Физические основы фильтрования жиров. Фильтрованием называется процесс отделения твердых веществ от жидкости при пропускании суспензии через пористую перегородку. Жидкость проходит через тонкие поры - капилляры - фильтрующего материала, а твердые частицы задерживаются и оседают на его поверхности. Понятно, что задерживаются частицы, размер которых больше диаметра капилляров фильтрующего материала. Не задерживаются на фильтре вещества, растворенные в жидкости.
При фильтровании жиров применяют плотную хлопчатобумажную ткань специального плетения, называемую «бельтинг», или «диагональ», а также ткань из синтетических материалов. В саморазгружающихся фильтрах в качестве фильтрующего материала используют металлические сетки тонкого плетения.
На процесс фильтрования влияет и отделяющийся осадок. Оседая на поверхности фильтрующего материала, он сам начинает работать как фильтр, задерживая твердые взвешенные вещества. Но осадок под влиянием давления, под которым фильтруемая жидкость подается на фильтр, сжимается, при этом расстояние между отдельными его частичками уменьшается. В результате увеличивается сопротивление, создаваемое фильтром, и производительность его снижается. Для уменьшения влияния этого фактора, иногда в фильтруемый жир добавляют порошки, которые не сжимаются или сжимаются и уплотняются незначительно. Они образуют дренажный слой и повышают производительность фильтра, увеличивая цикл его работы. Добавка дренажных порошков предусмотрена, в частности, в схеме отбеливания с горизонтальными аппаратами.
Производительность фильтров при фильтровании жиров зависит от нескольких показателей: от давления, температуры, характера осадка и фильтрующего материала.
При повышении давления, при котором фильтруемая жидкость поступает в фильтр, соответственно увеличивается производительность последнего. Однако при этом повышается опасность, что сквозь фильтрующий материал будут проходить примеси, находящиеся в жире, и фильтрат не будет достаточно прозрачным. В начальный период цикла работы фильтра, когда сопротивление его невелико, давление подаваемого жира должно быть сравнительно небольшим; по мере увеличения слоя осадка давление повышают, но не более чем до 0,3-0,4 МПа (3-4 кгс/см2).
При повышении температуры жира вязкость его понижается и производительность фильтра увеличивается. Однако с повышением температуры ускоряется процесс окисления жира кислородом воздуха, что ухудшает его качество. Кроме того, в сильно нагретом жире растворяются некоторые примеси, которые проходят вместе с ним через фильтрующий материал и затем при остывании жира выпадают в осадок. Фильтрованный жир становится мутным.
В промышленности фильтрование ведут при температуре 70-90° С и лишь в отдельных случаях, когда стремятся получить очень тщательно очищенное от взвеси масло, фильтрование ведут при температуре 20-30° С. Фильтрование при низкой температуре в заводской практике часто называют полировочным. Получаемое при этом масло приобретает очень чистый «блестящий» вид; налитое в прозрачную стеклянную или из полимерных материалов тару - приобретает хорошую товарную форму.
Влияние характера осадка и фильтрующего материала на производительность фильтра уже указывалось выше. Сжимаемый осадок увеличивает сопротивление фильтра и уменьшает его производительность, и при некотором давлении вообще может вызвать остановку процесса. С учетом этого строят цикл работы фильтра и определяют длительность, по истечении которой фильтр чистят.
В порах - капиллярах - фильтрующего материала со временем оседают тончайшие примеси, которые, уменьшая просвет капилляров, снижают производительность фильтра. Поэтому периодически фильтрующий материал необходимо подвергать регенерации для очистки от налипшего осадка.
Технология фильтрования жиров
Фильтрование очень широко применяют в технике масло-жировой промышленности, в том числе при рафинации жиров и масел. Сравнительно несложное по технике и технологии, оно обеспечивает хороший эффект очистки. Направляемый на очистку жир поступает в фильтры различной конструкции. Отфильтрованный жир поступает в приемный резервуар. Осадок с фильтров удаляют из цеха. Для фильтрования жиров применяют фильтры разнообразных конструкций, отличающиеся сравнительно большой поверхностью фильтрования при компактности устройства и небольшой занимаемой производственной площади. Почти все промышленные фильтры, используемые в масло-жировой промышленности, отличаются цикличностью своей работы - цикл фильтрования чередуется с циклом выгрузки осадка и регенерации фильтрующей поверхности. Фильтрующие аппараты имеют ручную или механизированную систему выгрузки осадка.
Фильтр-пресс является одним из наиболее распространенных на масло-жировых предприятиях аппаратов для отделения твердых взвесей, находящихся в жире.
