Комплексный подход проектирования и расчета электробаромембранных аппаратов для разделения технологических растворов пищевых производств

Введение. В России и странах СНГ существует значительное количество промышленных пищевых производств, использующих воду, и в том или ином виде технологические пищевые растворы, которые необходимо перерабатывать и использовать вторично на предприятии. К ним относятся, в частности, крупные предприятия Тамбовской области (Россия) по производству спирта, работающие как на зерновом сырье, так и на свеклосахарной мелассе (АО «Амбер Тал-вис», пос. Новая Ляда; АО «Биохим», г. Расска-зово, и др.); по получению сахара, сахарной пудры и других продуктов на основе свекловичного сырья, тростникового сахара-сырца (группа компаний «Русагро»: ОАО «Сахарный завод “Жердевский”», г. Жердевка; ООО «Никифоров-ский сахарный завод», Никифоровский район, р.п. Дмитриевка; ОАО «Знаменский сахарный завод», Знаменский район, р.п. Знаменка, и др.); по выработке крахмала и других продуктов, которые могут работать на различном сырье: картофель, кукуруза и другие продукты растение- водства (ОАО «Хоботовское предприятие “Крах-малопродукт”», Первомайский район, пос. Заводской).

Отличительной особенностью таких пищевых производств является наличие большого количества промежуточных и готовых технологических жидкостей (зерновая бражка, меласс-ная бражка, диффузионный сок сахарной свеклы и др.); вторичных растворов, содержащих ионы природных неорганических соединений (калий, кальций, фосфор, азот и др.) и нерастворимых веществ, которые могут находиться в технологическом растворе в виде взвесей, оседающих при действии на частицу силы тяжести, коллоидов – очень мелких частиц, несклонных к выпадению в осадок.

Для разделения подобных растворов на предприятиях пищевой промышленности применяются конструкции разделительных аппаратов, например отстойники, гидроциклоны, фильтры, пресс-фильтры, вакуум-фильтры, центрифуги, электрофильтры, мембранные аппараты и другое оборудование [1, 2].

Отстойники, гидроциклоны и различные варианты фильтров используются в основном для разделения жидких технологических растворов, содержащих нерастворимые вещества продуктов перерабатываемого сырья [2]. Основная масса подобных жидких технологических растворов содержит электронейтральные взвешенные вещества (компоненты) перерабатываемого сырья (природные полисахариды (крахмал), обрывки дрожжей, дрожжи, частички жома и другие компоненты), которые хорошо поддаются отделению от жидкостей в виде осадка. В это же время в технологическом сырье и растворах присутствуют бактериальные и запасные полисахариды. Одним из бактериальных полисахаридов является декстран, который синтезируется видом молочнокислых бактерий Leuconostoc mesenteroides в исходном сырье при низких температурах (например при обработке сахарной свеклы на полях), а другим запасным полисахаридом микробного происхождения является леван. Эти полисахариды присутствуют в растворах, например, содержащих сахарозу, на предприятиях, перерабатывающих сахарную свеклу. Подобные вещества увеличивают вязкость коллоидных технологических растворов, а дополнительное присутствие ионов кальция приводит в сахарной промышленности к образованию отложений на теплообменной аппаратуре при выпарке технологических растворов, что, как следствие, приводит к уменьшению выхода готового продукта – сахара, сахарной пудры и других компонентов. Этот специфический аспект переработки подобных технологических растворов является существенной проблемой при производстве пищевых полупродуктов и продуктов на предприятиях.

Мембранные процессы и аппараты используются в том случае, когда необходимо получить концентрированный в заданных пределах поток технологического раствора (ретентат) и разделенный поток раствора (фильтрат (пермеат)) [3–5] в зависимости от требуемого целевого показателя промышленного производства. Процессы и конструкции мембранных [5, 6], баромембранных [7], электромембранных аппаратов плоскокамерного, трубчатого, рулонного, половолоконного типа [8–10] и других комбинаций мембранных процессов [11, 12] и описание особенностей мембранных процессов, например при переработке молочных продуктов с применением полимерных мембран и получении соответствующих потоков сырья, представлены в работах [13, 14].

Проведенный анализ процессов мембранного разделения, концентрирования пищевых технологических растворов выявил, что хорошо исследованными при обработке жидких пищевых систем являются различные процессы и аппараты для электромембранного разделения [8–10, 12], но подобные технологии не являются универсальными и не могут обеспечить применение их конструктивного оформления в широком диапазоне разделяемых растворов, содержащих низкомолекулярные вещества (10–4–10–3 мкм), высокомолекулярные вещества (10–2–10–1 мкм) и различные микрочастицы (1,0–10 мкм), что по отдельности могут обеспечить следующие процессы: обратный осмос (гиперфильтрация), нанофильтрация, ультрафильтрация и микрофильтрация.

Развивающееся в последнее время перспективное направление процессов электробаро-мембранного разделения растворов нашло широкое применение в основном для химических и машиностроительных [15–17] и других производств [18, 19], а исследований, посвященных электромембранному разделению жидких пищевых растворов с наложением на систему «раствор – мембрана» трансмембранного давления, практически нет, за исключением редких работ [20, 21], в которых описан только один из элект-робаромембранных процессов (электроультрафильтрация) при использовании однокамерных лабораторных аппаратов.

Отмечается, что при ответственном проектировании в НИИ и вузах универсальных аппаратов для электрогиперфильтрации, электронанофильтрации, электроультрафильтрации, электромикрофильтрации на базе процессов электро-баромембранного разделения технологических растворов и их расчете с дальнейшим применением на производстве (например в сахарной, биохимической, молокоперерабатывающей промышленности и др.) необходимо обеспечить широкий диапазон их использования для нужд пищевой и перерабатывающей промышленности в широком диапазоне различных видов, концентраций технологических растворов подобных производств.

