WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

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

Москва - 2011

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

Защита состоится «17» ноября 2011 г. в 1600 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-100-2,5, 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 О.Л., Шпанова 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):

(1)

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

(2)

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

(3)

В этом случае Vср можно представить в виде:

(4)

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 или 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 фильтрующей 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:

(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:

(6)

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:

(7)

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 150 300 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 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 “Filtratest” (рис. 1).

Установка "Filtratest" 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 “Filtratest” 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).

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 Sefar 05-25141-SK062.

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 Fritsch Analysette 22 NanoTech 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 2030 мкм коэффициент А` изменяется в пределах 20001500 (рис. 3). Погрешность представленных данных находится в доверительном интервале ± 8 %. Как следует из графика на рис. 3, для осадков, образованных грубодисперсными частицами (200500 мкм), значения константы Козени-Кармана будут ниже, порядка 180150, что согласуется с результатами, полученными ранее другими исследователями. Для описания представленной на графике зависимости было получено следующее эмпирическое уравнение:

. (8)

На рис. 4 представлена зависимость удельного сопротивления слоя осадка от среднего диаметра частиц осадка модельной суспензии (ос = 0,395 м3/м3), а на рис. 5 - зависимость удельного сопротивления слоя осадка от порозности осадка (dcp = 24 мкм). При этом теоретические значения Vср 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 Fritsch Analysette 22 NanoTech при диспергировании в воде и воздухе. Гранулометрическое распределение

размеров частиц осадка модельной суспензии при диспергировании в воздухе представлено на рис. 6.

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; ос = 5,5 мм) представлена на рис. 7. Погрешность представленных данных

находится в доверительном интервале ± 10 %.

Обычно осадок обезвоживают на фильтрах продувкой воздухом или инертным 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.

Nicolaou I. был предложен другой способ определения расхода воздуха, основанный на определении не удельного сопротивления осадка Vcp, а его проницаемости, с использованием поправочных коэффициентов.

Определение расхода воздуха по уравнениям, предложенным Nicolaou, 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:

. (9)

На рис. 8 и 9 представлено влияние порозности осадка (dcp = 24 мкм; ос = 12 мм) и среднего диаметра частиц (ос = 0,395 м3/м3; ос = 12 мм), а на рис. 10 – среднего удельного массового сопротивления осадка модельной суспензии на величину расхода воздуха на вакуум-фильтрах. Теоретические значения 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 0, уравнение для определения расхода воздуха на вакуум-фильтрах упрощается и принимает следующий вид:

. (10)

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 %.

Из уравнения Козени-Кармана (7) следует, что с увеличением степени измельчения промышленных концентратов, удельное сопротивление осадка Vср 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 Q`в 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.

  1. Установлено влияние на параметры процессов фильтрования и обезвоживания осадков основных факторов обрабатываемой суспензии – размера частиц твёрдой фазы и порозности получаемого осадка.
  2. Предложено эмпирическое уравнение для определения коэффициента А` в уравнении Козени-Кармана в зависимости от среднего диаметра частиц твёрдой фазы разделяемых суспензий.
  3. Получено эмпирическое уравнение для кинетики процесса обезвоживания осадков разделяемых концентратов.
  4. Получена зависимость для определения величины расхода воздуха на вакуум-фильтрах.
  5. Предложенные методики выбора наиболее рационального комплектующего оборудования могут быть использованы при проектировании фильтровальных отделений промышленных комбинатов с дисковыми вакуум-фильтрами.

Принятые обозначения

– удельное сопротивление осадка массовое среднее, м/кг;

Vср – удельное сопротивление осадка объёмное среднее, м-2;

- сопротивление фильтровальной перегородки, отнесённое к единице вязкости, м-1;

ос – толщина слоя осадка, м;

ф.n – толщина фильтрующей перегородки, м;

ос - порозность осадка;

ф.п - пористость фильтрующей перегородки;

- вязкость динамическая суспензии, Пас;

в - вязкость динамическая воздуха, Пас;

ж – плотность жидкой фазы при температуре фильтрования, кг/м3;

oc – плотность отфильтрованного влажного осадка, кг/м3;

т – плотность твердой фазы, кг/м3;

- время фильтрования, с;

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

с – угол сектора зоны обезвоживания осадка на вакуум-фильтре непрерывного действия, град.;

- коэффициент, зависящий от формы частиц;

– константа Козени-Кармана;

а – постоянная в уравнениях фильтрования, см-3;

b – постоянная в уравнениях фильтрования, см-6;

Вч - доля частиц с радиусом меньше радиуса поры rк;

cm - концентрация суспензии по массе, кг/кг;

dcр – диаметр средний частиц осадка, м;

- параметр, характеризующий процесс фильтрования с образованием осадка, кг/м2;

- параметр, характеризующий фильтрующую перегородку, м3;

и – параметры, характеризующие фильтруемую суспензию, кг-1;

K3 – коэффициент снижения производительности фильтра в результате забивки пор фильтрующей поверхности;

– коэффициент пересчёта расхода воздуха к различным условиям его физического состояния;

Kч - доля частиц с радиусом больше радиуса поры rк;

- насыщение осадка жидкостью;

nK – число капилляров, приходящихся на 1 м2 поверхности, м-2;

р – перепад давления при фильтровании, Па;

pб – барометрическое давление газа на входе в осадок, Па;

рc – перепад давлений при просушке, Па;

Q – производительность фильтра по фильтрату, м3/с;

Q` – производительность фильтра удельная по фильтрату, м3/(м2с);

- полезный расход воздуха на вакуум-фильтрах удельный, м3/(м2с);

qт – масса твёрдой фазы, отлагающейся при получении 1 м3 фильтрата, кг/м3;

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

Rос – сопротивление слоя осадка, отнесённое к единице вязкости, м-1;

– сопротивление слоя осадка в начальный период времени, отнесённое к единице вязкости, м-1;

rK – радиус поры (капилляра) осадка, м;

S – площадь фильтрующей поверхности, м2;

Та – температура воздуха при давлении, для которого пересчитывается расход воздуха, средняя, К;

Тsr – температура воздуха в осадке, средняя, К;.

u – отношение объёма отфильтрованного влажного осадка к объёму полученного фильтрата;

V – объём фильтрата, м3;

V` – объём фильтрата, получаемого с единицы фильтрующей поверхности, м3/м2;

- объём фильтрата, получаемого с единицы фильтрующей поверхности в начальный период времени, м3/м2;

v – скорость фильтрования мгновенная, м/с;

vнач – 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 А.А. 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 // 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.

Подписано в печать 12.10.2011. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная.

Печать офсетная. Тираж 100 экз. Отпечатано на ризографе МГУИЭ.

105066 Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.



 




<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.