Способ изготовления фильтрующего элемента для очистки жидких смесей
METHOD OF PRODUCING A FILTER ELEMENT FOR CLEANING LIQUID MIXTURES

Изобретение относится к способам производства изделий, используемых в качестве фильтрующих элементов для очистки жидких смесей от примесей различной консистенции, в частности сырого молока от механических и бактериологических примесей и может найти применение в различных отраслях сельского хозяйства и промышленности.
Известен способ фильтрации жидких смесей, включающий ее последовательное пропускание через фильтровальную сетку и слой насыпного материала (патент №2 179 473, МПК B01D 24/10). Жидкая смесь перед сеткой ускоряется до образования пленки за счет дефлектора и подающего патрубка параболической поверхности. В зависимости от вида жидкой смеси, типа примеси и требуемой степени очистки подбирается скорость потока жидкой смеси, размер отверстий в сетке и размер зерен насыпного материала.
Это решение обладает следующими недостатками. Основной недостаток - это необходимость увеличения скорости потока жидкой смеси, что приведет к размыванию мягких структур примесей на поверхности сетке и уменьшит ресурс по грязеемкости насыпного материала и эффективность регенерации засыпки. Способ изготовления фильтрующего элемента в виде сетки и сочетания различных размеров зерен насыпного материала и их конфигураций, в виде неправильной формы сколотой поверхности, не может обеспечить задержку бактерий и соматических клеток сырого молока, так как их размеры значительно меньше, чем размеры зазоров между зерен насыпного материала. Кроме того, дается очень широкий угол сопряжения дефлектора с поверхностью фильтрующей сетки 45-135°, что вызовет трудности при подборе необходимой скорости подаваемой жидкой смеси.
Другим известным решением является способ изготовления фильтрующего элемента из полимерного сырья (патент №2 429 897, МПК A01I 11/06, B01D 27/00). Фильтрующий элемент изготавливают на станке, состоящем из экструдера и каретки, следующим образом. В бункер-дозатор экструдера засыпают гранулы полимерного сырья, откуда при помощи шнека подаются в плавильные камеры и плавятся до вязкого состояния. С помощью шнека масса подается к головке экструдера и выходит из нее. Одновременно к головке экструдера подается под давлением разогретый, закручивающийся по спирали воздух, который формирует нить, и она наматывается на форму-оправку. Слои вводятся дискретно при изготовлении, что позволяет получать нити разной толщины в одном ряду. Кроме того, ячейки фильтрующего элемента уменьшаются от периферии к центру с дискретно меняющимися слоями.
Недостатком способа является дискретное представление образования слоев фильтрующего элемента, при котором каркас элемента образуется из спаенных тонких нитей, а основание - из толстых нитей, которые задерживают мелкие частицы примеси жидкой смеси. Они должны концентрироваться за счет центробежных сил, создание которых не возможно в ограниченном объеме в массе мельчайших переплетенных нитей. Намотка нити происходит при вращательном движении цилиндрической оправки и возвратно-поступательном перемещении каретки с увеличивающимся диаметром образующего фильтрующего элемента. Он получается неоднородным по всему объему из-за разной толщины образуемой нити и, следовательно, образуемых разных площадей ячеек слоев, а конечная технологическая операция в виде прикатки спаивает наружный слой, позволяющий задерживать крупную фракцию примесей жидкой смеси. Данный способ не позволяет формировать фильтрующий элемент с необходимой пористостью и плотностью слоев фильтрующего элемента, что снижает эффективность очистки жидких смесей от примесей.
Прототипом изобретения является способ (патент №2504952, МПК A01I 11/06, А23С 7/04, В29С 47/00), согласно которому изготовление фильтрующего элемента для очистки жидких смесей включает закладку полимерного сырья в дозатор экструдера, расплавление его до текучего состояния и подачу в текучем состоянии к головке экструдера, подачу воздуха к головке экструдера, формирование по меньшей мере одной нити, намотку указанной нити с формированием трубчатой конструкции фильтрующего элемента с ровной внутренней поверхностью и групп каналов с уменьшающимся размером в радиальном направлении от периферии. Исходный материал сырья подается при изготовлении, по меньшей мере, в одну плавильную камеру, состоящую из группы ступеней, предпочтительно из двух ступеней. На первой ступени массу сырья расплавляют до вязко-текучего состояния, а на второй ступени - до пластичной однородной массы. Ее подают к головке экструдера и одновременно подают воздух.
