Лекція 5, 6 Тема. ПРОЦЕСИ РОЗДІЛЕННЯ НЕОДНОРІДНИХ СИСТЕМ

Лекція 5, 6

Тема. ПРОЦЕСИ РОЗДІЛЕННЯ НЕОДНОРІДНИХ СИСТЕМ

Мета. Розглянути процеси розділення неоднорідних систем.

План.

1. Методи розділення неоднорідних систем.

2. Осадження.

3. Фільтрування.

4. Центрифугування.

5. Поділ газових неоднорідних систем.

6. Мембранні методи розділення рідинних і газових систем.

1. Методи розділення неоднорідних систем

У виробничій практиці неоднорідні системи часто доводиться розділяти на їх складові частини.

У цукробуряковому виробництві суспензію, одержану в сатураційних апаратах, розділяють для одержання чистого цукрового розчину, вільного від твердих частинок; у виробництві пива і вина потрібне їх просвітлення; для одержання масла з молока виділяють жировий компонент у вигляді вершків, із повітря й газів після процесу сушіння виділяють тверді частинки пилу з метою або очищення газів (наприклад, димових) або збереження цінного продукту (сухе молоко, цукровий пил) і т. ін.

Методи розділення неоднорідних систем класифікують залежно від розмірів частинок дисперсної фази, різниці густин дисперсної фази і дисперсійного середовища, а також в'язкості і т. ін. Розділення неоднорідних систем може відбуватися під дією різних сил: тяжіння, відцентрових, електричних та тиску.

Використовують такі основні методи розділення: осадження, фільтрування, центрифугування та мембранні методи. Осадження - процес розділення, при якому завислі в рідині або газі тверді або рідинні частинки дисперсної фази відділяють від суцільної фази під дією сили тяжіння, відцентрової або електростатичної сили. Осадження під дією сили тяжіння називають відстоюванням.

Фільтрування - процес розділення за допомогою пористої перегородки, здатної пропускати рідину або газ і затримувати завислі в середовищі тверді частинки. Фільтрування відбувається під дією сил тиску і використовується для більш тонкого, ніж при осадженні, розділення суспензій і пилу

Центрифугування - процес розділення суспензій і емульсій під дією відцентрової сили.

Мембранні методи розділення рідинних і газових систем полягають у фільтруванні розчинів під тиском через напівпроникну мембрану, яка пропускає розчинник і затримує молекули розчинених речовин.

Незважаючи на те, що методи розділення рідинних і газових неоднорідних систем грунтуються на однакових принципах, обладнання, яке для цього використовують, має ряд особливостей. Тому процеси розділення рідинних і газових систем розглядаються відокремлено.

2. Осадження

У процесах осадження зависла частинка переміщується в рідині (газі, парі) під дією гравітаційних або відцентрових сил. Необхідною умовою процесу осадження в полі цих сил є різниця густин дисперсної фази і дисперсійного середовища. Відокремлення частинок (дисперсної фази) від дисперсійного середовища, в якому вони перебувають у завислому стані, під дією сили тяжіння називають відстоюванням, або осіданням. Якщо густина дисперсної фази більша від густини дисперсійного середовища, то завислі частинки осідають на дно посудини, і, навпаки, якщо густина дисперсійного середовища більша від густини завислих частинок, останні спливають на поверхню.

Швидкість осідання (чи відстоювання) завислих частинок залежить від густини і розміру частинок (ступеня дисперсності), причому вона буде тим меншою, чим меншого розміру частинки дисперсної фази і чим менша різниця між густинами обох фаз. Невелика швидкість осадження частинок під час відстоювання не забезпечує виділення із суміші тонкодисперсних частинок, тому відстоювання використовується для грубого розділення неоднорідних систем - в основному грубих суспензій.

Основним показником, що характеризує процес осідання, є швидкість осадження. Для визначення швидкості осадження під дією сили тяжіння розглянемо процес осадження уособленої кулеподібної частинки в рідині. На частинку діаметром d діють 3 сили:

1) сила тяжіння G, яка залежить від густини і об'єму частинки, зарівнянням.

2) підйомна сила середовища (сила Архімеда).

3) сила опору середовища, яка спрямована проти руху частинки і визначається за законом Стокса

З цієї формули випливає, що швидкість осадження частинок прямо пропорційна квадрату їх діаметра, різниці густин частинок і середовища і обернено пропорційна в'язкості середовища.

Приведемо декілька зауважень щодо визначення швидкості осадження під дією сили тяжіння:

а) якщо частинка не має форму кулі, то її еквівалентний діаметр знаходять за об'ємом V масою т.

