НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

ГОРОБЕЦЬ СВІТЛАНА ВАСИЛІВНА

УДК 621.928.8:66

РОЗРОБКА НОВИХ ПРИНЦИПІВ ВИСОКОГРАДІЄНТНОЇ МАГНІТНОЇ ФІЛЬТРАЦІЇ (СЕПАРАЦІЇ)

Спеціальність 05.17.08 – Процеси та обладнання хімічної технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті харчових технологій, Міністерство освіти і науки України, в проблемній науково-дослідній лабораторії та в Донецькому національному університеті, Міністерство освіти і науки України, у відділі фізики магнітних явищ та високотемпературної надпровідності.

Науковий консультант: академик ААНУ, доктор технічних наук,

професор Гулий Іван Степанович, Національний

університет харчових технологій, професор

кафедри.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук,

професор Федоткін Ігор Михайлович, Національний технічний університет України ”Київський політехнічний інститут”, професор кафедри хімічного, полімерного та силікатного машинобудування;

доктор технічних наук,

професор Якуба Олександр Родіонович, Сумський національний аграрний університет, професор кафедри технологічного обладнання харчових виробництв;

доктор фізико-математичних наук,

професор Клепіков Вячеслав Федорович, Науково-технічний центр електро-фізичної обробки НАН України, директор.

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”, кафедра процесів та апаратів хімічних виробництв

Захист відбудеться “_10_”_червня___ 2003 р. о 14.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.05 при Національному технічному університеті України ”Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м.Київ-56, проспект Перемоги, 37, корпус 21, аудиторія 209.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України ”Київський політехнічний інститут”, 03056, м.Київ-56, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “ 7_”_травня___ 2003р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, професор В.Я.Круглицька

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У епоху індустріальної і постіндустріальної цивілізації 21-го століття в розвинутих країнах стандарти якості продукції, як і стандарти якості життя, стають усе більш жорсткими, що, зокрема, ставить нові вимоги перед хімічним виробництвом, як одним з основних напрямків сучасного технічного прогресу. Розвиток хімічних методів і технологій збільшує продуктивність промислових агрегатів, інтенсифікує технологічні процеси виробництва, дозволяє створити нові матеріали й вироби, знайти найбільш ефективні шляхи розвитку ряду галузей промисловості. При цьому зростає антропогенне навантаження на навколишнє середовище, і як передбачав В.І.Вернадський, йде процес антропогенного перетворення біосфери. Це, зокрема, призвело до надходження у водні басейни зі стічними водами підприємств, через забруднені викидами грунт і атмосферу органічних, хімічних, біологічних, радіоактивних та інших забруднюючих речовин. Тому існує гостра необхідність розробляти нові менш дорогі і прості, а також більш продуктивні в порівнянні з традиційними, технології, процеси й апарати для очищення різних робочих середовищ, а також стічних вод, що є важливою справою практично у всіх галузях.

Для розвитку сучасних, особливо хімічних технологій, очищення сипучих, рідких і газоподібних робочих середовищ є дуже актуальною проблемою, тому що в ряді випадків має вирішальний вплив не тільки на якість, але і на сортність продукції. Тонка сепарація від забруднюючих часток, особливо від залізовміських домішок, потрібна при виробництві пігментів, гідроксиламіна сірчанокислого, кераміки, каоліну, паперу, синтезі рідкого палива, зверхтонка – в атомній енергетиці та атомній промисловості і т.д. На сьогоднішній день такі традиційні методи очищення, як хімічні, механічні, сорбційні, іонообмінні та інші не завжди можуть забезпечити низьке по вартості й екологічне вирішення питання очищення рідин від радіоактивних і нерадіоактивних металів, субмікронних домішок, патогенних мікроорганізмів і т.п. Вимогам простоти у використанні, недороговизни і високої ефективності на сучасному етапі відповідають магнітні фільтри та сепаратори (МФ(С)) із високоградієнтними феромагнітними насадками (ВГФН). При здійсненні високоградієнтного магнітного очищення основна роль належить ВГФН, що намагнічуються та безпосередньо контактують із потоком робочого середовища. МФ(С) використовують різні феромагнітні насадки: підшипникові кульки, відходи і напівфабрикати кулькопідшипникового виробництва, стрижні, стружку, порошки, сітки, рифлені пластини, вату з дроту, дроблений ферит і т.д.

