Содержание

Введение 4

1. 
   Химический состав воды 6
   

1. 
   Минерализация 6
   

1. 
   Жесткость воды 6
   
2. 
   Щелочность воды 6
   
3. 
   Хлориды и сульфаты 7
   
4. 
   Азотистые соединения 8
   
5. 
   Щелочные металлы 9
   
6. 
   Железо и марганец 9
   
7. 
   Фтор 9
   
8. 
   Соединения кремния 10
   
9. 
   Соединения фосфора 10
   
10. 
    Растворенные в воде газы 10
    

1.1.10.1 Углекислота 10

1.1.10.2 Кислород 11

1.1.10.3 Сероводород 12

1.1.10.4 Азот 12

1.1.10.5 Метан 12

1.1.11 Ядовитые вещества 12

1.1.12 Органические вещества 12

1.1.12.1 Гуминовые вещества 12

1.1.12.2 Битумы 13

1.1.12.3 Фенолы 13

1.1.12.4 Углеродосодержащие продукты кислой природы 13

2. Технологическая сущность процесса фильтрования воды 15

2.1 Фильтрование воды 15

2.2 Теоретические основы фильтрования 15

2.3 Фильтрование через сетчатые перегородки 17

2.4 Микрофильтрование 17

2.5 Фильтры с патронными элементами 18

2.6 Фильтрующие материалы 18

3. Принцип действия фильтр-пресса 21

4. Сравнительная характеристика аппаратов для фильтрования воды 23

4.1 Песочный фильтр 23

4.2 Нутч-фильтр 24

4.3 Патронный фильтр 24

4.4 Достоинства фильтр-пресса 25

5. Расчет фильтр-пресса 27

Заключение 30

Библиографический список 31

Приложение 1 32

Приложение 2 33



Введение

Требования к качеству воды для приготовления водок

Требования к воде для приготовления ликероводочных изделий зафиксированы в «Производственном техническом регламенте на производство водок и ликероводочных изделий» и основаны на многолетних исследованиях российских ученых.

ГОСТ Р 51355-99 прямо указывает, что для приготовления водки должна использоваться вода питьевая жесткостью до 1 моль/м³ для естественной неумягченной воды и до 0,2 моль/м³ для исправленной, в том числе умягченной воды, и рН от 5,5 до 7,8.

Проведенные во ВНИИПБТ (И.И. Бурачевский и В.И. Федоренко) длительные (более 10 лет) позволили сделать следующие выводы:

1. 
   содержание растворенных веществ и отдельных микроэлементов в технологической воде может оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на стабильность вкусовых качеств;
   
2. 
   влияние растворенных веществ и микроэлементов на органолептику воды нельзя переносить на приготовленные на этой воде водки. Более того, технологическая вода, используемая для приготовлении водок, получивших наиболее высокие оценки по органолептике, как правило, имеет более низкие баллы в качестве питьевой воды;
   
3. 
   оценку влияния отдельных растворенных компонентов можно приводить только в сочетании с остальными микроэлементами и параметрами технологической воды;
   
4. 
   основным параметром определяющим стабильность водок при хранении, является жесткость;
   
5. 
   регулирование состава технологической воды позволяет оптимизировать сочетание растворенных веществ в пределах регламентных допусков и тем самым улучшает качество водок;
   
6. 
   стойкость водок определяется составом технологической воды и химической стойкости стеклопосуды и практически не зависит от сорта используемого спирта;
   
7. 
   регламентируемая величина жесткости в сочетании с соответствующими ей значениями щелочности, рН, окисляемости, сухого остатка, содержание растворенных веществ и микроэлементов гарантирует отсутствие осадков в водках, естественно, при соответствующей химической стойкости стеклопосуды и соблюдении технологии приготовления и внесения ингредиентов в рецептуры;
   
8. 
   оптимизация органолептических показателей достигается путем регулирования состава технологической воды в пределах регламентируемых допусков. При этом конкретное соотношение растворенных веществ и микроэлементов зависит от качества спирта, активности и ресурса наработки активного угля, соотношение ингредиентов рецептуры и других технологических факторов;
   
9. 
   естественные воды с жесткостью до 1,0 моль/м³ и сухим остатком до 250 мг/дм³ могут использоваться в качестве технологической воды без корректировки ее состава.
   



Растворенные в воде минеральные вещества по-разному влияют на органолептические характеристики водок.

Природные воды, проходя через слои почвы, фильтруются. При этом в подземных водоносных слоях происходят химические реакции, в результате которых часть компонентов переходит в растворенную форму. Некоторые подземные источники воды, расположенные под слоями песка или в скальных породах, могут содержать более 50 мг/дм³ SiO₂. Известняки являются причиной высокой жесткости и щелочности артезианских вод. Особенно это характерно для вод с высоким содержанием СО₂ и низким рН:

Натрий, калий, хлориды и сульфаты большую часть растворенных артезианских вод компонентов. Железо и марганец в подземных водах обычно находятся в двух валентной форме, но как только вода вступает в контакт с воздухом, двухвалентные ионы железа и марганца окисляются до трех валентной формы – ржавчины. В грунтовых водах присутствуют также растворенные газы, такие, как СО₂ и H₂S. В последние десятилетия наблюдается устойчивая тенденция к росту антропогенного загрязнения грунтовых вод удобрениями, гербицидами, пестицидами, нефтепродуктами, хлорокисленной органикой и др. В грунтовых водах содержится достаточно много растворенных компонентов и незначительное количество взвешенных и коллоидных веществ. В поверхностных водах, наоборот, относительно низкая концентрация растворенных веществ, но много взвешенных загрязнений в виде глины, ила, органических веществ, коллоидного кремния, микроорганизмов, продуктов биораспада (танин, лигнин, соединений гуминовых, галловых и фульвокислот). В поверхностных водах особенно заметна тенденция к росту антропогенных загрязнений. Состав воды индивидуальных водозаборов подвержен сезонным изменениям, которые зависят от климатических условий. Для поверхностных вод – это характерно в большей степени, для грунтовых – в меньшей.

Влияние щелочности технологической на качество водок неоднозначно и должно рассматриваться совместно с рН. При щелочности более 1,4 см³ 0,1 М HCl на 100 см³ водки резко возрастает выщелачивание внутренней поверхности стеклопосуды, что приводит к формированию в водках силикатных и карбонатных осадков. С увеличением рН скорость выщелачивания возрастает экспоненциально. При приготовлении сортировки величина рН также возрастает, причем нелинейно. Чем выше рН технологической воды, тем больше его прироста в сортировке. Так, при рН воды 6,5 рН сортировки будет 6,6–6,7, а при рН воды 7,2 рН сортировки будет 7,7–7,8.

Анализ результатов проведения международных и российских выставок показал, что большинство призовых мест получали водки с рН 7,0–7,5 и щелочности 0,5–1,5 см³ 0,1 М HCl на 100 см³ водки. Можно отметить водки ОАО «Родник», которые имеют высокие органолептические показатели при низком значении щелочности – до 0,1 см³ 0,1 М HCl на 100 см³ водки.




