SK281652B6 - Spôsob zahusťovania zmesi pevná látka/kvapalina pomocou membránovej technológie a zariadenie na vykonávanie spôsobu - Google Patents

Abstract

Na zahusťovanie zvyškov retentátu pri ultrafiltrácii alebo mikrofiltrácii na čerenie ovocných štiav sa používajú zariadenia so skupinami (1, 2, 3) membránových modulov, zapojenými do série, pri spôsobe s priečnym prúdom s okruhom retentátu. Skupiny (1, 2, 3) sú v závislosti od okamžitého stupňa zahusťovania retentátu jednotlivo nasledujúce za sebou odpojiteľné alebo pripojiteľné do prúdu retentátu. Pomocou prevádzkovania vhodného počtu skupín (1, 2, 3) sa udržuje prevádzkovo výhodný pracovný tlak na membránových moduloch tak dlho konštantný, dokiaľ sa nedosiahnu čo najvyššie požadované hodnoty stupňa zahustenia. Tým je dosiahnuté zlepšenie celkového výkonu filtračného zariadenia.ŕ

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka spôsobu zahusťovania zmesi látka/kvapalina pomocou membránovej technológie, s použitím zariadenia s viacerými skupinami membránových modulov okruhom retentátu v sérii, ako aj zariadenia na jeho vykonávanie.

Doterajší stav techniky

V dnešnej dobe nie sú ešte známe žiadne špeciálne zariadenia na zahusťovanie retentátov, ktoré vznikajú pri ultrafiltrácii alebo pri mikrofiltrácii. Pri čerení ovocných štiav pomocou takýchto technológií sa vo zvyškoch retentátu dosiahne stav zahustenia až asi 50 % obj. podielu mokrého kalu, merané pomocou odstredivkového testu. To znamená, že tieto zvyšky poskytujú v odstredivke ešte najmenej 50 % obj. kvapaliny. Takéto retentáty tekuté musia sa na odstránenie ešte špeciálne spracovávať pomocou vákuových rotačných filtrov.

Vákuové rotačné filtre náplavkové filtre potrebujú na filtráciu kremelinu, ktorá sa musí kupovať a taktiež opäť odstraňovať. Odstraňovanie retentátov formou odpadovej vody je len ťažko možné, takže sa retentát musí zahusťovať a nasypať na depóniu alebo spáliť. V oboch prípadoch je hospodársky dôležité, aby bol v retentáte čo najmenší podiel vody. Na ďalšie zahusťovanie retentátu nad uvedených 50 % obj. sa zdajú byť účelné iba membránové zariadenia vybavené špeciálne na uvedený účel. Podobné problémy sa objavujú aj pri iných použitiach membránovej technológie mimo oblasti ovocných štiav.

Z Joumal of food science, Volume 51, No. 3, 1986, strany 559 - 563 je známe zariadenie s kovovou membránovou ultrafiltráciou s jednoduchým priechodom na zlepšené výťažky ovocnej šťavy. Pomocou tohto zariadenia boli dosiahnuté výťažky ovocnej šťavy až 85 %, ale takéto zariadenia s jednoduchým priechodom sa nezdajú byť na zahusťovanie retentátov vo väčšom rozsahu výhodné.

Známe organické membrány pre filtračné zariadenie, rovnako tak ako čerpadlá, nevyhnutné pre okruh retentátov v takýchto zariadeniach, sú najčastejšie konštruované iba na prevádzkový tlak maximálne 6,5 barov. Tiež sa bežným jednostupňovým radiálnym čerpadlom dajú len ťažko dosiahnuť vyššie tlaky. Na druhej strane sa znižuje potreba času na celkový postup zahusťovania úmerne s použitým povrchom membrány. Počas tohto postupu zahusťovania sa ale zvyšuje viskozita recirkulujúceho retentátu najskôr pomaly a na konci rýchlejšie.

