Фільтрування під дією відцентрової сили

Теория процесу. Відцентрове фільтрування суспензій здійснюється в центрифугах з перфорованими барабанами, що обертаються, з вмонтованою усередині фільтрувальною перегородкою.

Повний цикл центрифугування, наприклад, стосовно розділення цукрового утфеля, складається з наступних чотирьох послідовних періодів:

1. власне фільтрування з інтенсивним виділенням фільтрату (оттека) з одночасним утворенням шару цукру на фільтрувальній перегородці;

2. ущільнення шару цукру і видалення залишку фільтрату з міжкристального простору;

3. промивання цукру водою або парою, що супроводжується видаленням залишків меляси з поверхні кристалів і з капілярів в шарі цукру;

4. механічної, що підсушила цукру і подальшого вивантаження його з барабана центрифуги.

Тиск р _ц (в Па), що діє на стінку барабана,

 

p_ц = ω² ρ (r₂² – r₁²) / 2 (3.40)

 

Тоді стосовно до відцентрового фільтрування, що протікає при Δр = const, основне рівняння (15.2) для швидкості відцентрового фільтрування запишеться так:

 

w = dV / (F d τ) = p _ц / [(µ (R _oc + R _пер)] (3.41)

 

Будова й принцип дії центрифуг. По режиму роботи напівавтоматичні й автоматичні фільтруючі центрифуги розділяються на: періодичної й безперервної дії з фактором поділу до 3000. По розташуванню вала: вертикальні й горизонтальні. Вал барабана вертикальної центрифуги: має опору внизу або підвішується до вала електродвигуна. По способу вивантаження осаду: центрифуги з ручним вивантаженням, саморозвантажні, лопатеві, з видаленням осаду за допомогою ножів поршня, що пульсує, або під дією відцентрової сили.

 

 

Зворотний осмос і ультрафильтрование*

Методи зворотного осмосу і ультрафильтрования полягають у фільтруванні розчинів під тиском через напівпроникні мембрани, що вибірково пропускають розчинник і повністю або частково затримуючі молекули розчинених в них речовин. У основі цих способів лежить явище осмосу – мимовільного переходу розчинника (води) в розчин через, напівпроникну мембрану 1 (мал. 3.21, а). Тиск π в розчині, що примушує розчинник переходити через мембрану, називають осмотичним.

Створивши над розчином тиск р ₁ рівне осмотичному (мал. 3.21, б), осмос припиняється і настає стан рівноваги. Якщо ж над розчином створити надмірний тиск р ₂, що перевищує осмотичний тиск π на величину Δ р (мал. 3.21, в), то перехід розчинника здійснюватиметься у зворотному напрямі і тоді процес називають зворотним осмосом.

Згідно простої теорії механізм фільтрування через пористу мембрану пояснюється тим, що пори такої мембрани досить великі для того, щоб пропускати

Осмос Рівновага Зворотна осмос Малюнок 3.21 Зображення осмотических процесів

молекули розчинника, але занадто малі, щоб пропускати молекули розчинених речовин.

За іншими уявленнями цей механізм набагато складніше і виборча здатність мембран, очевидно, обумовлюється електричними силами, що виникають в мембрані, відмінністю коефіцієнтів дифузії компонентів розчину, формою і розмірами молекул, та ін. Зворотний осмос і ультрафильтрование мають принципова відмінність від звичайного фільтрування.

Якщо при звичайному фільтруванні осідань відкладається на фільтрувальній перегородці, то при зворотному осмосі і ультрафильтровании утворюються два розчини, один з яких збагачений розчиненою речовиною. У цих процесах накопичення речовини у вигляді осаду на поверхні мембрани неприпустимо, оскільки це призводить до різкого погіршення її роботи.

_________________

* Іноді в спеціальній літературі зворотний осмос і ультрафильтрование об'єднують під загальною назвою «гіперфільтрування» – процес фільтрування розчинів через напівпроникні мембрани з порами розміром менш 0,5 мкм.

 

В той же час зворотний осмос і ультрафильтрование мають багато спільного: для їх здійснення використовуються мембрани, виготовлені з одного і того ж матеріалу, але різні розміри пір, що мають. В процесі ультрафильтрования мембраною затримуються речовини з молекулярною масою 500 і більше, а низькомолекулярні речовини і розчинник вільно проходять через пори. При зворотному осмосі мембраною затримуються як високомолекулярні речовини, так і велика частина низькомолекулярних, а проходить через неї майже чистий розчинник.

