Оборудование для фильтрования

 

Цель работы: изучить устройство и принцип действия фильтровального оборудования.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Изучить устройство фильтров, фильтров-прессов, фильтровальной установки, фильтрующих центрифуг.

2. Изучить принцип действия машин и аппаратов для фильтрования и центрифугирования.

3. Составить отчет.

 

Фильтровальное оборудование классифицируется:

– по принципу действия: работающее при постоянном перепаде давления или при постоянной скорости фильтрования;

– по способу создания перепада давления на фильтровальной перегородке: работающее под вакуумом или под избыточным давлением;

– по организации процесса: непрерывного и периодического действия.

Избыточное давление может создаваться силами давления или центробежной силой. В зависимости от способа создания перепада давления фильтровальное оборудование может быть разделено на фильтры и центрифуги.

Фильтры, используемые для разделения суспензии, работают как периодически, так и непрерывно, под вакуумом и под избыточным давлением. К последним предъявляются повышенные требования к механической прочности. Они изготавливаются по специальным нормам Госгоркотлонадзора.

В фильтрах периодического действия осадок удаляется после прекращения процесса фильтрования, в фильтрах непрерывного действия – по мере необходимости без остановки процесса.

При разработке новых видов фильтровального оборудования следует ориентироваться на создание компактных аппаратов с развитой фильтровальной поверхностью, позволяющих проводить ее регенерацию без остановки технологического процесса.

Нутч-фильтр (рис. 46), работающий как под вакуумом, так и под избыточным давлением, широко распространен в малотоннажных производствах. Выгрузка из него осадка механизирована. Для сброса осадка фильтр снабжен перемешивающим устройством в виде однолопастной мешалки. Для удаления осадка из фильтра на цилиндрической части корпуса предусмотрен люк. Суспензия и сжатый воздух подаются через разные штуцеры, фильтрат удаляется через штуцер 4. Фильтр снабжен предохранительным клапаном.

Цикл работы фильтра включает заполнение суспензией, фильтрование ее под давлением, удаление осадка с фильтровальной перегородки при вращающейся мешалке и регенерацию фильтровальной перегородки. В таких фильтрах одновременно может промываться осадок.

 

 

Рис. 46. Нутч-фильтр с перемешивающим устройством: 1 – привод; 2 – корпус фильтра; 3 – мешалка; 4 – спускной кран; 5 – фильтровальная перегородка; 6 – фильтровальная ткань

Для фильтрования суспензии применяются фильтровальные перегородки из картона, бельтинга и синтетических волокон. Преимущества последних в высокой механической прочности, термической и химической стойкости. Из них изготавливаются фильтровальные перегородки с постепенно изменяющейся плотностью, что обеспечивает глубинное фильтрование суспензий, содержащих малое количество твердой фазы. Меняющаяся плотность фильтровального материала позволяет захватывать частицы по всей глубине фильтра, при этом крупные задерживаются в наружных слоях фильтра, а мелкие – в глубинных. Селективное фильтрование обеспечивает высокую скорость фильтруемой среды, предотвращает закупоривание поверхностных пор и продлевает срок службы фильтров.

Рамный фильтр-пресс (рис. 47) используется для осветления виноматериалов, вина, молока, пива. Фильтрующий блок состоит из чередующихся рам и плит с зажатой между ними фильтровальной тканью (или картоном). Рамы и плиты (рис. 48) зажигаются в направляющей 6 зажимным винтом 7.

Рис. 47. Рамный фильтр-пресс: 1 – упорная плита; 2 – рама; 3 – плита; 4 – фильтровальная перегородка; 5 – подвижная плита; 6 – горизонтальная направляющая; 7 – винт; 8 – станина; 9 – желоб

Рис. 48. Рама (а) и плита (б) фильтра-пресса: 1, 2 – каналы для ввода суспензии и промывной жидкости; 3 – дренажный канал; 4 – сборный канал; 5 – отводной канал

При фильтровании (рис. 49, а) суспензия под давлением подается через каналы и распределяется по всем рамам. Фильтрат стекает по дренажным и сборным каналам в плитах и удаляется через отводные. При промывке осадка (см. рис. 49, б) промывная жидкость под давлением вводится через соответствующие каналы, распределяется по рамам и проходит обратным током через фильтровальную перегородку, промывает осадок, а затем удаляется из фильтра через отводные каналы. (При промывке отводные каналы всех нечетных плит блока должны быть закрыты.)

