CZ286049B6

CZ286049B6 - Způsob zahušťování směsí pevných látek a kapaliny membránovou technologií a zařízení k provádění tohoto způsobu

Info

Publication number: CZ286049B6
Application number: CZ951918A
Authority: CZ
Inventors: Eduard Hartmann
Original assignee: Bucher-Guyer Ag Maschinenfabrik
Priority date: 1993-12-03
Filing date: 1994-11-17
Publication date: 1999-12-15
Also published as: ATE151658T1; CH687055A5; EP0682559A1; DE59402443D1; AU683315B2; CZ191895A3; PL309784A1; EP0682559B1; HU9502296D0; WO1995015209A1; US5693229A; HUT72184A; HU217640B; PL177892B1; AU8056394A; NZ275075A; CA2155132A1; ES2101581T3; CA2155132C

Abstract

K zahušťování retentátových zbytků při ultrafiltraci nebo mikrofiltraci k čeření ovocných šťáv se používá jednotek se sadami (1 a 2) filtračních modulů v protiproudném uspořádání s oběhem retentátu. Napřed se s přibližně konstantní rychlostí průtoku retentátu na membránách dosahuje zvýšené koncentrace. Pak se udržuje transmembránový tlak membránových modulů konstantní a nebo se dále zvýší a průtočná rychlost se tak sníží, až se dosáhne požadovaného zahuštění retentátových zbytků. K provedení posledního kroku se použije dopravních čerpadel ( 8 ) retentátu s regulací otáček. K zabránění ucpavání membrán (1 a 2) filtračních modulů se jednotka provozuje se speciálními děliči ( 10 ) množství retentátu, nebo ke každé skupině membránových modulů přičlení samostatné oběhové čerpadlo.ŕ

Description

Způsob zahušťování směsi pevných látek a kapalíny a zařízení k provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu zahušťování směsí pevných látek a kapaliny s použitím jednotky s membránovými moduly s oběhem retentátu a zařízení k provádění tohoto způsobu. Výrazem „retentát“ se zde míní vždy nepotřebný zbytek, který se po ukončení procesu musí vyhazovat.

Dosavadní stav techniky

V současné době nejsou známy speciální jednotky k zahušťování retentátů, které vznikají při ultrafiltraci nebo mikrofiltraci. Při čeření ovocných šťáv, pomocí těchto filtračních technologií se dosahuje stavů zahuštění retentátů až do přibližně objemově 50 % kapaliny, měřeno odstředivým testem. To znamená, že tyto zachycené zbytky předávají v odstředivce ještě nejméně objemově 50% kapaliny. Takové retentáty jsou ještě tekuté a musejí být k oddělení ještě speciálně zpracovány vakuovými rotačními filtry.

Vakuové rotační filtry jsou filtry, které vyžadují k filtrování křemelinu, která se musí opatřovat a případě opět je třeba sejí zbavovat. Odvádění retentátu od odpadních vod je už sotva možné, takže retentát musí být zahuštěn a vysypán na skládku nebo spálen. V obou případech má velký hospodářský význam pokud možno nejnižší podíl vody v retentátu. K dalšímu zahuštění retentátu nad zmíněných objemově 50 % se jeví jako účelné jen speciálně vybavené membránové jednotky. Podobné problémy se vyskytují také v jiných aplikacích membránové technologie než v oboru ovocných šťáv.

Z článku v Joumal of Food Science sv. 51, č. 3, str. 559 až 563 (1986) je známa jednotka s kovovou membránou ultrafiltraci s jednoduchým průchodem ke zlepšení výtěžku jablečné šťávy. Při jejím použití se dosahuje výtěžku jablečné šťávy až 85 %, avšak takové jednotky s jednoduchým průchodem se jeví pro zahušťování retentátů ve větších objemech jako neúčelné.

Úkolem vynálezu tedy je, poskytnout způsob k zahušťování směsi pevné látky a kapaliny membránovou technologií a zařízení k provádění tohoto způsobu.

