Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет» Кафедра технология производства и переработки с.-х. продукции

Реферат по дисциплине: «Процессы и аппараты перерабатывающих производств»

На тему: «Обратный осмос и ультрафильтрация. Применение в пищевых производствах. Оборудование»

Выполнила студентка 2 курса направление подготовки 35.03.07

технология производства и переработки продукции животноводства

факультета биотехнологий и природопользования

Яблуновская Анастасия Евгеньевна

Проверил: Тарасенко С.С.

Оренбург 2021

Оглавление

Введение

1. Обратный осмос и ультрафильтрация

2. Теоретические основы разделения обратного осмоса и ультрафильтрации

3. Аппараты для обратного осмоса и ультрафильтрации

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Обратный осмос и ультрафильтрация заключаются в фильтровании растворов под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и полностью или частично задерживающие молекулы либо ионы растворенных веществ. При обратном осмосе отделяются частицы (молекулы, гидратированные ионы), размеры которых не превышают размер молекул растворителя. При ультрафильтрации размер отделяемых частиц на порядок больше. Давление, необходимое для проведения обратного осмоса (1-10 МПа), значительно больше, чем для ультрафильтрации (0,1-0,7 МПа).

Внешне обратный осмос и ультрафильтрация аналогичны фильтрованию, однако при фильтровании продукт откладывается в виде осадка на фильтре; при обратном осмосе и ультрафильтрации образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом.

Движущей силой рассматриваемых процессов является разность рабочего (избыточного) давления над исходным раствором и осмотического давления раствора. Наиболее перспективны обратный осмос и ультрафильтрация в системах локальной обработки сточных вод при небольших их расходах для концентрирования и выделения относительна ценных компонентов и очистки воды. Например, очистка сточных вод, образующихся при металлообработке, травлении, окраске, нанесении гальванических покрытий от таких токсичных веществ, как цианиды, хром, никель, медь, цинк и др., которые к тому же могут быть регенерированы.

Достоинствами методов являются: отсутствие фазовых переходов при отдалении примесей, что позволяет вести процесс при небольшом расходе энергии; возможность проведения процесса при комнатной температуре; простота конструкции аппаратуры; возможность выделения ценных продуктов; одновременная очистка воды от органических, неорганических и бактериальных загрязнений. Установка включает два основных элемента: устройство для создания давления жидкости (насос) и разделительную ячейку с закрепленными в ней полупроницаемыми мембранами, а в промышленных установках -- многосекционный аппарат, обеспечивающий необходимую поверхность мембран.

Недостатки методов: повышенное давление в системе, явление концентрационной поляризации (увеличение концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны вследствие преимущественного переноса, растворителя через мембрану), это приводит к уменьшению производительности, степени разделения и срока службы мембрана, а также вызывает необходимость специальных уплотнений аппаратуры.

1. Обратный осмос и ультрафильтрация

Обратный осмос -- это способ разделения растворов путем их фильтрования под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и задерживающие молекулы или ионы растворенных веществ.

Ультрафильтрация -- это процесс разделения, фракционирования и концентрирования растворов с помощью полупроницаемых мембран. При этом жидкость непрерывно подается в пространство над мембраной под давлением 0,1... 1,0 МПа.

При ультрафильтрации исходный раствор разделяется на два принципиально новых продукта: низкомолекулярный (фильтрат) и высокомолекулярный. Фильтрат проходит сквозь мембрану и удаляется через дренажную систему, а высокомолекулярный продукт концентрируется. Ультрафильтрация позволяет выделять молочные белки из вторичных продуктов молочной промышленности и ценные вещества из других пищевых растворов, получать дополнительные резервы производства продуктов питания.

Применение мембранных процессов в пищевой технологии позволяет значительно снизить энергоемкость процессов обезвоживания фруктовых и овощных соков, сиропов, экстрактов по сравнению с процессами выпаривания или вымораживания, улучшить качество и повысить выход получаемых продуктов.

Например, выход фруктовых соков из исходного продукта при ультрафильтрации увеличивается до 95...99%.

Ультрафильтрацией обезжиренного молока получают молочный концентрат, который используют в производстве различных видов сыров, творожных масс и кисломолочных продуктов, что увеличивает выход продукции.

