Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Литературный обзор 9
1.1 Использование процесса фильтрования в винодельческой промышленности 9
1.1.1 Показатели качества вина 10
1.1.2 Механизм фильтрования вин 12
1.1.3 Виды осадков, образующихся при фильтровании вина 14
1.1.4 Использование двухступенчатого фильтрования и характеристика фильтр-картона для получения необратимой прозрачности вина 15
1.1.5 Применение вспомогательных веществ для осветления вина 19
1.1.6 Фильтры, применяемые в винодельческой промышленности для осветления вина 20
1.2 Теория фильтрации. Основные положения 22
1.2.1 Модели фильтрации 26
1.2.2 Соотношение между пористостью сжимаемого осадка и его удельным сопротивлением в процессе фильтрования 29
1.2.3 Зависимость между удельным сопротивлением сжимаемого осадка г0 и перепадом давления на слое Ар.. 33
1.2.4 Зависимость между перепадом давления на слое Ар г и высотой слоя п 34
Глава 2 Объекты и методы исследования 37
2.1 Объекты исследований 37
2.2 Методы исследований 37
2.3 Особенности сжатия осадка, образующегося при фильтровании виноматериалов 38
2.4 Зависимость пористости осадка от сжимающего напряжения 39
2.5 Математическое описание процесса фильтрации виноматериалов в слое сжимающего осадка 40
2.6 Алгоритм и программа модели процесса фильтрации виноматериалов 42
2.7 Теоретические закономерности фильтрования виноматериалов на фильтр-картоне 46
Глава 3 Экспериментальное исследование процесса фильтрации виноматериалов и определение параметров осадка 51
3.1 Проверка закономерностей сжатия капиллярно-пористых твердых тел растительного происхождения 51
3.2 Экспериментальное исследование процесса фильтрования виноматериалов при Ар = const 52
3.2.1 Объект исследования и методика проведения эксперимента и обработки опытных данных 54
3.2.2 Идентификация математической модели фильтрования виноматериалов при образовании сжимаемого осадка 57
3.3 Экспериментальное исследование процесса фильтрования виноматериалов при постоянной скорости фильтрации 62
3.3.1 Объект исследования и методика проведения эксперимента и обработки опытных данных по фильтрованию виноградного вина на винзаводе 62
3.3.2 Идентификация математической модели фильтрования вина при постоянной скорости фильтрации 66
3.4 Экспериментальное исследование процесса фильтрования на фильтр-картоне 70
3.4.1 Объект исследования и методика проведения эксперимента и обработки опытных данных по фильтрованию вина через фильтр-картон 70
3.4.2 Проверка математической модели фильтрования вина через фильтр-картон 72
3.5 Анализ влияния времени фильтрования на перепад давления и свойства образующихся осадков 73
3.5.1 Анализ влияния параметров модели на пористость осадка, его удельное сопротивление и перепад давлений в зависимости от продолжительности фильтрования 73
Глава 4 Разработка технологического режима и оценка эффективности рабочего цикла двухступенчатого фильтрования виноматериалов 86
4.1 Постановка задачи разработки программы производственного фильтрования виноматериалов 86
4.2 Модельное фильтрование виноматериала 88
4.3 Обработка результатов экспериментального фильтрования 91
4.4 Прогнозирование времени фильтрации и определение потребного количества фильтр-картона для заданной рабочей программы производства вина 95
Литература 111
Приложение
- Использование двухступенчатого фильтрования и характеристика фильтр-картона для получения необратимой прозрачности вина
- Особенности сжатия осадка, образующегося при фильтровании виноматериалов
- Экспериментальное исследование процесса фильтрования виноматериалов при Ар = const
- Прогнозирование времени фильтрации и определение потребного количества фильтр-картона для заданной рабочей программы производства вина
Введение к работе
