автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Процессы фильтрования суспензий и обезвоживания осадков на промышленных вакуум-фильтровальных установках непрерывного действия

На правах рукописи

Ширяева Елена Васильевна

ПРОЦЕССЫ ФИЛЬТРОВАНИЯ СУСПЕНЗИЙ И ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ОСАДКОВ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ВАКУУМ-ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 7 ОПТ 2011

Москва -2011

4858275

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет инженерной экологии» (ФГБ ОУ ВПО МГУИЭ)

Научный руководитель: кандидат технических наук, в. н. с.

Гутин Юрий Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Малышев Роман Михайлович

кандидат технических наук Рейнфарт Виктор Викторович

Ведущая организация: ОАО «НИИхиммаш», г. Москва

00

Защита состоится «17» ноября 2011 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д. 212.145.01 в Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4, аудитория имени Л.А. Костандова (Л-207).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУИЭ

Автореферат разослан «17» октября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Трифонов С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Фильтровальные установки с вакуум-фильтрами непрерывного действия применяются во многих отраслях промышленности, в том числе горнорудной, горнохимической, золотодобывающей и других, для обезвоживания основных продуктов, а также при обработке сточных вод.

Фильтрование является одним из наиболее распространённых процессов, применяемых при обработке различающихся по своим свойствам продуктов.

В том случае, если при фильтровании суспензии образуется достаточное количество осадка, как правило, осуществляется его обезвоживание.

Обезвоживание осадков по сравнению с процессом фильтрования исследовано ещё недостаточно полно. Знание основных закономерностей процесса обезвоживания необходимо для определения рационального режима работы фильтра, расчёта его коллекторной системы, а также для правильного выбора вспомогательного оборудования: вакуум-насосов, ресиверов, ловушек, обеспечивающих надёжную работу аппарата и получение заданных показателей по производительности и влажности осадка. В связи с этим исследование процесса обезвоживания, разработка методов определения расхода воздуха и получаемой при этом влажности осадка являются одной из актуальных задач современной теории и практики промышленного фильтрования.

Наиболее рациональный выбор комплектующего оборудования в фильтровальных установках для многотоннажных производств во многом определяет их эффективность, получаемую производительность и экономичность работы всего фильтровального отделения.

Например, для типового отделения фильтрования железорудной промышленности, включающего 20 фильтров с поверхностью 100 м2 каждый, расход электроэнергии при создании требуемого вакуума может составлять 8000 кВт/ч (при суммарной производительности 4000 м3/мин). Это 15 вакуум-насосов производительностью до 300 м3/мин каждый.

Цель работы. Основной задачей настоящей работы являлось исследование и установление экспериментальных закономерностей процессов разделения суспензий и обезвоживания получаемых осадков, а также выявление основных факторов, влияющих на производительность и эффективность работы промышленных фильтров и фильтровальных установок.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие основные задачи:

1. Исследовать влияние начального периода разделения промышленных суспензий на ход последующего процесса фильтрования; получить закономерности, описывающие процесс разделения промышленных суспензий с учётом начального периода времени.

2. Исследовать влияние удельного сопротивления слоя осадка на течение процессов фильтрования и обезвоживания осадков, разработать методы определения расходов воздуха, необходимых для обеспечения требуемой степени обезвоживания, а также для выбора комплектующего оборудования.

3. Исследовать процесс просушки осадков на фильтрах, разработать методики расчёта параметров процесса обезвоживания и определения наиболее рациональных режимов и условий проведения просушки на фильтре.

4. Разработать методику создания комплектных фильтровальных установок с наиболее рациональной энергоёмкостью комплектующего оборудования (вакуум-насосов и др.).

Научная новизна работы:

1. Предложено уравнение для описания процесса разделения промышленных суспензий в начальный период времени.

2. Получена эмпирическая зависимость коэффициента Козени-Кармана от среднего диаметра частиц твёрдой фазы разделяемых концентратов.

3. Получено эмпирическое уравнение для кинетики обезвоживания осадков разделяемых суспензий.

4. Получена зависимость для определения величины расхода воздуха на вакуум-фильтрах при проведении процесса обезвоживания осадков на фильтровальных перегородках с учётом свойств обрабатываемой суспензии и её твёрдой фазы.

Практическая значимость и реализация результатов.

Предложенные методики определения параметров процессов фильтрования и обезвоживания были использованы при разработке конструкции дискового вакуум-фильтра ДОО-ЮО-2,5, изготовление которого начато ЗАО «РудГорМаш» (г. Воронеж) по технической документации ЗАО «Инжиниринг фильтр», и при проектировании фильтровальных отделений промышленных комбинатов металлургической и золотодобывающей промышленности.

Защищаемые положения:

1. Аналитическая зависимость для описания процесса фильтрования промышленных суспензий в начальный период времени, с целью более точного нахождения параметров процессов фильтрования и обезвоживания при последующем расчёте фильтров.

2. Эмпирическая зависимость удельного сопротивления слоя осадка от структурных свойств суспензии в соответствии с уравнением Козени-Кармана.

3. Эмпирическая зависимость для кинетики обезвоживания осадков разделяемых суспензий.

4. Аналитическая зависимость для определения величины расхода воздуха на вакуум-фильтрах.

Апробация работы и научные публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научной конференции студентов и молодых ученых МГУИЭ (г. Москва, 2009), XXII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-22» (г. Иваново, 2009). По теме диссертации опубликовано 4 работы, в том числе 2 работы - в журнале из списка, рекомендуемого ВАК РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений. Работа содержит 119 страниц основного текста, включая 27 рисунков, 13 таблиц и список литературы из 72 наименований. Приложения размещены на 11 страницах.

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложены цель, основные задачи исследований, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор современного состояния теории и практики фильтрования суспензий и обезвоживания осадка. Представлен краткий анализ работ по данному направлению с обобщением результатов отечественных и зарубежных учёных: Брука O.JL, Шланова Н.В., Малиновской Т.А., Жужикова В.А., Минца Д.М., Tiller F.M., Mead W. J., Nicolaou I. и др. авторов.

