CC BY
11
HayKOBHH BicHHK .HbBiBCbKoro Ha^OHaibHoro ymBepcurery BeTepHHapHoi' MegnuUHH Ta 6i0TexH0H0riH iMeHi C.3. f^H^Koro Scientific Messenger of Lviv National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies
doi: 10.15421/nvlvet8020
ISSN 2519-268X print ISSN 2518-1327 online
http://nvlvet.com.ua/
УДК 664:661.12
Вплив поверхнево-активних речовин на швидюсть фiльтрування
Ю.Л. Бiлонога, О.Р. Максисько [email protected]
Львiвський нацюнальний унiверситет ветеринарно! медицини та бютехнологт iменi С.З. Гжицького,
вул. Пекарська, 50, Львiв, 79010, Украгна
В статт1 розглядаеться процес фыьтрування, який е одним з енергозатратних в переробшй промисловостг. Проаналг-зовано фактори що впливають на швидюсть фыътрування. Процес фыътрування доцгльно розглядати з врахуванням сил поверхневого натягу на межг контакту тверде тыо-ргдина г для визначення швидкостг фыьтрування використовувати ргвняння, як б враховували дгю цих сил. Запропоновано для зменшення опору осаду на фыьтрувальнш перегородцг та тте-нсифгкацп процесу фыьтрування використовувати оптимальнг концентрацп ргзного роду поверхнево-активних речовин (ПАР). Експериментально знайдено оптимальну концентрацгю атонног ПАР до води, за якою коефщент поверхневого натягу води е мт1мальним. Показано, що за додавання оптимальног концентрацп дослгджувано! ПАР швидюсть фыьтрування у водг за температури 20 °С буде быьшою у 2,3 рази нгж за нагргвання до температури 50 °С. Теоретично розрахо-ваш швидкостг фыьтрування у водг без ПАР та за додавання оптимальног концентрацп ашонног ПАР.
На стендг ггдромехашчних процесгв проведена сергя експериментгв для визначення швидкостг фыьтрування у водг без ПАР та за додавання оптимальног концентрацп дослгджувано! атонног ПАР. Експериментальнг дослгдження добре узго-джуються з теоретичними розрахунками. Показано, що позитивна дгя ПАР максимально проявляеться тодг, коли частин-ки осаду починають вгдггравати функцгю фыьтрувальног перегородки. За таких умов швидюсть фыьтрування зростае у 2,5 рази.
Ключовi слова: фыьтрування, швидюсть фыьтрування, коефщент поверхневого натягу, поверхнево-активнг речовини, оптимальна концентрацгя, ттенсифгкацгя.
Влияние поверхностно-активных веществ на скорость фильтрования
Ю.Л. Билонога, О.Р. Максысько [email protected]
Львовский национальный университет ветеринарной медицины и биотехнологий имени С.З. Гжицкого,
ул. Пекарская, 50, г. Львов, 79010, Украина
В статье рассматривается процесс фильтрования, который является одним из энергозатратных в перерабатывающей промышленности. Проанализированы факторы, влияющие на скорость фильтрования. Процесс фильтрования целесообразно рассматривать с учетом сил поверхностного натяжения в каналах фыьтра на границе контакта твердое тело-жидкость и для определения скорости фильтрования использовать уравнения, которые бы учитывали действие этих сил. Предложено для уменьшения сопротивления осадка на фильтровальной перегородке и интенсификации процесса фильтрования использовать оптимальные концентрации разного рода поверхностно-активных веществ (ПАВ). Экспериментально найдено оптимальную концентрацию анионных ПАВ к воде, при которой коэффициент поверхностного натяжения воды минимален. Показано, что при добавлении оптимальной концентрации исследуемой ПАВ скорость фильтрования в воде при температуре 20 °С будет больше в 2,3 раза чем при нагреве до температуры 50 °С. Теоретически рассчитаны скорости фильтрования в воде без ПАВ и за добавления оптимальной концентрации анионной ПАВ.
На стенде гидромеханических процессов проведена серия экспериментов для определения скорости фильтрования в воде без ПАВ и при добавлении оптимальной концентрации исследуемой анионной ПАВ. Экспериментальные исследования хорошо согласуются с теоретическими расчетами. Показано, что положительное действие ПАВ максимально проявляет-
Citation:
Bilonoha, Y.L., Maksysko, O.R. (2017). Effect of surface-active substances on speed filtration. Scientific Messenger LNUVMB, 19(80), 99-102.
ся тогда, когда частицы осадка начинают играть функцию фильтровальной перегородки. При таких условиях скорость фильтрования возрастает в 2,5 раза.
Ключевые слова: фильтрование, скорость фильтрования, коэффициент поверхностного натяжения, поверхностно-активные вещества, оптимальная концентрация, интенсификация.
