывка каналов подачи концентрата пермеатом после отключения должна предотвратить естественный осмос; однако в качестве меры предосторожности могут быть предусмотрены резервуары для предотвращения обезвоживания мембраны.

Устройства рекуперации энергии

Устройства рекуперации энергии, установленные на линии концентрата высокого давления, используются на некоторых установках обратного осмоса морской воды.Основной принцип работы — преобразование потенциальной энергии концентрата высокого давления в кинетическую энергию. Сопло направляет поток концентрата к ротору с выпуклыми лопатками. Поток ударяется о лопатки и вращает ротор. Вал ротора соединен с насосом, который нагнетает подачу забортной воды. Из-за недостаточной рентабельности, проблем с коррозией и ограничений по размеру турбины для рекуперации энергии этого типа находят ограниченное применение.

Мембраны

Действующие установки используют принцип обратного осмоса в нескольких различных конфигурациях мембран.На действующих установках используются три типа коммерчески доступных конфигураций мембран. Они включают спирально-навитую, полую тонковолокнистую и трубчатую.

Модуль обратного осмоса со спиральной навивкой был задуман как метод получения относительно высокого отношения площади мембраны к объему резервуара высокого давления. Мембрана поддерживается с каждой стороны материала основы и приклеивается к трем из четырех краев ламината. Ламинат также прикреплен к центральной трубке, в которой просверлено отверстие для проникновения деминерализованной воды.Поверхности мембраны разделены сетчатым материалом, который действует как разделитель рассола. Вся упаковка скручена по спирали и завернута в цилиндрическую форму. Мембранные модули загружаются встык в сосуд высокого давления. Питающий поток параллелен центральной трубе, в то время как проникающий поток проходит через мембрану к центральной трубе. Установки, использующие этот тип системы, включают установки деминерализации солоноватой воды.

Половолоконная мембрана изготовлена ​​из ароматических полиамидных волокон размером с человеческий волос с внутренним диаметром около 0 мм.0016 дюймов. Волокна этих очень малых диаметров могут выдерживать высокое давление. В рабочем процессе волокна помещаются в сосуд высокого давления, и один конец каждого волокна герметизируется. Другой конец выступает за пределы сосуда. Солоноватоводная вода находится под давлением с внешней стороны волокон, и вода, полученная в продукте, течет внутри волокна к открытому концу. Для действующих установок мембранные модули собираются по конфигурации, аналогичной спирально-навитой установке.

Процессы с использованием трубчатых мембран работают по тому же принципу, что и полые тонкие волокна, за исключением того, что трубы намного больше в диаметре, порядка 0.5 дюймов. Использование мембранной системы этого типа обычно ограничивается особой ситуацией, например, для сточных вод с высокой концентрацией взвешенных твердых частиц. Процесс с трубчатой ​​мембраной экономически не конкурентоспособен с другими доступными системами для обработки большинства источников воды.

Операция

Предварительная обработка

Вода, подлежащая деминерализации, содержит примеси, которые необходимо удалить предварительной обработкой для защиты мембраны и обеспечения максимальной эффективности процесса обратного осмоса.В зависимости от воды, подлежащей деминерализации, обычно необходимо обрабатывать исходную воду для удаления материалов и условий, потенциально вредных для процесса обратного осмоса:

  • Удаление мутности / взвешенных частиц
  • Регулировка pH и температуры
  • Удалите материалы, чтобы предотвратить образование накипи или загрязнения
  • Дезинфекция для предотвращения биологического роста

Удаление мутности и взвешенных частиц

Как правило, подаваемая вода должна фильтроваться для защиты системы обратного осмоса и ее вспомогательного оборудования.Если источником воды являются грунтовые воды или ранее очищенные городские или промышленные источники, этот шаг может быть выполнен с помощью простой процедуры проверки. Однако такая процедура может оказаться недостаточной, если источником является неочищенная поверхностная вода. Количество взвешенных веществ в поверхностных водах может варьироваться на несколько порядков и может радикально измениться по характеру и составу за очень короткое время. В таких случаях, помимо механического воздействия фильтра, оператору, возможно, придется вводить химические вещества для коагуляции и флокуляции и использовать фильтрующее оборудование, в котором среда может быть промыта или заменена с небольшими затратами.Могут потребоваться напорные и гравитационные песочные фильтры и фильтры из диатомитовой земли, особенно для крупных установок. Когда частицы приближаются или являются коллоидными, необходима химическая обработка и фильтрация.

Картриджные фильтры действуют как защита от твердых частиц, а не как устройство для удаления первичных частиц. Как правило, мутность, поступающая в картриджные фильтры, должна быть менее 1 единицы мутности. Типичные размеры картриджных фильтров составляют от 5 до 20 микрон, а скорость загрузки — от 2 до 4 галлонов в минуту / фут3.

Контроль pH и температуры

Важным ограничивающим фактором срока службы мембран из ацетата целлюлозы при обратном осмосе является скорость гидролиза мембраны. Ацетат целлюлозы распадается на целлюлозу и уксусную кислоту. Скорость, с которой происходит этот гидролиз, зависит от исходной или исходной воды, pH и температуры. По мере гидролиза мембраны количество воды и количество растворенного вещества, которое проникает через мембрану, увеличивается, а качество получаемой воды ухудшается.Скорость гидролиза минимальна при pH около 4,7 и увеличивается с увеличением и уменьшением pH. Стандартной практикой является закачивание кислоты, обычно серной кислоты, для доведения pH исходной воды до 5,5. Регулировка pH сводит к минимуму эффект гидролиза, а также имеет важное значение для контроля осаждения образующих накипь или загрязняющих мембрану минералов.

Карбонат кальция и сульфат кальция, вероятно, являются наиболее распространенными солями накипи, встречающимися в природной воде, и, безусловно, являются наиболее частой причиной образования накипи в системах обратного осмоса.Добавление небольшого количества кислоты может снизить pH до точки, при которой снижается щелочность. Смещение равновесия к точке, где бикарбонат кальция, который является гораздо более растворимым, присутствует во всех точках контура обратного осмоса. Нейтрализация 75 процентов от общей щелочности обычно обеспечивает достаточное регулирование pH для достижения контроля отложений карбоната кальция и приведения мембраны в разумную часть кривой гидролиза. PH, достигаемый нейтрализацией 75 процентов, составляет около 5.7. Осаждение карбоната кальция также ингибируется процедурой контроля, используемой для сульфата кальция.