Реализация процессов электробаромембран-ного разделения жидких пищевых систем нап- равлена на уменьшение отрицательных особенностей течения процесса обработки растворов: тепловыделение в системе «раствор – мембрана», концентрационная поляризация и осадкообразование (при наложении постоянного электрического поля). Уменьшение подобных сопутствующих явлений при электробаромем-бранном разделении растворов достигается за счет принудительного охлаждения через теплопередающую стенку или поддержания постоянной скорости циркуляции разделяемого раствора (или ее увеличения) в межмембранных каналах аппарата. Наиболее востребованными на производстве являются электробаромембран-ные аппараты плоскокамерного типа, так как они интуитивно понятны обслуживающему персоналу, легко могут быть демонтированы и монтированы обратно в технологическую линию пищевого предприятия, но при этом могут работать без наложения электрического тока, как баромембранные аппараты (БМА). Оценка стоимости вновь спроектированных конструкций электробаромембранных аппаратов (ЭБМА) и расчет затрат на производстве по конструкционным материалам (капролон (ПА-6), нержавеющая сталь (12Х18Н10Т)) всегда являются необходимыми процедурами при оценке материальных вложений предприятия.

Цель исследования – разработка комплексного подхода проектирования и расчета элект-робаромембранных аппаратов для разделения технологических растворов пищевых производств.

Объекты и методы. Объектом исследования является комплексный подход проектирования и расчета электробаромембранных аппаратов для разделения технологических растворов пищевых производств. В качестве метода исследования применяются аналитическое описание и оценка конструктивных параметров исследуемой системы: общая поверхность (площадь) мембран, объем конструкционного материала, масса. В качестве экономического параметра изучаемого комплексного подхода выступает стоимость составляющих элементов конструкции аппарата.

Результаты и их обсуждение. Комплексный подход проектирования, расчета стоимости многокамерных электробаромембранных аппаратов (или элементов общей системы) при обработке технологических растворов различных пищевых производств основан на следующих этапах (рис. 1):

• 1.    Проектирование устройства многокамерного аппарата, отличного от выявленных в реальном времени аналогов Федерального института промышленной собственности (сопоставление конструктивных решений с имеющимися перспективными прототипами рассматриваемой области) при помощи систем автоматизированного проектирования (AutoCAD или Компас-3D) с необходимыми видами (главный вид, вид сверху, вид слева) (см. рис. 1), разрезами (фронтальный разрез, профильный разрез), выносными элементами (для надежного уяснения принципа действия конструкции) и позициями (рис. 1–6) [22].

• 2.    Описание принципа действия спроектированной конструкции многокамерного электроба-ромембранного аппарата с подтверждением технических результатов подробно представлено в [22].

• 3.    Для изучения условий промышленной применимости многокамерного электробаро-мембранного аппарата для разделения жидких пищевых технологических растворов необходимо знать оценку его площади поверхности, веса (массы материалов), стоимости при учете геометрии конструктивных элементов рассматриваемого устройства. Для снижения негативного воздействия осадкообразования использована конструктивная геометрия аппарата (форма камер при разделении в виде отличительного элемента параллелепипеда со специальными сегментами) для уменьшения гидравлического сопротивления устройства в каналах аппарата и повышения скорости циркуляции раствора. Для этого производится расчет общей поверхности мембран и объема материала (см. рис. 1).

• 4.    По расчетным характеристикам объема конструкционного материала оценивается масса элементов конструкции аппарата и производится оценка стоимости элементов устройства в целом.

• 5.    Оценка конструкционных (общая поверхность (площадь) мембран, объем конструкционного материала, масса) и экономического параметров (стоимость составляющих элементов устройств) при проектировании и расчете элект-робаромембранных аппаратов для разделения технологических растворов пищевых предприятий производится при программной реализации на ЭВМ на языке программирования Delphi/Ob-ject Pascal.

Универсальный принцип действия аппарата (см. рис. 1) заключается в том, что он может работать при совместном наложении постоянного электрического тока и трансмембранного давления на систему «аппарат – мембрана – рас- твор» (осуществлять, таким образом, электро-баромембранное разделение), а также применяться отдельно с использованием этих движущих сил процесса.

Рис. 1. Электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа: 1 – фланец корпуса; 2 – болт; 3 – прианодная мембрана; 4 – пористая подложка из ватмана; 5 – монополярно-пористый электрод-анод; 6 – прикатодная мембрана; 7 – монополярно-пористый электрод-катод;

• 8 – дренажная сетка; 9 – канал ввода разделяемого раствора; 10 – штуцер ввода разделяемого раствора; 11 – устройство для подвода постоянного электрического тока; 12 – металлическая пластина; 13 – полимерный компаунд; 14 – чередующаяся диэлектрическая камера корпуса с «впадиной»; 15 – чередующаяся диэлектрическая камера корпуса с «выступом»;

• 16, 27 – камеры разделения; 17 – переточный канал; 18 – прокладка (с отверстиями);

19 – сетки-турбулизаторы; 20 – прокладка; 21 – электрический провод; 22 – штуцер вывода разделяемого раствора; 23 – канал вывода разделяемого раствора; 24 – полимерная композиция; 25 – гайка; 26 – шайба; 28 – переточный канал; 29 – малая прокладка; 30 – штуцер для отвода прианодного пермеата; 31 – штуцер для отвода прикатодного пермеата; 32 – камерный штуцер ввода раствора; 33 – камерный штуцер вывода ретентата Flat-chamber type electrobaromembrane apparatus:1 – housing flange; 2 – bolt; 3 – anode membrane;

