автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему:Разработка и исследование высокотемпературных волокнистых фильтров на основе силикатных волокон

На правах рукописи

Альперович Владимир Иосифович

Разработка и исследование высокотемпературных волокнистых фильтров на основе силикатных волокон.

Специальности 05.17.11 "Технология керамических, силикатных и тугоплавких неметаллических материалов"; 05. 17. 08 "Процессы и аппараты химической технологии".

■ Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Санкт- Петербург 1996

Работа выполнена в' Санкт-Петербургском Государственном Технологическом Институте (техническом университете)

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Кашмет

Владимир Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

Круглое Михаил Васильевич

доктор химических наук, ■ профессор

Иаахнюк

Григорий Константинович

Ведущая организация -

государственное предприятие при Комитете мэрии С.-Петербурга по экономике и финансам ''Экотехномаш".

на заседании диссертационного Совета К 063.25.06 в Санкт-

(техническом университете)

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Санкт-Петербургского Государственного Технологического Института (технического университета).

Замечания и отзывы в одном экземпляре, заверенные печатью, просьба высылать по адресу: 198013, Московский пр., 28, СПбГТИ, Ученый Совет.

9 ' ■

Автореферат разослан ' 1996 г.

Учаны? секретарь диссертационного Совета

Защита диссертации состоится

Петербургском Гос/дарственном Технологическом . Институте

И. А. Туркин

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Волокнистые фильтры позволяют эффективно разделять субмикроннные аэро- и гидрозоли, поэтому в современных технологиях разделения и очистки они занимают важное место среди фильтров с другими типами структуры. Основными преимуществами волокнистых фильтров являются: во-первых, тот факт, что при одинаковой степени очистки они имеют существенно больший ресурс и производительность по сравнению с другими фильтрующими материалами, и, во-вторых, их относительно низкая стоимость. Высокая термическая устойчивость фильтрующего материала является его большим дополнительным достоинством, поскольку позволяет производить терморегенерацию фильтра от органических загрязнений, а так же использовать его в высокотемпературных процессах очистки. Поэтому создание эффективных высокотемпературных фильтров очень перспективно. Однако для того, чтобы воспользоваться достоинствами высокотемпературных волокнистых фильтров при их практическом применении, необходимо принципиально решить две проблемы: - во-первых, осуществить правильный выбор волокнистого фильтра под конкретный процесс ( т.е. определить такие структурные параметры волокнистого фильтра, ко^.рые бы обеспечили его оптимальное использование с точки зрения имеющихся требований к очистке данной среды).

- во-вторых, обеспечить долговременную механическую прочность волокни'.ггого фильтра ( т.е. минимизировать унос материала фильтра, связанный с протеканием среды и воздействием высоких температур). Для решения первой задачи необходимо иметь адекватную обобщенную модель фильтрации через волокнистый фильтр; для решения второй-разработагь соответствующие композиции тугоплавких волокон и высокотемпературного связующего. В настоящее время уровень решения обеих задачь не может удовлетворить требованиям практики:

- существующие теоретические методы моделирования параметров процесса фильтрации через волокнистый фильтр , основывающиеся на модельных представлениях И. Ленгмюра (и развитых Лью, Киршем и др.) из-за своей низкой достоверности не удовлетворяют современным требованиям к адекватности модели. Определение искомых параметров с помощью одних эмпирических уравнений (Жужиков, Канарский и др.) является неудобным, т.к. пригодно только для конкретного материала.'

Кроме того, построение эмпирических моделей для волокнистого фильтра, очищающих среды от субмикронных частиц, весьма дорого.

- разработка высокотемпературных волокнистых материалов успешно решалась изготовителями высокотемпературной волокнистой теплоизоляции, однако требования к фильтрам в целом иные, чем к теплоизоляции.

Таким образом, создание адекватной модели фильтрации через волокнистый фильтр и разработка технологии формования высокотемпературных волокнистых фильтрующих материалов являются актуальными задачами.

Цель работы. Целью работы является разработка технологии формования высокотемпературных волокнистых фильтров, обладающих оптимальными для каждого конкретного технологического процесса величинами ресурса и степени очистки.

Научная новизна..

- Разработана модель структуры фильтра, состоящего из силикатных волокон, в которой характеристическим элементом структуры выбрана квадратичная элементарная ячейка. Модель позволяет связать средний размер пор фильтра с его кажущейся плотностью, плотностью волокон и их диаметром.