Магнітними фільтрами та сепараторами з ВГФН вилучаються з робочого середовища домішки за рахунок різниці в магнітних властивостях самих домішок і робочого середовища, шляхом збільшення зовнішнього магнітного поля фільтра або зменшення розмірів окремих елементів ВГФН. Збільшення зовнішнього магнітного поля (МП) фільтра обмежено властивостями матеріалів магнітної системи, а збільшення градієнтного МП в околі окремих елементів ВГФН можливе тільки за рахунок зменшення розмірів окремих елементів насадки. Але в цьому випадку виникають обмеження по гідродинамічному опору ВГФН або складності та високій вартості виготовлення насадок. В зв’язку з цим необхідність розробки для тонкої і зверхтонкої очистки та сепарації нових принципів та способів формування ВГФН для МФ(С) з мікронними розмірами окремих елементів та невеликим гідродинамічним опором є досить актуальною, так як дозволяє вирішити важливу народногосподарську проблему – поліпшення якості та зменшення втрат готової продукції, удосконалення технологічних процесів у хімічній промисловості, зокрема при виробництві залізоокисних пігментів, гідроксиламіна сульфата, десульфатизації вугілля і ін. та зменшити навантаження на навколишнє середовище.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконувалися у відповідності з тематикою науково-дослідних робіт у Національному університеті харчових технологій та Донецькому національному університеті відповідно до:–

плану Держкомітету науки і техніки України “Розробка принципів проектування магнітних фільтрів для очистки робочих рідин”, № 01920005645;–

плану Міністерства освіти України “Дослідження фізичних властивостей неоднорідних тонкоплівочних і дисперсних магнітних матеріалів”, № 0193U041491;–

плану Держкомітету науки і техніки України “Розробка фізичних принципів тонкої очистки рідини від феро- та неферомагнітних домішок”, 94-ДКНТФ/58;–

міжвузівських наукових та науково-технічних програм Міністерства освіти України “Поведінка мікрооб’єктів різної природи у високоградієнтних магнітних полях”, № 0198U005561;–

плану Міністерства освіти України “Дослідження ефективності роботи високоградієнтних насадок, що формуються з елементів різної форми”, № 0101U005388;–

міжвузівських наукових та науково-технічних програм Міністерства освіти України “Дослідження магнітних властивостей низькорозмірних систем та поверхні матеріалів”, № 0198U001015;–

плану Міністерства освіти України “Перетворення доменних та кластерних структур при різноманітних впливах зовнішніх факторів на магнітні матеріали”, № 0100U005077;–

плану Міністерства освіти України “Вплив високоградієнтних магнітних полів на мікрооб’єкти харчових середовищ”, № 0198U000548;–

плану Міністерства освіти та науки України “Теоретичне та експериментальне дослідження механізмів дії високоградієнтних магнітних полів (ВГМП) на харчові середовища та мікрооб’єкти в них”, № 0100U000689.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розробка нових принципів та способів формування багаторівневих ВГФН із заданими параметрами, нової методики розрахунку ВГФН для магнітних фільтрів та сепараторів для вдосконалення систем тонкого очищення в хімічних технологіях, зокрема при виробництві залізоокисних пігментів, гідроксиламіна сульфата, десульфатизації вугілля та ін. на основі теоретичних та експериментальних досліджень та комп’ютерного моделювання траєкторій руху слабомагнітних домішок в околі феромагнітних насадок в зовнішньому магнітному полі.

Відповідно до цілі досліджень були сформульовані такі задачі:

розробити нові способи формування багаторівневих ВГФН із заданою структурою і підвищеною ефективністю уловлювання слабомагнітних домішок; теоретично й експериментально дослідити характер приповерхневих потоків і особливості осадження слабомагнітних дрібнодисперсних часток у динаміці в процесі їх уловлювання в околі багаторівневих ВГФН із застосуванням методів оптичної мікроскопії і математичного моделювання;

- на основі вирішення вищевикладених задач створити нову методику розрахунку параметрів МФ (С) із багаторівневими ВГФН, що підвищують ефективність магнітного осадження в системах тонкого очищення та сепарації в хімічних виробництвах.

