Разработка технологии нетканых фильтровальных материалов на основе волокнистых каркасных элементов для очистки углеводородных топлив тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.19.02, кандидат технических наук Мухамеджанов, Марат Габитович

• Мухамеджанов, Марат Габитович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мухамеджанов, Марат Габитович

Содержание

Стр.

Введение

Глава 1. Современное состояние производства нетканых

фильтрующих материалов

1.1 Новые виды нетканых фильтрующих материалов на основе различных способов производства, технологий и исходного сырья.. 15-20

1.2 Ассортимент и области применения зарубежных и отечественных нетканых материалов

1.3 Анализ взаимосвязи характеристик пористой структуры и технологических параметров производства иглопробивных

нетканых материалов (ИНМ)

1.4 Анализ процесса фильтрации в пористых перегородках

1.5. Фильтрующие характеристики волокнистых пористых

нетканых материалов

Выводы по главе 1

Глава 2. Методика проведения исследований

2.1 Методы определения свойств используемых волокон и

нетканых материалов

2.3 Методика математического планирования эксперимента и

анализа полученных результатов

2.4 Методика статистической обработки экспериментальных

данных

Выводы по главе 2

Глава 3. Разработка структуры нетканых фильтровальных

материалов для очистки углеводородных топлив

3.1 Анализ фильтруемой среды

3.2. Факторы, влияющие на изменение функциональных свойств нетканых фильтровальных материалов для очистки

углеводородных топлив

3.3. Алгоритм работы функциональной модели структуры

НФМ

3.4 Разработка рабочей модели структуры НФМ для очистки углеводородных топлив

3.5 Разработка технических требований предъявляемых к

разрабатываемому НФМ для очистки углеводородных топлив

Выводы по главе 3

Глава 4. Технологическая реализация рабочей модели

структуры разрабатываемого НФМ для очистки топлива от

механических загрязнений

4.1 Подбор и обоснование выбора волокнистого состава НФМ

4.2 Определение рациональных линейных плотностей волокон волокнистого состава и их содержания в разрабатываемом

НФМ

4.3. Барьерный слой НФМ для очистки топлива

4.4. Технология изготовления НФМ для очистки топлива

4.4.1 Подготовка волокнистого сырья к переработке

4.4.2. Изготовление барьерного слоя

4.4.3. Термофиксация барьерного слоя

4.4.4 Дублирование методом иглопрокалывания барьерного слоя с лобовым

107-109

4.4.5 Дублирование методом иглопрокалывания сдублированных

слоев лобового и барьерного с заключительным

слоем

4.5 Технологические операции для повышения задерживающей

способности НФМ

4.5.2 Оплавление поверхности НФМ

4.5.3 Термообработка НФМ при одновременном воздействии

температуры и давления (каландрирование)

Выводы по главе 4

Глава 5. Изменение физико-механических, структурных и функциональных свойств разработанного НФМ на различных стадиях технологического процесса его изготовления. Результаты стендовых испытаний фильтровальных

элементов, изготовленных из НФМ

5.1 Изменение физико-механических показателей разработанного

НФМ по технологическим переходам

5.2 Изменение структурных и функциональных свойств НФМ

5.3. Результаты апробации многослойного НФМ,

предназначенного для фильтрации углеводородных топлив от

механических загрязнений

Выводы по главе 5

Глава 6. Технико - экономическая эффективность

Выводы по главе 6

Общие выводы по работе

Список используемой литературы

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии нетканых фильтровальных материалов на основе волокнистых каркасных элементов для очистки углеводородных топлив»

Введение

В связи с увеличением количества легковых, грузовых автомобилей и другой техники, работающих на двигателях внутреннего сгорания (ДВС), проблемы очистки углеводородных топлив (бензина, дизельного топлива и др.) приобретают особенную актуальность. Это также обусловлено ужесточением требований и законодательных актов в области охраны окружающей среды в городах и населенных пунктах.

Создание современных ДВС и повышение требований в отношении экономичности и экологичности привело к усложнению задач проектирования и разработки систем фильтрации.

Повышение срока службы ДВС обеспечивает экономический эффект за счет сокращения простоев, увеличения производительности машин и уменьшения расхода запасных частей [1.1]. Обеспечение работоспособности двигателя и отдельных его компонентов на протяжении всего срока службы и эксплуатации, обусловило решение целого ряда задач при разработке систем фильтрации. Многие задачи систем фильтрации в современных условиях нельзя рассматривать изолированно друг от друга, они взаимосвязаны и являются составными частями одной системы.