- На базе структурных представлений выведены общие для аэро- и гидрозолей уравнения зависимости степени очистки и ресурса волокнистого фильтра от параметров его структуры. С позиций данной модели прераоцекены, по сравненинию с общепринятыми, весовые цоли механизмов доставки частиц из ядра потока к волокну (так, из модели следует, что роль броуновской диффузии в доставко частиц првнебрежима мзла); рассчитана оптимальная конфигурация пакета из нескольких. волокнистых фильтров, при которой достигаются

максимальные ресурс и степень очистки и минимальное сопротивление такого пакета.

- расраЗотаны методики консолидации супертонких кварцевых и алюмоборсиликатны; • вопокон путем их ограниченного спекания с одновременным сжатием фильтра по оси его роста, а так же присутствии различных связок.

-Изучены физико-химические и механические свойства композиций из супертонких кварцевых и алюмоборсипикатных волокон с гетерогенной алюмоборфосфатной связкой .

Практическая значимость проведнного исследования состоит в следующем:

- созданы высокотемпературные волокнистые фильтры, имеющие тонкость фильтрации 0.5-5.0 цт и позволяющие проводить процессы горячей фильтрации, дожита, а так же терморегенерации фильтра от летучих и органических взвесей в температурном диапазоне 700-900 °С. В частности, за счет терморегенерции удается поднять ресурс волокнистых фильтров от 20 до 1000 % .

-наличие адекватной модели, связывающей структуру волокнистого фильтра с. его фильтрационными характеристиками, позволяет значительно упростить и оптимизировать выбор' фильтра под. конкретный технологический процесс.

- данная модель позволяет определять оптимальную конфигурацию и» нескольких волокнистых фильтров,' при которой достигаются максимальные ресурс, степень очистки и минимальное сопротивление данного пакета фильтров. .

Защищаемые положения.

- Разработана модель структуры фильтра, состоящего из силикатных волокон, которая позволяет связать средний размер пор фильтра с его кажущейся плотностью, плотностью волокон и их диаметром.

- Разработана физическая модель процесса фильтрации через волокнистый фильтр, адекватно предсказывающая степень очистки и ресурс фильтра при условии достаточной его толшины (не менее ста

монолоев).

I

- Изучены физико-химические и механические свойства композиции из супертонких кварцевых и алюмоборсиликатных волокон и алюмоборфосфатной связки в соотношении 2 весовые части волокон : 1 часть связки. Установлено, что такой состав композици позволяет создать высокотемпературные волокнистые фильтры, удовлетворяющие требованиям долговременной механической прочности.

Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на постоянно действующих семинарах в лаборатории физики анизотропных материалов (ФТИ РАН, С.Петербург) и на семинарах кафедры общей физики (СПбТИ). В 1995 г. послана и принята к печати в Advances in Aérosol Filtration Science and Technology (honorbook on occasion birth N. A. Fuchs) статья V. J. Alperovich , J. G. Alperovich , Cliunin E. D., V. V. Blagoveshchenskiy, V. V. Kashmet. The clarification and resource of fiber filter predicted by modelling ils structure with a packet of plane nets, (содержит 15 е.).

Практическое применение результатов работы. Фильтрующий материал марки ЛВФМ, разработанный совметно со специалистами ВНИИБа, внедрен в ряде процессов очистки на АО "Русские Самоцветы", АО "Октябрь" и АО "Петер- Аль".

Публикации. Результаты диссертационного исследования отражены в двух публикациях.

Структура работы. Диссертция состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

ВВЕДЕНИЕ

Во Введении обосновывается актуальность разработки высокотемпературных волокнистых фильтров (далее-вф).

Преимущества вф - большие величины производительности и ресурса - иллюстрирует Таблица 1.

Таблица 1. Сравнительная характеристика фильтрующих материалов с различными типами структуры.

!М I Ь.мм 11. ит I 2г. цт I О. Т/чКУ | Т. л |

1 1 I — I 25-30! 20 I 10.3 I 1 )

I 2 I 3.0 I 12 I 0.5-0.7! 12.3 I 8 I

13 10.0110.5 I 0.5 I 42 13.10-31

Пояснение к таблице: номерами 1, 2, и 3 обозначены соответственно: бронзовая керамика; вф на основе алюмоборсиликатного волокна диаметром 0.4 цт и ядерный фильтр (лавсановая мембрана). Ь,мм -толщина фильтра. цгп - характерный размер поры (или ячейки у вф). 2г, цт - максимальный диаметр частиц, проходящих через фильтр. О, т/час м2 - производительность фильтра при перепаде давления 1 атм. Т, л - ориентировочное значение ресурса (в литрах фильтрата), расчитэнное по предлагаемой ниже модели для фильтра площадью 1 см2 при объемной концентрации частиц С0= 1-10-6 [смЭ/см^-см. раздел 3 главы 2.