Ультрафильтрация сырого сахарного сока позволяет получить чистый, свободный от коллоидов фильтрат, идущий непосредственно на кристаллизацию сахарозы.

Ультрафильтрация успешно заменяет пастеризацию пива. При этом из пива удаляются бактерии и высокомолекулярные вещества, ухудшающие его качество и снижающие стабильность. Стоимость обработки пива ультрафильтрацией в 2,5 раза ниже чем пастеризацией.

Обработка виноградных вин обратным осмосом позволяет решить вопрос их стабилизации. При использовании обратного осмоса через мембрану проходят вода и этиловый спирт, а ионы калия и винная кислота остаются в концентрате, из которого интенсивно выпадает винный камень. После фильтрования концентрата его смешивают с фильтратом, что повышает его стабильность на длительный срок.

Обратным осмосом концентрируют яичный белок. При этом не происходит денатурирования протеинов, и получают яичный белок с содержанием протеинов до 30 %.

2. Теоретические основы разделения обратного осмоса и ультрафильтрации

В основе метода разделения растворов обратным осмосом лежит явление самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор (рис. 1). Если давление над раствором ниже осмотического (), то растворитель будет переходить в раствор до достижения осмотического равновесия в системе.

Равновесное состояние наступает, когда гидростатическое давление между раствором и растворителем, определяемое разностью уровней, станет равным осмотическому давлению ().

Если после достижения осмотического равновесия со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое (), то растворитель начнет переходить из раствора в обратном направлении. В этом случае будет иметь место обратный осмос. Растворитель, прошедший через мембрану, называют фильтратом.

Движущей силой процесса обратного осмоса является перепад давления , где р -- избыточное давление под раствором; - осмотическое давление раствора.

Если в процессе обратного осмоса наблюдается некоторый переход через мембрану растворенного вещества, то при расчете движущей силы следует учитывать осмотическое давление фильтрата , прошедшего через мембрану. Тогда

Рис. 1 Схема разделения раствора обратным осмосом

Для приближенного расчета осмотического давления может быть использована формула Вант--Гоффа

где: x - молярная доля растворимого вещества; R - газовая постоянная; T - абсолютная температура раствора, К

Осмотические давления растворов могут достигать десятков мегапаскалей. Давление в обратноосмотических установках должно быть значительно больше осмотического, так как эффективность процесса определяется движущей силой -- разностью между рабочим и осмотическим давлением. Так, при осмотическом давлении морской воды, содержащей 35% солей, равном 2,45 МПа, рабочее давление в опреснительных установках должно составлять около 7,85 МПа.

Ультрафильтрацию применяют при разделении систем, в которых молекулярная масса растворенных в растворителе компонентов значительно превышает молекулярную массу растворителя. При разделении водных растворов ультрафильтрацию используют, когда растворенные компоненты имеют молекулярную массу 500 и выше. Движущая сила ультрафильтрации -- разность рабочего и атмосферного давлений. Обычно ультрафильтрацию проводят при невысоких давлениях, равных 0,1... 1,0 МПа

3. Аппараты для обратного осмоса и ультрафильтрации

Аппараты для обратного осмоса и ультрафильтрации бывают периодического и непрерывного действия. Аппараты периодического действия применяют, как правило, только в лабораторной практике. В промышленности работают проточные аппараты непрерывного действия.

Мембранные аппараты имеют большую удельную площадь поверхности разделения, просты в сборке и монтаже, надежны в работе. Перепад давления в аппаратах небольшой.

Недостатком аппаратов для обратного осмоса является высокое рабочее давление, что приводит к необходимости использования специальных уплотнений трубопроводов и арматуры, рассчитанных на высокое давление.

По способу расположения мембран аппараты делятся на аппараты типа «фильтр-пресс» с плоскокамерными фильтрующими элементами, аппараты с цилиндрическими и рулонными элементами и аппараты с мембранами в виде полых волокон. Перечисленные аппараты состоят из отдельных секций или модулей, что позволяет собирать аппараты с различной площадью поверхности разделения.

Аппарат типа «фильтр-пресс», по конструкции напоминающий фильтр для обычного фильтрования, является наиболее простым мембранным аппаратом.

