VII Filtre

Filtre

VII. FILTRARE

VII.1. Consideraţii teoretice

Operaţia de filtrare constă în separarea sistemelor eterogene fluid-solid cu ajutorul unui strat filtrant cu structură poroasă, prin care trece numai faza fluidă. Filtrarea se realizează datorită diferenţei de presiune dintre cele două părţi ale stratului filtrant.

În urma operaţiilor de sedimentare – cernere – adsorbţie are loc separarea fazei solide pe stratul filtrant.

Comparativ cu operaţia de sedimentare, cea de filtrare nu este condiţionată de diferenţa între densităţile fazelor care se separă.

Scopul operaţiei de filtrare este de a separa fazele unei suspensii în:

- precipitat – conţine cât mai mult din faza solidă a suspensiei;

- filtrat – conţine cât mai puţin solid. Operaţia de filtrare poate fi urmată de spălarea

precipitatului cu lichid care îndepărtează soluţia din precipitat, purifică precipitatul şi recuperează substanţa solubilă.

Etapele filtrării unei suspensii sunt următoarele: reţinerea fazei solide de către stratul filtrant; reţinerea fazei solide de către stratul de precipitat

depus pe suprafaţa filtrantă, care rămâne doar cu rolul de suport al precipitatului;

spălarea precipitatului şi îndepărtarea sedimentului depus pe filtru;

regenerarea stratului filtrant prin îndepărtarea precipitatului, spălarea stratului filtrant, destuparea porilor.

1

Prof.Dr.Ing. Teodor–Ioan TraşcăUTILAJE ÎN INDUSTRIA ALIMENTARĂ

a) Suspensia:

Operaţia de filtrare se aplică pentru suspensie, indiferent de natura şi caracteristicile fizico-chimice.

Depunerea materialului absorbant pe suprafaţa filtrantă se realizează:

- discontinuu - se formează stratul adsorbant, după care se începe filtrarea;

- continuu se adaugă în suspensia iniţială într-un dozaj convenabil, de (0,01 … 0,05)% din greutatea fazei solide.

Suspensiile cu particule mari şi incompresibile se filtrează mai uşor decât cele cu particule fine sau coloidale, care formează precipitate compacte şi impermeabile ce astupă porii materialului filtrant.

b) Temperatura de filtrare:

Operaţia de filtrare este favorizată de creşterea temperaturii de filtrare, prin micşorarea vâscozităţii sau modificarea granulometriei (inducerea unei coagulări). Acest efect favorabil al creşterii temperaturii poate fi însă micşorat sau chiar anulat dacă temperatură determină umflarea stratului filtrant.

c) Presiunea de filtrare:

2

Filtre

În tabelul VII.1 se indică presiunile de filtrare funcţie de tipul de filtrare.

Tabelul VII.1 – Presiuni de filtrare Presiuni [Pa]

Tip filtru - pe faţa de intrare a filtrului

- pe faţa de ieşire a filtrului

Filtre celulare rotative:- suspensii fine- suspensii mijlocii- suspensii mari, cristaline

Presiuni absolute:105

105

105

0,1105 – 0,2105

0,4105 – 0,7105

0,8105 – 0,9105

Filtre presă sau prin plăci poroase:- normal

Suprapresiune:

105 – 3,5105 0Plăci metalice poroase până la 700105 0

d) Materialul filtrant:

Materialul folosit ca strat filtrant trebuie să îndeplinească următoarele cerinţe:

- să reţină cât mai complet faza solidă a suspensiei şi eventualele impurităţi;

- să aibă rezistenţă hidraulică redusă;- să aibă rezistenţă mecanică şi chimică corespunzătoare;- să permită viteze de filtrare mari;- să se regenereze uşor.Funcţie de materialul filtrant, există două limitări ale

operaţiei de filtrare:- o filtrare superficială: materialul filtrant opreşte pe

suprafaţa sa particulele solide ale suspensiei datorită diferenţei dintre mărimea particulelor şi mărimea porilor; grosimea materialului filtrant se neglijează; suspensia este săracă în fază solidă pentru a nu forma un strat de precipitat;

3


- o filtrare în adâncime: particulele solide ale suspensiei se depun şi sunt adsorbite pe suprafaţa mare a particulelor stratului filtrant pe toată adâncimea lui.