В настоящем исследовании отдельно рассматриваются две проблемы: - во-первых, вопросы прогнозирования во времени основных параметров процесса фильтрации, а именно, степени очистки и ресурса вф (решение этой проблемы позволяет осуществлять болев корректный выбор вф под конкретный технологический процесс, -во-вторых, разработка композиции из тугоплавких волокон и высокотемпературного связующего, позволяющей создать высокотемпературный вф.

В настоящем исследовании отдельно рассматриваются две проблемы: - во-первых, вопросы прогнозирования во времени основных ■параметров процесса фильтрации, а именно, степени очистки и ресурса вф (решение этой проблемы позволяет осуществлять более корректный выбор вф под конкретный технологический - процесс, -во-вторых, разработка композиции из тугоплавких волокон и высокотемпературного связующего, позволяющей создать высокотемпературный вф.

ПЕРВАЯ ГЛАВА является литературным обзором работ, связанных с настоящим исследованием. В первой части данной • главы анализируются работы, посвященные связи между структурой вф и параметрами процесса фильтрации, проводимого через него. Процесс фильтрации характеризуется четырмя основными параметрами: во-первых, степенью очистки ,/=1-С/С0 (С и С0- концентрация дисперсной фазы

после и до прохождения среды через вф); во-вторых, аэро- или гидродинамическим сопротивлением, оказываемым вф потоку очищаемой среды [Па ], в-третьих, ресурсом вф Г,[л] (число литров фильтрата, получаемое от начала фильтрации до заданного уровня падения производительности процесса) и, в -четвертых, тонкостью фильтрации 2г,[цт] (максимальный радиус частиц,проходящих через фильтр). Известны многочисленные, но неудачные, попытки моделирования структуры вф, а так же попытки создать физическую модель фильтрации через вф, связывающую основные параметры процесса с его структурой. Заслуживают упоминания модель структуры вф в виде многоугольников, образуемых соседними слоями волокн (Х.Кортэ), модель эквивалентной цилиндрической поры с определенным уровнем извилистости (Д. Коэени, П. Карман, А. Е. Шейдеггер и др.). Наибольшее развитие и признание получила модель фильтрации через вф И. Лайгмюра, (развитая К. Девисом, А. Киршем и др), в которой связываются ] и тонкость фильтрации с параметрами структуры реального вф. Физическая

картина данной модели представляет собой следующее:

1. Рассматривается слой параллельно лежащих волокон (в соответствии с плотностью и средним диаметром волокон реального фильтра). Делается допущение, что! единицы площади такого фильтра будет эквивалентна / для потока, омывающего одиночное волокно, в пересчете на единицу площади; влияние соседних волокон учитывается эмпирическим членом.

2. Рассматривается процесс задержания на "изолированном цилиндре" -волокне. Принимается, что ] пропорциональна отношению сечения набегающего потока, из которого идет захват частиц, к диаметру омываеого

волокна с/ Захват частиц происходит в результате: касания (приближение их траектории к волокну); сдвига под влиянием броуновской диффузии; седиментации и пр. Важно отметить, что в данной модели захват частиц из потока носит обязательный, а не вероятностный характер, т.к. в потоке определяется "сечет:.« обяэателього захвата" из которого удаляются все частицы. Далее приводится формальный аппарат модели и -сравниваются расчитанные по модели величины с данными эксперимента. Делается вывод, ' что несмотря на глубокую теоретическую и экспериментальную проработку, данная модель дает неадекватную оценку степени очистки вф и не может служить ориентиром при выборе вф для конкретного процесса очистки. Причина неадекватности модели Лангмюра заключается в выборе в качестве характеристического элемента структуры вф изолированного волокна, которое, в действительности, не отражает особенностей этой структуры. Раздел заканчивается выводом о необходимости описания структуры вф с помощью такого характеристического элемента, который заключал бы • в себе все особенности структуры; только после этого можно переходить к моделированию собственно процесса фильтрации через вф.

