автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Научное обеспечение и разработка способа термической регенерации кизельгура для повторного использования в процессе осветления пива

На правах рукописи

005012'•• /

ВИЗИР Дмитрий Михайлович

НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБА ТЕРМИЧЕСКОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ КИЗЕЛЬГУРА ДЛЯ ПОВТОРНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПРОЦЕССЕ ОСВЕТЛЕНИЯ ПИВА

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 ш

Воронеж-2012

005012777

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУ ВПО «ВГУИТ»).

Научный руководитель- Заслуженный изобретатель РФ,

доктор технических наук, профессор Антипов Сергей Тихонович (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»)

Официальные оппонешы - Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Красовицкий Юрий Владимирович (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»)

Заслуженный работник высшей школы, доктор технических наук, профессор Тишин Вячеслав Борисович (ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (Институт холода и биотехнологии)

Ведущая организация - Государственное научное

учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии» Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИПБ Россельхозакадеми)

Защита диссертации состоится «12» апреля 2012 г. в 13м часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.035.01 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.

Автореферат размещен на сайте http://vak.ed.gov.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГУИТ.

Автореферат разослан «И » марта 2012 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.035.01, доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На предприятиях пивоваренной отрасли наибольшее распространение получили кизельгуровые фильтры: они надежны, просты в устройстве и экономически выгодны.

Однако существует ряд проблем, связанных с использованием кизельгура: ограниченность ресурсов высококачественного диатомита, а также большие расходы на утилизацию. Поэтому в настоящее время ученые сосредоточили усилия на следующих направлениях: поиск новых методов регенерации кизельгура; использование альтернативных материалов и оборудования для фильтрования.

При использовании в среднем 1 кг кизельгура на 30 л пива ежегодно производится несколько тысяч тонн кизельгурового шлама, который предприятия за собственные средства должны утилизировать. Однако проблема состоит в том, что кизельгуровые отходы ввиду значительного количества связанного азота могут привести к накоплению в земле и воде нитратов.

Одним из перспективных направлений является термическая регенерация кизельгура. При этом образуется материал, который снова может использоваться для фильтрации пива. Однако высокие температуры ведут к качественным изменениям продукта. Доля пригодного кизельгура составляет, в большинстве случаев, малую величину. Поэтому разработка тепло- и ресурсосберегающего способа термической регенерации кизельгура, режимные параметры которого обеспечивают высокие качественные показатели регенерируемого кизельгура с точки зрения его повторного использования в процессе осветления пива является актуальной задачей.

Данная работа выполнена в рамках приоритетных направлений развития науки и техники в пищевой отрасли, в рамках государственного контракта №16.515.11.5008 между Департаментом приоритетных направлений науки и технологий Министерства образования и науки Российской Федерации и Общества с ограниченной ответственностью «ТЕХИНМАШ» по теме: Проведение прикладных исследований в области технологии переработки и утилизации отходов производства пищевых и кормовых продуктов», а также в рамках государственного контракта № П459; Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» по теме «Разработка энергосберегающих технологий и оборудования».

Цель и задачи диссертационной работы. Целью работы является научное обеспечение и разработка способа термической регенерации кизельгура для повторного его использования в процессе осветления пива и разработка инновационных технологических и конструкторских решений при практической реализации процесса.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- анализ современного состояния технологии и техники для регенерации кизельгура;

- изучение основных качественных параметров кизельгура как объекта термической регенерации;

- синтез и анализ математической модели термической регенерации кизельгура;

- разработка методик и экспериментальной установки для исследования процесса термической регенерации кизельгура и осуществление исследований, подтверждающих теоретические предпосылки повышения эффективности процесса термической регенерации;

- численное решение математической модели и сравнение полученных теоретических зависимостей с экспериментальными данными;

- осуществление термодинамической оценки эффективности процесса термической регенерации путем его эксергетиче-ского анализа;

- разработка технических решений для реализации высокоэффективного процесса термической регенерации и создание системы автоматического управления данным процессом.

Научная новизна. Исследовано влияние влажности кизельгура на изменение его физико-механических свойств как объекта термической регенерации. На основании дифференциального термического анализа и теплофизических исследований выделены температурные интервалы влагоудаления, изучен механизм прогрева материала в зависимости от начальной влажности. Исследовано поведение влажного кизельгура во взвешенно-закрученном режиме. Исследованы кинетические закономерности обезвоживания кизельгура в аппарате с закрученным потоком фаз. Разработана математическая модель, описывающая движение и обезвоживание частицы кизельгура под воздействием закрученного потока теплоносителя.

Практическая значимость работы заключается в разработке способа регенерации кизельгура во взвешенно-закрученном потоке.

Разработаны оригинальные конструкции установок, позволяющих осуществить процесс термической регенерации в активном гидродинамическом режиме.

Новизна технических решений подтверждена положительное решением о выдаче патента РФ на изобретением по заявке № 2011104755, заявл. 09.02.2011.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях (г. Воронеж, 2010, 2011); (г. Москва, 2011), отчетных научных конференциях ВГТА (г. Воронеж, 2010-2011).

Результаты работы экспонировались на постоянно действующих межрегиональных выставках г. Воронежа: II областной выставке инновационных проектов «Промышленность Воронежской области 2010»; «Продторг 2011»; «Пивной сезон. Напитки 2011»; VI международной выставке «Агротехмаш-2011» и отмечены 3 дипломами выставок.

Результаты работы используются в учебном процессе в качестве материалов курсового и дипломного проектирования.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 1 монография и 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 176 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает 137 наименований. Приложения к диссертации представлены на 20 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении охарактергоовано современное состояние переработки кизельгура, обоснована актуальность темы диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.

В первой главе систематизированы литературные данные о современном состоянии теории, техники и технологии перера-

ботки кизельгура, отмечены основные направления совершенствования технологии и установок для регенерации. Приведена общая классификация аппаратов, представлены конструкции установок с закрученными потоками, выпускаемые в РФ и за рубежом. Уделено внимание анализу особенностей гидродинамики, процесса тепло- и массообмена при обработке влажных материалов в аппаратах с закрученными потоками фаз.

