На підставі результатів теоретичних і експериментальних досліджень доведено неповна відповідність фільтраційного коефіцієнта і швидкості фільтрування сатураційних соків під тиском. Наведено конструкції та принципи роботи вдосконаленого пристрою для визначення швидкості фільтрування суспензій сатураційних соків під тиском і портативного пристрою для визначення швидкості фільтрації сатураційних соків під тиском в потоці в виробничих умовах. Представлені результати випробувань пристроїв в умовах цукрових заводів. Досліджено можливість визначення швидкості фільтрування під тиском сиропу і наведені експериментальні дані про вплив флокулянта на його фільтраційну здатність.

Анотація наукової статті за технологіями матеріалів, автор наукової роботи - Ткаченко С.В., Хомічак Л.М., Верченко Л.М., Шейко Т.В., Стичинський Е.В.


The article begins with the analysis and comparison of the impediment mechanisms variety of the suspension particles of firm phase by filter layer. Based on the results of theoretical and experimental investigations was found out an incomplete accordance of using the filtration coefficient for determination of ability to filter of saturation juices suspensions under pressure. It was shown the construction and operation principle of improved device for determining the filtration rate of suspensions of saturation juices under pressure. It was shown the test results of improved device under sugar factory conditions. The design and principle of operation of the portable device to determine the filtration rate of suspensions carbonated juices under pressure in the flow. Device test results are presented in a sugar factory. The possibility of determining the rate of pressure filtration of syrup, and the experimental data on the effect of flocculant to its filtration capacity.


Область наук:

  • технології матеріалів

  • Рік видавництва: 2017


    Журнал

    цукор


    Наукова стаття на тему 'АКТУАЛЬНІСТЬ ВИЗНАЧЕННЯ швидкість фільтрування напівпродукту ЦУКРОВОГО ВИРОБНИЦТВА ПІД ТИСКОМ'

    Текст наукової роботи на тему «АКТУАЛЬНІСТЬ ВИЗНАЧЕННЯ швидкість фільтрування напівпродукту ЦУКРОВОГО ВИРОБНИЦТВА ПІД ТИСКОМ»

    ?Kelvion

    УДК 664.1.038

    Актуальність визначення швидкості фільтрування напівпродуктів цукрового виробництва під тиском

    С.В. ТКАЧЕНКО, канд. техн. наук (e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.), Л.М. Хомічак, д-р техн. наук, проф., член-кор. НААНУ,

    Л.М. ВЕРЧЕНКО, канд. техн. наук, Т.В. ШЕЙКО, канд. техн. наук,

    Інститут продовольчих ресурсів НААНУ

    Е.В. СТИЧИНСЬКИЙ, директор ТОВ «Фабрика Філкон»

    Визначення седиментаційно-фільтраційних властивостей напівпродуктів цукрового виробництва має велике практичне значення, оскільки ці властивості в першу чергу визначають ефективність роботи станції фільтрування. Будь-яке порушення нормальної роботи фільтрувальної станції призводить до порушення роботи всього цукрового заводу, зниження продуктивності, збільшення втрат цукру і погіршення його якості. Тому об'єктивне визначення седиментаційно-фільтраційних властивостей напівпродуктів цукрового виробництва - необхідна умова нормальної роботи всього цукрового заводу.

    Суспензії цукрового виробництва - складні гетерогенні системи, фільтрування яких залежить від безлічі фізико-хімічних і гідродинамічних факторів. Автори роботи [1] Є.І. Воробйов і Ю.В. Анікєєв пояснюють механізми фільтрування суспензій різноманітним механізмом затримки частинок твердої фази суспензії фільтрувальним шаром (рис. 1).

    Частинки твердої фази суспензії можуть затримуватися на поверхні фільтрувального шару (рис. 1, а, б, в) або всередині нього (рис. 1, г, д). Так, в процесі фільтрування суспензій масивних однорідних частинок на поверхні фільтрувального шару утворюється нестисливий шар осаду (рис. 1, а).