1. Химическая сущность процесса фильтрования воды

Вода является частью единой водной оболочки Земли, она представляет собой водный раствор, в котором наряду с неорганическими содержатся немногочисленные органические вещества. Это отличает воду от искусственно приготовленных водных раствором и указывает на активную роль различных организмов в формировании ее химического состава.

1.1 Минерализация

Важнейший характеристикой воды является ее минерализация, определяемая суммарным содержанием растворенных в воде соединений (в г/л).

Химические элементы в природных водах находятся в различных неорганических формах: ионов, молекул, коллоидов и комплексных соединений.

Наибольшее значение в формировании химического состава вод принадлежит макрокомпонентам. Они присутствуют в большинстве вод в форме гидратированных простых и сложных ионов Na⁺, К⁺, Са²⁺, Mg²⁺, Cl^, SO₄^2 , HCO₃^, CO₃^2, а также в форме ионных и молекулярных ассоциатов.

Между минерализацией и химическим составом воды прослеживается следующая связь: в водах невысокой минерализации преобладают ионы HCO₃^ и Са²⁺, а водах высокой минерализации  Cl^ , Са²⁺ и Na⁺; ионы Mg²⁺ и SO₄^2 чаще характерны для вод, занимающих «промежуточное» по минерализации положение между низко- и высокоминерализованными.

1.1.1 Жесткость воды

Жесткость природных вод обуславливается наличием в них солей кальция и магния. Ионы Са²⁺ поступают в воду при растворении известняков под действием содержащейся в воде углекислоты и при непосредственном выщелачивании водой гипса.

Основным источником ионов магния служат доломиты, также растворяющиеся водой в присутствии углекислоты:

Хотя указанные соли и не являются особо вредными для организма, наличие их в воде в больших количествах нежелательна, так как вода становится непригодной для хозяйственно-питьевых нужд и промышленного водоснабжения. Жесткая вода непригодна для питания паровых котлов; ее нельзя использовать во многих отраслях промышленности.

1.1.2 Щелочность воды

Под общей щелочностью воды подразумевается сумма содержащихся в воде гидроксильных ионов (ОН^) и анионов слабых кислот, например угольной (HCO₃^, CO₃^2).



HCO₃^ -ионы распространены в нейтральных и слабощелочных водах. Они являются преобладающими ионами в водах умеренной и невысокой минерализации и распространены преимущественно в неглубоких горизонтах, поскольку в глубинной обстановке из-за повышения температуры растворимость гидрокарбонатов резко падает.

HCO₃^ и CO₃^2-ионы поступают в воду в результате выветривания карбонатных изверженных пород, деятельности сульфатвосстанавливающих бактерий и других биогенных процессов. Источником их является также диоксид углерода. Угольная кислота и гидрокарбонаты натрия или калия совместно с фосфорной кислотой и ее солями образуют буферные системы, обеспечивающие постоянство активной реакции крови, что крайне важно для нормального протекания внутриклеточных процессов. Угольная кислота и ее соли принимают также участие в регулировании процессов дыхания и пищеварения.

1.1.3 Хлориды и сульфаты

Одним из распространенных анионов минеральных вод являются хлорид-ионы. Присутствуя почти во всех водах. Cl^-ионы становятся преобладающими в водах с минерализацией выше 5 г/л. Широкая распространенность Cl^-ионов в различных водах объясняется тем, что они не образуют нерастворимых солей с макрокомпонентами минеральных вод и не извлекаются из состава вод ни природными абсорбентами (глинистыми минералами), ни живыми организмами. Главными источниками Cl^-иона в водах являются минералы галит, рассеянный в породах или образующий пласты, сильвинит, карналлит, из силикатов – хлорапатит, содалит, а также вулканические выбросы. Cl^-ион придает воде соленый вкус. Совместно с ионами Na⁺, К⁺, Са²⁺, Mg²⁺, Br^, SO₄^2, PO₄^3 Cl^-ионы участвуют в обеспечении электрохимических и других жизненно важных процессов. Биологическую роль Cl^-ионов в минеральной воде, особенно в сочетании с HCO₃^-ионами, связывают со стимуляцией секреторной деятельности желудка.

SO₄^2-ионы распространенные в водах с минерализацией до 5-6 г/л, практически отсутствуя в водах с высокой минерализацией. Количество SO₄^2-ионов в водах лимитируется Са²⁺, с которым образуется малорастворимая соль, и деятельностью сульфатвосстанавливающих микроорганизмов, которые в анаэробных условиях в присутствии органических веществ подвергают сульфаты восстановлению:

Восстановление сульфатов может протекать и химическим путем под действием водорода или углеводородов при повышенных температурах и давлениях:

Процессы восстановления сульфатов вод протекают на больших глубинах, поэтому сульфатные воды преимущественно распространены в неглубоких горизонтах. Основными источниками сульфатов являются гипс, ангидрит и сульфидные минералы. SO₄^2-ионы сообщают воде горький вкус.



Биологическую роль сульфат-ионов в минеральной воде связывают со стимуляцией секреторной деятельности желудочно-кишечного тракта.

Сульфаты и хлориды в определенных концентрациях являются причиной коррозийной активности воды.

1.1.4 Азотистые соединения

Азотсодержащие вещества (ионы аммония, нитритные и нитратные ионы) образуются в воде в результате разложения белковых соединений, попадающихся в нее почти всегда со сточными бытовыми водами, сточными водами коксобензольных, азотнотуковых и других заводов. Белковые вещество под действием микроорганизмов подвергаются распаду, конечный продукт которого – аммиак. Наличие последнего свидетельствует о загрязнение воды сточными водами.

Иногда в воде присутствуют ионы аммония неорганического происхождения, образующиеся в результате восстановления нитритов и нитратов гумусовыми веществами, железом (II) и т.д. Наличие в воде ионов NH₄⁺, образующихся таким путем, не представляют опасности в санитарном отношении.

Если появление в воде азотсодержащих соединений происходит в результате гниения белковых веществ, то такие воды непригодны для питья. В природной воде ионы NH₄⁺ неустойчивы и при окислении кислородом воздуха под действием бактерий Nitrosomonas и Nitrobacter постепенно превращаются в нитритные и нитратные ионы.

Первая стадия окисления протекает значительно быстрее, чем вторая. Весь процесс окисления замедляется при понижении температуры, а при 0С почти прекращается.

При недостатке кислорода и наличие безазотистых веществ (крахмала, клетчатки) ионы NO₃^ под действием группы денитрифицирующих бактерий разлагаются до азота:

Образование нитритов и нитратов в воде может быть не только следствием описанных выше процессов. Нитраты, например, образуются при электрических грозовых разрядах в результате окисления азота кислородом воздуха или при растворении нитритных солей почвенными водами. Восстанавливаясь, нитраты служат источником обогащения воды нитритами.

В поверхностных водах содержится главным образом нитраты (количество их невелико, 0,001-0,003 мг/л). В артезианских водах содержание нитритов может достигать десятых долей миллиграмма в литре.