• 4    – porous substrate made of Whatman paper; 5 – monopolar-porous electrode-anode; 6 – near-cathode membrane; 7 – monopolar-porous electrode-cathode; 8 – drainage mesh; 9 – channel for inlet of the solution to be separated; 10 – nozzle for inlet of the solution to be separated; 11 – device for supplying direct electric current; 12 – metal plate; 13 – polymer compound; 14 – alternating dielectric chamber of the housing with a “depression”; 15 – alternating dielectric chamber of the housing with a “protrusion”;

• 16 , 27 – separation chambers; 17 – transfer channel; 18 – gasket (with holes); 19 – turbulator mesh;

• 20    – gasket; 21 – electric wire; 22 – nipple for output of separated solution; 23 – channel for output of separated solution; 24 – polymer composition; 25 – nut; 26 – washer; 28 – overflow channel; 29 – small gasket; 30 – nipple for output of near-anode permeate; 31 – nipple for output of near-cathode permeate;

32 – chamber nipple for input of solution; 33 – chamber nipple for output of retentate

При отсутствии наложения постоянного электрического тока и действия трансмембранного давления используется баромембранное разделение растворов пищевых производств, которое заключается в том, что жидкая среда перекачивается между двумя мембранами (образующими межмембранный канал), при этом через пористые мембраны под действием избыточного давления (превышающего осмотическое) преимущественно выделяется раствори- тель в виде пермеата, а растворенные вещества (соли), механические включения и коллоидные частицы остаются в ретентате, т. е. задерживаются мембранами, которые далее в потоке ретентата выводятся из аппарата.

Для растворов пищевых производств, содержащих соли (в которых происходит диссоциация на ионы), в присутствии механических включений и коллоидных частиц, при совместном действии постоянного электрического тока и трансмембранного давления (выше осмотического) ионы (катионы и анионы) мигрируют к соответствующим мембранам, проникают через их поры в пермеат и отводятся в виде щелочных и кислотных пермеатов из аппарата в виде кислотных и щелочных потоков, а ретентат с неэлектролитом (механические включения, коллоидные частицы) отводятся в тракте ретентата из аппарата для дальнейшей обработки.

Учитывая то, что подобные аппараты используются на производстве, существует насущная необходимость расчета конструктивных и экономического параметров этих устройств для условий промышленной применимости.

Общая площадь поверхности мембран

v общ

= S+ сумм

+ S

I ^^^^ш

—

сумм

S отв

Площадь поверхности прикатодных (прианодных) мембран:

SСумм = m+S„ + m+nS+ + m+п'Ш = m + (S„ + n ('+ + 'Ш)), S—мм = m’S'Прямоуг + m’nS— + m~nSШ = m~ (SПрямоуг + n (S— + SШ )) , где Sотв = кпR2 = 6пR2 - площадь поверхности для отверстия каналов соответственно вво-да/вывода обрабатываемого раствора, м2; к = 6 -количество отверстий размещенных в мембранах; R = 0,003 - радиус для отверстия каналов соответственно ввода/вывода обрабатываемого раствора, м; n = 2 - число сегментов; m = 10, m+ = 12 - число прикатодных, прианодных полу проницаемых мембран; SПрямоуг - площадь поверхности для прианодной, прикатодной полупроницаемых мембран без учета соответствующих сегментов, м2; S+,—, S+,— - площадь поверхности сегмента прианодной, прикатодной мембран по длине (рис. 2, а) и ширине (рис. 2, б), м2.

Рис. 2. Разрез камеры разделения электробаромембранного аппарата плоскокамерного типа: а – со схемой расчета по длине сегмента; б – со схемой расчета по ширине сегмента Sectional view of the separation chamber of a flat-chamber type electrobaromembrane apparatus: а – with a calculation scheme for the length of the segment; б – with a calculation scheme for the width of the segment

Поверхности прикатодных, прианодных мембран (1), (2) при отсутствии экранирования и при экранировании прокладкой (3), (4):

S⁺   = 12( а к _м + 2(1 R ₂2 ( ^a - sin a ) + ¹ R ² (— — sin a ))) = 12( а_п к _м + 2 • - ( R, 2 ( ^a

—

сумм          п.м п.м           2       о          2          5       о          5              п.м п.м             2о

—sina) + R52(—5 — sina))) = 12(a h  + R22(---2 — sina) + R2( —5 — sina))(11

2     5 8QO        5           П.м П.м    2 ^ISQO        2     5 ^ISQO        5()

S—  = 10( a h  + 2(- R2 (a — sina) + 1 R2 (— — sina))) = 12(ah M + 2 •1 (R2 (— — сумм          п.м п.м            2       о          2          5       о          5              п.м п.м             2о na                  nana

— sin a ) + R Л    ⁵ — sin a ))) = 10( a h + R _?(    2 — sin a ) + R Д    ⁵ — sin a ))

2       5        о           5               п.м п.м      2        о           2        5        о5

^{1     Па}л           ^{1     Пл}₄                            ^{1      ПЛ}

S„  = 12(ah„ + 2(— R—- -sina) + — RД—4- -sina))) = 12(a^h„ + 2 • _(R2(- сумм           к.р к.р            1        о           1          4        о           4               к.р к.р              1о

2 ПЛ*                            27 s ПЛа            27 П П a

- sin a ) + R. ^! (--- 4- - sin a ))) = 12( ah _ + R ² (---^L - sin a ) + R ² (--- 4- - sin a ))

1       4        о           4               к.р к.р      1        о           1       4        о4

ГЧ —       -t sx s 1         / 1 Г» 2 / ПЛ а       .      ,     1     2 _z ПЛ л      • xxx л /      1       rx 1 s tx2 s ПЛа

Sмм = 10(aKthv + 2(— Ri (--sina) +— R. (--sina))) = 10(aho + 2 — (R (-- сумм           к.р к.р            1        о           1          4        о           4               к.р к.р              1о

2. na                       _n2z na           „2. na

- sin a ) + R ₄(—4-- sin a ))) = 10( ah _n + R (—~- sin a ) + R ₄(—4-- sin a ))

1       4        о           4               к.р к.р      1        о           1       4        о4

где aп.м = 0,075 и h = 0,153 – длина и ширина прямого участка мембраны, м; aк.р = 0,069 и hк.р= 0,137 – ширина и высота камеры разделения раствора, м; R1 = 0,34, R2 = 0,343, R4 = 0,106, R5 = 0,119 – радиусы окружности сегмента, м; α2 = 18,5, α5 = 30 – углы между радиусами по границам сегмента по длине, шири- не с вырезом под пакет мембран, град.; α1 = 17,3, α4 = 28 – углы между радиусами по границам сегмента по длине, ширине с учетом экранирования прокладкой мембран, град.