Углеводородное топливо, как и любая жидкость, подвержено загрязнению различными твердыми частицами, попадающими в него во время производства, транспортирования, хранения, в момент заливки в бак автомобиля и другой техники. В атмосферном воздухе при высокой влажности окружающей среды и перепаде температур содержится много пыли в виде твердых частиц и аэрозолей. Загрязняющие примеси, находящиеся в топливе, вызывают повышенный износ деталей и как следствие уменьшение срока службы двигателя. А забивка топливной

аппаратуры частицами загрязнений при эксплуатации приводит к нарушению подачи бензина и дизельного топлива в бак, что вызывает перегрев двигателя.

Кроме того, в качестве загрязнителя топлив выступает свободная вода, которая замерзает при температуре 0°С, превращаясь в кристаллы льда, которые проникают в фильтрующие элементы топливных фильтров, что приводит к прекращению подачи топлива в двигатель и его остановку.

Из-за наличия в топливе механических загрязнений, в двигателе происходит неполное сгорание топлива и его остатки в виде сажи и углеводородов вылетают в окружающую среду, ухудшая экологическую обстановку.

Поэтому потребители фильтров для ДВС предъявляют все более жесткие требования в отношении повышения эффективности очистки, удаления более тонких твердых частиц, уменьшения вредных выделений и снижение стоимости.

Одним из эффективных путей решения этой проблемы является разработка новых видов и структур фильтрующих материалов (ФМ), используемых в конструкциях топливных фильтров. В качестве ФМ в топливных фильтрах используются волокнистые пористые перегородки, такие как, бумага, ткани, специальные картоны.

Наиболее перспективными фильтрующими перегородками в конструкциях топливных фильтров являются нетканые фильтрующие материалы (НФМ). Благодаря разнообразию способов производства, используемого сырья и возможности создания многослойных пористых структур, НФМ нашли широкое применение в качестве фильтрэлементов в конструкциях и установках топливных фильтров.

Используемые фильтрэлементы, оснащенные бумагами с введением стекловолокон и пропитанные специальными латексами, смолами, имеют существенные недостатки бумаги: набухают в топливе, происходит абразивный износ из-за присутствия стекловолокна, обладают высоким начальным гидравлическим сопротивлением из-за присутствия веществ введенных при пропитке.

Таким образом, данная диссертационная работа направлена на разработку технологии производства и создание многослойных структур НФМ, обеспечивающих номинальную тонкость фильтрации 5 мкм, большой ресурс грязеемкости и медленно нарастающее гидравлическое сопротивление в процессе эксплуатации, а также увеличение срока службы топливных фильтров.

Автор защищает:

1. Технологию изготовления многослойных нетканых материалов для очистки углеводородных топлив, используемых в двигателях внутреннего сгорания.

2. Структуру многослойных нетканых фильтрующих материалов, обеспечивающих послойное распределение твердых частиц и механических загрязнений.

3. Нетканый фильтрующий материал для очистки углеводородных топлив на основе разработанной технологии и многослойной струтуры с номинальной тонкостью фильтрации 5 мкм, низким начальным гидравлическим сопротивлением и высоким ресурсом грязеемкости.

4. Метод проектирования структуры многослойных НФМ, обеспечивающих требования по эффективности очистки и увеличению срока службы фильтров для очистки углеводородных топлив.

Общая характеристика работы.

Актуальность работы

На разных стадиях жизненного цикла (в процессе производства, при хранении, транспортировании, заливке в бак автомобилей и др.) углеводородное топливо подвергается загрязнению различными твердыми частицами. Для очистки углеводородных топлив от твердых частиц используются различные фильтрующие материалы: бумаги со стекловолокнами и пропитками, специальные картоны, ткани. Однако эти фильтрующие материалы не отвечают сегодняшним техническим требованиям, поэтому создание фильтрующих материалов для очистки углеводородных топлив и оснащение ими фильтрэлементов, являются актуальной проблемой. Данная работа направлена на разработку пористых многослойных нетканых материалов, обеспечивающих номинальную тонкость фильтрации 5 мкм, низкое начальное гидродинамическое сопротивление, высокий ресурс грязеемкости, и срок службы фильтрэлементов. В связи с автомобилизацией и увеличением количества автомобилей проблема обеспечения эффективности очистки и увеличения срока службы фильтров для фильтрации углеводородных топлив, используемых в ДВС, стоит очень остро. Это, также обусловлено с улучшением экологической обстановки в городах и населенных пунктах в отношении уменьшения вредных выделений от выхлопных газов автомобилей и другой техники.

Целью данной работы является разработка технологии изготовления и структуры пористых многослойных НФМ, обеспечивающих при очистке углеводородных топлив тонкость фильтрации 5 мкм, низкое начальное гидродинамическое сопротивление, высокий ресурс грязеемкости, длительный срок службы фильтрэлемента.