б) виведення формул припускав вільне осадження однієї частинки незалежно від інших. У реальних умовах спостерігається так зване стіснене осадження частинок, швидкість якого завжди менша від швидкості вільного осадження однієї частинки. Розрахункова швидкість стісненого осадження:

в) аналіз рівняння за визначенням швидкості осадження показує, що для прискорення (інтенсифікації) процесу осадження бажане зменшення в'язкості середовища та збільшення розміру частинок d і рушійної сили - різниці густин частинок та середовища. Для зменшення в'язкості гетерогенні системи перед осіданням (чи відстоюванням) часто нагрівають до температур допустимих технологічними умовами. Для збільшення розміру частинок використовують їх коагуляцію, тобто об'єднання декількох частинок в одну за рахунок введення в гетерогенну систему коагулянтів (желатин, пектин, бентоніт, електроліти). Використовують також і такий метод агрегатування дрібних частинок, як флокуляція.

Розділення суспензій, емульсій та газових дисперсних систем під дією гравітаційного поля проводять в апаратах, які називаються відстійниками. Розрізняють відстійники періодичної, напівбезперервної та безперервної дій.

Відстійник періодичної дії - це циліндричний резервуар з конічним дном Суміш, яку мають розділяти, заливають в апарат і лишають відстоюватись. Якщо густина частинок більша від густини середовища, то частинки цілком або частково встигають осісти в нижній частині апарата, утворюючи концентрований осад, а у верхній частині апарата утворюється прояснений шар. Якщо g, то частинки дисперсної фази спливають угору, утворюючи концентрований продукт на поверхні освітленого шару. У першому випадку через сифонну трубу зливають освітлений шар, а потім вивантажують осад через нижній штуцер. У другому - спочатку знімають верхню частину, а потім зливають освітлену рідину. Після промивання відстійника процес знову повторюється.

Одноярусний відстійник безперервної дії з механізованим виділенням осаду, являє собою циліндричний резервуар з конічним дном і кільцевим лотком - водозливом для відведення освітленої рідини. У центрі апарата встановлено вал з гребками, який повільно обертається (близько 10 обертів за 1 год). Гребки призначені для просування осаду по днищу від периферії до вихідного патрубка у центрі апарата. Суспензія підводиться в апарат по центральній трубі.

Для збільшенні поверхні осадження і економії площі приміщень відстійники роблять багатоярусними. Вони складаються з декількох (4-5) одноярусних відстійників, які розташовані один над другим і працюють, як правило, паралельно.

3 Фільтрування

Фільтрування - це процес розділення неоднорідних систем (суспензій або аерозоіів) за допомогою пористих перегородок, які здатні пропускати рідину Ібо газ і затримувати зважені в них частинки (дисперсну фазу). Фільтрування забезпечує майже повне звільнення рідин та газів від завислих частинок і в цьому відношенні має значні переваги перед осадженням.

Фільтрування - один з найпоширеніших процесів харчових виробництв. У рафінаційних цехах маргаринових підприємств фільтрують олії від відбілювальних глин, фільтрують цукрові та вітамінні сиропи, фруктово-ягідні соки, пиво, вино, повітря в сушильних установках тощо. За цільовим призначенням процес фільтрування може бути очисним або продуктовим. У першому випадку цільовим продуктом є фільтрат (наприклад, пиво, вино, молоко), а в другому - осад (дріжджі, крохмаль).

У якості фільтрувальних перегородок використовують картон, тканини бавовняні (бельтинг, міткаль та ін.), синтетичні (капрон, нейлон, лавсан) і вовняні, а також сітки з металевих ниток, пісок, дрібне вугілля, гравій і пористу кераміку. Роль фільтрувальної перегородки виконує й шар осаду, який при фільтруванні утворюється на перегородці, при чому його фільтрувальні властивості досить часто вищі, ніж фільтрувальні властивості перегородки. У якості допоміжних матеріалів при фільтруванні використовують кісткове і деревне вугілля, діатоміт, перліт, кізельгур тощо, їх використовують при безпосередньому введенні в суспензію або попередньо намивають шар на робочу поверхню фільтра. Вони значно збільшують поруватість осаду і понижують його гідравлічний опір, що сприяє збільшенню швидкості фільтрування. Крім цього, ці матеріали володіють адсорбційними властивостями, що широко використовується, наприклад, при освітленні пива в пивоварному виробництві, фруктових соків - у консервному, вина - у виноробстві.

Рушійною силою процеса фільтрування є різниця тисків, яка створюється по обидва боки фільтрувальної перегородки. Різниця тисків може створюватися за рахунок:

- гідростатичного тиску стовпа суспензії над фільтрувальною перегородкою;

- надлишкового тиску, створюваного насосом або стисненим повітрям;

- вакууму під фільтрувальною перегородкою;

- відцентрових сил, що виникають у суспензії, яка знаходиться в обертовій посудині.