Funcţie de natura lor, materialele filtrante se utilizează sub formă de table, site, ţesături şi împletituri, plăci poroase, straturi fibroase şi pulverulente, straturi granulare, membrane.

Tablele perforate sunt grătare cu ochiuri dreptunghiulare (cu lăţimea minimă 1,5 mm) sau circulare (cu diametrul minim 3 mm), utilizate mai ales ca suport pentru pânze sau alte materiale filtrante (celuloză, azbest, kieselgur).

Împletiturile metalice au rezistenţă mecanică mai mică decât tablele perforate dacă se utilizează ca suport pentru materiale poroase, dar prezintă avantajul unei suprafeţe libere mari.

Pânzele filtrante se caracterizează prin elasticitate, supleţe, porozitate fină. Ele reţin particulele suspensiei prin efect de cernere şi adsorbţie. Au rezistenţă mecanică redusă şi se colmatează uşor. Ele se utilizează ca suprafeţe filtrante dispuse pe rame verticale, pe suport orizontal sau sub formă de saci. Datorită felului ţesăturii, porozităţii, grosimii ţesăturii, naturii materialului, pânzele filtrante prezintă o mare varietate şi adaptabilitate la condiţiile de filtrare.

Materiale filtrante textile sunt: fibre vegetale (bumbac, iută), fibre animale (lână, păr de cămilă, mătase naturală), fibre sintetice (mătase artificială), fibre minerale (azbest, sticlă).

Membranele sunt de origine animală, vegetală sau sintetică (gelatină, esteri de celuloză depuse pe ţesături sau hârtie) şi se utilizează ca suprafeţe filtrante pentru filtrări fine, pentru reţinerea substanţelor coloidale, bacteriilor, viruşilor.

Straturile fibroase se obţin din fire de celuloză, azbest, lână, in prin presare (carton, fetru, pâslă) sau prin sedimentarea

4

Filtre

fibrelor pe o suprafaţă suport. Acestea din urmă se utilizează la filtrarea suspensiilor care colmatează uşor stratul filtrant (sirop de zahăr, gelatină, ulei vegetal, vinuri).

Straturile pulverulente se depun prin sedimentare (pulbere de kieselgur, cărbune) şi se utilizează mai ales pentru filtrări prin adsorbţie. Aceste materiale filtrante se regenerează prin spălare.

Plăcile poroase filtrante se realizează din granule reunite prin presare cu sau fără lianţi şi ardere prin vitrificare: din azbest, kieselgur, argilă, porţelan, cuarţ, sticlă, grafit, carborundum, materiale plastice. Aceste materiale filtrante se caracterizează prin porozitate uniformă, rezistenţă mecanică şi chimică şi se utilizează pentru filtrări foarte fine.

Straturile granulare susţinute pe un suport sunt materiale filtrante care lasă să treacă filtratul dar opresc particulele stratului. Cele mai răspândite sunt filtrele de nisip.

Astfel de filtre cu straturi granulare se utilizează şi ca filtre active, de exemplu:

- filtru cu cărbune activ pentru reţinerea prin adsorbţie a unor componente;

- filtru cu cărbune activ, pământ decolorant, bentonită, pentru decolorarea şi dezodorizarea lichidelor.

e) Porozitatea materialului filtrant:

Golurile dintr-un material filtrant pot fi de trei feluri: pori interiori sau închişi, pori exteriori sau deschişi şi pori sau goluri intergranulare. Pentru operaţia de filtrare prezintă interes doar porozitatea corespunzătoare golurilor intergranulare şi repartizarea diferitelor mărimi de pori.

f) Grosimea stratului de precipitat:

5


Creşterea grosimii stratului de precipitat determină creşterea rezistenţei hidraulice (lungimea traseului parcurs de lichid în stratul de precipitat şi tasarea acestuia) şi astfel scade viteza de filtrare şi deci productivitatea filtrului.

g) Spălarea precipitatului:

Această fază a filtrării este necesară atunci când din precipitatul trebuie eliberată substanţa dizolvată (purificarea precipitatului) sau când trebuie recuperat filtratul.