Фильтр-пресс состоит из 30-40 и более вертикально расположенных фильтрующих ячеек, смонтированных на общей горизонтальной станине. Каждая фильтрующая ячейка состоит из двух элементов - плиты и рамы.
Плита представляет собой квадратную чугунную отливку с утолщенными бортами и рифленой внутренней поверхностью. На плите имеются боковые приливы с центральной выточкой. Борта плиты и приливов имеют гладкую строганую поверхность. С противоположного конца в нижней части плиты расположен выпускной краник. Плита подвешивается на станине строго вертикально при помощи опорных скоб.
Рама представляет собой квадратную чугунную пустотелую отливку со строгаными бортами и приливом, также имеющим центральную выточку. Последняя соединяется с внутренней полостью рамы протоком. Как и плита, рама подвешивается на станине при помощи скоб.
При сборке фильтр-пресса рамы и плиты чередуют. Между их строгаными бортами закладывают фильтровальную ткань, скроенную точно по габаритам плит и рам, включая приливы. В отдельных случаях, когда требуется очень тщательное фильтрование, закладывают два слоя ткани или на ткань накладывают специальную фильтровальную бумагу.
Плиты и рамы плотно прижимаются одна к другой так, что их стыки становятся непроницаемыми для фильтруемого жира. В прижатых приливах образуется сплошной канал, по которому в фильтр-прессе подается фильтруемая жидкость. В результате этого образуется ряд параллельно работающих фильтрующих ячеек довольно большой поверхности. Так, например, фильтр-пресс, состоящий из 30 элементов (плит и рам) размерами 820X820 мм, имеет поверхность фильтрования 40 м2.
Количество осадка, которое может накопиться в фильтр-прессе, зависит от размеров и толщины рам. Так, в фильтр-прессе из 30 элементов при толщине рам 30 мм вмещается 600 л осадка.
В фильтр-прессах плотное сжатие плит и рам друг к другу производится при помощи различных механизмов - винтовых, электрических или гидравлических.
Схема работы гидравлического зажимного механизма. В цилиндре находится гидравлический поршень, который соединен с головной передвижной плитой. Гидравлический насос забирает масло из резервуара и по трубе подает его в правую часть цилиндра. Под давлением жидкости поршень движется влево и нажимает на головную плиту, которая сжимает между собой плиты и рамы. Когда давление сжатия доходит до заданного уровня, насос автоматически выключается.
При разборке фильтр-пресса на чистку масло подается по трубопроводу в левую часть цилиндра, поршень вместе с головной плитой движется вправо до упора, после чего плиты и рамы можно вручную передвигать для чистки.
В фильтрах небольшой производительности гидравлический зажим обслуживается не электрическим, а ручным насосом; принцип его работы такой же.
Работает фильтр-пресс следующим образом. Через канал, образуемый выточками, суспензия жира с отбеливающими порошками поступает во внутреннюю полость рам; жир просачивается через поры фильтровальной ткани, а осадок задерживается на ней. Профильтрованный жир стекает вдоль рифленой поверхности плит к краникам, из которых он попадает в сборный желоб и далее в приемный резервуар.
Каждая фильтрующая ячейка работает самостоятельно и независимо от других. В случае неисправности какой-либо ячейки достаточно закрыть соответствующий выпускной краник, не останавливая работы всего фильтр-пресса.
Для нормальной работы фильтр-пресса очень важна тщательная сборка. Плиты и рамы должны быть подвешены без перекосов, фильтровальная ткань в местах зажима между плитами и рамами не должна образовывать складок.
После сборки фильтр-пресса подают фильтруемый жир, следя за тем, чтобы он поступал равномерно, без толчков. Убедившись, что пресс собран правильно, нет течи в стыках между плитами и рамами и из выпускных краников фильтрат выходит плавно, продолжают операцию. В противном случае пресс останавливают и заново собирают. Первые мутные порции фильтруемого жира возвращают через промежуточный бачок на повторное фильтрование.
Во время работы фильтр-пресса температуру жира поддерживают в пределах 70-95° С, а давление - в пределах 0,15-0,2 МПа (1,5-2 кгс/см2), но не выше 0,3 МПа (3 кгс/см2).
При чистке пресса прекращают подачу фильтруемого жира и подают в фильтр-пресс сжатый воздух, а затем пар, которые отжимают значительную часть жира, удерживаемого осадком отработавших отбеливающих порошков. Этот жир собирают в отдельный резервуар и используют для технических целей. После этого ослабляют зажим, раздвигают плиты и рамы и вручную при помощи деревянных или пластмассовых ножей очищают с поверхности фильтровальной ткани скопившийся в полости рам осадок, который падает в сборное корыто.
