Фильтрование в пищевых производствах

2.7.

Фильтрование в пищевых производствах

Фильтрованием называется процесс разделения неоднородных систем с использованием пористых перегородок, которые задерживают твердую фазу и пропускают дисперсионную среду. По характеру дисперсионной среды различают фильтрование жидкостей и фильтрование газов.

Процессы промышленного фильтрования могут быть разделены на две группы, отличающиеся своеобразием механизма. К одной группе относятся процессы фильтрования с образованием осадка, к другой группе - с закупориванием пор. Возможен также промежуточный вид фильтрования, когда твердые частицы проникают в поры фильтровальной перегородки и образуют на ней слой осадка.

Обычно размер пор фильтрующей перегородки больше размера взвешенных частиц. В процессе фильтрования с образованием осадка входы в капилляры фильтровальной перегородки перекрываются сводами из взвешенных частиц, которые предохраняют каналы от засорения. Образуется осадок, толщина которого увеличивается по мере фильтрования. После образования слоя осадок начинает играть основную роль задержания частиц, размеры которых больше размеров капилляров осадка. По мере роста толщины осадка увеличивается сопротивление фильтрованию, уменьшается скорость процесса.

В процессе фильтрования с закупориванием пор взвешенные частицы проникают в капилляры и застревают там. Накапливаясь в порах фильтра, частицы осадка закупоривают их. По мере увеличения числа закупоренных пор живое сечение фильтра уменьшается и сопротивление растет.

Тот или иной вид фильтрования зависит от свойств суспензии, фильтрующей перегородки, давления фильтрования, поэтому одна и та же суспензия может фильтроваться по-разному.

В производственных условиях под фильтрованием понимают не только операцию разделения суспензии на фильтрат и осадок с помощью фильтровальной перегородки, но и последующие операции промывки, продувки и сушки осадка на фильтре.

Уравнения фильтрования. Скорость процесса фильтрования пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению процесса:

где - объем фильтрата; - поверхность фильтрования; - разность давлений; - вязкость жидкой фазы суспензии; - сопротивление осадка; - сопротивление фильтровальной перегородки.

Разность давлений может быть создана при повышении давления над фильтровальной перегородкой или созданием вакуума под ней. В этой связи различают фильтры, работающие под давлением, и фильтры, работающие под вакуумом. Схема фильтра, в котором процесс осуществляется под действием перепада давления с отложением осадка, приведена на рис. 2.45.

Теория фильтрования основана на предположении о том, что в капиллярах осадка движение жидкости носит ламинарный характер.

По мере увеличения количества фильтрата, пропущенного фильтром, высота слоя осадка на его поверхности увеличивается. Это приводит к увеличению сопротивления . Величину можно считать приблизительно постоянной, пренебрегая при этом некоторым возможным ее увеличением вследствие проникновения в поры перегородки твердых частиц. Если величину поддерживать постоянной, то, как видно из уравнения, скорость фильтрования будет уменьшаться. Такой режим фильтрования называется фильтрованием при постоянном давлении.

Рис. 2.45. Схема фильтра: 1 – емкость; 2 – фильтрующая ткань; 3 – дренажная сетка;

4 – опорная решетка; I – cуспензия; II – осадок; III – фильтрат

Для интегрирования уравнения необходимо установить зависимость между сопротивлением слоя осадка и объемом полученного фильтрата. Введем следующие обозначения: - объем осадка.

Тогда высота слоя осадка равна

а сопротивление слоя осадка можно выразить равенством

где - удельное сопротивление слоя осадка.

Из этого равенства следует, что величина характеризует сопротивление, оказываемое потоку жидкой фазы равномерным слоем осадка толщиной 1 м.

Подставив значение в зависимость скорости процесса, получим

Если принять, что сопротивлением фильтровальной перегородки можно пренебречь, из предыдущего равенства получим

При динамическом коэффициенте вязкости 1 Па∙с, высоте осадка = 1 м и скорости фильтрования 1 м/с удельное сопротивление осадка .