Основа этой конструкции (рис. 2) - фильтрующий элемент, состоящий из двух мембран, уложенных по обе стороны листов «подложки», изготовленных из пористого материала, например полимерного. Листы «подложки» имеют отверстия для прохода жидкости. Эти листы расположены на расстоянии от 0,5 до 5 мм, образуя межмембранное пространство для разделяемого раствора. Пакет фильтрующих элементов зажимается между двумя плитами и стягивается болтами. Фильтруемый раствор последовательно проходит через все фильтрующие элементы и концентрируется. Концентрат и фильтрат непрерывно удаляются из аппарата.

(а)(б)

Рис. 2. Мембранный фильтр-пресс (а) и «подложка» (б): 1 - плита; 2 - стяжной болт; 3 - «подложка»; 4 - мембрана; 5 - отверстие

Аппараты подобного типа применяют в установках для выделения белков из подсырной сыворотки, а также для ультрафильтрации обезжиренного молока и творожной сыворотки.

Производительность аппарата по сыворотке составляет 5,0... 6,8 м3/ч, по концентрату -- 0,16...0,3 м3/ч.

Аппарат с цилиндрическими фильтрующими элементами собирается из отдельных цилиндрических фильтрующих модулей (рис. 3).

Рис. 3. Мембранный аппарат с цилиндрическими фильтрующими элементами

Цилиндрический фильтрующий элемент (рис. 4) представляет собой сменный узел, собранный из полупроницаемой мембраны и дренажного каркаса. Дренажный каркас состоит из трубы и пористой «подложки», исключающей вдавливание мембраны в дренажные каналы трубы. Изготовляют цилиндрические фильтрующие элементы трех типов: с расположением мембраны на внутренней поверхности дренажного каркаса, на внешней и с комбинированным расположением мембраны.

(а) (б)

(в)

Рис. 4. Цилиндрические фильтрующие элементы с различным расположением мембраны: а - на внутренней поверхности дренажного каркаса; б - на внешней; в - комбинированно; где: 1 - труба; 2 - мембрана; 3 - «подложка»

Аппарат с цилиндрическими фильтрующими элементами и с мембраной, расположенной на внутренней поверхности дренажного каркаса (рис. 3, а), имеет следующие преимущества: малую материалоемкость из-за отсутствия напорного корпуса, небольшое гидравлическое сопротивление, возможность механической очистки фильтрующих элементов от осадка без разборки, надежность конструкции. осмос ультрафильтрация фильтр

Недостатки этой конструкции -- низкая удельная рабочая площадь поверхности фильтрации мембран, высокие требования к сборке элементов.

Конструкции фильтрующих элементов с наружным расположением мембраны (рис. 4, б) имеют большую удельную рабочую площадь поверхности фильтрации. Однако они более металлоемки, а кроме того, механическая очистка фильтрующих элементов практически невозможна.Цилиндрические фильтрующие элементы с комбинированным расположением мембран (рис. 4, в) имеют примерно в 2 раза большую удельную рабочую площадь поверхности фильтрации, чем описанные. Однако такие конструкции обладают значительно большими гидравлическими сопротивлениями из-за большой длины каналов для отвода фильтрата.

Ультрафильтрационные установки с цилиндрическими фильтрующими элементами широко применяют для осветления фруктовых соков. От сока отделяются все вещества, вызывающие помутнение сока, как, например, протеин, крахмал, пектин, дубильные вещества большой молекулярной массы, частицы целлюлозы и другие вещества. В осветленном соке содержатся все вещества в натуральном составе.

Аппараты с рулонными фильтрующими элементами выполняют в виде трубы, в которую последовательно вставлено несколько (плотность упаковки мембран составляет 300...800 м2/м3) рулонных фильтрующих элементов (рис. 5, а). Каждый элемент состоит из накрученного на отводящую трубу пакета из двух мембран и «подложки». Для создания межмембранного пространства между мембранами устанавливается сетка-сепаратор.

Исходный раствор движется по межмембранным каналам в продольном направлении (рис. 5, б), а фильтрат по спиральному дренажному слою поступает в трубу и выводится из аппарата.

Удьтрафильтрационные установки с цилиндрическими фильтрующими элементами широко применяют для осветления фруктовых соков. От сока отделяются все вещества, вызывающие помутнение сока, как, например, протеин, крахмал, пектин, дубильные вещества большой молекулярной массы, частицы целлюлозы и другие вещества. В осветленном соке содержатся все вещества в натуральном составе.

