3.5 Các biến đổi chính của nguyên liệu trong quá trình lọc, cơ sở khoa học của sựCác biến đổi chính của nguyên liệu trong quá trình lọc, cơ sở khoa học của sự biến đổi:
biến đổi:
Sau khi lọc dung dịch trong suốt hầu như không thay đổi về thành phần hóa học và các thành phần khác, tuy nhiên có thay đổi về trạng thái, màu sắc, chất lượng
tăng do tách hết tạp chất và loại được một số vi sinh vật không có lợi theo cặn ra ngoài. Tuy nhiên có thể có tổn thất một ít các chất có lợi theo cặn như protein, vitamin…
Sản phẩm là chất rắn, ngoài thay đổi về trạng thái từ lỏng sang rắn, còn tách được các tạp chất hòa tan do đó chất lượng tăng lên.
Ví dụ như trong quá trình sản xuất rượu Cognac, ở bước làm lạnh và lọc, người ta dùng yếu tố nhiệt độ thấp (từ -100C đến 150C) để đưa các muối của acid tatric, pectin, protein vô định hình từ dạng hòa tan trong rượu về trạng thái không hòa tan (kết tủa), rồi tiến hành lọc để tách chúng ra khỏi sản phẩm rượu Cognac, làm cho sản phẩm ổn định, bền về thành phần hóa học, cũng như các tính chất về cảm quan sẽ hoàn thiện và hài hòa đúng với yêu cầu kỹ thuật, chất lượng cho từng loại sản phẩm rượu Cognac.
Chương 4:
Chương 4:
QUÁ TRÌNH LỌC QUÁ TRÌNH LỌC
VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH 4.1
4.1 Sơ đồ quá trình lọc huyền phù:Sơ đồ quá trình lọc huyền phù:
Hình 4.1: Sơ đồ lọc
4.2
4.2 Tốc độ lọc:Tốc độ lọc:
Lượng nước lọc thu được trên một đơn vị diện tích bề mặt vách ngăn trong một đơn vị thời gian gọi là tốc độ lọc.
Năng suất lọc được đặc trưng bằng tốc độ lọc: C = dV/ (F * dτ) (m/ s) Trong đó: - F: bề mặt lọc (m2) Huyền phù Bã lọc Vách ngăn lọc Dung dịch
- V: thể tích lọc (m3) - τ: thời gian lọc (s)
Lớp chất lỏng (dung dịch) chảy qua lớp vật ngăn có thể chuyển động dòng (chảy tầng). Lượng nước trong thu được phụ thuộc vào chênh lệch áp suất giữa hai đầu lọc (ΔP), tính chất ống mao quản, độ nhớt dung dịch, bề mặt lọc và thời gian lọc.
Ta viết: V = f (ΔP, F, τ, n, r, l, µ) Trong đó:
- n: số ống mao quản
- l: chiều dài ống mao quản - r: bán kính ống mao quản - µ: độ nhớt dung dịch Ta cũng có thể viết: Tốc độ lọc: C = f (ΔP, n, r, l, µ) Hay C = f (ΔP, ρ1, h1, h2) Trong đó: - ρ1: trở lực của lớp bã
- h1, h2: chiều cao lớp cặn và lớp vật ngăn.
Lọc bề mặt thường được biểu diễn bởi phương trình thực nghiệm của Doksi dưới dạng vĩ phân:
C = dV/ (F * dτ) = Δ P/ [μ * (Rb + Rv)
Quá trình lọc sâu tuân theo phương trình vi phân của Hagen – Poagen dưới dạng:
C = dV/ (F * dτ) = (π * ΔP * N * r4
Trong đó:
- μ: độ nhớt của pha liên tục (Pa S)
- rk, lk: bán kính và chiều dài của mao dẫn trong vách ngăn lọc (m) - n: số lượng mao dẫn trên vách ngăn lọc
- Rb: trở lực lớp bã lọc (1/ m) - Rv: trở lực vách ngăn lọc (1/ m)
Nói chung tốc độ lọc ở giai đoạn đầu quá trình tăng nhanh sau khi đạt đến cực đại thì giảm xuống do chiều dày lớp vật ngăn hay lớp lọc tăng dần lên. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4.3
4.3 Tính cân bằng vật chất trong quá trình lọc:Tính cân bằng vật chất trong quá trình lọc:
Ta có các ký hiệu:
- Gh, Vh: khối lượng và thể tích của hỗn hợp (huyền phù) đem lọc. - G0, V0: khối lượng và thể tích của pha phân tán trong hỗn hợp. - Gl, Vl: khối lượng và thể tích của pha liên tục trong hỗn hợp. - Ga, Va: khối lượng và thể tích bã ẩm tạo thành.
