Актуальность определения скорости фильтрования полупродуктов сахарного производства под давлением Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Kelvion

УДК 664.1.038

Актуальность определения скорости фильтрования полупродуктов сахарного производства под давлением

С.В. ТКАЧЕНКО, канд. техн. наук (e-mail: sergi-tkachenko@ukr.net), Л.М. ХОМИЧАК, д-р техн. наук, проф., член-корр. НААНУ,

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

Институт продовольственных ресурсов НААНУ

Е.В. СТЫЧИНСКИЙ, директор ООО «Фабрика Филкон»

Определение седиментационно-фильтрационных свойств полупродуктов сахарного производства имеет большое практическое значение, поскольку эти свойства в первую очередь определяют эффективность работы станции фильтрования. Любое нарушение нормальной работы фильтровальной станции приводит к нарушению работы всего сахарного завода, снижению производительности, увеличению потерь сахара и ухудшению его качества. Поэтому объективное определение седиментационно-фильтрационных свойств полупродуктов сахарного производства — необходимое условие нормальной работы всего сахарного завода.

Суспензии сахарного производства — сложные гетерогенные системы, фильтрование которых зависит от множества физико-химических и гидродинамических факторов. Авторы работы [1] Е.И. Воробьёв и Ю.В. Аникеев объясняют механизмы фильтрования суспензий разнообразным механизмом задержки частиц твёрдой фазы суспензии фильтровальным слоем (рис. 1).

Частицы твёрдой фазы суспензии могут задерживаться на поверхности фильтровального слоя (рис. 1, а, б, в) либо внутри него (рис. 1, г, д). Так, в процессе фильтрования суспензий массивных однородных частиц на поверхности фильтровального слоя образуется несжимаемый слой осадка (рис. 1, а).

При фильтровании среднеконцентрированных и высококонцентрированных суспензий с полидисперсными частицами твёрдой фазы на поверхности фильтровального слоя образуется сжимаемый слой осадка (рис. 1, б). Кроме этого, во время фильтрования некоторых суспензий возможна также деформация аморфных слизистых частиц, которые «растекаются» по поверхности фильтровального слоя, что приводит к закупорке его каналов (рис. 1, в).

В случае фильтрования низкоконцентрированных суспензий частицы твёрдой фазы задерживаются внутри фильтровального слоя, при этом происходит так называемое глубинное фильтрование (рис. 1, г, д).

Интенсивность задержки зависит от концентрации и размера частиц твёрдой фазы суспензии, структуры и размера пор фильтровального слоя, движущей силы процесса, влияния сил различной природы, которые действуют на частицы в зоне образования осадка.

Сегодня на большинстве сахарных заводов и в научно-исследовательских учреждениях технологи-практики и технологи-учёные фильтрационную способность сатурационных соков характеризуют при помощи фильтрационного коэффициента (¥к). Это связано в первую очередь с внедрением в 50-х гг. прошлого столетия на многих сахарных заводах непрерывного фильтрования на вакуум-фильтрах [10], поэтому фильтрационную способность сока I сатурации оценивали именно величиной ¥к.

Сегодня сахарные заводы для фильтрования сока I сатурации используют фильтры-сгустители, а также внедряют фильтр-прессы разной конструкции для фильтрования суспензии I и II сатураций и контрольного фильтрования. Поэтому появилась необходимость определения скорости фильтрования сатура-ционных соков именно под давлением.

Традиционно для определения фильтрационных показателей сока I сатурации применяют установку

42 САХАР № 3 • 2017

А.К. Карташова [6] и микрофильтр Дедека-Иванчен-ко [3, 4, 6]. Установка Карташова предназначена для определения длительности фильтрования под давлением. Если учесть площадь фильтра, через которую фильтруется суспензия, а также объём фильтрата, то можно пересчитать длительность фильтрования под давлением на скорость фильтрования (Щ) [8, 9]:

Щ=7,64Д м3/м2хчас,

где t — время, необходимое для получения определённого объёма фильтрата, мин.

Согласно данным, полученным Карташовым, минимальная длительность фильтрования под давлением составляет 8 мин. Если пересчитать эту величину согласно формуле, то получим минимальную скорость фильтрования под давлением 0,96 м3/м2хчас.

По более современным данным, приведённым в работе [2], минимальная скорость фильтрования под давлением для сока I сатурации составляет 0,2 м3/м2хчас. О возможности использования фильтров-сгустителей при неудовлетворительных показателях Fk говорят полученные в своё время ВНИИСП [5] данные: фильтрационный коэффициент суспензий, которые можно сгущать на ФиЛСах, может достигать 8 с/см2. При такой границе значений фильтрационного коэффициента фильтр-сгуститель обеспечивает скорость фильтрования под давлением 8,4 дм3/(м2хмин) [5], или 0,504 м3/м2хчас.