Na zahustenie na vysoký podiel mokrého kalu pri malej spotrebe času sa ponúka zväčšenie použitého povrchu membrány. Ak sa podľa toho zapojí viacero skupín známych membránových modulov, tak sa prejavia nehospodárne vysoké výkony množstva na recirkuláciu retentátu. Ak sa takéto skupiny modulov membrán zapoja do série, tak, že pri vynikajúcich vysokých viskozitách už nepostačia obvyklé prevádzkové tlaky.

Podstata vynálezu

Vynález si preto kladie za základnú úlohu uviesť spôsob zahusťovania zmesi pevná látka/kvapalina pomocou membránovej technológie a zariadenie na jeho vykonávanie, ktoré by pri obmedzenej potrebe prevádzkového času dovolilo dosiahnuť vysoký podiel mokrého kalu zahusteného materiálu.

Podľa vynálezu sa riešenie tejto úlohy dosiahne s použitím zariadenia s väčším počtom skupín membránových modulov s okruhom retentátu v sérii tým, že sa zahusťuje pomocou membránového zariadenia, prevádzkovaného pri spôsobe batch alebo kvázikontinuálne prevádzkovaného membránového zariadenia, v prvom kroku pri prevádzke všetkých skupín membránových modulov, dokiaľ sa na základe zahusťovania neprekroč! prvá stanovená hodnota stupňa zahustenia retentátu, a potom sa pri druhom kroku pri nasledujúcom zahusťovaní odpojí jedna skupina membránových modulov z dopravovaného prúdu retentátu a zahusťuje sa tak dlho, dokiaľ sa nedosiahne druhá hodnota stupňa zahusťovania retentátu a potom sa pri tretom kroku odvedie zahustený retentát z okruhu.

Zariadenie na vykonávanie tohto spôsobuje charakterizované najmenej jednou skupinou membránových modulov, ktoré možno zapojiť do prúdu dopravovaného retentátu alebo z neho odpojiť. Pri tom je výhodné, keď je v prúde dopravovaného retentátu pred odpoj iteľnou alebo zapojiteľnou skupinou membránových modulov zmiešavacie zariadenie.

Ďalšie znaky a výhodné vytvorenie vynálezu sú rozpoznateľné z patentových nárokov.

Prehľad obrázkov na výkrese

Príklady vyhotovenia vynálezu sú bližšie vysvetlené v nasledujúcom opise a na obr. výkresov.

Tieto ukazujú:

obr. 1 schému zahusťovacieho zariadenia podľa vynálezu s troma skupinami membránových modulov v sérii, obr. 2 schému zahusťovacieho zariadenia podľa vynálezu s dvoma skupinami membránových modulov vo vyhotovení s viacerými priechodmi, obr. 3 schému zariadenia membránových modulov v zahusťovacom zariadení podľa vynálezu, podľa obr. 2, obr. 4 schému klapky na vypojenie a zapojenie skupiny membránových modulov v zariadení podľa jedného z obr. 1 až 3, obr. 5 schému inej klapky na vypojenie alebo zapojenie skupiny membránových modulov v zariadení podľa jedného z obr. 1 až 3 a obr. 6 prierez klapkou podľa obr. 5 na vypojenie a zapojenie skupiny membránových modulov v zariadení podľa jedného z obr. 1 až 3.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Schéma zahusťovacieho zariadenia podľa obr. 1 ukazuje tri skupiny membránových modulov 1, 2, 3 na zahusťovanie zmesi pevná látka/kvapalina pomocou filtrácie. Kvapalina, ktorá sa má zahustiť sa dostáva prívodným potrubím 4 do zberného tanku 5. Z dna zberného tanku 5 vedie potrubie 6 cez obehové čerpadlo 7 s nastaviteľným počtom otáčok a servoventilom 8, rovnako tak ako so statickým zmiešavačom 9 na vstupe prvej skupiny 1 membránových modulov. Ako je presnejšie opísané, zahŕňa skupina 1 veľké množstvo paralelne a taktiež aj do série zapojené membránové rúrky, ktorými prúdi kvapalina, ktorá sa má zahustiť.