На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи диссертационной работы, обоснован выбор объекта исследования, определены методы решения поставленных задач.

Во второй главе изложено описание экспериментальных исследований некоторых характеристик кизельгура объекта как термической регенераци. Знание физико-механических и теплофи-зических свойств материала позволяет проводить математическое моделирование процесса, рассчитывать рациональные режимы работы аппарата, конструировать функциональные элементы оборудования. Так, с увеличением влажности W от 0 до 260 %, насыпная плотность материала повышается от 156,8 до 418,0 кг/м , коэффициент плотности укладки частиц в слое увеличивается от 0,11 до 0,38, порозность слоя снижается от 0,87 до 0,61, угол естественного откоса увеличивается от 43 до 62 градусов.

С целью определения температур фазовых переходов, физического состояния влаги, оценки энергии связи влаги с материалом был проведен дифференциальный термографический анализ материала с влажностью 5, 50, 100 и 150 %, определены характерные точки дегидратации и области превращения, пропорциональные величинам энергетического воздействия на материал с различным характером связи влаги.

Нагревание исследуемых образцов до 473...480 К и выше приводит к экзотермическому эффекту, а после удаления связанной влаги начинается термическое разложение продукта с выделением теплоты (эндотермический эффект).

Для изучения процесса обезвоживания кизельгура и создания методик расчета необходимо знание теплофизических величин.

Определены коэффициенты температуропроводности а, теплопроводности Я и удельная теплоемкость с в интервале влажности 5...150 % и температуре исследуемого образца

293...363 К. На всем интервале влажности величины возрастают: а от 2,54-10'7 до 3,26-10 7 м2/с, X от 0,28 до 0,48 Вт/(мК), с от 0,74 до 2,32 кДж/(кгК).

а-107

3,5 2

м

с 3,0

I

2.5

2,0 1.5 1,0

(м-К)

20 40 60 80 [00 120 140%160 1Г

Рис. 1. Зависимость теплофизических характеристик кизельгура при температуре Г=293 К от влажности IVе: о - удельная теплоемкость с; □ - коэффициент теплопроводности Я; А - коэффициент температуропроводности а

3,5 2

М

С 3,3

а 10

3.1

2,9 2,7 2,5

Вт (м-К)

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2

& д — *—Г

О-с В. и __с а —п— а

тг

о -

З'^кДж (кг-К) 2,9

2,8

2,6

2,4

290 300 310 320 330 340 350 360К370

2,2

Рис. 2. Зависимость теплофизических характеристик кизельгура при влажности 0^=150 % от температуры Т: о - удельная теплоемкость с; а - коэффициент теплопроводности Л; А - коэффициент температуропроводности а

В третьей главе рассматривается моделирование процесса термической регенерации кизельгура.

Минимальная скорость теплоносителя, необходимая для реализации пневмотранспорта, равна скорости витания частиц, определяемой соотношениями

йбвит = 18+0,61л/Лг' ^

. дб? рт-р где Аг = ■

V2 р

Рабочая скорость для пневмотранспорта определяется соотношением

■в

где а, В- эмшфические параметры; / - длина пневмотранспорта. Объемный и массовый расходы теплоносителя равны

Vo-V2?- (3)

Скорость частиц составит

А, = 02 + «ос, (4)

4Vn

где = , 2 2 \ ~ продольная составляющая скорости теплоноси-л(рг ~Dcp)

„ айгОт

теля в кольцевом зазоре; i90C = -скорость осаждения частицы. Порозность слоя

е=1--(5)

Щ-S'Pcp

где: S = -(D2—D^)- средняя площадь кольцевого зазора,

Pep - средняя плотность кизельгура.

В основу математической модели процесса сушки кизельгура положены уравнения материального и теплового балансов. Уравнение материального баланса

= (6) Связь парциального давления пара Рп с влагосодержанием теплоносителя х определяется соотношением

х = 0,622 (7)

Зависимость давления насыщенного пара от температуры частицы в

где Р„\ 7"" - параметры любой точки, лежащей на равновесной кривой системы «пар - жидкость». При в = 323 1С Рп* = 12300 Па; г - теплота парообразования воды, Дж/'кг; в - абсолютная температура частицы, °С.

Уравнение теплового баланса для потока частиц кизельгура

(9)

для потока теплоносителя

-/5, (10)

где ст, св - удельная теплоемкость кизельгура и теплоносителя, соответственно, Дж/(кг-К).

Решение системы уравнений (6), (9), (10) в аналитическом виде не представляется возможным из-за ее нелинейного характера, поэтому она решалась численно методом Эйлера.

Преобразуем дифференциальные уравнения (6), (9), (10)

~; = В(Рпи-РЛ (11)

~ = А1(Ь-в)-Вг(Рпи-Рп) (12)

£ = -л2а-0) + в2(рпн-ри), аз)

гдеВ - Ш.' 1 " 2 ~ 1 ~ ЯпГ^Сг'- япгсвСв-

Зависимость давления насыщения пара Рш от температуры частицы 0 определяется соотношением (8), а парциального давления пара в потоке теплоносителя Рп от влагосодержания х - соотношением (7). Начальные условия для переменных величин при 2=0, х=Хо,

1=1 е=в0.

Дискретные аналоги дифференциальных уравнений (11), (12), (13) на сетке с постоянным шагом Д г имеют вид

Х-^ = В(РшЦ-Р!Ц) (14)

^^ = А& - вд - В1(РПН(4 - Рп,0 (15) ^ = -А2{и - вд + В2(РпнЛ - РпЛ) (16) Соответственно значения искомых величин на последующем шага по г определяются соотношениями

хм = х1 + Дг • В(РпнД - Рп>£), (17)

в1+1 = в1 + Д- - В1(РПНд - Рп>г)], (18) = ^ + Дг[-Л2& - в{) + В2(Рпн,£ ~ Р„.0]- (19> Математическая модель процесса регенерации кизельгура реализована в ввде программы в среде Майюас1-15, а ее результаты представлены в виде графиков, отражающих численный эксперимент.