Во второй части данной главы анализируется возможность придания вф термической устойчивости. Термостойкость вф определяется во-первых, термостойкостью самих волокон ( например, кварцевые волокна нельзя нагревать выше 1100° С из-за образования кристобалита),. во-вторых, отсутствием 'процессов массопереноса в зонах контакта волокон (это приводит к потере гибкости фильтра) и, в-третьих, связка не должна являтся источником кристаллизации в зонах контакта волокон. Рассматриваются данные по исследованию теплоизоляции на основе силикатных и кварцевых субмикронных волокон (Е. Д. Чунин, С. П. Кречетсва). л так же оценивается величина массопереноса соприкасающихся цилиндров таких размеров, вытянутых из плавленного кварца и алюмоборсиликатного стекла. Делается вывод о возможности создания высокотемпературного вф на основе таких же волокон, начиная с диаметра волокна 0.2 цт и более.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ разрабатывается модель структуры вф и процесса фильтрации через него. Первый раздел посвящен моделированию структуры вф. Реальная структура волокнистого фильтра представляет собой хаотически ориентированные преимущест-венно в

Л " »

плоскости ХОУ волокна; величина г ■ составляющей такого фильгра '

(проекция длины всех волокон на ось 02, отнесенная к их общей длине) всегда не велика. В разработанной модели эта струю ура представляется в виде параллельно лежащих в плоскости ХОУ волокон, причем соседние слои пересекаются под прямым углом. Правомерность такого перехода подтверждается следующими рассуждениями. Из условия равенства между усредконной локальной кажущейся плотностью вф и его интеграпьной кажущейся плотностью р, вытекает, что угол пересечения волокон двух соседних слоев не влияет на величину просвета ячейки вф, обозначаемую далее f. Последнее обстоятельство позволяет представить вф ввиде пакета параллельно лежащих сеток с углом между волокнами двух соседних слоев 90° . Отказ от учета 2-составляющей вф теоретически и экспериментально обосновывается тем, что с уменьшением диаметра волокна величина г-составпяющей так же уменьшается и в области микронных волокон становиться уже пренебрежимо малой. Что касается перехода от реального расположения волокон в слое ввиде произвольных многоугольников со случайным значением Г к их расположению ввиде одинаковых квадратичных ячеек, . характеризуемых средним значением то корректность такого усреднения /* следует из экспериментальных данных по распределите пор в вф. Например, для сМтт среднеквадратичное отклонение величины f состаляет 0.8< в < 1.2 . Расчет относительной погрешности О с помощью критерия Стьюдента для величины ^ , Ьычисленной в соответствии с данной моделью, дает значения О, не превышающие (при уровне достоверности 0.95) 10% для вф толщиной в 20 слоев и 1% при толщине в 400 слоев, что можно считать приемлемым. В качестве характеристического элемента вф, обладающего всеми особенностями большого фильтра в плане очистки и ресурса, выбран фрагмент квадратичной сетки - Рис.1 .

-сггЛГт-

• I.

х

п . а_й '"■©"""О"

х

Рис 1. Фрагмент квадратичной сетки. 1 -просвет ячейки, I - габаритный размер ' ячейки, (У ■ толщина волокна „

Расчет параметра / ведется по урвнению (1): о

f=a1d^a1{p, 1(У,)-1) (1),

где р,- пикнометрическая плотность волокна; а, иа, - эмпирические

коэффициенты, увеличивающие величину / вф за счет его г-составляющей и

микродефектности.

Для минеральных волокон а,~1, для целлюлозных- примерно 0.3; 1.0 < а2< 1.5.

На Рис.2 приведена обработка экспериментальных данных в ввиде линейных регрессий, получаемых из уравнения (1). Для сравнения указаны среднеквадратичные отклонения этих регрессий, получаемых при использовании уравнения (1)- о, и при использовании уравнения X. Корте (Г- а3ехр(-а,р(), где а, и а, -подгоночные коэффициенты)- стг . Практическая независимость

величины в, от способа определения f говорит о высокой физической адекватности модели. Во Втором раздала рассматривается зависимость степени очистки } для неконцентрированных аэро- и гидрозолей (далее аз и гз соответственно), достигаемой на вф, от параметров структуры фильтра. Основными допущениями модели являются следующие:

1. Объемная коагутция частиц при очистка аз (гз) отсутствует; взаимовлияние частиц на траекторию их движения пренебрежимо мало.

2. все частицы имеют сферическую форму, прилипают к волокну лри любом соударениии за счет сил адсорбции, размер частицы 2г «1

3. Каждая элементарная ячейка (Рис.1) в направлении оси 01 рабдтает как независимый фильтр, т.е. траектория частицы является случайной (отсутствует *память" о прохождении предыдущего слоя).

