Авторефераты диссертаций >> Повышение эффективности процесса очистки промышленного сырья от парамагнитных примесей магнитным методом
На правах рукописи
Тыртыгин Вячеслав Николаевич
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННОГО СЫРЬЯ ОТ ПАРАМАГНИТНЫХ ПРИМЕСЕЙ МАГНИТНЫМ МЕТОДОМ
05.17.08 Процессы и аппараты химических технологий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Иваново 2010
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет сервиса»
Научный руководитель:
доктор технических наук Иванов Виктор Васильевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Овчинников Лев Николаевич
доктор технических наук, профессор Семенов Владимир Константинович
Ведущая организация:
Московский государственный университет инженерной экологии, г. Москва
Защита состоится «___»_________2010г. в___ часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.063.05 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу 153000 г. Иваново, пр.Ф.Энгельса, 7 ауд. Г101
Тел. (4932) 32–54–33. Факс (4932) 32–54–33. E-mail: dissovet@isuct.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000 г. Иваново, пр.Ф.Энгельса, 7
Автореферат разослан «___»__________________2010г.
Ученый секретарь
совета Д212.063.05
доктор физико–математических нук Зуева Г.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Одним из эффективных путей повышения очистки промышленного сырья от парамагнитных примесей с размером частиц менее 60 мкм, например, каолина от красящих оксидов, саломаса от никельсодержащего катализатора, оборотных вод электросталеплавильного производства от шлама, эмульсии смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) от бактериальной флоры является использование специальных магнитных методов.
Магнитные методы основаны на разделении веществ по их магнитным свойствам. В частности, очистка каолина, саломаса и оборотной воды от парамагнитных примесей может эффективно осуществляться в магнитных аппаратах с высокоградиентным магнитным полем (метод высокоградиентной магнитной сепарации (ВГМС)), а очистка СОЖ от бактериальной флоры - в магнитном аппарате с импульсным магнитным полем низкочастотного 2-30 Гц диапазона (метод МИО).
Суть метода ВГМС заключается в следующем. Очищаемое сырье в виде суспензии пропускается через рабочую зону магнитного аппарата, внутри которой, с целью создания высокоградиентного магнитного поля, помещена специальная матрица из нержавеющего магнитомягкого материала (шары, стружка, металлическая «вата» и т.д.). Под действием электрических катушек магнитного аппарата происходит намагничивание материала матрицы, в результате чего, в рабочей зоне аппарата создается высокоградиентное магнитное поле. Величина градиента магнитного поля зависит от напряженности внешнего магнитного поля, размера и магнитных свойств материала матрицы. Содержащиеся в сырье частицы с адсорбированными или химически связанными вредными примесями (оксиды железа, никеля и др.), обладающие повышенной удельной магнитной восприимчивостью, притягиваются в наиболее неоднородные участки высокоградиентного магнитного поля матрицы.
Метод МИО основан на бактерицидном действии магнитного поля, связанным с сосуществованием "частотно-амплитудных окон", внутри которых есть реакция биообъекта, а вне – отсутствует. Бактерицидное действие магнитного поля зависит от частоты следования и формы импульсов, напряженности и градиента напряженности магнитного поля, времени обработки, резистентности (сопротивляемости) микроорганизмов и т.д.
В связи с этим, исследование технологических процессов очистки промышленного сырья от парамагнитных примесей с размером частиц менее 60 мкм., разработка методов расчёта оборудования и его усовершенствование является актуальной задачей.
Целью работы является повышение эффективности очистки каолина, саломаса, оборотной воды и смазочно-охлаждающей жидкости от парамагнитных примесей магнитным аппаратами ВГМС и МИО, разработка математических моделей, характеризующих протекающие в них процессы очистки и оценка по ним рациональных режимов эксплуатации магнитного оборудования.
Объектом исследования являются процессы очистки каолина Просяновского месторождения (Украина), саломаса Екатеринбургского жиркомбината, оборотной воды завода «Волгоцеммаш» (г. Тольятти) и смазочно-охлаждающей жидкости ОАО «АвтоВАЗ» (г. Тольятти) от парамагнитных и других примесей магнитными методами.
Предмет исследования - технологические режимы процессов очистки промышленного сырья в высокоградиентном магнитном поле и в магнитно-импульсном поле КНЧ диапазона.
Методы исследований
Для решения поставленных задач применялась теория высокоградиентной магнитной сепарации, теория устойчивости дисперсных систем, модели действия магнитных полей на биологические системы, методы экспериментального моделирования (регрессионный и дисперсный анализ) и экспериментальных исследований.