Таким образом, удельное сопротивление осадка численно равно разности давлений, необходимой для того, чтобы жидкая фаза с вязкостью равной единице фильтровалась со скоростью 1 м/с через слой осадка толщиной 1 м.

Жидкость с такой большой вязкостью может существовать только гипотетически. В связи с этим на практике такой большой разности давлений быть не может. Для сильно сжимаемых осадков значение достигает 10¹² м ^-2 и более.

Если принять 0, что соответствует началу процесса фильтрования, когда на фильтровальной перегородке еще не образовался слой осадка, из уравнения для скорости фильтрования получим

При динамическом коэффициенте вязкости 1 Па∙с и скорости фильтрования 1 м/с сопротивление фильтровальной перегородки . Это означает, что сопротивление фильтровальной перегородки численно равно разности давлений, необходимой для того, чтобы жидкая фаза с вязкостью равной единице проходила через фильтровальную перегородку со скоростью 1 м/с. Для ряда фильтровальных перегородок величина имеет порядок 10¹⁰ м ^-1.

При постоянной разности давлений и неизменной температуре фильтрата, фильтра конкретной конструкции и установленных параметров фильтровальной перегородки все входящие в уравнение фильрования величины постоянны, за исключением получаемого на фильтре объема фильтрата и времени . Проинтегрируем это уравнение в пределах от 0 до и от 0 до :

или

Уравнение показывает зависимость продолжительности фильтрования от объема фильтрата. При решении его относительно можно получить зависимость объема получаемого фильтрата от продолжительности фильтрования. Это уравнение применимо к сжимаемым и несжимаемым осадкам. Постоянную разность давлений можно создавать двумя способами: или пространство над фильтровальной перегородкой сообщают с источником сжатого воздуха, или пространство под фильтровальной перегородкой присоединяют к источнику вакуума. Обычно такие процессы осуществляют в так называемых нутч-фильтрах.

В процессе фильтрования при постоянной скорости суспензию на фильтр подают поршневым насосом, производительность которого при заданном числе оборотов постоянна. В этой связи производную можно заменить отношением конечных величин и

Уравнение для скорости имеет вид

Решим это уравнение относительно разности давлений , значение которой меняется с увеличением высоты осадка:

Из уравнения следует, что разность давлений возрастает по мере увеличения продолжительности процесса. Это уравнение применимо к несжимаемым осадкам. При использовании его для сжимаемых осадков следует иметь аналитическую зависимость удельного сопротивления осадка от разности давлений.

Фильтрование при постоянных разности давлений и скорости осуществляется при прохождении чистой жидкости в процессе промывки осадка на фильтре способом вытеснения.

Для расчета объема промывной жидкости, подаваемой на фильтр при , из уравнения фильтрования получим

Это уравнение применимо для сжимаемых и несжимаемых осадков, поскольку в процессе фильтрования .

Определение постоянных в уравнениях фильтрования. К постоянным параметрам в приведенных уравнениях фильтрования относятся: и .

Рассмотрим один из способов их определения на примере уравнения фильтрования при постоянной разности давлений :

Преобразуем уравнение к виду

где - удельный объём фильтрата; - константа фильтрования, характеризующая гидравлическое сопротивление фильтрующей перегородки; - константа фильтрования, учитывающая режим процесса фильтрования и физические свойства осадка и жидкости.

Уравнение (2.18) представляется в виде

. (2.19)

Уравнение (2.19) представляет собой прямолинейную зависимость между величинами . Эта зависимость может быть использована для графического определения констант . Для этой цели на оси абсцисс откладываются удельные объёмы фильтрата (рис. 2.46), полученные на основании опытов, а по оси ординат отношения текущего времени от начала опыта к соответствующему удельному объёму фильтрата . По значениям вычисляют и . Величину определяют непосредственным измерением объемов осадка и фильтрата.