Faţă de sensul de filtrare, spălarea poate fi:- în echicurent – lichidul de spălare împinge filtratul din

porii precipitatului;- în contracurent – filtratul se diluează cu lichidul de

spălare de deasupra precipitatului.

VII.2. Filtre cu funcţionare la presiune hidrostatică

Filtrele cu funcţionare la presiunea hidrostatică sunt acele tipuri de filtre, la care curgerea are loc sub influenţa coloanei de lichid care se află deasupra stratului filtrant.

În figura VII.1 se prezintă două modele de cazane clasice de filtrare. Din punct de vedere constructiv – funcţional, acestea se compun din

1 – conductă de alimentare2 – vas cilindric3 – gură de evacuare pentru precipitat5 – gură de evacuare pentru filtru6 – agitator.Modul de lucru este următorul: amestecul intră în cazan

prin conducta de alimentare (1), până la nivelul prestabilit. Se introduce apoi apă de spălare pentru a asigura completarea cu

6

Filtre

lichid şi astfel presiunea hidrostatică necesară filtrării. Precipitatul se depune pe sita filtrantă (4) şi se evacuează printr-o gură (3), iar filtrul curge liber prin gura de evacuare (5) de la baza utilajului. Deasupra sitei se poate monta un agitator (6) pentru a afâna precipitatului şi uşura astfel evacuarea lui.

Figura VII.1 – Scheme ale cazanelor clasice de filtrare

În tabelul VII.2 se prezintă caracteristicile tehnice ale cazanului de filtrare pentru must de bere.

Tabelul VII.2 – Caracteristicile tehnice ale cazanului de filtrare pentru must de bere – exemplu

Caracteristici ValoriCapacitate [t măciniş / şarjă] 5,5Volum total [m3] 37,5Turaţie agitator [rot/min] 0,3 – 3,9 Suprafaţă de filtrare [m2] 26,8Număr segmente de filtrare [-] 20Diametru cazan [mm] 5850Putere electromotor [kW] 1,55Masa (în stare de lucru) [kg] 46500

Cel mai reprezentativ filtru cu funcţionare la presiunea hidrostatică este cazanul de filtrare utilizat în industria berii. În figura VII.2 se prezintă schema instalaţiei de filtrare tip Kombi.

7


Din punct de vedere constructiv – funcţional, această instalaţie se compune din:

1 – hotă2 – sistem de acţionare3 – ax vertical4 – dispozitiv de stropire cu două braţe perforate5 – dispozitiv de afânare (agitator cu cuţite)6 – capac7 – vas cilindric8 – gură de evacuare9 – fund plan perforat (sită filtrantă)10 – fund neperforat11 – dispozitiv hidraulic12 – dispozitiv de spălare13 – conductă de evacuare pentru must filtrat (primitiv)14 – zaharometru15 – manometru16 – conductă de evacuare pentru must liber (prin sifonare)17 – vas colector. Cazanul de filtrare este prevăzut cu dispozitiv de afânare

(agitator cu cuţite) (5), care se roteşte în jurul axului vertical (3). Cuţitele sunt dispuse vertical şi au pe suprafaţa lor câteva proeminenţe asemănătoare celor de la plug (pentru accelerarea întoarcerii borhotului). Pentru a realiza o afânare cât mai uniformă a borhotului, în partea inferioară a axului vertical este amplasat un dispozitiv hidraulic (11), care ridică şi coboară dispozitivul de afânare pe toată înălţimea stratului de borhot. Instalaţia mai este prevăzută cu dispozitivul de stropire cu două braţe perforate (4), prin care circulă apă cu temperatura de 78 – 80°C. Dispozitivul este izolat termic, prevăzut cu capacul (6) şi hota (1) pentru evacuarea vaporilor degajaţi.

Pentru păstrarea temperaturii plămezii, cazanul de filtrare este izolat la exterior (cu vată minerală sau de sticlă).

Modul de lucru ester următorul: amestecul de filtrat se introduce în cazanul de filtrare (7) şi ajunge pe sita filtrantă (9).

8

Filtre

Substanţele insolubile din plămadă care formează precipitatul se depun pe fundul perforat sub formă de borhot, iar filtratul (mustul) trece prin stratul filtrant şi sita perforată (9). Spălarea uniformă a borhotului, afânarea şi evacuarea sa se realizează cu agitatorul cu cuţite (5) şi dispozitivul de stropire (4).