Далее рассчитываются общие поверхности мембран при отсутствии экранирования (5) и при экранировании прокладкой (6) в аппарате:

S. _ш = 12( a_{n M}h _{n M} + R ₂² ( ^a - sin a ) + R ₅² ( ^a общ          п.м п.м     2       о          2      5       о

-

na sina)) +10(a  h ,, + R2(---2- - sina ) +

5             п.м п.м      2       о           2

r2 (^^ - sina )) - 6nR2 = 22(an h „ + R,2 (-^ - sina ) + R2 (-^ - sina )) - 6nR2 5о           5                         п.м п.м      2       о           2       5       о5

ПЛа              П a

SoR, „ = 12(aKh n + R2(---- - sina ) + R2(---4- - sina )) +10(aKnhK n + R 2(---- sina ) + общ           к.р к.р      1        о           1       4        о           4             к.р к.р      1        о1

R4 ( ПЛ4 - sina )) - 6nR2 = 22(aKhn + R2(-^— sina ) + R2( ПЛ4 - sina )) - 6nR2 4о           4                          к.р к.р      1        о           1       4        о4

Основные расчетные параметры общей поверхности мембран для разделения технологических растворов в аппарате представлены в таблице 1.

Таблица 1

Основные расчетные параметры поверхности мембран в электробаромембранном аппарате Main design parameters of the membrane surface in the electrobaromembrane apparatus

Расчетные параметры	S сумм , м	S сумм , м	S отв , м2	S общ , м2
При отсутствии экранирования мембраны прокладкой	0,124	0,149	0,00017	0,273
При экранировании мембраны прокладкой	0,102	0,122	0,00017	0,224

Общий объем материала элементов аппарата

V = nV + n V + n V .+ n V t+ nV а      фл фл     к.выс к.выс     к.вп.1 к.вп.1     к.вп.2 к.вп.2     шт шт

, где Vфл, Vк.вп.1, Vк.вп.2, Vк.выс, Vшт – объемы фланца соответствующих камер корпуса с «впадиной» («выступом») (без отверстий и с отверстиями под штуцеры) и цилиндрических штуцеров, м3; nфл = 2 – количество крышек (фланцев) корпуса аппарата; nк.вп.1 = 1 – количество камер диэлектрического корпуса с «впадиной» (без отверстий для штуцеров); nк.вп.2 = 2 – число ка- мер корпуса диэлектрического корпуса с «впадиной» (с наличием соответствующих отверстий для штуцеров); nк.выс = 2 – количество камер с «выступом»; nшт = 26 – общее число цилиндрических штуцеров аппарата.

Диэлектрический фланец (крышка) корпуса показан на рисунке 3.

Рис. 3. Фланец (крышка) корпуса электробаромембранного аппарата плоскокамерного типа Flange (cover) of the housing of a flat-chamber type electrobaromembrane apparatus

Объем диэлектрического фланца (крышки) корпуса:

V = V — n V — n V — n фл      з.фл     р.шт р.шт     к.в к.в     к.эл

V к.эл

— n V — к.сл к.сл

V — V — n V м.п.м     н.в     отв отв

,

где Vз.фл – объем заготовки фланца (крышки), м3; Vр.шт – объем резьбовой части штуцера, м3; Vк.в – объем канала ввода/вывода разделяемого раствора, м3; Vк.эл – объем канала подвода электрического тока, м3; Vк.сл – объем канала слива (отвода) пермеата, м3; Vм.п.м – объем, занимаемый малым пакетом мембран, м3; Vн.в – объем наружного выреза во фланце со стороны камеры разделения, м3; Vотв – объем отверстия под болт, м3; nр.шт = 5 – число резьб во фланце под штуцеры; nк.в = 3 – число каналов ввода/вывода разделяемого раствора; nк.эл = 2 – число каналов подвода электрического тока; nк.сл = 2 – число каналов слива пермеата; nотв = 8 – число отверстий под болт.

Выражение (7) с учетом числа элементов конструкции диэлектрического фланца (крышки) корпуса ЭБМАПТ:

V = V, — 5 V — 3 V — 2 V

— 2V — V — V — 8V к.сл     м.п.м     н.в       отв

.

фл      з.фл       р.шт       к.в       к.эл

Объем диэлектрического фланца (крышки) корпуса аппарата (см. рис. 2) с учетом составляющих элементов заготовки материала:

V =a b h -5 ^d р.шт I -3 ⁿd ^к ' ^в I -2(ⁿd ^в - ^эл I + ⁿd ^н - ^эл I

V фл     a фл фл фл ⁵          ^р.шт J        ^к.в    ^⁽         ^в.эл ⁺          ^н.эл )

na

(ал v + R ? (  -—smo,) + п.м п.м      2        о           2

-2(a h I + ~R2   n^^-   }-b эл.к эл.к эл.к         эл.к эл.к                   в.сл.к

2 ^na^                                   2 ^na^             2 ^na

+ R , (   - — sin a ))- b ( a h — ( a h + R .(   - — sin a ) + R _fi(   - — sin a ))) —

5о          5н.в фл фл      н.в н.в      3                   3       6                   6