Аппараты с рулонными фильтрующими элементами выполняют в виде трубы, в которую последовательно вставлено несколько (плотность упаковки мембран составляет 300...800 м2/м3) рулонных фильтрующих элементов (рис. 5, а). Каждый элемент состоит из накрученного на отводящую трубу пакета из двух мембран и «подложки». Для создания межмембранного пространства между мембранами устанавливается сетка-сепаратор.

Исходный раствор движется по межмембранным каналам в продольном направлении (рис. 5, б), а фильтрат по спиральному дренажному слою поступает в трубу и выводится из аппарата.

(а)(б)

Рис.5. Рулонный фильтрующий элемент (а) и аппарат, заряженный такими элементами (б): 1 - труба; 2 - мембрана; 3 - «положка»; 4 - сетка-сепаратор

Увеличение рабочей площади мембран в этих аппаратах повышает плотность упаковки, а также снижает стоимость изготовления. Площадь мембраны возрастает при увеличений длины и ширины навиваемого пакета. Однако ширина пакета ограничена размерами мембран и дренажного слоя. Максимальная ширина пакета достигает 900 мм. Длина пакета ограничивается гидравлическим сопротивлением дренажного слоя потоку фильтрата и обычно не превышает 2 м.

Эффективность применения мембранных процессов в пищевых производствах рассмотрим на двух примерах.

На рис. 6. показана двухступенчатая схема установки для концентрирования апельсинового сока, работающая с возвратом фильтрата со второй ступени. Основными аппаратами являются мембранные фильтр-прессы. Материальный баланс процесса представлен на схеме. В результате ультрафильтрации концентрация продукта повышается в 4 раза.

Рис. 6. Двухступенчатая схема установки для концентрирования апельсинового сока

Заключение

В 70-х годах на рынке мембран Европы, США и Японии появились керамические мембраны. Керамические мембраны, создаваемые обычно на основе оксидов, нитридов и карбидов ряда металлов, предназначались для микро- и ультрафильтрации различных жидкостей, агрессивных по своей природе или требующих для осуществления эффективных процессов разделения их нагрева до температур свыше 100 градусов Цельсия, где полимерные (органические) мембраны теряют свои свойства или разрушаются. Кроме высокой температурной стабильности, существует еще целый ряд характерных для керамических мембран свойств, которые позволяют выделить их в отдельное направление коммерческой и научно-технической деятельности, получившее за рубежом название "бизнес керамических мембран".

Среди таких свойств в первую очередь следует отметить:

- механическую стабильность;

- стойкость к химическому и микробиологическому воздействию;

- стабильность создаваемых структурных пор и возможность активного управления ими в процессе производства мембран;

- возможность использования обратных потоков через мембрану;

- высокая пропускная способность мембран;

- большой срок службы.

За счет перечисленных преимуществ использование керамических мембран по сравнению с полимерными мембранами позволяет снизить эксплуатационные расходы (в основном за счет большего срока службы), уменьшить габариты и вес фильтровальной установки, что также несколько снижает величину капитальных затрат.

Список используемой литературы

1. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты./ Дытнерский Ю.И. -- М.: Химия, 1992. - 406с.

2. Иванец В.Н., Крохалев А.А., Бакин И.А., Потапов А.Н. «Процессы и аппараты пищевых производств»/Иванец В.Н., Крохалев А.А., Бакин И.А., Потапов А.Н. - Кемерово, 2002. - 140 с.

3. Павлов К.Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов хим. Технологии./ Павлов К.Ф., Романков П. Г., Носков А. А. -- Л.: Химия, 1987.- 576 с.

4. http://enviropark.ru (дата обращения 14.05.2021)

5. http://www.osmos.ru/house/article.html (дата обращения 14.05.2021)

6. http://old.sibai.ru (дата обращения 14.05.2021)

7. http://www.twirpx.com (дата обращения 14.05.2021)

8. http://www.raifil-shop.ru (дата обращения 14.05.2021)

9. http://www.galvanicline.ru (дата обращения 14.05.2021)

10. http://remstrojgarant.tiu.ru (дата обращения 14.05.2021)

11. http://www.waterlab.ru (дата обращения 14.05.2021)

Размещено на Allbest.ru