Застосування мембранної технології в спиртовій промисловості

Мембранне газорозділення

Мембранне газорозділення в спиртовій промисловості може мати три галузі практичного застосування: зберігання крохмалистої сировини в регульованому га­зовому середовищі (РГС); створення аеробних умов при бродінні та очистці стіч­них вод і при розділенні водно-спиртової пари на пари води і пари спирту.

Суть зберігання сировини в РГС полягає в тому, що крім звичайних параметрів - температури і відносної вологості - вводиться новий і основний параметр: високий вміст азоту (95% і більше), який є прекрасним консервантом соковитої сировини.

У результаті зміни складу атмосфери, тобто зменшення кількості кисню і під­вищення кількості азоту в РГС затримуються процеси гниття сировини, інгібують­ся мікроорганізми і підтримується натуральна стійкість клітин сировини до фізіо­логічних захворювань. У такому РГС не можуть існувати гризуни, розвиватись гни­лісні бактерії, в результаті чого збільшується термін зберігання будь-якої сировини і знижуються ЇЇ втрати.

Технологія зберігання сировини в РГС полягає в тому, що після завантаження сховища сировину охолоджують до оптимальної температури, а потім створюють оптимальний склад атмосфери з урахуванням біохімічних процесів. Негерметич-ність і зміна барометричного тиску приводить до обміну повітря сховища з зовніш-

нім середовищем, а тому концентрація кисню всередині сховища збільшується, що приводить до порушення режиму зберігання сировини.

Установки для газорозділення за допомогою мембран використовують також з метою промислового одержання повітря, збагаченого киснем до 90%, що має над­звичайно велике значення в технології біологічної очистки стічних вод та аеруван-ня сусла в аеробних процесах бродіння.

На кафедрі біотехнології продуктів бродіння, екстрактів і напоїв НУХТ розроб­лена технологія зберігання сировини в регульованому газовому середовищі для бро­дильної промисловості.

Для створення оптимальних умов зберігання сировини використовувались мембранні волокнисті газороздільні елементи, за допомогою яких азот добувається безпосередньо із повітря в місцях збереження сировини.

У дослідженнях використовувались волокнисті мембранні газороздільні еле­менти інституту ВНДІВпроект, які досліджувались з витрат повітря за допомогою ротаметрів, з тиску повітря і азоту за допомогою манометра, з концентрації азоту за допомогою газоаналізаторів "Циркон", ГК-1 І ПАК АУ2, з відносної вологи азоту -за допомогою гігрометрів "БаЙкал-3" та Г-1. Концентрацію азоту знаходили як різ­ницю між 100% і процентним вмістом кисню в газовій суміші.

Технічна характеристика мембранних елементів, які досліджувались:

- поверхня масообміну, м^{2..............................................................................} 50 і 100;

- геометричні розміри:

довжина робочої частини, м........................................................... 0,8 і 2,1;

діаметр, м................................................................................. 0,08 і 0,24;

- кількість елементарних порожнистих волокон в

елементі, шт...................................................................... 0,5.10³ і 2,5.10⁶;

- щільність упаковки порожнистих волокон в одиниці

об'єму елементу, м²/м^{3..........................................................................} 15400 і 25000;

- питома продуктивність елементу, м³/м^{2..................................} 0,003 і 0,0044;

- температура експлуатації, °С..................................................... 20...70;

- термін використання, рік..................................................................... 2;

- питомі витрати енергії, кВт/м^{3...........................................................................} 0,35;

- матеріал стінок сховища - поліетиленова плівка згідно ГОСТ 10364-82.
При дослідженнях роботи установки та поліетиленового сховища визначали

загальні витрати повітря, тиск, температуру, відносну вологість повітря; витрати, тиск, температуру, концентрацію і відносну вологість азоту, який надходить у схо­вище, а також тиск, витрати, концентрацію і відносну вологість азоту всередині сховища.

Для встановлення оптимальної концентрації азоту в середовищі сховища по­рівнювали питомий економічний ефект після 6-мІсячного збереження сировини в середовищі з різним вмістом азоту з урахуванням зміни якості сировини, капіталь­них та експлуатаційних витрат при збереженні.

Газова суміш із вмістом 90...96% азоту і відносною вологістю 4... 6% була одержана на установці з мембранними волокнистими газороздільними елементами і плівчастим надувним сховищем.

Для одержання середовища з вмістом азоту 100% і відносною вологістю 4...6% може бути використана азотна установка, в якій азот виробляється методом низько­температурної ректифікації.