Сульфат кальция относительно растворим в воде по сравнению с карбонатом кальция. Однако по мере удаления чистой воды или воды продукта из исходного раствора, содержащего кальций и сульфат, эти химические вещества дополнительно концентрируются в исходной воде. Когда пределы насыщения в конечном итоге превышены, произойдет осаждение сульфата кальция. Поскольку растворимость сульфата кальция происходит в широком диапазоне pH, метод борьбы с отложениями, используемый для ингибирования осаждения сульфата кальция, представляет собой пороговую обработку гексаметафосфатом натрия.Этот ингибитор осаждения подавляет карбонат кальция и сульфат кальция, препятствуя процессу образования кристаллов. Также могут быть использованы другие фосфаты уловки; однако они не так эффективны, как гексаметафосфат натрия. Обычно от 2 до 5 мг / л этого химического вещества достаточно для уменьшения осаждения сульфата кальция.

Другие потенциальные скаланты

Оксиды или гидроксиды, наиболее часто встречающиеся в воде, — это железо, марганец и кремнезем. Окисленные и осажденные формы железа, марганца и диоксида кремния могут стать серьезной проблемой для любой схемы деминерализации, поскольку они могут покрыть мембрану обратного осмоса прочной пленкой, что повлияет на производительность.Наиболее часто используемым ингибитором образования отложений является гексаметафосфат натрия.

Микроорганизм

Модули обратного осмоса обеспечивают большую площадь поверхности для прикрепления и роста бактериальных шламов и плесени. Эти организмы могут вызвать засорение мембраны или закупорку модуля. Существуют доказательства того, что иногда ферментные системы некоторых из этих организмов атакуют ацетатцеллюлозную мембрану. Таким образом, непрерывное применение хлора для получения остаточного хлора от 1 до 2 мг / л помогает подавить или замедлить рост большинства встречающихся организмов.Однако следует проявлять осторожность, поскольку постоянное воздействие на мембрану остаточного хлора снижает эффективность мембраны. Время от времени применяются ударные концентрации хлора до 10 мг / л. При использовании мембраны полиамидного типа, не переносящей окислители, после хлорирования следует проводить дехлорирование. Один из дехлорирующих агентов, бисульфит натрия, также известен как дезинфицирующее средство. Другой вариант дезинфекции — это дезинфекция ультрафиолетом, которая не оставляет в воде остатков окислителя.

Работа установки обратного осмоса

После надлежащей предварительной обработки вода, подлежащая деминерализации, сжимается подающими насосами высокого давления и подается к мембранным узлам резервуара высокого давления обратного осмоса. Мембранные узлы состоят из серии сосудов под давлением, расположенных в виде рождественской елки, в зависимости от желаемого восстановления. Типичное рабочее давление для деминерализации солоноватой воды варьируется от 150 до 400 фунтов на квадратный дюйм. Регулирующий клапан на впускном коллекторе регулирует рабочее давление.Также контролируются объемы подаваемого потока и воды. Деминерализованная вода обычно называется пермеатом, а сбросная вода — концентратом (рассолом). Скорость извлечения регулируется путем увеличения потока сырья (увеличения рабочего давления) и путем управления концентратом (рассолом) или отбраковкой с помощью предварительно настроенного регулирующего клапана солевого раствора.

Оператор должен надлежащим образом поддерживать и контролировать все потоки и скорость извлечения, чтобы избежать возможного повреждения мембран из-за накипи.

Операторы должны помнить, что клапаны потока рассола никогда не должны полностью закрываться.Если они случайно закроются во время работы, 100-процентное восстановление приведет к почти определенному повреждению мембран из-за осаждения неорганических солей. Поток продукта или пермеата не регулируется и изменяется при изменении давления и температуры питательной воды.

Большинство систем обратного осмоса разработаны для автоматической работы и требуют минимального внимания оператора. Однако постоянный мониторинг производительности системы является важной обязанностью оператора операционного процесса.

Типы процессов мембранной фильтрации

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Изображение Benreis находится под лицензией CC BY

Микрофильтрация (MF)

Мембраны для микрофильтрации имеют размер пор от 0,1 до 2,0 мкм. Этот процесс менее распространен в процессах обработки отходов, поскольку пермеат из микрофильтра обычно неприемлем для сброса. В некоторых случаях этот мембранный процесс может использоваться в сочетании с отстаивающими агентами, полимерами, активированным углем и другими химическими веществами, которые помогают удерживать компоненты отходов.При использовании этой мембраны необходимо соблюдать осторожность, чтобы предотвратить закупорку пор мембраны компонентами потоков отходов путем выбора надлежащего типа мембраны для конкретных отходов завода.

Ультрафильтрация (УФ)

Процесс ультрафильтрации является наиболее распространенным процессом очистки сточных вод на основе мембран. В нем используется мембрана с размером пор от 0,005 до 0,1 микрона. Частицы больше, чем поры в мембране, такие как эмульгированные масла, гидроксиды металлов, белки, крахмалы и взвешенные твердые частицы, задерживаются на стороне подачи мембраны.Молекулы размером меньше пор в мембране, такие как вода, спирты, соли и сахара, проходят через мембрану. Этот фильтрат, представляющий собой очищенную воду, часто называют пермеатом.

Мембраны для ультрафильтрации

рассчитаны на основе пороговой молекулярной массы (MWCO) и находятся в диапазоне от 1000 до 500000 MWCO (дальтон). Использование MWCO является лишь приблизительным показателем удерживающей способности мембраны и должно использоваться с указанием производителя мембраны.

Нанофильтрация (NF)

В нанофильтрации используется размер пор мембраны между УФ и обратным осмосом.Эти мембраны эффективны при удалении солей из потока отходов, позволяя им проходить в пермеат, концентрируя при этом другие компоненты, такие как сахара, азотные компоненты и другие компоненты отходов, вызывающие высокий уровень БПК / ХПК в потоках отходов.

Обратный осмос (RO)

Обратный осмос — это самый плотный мембранный процесс, поскольку он позволяет только воде проходить через мембрану, сохраняя соли и компоненты с более высокой молекулярной массой. Мембраны обратного осмоса используются для доочистки воды с низким БПК / ХПК и качеством воды, близкой к питьевой.Пермеат обратного осмоса может быть переработан на всем предприятии и повторно использован для различных производственных процессов. RO обычно используется в качестве процесса последующей обработки после процессов более грубой фильтрации, таких как ультрафильтрация.