,

где aфл = 0,14, bфл = 0,04 и hфл = 0,21 – ширина, длина и высота прямоугольной заготовки фланца (крышки), м; dр.шт = 0,017 и lр.шт = 0,014 – диаметр и длина резьбы под штуцер, м; dк.в = 0,006 и lк.в = 0,019 – диаметр и длина канала для ввода или вывода разделяемого раствора, м; dв.эл = 0,006 и lв.эл = 0,017 – диаметр и длина вертикального канала для подвода электричес- кого тока, м; dн.эл = 0,003 и lн.эл = 0,024 – диаметр и длина наклонного канала для подвода электрического тока, м; aэл.к = 0,028, lэл.к = 0,018 и hэл.к = 0,003 – ширина, длина и высота эллиптического канала, м; Rэл.к = 0,0015 – радиус полуцилиндра эллиптического канала, м; dв.сл.к = 0,006 и lв.сл.к = 0,009 – диаметр и длина вертикального канала слива пермеата, м; bм.п.м = 0,007 – тол- щина, занимаемая вырезом под пакет мембран, м; aн.в = 0,083 и hн.в = 0,161 – ширина и высота наружной части выреза, м; bн.в = 0,005 – глубина выреза, м; R3 = 0,35 и R6 = 0,135 – радиус окружности сегмента по длине и ширине большой прокладки, м; α3 = 20 и α6 = 33 – угол между ра- диусами по границам сегмента по длине и ширине большой прокладки, град.; d = 0,013 – диаметр отверстия под болт, м.

Диэлектрическая камера корпуса с «выступом» представлена на рисунке 4.

A-A

Рис. 4. Камера корпуса электробаромембранного аппарата плоскокамерного типа c «выступом» The body chamber of a flat-chamber type electrobaromembrane apparatus with a “ledge”

Объем диэлектрической камеры корпуса с «выступом»:

V к.выс

= r з.к.выс

-

-n V м.пр м.пр

-

V

n V р.шт р.шт

-

-

nV н.в.выс н.в.выс

n V к.эл к.эл

-

-

nV отв отв

n V к.сл к.сл

-

-

nV к.к к.к

n V п.м п

-

n V пер.к пер.к

-

где Vз.к.выс – объем заготовки камеры корпуса аппарата с «выступом», м3; Vр.шт – объем резьбовой части штуцера, м3; Vк.эл – объем канала подвода электрического тока, м3; Vк.сл – объем канала слива (отвода) пермеата, м3; Vп.м – объем занимаемый пакетом мембран (с увеличенной толщиной), м3; Vпер.к – объем переточного канала, м3; Vм.пр – объем под малую прокладку, м3; Vк.р – объем камеры разделения раствора, м3; Vн.в.выс – объем наружного выреза в камере корпуса с «выступом», м3; Vотв – объем отверстия под болты, м3; Vк.к. – объем камерного канала, м3; nр.шт = 2 – количество резьб под штуцеры в камере корпуса с «выступом»; nк.эл = 2 – количе- ство каналов подвода электрического тока; nк.сл = 2 – число каналов слива пермеата; nп.м = 2 – количество пакетов мембран (с увеличенной толщиной); nпер.к = 3 – число переточных каналов; nм.пр = 2 – количество малых прокладок; nн.в.выс = 2 – количество наружных вырезов в камере корпуса с «выступом»; nотв = 8 – количество отверстий под болт в камере корпуса с «выступом»; nк.к = 6 – количество камерных каналов.

Выражение (8) с учетом числа элементов конструкции диэлектрической камеры корпуса ЭБМАПТ с «выступом»:

V = V   -2V -2V -2V -2V к.выс      з.к.выс       р.шт       к.эл       к.сл       п

-2K  -2V -V -2V -SV -6V пер.к       м.пр     к.р       н.в.выс       отв       к

.

Объем диэлектрической камеры корпуса аппарата с «выступом» (см. рис. 4) с учетом составляющих элементов заготовки материала:

V = a b h к.выс     к.выс к.выс к.выс

-

nd.

р.шт

I р.шт

- П

в.эл             2

в.эл      н.эл н.эл

эл.к эл.к эл.к        эл.к эл.к

+ ^п в.сл.к J ) - 2( ь  ( _a   h ₊ r 2 ( AAi. — sin a ) + R ² ( ^{n a}5- - sin a ))) - 3 — перк K_{nen K}

-

в.сл.к          п.м п.м п.м      2        о2       5        о5                      пер.к na          na               na          na

-

- 2( b  ( a h  + R ,(    ² - sin a ) + R _s(   - - sin a ) - a_Knh „ + RA   - - sin a ) + R ₄(    4“ - sin a ))

м.пр п.м п.м      2        о2       5        о5       к.р к.р      1                     1       44

• -    b „ (ah + R 2 (a - sin a) + R42 (- sin a)) -к.р к.р к.р       1                       1        44

nana

• - 2( b ( a    h - ( a h  + R ₃ ² (—- - sin a ) + R₆ ² (—- - sin a )))) -

• н.в к.выс к.выс       н.в н.в      3                     3       66

• - 8( ^doTB-(b   -2b 6)-— ^f d\l   -^K (d² +d d +d² )]

• \          V к.выс        н.в//           I к.к п.к.м з V о.к.к о.к.к к.к к.к I

  где a к.выс = 0,14, b к.выс = 0,044, h к.выс = 0,21 – ширина, высота и толщина заготовки камеры с «выступом», м; d р.шт = 0,017 и l р.шт = 0,014 – диаметр и длина резьбы под штуцер, м; d в.эл = 0,006 и l в.эл = 0,017 – диаметр и длина вертикального канала для подвода электрического тока, м; d н.эл = 0,003 и l н.эл = 0,024 – диаметр и длина наклонного канала для подвода электрического тока, м; a эл.к = 0,028, l эл.к = 0,018 и h эл.к = 0,003 – ширина, длина и высота эллиптического канала, м; R эл.к = 0,0015 – радиус полуцилиндра эллиптического канала, м; d в.сл.к = 0,006 и l в.сл.к = 0,009 – диаметр и длина вертикального канала слива пермеата, м; b п.м = 0,013 – толщина, занимаемая