Рис. 49. Схема работы рамного фильтра-пресса: а – фильтрование; б – промывка осадка. 1 – рама; 2 – плита

Основным недостатком рамных фильтров-прессов является трудоемкость выгрузки осадка и замены фильтровальной перегородки, так как необходимо вручную разбирать фильтровальный блок и промывать плиты и рамы.

Фильтр-пресс автоматизированный камерный с механизированной выгрузкой осадка (ФПАКМ) используется для разделения тонкодисперсных суспензий концентрацией 10 – 500 кг/м³ при температуре до 80 °С. Это фильтр периодического действия, он состоит из ряда прямоугольных фильтров (рис. 50), расположенных вплотную один под другим, благодаря чему возрастает удельная площадь поверхности фильтрования по отношению к площади, занимаемой фильтром.

Рис. 50. ФПАКМ: 1 – нижняя плита; 2 – верхняя плита; 3 – пространство для суспензии и осадка; 4 – перфорированный лист; 5 – пространство для фильтрата; 6 – эластичная диафрагма; 7, 9, 12 – каналы; 8 – коллектор для суспензии; 10 – коллектор для отвода фильтрата; 11 – пространство для воды; 13 – фильтровальная ткань

В положении А в камеру из коллектора 8 последовательно поступают суспензия на разделение, жидкость для промывки и сжатый воздух для подсушки осадка. Фильтрат, промывная жидкость и воздух отводятся по каналам 12 в коллектор 10. В пространстве 11 по каналам 9 подается вода под давлением, которая с помощью водонепроницаемой диафрагмы 6 отжимает осадок (положение Б). Затем плиты раздвигаются, и осадок удаляется из фильтра через образовавшиеся щели (положение В).

Рис. 51. Барабанный вакуум-фильтр с распределительной головкой: 1 – перфорированный барабан; 2 – фильтровальная ткань; 3 – ножевое устройство; 4 – секция; 5 – корыто; 6 – мешалка; 7 – труба; 8 – разбрызгиватель; 9 – распределительная головка

Барабанные вакуум-фильтры (рис. 51) применяются для непрерывного разделения суспензий концентрацией 50 – 500 кг/м³. Твердые частицы могут иметь кристаллическую, волокнистую, аморфную, коллоидную структуру. Производительность фильтра зависит от структуры твердых частиц и снижается в указанной выше последовательности. Вакуум-фильтры выпускаются с внешней и внутренней фильтрующей поверхностью, которая обтягивается текстильной фильтровальной тканью. Вращающийся горизонтальный перфорированный барабан разделен перегородками на несколько секций одинаковой формы, которые за оборот проходят несколько рабочих зон: фильтрование, обезвоживание, промывка, удаление осадка и регенерация фильтровальной ткани. Работой фильтра управляет распределительная головка, через которую секции барабана в определенной последовательности подсоединяются к магистралям вакуума, сжатого воздуха и промывной жидкости.

Во время процесса зона фильтра под фильтрующей тканью соединяется с вакуумом и фильтрат, находящийся в корыте, про­ходит через ткань. Осадок откладывается на ее поверхности, после промывки и сушки он срезается йожом. Чтобы взвешенные частицы не отстаивались, корыто снабжено качающейся мешалкой.

Для извлечения пива и дрожжей из дрожжевой суспензии, образующейся при седиментации в бродильных чанах и танках, применяется вакуум-фильтр, изображенный на рис. 52.