Podstata vynálezu

Způsob zahušťování směsí pevných látek a kapaliny s použitím jednotky s membránovými moduly s oběhem retentátu, spočívá podle vynálezu v to, že se v membránové jednotce pracující po dávkách nebo quasikontinuálně, v prvním kroku udržuje přívodní proud retentátu do membránových modulů konstantní v rámci regulace nebo se zvyšuje až do okamžiku, kdy vlivem pochodu zahušťování retentátu překročí vstupní tlak do membránových modulů předem určenou mezní hodnotu, v druhém krku se redukcí přívodního proudu retentátu udržuje vstupní tlak na konstantní výši tak dlouho, dokud se nedosáhne mezní hodnoty stupně zahuštění retentátu a ve třetím kroku se zahuštěný retentát z okruhu odvede.

Membránová jednotka se provozuje protiproudně. Stupeň zahuštěni retentátu je určován jeho průtokem oběhem retentátu.

V dílčí operaci prvního kroku je napřed vstupní tlak do membránových modulů udržován konstantní řízením tlakového spádu ve výstupu z modulů škrtícím zařízením. Ve druhém nebo třetím kroku se přivádí do retentátu promývací tekutina tak dlouho, dokud permeát nepodkročí předem danou Brixovou hodnotu.

- 1 CZ 286049 B6

Zařízení k zahušťování směsí pevných látek a kapaliny podle vynálezu za použití jednotky s membránovými moduly s oběhem retentátu, spočívá podle vynálezu v tom, že membránové moduly jsou uspořádány do alespoň dvou sad filtračních modulů, z nichž každá obsahuje alespoň dva membránové moduly v sérii, sady filtračních modulů jsou spojeny se společným oběhem retentátu a v tomto oběhu retentátu je alespoň jedno objemové dopravní čerpadlo, poháněné motorem, přičemž ve směru přívodního proudu za objemovým dopravním čerpadlem je uspořádán v oběhu retentátu homogenizátor, za který je zařazen dělič množství a před objemovým dopravním čerpadlem na jeho sací straně v oběhu retentátu je nádrž pro směs pevných a kapalných podílů.

Vynález blíže objasňuje následující podrobný popis příkladů praktického provedení, doplněného obrázky.

Přehled obrázků

Na obr. 1 je schéma vícestupňové zahušťovací jednotky s děličem množství.

Na obr. 2 je schéma vícestupňové zahušťovací jednotky s větším počtem čerpadel k oběhu retentátu.

Na obr. 3 je schéma vícestupňové zahušťovací jednotky pro výrobky s hrubými podíly pevných látek.

Na obr. 4 je schéma jednostupňové zahušťovací jednotky podle vynálezu.

Na obr. 5 je schéma jednostupňové zahušťovací jednotky podle vynálezu s uzavřeným oběhem retentátu bez šaržové nádrže pro quasikontinuální provoz a na obr. 5a je časový diagram vypouštění retentátu F4 a vypouštění produktu Fl u jednotky podle obr. 5.

Příklad provedení vynálezu

Na obr. 1 jsou znázorněny schematicky dvě sady 1 a 2 filtračních modulů. Každá sada modulů zahrnuje řadu diafiltračních modulů v sériovém uspořádání a každý filtrační modul sestává z jedné trubky nebo několika trubek, jejichž stěny jsou vytvořeny jako filtrační membrány. Takové modulové sady jsou známy a nejsou zde podrobně znázorněny. Obě sady 1 a 2 filtračních modulů jsou spojeny s nádrží 5 na zahušťovanou surovinu prvním potrubím 3, druhým potrubím 4 a vytvářejí oběh retentátu. Do nádrže 5 se třetím potrubím 6 přivádí surovina, která je předfilrována a v případě ovocných šťáv je zahuštěna na přibližný obsah vlhkosti 40 až 70 %.

Nádrž 5 s míchadlem 7 je připojena k dopravnímu čerpadlu 8, které dopravuje surovinu přes homogenizátor 9 ke vstupům retentátu do sad 1 a 2 filtračních modulů. Dělič 10 množství plní úkol přivádět do sad 1 a 2 filtračních modulů stejná přiváděná množství i při nestejných vstupních tlacích Pl a P2. U obou výstupů ze sad 1 a 2 filtračních modulů se oba dílčí proudy retentátu sjednocují do prvního potrubí 3 a retentát protéká řízeným ventilem 11 zpět do nádrže 5.