Микрофильтр Дедека-Иванченко предназначен для определения фильтрационного коэффициента, который представляет собой разницу между временем прохождения уровня фильтрата в бюретке между делениями 2—4 см3 и 6—8 см3, разделённую на площадь фильтра. Основным недостатком этого устройства является то, что при перемешивании суспензии сока происходит трение частиц на поверхности слоя осадка на фильтре, что приводит к смыванию частиц осадка, искривлении результатов и плохой воспроизводимости экспериментов. Кроме этого, в ходе эксперимента по определению Fk изменяется величина столбца фильтрата над фильтровальной поверхностью и тем самым изменяется разница давлений. Установлено [4], что для нормальной работы непрерывной фильтрации Fk не должен превышать 6 с/см2.

Для сравнения фильтрационной способности соков I сатурации А.К. Карташов приводит экспериментальные данные, полученные на установке для определения длительности фильтрования под давлением и на установке для определения Fk (рис. 2) [6].

Из зависимости видно, что минимальная длительность фильтрования под давлением (8 мин) не соответствует значению Fk. Поэтому логичным будет вывод, что для определения фильтрационной способности соков на оборудовании, работающем под давле-

нием, необходимо руководствоваться не величиной Fk, а именно величиной скорости фильтрования под давлением.

Учитывая вышесказанное, нами было усовершенствовано устройство [6] путём замены и дополнения его отдельных конструктивных элементов.

На рис. 3 приведён общий вид модернизированного лабораторного устройства для определения скорости фильтрования суспензий сахарного производства под давлением (ЛУОСФ) и его схема [8, 9].

Сборник суспензии, учитывая те её количества, с которыми работают в лабораторных условиях, рассчитан на объём 1 000 см3. Фильтровальная ткань, применяемая в устройстве для определения скорости фильтрования под давлением, широко используется сахарными заводами для экипировки фильтров-сгустителей.

Лабораторное устройство работает следующим образом. Включают магнитную мешалку и наливают в сборник достаточное количество суспензии, её уровень контролируют указателем уровня жидкости. Давление создают при помощи воздушного насоса, воздух с которого поступает в ресивер. По достижении определённого давления в ресивере перекрывают кран и открывают редуктор с фильтром, с которого очищенный воздух поступает в сборник суспензии, где создаётся давление. Постоянная температура

№ 3 • 2017 САХАР 43 -

Kelvíon

Рис. 3. Общий вид лабораторного устройства для определения скорости фильтрования суспензий сахарного производства под давлением и его схема: 1 — воздушный насос; 2, 10 — краны; 3 — ресивер; 4, 6 — манометры; 5 — редуктор с фильтром; 7 — указатель уровня жидкости; 8 — сборник суспензии; 9 — магнитная мешалка; 11 — фильтровальная головка; 12 — мерная ёмкость; 13 — термостат_

в фильтровальной головке и сборнике суспензии поддерживается при помощи термостата. После нагрева суспензии до нужной температуры в фильтровальную головку вставляют фильтровальную ткань. По достижении необходимого давления в сборнике (что контролируется манометром), постепенно открывают кран подачи суспензии на фильтровальную головку. Затем при помощи редуктора с фильтром поддерживают постоянное давление. По секундомеру отмечают время, которое требуется для получения определённого объёма фильтрата. Скорость фильтрования вычисляется по приведённой формуле [8, 9].

С использованием усовершенствованного устройства для определения скорости фильтрования под давлением исследована скорость фильтрования пред-сатурационных соков с разным расходом извести при очистке диффузионных соков разного качества. Кроме этого показателя определяли среднюю скорость

осаждения за 5 мин ^5), объём осадка за 25 мин (У25) и фильтрационный коэффициент (¥к) (табл. 1) [8, 9].

Полученные данные подтвердили результаты исследований А.К. Карташова о неполном соответствии значений фильтрационного коэффициента и скорости фильтрования под давлением. При высоких значениях фильтрационного коэффициента (6,2—9,8 с/см2), когда фильтрование считается неудовлетворительным, скорость фильтрования под давлением приблизительно в 3 раза превышает минимальную скорость (0,2 м3/м2*час) [2].

Пригодность усовершенствованного устройства для определения скорости фильтрования сатурационных соков под давлением была подтверждена его испытаниями в условиях ПАО «Саливонковский сахарный завод». Испытания проводили на нефильтрованном соке I сатурации. Полученные данные приведены в табл. 2 [8, 9].