Effect of surface-active substances on speed filtration
Y.L. Bilonoha, O.R. Maksysko [email protected]
Stepan Gzhytskyi National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies Lviv, Pekarska Str., 50, Lviv, 79010, Ukraine
The article deals with the process of filtering, which is one of the energy-consuming industries in the processing industry. The factors influencing the rate of filtration are analyzed. The filtration process should be considered taking into account the surface tension forces at the contact point of the solid-liquid and to determine the filtration rate, use equations that take into account the effect of these forces. It is proposed to use optimal concentrations of different types of surfactants (SOPs) to reduce the resistance of the precipitate to the filter septum and to intensify the filtration process. The optimal concentration of anionic surfactant to water has been experimentally found, which results in a minimum surface tension factor. It is shown that adding the optimal concentration of the studied surfactant will result in a rate of filtration in water at 20 °C at a temperature of 2.3 times greater than that at 50 °C. Theoretically calculated filtration rates in water without surfactant and the addition of an optimal concentration of anionic surfactant.
A series of experiments was carried out at the Hydromechanical Process Stand for determining the filtration rate in water without surfactant and adding an optimal concentration of the studied anionic surfactant. Experimental studies are in good agreement with theoretical calculations. It is shown that the positive effect of the surfactant is maximally manifested when the particles of the sediment begin to play the function of the filtering partition. Under these conditions, the filtering rate increases by 2.5 times.
Key words: filtration, filtration rate, surface tension coefficient, surface-active substances, optimal concentration, intensification.
Вступ
Одшею з найбшьш актуальных проблем сучасного машинобудування, зокрема за експлуатацп апарапв харчово! та х1м1чно! промисловосп, е зменшення !х енергоемностг Найбшьш поширеним i енергоемним, зокрема, е процес фшьтрування. Швидшсть його про-ходження, а отже i енергозатратшсть процесу зале-жить вщ цшого ряду факторiв, яку можна описати рiвнянням:
Ар
vf =
(1)
но!, хiмiчноi промисловосп перед фшьтруванням рщини можуть тддршати (Koval'skа, 1997). Але сам процес названия рщин е достатньо енергозатратним.
В робот (Bilonoha, 2006; Bilonoha, 2012) було показано що пдромехашчш процеси, зокрема, i процес фшьтрування дощльно розглядати з врахуванням сил поверхневого натягу на меж1 контакту тверде тшо-рщина. Також були запропоноваш формули 2 i 3 для визначення швидкосп ф№трування з урахуванням цих сил.
де Др - рiзниця тисшв до i шсля фшьтра, рушшна
сила процесу фттрування, Па; / - коефщент дина-
мiчноi' в'язкосп рщини, що фшьтруеться, Па-с; Z -отр фшьтрувально! перегородки, м-1.
Збшьшення величини Др веде до потреби нарощу-
вання потужностi фшьтрувально! апаратури, що тд-вищуе енергоемнiсть обладнання. Зменшення величини опору фшьтрувально! перегородки Z не приведе до бажаного результату, осшльки втрачаеться сам змют процесу фiльтрування.
Мета роботи. Показати, що швидшсть процесу фшьтрування можна збшьшувати за додавання опти-мальних концентрацiй поверхнево-активних речовин (ПАР ).
Результати та ix обговорення
Прискорити фшьтрувальний процес можна шляхом зменшення в'язкосп / рщини, що ф№труеться. Для цього на шдприемствах харчово!, фармацевтич-
uf =
або
(о3 2 °3-1) dEKB е
27,5 ц
L
°f =
(о3—2 - °3-1) е2
(2)
(3)
27,5 ц Н0
де сг3-2 - коефiцiент поверхневого натягу на меж1 роздiлу твердо! та газоподiбноi фаз, тобто фшьтрува-льно! перегородки i повiтря, Н/м; ст3-1 - коефiцiент
поверхневого натягу на меж1 твердо! та рiдко! фаз, тобто фшьтрувально! перегородки та розчину, Н/м; dEKB. - еквiвалентний дiаметр каналiв фiльтрувальноi перегородки, м; е - доля пустот у фшьтрувальнш перегородцi; ц- коефiцiент динамiчноi в'язкосп, Пас; L - товщина ф№тра; Но - число гомохронностi, що показуе характерш геометричнi особливостi фшьтрувально! перегородки, а саме е^валентний дiаметр каналiв dEKB i товщину фiльтра, L.
Як видно з формул (2, 3) при на^ванш змшюеть-ся спiввiдношення мiж фiзичними характеристиками рщини (ст3-2 — сг3-1) та ц, якi при пiдвищеннi темпера-
тури, наприклад, в дiапазонi (20-50) °С мають насту-пний характер (рис. 1). При цьому приймали значення
поверхнево! енергп для матер1алу фшьтра а32 = 0,1. Значения коефщента поверхневого натягу сг3_1 1
в'язкосп / для води наведеш в таблиц 1.