Обзорные вопросы

  1. Объясните теорию частиц.
  2. Опишите типы и классификацию процессов мембранной обработки.
  3. Перечислите составные части процесса мембранной обработки.
  4. Описание применения и работы процессов мембранной обработки.

Контрольные вопросы

  1. В _________ поток идет изнутри мембраны через мембрану, а фильтрованная вода вытекает из системы.
    1. Системы фильтрации с поперечным потоком
    2. Тупиковые системы фильтрации
    3. Противоточные системы
    4. Прямоточные системы
  2. В ________, фильтруемая вода может течь снаружи в полое волокно или изнутри наружу; однако в этой системе поток отходов не образуется.
    1. Системы фильтрации с поперечным потоком
    2. Тупиковые системы фильтрации
    3. Противоточные системы
    4. Прямоточные системы
  3. Знак _________ асимметричен, что означает, что одна сторона отличается от другой. Мембрана состоит из одного слоя толщиной от 50 до 100 микрон и другого слоя, который представляет собой тонкий плотный слой толщиной примерно 0,2 микрона, который существует на поверхности.Этот тонкий и плотный слой служит отводящим барьером мембраны.
    1. Мембрана из ацетата целлюлозы
    2. Тонкая композитная мембрана
    3. Электродиализная мембрана
    4. Дистилляционная мембрана
  4. ________, полупроницаемая мембрана отделена от поддерживающих слоев, и эта конструкция позволяет производителям мембран выбирать полимеры, которые будут производить мембраны с оптимальным отводом растворенных твердых частиц и скоростью потока воды.
    1. Мембрана из ацетата целлюлозы
    2. Тонкая композитная мембрана
    3. Электродиализная мембрана
    4. Дистилляционная мембрана
  5. _______, то есть скорость потока через мембрану, зависит от приложенного давления.
    1. Минеральный флюс
    2. Водяной поток
    3. Отторжение минералов
    4. Концентрат
  6. _______, который зависит от концентрации, не зависит от давления.
    1. Минеральный флюс
    2. Водяной поток
    3. Отторжение минералов
    4. Концентрат
  7. ________ находят широкое применение для деминерализации муниципального водоснабжения, требующего высокой степени отбраковки из-за жесткости и потенциала образования ТГМ, а также умеренного отклонения TSD.
    1. Микрофильтрация
    2. Ультрафильтрация
    3. Нанофильтрация
    4. Обратный осмос
  8. В ________, температура питательной воды оказывает значительное влияние на характеристики мембраны и, следовательно, должна приниматься во внимание при проектировании и эксплуатации системы.По сути, значение постоянной водопроницаемости постоянно только для данной температуры. По мере увеличения температуры питающей воды поток увеличивается. Обычно поток указывается при некоторых стандартных эталонных условиях температуры, например 25 ° C.
    1. Микрофильтрация
    2. Ультрафильтрация
    3. Нанофильтрация
    4. Обратный осмос
  9. ________ процессы могут использоваться в сочетании с отстойниками, полимерами, активированным углем и другими химическими веществами, которые помогают удерживать компоненты отходов.При использовании этой мембраны необходимо соблюдать осторожность, чтобы предотвратить закупорку пор мембраны компонентами потоков отходов путем выбора надлежащего типа мембраны для конкретных отходов завода.
    1. Микрофильтрация
    2. Ультрафильтрация
    3. Нанофильтрация
    4. Обратный осмос
  10. _________ — это наиболее распространенный процесс очистки сточных вод на основе мембран. В нем используется мембрана с размером пор от 0.005 до 0,1 мкм. Частицы больше, чем поры в мембране, такие как эмульгированные масла, гидроксиды металлов, белки, крахмалы и взвешенные твердые частицы, задерживаются на стороне подачи мембраны. Молекулы размером меньше пор в мембране, такие как вода, спирты, соли и сахара, проходят через мембрану. Этот фильтрат, представляющий собой очищенную воду, часто называют пермеатом.
    1. Микрофильтрация
    2. Ультрафильтрация
    3. Нанофильтрация
    4. Обратный осмос
  11. _______ — это самый плотный мембранный процесс, поскольку он позволяет только воде проходить через мембрану, сохраняя соли и компоненты с более высокой молекулярной массой.Эти мембраны используются для доочистки воды с низким БПК / ХПК и качеством воды, близкой к питьевой. Пермеат можно рециркулировать на всем предприятии и повторно использовать для различных производственных процессов. Этот тип мембраны обычно используется в качестве процесса доочистки после процессов более грубой фильтрации.
    1. Микрофильтрация
    2. Ультрафильтрация
    3. Нанофильтрация
    4. Обратный осмос
  12. Какое рабочее давление для нанофильтрации или умягчающих мембран ________.
    1. 100-200 фунтов на кв. Дюйм
    2. 200-500 фунтов на квадратный дюйм
    3. 500-800 фунтов на квадратный дюйм
    4. 800–1200 фунтов на кв. Дюйм
  13. Какое рабочее давление для обратного осмоса морской воды _______.
    1. 100-200 фунтов на кв. Дюйм
    2. 200-500 фунтов на квадратный дюйм
    3. 500-800 фунтов на квадратный дюйм
    4. 800–1200 фунтов на кв. Дюйм
  14. Модули обратного осмоса обеспечивают большую площадь поверхности для прикрепления и роста бактериальных шламов и плесени.Эти организмы могут вызвать засорение мембраны или закупорку модуля. Существуют доказательства того, что иногда ферментные системы некоторых из этих организмов атакуют ацетатцеллюлозную мембрану. Таким образом, постоянное применение ______ помогает подавить или замедлить рост большинства встречающихся организмов.
    1. уксусная кислота
    2. лимонная кислота
    3. Хлор
    4. натрия гексаметафосфат
  15. Наиболее часто встречающиеся в воде оксиды или гидроксиды — это железо, марганец и кремнезем.Окисленные и осажденные формы железа, марганца и диоксида кремния могут стать серьезной проблемой для любой схемы деминерализации, поскольку они могут покрыть мембрану обратного осмоса прочной пленкой, что повлияет на производительность. Наиболее часто используемым ингибитором образования отложений является ________.
    1. уксусная кислота
    2. лимонная кислота
    3. Хлор
    4. натрия гексаметафосфат
  16. Мембраны из ацетата целлюлозы подвержены длительному гидролизу.Гидролиз приводит к уменьшению способности улавливать минералы. Скорость гидролиза увеличивается при увеличении ______ и является функцией ______ корма.
    1. Температура, pH
    2. Органические вещества, остаточный хлор
    3. железо, марганец
    4. Микроорганизмы, TDS
  17. Чтобы обеспечить максимально долгий срок службы мембраны из ацетата целлюлозы и замедлить гидролиз, ______ добавляется в качестве стадии предварительной обработки перед деминерализацией.
    1. База
    2. Щелочность
    3. Хлор
    4. Кислота
  18. Тонкопленочные композитные мембраны не подвергаются гидролизу; однако для контроля накипи может потребоваться ______ корректировка pH питательной воды.
    1. Базовый
    2. щелочной
    3. нейтральный
    4. Кислый
  19. Слегка _______ значения pH обеспечивают более низкую скорость гидролиза ацетатцеллюлозных мембран, как и более низкие температуры.
    1. Базовый
    2. щелочной
    3. нейтральный
    4. Кислый
  20. Если при обработке обратным осмосом используется мембрана полиамидного типа, не переносящая окислители, после хлорирования следует использовать ________.
    1. Аммиак
    2. Дехлорирование
    3. Каустик
    4. Деионизированная вода

