Введение. Интенсивное развитие экономики промышленного пищевого и перерабатывающего производства АПК базируется на объективных данных о состоянии и перспективах развития материального оснащения предприятия, степени эффективности использования материальных и энергетических ресурсов [1]. В полной мере это относится к отрасли разработки, применения основных процессов и аппаратов пищевых производств – мембранного концентрирования, разделения жидких неоднородных систем, например в пивоваренной, сахарной, биохимической, крахмалопаточной и других отраслях промышленности [2–4].

Процессы и аппараты мембранного концентрирования, разделения жидких неоднородных систем условно классифицируются на несколько основных классов: баромембранные (БМА), электромембранные (ЭМА) и электробаромембранные (ЭБМА). Подобные классы отличаются лишь возможностью использования той или иной перегородки (пористой, ионообменной) и наличием движущих сил или их комбинаций (перепада до и после мембраны: концентрации, давления, электрического потенциала и других параметров) в процессе переработки жидких неоднородных систем в пищевой и перерабатывающей промышленности АПК при циркуляции растворов в межмембранных каналах [5–7].

Проектирование и разработка нового оборудования для мембранного концентрирования (разделения) технологических растворов пищевых и агроперерабатывающих производств из растительного сырья необходимо для интенсификации процесса получения и выхода полупродуктов, готовых продуктов в технологических схемах производства, например сахара, пива, вина, спирта и др. [8–10].

Для решения данной проблемы необходимо: во-первых, предоставить системный подход к разработке научного исследования технологических процессов, а во-вторых, комплексно оценить, с использованием литературных и патентных данных, различные перспективные аппаратурные решения, которые могут применяться для разделения высокомолекулярных соединений и коллоидных частиц (является одним из проблемных моментов мембранного разделения).

Интенсификация процесса мембранного концентрирования при создании нового технологического оформления должна обеспечивать модульный принцип проектирования и расчета аппаратов для разделения (концентрирования) жидких неоднородных систем, нашедший применение при оценке стоимости элементов (по материалам) конструкций аппаратов.

Доля отечественного мембранного оборудования на российском рынке пищевого машиностроения остается невысокой, при этом устаревающие решения утратили должную конкурентоспособность в этом секторе рынка. В связи с этим рассмотрение эволюционных особенностей динамики совершенствования, развития аппаратуры и техники российского рынка в РФ, в частности: мембранных, электромембранных, электробаромембранных процессов, дает хорошие возможности повысить отечественный уровень до лучших зарубежных аналогов, а нередко и превзойти их [11, 12].

Цель исследования – анализ динамики развития аппаратурного оформления интенсификации процессов мембранного концентрирования (разделения) жидких технологических систем по материалам изобретательской практики для оценки оптимального выбора лучшего мембранного аппарата для пищевой и перерабатывающей промышленности, а также выявление базовых структурных компонентов и технических результатов, их характеризующих.

Задачи: провести систематизацию классов конструкций аппаратов для интенсификации процессов мембранного концентрирования жидких систем, применяемых в пищевой и перерабатывающей промышленности; проанализировать динамику проектирования (конструирования) и развития аппаратуры для интенсификации процессов мембранного концентрирования жидких пищевых систем с 1991 г. и по первую половину 2025 г.; провести сравнительный анализ аппаратурного оформления для интенсификации процессов мембранного концентрирования (разделения) жидких пищевых систем, позволяющий выявить особенности эксплуатации подобных устройств и критерии выбора оптимальной конструкции; на основе анализа и систематизации аппаратурного оформления мембранных устройств различных типов для интенсификации мембранного концентрирования (разделения) жидких пищевых систем разработать схему классификации по их конструктивному оформлению.

Объекты и методы. Объектом исследования являлось аппаратурное оформление мембранного разделения и концентрирования жидких неоднородных систем в пищевой и перерабатывающей промышленности АПК.

В качестве предмета исследования рассматривался анализ динамики развития аппаратурного оформления мембранного разделения и концентрирования растворов и проектирования конструкций различных типов с выявлением базовых структурных компонентов и технических результатов, их характеризующих.

В качестве метода исследования использовался системный анализ динамики развития конструктивных решений и обзор проблемного поля, а также статистический метод количественной оценки интенсивности изобретательской деятельности по совершенствованию мембранных аппаратов концентрирования и разделения жидких сред.