Stenami membránových rúrok, vytvorených ako filtračné membrány, sa zadržujú pevné podiely v kvapaline retentátu, zatiaľ čo oddeľujúca sa kvapalina preteká membránami a zhromažďuje sa v potrubiach permeátu, symbolizovaných šípkami 10, a odvádza sa. Cez uzatváraciu

SK 281652 Β6 klapku 11, ďalšie obehové čerpadlo 12 a ďalší statický zmiešavač 13 sa dostáva retentát zo skupiny 1 membránových modulov. Oddiaľ tečie cez ďalšiu uzatváraciu klapku 14, obehové čerpadlo 15 a statický zmiešavač 16 do potrubia retentátu skupiny 3 membránových modulov.

Skupiny 1, 2 a 3 majú všetky rovnakú konštrukciu a rovnakú funkciu, môžu sa ale líšiť počtom membránových modulov. Zo skupiny 1 sa retentát dostáva cez potrubie 17, dve uzatváracie klapky 18, 19 a servoventil 20 opäť do zberného tanku 5, potom čo boli oddelené kvapalné podiely odvádzané potrubím 10 permeátu.

Ako ukazuje obr. 1, je k uzatváracím klapkám 14,11 priradené po jednej ďalšej uzatváracej klapke 21,22. Uzatvorením klapky 14 a otvorením klapky 21 alebo uzatvorením klapky 11a otvorením klapky 22 sa teraz môžu vyraďovať skupiny 3 alebo 2 membránových modulov z prúdu dopravovaného retentátu. Na meranie skupiny 1 membránových modulov je na vstupe prípadne výstupe skupiny 1 membránových modulov usporiadanie po jednom snímači tlaku 23 prípadne 24, a prietok sa môže evidovať pomocou prietokomeru 25 na výstupe riedeného obehového čerpadla 7.

Vedenie signálu snímačov 23, 24, 25 a riadiacich vedení servoventilov 8,20 sú spojené s regulačným zariadením 26.

V opísanom príklade vyhotovenia prebieha postup zahusťovania nasledovne:

Štartuje sa pomocou troch skupín 1, 2, 3 membránových modulov. Na ten účel sú uzatváracie klapky 11, 14, 16,19 a servoventil 20 otvorené a klapky 22, 21 zatvorené. Regulačné zariadenia 26 reguluje pomocou čerpadla 7 s nastaviteľným počtom otáčok podľa signálu prietokomeru 25 prietok na 90 m³/h. Servoventil 20 sa potom zatvára potiaľ, dokiaľ vstup skupiny 1 podľa signálu snímača 23 nepôsobí tlak 6 barov.

Retentát s podielom mokrého kalu 30 % preteká skupinami 1, 2, 3 membránových modulov, pričom sa oddelí permeát a odvedie sa cez potrubie 10. S postupujúcim prevádzkovým časom narastá podiel mokrého kalu a súčasne sa zvyšuje viskozita v okruhu retentátu. Zväčšujú sa gradienty tlaku cez skupiny 1, 2, 3 a regulačné zariadenie 26 otvorí ďalej servoventil 20, aby sa udržal vopred stanovený požadovaný tlak 6 barov na snímači 23 konštantný a neprekročil sa.

Akonáhle sa servoventil 20 úplne otvorí, zvýši sa tlak na snímači 23. Ak tento dosiahne 6,5 barov, tak sa podľa predvoľby v regulačnom zariadení 26 buď na obmedzenie zvyšovania sa tlaku najskôr redukuje prietok pomocou zníženia počtu otáčok obehového čerpadla 7 alebo sa hneď zavedie postup odpojenia skupiny 3. Pri tomto prevádzkovom stave dosiahol retentát v okruhu a zbernej nádrži 5 stupeň zahustenia asi 60 % podielu mokrého kalu. Odpojenie skupín membránových modulov je na dosiahnutie vysokého stupňa zahustenia podstatne účinnejšie ako redukcia rýchlosti prietoku na membránach pomocou uvedenej redukcie prietoku. Hmoty retentátu ukazujú najčastejšie silne štruktúrne viskózne chovanie. Zníženie rýchlosti prietoku vedie potom ihneď k zvýšeniu viskozity, a zmenšujú sa preto len nepatrne gradienty tlaku medzi vstupom a výstupom skupín.