44 САХАР № 3 • 2017

Таблица 1. Зависимость седиментационно-фильтрационных свойств предсатурационного сока от расхода извести [8, 9]

Чистота диффузионного сока, % Расход извести, % СаО к массе сока Скорость за 5 мин, S5, см/мин Объём осадка V25, % Фильтрационный коэффициент Fk, с/см2 Скорость фильтрования 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

Таблица 2. Показатели скорости фильтрования под давлением сока Iсатурации, полученные в лабораторных и производственных условиях [8, 9]

Наименование показателя Лабораторные условия Производственные условия

Скорость фильтрования под давлением W, м3/м2хчас 0,712 0,715

0,711 0,709

0,712 0,720

0,713 0,721

0,714 0,723

во время процесса, поскольку от этого будет зависеть оценка эффективности фильтрации и принятия дальнейших технологических решений.

Мы разработали конструкцию портативного устройства для измерения скорости фильтрования под давлением сока I сатурации в потоке (рис. 4).

Устройство работает следующим образом. Фильтр, установленный на лабораторном штативе, через штуцер и систему фитингов и трубок подключается к коммуникации трубопровода сока, который идёт на фильтрование после подогревателя. Под ним размещают мерный цилиндр с метками. После этого открывают вентиль и кран подачи сока на фильтр. Фильтрат собирают в мерный цилиндр.

Измерение скорости фильтрования под давлением нефильтрованного сока I сатурации в лабораторных условиях засвидетельствовало, что она в 3,5 раза превышает минимальную скорость фильтрования (0,2 м3/м2*час).

Сравнение данных, полученных в производственных условиях, с показателями, полученными в результате лабораторного эксперимента, свидетельствует о высокой схожести результатов.

Усовершенствованное лабораторное устройство для определения скорости фильтрования суспензий сахарного производства защищено патентом Украины [7].

В условиях производства сахарного завода необходим оперативный контроль скорости фильтрования непосредственно

Нефильтрованный сок 1-й сатурации после подогревателя

// // // //

Рис. 4: а — схема устройства для определения скорости фильтрования сатурационных соков под давлением в потоке (вентиль 1; манометр 2; штуцер 3; фитинги 4, 6; трубка 5; запорный кран 7; фильтр 8; мерный цилиндр с метками 9; штатив 10); б — фотоснимок подключения устройства к трубопроводу в условиях производства

№ 3 • 2017 САХАР 45 -

Kelvion

По секундомеру отмечают время, в течение которого фильтрованный сок пройдёт между первой и второй метками на цилиндре.

Скорость фильтрования определяется по вышеприведённой формуле.

Таблица 3. Результаты испытания устройства для определения скорости фильтрования в производственных условиях

№ п/п Давление в трубопроводе перед фильтрами после подогревателя, ат (кгс/см2) Скорость фильтрования, м3/м2хчас Толщина слоя осадка на фильтре, мм

1 0,8 1,8 11

2 0,9 1,9 13

3 0,9 1,9 13

Было проведено измерение скорости фильтрования под давлением сока I сатурации в потоке с использованием специально разработанного устройства в условиях ООО «Радеховский сахар» (Чертковское отделение). Результаты представлены в табл. 3.

Как свидетельствуют полученные данные, скорость фильтрования для сока I сатурации в среднем составляет 1,87 м3/м2*час, что в 9,4 раза превышает минимальную скорость фильтрации для данного типа фильтровального оборудования. При этом осадок, полученный после фильтрации, имел кристаллическую структуру, что свидетельствует о соблюдении рациональных технологических условий проведения процесса I сатурации, обеспечивающих хорошие фильтрационные свойства.

Кроме определения скорости фильтрования под давлением са-турационных соков и суспензий разработанное устройство можно применять также для определения фильтрационной способности сиропов.

Были проведены исследования по определению скорости филь-

Рис. 5. Фотоснимок слоя осадка, полученного после фильтрации на разработанном устройстве: а — общий вид; б — поперечное сечение

трования под давлением образцов сиропов с добавлением и без добавления флокулянта. При этом использовали нефильтрованный сироп (СВ = 66%), отобранный после выпарной станции перед фильтрами в условиях ООО «Радеховский сахар» (Чертковское отделение). Две пробы сиропа по 300 мл подогревали, обрабатывали флокулянтом в количестве 0,05 и 0,1% к массе СВ, выдерживали и фильтровали на ЛУОСФ. Для формирования намывного слоя осадка использовали диатомит из расчёта 0,4 кг на 1 м2 площади фильтрующей поверхности. В качестве фильтрующего материала применяли фильтровальную ткань «Дитекс-4» производства ООО «Фабрика Филкон». Как контрольный образец использовали сироп после выпарной станции, отфильтрованный на ЛУОСФ. Полученные данные приведены в табл. 4 и на рис. 6.