вырезом под увеличенный пакет мембран, м; d пер.к = 0,005 – диаметр переточного канала, м; l пер.к = 0,034 – длина переточного канала, м; b к.р = 0,018 – длина камеры разделения раствора, м; b м.пр = 0,005 – толщина малой прокладки, м; где b н.в = 0,005 – глубина выреза, м; l к.к = 0,016 – высота усеченного конуса канала, м; d к.к = 0,005 – диаметр усеченной части конуса канала, м; d о.к.к = 0,010 – диаметр основания конуса канала, м; l п.к.м = 0,017 – длина цилиндрического переточного малого канала, м.

Диэлектрическая камера корпуса с «впадиной» без отверстий под штуцеры представлена на рисунке 5.

Рис. 5. Камера корпуса электробаромембранного аппарата плоскокамерного типа c «впадиной» (без отверстий под штуцеры)

The body chamber of a flat-chamber type electrobaromembrane apparatus with a “recess” (without holes for fittings)

Объем диэлектрической камеры корпуса с «впадиной» без отверстий под штуцеры:

V к.вп.1

= V з.к.вп

—

— П г™ м.пр

V м.пр

—

nV к.р к

пV р.шт р.шт

—

—

nV к.эл к.эл

—

nV б .пр в.в.вп

—

ⁿ к.сл

nV отв отв

V к.сл

—

—

nV к.к к.к

nV п.м п

—

nV пер.к пер.к

—

где Vз.к.вп – объем заготовки камеры корпуса аппарата с «впадиной», м3; Vр.шт – объем резьбовой части штуцера, м3; Vк.эл – объем канала подвода электрического тока, м3; Vк.сл – объем канала слива (отвода) пермеата, м3; Vп.м – объем, занимаемый пакетом мембран (с увеличенной толщиной), м3; Vпер.к – объем переточного канала, м3; Vм.пр – объем под малую прокладку, м3; Vк.р – объем камеры разделения раствора, м3; Vв.в.вп – объем внутреннего выреза в камере корпуса с «впадиной», м3; Vотв – объем отверстия под болты, м3; Vк.к. – объем камерного канала, м3; nр.шт = 2 – число резьбовых частей штуцеров; nб.пр = 2 и nм.пр = 2 – количество больших (малых) прокладок; nпер.к = 3 – количество переточных каналов; nп.м = 2 – количество мембранных пакетов; nк.сл = 2 – количество каналов для слива пермеата; nк.эл = 2 – количество каналов подвода электрического тока; nк.р = 3 – количество камер разделения; nотв = 8 – число отверстий под болты в камере корпуса с «впадиной» (без отверстий под штуцеры); nк.к = 6 – количество камерных каналов.

Выражение (9) с учетом числа элементов конструкции диэлектрической камеры корпуса ЭБМАПТ с «впадиной» (без отверстий под штуцеры):

V ,= V — 2 V к.вп.1      з.к.вп       р.шт

—

2 V к.эл

—

2 V к.сл

—

2 V

—

2 V пер.к

—

2 V м.пр

— 3V к.р

— 2V в.в.вп

— 8 V отв

—

6 V к.

Объем диэлектрической камеры корпуса аппарата с «впадиной» без отверстий под штуцеры (рис. 5) с учетом составляющих элементов заготовки материала:

V , = a b h к.вп.1      к.вп к.вп к.вп

^{n d} р.шт

р.шт

—

n

d

в.эл

в.эл

+d2 l н.эл н.эл

—

—

эл.к эл.к эл.к         эл.к эл.к

nd.

в.сл.к

l в.сл.к

—

^— 2 1 b n.M ( ^a п.м h

+ R ₂2 ( ^Па 2 — sin a ) + R ₅2 ( ^Па 5 — sin a ))1 —

² 180 о        ^{2     5} Ч80 о       ⁵ J

— 3

^{n d} Пер.к

о.пер.к

с.пер.к

АЛ

—

в.пер.к

b нс (an Mh м + R^2 (—2- — sina) + R52 (—5- — sina) — м.пр п.м п.м      2        о2       5о5

2/ ^na i             л2/ ^пад

— a _Kn h _Kn + R i (—^L— sin a ) + R 4(—— sin a ))

l    к.р к.р     1 'i8oo          1'     4 '180°

• —31 bP(aKphKp+ R^ — — sin a) + R42(— — sin a)) I-к.р к.р к.р       1                         1         44

b nP (aH BhH в + Ri2(—3- — sin a ) + R62 (—6- — sin O>) — б.пр н.в н.в      3                     3       66

7       T">2/ nai • X Til f naA     •w

— a_KPh _KP + R (--- ^L — sin a ) + R 4(---“ — sin a ))

l к.р к.р 1 '180°         1'     4 '180°

• —2 nd2 b--d2 l „ l ^к (d2  + d d+

отв к.вп              к.к п.к.б             о.к.к     о.к.к к.к     к.к где aк.вп = 0,14, bк.вп = 0,08, hк.вп = 0,21 – ширина, высота и толщина заготовки аппарата с «впадиной», м; dр.шт = 0,017 и lр.шт = 0,014 – диаметр и длина резьбы под штуцер, м; bп.м = 0,013 – толщина, занимаемая вырезом под увеличенный пакет мембран, м; dпер.к = 0,005 – диаметр пере-точного канала, м; lо.пер.к = 0,056, lс.пер.к = 0,012 и lв.пер.к = 0,003 – длина основного, соединитель- ного и вертикального переточного канала, м; bб.пр = 0,018 – толщина большой прокладки, м;lп.к.б = 0,040 – длина цилиндрического большого канала, м.