Одним из основных показателей, характеризующих качество готового вина, является его прозрачность, которая должна отвечать понятиям «кристальная прозрачность» и «прозрачное с блеском». Важнейшую роль в дальнейшей прозрачности вина играет процесс фильтрации. Фильтрация широко используется при переработке основных и вторичных продуктов виноделия, в частности, дрожжевых осадков, виноградного сока и виноматериалов. Однако задача повышения прозрачности и биологической стойкости фильтратов остается актуальной. При решении указанной задачи на уровне совершенствования технологии осветления важная роль принадлежит математическим моделям, основанным на теории и призванным научно обосновать эффективные режимы и способы очистки виноматериалов и вин. Следует подчеркнуть, что осадки, образующиеся при фильтровании, являются сжимаемыми. Теория сжимаемых осадков находится на стадии развития. Основные уравнения фильтрации несжимаемых осадков основаны на теории ламинарных течений: уравнение Пуазейля для течения в капиллярных каналах и уравнение Стокса по омыванию сфер. Для сжимаемых осадков эти уравнения модифицируют в основном за счет введения зависимости удельного сопротивления осадка от перепада давления на слое. Влияние сжимающих напряжений на упругие свойства осадка, на пористость и как следствие на сопротивление слоя рассматривается авторами с различных позиций, зачастую противоречивых. Связь этих свойств с качеством осветления виноматериалов не изучалась. В связи с недостаточной строгостью теории фильтрации и использованием упрощенных эмпирических уравнений для сжимаемых осадков отсутствует база данных по их фильтрационным свойствам. По этой причине не представляется возможным надежное проектирование системы фильтрации, а также разработка методики принятия мобильных решений по реализации производственной программы по переработке различных виноматериалов в условиях меняющихся режимов фильтрации.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ 1997-2005 гг. КубГТУ по теме «Совершенствование технологии виноградных, плодово-ягодных напитков и вин».
Цель и задачи исследований. Цель работы состоит в обосновании и совершенствовании технологии осветления виноградных вин на основе двухступенчатой фильтрации.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
определить влияние физико-химического состава виноматериалов на режимы фильтрования с использованием различных фильтрующих материалов;
выявить взаимосвязи между химическим составом вина, технологией фильтрации и разработать математические модели для режимов фильтрования Ар = const и W = const, наиболее распространенных при фильтровании вин и виноматериалов, учесть изменения перепада давлений dApl' dh и скорости фильтрования J^no высоте слоя осадка hoc;
для обеспечения требуемого качества вина разработать методологию и математическое обеспечение производственных программ и технологических режимов фильтрования виноматериалов на винзаводе;
исследовать в процессе фильтрации взаимосвязь между удельным сопротивлением осадка г0 и его пористостью 8;
усовершенствовать технологию осветления виноградных вин на основе двухступенчатой фильтрации путем применения адсорбционной модели улавливания частиц фильтр-картоном и прогнозирования необходимой фильтрующей поверхности и зависимости перепада давлений Ар от продолжительности фильтрации.
Научная новизна работы заключается в том, что:
- впервые определены фильтрационные свойства фильтр-картона и свойст
ва сжимаемых осадков, получаемых в результате комплексной двухсту
пенчатой фильтрации различных типов виноградных вин на бельтинге;
- разработаны математические модели процесса фильтрации вин в слое
сжимаемого осадка на бельтинге и на фильтр-картоне;
предложен механизм осветления вина, основанный на свойстве осадка сжиматься в направлении движения фильтрата; установлена зависимость между пористостью осадка и напряжением сжатия;
разработана методология реализации производственной программы и режимов фильтрования виноградных вин на винодельческом предприятии в условиях меняющихся режимов фильтрации.
