Фильтрация вина

3.2 Экспериментальное исследование технологического процесса фильтрации виноматериалов и определение параметров осадка. Экспериментальное исследование проводили на стендовых и промышленных фильтрах. В качестве фильтруемых смесей использованы виноматериалы различного типа. Принципиальная схема стендовой установки, на которой выполнен эксперимент по фильтрованию виноматериалов представлена на рисунке 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 – центробежный насос; 2 – регулирующий вентиль;

3 – манометр; 4 – фильтрпресс; 5 – мерный бачок                    

 

Рисунок 1 – Схема фильтрационной установки

Фильтровальной перегородкой служила ткань бельтинг. Опыты проводились при постоянном перепаде давления, которое поддерживалось на следующих уровнях 0,005; 0,02; 0,035; 0,05 МПа.

Для проведения опытов использовался рамный фильтр-пресс, состоящий из 7 рам, размером 120х120х12 мм, общей поверхностью 0,2 м². Исходный фильтруемый материал с помощью центробежного насоса 1 подавали в рамный фильтр-пресс 4. Необходимое избыточное давление устанавливали с помощью регулирующего вентиля 2 и контролировали по манометру 3. Объем фильтрата измеряли в мерном бачке 5.

Определение сопротивления  фильтровальной перегородки  , в качестве которой использовался бельтинг, проводилось в опытах по фильтрации воды на лабораторном фильтр-прессе (F = 0,2 м²).

Сравнение экспериментальных  и расчетных данных представлено на рисунке 2. Из рисунка 2 видно, что наблюдается удовлетворительное согласие теории и эксперимента во всем диапазоне изменения перепадов давления на фильтровальном слое. С использованием результатов, представленных на рисунке 2, построена зависимость скорости фильтрации от перепада давления на фильтрующем слое при одинаковом удельном количестве фильтрата. Из рисунка 3 отчетливо видно, что скорость фильтрации W не пропорциональна движущей силе процесса .

Полученные результаты свидетельствуют о том, что при  фильтровании вина нецелесообразно повышать давление перед фильтр-прессом выше 0,35 бар, так как при дальнейшем повышении давления практически не возрастают скорость фильтрации и выход отфильтрованного вина за заданное время работы фильтра. Этот факт качественно согласуется с известными представлениями об особенностях фильтрования с образованием сжимаемых осадков.

 

 

 

 

 

                  - экспериментальные данные;

    1 -  Dp = 0,05^.10⁵ Па;     2 -  Dp = 0,2^.10⁵ Па;

    3 -  Dp = 0,35^.10⁵ Па;     4 -  Dp = 0,5^.10⁵ Па.

Рисунок 2 – Зависимость  удельного объема           Рисунок 3 – Зависимость скорости

          фильтрата v, м³/м², от времени t, мин,   фильтрации W, м/с, от перепада давлений

          при различных значениях  Dp, Па            над фильтрующим слоем Dp, Па

 

Процесс фильтрации виноматериала  исследовали экспериментально с целью проверки развитой теории и математической модели фильтрования при постоянной скорости фильтрации. Исследование проводилось с использованием натурального сухого белого виноматериала «Шардоне». Его характеристика приведена в таблице 1. В качестве фильтровальной ткани использовался бельтинг.

Производственный эксперимент  проводился следующим образом: включался  насос и с помощью открытия соответствующих вентилей проводилось постепенное увеличение скорости фильтрации вплоть до избыточного давления 0,4¸0,5 бар. В начальный период в результате фильтрации получалось некачественное вино по мутности. Поэтому в течение примерно 40 минут проводилась рециркуляция вина. Полученный фильтрат возвращался по байпасной линии в резервуар исходного виноматериала. После достижения давления 0,4¸0,5 бар начинался основной процесс

 

 

Таблица 1 – Физико-химические показатели опытных виноматериалов до фильтрации

 