- G, V: khối lượng và thể tích nước lọc thu được. Theo định luật bảo toàn vật chất có thể viết:
Gh = G0 + Gl = Ga + G (1) Vh = V0 + Vl = Va + V (2) Chia phương trình (1) cho G0, ta được:
Gh/ G0 = (Ga + G)/ G0
↔1/ (G0/ Gh) = 1/ [(G0/ Ga) + (G0/G)] Ta lại có:
- Ga/ G0 = m: tỉ số giữa bã ẩm và bã khô tuyệt đối.
- (Ga – G0)/ Ga = Ub: độ ẩm của bã lọc (tỉ số giữa lượng nước lọc còn trong bã và lượng bã ẩm thu được).
(Ga – G0)/ Ga = 1 – (G0/ Ga) = 1 – [1/ (Ga/ G0) = 1 – (1/ m) = Ub Cho nên: m = 1/ (1 - Ub) Với G = V. ρ G0/ G = G0/ (V. ρ) = Xm/ ρ Trong đó:
- ρ: khối lượng riêng nước lọc.
- Xm = G0/ V: tỉ số giữa lượng bã khô tuyệt đối và thể tích nước lọc thu được (nghĩa là trong quá trình lọc khi thu được V (m3) nước lọc thì trên vách ngăn tạo thành lớp bã chứa G0 (kg) khô tuyệt đối của pha phân tán).
Ta xem rằng quá trình lọc là lý tưởng, ta có: Cm = C’ m Xm = (ρ * Cm)/ [1 – (m * Cm )] Trường hợp thực tế là: Xm = (ρ * C‘ m)/ [1 – (m * C‘ m )] (C’
m là phần nồng độ pha phân tán trong huyền phù bị giữ lại trên vách ngăn lọc).
Mặt khác, từ phương trình (2) chia cho lượng nước lọc thu được V, thì: (Vh/ V) = [(Va/ V) + 1]
X0 = Va/ V là tỉ số giữa thể tích bã ẩm thu được và lượng nước lọc, cho nên: V = V * (X + 1) = V * (1 + 1/ X)
Khối lượng của bã được xác định:
X0 = {(ρ * Cm)/ [1 – (m * Cm )]} * [1/ ρr + (m – 1)/ ρ] ρ là khối lượng riêng pha rắn (kg/ m3)
Khi quá trình lọc được tiến hành trên thiết bị với diện tích bề mặt của vách ngăn S (m2), thì chiều dày lớp bã tạo thành h0 có quan hệ:
h0 = (X0 * V)/ S (m)
Còn lượng bã khô tuyệt đối thu được trên 1 m2 bề mặt lọc khi có 1 m3 nước lọc đi qua là:
g0 = (Xm * V)/ S (kg/ m2)
Để tiện lợi cho việc tính toán, người ta biểu diễn trở lực của lớp bã lọc dưới dạng: Rb = r0 * h0 = (r0* X0 * V)/ S Rb = rm * g0 = (rm* X0 * V)/ S Như vậy, ta có: r0 * X0 = rm* Xm 4.4
4.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc:Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc:
4.4.1
4.4.1 Chênh lệch áp suất:Chênh lệch áp suất:
ΔP là động lực của quá trình lọc, ΔP tăng thì tốc độ lọc tăng. Như đã nói ở trên có thể tạo ra động lực của quá trình lọc bằng các cách sau: dùng áp lực của cột chất lỏng (áp suất thủy tĩnh); dùng máy bơm hay máy nén đưa huyền phù vào (lọc áp suất); dùng bơm chân không hút (lọc chân không).