Рис. 52. Барабанный вакуум-фильтр: 1 – насос для фильтрата; 2 – вакуум-насос; 3 – пеногаситель; 4 – фильтровальный элемент; 5 – барабан; 6 – труба для фильтрата

Фильтровальный элемент состоит из крупноячеистой сетки, на которую накладывается мелкоячеистая сетка. Для улучшения условий фильтрования на последнюю намывается слой вспомогательного материала – картофельного крахмала. Пивная или дрожжевая суспензия, подаваемая из бака, при вращении барабана равномерно распределяется по фильтровальной поверхности, а дрожжевой осадок (лепешка) срезается ножом, установленным над баком. Содержание сухих веществ в дрожжевой лепешке достигает 25 – 28 %. Обрызгивание подсыхающей лепешки водой способствует увеличению выхода пива примерно на 20 %.

Детали фильтра, находящиеся в контакте с фильтрующей средой, выполнены из нержавеющей стали и легко очищаются.

Схема фильтровальной установки с барабанным вакуум-фильтром показана на рис. 53. Суспензия подается в корыто фильтра, где установлена качающаяся мешалка, препятствующая сепарации крупных твердых частиц большой плотности. При погружении 30 % поверхности барабана в суспензию он подключается к вакуум-насосу. Фильтрат и промывная жидкость скапливаются в сборниках 3, где от них отделяется воздух, поступивший в фильтр во время обезвоживания и промывки осадка, и затем откачиваются насосами.

Рис. 53. Схема фильтровальной установки: 1 – барабанный вакуум-фильтр; 2 – приемник осадка; 3 – сборники фильтрата и промывной жидкости; 4 – воздуходувка; 5 – вакуум-насос; 6 – насосы для отбора фильтрата и промывной жидкости; 7 – насос для суспензии; 8 – емкость для суспензии

Дисковые фильтры (рис. 54) применяются для разделения тонкодисперсных суспензий и работают под давлением с намывным слоем вспомогательного вещества. Дисковый фильтр представляет собой вертикальную емкость с обогреваемой рубашкой. Внутри фильтра на полый вал 6 насажены дисковые металлические перфорированные фильтровальные элементы 7. На диски натягивается фильтровальная ткань, закрепляемая хомутами. Рабочее давление в фильтре достигает 0,5 МПа, в рубашке – 0,3 МПа.

В дисковых фильтрах предусмотрен центробежный сброс подсушенного осадка. Полый вал вместе с фильтровальными дисками приводится во вращение электро- и гидродвигателями. Частота вращения вала – 250 мин^-1. Вал имеет сальниковые тефлоновые уплотнения.

 

 

Рис. 54. Дисковый фильтр: 1 – шкив; 2 – сальниковое уплотнение; 3 – крышка; 4 – корпус; 5 – рубашка; 6 – полый вал; 7 – фильтровальные элементы; 8 – подпятник

Перед фильтрованием на фильтровальные элементы намывают слой вспомогательного вещества, предварительно приготовленного в суспензаторе. Суспензия прокачивается насосом толщиной 15 – 30 мм. Из дисков через отверстия в полом валу фильтрат поступает внутрь его и выводится из фильтра в суспензатор. Аналогично проводится фильтрование суспензии. После его окончания осадок промывается обратным током фильтрата и подсушивается воздухом.

Ленточный фильтр (рис. 55) состоит из рамы, приводного и натяжного барабанов, между ними натянута замкнутая перфорированная резиновая лента, под которой расположены вакуум-камеры, соединенные в нижней части с коллекторами для отвода фильтрата и промывной жидкости. За счет вакуума лента плотно прилегает к верхней части вакуум-камер. К ленте натяжными роликами 7 прижимается фильтровальная ткань. Суспензия подается на фильтровальную ткань из лотка 5. Фильтрат под вакуумом отсасывается в камеры и отводится через коллектор в сборник. Промывная жидкость подается через форсунки 2 на образовавшийся осадок и отсасывается в камеры, из которых через коллектор 9 отводится в сборник. На приводном барабане фильтрующая ткань отделяется от резиновой ленты и огибает направляющий ролик. При этом осадок с фильтровальной ткани падает в специальный сборник. При прохождений фильтровальной ткани между роликами 7 она промывается, просушивается и очищается.