Практическая значимость работы заключается в том, что:
разработана методика принятия мобильных решений по производственной программе фильтрации виноматериалов и вина на винодельческом предприятии, обеспечивающая минимальные затраты при выполнении производственных заказов;
на основе стендового эксперимента по фильтрации виноградного сока и промышленного эксперимента по фильтрации вина на бельтинге подтверждена достоверность модели фильтрации в слое сжимаемого осадка и модели фильтрации через фильтр-картон на фильтр-прессе винзавода;
разработаны рекомендации по режимам процессов фильтрации в две стадии: на фильтр-прессе с бельтингом и фильтровальным волокном и на фильтр-прессе с фильтр-картоном; физико-химические показатели натуральных и специальных виноматериалов при применении двухступенчатого метода фильтрования по сравнению с одноступенчатым через фильтр-картон изменяют свои значения в лучшую сторону по содержанию фенольных и красящих веществ белкового азота и жиров;
конкретные технологические режимы определены путем сочетания методов модельного (физического) и математического моделирования;
получен экономический эффект от реализации указанной программы в размере 191714 руб. в год при выработке 100 тыс. дал вина.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на Международной научной конференции «Прогрессивные пище-
8 вые технологии - третьему тысячелетию» (г. Краснодар, 2000 г.); на IV Международной научно-технической конференции «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов» (г. Ульяновск, 2001 г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Продовольственная безопасность как важнейший фактор национальной безопасности страны и роль информационно-консультационных служб АПК в ее обеспечении» (г. Пенза, 2002 г.); на VIII Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития пищевой промышленности и стандартизации пищевых продуктов» (г. Москва, 2002 г.); на Международной научно-практической конференции «Научные основы процессов, аппаратов и машин пищевых производств» (г. Краснодар, 2002 г.); на Международной конференции молодых ученых «От фундаментальной науки - к новым технологиям. Химия и биотехнология биологически активных веществ, пищевых продуктов и добавок. Экологически безопасные технологии» (г. Тверь, 2002 г.); на Международной научно-практической конференции «Актуальные направления развития экологически безопасных технологий производства, хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» (г. Воронеж, 2003 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 3 статьи.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Основной текст диссертации изложен на 150 страницах компьютерного текста, содержит 21 рисунок и 24 таблицы. Список использованной литературы включает 126 наименований, из них 10 зарубежных авторов.
Использование двухступенчатого фильтрования и характеристика фильтр-картона для получения необратимой прозрачности вина
Для получения вин с зеркальной устойчивой (необратимой) прозрачностью используют двухступенчатую фильтрацию [84].
Подбирая фильтрующие материалы и фильтры с учетом особенностей вина, количества и свойств осадков, а также необходимой полноты осветления, достигают хорошего технологического эффекта.
Осветление виноматериалов, полученных на первой ступени фильтрации с использованием в качестве фильтровальной перегородки бельтинга, проводят как с использованием фильтр-картона [14, 25, 26, 57, 63, 74, 76, 98], так и с применением вспомогательных веществ [2, 3, 7, 8, 18, 39, 48, 52, 53, 65-68, 83, 86, 97, 101, 102].
Фильтр-картон - наиболее распространенный в современном виноделии фильтрующий материал. Он изготовляется в виде листов размером 400x800 и 510x620 мм, а также в виде шайб размером по наружному диаметру 605±2 мм и внутреннему - 69+0,5 мм. В состав фильтр-картона входят: целлюлоза, обработанная различными способами, хризатиловый асбест и измельченный диатомит. Фильтр-картон выпускается нескольких марок, каждая из которых предназначена для определенных целей: марка Т - для фильтрования вино-материлов, КТФ-1 - для тонкого фильтрования вин с крупнодисперсной взвешенной фазой, КТФ-2 - для тонкого фильтрования вин с мелкодисперсной взвешенной фазой, КОФ-3 - для обеспложивающего (стерилизующего) фильтрования, КФШ - для фильтрования шампанского [26, 98, 14]. Основ ные технологические характеристики фильтр-картона приведены в [74, 98, 14]. Рекомендации по применению фильтрующих пластин для осветления вин приведены в [49]. В настоящее время выпускается картон, рассчитанный на максимальную нагрузку 0,25 МПа [46].
На рамных фильтр-прессах применяется особый опорный картон, фильтрование на котором осуществляют с предварительным намывом на него слоя диатомита и с дозированием диатомита в процессе фильтрования. Опорный картон используется многократно, регенерация его осуществляется простым смыванием слоя диатомита водой. Все другие типы картона - однократного использования, рассчитаны только на один цикл фильтрования [46].
В [9] выявлены следующие причины неудачных фильтраций и перерасхода фильтропластин:
Виноматериалы на фильтр подаются непосредственно поршневыми насосами без регулятора давления, что не дает необходимого ламинарного движения жидкости в фильтре; подача вина толчками разрушает фильтрующую перегородку.
Приемники насосов не подсоединяются к большим емкостям, а концы их опускаются в подставу, в результате чего в них засасывается воздух, а это создает воздушные пробки и гидравлические удары, разрушающие фильтрующий слой и даже пробивающие фильтрокартон.