Рис. 16.9 Функціонально-технологічна схема процесу збереження рослинної

сировини

1 - компресор, 2 - повітряний фільтр, 3 - газороздІльнии мембранний елемент, 4 - сховище для рослинної сировини, 5 - газороздІльнии колектор, 6 - контейнери для сировини (картоплі, буряків, топінамбуру та Ін.)

У деяких країнах світу застосовуються газороздільні елементи на основі воло­книстих напівпроникних мембран. За допомогою таких елементів одержують газо­ві суміші з вмістом азоту 96% при тиску 1 МПа.

На рис. 16.9. показана розроблена в НУХТі функціонально-технологічна схе­ма процесу збереження рослинної сировини в зоні азоту на спиртових і інших під­приємствах бродильної промисловості. Збереження сировини в зоні із вмістом азо­ту 100% належить до технологічних процесів з підвищеним ступенем безпеки.

Основним компонентом газової суміші в даній технології є 94...95% азот. Азот - безкольоровий газ без аромату і смаку, густина складає 1,251 кг/м³. Він фізіологічне інертний, при великих процентних концентраціях життєдіяльність організму стає неможливим.

Процес розділення повітря з метою одержання газової суміші з високим вміс­том азоту відбувається в газороздільних елементах, які виконані з пучка порожни­стих волокон гравітон, одержаного із рідинного полі-4метилпентену-1. Зовнішній діаметр волокна 71...76 мкм, внутрішній - 27...33 мкм.

Виготовлення газороздільних елементів включає в себе стадію створення блок-колекторів на зразок блоків у кожухотрубних теплообмінниках. Кінці порожнистих волокон з двох сторін герметизуються епоксидним компаудом, що утворює суціль­ний пакет. У корпусі газороздільного елементу в центрі знаходиться упорна труба діаметром 25 мм, з однієї сторони якої є патрубок для подачі стисненого повітря, з другої сторони - патрубок для виходу азоту.

Поверхня газороздільного елементу складає 50 м², продуктивність -0,15 м³/год 95% азоту при тиску 0,5 МПа і температурі 25° С.

Розріз пучка порожнистого волокна гравітон (збільшено в 2000 раз) газорозді-льного елементу показана на рис. 16.10.

Рис. 16.10 Розріз пучка порожнистого волокна

На рис. 16.11. показана конструкція газороздільного елементу поверхністю ма­сообміну 50 м².

Рис. 16.11 Газороздільний елемент поверхнею 50 м²: 1 - корпус, 2 - блок-колектор, 3 - порожнинні волокна, 4 - упорна труба

Через стінку волокна проходить пермеат, до складу якого входить кисень, пара води та діоксид вуглецю. Азот, маючи більшу структуру молекул, проходить транзитом.

Мембранні процеси газорозділення характеризуються швидкістю проходження окремих компонентів газової суміші при відповідних температурі та тиску. Коефі­цієнт газопроникнення порожнистих волокон із полі-4метилпентена-1 досліджува­ного газороздільного елементу складає для кисню 21,30-10'^ІЗсм³/см.с.Па, для азоту 5,85'10'^І3см³/см.с.Па при температурі 20° С і тиску 100 кПа.

Другою важливою характеристикою газороздільних мембран є фактор розді­лення /селективність/, який виражається відношенням проходжень через мембрану окремих компонентів. Тобто мембрана може бути мало проникною для одного ком­понента і більш проникною для другого компонента суміші. Таким чином для біль­шості полімерних мембран із зниженням газопроникливості селективність збіль­шується, що приводить до зниження продуктивності мембран.

4НІ

Газороздільні мембранні елементи, зібрані на базі порожнистих напівпровід-них волокон гравітон у складі установки для збереження вуглевод о вміє ної сирови­ни, забезпечили одержання газової суміші з вмістом азоту до 96% (кисню до 4%). Для газороздільного елементу при тиску повітря на вході 0,5 МПа продуктивність складає 3...5

Для зберігання рослинної сировини доцільно застосовувати надувні, гермети­зовані сховища із поліетиленової плівки згідно з ГОСТ 10354-82 завтовшки 200 мкм і більше. Для одержання газової суміші з 96% азоту доцільно використовувати воло­книсті мембранні газороздільні елементи, які дозволяють безпосередньо із атмосфе­рного повітря в місцях збереження сировини одержувати необхідну газову суміш.