ZASTOSOWANIE

W procesie filtracji zawiesina c. stałego w cieczy lub gazie jest podawana na porowatą przegrodę. Cząstki c. stałego zatrzymywane przez przegrodę, a coiecz lub gaz jest odprowadzany jako filtrat (przesącz). Zarówno osad jak i filtrat mogą być produktem filtracji. W p. spoż filtracja jest stosowana gł do usuwania z cieczy niepożądanych cząstek c. stałego i zmętnień. Przykładem może być filtracja piwa, wina, soków owoc, syropów skrobiowych, soków dyfuzyjnych cukrowni, tłuszczów po bieleniu itp.. W niektórych branżach p.spoż filtrację stosuje się w celu odzyskania ciała stałego tworzącego zawiesinę w cieczy. W tym przypadku produktem filtracji jest osad zebrany na porowatej przegrodzie. Ma to miejsce np. w przemyśle ziemniaczanym przy odwadnianiu mleczka krochmalowego i w drożdżownictwie przy odwadnianiu mleczka drożdżowego.

Urządzenia służące do filtracji noszą nazwę filtrów. Zasadniczym elemen­tem każdego filtru jest porowata warstwa filtrująca (przegroda filtracyjna), którą, mogą stanowić wytwarzane w przemyśle sita, tkaniny, kartony i p-tyty albo warstwa materiałów ziaraistych lub włóknistych powstająca w filtrze na odpo­wiednim podłożu przed rozpoczęciem filtracji. Materiał warstwy filtrującej jest dobierany w zależności od celu filtracji, konstrukcji filtru i parametrów jego pracy.

WARSTWY FILTRUJĄCE

Przegrody filtracyjne tkaninowe są wykonane z juty, bawełny iub tworzyw sztucznych. W większości przypadków przegrody tkaninowe stanowią jedynie podkład, na którym tworzy się warstwa osadu spełniająca rolę właściwej prze­grody filtracyjnej. Przegrody tkaninowe mogą być stosowane wielokrotnie.

Kartony filtracyjne są formowane z celulozy jako materiału podstawowego. Kartony są produkowane w postaci czworokątnych płyt o grubości 2,5 - 4 mm i zróżnicowanej porowatości. Oznaczając poszczególne gatunki kartonów, przyjmuje się zwykle, że wraz ze wzrastającym numerem zwiększa się zdolność przegrody do zatrzymywania małych cząstek. Średnia średnica kanalików w kartonach wynosi 1,2 - 1,8 μm, a przepuszczalność 1,8-10^-9 - 2,8-10^-9 m³/(m²-s-Pa). Kartony są przegrodami jednorazowego użycia.

Masy włókniste stosowane w filtracji produktów spożywczych składają się głównie z włókien bawełnianych i celulozy. Przygotowana masa włóknista jest moczona i wyjaławiana, a następnie formowana i wyciskana w prasie. Wytwo­rzona w ten sposób warstwa filtrująca jesl zakładana do filtru. Masy włókniste rnugą być wielokrotnie wykorzystywane w procesie filtracji. Po zakończonej filtracji masa jest prana i poddawana regeneracji.

Materiały ziarniste to głównie ziemia okrzemkowa i perlity.

Ziemia okrzemkowa jest produktem kopalnym, który stanowią szkielety jednokomór­kowych organizmów - okrzemek. Ziemię okrzemkową poddaje się obróbce i powstaje produkt o różnej wielkości cząstek, przepuszczalności i zabarwieniu. Cząstki takiej ziemi okrzemkowej mają średnicę 0,001 - 0,1 mm, najczęściej ok. 0,025 mm. Porowatość natomiast wynosi 90 — 95%. Powierzchnia właściwa dobrych ziem okrzemkowych dochodzi do 20 mig.

Perlity jest to szkliwo wulkaniczne, które ogrzewane w ściśle określonych warunkach zwiększa swoją objętość ponad 20-krotnie. W tej postaci materiał ma formę mikroskopijnych kuleczek wewnątrz pustych. Porowatość perlitu wynosi 80 - 90%, W środowisku kwaśnym perlity mogą wydzielać wapń i żelazo.