Принципові схеми фільтрів за способом створення рушійної сили:

 1 ― суспензія; 2 ― осад; 3 ― фільтрувальна перегородка; 4 ― фільтрат

У процесі фільтрування завислих у рідині чи газі твердих частинок можливі кілька випадків:

- фільтрування з утворенням осаду на фільтрувальній перегородці;

- фільтрування без утворення осаду із закупорюванням пор (закупорювальне фільтрування);

- фільтрування з утворенням осаду і закупорюванням пор. Процес фільтрування може відбуватися в різних варіантах змін тиску і швидкості. Найбільше поширене фільтрування з утворенням шару осаду, яке здійснюється при постійному перепаді тисків.

Теорія фільтрування. Основним завданням теорії фільтрування є визначення швидкості цього процесу. У процесі фільтрування суспензії рідинна фаза проходить через шар осаду і фільтрувальну перегородку, які можна розглядати як шар зернистого матеріалу. Експериментальне встановлено, що об'єм фільтрату V, який пройшов через цей шар, прямо пропорційний перепаду тисків р, площі фільтрувальної перегородки S, часу фільтрування t та обернено пропорційний опору фільтрування R:

Швидкість фільтрування Vф визначається об'ємом фільтрату V, який одержують за одиницю часу t з одного квадратного метра фільтрувальної перегородки S

Випливає, що якщо процес іде при постійному перепаді тисків, то в міру накопичення осаду на фільтрувальній перегородці росте опір фільтрування R, а швидкість його зменшується.

Апарати для фільтрування дисперсних систем називаються фільтрами. Вони поділяються на фільтри періодичної та безперервної дії. Процес фільтрування в фільтрах періодичної дії проводять до тих пір, поки не буде заповнена осадом робоча камера фільтра або непомірне виросте його опір. У фільтрах безперервної дії осад безперервно видаляється з фільтрувальної перегородки.

За конструктивними особливостями розрізняють: рамні, камерні фільтрпреси, мішкові, барабанні, дискові, стрічкові, па тронні та інші фільтри. Із фільтрів періодичної дії широко використовується пісковий фільтр

Пісковий фільтр

Його застосовують для фільтрування води, горілки й інших рідин, коли вміст твердої фази в суспензії порівняно незначний і осад не являє собою цінності. У ци- ліндричному корпусі 1 між металевими сітками 2 і 3 знаходяться шар дрібного (внизу) і шар великого (зверху) кварцового піску, розділених тканиною 4.

Тканину кладуть також на нижню сітку, щоб пісок не потрапив у фільтрат, і на верхню сітку для запобігання швидкого забруднення піску. Фільтрують під тиском близько 0,05 МПа. Перевага такого фільтра - простота конструкції, висока якість фільтрування.

Патронний фільтр (рис. 2.34) належить до фільтрів періодичної дії, що працюють під тиском.

Патронний фільтр

Він складається з циліндричного корпусу 1 і трубної решітки З, в якій закріплені патрони 2 з дротяною, керамічною або тканинною фільтрувальною поверхнями. Принцип дії фільтра полягає в тому, що розділювальна суспензія під тиском 0,2-0,4 МПа нагнітається в простір між патронами, фільтрується через стінки патронів, а потім фільтрат збирається у верхній камері 4 фільтра і відводиться від нього. Регенерують патронні фільтри звичайно стисненим повітрям. Такі фільтри використовують для звільнення води від завислих частинок і мікроорганізмів у виробництві безалкогольних напоїв, для очищення цукрових та інших розчинів, соків, сиропів.

Схема фільтрпреса

Рамний фільтрпрес (рис. 2.35) працює під надлишковим тиском 0,3-0,4 МПа, створюваним насосом. Він являє собою набір плит 1 і рам 2 квадратної , прямокутної або круглої форми, які стискуються між собою спеціальним пристроєм - затискувачем (ручним, електричним, гідравлічним). Плити фільтра виготовляють із сталі, чавуну чи полімерних матеріалів. Вони мають з обох боків рифлену поверхню, на яку вкладають фільтрувальну тканину 3. У зібраному вигляді між двома сусідніми плитами утворюються камери, в яких накопичується осад. У плитах, рамах і листах фільтрувальної тканини є отвори, які при збиранні фільтра утворюють канали для подачі суспензії та промивної рідини, а також для виведення фільтрату і промивного розчину. При фільтруванні суспензія подається паралельно в усі рами і по каналах у них витікає в простір між плитами. Через тканину,- вкла-дену на плитах, проходить фільтрат, який потім стікає по рифленій поверхні плит до вивідного каналу і виводиться з фільтра.

Зменшення швидкості витікання фільтрату є ознакою заповнення рам осадом. Після закінчення процесу фільтрування осад промивають. При цьому через канал фільтрату можна подавати промивну рідину. Вона потрапляє в простір між плитою і фільтрувальною тканиною, проходить крізь шар осаду і виливається через верхній канал.