Образцы вин	Объемная доля этилового спирта, % об.	Массовое  содержание, г/дм3		Массовое содержание, мг/дм3				рН	Степень прозрачности, ф.ед.
		сахаров	титруемых кислот	фенольных веществ	красящих веществ	белкового азота	жиров
Натуральный сухой белый «Шардоне»	10,0	2,1	5,6	134,0	-	66,3	38,0	3,1	6,0
Натуральный сухой красный «Понтийское»	10,7	2,2	6,2	1400,0	262,8	72,0	48,0	3,2	12,0
Натуральный сухой розовый «Витязево»	10,1	2,0	5,8	1020,0	101,7	68,6	38,0	3,1	9,0
Специальный полудесертный розовый «Зори Витязево»	15,9	120	5,2	1860,0	236,4	80,4	46,4	3,3	9,5
Специальный десертный красный «Кагор 32»	16,0	163	6,3	2640,0	270,5	96,2	58,0	2,9	14,0

 

 

 

 

 

 

фильтрования. Процесс  проводился до достижения давления перед  фильтром 3 бар, что отвечало максимальному  напору насоса, обеспечивающему постоянный расход и следовательно постоянную скорость фильтрации. В процессе фильтрации через определенные промежутки времени, т. е. через каждые два часа, фиксировалось значение перепада давления на фильтре. На рисунке 4 представлено сравнение теоретически полученной на идентифицированной математической модели зависимости перепада давления от времени с экспериментальными данными. Получено удовлетворительное согласие теории с опытом. Как показал численный эксперимент, на сухом красном вине пористость осадка с волокном сравнительно быстро достигает минимального значения (рисунок 5). Удельное сопротивление осадка также быстро растет (рисунок 6).

В процессе опытов путем  замера оптической плотности определялась мутность вина. Экспериментально было установлено, что в период экспоненциального роста качество фильтрата не удовлетворяло требованиям к готовому вину, а в период роста по прямой получался более качественный продукт. Качественно было обнаружено, что прозрачность виноматериала улучшается в течение 30 – 50 мин. Это можно объяснить двумя причинами: во-первых, образованием слоя осадка, который сам оказывает фильтрующее действие и, во-вторых, уменьшением пористости осадка. Полученный результат позволяет в зависимости от типа и качества виноматериала определить заранее программу его фильтрации на основе предварительного лабораторного эксперимента и математического моделирования на разработанной математической модели.

Для проверки было выполнено экспериментальное исследование фильтрации белого сухого вина через фильтр-картон.

В качестве объекта исследования использовалось предварительно отфильтрованное  вино специальное десертное красное  «Кагор 32». Характеристика вина приведена в таблице 2.

 

Таблица 2 – Физико-химические показатели вин после фильтрации через фильтр-картон

 

Образцы вин	Объемная доля этилового спирта, % об.	Массовое  содержание, г/дм3		Массовое содержание, мг/дм3				рН	Степень прозрачности, ф.ед.
		сахаров	титруемых кислот	фенольных веществ	красящих  веществ	белкового азота	жиров
Натуральный сухой белый «Шардоне»	10,0	2,1	5,6	98,0	-	43,0	26,6	3,0	0,1
Натуральный сухой красный «Понтийское»	10,7	2,2	6,1	1140,0	230,0	44,5	30,0	3,1	0,4
Натуральный сухой розовый «Витязево»	10,0	2,0	5,7	970,6	98,0	36,4	30,9	3,1	0,3
Специальный полудесертный розовый «Зори Витязево»	15,9	120	5,2	1520,0	160,2	44,0	41,0	3,2	0,4
Специальный десертный красный «Кагор 32»	16,0	163	6,2	2010,0	210,4	46,9	40,0	2,9	0,5

 

Наряду с лабораторным проведен промышленный эксперимент по окончательной очистке сухого виноматериала на фильтре с картоном, который (фильтр) содержал 60 пластин картона размером 600х600 мм. Сравнение расчетных данных с экспериментальными приведено на рисунке 7. Модель удовлетворительно описывает экспериментальные данные.