    При фільтруванні среднеконцентрірованних і висококонцентрованих суспензій з полідисперсними частинками твердої фази на поверхні фільтрувального шару утворюється стискається шар осаду (рис. 1, б). Крім цього, під час фільтрування деяких суспензій можлива також деформація аморфних слизових частинок, які «розтікаються» по поверхні фільтрувального шару, що призводить до закупорки його каналів (рис. 1, в).

    У разі фільтрування низькоконцентрованого суспензій частинки твердої фази затримуються усередині фільтрувального шару, при цьому відбувається так зване глибинне фільтрування (рис. 1, г, д).

    Інтенсивність затримки залежить від концентрації і розміру частинок твердої фази суспензії, структури і розміру пір фільтрувального шару, рушійної сили процесу, впливу сил різної природи, які діють на частинки в зоні утворення осаду.

    Сьогодні на більшості цукрових заводів і в науково-дослідних установах технологи-практики і технологи-вчені фільтраційну здатність сатураційних соків характеризують за допомогою фільтраційного коефіцієнта (? К). Це пов'язано в першу чергу з впровадженням в 50-х рр. минулого століття на багатьох цукрових заводах безперервного фільтрування на вакуум-фільтрах [10], тому фільтраційну здатність соку I сатурації оцінювали саме величиною? к.

    Сьогодні цукрові заводи для фільтрування соку I сатурації використовують фільтри-згущувачі, а також впроваджують фільтр-преси різної конструкції для фільтрування суспензії I і II сатурації і контрольного фільтрування. Тому виникла необхідність визначення швидкості фільтрування сатура-ційних соків саме під тиском.

    Традиційно для визначення фільтраційних показників соку I сатурації застосовують установку

    42 ЦУКОР № 3 • 2017

    А.К. Карташова [6] і мікрофільтр Дедек-Іванчо-ко [3, 4, 6]. Установка Карташова призначена для визначення тривалості фільтрування під тиском. Якщо врахувати площа фільтра, через яку фільтрується суспензія, а також обсяг фільтрату, то можна перерахувати тривалість фільтрування під тиском на швидкість фільтрування (Щ) [8, 9]:

    Щ = 7,64Д м3 / м2хчас,

    де t - час, необхідний для отримання певного обсягу фільтрату, хв.

    Згідно з даними, отриманими Карташовим, мінімальна тривалість фільтрування під тиском становить 8 хв. Якщо перерахувати цю величину згідно з формулою, то отримаємо мінімальну швидкість фільтрування під тиском 0,96 м3 / м2хчас.

    За більш сучасними даними, наведеними в роботі [2], мінімальна швидкість фільтрування під тиском для соку I сатурації становить 0,2 м3 / м2хчас. Про можливість використання фільтрів-згущувачів при незадовільних показниках Fk говорять отримані свого часу ВНДІЦП [5] дані: фільтраційний коефіцієнт суспензій, які можна згущувати на ФІЛС, може досягати 8 с / см2. При такій кордоні значень фільтраційного коефіцієнта фільтр-згущувач забезпечує швидкість фільтрування під тиском 8,4 дм3 / (м2хмін) [5], або 0,504 м3 / м2хчас.

    Микрофильтр Дедек-Іванченко призначений для визначення фільтраційного коефіцієнта, який визначається як різниця між часом проходження рівня фільтрату в бюретці між поділами 2-4 см3 і 6-8 см3, розділену на площу фільтра. Основним недоліком цього пристрою є те, що при перемішуванні суспензії соку відбувається тертя частинок на поверхні шару осаду на фільтрі, що призводить до змивання частинок осаду, викривленні результатів і поганий відтворюваності експериментів. Крім цього, в ході експерименту по визначенню Fk змінюється величина стовпчика фільтрату над фільтрувальної поверхнею і тим самим змінюється різниця тисків. Встановлено [4], що для нормальної роботи безперервної фільтрації Fk не повинен перевищувати 6 с / см2.

    Для порівняння фільтраційної здатності соків I сатурації А.К. Карташов призводить експериментальні дані, отримані на установці для визначення тривалості фільтрування під тиском і на установці для визначення Fk (рис. 2) [6].