Фільтрування за допомогою фільтрів періодичної дії пов'язане зі значними витратами праці та часу (до 30%) на допоміжні операції - промивання осаду на фільтрі та його вивантаження. Із фільтрів безперервної дії найбільше поширені барабанні, дискові та стрічкові вакуум-фільтри. Як приклад, на рис. 2.36 схематично зображено стрічковий вакуум-фільтр.

Схема стрічкового вакуум-фільтра

Фільтрувальна поверхня в ньому - це безперервна перфорована гумова стрічка з бортами 1, надіта на два барабани 2, що обертаються. Поверх стрічки знаходиться фільтрувальна тканина б, для натягування якої слугують барабани 8. Суспензія через лоток 3 і промивна рідина через форсунки (розпилювачі) 5 надходять на верхню частину стрічки фільтра. Завдяки цьому фільтрат і промивна вода відсмоктуються знизу гумової стрічки у вакуум-камери 4, а осад надходить у лоток 7.

4. Центрифугування

Центрифугування - це процес розділення неоднорідних систем під дією поля відцентрових сил. Для створення поля відцентрових сил у техніці використовують два прийоми:

1) забезпечують обертальний рух потоку рідини (газу) в нерухомому робочому органі апарата;

2) потік неоднорідної системи спрямовують у робочий орган, що обертається, в якому відбувається їх спільне обертання.

У першому випадку процес називається циклонним, а апарат - циклоном, у другому - відцентровим осадженням, або відцентровим фільтруванням, а апарат - центрифугою, або сепаратором.

Більше ніж за 100-річний період свого розвитку процеси центрифугування одержали велике розповсюдження і використовуються практично в усіх галузях народного господарства, особливо в технології хімічних та харчових виробництв. Основна перевага центрифугування порівняно з іншими методами розділення неоднорідних систем, наприклад осадженням і фільтруванням, полягає в значному збільшенні продуктивності та ефективності розділення. З допомогою центрифугування розділяють такі тонко дисперсні неоднорідні системи, як дріжджову та крохмальну суспензії, виноматеріали, пиво, молоко, цукровий та борошняний пил, тощо.У відцентровому полі можна здійснювати обидва найважливіші процеси розділення неоднорідних систем - осадження та фільтрування.

Щоб оцінити ефективність осадження частинок під дією відцентрової сили, порівняємо його з осіданням під дією сили тяжіння. Відношення відцентрової сили GВ до сили тяжіння Gт є безрозмірна величина - критерій Фруда, який називають фактором розділення.

З виразу випливає, що ефективність розділення у відцентрових пристроях можна підвищити за рахунок збільшення п або r. Враховуючи, що частота обертання має другий ступінь, то при розрахунках барабанів центрифуг і сепараторів з високою ефективністю розділення збільшують частоту їх обертання, зменшуючи радіус, що робить апарат більш компактним і надійним. Процеси розділення неоднорідних систем здійснюються в центрифугах, сепараторах і циклонах.

Класифікація промислових центрифуг: за принципом роботи – відстійні (осаджувальні) центрифуги, фільтруючі центрифуги, сепаратори; за характером роботи - центрифуги періодичної та безперервної дії; за інтенсивністю відцентрового поля - нормальні (Fr<3500) і надцентрифуги (Fr>3500); за розміщенням вала - горизонтальні, похилі та вертикальні; за вивантаженням осаду - з ручним і механізованим вивантаженням.

Принцип дії центрифуг у загальному вигляді полягає в тому, що рідинна неоднорідна система подається в барабан (ротор), який обертається в горизонтальній чи вертикальній площині. У барабані рідина утворює кільце, в якому й відбувається розділення. У полі відцентрових сил дисперсна (внутрішня) фаза залежно від її густини або осідає на стінки барабана центрифуги, або переміщується до її центру. Конструктивно центрифуги відстійного і фільтрувального типів в основному відрізняються лише будовою барабана (суцільний або перфорований).

До відстійних надцентрифуг безперервної дії відносяться сепаратори, які призначені для розділення емульсій та тонкодисперсних малокоцентрованих суспензій. Сепаратори широко використовуються для виділення вершків з молока, дріжджів із дріжджового молока, освітлення пива, виноматеріалів тощо. У промисловості використовують два типи сепараторів: камерні та тарілчасті.