Во второй главе освещены основные закономерности и соответствующие параметры процессов фильтрования и обезвоживания.

Процесс фильтрования может протекать по одному из следующих типовых законов: 1) по закону фильтрования с образованием осадка; 2) по промежуточному закону; 3) по стандартному закону или закону с постепенным закупориванием пор; 4) по закону фильтрования с полной закупоркой пор, который можно

было бы назвать законом фильтрования с уменьшением числа открытых пор фильтра.

Наименее желательно фильтрование с закупориванием пор, так как сопротивление фильтровальной перегородки при этом быстро возрастает, а скорость процесса падает. Регенерация фильтровальной перегородки в этом случае сильно осложняется, а иногда вообще становится невозможной. Поэтому процесс фильтрования стараются проводить по закону с образованием осадка.

В настоящее время для описания процесса фильтрования с образованием осадка широко используется уравнение Рута-Кармана (общее дифференциальное уравнение фильтрования):

у _ _ Р = Р (1)

с/г + ¡}) ц{ищсрУ + р)

При этом среднее удельное объёмное сопротивление осадка ауср определяется по формуле:

2Ьр82 • V пл

¿"¿¡ос

А сопротивление фильтрующей ткани, отнесённое к единице вязкости, - по формуле:

в = аЩ'ср '8„с

Р 2 Ы5-Г

В этом случае ауср можно представить в виде:

Из уравнения (4) видно, что параметры, характеризующие фильтровальную перегородку, оказывают влияние на структуру осадка, а значит, и на ход процессов фильтрования и обезвоживания.

Уравнением (1) в настоящее время наиболее достоверно описывается процесс фильтрования промышленных суспензий при постоянном давлении. Оно является справедливым для несжимаемых гаи малосжимаемых осадков.

Процесс фильтрования выбранных суспензий также проводился по закону с образованием осадка.

В ходе исследований было установлено, что в начальный период процесса фильтрования может наблюдаться отклонение от установленного закона, поскольку в это время происходит формирование сопротивления фильтрующей перегородки и образование на ней осадка. При этом поры фильтрующее перегородки частично закупориваются, что приводит к значительному снижению скорости фильтрования.

В общем случае для описания закономерностей процесса фильтрования в начальный период времени нами было получено следующее уравнение:

.'2 "

dVL _ К • р „ ,руп

—----пк -ехр

ах ц

F„-P M

K4-Fc+B4- Fcl • ~y

(5)

Данное уравнение учитывает параметры, характеризующие суспензию и фильтровальную перегородку.

Поэтому, в конечном итоге, правильнее было бы описывать процесс фильтрования не уравнением (1), а следующим уравнением, полученным на основании проведённых исследований:

dv' Р «л V =-= —7---^ (о)

àr ju(ROCMa4 + Roc + р)

При практических расчётах процессов фильтрования необходимо знать такие параметры, как удельное сопротивление слоя осадка и сопротивление фильтрующей перегородки. Обычно эти параметры определяются экспериментально, в зависимости от изменения объёма прошедшего фильтрата по времени (уравнения (1) и (4)).

Вместе с тем, существует возможность нахождения удельного сопротивления осадка с учётом параметров, определяющих его структуру.

Для общего случая монодисперсной суспензии известна зависимость Козени-Кармана, связывающая между собой удельное сопротивление осадка, порозность, размер частиц или удельную поверхность осадка:

_ A'-{l-£ocT (1\

aVcP~ 3,2 2 К '

£ос О

Уравнение (7), в отличие от уравнения (4), позволяет предварительно оценивать величину удельного сопротивления слоя осадка до начала процесса фильтрования - в зависимости от структурных свойств разделяемой суспензии.

Согласно литературным данным, величина коэффициента А " в уравнении (7) находится в диапазоне значений 150 4- 300 у различных авторов. Данные значения справедливы для расчёта колонн, насыпных фильтров со средним диаметром частиц 3,5 0,5 мм (3500 + 500 мкм).

Вместе с тем, в последнее время происходит изменение свойств руд, в первую очередь из-за снижения крупности измельчения. В частности, если ранее средний размер частиц обрабатываемых

суспензий составлял порядка 70 мкм, то сейчас этот показатель составляет 30 40 мкм (а для исследованных суспензий 20 -ь 30 мкм).

Поэтому был сделан вывод, что значение коэффициента А' нуждается в уточнении.

В третьей главе освещены вопросы моделирования процессов фильтрования промышленных суспензий и обезвоживания осадков на лабораторных установках. Изложены методики проведения исследований, выбора и расчёта фильтров, выбора продуктов исследования и фильтрующих материалов.

В проведённых исследованиях моделирование процессов фильтрования и обезвоживания суспензий осуществлялось на экспериментальной установке 'ТШгеЛезГ (рис. 1).

Рис. 1. Схема установки 'ТНй^еБ?': 1 - трехходовой кран для начала и остановки процесса фильтрования; 2 - мановакуумметр; 3 -трехходовой кран для задания давления фильтрования или отображения давления в фильтрующей ячейке; 4 - фильтрующая ячейка; 5 - ротаметры доя измерения расхода воздуха; 6 - байпасная линия; 7 - кран шаровой; 8 - регулятор давления; 9 - воздушный фильтр; 10 - влагоотделитель; 11 - весы электронные; 12 - ёмкость для сбора фильтрата; 13 - персональный компьютер

Установка 'ТИй^еэГ включает в себя: фильтрующую ячейку 4, мерную емкость 12 для сбора фильтрата, электронные аналитические весы 11, мановакуумметр 2 для контроля давления, трёхходовой кран 1

для начала и остановки процесса фильтрования, персональный компьютер (ПК) 13 для непрерывной регистрации показаний измерений. Полученные на ПК данные обрабатываются и производится определение закона фильтрования и параметров процесса по разработанной методике с помощью компьютерной программы.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований. Проведён анализ полученных результатов и даны рекомендации для промышленных предприятий по разработке конструкций фильтровального оборудования.