1. Системный анализ позволяет:

– изучить, как различные конструктивные решения в сфере мембранного аппаратостроения развиваются во времени (изменения в применяемых материалах, используемых технологиях, дизайне и функциональности аппаратов и появление новых классов аппаратов);

– выявить ключевые проблемы и трудности (недостатки), с которыми сталкиваются разработчики конструкций мембранных аппаратов (вопросы эффективности, устойчивости, стоимостного анализа и других факторов, влияющих на производительность и задерживающую способность устройств с оснащением их мембранами).

2. Статистический метод позволяет:

– количественно оценить интенсивность изобретательской деятельности при анализе данных о патентах, публикациях и других формах изобретательской активности в области мембранных процессов разделения жидких технологических растворов. Это поможет определить направления и тренды, имеющиеся в настоящее время в данной области, а также провести оценку активных групп исследователей и компаний с оценкой влияния факторов на уровень инноваций;

– оценить, какие конструктивные изменения и решения приводят к улучшению характеристик мембранных аппаратов, например качество и эффективность разделения растворов, долговечность и экономичность их использования.

Результаты и их обсуждение. Мембранные аппараты должны обладать значительной поверхностью мембран на единицу объема конструкции и быть достаточно легкими в сборке и установке, поскольку мембранам требуется замена при снижении их производительности и задерживающей способности при очистке воды и переработке жидких технологических растворов пищевых производств [13].

При движении жидкой среды по камерам разделения аппарата существует необходимость равномерного ее распределения по мембранной поверхности и должна обеспечиваться достаточно высокая скорость потока раствора в тонком межмембранном канале (от 1 до 5 мм, а по некоторым данным и до 8–12 мм). Например, при проведении процессов нанофильтрации (электронанофильтрации), электрогиперфильтрации (гиперфильтрации), электродиализа, электродеионизации для минимизации влияния концентрационной поляризации (резкого возрастания концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны и проскока исследуемого компонента в пермеат) [14–16].

При этом перепад трансмембранного давления в начале и конце мембранного аппарата при баромембранном и электробаромембранном концентрировании по его длине должен быть, насколько это возможно, небольшим, так как это может сказаться на проницаемости обрабатываемых жидкостей через мембрану. Необходимо соблюдать требования и меры безопасности операторов, эксплуатирующих подобные аппараты, в части, касающейся работы устройств под избыточных трансмембранным давлением и при постоянной токовой нагрузке. Подобные обстоятельства, в конечном счете, будут влиять на обеспечение механической прочности, герметичности и других характеристик материалов, из которых планируется изготавливать аппарат, и соответственно на оценку стоимости материалов, из которых он изготовлен [17, 18].

Основными материалами, применяемыми для переработки жидких пищевых систем, являются различные прокаты нержавеющих сталей отечественного и иностранного производства: 12Х18Н10Т сварные аппараты и сосуды, водопроводные трубы (аналог – AISI 321, 321H) с содержанием компонентов в % (Cr – 17–19, Ni – 9–11, Mn – не более 2, Si – не более 0,8, Ti – 0,6–0,8, Cu – не более 0,3, P – не более 0,035, S – не более 0,02) – коррозионностойкая, термостойкая; 12Х18Н12Т детали, работающие в условиях повышенной температуры (с содержанием компонентов в %: Cr – 17–19, Ni – 11 – 13, Mn – до 2, Si – до 0,8, Cu – до 0,3, C – до 0,12, P – до 0.035, S – до 0,02, Ti – 0.7, остальное – Fe) – коррозионностойкая, термостойкая; 20Х23Н18 камеры сгорания, хомуты, подвески, бесшовные трубы (аналог – AISI 310) с содержанием компонентов в % (Cr – 22–25, Ni – 17–20, Mn – не более 2, Si – не более 1, Cu – не более 0,3, Ti – не более 0,2, P – не более 0.035, S – не более 0,02) – термостойкая и другие (10Х18Н10Т, 12Х18Н9Т и т. д.).

Полимеры и композиты: капролон (полиамид 6) и его модификации. Материал не токсичен для живых организмов, стоек в водных растворах пищевых сред.