Диэлектрическая камера корпуса с «впадиной» с наличием отверстий под штуцеры представлена на рисунке 6.

Рис. 6. Камера корпуса электробаромембранного аппарата плоскокамерного типа c «впадиной» (с наличием отверстий под штуцеры)

Chamber of the body of the flat-chamber type electric baromembrane apparatus with a “depression” (with holes for fittings)

Объем диэлектрической камеры корпуса с «впадиной» с наличием отверстий под штуцеры (см. рис. 6):

V к.вп.2

=V з.к.вп

-

- n м.пр

V м.пр

-

nV к.р к

пV р.шт р.шт

-

-

n к.эл

nV б.пр в.в.вп

V к.эл

-

-

ⁿ к.сл

nV отв отв

V к.сл

-

-

V к.к.о

nV п.м п

-

nV пер.к пер.к

-

где V з.к.вп – объем заготовки камеры корпуса аппарата с «впадиной», м³; V р.шт – объем резьбовой части штуцера, м³; V к.эл – объем канала подвода электрического тока, м³; V к.сл – объем канала слива (отвода) пермеата, м³; V п.м – объем, занимаемый пакетом мембран (с увеличенной толщиной), м³; V пер.к – объем переточного канала, м³; V м.пр – объем под малую прокладку, м³; V к.р – объем камеры разделения раствора, м³; V в.в.вп – объем внутреннего выреза в камере корпуса с «впадиной», м³; V отв – объем отверстия под болты, м³; V к.к.о – общий объем камерных каналов, м³; n р.шт = 5 – количество резьбовых частей шту-

церов; n б.пр = 2 и n м.пр = 2 – количество больших и малых прокладок; n пер.к = 3 – количество пере-точных каналов; n п.м = 2 – количество мембранных пакетов; n к.сл = 2 – число каналов для слива пермеата; n к.эл = 2 – количество каналов подвода электрического тока; n к.р = 3 – количество камер разделения; n отв = 8 – количество отверстий под болты в камере корпуса с «впадиной» (с наличием отверстий под штуцеры).

Выражение (10) с учетом числа элементов конструкции диэлектрической камеры корпуса ЭБМАПТ с «впадиной» (с наличием отверстий под штуцеры):

V к.вп.2

=V з.к.вп

- 5 V р.шт

-

2 V к.эл

- 2V к.сл

-

2 V п.м

- 3 V пер.к

-

2 V м.пр

-

3 V к.р

-

2V в.в.вп

-8V отв

-

V к.к.о

.

Объем диэлектрической камеры корпуса ап- под штуцеры (рис. 6) с учетом составляющих парата с «впадиной» и с наличием отверстий элементов заготовки материала:

V

a к.вп ^b к.вп ^h к.вп

nd, — 5 ^

р.шт

l

р.шт

— n( вэл^-1   + d2 l в.эл      н.эл н.эл

—

эл.к эл.к эл.к        эл.к эл.к

П^

в.сл.к

—

— 2 1 b ( a h + R ²( ^na 2 — sin a ) + R ²( ^na — sin a )) п.м п.м п.м      2        о2       5        о5

—

— 3

^nd 2ер.к

( l о.пер.к

с.пер.к

—

— 2

b np ( ^а„Л _M + R ₂ ² ( ^^ 2- — sin a ) + R 5² ( -5- — sin a ) — м.пр п.м п.м      2        о2       5        о5

— a^h о + R 12 ( ~~1~ — sin a ) + Ra ² ( ~~4~ — sin ^aA ))

^{к.р к.р 1}480 »         ^{14    4} 480 »         ⁴⁴⁴

I 7   /    7      n2 / ^na • x n2 / ^na 4     • xx

— 3 b (( ah _n + R (—^L — sin a ) + R ₄(—4- — sin a )) к.р к.р к.р       1                        1        4                       4

—

— 2

П^3            Т>2/Па> bs„ „( a„h. + Rз (—3-—sin a)+R (—-—sin a) б.пр н.в н.в      3                     3       6                     6

—

— a^h о+ R i² ( ^{na L}— sin a ) + R^ 2 ( ^{na £}— sin a ))

4.4.   ¹480»       1’   ⁴ 480»       4”

— 2 n d² b отв к.вп

-—(d2 I к.к п

^{2 к.к} ( d ²  + d d  + d ² )

о.к.к     о.к.к к.к     к.к

,

Если рассмотреть пример конструкции многокамерного ЭБМАПТ (см. рис. 1), можно отметить наличие штуцеров для ввода, вывода технологического разделяемого раствора пищевого производства, штуцеров для отвода прианодно-го, прикатодного пермеата, камерных штуцеров ввода раствора и вывода ретентата соответственно. Рассматриваемые штуцеры, как и два диэлектрических фланца (крышки) корпуса, камеры корпуса с «выступом», «впадиной» аппарата, изготавливаются из капролона (ПА-6).

Расчет цилиндрического штуцера проводится по формуле

V = V .+ V .

шт     ц.ш1    ц.ш2

, где Vц.ш1 - объем цилиндрического штуцера по всей длине, м3; Vц.ш2 - объем цилиндрического штуцера в месте размещения шестигранника под ключ, м3.

К._ш1 =   ,₍ ( d _н².ц._ш1 — d _в2ц._ш1 ) + _y (3^3 a² в^ )

где d н.ц.ш1 = 0,017 – наружный диаметр цилиндрического штуцера, м; d в.ц.ш1 = 0,006 – внутренний диаметр цилиндрического штуцера, м; l ц.ш1 = 0,028 – длина цилиндрического штуцера, м; a = 0,0098 – сторона одной грани шестигранника, м; l ц.ш2 = 0,004 – длина цилиндрического штуцера в месте размещения шестигранника, м.