Исследования, проведённые на выбранных суспензиях, в частности, на медном концентрате, показали, что в начальный период времени наблюдается отклонение закона фильтрования от закона с образованием осадка. Фильтрование проводилось на лабораторной установке 'ТНй^евГ под вакуумом. Были произведены замеры объёма фильтрата по времени в 15 точках. Толщина слоя осадка по завершению процесса фильтрования составила 12 мм. Результаты представлены на рис. 2 и соответствуют уравнению (5).

с

м б 10е

55 10е

г

V 510е

«■и*

4 10*

2т"в лир бю"' 8ю"' ш"' то"' ню"5 м-нр ила' м"5

т V

Рис. 2. Зависимость у(У) для суспензии медного концентрата

В ходе дальнейших экспериментов проводились исследования структуры отфильтрованных осадков для определения влияния основных факторов на процессы обезвоживания и фильтрования.

При этом в качестве фильтровальной перегородки использовалась ткань БеГаг 05-25141-8К062.

Были проведены исследования на модельной суспензии, твёрдой фазой которой являлись стеклянные микросферы, а также на реальных железорудных концентратах, концентратах цветных металлов и шламах золотодобывающей промышленности. Определение гранулометрического состава использованной в исследованиях модельной суспензии, твёрдой фазой которой являлись стеклянные микросферы, осуществлялось с помощью лазерного дифрактометра МбсИ Апа1у5ейе 22 КапоТесЬ при диспергировании в воде и воздухе.

Было установлено, что форма частиц отличается от сферической. При этом отношение высоты частиц к диаметру составило 1,609 и 1,292 при диспергировании в воздухе и воде, соответственно. Для дальнейшего расчёта параметров процесса фильтрования использовались полученные данные по воздуху, наиболее точно соответствующие реальным значениям размеров частиц.

Модельная суспензия была подобрана таким образом, чтобы средний диаметр частиц её твёрдой фазы был близок к среднему диаметру частиц получаемых концентратов. Было установлено, что значение коэффициента А" для модельной суспензии со средним диаметром твёрдых частиц 23,7 мкм можно принять равным 1500. Для железорудных концентратов и концентратов цветных металлов, шламов золотодобывающей промышленности со средним размером твёрдых частиц 20*30 мкм коэффициент А' изменяется в пределах 2000*1500 (рис. 3). Погрешность представленных данных находится в доверительном интервале ± 8 %. Как следует из графика на рис. 3, для осадков, образованных грубодисперсными частицами (200+500 мкм), значения константы Козени-Кармана будут ниже, порядка 180+150, что согласуется с результатами, полученными ранее другими исследователями. Для описания представленной на графике зависимости было получено следующее эмпирическое уравнение:

А' = 2,1 • 103 ■ ехр(1,3 ■ 107 • 4 -1,2 • 104 • й,р). (8)

На рис. 4 представлена зависимость удельного сопротивления слоя осадка от среднего диаметра частиц осадка модельной суспензии {еос = 0,395 м /м ), а на рис. 5 - зависимость удельного сопротивления слоя осадка от порозности осадка {с!ср = 24 мкм). При этом теоретические значения ау найдены согласно уравнению (7). Погрешность представленных данных находится в доверительном интервале ± 15 %.

Порозность осадка определялась теоретически, по известным формулам, как отношение объёма свободного пространства между частицами к объёму слоя осадка. А средний диаметр частиц осадка - с

помощью лазерного дифрактометра Рг^сЬ Апа1уБеПе 22 ИапоТесЬ при диспергировании в воде и воздухе. Гранулометрическое распределение размеров частиц осадка модельной суспензии при диспергировании в

¿ср

Рис. 3. Влияние среднего диаметра частиц осадка железорудного концентрата на коэффициент Козени-Кармана

но"5 то"3 мо"5 ала"5 з-ю"5 з.5-ш"3 4-т'3 »

Рис. 4. Удельное сопротивление слоя осадка в зависимости от среднего диаметра частиц осадка модельной суспензии

В том случае, если при фильтровании суспензии образуется достаточное количество осадка, как правило, осуществляется его последующая просушка. Кинетика процесса обезвоживания осадка суспензии медного концентрата (рс = 40000 Па; 80С = 5,5 мм)

представлена на рис. 7. Погрешность представленных данных находится в доверительном интервале ± 10 %. ■Г3 314"

2.5 Ш

СС.у

5 10

Рис. 5. Удельное сопротивление слоя осадка в зависимости от порозности осадка модельной суспензии

Обычно обезвоживают фильтрах воздухом или

осадок на

продувкой инертным

ига м> кии гая

Рис. 6. Распределение размеров частиц осадка модельной суспензии при диспергировании в воздухе

газом, иногда паром. Необходимый расход воздуха можно определить по формулам,

предложенным Фёдоровым и

Малиновской. Они

рассматривали движение двухфазного потока

воздух - жидкость в порах осадка. При этом на границе соприкосновения фаз возникают капиллярные силы, способствующие удерживанию влаги и повышению влагосодержания осадка.

№со1аои I. был предложен другой способ определения расхода воздуха, основанный на определении не удельного сопротивления осадка аУср, а его проницаемости, с использованием поправочных коэффициентов.

Определение расхода воздуха по уравнениям, предложенным №со1аои, Фёдоровым и Малиновской, дают близкие результаты. Для практических целей при определении полезного расхода воздуха

можно использовать эмпирическую зависимость (9), полученную на основании проведённых нами исследований по обезвоживанию осадков, с учётом свойств суспензий и получаемых осадков, конструктивных особенностей фильтра и начального периода процесса фильтрования:

0,002 • Кп ■ рс ■ (1 — т) ■ (рс

Мв ■

а,

_ср

К,

■(0,5.9г.Г+ *-)+-

(9)

% масс.