Мощность поршневых насосов не согласована с производительностью фильтров. При переменной производительности фильтра (по мере засорения) производительность насоса остается постоянной, вследствие чего создается большое давление, могущее привести к прорыву фильтрокарто-на [98].
При фильтровании через фильтр-картон задерживаются частицы как механически, так и в результате адсорбции. Адсорбция обусловлена в основном водородными связями между частичками дисперсной фазы и макромолекулами целлюлозы и значительно в меньшей степени от электростатических притяжений. Фильтрующие пластины, где целлюлоза связана с диато митом посредством смолы меланина, которая заряжена положительно, обладают, как считает М. Пет, высокой адсорбционной способностью (за счет электростатических притяжений) к частичкам, заряженным отрицательно. Кроме частичек дисперсной фазы, из вина при фильтровании через фильтро-картон удаляется и некоторое количество высокомолекулярных веществ. Так, количество удаляемых при фильтровании полисахаридов может составить от 1 до 20 % их содержания в вине [27].
Основными компонентами фильтрокартона является целлюлоза, асбест и диатомит. В последние годы в зарубежной литературе приводятся данные о вредном влиянии на здоровье человека волокон асбеста, попадающего в желудочно-кишечный тракт с фильтратом. К тому же медленное обезвоживание асбеста затрудняет процесс сушки готового фильтрокартона. Для снижения доли асбеста в композицию, как правило, вводят диатомитовый порошок. Однако диатомит обладает большой массой, что утяжеляет пластины, которые к тому же быстро размокают и становятся механически непрочными. Ведущими фирмами производителями разработан и выпускается ряд безасбестовых материалов для очистки пищевых жидкостей различного назначения - от грубого до стерилизующего фильтрования. Взамен асбеста в композиции используют целлюлозные волокна хвойных и лиственных пород древесины; диатомитовый порошок; двуокись алюминия; калий-титановые волокна; сорбирующие добавки (углерод, поливинилпирролидон); синтетическую волокнистую массу из полиэтилена и пропилена, наполненную каолином, инфузорной землей, карбонатом кальция, тальком, двуокисью титана, тонкими металлическими порошками и органическими пигментами. Отечественные предприятия до настоящего времени не выпускали безасбестовых фильтровальных пластин. В связи с этим [51] был разработан композиционный состав и регламент производства безасбестового фильтрокартона для винодельческой промышленности.
Особенности сжатия осадка, образующегося при фильтровании виноматериалов
Давление на слое осадка падает на величину Ар. В обзоре литературы было показано, что абсолютное большинство исследователей считают этот перепад ответственным за сжатие слоя осадка, а напряжение сжатия а принимают равным Ар. На самом деле величина ApF не является статической нагрузкой. В капиллярах осадка при движении в них жидкости действуют касательные напряжения. Они являются причиной возникновения нормальных напряжений а, сжимающих осадок. При обычном статическом сжатии на прессе перепада (изменения) нормальных напряжений по высоте сжимаемого слоя нет, а а = —, где р - сила. В случае фильтрации первые по ходу жидко-F сти слои осадка (назовем их верхними) не сжаты, а нижние слои (вблизи фильтровальной перегородки) сжаты в наибольшей степени. Можно подчеркнуть, что, если в осадке отсутствует воздух, повышение давления жидкости не приведет к уменьшению пористости, т. е. к сжатию осадка, из-за несжимаемости жидкости. Осадок сжимается с повышением а, только тогда, когда есть сток жидкости. Для определения величины а в любом сечении, находящемся на расстоянии h от входа, составим уравнение проекций сил на вертикальную ось. Учтем, что если фильтрат не движется через слой осадка, то осадок не сжимается. Итак, разные слои сжаты по-разному. По высоте осадка изменяются величины —, s, г0 и а. При возрастании высоты слоя осадка в процессе фильтрации в случае постоянной скорости фильтрации нижние слои сжимаются все сильнее и в них из осадка вытесняется жидкость. Этот поток накладывается на основной поток фильтрата (данное явление названо в литературе [93] консолидацией). Напряжение в слое на расстоянии h пропорционально сумме сил касательных напряжений. В свою очередь касательные напряжения пропорциональны градиенту давления —. Поэтому в итоге можно записать: Известно, что при упругих деформациях справедлив закон Гука, дающий прямую зависимость напряжения от относительного удлинения (сжатия).