Рис. 55. Ленточный вакуум-фильтр: 1 – приводной барабан; 2 – форсунка; 3 - вакуум-камера; 4 – резиновая лента; 5 – лоток; 6 – натяжной барабан; 7 – натяжные ролики; 8 – коллектор для отвода фильтрата; 9 – коллектор для отвода промывной жидкости; 10 – сборник осадка; 11 – фильтровальная ткань

Фильтрующие центрифуги периодического и непрерывного действия разделяются по расположению вала на вертикальные и горизонтальные, по способу выгрузки осадка – с ручной, гравитационной, пульсирующей и центробежной выгрузкой. Главным отличием фильтрующих центрифуг от отстойных является то, что они имеют перфорированный барабан, обтянутый фильтровальной тканью.

В фильтрующей центрифуге периодического действия (рис. 56) суспензия загружается в барабан сверху. После ее загрузки барабан приводится во вращение. Суспензия под действием центробежной силы отбрасывается к внутренней стенке барабана.

Рис. 56. Фильтрующая центрифуга периодического действия: 1 – станина; 2 –перфорированный барабан; 3 – крышка; 4 – кожух; 5 – ступица; 6 – подшипник; 7 – электродвигатель; 8 – шкив с ременной передачей; 9 – дренажная сетка; 10 –фильтрующая ткань

Жидкая дисперсионная фаза проходит через фильтровальную перегородку, а осадок остается на ней. Фильтрат по сливному патрубку направляется в сборник. Осадок после окончания цикла фильтрования выгружается вручную через крышку 3.

Конструкция фильтрующей центрифуги с перфорированным барабаном аналогична конструкции автоматической отстойной центрифуги с непрерывным ножевым съемом осадка.

Рис. 57. Центрифуга с гравитационной выгрузкой осадка: 1 – вал; 2 – барабан; 3 – распределительный диск; 4 – упорная втулка	Рис. 58. Центрифуга непрерывного действия с пульсирующей выгрузкой осадка; 1 – полый вал; 2 – шток; 3 – корпус; 4 – поршень-толкатель; 5 – приемный конус; 6 – барабан; 7 – сито

В саморазгружающихся центрифугах (рис. 57) осадок удаляется под действием гравитационной силы. Такие центрифуги выполняются с вертикальным валом, на котором крепится перфорированный барабан. Суспензия подается на загрузочный диск при вращении барабана с низкой частотой. Нижняя часть барабана имеет коническую форму, причем угол наклона делается большим, чем угол естественного откоса осадка. После окончания цикла фильтрования и остановки барабана осадок под действием гравитационной силы сползает со стенок и удаляется из центрифуги через нижнее отверстие.

В непрерывнодействующих фильтрующих центрифугах с пульсирующей выгрузкой осадка (рис. 58) фильтрат из центрифуги выводится непрерывно, а осадок периодически выгружается из барабана пульсирующим поршнем.

Поршень-толкатель перемещается в горизонтальном направлении в барабане с помощью штока, который находится внутри полого вала барабана. Шток вращается вместе с валом и совершает одновременно возвратно-поступательные движения (10 – 16 ходов в минуту, длина каждого хода составляет примерно 0,1 длины барабана). Сервомеханизм автоматически изменяет направление движения поршня.

Суспензия подводится по оси вала в приемный конус. В конусе имеются отверстия, по которым суспензия поступает в барабан. Внутренняя поверхность барабана покрыта фильтровальным ситом. Осадок, отложившийся на поверхности сита, промывается и перемещается поршнем к открытому концу барабана, откуда выгружается в специальную камеру.

Центрифуга непрерывного действия с центробежной выгрузкой осадка имеет конический перфорированный барабан, внутри которого вращается шнек со скоростью, несколько меньшей, чем скорость вращения барабана. При вращении витки шнека снимают с барабана отложившийся осадок и перемещают его в нижнюю часть, в специальную камеру. Выгрузка осадка происходит под действием центробежной силы. При этом он не измельчается, его структура не изменяется, как, например, в центрифугах с ножевым срезом и выгрузкой осадка пульсирующим поршнем.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Какое оборудование применяется для разделения неоднородных систем методом фильтрования?

2. Какие конструкции фильтров используются в пищевой промышленности?

3. Какие конструкции фильтрующих центрифуг применяются в пищевой промышленности?

Лабораторная работа № 6