( — - теоретическая

| ■ м кривая □ □ - экспериментальные значения

\\ N —- - границы | доверительного

интервала

— ^ .д_Л

! —|— ---- ---

1,08 -ё,

-2,74

Рс-Тс'16

0 20 40 60 80 100 120 с

Рис. 7. Кинетика процесса обезвоживания осадка суспензии медного концентрата

На рис. 8 и 9 представлено влияние порозности осадка (с1ср = 24 мкм; 6Ж = 12 мм) и среднего диаметра частиц (еос = 0,395 м3/м3; дос = 12 мм), а на рис. 10 - среднего удельного массового сопротивления осадка модельной суспензии на величину расхода воздуха на вакуум-фильтрах. Теоретические значения 0« получены согласно уравнению

(9). Погрешности представленных данных находятся в доверительном интервале ± 20 %.

Таким образом, на основании параметров процессов фильтрования и обезвоживания осадка, определённых по разработанной методике, можно установить влияние на них основных факторов - размера частиц твёрдой фазы, а также порозности осадка. Порозность осадка во многом определяет количество получаемого фильтрата и, соответственно, расход воздуха, необходимый при проведении процесса просушки.

В том случае, если сопротивление фильтрующей перегородки /3 -» 0, уравнение для определения расхода воздуха на вакуум-фильтрах упрощается и принимает следующий вид:

0,002 /у (!-«)•#

ср

к,

2

М 'Ьшн

— -теоретическая

кривая I о □ .1- экспериментальные ; / значения |

------ - границы......

доверительного ---------- интервала {-......- - /•

0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.53

Рис. 8. Расход воздуха на вакуум-фильтре в зависимости от порозности осадка модельной суспензии

—- -¡теоретическая кривая □ □ - эксперимента! значения | ! I — ---границы доверительно«: интервала ^ '. с ьные / у .у.:—

! --З^- '''

15-11)"' МО"3 25 Ш_3 З Ю"1 3.5 ю"3 4-Ю"3 м

Рис. 9. Расход воздуха на вакуум-фильтре в зависимости от среднего диаметра частиц осадка модельной суспензии

Сопротивлением фильтровальной перегородки можно пренебречь в следующих случаях; 1) расчёт ведётся для общей оценки структуры получаемого осадка; 2) при фильтровании используются перегородки с малым сопротивлением (металлические или синтетические сетки); 3) если надо прогнозировать величину расхода

воздуха на основании предварительно проведённых опытов, но при другой толщине слоя осадка, отличающейся от полученной экспериментально не более, чем на 10-20 %.

МО'" 2 -10 310'" 4-10'" У10'" 6 10 7 10'" -

а

Рис. 10. Расход воздуха в зависимости от удельного среднего массового сопротивления слоя осадка модельной суспензии

—- - теоретическая

кривая □ О - экспериментальные значения

---- -границы

доверительного интервала ;

Из уравнения Козени-Кармана (7) следует, что с увеличением степени измельчения промышленных концентратов, удельное сопротивление осадка ауср возрастает. Следовательно, возрастает и влажность промышленного осадка, а производительность падает.

Расчёт фильтров Согласно проведённым исследованиям, расчёт и выбор фильтров непрерывного действия для разделения промышленных суспензий можно проводить по схеме, представленной на рис. 11.

В зависимости от полученного значения находится полный расход воздуха, производится выбор вакуум-насосов и другого комплектующего оборудования по каталожным данным.

Основные выводы и результаты.

1. Получено уравнение для описания процессов разделения промышленных суспензий с учётом возможного изменения параметров фильтрования в начальный период времени.

2. Предложена зависимость, полученная на основании уравнения Козени-Кармана, для определения сопротивления слоя осадка, образованного при разделении суспензий с тонкодисперсной твёрдой фазой.

Рис. 11. Алгоритм расчёта фильтров непрерывного действия. Примечание. Параметры, заключённые в параллелограмм, определяются экспериментально. Параметры, заключённые в прямоугольные рамки, вычисляются по стандартным или предложенным формулам.

3. Установлено влияние на параметры процессов фильтрования и обезвоживания осадков основных факторов обрабатываемой суспензии - размера частиц твёрдой фазы и порозности получаемого осадка.

4. Предложено эмпирическое уравнение для определения коэффициента А' в уравнении Козени-Кармана в зависимости от среднего диаметра частиц твёрдой фазы разделяемых суспензий.

5. Получено эмпирическое уравнение для кинетики процесса обезвоживания осадков разделяемых концентратов.

6. Получена зависимость для определения величины расхода воздуха на вакуум-фильтрах.

7. Предложенные методики выбора наиболее рационального комплектующего оборудования могут быть использованы при проектировании фильтровальных отделений промышленных комбинатов с дисковыми вакуум-фильтрами.

Принятые обозначения

а..т ■ и

а = —^— - удельное сопротивление осадка массовое среднее, м/кг; * <7т

ауср - удельное сопротивление осадка объёмное среднее, м"2; Р - сопротивление фильтровальной перегородки, отнесённое к единице вязкости, м"1;

4с - толщина слоя осадка, м;

¿Фп- толщина фильтрующей перегородки, м;

sm - порозность осадка;

Ефл - пористость фильтрующей перегородки;

/л - вязкость динамическая суспензии, Па-с;

/4 - вязкость динамическая воздуха, Па-с;

р-м - плотность жидкой фазы при температуре фильтрования, кг/м3;

p0ç - плотность отфильтрованного влажного осадка, кг/м3;

/^-плотность твердой фазы, кг/м3;

г - время фильтрования, с;

<р - угол сектора зоны фильтрования на вакуум-фильтре непрерывного действия, град.;

<Рс - угол сектора зоны обезвоживания осадка на вакуум-фильтре

непрерывного действия, град.;

цг- коэффициент, зависящий от формы частиц;

А' - константа Козени-Кармана;

а - постоянная в уравнениях фильтрования, с-м"3;

b - постоянная в уравнениях фильтрования, с-м"6;

й,-доля частиц с радиусом г"ср меньше радиуса поры гк;