Zużycie materiałów ziarnistych na tworzenie przegrody filtracyjnej wynosi 200 - 800 g/m², przyczyni zużycie perlitu jest zwykle mniejsze niż ziem okrzemkowych. Wielkość cząstek zatrzymywanych przez przegrody z materiałów ziarnistych zależy od rodzaju użytej ziemi i jej właściwości adsorpcyjnych, i zawiera się w granicach 0,1-1,1μ.m.

Ceramiczne warstwy filtracyjne są wykonane z kwarcu, ziemi krzemionkowej lub okrzemkowej i gliny ogniotrwałej. Przez spiekanie z matenałami wiążą­cymi otrzymuje się przegrody o zadanej wielkości kanalików. Przegrody te mogą zatrzymywać cząstki o wymiarach mniejszych od 1 urn Przegrody filtra­cyjne są formowane w postaci płyt i cylindrów, tzw. świec. Przegrody ceramicz­ne mogą być myte i przedmuchiwane sprężonym powietrzem, tak, aby służyły do wielokrotnego użycia.

Warstwa filtrująca stawia określony opór przepływowi cieczy, który zależy od jej porowatości, średnicy i krętości kanalików, a także od ich kształtu. Po­nadto opór jest zależny od lepkości i gęstości cieczy przepływającej przez war­stwę. Opór przegrody filtracyjnej zwykle jesl dużo mniejszy od oporu warstwy osadu i może wpływać na proces filtracji tylko w jego początkowej fazie.

WARSTWA OSADU

Warstwa osadu, odkładana na powierzchni przegrody filtracyjnej, jest porowata i zawiera w sobie znaczne ilości filtrowanej cieczy. Przepływ cieczy przez tę warstwę i przegrodę filtracyjną wywołany jest różnicą ciśnień, która wpływa na strukturę warstwy osadu. Większość osadów występujących w przemyśle spo­żywczym ulega ściśnięciu, co powoduje zmniejszenie grubości warstwy osadu, zmniejszenie jej porowatości, a nawet odkształcenie cząstek. W zależności od wpływu ciśnienia na strukturę warstwy osadu wyróżnia się osady ściśliwe i osady nieściśliwe,

Do osadów nieściśliwych zalicza się osady krystaliczne. Ich porowatość nie .zależy od ciśnienia i w związku z tym nie zmienia się w czasie filtracji. Natomiast przy filtracji osadów ściśliwych przyjmuje się że struktura całej warstwy jest identyczna w danej chwili, ale ulega zmianom w czasie. Zmiany te wynikają z przegrupowania i odkształcania się cząstek osadu.

Na podstawie badań laboratoryjnych zaproponowano ogólne równanie em­piryczne uzależniające opór, jaki stawia osad przepływającej cieczy, od ciśnie-

a=a₀Δp^s₀ α - masowy opór właściwy osadu, m/kg; oj, - stała; Δ/p₀ - różnica ciśnień w warstwie osadu, Pa; s - współczynnik ściśliwości zawarty w granicach 0-1 i wynoszący dla osadów nieściśliwych 0.

W rów tym przez stałą α₀ wyraża się wpływ porowatości, kształtu i wielkości cząstek na opór warstwy osadu w czasie filtracji. Im jest porowatość tym jest opór osadu.

Opór właści­wy osadu zależy również od stężenia zawiesiny. W przypadku osadów o wąskim przedziale wielkości cząstek obserwowano ciągłe się oporu wła­ściwego przy jednoczesnym stężenia zawiesiny. Przy pewnym stężeniu zawiesiny następuje zdecydowana zmiana oporu właściwego osadu. Przyjmuje się, że przy tym stężeniu zawiesiny zaczyna się intensywna aglomeracja cząstek, co zdecydowanie zmienia strukturę warstwy osadu.

