Лекция 8. Фильтрование жидкостных систем

Растительной природы

    Фильтрованием в производствах АПК называют такой механический процесс, когда разделение гетерогенной жидкостной системы биологического происхождения осуществляют при помощи пористой перегородки. Путем фильтрования проводят первичную обработку молока, посол сыров, брынзы, мясных продуктов, подвергают регенерации солевые растворы, осуществляют пропитку фруктов сиропами, отводят раствор сахара из утфеля, обезвоживают осадки сточных вод и другое. В настоящее время в связи с созданием перегородок мембранного типа с диаметром отверстий порядка величины молекул жидкости появилась возможность использовать фильтрование как процесс выделения из жидкости весьма высокой дисперсности (гиперфильтрование), в том числе и клеточных организмов в микробиологическом производстве.

Фильтрование суспензий является одним из сложных процессов, зависящим от большого числа геометрических и физико-химических параметров, что препятствует адекватному обоснованию математического моделирования фильтрования. До сравнительно недавнего времени основным подходом к решению проблем фильтрования суспензий биологического происхождения считается гидравлический, когда в основу анализа конкретных задач полагают закон сохранения массы (уравнение неразрывности) и феноменологические соотношения типа закона Дарси или других. Наряду с гидравлическим, за последние годы все более широкое распространение получает подход, основанный на использовании фундаментальных уравнений механики многокомпонентных взаимопроникающих сред в совокупности с уравнениями фильтрационной консолидации. Такой подход условно считают гидродинамическим.

    Решающую роль в процессе фильтрования играют свойства подвергаемых разделению биологических жидкостей, такие как плотность, вязкость, химическая активность, а также такие факторы как крупность и форма частиц и их электрокинетические свойства. Помимо этого, существенное влияние на процесс фильтрования оказывает такой параметр как объемная концентрация твердого в суспензии. В зависимости от степени концентрации твердой фазы в жидкостной смеси различают следующие виды фильтрования: с образованием осадка, промежуточное, с закупориванием пор осадком, с постепенным, а также полным закупориванием пор фильтровальной перегородки. Постепенное, либо полное закупоривание пор фильтрующих элементов обычно наблюдают при фильтровании мало концентрированных суспензий, тогда как фильтрование с образованием осадка   имеет место при разделении суспензий со средним и высоким уровнем концентрации твердого.

    Образующиеся при фильтровании суспензий осадки представляют собой весьма сложную многокомпонентную систему, структура которой состоит из различающихся по своей природе размерам и форме твердых частиц (твердая фаза), жидкости, пузырьков газа (жидкая и газовая фазы). В зависимости от размеров частиц, составляющих осадок, твердые частицы в большей или меньшей степени подвержены действию внешних и внутренних сил. Внутренние силы обусловливают связи между дисперсными частицами и агрегатами из этих частиц. Согласно классификации, данной акад. П.А. Ребиндером, образованные в процессе фильтрования связи относят к коагуляционным, конденсационно-кристаллизационным или смешанным коагуляционно-кристаллизационным. Если прочность коагуляционных структур, образованных в высокодисперсных суспензиях, обусловлена ван-дер-ваальсовыми силами сцепления, сравнительно невелика, то после разрушения этих структур и перехода их в коагуляционно-кристаллизационные, получают механические системы с прочными связями, обладающими способностями пластических сред.

    Поскольку структура осадков является весьма сложной, то проводить анализ процесса фильтрования на основе обычных методов гидродинамики не представляется возможным. В связи с этим при исследовании процесса фильтрования вводят те или иные отражающие общие статистические закономерности осредненные характеристики, справедливые для достаточно больших объемов осадка. Несмотря на то, что из-за сложности структуры осадка его невозможно описать адекватно набором конечного числа параметров, для конкретных инженерных задач фильтрования оказывается достаточно небольшого числа осредненных характеристик, отражающих в целом свойства осадка.

    В качестве осредненных параметров, описывающих характеристики осадка, принимают пористость В, проницаемость k или обратную ей величину - удельное сопротивление осадка. В предположении, что структура слоя осадка описана какой-либо одной из геометрических моделей, а осадок несжимаем, получают ту или иную эмпирическую зависимость, связывающую пористость осадка с его проницаемостью (формула Козени-Кармана или др.). Если осадок сжимаемый, то исходя из геометрических моделей осадка получают соответствующие более сложные функциональные зависимости пористости осадка от его проницаемости.

    Если в качестве основных гидравлических характеристик потока жидкости при фильтровании принимают скорость фильтрации v (как осредненную по объему жидкости), то при анализе задач фильтрования суспензий биологического происхождения используют эмпирический закон фильтрации в форме, предложенной Дарси. Этот закон эффективно применяют при исследовании ламинарных потоков жидкостей ньютоновского типа в практически несжимаемых пористых средах таких, например, как крупнозернистый песок.