Процессы фильтрования суспензий и обезвоживания осадков на промышленных вакуум-фильтровальных установках непрерывного действия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Ширяева, Елена Васильевна

• Ширяева, Елена Васильевна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ширяева, Елена Васильевна

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Процессы фильтрования суспензий и обезвоживания осадков на промышленных вакуум-фильтровальных установках непрерывного действия»

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.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Ширяева, Елена Васильевна

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ширяева, Елена Васильевна, 2011 год

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.