    Із залежності видно, що мінімальна тривалість фільтрування під тиском (8 хв) не відповідає значенню Fk. Тому логічним буде висновок, що для визначення фільтраційної здатності соків на обладнанні, що працює під тиску-

    ням, необхідно керуватися не величиною Fk, а саме величиною швидкості фільтрування під тиском.

    З огляду на вищесказане, нами було вдосконалено пристрій [6] шляхом заміни і доповнення його окремих конструктивних елементів.

    На рис. 3 наведено загальний вигляд модернізованого лабораторного пристрою для визначення швидкості фільтрування суспензій цукрового виробництва під тиском (ЛУОСФ) і його схема [8, 9].

    Збірник суспензії, з огляду на ті її кількості, з якими працюють в лабораторних умовах, розрахований на об'єм 1 000 см3. Фільтрувальна тканина, що застосовується в пристрої для визначення швидкості фільтрування під тиском, широко використовується цукровими заводами для екіпіровки фільтрів-згущувачів.

    Лабораторне пристрій працює таким чином. Включають магнітну мішалку і наливають в збірник достатню кількість суспензії, її рівень контролюють покажчиком рівня рідини. Тиск створюють за допомогою повітряного насоса, повітря з якого надходить в ресивер. Після досягнення певного тиску в ресивері перекривають кран і відкривають редуктор з фільтром, з якого очищене повітря надходить до збірки суспензії, де створюється тиск. Постійна температура

    № 3 • 2017 ЦУКОР 43 -

    Kelvion

    Мал. 3. Загальний вигляд лабораторного пристрою для визначення швидкості фільтрування суспензій цукрового виробництва під тиском і його схема: 1 - повітряний насос; 2, 10 - крани; 3 - ресивер; 4, 6 - манометри; 5 - редуктор з фільтром; 7 - покажчик рівня рідини; 8 - збірник суспензії; 9 - магнітна мішалка; 11 - фільтрувальна головка; 12 - мірна ємність; 13 - термостат_

    в фільтрувальної голівці і збірнику суспензії підтримується за допомогою термостата. Після нагріву суспензії до потрібної температури в фільтрувальну головку вставляють фільтрувальну тканину. Після досягнення необхідного тиску в збірнику (що контролюється манометром), поступово відкривають кран подачі суспензії на фільтрувальну головку. Потім за допомогою редуктора з фільтром підтримують постійний тиск. За секундоміром відзначають час, який потрібен для отримання певного обсягу фільтрату. Швидкість фільтрування обчислюється за наведеною формулою [8, 9].

    З використанням вдосконаленого пристрою для визначення швидкості фільтрування під тиском досліджена швидкість фільтрування перед-сатураційних соків з різних витратою вапна при очищенні дифузійних соків різної якості. Крім цього показника визначали середню швидкість

    осадження за 5 хв ^ 5), обсяг осаду за 25 хв (У25) і фільтраційний коефіцієнт (? к) (табл. 1) [8, 9].

    Отримані дані підтвердили результати досліджень А.К. Карташова про неповну відповідність значень фільтраційного коефіцієнта і швидкості фільтрування під тиском. При високих значеннях фільтраційного коефіцієнта (6,2-9,8 с / см2), коли фільтрування вважається незадовільним, швидкість фільтрування під тиском приблизно в 3 рази перевищує мінімальну швидкість (0,2 м3 / м2 * год) [2].

    Придатність вдосконаленого пристрою для визначення швидкості фільтрування сатураційних соків під тиском була підтверджена його випробуваннями в умовах ПАТ «Саливонківське цукровий завод». Випробування проводили на нефільтроване соку I сатурації. Отримані дані наведені в табл. 2 [8, 9].