4. Влияние кулоновских сил для случая гз не учитывается, для случая аз увеличение у учитывается эмпирическим коэффициентом. Центральным моментом физической картины, на базе которой разработав данная модоль. является п,3. Можно заметить, что при условии соблюдения п.2 из этой картины вытекает независимость тонкости фильтрации 2г от величины /, что противоречит действительности. Однако, на самом деле, данное противоречие лишь очначает, чго настоящая модель ие дает

Рис. 2. Обработка экспериментальных данных. 4' - среднеквадратичное отклонение ; индекс 1 - по ур. (1), индекс 2 - по ур. Корте.

количественной зависимости между 2г и f. Это связано с концептуальной сложностью создания физической картины для количественного определения данной зависимости. Если степень очистки у" мож-но связать только с конфигурацией вф, то соотношение 2гИ зависит, прежде всего, от непуаэейлевского характера протекания среды через вф; это становится хорошо заметно при величене ^ менее десятков микрон нелинейность кривых лр, Па-О, т/час-м2 например, для ядерных фильтров при указанных размерах !. Вязкий, характер течения, особенно для гз, приводит к как бы разрезанию потока волокном и уменьшает отклонение частицы в непосредственной близости от него. С у.\»гньшени-ем 1 эта тенденция усиливается, чем можно объяснить и непулзейлев-ский характер протекания среды через вф, и уменьшение величины 2г - но только качественно). Случайность траектории движения частицы (п.З допущений) подтверхедает экспериментальный факт об излучении вф акустических колебаний при прохождении через него гз- это показывает, что в процессе фильтрации волокна находятся в колебательном режиме и тем самым обосновывается случайность места входа частицы в любую элементарную ячейку вф. Все сказанное выше позволяет определить величину / как отношение площади, занимаемой волокнами к площади элементарной ячейки (Рис.1): У = 1- к = (с//И//)//2 ~ 2с////2 (2),

при условии рв /рк>5, обычно, выполняемом для вф. Тогда, с учетом (1), имеем к2(1 - 1- 2р„ /р„ . Для гипотетического случая, когда любое соударение частицы с волокном приводит' к ее прилипанию и строго выполняется допущение о случайности траектории частицы, можно определить минимальное значение.коэффициента проскока через вф, состоящий из т слоев (т= А//</ -1; единицу следует вычитать, поскольку любые два слоя образуют вф толщиной 2(1):

^¡п = (1-2рк/рв)т (3)!

Для перехода к ^ реальным вф можно записать следующее полуэмпирическое уравнение:

1дк = 1д(1-2рк/рв){Н/с/0-1} (4),

где с/е = Н/{1дМд(1- 2рк /рв)+1} - эффективный диаметр волокна. С помощью (/е учитываются все несоответствия между реальным вф и его

моделью- как в отношении структурны, так и в физике протекания аз (гз). Достоинством предлагаемого пути является то, что £/е определяется

однократно для всей группы вф, изготовленных из одинаковых волокон, но имеющих различную кажущуюся плотйость рк и Н.

Таблица 2. Сравнительный анализ экспериментальных данных логарифма коэффициента проскока с расчигпанными по уравнению (4) и по методу Кирша, Фукса и Стечкиной. Экспериментальные данные взяты из работы С. А. Пузырева " Фильтровальные виды бумаги и картона",

" 1970; вф иготовлонны из целлюлозы, скорость потока воздуха 0.083 м/с, толщина вф 1 мм, соотношение гМ ~ 0.2.

I 0.20 I 11 I 1.19 Г 1.00 [ 0.40 . I

I 0.29 I 33_I 2.05 | 1.07 | 0.12 I

I 0.40 I 66 I 3.44 | 1.13 | 0.04 I Здесь: рк - кажущиеся плотности вф, изготовленных из одинакового целлюлозного волокна; Др- перепад давления на вф; кэ , к\ и /С2 -соответственно экспериментальное, расчитанное по уравнению (4) и по методу Фукса, Кирша и Стечкиной значения коэффициента проскока.