По наличию тех или иных азотсодержащих соединений судят о времени загрязнения воды сточными водами. Так, наличие в воде NH₄⁺ и отсутствие нитритов указывает на недавнее загрязнение воды. Одновременно присутствие их свидетельствует о том, что с момента первичного загрязнения прошел уже какой-то промежуток времени. Отсутствие NH₄⁺ при наличии нитритов и особенно нитратов говорит о том, что загрязнение произошло уже давно и вода за это время самоочистилась.



Повышенное содержание нитратов (более 50 мг/л) в воде, постоянно используемой для питья, приводит к нарушению окислительной функции крови – метгемоглобинемии. Случай метгемоглобинемии наблюдались при употреблении питьевой воды, в которой концентрация нитратов составляла 60-800 мг/л.

1.1.5 Щелочные металлы

Из ионов щелочных металлов в воде наиболее распространены Na⁺ и К⁺ попадающие в воду в результате растворения коренных пород. Основными источником натрия в природных водах являются залежи поваренной соли. В природных водах натрия содержится больше, чем калия. Это объясняется лучшим поглощением последнего почвами, а также большим извлечением его из воды растениями.

1.1.6 Железо и марганец

Железо в природных водах находиться в виде ионов Fe²⁺ и Fe³⁺, неорганических (Fe(OH)₃, Fe(OH)₂, FeS) и органических коллоидов, комплексных соединений (главным образом органических комплексных соединений железа) и тонкодисперсной взвеси (Fe(OH)₃, Fe(OH)₂, FeS). В поверхностных водах железо содержится в виде органических комплексных соединений, коллоидов и тонкодисперсных взвесей. В подземных водах при отсутствии растворенного кислорода железо обычно находится в виде солей железа (II). Форма, в которой присутствуют в природных водах железо и марганец, зависит от величины рН и содержания кислорода.

Окисление железа (II) в воде с максимальной скоростью происходит при рН>7, а марганца (II) – при рН >9. Образующийся в результате гидролиза и окисления железа (II) гидроксид железа (III) малорастворим и благодаря защитному действию гумусовых веществ может присутствовать в природных водах в коллоидном состоянии.

Обычно содержание железа и марганца не превышает нескольких десятков миллиграммов в 1 л воды. Хотя вода, содержащая и более высокие количества этих ионов, совершенно безвредна для здоровья, все же для питьевых, промышленных и хозяйственных целей непригодна, так как имеет неприятный чернильный или железистый привкус.

Наличие в воде железа и марганца может приводить к развитию в трубопроводах железистых и марганцевых бактерий, использующих в процессе своей жизнедеятельности энергию, выделяемую при окислении соединений с низшей в соединения с высшей валентностью. Продукты жизнедеятельности бактерий накапливаются в таких количествах, что могут значительно уменьшить сечение водопроводных труб, а иногда и полностью их закупорить.

1.1.7 Фтор

Фтор, поступающий в минеральные воды при выветривании фторсодержащих минералов и глубинном разложении апатитовых и известняковых скелетов животных, необходим для нормального роста и пигментации зубов. Недостаток фтора вызывает кариес, снижает стойкость эмали по отношению к действию кислот. Избыточное 

количество фтора в воде вызывает токсикозы не только зубов и костей, но и всего организма вследствие тормозящего влияния фтора на процессы обмена углеводов, жиров и тканевое дыхание. Поэтому содержания фтора в лечебных водах регламентировано до 8 мг/л, а в лечебно-столовых – до 5 мг/л.

1.1.8 Соединения кремния

Кремний присутствует в природных водах в виде минеральных и органических соединений. Выщелачивание силикатных пород обогащает природные ионы кремниевой кислотой и ее солями. Кремниевая кислота очень слабая и диссоциирует на ионы в незначительной степени.

При рН<7 в воде находится только недиссоциированная кремниевая кислота. Часть кремния может присутствовать в воде в коллоидном состоянии в виде SiO₂H₂O или в виде поликремниевой кислоты xSiO₂yH₂O. Наибольшее количество кремния находится в подземных водах. В воде поверхностных источников содержание его меньше и колеблется от десятых долей до нескольких миллиграммов в 1 л. Объясняется это тем, что соли кремния являются питательными веществами для многих организмов, населяющих открытые водоемы.

Наличие соединений кремния в питьевой среде не вредно для здоровья. Если же вода используется для питания паровых котлов высокого давления, содержание самого незначительного количества кремниевой кислоты недоступно из-за образования плотной силикатной накипи.

1.1.9 Соединения фосфора

Фосфор встречается в воде в виде ионов ортофосфорной кислоты или органического комплекса, а также в виде взвешенных частиц органического и минерального происхождения. Соединения фосфора содержатся в природных водах в ничтожных количествах, однако имеют огромное значение для развития растительной жизни в водоемах.

1.1.10 Растворенные в воде газы

Из растворенных в воде газов наиболее важными для оценки являются углекислота, кислород, сероводород, азот и метан. Углекислота, кислород и сероводород при определенных условиях придают воде коррозийные свойства по отношению к бетону и металлам.

1.1.10.1 Углекислота

Углекислота встречается в больших или меньших количествах во всех природных водах. Подземные воды обогащаются углекислотой за счет разложения органических 

соединений в воде и почвах, а также вследствие протекающих в глубине геохимических процессов.

Уменьшение содержания СО₂ в природных водах может происходить благодаря выделению углекислоты в атмосферу, растворению карбонатных пород с образованием гидрокарбонатов или в результате фотосинтеза.

Содержание углекислоты в природных водах колеблется от нескольких долей до нескольких сотен миллиграммов в 1 л. Наибольшее количество ее находится в подземных водах. В воде поверхностных источников содержание СО₂ не превышает 20-30 мг/л.

Ионы гидрокарбоната наиболее распространены в природных водах. В некоторых случаях содержание их достигает 12 мг/л. Для поддержания высоких концентраций ионов гидрокарбоната необходимое количество СО₂. Однако это не реально в поверхностных водах, поэтому в реках и пресных озерах содержание HCO₃^ не превышает 300 мг/л. Наиболее устойчивы в речной воде ионы HCO₃^ в концентрации 50-70 мг/л. Содержание ионов CO₃^2 в воде, за исключением содовых вод, невелико и определяется растворимостью карбоната кальция.

Находящиеся в воде ионы HCO₃^, CO₃^2 и углекислый газ связан так называемым углекислотным равновесием:

При наличие ионов Са²⁺ углекислотное равновесие выражается уравнением:

Углекислота не является коррозионным агентом, непосредственно воздействующий на металл. Действие его заключается в растворении карбонатов составных частей ржавокарбонатных отложений, которые образуются в водопроводной сети. В результате этого процесса происходит дальнейшая коррозия материала труб и образование новых отложений; вода приобретает желтую или красноватую окраску, неприятный вкус и содержит мелкие комья рыхлых железистых веществ.

1.1.10.2 Кислород

Кислород может находится в природных водах в различных концентрациях, что определяется интенсивностью противоположно направленных процессов, влияющих на содержание кислорода в воде. Обогащение воды кислородом происходит за счет растворения его из воздуха и выделения водной растительностью в процессе фотосинтеза.