Научная новизна работы
1.Найдены оптимальные режимы работы магнитных аппаратов, работающих по методам ВГМС и МИО.
2.Разработаны математические модели процессов очистки промышленного сырья от примесей магнитными методами, характеризующих влияние основных технологических режимов работы высокоградиентного магнитного сепаратора и магнитно-импульсной установки КНЧ диапазона на эффективность разделения неоднородных систем.
3. На базе математических моделей очистки промышленного сырья от примесей магнитными методами разработаны методики расчёта оптимальных технологических режимов работы магнитного оборудования ВГМС и МИО для очистки каолина, саломаса, оборотных вод и СОЖ от бактериальной флоры.
4. По результатам экспериментальных исследований и математического моделирования разработаны усовершенствованные промышленные техно- логические схемы для эффективной очистки сырья с использованием магнитных методов разделения неоднородных систем.
Практическая ценность результатов состоит в следующем:
1. Разработаны способ очистки каолина методом ВГМС и технологический регламент производства каолина магнитного обогащения производительностью до 24 тыс. тонн/год.
2. Разработаны способ очистки саломаса от никельсодержащего катализатора и проект технологического регламента извлечения никелевого катализатора из саломаса методом ВГМС.
3. Разработаны исходные требования на проектирование и проект промышленной очистки оборотной воды системы пылеулавливания от шлама электросталеплавильного производства производительностью до 200 м3/час методом ВГМС.
4. Разработан проект промышленной очистки смазочно-охлаждающей жидкости от бактериальной флоры на основе установки магнитно- импульсного поля КНЧ диапазона.
На защиту выносятся:
- Математические модели процессов очистки промышленного сырья от парамагнитных примесей магнитным методом, характеризующих влияние основных технологических параметров высокоградиентного магнитного сепаратора и магнитно-импульсной установки КНЧ диапазона на эффективность очистки.
- Результаты экспериментальных исследований процесса очистки каолина, саломаса, оборотной воды и смазочно-охлаждающей жидкости от примесей магнитными методами.
3. Технологические схемы промышленной очистки каолина, саломаса, оборотной воды и смазочно-охлаждающей жидкости от парамагниных примесей магнитными методами.
Апробация работы.
Основные результаты работы доложены и обсуждались на: Всесоюзном координационном совещании научно-исследовательских, проектно-конструкторских организаций и предприятий 28-30 марта 1984 г., г. Тольятти; Межотраслевой выставке ВДНХ СССР. Ресурсосбережение 88 г. Москва, 1988 г; Международном симпозиуме «Технология–2000», Тольятти 1995г; Всероссийской научно-практической конференции. Промышленная и экологическая безопасность как условие обеспечения качества продукции и услуг, Тольятти: ТГУ, 2002; Первом международном экологическом конгрессе «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» ELPIT 2007, Тольятти, ТГУ, 2007; Международной научной конференции «Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики, 18-21 апреля 2007 г. Тольятти, ВУиТ; V юбилейной международной научно-практической конференции «Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики, 16-19 апреля 2008 г., Тольятти, ВУиТ, VII международной научно-технической конференции НАН Беларуси «Энерго- и материалосберегающие экологически чистые технологии» 29-30 октября 2009 г., Гродно (Беларусь).
Работа выполнена в рамках госбюджетных НИР, которые велись во Всесоюзном научно-исследовательском институте нерудных строительных материалов и гидромеханизации (ВНИИНеруд) (ГР № 01.87.0018638, ГР.№ 01.86.0070988, ГР №81095703, ГР 01.85.0017790);
- по заявкам предприятий: ГР № 01.88.0031729; х/д 11238, ВНИИНеруд;
- в Тольяттинском государственном университете сервиса (ГР № 02.200.201431).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 20 печатных работах, в том числе в 4-х изданиях, предусмотренным перечнем ВАК, монографии, учебном пособии.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 117 страницах машинописного текста и содержит 16 таблиц и 39 рисунков.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность темы, дан анализ состояния проблемы, определены цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы основные положения, выносимые автором на защиту.
В первой главе приведен анализ методов очистки промышленного сырья: каолина, саломаса, оборотной воды системы пылеулавливания электросталеплавильного производства и СОЖ от примесей.