Jakmile dosáhne surovina v nádrži 5 minimální hladiny N2, naskočí dopravní čerpadlo 8. V náběhové fázi se přivádí retentát s dopravním proudem až na regulační odchylky konstantním proudem do sad 1 a 2 filtračních modulů. Mezimembránový tlak, potřebný k filtraci, je předem

-2CZ 286049 B6 udán jako mezní hodnota pro vstupní tlaky Pl a P2. Tyto tlaky, zachycené snímači 12 a 13 na sadách 1 a 2 filtračních modulů, se přenášejí prvním signálním vedením 14 a druhým signálním vedením 15 na řízený ventil 11 a motor 16 dopravního čerpadla 8. Přestavováním řízeného ventilu 11 se tak udržuje mezimembránový tlak na konstantní výši. Do nádrže 5 se dále přivádí surovina tak, že se dosáhne pracovní hladiny NI ležící nad minimální hladinou N2 a pak se udržuje konstantní.

Vlivem mezimembránového tlaku vytéká ze sad 1 a 2 filtračních modulů permeát výstupním potrubím 17 a vzrůstá koncentrace podílů, které sadami 1 a 2 filtračních modulů neprojdou v oběhu 1, 2, 3, 4, 5 retentátu. Tím stoupá viskosita retentátu a tlaky Pl a P2 při protékání modulu narůstají. V důsledku toho se ventil 11, řízený přes první signální vedení 14, dále otevře. Jakmile se otevře naplno průřez regulačního ventilu 11, vstupní tlaky Pl a P2 silněji vzrostou. Když dosáhnou vstupní tlaky Pl a P2 mezní hodnoty, uzavře se přívod suroviny třetím potrubím 6 a vstupním ventilem 18 se do nádrže 5 napustí promývací tekutina tak, že pracovní hladina NI zůstane zachována.

Jako promývací tekutiny se může použít vody, alkoholu nebo jiných rozpouštědel. Retentát se nyní vymyje a na straně retentátu se sníží koncentrace látek, v retentátu obsažených. Jde-li o rozpuštěné pevné látky, je možno jejich podíl zjišťovat Brixovým měřením. V jiných případech se zde dají aplikovat také měřicí zařízení pro jiné veličiny, jako například pro hodnotu pH, viskozity, barvy a elektrické vodivosti.

Jakmile se v retentátu podkročí předem daná mezní hodnota, promývání se ukončí a vstupní ventil 18 se uzavře. Ktomu slouží ve znázorněném příkladě provedení Brixovo čidlo 19 na výstupním potrubí 17, jehož výstupní signál se přivádí signálním vedením 20 ke vstupnímu ventilu 18. Jelikož zůstane také přívod suroviny přerušen, stoupne koncentrace látek, zachycených membránami v sadách 1 a 2 filtračních modulů, v oběhu retentátu. To ovlivní další nárůst viskozity a při konstantním průtoku další nárůst vstupních tlaků Pl a P2 v sadách 1 a 2 filtračních modulů.

Těmto uvedeným nárůstům tlaku se zabrání tím, že se průtočné množství v časové jednotce tak sníží, že vstupní tlaky Pl a P2 zůstanou konstantní. V případě použití šnekového excentrického čerpadla místo dopravního čerpadla 8 se jednoduše sníží otáčky šneků s rostoucí viskozitou.

Jakmile se průtok sníží pod předem stanovenou minimální mezní hodnotou, nebo dosáhne-li se požadovaného zahuštění, retentát se zjednotky vypustí. To se provede ventilem 21 ve výpusti 22, přičemž se řízený ventil 11 uzavře. Vypouštění se ukončí, jakmile se v nádrži 5 dosáhne minimální hladiny N2.

Nato se třetím potrubím 6 přivede do nádrže 5 opět čerstvá surovina a při tom se řízený ventil 11 otevře, výpustní ventil 21 se uzavře a hladina v nádrži 5 se nastaví na pracovní hladina NI. V závislosti na regulačním zadání pro vstupní tlaky Pl a P2 v sadách 1 a 2 filtračních modulů se výkon dopravního čerpadla 8 opět zvýší na počáteční mezní hodnotu a řízený ventil 11 převezme opět regulační funkci pro vstupní tlaky Pl a P2. Takto popsaný pochod zahušťování se provede jednou nebo několikrát, až se surovina, určená k zahuštění zpracuje, nebo až se vlivem silně pokleslého výkonu membrán projeví nutnost chemicky vyčistit membrány v sadách 1 a 2 filtračních modulů.