Основной недостаток прототипа - это невозможность формирование нити определенного диаметра из расплавленного в экструдере полимерного сырья, для получения группы каналов состоящих из различного количества и площадей ячеек слоев трубчатой конструкции фильтрующего элемента, которые эффективно очищают жидкие смеси от посторонних примесей различных консистенций.
По данному способу получаем фильтрующий элемент, в котором невозможно технологически получить различные группы слоев с определенным фиксированным диаметром нити для задерживания примесей различных консистенций жидкой смеси, в связи с тем, что полимерная масса теряет текучесть и однородность в не нагреваемой головке экструдера, а так же вследствие подачи к ней не контролируемого по температуре воздуха и необходимого угла его подачи. Фильтрующий элемент формируется без выраженных границ слоев, а их плотность определяется только удаленностью от центра к периферии, что приводит к неоднородности образованной структуры группы каналов по всему объему фильтрующего элемента. В совокупности эти недостатки прототипа исключают возможность формирования в процессе изготовления различных по структуре независимых групп слоев и каналов фильтрующего элемента трубчатой конструкции из полимерного сырья, эффективно задерживающих примеси различных консистенций жидких смесей.
Задача изобретения - обеспечить в процессе изготовления фильтрующего элемента трубчатой конструкции сохранение пластичности и однородности полимерного сырья и формирование различных независимых групп слоев с различным количеством ячеек и размерами их площадей, что повысит эффективность очистки жидкой смеси от примесей различных консистенций.
Это достигается тем, что в предлагаемом способе изготовления фильтрующего элемента для очистки жидких смесей от примесей, включающем закладку полимерного сырья в дозатор экструдера, расплавление его до пластичной однородной массы, подачу к головке экструдера, поступление воздуха к головке экструдера, формирование по меньшей мере одной нити, намотку указанной нити с образованием трубчатой конструкции с группой каналов, проходящих от внешней поверхности к ровной внутренней поверхности фильтрующего элемента, в отличие от прототипа производят нагрев головки экструдера нагревательным элементом, формируют несколько независимых групп слоев, последовательно на отдельных экструдерах с одинаковыми, постоянными режимами работы, каждую группу слоев, начиная с внутренней, формируют с увеличенным диаметром нити по сравнению с предыдущей группой слоев.
Нагрев головки экструдера производят до температуры 240±5°С.
Для увеличения диаметра нити в каждой последующей группе слоев на 40 мкм, начиная с диаметра нити 70 мкм во внутренней группе слоев, уменьшают давление воздуха, подаваемого к головке экструдера, от первой к последующим экструдерам на 10 кПа, начиная с 80 кПа, доводя диаметр нити в последней группе слоев до 150 мкм.
Подачу воздуха к головке экструдера осуществляют с температурой 50…60°С по дуге 45…50°.
Выдавливают полимерное сырье из головки экструдера через отверстие диаметром 0,8…1 мм.
Необходимость нагрева головки экструдера температурой, в зависимости от марки полимерного сырья, связана с быстрой потерей температуры расплавленной массы полимерного сырья и возможностью изменения ее структуры, поэтому она после последовательного нагрева полимерного сырья в трех секциях экструдерной установки с увеличивающейся температурой для пищевого полипропилена №01130 в каждой секции 190, 290 и 315°С и для обеспечения в дальнейшем необходимой и достаточной пластичности и однородности массы сырья она должна подогреваться нагревательным элементом, в частности термопарой, при прохождении через головку и сохранять температуру в пределах 240±5°С. Снижение температуры расплавленной массы в головке приводит к ее размягчению, а повышение - к хрупкости и крошимости.