    44 ЦУКОР № 3 • 2017

    Таблиця 1. Залежність седиментаційно-фільтраційних властивостей предсатураціонного соку від витрат вапна [8, 9]

    Чистота дифузійного соку,% Витрата вапна,% СаО до маси соку Швидкість за 5 хв, S5, см / хв Обсяг осаду V25,% фільтрації коефіцієнт Fk, с / см2 Швидкість фільтрування W, м3 / м2хчас

    0,2 1,4 19,0 9,8 0,590

    0,3 1,5 19,5 9,4 0,590

    0,4 1,6 20,0 8,7 0,588

    83,4 0,5 1,8 21,0 8,0 0,586

    0,6 2,0 21,5 7,4 0,583

    0,7 2,4 22,0 6,2 0,575

    0,8 2,8 23,0 5,9 0,569

    0,9 2,9 24,0 5,7 0,565

    0,2 2,2 18,0 7,7 0,620

    0,3 2,3 18,0 6,8 0,610

    0,4 2,4 18,5 6,3 0,600

    87,0 0,5 2,8 19,0 5,0 0,585

    0,6 3,2 19,5 4,9 0,579

    0,7 3,3 20,0 4,8 0,577

    0,8 3,4 21,0 4,7 0,575

    0,9 3,4 21,0 4,7 0,575

    Таблиця 2. Показники швидкості фільтрування під тиском соку Iсатураціі, отримані в лабораторних і виробничих умовах [8, 9]

    Найменування показника Лабораторні умови Виробничі умови

    Швидкість фільтрування під тиском W, м3 / м2хчас 0,712 0,715

    0,711 0,709

    0,712 0,720

    0,713 0,721

    0,714 0,723

    під час процесу, оскільки від цього буде залежати оцінка ефективності фільтрації і прийняття подальших технологічних рішень.

    Ми розробили конструкцію портативного пристрою для вимірювання швидкості фільтрування під тиском соку I сатурації в потоці (рис. 4).

    Пристрій працює наступним чином. Фільтр, установлений на лабораторному штативі, через штуцер і систему фітингів і трубок підключається до комунікації трубопроводу соку, який йде на фільтрування після підігрівача. Під ним розміщують мірний циліндр з мітками. Після цього відкривають вентиль і кран подачі соку на фільтр. Фільтрат збирають у мірний циліндр.

    Вимірювання швидкості фільтрування під тиском нефільтрованого соку I сатурації в лабораторних умовах засвідчило, що вона в 3,5 рази перевищує мінімальну швидкість фільтрування (0,2 м3 / м2 * год).

    Порівняння даних, отриманих в виробничих умовах, з показниками, отриманими в результаті лабораторного експерименту, свідчить про високу схожість результатів.

    Вдосконалене лабораторне пристрій для визначення швидкості фільтрування суспензій цукрового виробництва захищено патентом України [7].

    В умовах виробництва цукрового заводу необхідний оперативний контроль швидкості фільтрування безпосередньо

    Нефільтрований сік 1-й сатурації після підігрівача

    // // // //

    Мал. 4: а - схема пристрою для визначення швидкості фільтрування сатураційних соків під тиском в потоці (вентиль 1; манометр 2; штуцер 3; фітинги 4, 6; трубка 5; запірний кран 7; фільтр 8; мірний циліндр з мітками 9; штатив 10) ; б - фотознімок пристрій відобразився на трубопроводу в умовах виробництва

    № 3 • 2017 ЦУКОР 45 -

    Kelvion

    За секундоміром відзначають час, протягом якого фільтрований сік пройде між першою і другою мітками на циліндрі.

    Швидкість фільтрування визначається по вищенаведеної формулі.

    Таблиця 3. Результати випробування пристрою для визначення швидкості фільтрування в виробничих умовах

    № п / п Тиск в трубопроводі перед фільтрами після підігрівача, ат (кгс / см2) Швидкість фільтрування, м3 / м2хчас Товщина шару осаду на фільтрі, мм

    1 0,8 1,8 11

    2 0,9 1,9 13

    3 0,9 1,9 13

    Було проведено вимірювання швидкості фільтрування під тиском соку I сатурації в потоці з використанням спеціально розробленого пристрою в умовах ТОВ «Радехівський цукор» (Чортківське відділення). Результати представлені в табл. 3.

    Як свідчать отримані дані, швидкість фільтрування для соку I сатурації в середньому становить 1,87 м3 / м2 * год, що в 9,4 рази перевищує мінімальну швидкість фільтрації для даного типу фільтрувального обладнання. При цьому осад, отриманий після фільтрації, мав кристалічну структуру, що свідчить про дотримання раціональних технологічних умов проведення процесу I сатурації, що забезпечують хороші фільтраційні властивості.