Mustul primitiv se evacuează prin conducta (16), iar cel obţinut prin sifonare prin conducta (13).

Borhotul se elimină din cazan prin gura (8) cu ajutorul unei pompe.

Figura VII.2 – Schema instalaţiei de filtrare tip Kombi

VII.3. Filtre cu funcţionare sub presiune

VII.3.1. Filtre – presă

9


Filtrele – presă se caracterizează prin concentrarea unei mari suprafeţe de filtrare într-un utilaj de dimensiuni relativ mici.

Denumirea acestor filtre provine de la modul de etanşare a elementelor filtrante – prin presare mecanică, hidraulică sau mecano – hidraulică.

Alte avantaje ale filtrelor – presă sunt: - grosime mare a stratului de precipitat;- deservire relativ uşoară;- posibilitatea realizării de presiuni de lucru relativ mari (3 – 12 bar).

Dezavantajele acestor tipuri de filtre sunt:- funcţionare periodică;- necesitatea demontării şi remontării elementelor filtrante după fiecare ciclu de filtrare, ceea ce înseamnă manoperă ridicată;- consum mare de pânze filtrante.

Din punct de vedere constructiv – funcţional, un filtru – presă se compune din:

- postament rezistent, prevăzut cu două bare orizontale, paralele, ce susţin elementele filtrante;

- elemente filtrante;- dispozitiv (şurub, presă hidraulică) pentru strângerea elementelor filtrante într-un bloc etanş.

Se deosebesc următoarele tipuri de filtre presă:

A. Filtre presă cu plăci:

10

Filtre

La aceste filtre elementele filtrante sunt identice, doar primul are construcţie diferită pentru a rezista presiunii mecanice a sistemului de strângere.

Plăcile sunt canelate sau perforate. Plăcile canelate au prevăzute pe ambele feţe nervuri şi

caneluri, pentru a asigura distribuirea şi trecerea uniformă a filtratului de-a lungul plăcii.

Plăcile canelate pentru filtrele cu pânze filtrante au un orificiu central de alimentare şi unul sau două canale de colectare a filtratului. Fiecare placă se îmbracă pe ambele părţi cu pânză filtrantă. Între pânzele de pe feţele a două plăci vecine se formează un spaţiu ce reprezintă camera pentru precipitat. De aceea, aceste filtre se mai numesc şi filtre cu camere. Ele se utilizează la filtrarea siropului de glucoză, extragerea vinului din drojdie, recuperarea berii din drojdia excedentară.

B. Filtre presă cu plăci şi rame:La aceste filtre elementele filtrante sunt de două feluri:

plăci şi rame.Plăcile sunt asemănătoare celor de la filtrele presă cu

plăci.Ramele sunt cadre goale prevăzute cu canal de

alimentare, care comunică prin găuri cu spaţiul interior al ramei, şi canal de evacuare, care nu comunică cu interiorul ramei. Forma ramelor este dreptunghiulară sau pătrată.

Plăcile şi ramele se dispun alternativ, iar între ele se întind pânze (din bumbac sau masă plastică) sau cartoane filtrante. O ramă de filtrare este alcătuită din: ramă pentru elementul filtrant, element filtrant, ramă pentru grătar, grătar pentru filtrare, grătar de protecţie, garnitură de etanşare.

Numărul camerelor de filtrare în construcţia unui filtru poate varia între 10 şi 80, alegerea făcându-se astfel încât întreaga cantitate de plămadă dintr-o şarjă să se filtreze într-o singură operaţie.

11


Etapele principale de funcţionare ale filtrului cu rame sunt următoarele: umplere, eliminarea primului must, spălarea cu apă, eliminarea cu aer a restului de must, eliminarea borhotului.

Astfel de filtre se utilizează în industria berii (pentru filtrarea mustului de bere; pentru limpezirea berii înainte de îmbuteliere), în industria vinului (pentru limpezirea vinului; pentru extragerea vinului din drojdie), în industria zahărului (pentru separarea suspensiei de precipitat din zemuri), în industria uleiului şi a margarinei (pentru filtrarea uleiului brut şi a uleiului hidrogenat), în industria sucurilor de fructe (pentru limpezirea sucurilor), în tehnologia fabricării glucozei (pentru filtrarea siropului de glucoză).