В результате проведения модельных экспериментов была получена кривая изменения влагосодержания материала в процессе обезвоживания (рис. 3), распределения температуры теплоносителя и частиц по длине аппарата (рис.4), распределения парциального давления пара и давления пара на поверхности частиц по длине аппарата.

Сравнение реальных значений с расчетной кривой позволяет сделать вывод, что отклонения от теоретических исследований составляют не более 12 %.

О,"---------- —

0.1

х

0,05

Рис. 3. Распределение нлагосодержа- Рис. 4. Распределение темперэтуры теп-ния теплоносителя по длине камеры доносителя и частиц по дайне камеры

В четвертой главе проведено исследование процесса термической регенерации кизельгура.

С целью выбора наиболее приемлемого способа обезвоживания кизельгурового шлама до переходной влажности, при которой частицы отделяются друг от друга без слипания, необходимой для обеспечения термической регенерации в активном гидродинамическом режиме, был проведен ряд экспериментальных исследований различных видов сушки: с ковдуктивным (рис. 5) и радиационным (инфракрасным) подводом энергии. Было установлено небольшое различие в скорости обезвоживания двух методов сушки. Однако при

реализации одновременного перемешивания и транспортирования продукта при переходе к его сыпучим свойствам предпочтительнее является кондуктивный способ с использованием шнекового рабочего органа.

я"'

Рис. 5. Кинетика процесса кондуктивной сушки кизельгурового шлама: 1 - q=0,8 кВт/м2; 2 - я=1,0 кВт/м2; 3 - ц=1,5 кВт/м2

Так как процесс термической регенерации кизельгура осуществляется в активном гидродинамическом режиме с предварительным подсушиванием во взвешенном слое, поэтому были проведены экспериментальные исследования (рис. 6), обеспечивающие проверку научных гипотез.

Рис. 6. Кривые сушки и скорости сушки кизельгура во взвешенном слое

при /-Г =390 %:

1 - Уж=12,5 м/с; 2>363 К;2- Гос.=15,5 м/с; Тв=373 К;3~ УЖ=И,5м/с;

Г„=383 К

Дм подтверждения модельных представлений процесса и проверки адекватности был осуществлен ряд экспериментов с различными условиями их проведения. Исследования проводилось на разработанной пилотной установке, представленной на рис. 7.

б

Рис. 7. Экспериментальная установка для термической регенерации кизельгура: а - схема: 1 - камера; 2- патрубок тангенциальный; 3 - камера разгрузочная; 4 - крышка; 5 - конфузор; 6 - вставка полая; 7 - отражатель; 8 - патрубок для ввода теплоносителя; 9 - теплогенератор; 10 - анемометр; 11 - вентилятор; 12-эжекшр; 13-бункер загрузочный; 14-устройство регулировочное; 15 - шайба; 16 - патрубок; б - общий вид

Кизельгур, предварительно обезвоженный механическим способом в декантере и тепловым способом в сушилке до влаж-

ности, обеспечивающей сыпучесть, загружают в бункер 13, в котором предварительно выставляют величину кольцевого зазора.

Одновременно запускают в работу газовый теплогенератор 9, в который подают газ из баллона (на схеме не показан). Открывают вентиль подачи теплоносителя в эжектор 12, под действием энергии потока которого создается разрежение в его всасывающей камере, за счет чего происходит поступление из бункера 13 через кольцевой зазор сыпучего кизельгурового шлама, последующее смешивание теплоносителя с частицами кизельгура и подача в цилиндрическую часть камеры 1 в виде газовзвеси через тангенциальный патрубок 2, где она подсушивается в закрученном потоке до равновесной влажности. Подсушенные частицы опускаются в нижнюю коническую часть 15 камеры 1, где подхватываются потоком теплоносителя, подаваемого в конфузор через патрубок 8 от газового теплогенератора 9 с температурой пиролиза или выжигания в диапазоне от 400 до 600 °С, которая контролируется с помощью измерителя температуры 10 марки Овен УКТ-38 и датчика температуры марки Овен ДТКП 054.

Процесс термического воздействия продолжается в активном гидродинамическом режиме, при котором происходит окончательное досушивание невысохших частиц и начало пиролиза или выжигания. В центре потока осуществляется фонтанирование частиц кизельгурового шлама, а по периферии опускаются закрученные тангенциальным потоком подсыхающие частицы кизельгура, при этом ядро фонтана вращается вокруг вертикальной оси. Направление вращения ядра фонтана совпадает с направлением движения тангенциального потока. При обезвоживании и разложении органических компонентов частицы кизельгура поднимаются вверх и захватываются потоком теплоносителя, скорость которого увеличивается вследствие уменьшения сечения, обусловленного конфигурацией полой вставки 6. По мере движения теплоносителя через полую вставку 6 его скорость падает до скорости витания частиц кизельгура из-за увеличения проходного сечения, обусловленного расширяющейся конфигурацией вставки 6, и образуется взвешенный слой, в котором идет окончательная досушка частиц кизельгура до влажности 2...3 %.

Далее частицы кизельгура поднимаются вверх и захваты-

ваются потоком теплоносителя, скорость которого увеличивается вследствие уменьшения сечения, обусловленного конфигурацией полой вставки 6. В самой верхней расширенной части происходит термическое разложение остатков органических компонентов, расположенных в порах частиц кизельгура при температуре 400...550 °С, в результате чего их вес снижается до уровня, при котором осуществляется их унос. Отражатель 7 отклоняет частицы смеси в радиальном направлении, в результате чего легкие частицы смеси попадают в камеру выгрузки 3, в которой происходит разделение продукта и отработанного теплоносителя, а более тяжелые частицы смеси возвращаются во взвешенный слой. Отработанный теплоноситель удаляется из камеры выгрузки 3.

Для исследования влияния параметров процесса регенерации кизельгура на технологические и технико-экономические показатели было выполнено математическое планирование эксперимента, позволяющее варьировать одновременно все факторы и получать количественные оценки эффектов их взаимодействия. В качестве основных факторов, влияющих на процесс регенерации кизельгура, были выбраны: X; - начальная влажность кизельгура по отношению к абсолютно сухому веществу, %; Хг - расход теплоносителя, Су?, м3/ч; Х} - температура теплоносителя, Т0, °С.