Задачи работы.

Исходя из поставленной цели, в данной работе решались следующие задачи:

- изучение рынка отечественных и зарубежных фильтрующих материалов для очистки углеводородных топлив и оценка тенденции их развития;

-анализ современного состояния научных исследований в области фильтрующих материалов для очистки углеводородных топлив;

- разработка технологических требований к НФМ для очистки углеводородных топлив;

- разработка модели структуры пористых многослойных НФМ;

- разработка каркасного волокнистого элемента, выполняющего роль барьера для частиц загрязнений, определяющего основную фильтрующую функцию НФМ;

- разработка технологии производства многослойных НФМ с тонкостью фильтрации 5 мкм;

- оптимизация технологических параметров производства НФМ;

- установление зависимости фильтрующих характеристик от технологических параметров производства и структурных элементов НФМ;

- внедрение в практику разработанного многослойного НФМ и оценка экономической эффективности от внедрения нового НФМ для очистки углеводородных топлив, в качестве фильтрующей шторы фильтрэлементов.

Методика проведения работы.

В работе использовались стандартные и нестандартные методики исследования физико-механических, функциональных и эксплуатационных свойств волокон и НФМ.

При оптимизации технологических параметров изготовления НФМ применялись методы математической статистики, математического планирования и анализа эксперимента.

Исследование структурных характеристик НФМ проводилось методами поляризационной микроскопии.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

- Разработана многослойная структурная модель НФМ на основе алгоритма его работы по осаждению и удержанию частиц загрязнения различных типоразмеров;

- Разработан основной структурный элемент - барьерный слой, определяющий фильтрующую способность НФМ и его влияние на изменение эксплуатационных характеристик. Определена схема технологической реализации разработанной многослойной структурной модели НФМ.

- Определен характер осаждения и удержания частиц загрязнения в зависимости от технологических операций методом поляризационной микроскопии;

- Проведено методами регрессионного анализа исследование факторов, влияющих на изменение структурных характеристик, физико-механических и эксплуатационных свойств НФМ;

- Определено влияние технологических операций на изменение номинальной тонкости фильтрации;

- По результатам проведенной работы получен патент РФ на изобретение №2421267 от 20.06.2011 г. «Нетканый фильтрующий материал».

Практическая ценность работы.

Разработанная комбинированная технология изготовления НФМ, согласно составленному заправочному расчету, позволяет освоить промышленный выпуск НФМ с номинальной тонкостью очистки 5 мкм:

- Составлен проект нормативно- технической документации на выпуск разработанного НФМ.

Использование разработанного НФМ:

1. позволило успешно заменить бумажные фильтрующие материалы как отечественного, так и импортного производства.

2. Обеспечить высокую номинальную тонкость очистки топлива - 5 мкм и повысить качество его очистки.

3. Использование многослойности НФМ позволило увеличить ресурс работы до полного засорения фильтэлементов, по сравнению, с оснащенными бумажными аналогами в 2,8 раза, тем самым увеличить срок эксплуатации фильтрэлементов, как на двигателях автомобилей МАЗ, так и в тепловозах.

4. Разработанный НФМ хемостоек к углеводородным топливам и воде, что сохраняет его целостность на протяжении всего времени эксплуатации и исключает проскок частиц загрязнения.

5. Разработанный НФМ позволяет расширить ассортимент НФМ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

Всероссийской выставке научно- технического творчества молодежи (НТТМ). « Фильтровальные нетканые материалы для углеводородных топлив» 2008 г. ГАО « Всероссийский выставочный центр».

10 Всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль 21 века». « Нетканые фильтровальные материалы для очистки углеводородных топлив» 2011 г. МГТУ им. А.Н. Косыгина.

7 Всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль 21 века». «Нетканый фильтровальный материал» 2008 г. МГТУ им. А.Н. Косыгина.

6 Всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль 21 века» «Нетканые материалы технического назначения» 2007г. МГТУ им. А.Н. Косыгина

Всероссийской научно- технической конференции (ВНТК) «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль 2011». «Технология изготовления нетканых фильтровальных материалов с использованием матриц в виде барьерных слоев», 2011 г. МГТУ им. А.Н. Косыгина.

ВНТК «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль 2010 г». «Структура пористых нетканых фильтровальных материалов и ее качественная оценка», 2010 г. МГТУ им. А.Н. Косыгина.

ВНТК «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль 2009 г». «Нетканые материалы для очистки нефтепродуктов от механических загрязнений». 2009г. МГТУ им. А.Н. Косыгина.