Мембранный биореактор | SSWM — Найдите инструменты для устойчивой санитарии и управления водными ресурсами!

Информационный бюллетень Корпус блока

(адаптировано из FITZGERALD 2008)

Мембранные биореакторы сочетают в себе традиционную биологическую очистку (например,г. активный ил) процессы с мембранной фильтрацией для обеспечения повышенного уровня удаления органических и взвешенных твердых частиц. При соответствующей разработке эти системы также могут обеспечивать повышенный уровень удаления питательных веществ. В системе MBR мембраны погружены в аэрируемый биологический реактор. Мембраны имеют пористость от 0,035 до 0,4 микрон (в зависимости от производителя), которая считается между микро- и ультрафильтрацией.

Этот уровень фильтрации позволяет пропускать высококачественные сточные воды через мембраны и исключает процессы осаждения и фильтрации, обычно используемые для очистки сточных вод.Поскольку необходимость в осаждении устраняется, биологический процесс может работать при гораздо более высокой концентрации смешанного раствора. Это значительно сокращает необходимые технологические резервуары и позволяет модернизировать многие существующие установки без добавления новых резервуаров. Для обеспечения оптимальной аэрации и очистки мембран в смешанном растворе обычно содержится 1,0–1,2% твердых веществ, что в 4 раза больше, чем на обычной установке.

Типовая схема системы мембранного биореактора. Источник: FITZGERALD (2008)

Membrane

(адаптировано из RADJENOVIC et al.2008)

Во время очистки сточных вод MBR разделение твердой и жидкой фаз достигается с помощью мембран микрофильтрации (MF) или ультрафильтрации (UF). Мембрана — это просто двухмерный материал, используемый для разделения компонентов жидкости, обычно на основе их относительного размера или электрического заряда. Способность мембраны обеспечивать перенос только определенных соединений называется полупроницаемой (иногда также проницаемой). Это физический процесс, в котором разделенные компоненты остаются химически неизменными.Компоненты, которые проходят через поры мембраны, называются пермеатом, а отбракованные компоненты образуют концентрат или ретентат.
В настоящее время используются пять типов мембранной конфигурации:

  • Полое волокно (HF)
  • Спирально-намотанная
  • Пластина и рама (т.е. плоский лист (FS))
  • Гофрированный фильтрующий картридж
  • Трубчатый

Подробнее о нескольких возможностях мембран в RADJENOVIC et al. (2008).

Модуль с половолоконными (HF) мембранами (Zenon, Канада) для фильтрации активного ила под вакуумом.Источник: RADJENOVIC et al. (2008)

Предварительная обработка

Чтобы избежать нежелательных твердых частиц в потоке отходов, который попадает в мембранный резервуар, тонкая фильтрация является важным этапом предварительной обработки. Это сводит к минимуму накопление твердых частиц и защищает мембрану от повреждения обломками и частицами, продлевает срок службы мембраны, снижает эксплуатационные расходы и гарантирует более высокое качество осадка, а также бесперебойную работу (GE 2011).

Membrane Processing

Обратный осмос (RO) — это процесс мембранного разделения, управляемый градиентом давления, при котором мембрана отделяет растворитель (обычно воду) от других компонентов раствора.Конфигурация мембраны обычно переточная. При обратном осмосе размер пор мембраны очень мал, позволяя только воде и, возможно, очень небольшим количествам растворенных веществ с очень низкой молекулярной массой проходить через мембраны. Это процесс концентрирования с использованием пороговой мощности 100 МВт, 700 фунтов на кв. Дюйм, температуры менее 40 ° C с мембранами из ацетата целлюлозы и 70–80 ° C с композитными мембранами. Гиперфильтрация совпадает с RO.

Ультрафильтрация (UF) — это процесс мембранного разделения, управляемый градиентом давления, при котором мембрана фракционирует растворенные и диспергированные компоненты жидкости в зависимости от их сольватированного размера и структуры.Конфигурация мембраны обычно переточная. При ультрафильтрации размер пор мембраны больше, чем у обратного осмоса, что позволяет некоторым компонентам проходить через поры с водой. Это процесс разделения / фракционирования с использованием пороговой мощности 10 000 МВт, 40 фунтов на кв. Дюйм и температуры 50-60 ° C с полисульфоновыми мембранами. В УФ обезжиренного молока лактоза и минеральные вещества не фракционируются; например, в ретентате будет 100% белка, но такой же процент лактозы и свободных минералов в растворе (в водной фазе), как и в обезжиренном виде.

Это можно визуализировать с помощью другой схемы, как показано ниже, которая может быть более информативной:

Диафильтрация — это специализированный тип процесса ультрафильтрации, в котором ретентат разбавляется водой и повторно ультрафильтруется для снижения концентрации растворимых компонентов пермеата и дальнейшего увеличения концентрации удерживаемых компонентов. На этой схеме показан процесс диафильтрации как этап ультрафильтрации.