Создание идеального аппарата, который одновременно и полностью удовлетворяет всем перечисленным требованиям, представляется, по всей видимости, невозможным. Ввиду этого выбор оптимального аппарата является важным и ответственным этапом настоящего исследования и достаточно сложным. Первоначально необходимо обработать входную информацию по имеющимся в настоящее время перспективным конструктивным решениям в этой области, которая связана с ретроспективной исторической по годам публикации подобных технических решений. Нами был проведен предварительный анализ технических решений этой области, а далее проведена оценка непосредственного исполнения конструктивного исполнения этих устройств. Предварительный анализ входной информации выявил множество альтернатив в классах подобных аппаратов, и выбор был обоснован тем, что они универсальны (то есть могут использоваться как баромембранные и электробаромембранные аппараты) и могут применяться в различных сферах пищевой и перерабатывающей промышленности: молочная, сахарная, спиртовая и другие [19–21].

Подобные этим классам аппараты в иностранных работах нами выявлены не были, поэтому было принято решение провести анализ и обработку информации по отечественным разработкам при проведении тематического поиска из баз данных конструктивных решений ФГБУ «Федеральный институт промышленной собственности» и отечественных литературных данных.

Обработка информации, полученной при помощи поискового запроса базы данных ФИПС, проведена в исторической ретроспективе с 1991 по 2025 г. (I полугодие). За этот период запатентовано более 50 конструкций электробаромембранных аппаратов различных классов (рис. 1).

Рис. 1. Суммарное распределение различных классов конструкций ЭБМА по годам их публикации

Total distribution of different classes of EBMA designs by year of their publication

Анализ зависимости суммарного распределения различных классов конструкций ЭБМА по годам их публикации позволил выделить три периода со всплесками публикационной активности: первый – с 1991 по 2011 г.; второй – с 2011 по 2021 г.; третий – с 2021 по 2025 г. (I полугодие). Такая периодичность экспериментальной зависимости количества зпатентованных аппаратов от времени их появления объясняется существованием трех поколений ученых, занятых в данной сфере (ориентировочно появляющихся в научных коллективах, приходящихся в среднем на 10 лет), за исключением последнего периода (5 лет). При этом можно предположить, что подобная периодичность разбиения будет повторяться и далее. Случайный характер изменения подобной зависимости может проявиться, например, в случае выпадения ведущего ученого или научного руководителя из коллектива по объективным причинам (переход на другое место работы, отъезд из РФ на временное или постоянное жительство в другую страну и др.). При этом стоит отдельно остановиться на коллективах, которые занимаются разработкой подобных классов аппаратов по данным ФИПС. Основными коллективами являются: Тамбовский государственный технический университет, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, ООО «ТМБ-Технологии».

Дальнейшее разбиение на классы аппаратов электробаромембранного концентрирования (разделения) жидких систем можно объяснить перспективностью использования того или иного класса ЭБМА при разбиении на группы. Анализ распределения конструкций аппаратов по классам и годам представлен на рисунке 2.

Все классы имеют свои достоинства и недостатки, некоторые из которых перекрывают предыдущие решения в этой области. Нами проводился аналитический обзор всех конструкций аппаратов в классах и оценивались наиболее перспективные решения (см. рис. 1, 2).

Принятие решений по выбору оптимальной конструкции аппаратов для мембранного разделения и концентрирования жидких технологических растворов является достаточно сложной задачей, при которой необходимо находить решения, учитывающие частные критерии оптимальности для конкретного класса аппаратов.

Рис. 2. Распределение ЭБМА в разрезе конструкций по годам их публикации

The distribution of EBMA by structural types across the years of their publication

Для выбора наилучшей альтернативы из показанных на ресурсе ФИПС и в литературе следует рассмотреть их в зависимости от конструктивного исполнения (классов конструкции) (рис. 3–10), но с обязательным условием использования перед их применением предварительного разделения растворов и суспензий, например при помощи гидроциклонов, центрифуг и т. д. [22–24].

Системный анализ электробаромембранных аппаратов в период времени с 1991 по 2025 г. (I полугодие) позволил выявить различные традиционные классы конструкций (плоскокамерного, трубчатого, рулонного типа) и показал на основе статистических данных (см. рис. 2) их появления, что сформировался новый класс конструкций комбинированных аппаратов (первое появление – 2020 г.).

На основе системного подхода приведем краткий анализ современных конструкций электробаромембранных аппаратов, которые потенциально могут применяться для концентрирования жидких пищевых сред и растворов, содержащих механические включения и коллоидные частицы.