Об'єктом дослідження в дисертаційній роботі є багаторівневі ВГФН, їх структура, окремі елементи насадки, а також робочі та модельні середовища та домішки в них у зовнішньому постійному МП.

Предметом дослідження є параметри багаторівневих ВГФН в постійному та імпульсному магнітних полях при їх формуванні, а також процеси, що відбуваються в робочих та модельних середовищах з слабомагнітними домісними частками під впливом високоградієнтного магнітного поля (ВГМП), яке створюється ВГФН.

Методи дослідження – оптична мікроскопія, хімічні, спектрофотометричні та масспектрометричні методи аналізу, магнітометричні та автогенераторні методи вимірювання магнітних величин, комп’ютерне моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів. Вирішується важлива народногосподарська проблема створення нових принципів формування багаторівневих ВГФН МФ (С) для очищення робочих середовищ від слабомагнітних домішок і нової методики розрахунку параметрів МФ (С) з ВГФН для систем тонкого очищення в хімічних виробництвах.

На підставі проведених досліджень отримані наукові результати, що виносяться автором на захист:

- Вперше показано, що формування кластерних багаторівневих ВГФН із дрібнодисперсного феромагнітного порошку в МП супроводжується рядом структурних перетворень; встановлено, що для цього процесу характерна наявність двох критичних магнітних полів. Значення критичних магнітних полів пов'язані з коерцитивною силою матеріалу і характером руху магнітних часток. Встановлено, що розподіл кластерів (окремих елементів ВГФН) по висотах, залежність висоти кластерів, залежність діаметра сформованої ВГФН і кількості кластерів від зовнішнього поля мають характерні ознаки в різних інтервалах магнітних полів. Структура ВГФН вибирається в залежності від вимог технологічного процесу в системах тонкого очищення при виробництві пігментів, гідроксиламіна сульфата а також при десульфатизації вугілля і т.п.

- Двопараметричний аналітичний вираз для максимальної площі перетину області уловлювання слабомагнітних домішок окремим елементом ВГФН площиною, яка перпендикулярна швидкості потоку рідини.

- Математична модель визначення магнітної сприйнятливості мікрооб’єктів безпосередньо в рідині по геометрії їх осадження на ВГФН сферичної форми та аналітичний вираз для форми конгломерату уловлених ВГФН слабомагнітних домішок, з урахуванням їх взаємодії з поверхнею кластера, що дозволяє розрахувати ємність окремого елемента ВГФН сферичної форми.

- Вперше встановлено, що в околі металевих ВГФН в нерухомих водних розчинах солей, кислот, лугів (електролітах), виникають стаціонарні потоки рідини, обумовлені спільним впливом постійного магнітного поля та хімічної реакції між електролітом та поверхнею насадки.

- Вперше встановлено, що, змінюючи склад нерухомих водних розчинів (електролітів) та властивості поверхні ВГФН, можна змінювати напрямки потоків, індукованих спільним впливом постійного магнітного поля та хімічної реакції між електролітом та поверхнею насадки та формувати направлені потоки, що переміщують неферомагнітні домішки у розчині.

- Методика розрахунку багаторівневих ВГФН МФ(С) для оптимізації параметрів насадок і магнітних фільтрів (сепараторів) у цілому, які використовуються в технологічних процесах в системах тонкого очищення при виробництві залізоокисних пігментів, гідроксиламіна сульфата, при десульфатизації вугілля та ін.

Практичне значення одержаних результатів.