POMOCE FILTRACYJNIE

Pomoce filtracyjne są to ziarniste substancje stałe stosowane do filtrowania zawiesin tworzących osady ściśliwe oraz do zmętnień koloidalnych. Pomoce filtracyjne stosuje się w celu wywołania koagulacji zmętnień i/lub utworzenia określonej struktury warstwy osadu o małej ściśliwości (pomoc filtracyjna tworzy filtracyjnych placku niścisliwy szkielet, filtracyjnych filtracyjnych filtracyjnych tym samym zapobiega zgniataniu osadu. Pomocy filtracyjnych używa się również w celu wywołania aglomeracji cząstek zawiesiny, przez co zmienia się całkowicie strukturę warstwy osadu. Dodaje je się w il 0,1-0,5% masy zawiesiny i po przemyciu często wykorzysta ponownie.

Pomoce filtracyjne muszą spełniać następujące warunki:

• tworzyć warstwy o dużej porowatości,

• mieć stosunkowo małą powierzchnię właściwą, która w znacznym stopniu wpływa na opory hydrauliczne przepływu,

• mieć wąski skład granulometryczny

• mieć małą gęstość, co zapobiega szybkiej sedymentacji,

• charakteryzować się małą ściśliwością,

• być chem oboj i nierozp w cieczy filtrowanej.

Pomoce filtracyjne dozuje się do cieczy filtrowanej bezpośrednio przed fil­tracją i tylko wtedy, gdy osad jest bezużyteczny. Najpowszechniej stosowaną pomocą filtracyjną w przemyśle spożywczym jest ziemia okrzemkowa. Ilość ziemi okrzemkowej dodawanej do cieczy filtrowanej zależy od stopnia zmętnie­nia i charakteru zawiesiny oraz rodzaju stosowanej ziemi. Zbyt małe dawki ziemi okrzemkowej 2mieniają ściśliwość osadu w niewielkim stopniu i tym samym nieznacznie poprawiają proces filtracji. Natomiast duże ilości ziemi okrzemkowej dozowane do cieczy tworzą grubą warstwę osadu na przegrodzie filtracyjnej i również niekorzystnie wpływają na przebieg filtracji.

TEORIA PROCESU FILTRACJI

Ciecz przepływająca przez filtr napotyka trzy rodzaje oporów hydraulicznych,

tj-

• opór stawiany przez kanały i ich rozgałęzienia, i zmiany przekroju występu­jące w filtrze,

• opór osadu,

• opór przegrody filtracyjnej. .

Opór osadu R₀ powstałego na przegrodzie fil wraz ze jego grubości.

R₀=[(1-s)μxVΔp₀] / [bA²(1-ε)ρ]

b- stała charakt dla danego osadu, ρ- gęst. C. stałego wilgotnego w osadzie, μ- lepkość filtratu, ε- porowatość osadu, x- masa osadu przypadająca na jedn obj przesączu

wyrażenie 1-s/b(1-ερ) możemy zastąpić α, oznaczający opór właściwy osadu

Opór hydrauliczny (przegrody filtr.)

Przegroda filtracyjna jest nieściśliwa, zatem jej grubość ma stałą wartość

R_f =Δp/uA = r_f μ/A

u - prędk przepływu płynu, r_f- opór właściwy przegrody filtracyjnej

Spadek ciśnienia w filtrze jest sumą spadków ciśnienia wynikających z wymienionych tu oporów przepływu. Zwykle opór przepływu przez kanały jest pomijany w analizie procesu filtracji, stąd spadek ciśnienia przy filtracji wyraża się sumą spadku ciśnienia w warstwie osadu Δp₀ i przegrodzie filtracyj­nej Δp_f, czyli