Окисление некоторых примесей воды, гниение органических остатков, брожения и дыхание организмов понижают содержание кислорода в воде. Резкое уменьшение содержания кислорода в воде по сравнению с нормальным свидетельствует о ее загрязнения.

Определение концентрации кислорода имеет большое значение при изучении физико-химического режима водоема, его самоочищения и биологической жизни.

Кислород интенсифицирует процессы коррозии металлов, поэтому в водах, которые используются для теплоэнергетических систем, количество растворенного кислорода лимитируется.



1.1.10.3 Сероводород

Сероводород попадает в природную воду в результате их соприкосновения с гниющими органическими остатками, либо с некоторыми минеральными солями. Последние, восстанавливаясь и разлагаясь, выделяют сероводород.

1.1.10.4 Азот

Азот попадает в природные воды при поглощении его из воздуха, восстановлении соединений азота денитрифицирующими бактериями, а также в результате разложения органический остатков. Несмотря на меньшую по сравнению с кислородом растворимость азота содержание последнего в природных водах больше из-за более высокого парциального давления его в воздухе.

1.1.10.5 Метан

Метан образуется в воде иногда в очень значительных количествах при разложении микробами клетчатки растительных остатков. Количество метана в природной воде может достигать 30 мг/л.
1.1.11 Ядовитые вещества

Ядовитые вещества попадают в воду с промышленными отбросами и канализационными сточными водами населенных пунктов, а также при умышленном отравлении водоема.

Свинец, цинк и медь попадают в воду главным образом с промышленными сточными водами. Наиболее ядовитым из этих металлов является свинец, который накапливается в организме и может вызвать опасное отравление.

Мышьяк в очень небольших концентрациях может поступать в воду из почв, содержащих его соли. В значительных количествах он был обнаружен в некоторых минеральных водах. В открытые водоемы мышьяк попадает со сточными водами населенного пунктов и промышленных предприятий. Его содержание в питьевой воде не должно превышать 0,05 мг/л.

1.1.12 Органические вещества

Органические вещества относятся к наименее изученной составляющей минеральных вод. Они присутствуют в больших количествах практически во всех природных водах.

1.1.12.1 Гуминовые вещества

Гуминовые вещества представляют собой сложную смесь высокомолекулярных продуктов преобразования органического материала в природных условиях. Они обычно темно-коричневого цвета. Поступают гуминовые вещества в минеральные воды из почвы 

и при выщелачивании осадочных пород, таких как торф, угли и др. Одна из форм гуминовых веществ – гуминовые кислоты, которые представляют собой сложные высокомолекулярные соединения полициклической структуры с карбо-, гидро- и метоксильными периферическими группами.

Содержание гуминовых кислот в питьевых минеральных водах колеблется от единиц до десятков мг/л.

1.1.12.2 Битумы

Битумы – сложная смесь органических веществ различного состава и свойств. Содержатся битумы в различных осадочных породах (торф, угли и т.д.), а также в морских илах, где они образуются в результате сложных преобразований органических веществ морских организмов (планктона). Установлено, что общее содержание битумов снижается с глубиной залегания вод. Битумы хорошо растворяются в органических растворителях. Битумы весьма устойчивы к биохимическому окислению.

Содержание битумов в питьевых минеральных водах колеблется от единиц до несколько десятков мг/л.

1.1.13.3 Фенолы

Фенолы – ароматические соединения с одной или несколькими гидроксильными группами в бензольном кольце – присутствуют в водах в количестве до десятых долей мг/л.

Основным источником фенолов являются осадочные породы (торф, угли) и нефть. Растворимость фенола повышается с ростом температуры. Содержание фенолов увеличивается в водах, прилегающих к нефтеносным горизонтам. Присутствие в воде фенолов используется в качестве одного из показателей нефтеносности.

1.1.14.4 Углеродосодержащие продукты кислой природы

Углеродосодержащие продукты кислой природы представлены в минеральных водах жирными и нафтеновыми кислотами. Жирные кислоты весьма распространены в подземных водах. Среди них идентифицированы монокарбоновые кислоты (муравьиная, уксусная, пропионовая), дикарбоновые кислоты (щавелевая, янтарная, глутаровая, адипиновая), оксикислоты (молочная, винная, яблочная, лимонная).

Содержание низкомолекулярных кислот в подземных водах увеличивается с глубиной их залегания, а также в водах, близко прилегающих к нефтеносным горизонтам. Обогащенность воды органическими кислотами рассматривается в качестве показателя нефтеносности.

Нафтеновые кислоты – это моно- или полициклические соединения. Состав моноциклических нафтеновых кислот выражается общей формулой C_nH_2n-1COOH. Они весьма широко распространены в подземных водах, прилегающих нефтеносным горизонтам. Содержание нафтеновых кислот зависит от минерализации и химического состава вод. Маломинерализованные щелочные воды содержат больше нафтеновых кислот, чем жесткие высокоминерализованные воды. Обусловлено это различной растворимостью в воде натриевых и кальциевых солей нафтеновых кислот.

Органическая составляющая минеральных вод обладает ярко выраженным биологическим действием, которое, однако, быстро ослабевает при непродолжительном хранении вод.



2. Технологическая сущность процесса фильтрования воды

2.1 Фильтрование воды

Фильтрование является одним из основных методов водоподготовки, позволяющих провести качество воды до требований ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая». В процессе фильтрования из раствора выделяются не только диспергированные частицы, но и коллоиды. В этом существенное отличие метода фильтрования. Сущность метода заключается в фильтровании обрабатываемой воды, содержащий примеси через фильтрующий материал, проницаемый для жидкости и непроницаемый для твердых частиц. При этом процессе сопровождается значительными затратами энергии. Однако допускать большие потери напора в технике водоочистки можно лишь при обработке небольших количеств воды. Это определяет место фильтровального сооружения в технологической схеме, т.е. в большинстве случаев фильтрование является завершающим этапом обработки воды и производится после ее предварительного осветления в отстойниках, флотаторах или осветлителях.

При движении воды через сетки, ткани, пористые материалы достигается извлечением из нее взвешенных веществ. Процесс осуществляется либо на поверхности, либо в глубине фильтрующего материала. Поверхностное фильтрование происходит при движении воды через объемные элементы из пористых материалов значительной толщины (патронные фильтры и фильтры из пористой керамики); сетчатые или тканевые перегородки (фильтрование под давлением или под вакуумом, микрофильтрование); жесткие проницаемые каркасы с предварительно нанесенным фильтрующим слоем (намывные фильтры трубчатой, рамной или барабанной конструкции).

В зависимости от свойств применяемых фильтрующих основ и извлекаемый из воды примесей процесс фильтрования состоит из трех явлений: отложения, фиксации и отрыва. Механизм отложения бывает двух видов: механическое задержание извлекаемых примесей и отложение взвешенных частиц в порах.

При механическом процеживании из воды извлекаются все частицы, превышающие размеры пор фильтрующей основы или пор, формируемых задержанными частицами, которые сами образуют фильтрующий слой. При этом чем меньше размеры пор фильтрующей основы, тем более высоким будет достигаемый эффект.