VII.3.2. Filtre cu cuvă

Din punct de vedere constructiv – funcţional, filtrele cu cuvă se compun dintr-un recipient metalic cilindric, orizontal sau vertical. Filtrarea se realizează prin elemente filtrante fixe sau mobile montate în aceste recipiente. Elementele filtrante au formă de discuri fixate pe un ax gol în interior, sau formă de panouri pătrate sau dreptunghiulare, sau formă de lumânări suspendate.

În figura VII.3 se prezintă un exemplu de filtru cu cuvă orizontală – filtrul Victoria-Padovan – un filtru aluvionar orizontal, cu elemente filtrante verticale, utilizat la filtrarea vinurilor şi sucurilor. Se deosebesc următoarele componente:

1 – duze2 – carcasă3 – elemente filtrante4 – vas de alimentare5 – agitator6 – cameră de filtrare7 – racord alimentare / descărcare.

12

Filtre

Figura VII.3 – Schema filtrului Victoria – Padovan

Elementul filtrant suport este format din: taler (disc) – din material plastic, prevăzut pe ambele

feţe cu canale circulare concentrice, unite printre ele prin canale radiale echidistante pentru colectarea filtratului;

două site – din oţel inoxidabil, prevăzute cu garnituri de etanşare;

colier – din oţel inoxidabil sau cauciuc alimentar; pentru fixarea sitelor pe taler.

Un ciclu de filtrare cuprinde următoarele operaţii: prealuvionare, filtrare concomitent cu administrarea de diatomit, oprirea filtrării, eliminarea vinului rămas în filtru, curăţarea şi spălarea filtrului, montarea în vederea începerii unui ciclu nou.

VII.4. Filtre cu funcţionare sub depresiune

Filtrele cu funcţionare sub depresiune realizează filtrarea datorită diferenţei de presiune dintre cele două feţe ale elementului filtrant, prin aspiraţia fazei lichide prin intermediul unei instalaţii de vid. Astfel de instalaţii sunt cu tambur rotativ sau cu discuri rotative.

În industria alimentară cel mai des se utilizează filtrele cu tambur rotativ. Ele se caracterizează printr-o suprafaţă filtrantă montată pe suprafaţa laterală a unui tambur cilindric orizontal, amplasat într-o cuvă de filtrare în care se găseşte suspensia de

13


filtrat. De obicei cuva are în partea inferioară un agitator pentru a împiedica depunerea suspensiei.

În figura VII.4 se prezintă schema filtrului rotativ celular cu depunerea precipitatului la exterior. Din punct de vedere constructiv – funcţional, acest filtru se compune din:

1, 2 – conducte la instalaţia de vid3 – agitator4 – cuvă5, 6 – conducte pentru aer7 – cuţit răzuitor8 – celule de filtrare9 – pereţi radiali10 – cilindru interior din tablă11 – pânza de filtrare12 – cilindru perforat.

Figura VII.4 – Schema filtrului rotativ celular Cilindrul orizontal perforat (12) are pe suprafaţa interioară

aplicată pânza de filtrare (11), iar la interior este montat un alt

14

Filtre

cilindru din tablă (10), în legătură cu cilindrul perforat (12) prin pereţi radiali (9), care împart filtrul în compartimentele sau celulele de filtrare (8).

Cilindrul central este compartimentat în următoarele sectoare de lucru:

- alimentare cu amestec şi realizarea filtrării cu tasarea precipitatului; acest compartiment (I) este legat la instalaţia de vid (conducta 1);

- spălarea precipitatului cu apă de la duşuri; se colectează filtratul în compartimentul (II), legat la instalaţia de vid (conducta 2);

- desprinderea precipitatului prin suflarea de aer prin conducta (5) în compartimentul (III);

- desfundarea porilor sitei şi a pânzei filtrante prin suflarea de aer prin conducta (6) în compartimentul (IV).

Amestecul este alimentat continuu în cuva (4), în care este montat agitatorul (3).

