Separacje i oczyszczanie bioproduktów – filtracja

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest monitorowanie procesu filtracji zawiesiny drożdży w filtracji próżniowej.

Wyznaczenie czasu trwania jednego cyklu, stopnia oczyszczania zawiesiny, współczynnika ściśliwości

osadu oraz oporu wytwarzanego przez placek filtracyjny,

Sprzęt użyty w ćwiczeniu:

1. Zestaw do filtracji próżniowej i przy stałym ciśnieniu hydrostatycznym

2. Cylinder (500ml lub 1000 ml), zlewka (2000ml)

3. Bibuła filtracyjna, kalcyt

4. Spektrofotometr (pomiar stężenia zawiesiny względem wody przy długości fali 550nm)

Przebieg doświadczenia:

Filtracja próżniowa

1. Do odfiltrowania zawiesiny drożdży należy użyć filtra próżniowego podłączonego do pompki

wodnej wytwarzającej próżnię. Należy wyciąć odpowiedniej wielkości filtr z bibuły filtracyjnej

(zmierzyć jego średnicę) i umieścić pod warstwą kalcytu (3g), stanowiącego dodatkową

przegrodę filtracyjną. Przed rozpoczęciem proceu filtracji należy określić stężenie zawiesiny

przy pomocy spektrofotometrum przy długości fali 550 [nm] względem wody.

2. W momencie wlania zawiesiny do zbiornika nad filtrem i podłączenia próżni, należy rozpocząć

pomiar czasu i monitorować zmianę objętości filtratu w czasie.

3. Po zakończeniu filtracji zmierzyć stężenie ciała stałego w filtracie oraz jego objętość całkowitą.

Ćwiczenie należy przeprowadzić dla dwóch różnych ciśnień podanych przez prowadzącego

Filtracja pod stałym ciśnieniem hydrostatycznym

1. Do odfiltrowania zawiesiny drożdży należy użyć układu pracującego przy stałym słupie cieczy.

Należy wyciąć sączki o średnicy równej tworzącej stożka (lejka) i użyć dwóch do filtracji przy

stałym ciśnieniu hydrostatycznym (użycie jednego sączka nie daje zadawalających efektów

filtracyjnych).

2. W czasie trwania filtracji utrzymujemy stałą wysokość słupa cieczy.

3. Po zakończeniu filtracji zmierzyć stężenie ciała stałego w filtracie oraz jego objętość całkowitą.

Ćwiczenie należy przeprowadzić dla dwóch różnych ciśnień podanych przez prowadzącego

Opracowanie wyników

1. Wyznaczenie krotności oczyszczenia zawiesiny

2. Wyznaczenie współczynnika ściśliwości

Sporządzenie tabeli dla każdego z zastosowanych ciśnień

t[s] Vfiltratu[l](t) t/V [s/l]

Graficzne wyznaczenie stałej filtracji izobarycznej

Gdzie równanie: ∆𝑡

∆𝑉=

2

𝐾𝑉 +

2𝐶

𝐾 jest zlinearyzowanym równaniem opisującym przebieg filtracji z

wydzieleniem osadu ściśliwego przy założeniu iż różnica ciśnień jest stała

Wyznaczenie współczynnika ściśliwości osadu ze wzoru:

𝑠 = 1 − (𝑙𝑜𝑔

𝐾1𝐾2

𝑙𝑜𝑔(∆𝑝1 − ∆𝑝2))

K – stała filtracji (odczytana z równania prostej, odpowiednio K1 przy p1 ...)

3. Wyznaczanie przepustowości jednostkowej filtra

Objętościowe natężenie przepływu filtratu wyraża się za pomocą wzoru:

�̇�𝐹 =𝐴∙∆𝑝

𝑅 ,

Gdzie: A – powierzchnia filtracji

p – ciśnienie podczas filtracji

R –opór wytwarzany przez przegrodę filtracyjną w skład której wchodzi opór samego filtra i placka

filtracyjnego (zmienny w czasie)

Przepustowość filtra jest odwrotnością oporu, czyli: 𝜀 =�̇�𝐹

𝐴∙∆𝑝

Strumień filtratu jest jednak zmienny w czasie, tak więc zmienna jest przepustowość .

Sporządzić wykres jak zmienia się ona podczas procesu filtracji oraz wyznaczyć przepustowość

całkowitą po ustaleniu czasu trwania jednego cyklu. Porównać wartości uzyskane dla dwóch różnych

p.

4. Wyznaczanie zależności oporu placka filtracyjnego od przyłożonego ciśnienia

Do obliczeń niezbędna jest zależność średniego natężenia strumienia filtratu od wytwarzanego

podciśnienia, ponieważ na opór przegrody filtracyjnej składa się opór wytwarzany przez przegrodę

filtracyjną i opór placka filtracyjnego.

Opór przegrody należy obliczyć wykorzystując wykres zależności strumienia od wielkości siły

napędowej

Wyk. Zależność natężenia przepływu filtratu od zastosowanego ciśnienia, bez dodatkowej warstwy filtracyjnej i z użyciem wody

𝑅𝑐𝑎ł𝑘 = 𝑅𝑜 + 𝑅𝑝𝑙𝑎𝑐𝑘 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟

𝑅 =𝐴 ∙ ∆𝑝

�̇�𝐹

Opór placka filtracyjnego zmienia się w czasie na skutek zmiany jego grubości. Sporządzić wykres takiej

zmiany w czasie dla pomiarów wykonanych w trakcie ćwiczenia (dla dwóch różnych p.)

Zagadnienia z zakresu filtracji:

1. Definicja filtracji, podział z uwagi na siłę napędową

2. Opór w procesie filtracji. Rodzaje osadów, współczynnik ściśliwości

3. Szybkość procesu filtracji

4. Filtracja powierzchniowa i wgłębna. Porowatość filtra

5. Rodzaje filtrów i zasada ich działania (prasa filtracyjna ramowo-płytowa, filtry ciśnieniowe

ramowe i tarczowe, prasa płytowa, prasa filtracyjna cylindryczna, prasa taśmowa-wyżymająca,

filtr próżniowy, filtr bębnowy ciśnieniowy, filtr tarczowy, filtr taśmowy, filtr talerzowy, filtry

dynamiczne)

Literatura

1. Aparatura chemiczna i procesowa – J. Warych

2. Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej – R. Koch, A. Noworyta

3. Inżyniera procesowa i aparatura przemysłu spożywczego – praca zbiorowa pod red. Prof. dr

hab. Piotra Lewickiego

y = 2,3131x + 0,1138

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Stru

mie

nń

śre

dn

i [m

/s]

Ciśnienie [bar]