• Nếu ΔP lớn thì lớp bã sẽ bị nén chặt (thể tích giảm xuống), các ống mao quản bị thu hẹp lại, lúc đó tốc độ tăng chậm hơn so với sự tăng áp suất và đến mức có thể giảm đi, chất lỏng không chui qua được lớp lọc.
• Tuy nhiên, khi ΔP tăng quá cao thì có thể làm rách vải lọc và phá vỡ lớp vật ngăn hoàn toàn không có lợi. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tùy theo phương pháp lọc ta khống chế giá trị ΔP khác nhau.
4.4.2
4.4.2 Bã lọc:Bã lọc:
Bã lọc gồm hai loại: nén được và không nén được.
• Bã không nén được thì các hạt không bị biến dạng và ở dạng tinh thể, chúng phân bố thành lỗ kích thước không đổi khi ta tăng áp lực, lượng dung dịch trong bã hầu như không thay đổi.
• Bã nén được thì biến dạng thì biến dạng, khi tăng áp lực lọc chúng bị nén chặt lại.
• Nếu cặn xốp (cặn chứa bã không nén được), độ nhớt dung dịch thấp thì tốc độ lọc cao.
• Nếu cặn dẻo (kết dính lại thành khối, chứa bã nén được), độ nhớt dung dịch cao thì khó lọc. Ví dụ nước quả, dầu, dung dịch đường, dung dịch có tinh bột… Trong trường hợp này ta phải tác động làm thay đổi cấu trúc bã lọc: có thể giảm độ nhớt dung dịch bằng cách tăng nhiệt độ dung dịch trước khi lọc, nhiệt độ lọc phụ thuộc vào loại dung dịch. Ví dụ lọc dung dịch đường ở 60 – 700C. Ngoài ra, còn có thể sử dụng chất trợ lọc.
Chất trợ lọc là một loại bột mịn được đưa vào để hỗ trợ cho quá trình lọc. Chất trợ lọc có nhiệm vụ tạo thành trên bề mặt lọc một lớp bã bổ sung làm tăng khả năng giữ pha rắn và giảm trở lực của pha lỏng.
Bột trợ lọc muốn thực hiện đúng nhiệm vụ của mình cần thỏa mãn các yêu cầu sau:
• Tạo được trên bề mặt lọc lớp bã có độ xốp lớn (ε = 0, 85 ÷ 0,9), nhưng kích thước lỗ xốp bé.
• Bề mặt riêng của bột trợ lọc không lớn lắm (vì bề mặt riêng lớn thì kích thước hạt bé và trở lực lớn).
• Giới hạn thành phần cỡ hạt của bột trợ lọc trong phạm vi hẹp (tức là kích thước cỡ hạt tương đối đồng nhất).
• Khối lượng riêng bột trợ lọc không lớn lắm (vì khối lượng riêng lớn tạo ra sự phân lớp trong huyền phù).
• Độ nén ép dưới áp suất không lớn lắm.
• Không hòa tan và trơ hóa học với pha lỏng của huyền phù.
• Người ta thường có hai cách để sử dụng bột trợ lọc:
- Hòa bột trợ lọc vào huyền phù (khoảng 0, 01 ÷ 4% huyền phù đem lọc).
- Phủ lớp bột trợ lọc lên bề mặt (thường dùng cho thiết bị lọc gián đoạn) với chiều dày khoảng 0, 8 ÷ 2, 5 mm (tương đương với khối lượng 0, 1 ÷ 0, 75 kg/ m2).
• Trong các thiết bị lọc liên tục người ta thường pha bột trợ lọc vào huyền phù rồi tiến hành lọc với tốc độ lớn.