Un astfel de filtru se utilizează în industria zahărului pentru filtrarea concentratului de nămol, operaţia de filtrare cuprinzând următoarele faze:

- filtrarea propriu-zisă prin aspiraţia fazei lichide, evacuarea filtratului limpezit şi depunerea nămolului pe suprafaţa filtrantă; celulele în care se realizează această fază sunt în contact cu suspensia din cuva filtrului;

- micşorarea conţinutului de umiditate al nămolului depus pe tambur prin aspiraţia de aer datorită depresiunii; această fază se realizează în celulele care au ieşit din zona de contact cu suspensia din cuva de filtrare;

- spălarea precipitatului prin stropire cu apă; faza se realizează tot sub depresiune pentru a aspira separat apa de spălare;

- micşorarea conţinutului de umiditate al precipitatului după spălare prin aspiraţie de aer datorită depresiunii;

- slăbirea aderenţei precipitatului de pânza filtrantă prin suflare cu aer sub presiune;

- evacuarea precipitatului prin desprinderea lui de pe

15


pânza filtrantă cu ajutorul cuţitului răzuitor;- regenerarea suprafeţei filtrante (desfundarea porilor

pânzei) prin suflare de aer.

VII.5. Centrifuge filtrante

Centrifugele filtrante au ca şi organ de lucru principal un tambur perforat, căptuşit la interior cu sită sau pânză.

Din punct de vedere al funcţionării, centrifugele filtrante pot funcţiona continuu sau discontinuu, iar din punct de vedere constructiv pot avea tamburul cu ax vertical sau orizontal.

VII.5.1. Centrifuge filtrante cu tambur vertical

Din categoria centrifugelor filtrante cu tambur vertical, în figura VII.5 se prezintă centrifuga cu descărcare prin gravitaţie, utilizată în industria zahărului. Organul principal de lucru – tamburul perforat – are o parte cilindrică şi una conică inferioară. Se deosebesc următoarele componente principale:

1 – amestecător2 – disc distribuitor orizontal3 – pereţi.Modul de lucru este următorul: masa groasă se

alimentează dintr-un amestecător (1), la o turaţie a tamburului de 200 rot/min, prin cădere pe un disc distribuitor orizontal (2), montat pe axul centrifugei. Astfel masa groasă se distribuie uniform pe pereţii tamburului (3). Centrifugarea are loc la 1000 – 1500 rot/min. Pentru descărcare se reduce brusc turaţia la 300 rot/min şi, datorită şocului puternic, masa de cristale se dislocă, astfel încât, la oprirea tamburului, zahărul se descarcă automat prin greutatea proprie.

16

Filtre

Figura VII.5 – Schema centrifugii cu descărcare prin gravitaţie

VII.5.2. Centrifuge filtrante cu tambur orizontal

Centrifugele orizontale se caracterizează prin înaintarea forţată a produsului supus centrifugării. Astfel de centrifuge filtrante orizontale se utilizează în industria zahărului.

În figura VII.6 se prezintă schema centrifugii cu împingere utilizată în industria zahărului. Din punct de vedere constructiv – funcţional, se deosebesc următoarele componente:

1 – piston2 – disc de împingere3 – carcasă4 – tambur conic perforat5 – con distribuitor6 – site7 – conductă de alimentare8 – capac9 – dispozitiv de spălare10 – gură de evacuare pentru sirop11 – gură de evacuare pentru cristale.

17


Figura VII.6 – Schema centrifugii cu împingere

Modul de lucru este următorul: masa groasă se alimentează continuu prin conducta (7) într-un con de distribuţie (5), care se roteşte cu viteză constantă şi antrenează masa groasă într-o mişcare uniform accelerată, pentru a o distribui cât mai uniform pe pereţii tamburului perforat (4). Datorită alimentării continue şi mişcării imprimate de către piston (1) prin intermediul discului de presare (2), masa groasă înaintează spre gura de evacuare (11). Sub acţiunea forţei centrifuge se produce separarea siropului, care trece prin sitele (6) iar cristalele rămân pe acestea, sunt spălate continuu cu apă de la dispozitivul de spălare (9) şi se descarcă prin gura de evacuare.

18

VII Filtre

Documents

Transcript of VII Filtre