Микрофильтрация (MF) (см. Диаграмму выше) — это процесс мембранного разделения, аналогичный UF, но с еще большим размером пор мембраны, допускающим частицы в диапазоне от 0.2–2 микрометра. Используемое давление обычно ниже, чем в процессе ультрафильтрации. Конфигурация мембраны обычно переточная. MF используется в молочной промышленности для изготовления стерильного молока с низким нагревом, поскольку белки могут проходить через него, а бактерии — нет. Пермеат обезжиренного молока используется в качестве обезжиренного «без бактерий» (хотя это не гарантирует отказоустойчивости, поскольку в мембране могут быть точечные отверстия), поскольку все компоненты молока будут проходить через мембрану. В этом случае ретентат, обогащенный бактериями, подвергается высокотемпературной обработке.Затем обезжиренное масло MF может быть стандартизировано для жира с помощью высокотемпературных сливок.

Мембранная технология

Мембранная технология стала достойной технологией разделения за последние десятилетия. Основная сила мембранной технологии заключается в том, что она работает без добавления химикатов, с относительно низким энергопотреблением и простым и налаженным процессом.
Мембранная технология — это общий термин для ряда различных, очень характерных процессов разделения.Эти процессы однотипны, потому что в каждом из них используется мембрана. Мембраны все чаще используются для создания технической воды из грунтовых, поверхностных или сточных вод. Мембраны теперь конкурентоспособны для традиционных методов. Процесс мембранного разделения основан на наличии полупроницаемых мембран.
Принцип довольно прост: мембрана действует как очень специфический фильтр, который пропускает воду, улавливая твердые частицы и другие вещества.
Существуют различные методы, позволяющие веществам проникать через мембрану. Примерами этих методов являются применение высокого давления, поддержание градиента концентрации с обеих сторон мембраны и введение электрического потенциала.

Мембраны проходят через селективную разделительную стенку. Некоторые вещества могут проходить через мембрану, в то время как другие вещества улавливаются.
Мембранная фильтрация может использоваться как альтернатива для флокуляции, методов очистки от отложений, адсорбции (песчаные фильтры и фильтры с активированным углем, ионообменники), экстракции и дистилляции.

Есть два фактора, которые определяют эффективность процесса мембранной фильтрации; избирательность и продуктивность. Селективность выражается параметром, называемым коэффициентом удерживания или разделения (выражается в единицах л / м2 · ч). Производительность выражается параметром, называемым потоком (выражается в единицах л / м2 · ч). Селективность и производительность зависят от мембраны.

Мембранную фильтрацию можно разделить на микро- и ультрафильтрацию, с одной стороны, и нанофильтрацию и обратный осмос (RO или гиперфильтрацию), с другой стороны.
Когда используется мембранная фильтрация для удаления более крупных частиц, применяются микрофильтрация и ультрафильтрация. Благодаря открытому характеру мембран производительность высока, а перепады давления низкие.
Когда необходимо удалить соли из воды, применяются нанофильтрация и обратный осмос. Нанофильтрация и мембраны обратного осмоса не работают по принципу пор; разделение происходит путем диффузии через мембрану. Давление, необходимое для выполнения нанофильтрации и обратного осмоса, намного выше, чем давление, требуемое для микро- и ультрафильтрации, в то время как производительность намного ниже.

Мембранная фильтрация имеет ряд преимуществ по сравнению с существующими методами очистки воды:

· Это процесс, который может происходить при низких температурах. Это в основном важно, потому что позволяет обрабатывать термочувствительные вещества. Вот почему эти приложения широко используются в производстве продуктов питания.
· Это процесс с низкими затратами энергии. Большая часть необходимой энергии используется для перекачивания жидкостей через мембрану. Общее количество используемой энергии невелико по сравнению с альтернативными методами, такими как испарение.
· Процесс легко расширяется.

Управление процессами систем мембранной фильтрации

Системы мембранной фильтрации могут работать как в тупиковом, так и в поперечном потоке. Целью оптимизации мембранных технологий является достижение максимально возможной производительности в течение длительного периода времени с приемлемыми уровнями загрязнения.

Мембранные системы

Выбор определенного типа мембранной системы определяется множеством аспектов, таких как стоимость, риски засорения мембран, плотность упаковки и возможности очистки.Мембраны никогда не применяются как одна плоская пластина, потому что такая большая поверхность часто приводит к высоким инвестиционным затратам. Вот почему системы построены плотно, чтобы можно было разместить большую поверхность мембраны в минимально возможном объеме. Мембраны реализованы в виде модулей нескольких типов. Существует два основных типа, называемых трубчатой ​​мембранной системой и мембранной системой с пластиной и рамой. Трубчатые мембранные системы подразделяются на трубчатые, капиллярные и половолоконные мембраны. Пластинчато-каркасные мембраны подразделяются на спиральные мембраны и мембраны в форме подушек.
Загрязнение мембраны

Во время процессов мембранной фильтрации засорение мембраны неизбежно даже при достаточной предварительной обработке. Типы и количество загрязнений зависят от множества различных факторов, таких как качество исходной воды, тип мембраны, материалы мембраны, а также конструкция и контроль процесса.

Частицы, биообрастание и образование накипи — три основных типа загрязнения мембраны. Эти загрязнения приводят к тому, что требуется более высокая рабочая нагрузка, чтобы гарантировать непрерывную емкость мембран.В какой-то момент давление вырастет настолько, что перестает быть экономически и технически подотчетным.

Опреснение морской воды

Очистка мембран

Существует ряд методов очистки для удаления загрязнения мембран. Эти методы включают прямую промывку, обратную промывку, продувку воздухом и химическую очистку, а также любую комбинацию этих методов.

Управление мембранными системами

Трубчатые мембраны

Пластинчатые и рамочные мембраны

Мембранные технологии | Справочник по переработке молочных продуктов

Мембранная технология — это проверенный метод разделения, используемый на молекулярном и ионном уровнях.С начала 1970-х годов этот метод был адаптирован для молочной промышленности.