ст - концентрация суспензии по массе, кг/кг, dcp - диаметр средний частиц осадка, м;

F = - параметр, характеризующий процесс фильтрования с

^ср

образованием осадка, кг/м2;

Р _ 3- параметр, характеризующий фильтрующую перегородку, м3;

" ~ Ч,

F _ сп и р - с»> - параметры, характеризующие фильтруемую суспензию, кг"1;

К3 - коэффициент снижения производительности фильтра в результате забивки пор фильтрующей поверхности;

К - ^Р.6 - коэффициент пересчёта расхода воздуха к

" 2 {p6-pc)Tsr

различным условиям его физического состояния; Кч - доля частиц с радиусом г'чср больше радиуса поры гк;

m ~ . насыщение осадка жидкостью;

w(l00-w)

пк - число капилляров, приходящихся на 1 м2 поверхности, м"2;

р - перепад давления при фильтровании, Па;

Ра - барометрическое давление газа на входе в осадок, Па;

рс - перепад давлений при просушке, Па;

Q - производительность фильтра по фильтрату, м3/с;

Q" - производительность фильтра удельная по фильтрату, м3/(м2-с);

Q'e - полезный расход воздуха на вакуум-фильтрах удельный, м

qT - масса твёрдой фазы, отлагающейся при получении 1 м3 фильтрата, кг/м3;

R - сопротивление фильтрованию, отнесённое к единице вязкости, общее, м"1;

RM - сопротивление слоя осадка, отнесённое к единице вязкости, м"1; р

Яос нач =- - сопротивление слоя осадка в начальный период

M ' vna4

времени, отнесённое к единице вязкости, м"1; гк - рад иус поры (капилляра) осадка, м; S- площадь фильтрующей поверхности, м2;

Та - температура воздуха при давлении, для которого пересчитывается

расход воздуха, средняя, К;

Tsr - температура воздуха в осадке, средняя, К;.

и - отношение объёма отфильтрованного влажного осадка к объёму полученного фильтрата; V- объём фильтрата, м3;

К' - объём фильтрата, получаемого с единицы фильтрующей поверхности, м3/м2;

V'lct4 - объём фильтрата, получаемого с единицы фильтрующей поверхности в начальный период времени, м3/м2; v - скорость фильтрования мгновенная, м/с;

vm4 - скорость фильтрования в начальный период процесса разделения суспензии, мгновенная, м/с;

w - содержание жидкой фазы в осадке до просушки, % масс.; w"- содержание жидкой фазы в осадке после просушки, % масс. Основное содержание диссертации представлено в следующих публикациях:

1. Ширяева Е.В., Гутин Ю.В., Аксёнов A.A. Определение параметров процессов фильтрования и обезвоживания осадков в промышленных фильтрах // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2008. №11. - С. 5 - 9.

2. Ширяева Е.В., Гутин Ю.В. Методы выбора основного и комплектующего оборудования для промышленных вакуум-фильтровальных установок // Химическое и нефтегазовое машиностроение. -2010. №5. - С. 33 -37.

3. Ширяева Е.В., Гутин Ю.В. Уточнённый расчёт параметров процессов фильтрования и обезвоживания осадка при создании вакуум-фильтровальных многотоннажных установок И Научная конференция студентов и молодых учёных МГУИЭ: Тезисы докладов. - М.: МГУИЭ, 2009. - С. 3 - 4.

4. Ширяева Е.В., Гутин Ю.В. Влияние структуры отфильтрованных осадков на параметры процессов фильтрования и обезвоживания // Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-22: сб. трудов XXII Междунар. науч. конф.: в 11 т. Т. 11: Летняя Школа молодых ученых. - Иваново: изд-во Ивановского гос. хим.-технол. ун-та, 2009. - С. 36 - 38.

Подписало в печать 12.10.2011. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Тираж 100 экз. Отпечатано на ризографе МГУИЭ. 105066 Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.

Список условных обозначений.

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Общие сведения о процессе фильтрования.

1.2. Общие сведения о процессе обезвоживания отфильтрованного осадка.

1.3. Современное состояние теории и практики разделения суспензий фильтрованием.

1.4. Основные направления совершенствования традиционного оборудования.

1.5. Схемы вакуум-фильтровальных установок. Комплектующее оборудование в фильтровальных установках.

Глава 2. Основные закономерности и соответствующие параметры процессов фильтрования и обезвоживания.

2.1. Законы фильтрования.

2.1.1. Закон фильтрования с образованием осадка.

2.1.2. Промежуточный закон.'.

2.1.3. Стандартный закон.

2.1.4. Закон фильтрования с уменьшением числа открытых пор фильтра.

2.2. Определение параметров в уравнениях фильтрования.

2.3. Анализ факторов, влияющих на процесс фильтрования.

2.4. Методы определения дисперсности и формы частиц.

2.5. Определение порозности и сжимаемости осадка.

2.6. Определение размеров пор фильтровальной перегородки.

2.7. Общие закономерности процесса фильтрования.

2.8. Зависимость удельного сопротивления осадка от структурных параметров.

2.9. Определение скорости осаждения и содержания твёрдой фазы в суспензии.

2.10. Определение параметров процесса обезвоживания.

Глава 3. Моделирование процессов фильтрования промышленных суспензий и обезвоживания осадков на лабораторных установках.

3.1. Правила построения математической модели процессов фильтрования промышленных суспензий и обезвоживания осадков.

3.2. Выбор продуктов для проведения исследований.

3.3. Выбор и расчёт фильтров.

3.4. Выбор фильтровальной перегородки.

3.5. Методика проведения исследований.

3.6. Моделирование процессов на экспериментальной установке.

Глава 4. Экспериментальные работы.

4.1. Закономерности процессов разделения промышленных суспензий на фильтрах с учётом начального периода времени.

4.2. Влияние структурных свойств суспензии на удельное сопротивление слоя осадка в соответствии с уравнением Козени-Кармана.

4.3. Кинетика процесса обезвоживания.