Рис. 2.46. К опытному определению констант фильтрования

С целью интенсификации фильтрования движущая сила процесса может быть значительно увеличена за счет помещения разделяемой неоднородной системы в поле центробежных сил.  Фильтрование под действием центробежной силы проводится на фильтрующих центрифугах и называется центробежным  фильтрованием. Барабаны центрифуг с перфорированной стенкой выкладываются изнутри мягким материалом, который выполняет роль фильтровальной перегородки. Под действием центробежной силы в массе фильтруемой суспензии развивается давление, обеспечивающее фильтрование суспензии. В результате происходит отложение осадка на внутренней поверхности барабана и удаление осветленной жидкости через фильтрующую перегородку и отверстия в барабане.

Центробежное фильтрование включает в себя три периода (рис. 2.47): образование осадка, уплотнение осадка и механическую сушку осадка или отжима.

Рис. 2.47. Изменение скорости фильтрования на фильтрующих центрифугах:                          1 – образование осадка; 2 – уплотнение осадка; 3 – отжим

В первом периоде происходит  наиболее интенсивное удаление жидкости. Для первого периода применимы установленные выше закономерности кинетики фильтрования. Давление фильтрования определяется центробежной силой элементарного объема массой , которое изменяется с радиусом барабана:

.

Давление на фильтрующую перегородку, развиваемое всей массой суспензии в барабане, определяется интегрированием уравнения в пределах  (рис. 2.48):

.

Зная давление, развиваемое центробежной силой, на фильтрующую перегородку, из уравнения фильтрования для постоянной разности давлений (2.16) при замене можно получить зависимость для расчета времени фильтрования:

,

т.е.                                           .

Для второго и третьего периодов центрифугирования не найдено аналитических зависимостей, с помощью которых можно получить удовлетворительные результаты. Обычно в связи с их невысокой точностью длительность процесса фильтрования определяют опытным путем.

Рис. 2.48. К расчету центробежного давления фильтрования

2.8. Перемешивание в жидкой фазе

Перемешивание в жидких средах применяется в пищевой промышленности для приготовления суспензий, эмульсий и получения гомогенных систем (растворов), а также для интенсификации тепловых и диффузионных процессов. В последнем случае перемешивание осуществляют непосредственно в предназначенных для проведения этих процессов аппаратах, снабженных перемешивающими устройствами.

Перемешивание в жидкой среде осуществляется тремя основными способами: механическим, пневматическим и циркуляционным.

Для экономичного проведения процесса перемешивания желательно, чтобы требуемый эффект перемешивания достигался за наиболее короткое время. При оценке расхода энергии перемешивающим устройством следует учитывать общий расход энергии за время, необходимое для обеспечения заданного результата перемешивания.

Механические перемешивающие устройства. В практике наибольшее распространение получил механический метод перемешивания жидких сред, осуществляемый путем механического воздействия рабочего органа (мешалки) на рабочую среду. Этот метод перемешивания используется в аппарате, состоящем, как правило, из корпуса, перемешивающего устройства и его привода.

Немаловажное значение в работе аппарата имеет тип и конструкция перемешиваемого устройства, работа которого заключается в превращении упорядоченной механической энергии вращающихся элементов в неупорядоченную тепловую энергию за счет сил сопротивления, создаваемых корпусом аппарата. В результате этого перемешивающее устройство осуществляет диссипацию энергии в объеме аппарата, величина которой зависит как от конструкции мешалки и характеристики привода, так и от конструкции аппарата и его внутренних устройств. Все эти характеристики аппарата в совокупности определяют мощность перемешивания N. Мерой мощности перемешивания может также служить объемная мощность, характеризующая диссипацию энергии в аппарате:

,                                                (2.20)

где - объем перемешиваемой жидкости.

В аппарате любого объема в зависимости от частоты вращения имеют место различные гидродинамические режимы движения жидкости, определяющие величину Е. Области работы аппаратов поэтому могут быть охарактеризованы мерой этой величины – критерием мощности, который вычисляется по формуле

,                                         (2.21)

где ρ - плотность перемешиваемой среды, d – диаметр мешалки; n -  число оборотов мешалки.