Таким чином, ультрафильтрование є способом концентрації високомолекулярних речовин з одночасним очищенням їх від низькомолекулярних речовин, а зворотний осмос – способом концентрації усіх речовин, що знаходяться в цьому розчині, або способом виділення чистого розчинника з розчину.

Величина осмотичного тиску π (у Па) для розчинів визначається по рівнянню Вант-Гоффа

 

π = i R Т х / М, (3.42)

 

де i = 1 + α –коефіцієнт Вант-Гоффа;

α – міра дисоціації розчиненої речовини;

R – газова постійна;

Т – абсолютна температура розчину, К;

х – концентрація розчиненої речовини, г/л;

М – молекулярна маса розчиненої речовини, г/моль.

З рівняння (3.42) виходить, що осмотичний тиск розчинів прямо пропорціонально їх температурі і концентрації і обернено пропорційно до молекулярної маси розчиненої речовини.

Для розчинів сахарози концентрацією від 5 до 35 мас. % інтервалі температур від 0 до 60°С осмотичний тиск (в кПа) можна розрахувати по формулі

 

π = 41,2 х ^1,32, (3. 43)

 

де х – концентрація сахарози в розчині, мас. %.

Для виготовлення таких мембран застосовують полімерні плівки, пористе скло, металокераміку і інші матеріали. Для практичного застосування мембрани, що виготовляються, повинні відповідати наступним основним вимогам:

мати високу розділяючу здатність (селективність);

вибірково пропускати одні речовини і не пропускати інші;

мати високу питому продуктивність(проникність);

бути стійкими до дії середовища, що розділяється, і мікроорганізмів;

мати достатню механічну міцність і постійність технічних характеристик в процесі експлуатації мембрани;

не містити токсичних речовин;

мати невисоку вартість.

Завдяки простоті мембранних установок, проведенню процесів при звичайній температурі і економічності методи ультрафильтрования і зворотного осмосу застосовують для згущування фруктових соків, молока і сирної сироватки, цукрових розчинів, ферментних препаратів, опріснення морських і солоних вод, очищення виноматериалов, пива і інших продуктів.

Розрізняють апарати, в яких фільтрувальні елементи виконані у вигляді плоских камер, труб і у вигляді спіралі.

У апараті з плоскими камерами (мал. 3.22, а) фільтрувальний елемент складається з двох мембран 1, укладених по обидві сторони плоского пористого матеріалу - дренажу 2. Дренажні листи розташовані на деякій відстані один від одного, утворюючи простір для потоку розчину, що розділяється. Пакет фільтрувальних елементів затискається двома фланцями 3, які стягуються між собою болтами.

Розчин, що розділяється, послідовно проходить через усі фільтрувальні елементи, концентрується при цьому і йде з апарату, а який пройшов через мембрану фільтрат відводиться з дренажних шарів у збірку.

Трубчастий фільтрувальний елемент (мал. 3.22, б) складається з мембрани 3 і дренажного каркаса. Дренажний каркас виконаний з перфорованої труби 1, що забезпечує міцність елементу і відведення фільтрату, і пористої підкладки 2,

Малюнок 3.22. Схема роботи мембранних фільтрувальних елементів

 

мембрани, що запобігає втискуванню, в дренажні отвори труби під дією робочого тиску. Такі елементи збирають в циліндричний кожух подібно до труб в кожухотрубному теплообміннику.

 

Основними регульованими параметрами процесу фільтрування є якість отримуваних фракцій і продуктивність пристрою по основному продукту. Ці показники залежать від питомого навантаження пристрою по початковій суміші, її температури, величини рушійної сили і опорів осаду і фільтрувальної перегородки.

 

 

Очищення повітря і газів

 

Загальна характеристика процесу очищення. Особливу небезпеку викликає забруднення повітря в робочому приміщенні цукровим і борошняним пилом, здатним за наявності відкритого вогню вибухати.

Способи очищення повітря і газів: відцентрове осадження, мокре очищення, фільтрування, осадження в полі дії електричних сил.

Ефективність роботи вказаних пристроїв оцінюється мірою очищення η (в %) повітря або газів від домішок, яка визначається по формулі

 

η = (с_l – с₂)∙100 / с₁ (3.44)

 

де с₁ іс ₂ – концентрація зважених часток у вихіднім і очищенім повітрі (газі), мг/м³.