30 35 40
Температура, 0С
Рис. 1. Залежшсть сшввщношення
(аз_2 _ а3_1) для води в1д температури
27,5 ц
с
3
А 1
'н
о
! 1
я й
н 1 1
'и ^ 1
О ^
Ж 1
к
к ^
К
к
4 1
я и
э ■
0,3 0,4 С, I ап. %
Рис. .2. Залежшсть коефщкнта поверхневого натягу о та динамiчного коефщента в'язкост
води вiд концентрацп аншнноТ ПАР у водь
.3
Ц
Таблиця 1
Значення коефiцicнта поверхневого натягу а i
коефiцieнта динамiчноТ в'язкосл ц для води в дiапазонi температур ( 20 - 50 ) °С
Коефщент поверх-
Коефщент невого натягу на
Температура, динам1чно1 меж1 фшьтрувально!
t °С в'язкосл, перегородки та
/, 10-3 Па-с розчину
аз-1, 10-3 Н/м
20 1 72,75
30 0,804 71,18
40 0,657 69,56
50 0,549 67,91
Рис. 3. Схема дослвдноТ фшьтрувальноТ установки: 1 - натрний бак, 2 - вентиль, 3 - фшьтр,
4 - вентиль, 5 - п'езометр №1, 6 - шкала, 7 -п'езометр №2, 8 - м1рний бак, 9 - скляна трубка, 10 - шкала, що проградуйована в м3;
1,264
30
0,0
0,1
0,5
0,6
0,7
0,8
Як бачимо з рис. 1, сшвввдношення (а3_2 а3_1) в
27,5ц
д1апазош температур (20-50) °С зростае бшьше, як у дв1ч1, що приводить до такого ж зростання швидкосп фшьтрування.
Тому, в умовах фшьтрування в харчових, фарма-цевтичних, х1м1чних технолопях рядом автор1в, про-понуеться використовувати р1зноманггш ПАР, як1 суттево зменшують отр осаду на фшьтрувальнш перегородщ та штенсиф1кують загалом процес ф1льт-рування без використання додаткових енергозатрат (Malinovskaja, 1985).
В технолопчних процесах ПАР використовують, в основному, у вигляд1 водних розчишв. При попаданш у водш розчини ПАР в залежносп в1д 1хньо! природи дисоцшють або не дисоцшють на юни. Така поведш-ка дае можлив1сть цшеспрямовано зм1нювати поверх-нев1 властивосп.
На рис. 2 показаш залежносп коефщента поверхневого натягу та динам1чного коефщента в'язкосп води ввд концентрацп анюнактивно! ПАР.
Як видно з графшв мшмальне значення коефще-нта поверхневого натягу спостертаеться за концентрацп (0,10...0,15) мас. За ще! концентрацп коефщент поверхневого натягу зменшуеться в 1,98 рази. Цю концентрацш будемо вважати оптимальною. За ще! концентрацп вибирали 1 значення для динашчного коефщента в'язкосп.
Поставивши вказаш даш у сшвввдношення
(°3_г _ ?3_1) за температури 20 °С, отримаемо: 27,5ц
(0,1 _ 34,1-10_3) = 23. Тобто, за додавання ПАР швид-
27,5 -10_3 ,
к1сть фшьтрування у вод1 за температури 20 °С буде б1льшою, нiж при нагр1ванш до 50 °С без ПАР.
Даний розрахунок показуе, що в умовах ф1льтру-вання можна суттево зменшити енергозатрати шля-
хом додавання до розчину, що фттруеться, малих Величину dEKB. визначали з формули (Kaveckij and
шлькостей ПАР, що може замшити його названия.
Кр1м цього, нами проведена серш експерименпв на стенд1 гщромехашчних процеав (рис. 3) для ви-значення швидкосп фшьтрування. Перша сер1я стосу-валася визначення швидкосп фшьтрування для
води за температури 12 °С, а друга - визначення швидкосп фшьтрування для води за додавання оптимально! концентраци ПАР.
Швидшсть ф1льтрування розраховували за формулою 4:
W 4W (4)
о/ =— =-— > (4)
St TTD T
де W - об'ем розчину в м1рному баку, м3; т - час напкання об'ему W розчину у м1рний бак, c; D - д1а-метр фшьтра, м.
Дана ф1льтрувальна перегородка 1з зернистого ма-тер1алу мала константи: D = 10540-3 м; l = 0,49 м;
Korolev, 1991).
dEKB = V
1 -S
d
(5)
де v- коефщент форми частинки зерна ф1льтра, У = 0,77 ; d - д1аметр зерна ф1льтра, м; d = 12-10-3 м; е -доля пустот зернистого матер1алу у фшьтр1 е = 0,2.