Каолин – основной силикат алюминия Al2O3 2SiO2 2H2O. Очистка каолина, используемого в качестве наполнителя в различных отраслях промышленности, осуществляется с целью повышения его белизны и улучшения его потребительских свойств. Белизна каолина напрямую связана с содержанием в нем красящих примесей - оксидов железа Fe2O3 и титана TiO2.Чем меньше содержание красящих примесей, тем выше белизна каолина. Это достаточно тонкодисперсный продукт, содержащий частиц размером менее 2 мкм до 70%. Процесс очистки каолина от красящих примесей осуществляется методами флотации, селективного и гравитационного осаждения, химического отбеливания, гидроциклонным методом и т.д. Основное оборудование- классификаторы, гидроциклоны, центробежные сепараторы и т.д., которые практически не улавливают красящие примеси. Благодаря магнитным свойствам красящих примесей - оксидов Fe2O3 и TiO2, повышение эффективности очистки каолина возможно только методм ВГМС. Например, этот метод нашёл широкое применение на Украине (разработки Тыртыгина В.Н. и др.). Схема высокоградиентного магнитного сепаратора для очистки каолина методом ВГМС показана на рис. 1.
Рис.1. Схема высокоградиентного магнитного сепаратора для очистки каолина: 1- стальной магнитопровод; 2 - медная катушка соленоида; 3 - рабочая зона (камера с «высокоградиентной» матрицей); 4 - стальные заглушки для выравнивания магнитного поля; 5 - перекрывающий клапан.
Саломас - продукт гидрогенизации жидких жиров в присутствии катализатора гидрирования. Катализаторы гидрирования в основном никельсодержащие, например, химически осажденный оксид никеля на кизельгуре. Очистка саломаса от отработанного никельсодержащего катализатора осуществляют методом фильтрования на фильтр-прессах (рамных, листовых и т.д.), что не всегда обеспечивает требуемое качество отфильтрованного саломаса. Никельсодержащий катализатор - парамагнетик. Поэтому повышение эффективности очистки саломаса от никелевого катализатора может быть осуществлено методом ВГМС. В России очистка саломаса от каталитических примесей методом ВГМС исследовалась в институтах «ВНИИЖ» и «ВНИИНеруд» (Стопским В.С., Нуянзиным А.П., Тыртыгиным В.Н. и др.)
Дисперсный шлам (средний размер частиц 20 мкм) электросталеплавильного производства системы пылеулавливания отходящих газов, характеризуется магнитными свойствами близкими к свойствам никелевого катализатора. В этом случае малоэффективную мокрую очистку выхлопных (отходящих) газов целесообразнее заменить на более прогрессивный метод ВГМС.
Водо-масленная эмульсия СОЖ, используемая в металлообрабатывающей промышленности, представляет собой сбалансированную смесь воды, масла, олеиновой кислоты и других инградиентов. СОЖ в процессе эксплуатации загрязняется продуктами металлобработки и поражается аэробными и анаэробными микроорганизмами, имеющих размер до 10 мкм. Процесс очистки СОЖ от микроорганизмов применяется с целью улучшения ее потребительских свойств и осуществляется биологичесим способом путем ввода биоприсадок. Однако ввод биоприсадок ухудшает органолептические показатели СОЖ.
Известно, что все биообъекты реагируют на магнитное поле. По данным Классена В.И.и др. магнитное поле обладает бактерицидным действием и позволяет снизить в СОЖ концентрацию микроорганизмов и тем самым улучшить её органолептические показатели (снижение запаха). Применение магнитного метода обеззараживания позволяет снизить расход биоприсадок и повысить эффективность биологического способа очистки СОЖ от микроорганизмов.
Проведенный анализ показал, что использование магнитных методов при очистке промышленного сырья не только повышает эффективность процесса очистки, но и позволяет решать качественно новые задачи, связанные с болеее глубокой очисткой каолина, саломаса, оборотных вод, СОЖ с учетом современных требований экологической безопасности.
Вторая глава содержит теоретические исследования процесса очистки промышленного сырья от парамагнитных примесей с размером частиц менее 60 мкм методом ВГМС и исследования процесса очистки СОЖ в магнитно-импульсном поле КНЧ диапазона. Целью исследований является определение основных режимных параметров процесса очистки промышленного сырья магнитными методами и основных габаритных размеров магнитных аппаратов для их реализации.