Здесь и далее (рис. 3–10) приведено устройство конструкций проанализированных мембранных аппаратов, для которых подробное описание не рассматривалось, так как оно его загромождает и существенно не влияет на получение технических результатов. Но стоит отметить общий принцип действия подобных устройств мембранного концентрирования и разделения растворов при интенсифицирующем воздействии в виде наложения на систему «раствор-мембрана» постоянного электрического тока при действии трансмембранного давления и при отсутствии действия тока.

Для технологических жидких потоков пищевых производств, которые содержат соли (с диссоциацией на ионы), сахара и механические включения, коллоидные частицы, при одновременном влиянии избыточного давления (выше осмотического) и электрического тока, схема разделения выглядит следующим образом. Ионы (катионы и анионы) соответственно переносятся к мембранам (прикатодным, прианодным), проникают через поры и отводятся в виде пермеатов (щелочных и кислотных) из аппарата, а ретентат с неэлектролитом, содержащим механические включения, коллоидные частицы, сахара, отводятся из аппарата при дальнейшей обработке на промышленном предприятии.

При баромембранном разделении (концентрировании) растворов пищевых и агроперерабатывающих производств жидкая фаза движется между двумя мембранами, через полупроницаемые мембраны только под действием трансмембранного давления (превышающего осмотическое) преимущественно выделяется растворитель в пермеат, а растворенные вещества (например, соли, сахара, механические включения и коллоидные частицы) остаются в ретентате (задерживаются мембранами), которые затем в виде концентрата отводятся из аппарата.

1. Электробаромембранные аппараты плоскорамного (или плоскокамерного) типа (ЭБМАПТ) представляют собой набор плоских мембран расположенных на диэлектрических камерах, под которыми расположены пористые подложки, монополярно-пористые электроды (катоды, аноды), дренаж. На рисунке 3 представлены ЭБМА без охлаждения растворов горизонтального с одним контуром разделения (а, б, в, г) [25–28]; с двумя контурами разделения (д, е, ж, з) [29–32] и вертикального вида (к) [33].

Рис. 3. Электробаромембранный аппарат плоскорамного (плоскокамерного) типа

без охлаждения растворов горизонтального (а, б, в, г, д, е, ж, з) и вертикального вида (к)

Electrobaromembrane apparatus of the flat-frame (flat-chamber) type without cooling of solutions

of horizontal (a) [25], (б) [26], (в) [27], (г) [28], (д) [29], (е) [30], (ж) [31], (з) [32] and vertical type (к) [33]

На рисунке 4 показаны мембранные аппараты с охлаждением растворов, которые условно можно разделить на устройства с плоской охлаждающей камерой (а, б) [34, 35] и с применением специальных гнутых, свернутых, спиральных элементов-трубок (в, г) [36, 37]. Технические результаты аппаратурного оформления ЭБМАПТ: повышение производительности и качества разделения растворов, турбулизации раствора, охлаждение разделяемого (исходного) раствора и пермеатов, снижение эффекта концентрационной поляризации и другие.

Рис. 4. Электробаромембранный аппарат плоскорамного (плоскокамерного) типа с охлаждением растворов (с плоской охлаждающей камерой – а, б), (со специальными гнутыми, свернутыми, спиральными элементами-трубками – в, г)

Electrobaromembrane apparatus of the flat-frame (flat-chamber) type with solution cooling

(featuring a flat cooling chamber – a, б) and with special bent, coiled, spiral tube elements – в, г)

Анализ устройств (см. рис. 3, 4) выявляет существенные недостатки указанного класса аппаратуры [30, 36, 37] в виде значительного расхода конструкционного материала, особенно при обеспечении круглых и прямоугольных малых камер разделения, около которых остается неиспользуемым значительный объем материала, что, как следствие, сказывается на значительном перерасходе материальных ресурсов предприятия при изготовлении (особенно, когда в межмембранном канале камер разделения установлены трубки для охлаждения, которые блокируют часть рабочей поверхности мембран [36, 37] для течения растворителя).

Более удачными конструкциями являются аппараты (см. рис. 3, ж) [31] и устройство з [32], обеспечивающие большую площадь разделения (соответственно производительность) по сравнению с ранними аналогами (см. рис. 3, а, е [25–30]. За счет наличия двух контуров разделения (наряду с одним контуром) в мембранных аппаратах горизонтального (см. рис. 3, д, з [29, 32] и вертикального вида к [33] снижается гидравлическое сопротивление по пути циркуляции раствора, в отличие от аппаратов с одним контуром разделения (см. рис. 3, а, г [29–32], примерно в 2 раза (но при этом одноконтурные аппараты обеспечивают большую степень концентрирования одного контура по длине).