Ďalší postup zahusťovania sa potom vykonáva už len so skupinami 1 a 2. Pri tom, ako už bolo opísané, sa má požadovaný tlak na snímači 23 udržiavať konštantný, dokiaľ nedôjde k odpojeniu skupiny 2. Odpojenie skupiny 2 vykonáva sa výhodne tak, aby sa retentát, prúdiaci do skupín 1, 2, nastavil dodatočným priamym prívodom vody hneď na asi 20 % podielu mokrého kalu alebo sa prerušením prívodu zo zberného tanku 5 vytlačil mokrý kal vypláchnutím až takmer na nulové podiely.

Pri tom existuje nebezpečie, že sa usadeniny so zvýšenými podielmi mokrého kalu oneskorene uvoľňujú z oblasti medzi klapkami 11, 22 a jednotlivé membránové rúrky v skupine 2 membránových modulov sa upchajú. Tomu sa zabráni tak, že retentát preteká zmiešavačom 13, predradeným skupine 2, ktorý opäť vyrobí rovnomerné rozdelenie podielov kalov v priereze rúrky. V zariadení s väčším počtom pasáže je za zmiešavačom 13 zaradený rúrkový rozdeľovač, ako to ukazuje obr. 2. Vytlačený retentát sa pri tom vracia buď cez klapky 27, 28 priamo do zberného tanku 5 alebo sa odvádza cez klapku 29. Priamo potom sa klapka 22 otvorí a klapky 11,19 sa zatvoria.

Ďalší postup zahusťovania sa teraz vykonáva už len so skupinou 1 membránových modulov. Spravidla má skupina 1 rovnaký alebo menší počet membránových modulov na priechod ako skupina 2. Pri rovnakej viskozite retentátu je preto pokles tlaku cez skupinu 1 len asi polovičný ako pokles tlaku pri prevádzke skupín 1 a 2 dohromady.

Vďaka tejto malej strate tlaku môže sa zo zahusťovaním pokračovať už len so skupinou 1. Regulácia množstva a tlaku prebieha v zásade rovnako ako pri prevádzke so skupinami 1 a 2 dohromady. Potom čo sa servoventil 20 úplne otvoril, redukuje sa pri konštantnom tlaku 6,5 barov. Merané snímačom 23, prúd dopravovaného retentátu, merané prietokomerom 25, asi 45 m³/h. Retentát v zbernom tanku 5 je potom zahustený asi na 85 podielov mokrého kalu. Tento retentát sa teraz odvádza otvorením klapky 29 a zatvorením servoventilu 20. Potom sa vykonáva opätovné zriedenie retentátu, ktorý ostal v skupine 1, skôr ako sa opäť zapoja skupiny 2 a 3 otvorením klapiek 11,14, 18,19 a zatvorením klapiek 22, 21.

Nebezpečie, že sa usadeniny so zväčšeným podielom mokrého kalu zo skupiny medzi klapkami 11, 22 alebo 14, oneskorene uvoľnia a jednotlivé membránové rúrky.sa upchajú, sa zníži vykonaním klapiek podľa obr. 4, 5 a.,6. Rozvetvovacl dielec 40, znázornený na obr. 4 zahŕňa klapky 11, 22, 28 podľa obr. 1. Pri tom prichádza prúd retentátu od skupiny 1, tečie výpusťou 41 a preteká otvorenou klapkou 11 ku skupine 2. Zatiaľ čo sa pred zatvorenou klapkou usadzujú v mŕtvej oblasti 42 vysoko viskózne podiely kalu. Tieto podiely kalu sa vo vhodných okamihoch počas pochodu zahušťovania vracia cez klapku 28 do okruhu retentátu v zariadení na mieste, kde je riziko upchatia membránových modulov malé.

Forma vyhotovenia klapiek 11, 22 podľa obr. 5 zahŕňa rozvetvovacl dielec 50 s výpustom 51. Pri tom je vzdialenosť T osi otáčania klapiek 11, 22 len o málo väčšia ako priemer D vpusti 51, výhodne

T/D=l,2ažl,5 takže nevznikne žiadna mŕtva oblasť 42 druhu, ktorý je znázornený na obr. 4. Obr. 6 ukazuje prierez rozvetvovacieho dielca 50 podľa obr. 5.