Jakmile se, surovina určená kzahuštění, zpracuje, ukončí se filtrace promytím. Ktomu se v bezprostřední následnosti na poslední vypouštěcí pochod přivede do nádrže 5 přes vstupní ventil 18 voda nebo stejně působící jiná tekutina a současně se řízený ventil 11 otevře a vypustí ventil 21 se uzavře. Dosáhne-li se při tom v nádrži 5 pracovní hladiny NI, otevře se naopak opět výpustní ventil 21 a řízený ventil 11 se uzavře a promytý retenát smísený s vodou se vypustí.

-3 CZ 286049 B6

Tento pochod lze opakovat tak často, až se vypustí téměř všechny látky zachycené v retentátu filtračními membránami.

Při pochodu vymývání a vytěsňování retentátu je úkolem míchadla 7 v nádrži 5 ve spojení s homogenizátorem 9 rozdělit přivedenou vodu v retentátu co možno stejnoměrně. Cílem je dosáhnout lepšího promývacího účinku a bezvadného vytěsnění vysoce viskosního retentátu ze sad 1 a 2 filtračních modulů. Jelikož je v těchto modulech současně paralelně omýváno více membránových trubiček, nevedou uvolněné vysoce viskózní zbytky retentátu k průtokovým poruchám, k zabraňování průchodu a k ucpávání v trubičkách.

Jednotkou podle obr. 1 je možno dosáhnout také u několikakanálových modulů a u jednotek s několika sadami při zpracování ovocných šťáv zahuštění retentátu se 100% podílem mokré části při odstředivé zkoušce. Ujednotky, schematicky znázorněné na obr. 2, odpovídají odtahové značky konstrukčním prvkům s funkcemi jako na obr. 1. Na obr. 2 je však vynechán dělič 10 množství. Místo toho má každá sada 1 a 2 filtračních modulů vlastní dopravní čerpadlo 8' a 8. Tato obě čerpadla běží vždy za stejných provozních podmínek, které jsou vytvářeny společným druhým signálním vedením 15'. Tím jsou nutné i dva homogenizátory 10' a 10 v přívodních potrubích 4/, 4 retentátu.

Také u jednotky, schematicky znázorněné na obr. 3, se týkají vztahové značky už vysvětlených funkcí. Místo řízeného ventilu 11 je nicméně zařazeno šnekové čerpadlo 30, čerpající z tlakové zóny sad 1 a 2 filtračních modulů. Šnekové čerpadlo 30 je rovněž plynule regulovatelné stejné jako dopravní čerpadlo 8 v přívodním proudu. U této jednotky se pochod zahušťování provádí analogicky jako v případě znázorněném na obr. 1. Vypuštění řízeného ventilu 11 zde však umožňuje odšťavňovat vytlačené šťávy, které řízený ventil 11 zanášejí, funkci šnekového čerpadla 30 však neruší, k zahušťování a k promývání je nutný uzavírací ventil 31..

Stejně jako jednotky podle obr. 1 a 2, pracuje také jednotka podle obr. 3 po dávkách. V porovnání s uvedenou jednotkou, známou zJoumal of Food Science sv. 51, č. 3, str. 559 až 563 (1986) s kovovou membránou ultrafiltrací, má tato jednotka výhodu že potřebuje jen malý počet modulů v sadách 1 a 2 filtračních modulů a že její mezimembránové tlaky mohou být drženy na nízké úrovni. Oproti jednotkám podle obr. 1 a 2, má jednotka podle obr. 3 výhodu, že případné, v retentátu se vyskytující hrubé podíly pevných látek neprocházejí žádným ventilem, který by mohly ucpávat. Je možno odšťavňovat a zahušťovat produkty z oboru ovocných šťáv nebo potravin, které jsou špatně lisovatelné, nebo nejsou lisovatelné vůbec.