Осадки при сжатии не подчиняются закону Гука. При сжатии капиллярно-пористых материалов в том числе осадков, образующихся при фильтрации на винзаводах, происходит изменение его объема за счет истечения находящейся в порах жидкости, выжимания мелких частиц в межпоровое пространство и деформации самих частиц. Очевидно, что такое сложное явление не может быть описано, исходя из теории упругости, которая предполагает линейную зависимость между тензором напряжений и тензором относительных деформаций. Поэтому используется понятие степени сжатия гсж, т. е. отношения объема материала до сжатия к объему, получающемуся при воздействии нормального напряжения а. При повышении сжимающего усилия в ограниченных пределах пористость изменяется от начальной е{ до некоторого конечного значения гтіп, приближаясь к нему асимптотически. На зовем это значение минимальной пористостью гтіп. Таким образом, при разности (є-є/Иот) стремящейся к нулю, изменение є с ростом напряжения а стремится к нулю: Можно предположить, что величина — пропорциональна разности Знак минус связан с тем, что s с ростом о убывает. Разделяя переменные в уравнении (13) и интегрируя от г1 при а = 0 до текущего s при о - а, имеем Уравнение (15) дает связь между изменением пористости осадка и напряжением сжатия. Коэффициент Ка может быть найден по экспериментальным данным. Это описано в главе 3. Скорость фильтрации С = изменяется во времени и пространстве, т. е. C(x,h). Если жидкость несжимаема и явлением консолидации пренеб речь, то С есть функция только времени. В некоторый момент времени величина скорости приобретает определенное значение и остается постоянной по высоте слоя осадка.
Градиент давления — изменяется по высоте в связи с изменением напряжения а в соответствии с уравнением (12) и пористости є согласно уравнению (15). Выведем уравнение для расчета зависимости/? от h. Эта зависимость необходима для расчета общего перепада давления на слое осадка Ар. Так как скорость С постоянна по высоте, то для слоя, находящегося на высоте h и слоя при h = О можно записать: дифференциальное уравнение, которое можно решить численными методами для заданного момента времени в пределах от 0 до h, где h - величина осадка, изменяющаяся во времени. Поэтому давление в слое осадка/? есть функ др ция высоты и времени и уравнение (19) записано в частных производных —. dh Поэтому интегрирование надо провести по высоте и по времени. Эта задача обсуждается в следующем разделе при разработке программы расчета процесса фильтрации виноматериалов, в ходе которого образуются сжимаемые осадки. Придание стабильной прозрачности винам и снижение расхода фильтр-картона во многом зависят от характера изменения перепада давления на фильтр-картоне с течением времени и основано на изучении теоретических закономерностей процесса фильтрования при постоянной скорости. В настоящей работе получена зависимость изменения разности давлений от продолжительности фильтрования при постоянной скорости фильтрования. Рассмотрим процесс фильтрования через фильтр-картон заданной толщины при постоянной скорости фильтрования. Теория фильтрования основана на предположении о том, что в капиллярах осадка движение жидкости носит ламинарный характер и подчиняется уравнению Пуазейля [47]. где со - скорость движения жидкости в капилляре, м/с; Ар - разность давлений до и после фильтр-картона, Па; d - диаметр капилляра (поры), м; / - длина капилляра, м; JJ. - динамическая вязкость жидкости, Па-с; Объемный расход фильтрата q, м /с, через одну пору согласно уравне нию неразрывности составляет
Экспериментальное исследование процесса фильтрования виноматериалов при Ар = const
В качестве фильтруемых смесей использованы виноматериалы различного типа. Фильтровальной перегородкой служила ткань бельтинг.
Опыты проводились при постоянном перепаде давления, которое поддерживалось на следующих уровнях 0,005; 0,02; 0,035; 0,05 МПа. Для проведения опытов использовался рамный фильтр-пресс, состоящий из 7 рам, раз-мером 120x120x12 мм, общей поверхностью 0,2 м . На рисунке 2 приведена схема экспериментальной фильтрационной установки. Исходный виномате-риал с помощью центробежного насоса 1 подавали в рамный фильтр-пресс 4 (рисунок 2). Необходимое избыточное давление устанавливали с помощью регулирующего вентиля 2 и контролировали по манометру 3. Объем фильтрата измеряли в мерном бачке 5.
Фильтр-пресс состоит из набора чередующихся плит и рам, сжатых с помощью зажима между концевыми плитами - упорной неподвижной и нажимной передвигающейся. Рама служит приемной камерой для суспензии. Плита с рифленой боковой поверхностью является основанием для фильтровальной ткани (бельтинг) и образует дренажные каналы для отвода фильтрата. Бельтинг покрывает поверхность плиты и одновременно служит уплотнением между плитой и рамой. В специальных приливах рам и плит (или в поле уплотняющей поверхности) находятся отверстия, которые после сборки фильтр-пресса образуют сплошные каналы, предназначенные для подвода виноматериалов. Эти каналы сообщаются с пространством рам через отверстия. Фильтрат, проходя под действием давления через ткань в дренажные желобки плиты, стекает вниз и через отверстие в теле плиты и носок сливается в приемный желоб. Твердая фаза задерживается тканью и образует на ее поверхности нарастающий слой осадка.
Эксперимент проводился следующим образом: включался центробежный насос 1, открывался регулирующий вентиль 2 перед фильтром. С помощью вентиля 2 поддерживался заданный перепад давления. В процессе опыта снималась кривая фильтрации, т. е. зависимость количества фильтрата от времени. Для этого в момент появления фильтрата включался секундомер и наблюдалось заполнение мерного бачка 5. Через каждые 3 литра записывалось время фильтрации. После окончания опыта закрывали вентиль 2, останавливали насос 1 и разбирали фильтр-пресс. Снимали осадок с фильтровальной ткани и рам. Рамы и фильтровальную ткань мыли. Результаты опытов представлены в таблице 2 в виде зависимости удельного объема отфильтрованного виноматериала v, м /м , от времени т, мин. По результатам опытов рассчитывался удельный объем фильтрата по соотношению v = V/F, и строилась экспериментальная зависимость удельного объема фильтрата от времени для разных перепадов давления (рисунок 3). Полученные экспериментальные данные использовались для нахождения (поиска) параметров идентификации математической модели. Для определения удельного объема не сжатого осадка была проведена фильтрация на стеклянном фильтре, выполненном из трубы 0 20x2,5 мм. В качестве фильтровальной перегородки использовалась мелкоячеистая капроновая сетка. На фильтр подавался заданный объем суспензии (виноматериа-ла) и замерялась высота слоя осадка после фильтрации. Результаты замеров представлены в таблице 3. Величина удельного объема осадка определялась по формуле В дальнейших расчетах величина х0 для виноматериалов принята рав-ной 0,1 м /м . Изменение величины х0 при сжатии осадка учитывалось с помощью соотношения: 58 Определение сопротивления фильтровальной перегородки і?фп, в качестве которой использовался бельтинг, проводилось в опытах по фильтрации воды на лабораторном фильтр-прессе (F = 0,2 м ). Методика проведения эксперимента описана в разделе 3.2.1. Фильтрование воды осуществлялось при перепаде давления Ар = 0,2-105 Па. Предварительно был проведен эксперимент по фильтрации виноматериалов. Затем образовавшийся осадок был смыт и проведены опыты на воде. Результаты опытов по определению величины і?фП, 1/м, представлены в таблице 4. Таким образом, путем прямых измерений определены два параметра модели: удельный объем осадка при отсутствии напряжения сжатия х01 и сопротивление фильтровальной перегородки і?фп. Остальные параметры, а именно: пористость осадка sj и удельное сопротивление осадка г01 при равенстве нулю напряжения сжатия, а также минимальная пористость осадка smin и коэффициент зависимости пористости от напряжения сжатия Ка находились с использованием математической модели. В этом случае возникает задача минимизации суммы квадратов отклонений расчетных значений удельного объема фильтрата от экспериментальных. При этом функция цели, т. е. сумма квадратов отклонений, зависит от четырех параметров, степень влияния которых на нее не изучена. Поэтому предварительно был проведен численный эксперимент при различных значениях этих параметров: є = 1-5-0,1; emin =0,1-5-0,01; г0=Н10-1013; Ка =1-10"4 -И-10 6. В результате