2
2
2
Необходимость формирования группы слоев фильтрующего элемента с фиксированной толщиной нити последовательно на каждой отдельной экструдерной установке вызвана сложностью и неопределенностью образования его внутренней структуры из пищевого полипропилена №01130. Это было подтверждено в исследовании (Козлов А.Н., Плескачёв П.А. Исследование фильтра тонкой очистки молока Научные достижения и открытия 2018: сборник статей IV Межд. научно-практ. конкурса. - Пенза: МЦНС «Наука и просвещение».- 2018. - С. 32-37). В результате проведенных исследований также выявили, что структура слоев фильтрующего элемента, сформированного с диаметром нити 70 мкм, имеет ячейки в количестве от 30 до 60 единиц, а их площади изменяются в диапазоне от 0,019 до 0,303 мм. Анализ гистограммы распределения случайных величин площадей ячеек слоев фильтрующего элемента с диаметром нити 70 мкм показал, что среднее математическое ожидание выборки площади ячеек составляет 0,161 мм при отклонении ±0,142 мм.
2
2
2
Структура слоев фильтрующего элемента, сформированного с диаметром нити 110 мкм, имеет ячейки в количестве от 20 до 50 единиц, а их площади изменяются в диапазоне от 0,109 до 0,437 мм. Анализ гистограммы распределения случайных величин площадей ячеек слоев фильтрующего элемента с диаметром нити 110 мкм показал, что среднее математическое ожидание выборки площади ячеек составляет 0,273 мм при отклонении ±0,164 мм.
2
2
2
Структура слоев фильтрующего элемента, сформированного с диаметром нити 150 мкм, имеет ячейки в количестве от 15 до 30 единиц, а их площади изменяются в диапазоне от 0,107 до 0,845 мм. Анализ гистограммы распределения случайных величин площадей ячеек слоев фильтрующего элемента с диаметром нити 150 мкм показал, что среднее математическое ожидание выборки площади ячеек составляет 0,476 мм при отклонении ±0,369 мм.
2
Анализ случайных величин площадей ячеек слоев фильтрующего элемента, изготовленных из пищевого полипропилена №01130 с увеличением диаметров нити в диапазоне 70, 110 и 150 мкм показал, что площадь ячеек увеличивается с 0,161 до 0,476 мм. При этом среднеквадратические отклонения площадей ячеек сопоставимы со значениями математического ожидания выборки, что свидетельствует о широком диапазоне разброса площадей ячеек. Это определяет повышенное технологическое соблюдение требований к формированию отдельных групп слоев. Кроме того, исследованиями выявлено, что фильтрующий элемент, изготовленный из пищевого полипропилена №01130 с диаметром нити менее 70 мкм, не пропускает сырое молоко и моментально забивается крупной фракцией примесей жидкой смеси, а - с диаметром свыше 110 мкм не задерживает сгустки соматических и бактериальных клеток, задерживает средние фракции и забивается крупной фракцией, а - с диаметром свыше 150 мкм не задерживает сгустки соматических и бактериальных клеток и средние фракции, а задерживает крупные фракции жидкой смеси.
Давление воздуха, подаваемого к головке первого экструдера, составляет 80 кПа, что обеспечивает формирование группы слоев фильтрующего элемента с диаметром нити 70 мкм из пищевого полипропилена №01130. Уменьшение давления воздуха в дальнейшем на 10 кПа приводит к сосредоточению на выходе из отверстия головки экструдера такого количества пищевого полипропилена №01130, которого достаточно при давлении 70 кПа формировании нити диаметром 110 мкм. Уменьшение давления воздуха еще на 10 кПа приводит к сосредоточению на выходе из отверстия головки экструдера такого количества полимерного сырья, которого достаточно при давлении 60 кПа формировании нити диаметром 150 мкм. Превышение давления воздуха, подаваемого к головке экструдера свыше 80 кПа, приводит при формировании нити к ее разрыву, уменьшению диаметра, невозможности формирования кольца, что приводит к спаиванию слоев и их резкому уплотнению. Уменьшение давления воздуха, подаваемого к головке экструдера менее 60 кПа, приводит к нарушению формирования нити с одинаковым диаметром, что приводит к увеличению площадей ячеек слоев и неспособности эффективно задерживать крупные фракции примесей жидкой смеси.