Сравнительный анализ данных Табл.2 показывает высокую прогностическую способность предлагаемой модели и, напротив, недостаточную адекватность расчетов, получаемых по методу Фукса, Кирша и Стечкиной. Из этого можно сделать вывод, что физический подход И. Лангмюра, игнорирующий реальную структуру вф, непригоден для количественных расчетов процесса фильтрации через такие фильтры. В Третьем разделе анализируются ресурсные характеристики вф и делается сравнительный анализ фильтров с тремя основными типами структуры: волокнистой, ситовой' (мембрана) и глобулярной трехмерной (керамический фильтр). Допущением, позволя-ющим ' осуществлять расчет ресурса Г монодисперсного вф ( Г определяется в литрах фильтрата, полученного с помощью фильтра площадью 1 см2 ) является положение, что такой вф полностью забивается осадком одновременно с двумя верхними слоями, поскольку концентрация золя, попадающего на эти слои, максимальна. Рассмотре-ние особенностей процесса зарастания осадком монодиспер-сного вф -вертикальный и горизонтальный рост осадка, увеличение / по мере зарастания элементарной ячейки и др., позволило вывести уравнения (5) и (6), качественно описывающее процесс зарастания вф во времени и оценивающее величину 7:

Т={\Н/Сс)1.(Ы/Ю (5).

Суммирование ведется по ¡- числу монослоев, образованных в элементарной ячейке вф задержанными частицами до ¡=п, когда ячейка полностью закупоривается; 1У- объем частицы, \У-4/Зхг3, С0 - объемная концентрация частиц на входе в вф;

И, и/ - число задержанных частиц в 1-ом монослое и степень-'очистки, характерная для данного числа монослоев задержанных частиц, соответственно.

/,= 1-|1-(Р,/а2р.)(1+20]г , (6), .

где а2- коэффициент из уравнения (1).

Результаты расчета вф, мембраны и керамического фильтра приведены в Табл 1. Для мембраны считалось, что одна частица закупоривает одну пору; для вф и керамики условно принимались одинаковые с/, - расчет велся для обоих фильтров по уравнениям (5) и (6) с учетом того что число пор-ячеек на поверхности керамического фильтра примерно в 10 раз меньше. Уравнение (5) количественно подтверждает известный из практики факт, что монодисперсный вф малоэффективен с точки зрения ресурса-основная масса ячеек из глубинных слоев далеки от закупорки. Полидисперсные вф имеют гораздо больший ресурс, но достичь с их помощью высоких степеней очистки невозможно. С позиции излагаемой модели эта проблема решается таким образом: берется пакет фильтров с возрастающим по ходу фильтрации значением 7к (к- номер вф из пакета); Д уменьшается таким образом, чтобы учесть уменьшение (СД на входе в к-ый вф:

Л.< = //(1-Л) (П

Из уравнения (1) летко определяются значения рв /р, для каждого вф из пакета. Таким образом, пакет вф, обладающий требуемым значением у , оптимизируется так же и по своим ресурсным характеристикам, Рис.3.

Изложенное выше позволяет сделать вывод, что описанная в Главе 2 модель фильтрации через вф дае'г 'адекватный прогноз степени очистки и ресурса вф, используемого в конкретном процессе очистки, а так же определять оптимальную конфигурацию пакета вф переменной плотности • с точки зрения максимизации его ресурса.

В ГЛАВЕ ТРЕТЬЕЙ исследуется вопросы придания вф долгосрочной., механической прочности в условиях периодического (или постоянного) воздействия высоких температур. Были взяты обоазцы вф, изготовленные из волокон плавленного кварца диаметром 1.4 тт и из волокон элюмобореиликатного стекла диаметром 0.4 тт, на которых изучалась

Рис. Э. Коэффициент проскока для .монодиспарсного фильтра (кривая 1) и для пакета фильтров оптимальной конфигурации (кривая 2).

возможность консолидации этих волокон в соответствии с требованиями, предъявляемым к современным фильтрам Для достижения поставленной цели были исследованы двэ пути: во-первых, образцы подвергались частичному спеканию при температуре, близкой к темпера1уре плавления каждого вида вопокок( отдельно было изучено влияние нагружения образца по оси 02, Рис.1) й, во-вторых, возможность получения термостойкого вф с помощью высокотемпера-турных неорганических связок: жидкого калийного стекла с модулем ВЮ^^О = 3 5 и алюмоборфосфатной связкой, представляющей собой полностью растворенные в 65% Н3РО4 борную кислоту и гидроокись алюминия (Н3В03/А1(0Н)3=1/5). В первом случае степень консолидации образца росла с увеличением температуры и времени выдержки, зо втором зависила от концентрации вводимой в образец связки. В качестве метода, позволяющего полноценно охарактеризовывать степень консолидации образца и его соответствие требованиям, предъявляемым к фильтрам, был использован метод снятия зависимости " нагрузка -удлиненение образца в направлении оси 02 " на разрывной машине. Из полученных зависимостей рассчитывались величины предельной прочности на разрыв <тпр , [МГ1а) и модуля Юнга Е, [МПа] для каждого образца, что позволило провести сравнительный анализ каждого метода консолидации волокон. В Табл.3 приведены результаты экспериментов по разрыву образцов; величины апр и Е пересчитаны на реальную площадь соприкосновения волокон двух соседних слоев 8К0Н (поскольку разрыву по оси ОТ сопротивпяются только- зоны контактов волокон соседних слоев; наблюдаемое сопротив-лежче можно отождествить с минимальной из всех имеющихся в дан-ном образце силой сцепления двух соседних слоев):