Для аппаратов всех типов значение  зависит от центробежного критерия Рейнольдса:

.                                            (2.22)

Конструкции мешалок. Механические перемешивающие устройства состоят из трех основных частей: собственно мешалки, вала и привода. Мешалка является рабочим элементом устройства, закрепляемым на вертикальном, горизонтальном или наклонном валу. Привод может быть осуществлен или непосредственно от электродвигателя (для быстроходных мешалок), или через редуктор, или клиноременную передачу. По конструкции перемешивающих устройств (рис. 2.49) различают мешалки лопастные, пропеллерные, турбинные и специальные.

По типу создаваемого мешалкой потока жидкости в аппарате различают мешалки, обеспечивающие тангенциальное, радиальное, осевое и смешанное течение.

Широкое применение в пищевых производствах нашли мешалки: лопастные, пропеллерные, турбинные и специальные: листовые,  барабанные, дисковые,  вибрационные и др.



а)                          б)                         в)

Рис. 2.49. Основные типы мешалок: а)  лопастная; б)  пропеллерная;

в)  турбинная

Интенсивность перемешивания мешалками (количество энергии, вводимой в единицу объема перемешиваемой среды за единицу времени) для обеспечения заданной эффективности перемешивания (технологического эффекта процесса) назначается на основании опытных данных.  Поэтому при подборе мешалки необходимо установить тип, размеры и число оборотов мешалки, которые обеспечивали назначенную интенсивность, а также определить мощность двигателя для мешалки. На основании практики установлено, что при работе мешалок различного типа в аппаратах возникают определенным образом направленные токи жидкости. Примером могут служить токи жидкости, возникающие в аппарате с лопастной мешалкой (рис. 2.50).

Рис. 2.50. Токи жидкости, возникающие в аппарате с лопастной мешалкой

Лопастные мешалки применяют для перемешивания жидкостей с небольшой вязкостью (до 0,1 Па∙с), растворения и суспензирования твердых веществ с малым удельным весом, а также для грубого смешения жидкостей вязкостью меньше 20 Па∙с. Лопастные мешалки отличаются простотой конструкции и низкой стоимостью изготовления. Наиболее просты по устройству мешалки с плоскими лопастями из полосовой или угловой стали, установленные перпендикулярно или наклонно к направлению их движения. Частота вращения таких мешалок колеблется от 18 до 80 об/мин, при увеличении частоты вращения выше указанной эффективность перемешивания резко снижается. Диаметр лопастей составляет 0,7 диаметра сосуда, в котором работает мешалка.

К недостаткам лопастных мешалок относятся - малая интенсивность перемешивания густых и вязких жидкостей, а также полная непригодность для перемешивания легко расслаивающихся веществ, для быстрого растворения, тонкого диспергирования и получения суспензий, содержащих твердую фазу с большим удельным весом.

Пропеллерные мешалки. Плоские лопасти мешалок, поверхность которых перпендикулярна направлению движения перемешиваемой жидкости, не могут обеспечить хорошего перемешивания во всех слоях жидкости, так как создают в ней главным образом только горизонтальные токи.

При использовании пропеллерных мешалок (рис. 2.51), в связи с переменным углом наклона поверхности лопасти, частицы жидкости при перемешивании направляются в различных направлениях, в результате возникают встречные токи, способствующие интенсификации перемешивания.

Рис. 2.51. Пропеллерная мешалка:

1– вал; 2 – корпус аппарата; 3 – диффузор; 4 – пропеллер

Для улучшения циркуляции перемешиваемой жидкости пропеллерную мешалку часто устанавливают в диффузоре. Диффузор  представляет собой стакан, имеющий форму цилиндра или слегка усеченного конуса.