Определения

Определения некоторых часто используемых выражений:
Сырье = раствор, который нужно сконцентрировать или фракционировать

Flux = скорость извлечения пермеата, измеренная в литрах на квадратный метр площади поверхности мембраны в час (л / м 2 / ч)

Загрязнение мембраны = отложение и накопление компонентов сырья на поверхности мембраны и / или в порах мембраны; вызывает необратимое снижение потока во время обработки

Пермеат = фильтрат, жидкость, проходящая через мембрану

Ретентат = концентрат, оставшаяся жидкость

Коэффициент концентрации = уменьшение объема, достигаемое за счет концентрации, т.е.е. отношение начального объема сырья к конечному объему концентрата / ретентата

Диафильтрация = конструкция, обеспечивающая лучшую очистку — вода добавляется к сырью во время мембранной фильтрации для вымывания низкомолекулярных компонентов сырья, которые будут проходить через мембраны, часто лактоза и минералы

Мембранная технология

В молочной промышленности мембранные технологии в основном связаны с

  • Обратный осмос (RO)
    — концентрация растворов путем удаления воды
  • Нанофильтрация (NF)
    — концентрация органических компонентов путем удаления части одновалентных ионов, таких как натрий и хлор (частичная деминерализация)
  • Ультрафильтрация (UF)
    — концентрация больших и макромолекул, например белков
  • Микрофильтрация (MF)
    — удаление бактерий, разделение макро молекул

Спектр применения процессов мембранного разделения в Молочная промышленность представлена ​​на Рисунке 6.4.1.
Все вышеперечисленные методы включают процессы мембранной фильтрации, управляемые давлением, при которых подаваемый раствор пропускается через мембрану под давлением. Мембраны классифицируются по их задержке соли (RO и NF), отсечке по молекулярной массе (NF и UF) или номинальному размеру пор (MF).

Предел отсечения предположительно представляет собой молекулярную массу молекулы, которая на 90% отклоняется мембраной. Однако из-за различных взаимодействий мембрану нельзя выбирать исключительно на основе ее удерживания соли, отсечки молекулярной массы или номинального размера пор.
Следует отметить, что традиционная или обычная фильтрация обычно используется для отделения взвешенных частиц размером более 10 мкм, в то время как мембранная фильтрация разделяет вещества с молекулярным размером менее
10 мкм. Традиционная фильтрация осуществляется в тупиковом режиме, а мембранная фильтрация — как в тупиковом, так и в поперечном.
Основное различие между обычной фильтрацией и поперечной мембранной фильтрацией показано на Рисунке 6.4.2.
Можно отметить несколько различий между традиционной и мембранной фильтрацией.

  • Обычные фильтры толстые с открытой структурой. Фильтрующим материалом обычно является бумага. Гравитация — это основная сила, влияющая на разделение частиц. Давление можно применять только для ускорения процесса. Поток корма перпендикулярен фильтрующей среде, и фильтрация может проводиться в открытых системах.
  • Мембранные фильтры тонкие и имеют достаточно контролируемый размер пор. В настоящее время фильтрующим материалом обычно являются полимеры и керамика, реже ацетат целлюлозы.

При мембранной фильтрации использование разницы давлений на мембране, трансмембранного давления (ТМД), является важной движущей силой для разделения, а при поперечной или тангенциальной мембранной фильтрации используется конструкция потока. Подача раствора проходит параллельно поверхности мембраны, а пермеат течет перпендикулярно поверхности мембраны. Фильтрация должна производиться в закрытой системе.

Рис. 6.4.1

Спектр применения процессов мембранного разделения в молочной промышленности.

Рис. 6.4.2

Основные различия между традиционной тупиковой фильтрацией и поперечной мембранной фильтрацией.

Принципы мембранного разделения

Методы мембранного разделения, используемые в молочной промышленности, служат различным целям:
RO — используется для обезвоживания молока, сыворотки, UF пермеата и конденсата
NF — используется при частичном опреснении молока, сыворотки, UF пермеата или требуется ретентат
UF — обычно используется для концентрирования молочных белков в молоке и сыворотке и для стандартизации белков молока, предназначенного для сыра, йогурта и некоторых других продуктов, но он также используется для осветления фруктовых и ягодных соков
MF — в основном используется для уменьшения количества бактерий в обезжиренном молоке, сыворотке и рассоле, а также для обезжиривания сыворотки, предназначенной для концентрата сывороточного белка (WPC) и для фракционирования белка

Общие схемы потоков различных систем мембранного разделения показаны на рисунке 6.4.3.

Рис 6.4.3

Принципы мембранной фильтрации.

Модули фильтрации

Используемые модули фильтрации могут иметь различную конфигурацию.

Конструкция Типовое применение
Пластина и рама UF
Трубчатая, керамическая MF, UF
Спирально-навитая RO, NF, UF

Конструкция пластины и рамы

Эти системы состоят из мембран, зажатых между опорными пластинами для мембран, которые расположены стопками , аналогично обычным пластинчатым теплообменникам.Подача материала проталкивается через очень узкие каналы, которые могут быть сконфигурированы для параллельного потока или в виде комбинации параллельных и последовательных каналов. Типичный дизайн показан на рисунке 6.4.4.
Модуль обычно делится на секции, и в каждой из них поток между парами мембран идет параллельно. Секции разделены специальной опорной пластиной для мембраны, в которой одно отверстие закрывается стопорным диском, чтобы изменить направление потока на противоположное, что приводит к последовательному потоку между последовательными секциями.Доступны модули различных размеров. Материал мембраны: типичные полимеры.

Рис. 6.4.4

Пример пластинчато-рамной системы (DDS) для УФ.