З формули 5:
dEKB =V— d = 0,77-°-^.12 -10-3 = 2,3-10-3 м
EKB 1 -s 1 - 0,2
Матер1ал ф1льтра - зернистий керам1чний ма-тер1ал, для якого значення поверхнево! енергп прий-малося: g3-2 = 2 Дж/м2. Отримаш даш представлен! в таблиц! 2.
Експериментальм та теоретичнi швидкосп фiльтрування
Таблиця 2
Експериментальна швидюсть фшьтрування, м/с Теоретична швидкiсть фiльтрування,м/с
без використання ПАР за використання оптималь-rnï концентраци анюнжй ПАР без використання ПАР за використання оптималь-rnï концентрацiï анiонноï ПАР
9,610-3 10,6-10"J 10Д-10"3 10/74-10"3
Бачимо, що експериментальш досл1дження добре узгоджуються з теоретичними.
Позитивна д1я ПАР максимально проявляешься то-да, коли частинки осаду починають в1д1гравати функ-цш ф1льтрувально! перегородки (Bodnar, 1994). В харчов1й промисловост1 величина поверхнево! енергй'
твердих частинок осаду а 3-2 е сп1вм1рною з коефще-
нтом поверхневого натягу на меж1 твердо! та р1дко! фаз o3-i, тобто твердих частинок осаду, що утворився в каналах ф1льтрувально! перегородки та ф1льтрату. Наближене значення поверхнево! енергй' частинок
осаду ö"3-2= 0,1. Тодг
1. Теоретична швидшсть фшьтрування без викори-стання ПАР (за формулою 2): (при цьому [а3-1]12°С = 73,540-3 Н/м; ц 120С = 1,2840-3 Па^с).
о = (^3-2 -^3-1) dEKBS1 = (0,1 - 73,5 ■ 10-3) 0,22 ■ 2,3 -10-3 = ^ м / с f 27,5ß L 27,5 1,28 10-3 ' 0,49
2. Теоретична швидшсть фшьтрування з викорис-танням ПАР (за формулою 2): (при цьому [о3-1]12°С = 34,Ы0-3 Н/м; д 120С = 1,25^10-3 Па^с).
(о^-о^) dEKBS2 0,1 -34,1 ■Ю 3 0,22 ■ 2,3 10-3 3 -4 ^
Or =--=-—.-= 3,50-10 M / С
' 27,5^ L 27,5 ■ 1,25 10-3 0,49
Бачимо, що швидшсть фшьтрування зростае май-же у 2,5 рази. Таке зростання приводить до економи енергоресурав в процес1 ф1льтрування.
Слвд зауважити, що в раз1 використання загально-в1домих формул типу (1) для розрахунку швидкост1 ф1льтрування при використанш ПАР ми б не змогли отримати достов1рний результат, осшльки вони не мютять коеф1ц1ента поверхневого натягу рщини. Д1я ж ПАР направлена, передовам, на зменшення цього параметру i ефективно д1е на збшьшення швидкосп ф1льтрування, що доведено нами теоретично i тдтве-рджено експериментально.
Висновки
1.Для iнтенсифiкацiï процесу фiльтрування до роз-чинiв доцiльно додавати оптимальш концентрацiï ПАР.
2.Теоретично доведено та експериментально тдт-верджено, що додавання оптимальноï концентраци ПАР до розчишв збiльшуе швидкiсть фiльтрування у 2,5 рази.
Бiблiографiчнi посилання
Koval'skа, L.P. (1997). Tehnologija pishhevyh
proizvodstv. M.: Kolos (in Russian). Bilonoha, Yu.L. (2006). Pro dotsilnist rozghliadu hidromekhanichnykh protsesiv z vrakhuvanniam syl poverkhnevoho natiahu na hranytsi kontaktu tverde tilo-ridyna. Intehrovani tekhnolohii ta enerhozberezhennia. 2, 64 (in Ukrainian). Bilonoha, Yu.L. (2012). Kinetyka protsesu filtruvannia z vrakhuvanniam syl poverkhnevoho natiahu ridyny. Naukovyi visnyk LNUVMBT imeni S.Z.Hzhytskoho. 12, 2(3), 183-188 (in Ukrainian). Malinovskaja, T.A. (1985). Himicheskaja
promyshlennost'. 9, 13 (in Russian). Kaveckij, G.D., Korolev, F.V. (1991). Processy i apparaty pishhevoj tehnologii. M.: Agropromizdat (in Russian). Bodnar, P.M. (1994). Ekstrahuvannia ta filtratsiia v tekhnolohii oderzhannia ekstraktiv likarskoi roslynnoi syrovyny. Avtoreferat dys....kandydata tekhn. nauk: Lviv, 15 (in Ukrainian).
Received 13.09.2017 Received in revised form 23.10.2017 Accepted 26.10.2017