Схема камерного (а) і тарілчастого (б) сепараторів

На рис. 2.38 представлена схема тарілчастого сепаратора для розділення емульсії. Вихідна емульсія надходить у корпус барабана 1 через центральну трубу і потрапляє в робочу зону барабана. Барабан заповнений встановленими одна над одною конічними вставками - тарілками 5, відстань між якими дуже незначна 0,4-1,5мм). Пакет конічних тарілок виконує роль відстійних поверхонь, на яких відбувається розшарування емульсії під дією відцентрової сили. Важка фаза відкидається на внутрішню поверхню конічних тарілок, перемішується в периферійну частину ротора, проходить над верхньою конічною перегородкою 4 і відводиться крізь отвір 2. Легка фаза витісняється до центра ротора і відводиться через канал 3

За технологічним призначенням серед тарілчастих сепараторів розрізняють прояснювальні, роздільні та згущувальні. Прояснювальні тарілчасті сепаратори застосовуються для відокремлення від рідини завислих частинок, яких у цій суміші дуже мало (до 0,1%). Роздільні сепаратори використовують для розділення фаз, а згущувальні - для збільшення концентрації однієї із фаз. У даний час харчові підприємства оснащуються універсальними сепараторами, які виконують одночасно всі перераховані вище операції, їх продуктивність досягає 150 м в годину. Фактор розділення становить 6000-9000. Такі сепаратори мають барабани, частота обертання яких становить до 19 000 за 1 хв. Широко викори-стовуються ультрацентрифуги, ротор яких здійснює 100 і більше тисяч об/хв. Такі високі швидкості дають можливість осаджувати з рідини бактерії (бактофуги), пастеризувати і стерилізувати молоко та інші продукти і навіть розділяти ізотопи хімічних елементів.

Найпростішим пристроєм для відцентрового розділення газових і рідких неоднорідних систем є відповідно циклони і гідроциклони. Вони відзначаються простою будовою, компактністю, не мають рухомих частин. До недоліків циклонів відносяться невисока ступінь розділення, порівняно високий гідравлічний опір. Циклон для очищення газу (рис. 2.39) складається з вертикального циліндричного корпуса 3 з конічною частиною 2. Запилений газ надходить тангенціальне з великою швидкістю (10-40 м/с) через патрубок 4 у верхню частину корпуса циклона. У корпусі цей потік запиленого газу рухається вниз по спіралі вздовж внутрішньої поверхні стінки циклона. При цьому важкі частинки пилу під дією відцентрової сили відкидаються на периферію, осідають на внутрішній поверхні корпуса, а потім спо-взають у конічну частину 2 і видаляються через патрубок 1. Звільнений від завислих частинок потік газу виводиться з циклона через вивідну трубу 5.

5. Поділ газових неоднорідних систем

Процеси подрібнювання харчової сировини (цукру, борошна), сортування, сушіння та транспортування сипких матеріалів здебільшого супроводжуються пилоутворенням. Пил являє собою суміш газу чи повітря і твердих частинок розміром 3-100 мкм. Необхідність виділення твердих частинок із пилу продиктована двома обставинами:

1) необхідністю уловлювати з газів цінні продукти і повернення їх у виробництво;

2) необхідністю зменшення забруднення навколишнього середо вища і забезпечення безпеки виробництва.

Частинки пилу мають електричний заряд, якого вони набувають шляхом адсорбції йонів із повітря або внаслідок тертя об тверду поверхню апарата (машини), робота якого супроводжується пилоутворенням. Великі та дрібні частинки заряджаються протилежними зарядами. При досягненні визначеної концентрації твердих частинок пилу в повітрі (цукру - 5 мг на 1 дм³ повітря, крохмалю - 7 мг на 1 дм³, пшеничного пилу - 10,2 мг на 1 дм³) можливий вибух, при якому в замкненому просторі розвивається великий тиск. Наприклад, вибухова хвиля від 1 г крохмалю створює тиск до 2 МПа.

До легкозаймистого пилу в харчовій промисловості відносяться цукрові, декстринові, крохмальні, борошняні, зернові. Всі вони спалахують від незначного джерела теплоти (іскри, сірника), і полум'я швидко розповсюджується. Статистика вибухів на промислових підприємствах свідчить, що частіше вибухають млини, ніж порохові заводи. Перелічені вище причини пояснюють необхідність очищення повітря і газів та важливість цього процесу для харчових виробництв. Для очищення газових потоків від завислих частинок використовується декілька способів: осадження під дією сили тяжіння, інерційних та відцентрових сил, фільтрування через пористу перегородку, мокре очищення та осадження в електричному полі. Для досягнення необхідного ступеня очищення газового потоку використовують і комбінації цих способів. Ефективність апаратів для поділу газових неоднорідних систем оцінюється ступенем очищення (в %).

Для розділення газових неоднорідних систем можна використовувати гравіт

аційні відстійники, однак ступінь очищення газу від пилу в них майже ніколи не перевищує 50%. Серед промислових методів розділення газових неоднорідних систем значне місце займає осадження твердих частинок у полі відцентрової сили. Цей метод здійснюється в циклонах; їх широко використовують для очищення відпрацьованого повітря з сушарок від частинок цукру, барди, молока тощо, у пневмотранспортних установках для борошна і зерна та інших установках.

Ступінь очищення повітря від пилу в циклонах досягає 85-90%. Для очищення газів фільтруванням найбільше поширені рукавні фільтри.