Результаты исследований диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов. Создание нетканых фильтровальных материалов для очистки углеводородных топлив с заданным показателем жесткости.// Химические волокна №3 2010 г. - 52-54 стр.

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов. Влияние термообработок на фильтрующую способность нетканых иглопробивных полотен.// Известия вузов. Технология текстильной промышленности №1 2010г. - 81-83 стр.

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов. Разработка структуры нетканого материала для очистки углеводородного топлива от механических загрязнений.// Известия вузов. Технология текстильной промышленности №4 2011г.-86-89 стр.

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов, A.M. Васильев. Нетканые материалы для очистки углеводородных топлив.// Тезисы доклада 10 Всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль 21 века» 2011г.- 17стр.

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов. Нетканые фильтровальные материалы для очистки воздуха.// Тезисы доклада 8 Всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль 21 века» 2009 г. - 28-29 стр.

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов. Нетканый фильтровальный материал.// Тезисы доклада 7 Всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль 21 века» 2008 г. - 34-35 стр.

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов. Нетканые материалы технического назначения.// Тезисы доклада 6 Всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль 21 века» 2008 г. - 33-34 стр.

М.Г. Мухамеджанов. Прогнозирование воздухопроницаемости НФМ в зависимости от вида каркасных элементов в структуре.// Тезисы доклада Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль 2010» 2010 г. -79-80 стр.

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов. Нетканые материалы для очистки нефтепродуктов от механических загрязнений.// Тезисы доклада Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль 2009» 2009 г. - 57-58 стр.

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов. Структура пористых нетканых фильтровальных материалов и ее качественная оценка.// Сборник научных трудов аспирантов МГТУ им. А.Н. Косыгина №16 2010 г. - 31-35 стр.

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов. Технология изготовления нетканых фильтровальных материалов с использованием матриц в виде барьерных слоев.// Тезисы доклада Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль 2011» 2011 г. - 33-34 стр.

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов, C.B. Конюхова, Т.Ф. Сутягина. «Нетканый фильтрующий материал». Патент на изобретение № 2421267 от 20.06.2011 г.

Заключение диссертации по теме «Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья», Мухамеджанов, Марат Габитович

Общие выводы по работе.

1. На основании теории процессов фильтрации углеводородных топлив от механических загрязнений разработан метод проектирования рабочей структурной модели многослойного НФМ с увеличивающим градиентом плотности по толщине материала, позволяющим обеспечить номинальную тонкость фильтрации 5 мкм. На разработанный НФМ составлены проекты СТО и заправочного расчета.

2. Разработана оригинальная технология изготовления многослойного НФМ на основе доступного волокнистого сырья с каркасным элементом, выполняющим роль барьерного упрочняющего слоя.

3. Установлена взаимосвязь структуры барьерного слоя с номинальной тонкостью фильтрации разработанной технологии НФМ.

4. Разработанный, по предложенной технологии НФМ предлагается использовать в качестве фильтрующей шторы при изготовлении фильтрэлементов новых конструкций по очистке углеводородных топлив для тепловозов и автомобилей «МАЗ» взамен бумажных фильтрующих материалов.

5. Преимущества разработанного НФМ по сравнению с широко применяемыми для фильтрации углеводородных топлив бумажными аналогами свидетельствуют высокие эксплуатационные характеристики нового материала:

- повышение грязеемкости в 2,8 раза;

- повышение качества очистки топлива;

- понижение гидравлического сопротивления, не превышает 2,5 кПа;

- устойчивость к воде и углеводородным топливам;

- способность к гофрированию для создания развернутой площади фильтрации.

6. Разработанный НФМ обладает рядом технико - экономических преимуществ по сравнению с бумажными фильтрующими материалами и является экономически привлекательным для производителей фильтрэлементов. Общий удельный хозрасчетный показатель

2 2 экономического эффекта в расчете на 1 м НФМ составил 30,3 руб/м .

7. Научная новизна работы защищена патентом РФ на изобретение «Нетканый фильтрующий материал» от 20 июня 2011 г.

11. Полученные эксплуатационные характеристики подтверждены результатами апробации НФМ в фильтрэлементах для тепловозов на ОАО «Коломенский тепловозостроительный завод» и в фильтрэлементах для ДВС автомобилей «МАЗ» на АО СПО «Дифа» (г. Гродно, Беларусь).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мухамеджанов, Марат Габитович, 2012 год

Библиография

[1] СаНПиН 2.17.1322-03 Гигиенические требования к размещению и обезвреживанию отходов производства и потребления.

Ключевые слова: стандарт организации, полотно, очистка, углеводородное топ

Исполнитель

аспирант МГТУ им. А.Н. Косыгина

М.Г. Мухамеджанов