Оценка общего объема элементов аппарата и его параметров представлена в таблице 2.

Таблица 2

Параметр	Значение
V фл. , м3	9,88.10–4
V к.выс. , м3	5,57.10–4
V к.вп.1 , м3	1,12.10–3
V к.вп.2 , м3	1,13.10–3
V шт , м3	6,45.10–6
V а , м3	6,64.10–3

Оценка общего объема элементов аппарата и его параметров

Estimation of the total volume of the device elements and its parameters

Масса аппарата mа = ρм Vа , где ρм – плотность материала, из которого изготовлены детали корпуса аппарата, кг/м3; Vа – общий объем элементов аппарата, м3.

Стоимость составляющих элементов аппарата (общего материала)

Y = m а Ц.

Оценка расчетных характеристик аппаратов представлена в таблице 3.

Таблица 3

Конструкция аппарата	Материал	ρ м , кг/м3	m а , кг	Y , руб.
Электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа (ЭБМАПТ)	ПА-6 (капролон) [23]	1160	7,7	3925
Баромембранный аппарат плоскокамерного типа (БМАПТ)	Нержавеющая сталь (марка – 12Х18Н10Т) [24]	7920	52,65	13 479

Расчетные параметры плоскокамерных аппаратов

Design characteristics of the devices

Программная реализация для комплексного подхода к расчету площади поверхности мембраны, массы материала и стоимости элементов самого многокамерного электробаромем- бранного аппарата плоскокамерного типа приведена в программе для ЭВМ [25], которая реализована на языке программирования Delphi/Object Pascal (рис. 7).

а

б

Рис. 7. Фрагменты программы для элементов автозаполнения корпуса электробаромембранного аппарата плоскокамерного типа Fragments of the program for the elements of automatic filling of the body of a flat-chamber type electrobaromembrane apparatus

Пример реализации и дружественного интерфейса программы показан как скриншот с учетом автозаполнения данных (рис. 7, а , б ) и результатов расчета параметров аппарата (рис. 8).

На основе предложенного комплексного подхода и проведенного расчета эффективной площади поверхности, объема и массы элементов аппарата было определено, что наибольшую стоимость для изготовления имеет БМАПТ (13 479 руб.), выполненный из нержавеющей стали (марка стали – 12Х18Н10Т), далее следует ЭБМАПТ (3925 руб.), выполненный из материала ПА-6 (капролон). Отмечается, что перспективным вариантом на основе расчета и анализа конструкций аппаратов подобного типа являются устройства двух типов, так как они позволяют работать с различными технологическими растворами пищевых производств и при различных условиях их эксплуатации (баромембранные и электробаромембранные).

Щ Расчет конструкции элекгробаромем бранного аппарата плоскокамерного типа          —     □     )<

							9сумм(катод)			9сумм(анод)				Sots.		Зобщ.	Пересчитать |
	При отсутствии экранирования прокладкой						0.12464			0,14957				0.00017		0.27421	Завершить
	При экранировании прокладкой						0,10252			0.12235				0.00017		0,22431
	Уз.фл.	Vp шт.	Vk.b.			Vks л.			VK.cn.			Vm.rm.		Vh.b.		Votb.
	0,001176	0,00000318	0,000000537			0,00000065			0,00000164			0,0000873		0,0000730		0,00000464
	Уз.к.выс.	Ур.шг.	Vk-зл.			Ук.сл.			Vn.M.			Vh.b.bmc.		Votb.		Vnep.K.
	0.001294	0.00000310	0,000000020			0.00000353			0,000162			0,0000730		0,00000451		0.00000066'
	Vm. пр.	Ук.р.	Vk.k.
	0.0000180	0.000104	0,00000107
	Уз.к.вп.	Vp.iw.	7к.эл.			Vk. сл.			Vn.M.			Vb	В.ВП.	Votb.		Vnep.K.
	0.002352	0.00000310	0.000000820			0,00000353			0.000162			0.0001095		0.0000106		0.00000220
	Vm. пр.	VK.p.	Vk.k.
	0.0000180	0.000104	0.00000152
	Уз.к.вп.	Vp-шт.	Vk-зл.			Ук.сл.			Vn.M.			Vb-в.вп.		Vote.		Vnep.K.
	0,002352	0,00000318	0,000000820			0,00000353			0,000162			0,0001095		0,0000106		0,00000198
	7м.пр.	VK.p.	Vk.k.o.
	0,0000188	0,000184	0,00000675
	7фл.	Ук.выс.		Vk.	ВП.1			Ук.вп.2					Vurr.		Va.
	0,000957       0,000547			0,001105				0,001099					0,00000645		0,00649
	м	via
	1160	7,5	3831

Рис. 8. Фрагмент программы расчета целевых параметров электробаромембранного аппарата плоскокамерного типа Fragment of the program for calculating the target parameters of a flat-chamber type electrobaromembrane apparatus

Заключение. Разработан комплексный подход для проектирования, расчета стоимости многокамерных электробаромембранных аппаратов при концентрировании (разделении) технологических растворов различных пищевых производств, позволяющий автоматически варьировать и подбирать размеры элементов камер корпуса, фланцев и штуцеров при обработке растворов. На основе предложенного комплексного подхода и проведенного расчета эффективной площади поверхности, объема и массы элемен- тов аппарата было определено, что наибольшую стоимость для изготовления имеет БМАПТ (13 479 руб.), выполненный из нержавеющей стали (марка стали – 12Х18Н10Т), далее следует ЭБМАПТ (3 925 руб.), выполненный из материала ПА-6 (капролон). Отмечается, что перспективным вариантом на основе расчета и анализа конструкций аппаратов подобного типа являются устройства двух типов, так как они позволяют работать c различными технологическими растворами пищевых производств.