2.2 Теоретические основы фильтрования

Процесс поверхностного фильтрования подчиняется закону Дарси, согласно которому потери напора Р пропорциональны скорости фильтрования v с коэффициентом пропорциональности k зависящим от динамической вязкости  и сопротивления среды R:

v=PR=kP (2.2.1)

В соответствии с законом Дарси сопротивление среды представляет собой сумму двух величин: R_ос – сопротивление осадка и начальное сопротивление фильтрующей основы R_м:

R= R_ос+ R_м (2.2.2)

Сопротивление осадка можно выразить как

Rос=rMVA=rWVA (2.2.3)



где r - удельное сопротивление осадка фильтрованию при давлении Р;

M - общая масса отложившегося осадка;

W – масса осадка на единицу объема фильтрата;

V – объем фильтрата за время t;

A – площадь поверхности фильтра

Подставляя (2) и (3) в (1) и преобразуя его получим

v=1AdVdt=PrWVA+Rм (2.2.4)

Интегрирование выражения (4) приводит к уравнению вида

t=av2+b (2.2.5)

Графически это уравнение выражается прямой линией, где a=rW2PA2 – тангенс угла наклона к оси абсцисс, а b=RмPA – отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат.

Следует отметить, что подобное интегрирование корректно только для несжимаемых осадков, т.е. когда r остается постоянным.

В действительности с ростом давления коэффициент фильтруемости или удельное сопротивление rувеличивается согласно выражению

r=r_o+r’P^s (2.2.6)

где r_o и r’– пределы удельного сопротивления при нулевом и атмосферном давлении;

s – коэффициент сжимаемости осадка

Фильтрование через пористую основу может сопровождаться отложением задержанных примесей на ее поверхности или внутри ее. Тип фильтрования определяется критерием

ε=18Pd2s-eRм (2.2.7)

где Р – потери напора в фильтрующей основе сопротивлением Rм ;

d – средний диаметр задержанных частиц

Если ε<100 – фильтрование объемное, а при ε=100…1000 – фильтрование и поверхностное, и в объеме.

Отложение взвешенных веществ в порах фильтрующей основы происходит, если их размер меньше размера пор и траектория движения частиц приводит к их контакту с поверхностью поровых каналов. Этому способствуют: диффузия за счет броуновского движения; прямое столкновение; инерция частиц; прилипание за счет Ван-дер-ваальсовых сил; осаждение под действием гравитационных сил; вращательное движение под действием гидродинамических сил.

Фиксирование частиц примесей воды на поверхности и в порах фильтрующего материала обусловлено малыми скоростями движения жидкости, силами когезии и адсорбции.

При извлечения воды примесей воды фильтрованием происходит уменьшение порового пространства фильтрующего материала вследствие осаждения частиц. Это влечет за собой увеличение скорости потока и изменение его режима от ламинарного к турбулентному. В этом случае задержанные частицы примесей будут частично отрываться 

и перемещаться потоком глубже в поры фильтрующего материала и даже выноситься с фильтратом.

Выбор поверхностного или объемного фильтрования обусловлен требуемым качеством фильтрата, свойствами воды и ее загрязнений, а также экономическими соображениями. Тот или иной вид фильтрования сопряжен с определенными капитальными и эксплуатационными затратами, которые, в свою очередь, определяются предварительной обработкой воды, способами промывки аппаратов, степенью автоматизации процесса и способом контроля за ним.

Поверхностное фильтрование может осуществляться на тонких сетчатых перегородках, на объемных пористых элементах из твердых материалов или на жестких каркасах с предварительно нанесенным фильтрующим слоем.

2.3 Фильтрование через сетчатые перегородки

Фильтрование через сетчатые перегородки осуществляют на открытых или напорных аппаратов (фильтрах). При этом различают три вида фильтрования: макрофильтрование, при котором извлекают из воды частицы крупностью более 150 мкм; микрофильтрование – извлекают частицы размером 1…150 мкм и ультрафильтрование – извлекают частицы размером 0,004…0,4 мкм.

Путем макрофильтрования (макропроцеживание) через металлические перфорированные пластины или металлическую проволочную сетку с размерами отверстий более 0,3 мм (барабанные сетки) извлекают грубодисперсные примеси, плавающие примеси, насекомые, травы, водоросли, ветки и т.п., имеющие размеры от 0,2 до нескольких миллиметров. Макрофильтрование осуществляется на вращающихся макроситах и ситах с укрепленным скребком, работающих с низкими потерями напора, и на неподвижных или вращающихся самоочищающихся ситах и механических фильтрах, работающих под давлением. Вращающиеся макросита, применяемые в процессе подготовки питьевой воды и воды для орошения, представляют собой или горизонтально располагаемые барабаны, или вращающиеся сита из непрерывной сетки. Их подача варьируется от нескольких литров до кубических метров в секунду.

2.4 Микрофильтрование

Основная цель микрофильтрования – удаление планктона, содержащегося в поверхностных водах. При этом, конечно, удаляются взвешенные частицы большого размера и частицы растительного, животного происхождения, содержащиеся в воде. В зависимости от изменения расходов воды и способности частиц, содержащейся в ней, забивать фильтровальные сетки используют различные устройства для регулирования скорости вращения барабана и один или нескольких рядов промывных форсунок.

Оптимальные результаты эффективности микрофильтрования достигается путем поддержания более или менее постоянных потерь напора, обусловленных частичным забиванием сеток задержанными частицами. Эффективность работы установки ограничена несколькими факторами: промытая фильтрованная сетка не обеспечивает надлежащего задержания в начале фильтроцикла и степень очистки при этом определяется только размерами ячеек; планктон никогда не удаляется полностью. Он может опять размножаться, особенно если повысится температура воды; яйца некоторых 

низших ракообразных могут легко проходить через фильтровальную сетку и развиваться, в результате чего в последующих резервуаров видимые невооруженным глазом организмы; из-за опасности коррозии фильтровальной сетки ил ее подложки нельзя применять предварительное хлорирование воды перед микрофильтрами; поверхность микрофильтрования должна быть достаточно велика, чтобы обеспечить удаление большого количества планктона, развивающегося в определенные периоды года. Если она мала, то в периоды интенсивного развития планктона и во время паводков производительность водоочистного комплекса может значительно снизиться.

Металлические и пластмассовые фильтровальные сетки в большинстве случаев имеют размеры ячеек от 20 до 40 мкм и в исключительных случаях 10 мкм. Чем меньше размер ячеек, тем больше должна быть площадь поверхности микрофильтра. Так, при размере ячеек 35 мкм скорость фильтрования должна быть не более 35 м/ч в расчете на общую площадь поверхности микрофильтра (50 м/ч в пересчете на погруженную поверхность микрофильтра), а в расчете на пиковую концентрацию взвешенных веществ – 10 м/ч.

Эффективность снижения содержания взвешенных веществ в результате микрофильтрования составляет 50…80%, в среднем около 60%. Для сравнения отметим, что хорошо работающий отстойник обеспечивает снижение содержания взвешенных веществ на 80…90% без предварительного хлорирования и на 95…99% с предварительным хлорированием.