4.4. Влияние структурных свойств суспензии на величину расхода воздуха на вакуум-фильтрах.

4.5. Алгоритм расчёта фильтров непрерывного действия.

Выводы.

Актуальность проблемы. Фильтровальные установки с вакуум-фильтрами непрерывного действия применяются во многих отраслях промышленности, в том числе горнорудной, горнохимической, золотодобывающей и других, для обезвоживания основных продуктов, а также при обработке сточных вод.

Фильтрование является одним из наиболее распространённых процессов, применяемых при обработке различающихся по своим свойствам продуктов.

Процесс фильтрования промышленных суспензий является сложным физико-химическим и гидродинамическим процессом, на ход которого оказывают существенное влияние как физико-химический состав жидкости, концентрация и свойства содержащихся в ней взвесей, так и свойства фильтрующей перегородки, её пористость, размер пор и другие факторы.

В том случае, если при фильтровании суспензии образуется достаточное количество осадка, как правило, осуществляется его обезвоживание.

Обезвоживание осадков исследовано ещё недостаточно полно. Знание основных закономерностей процесса обезвоживания необходимо для определения наиболее рационального режима работы фильтра, расчёта его коллекторной системы, а также для правильного выбора вспомогательного оборудования: вакуум-насосов, ресиверов, ловушек, обеспечивающих надёжную работу аппарата и получение заданных показателей по производительности и влажности осадка. В связи с этим исследование процесса обезвоживания, разработка методов определения расхода воздуха и получаемой при этом влажности осадка являются одной из актуальных задач современной теории и практики промышленного фильтрования.

Для создания новых промышленных фильтров и фильтровальных установок, а также при подборе наиболее рационального комплектующего их оборудования большое значение имеет определение параметров процессов фильтрования и обезвоживания осадка.

Немалое влияние на качество фильтрования оказывают свойства фильтровальной перегородки. Наиболее рациональный выбор фильтрующих материалов и комплектующего оборудования в фильтровальных установках для многотоннажных производств, во многом определяет их эффективность, получаемую производительность, влажность осадка и экономичность работы всего фильтровального отделения.

Например, для типового отделения, фильтрования железорудной промышленности, включающего 20 фильтров с поверхностью 100 м каждый; расход электроэнергии- при создании, требуемого вакуума может составлять 8000 о кВт/ч (при суммарной производительности 4000 м /мин). Это примерно 15 вао куум-насосов, производительностью до 300 м /мин каждый; Схема типового фильтровального отделения в промышленности приведена в Приложении 3.

Цель, работы. Основной задачей настоящей работы являлось исследование и установление экспериментальных закономерностей процессов разделения суспензий и обезвоживания получаемых осадков, а также выявление основных факторов, влияющих на производительность и эффективность работы промышленных фильтров и фильтровальных установок.

Основные задачи' исследования. В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе были последовательно решены следующие основные задачи:

- исследование влияния начального периода разделения промышленных суспензий на ход последующего процесса фильтрования; получение закономерностей, описывающих процесс разделения промышленных суспензий с учётом начального периода времени;

- исследование влияния удельного сопротивления слоя? осадка на течение процессов фильтрования и обезвоживания осадков, разработка методов определения расходов воздуха, необходимых для обеспечения требуемой степени обезвоживания, а также для выбора комплектующего оборудования;

- исследование процесса просушки осадков на фильтрах, разработка методик расчёта параметров процесса обезвоживания и определения наиболее рациональных режимов и условий проведения просушки на фильтре;

- разработка методики создания комплектных фильтровальных установок с наиболее рациональной энергоёмкостью комплектующего оборудования' (вакуум-насосов и другого).

Научная новизна:

1. Предложено уравнение для описания процесса разделения промышленных суспензий в начальный период времени.

2. Получена эмпирическая зависимость, коэффициента Козени-Кармана от среднего диаметра частиц твёрдой фазы разделяемых концентратов.

3. Получено эмпирическое уравнение для кинетики, обезвоживания осадков разделяемых суспензий.

4. Получена зависимость для определения величины расхода воздуха на вакуум-фильтрах при проведении процесса обезвоживания осадков на фильтровальных« перегородках с учётом свойств обрабатываемой суспензии и её твёрдой фазы.

Практическая значимость и реализация результатов. Предложенные методики определения параметров процессов фильтрования и обезвоживания были использованы при разработке конструкции дискового вакуум-фильтра ДОО-100-2,5, изготовление которого начато ЗАО «РудГор-Маш» (г. Воронеж) по технической документации ЗАО «Инжиниринг фильтр», и при проектировании фильтровальных отделений промышленных комбинатов металлургической и золотодобывающей промышленности. Защищаемые положения: 1. Аналитическая зависимость, для описания, процесса фильтрования промышленных суспензий в начальный период времени, с целью более точного нахождения параметров процессов фильтрования и обезвоживания при последующем расчёте фильтров.

2. Эмпирическая зависимость удельного сопротивления слоя осадка от структурных свойств суспензии в соответствии с уравнением Козени-Кармана.

3. Эмпирическая зависимость для кинетики обезвоживания осадков разделяемых суспензий.

4. Аналитическая зависимость для определения величины расхода воздуха на вакуум-фильтрах.

Апробация работы и научные публикации.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научной конференции студентов и молодых ученых МГУИЭ (г. Москва, 2009), XXII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-22» (г. Иваново, 2009). По теме диссертации опубликовано 4 работы, в том числе 2 работы — в журнале из списка, рекомендуемого ВАК РФ.

Структура и содержание работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений. Работа содержит 119 страниц основного текста, включая 27 рисунков, 13 таблиц и список литературы из 72 наименований. Приложения размещены на 11 страницах.

113 Выводы

1. Получено уравнение для описания процессов разделения промышленных суспензий с учётом возможного изменения параметров фильтрования в начальный период времени.

2. Предложена зависимость, полученная на основании уравнения Козени-Кармана, для определения сопротивления слоя осадка, образованного при разделении суспензий с тонкодисперсной твёрдой фазой.