Пропеллерные мешалки применяют для интенсивного перемешивания маловязких жидкостей, взмучивания осадков, содержащих до 10 % твердой фазы с размерами частиц до 0,15 мм, приготовления суспензий и эмульсий. Пропеллерные мешалки непригодны для удовлетворительного  перемешивания жидкостей значительной вязкости (более 0,6 Па∙с) или жидкостей, содержащих твердую фазу высокой плотности.

Турбинные мешалки применяют для интенсивного перемешивания и смешения жидкостей с вязкостью до 10 Па∙с мешалками открытого типа и до 50 Па∙с мешалками закрытого типа, для тонкого диспергирования, быстрого растворения или выделения осадков в больших объемах. Мешалка состоит из одного или нескольких центробежных колес (турбинок), укрепленных на вертикальном валу. Турбинные мешалки могут быть двух типов: открытого  и закрытого  (рис. 2.52).

Рис. 2.52. Типы турбинок: а)  открытая с прямыми радиальными лопатками;

б) открытая с криволинейными лопатками; в)  закрытая с направляющим аппаратом

Закрытые мешалки устанавливают внутри направляющего аппарата, представляющего собой неподвижное кольцо с лопатками, изогнутыми под углом от 45º до 90º . При частоте вращения 100–350 об/мин турбинные мешалки обеспечивают интенсивное перемешивание жидкости. Недостатки мешалок этого типа – относительная сложность конструкции и высокая стоимость изготовления.

Для перемешивания жидкостей в аппаратах, обогреваемых с помощью рубашки или внутренних змеевиков, в тех случаях, когда возможно выпадение осадка или загрязнение теплопередающей поверхности, применяют якорные  или рамные  мешалки. Они имеют форму, соответствующую форме аппарата, и диаметр, близкий к внутреннему диаметру аппарата или змеевика. При вращении эти мешалки очищают стенки и дно аппарата от налипающих загрязнений.

Листовые мешалки  имеют лопасти большей ширины, чем лопастные,  относятся к мешалкам, обеспечивающим тангенциальное течение перемешиваемой среды. Кроме чисто тангенциального потока, который является преобладающим, верхние и нижние кромки мешалки создают вихревые токи, подобные тем, которые возникают при обтекании жидкостью плоской пластины с острыми краями.

При больших скоростях вращения листовой мешалки на тангенциальный поток накладывается радиальное течение, вызванное центробежными силами. Листовые мешалки применяют для перемешивания маловязких жидкостей (вязкостью менее 0,05 Па∙с), интенсификации процессов теплообмена, при проведении химической реакции в объеме и растворении.

Барабанные мешалки  состоят из двух цилиндрических колец, соединенных между собой вертикальными лопастями прямоугольного сечения. Высота мешалки составляет (1,5 - 1,6)d. Мешалки этой конструкции создают значительный осевой поток и применяются (при отношении высоты столба жидкости в аппарате к диаметру барабана не менее 10) для проведения газожидкостных реакций, получения эмульсий и взмучивания осадков.

Дисковые мешалки  представляют собой один или несколько гладких дисков, вращающихся с большой скоростью на вертикальном валу. Течение жидкости в аппарате происходит в тангенциальном направлении за счет трения жидкости о диск, причем сужающиеся диски создают также осевой поток. Иногда края диска делают зубчатыми. Диаметр диска 0,1 - 0,15 диаметра аппарата. Окружная скорость равна 5-35 м/с, что при небольших размерах диска соответствует очень высоким числам оборотов.

Вибрационные мешалки имеют вал с закрепленными на нем одним или несколькими перфорированными дисками. Диски совершают возвратно-поступательное движение, при котором достигается интенсивное перемешивание содержимого аппарата. Мешалки используются для перемешивания жидких смесей и суспензий преимущественно в аппаратах, работающих под давлением. Время, необходимое для растворения, гомогенизации, диспергирования при использовании вибрационных мешалок, меньше, чем для мешалок других типов. Поверхность жидкости при перемешивании этими мешалками остается спокойной, воронки не образуется.

содержание   .. 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19  ..