    Крім визначення швидкості фільтрування під тиском са-тураціонних соків і суспензій розроблений пристрій можна застосовувати також для визначення фільтраційної здатності сиропів.

    Були проведені дослідження з визначення швидкості філь-

    Мал. 5. Фотознімок шару осаду, отриманого після фільтрації на розробленому пристрої: а - загальний вигляд; б - поперечний переріз

    трованія під тиском зразків сиропів з додаванням і без додавання флокулянта. При цьому використовували нефільтрований сироп (СВ = 66%), відібраний після випарної станції перед фільтрами в умовах ТОВ «Радехівський цукор» (Чортківське відділення). Дві проби сиропу по 300 мл підігрівали, обробляли флокулянтом в кількості 0,05 і 0,1% до маси СВ, витримували і фільтрували на ЛУОСФ. Для формування намивного шару осаду використовували диатомит з розрахунку 0,4 кг на 1 м2 площі поверхні, що фільтрує. В якості фільтруючого матеріалу застосовували фільтрувальну тканину «Дітекс-4» виробництва ТОВ «Фабрика Філкон». Як контрольний зразок використовували сироп після випарної станції, відфільтрований на ЛУОСФ. Отримані дані наведені в табл. 4 і на рис. 6.

    Дані свідчать, що швидкість фільтрування для контрольного зразка нефільтрованого

    Мал. 6. Осад після фільтрування сиропу: а - після випарювання (контроль); б - з додаванням флокулянта 0,05% до маси СВ; в - з додаванням флокулянта 0,1% до маси СВ

    Таблиця 4. Результати визначення швидкості фільтрування під тиском сиропів

    № п \ п Зразок Тиск, ат (кгс / см2) Швидкість фільтрування, м3 / м2хчас Толщінамслоя осаду на фільтрі, мм Візуальна характеристика осаду Мутність, од. ICUMSA

    1 котроль 2,0 0,12 3 Кристалічний зі слідами слизу 109

    2 Сироп з флокулянтом 0,05% до маси СВ 2,0 0,57 2 Кристалічний 37

    3 Сироп з флокулянтом 0,1% до маси СВ 2,0 0,25 3 Слизистий 52

    46 ЦУКОР № 3 • 2017

    сиропу становить 0,12 м3 / м2 * год при тиску 2,0 ат. Застосування флокулянта в кількості 0,05 і 0,1% до маси СВ збільшує швидкість фільтрування в 4,8 і 2,1 рази відповідно, при цьому каламутність сиропу зменшується на 60 і 43,0% в порівнянні з контрольним зразком. Крім цього, найкраща структура осаду (див. Рис. 6) була отримана в другому зразку при використанні флокулянта 0,05% від маси СВ.

    Таким чином, на підставі результатів теоретичних і експериментальних досліджень встановлено, що фільтраційний коефіцієнт Fk не завжди відображає реальну здатність сатураційних соків до фільтрування під тиском. Тому при визначенні фільтрувальної здатності сатура-ційних соків для обладнання, що працює під тиском, необхідно керуватися не величиною фільтраційного коефіцієнта, а саме швидкістю фільтрування.

    Застосування розробленого пристрою забезпечить своєчасне отримання адекватних даних по швидкості фільтрування і структурі осаду сатураційного-них соків і сиропів, що в виробничих умовах дозволить оперативно вирішувати питання як вибору типу фільтрувальної тканини, так і впливу окремих технологічних факторів на фільтраційну здатність соків і сиропів. Крім цього, величина швидкості фільтрування під тиском дасть можливість об'єктивно відслідковувати навантаження поверхні, що фільтрує, що сприятиме правильному вибору типу фільтрувальної тканини і економії витрат на неї, а також дозволить оцінити ефективність впливу на фільтраційну здатність соків і сиропів тих чи інших хімічних реагентів.

    Список літератури

    1. Воробйов, Є.І. Удосконалення фільтрувальної техніки харчових виробництв / Є.І. Воробйов, Ю.В. Анікєєв. - К.: Урожай, 1989. - 136 с.

    2. Волошин, З.С. Автоматизація цукрового виробництва / З.С. Волошин, Л.П. Макаренко, П.В. Яц-ський. - М.: Агропромиздат. - 1990. - 271 с.