3. Установлено влияние на параметры процессов фильтрования и обезвоживания осадков основных факторов обрабатываемой суспензии — размера частиц твёрдой фазы и порозности получаемого осадка.

4: Предложено эмпирическое уравнение для определения коэффициента А" в, уравнении Козени-Кармана в зависимости от среднего диаметра частиц твёрдой фазы разделяемых суспензий.

5. Получено эмпирическое уравнение для кинетики процесса обезвоживания осадков разделяемых концентратов

6. Получена зависимость для определения величины расхода воздуха на вакуум-фильтрах.

7. Предложенные методики выбора наиболее рационального комплектующего оборудования могут быть использованы при проектировании фильтровальных отделений промышленных комбинатов с дисковыми вакуум-фильтрами.

1. Айнштейн В.Г., Захаров М.К., Носов Г.А. и др. Общий курс процессов и ап-* паратов химической технологии. В» 2 книгах. Кн. 1. /Под ред. проф. В:Г.

2. Айнштейна: М.: Химия, 1999. - 888 с. | 3. Аксенов В.И., Балакирев В.Ф., Филиппенков А.А. Проблемы водного хозяйства металлургических, машиностроительных и металлообрабатывающих предприятий. Екатеринбург: УрО РАН, 2002. — 266 с.

3. Бахарева Е.Д. Оптимизация фильтрования и экстракции шламов гидрогенизации углей с использованием методов'математического моделирования: Ав-тореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук: 05.17.07. -М., 1991. 23 с.

4. Бейлин М.И. Теоретические основы процессов обезвоживания углей. — М.: Недра, 1969.-240 с.

5. Белоглазов И.Н., Голубев В.О., Тихонов* О.Н., Куукка Ю., Яскеляйнен Эд. Фильтрование технологических пульп. — М.: ФГУП «Издательский дом «Руда и металлы», 2003. — 320 с.

6. Борц М.А., Бочков Ю.Н. Водно-шламовые суспензии и оборотное водоснабжение углеобогатительных фабрик. — М.: ИПК Минуглепрома СССР, 1990. -89 с.

7. Брук О.Л. Фильтрование угольных суспензий. М.: Недра, 1978. 271 с.

8. Ветошкин А.Г. Процессы инженерной защиты окружающей среды (теоретические основы): Учеб. пособие. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. - 325 с.

9. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. В двух книгах. Кн. 1. — М.: Химия, 1981. 812 с.

10. П.Гольберг Г.Ю. Исследование технологий обезвоживания угольных флото-концентратов фильтрованием и разработка методов их оптимизации по критерию экономичности: Автореф. дис. на соиск. учен; степ. канд. техн. наук: 05.15.08. ЛюберцыД994. - 28 с.

11. Гольдберг Ю.С., Гонтаренко A.A., Барипшолец В.Т. Процессы и оборудование для обезвоживания руд. — М.: Недра, 1977. — 168 с.

12. Гольдберг Ю.С., Гонтаренко A.A. Обезвоживание концентратов черных металлов. -М.: Недра, 1986. 184 с.

13. Горлова 0;Е. Вспомогательные процессы. Обезвоживание продуктов обогащения. Магнитогорск: ГОУ ВПО«МГТУ», 2008. - 183 с.

14. ГОСТ 16887-71. Разделение жидких и неоднородных систем методами фильтрования и центрифугирования: Термины« и определения: Mi, 1971. .'— 17 с. • , .

15. Гутин Ю.В., Жужиков В.А. Влияние концентрации суспензий на удельное сопротивление осадков при фильтровании // Химическая промышленность. — 1967. № 5. С. 68 — 71

16. Гутин Ю.В., Новицких А.Н. Новые дисковые вакуум-фильтры, компании «РудГорМаш» для обезвоживания железных концентратов // Горный журнал. 2008^ № 12. - С. 84-85.

17. Гутин Ю.В: Фильтры / Машиностроение. Энциклопедия. Машины и аппарат ты химических и нефтехимических производств. Т. IV. М.: Машиностроение, 2004.-С. 218-233;

18. Дахин О.Х., Сиволобова Н.О. Фильтры. Волгоград: ВолгГТУ, 2006; — 64 с.

19. Евилевич А.З. Утилизация осадков сточных вод. М.: Стройиздат, 1979. - 87 е.

20. Елынин А.И. Тенденции развития фильтрования* и фильтровального оборудования. М;: ЦДНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1992. - 44 с.

21. Жужиков В.А. Исследование процесса фильтрования: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. докт. техн. наук. — М., 1961. — 14 с.

22. Жужиков В:А. Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий. — М.: Химия, 1971.-440 с.

23. Жужиков В.А. Фильтрование. — М.: Химия, 1980: — 398 с.

24. Каракеян В.И:, Кольцов В.Б. Теоретические основы защиты окружающей среды. Часть 1: Обезвоживание и методы очистки сточных вод. — М.: МИЭТ, 2004.-156 с.

25. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. — М.: Химия, 1973. 752 с.

26. Коломиец С.М: Лазерные методы, определения размеров и формы взвешенных частиц: Автореф; дис. на соиск. учен. степ. докг. техн. наук: 01.04.21. -М., 1997.-30 с.

27. Малиновская Т.А; Разделение суспензий- в промышленности органического1 синтеза. М!: Химия, 1971. 320 с.

28. Малиновская Т.А., Кобринский И.А., Кирсанов 0;G., Рейнфарт В.В. Разделение суспензий в химической промышленности. М.: Химия, 1983. — 264 с.

29. Мамигонян P.A., Гутин Ю.В., Сороцкий И.М. Исследование процесса проточной микрофильтрации // Химическое и нефтяное машиностроение. — 1991. № 9.-С.1 -3.

30. Мамигонян Р:А. Разделение малоконцентрированных суспензий методом микрофильтрации в комплектных установках глубокой очистки сточных вод: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук: 05.17.08: -М;, 1991'. 16 с.