Микрофильтрование под давлением обычно осуществляется на фильтрах трех видов: дисковые, каркасно-навитых и патронных.

2.5 Фильтры с патронными элементами

Фильтры с патронными элементами или тонкими фильтрующими пластинами, изготовленные из гофрированного или плоского картона, целлюлозы или синтетических волокон (они могут выбрасываться после использования), часто используют как фильтры тонкой очистки, когда воду необходимо тщательно очистить от взвешенных частиц, которые проскочили на предыдущих стадиях обработки (например, при изготовлении пива, газированной воды и т.д.). На фильтрах этого типа могут быть удалены очень мелкие частицы порядка нескольких микрон и даже некоторые бактерии. Однако на такие фильтры нельзя подавать воду с относительно высоким содержанием взвешенных веществ, поскольку фильтрующие элементы немедленно забьются.

2.6 Фильтрующие материалы

Фильтрующая загрузка является основным рабочим элементом фильтровальных сооружений, поэтому правильный выбор ее параметров имеет первостепенное значение для их нормальной работы. При работе фильтрующего материала основополагающими являются его стоимость, возможность полученная в районе строительства данного фильтровального комплекса и соблюдение определенных технических требований, к числу которых относятся: надлежащий фракционный состав загрузки; определенная степень однородности размеров ее зерен; механическая прочность; химическая стойкость материалов по отношению к фильтруемой воде.



Степень однородности размеров зерен, фильтрующей загрузки и ее фракционный состав существенно влияют на работу фильтрата. Использование более крупного фильтрующего материала, чем это предусмотрено, влечет за собой снижение качества фильтрата. Использование более мелкого фильтрующего материала вызывает уменьшение фильтроцикла, перерасход промывной воды и удорожание эксплуатационной стоимости очистки воды. Использование фильтрующих материалов с большой степенью неоднородности по величине зерен, превышающей допустимые пределы, ухудшает условия их промывки, так как вынос мелких фракций начнется раньше, чем придет в движение основная масса зерен загрузки. Это вызывает необходимость снижения интенсивности промывки, чтобы прекратить вынос мелких фракций. При этом значительная часть фильтрующего слоя будет промыта недостаточно. Кроме ухудшения условий промывки загрузки, применение весьма неоднородного по крупности фильтрующего материала вызывает ухудшение условий фильтрования из-за образования поверхности фильтрующей пленки.

Наиболее распространенным фильтрующим материалом является кварцевый песок – речной или карьерный. Наряду с песком применяют антрацит, керамзит, горелые породы, шунгизит, вулканические и доменные шлаки, гранодиорит, пенополистирол и др.

Керамзит представляет собой гранулированный пористый материал, получаемый обжигом глинистого сырья в специальных печах. Необходимые для загрузки водоочистных фильтров фракции керамзита могут быть получены либо отсевом из общей массы неоднородного керамзита, либо дроблением крупных гранул с последующим отсевом нужных фракций. Зерна дробленного керамзита имеют более развитую поверхность и соответственно лучшие технологические свойства по сравнению с окатанными зернами недробленого керамзита.

Горелые породы представляют собой метаморфизированные углекислые породы, подвергнутые обжигу при подземных пожарах. Необходимые фракции этого материала получают его дроблением с последующей сортировкой.

Вулканические шлаки – материалы, образовавшиеся в результате скопления газов в жидкой остывающей лаве. В Закавказье вулканические шлаки залегают как в виде сыпучих материалов, так и в виде смеси щебня и песка. При этом свойства вулканических шлаков разных месторождений весьма различны.

Шунгизит получают путем обжига природного малоугленосного материала – шунгизита, который по своим свойствам близок к дробленному керамзиту.

В качестве фильтрующего материалов могут быть использованы также отходы промышленных производств, доменные шлаки и шлаки медно-никелевого производства. Достоинством является то, что они обычно имеют фракционный состав, близкий к тому, который требуется для загрузки фильтровальных аппаратов.

В качестве фильтрующего материала на фильтрах с плавающей загрузкой используют пенополистирол. Этот зернистый материал получают вспучиванием в результате тепловой обработки исходного материала – полистирольного бисера, выпускаемого химической промышленностью. При вспенивании получают плавающие в воде зерна, имеющие плотность от 100 до 200 кг/м³.

Также в качестве фильтрующего материала применяют асбест, целлюлоза, кизельгур и перлит.



Асбест – минерал, прошедший специальную очистку; главная его составная часть – хризолитовый асбест; применяется в виде фильтрволокна в смеси с сульфитной целлюлозой.

Целлюлоза, получаемая из буковой или сосновой древесины.

Кизельгур, представляющий собой остатки панцирей и тел разных форм одноклеточных диатомовых кремниевых водорослей. Благодаря особой форме частиц (панцирей) имеет большую поверхность на единицу массы. Степень чистоты, цвет, форма и осветляющий эффект зависят от происхождения и обработки. В зависимости от измельчения различают грубый, средний и мелкий кизельгур.

Перлит, изготовляемый из вулканической горной породы (силиката алюминия) путем размола с последующим нагреванием, при котором объем его увеличивается в 20 раз и более. Сырой размолотый перлит применяют для предварительного фильтрования.

Фильтрующий слой, образованный из одного или нескольких фильтрующих материалов, можно применять в приготовленном заранее виде или готовить перед и во время фильтрования. В готовом виде применяют фильтркартон, представляющий собой пластины из сульфитной целлюлозы, облагороженной и мерсеризованной с добавлением хлористого асбеста. Фильтркартон применяют в пластинчатых фильтрах. Для приготовления фильтрующего слоя перед и во время фильтрования служат намывные фильтры.

Фильтрующие материалы не только задерживают взвешенные частицы и коллоидные вещества при прохождении через их поры, но и обладают способностью адсорбировать частицы взвесей и коллоиды.



3. Принцип действия фильтр-пресса

Фильтр-пресс (рис. 1) применяется для непрерывного тонкого фильтрования воды путем пропускания ее через фильтровальный материал под давлением. Фильтр-пресс состоит из передвижной тележки 13, на которой устанавливаются рифленые плиты 5, расположенные между упорной (стационарной) 4 и нажимной (подвижной) 8 плитами. Плиты имеют ручки 6, которые опираются на продольные опорные штанги 7. Между плитами располагается фильтровальный картон, который является фильтрующим элементом. Картон располагается так, чтобы фильтруемая вода проходила через него от гладкой поверхности к шершавой. С помощью храпового механизма 11 и маховика 10 плиты плотно зажимаются. Плиты в зажатом состоянии образуется ряд камер, каждая из которых разделена на две половины фильтровальным картоном. Одна половина образованных камер соединена с каналом 1 для подвода неосветленной воды, а другая половина камер соединена с каналом 3 для отвода фильтрата. Под плитами установлен для улавливания капель воды поддон 12. Нижний край фильтра-картона опирается на опорные трубы 9. С помощью воронки 2 перед пуском производится заливка воды для самовсасывания насосом. После заливки водой включается электродвигатель и в пресс начинает поступать вода для фильтрования. Во время заполнения фильтр-пресса водой воздушники открыты для выхода воздуха, а после его заполнения воздушники закрываются.