Выбор интервалов изменения факторов обусловлен технологическими условиями процесса регенерации кизельгура, конструктивными характеристиками тепломассообменной установки.

Критериями оценки влияния различных факторов на процесс регенерации кизельгура были выбраны: У/ - удельная производительность, кг/(м3-ч);Г2 - удельные энергозатраты на проведение процесса, кВтч/кг.

У1 =152,61 + 1,13Щ + 2,09Хг + 4,257Х, -4,156Х,2 -4,324Хг2 -1,468*эг +

+ 0,230^ - 1,19ВД - 0М6ХгХъ\ Г2 = 2,219 + 0,072Х, + 0,038^ + 0,062^ -0,062Х,2 -0,092*; - 0,087*; + + 0,02 \ХхХг + 0,009Х2Х3.

На основе уравнений регрессий получены кривые равных значений выходных параметров, которые несут смысл номограмм и представляют практический интерес.

Поиск оптимальных режимов процесса регенерации кизельгура показал, что для выходных параметров в качестве оптимальных могут быть приняты следующие интервалы значений: Х,= 103... 106 %; Дг=202.. .204 м3/ч; Х3= 510.. .560 °С.

Результаты экспериментов по фильтрованию пива с использованием регенерированного кизельгура (рис. 8) подтвердили эффективность его повторного использования. В ходе опытов в условиях филиала ОАО «Пивоваренная компания «Балтика-«Балтика-Воронеж» не зафиксировано повышения давления и помутнения пива.

Результаты физико-химических и микробиологических показателей находились в установленных нормативными докумен-

тами диапазонах.

••>:.• С--..' •■••■:•

мш

Рис, 8. Экранная форма проведения процесса фильтрации пива с использованием регенерируемого кизельгура Е пятой главе осуществлен термодинамический анализ энерготехнологической системы регенерации кизельгура и дано описание разработанных на основе проведенных исследований конструкций установок с активным гидродинамическим режимом для регенерации кизельгура.

Термодинамический анализ энерготехнологической системы регенерации кизельгура выполнен на базе энергетического и эксерге-тического методов с графической интерпритацией результатов в виде

диаграмм (рис. 9), позволивших наглядно определить тепловые потоки и потери в термодинамической системе установки термической регенерации кизельгура и наметить наиболее эффективные пути уменьшения затрат энергетических ресурсов при одновременном повышении технологических показателей.

Рис. 9. Диаграмма эксергетического анализа термической регенерации

кизельгура

Предложен аппарат для термической регенерации кизельгура, обеспечивающий предварительную сушку и последующее выжигание из него органических компонентов.

Аппарат для термической регенерации кизельгура (рис. 10) состоит из цилиндроконической камеры, к цилиндрической части 1 которой подключен тангенциальный патрубок 2 для ввода кизельгура в виде газовзвеси, камеры выгрузки сухого продукта 3, верхней часта камеры в виде крышки 4 и нижней конической часта камеры в виде кон-фузора 5. По оси цилиндроконической камеры в ее цилиндрической части 1 размещена полая вставка 6 в виде чередующихся элементов, имеющих расширяющуюся и сужающуюся часта. На внешней поверх-

ности полой вставки 6 расположены каналы 7 регулируемого сечения для вывода части отработанного теплоносителя.

Инжекционное сопло может быть также образовано путем размещения форсунки для газа 8 в узкой части последнего элемента, выполненной из полупроницаемого материала 12, вокруг которой расположена напорная камера 13 с винтовыми каналами (рис. 11).

4 ¿ям/ШС^.

гтГ/Оч.

т1

Ч ---Т"---------У

члмвиквв^-^а---,-—

Рис. 10. Аппарат для термической регенерации кизельгура

Рис. 11. Инжекционное сопло

Предлагаемый аппарат для термической регенерации кизельгура имеет следующие преимущества:

- выполнение полой вставки в виде чередующихся элементов, имеющих расширяющуюся и сужающуюся части, позволяет эффективно удалить влагу из твердого компонента в активном гидродинамическом режиме с чередованием зон сушки и досушки до влажности 2...3 %;

- размещение в узкой части последнего элемента форсунки, которая образует с узкой частью последнего элемента инжекционное сопло, позволяет с высокой степенью надежности обеспечить выжигание из кизельгура органических компонентов;

- снабжение последнего элемента патрубком удаления теплоносителя на утилизацию и соединение его рециркуляционным контуром с конфузором для ввода регенерируемого потока отработанного теплоносителя позволяет снизить энергозатраты за счет использования его теплоты на процесс сушки кизельгура.

Кроме этого, предложена установка для тешо-массообменной обработки многокомпонентных продуктов (рис. 12).

многокомпонентных продуктов: 1 - декантер, 2,11 - приводы, 3 - шнековый рабочий орган, 4,5,6 - патрубки, 7,12 - питатели, 8 - конвейер, 9 - нагревательные элементы, 10 - транспортирующий шнек, 14-инжектор, 13,15 18,22,29,36,38 - патрубки, 16- греющая рубашка, 17-сопло, 19-камера 20 - массообменный аппарат,. 21 -конфузор, 23 - отражатель, 24 - окна, 25 - кожух, 26 - полая вставка, 27 - канал, 28 - крышка, 30 - теплогенератор, 31 - горелка. 32 - газодувка, 33 - компрессор, 34 - электронагреватель, 35 - мембранный генератор, 37,39,40,41,46 - трубопроводы, 42 -конденсатор,43 - дымосос, 44 -циклон, 45 - электростатический фильтр

В зависимости от требуемых задач установка может работать как в режиме сушки (например, пивной дробины или после-спиртовой барды и т.п.), так и в режиме пиролиза или выжигания (при утилизации отходов пищевых предприятий, в частности ки-зельгурового шлама пивоваренного производства).