Данные свидетельствуют, что скорость фильтрования для контрольного образца нефильтрованного

Рис. 6. Осадок после фильтрования сиропа: а — после выпарки (контроль); б — с добавлением флокулянта 0,05% к массе СВ; в — с добавлением флокулянта 0,1% к массе СВ

Таблица 4. Результаты определения скорости фильтрования под давлением сиропов

№ п\п Образец Давление, ат (кгс/см2) Скорость фильтрования, м3/м2хчас Толщинамслоя осадка на фильтре, мм Визуальная характеристика осадка Мутность,ед. ICUMSA

1 Котроль 2,0 0,12 3 Кристаллический со следами слизи 109

2 Сироп с флокулянтом 0,05% к массе СВ 2,0 0,57 2 Кристаллический 37

3 Сироп с флокулянтом 0,1% к массе СВ 2,0 0,25 3 Слизистый 52

46 САХАР № 3 • 2017

сиропа составляет 0,12 м3/м2*час при давлении 2,0 ат. Применение флокулянта в количестве 0,05 и 0,1% к массе СВ увеличивает скорость фильтрования в 4,8 и 2,1 раза соответственно, при этом мутность сиропа уменьшается на 60 и 43,0% по сравнению с контрольным образцом. Кроме этого, лучшая структура осадка (см. рис. 6) была получена во втором образце при использовании флокулянта 0,05% от массе СВ.

Таким образом, на основании результатов теоретических и экспериментальных исследований установлено, что фильтрационный коэффициент Fk не всегда отражает реальную способность сатурационных соков к фильтрованию под давлением. Поэтому при определении фильтровальной способности сатура-ционных соков для оборудования, работающего под давлением, необходимо руководствоваться не величиной фильтрационного коэффициента, а именно скоростью фильтрования.

Применение разработанного устройства обеспечит своевременное получение адекватных данных по скорости фильтрования и структуре осадка сатурацион-ных соков и сиропов, что в производственных условиях позволит оперативно решать вопросы как выбора типа фильтровальной ткани, так и влияния отдельных технологических факторов на фильтрационную способность соков и сиропов. Кроме этого, величина скорости фильтрования под давлением даст возможность объективно отслеживать нагрузку фильтрующей поверхности, что будет способствовать правильному выбору типа фильтровальной ткани и экономии затрат на неё, а также позволит оценить эффективность воздействия на фильтрационную способность соков и сиропов тех или иных химических реагентов.

Список литературы

1. Воробьёв, Е.И. Совершенствование фильтровальной техники пищевых производств/ Е.И. Воробьёв, Ю.В. Аникеев. - К. : Урожай, 1989. - 136 с.

2. Волошин, З.С. Автоматизация сахарного производства / З.С. Волошин, Л.П. Макаренко, П.В. Яц-ковский. — М. : Агропромиздат. — 1990. — 271 с.

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

4. Инструкция по химико-техническому контролю и учёту сахарного производства. — К. : ВНИИСП, 1983. — 475 с.

5. Инструкция по ведению технологического процесса свеклосахарного производства. — М. : Минпи-щепром СССР, 1985. — 372 с.

6. Карташов, А.К. Физико-химические свойства сатурационных осадков / А.К. Карташов, Ю.Д. Голов-няк. — К. : УРНТОПП, 1958. — 38 с.

7. Патент на корисну модель 80659 U Украша МПК13 С13В 10/00. Лабораторний пристрш для виз-начення швидкосп фшьтрування / Ткаченко С.В., Верченко Л.М., Хомiчак Л.М., Ткаченко В.1.; заяв-ник i патентовласник Нацюнальний ушверситет хар-чових технологш — № 201213595; заявл. 27.11.2012; опубл. 10.06.2013, Бюл. № 11.

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

9. Ткаченко, С.В. Визначення швидкосп фшьтрування суспензш сатурацшних союв пщ ти-ском / С.В. Ткаченко, Л.М. Хомiчак, Л.М. Верченко // Вюник цукровикв Украши. 1нформацшний бюле-тень. — 2014. — 6(97). — С. 31—35.

10. Schlosser, H. Непрерывная фильтрация в кампанию 1954 года / H. Schlosser // Zucker. — 1955. — № 10. — С. 212—220.

Аннотация. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований доказано неполное соответствие фильтрационного коэффициента и скорости фильтрования сатурационных соков под давлением. Приведены конструкции и принципы работы усовершенствованного устройства для определения скорости фильтрования суспензий сатурационных соков под давлением и портативного устройства для определения скорости фильтрации сатурационных соков под давлением в потоке в производственных условиях. Представлены результаты испытаний устройств в условиях сахарных заводов.

Исследована возможность определения скорости фильтрования под давлением сиропа и приведены экспериментальные данные о влиянии флокулянта на его фильтрационную способность.

Ключевые слова: фильтрование, суспензия сатурационного сока, фильтрационная способность, фильтрационный коэффициент, скорость фильтрования под давлением. 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 САХАР 47 -