При сборке фильтра плиты устанавливаются так, чтобы приливы нечетных плит были с одной стороны, а четных – с другой. Между плитами вкладывают прокладки из фильтр-картона, а между приливами – резиновые шайбы. После сжатия плит с одной стороны фильтра образуется два канала, сообщающие с канавками нечетных плит, а с противоположной стороны – два канала, сообщающиеся с канавками четных плит. Первые два канала служат для поступления подлежащей фильтрованию воды, вторые – для отвода отфильтрованной воды.

Воду подают в фильтр-пресс центробежным насосом, соединенным стационарным трубопроводом с резервуарами для хранения воды. Для контроля за ходом фильтрования на подводящем и отводящем трубопроводах установлены краны для отбора проб и манометры.

Фильтр-пресс включают в работу, постепенно повышая давление и доводя его до 0,25 МПа. При выключении фильтра на перезарядку останавливают насос, перекрывают кран на трубопроводе для подачи воды и кран, отводящий отфильтрованную воду из фильтр-пресса, ослабляют зажимный винт и производят перезарядку фильтр-пресса.

Применяемый для фильтрования фильтр-картон марки Т, содержащий не менее 45% целлюлозы, 5-7% асбеста и не более 45% отходов картона, не всегда обеспечивает необходимую прозрачность воды, особенно при фильтровании после перезарядки. Поэтому первые порции фильтрата, отбираемые в течение 5-10 мин, сбрасывают в канализацию, все время контролируя ход фильтрования.



Таблица 1

Техническая характеристика фильтр-пресса

Производительность	9000 л/ч
Площадь фильтрования	9000 м2
Рабочее давление	0,25 МПа
Количество плит в раме	60
Размеры плит	565×575 мм
Габариты фильтра	2650×1240×1550
Масса фильтра	1385 кг

Рис. 1

Передвижной фильтр-пресс для тонкой фильтрации воды



4. Сравнительная характеристика аппаратов для фильтрования воды

Фильтрация воды, как и отстаивание, производится для удаления взвешенных частиц. Для фильтрования воды в пищевой промышленности используют фильтры периодического действия работающие под давлением и фильтры, заполненные слоем кварцевого песка, на поверхности которого удерживаются взвешенные частицы.

4.1 Песочный фильтр

Песочный фильтр (рис. 2) имеет простую конструкцию и в эксплуатации. Он представляет собой цилиндрический резервуар 1 с коническим днищем 3 и сферической крышкой 14. На крышке имеется штуцер 11 для подвода воды, предохранительный клапан 12, манометр 13. Штуцер 5 в нижней части фильтра служит для отвода отфильтрованной воды, штуцер 4 – для отбора проб, люк 8 – для разгрузки фильтра при перезарядке. Внутри фильтра установлено две решетки, из которых нижняя 7 является опорой для загруженных гравия 6 и песка 9, а верхняя 10 служит для распределения падающей струи воды. При каждой зарядке фильтра на нижнюю решетку укладывают фильтровальную ткань 2 (фланель, сукно), на которую засыпают гравий толщиной 10-12 см (средний диаметр частиц 10-12 мм). Насыпанный слой гравия разравнивают и покрывают фильтровальной тканью так, чтобы между тканью и стенками фильтра не было зазоров. На фильтровальную ткань насыпают кварцевый песок слоем толщиной 0,6-0,65 м (диаметр частиц 0,5-1,35 мм), после чего песок закрывают фильтровальной тканью. После загрузки фильтр промывают водой, затем подают воду на фильтрование.

Так как после некоторого времени работы фильтра скорость движения воды в нем замедляется в результате оседания на поверхности песка взвешенных частиц, рекомендуется один раз в неделю фильтр промывать путем пропускания воды (10-20 мин) в обратном направлении. Один раз в месяц фильтр разгружают для дезинфекции песка.

Рис. 2

Песочный фильтр для очистки воды



4.2 Нутч-фильтр

Нутч-фильтр (рис. 3) относится к фильтрам периодического действия, работающие под вакуумом или избыточном давлении. Нутч состоит из корпуса 1 с рубашкой 2, съемной крышки 3 и перемещающегося дна 4; фильтровальная перегородка 5, расположенная на опорной перегородки 6, представляет собой ткань или слой волокон (в последнем случае над перегородкой 5 помещают защитную сетку 7). Над фильтровальной перегородкой находится кольцевая перегородка 8 высотой 150 мм, поддерживающая осадок во время его выгрузки. Обе перегородки укреплены на дне нутча, которое для удаления осадка опускается на 200 мм и поворачивается на такой угол, чтобы осадок можно было снять с фильтровальной перегородки вручную. Для подачи суспензии и сжатого воздуха служат штуцера 9 и 10, для удаления фильтрата – штуцер 11; фильтр снабжен также предохранительным клапаном 12.

В простейшим случае цикл работы на описанном нутче состоит из следующих операций: наполнение нутча суспензией, разделение суспензии под давлением сжатого газа, удаление осадка с фильтровальной перегородки и регенерация последней. Такие нутчи имеют диаметр от 1 м и емкости до 0,5 м³.

Рис. 3

Нутч фильтр, работающий под давлением до 3 ат

4.3 Патронные фильтры

Патронные фильтры относятся к работающим под давлением аппаратам периодического действия, в которых направления силы тяжести и движения фильтрата перпендикулярны. В патронном фильтре используются цилиндрические фильтровальные патроны, устанавливаемые в вертикальном положении в цилиндрическом кожухе с коническим дном и съемной крышкой.

Фильтровальный патрон в поперечном разрезе показан на рис. 4. Патрон состоит из пористых колец 1, нанизанных на закрытую снизу центральную трубу 2 с радиальными отверстиями 3 и продольными ребрами 4. В процессе разделения суспензии фильтрат последовательно проходит через слой 5 уже образовавшегося осадка, стенки колец 1 и отверстия 3, после чего по вертикальному каналу 6 уходит из патрона в коллектор и 

удаляется из фильтра. Для изготовления патрона могут быть использованы различные пористые материалы (в частности, пористое стекло или керамика), спрессованный диатомит или уголь. Применяются также патроны в виде перфорированного металлического цилиндра, обтянутого фильтровальной тканью.

Процесс разделения суспензий на патронных фильтрах нередко осуществляют с применением предварительно нанесенного слоя вспомогательного вещества или адсорбента (для обесцвечивания растворов). Эти фильтры используют также для сгущения суспензии; в данном случае осадок сбрасывается с поверхности патронов обратным толчком фильтрата и в виде сгущенной суспензии удаляется из нижней части фильтра.