Исходный продукт влажностью 80.. .90 % подается через патрубок 4 в декантер 1, где он предварительно обезвоживается от слабо связанной влаги до влажности 55..70 % механическим способом, в поле

центробежных сил, создаваемых вращением от привода 2 шнековым рабочим органом 3. Отделенная от продукта вода удаляется через патрубок 5, а частично обезвоженный продукт с влажностью 55...70 % подается при помощи конусообразного питателя 7 в конвейер 8, где благодаря нагреву элементов 9 выпаривается часть влаги до обеспечения сыпучей консистенции продукта. Одновременно, шнеком 10, который приводится во вращение с помощью привода 11, продукт транспортируется к выходной горловине конвейера 8, из которой продукт конусообразным питателем 12 подается во входной патрубок 13 инжектора 14. При этом через патрубок 15 в инжектор вводится под напором теплоноситель, при движении которого образуется разрежение, обеспечивающее забор сыпучего продукта из питателя 12 и последующее его смешивание в выходном сопле 17 с теплоносителем с образованием газовзвеси. При этом за счет разрежения происходит испарение части влаги из сыпучего продукта. После этого полученная газовзвесь через тангенциально установленный патрубок 18 подается в ци-линдроконическую камеру 19 массообменного аппарата 20, где она подсушивается в закрученном потоке до промежуточной влажности (например, 2.. .6 %). При нагреве частиц продукта до 100... 150 °С происходит выделение и испарение внешней и несвязанной влаги. Подсылаемые частицы продукта опускаются по криволинейной траектории в нижнюю коническую часть 21 цилшщроконической камеры 19, где захватывается потоком теплоносителя, подаваемого через патрубок 22. Процесс сушки продолжается в активном гидродинамическом режиме. В центре потока осуществляется фонтанирование частиц продукта, которые опускаются по периферии, закрученные тангенциальным потоком, при этом ядро фонтана вращается вокруг вертикальной оси. Направление вращения ядра фонтана совпадает с направлением движения тангенциального потока. Высыхая, частицы кизельгура поднимаются вверх и захватываются потоком теплоносителя, скорость которого увеличивается вследствие уменьшения сечения, обусловленного конфигурацией полой вставки 26. По мере движения теплоносителя через полую вставку 26 его скорость падает до скорости витания частиц продукта (например, кизельгура) из-за увеличения проходного сечения, обусловленного расширяющейся конфигурацией вставки 6, и образуется взвешенный слой, в котором идет досушка частиц продукта до конечной влажности 2.. .3 %. Далее частицы продукта поднимаются вверх и захватываются потоком теплоносителя, скорость которого уве-

личивается вследствие уменьшения сечения, обусловленного конфигурацией полой вставки 26. В самой верхней части полой вставки 26 происходит доведение продукта до требуемой кондиции.

Установка для тепломассообменной обработки многокомпонентных продуктов имеет следующие преимущества:

- использование в качестве оборудования для механического отделения влаги декангера позволяет снизить энергозатраты на последующий процесс термической обработки многокомпонентных продуктов;

- применение в качестве оборудования для предварительной подсушки продукта транспортирующего шнека с электрическими нагревательными элементами обеспечивает снижение влажности продукта до достижения его сыпучести, что обеспечивает высокую надежность ввода продукта в массообменный аппарат;

- использование для теплового воздействия на продукт активного гидродинамического режима позволяет эффективно удалять влагу при одновременном сепарировании сыпучих частиц продукта и обеспечивать работу установки, как в режиме сушки, так и в режиме сухой перегонки органических продуктов;

- установка на выходе из массообменного аппарата последовательно дымососа, циклона, электростатического фильтра обеспечивает эффективное и надежное сепарирование и улавливание фракций готового продукта;

- использование газового теплогенератора с горелкой и компрессора с электронагревателем, а также мембранного генератора обеспечивает эффективное термическое воздействие на продукт, интенсифицируя тепломассообмен;

- соединение выходного канала мембранного генератора для обедненной кислородом воздзшной смеси с инжектором обеспечивает интенсификацию процесса влагоудаления в режиме сушки, а также эффективное и надежное осуществление тепломассообменных процессов сухой перегонки при работе установки в режиме пиролиза;

- соединение патрубка для подачи в теплогенератор природного газа с трубопроводом рециркулируемого потока отработанного теплоносителя, снабженного конденсатором, обеспечивает низкие энергозатраты путем использования получаемого в режиме пиролиза горючего газа для создания теплоносителя.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Проведенные исследования теилофизических характеристик, термического анализа и реологических свойств кизельгуро-вого шлама как объекта термической регенерации позволили осуществить разработку новых способов и режимных параметров осуществления данного процесса.

2. Проведенные экспериментальные исследования термической регенерации кизельгура позволили определить рациональные режимы проведения процесса (начальная влажность 103...106 %; расход теплоносителя 202...204 м3/ч; температура теплоносителя 510...560 °С); выявить кинетические закономерности процесса и подтвердить теоретические предпосылки повышения эффективности процесса регенерации кизелыура.

3. Разработанная математическая модель процесса позволяет адекватно описывать процессы тепло- и массообмена термической регенерации кизельгура, найти распределение температур и влагосодержания в исследуемом продукте по зонам аппарата.

4. Разработанный способ автоматического управления процессом термической регенерации кизельгура позволяет повысить точность управления и снизить энергозатраты.

5. Эксергетический анализ позволяет вскрыть резервы разработанной установки и наметить направления совершенствования конструкций и способов термической регенерации кизельгура.