После очистки плиты и рамы прижимают одну к другой и начинают очередной цикл работы.
Периодически фильтровальную ткань снимают и стирают, а в фильтр-пресс заправляют запасной комплект фильтровальной ткани.
Дисковый фильтр с механической выгрузкой осадка имеет стальной цилиндрический корпус с коническим усеченным днищем, перекрываемым задвижкой большого сечения с пневматическим приводом. Сферическая крышка 6 соединяется с корпусом фланцами. В фильтрах, предназначенных для фильтрования застывающих жидкостей, корпус имеет паровую рубашку. В центре аппарата пропущен вертикальный полый вал, на котором закреплены фильтрующие диски диаметром 1,2 м; расстояние между дисками 40 мм.
Фильтруемая жидкость поступает в аппарат через патрубок и заполняет его. В этот момент открывают кран на патрубке, через который из фильтра выпускают воздух. По мере заполнения корпуса жир начинает просачиваться через фильтрующую поверхность дисков. Фильтрат проходит в кольцевой коллектор полого вала и выходит из аппарата через патрубок.
Когда на поверхности дисков скапливается заметное количество осадка отбеливающих порошков, подачу суспензии в фильтр прекращают и проводят частичное обезжиривание его. Для этого сначала из аппарата через патрубок спускают оставшийся в нем непрофильтрованный жир, который возвращается в цикл отбеливания. Затем через патрубок в фильтр подают острый водяной пар давлением 0,3-0,35 МПа (3-3,5 кгс/см2). Пар отжимает часть жира, оставшегося в осадке (его собирают отдельно и используют для технических целей).
Затем выгружают осадок, который после продувки паром становится сыпучим. Для этого включают электродвигатель, который через клиноременную передачу вращает вертикальный вал с закрепленными на нем фильтрующими дисками.
Под действием развивающейся центробежной силы осадок сбрасывается с поверхности дисков и падает в коническое днище, из которого через задвижку отводится в сборник. После того как поверхность дисков освободилась от осадка, фильтр снова готов для следующего цикла.
Фильтрующий диск. На металлический круглый лист фильтрующего диска помещена металлическая подкладочная сетка, на которую укладывается основная фильтрующая сетка специального плетения, изготовленная из тонкой нержавеющей проволоки с очень мелкими ячейками. Сетка скрепляется с листом при помощи натяжного замка, действующего через натяжное кольцо с асбестовой прокладкой.
Поверхность фильтрования дискового фильтра с 34 дисками - 40 м2.
При работе на дисковых фильтрах устраняется трудоемкая операция выгрузки осадка и снижается остаток жира в отработавших отбеливающих порошках. Но в данных фильтрах сравнительно быстро изнашивается фильтрующая сетка.
Пластинчатый фильтр также представляет собой аппарат с механической выгрузкой осадка. Он состоит из вертикальных фильтрующих элементов, помещенных в цилиндрический корпус со сферической крышкой, подъем и опускание которой осуществляется при помощи гидравлического подъемника. Для работа подъемника имеется гидравлический насос со своим индивидуальным электродвигателем. Коническое днище аппарата, имеющее паровую рубашку, закрывается плотно люком при помощи специального механизма. Через этот люк удаляется из фильтра осадок.
Фильтрующие элементы, представляющие собой плоские пластины, в верхней части фильтра закреплены на траверсе, а в нижней - центральным патрубком соединены с коллектором для фильтрованного жира. Осадок, накапливающийся на поверхности фильтрующих пластин, сбрасывается при помощи вибратора, работающего от воздушного компрессора.
Фильтрующие пластины устроены следующим образом. На жестком металлическом прямоугольном каркасе смонтирована трехслойная сетка из нержавеющей стали. Внутренняя сетка имеет грубое плетение, а обе наружные сетки - очень тонкое плетение. Они образуют фильтрующую поверхность.
Фильтруемая суспензия жира с отбеливающими порошками подается под давлением в аппарат, жир проходит сквозь наружные фильтрующие сетки, стекает вниз и по переточному патрубку, находящемуся на вертикальной оси пластины, поступает в сборный коллектор.
Работает пластинчатый фильтр следующим образом. Фильтруемая суспензия жира с порошками поступает через патрубок, заполняет аппарат и проходит через фильтрующие элементы. Фильтрованный жир стекает в сборный коллектор и выходит из фильтра через патрубок.
В начальный период после включения фильтра в работу пока на поверхности фильтрующих элементов не образовался небольшой слой из дренажирующих и отбеливающих порошков, фильтрат вытекает мутным и его возвращают на циркуляцию. Когда вытекающий из патрубка жир окажется прозрачным, линию переключают на сборный резервуар для отбеленного жира. Обычно для нанесения фильтрующего слоя достаточно 5-10 минут.