• Trong sản xuất, người ta thường sử dụng nhiều loại bột trợ lọc khác nhau như: diatomit, perolit, amiăng, mùn cưa, than hoạt tính…
• Ví dụ như trong sản xuất bia và rượu vang, người ta dùng máy lọc ép để đảm bảo độ trong của sản phẩm; dùng máy lọc chân không thùng quay có lớp lọc lót để lọc các chất lỏng chứa nhiều chất rắn ở dạng huyền phù, hay lọc huyền phù của chất rắn ở dạng bùn (hoặc có tính nhớt như gelatin).
• Các khoáng chất được sử dụng làm chất trợ lọc chủ yếu là:
- Diatomit: Năm 2002, 68% lượng diatomit được sử dụng hoặc bán ra ở Mỹ là dùng cho quá trình lọc. Do cấu trúc của diatomit có các lỗ xốp lớn và nhiều khoảng trống nên vật liệu này có khả năng thấm hút cao. Diatomit có tính trơ hóa học. Cùng với năng suất lọc cao (tốc độ lọc lớn); diatomit có khả năng tách các hạt chất rắn có kích thước < 0, 5 mm. Diatomit rất nhẹ và có thể chịu nén, trong khi đó vẫn giữ được 90% các khoảng trống; với ưu điểm này trong sản xuất bia người ta thường dùng diatomit hơn là perlit. Để làm chất trợ lọc, diatomit phải qua chế biến để đạt các tiêu chuẩn về độ sạch mà vẫn giữ được vi cấu trúc thiết yếu phục vụ cho mục đích lọc. Khi đã qua chế biến, người ta thu được các sản phẩm sau: khoáng diatomit tự nhiên, khoáng diatomit nung, khoáng diatomit nung chảy. Khoáng diatomit tự nhiên được tạo ra bằng cách nghiền và sấy quặng diatomit. Khi nung khoáng diatomit tự nhiên ở nhiệt độ 10000C sẽ tạo khoáng diatomit nung. Trong quá trình nung, các hạt diatomit cỡ nhỏ nóng chảy và gắn kết lại với nhau, tạo ra các hạt có kích thước cỡ to hơn, nhờ vậy diaomit có diện tích bề mặt giảm đi, kích thước các lỗ xốp tăng lên làm tốc độ lọc tăng theo. Trong quá trình nung nói trên, nếu cho thêm chất trợ dung (ví dụ như soda) thì sẽ tạo ra sản phẩm khoáng diatomit nóng chảy, ở đây nhiệt độ nóng chảy của diatomit giảm xuống làm các hạt diatomit kết tụ lại với mức độ lớn hơn mà vẫn giữ nguyên được cấu trúc của nó. Tùy theo yêu cầu về độ trong của nước lọc hay tốc độ lọc mà người ta tạo ra nhiều phẩm cấp (chất lượng riêng), bằng cách trộn các sản phẩm nói trên với nhau theo
- Perlit là một loại khoáng chất gốc dung nham núi lửa trong giống như thủy tinh. Ngoài các ứng dụng đối với ngành xây dựng, perlit xốp còn được sử dụng làm chất trợ lọc. Nói chung, perlit đặc và thô hơn diatomit nên chỉ có thể giữ lại các hạt tạp chất có kích thước > 1 mm.
- Cát silic và khoáng garnet là những vật liệu lọc được sử dụng trong các quá trình xử lý nước thải công nghiệp, nước thải đô thị hay bể bơi. Garnet là một nhóm các khoáng chất có công thức chung là A3B2(SiO4)3; trong đó A = Fe2+, Mn2+, Mg hay Ca; còn B = Al3+, Fe3+, Cr3+ hay Ti3+. Do có nhiều ưu điểm như: trơ hóa học, chịu ăn mòn, có kích thước đồng nhất nên cát silic oxit được dùng cho các máy lọc trọng lực, có tốc độ lọc nhanh.
- Zeolit hiện đang cạnh tranh với cát silic oxit trên thị trường lọc ở Mỹ. Clinoptilolit là loại zeolit được sử dụng nhều nhất cho các quá trình lọc. Clinoptilolit có khả năng giữ các hạt tạp chất ở trong các lỗ xốp hay trên bề mặt thô ráp của nó, đây là điều mà ở cát silic không có.