Конструкции мембранных аппаратов плоскокамерного типа обеспечивают удовлетворительный выходной поток (производительность), коэффициент задержания для полупроницаемых мембран по различным компонентам растворенного вещества (ионам солей), но могут работать также с сахарами, взвешенными веществами, коллоидными частицами, которые сопровождают практически все процессы разделения жидких пищевых систем при образовании динамических мембран.

Имеются и другие конструкции мембранных аппаратов плоскокамерного типа, что подтверждается экспериментальными данными (см. рис. 1, 2), которые могут найти свое применение в пищевой и агроперерабатывающей отраслях промышленности, но уступают рассмотренным ранее по количеству технических результатов при анализе их реализации.

2. Электробаромембранные аппараты с трубчатым типом элементов (ЭБМАТТ) или трубчатого типа (см. рис. 5, 6) (аналогично кожухотрубчатым теплообменникам) горизонтального вида состоят из корпуса, крышек (фланцев), трубок с мембранами (размер диаметра, которых варьируется от 10 до 30 мм), внутри которых размещены токоподводящие цилиндрические щупы [38–41]. Существуют подобные аппараты без охлаждения растворов (рис. 5, а) [38] с одинаковым объемом трубок с мембранами, (г [41] с различным объемом трубок с мембранами) и с охлаждением растворов (см. рис. 5, в) [39] с цилиндрическими щупами и охлаждающими трубками, г [40] с полыми цилиндрическими щупами).

Рис. 5. Электробаромембранный аппарат трубчатого типа горизонтального вида [38–41]

Electrobaromembrane apparatus of the tubular type with a horizontal configuration [38–41]

Технические результаты аппаратурного оформления ЭБМАТТ (см. рис. 5): повышение производительности и качества разделения растворов, турбулизация раствора, снижение эффекта концентрационной поляризации, охлаждение разделяемого раствора и другие.

Мембранные аппараты трубчатого типа вертикального вида показаны на рисунке 6.

Они состоят из корпуса аппарата, цилиндрической обечайки и центральной трубки, прижимных решеток, плоских торцевых крышек (фланцев), трубок с мембранами, размер диаметра которых варьируется от 10 до 30 мм, а внутри размещены токоподводящие монополярные электроды (см. рис. 6) [42–45]. Существуют подобные аппараты трубчатого типа вертикального вида с горизонтальными трубками без охлаждения растворов: с отсутствием сеток-турбулизаторов (рис. 6 а, б [42, 43], с плоскими горизонтальными сетками-турбулизаторами дискового типа (в) [44] и с цилиндрическими вертикальными сетками-турбулизаторами (г) [45]).

Технические результаты аппаратурного оформления ЭБМАТТ (см. рис. 6): повышение производительности и качества разделения растворов, повышение турбулизации раствора, снижение застойных явлений при циркуляции (исходного) раствора, снижение эффекта концентрационной поляризации, отвод растворенных газов и другие.

Для подобных устройств (см. рис. 5, 6) плотность упаковки мембран в единице объема является достаточной для осуществления эффективного разделения растворов, особенно при обрастании взвешенными веществами и коллоидными частицами.

Стоит отметить, что для конструкций мембранных аппаратов (см. рис. 6) отсутствует возможность охлаждения растворов, эту проблему можно решить предварительной установкой теплообменной аппаратуры перед ними в технологических схемах концентрирования (разделения) растворов пищевых и перерабатывающих производств, например кожухотрубчатого, пластинчатого типа, типа «труба в трубе». Основным достоинством можно указать способность быстрого монтажа и демонтажа конструкции для замены трубок из фторопласта с мембранами.

Рис. 6. Электробаромембранный аппарат трубчатого типа вертикального вида [42–45]

Electrobaromembrane apparatus of the tubular type with a vertical configuration [42–45]

При анализе стоит отметить, что существуют конструкции мембранных аппаратов трубчатого типа горизонтального вида с концентрическими элементами (геометрическими объектами), например, трубок с окружностями разных радиусов. Подобные окружности образованы в поперечном разрезе цилиндрических обечаек-трубок с монополярными электродами размерами более 30 мм.