Для исключения изменения текучести и однородности структуры полимерного сырья (пищевой полипропилен №01030), воздух, подаваемый к головке экструдера, нагревается до температуры 50…60°С. Данная температура воздуха обеспечивается за счет прохождения его по трубке длиной 300…400 мм и диаметром 8…10 мм, намотанной на каркас корпуса экструдера. Температура корпуса экструдера в рабочем процессе контролируется датчиками, что и обеспечивает заданную температуру подаваемого воздуха к головке экструдера. При превышении температуры воздуха свыше 50…60°С полимерная масса, выходящая из отверстия головки имеет текучесть, не позволяющую формировать одну цельную нить. Она частично расслаивается по длине на несколько нитей, что не дает возможность формирования одного цельного кольца, а образуемые полукольца слипаются и нарушают структуру фильтрующего элемента. При понижении температуры воздуха ниже 50…60°С полимерная масса, выходящая из отверстия головки имеет текучесть, не позволяющую формировать нить в виде кольца, что приводит к неравномерной подачи нити на форму - оправку экструдера и структура ячеек слоев становится неравнозначной.
Воздух подается к головке экструдера по дуге 45…50°, при формировании фильтрующего элемента диаметром 60…160 мм, для технологического обеспечения подачи образованной нити в виде кольца для равномерного и быстрого наматывания на форму-оправку. Это позволяет, в то же время, обеспечить постепенное охлаждение полимерного сырья (пищевой полипропилен №01030) и исключает разрыв формирующей нити. При увеличении угла дуги подачи воздуха свыше 45…50° кольцо формируется с увеличенным диаметром, не обеспечивающем равномерное наматывание на форму-оправку экструдера. При уменьшении угла дуги подачи воздуха менее 45…50° кольцо формируется с уменьшенным диаметром, несоответствующим диаметру формы-оправки экструдера, что приводит к натяжению и разрыву нити.
Выдавливание полимерного сырья (пищевой полипропилен №01030) из головки экструдера осуществляется через отверстие диаметром 0,8…1 мм для обеспечения выхода такого количества массы полимерного сырья, в котором его структура не изменяется. При диаметре выходного отверстия головки экструдера меньше 0,8 мм нить формируется хрупкой, ломкой, что не позволяет образовывать кольцо из нити. При диаметре выходного отверстия головки экструдера свыше 1 мм нить формируется мягкой, текучей, что приводит к уменьшению технологически необходимого диаметра кольца и их слипанию на форме-оправке экструдера.
Заявляемый способ заключается в следующем. Фильтрующий элемент изготавливается как минимум на трех станках, состоящих из экструдера и каретки. В бункер-дозатор каждого экструдера засыпаются гранулы полимерной массы (для очистки молока пищевой полипропилен №01130), откуда при помощи шнека подаются последовательно в три плавильные камеры с температурой в каждой 190, 290 и 315°С и масса доводится до текучего состояния. Для исключения изменения структуры полученной расплавленной массы сырья, при выходе из отверстия головки экструдера, головка нагревается до температуры 240±5°С.
Одновременно к головке первого экструдера подается под давлением 80 кПа и по дуге 45…50° разогретый воздух, который раздувает выходящую из головки экструдера расплавленную массу пищевого полипропилена №01130, формируя нить с диаметром 70 мкм в виде сплошных колец для плавного наматывания на форму-оправку. Фильтрующий элемент, полученный в виде полого цилиндра при достижении необходимого технологического диаметра, снимается с формы-оправки первого экструдера и одевается на форму-оправку второго экструдера. После технологической операции намотки нити диаметром 110 мкм фильтрующий элемент снимается с формы-оправки второго экструдера и одевается на форму-оправку третьего экструдера. После данной технологической операции производится намотка нити диаметром 150 мкм.
Заявляемый способ позволяет формировать фильтрующий элемент в виде полого цилиндра, состоящего из нескольких независимых групп слоев, изготовленных технологически последовательно с фиксированным увеличивающим диаметром нити и, следовательно, с фиксированными размерами ячеек, что позволяет в фильтрующем элементе осуществлять поэтапную задержку примесей разной консистенции жидкой смеси (сырого молока).
5
6
6
3
Исследование фильтрующего элемента, изготовленного в соответствии с заявленным способом из пищевого полипропилена, произведено на молочном комплексе в коровнике на 800 голов в результате чего выявило, что группа механической чистоты молока повышается на 1…2 класса, а количество мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов (КМА и ФАМ) можно снизить в молоке в широком диапазоне от 1,0×10 до 9,0×10 КОЕ/г, а количество соматических клеток - до 1,0×10 шт./см.