^кон= = 5ф(рк/(>в)2 • • (8),

где Бф - площадь испытываемого фильтра.

Таблица 3. Величины с?пр и Е для образцов вф, полученных путем частичного спекания и с использованием неорганических связок.

|_| Тип обработки | 1п I т. час | связка |апр| МПа|В, МПа |

11 Гприпеханйе I 900 I 10 | -.....- I 4.7 I 1472 I

121 припекание 111001 10 | ....... | 63.6 I 3566 I

|3| припеканив I 9001 50 I ....... | 11.9 I 1113 I

141 припекание 11100 1 50 | ....... I 79.6 I ....... 1

151прил.+давлен. | 9001 10 I ....... I 9.1 I 1075 I

| 6 | связующее I 900 I ..... !ж.стек. I 12.1 | 4151 |

17 I связующее_I 900 I ..... | абфсв | 70.4 I 3011 I

18 ¡связующее I 600! ----- I абфсв 1126.8 I 912 I

Примечание к Таблице 3: в столбцах указаны (слева направо)- температура

и время выдержки образца, еид применений связки для консолидации еоло<он-жсл";к. и абфсв ссотеетсгеетго обо значены калийное у^дюе сте/ло и

алюмоборфосфатная связка; максимальная прочность на разрыв образца и его модуль Юнга. Под номерами обозначены 1-7 - кварцевое волокно (марка ЛВФМ, плотность материала 0.1 г/см3); 8 - ашомоборсиликатное волокно Концентрация связок равна 5% (весовая).

Отсутствие в Табл.3 данных об образцах, изготовленных из алюмоборсиликатных волокон и обработанных жидким калийным стеклом, объясняется тем, что при нагревании данная связка действует на волокно как плавень, уничтожая образец. Влияние концентрации связки на разрывную прочность и модуль Юнга демонстрирует Рис.4. На рентгенограммах образцов из кварцевых волокон, обработанных жидким калийным стеклом, зафиксировано появление кристаллической фазы, тогда как образцы, обработанные алюмоборфосфатной связкой, сохраняют аморфность при 1=900° С в условиях длительной выдержки. Приведенные экспериментальные данные позволяют сделать вывод, что наиболее перспективным направлением получения выскотемпера-турных вф является их обработка минеральным связующим типа алюмоборфосфатной связки. Консолидация волокон путем их частичного спекания очень энергоемка; однако, при невозможности использования связок, целесообразно проводить этот поцесс с одновременным сжатием спекаемого вф по оси 01.

Обозначения

Вегм-шна разрывной прочности о, МПа: О-г, брады 1.1 •-Сбрззцы 1 2 • обратим 2.1 Величина модуля Юнга Е, МПа: □ -образы 1.1 А-образцы 1.2 Л-оСразцы 2.1 Образцы 1.1-кварц* АБФС; 1.2-кварц + ж. стекло; 2.1- апюмо-Сорсиликатныеео-локна*АБФС.

ст, МПа

200-

Е, МПа

4000

2000

15%

РтА Зависимость предела прочносги и модуля Юнга от концентрации связки

В ГЛАВЕ ЧЕТВЕРТОЙ дается описание практических промышленных и лабораторно-промышленных испытаний фильтрующего маге-