6. Проведенные производственные испытания в условиях компании «Балтика» доказали высокую эффективность предложенного способа. Расчет экономической эффективности показал, что внедрение в производство аппарата является инновационно привлекательным и экономически выгодным. Предлагаемые технические решения позволяют обеспечить годовой экономический эффект 13,75 млн. руб. при сроке окупаемости 18 месяцев.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Аг - критерий Архимеда; Ми - критерий Нуссельта; Не - критерий Рей-нольдса; А - разность, приращение; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м -К); Рпн - давление насыщенного пара, Па; р - коэффициент мас-соотдачи, кг/(м2 К); е- порозность слоя; Яп - универсальная газовая постоянная, Дж/(кг'К); в- температура частицы, °С; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(мК); V - коэффициент кинематической вязкости, м2/с; рт,о - плотность частиц материала и теплоносителя, соответственно, кг/м , рср - средняя плотность частиц материала, кг/м3; ст, св - удельная теплоемкость кизельгура и теплоносителя, соответственно, Дж/(кг-К); 4Р - средний диаметр частиц, м; Б - коэффициент диффузии, м7с; / - номер шага по координате г; /- удельная поверхность твердых

частиц, м2/м3; G0, Gj-~ массовый расход теплоносителя и материала, соответственно, кг/с; г - удельная теплота парообразования, Дж/кг; S -площадь кольцевого зазора, м2; Т~ абсолютная температура теплоносителя, К; t - температура теплоносителя, °С; Vu - объемный расход теплоносителя, м3/с; W1 - влажность материала по отношению к абсолютно сухому веществу, %; х - влагосодержание теплоносителя, кг/кг; z - продольная координата, м; П - общее давление парогазовой смеси, Па.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Монография

1. Антнпов, С. Т. Научное обеспечение и разработка способа термической регенерации кизельгура для повторного использования в процессе осветления пива [Текст] / С. Т. Антнпов, Д. М. Визир, С. В. Шахов, В. В. Пойманов; Воронеж, гос. ун-т инженерных технологий. -Воронеж: ВГУИТ, 2012. -176 с.

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ

2. Об экономической эффективности нового способа термической регенерации кизельгура [Текст] / С. Т. Антнпов, В. В. Пойманов, С. В. Шахов, Д. М. Визир // Финансы. Экономика. Стратегия. - 2010. - № 12. - С. 21-24.

3. Математическая модель процесса термической регенерации кизельгура [Текст] / С. Т. Антипов, Д. М. Визир, А. В. Жучков, С. В. Шахов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2012.-№ 1.-С. 35-40.

4. Визир, Д. М. Исследование свойств кизельгура как объекта термической регенерации [Текст] / ДМ. Визир // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. -2012. - № 1. - С. 7-9.

Статьи и материалы конференций

5. Антипов, С. Т. Разработка энерго- и ресурсосберегающего способа термической обработки кизельгура (Текст] / С. Т. Анпшов, С. В. Шахов, Д М. Визир // Современные энергосберегающие тепловые технологи (сушка и термовлаж-ностная обработка материалов) СЭТТ-2011: сб. материалов IV междунар. науч.-практ. конф. - М.: Изд-во Моек гос. агроинж. ун-та им. В. П. Горячкина, 2011.-Т. 1.-С. 262-264.

6. Визир, Д. М. Разработка теппо-массообменного аппарата для регенерации кизельгурового шлама [Текст] /ДМ Вюир, С. В. Шахов, М. О. Жигулина И Биотехнологические системы в производстве пищевого сырья и продуктов: сб. материалов междунар. науч.-техн. конф. / Воронеж, гос. ун-т инженерных технологий. - Воронеж, 2011. - С. 175-177.

7. Тенденции развития комплексной переработки отходов пивоваренного производства во вторичные материальные ресурсы [Текст] / М. О. Жигулина, С. В. Шахов, Д. М. Визир, А. В. Бородины // Современные тенденции в науке: сб. материалов междунар. заочной науч.-практ. конф. - Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2011. - Ч. 9. - С. 44-45.

8. Разработка массообменного аппарата для регенерации кизельгура [Текст] / М. О. Жигулина, Д. М. Визир, А. В. Бородкина, С. В. Шахов // Развитие техники пищевых производств малых предприятий: сб. материалов регион, науч. конф. / Воронеж, гос. ун-т инженерных технологий. -Воронеж, 2011. - С. 22.

Подписано в печать 11.03.2012. Формат 60 х 84 1/16 Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 43

ФГБОУВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУВПО «ВГУИТ») Отдел полиграфии ФГБОУВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии: 394036, Воронеж, пр. Революции, 19

61 12-5/3491

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБА ТЕРМИЧЕСКОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ КИЗЕЛЬГУРА ДЛЯ ПОВТОРНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПРОЦЕССЕ ОСВЕТЛЕНИЯ ПИВА

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.18.12 - ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

На правах рукописи

ВИЗИР ДМИТРИЙ МИХАЙЛОВИЧ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук профессор Антипов С.Т.

Воронеж-2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение........................................................................................................................................................................5

Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕОРИИ И

ТЕХНИКИ СУШКИ КИЗЕЛЬГУРА......................................................................................8

1.1. Обоснование регенерации кизельгура....................................................................................8

1.2. Характеристика кизельгура..............................................................................................................................8

1.3. Анализ способов регенерации кизельгура и оборудования....................14

1.4. Способы и аппараты для проведения процессов тепло-и массообмена с использованием закрученных потоков теплоносителя..........................................................................................................................................16

1.5. Гидродинамика аппаратов с закрученными потоками теплоносителя..........................................................................................................................................28

1.6. Тепло- и массообмен при сушке влажных дисперсных материалов

в аппаратах с закрученным потоком теплоносителя............................................37

1.7. Процессы термического разложения органических веществ

в условиях ограниченного доступа кислорода........................................................................43

1.8. Основные выводы, постановка цели и задач иследования................................47

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА КИЗЕЛЬГУРА КАК ОБЪЕКТА

ТЕРМИЧЕСКОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ..........................................................................................................49

2.1. Изотермы десорбции кизельгура....................................................................................49

2.2. Определение физико-механических свойств кизельгура................................50

2.2.1. Плотность кизельгура......................................................................................................51

2.2.2. Насыпная плотность кизельгура..........................................................................51

2.2.3. Коэффициент плотности укладки..........................................................................53

2.2.4. Порозность слоя........................................................................................................................54

2.2.5. Углы естественного откоса............................................................................................54

2.2.6. Гранулометрический состав..........................................................................................55

2.3. Дифференциальный термический анализ кизельгура............................................57

2.4. Теплофизические свойства кизельгура..............................................................................61

2.5. Исследование реологических свойств кизельгура....................................................69

Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ТЕРМИЧЕСКОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ КИЗЕЛЬГУРА........................... 72

3.1. Описание процесса термической регенераци в тепломассообменном аппарате...................................................................................... 72

3.2. Моделирование процесса сушки кизельгура................................ 73

3.3. Программа расчета процесса сушки кизельгура.............................. 78

3.4. Анализ результатов моделирования процесса сушки кизельгура........ 81

3.5. Моделирование процесса нагревания частиц до температуры пиролиза органической массы................................................. 85

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА

ТЕРМИЧЕСКОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ КИЗЕЛЬГУРА..................... 86

4.1. Экспериментальные исследования процесса предварительного подсушивания для обеспечения сыпучих свойств кизельгурового шлама................................................................................ 86

4.1.1. Исследование кондуктивного способа сушки кизельгурового шлама........................................................................... 86

4.1.2. Исследование процесса ИК-сушки кизельгурового шлама...... 89

4.2. Экспериментальные исследования процесса сушки во взвешенном

слое с активным гидродинамическим режимом.............................. 91

4.3. Экспериментальные исследования пиролиза кизельгурового шлама... 94

4.3.1. Описание экспериментальной установки и принципа ее работы.. 94 4.3.2 Описание работы установки и методика проведения экспериментов.. 96

4.3.3. Результаты экспериментальных исследований процесса пиролиза кизельгурового шлама пивоваренного производства... 102

4.4. Создание пилотной экспериментальной установки для осуществления

термической регенерации кизельгура в активном гидродинамическом режиме и ее апробация в промышленных условиях................ 106

4.4.1 Конструкция и принцип действия пилотной экспериментальной

установки для осуществления термической регенерации кизельгура. 106

4.4.2. Определение оптимальных параметров работы установки......... 112

4.4.3. Анализ регрессионных моделей.......................................... 115

4.4.4. Многофакторный статистический анализ процесса.................. 116

4.5. Исследование качественных показателей кизельгура в процессе осветления пива.................................................................... 126

Глава 5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................... 129

5.1. Термодинамическая оценка эффективности процесса

термической регенерации кизельгура.......................................... 129

5.1.1. Энергетический анализ процесса регенерации кизельгура............ 129

5.1.2. Эксергетический анализ процесса регенерации кизельгура.......... 134

5.2. Новые технические решения обеспечения процесса термической регенерации кизельгура............................................................ 142

5.2.1. Печь для термической регенерации адсорбента...................... 142

5.2.2. Установка для тепло-массообменной обработки

многокомпонентных продуктов................................................. 146

5.2.3. Способ автоматического регулирования процессом

термической регенерации кизельгура.......................................... 153

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ............................. 166

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................................. 167

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................ 177

ВВЕДЕНИЕ

На предприятиях пивоваренной отрасли наибольшее распространение получили кизельгуровые фильтры: они надежны, просты в устройстве и экономически выгодны.

Однако существует ряд проблем, связанных с использованием кизельгура: ограниченность ресурсов высококачественного диатомита, а также большие расходы на утилизацию. Поэтому в настоящее время ученые сосредоточили усилия на следующих направлениях: поиск новых методов регенерации кизельгура; использование альтернативных материалов и оборудования для фильтрования.

При использовании в среднем 1 кг кизельгура на 30 л пива ежегодно производится несколько тысяч тонн кизельгурового шлама, который предприятия за собственные средства должны утилизировать. Однако проблема состоит в том, что кизельгуровые отходы ввиду значительного количества связанного азота могут привести к накоплению в земле и воде нитратов.

Одним из перспективных направлений является термическая регенерация кизельгура. При этом образуется материал, который снова может использоваться для фильтрации пива. Однако высокие температуры ведут к качественным изменениям продукта. Доля пригодного кизельгура составляет, в большинстве случаев, малую величину. Поэтому разработка тепло- и ресурсосберегающего способа термической регенерации кизельгура, режимные параметры которого обеспечивают высокие качественные показатели регенерируемого кизельгура с точки зрения его повторного использования в процессе осветления пива является актуальной задачей.

Данная работа выполнена в рамках приоритетных направлений развития науки и техники в пищевой отрасли, в рамках государственного контракта № 16.515.11.5008 между Департаментом приоритетных направлений науки и технологий Министерства образования и науки Российской Федерации и Общества с ограниченной ответственностью «ТЕХИНМАШ» по теме: Проведение прикладных исследований в области технологии переработки и утилизации отходов производства пищевых и кормовых продуктов», а также в рамках государственного кон-

тракта № П459; Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» по теме «Разработка энергосберегающих технологий и оборудования».

Цель и задачи диссертационной работы. Целью работы является научное обеспечение и разработка способа термической регенерации кизельгура для повторного его использования в процессе осветления пива и разработка инновационных технологических и конструкторских решений при практической реализации процесса.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- анализ современного состояния технологии и техники для регенерации кизельгура;

- изучение основных качественных параметров кизельгура как объекта термической регенерации;

- синтез и анализ математической модели термической регенерации кизельгура;

- разработка методик и экспериментальной установки для исследования процесса термической регенерации кизельгура и осуществление исследований, подтверждающих теоретические предпосылки повышения эффективности процесса термической регенерации;

- численное решение математической модели и сравнение полученных теоретических зависимостей с экспериментальными данными;

- осуществление термодинамической оценки эффективности процесса термической регенерации путем его эксергетического анализа;

- разработка технических решений для реализации высокоэффективного процесса термической регенерации и создание системы автоматического управления данным процессом.

Научная новизна. Исследовано влияние влажности кизельгура на изменение его физико-механических свойств как объекта термической регенерации. На основании дифференциального термического анализа и теплофизических исследований выделены температурные интервалы влагоудаления, изучен механизм прогрева материала в зависимости от начальной влажности. Исследова-

но поведение влажного кизельгура во взвешенно-закрученном режиме. Исследованы кинетические закономерности обезвоживания кизельгура в аппарате с закрученным потоком фаз. Разработана математическая модель, описывающая движение и обезвоживание частицы кизельгура под воздействием закрученного потока теплоносителя.