Трубчатая конструкция — керамика

Трубчатая конструкция с керамическими мембранами неуклонно набирает популярность в молочной промышленности, особенно в системах уменьшения количества бактерий в молоке, сыворотке, WPC и рассоле.
Фильтрующий элемент (рис. 6.4.5) представляет собой керамический фильтр, изготовленный Pall Exekia.
Тонкие стенки каналов выполнены из мелкозернистой керамики и составляют мембрану.Материал носителя — крупнозернистая керамика.
В MF для удаления бактерий система питается обезжиренным молоком, потому что жир будет концентрироваться с цельным молоком, а это нежелательно в приложениях для уменьшения количества бактерий. Большая часть корма (около 95%) проходит через мембрану в виде пермеата, в данном случае обезжиренного молока с пониженным содержанием бактерий. Ретентат, составляющий около 5% корма, представляет собой обезжиренное молоко, богатое бактериями.
Фильтрующие элементы (1, 7, 12, 19, 37 или 60 параллельно) устанавливаются в модуль. Рисунок 6.4.6 показан модуль с 19 фильтрующими элементами, один из которых открыт слева от модуля. Для промышленных целей два модуля соединяются последовательно, образуя контур фильтра вместе с одним циркуляционным насосом ретентата и одним циркуляционным насосом пермеата (рисунок 6.4.9).
В зависимости от требуемой производительности можно установить несколько контуров фильтров параллельно.
Корм ​​закачивается в модули снизу с большим расходом. Высокая скорость потока вызывает высокий перепад давления вдоль мембранных элементов, что приводит к неравномерному TMP, поскольку TMP выше на входе, чем на выходе.Очень высокий TMP на входе быстро вызывает засорение мембраны. Это явление проиллюстрировано на рисунке 6.4.7, на котором показана обычная микрофильтрация с поперечным потоком. Опыт показывает, что низкая TMP дает гораздо лучшие характеристики, но при обычной микрофильтрации с поперечным потоком низкая TMP наблюдается только на выходе, то есть на очень небольшой части площади мембраны.
Была введена уникальная система равномерного трансмембранного давления (UTP) для достижения оптимальных условий на всей площади. Запатентованная система, изображенная на рисунке 6.4.8, включает высокоскоростную циркуляцию пермеата одновременно с ретентатом, создавая падение давления на стороне пермеата, которое равно падению давления на стороне ретентата. Это дает равномерный TMP по всей площади мембраны и, таким образом, оптимальное использование мембраны.
Система UTP возможна, потому что обычно пространство между элементами внутри модуля, то есть на стороне пермеата, пусто, но в версии UTP оно заполнено пластиковыми зернами. Падение давления на стороне пермеата регулируется насосом пермеата и остается постоянным во время работы установки.
Сегодня доступны специально разработанные мембранные элементы, в структуру которых встроена эта UTP-система. При использовании мембраны этого типа нет необходимости в циркуляции на стороне пермеата. Эти мембраны обладают гидравлическим сопротивлением, которое различается в зависимости от элемента.

Рис. 6.4.5

Поперечная фильтрация в многоканальном элементе (19 каналов).

Рис. 6.4.6

Фильтрующие элементы — 1, 7 или 19 (показаны) параллельно — установлены в модуле из нержавеющей стали.

Рис. 6.4.7

Падение давления при обычной микрофильтрации с поперечным потоком.

Рис. 6.4.8

Падение давления в системе равномерного трансмембранного давления.

Рис. 6.4.9

Промышленный контур мембранного фильтра состоит из:

  • Два последовательно соединенных фильтрующих модуля
  • Один циркуляционный насос ретентата
  • Один циркуляционный насос пермеата
Конструкция со спиральной намоткой

Поскольку конструкция со спиральной намоткой отличается от других конструкций мембранной фильтрации, используемых в молочной промышленности, она требует более подробного объяснения.
Элемент со спиральной намоткой содержит одну или несколько мембранных оболочек, каждая из которых содержит два слоя мембраны, разделенных пористым проводящим пермеатным материалом. Этот материал, называемый прокладкой канала пермеата , позволяет пермеату, проходящему через мембрану, течь свободно. Два слоя мембраны с разделителем канала пермеата между ними герметизированы клеем на двух краях и на одном конце, образуя оболочку мембраны. Открытый конец оболочки соединен с перфорированной трубкой для сбора пермеата и запечатан.Конфигурация конверта показана на рисунке 6.4.10.
Пластиковая сетка, служащая каналом для потока питающего раствора через систему и известная как разделитель питающего канала, помещается в контакт с одной стороной каждой оболочки мембраны. Благодаря конструкции сетки, распорки канала подачи также действуют как генераторы турбулентности, чтобы поддерживать чистоту мембраны при относительно низких скоростях.
Затем весь узел оборачивается вокруг перфорированной трубки для сбора пермеата, образуя спирально-навитую мембрану.Мембраны со спиральной намоткой оснащены устройством, предотвращающим телескопирование (ATD) (рисунок 6.4.11) между нижними по потоку концами мембранных элементов, чтобы предотвратить проскальзывание слоев из-за скорости обрабатываемой жидкости.
Несколько элементов — обычно до шести — могут быть последовательно соединены внутри одной трубы из нержавеющей стали, как показано на рисунке 6.4.12.
Материал мембраны и разделителя пермеата: полимер.

Рис. 6.4.10

Формирование конверта конструкции спирально-навитого фильтра.

Рис. 6.4.11

Мембрана спирально-навитая с противотелескопическим устройством.

Рис. 6.4.12

Модуль со спиральной намоткой. Любая или обе пары соединительных ответвлений (X и Y) могут использоваться для штабелирования корпуса, особенно используемого в концепциях ультрафильтрации.

Характеристики разделения для мембран

Разделительные характеристики мембраны определяются множеством различных факторов, связанных с материалом мембраны, производством мембраны, формой и гибкостью молекул, а также динамическими и транспортными механизмами потока на поверхности мембраны.Чтобы производители мембран могли охарактеризовать характеристики мембраны, было разработано несколько методов для определения характеристик разделения конкретного типа мембраны.
Одним из примеров являются УФ-мембраны, которые могут иметь определенную или диффузную характеристику разделения, как показано на рисунке 6.4.13 для двух УФ-мембран с одинаковым пороговым значением молекулярной массы. Это явление возникает, когда распределение пор мембраны по размеру узкое или широкое, и если это приводит к другому наклону кривой отклонения.
Мембраны с узким распределением пор по размеру пропускают все материалы с определенным более низким молекулярным весом, в то время как мембраны с широким распределением размера пор позволяют проникать некоторым материалам с более высоким молекулярным весом и отклоняют некоторые материалы с более низким молекулярным весом, хотя две мембраны определены как имеющие такую ​​же пороговую молекулярную массу.

Определение того, что пороговая молекулярная масса определяет характеристику разделения, следует принимать с некоторыми оговорками, поскольку форма отделенной молекулы также имеет влияние.Идеальную твердую сферическую молекулу нельзя сравнивать с гибкой молекулой или молекулой определенной формы.
Кроме того, существует многовариантная зависимость характеристик разделения, которая делает применение мембранной фильтрации в молочной промышленности очень сложным, но также дает возможность быть уникальной, потому что, когда система спроектирована и настроена со всеми соответствующими параметрами, мембрана это всего лишь один параметр. Следовательно, возможность надежного воспроизведения продукта требует большего, чем просто знание отсечки мембраны — необходимо знать и контролировать весь набор параметров.