Na obr. 4 je jednotka, u níž je vynechán řízený ventil 11 k řízení průtoku retentátu u výstupů sad 1 a 2 filtračních modulů. Vstupní tlak PÍ předem zadaný jako mezní jediné sady F je zasycen snímačem 12 a je ho dosaženo zvětšením nebo zmenšením průtoku dopravního čerpadla 8 přes druhé signální vedení 15. Proplachovací pochod se zavádí při podkročení předem zadaného minimálního průtoku F1 retentátu. Minimální průtok F1 zachycuje čidlo 41 u výstupu z dopravního čerpadla 8. Zavedení pochodu vyprazdňování je analogické jako popsáno u obr. 1 pomocí výpustních ventilů 21 a 42. Výhodou jednotky popsané na obr. 4 jsou nízké pořizovací náklady a nepatrné nároky na regulaci.

Na obr. 5 je znázorněna varianta už popsaných jednotek, kde je vynecháním nádrže 5 dosaženo oproti vnějšímu vzduchu uzavřeného tvaru. Řízení funkčních průběhů je zde centrální přes procesor 52, do něhož jsou přiváděny vstupní tlaky Pl, P2 retentátu prostřednictvím snímačů 12', 12 a průtoky retentátu čidlem 41' a permeát čidlem 53. Procesor 52 vysílá řídicí signály k řízení motoru 16 dopravního čerpadla 8 druhým signálním vedením 15 řízeného ventilu 11 a výpustního ventilu 21' retentátu.

-4CZ 286049 B6

U jednotky podle obr. 5 je možný plynulý nebo quasikontinuální provoz s vypuzováním retentátu v časových intervalech. Jak ukazuje časový diagram na obr. 5a, dochází k vypuzování retentátu s opakujícími se vrcholy F4 vypuzování retentátu ve výpusti 22 vždy tehdy, když přívod produktu z dopravního čerpadla 8 silně poklesne. Výhoda tohoto uspořádání spočívá v nepatrném oxidačním zatěžování retentátu okolním vzduchem. Tato vlastnost je též podpořena provozem s ochrannou atmosférou nebo zabráněním ztrátám těkavých promývacích prostředků, jako například alkoholu.

Průmyslová využitelnost

Zahušťování směsi pevné látky a kapaliny membránovou technologií za použití jednotky s membránovými moduly s oběhem retentátu na zařízení vybaveném alespoň jedním objemovým dopravním čerpadlem v oběhu retentátu s elektronickým regulátorem otáček.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob zahušťování směsí pevných látek a kapaliny s použitím jednotky s membránovými moduly s oběhem retentátu, vyznačující se tím, že se v membránové jednotce, pracující po dávkách nebo quasikontinuálně, v prvním kroku udržuje přívodní proud retentátu do membránových modulů konstantní v rámci regulace nebo se zvyšuje až do okamžiku, kdy vlivem pochodu zahušťování retentátu překročí vstupní tlak do membránových modulů předem určenou mezní hodnotu, v druhém kroku se redukcí přívodního proudu retentátu udržuje vstupní tlak na konstantní výši tak dlouho, dokud se nedosáhne mezní hodnoty stupně zahuštění retentátu a ve třetím kroku se zahuštěný retentát z okruhu odvede.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se membránová jednotka provozuje protiproudně.
3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že stupeň zahuštění retentátu je určován jeho průtokem oběhem retentátu.
4. Způsob podle nároku 1,vyznačující se tím, že v dílčí operaci prvního kroku je napřed vstupní tlak do membránových modulů udržován konstantní řízením tlakového spádu ve výstupu z modulů škrticím zařízením.
5. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že ve druhém nebo třetím kroku se přivádí do retentátu promývací tekutina tak dlouho, dokud permeát nepodkročí předem danou Brixovu hodnotu.
6. Zařízení k zahušťování směsí pevných látek a kapaliny podle nároků 1 až 5 za použití jednotky smembránovými moduly soběhem retentátu, vyznačující se tím, že membránové moduly jsou uspořádány do alespoň dvou sad (1 a 2) filtračních modulů, z nichž každá obsahuje alespoň dva membránové moduly v sérii, sad (1 a 2) filtračních modulů jsou spojeny se společným oběhem retentátu a v tomto oběhu retentátu je alespoň jedno objemové dopravní čerpadlo (8), poháněné motorem (16), přičemž ve směru přívodního proudu za objemovým dopravním čerpadlem (8) je uspořádán v oběhu retentátu homogenizátor (9), za který je zařazen dělič (10) množství a před objemovým dopravním čerpadlem (8) na jeho sací straně v oběhu retentátu je nádrž (5) pro směs pevných a kapalných podílů.