Δp = Δp₀ + Δp_f

Straty ciśnienia . Ciecz poddawana filtracji wywiera ciś p1 na pow osadu. Szybkość miarę postępu procesu grubość warstwy osadu Szybkość więc Szybkość opór filtracyjny , wówczas podczas przepływu przez zwarty, mało porowaty osad następuje spadek cieśn. Do wartości p2. Filtrat przepływając przez przegrodę, swoje ciśnienie do wartości p3. Zatem całkowity spadek cis na filtrze wynosi Δp= p₁-p₃ Różnica ciśnień p₂-p₃ określa spadek ciśnienia na przegrodzie filtracyjnej, Szybkość wartość Δp₀ = p₁ - p₂ spadek ciśnienia cieczy w warstwie osadu

Rozkład Ciśnień w płaskiej warstwie osadu

Ciśnienie cieczy jest największe na powierzchni osadu i w miare przepływu cieczy w głąb warstwy . Ruch cieczy w kanalikach warstwy osadu ma charakter laminarny i stosuje się do rów. Leva, określającego przepływ przez wypełnienie.

Szybkość filtracji, definiowana jako objętość filtratu otrzymywana z jed­nostki powierzchni filtracyjnej w jednostce czasu, może być najogólniej opisana równaniem

dV/Adt =Δp/R

R = R₀ + R_f, przy czym R₀ - opór osadu, (Pam²s)/m³; R_f - o. przegro­dy filtr, (Pam²s)/m³, A - pow filtracyjna, m².

Szybkość filtracji w każdym momencie jest wprost proporcjonalna do różnicy ciśnień i odwrotnie proporcjonalna do ogólne­go oporu filtracji.

Szybkośc filtracji na ogół wraz ze ciśnienia. Dla osadów nieściśliwych szybkość ta jest wprost propor. do ciśnienia, a dla ściśliwych przy ciśnienia może dochodzić do prędkości filtracji na skutek porowatości osadu oraz zatykania kanalików w przegrodzie filtracyjnej.

Z równania tego wynika również, że filtracja może być pro­wadzona dwoma sposobami. Pierwszy polega na tym, że różnicę ciśnień utrzy­muje się na stałym poziomie, co powoduje, że przy ciągle rosnącym ogólnym oporze filtracji, szybkość procesu w czasie. Jest to filtracja pod stałym ciśnieniem. Natomiast w czasie filtracji drugim sposobem różnica ciśnień w filtrze w czasie tak, aby kompensować wzrastający opór filtracji a szybkość procesu utrzymuje się na stałym poziomie. Jest to filtracja przy stałej prędkości.

FILTRACJA POD STAŁYM CIŚN

Gdy ciśnienie filtracji jest utrzymane na stałym poziomie, czyli Δp= const. równanie Rutha

V2 + 2VC = Kτ

K=2 A²Δp^1-s/ α₀μx

C= r_f A/α₀xΔp^s

r_f- opór właściwy przegrody filtr

α₀- opór właściwy osadu

x- masa osadu przyp na jedn obj przesączu

w którym dla osadów nieściśliwych

K= 2A²(1-c)Δp^1-s/ αμρc

Wielkości K i C są stałymi filtracji dla danych warunków filtracji i danego typu oraz wielkości aparatu. Dla osadów ściśliwych, filtrowanych pod stałym ciśnieniem, wyznacza się opór przegrody filtracyjnej oraz wartość stałej filtracji K, którą określa wzór

K= 2A²(1-c)Δp^1-s/ α₀(1-s)μρc

c- udział masowy sus stałej w zawiesinie kg s.s/kg

F. ZE STAŁĄ SZYBKOŚCIĄ

Przy stałej szybkości filtracji w jednostce czasu uzyskuje się identyczną objętość filtratu z każdej jednostki powierzchni filtracyjnej. Czyli dV/Adτ =V/Aτ Wynika to z tego, że opór jest funkcją ciśnienia, a ciśnienie rośnie w czasie filtracji. W rezultacie wartości K i C stają się funkcjami czasu.