V schéme zahusťovacieho zariadenia podľa vynálezu podľa obr. 2 sú stavebné prvky, zodpovedajúce obr. 1, označené rovnakými vzťahovými značkami. Zariadenie podľa obr. 2 zahŕňa len dve skupiny 1, 2 membránových modulov, ktorých funkcia je opísaná už pri obr. 1. Na vytlačenie retentátu so stupňom zahustenia asi 60 %, ku ktorému dochádza pri odpojení skupiny 2 zo skupiny 2 je podľa obr. 2 usporiadaná klapka 37. Odvedenie retentátu po zahustení asi na 85 % podielu mokrého kalu sa vykonáva podľa obr. 2 otvorením klapky 38 a zatvorením serventilu 20.

Obr. 2 ukazuje skupiny 1, 2 membránových modulov vo vyhotovení so štyrmi priechodmi. Skupina 1 zahŕňa paralelne usporiadané priechody 101,102,103,104 a skupiny zahŕňa paralelne usporiadané priechody 201, 202, 203, 204. Každý z priechodov 201, 202, 203, 204 zo skupiny 2 je konštruovaný z ôsmimi v sérii usporiadaných membránových modulov, ako to presnejšie ukazuje obr. 3. Pre obe skupiny 1, 2 sa používa len jedno spoločné obehové Čerpadlo 7.

Obr. 3 ukazuje schematicky priestorové usporiadanie membránových modulov v zahusťovacom zariadení podľa obr. 2 v alternatívnom vyhotovení, ktoré má v skupine 1 v každom priechode 101, 102, 103, 104 len päť membránových modulov, ale v skupine 2 ich má deväť, pričom všetky membránové moduly sú v sérii. Ostatné stavebné prvky na obr. 3 sú označené vzťahovými značkami zodpovedajúcimi obr. 2. Všetky membránové moduly, z ktorých membránové moduly v priechode 204, ktoré sú označené vzťahovými značkami 2041 až 2049, zahrnujú spravidla zväzok devätnásť paralelne zapojených membránových rúrok druhu, o ktorom bola zmienka už pri obr. 1. Potrubie 10 permeátu skupín 1,2 podľa obr. 1 nie sú na obr. 3 spolu znázornené.

Ako ukazuje obr. 3, sú potrubie pre retentát jednotlivých priechodov 201 až 204 vedené hierarchicky spojené po dvoch. Na tento účel sú použité symetrické rúrkové rozdeľovače, ktoré slúžia tiež k tomu, aby sa zvedené potrubie retentátu na vstupe a výstupe každej skupiny 1, 2 spojili do jediného potrubia. V týchto spoločných jednotlivých potrubiach sa vykonáva zapojovanie a odpojovanie skupín 1, 2 membránových modulov.

Z uvedeného opisu konštrukcie a funkcie zariadenia podľa vynálezu podľa obr. 1 až 3, rovnako tak ako spôsobu na jeho vykonávanie, vyplýva, že podľa zadanej úlohy je hlavným cieľom pripojovania a odpojovania skupín membránových modulov zlepšenie celkového výkonu filtračného zariadenia. Filtračný výkon sa zväčšuje úmerne s veľkosťou použitého povrchu membrány. Podľa prípadu použitia je spotreba času pre celý postup zahusťovania až do 20 hodín. V priebehu tohto času sa zvyšuje viskozita cirkulujúceho retentátu najskôr pomaly a ku koncu postupu rýchlejšie. Pripájaním skupiny 2 alebo 3 membránových modulov v oblasti nízkych viskozít sa zlepší okamžitý filtračný výkon najčastejšie o faktor dva alebo viacej.