4.4.3
4.4.3 Vật ngăn lọc:Vật ngăn lọc:
Bề dày của vật ngăn lọc và tính chất của nó cũng ảnh hưởng đến tốc độ lọc. Thường thì sử dụng vật ngăn lọc xốp, mỏng, và dễ thay thế như: vải lọc, màng xốp, tơ nhân tạo hay cát sỏi… (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Vật ngăn lọc có 3 tính năng cơ bản:
• Giữ pha rắn càng nhiều càng tốt, đồng thời trở lực đối với pha liên tục càng nhỏ càng tốt.
• Sự phân bố đồng đều các lỗ xốp (mao dẫn) trên bề mặt vật ngăn lọc.
• Chịu được tác động của môi trường lọc như: độ thấm ướt , độ bền về áp suất, nhiệt độ, hóa học, cháy nổ, điều kiện tái sinh bề mặt lọc.
Người ta có thể đánh giá khả năng giữ pha rắn của vật ngăn lọc bằng hiệu quả của quá trình phân riêng. Ta gọi:
• Cm: nồng độ pha rắn trong hỗn hợp (huyền phù).
• Cn: nồng độ pha rắn trong nước lọc.
η = [(Cm - Cn)/ Cm] * 100%
Trở lực của vách ngăn lọc được biểu diễn: Rv = (ΔP. Sτ)/ Mv
Trở lực của vật ngăn lọc thay đổi theo thời gian sử dụng nên còn được biểu diễn dưới dạng:
RvT =Rv eKtN
Trong đó:
• RvT: trở lực của vật ngăn lọc theo thời gian sử dụng.
• Rv: trở lực vật ngăn còn mới
• Kt: hằng số lưu ý đến vật ngăn lọc.
• N: thời gian hoặc chu kỳ sử dụng.
Chọn vật ngăn lọc phù hợp với yêu cầu cụ thể là một việc làm hết sức phức tạp, liên quan đến nhiều yếu tố khác như: chất lượng nước lọc, thời gian sử dụng và giá thành sản phẩm.
Vật ngăn lọc có thể sử dụng dưới nhiều dạng khác nhau:
• Dạng hạt: cát, đá, sỏi, than…
• Dạng sợi: sợi bông, sợi đay, sợi tổng hợp…
• Dạng tấm: kim loại đục lỗ…
Vật ngăn lọc được phân loại theo các dấu hiệu khác nhau:
• Theo nguyên tắc lọc: lọc bề mặt và lọc sâu thì vật ngăn lọc bề mặt gồm: giấy lọc, vải lọc, nỉ, len…; còn vật ngăn lọc sâu gồm: các lớp than, sỏi, đá, cát…
• Theo cấu trúc: vật ngăn uốn được (có tính dẻo) và vật ngăn không uốn được (có tính cứng).
• Theo vật liệu chế tạo: giấy, amiăng, bông, len dạ, kim loại…
• Theo phương pháp chế tạo: lưới đan từ sợi, ép từ các dạng bột, dệt, tấm đục lỗ…
Khi chọn vật ngăn lọc cần phải tham khảo thêm trong các tài liệu chuyên ngành.
4.5
4.5 Phương pháp thực hiện quá trình lọc:Phương pháp thực hiện quá trình lọc:
Trong kỹ thuật người ta thường áp dụng 4 trường lọc: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
• Lọc trong điều kiện tốc độ lọc không đổi: C = const (dùng bơm piston).
• Lọc trong điều kiện áp suất không đổi: ΔP = const (sử dụng bơm chân không, máy nén, cột thủy tĩnh).
• Lọc trong điều kiện tốc độ lọc và áp suất không đổi: C = const và ΔP = const.
• Lọc trong điều kiện tốc độ lọc và áp suất đều thay đổi: C ≠ const và ΔP ≠ const (sử dụng bơm ly tâm).
Tuy nhiên, áp dụng nhiều trong kỹ thuật thì có 2 trường hợp là lọc với áp suất không đổi và lọc với tốc độ lọc không đổi.
• Lọc với ΔP không đổi (ΔP = const) trong quá trình lọc, chiều dày lớp lọc