31. Минц Д.М., Шуберт С.А. Фильтры АКХ и расчёты промывки скорых фильтров. М. — JI.: Изд-во министерства коммунального хозяйства РСФСР, 1951; - 174 с.

32. Мусин Ж.А., Габбасов М.Б., Баибатшаев Б.Н., Карлиханов Т.К., Беисембинов K.P., Керимкулов Т.Н. Математические модели в теории фильтрации: Учебное пособие. Нукус: Каракалпакстан, 1991. - 85 с.

33. Набойченко С.С., Юнь A.A. Расчёты гидрометаллургических процессов. -М.: «МИСИС», 1995. 428 с.

34. Новиков A.B., Женихов Ю.Н. Улучшение качества природных и очистка сточных вод. Ч. 1. — Тверь: ТГТУ, 2006. — 112 с.

35. Петров Е.Г., Бегунов П.П. Технология очистки природных вод фильтрованием. СПб.: ПГУПС, 2006. - 54 с.

36. Поникаров И.И., Гайнуллин М.Г. Машины и аппараты химических производств и нефтегазопереработки. — М.: Альфа-М, 2006. 608 с.

37. Репникова Е.А., Петрова В.В. Пористость материалов и.методы ее определения. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2007. - 97 с.

38. РТМ' 26-01-26-68. Методика расчёта дисковых вакуум-фильтров. — М.: НИИХИММАШ; 1971.

39. РТМ 26-01-33-88. Методика выбора вспомогательного оборудования для вакуум-фильтров непрерывного действия. Mi: НИИхиммаш, 1988. - 92 с.

40. Рязанцев A.A. Развитие научных основ интенсификации1 процессов очистки И' кондиционирования сточных вод горнодобывающих и других водоёмких производств: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. докт. техн. наук: 11.00.11. -1997.-36 с.

41. Савицкая E.H. Разработка технологии нетканых материалов для фильтрования суспензий полиметаллических руд: Автореф. дис. на соиск. учен. степ, канд. техн. наук: 05.19.02. -М., 2002. 16 с.

42. Скобеев И.К. Фильтрующие материалы. — М.: Недра, 1978. 200 с.

43. Слипченко В.А. Совершенствование технологии очистки воды фильтрованием. Киев: ИПК Госжилкомхоза УССР, 1991. - 67 с.

44. Туровский И.С. Осадки сточных вод. Обезвоживание и обеззараживание. -М.: ДеЛи принт, 2008. 376 с.V

45. Фильтры для жидкостей. Каталог. Часть П. Книга I. Фильтры периодического^ действия. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1990. - 44 с.

46. Фильтры для жидкостей. Каталог. Часть П. Книга П. Фильтры периодического действия, фильтр-прессы, патронные керамические фильтры. — М.: ЦДНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1991. 72 с.

47. Фёдоров A.B. Исследование процесса обезвоживания осадков путём продувки их газом на вакуум-фильтрах: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук: 05.17.08. Москва, 1982. - 19 с.

48. Хомутова Ю.В. Интенсификация обезвоживания гидроокисных осадков * сточных вод металлообрабатывающих предприятий: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук: 05.23.04. Новосибирск, 2005. — 23 с.

49. Храмов Ю.В., Богомолец B.JI. Механическая очистка производственных сточных вод. СПб.: JITA, 1997. - 60 с.

50. Чуянов Г.Г. Вспомогательные процессы обогащения. Обезвоживание и пылеулавливание: 2-е изд., перераб. Екатеринбург: Изд-во Vil У, 2006. - 204 с.

51. Шмигидин Ю.И. Разделение суспензий в глинозёмном производстве. СПб: ВАМИ, 2002.-312 с.

52. Шпанов Н.В. Фильтры непрерывного действия. Теория, описание, расчёт. -М.: Машгиз, 1949. 183 с.

53. Яковлев С.В., Карелин Я.А., Ласков Ю.М., Калицун В.И. Водоотведение и очистка сточных вод. М.: Стройиздат, 1996. - 591 с.

54. Anlauf H. Solid/liquid separation through cake filtration. / F&S Filtrieren und Separieren: Global Guide of the Filtration and Separation Industry 2008 — 2010. 2008.-p. 108-114.

55. Clifford W.C. Filtration theory. / Handbook of separation techniques for chemical engineers. New York: McGraw-Hill, Inc. 1988. P. 4-3 - 4-57.

56. Kossik J. Small scale continuous cake filtration using the disposable rotary drum filter. Filtration+Separation. 2003, v. 40, No. 9, p: 26 - 27/

57. Maurer C. Fine particle separation: development and performance of vacuum belt filter media. Filtration+Separation. 1996, v. 33, No. 10 , p. 875 - 879.

58. Mead W. J. The encyclopedia of chemical process equipment. — New York: Reinhold Publishing Corporation. 1964. — 1065 pp.

59. Murkes J., Carlsson C. G. Crossflow filtration: theory andpractice. John Wiley & Sons Ltd. 1988. - 133 pp.

60. Nicolaou I. Novel* software helps to solve filtration problems. — Filtration+Separation. 2003, v. 40, No. 8, p. 28-33.

61. Progress in filtration and separation. — Amsterdam et al: Elsevier Scientific Publishing Company. 1983, v. 3, 270 pp.

62. Rideal G. Analysis,and monitoring: how to improve precision pore size measurement. Filtration+Separation. 2006, v. 43, No. 4, p. 28 - 29.

63. Scarlett B., Ward A.S. Solid/liquid' separation- equipment scale-up. (Second Edition), Page Bros (Norwich) Ltd., Norwich. 1986, 749 pp.

64. Tao D., Groppo J.G., Parekh B.K. Effects of vacuum filtration parameters on ultrafine coal dewatering. Coal Preparation. 2000, v. 21, p. 315 - 335.

65. Tiller F.M., Leu W. Solid/liquid separation for liquefied coal industries. — Houston: Electric Power Research Institute, Inc. 1984, 631 pp.