    3. Герасименко, О.А. Методи аналiзу i контролю у віробніщга цукру / О.А. Герасименко, Т.П. Хвал-ковській. - К.: Вища школа, 1992. - 387 с.

    4. Інструкція по хіміко-технічному контролю і обліку цукрового виробництва. - К.: ВНДІЦП, 1983. - 475 с.

    5. Інструкція по веденню технологічного процесу бурякоцукрового виробництва. - М.: минп-щепром СРСР, 1985. - 372 с.

    6. Карташов, А.К. Фізико-хімічні властивості сатураційних опадів / А.К. Карташов, Ю.Д. Голов-НВК. - К.: УРНТОПП, 1958. - 38 с.

    7. Патент на корисностей модель 80659 U прикрашені МПК13 С13В 10/00. Лабораторний прістрш для виз-начення швідкосп фшьтрування / Ткаченко С.В., Верченко Л.М., Хомiчак Л.М., Ткаченко В.1 .; заяв-ник i патентовласнік Нацюнальній ушверсітет хар-човіх технологш - № 201213595; заявл. 27.11.2012; опубл. 10.06.2013, Бюл. № 11.

    8. Ткаченко, С.В. Визначення швідкосп фшьтрування суспензш сатурацшніх союв пщ ти-ському / С.В. Ткаченко, Л.М. Хомiчак, Л.М. Верченко, // Цукор Украши. - 2014. - № 2 (98). - С. 3 -35.

    9. Ткаченко, С.В. Визначення швідкосп фшьтрування суспензш сатурацшніх союв пщ ти-ському / С.В. Ткаченко, Л.М. Хомiчак, Л.М. Верченко // Вюнік цукровікв Украши. 1нформацшній Бюле-тінь. - 2014. - 6 (97). - С. 31-35.

    10. Schlosser, H. Безперервна фільтрація в кампанію 1954 года / H. Schlosser // Zucker. - 1955. - № 10. - С. 212-220.

    Анотація. На підставі результатів теоретичних і експериментальних досліджень доведено неповна відповідність фільтраційного коефіцієнта і швидкості фільтрування сатураційних соків під тиском. Наведено конструкції та принципи роботи вдосконаленого пристрою для визначення швидкості фільтрування суспензій сатураційних соків під тиском і портативного пристрою для визначення швидкості фільтрації сатураційних соків під тиском в потоці в виробничих умовах. Представлені результати випробувань пристроїв в умовах цукрових заводів.

    Досліджено можливість визначення швидкості фільтрування під тиском сиропу і наведені експериментальні дані про вплив флокулянта на його фільтраційну здатність.

    Ключові слова: фільтрування, суспензія сатураційного соку, система фільтрації здатність, фільтраційний коефіцієнт, швидкість фільтрування під тиском. Summary. The article begins with the analysis and comparison of the impediment mechanisms variety of the suspension particles of firm phase by filter layer. Based on the results of theoretical and experimental investigations was found out an incomplete accordance of using the filtration coefficient for determination of ability to filter of saturation juices suspensions under pressure. It was shown the construction and operation principle of improved device for determining the filtration rate of suspensions of saturation juices under pressure. It was shown the test results of improved device under sugar factory conditions. The design and principle of operation of the portable device to determine the filtration rate of suspensions carbonated juices under pressure in the flow. Device test results are presented in a sugar factory. The possibility of determining the rate of pressure filtration of syrup, and the experimental data on the effect of flocculant to its filtration capacity.

    Keywords: filtration, suspension thin juice, the ability to filter, filtration coefficient, filtration speed under pressure.

    № 3 • 2017 ЦУКОР 47 -


    Ключові слова: ФІЛЬТРУВАННЯ /FILTRATION /СУСПЕНЗІЯ сатураційного СОКА /SUSPENSION THIN JUICE /фільтраційної здатності /фільтраційні КОЕФІЦІЄНТ /FILTRATION COEFFICIENT /Швидкість фільтрування під тиском /FILTRATION SPEED UNDER PRESSURE /THE ABILITY TO FILTER

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити