Установка для мембранного фильтрования газонасыщенных жидких продуктов
Владельцы патента RU 2329860:
Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Воронежская государственная технологическая академия (ГОУ ВПО ВГТА), (RU)
Изобретение относится к разделению суспензий промышленного, сельскохозяйственного и бытового назначения и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Установка содержит буферную емкость, подающий насос, фильтр предварительного осветления, циркуляционный насос, теплообменник, мембранный фильтр для тонкого фильтрования, циркуляционный трубопровод и трубопровод для выхода фильтрата. Установка снабжена аппаратом для генерации углекислого газа в виде бродильного цилиндроконического танка. В качестве фильтра предварительного осветления используют мембранный фильтр с размером пор мембраны 5...6 мкм, а в мембранном фильтре для тонкого фильтрования применяют мембраны с размером пор 0,3...0,5 мкм. Технический результат состоит в повышении качества продукта и снижении затрат на производство. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области разделения суспензий промышленного, сельскохозяйственного и бытового назначения и может быть использовано в различных отраслях промышленности.
Известна установка тангенциально-поточного фильтрования (Кунце В., Мит Г. Технология солода и пива: пер. с нем. - СПб., Изд-во «Профессия», 2001. - 912 с.), содержащая буферный танк, насос, циркуляционный повышающий давление насос, охладитель, фильтровальные элементы, танк для сбора нефильтрата, танк для сбора фильтрата.
Недостатками известной установки является малый межрегенерационный цикл и невысокая производительность, а также высокие потери продукта с нефильтратом.
Известна установка для испытаний проточного модуля (Горбатюк А.В. Разработка и научное обоснование мембранных процессов с поверхностными эффектами для фильтрования пива: Автореф. дис... канд. техн. наук, 05.18.12. - М., 2004. - 24 с., ил. - МГУПП: 24 с.), включающая проточный модуль с мембранами из чистых кварцевых волокон и гибких металлокерамических мембран с рабочим слоем из двуокиси титана, лагерный танк, ротаметры, вентили, мешалка кизельгура, сборники фильтрата и концентрата, воздушные краны.
Недостатком известной установки для испытаний поточного модуля является невысокая производительность в связи с применением в установке режима «динамической мембраны» путем использования висящего над поверхностью гель-слоя, обладающего дополнительным фильтрующим эффектом для задержания клеток дрожжей при холодной пастеризации пива, так как при этом не обеспечивается стабильная производительность установки при спонтанном изменении фильтрующей способности «динамической мембраны».
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой является установка (Кунце В., Мит Г. Технология солода и пива: пер. с нем. - СПб., Изд-во «Профессия», 2001. - 912 с.), содержащая промежуточную емкость, подающий насос, фильтр предварительного осветления, циркуляционный насос, теплообменник, мембранный фильтр, циркуляционный трубопровод и трубопровод для выхода фильтрата.
Недостатками установки, связанными с использованием классической фильтрации для предварительного осветления, является неполная стерильность продукта, необходимость вспомогательного сырья в виде кизельгура или диатомита и вследствие этого возникающие трудности, связанные с ликвидацией отходов и проблемами регенерации фильтроэлементов, а также малый срок службы и невысокая эффективность фильтрации и ее скорость, что ведет к некачественному предварительному осветлению из-за неполного удаления грубых частиц, что оказывает негативное влияние на работу фильтров для последующего тонкого фильтрования. Кроме этого, в установке используются фильтровальные мембранные элементы с высоким уровнем концентрационной поляризации, что также приводит к снижению производительности установки.
Известны фильтровальные мембранные элементы, в которых снижение концентрационной поляризации осуществляется с помощью цилиндрической гильзы с карманами и очистительными подвижными вкладышами (а.с. 1431795, В01D 13/00), турбулизирующей вставки в виде цепи или ленты из гибких элементов, шарнирно закрепленных одним концом на пористом каркасе (а.с. 1502042, В01D 13/00), соединенных между собой при помощи перемычек втулок, имеющих в продольном сечении крыловидный профиль (а.с. 1505563, В01D 13/00), вращающих втулок с лопастями (а.с. 1367995, В01D 13/00), винтовых каналов турбулизатора (а.с. 521902, В01D 13/00 и а.с. 1430054, В01D 13/00), плоских элементов виде пластин с отверстиями (а.с. 152041, В01D 13/00), очистительного элемента, выполненного в виде двух продольных половинок гиперболоида (а.с. 1465069, В01D 13/00), двух полых штоков, установленных с возможностью возвратно-поступательного движения (а.с. 528011, В01D 13/00).
Недостатком известных фильтровальных мембранных элементов является неравномерное снижение уровня концентрационной поляризации по их длине, что ведет к нестабильной работе и соответственно низкой производительности.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является реверсивный мембранный механизм (Патент 2142330 (Российская Федерация), МКИ B01D 63/00, 63/16. Реверсивный мембранный аппарат / С.Т.Антипов, С.В.Шахов, Ю.А.Завьялов, А.Н.Рязанов, А.В.Колтаков. - Заявл. 20.07.98, №98114473/12, опубл. в БИ №34, 1999), содержащий трубчатый пористый каркас с уложенной на его внутренней поверхности, на подложке полупроницаемой мембраной, причем внутри каркаса расположен очистительный элемент, установленный с возможностью возвратно-поступательного движения и выполненный из эластичного материала, торцевые части которого повторяют конфигурацию внутренней поверхности штуцеров, причем средняя часть очистительного элемента имеет углубление, торцевая поверхность которого выполнена в форме усеченного конуса, и в продольном сечении элемент имеет вид зеркально отображенной стрелы, при этом на концах каркаса установлены конусообразные штуцера, соединенные с клапанами и связанные между собой трубой.
Недостатком реверсивного мембранного механизма является пульсационный способ снижения концентрационной поляризации путем чередования изменения потока движения разделяемой жидкости, что ведет к снижению производительности, а также происходят потери газа, растворенного в разделяемой жидкости при прохождении ее через полупроницаемую мембрану.
Технической задачей изобретения является повышение стерильности продукта, снижение материальных затрат путем отказа от необходимости использования вспомогательного сырья в виде кизельгура или диатомита, и вследствие этого снижение затрат, связанных с ликвидацией отходов и проблемами регенерации фильтроэлементов, а также увеличение срока службы, эффективности фильтрации и ее скорости, что позволяет наиболее качественно удалить грубые частицы на этапе предварительного осветления, обеспечивающем стабильную работу фильтров последующего тонкого фильтрования, повысить производительность установки для мембранного фильтрования газонасыщенных жидких продуктов и увеличение ресурса ее работы за счет регенерации мембран фильтрующих элементов гидродинамическими способами, а также снижение потерь газа, растворенного в разделяемой жидкости.
Поставленная задача достигается тем, что в установке для мембранного фильтрования газонасыщенных жидких продуктов, содержащей буферную емкость, подающий насос, фильтр предварительного осветления, циркуляционный насос, теплообменник, мембранный фильтр для тонкого фильтрования, циркуляционный трубопровод и трубопровод для выхода фильтрата, новым является то, что в ней дополнительно установлен аппарат для генерации углекислого газа в виде бродильного цилиндроконического танка, в качестве фильтра предварительного осветления используют мембранный фильтр с размером пор мембраны 5...6 мкм, а в мембранном фильтре для тонкого фильтрования применяют мембраны с размером пор 0,3...0,5 мкм, при этом мембранные фильтры предварительного осветления и для тонкого фильтрования выполнены в виде цилиндрического корпуса с патрубками для подачи исходного раствора, отвода фильтрата и концентрата, внутри которого установлен трубчатый мембранный модуль с расположенным на входе инжектором с форсункой для подачи углекислого газа, соединенной трубопроводом с верхней частью бродильного цилиндроконического танка.
Технический результат заключается в повышении стерильности продукта, снижении материальных затрат путем отказа от необходимости использования вспомогательного сырья в виде кизельгура или диатомита, и вследствие этого снижении затрат, связанных с ликвидацией отходов и проблемами регенерации фильтроэлементов, а также в увеличении срока службы, эффективности фильтрации и ее скорости, что позволяет наиболее качественно удалить грубые частицы на этапе предварительного осветления, обеспечивающем стабильную работу фильтров последующего тонкого фильтрования, в повышении производительности установки для мембранного фильтрования газонасыщенных жидких продуктов и увеличении ресурса ее работы за счет регенерации мембран фильтрующих элементов гидродинамическими способами, а также в снижении потерь газа, растворенного в разделяемой жидкости.
На фиг.1 представлена схема установки для мембранного фильтрования газонасыщенных жидких продуктов, например пива, на фиг.2 - мембранный фильтр.
Установка для мембранного фильтрования газонасыщенных жидких продуктов, например пива (фиг.1), содержит бродильный цилиндроконический танк (ЦКТ) 1; насос 2; буферную емкость для концентрата пива 3; мембранный фильтр предварительного осветления 4 с размером пор мембраны 5...6 мкм; мембранный аппарат для рекуперации пива 5; буферные емкости для фильтрата 6; мембранный фильтр для тонкого фильтрования 7 с размером пор мембраны 0,3...0,5 мкм; пластинчатый теплообменник 8; сервисные емкости для фильтрованного пива 9.
При этом мембранные фильтры предварительного осветления 4 и для тонкого фильтрования 7 (фиг.2) выполнены в виде цилиндрического корпуса 10 с патрубками для подачи исходного раствора 11, отвода фильтрата 12 и концентрата 13, внутри которого установлен трубчатый мембранный модуль 14 с расположенным на входе инжектором 15 с форсункой для подачи углекислого газа 16, соединенной трубопроводом 17 с верхней частью бродильного цилиндроконического танка 1.
Установка для мембранного фильтрования газонасыщенных жидких продуктов, например пива, работает следующим образом.
Пиво (фиг.1) насосом 2 из бродильного цилиндроконического танка (ЦКТ) 1 подается в буферную емкость 3 и далее в мембранный фильтр предварительного осветления 4, где разделяется на фильтрат и концентрат.
В мембранном фильтре (фиг.2) происходит сильное возрастание скорости пива в области сужения инжектора 15. При этом углекислый газ подается через форсунку 16 и придает дополнительный импульс продукту. Затем при входе в трубчатый мембранный модуль 14 в области расширения происходит турбулизация потока и углекислый газ интенсивно перемешивается с пивом и растворяется. За счет внезапного расширения на входе в мембранный модуль создаются завихрения потока, отбрасывающие гелеобразный поляризационный слой от поверхности мембраны. При этом не возникает существенных потерь давления.
Концентрат (фиг.1) возвращается назад в емкость 3, а фильтрат подается в буферную емкость 6. По мере того как концентрация дрожжевых клеток в пиве достигнет критического значения, процесс фильтрации завершается и продукт поступает на рекуперацию пива из дрожжей в мембранный аппарат 5. Предварительно освобожденное от крупных частиц дрожжевых клеток осветленное пиво из промежуточных емкостей 6 подается в мембранный фильтр для тонкого фильтрования 7, где процесс фильтрации повторяется аналогичным образом, как в мембранном фильтре предварительного осветления 4, но только на мембранах с меньшим значением диаметра пор - 0,3...0,5 мкм. Осветленное пиво охлаждается в пластинчатом теплообменнике 8 до температуры розлива 2...4°С и подается в сервисные емкости для фильтрованного пива 9.
Преимущества предлагаемой установки для мембранного фильтрования газонасыщенных жидких продуктов заключается в следующем:
- использование в схеме установки для мембранного фильтрования газонасыщенных жидких продуктов аппарата для генерации углекислого газа в виде бродильного цилиндроконического танка, верхняя часть которого соединена трубопроводом с форсункой инжектора для подачи углекислого газа в трубчатый мембранный модуль, позволяет повысить качество получаемого продукта путем обеспечения необходимого уровня концентрации газа, растворенного в разделяемой жидкости, а также снизить затраты на его производство путем использования побочного продукта брожения углекислого газа;
- применение в качестве фильтра предварительного осветления мембранного аппарата обеспечивает повышение стерильности продукта, снижение материальных затрат путем отказа от необходимости использования вспомогательного сырья в виде кизельгура или диатомита, и вследствие этого снижение затрат, связанных с ликвидацией отходов и проблемами регенерации фильтроэлементов, а также увеличение срока службы, эффективности фильтрации и ее скорости, что позволяет наиболее качественно удалить грубые частицы на этапе предварительного осветления, обеспечивающем стабильную работу фильтров последующего тонкого фильтрования;
- использование мембран с размером пор 5...6 мкм в мембранном фильтре предварительного осветления, а мембран с размером пор 0,3...0,5 мкм в мембранном фильтре для тонкого фильтрования позволяет повысить производительность установки для мембранного фильтрования газонасыщенных жидких продуктов и стабилизировать качество получаемого продукта;
- выполнение мембранных фильтров предварительного осветления и для тонкого фильтрования в виде цилиндрического корпуса с патрубками для подачи исходного раствора, отвода фильтрата и концентрата, внутри которого установлен трубчатый мембранный модуль с расположенным на входе инжектором с форсункой для подачи углекислого газа, соединенной трубопроводом с верхней частью бродильного цилиндроконического танка, позволяет увеличить ресурс их работы за счет регенерации мембран фильтрующих элементов гидродинамическими способами, а также снизить потери газа, растворенного в разделяемой жидкости.
1. Установка для мембранного фильтрования газонасыщенных жидких продуктов, содержащая буферную емкость, подающий насос, фильтр предварительного осветления, циркуляционный насос, теплообменник, мембранный фильтр для тонкого фильтрования, циркуляционный трубопровод и трубопровод для выхода фильтрата, отличающаяся тем, что дополнительно установлен аппарат для генерации углекислого газа в виде бродильного цилиндроконического танка, в качестве фильтра предварительного осветления используют мембранный фильтр с размером пор мембраны 5...6 мкм, а в мембранном фильтре для тонкого фильтрования применяют мембраны с размером пор 0,3...0,5 мкм.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что мембранные фильтры предварительного осветления и для тонкого фильтрования выполнены в виде цилиндрического корпуса с патрубками для подачи исходного раствора, отвода фильтрата и концентрата, внутри которого установлен трубчатый мембранный модуль с расположенным на входе инжектором с форсункой для подачи углекислого газа, соединенной трубопроводом с верхней частью бродильного цилиндроконического танка.