Мембранные аппараты трубчатого типа горизонтального вида с концентрическими элементами (трубками) существуют в нескольких конструктивных оформлениях (рис. 7): аппараты без охлаждения растворов (с плоскими крышками (а) [46], с плоскими крышками и гофрированными концентрическими элементами (б) [47] и с охлаждением растворов (с плоскими крышками (в) [48]).

Технические результаты аппаратурного оформления ЭБМАТТ (рис. 7): повышение производительности и качества разделения растворов, повышение турбулизации раствора, охлаждение разделяемого (исходного) раствора, снижение эффекта концентрационной поляризации, отвод растворенных газов непосредственно в потоках пермеатов.

Подобные конструкции мембранных аппаратов трубчатого типа (рис. 7) являются более простыми в изготовлении за счет плоских крышек, на которые необходимо затрачивать меньше конструкционного материала, в отличие от аппаратов со сферическими крышками (рис. 8, а [49, 50], б [51]) и со сферическими крышками, газоотводчиками и отводящими пермеат штуцерами (рис. 8, в [52], г [53], д [54], е [55]).

Технические результаты аппаратурного оформления ЭБМАТТ (см. рис. 8): увеличение площади разделения, повышение производительности и качества разделения растворов, повышение турбулизации раствора, охлаждение растворов, снижение эффекта концентрационной поляризации, отвод растворенных газов из пермеатов газоотводчиками, упрощение изготовления элементов аппарата, уменьшение застойных явлений, материалоемкости в единице объема аппарата.

Рис. 7. Электробаромембранный аппарат трубчатого типа горизонтального вида

с плоскими крышками [46–48]

Electrobaromembrane apparatus of the tubular type with a horizontal configuration with flat covers [46–48]

Рис. 8. Электробаромембранный аппарат трубчатого типа со сферическими крышками [49–55]

Electrobaromembrane apparatus of the tubular type with spherical covers [49–55]

Анализируя конструктивные элементы аппаратов трубчатого типа (см. рис. 8), стоит отметить монополярные электроды с подложками и мембранами, размещенными на концентрических элементах. Фильтрующие элементы (трубки) могут быть оснащены мембранами, размещенными снаружи или изнутри. В некоторых случаях размещение производится с обеих сторон [53–55].

Анализ устройств (см. рис. 8) выявляет существенные недостатки указанного класса аппаратуры в виде значительного расхода конструкционного материала, особенно при обеспечении круглых (сферических) крышек [49–51] и выносных газоотводчиков и пермеатоотводящих штуцеров (патрубков) [52–55], около которых остается неиспользуемым значительный объем материала, что, как следствие, сказывается на значительном перерасходе материальных ресурсов предприятия при изготовлении аппаратуры (особенно когда в межмембранном канале камер разделения установлены элементы для охлаждающего раствора, которые блокируют часть рабочей поверхности мембран для течения растворителя).

Более универсальными мембранными аппаратами являются конструкции аппаратов трубчатого типа с плоскими крышками (см. рис. 7). Они обеспечивают такую же плотность упаковки мембран, как и конструкции аппаратов, представленных на рисунке 8.

Плотность самой упаковки мембран является небольшой, но обеспечивается приемлемая площадь фильтрации.

Данные аппараты способны работать долгий период, не подвергаясь замене (или промывке) при обрастании взвешенными веществами и коллоидными частицами, но уступают своей проницаемостью (производительностью) и задерживающей способностью другим типам конструкций, например, рулонным (см. рис. 9).

3. Электробаромембранные аппараты рулонного типа (ЭБМАРТ) представляют собой один или несколько последовательно вставленных в полимерный (или стальной для электробаромембранных работающих без токовой нагрузки) корпус рулонных модулей, каждый из которых представляет собой две склеенные между собой мембраны, разделенные пористым дренажным слоем, по которому движется пермеат.

Плотность упаковки мембран является существенной. Подобные аппараты сложны в изготовлении и не имеют возможности замены отдельных мембран, если они запаяны в полимерной обечайке.

Мембранные аппараты рулонного типа представлены на рисунке 9.

Подобные устройства по конструктивному оформлению можно условно разделить (рис. 9) на аппараты с плоскими крышками: с одной секционированной перфорированной пермеатоотводящей трубкой (а) [56, 57] и одной полой перфорированной пермеатоотводящей трубкой (б) [58].