Рукавний фільтр

Рукавні фільтри, які використовуються на млинах та інших виробництвах для остаточного фільтрування повітря, оснащені м'якими перегородками - різними тканинами. Забруднений газ вводять у корпус фільтра 1, де він розподіляється у фільтрувальних рукавах 2, нижні кінці яких закріплені в трубних ґратах 6, а верхні закриті кришками 3. Відфільтрований газ видаляють через вихлопну трубу 5, а завислі в ньому частинки осідають на внутрішній поверхні рукава. Осілі частинки струшують спеціальним пристроєм 4 і видаляють через секторний затвор 7.

Рукавні фільтри дозволяють очищати високодисперсні аерозольні системи (пил), які мають розмір частинок дисперсної фази 10 мкм і менше. Ступінь очистки на них висока - досягає 98-99 %.

Сутність роботи устроїв для осадження під дією електростатичного поля полягає в наступному. Фільтрувальна камера має два електроди (трубчасті чи пластинчасті). Як осаджувальний електрод використана кругла металева труба - корпус 2, а коронуючим електродом служить дріт 3, натягнутий по осі труби. Газ, який підлягає очищенню, входить в апарат через патрубок 5, проходить вгору через електричне поле і виходить через патрубок 4. Під дією електричного поля відбувається йонізація газу і завислі частинки починають рухатися до одного або другого електрода залежно від їх заряду.

Пил осідає на внутрішні стінки труб, струшується спеціальним ударним пристроєм (на схемі його не показано), падає на конічне дно і через вивантажувальний патрубок І виводиться із апарата. У електроосадниках використовують постійний струм високої (40-75 кВ) напруги. Розроблені секційні електрофільтри, в яких газ проходить через ряд секцій, які послідовно з'єднані між собою. У цих апаратах досягається ступінь очистки до 99,5 % і виділяють частинки розміром до 0,005 мкм.

6. Мембранні методи розділення рідинних і газових систем

Загальні відомості та сутність процесу. Методи розділення рідких і газоподібних сумішей за допомогою напівпроникних мембран відіграють важливу роль у багатьох галузях народного господарства - хімічній, фармацевтичній, мікробіологічній, целюлозно-паперовій, атомній та ін. У харчовій технології їх широко застосовують під час концентрування натуральних фруктових і овочевих соків, сиропів, екстрактів, різноманітних бульйонів, білків (наприклад курячого яйця, желатину), молока і молочних продуктів, пастеризації пива, освітленні напоїв (наприклад, яблучного соку, вина), очищення розчинів (наприклад від солей, спиртів) та стічних вод, опріснення солоних вод, розділення газів і т.д.

Головна перевага мембранних процесів по відношенню до інших - їх висока енергоекономічність. Цю перевагу видно з прикладу опріснення морської води. Для опріснення їм3 води способом випарювання і подальшої конденсації пари (перегонкою) потрібно 230,4 МДж, способом заморожування - 28,4 МДж, а зворотним осмосом - усього 13,3 МДж.

До основних мембранних методів розділення відносяться зворотний осмос, ультрафільтрація, мікрофільтрація, діаліз, електродіаліз, випаровування крізь мембрану. Рушійна сила мембранних процесів може бути представлена різницею тисків, концентрацій, температур, хімічного чи електричного потенціалів. У деяких мембранних процесах можливе поєднання двох або навіть трьох рушійних сил.

Рушійною силою мембранних процесів, що включають зворотний осмос, ультрафільтрацію і мікрофільтрацію, є градієнт тиску. Тому ці процеси називають ще баромембранними. Оскільки вони відносяться до гідромеханічних процесів і мають найбільше поширення в харчовій промисловості, то й зупинимось розглянемо тільки їх.

Процес розділення за допомогою напівпроникної мембрани дещо аналогічний процесу простого фільтрування, тому його ще називають мембранним фільтруванням. Принципова різниця між цими процесами полягає ось у чому. При простому фільтруванні (рис. 2.42, а) на фільтрувальній перегородці утворюється шар осаду, який забиває її пори; при цьому продуктивність фільтрування з часом зменшується.

При мембранному процесі шар осаду, тобто частинок, які за своїм розміром більші за розмір пор мембрани, не затримується на перегородці, а виноситься з апарата у вигляді концентрату. Процес мембранного розділення може проходити настільки повно, що фільтрат практично не містить домішок тих компонентів суміші, які затримуються мембраною. Таким чином, головна особливість мембранного розділення полягає в створенні процесу, який ефективно працює теоретично необмежений час, тобто в створенні "вічного фільтра" на молекулярному рівні.

Теоретичні основи мембранних процесів. Процес зворотного осмосу полягає в фільтруванні розчинів під тиском, який перевищує осмотичний, через напівпроникні мембрани, які пропускають розчинник і повністю (або частково) затримують молекули або йони розчинених речовин. У його основі лежить явище осмосу - самодовільного переходу розчинника (найчастіше - води) через напівпроникну мембрану в розчин і роз- бавлення останнього до досягнення рівноваги.