Практическая значимость работы заключается в разработке способа регенерации кизельгура во взвешенно-закрученном потоке.

Разработаны оригинальные конструкции установок, позволяющих осуществить процесс термической регенерации в активном гидродинамическом режиме.

Новизна технических решений подтверждена положительное решением о выдаче патента РФ на изобретение по заявке № 2011104755, заявл. 09.02.2011.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях (г. Воронеж, 2010, 2011); (г. Москва, 2011), отчетных научных конференциях ВГТА (г. Воронеж, 2010-2011).

Результаты работы экспонировались на постоянно действующих межрегиональных выставках г. Воронежа: II областной выставке инновационных проектов «Промышленность Воронежской области 2010»; «Продторг 2011»; «Пивной сезон. Напитки 2011»; VI международной выставке «Агротехмаш-2011» и отмечены 3 дипломами выставок.

Результаты работы используются в учебном процессе в качестве материалов курсового и дипломного проектирования.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 1 монография и 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 176 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает 137 наименований. Приложения к диссертации представлены на 20 страницах.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕОРИИ И ТЕХНИКИ СУШКИ КИЗЕЛЬГУРА

1.1. Обоснование регенерации кизельгура

На предприятиях пивоваренной отрасли наибольшее распространение получили кизельгуровые фильтры: они надежны, просты в устройстве и экономически выгодны.

Однако существует ряд проблем, связанных с использованием кизельгура: ограниченность ресурсов высококачественного диатомита, а также большие расходы на утилизацию [23, 27].

Поэтому в настоящее время ученые сосредоточили усилия на следующих направлениях: поиск новых методов регенерации кизельгура; использование альтернативных материалов и оборудования для фильтрования.

При использовании в среднем 1 кг кизельгура на 30 л пива ежегодно производится несколько тысяч тонн кизельгурового шлама, который предприятия за собственные средства должны утилизировать. Однако проблема состоит в том, что кизельгуровые отходы ввиду значительного количества органического связанного азота могут привести к накоплению в земле и воде нитратов [14].

Одним из перспективных направлений является термическая регенерация кизельгурового шлама. При этом образуется кизельгур, который снова может использоваться для фильтрации пива. Однако высокие температуры ведут к качественным изменениям продукта. Доля пригодного кизельгура составляет в большинстве случаев невелика [27].

1.2. Характеристика кизельгура

Кизельгур (диатомит, инфузорная земля, горная мука) - осадочная горная порода, состоящая преимущественно из раковинок диатомовых водорослей, состоящих из диоксида кремния (8Ю,). Остатки диамитов - океанических отложений одноклеточных водорослей образуют в кизельгуре микроскопически тонкую структуру. Таких водорослей насчитывается более 15 ООО видов. Миллионы лет назад они покрывали дно морей и океанов в таком количестве, что с течением времени образовался их толстый слой [121].

Обычно рыхлый или слабо сцементированный, светло-серого или желтоватого цвета. В различных количествах в кизельгуре встречаются шарики (глобулы) опала, а также обломочные и глинистые минералы. Химически кизельгур на 96 % состоит из водного кремнезёма (опала). Диатомит обладает высокой термостойкостью, при нагревании до температуры свыше 870 °С он спекается. Плотность диатомита около 330 кг/м3. Точка плавления чистого диатомита 1500... 1600 °С [134].

Применение кизельгура (диатомита) в промышленности связано с его особыми свойствами - низкой плотностью, высокой пористостью (60...65 %) и химической инертностью. Кизельгур очень гигроскопичен (водопоглоще-ние 105 %), высушенный продукт набирает влагу из воздуха до 15 %. Химический состав кизельгура непостоянен: 70...90 % кремнезема; 3...12 % глинозема; 0,6...8 % РеО, 1 ...3 % СаО и 0,5...25 % М§0 [136].

Рис. 1.1. Грубый кизельгур (увеличение примерно хЮОО)

Рис. 1.2. Вид кизельгура под микроскопом: а - природный; б - измельченный

Кизельгур добывают: в Ломпоке, Калифорния; в Халиско, Мексика; в Мювате, Исландия; в Мюрате, Франция; в Аликанте, Испания; в Арпке, Чили; в двух областях в Китае [130].

В России самым известным предприятием по добыче кизельгура является расположенный в городе Инза Ульяновской области ООО «Диамитовый комбинат». Кроме того, кизельгур производится и в Калужской, Костромской, Пензенской, Ростовской, Свердловской и других областях.

Мировым же лидером по добыче кизельгура и других похожих материалов для фильтрации является американская компания World Minerals.

Разработка месторождения обычно происходит открытым способом. Кизельгур выкапывают мощными экскаваторами, сортируют по качеству и вывозят на гигантских грузовиках в хранилища под открытым небом. Обработка кизельгура возможна тремя способами.

Первый способ (высушенный кизельгур). Материал размельчается и высушивается при 400 °С в роторных трубчатых печах. При такой обработке сохраняется естественная форма оболочки диатомитов и ее пористость, позволяющая изготовить кизельгур для самого тонкого фильтрования.

Второй способ (прокаленный кизельгур). Высушенный материал нагревают до 800 °С. Внешние поверхности кизельгура спекаются, образуя крупные частицы. Внутренняя пористая структура и ее фильтрационная активность остается без изменений.

Третий способ (кальцинированный под флюсом кизельгур). Для приготовления еще более быстро фильтрующего кизельгура к сырому диатомиту в печь добавляют в качестве флюса хлорид или карбонат натрия. Температура плавления диоксида кремния (из которого состоят диатомиты) увеличивает-

ся, и кизельгур накаляется до 800...900 °С. Из-за спекания возникают крупные конгломераты. Неорганические включения (например, оксиды железа или алюминия) переходят в трудно растворимую смесь силикатов и придают крупному, кальцинированному под флюсом кизельгуру почти безупречно белый цвет. Грубый кизельгур используется преимущественно для нанесения предварительного слоя. Скорость фильтрования в основном зависит от крупности кизельгура. Чем мельче кизельгур, тем прозрачнее фильтрат, но т