 

Рисунок 4 – Зависимость перепада давлений         Рисунок 5 – Зависимость пористости

                   , бар, от продолжительности          осадка , м³/м³, от продолжительности

                    фильтрации  , мин                                                                фильтрации , мин

 

Рисунок 6 – Зависимость  удельного            Рисунок 7 – Зависимость разности давлений

сопротивления осадка , 1/м², от             , бар, от продолжительности фильтрования

продолжительности фильтрации , мин                           вина , с, через фильтр-картон

 

Анализ влияния свойств  осадка на режим процесса фильтрования показал, что при малых значениях начальной пористости осадка и больших , а также высоких значениях минимальной пористости при расчетах фильтрования виноматериалов можно использовать уравнения скорости фильтрации для несжимаемых осадков.

3.3 Разработка технологического режима и оценка эффективности рабочего цикла двухступенчатого фильтрования виноматериалов. Ряд обстоятельств затрудняют определение технологического режима двухступенчатого процесса фильтрования с оптимальным результатом, т. е. с наиболее высоким качеством и при наименьших затратах. Эти затруднения связаны со следующими факторами: фильтрационная способность даже при использовании одинаковых фильтрующих материалов зависит от типа вина и, более того, от технологических условий его приготовления, в частности от погодных условий, от года сбора урожая, от климатических условий, которые были в этот год. В этой связи, не представляется возможным создать общую теорию, которая позволяла бы на чисто теоретической основе разрабатывать оптимальную программу и технологический режим рабочего цикла фильтрования. Это, во-первых. Во-вторых, объемы и время фильтрации зачастую сильно зависят от конъюнктуры сбыта, от потребности рынка, которые имеют не только сезонные, но и временные колебания. Все перечисленное позволило сформулировать задачу, которую необходимо решить перед тем, как начать фильтрацию виноматериалов. Численными методами по разработанной на Borland Pascal программе проведено решение вопросов разработки рабочей программы и определены режимы на первой стадии предварительного фильтрования.

Результаты моделирования  представлены в таблице 3.

В соответствии с возможными вариантами задания можно выбрать второй вариант, как обеспечивающий максимальную экономию вспомогательных материалов. Результаты, полученные при разработке технологического режима рабочего цикла двухступенчатой фильтрации использовались для оценки эффективности предлагаемого метода с точки зрения качества полученных виноматериалов.

Таблица 3 – Итоговые показатели сравниваемых вариантов

№ п/п	Показатели	1-й вариант	2-й вариант	3-й вариант	4-й вариант
1	Объем заказа, V, дал	2400	2400	2400	2400
2	Требуемая поверхность фильтрации, , м2	38,4	10,2	38,4	20,5
3	Производи-тельность насоса, Q, м3/ч	12	3,2	24	12
4	Время фильтрации, , ч, мин	3 ч 50 мин	10 ч	1 ч 25 мин	2 ч 30 мин

 

Для сравнительной характеристики предлагаемого метода фильтрации был поставлен производственный опыт (таблицы 2 и 4). С этой целью отбирали виноматериал разных типов, проводили оклейку каждой партии, после чего снимали с клеевых осадков и фильтровали, добиваясь степени прозрачности, характеризуемой термином «прозрачное с блеском». Каждую партию виноматериалов разделяли на две части. Первую часть фильтровали через фильтр-картон по общеизвестному способу, а вторую – по предлагаемому двухступенчатому методу через бельтинг-ткань и затем через фильтр-картон в соответствии с рабочей программой, разработанной по вышеизложенной методике. Сравнение виноматериалов проводили по разным физико-химическим показателям, а также по удельному расходу фильтрующих материалов. Исходные физико-химические показатели натуральных и специальных виноматериалов представлены в таблице 1.