Для кращого розуміння явища осмосу відзначимо, що воно лежить в основі багатьох життєвих процесів. Осмос сприяє обміну речовин у живих організмах, широко використовується в багатьох галузях харчової промисловості та ресторанному господарстві. Так, на явищі осмосу ґрунтується консервування продуктів шляхом їх соління чи насичення цукром. У цьому випадку вода з мікроорганізмів, які є причиною псування продуктів, проходить через їх оболонку в розчин солі або цукру, внаслідок чого бактерії через зневоднювання не можуть розвиватись і гинуть. Оболонка бактерії як оболонка клітин живого організму являє собою напівпроникну мембрану. Перші промислові мембрани виготовляли з матеріалів тваринного походження бичачих пухирів тощо.

Тиск в розчині, що змушує розчинник переходити через мембрану, називають осмотичним. Величина осмотичного тиску ідеального розчину, може бути визначена рівнянням Вант-Гоффа

Відзначимо, що осмотичний тиск для різних розчинених речовин відрізняється в широкому діапазоні й залежить головним чином від їх концентрації. Так, для неконцентрованого фруктового соку і молока він становить 0,6-1 МПа, для концентрованого фруктового соку - 8 МПа, для морської води з концентрацією солей 35 % -2,45 МПа.

Створивши над розчином тиск, що дорівнює осмотичному, осмос припиняється і настає стан рівноваги. Якщо тепер збоку розчину прикласти тиск р, який перебільшує осмотичний, то можна спостерігати перенесення розчинника через мембрану в зворотному напрямку, тобто зворотний осмос.

При зворотному осмосі робочий тиск має в 2-3 рази перевищувати осмотичний. Як виходить із попередніх викладок, цей тиск тим більший, чим вища концентрація розчину.

Як уже було сказано розрізняють три види баромембранних процесів: зворотний осмос, ультрафільтрацію та мікрофільтрацію.

Процеси на напівпроникних перегородках з діаметром пор від 0,1 до декількох мікрометрів прийнято відносити до мікрофільтрації. У цих процесах можуть відокремлюватись як дрібні частинки механічних домішок, так і окремі клітинні організми й частини клітин (наприклад, дріжджові клітини продуктів бродіння). Мікрофільтрацію проводять при дуже малих робочих тисках (близько десятих і навіть сотих часток МПа).

Процеси ультрафільтрації виконують на мембранах із середнім діаметром пор 0,01-0,1 мкм. При ультрафільтрації розділяють розчини, які вміщують великі молекули (наприклад молекули білків), а молекулярна маса розчинених компонентів набагато більша від молекулярної маси розчинника. Ультрафільтрацію проводять при порівняно невеликих тисках (0,2-1 МПа).

При зворотному осмосі через мембрану проходять частинки розчинника, а затримуються частини низько та високомолекулярних речовин із розмірами, меншими за 0,01 мкм. Тиск при зворотному осмосі становить 1-10 МПа.

Мембрани. У перекладі з латини слово "мембрана" означає "тонка плівка", "шкірочка", "перегородка". Мембранами можуть бути полімерні плівки (поліетиленові, целофанові, фторопластові, поліпропиленові та ін.), тонкі металеві пластини (фольга), керамічні пластини, пористе скло (натрійборосилікатне та ін.) і навіть шар рідини, пари або газу. Застосовані в практиці напівпроникні мембрани характеризуються двома основними показниками: проникністю та селективністю. Проникність, або питома продуктивність (чи швидкість процесу), виражається об'ємом (або масою) фільтрату, який одержується при даній рушійній силі за одиницю часу з одиниці робочої поверхні мембрани.

Селективність мембран - це їхня вибірна здатність пропускати ті чи інші речовини; чим вона вища, тим ефективніший процес розділення.  Селективність залежить від ряду факторів: характеру взаємодії речовин, які розділяються з матеріалом мембрани, розміру мембранних пор, способів проведення процесу тощо.

Для всіх мембранних процесів характерне накопичування біля поверхні мембрани частинок (молекул) речовин, які не проходять через мембрану і не виносяться з потоком концентрату. Це явище одержало назву концентраційної поляризації. Воно призводить до зниження селективності мембран, їх проникності та до значного зменшення строку їх експлуатації. Для зменшення впливу концентра-ційної поляризації використовують різноманітні мішалки, турбулізатори потоку, збільшують швидкість течії рідини.