В начале работы фильтра, когда на поверхности фильтрующих элементов находится тонкий слой осадка, сопротивление фильтра небольшое. В этот период суспензия подается под давлением 0,15-0,20 МПа (1,5-2 кгс/см2). По мере того, как масса осадка увеличивается, сопротивление фильтра увеличивается и давление подаваемой суспензии повышают до 0,4-0,45 МПа (4-4,5 кгс/см2), не выше.
Продолжительность одного цикла фильтрования зависит от количества вводимых отбеливающих порошков. При вводе 1-1,2% порошков (включая дренажирующие) и при средней производительности фильтра 5 т жира в час продолжительность цикла составляет 3-4 ч. За это время на поверхности фильтрующих элементов оседает по 9-10 кг/м2 осадка (считая на сухие порошки) и фильтр останавливают на перезарядку.
Перезаряжают фильтр в следующей последовательности. Переключают фильтрование на второй подготовленный фильтр, а из остановленного аппарата выпускают суспензию. Затем проводят частичное обезжиривание осадка, продувая его на фильтрующих элементах последовательно сжатым воздухом и острым водяным паром. Давление воздуха и пара не должно превышать 0,4-0,45 МПа (4-4,5 кгс/см2). Длительность продувки воздухом и паром по 20-40 минут каждая.
Продувка имеет важное значение, так как чем больше отжато жира из осадка, тем меньше отходов его в отработавших отбеливающих порошках. Отжимаемый жир обычно используют для технических целей. После продувки воздухом и паром в отработавших отбеливающих порошках остается не более 18-20% от их массы жира. Более длительная продувка паром позволяет снизить остаток жира до 10-12%, но сопровождается быстрым износом фильтрующих сеток.
Частично обезжиренный осадок сбрасывается с поверхности фильтрующих элементов механически при помощи пневматического вибратора. Для работы в вибратор подается примерно 0,3 м3/мин. воздуха давлением 0,4 МПа (4 кгс/см2). Вибратор создает частоту колебаний до 4 тыс. в минуту. При этом осадок полностью сбивается с поверхности фильтрующих элементов за 3-5 минут, он падает и выводится из аппарата через нижний люк. После этого люк закрывается.
В пластинчатых фильтрах решается задача механизированного удаления осадка отбеливающих порошков. Для их надежной работы необходимо обеспечить равномерное нанесение первоначального фильтрующего слоя на поверхность всех фильтрующих элементов, что требует известных навыков.
Периодически необходимо промывать ситчатую поверхность фильтров для удаления оседающих на ней примесей. После того как фильтрующая поверхность освобождена от осадка при закрытом люке, сетки промывают раствором 10-15%-ной едкой щелочи при температуре 50-60° С. Промывной раствор циркулирует в системе в течение примерно 3 ч. Вместо едкой щелочи для промывки можно применить раствор тринатрийфосфата концентрацией 10-15% при температуре 80-90° С.
По окончании промывки раствор выпускают из фильтра, промывают его чистой водой до полного удаления раствора. Промывную воду спускают в очистную систему канализации, после чего фильтр готов к работе.
В процессе фильтрования персонал должен наблюдать за плотностью собираемых фильтров и коммуникаций, так как прорывающийся сквозь неплотности жир может вызвать ожоги.
К ручной чистке фильтров всех типов можно приступать только после того, как они достаточно остынут.
Утилизация отработавших отбеливающих порошков
Отработавшие отбеливающие порошки представляют собой малотранспортабельную массу; использование которой сопряжено с некоторыми сложностями. Их обрабатывают в настоящее время для утилизации оставшегося в них жира. В прошлом, когда хозяйственное мыло варили в котлах периодическим методом, отработавшие порошки отправляли вместе с другими жировыми отходами на мыловаренные заводы. Однако это представляет определенные неудобства для этих заводов, так как в котлах со временем накапливается нерастворимый осадок, удаление которого связано с большой затратой физического труда.
На некоторых заводах из отработавших отбеливающих порошков готовят специальные мыльные пасты. Оставшиеся в мыльной пасте минеральные вещества служат абразивным наполнителем, который облегчает мытье сильно загрязненных рук.
Весьма эффективным способом использования осадка отработавших отбеливающих глин является направление их на комбикормовые заводы, где их используют в качестве добавки в корма для животных. Этот способ утилизации отработавших отбеливающих порошков часто применяется на масло-жировых комбинатах, где их добавляют к шроту.