Согласно теории высокоградиентной магнитной сепарации активной силой, воздействующей на парамагнитную частицу, является магнитная сила. Магнитная сила, отнесенная к единице массы - удельная магнитная сила (Fm). Fm = µо H grad H, где µо = 410-7 Г/м – магнитная постоянная (магнитная проницаемость среды), - удельная магнитная восприимчивость тела, м3/кг, H - напряженность магнитного поля, А/м; grad H - градиент (потенциал) напряженности магнитного поля, А/м2. Ориентировочно градиент магнитного поля можно рассчитать по формуле: grad Н H/r, где H напряженность магнитного поля, r – радиус элемента матрицы ( r для шара 1,510-3 м, для металлических нитей 20…10010-6м). При расчёте магнитного разделения парамагнитных частиц размером менее 60 мкм в жидкой среде, можно допустить, что магнитная сила, действующая на частицу, уравновешивается силой гидродинамического сопротивления среды: Fg = 18 / d2 , где - динамическая вязкость среды, Пас; - скорость движения жидкости через слой матрицы, м/с; d - диаметр частиц фильтруемого материала, м; - плотность вещества частицы, кг/м3.
Тогда условие разделения парамагнитных частиц с размером менее 60 мкм следующее:
Fm = µоHgradH Fg = 18 / d2 (1)
Математическая модель процесса очистки сырья магнитным методом достаточно сложна, зависит от большого количества параметров, значительная часть которых трудно поддается регулировке. Например, эффективность улавливания парамагнитных примесей в высокоградиентном магнитном поле зависит от множества параметров и в общем виде может быть представлена как:
= f (H, grad H, h, dш, , , d, t, т, , ….), (2)
где – эффективность процесса, %; H - напряженность магнитного поля, А/м; grad H - градиент (потенциал) напряженности магнитного поля, А/м2; h - высота зоны фильтрации, м; dш, и - размер и магнитные свойства рабочих тел (шаров), - скорость движения жидкости через слой шаров, м/с; d – эквивалентный диаметр частиц фильтруемого материала, м; t - время фильтрации, с; ч - удельная магнитная восприимчивость частицы, м3/кг.
С целью упрощения математической модели, выделим основные параметры процесса очистки промышленного сырья (каолина, саломаса, оборотной воды) методом ВГМС и очистки (обеззараживания) СОЖ в магнитно-импульсном поле КНЧ диапазона.
Условно параметры процесса очистки сырья от примесей методом ВГМС можно разделить на три категории.
Первая - характеризует магнитный аппарат (сепаратор, установку). К ней относятся такие параметры, как Н, grad H, h, dш и , способ регенерации рабочей зоны; dш и определяют grad H. Вторая - характеризует очищаемое сырье: вид сырья (каолин, саломас, шламы, СОЖ и т.д.) и его физико-химические свойства. Третья - характеризует технологический процесс - скорость движения частиц через рабочую зону сепаратора и вязкость очищаемой среды. Регулировать параметры, относящиеся ко второй категории хотя и возможно, но технически сложно. Например, шламы электросталеплавильного производства имеют непостоянный гранулометрический и химический состав.
Проще регулировать параметры, относящиеся к первой и третьей категории, то есть H, grad H, h, , t и . Эти параметры принимаем как основные.
Диапазон изменений этих параметров зависит от конкретного вида сырья (каолин, саломас, оборотная вода) и на практике ограничивается из технико-экономических соображений.
Проведённые исследования показали, что grad H связан с диаметром элементов матрицы. Наибольший эффект извлечения достигается в случае, когда диаметр элемента высокоградиентной матрицы (шаров, нити) в 2,69 раза превышает диаметр частицы.
Для нахождения оптимальной высоты рабочей зоны, соответствующей высоте матрицы высокоградиентного магнитного сепаратора h (рис. 1), и временя очистки промышленного сырья в магнитном сепараторе использовалась система уравнений (3). Система (3) предполагает нахождение целевых функций в границах изменения следующих основных технологических параметров очистки: размер частиц dч = 1- 45 мкм; удельная магнитная восприимчивость частицы ч = 0,1-430 10-6м3/кг; концентрация частиц (по массе в суспензии) 1- 14%; относительная массовая концентрация парамагнитных примесей (оксидов титана, никеля, железа) в очищаемом сырье 0,5- 1,6% (кг/кг); В(Н) и grad H по всей длине (высоте) рабочей зоны ВГМС постоянны и лежат соответственно в диапазоне 0,2-1,6 Тл (250…2000кА/м) и 1,710 -- 16·108 А/м2; вязкость рабочей среды 5- 6 мПас; температура очищаемого сырья (суспензии) не более 200 С; скорость движения жидкости через слой шаров ср = 0,006 - 0,07 м/с.
µоH grad H 18 / d2 ,
= [(Сн-Ск)/Сн] 100%,