этого эксперимента были найдены начальные значения этих параметров, при которых достигалось качественное совпадение результатов численного эксперимента с опытными данными, после чего поиск минимума функции цели проводился методом Зейделя-Гаусса. В результате этого поиска были найдены следующие значения параметров идентификации: є = 0,755; г = 2,1 -1013; Ка = 5-10" , smin = 0,01. С использованием полученных параметров был проведен численный эксперимент на математической модели при тех же значениях перепадах давлений Ар и времени фильтрации, которые наблюдались в лабораторном эксперименте. Результаты представлены в таблице 5. Сравнение экспериментальных и расчетных данных представлено на рисунке 3. Из рисунка 3 видно, что наблюдается удовлетворительное согласие теории и эксперимента во всем диапазоне изменения перепадов давления на фильтровальном слое. С использованием результатов, представленных на рисунке 3, можно построить зависимость скорости фильтрации W = dv I dx от перепада давления на фильтрующем слое Ар при одинаковом удельном количестве фильтрата (например, 6-10" м /м ). Так как количество осадка при v = const в опытах при различных значениях Ар одинаково, то по полученным данным можно судить о сжимаемости осадка (рисунок 4). (Скорость фильтрации определялась как тангенс угла наклона касательной к кривой w = f{x)).
Прогнозирование времени фильтрации и определение потребного количества фильтр-картона для заданной рабочей программы производства вина
На второй стадии главной задачей является получение вина высокого качества и экономия фильтр-картона, т. е. определение минимальной поверхности фильтрации, четко отвечающей объему заказа. В настоящее время на большинстве винзаводов фильтрование проводится на установленном фильтре, имеющем вполне определенную поверхность фильтрации. Эта поверхность в условиях изменяющихся объемов заказа является излишней и, как следствие, имеет место неоправданно завышенный расход фильтр-картона. Между тем, практически без дополнительных затрат силами предприятия производится модернизация рамных фильтр-прессов с обеспечением возможности подключения любого заданного заранее числа секций. Рассмотрим принципы разработки программы и технологического режима рабочего цикла двухступенчатого фильтрования виноматериалов на конкретном примере работы на винзаводе. Объем заказа по сухому белому вину-2400 дал (24 м3). На этом виноматериале была выполнена фильтрация на модельном фильтре (поверхностью F = 0,0491м . Результаты приведены в таблице 18 Далее проводится численными методами решение вопросов разработки рабочей программы и определение режимов фильтрования на первой стадии предварительного фильтрования. Первая из перечисленных выше задач -уменьшение поверхности фильтрования - решалась, исходя из заданных: производительности насоса (2 = 12 м3/ч) и поверхности фильтрации рамного фильтр-пресса (F - 38,4 м2), установленных на заводе. Скорость фильтрации W = 12,5/(38,4 3600) = 0,00008681м/с. Для удобства обсуждения в расчетной таблице 19 приведен удельный объем фильтрата v = V/F. Первый вывод, который следует из таблицы 19, можно сделать, учитывая, что удельный объем фильтрата vK при котором на фильтре с поверхно стью F = 38,4 м , будет выполнено задание, т. е. получено 24 м вина, равен ук = 24/38,4 = 0,625 м3/м2. Отсюда следует, что время фильтрации при использовании всей фильтровальной поверхности равно 230 минутам (3 часа 50 минут). При этом циркуляция виноматериала должна проводиться в течение НО минут (1 час 50 минут), а рабочее фильтрование 2 часа 10 минут. Этот вариант работы рекомендуется при дефиците времени на выполнение задания. Второй вывод вытекает из условия работы до давления на выкиде насоса порядка 3 бар. Как следует из таблицы 19, это время составляет примерно 10 часов, в том числе рабочее время хр = 10 ч - 1 ч 40 мин = 8 ч 20 мин = 8,33 ч. Удельный объем фильтрата при этом vK = 2,6 м3/м2. Следовательно, потребная при таком режиме работы производительность насоса должна быть равна: где Fv - рабочая поверхность фильтрации, м2. р