PRZEMYWANIE OSADU

Celem przemywania osadu jest usunięcie resztek cieczy filtrowanej z kapilar i przestrzeni międzyziarnowych warstwy osadu. Proces ten stosuje się wtedy, gdy osad jest produktem lub gdy filtrowana ciecz jest szczególnie wartościowa. W przemyśle spożywczym w większości przypadków nie stosuje się przemywa­nia osadu, ponieważ stanowi on odpad i najczęściej zawiera pomoc filtracyjną. Natomiast wtedy, gdy jest prowadzone przemywanie osadu, stosuje się układ współprądowy. Ruch cieczy przemywającej jest zgodny z ruchem cieczy pod­czas filtracji. W niektórych przypadkach ciecz zawartą w porach osadu wypycha się sprężonym powietrzem.

FILTRY

Podziału filtrów dokonuje się w zależności od sposobu wytwarzania ciśnienia i pracy filtru, a także wg cech konstrukcyjnych urządzenia. Ciśnienie hydrostatycznego słupa cieczy można w ograniczonym zakresie stosować do filtracji osadów o dużej przepuszczalności lub do wstępnego od­dzielania cząstek łatwo sedymentujących. Wytwarzanie ciśnienia za pomocą pomp tłoczących jest powszechnie stosowane w przemyśle spożywczym. W niektórych przypadkach korzysta się z pomp ssących i prowadzi filtrację przy obniżonym ciśnieniu w stosunku do otoczenia. W filtracji wykorzystuje się także siłę odśrodkową. Większość filtrów stosowanych w przemyśle spożywczym to urządzenia okresowe. Czas pracy filtru obejmuje czas właściwej filtracji oraz czynności pomocniczych polegających na przygotowaniu filtru do pracy. Czas operacji pomocniczych dla danego filtru jest stały i może dochodzić do 30% czasu pracy urządzenia.

Prasa filtracyjna jest najczęstszym rodzajem filtru stosowanym w przemy­śle spożywczym. Składa się ona z szeregu pionowo usytuowanych płyt lub ram i płyt. Między płyty lub między ramę a płytę wprowadza się przegrodę filtracyj­ną, całość dociska do siebie i w ten sposób otrzymuje element roboczy prasy. Płyty są wykonane w kształcie kwadratów, a ich grubość wynosi około 10 mm. Konstrukcja płyty musi zapewniać dobry przepływ cieczy. Z tego po­wodu jej powierzchnia jest rowkowana, a odpowiednio usytuowane króćce umożliwiają odprowadzenie filtratu. Ramy o wymiarach identycznych jak płyty mają grubość dochodzącą do 50 mm. W ramie jest symetryczne, kwa­dratowe wycięcie, które podczas filtracji wypełnia się osadem. Rów­nież rama jest zaopatrzona w odpowiednie króćce doprowadzające ciecz mętną. Prasę filtracyjną pracującą w układzie płyta-przegroda filtracyjna-płyta stosuje się głównie do końcowej filtracji wyjaławiającej, podczas której ilości usuwanego osadu są niewielkie. Zawiesinę doprowadza się do płyty, ciecz przechodzi przez przegrodę filtracyjną i zbiera się w kanalikach drugiej płyty. Filtrat za pomocą odpowiednich króćców jest odprowadzany na zewnątrz filtru. Prasę filtracyjną pracującą w układzie rama-przegroda filtracyjna-płyta stosuje się do filtracji wstępnej z odkładaniem znacznych ilości osadu. Ciecz mętną wprowadza się do ramy, a filtrat po przejściu przez przegrodę filtracyjną gromadzi się w rowkach płyty i jest odprowadzany na zewnątrz filtru. Zastosowanie płyty obiegowej w prasie filtracyjnej umożliwia zestawienie jednej części filtru w układzie rama-przegroda filtracyjna-płyta, a drugiej w układzie płyta-przegroda filtracyjna-płyta. Filtr taki można stoso­wać do filtracji wstępnej i końcowej w tym samym urządzeniu. W prasach filtracyjnych przegrodę filtracyjną stanowią kartony, a proces filtracji, szczególnie wstępnej, można prowadzić z użyciem pomocy filtracyjnej. Powierzchnia wydajność pras filtracyjnych zależą od liczby zestawionych elementów roboczych, czyli od liczby płyt lub rani i płyt. Powierzchnia może dochodzić do 240 m2 a ciśnienie do 0,6 MPa.