Рис. 4

Фильтровальный патрон в поперечном разрезе

4.4 Достоинства фильтр-пресса

Фильтр-пресс относится к работающим под давлением аппаратам периодического действия. Однако, фильтр-пресс имеет ряд преимуществ по сравнению с выше описанными фильтрами:

- относительная простота конструкции;

- большая площадь фильтрования относительно занимаемой устойчивой площади (к примеру фильтр-пресс с площадью 500 м² может иметь размеры ДШВ

12 м2,5 м2 м);

- низкое энергопотребление и стоимость эксплуатации;

- широкий спектр областей применения;

- высокая степень разделения фаз;

- пригодность для разделения суспензий с низкой концентрацией твердых частиц;

- возможность фильтрования с трудно разделяемых суспензий;

- возможность разделения суспензий при высокой температуре в тех случаях, когда охлаждение суспензий недопустимо (например, вследствие выпадения кристаллов из жидкости);

- возможность фильтрования высокотоксичных суспензий;



- возможность промывки осадка на фильтре, причем осадок при промывке может находиться в сжатом мембранной состоянии, что значительно повышает эффективность промывки и понижает расход промывочной жидкости;

- возможность осушки осадка на фильтре (с теми же преимуществами, что и для промывки);

- независимость времени фильтрации, промывки и сушки осадка друг от друга;

- возможность полной автоматизации процесса фильтрации;

- возможность тонкой регулировки параметров процесса фильтрации;

- возможность относительно легко и дешево переоснастить оборудование под другое применение (например, заменой фильтровальных полотен, изменением времени фильтрации, давления фильтрации и т.д.);

- высокая коррозионная и износостойкость конструкционных материалов фильтра.



5. Расчет фильтр-пресса

Определить необходимое число фильтр-прессов для тонкой очистки Q=4м3ч водной суспензии, толщину осадка в раме фильтра, а также продолжительность фильтрования и промывки, если давление p = 3,510⁴ Па, удельное сопротивление осадка ^{roc=0,9∙1012 мкг}, плотность фильтруемой водной суспензии pф=1050 кг/м3, плотность сухого осадка ^{poc=2500 кг/м3}, динамический коэффициент вязкости фильтруемой воды μ=1,25∙10-3 Па∙с, концентрация сухого вещества в водной суспензии с₁ = 01 кг/кг и в осадке с₂ = 0,9 кг/кг, число одновременно промываемых слоев осадка^nc=2, начальная концентрация растворимого вещества в промывной жидкости Bн=5% и конечная Bк=0,1%, константа промывки kпр=3, сопротивление фильтрующей перегородки R = 1.06510¹⁰ м^-1, площадь поверхности фильтрования Fф=50 м2 , вспомогательное время τв=0,5 ч .

Количество твердой фазы осадка, отлагающегося на фильтре, в 1 м³ фильтрата

mос=pф1с1-1с2 (5.1)

где pф - плотность фильтруемой суспензии;

с1- концентрация сухих веществ в водной суспензии;

с₂ - концентрация сухого вещества в осадке.

^{moc=105010,1-10,9=118кгм3}

Объем влажного осадка в 1 м³ фильтрата

V1=mосpосс2 (5.2)

где ^poc - плотность сухого осадка.

^{V1=1182500∙0,9=0,052м3м3}

Константы уравнения фильтрования и промывки

b1=μrосmос2p∙3600 (5.3)

где μ - динамический коэффициент вязкости фильтруемой воды;

^roc - удельное сопротивление осадка;

p - давление.

b1=1,25∙10-3∙9∙1011∙1182∙365∙104∙3600=526,8чм2

A=kпрlnBнBк (5.4)

где Bн - начальная концентрация растворимого вещества в промывной жидкости;

Bк - конечная концентрация растворимого вещества в промывной жидкости;

kпр - константа промывки.



A=3ln50,1=0,77

b2=μ∙rос∙mос∙V1∙nc2A∙p∙3600 (5.5)

где nc - число одновременно промываемых слоев осадка.

b2=1,25∙10-3∙0,9∙1012∙118∙0,052∙220,77∙3,5∙104∙3600=284,6 ч/м2

<sup>k1 = b1 + b2 (5.6)

k1=526,8+284,6=811,4 ч/м2
k2 = 2b1 + b2 (5.7)

k2=2∙526,8+284,6=1338 ч/м2</sup>

Условный объем фильтрата, соответствующий сопротивлению фильтрующей перегородки

Vусл=Rrосmос (5.8)

Vусл=1,056∙10100,9∙1012∙118=0,1∙10-3м3м2

Максимальная производительность фильтр-пресса при тонкой очистке воды по формуле
Qmax=Fфk2Vусл+2k1τв (5.9)

где τв - вспомогательное время;

Fф - площадь поверхности фильтрования.

Qmax=501338,2∙0,1∙10-3+2811,4∙0,5=1237м3ч

Сравниваем полученную максимальную производительность фильтр-пресса Qmax с заданной Q и, если QQmax, определяем необходимое число фильтр-прессов
n=QQmax (5.10)

n=41,237=3

Минимальная производительность цикла работы фильтра

τвmin=2τв+k2Vуслτвk1 (5.11)

τвmin=2∙0,5+1338,2∙0,1∙10-30,5811,4=1,003 ч

Минимальный удельный объем фильтрата, полученный за время фильтрации
Vmin=τвk1 (5.12)

Vmin=0,5811,4=0,025м3м2

Продолжительность фильтрации

τф=τвb1k1 (5.13)

τф=0,5∙526,8811,4=0,325 ч

Продолжительность промывки

τпр=τвb2k1

τпр=0,5∙284,6811,4=0,175 ч

Толщина осадка в раме фильтра

δ=2V1Vmin (5.15)

δ=2∙0,052∙0,025=2,6∙10-3м



Заключение

В данном курсовом проекте изучен процесс фильтрование воды, фильтрующие материалы, а также технологическое оборудование процесса фильтрования. Произведен расчет и конструирование фильтр-пресса применяемого для тонкой очистки воды.



Библиографический список

1. Карюхина Т.А, Чурбанова И.Н. Химия воды и микробиология. М.: Стройиздат, 1995. 208 с.

2. 
   Кульский Л.А. Основы химии и микробиологии воды. Киев: Наук. дума, 1991. 564 с.
   
3. 
   Николадзе Г.И. Технология очистки природных вод. М.: Высшая школа, 1987. 479 с.
   
4. 
   Николадзе Г.И., Минц Д.М., Кастальский А.А. Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения. М.: Высшая школа, 1984. 368 с.
   
5. 
   Кретов И.Т., Антипов С.Т. Инженерные расчеты технологического оборудования предприятий бродильной промышленности. М.: Колосс, 2006. 391 с.
   
6. 
   Рудольф В.В, Балашов В.Е. Производство безалкогольных напитков и розлив минеральных вод. М.: Агропромиздат, 1988. 286 с.
   
7. 
   Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: ООО ТИД «Альянс», 2005. 753 с.
   
8. 
   Гайденко М.В., Гернет М.В., Кайшев В.Г., Кислов А.С., Поляков В.А., Римарева Л.В., Хануков Э.Р., Ярмаш В.И. Требования к качеству воды для приготовления водок. Производство спирта и ликероводочных изделий. 2009. №3. С. 15-17.