Claims (15)

1. Spôsob zahusťovania zmesi pevná látka/kvapalina pomocou membránovej technológie s použitím zariadenia s väčším počtom skupín (1, 2, 3) membránových modulov s okruhom retentátu, vyznačujúci sa tým, že sa zahusťuje pomocou membránového zariadenia, prevádzkovaného spôsobom batch alebo kvázikontinuálne prevádzkovaného membránového zariadenia, v prvom kroku pri prevádzke všetkých skupín membránových modulov, dokiaľ sa na základe zahusťovania neprekročí prvá stanovená hodnota stupňa zahustenia retentátu, a potom sa pri druhom kroku pri ďalšom zahusťovaní odpojí najmenej jedna skupina (2, 3) membránových modulov z prúdu dopravovaného retentátu a zahusťuje sa ďalej tak dlho, dokiaľ sa nedosiahne druhá hodnota stupňa zahusťovania retentátu a potom sa pri treťom kroku odvedie zahustený retentát z okruhu.

2. Spôsob podľa nároku 1,vyznačujúci sa tým, že sa stupeň zahusťovania retentátu určí pomocou merania poklesu jeho tlaku cez aspoň jednu skupinu (1, 2, 3) membránových modulov.

3. Spôsob podľa nároku 1,vyznačujúci sa tým, že stupeň zahustenia retentátu sa určuje pomocou jeho prietoku v okruhu retentátu.

4. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že stupeň zahustenia retentátu sa určuje meraním viskozity.

5. Spôsob podľa nároku 1, v y z n a č u j ú c i sa tým, že stupeň zahustenia retentátu sa určuje meraním jeho zákalu.

6. Zariadenie na vykonávanie spôsobu podľa nároku 1 až 4, vyznačujúce sa tým, že má aspoň jednu skupinu (1, 2, 3) membránových modulov, ktorá je odpojiteľná z prúdu dopravovaného retentátu alebo do neho zapojiteľná.

7. Zariadenie podľa nároku 6, vyznačujúce sa t ý m , že má zmiešavač (9, 13), ktorý je usporiadaný v prúde dopravovaného retentátu pred zapojiteľnou alebo odpojiteľnou skupinou (1, 2, 3) membránových modulov.

8. Zariadenie podľa nároku 7, vyznačujúce sa t ý m , že zmiešavač (9, 13) je vytvorený ako statický zmiešavač.

9. Zariadenie podľa nároku 8, vyznačujúce sa tým, že odpojiteľná alebo zapojiteľná skupina (2, 3) membránových modulov je vytvorená ako skupina s viacerými priechodmi, ktorých odpojovanie alebo zapojovanie sa vykonáva na spoločnom potrubí, do ktorého sú zvedené potrubia retentátu na jednotlivé priechody (101 - 104,201 - 204).

10. Zariadenie podľa nároku 9, vyznačujúce sa t ý m , že potrubie retentátu na jednotlivé priechody (101 - 104, 201 - 204) sú pre rozdelenie a zvedenie do spoločného potrubia usporiadané v skupinách s vetvami hierarchicky po dvoch.

11. Zariadenie podľa nároku 6, vyznačujúce sa t ý m , že má klapky (21, 22) na odpojenie a zapojenie aspoň jednej skupiny (2, 3) membránových modulov, ktorých prípoje majú aspoň jeden vypúšťací otvor vybavený prídavnými spínacími prvkami (28).

12. Zariadenie podľa nároku 11,vyznačujúce sa t ý m , že vypúšťací otvor je spojený priamo alebo nepriamo s prúdom retentátu.

13. Zariadenie podľa nároku 6, vyznačujúce sa t ý m , že do prívodného potrubia retentátu zapoj iteľnej alebo odpojiteľnej skupiny (2, 3) membránových modulov je zapojené aspoň jedno obehové čerpadlo (12,15).

14. Zariadenie podľa nároku 6, vyznačujúce sa t ý m , že okruh retentátu zariadenia má zariadenie (26, 7, 8, 20) na reguláciu veľkosti prúdu retentátu, ktorý v ňom cirkuluje.

15. Zariadenie podľa nároku 14, vyznačujúce sa t ý m , že zariadenie na reguláciu prúdu retentátu je vybavené čerpadlom (7) retentátu s regulovateľným počtom otáčok.