Способи й пристрої для очистки повітря й газів. Відцентрове осадження. Відцентрове осадження твердих часток, що містяться в газі, робиться в циклонах і батарейних циклонах, працюючих аналогічно гідроциклонам.

Мокре очищення. Міра очищення повітря в циклоні підвищується до 96...99% если внутрішні стінки циклону змочувати водою. Застосовують також скрубер Вентури, пінний пиловловлювач і пиловловлювач з плаваючим шаром, що фільтрує.

Фільтрування. Для фільтрування повітря і газів широко застосовують фільтри тканинні (рукавні), масляні, металокерамічні, фільтри И.В. Петрянова та ін.

Добрі результати по очищенню повітря від мікроорганізмів дають фільтри з шаром із скловолокна або базальтового волокна, укладеного на грати, металокерамічні фільтри, фільтри з губчастим пенополиуретаном, нетканими матеріалами з синтетичних волокон та ін.

Неткані фільтрувальні матеріали з антимікробних целюлозних волокон, що містять бактерицидний гексахлорофен, широко використовують для отримання стерильного повітря.

З усіх пористих фільтрувальних матеріалів широке застосування отримали матеріали на основі пластмасс (поліетилену, фторопласту і полівінілхлориду), що виготовляються як у вигляді патронів, так і у вигляді листів.

При отриманні стерильного повітря такі мембрани стерилізують окислом етилену, а не парою.

Електроосадження. Тверді рідкі частки, зважені в газі, можуть бути осаджені за допомогою

Малюнок 3.23 Принципових схем пластинчатого і циліндричного електрофільтрів

електроосаджувачів, що зазвичай називаються електрофільтрами. Газ, що підлягає очищенню, пропускається через осадительную камеру електрофільтру; проточна частина цієї камери виконується у вигляді пучка паралельних вертикальних труб або у вигляді пакету вертикальних пластинів. По осі труб діаметром 150...300 мм підвішуються і натягаються тонкі дроти діаметром близько 2 мм; такі ж дроти натягаються між пластинами (мал. 3.23).

Малюнок 3.24 Схема облаштування електрофільтру; 1 і 3 – газоходи 2 – труби; 4 – електроди; 5 – рама; 6 – ізолятори

До дротів і труб (чи до дротів і пластин) підводиться постійний струм високої напруги (до 90000 В); його отримують шляхом перетворення лінійної напруги змінного струму (220...500 В) за допомогою трансформатора, що підвищує, і випрямляча (механічного або кенотронного). На мал. 3.23 схематично показані два типи електрофільтрів, що живляться за допомогою високовольтних механічних випрямлячів. Випрямлення досягається шляхом синхронного замикання відповідних контактів в ланцюзі вторинної обмотки трансформатора. Рухливі контакти знаходяться на барабані, приведеному в рух синхронним електродвигуном.

Навколо дротів, приєднаних до негативного полюса, утворюється область іонізованого газу, молекули якого розщеплені на позитивно і негативно заряджені іони; негативні іони відштовхуються до стінок труб і пластинів і заповнюють увесь об'єм електроліту. По дорозі вони осідають на зважених в газі частках і захоплюють їх з собою до труб і пластин. Тут частки втрачають заряд і скачуються вниз по поверхні електродів.

Іонізований шар поблизу дротів світиться і видає шиплячий звук: цей шар називається короною, а дріт – коронирующим електродом. Пластини і труби, на яких осідає основна маса пилу, називаються осаджувальними електродами.

На мал. 3.24 приведена схема облаштування трубчастого електрофільтру. Що підлягає очищенню газ поступає в нижню камеру фільтру через газохід 1, проходить через труби 2 від низу до верху і виходить через газохід 3. Коронирующие негативні електроди 4 підвішені на загальній рамі 5, що спирається на ізолятори 6; останні винесені з потоку газу у бічні коробки щоб уникнути забруднення. Меншому забрудненню ізоляторів сприяє також нижнє введення запиленого газу.

Електроди струшуються за допомогою ударних пристосувань (молотків); пил з електродів падає в конічне днище фільтру.

Основними регульованими параметрами процесів очищення повітря і газів є якість отримуваних продуктів і продуктивність пристрою.

Ці показники залежать від питомого навантаження пристрою по початковій суміші, виду, терміну служби і гідравлічного опору фільтрувального матеріалу.