Filtry płytowe składają się z zamykanego szczelnego zbiornika i szeregu elementów filtrujących. Pracują one zwykle z tworzeniem warstwy filtrującej. Przygotowanie filtru do pracy polega na sporządzeniu zawiesiny, np. ziemi okrzemkowej w klarownej cieczy i podaniu jej do filtru w obiegu zamkniętym. Ziemia okrzemkowa osadza się na siatce lub tkaninie i tworzy przegrodę filtra­cyjną. Czas nanoszenia warstwy filtrującej wynosi od kilku do kilkunastu min. Po utworzeniu warstwy filtrującej otwiera się obieg zamknięty i doprowadza ciecz mętną. Po zakończonej filtracji usuwanie osadu wraz z warstwą filtrującą odbywa się za pomocą odpowiednich natrysków lub pomp podających wodę przez filtr w kierunku przeciwnym do kierunku filtracji. Filtry płytowe stosuje się do filtracji brzeczki i piwa, soków owocowych, wina, olejów i soków cukrowniczych.

Filtry tarczowe mają powierzchnię rozwiniętą po obu stronach tarcz osa­dzonych na wspólnym wale. Tarcze są wykonane z siatki lub sit z blachy kwasoodpornej. Tarcza składa się z dwóch powierzchni roboczych połą­czonych na obwodzie obejmą. Filtry tarczowe są przystosowane do wytwarzania warstwy filtrującej na powierzchni tarcz. Proces jest prowadzony podobnie jak w filtrach płytowych.

Osad usuwa się wraz z warstwą filtrującą po uprzednim wprawieniu tarcz w ruch obrotowy. Powierzchnia boczna cylindrów lub stożków ściętych jest powierzchnią fil­tracyjną filtrów świecowych. Świeca może być wykonana jako element sitowy, szczelinowy lub spiralny. Przegrodę filtracyjną tworzy się na świecy z ziemi okrzemkowej w obiegu zamkniętym. Osad wraz z warstwą filtrującą usuwa się przy użyciu wody doprowadzanej pod ciśnieniem do wnętrza świec.

Filtry bębnowe pracują pod obniżonym ciśnieniem. Ponieważ różnica ciśnień w tych filtrach jest ograniczona do maksymalnie 0,1 MPa, filtry bębno­we są stosowane do filtracji ciągłej zawiesin łatwo się filtrujących. Zasadniczą częścią filtru jest poziomy bęben z perforowanej blachy, obcią­gnięty tkaniną filtracyjną. Bęben wykonuje 0,1 - 0,2 obr/min i jest umieszczony w zbiorniku wypełnionym zawiesiną poddawaną filtracji. Zanu­rzenie bębna w zawiesinie wynosi 35 - 60% ogólnej powierzchni filtracyjnej. Wnętrze bębna jest podzielone na komory, dzięki którym następuje oddzielenie procesu filtracji od procesu przemywania osadu i jego usuwania. We wnętrzu bębna jest zróżnicowane ciśnienie, które powoduje osadzanie się osadu na powierzchni filtracyjnej i przechodzenie filtratu do bębna. Gdy warstwa osadu wynurzy się ze zbiornika, to powietrze zasysane z zewnątrz powoduje wypycha­nie filtratu z przestrzeni międzyziarnowych i osuszanie osadu. Po przemyciu wo­dą i ponownym osuszeniu powietrzem osad zostaje oddzielony od przegrody fil­tracyjnej za pomocą sprężonego powietrza wydmuchiwanego z wnętrza bębna. Rozluźniony osad zdejmuje się z powierzchni filtracyjnej za pomocą skrobaków.

Filtrowana zawiesina musi zawierać nie mniej niż 40 - 50% części stałych. Przy niższych stężeniach proces filtracji jest nieekonomiczny i trudny w realiza­cji ze względu mi nierównomierne pokrycie tkaniny filtracyjnej warstwą osadu.

---