Аппараты с плоскими крышками, одной полой (или секционированной) перфорированной щелевой трубкой и полуцилиндрами корпуса аппарата (без охлаждения (см. рис. 9, в, г, д [59–61]) и с охлаждением растворов (горизонтального и вертикального типов (см. рис. 9, е, ж [62, 63]); с фланцами, вспомогательными трубками (для подачи, отвода разделяемого раствора), охлаждающим контуром (см. рис. 9, з [64]) и с фланцами, вспомогательными трубками (для подачи, отвода разделяемого раствора), турбулизирующим модулем типа «улитка» (см. рис. 9, и, к [65, 66]).

Технические результаты аппаратурного оформления ЭБМАРТ (рис. 9): повышение производительности и качества разделения растворов, турбулизация раствора, охлаждение растворов, снижение эффекта концентрационной поляризации и др.

Наиболее сложными в исполнении являются аппараты со специальными турбулизирующими модулями типа «улитка» (см. рис. 9, и, к [65, 66]). Более простыми являются конструкции устройств с плоскими крышками и одной секционированной перфорированной пермеатоотводящей трубкой (или полой пермеатоотводящей трубкой), (см. рис. 9, а [56, 57], б [58]), так как на них затрачивается мало материала при изготовлении.

Промежуточное положение между теми и другими занимают аппараты с плоскими крышками, одной полой (или секционированной) трубкой и полуцилиндрами корпуса аппарата (без охлаждения (см. рис. 9, в, г, д [58–60]) и с охлаждением растворов горизонтального и вертикального типов (см. рис. 9, е, ж [61, 62]), а также аппараты с фланцами, вспомогательными трубками (для подачи, отвода разделяемого раствора), охлаждающим контуром (см. рис. 9, з [63]), но при этом требуется тщательная герметизация охлаждающего контура.

Рис. 9. Электробаромембранный аппарат рулонного типа [56–66]

Electrobaromembrane apparatus of the roll type [56–66]

Плотность упаковки мембран в рулонных аппаратах является значительной (см. рис. 9), аппараты занимают мало места в цеху (или на производстве) и обеспечивают большую площадь фильтрации.

Сочетание преимуществ различных аппаратов отмечается в конструкциях аппаратов комбинированного типа.

4. Электробаромембранные аппараты комбинированного типа (ЭБМАКТ) являются относительно новым классом конструкций аппаратов, которые появились как класс впервые в 2020 г. В их основу легли подобные аппараты комбинированного типа, но только работающие чисто как баромембранные, которые могут использоваться для концентрирования и очистки технологических растворов, например конструкция, представленная в работе [67]. Отличительной особенностью аппаратов этого типа является их форма – тор.

Приведем некоторые конструкции электробаромембранных аппаратов комбинированного типа с короткими (рис. 10, а [68]) и длинными трубками для концентрирования (разделения) растворов (см. рис. 10, б [69]).

Рис. 10. Электробаромембранный аппарат комбинированного типа

Electrobaromembrane apparatus of the combined type

Технический результат анализируемых конструкций мембранных аппаратов комбинированного типа заключается в увеличении поверхности разделениия плоскокамерного элемента для первой ступени и для трубчатого модуля второй ступени концентрирования, повышении качества и эффективности концентрирования растворов, снижении гидравлического сопротивления в каналах для отвода пермеата первой ступени плоскокамерного модуля, но увеличении ее во второй ступении.

Эти конструкции аппаратов представляют собой совокупность плоскокамерных и трубчатых модулей, интегрированных в одной конструкции. Данные технические устройства содержат в себе все положительные стороны своих предшественников, но в то же время сложность и объемность конструкции несет некоторые издержки для внедрения на производстве.

Наличие тороидальной формы конструкции комбинированного электробаромембранного аппарата обеспечивает хорошие прочностные характеристики, что подтверждается данными работ [70, 71].

Сложностью изготовления аппаратов данного типа является высокое гидравлическое сопротивление, особенно в аппаратах с длинными трубками для разделения или концентрирования растворов.

На основе проведенного анализа и обобщения конструктивного оформления интенсификации процесса мембранного концентрирования (разделения) жидких систем предложена схема классификации подобных аппаратов (рис. 11).

Рис. 11. Схема классификации мембранных аппаратов при интенсификации процесса

концентрирования (разделения) жидких пищевых систем по конструктивному оформлению

Classification scheme of membrane devices for intensification of the concentration (separation) process

of liquid food systems according to their design