Требуемая поверхность фильтрации F1 Это отвечает фильтру с 8-ю рамами и 8-ю плитами. (Действующий фильтр имеет N = 30рам и 30 плит при общей поверхности Fo6 = 38,4 м . Тогда рабочее число рам и плит Np Принято: Np = 8 шт. Рабочая поверхность фильтрации Fp составляет Для третьего варианта: - фильтрация на действующем фильтре будет завершена за 85 минут при удельном объеме фильтрата v = 0,625 м /м , при времени циркуляции 25 минут, т. е. время рабочей фильтрации тр = 85 мин - 25 мин = 60 мин = 1ч; - потребная производительность насоса При таком режиме необходима параллельная работа двух насосов про-изводительностью по 12 м /ч каждый. Для четвертого варианта: - до полного заполнения рам надо работать 150 минут, из них 125 минут рабочих (2,08 часа) до vK = 1,273 м /м ; - потребная поверхность фильтрования Это отвечает 16 рамам и 16 плитам и поверхности F = 20,5 м2; - производительность насоса
Результаты моделирования представлены в таблице 20. В соответствии с возможными вариантами задания можно выбрать второй вариант, как обеспечивающий максимальную экономию вспомогательных материалов, или третий вариант при очень жестких требованиях к срокам выполнения задания. Рассчитаем время, необходимое для достижения предельного давления, равного 2,5 бар, при котором может нарушиться прочность фильтр-картона. При производительности насоса 12 м /ч и поверхности фильтрации промыш ленного фильтра 40 м , скорость фильтрации W = 12/(40-3600) = 8,3 10 м/с. При перепаде давления после циркуляции ApQ = 0,9 бар и предельном перепаде Арк = 2,5 бар определим время фильтрации. Сначала пересчитаем коэффициент А W: За 4 часа может быть профильтровано следующее количество вина: Для выполнения производственного задания в 2400 дал требуется по-верхность фильтр-картона 20 м при подаче виноматериала с производитель-ностью Q = 6 м /ч и работе в течение 4-х часов. При этой операции экономия картона равна 20 м2 и снижение затрат на картон в денежном выражении со-ставит при цене картона Ц = 70 руб. за 1 кг. Масса 20 м картона m = V-p Результаты, полученные при разработке технологического режима рабочего цикла двухступенчатой фильтрации использовались для оценки эффективности предлагаемого метода с точки зрения качества полученных винома-териалов. Для сравнительной характеристики предлагаемого метода фильтрации был поставлен производственный опыт (таблицы 22, 23, 24). С этой целью отбирали виноматериал разных типов, проводили оклейку каждой партии, после чего снимали с клеевых осадков и фильтровали, добиваясь степени прозрачности, характеризуемой термином «прозрачное с блеском». Каждую партию виноматериалов разделяли на две части. Первую часть фильтровали через фильтр-картон по общеизвестному способу, а вторую - по предлагаемому двухступенчатому методу через бельтинг-ткань и затем через фильтр-картон в соответствии с рабочей программой, разработанной по вышеизложенной методике. Сравнение виноматериалов проводили по разным физико-химическим показателям, а также по удельному расходу фильтрующих материалов. Исходные физико-химические показатели натуральных и специальных виноматериалов представлены в таблице 22. После фильтрации через фильтр-картон часть показателей изменили свои значения. Это касается, прежде всего, изменения содержания фенольных и красящих веществ, белкового азота и жиров. Во всех случаях наблюдается тенденция к их снижению. Так содержание фенольных веществ снизи-лось с 1400 мг/дм до 1250 мг/дм , наибольшее снижение отмечено при двухступенчатой фильтрации. Очевидно, часть фенольных веществ сорбируется на бельтинге. Аналогичные изменения происходят и с красящими веществами. Однако при этом отмечается не только снижение общего содержания, но и более яркая окраска обработанных виноматериалов. В качестве положительного эффекта можно отметить снижение содержания белкового азота и жиров, способных образовывать биокомплексы, которые являются причиной помутнения готовых вин. Удельный расход фильтр-картона при двухступенчатой фильтрации почти в 2,3 раза меньше, чем при обычной технологии.