риала марки ЛВФМ, являющегося совместной разработкой автора и о группы специалистов ВНИИБа (см. примечание к Табл.З). Все испытания дали положительные результаты при использовании ЛВФМ в процессах очистки, выбранных исходя из оценочных расчетов приведенной выше сеточной модели фильтра. Так, в процессе очистки от взвешенных металлических частиц сточных вод, содержащих большое количество ПАВ (АО "Русские Самоцветы), была установлена производительность 1 м2при толщине материала в 6 мм и изб. давлении 0.7 атм., равная 100 т/час-м2 ; ресурс 1 м2 составил. 45 тонн раствора. ЛВФМ в силу низкого сродства кварцевых волокон к водным растворам ПАВ легко регенерируется, что позволяет создать на его базе замкнутый цикл по ПАВ на предприятии. С помощью ЛВФМ производилась очистка от ! взвешенных частиц, содержащихся в дистиллированной воде, используемой для окончательной промыки инъекционных ампул (АО "Октябрь"). Здесь в пересчете на изб. давление 0.7 атм производительность 1 м2 составила 120 т/час-м2 и реурс работы не менее 3000 часов при нагрузке 50 п/мин. Близкие цифры получены при испыании материала на хлебопекарном предприятии Петер-Аль, где ' данный материал использовался в линии водоподготовки для замеса • теста. При нагрузке 500 л/сут в течене 2-ух месячного срока не замечено падения производительности линии (концентрация взвесей в воде на входе в фильтр - 0.6 мг/л, на выходе- 0.2 мг/л).

ВЫВОДЫ

1. Регрессионные зависимости диаметра средней поры волокнистого фильтра f , цгт>, от его кажущейся плотности рк , г/см3, полученные на

основе предложенной модели, имеют среднеквадратичные отклонения , не более 0.4 и практически не зависят от экспериментального метода определения f, тогда как ранее используемая регрессия, основанная на формуле Корте, может иметь величину среднеквадратичного отклонения более 10. '

2. Данная модель позволила получить общее для аэро- и гидрозолей уравнение зависимости эффективности очистки J от структурных особэностей фильтра, при этом различие между очисткой газовых и жидких сред учитывается с помощью эмпирического коэффициента da<t>, . указывающего на эффективность адгезии частицы в данной среде х данному типу еолскон (для жидкостей такая эффективность, как это следует из экспериментальных данных, на порядок ниже, чем для газов).

Основными отличиями предпоженнных выше модельных расчетов / от расчетов/ , основывающихся на модели Лангмюра, являются:

- учет структурных особенностей волокнистого фильтра ;

- отказ от учета диффузионного механизма доставки частиц из ядра потока к волокну (принимается в расчет только захват частицы за счет приближения ее траектории к волокну);

- описание зависимости степени очистки от размера частицы как следствие осбенностей гроТеканйя среды-носителя через пористую среду.

3. На основе предложенной модели произведена оценка ресурса волокнистого фильтра с заданными структурными параметрами и впервые объяснено сильное превосходство в ресурсе волокнистого фильтра над мембраной, достигающее четырех порядков. Кроме того, данный анапиз позволил определить для пакета волокнистых фильтров, имеющих различную плотность, оптимальную конфигурацию, при которой достигается максимальные значения ресурса и степени очистки.

4. Показана принципиальная возможность изготовления высокотемпературных волокнистых фильтров с требуемыми параметрами ресурса Т и очистки У . Наиболее экономически выгодным путем является консолидация тугоплавких волокон {скомпанованных таким образом, чтобы обеспечивать требуемые значения эффективности очистки } и ресурсаТ), с помощью минеральных связок типа алюмоборфосфатной связки. Следующим По эффективности является консолидация аналогичных волокон путем частичного спекания в условиях сжатия в направлении оси роста. фильтра; наиболее энергоемким является частичное спекание будущего фильтра без его сжатия.

5. В результате проведенного исследования разработан новый волокнистый' фильтрующий материал. ЛВФМ на основе кварцевых волокон диаметром 1.4 ут и его высокотемпературные (до 900° С) модификацации. Данный материал внедрен в ряде процессов очистки на АО "Русские самоцветы" и АО "Петер-аль".

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. В. И. Альперович , В. Н. Богомолов , В. В. Кашмат , В. П.Петрановский Управление транспортом реагентов при проведении процесса химического растворения вещества в ультратонких каналах / Системы и

эедства автоматизации и диагностики потенциально опасных роцессов химической технологии; Межвузовский сборник п/р проф. Г. А. околова.- ч.2, сс. 55-59.-СП6: СПбТИ, 1993,-155 с. . V. I. Alperovich, V. N. Bogomolov, Е. D. Chunin. Probability model of filter irmation. Connection between maximurn pore diameter D^a^ > apperent

ensity of filter, its thickness and parameter of fibers its making up. Oak rook (Illinois): American association for aerosol research;12 meeting, 1993. p.31.