Рис. 6.4.13

Типичные характеристики отбраковки двух ультрафильтрационных мембран с одинаковым пределом молекулярной массы (10 кДа), демонстрирующие идеальные, четкие и диффузные характеристики разделения.

Перенос материала через мембрану

Разделительная способность зависит от ряда факторов:

  • Сопротивление мембраны, которое характерно для каждой мембраны и определяется
    — толщиной мембраны
    — пористостью поверхности
    — порами диаметр.
  • Транспортное сопротивление, т.е. эффекты концентрационной поляризации и загрязнения — это явления, которые происходят на поверхности или в пористой структуре мембран в процессе фильтрации.

Образование слоя, повышающего сопротивление, можно объяснить следующим образом:

  • Крупные молекулы (то есть белок и жир) переносятся конвекцией к мембране под прямым углом к ​​направлению потока. Из-за удерживания концентрация частиц на поверхности мембраны будет увеличиваться.
  • Этот градиент концентрации вызывает обратную диффузию в противоположном направлении, обратно в основную массу.
  • Параллельно мембране белки, присутствующие в слое, близком к поверхности мембраны, перемещаются со скоростью, которая изменяется в зависимости от увеличения осевой скорости потока.
  • Эффект загрязнения распределяется по мембране неравномерно, особенно когда перепад давления приводит к разным ТМД вдоль поверхности мембраны. Таким образом, верхний конец мембраны забивается первым, и загрязнение постепенно распространяется по всей поверхности, снижая производительность и, в конечном итоге, вызывая необходимость остановки и очистки установки.
  • Основным эффектом засорения является то, что удаление пермеата уменьшается по мере продолжения фильтрации.
  • Эффект загрязнения может быть уменьшен в некоторых системах за счет использования обратной промывки, обратного потока или UTP (возможно при использовании керамических мембран).
Условия давления

Давление является движущей силой фильтрации, и необходимо проводить важное различие между:

  1. Падением гидравлического давления вдоль модуля P = P 1 — P 2 .
    Чем выше скорость прохождения модуля, тем выше значение P. Более высокая скорость приводит к большему сдвигу на поверхности мембраны и меньшему эффекту поляризации. Однако существуют ограничения, такие как сопротивление мембраны давлению и цена насосов, способных обеспечивать как высокие потоки, так и высокое давление.
  2. TMP — это перепад давления между удерживающей и пермеатной сторонами мембраны в определенной точке вдоль мембраны. Главный критерий эффективности мембранной системы выражается как поток — расход на площадь мембраны в час, л / м 2 / ч, и является функцией TMP.

TMP, , т.е. сила, проталкивающая пермеат через мембрану, наибольшая на входе и наименьшая на выпускном конце модуля. Поскольку уменьшение TMP является линейным, среднее TMP определяется как:
Падение гидравлического давления на мембране (A) и профиль трансмембранного давления (B) показаны на рисунке 6.4.14.

Рис. 6.4.14

Гидравлическое (A) и трансмембранное (B) давление падает через мембрану.

Принципы построения установок

Работа мембранных фильтровальных установок во многом зависит от давления, создаваемого используемыми насосами.Следует принимать во внимание следующие рекомендации:

  1. Производительность насоса (-ов) должна соответствовать требуемому расходу и характеристикам модуля (-ов), которые сильно различаются в зависимости от конструкции и размера модуля.
  2. Насос (ы) должен быть нечувствительным к изменениям вязкости обрабатываемого потока вплоть до предела вязкости модуля. Он / они также должны эффективно работать при температурах, используемых для обработки и очистки.
  3. Насосы должны соответствовать санитарным нормам для молочного оборудования.

Используются несколько типов насосов, включая центробежные насосы и поршневые насосы. Санитарные центробежные насосы обычно используются в качестве подающих и циркуляционных насосов, но санитарные насосы прямого вытеснения иногда используются в качестве подающих и циркуляционных насосов высокого давления для жидкостей с высокой вязкостью, например на заключительных этапах ультрафильтрации подкисленного молока.
Установки для мембранного разделения могут использоваться как для периодического, так и для непрерывного производства. Подающий раствор не должен содержать крупных частиц, которые могут повредить очень тонкий фильтрующий слой / активный слой.По этой причине в систему подачи часто интегрируют мелкоячеистый фильтр.

Серийное производство

Установки для серийного производства (рис. 6.4.15) в основном используются для фильтрации небольших объемов продукта, например, в лабораториях и экспериментальных установках. Определенное количество обрабатываемого продукта хранится в буферной емкости. Продукт циркулирует через мембранный сепаратор до тех пор, пока не будет достигнута необходимая концентрация.

Непрерывное производство

Схематические конструкции упомянутых мембранных фильтрационных установок показаны на рисунках 6.4.16 и 6.4.17. Установки, показанные на Рисунке 6.4.16, представляют собой спирально-навитые концепции для применений RO, NF и UF с полимерными мембранами с разным размером пор, в то время как на Рисунке 6.4.17 показана установка MF с керамическими мембранами.
Поскольку мембраны обратного осмоса намного плотнее, чем мембраны двух других систем, для производства требуется более высокое давление на входе. Это поддерживается тремя последовательно включенными санитарными центробежными подающими насосами и одним санитарным центробежным циркуляционным насосом.
Две другие фильтрационные установки, NF и UF, имеют более открытые мембраны и поэтому могут работать с двумя питательными насосами и одним питающим насосом соответственно.
Как упоминалось ранее, концепция MF основана на двух фильтрующих модулях, работающих последовательно в системе контура фильтрации, которая также имеет один центробежный насос для циркуляции ретентата и один для циркуляции пермеата.
Питающий раствор может подаваться из сепарационной установки с системой постоянного давления на выходе или из уравнительного бака, оснащенного насосом и системой регулирования производительности.

Рис. 6.4.15

Установка периодической мембранной фильтрации.

  1. Бак для продукта
  2. Питающий насос
  3. Циркуляционный насос
  4. Фильтр
  5. Мембранный модуль
  6. Охладитель
Температура обработки при мембранной фильтрации

В большинстве случаев температура обработки составляет около 10–50 ° C для молочных продуктов. Установки фильтрации обычно дополняются простой системой охлаждения, интегрированной во внутренний циркуляционный контур, чтобы компенсировать небольшое повышение температуры, которое происходит во время работы, и поддерживать постоянную температуру обработки.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.