-5CZ 286049 B6
7. Zařízení podle nároku 6, vyznačující se tím, že je vybaveno alespoň jedním objemovým dopravním čerpadlem (8) v oběhu retentátu s elektronickým regulátorem otáček.
8. Zařízení podle nároku 6, vyznačující se tím, že objemovým dopravním čerpadlem (8) v oběhu retentátu je šnekové čerpadlo.
9. Zařízení podle nároku 6, vyznačující se tím, že objemovým dopravním čerpadlem (8) v oběhu retentátu je membránové čerpadlo.
10. Zařízení podle nároku 9, vyznačující se tím, že membránovým čerpadlem je pneumaticky poháněné čerpadlo.
11. Zařízení podle nároku 6, v y z n a č u j í c í se t í m , že děličem (10) množství je statický dělič množství bez pohyblivých dílů.
12. Zařízení podle nároku 6, vyznačující se tím, že děličem (10) množství je dynamický dělič s regulací poměru dílů.
13. Zařízení podle nároku 6, vyznačující se tím, že má potrubí kratší než 3 metry, kterým je objemové dopravní čerpadlo (8) spojeno v oběhu retentátu sací stranou s nádrží (5) pro směs pevných a kapalných podílů.
14. Zařízení podle nároku 6, vyznačující se tím, že nádrž (5) pro směs pevných a kapalných podílů má míchadlo (7).
15. Zařízení podle nároku 6, vyznačující se tím, že ve smyslu proudění je za membránovými moduly v oběhu retentátu škrticí zařízení.
16. Zařízení podle nároku 15, v y z n a č uj í c í se tím, že škrticím zařízením je řízený ventil (11).
17. Zařízení podle nároku 16, vyznačující se tím, že škrticím zařízením je volumetrické čerpadlo s měnitelným průtokem.
18. Zařízení podle nároku 15, vy z n a č u j í c í se tím, že škrticím zařízením je šnekové čerpadlo (30).
19. Zařízení podle nároku 6, vyznačující se tím, že membránové moduly jsou vytvořeny nejméně zjedné sady (1 a 2) filtračních modulů, která obsahuje alespoň dva moduly v sérii, sady (1 a 2) filtračních modulů jsou na vstupní straně opatřeny prvním snímačem (12) a druhým snímačem (13) k měření tlaku, jejichž signály se elektricky nebo pneumaticky přenášejí ke škrticímu zařízení v oběhu retentátu a k objemovému dopravnímu čerpadlu (8).
20. Zařízení podle nároku 6, vyznačující se tím, že membránové moduly jsou vytvořeny nejméně zjedné sady (1 a 2) filtračních modulů, která obsahuje alespoň dva membránové moduly v sérii, sady (1 a 2) filtračních modulů jsou na straně permeátu opatřeny Brixovým měřicím zařízením, jehož měřicí signály se přenášejí elektricky k vstupnímu ventilu (18) vody pro oběh retentátu.
21. Zařízení podle nároku 6, vyznačující se tím, že membránové moduly jsou vytvořeny nejméně zjedné sady (1 a 2) filtračních modulů, která obsahuje alespoň dva membránové moduly v sérii, a prvním potrubím (3) retentátu za sadami (1 a 2) filtračních

-6CZ 286049 B6 modulů v oběhu retentátu, které jsou rozděleny do dvou pramenů, z nichž jeden pramen je opatřen škrticím zařízením a druhý pramen je spojen s výpustním ventilem (21) retentátu.
22. Zařízení podle nároku 6, vyznačující se tím, že nádrž (5) pro směs pevných 5 a kapalných podílů je zařazena přímo před objemovým dopravním čerpadlem (8) na jeho sací straně.