Устрій мембранних апаратів. Апарати для проведення процесів зворотного осмосу і ультрафільтрації аналогічні, в них використовуються мембрани з одного й того самого матеріалу, але з різними розмірами пор. Апарати бувають періодичної та безперервної дії, але в промисловості використовуються переважно проточні апарати безперервної дії. Промислові апарати для мембранних процесів мають відповідати таким вимогам: мати велику робочу поверхню мембран в одиниці об'єму апарата; бути доступними для збирання і монтажу; рідина під час руху по секціях або елементах повинна рівномірно розподілятись над мембраною і мати достатньо високу швидкість течії для зменшення шкідливого впливу концентраційної поляризації; при цьому перепад тиску в апараті повинен бути за можливістю невеликим.

Залежно від форми мембрани й типу її укладки мембранні апарати поділяються на чотири групи: апарати з плоскими мембранними елементами, з трубчастими мембранними елементами, з мембранними елементами рулонного типу і з мембранами у вигляді порожнистих волокон. У зв'язку з обмеженим строком служби мембран, апарати в основному виконуються у вигляді окремих елементів або модулів.

Це дозволяє при необхідності швидко замінити елемент при виході його із ладу без зупинки всієї установки.

Розглянемо найпростіші схеми мембранних установок. У модулі з плоским розташуванням мембрани вихідний розчин надходить у внутрішню порожнину установки, яка утворена нижньою плитою, верхньою плитою та герметичною про кладкою. В порожнині розміщена напівпроникна мембрана на підкладці. Підкладку виготовляють із міцного пористого матеріалу - кераміки, пористої (або перфорованої) нержавіючої сталі тощо. На мембрані затри-муються частинки або молекули, які необхідно виділити з вихідної суміші, а фільтрат проходить через мембрану і підкладку. Із модулів такого типу збираються апарати типу фільтрпрес. Такі апарати прості у виготовленні, зручні в монтажі та експлуатації. Головний недолік - невисока питома поверхня мембран.

Серед апаратів з трубчастими фільтрувальними елементами найпоширеніші апарати, у яких мембрани знаходяться на внутрішній і зовнішній поверхнях дренажного каркасу.

Дренажний каркас виготовляють з трубки 1, що є опорою для мембранного елемента, і мікропористої підкладки, яка запобігає вдавлюванню мембрани в дренажні канали трубки. Конструктивно апарати з трубчастими мембранними елементами нагадують кожухотрубні теплообмінники.

Розроблено конструкції апаратів з мембранами у вигляді порожнистих волокон. Вони мають дуже високу питому поверхню рівну. Порожнисті волокна витримують робочий тиск 10 МПа і більше.

Всі розглянуті типи мембранних апаратів можуть експлуатуватися як апарати періодичної дії, так і безперервної.

Питання для самоперевірки

1. Методи розділення неоднорідних систем.

2. Вплив, який створюють на процеси розділення неоднорідних систем: концентрації суспензії, форми частинок, степені неоднорідності частинок за розміром, розміром частинок і в'язкістю середовища.

3. Осадження в полі сил тяжіння. Апарати, які застосовуються для осадження.

4. У яких апаратах проводять розділення дисперсних систем?

5. Конструкції відстійників періодичної дії. Визначення їх продуктивності та швидкості осадження. Сфера застосування.

6. Конструкції безперервнодіючих відстійників. Назвіть їхні переваги та недоліки.

7. Суть процесу фільтрування. Рушійна сила процесу.

8. Способи процесу фільтрування. Чим створюється перепад тиску для подолання опорів, які виникають при фільтруванні?

9. Режими фільтрування. Фільтрування при постійному перепаді тисків.

10. Фільтрування. Які бувають осади? Дати їм характеристику.

11. Швидкість фільтрування. Від яких чинників залежить швидкість фільтрування?

12. Апарати для фільтрування дисперсних систем.

13. Класифікація фільтрів. Будова, робота, розрахунок поверхні фільтрації стрічкового фільтру, рамного фільтрпресу.

14. У чому полягає суть відцентрової фільтрації?

15. Фільтруючі центрифуги періодичної і безперервної дії.

16. Використання тарілчастих сепараторів. Будова, робота.

17. Поділ газових неоднорідних систем. Будова і робота циклону.

18. Загальні відомості та сутність процесу розділення рідинних і газових систем мембранними методами.

19. Перевага мембранних процесів розділення рідинних і газових систем.

20. Теоретичні основи мембранних процесів.

21. У чому суть ультрафільтрації і зворотного осмосу? Приклади використання мембранної технології.

22. Характеристика мембран, їх селективність і проникність.

23. Перспективи застосування мембранних методів розділення неоднорідних систем.

24. Устрій мембранних апаратів.

Використана література.

7. Процеси і апарати харчових виробництв / За редакцією А.М. Поперечного.- К.:Центр учбової літератури, 2007, - 301 с.

8. Стабников В.Н., Баранцев В.И. Процессы и аппараты пищевых производств. -М. : Пищ.пром-сть, 1984, -349 с.

9. Кавецкий Г.Д., Королев А.В. Процессы и аппараты пищевых производств. –М.: Агропромиздат, 1999, - 430 с.