Практична цінність результатів наукових досліджень полягає в тому, що на основі розроблених математичних моделей та експериментальних досліджень мікроскопічних механізмів взаємодії домісних часток з елементами багаторівневих ВГФН в постійному магнітному полі, розробленої математичної моделі розрахунку тонкості очищення слабомагнітних домішок ВГФН, створено та впроваджено методику розрахунку параметрів магнітних фільтрів (сепараторів) з багаторівневими ВГФН та конструкції ВГФН для систем тонкого очищення робочих середовищ від слабомагнітних домішок. Методика впроваджена при розробці багаторівневих ВГФН магнітних фільтрів (сепараторів) при очищенні гідроксиламіна сульфата водного від гідрокарбонату окису заліза дисперсністю 1-5 мкм при виробництві гідроксиламіна сульфата у відкритому акціонерному товаристві “Донецький завод хімічних реактивів”; при очищенні вугілля від домішок піриту дисперсністю 1-50 мкм при його десульфатизації в конструкторському бюро Донецького фізико-технічного інституту ім. О.О.Галкіна НАН України; для сепарації лепідокрокіта дисперсністю 1-20 мкм з маточного розчину в науково-технологічному центрі “Реактивелектрон” НАН України, м.Донецьк.

Науковими результатами для впровадження є нові способи створення та виготовлення з дрібнодисперсного феромагнітного порошку кластерних багаторівневих ВГФН для МФ(С) із заданими параметрами для підвищення ємності та тонкості очищення для систем тонкого очищення в хімічних технологіях, зокрема при виробництві залізоокисних пігментів, гідроксиламіна сульфата, десульфатизації вугілля та ін.

- Результати проведених наукових досліджень можуть бути використані при створенні нових магнітних фільтрів тонкої очистки з багаторівневими ВГФН для очищення газоподібних, рідких та сипучих середовищ; при розробці засобів очищення води від іонів важких металів та радіонуклідів за допомогою акумуляції їх мікроорганізмами в магнітному полі; для керування хімічними реакціями між електролітами і поверхнями металів за допомогою магнітного поля, наприклад при цементації; в наукових дослідженнях процесів поведінки дрібнодисперсних слабомагнітних та феромагнітних часток в магнітних полях; при підготовці навчальних курсів з фільтрації і сепарації для систем тонкого очищення в хімічних та інших технологіях.

- Розроблені нові методи визначення магнітної сприйнятливості дрібнодисперсних мікрооб’єктів безпосередньо у рідинах, що підлягають очищенню і отриманий аналітичний вираз для форми конгломерату уловлених ВГФН слабомагнітних домішок дозволяють визначати ємність ВГФН для широкого діапазону робочих параметрів магнітних фільтрів.

Особистий внесок здобувача. Автором дисертації запропоновано нові підходи до з'ясування мікроскопічних механізмів магнітної фільтрації, сучасними математичними методами оброблені та узагальнені результати чисельних фізичних, фізико-хімічних та біофізичних досліджень, розроблено математичні моделі процесів, запропоновано узагальнюючі критерії та способи розрахунку магнітних фільтрів з багаторівневими ВГФН для очищення робочих середовищ від слабомагнітних домішок. Вперше розроблено принципи та способи формування багаторівневих ВГФН для підвищення ефективності магнітної фільтрації. Проведено дослідження по визначенню оптимальних параметрів магнітних фільтрів з багаторівневими ВГФН. Розроблена методика розрахунку багаторівневих ВГФН, на основі здійснених досліджень створені багаторівневі ВГФН, проведена їх апробація та впровадження в виробничу практику. Вперше експериментально зареєстровано ефект виникнення стаціонарних потоків рідини в околі залізних ВГФН у магнітному полі в розчинах електролітів та показано, що джерелом енергії для виникнення стаціонарних потоків електролітів в околі залізних ВГФН у постійному магнітному полі є хімічна реакція, що відбувається на поверхні залізної ВГФН. Ідеї співавторів наукових праць в дисертації не використовувались.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювалися на науковій конференції Донецького держуніверситету (Донецьк, 1993), “The 4d International Symposium on Physics of Magnetic Materials” (Сеул, 1995), “40th Annual Conference Magnetism and Magnetic Materials” (Філадельфія, 1995), “14th International Riga Conference on Magnetohydrodynamics” (Литва, 1995), 7-ій Міжнародній конференції по магнітних рідинах (Росія, 1996), “2nd International Symposium on Magnetic Industry” (Китай, 1999), шостій міжнародній науково-технічній конференції в Українському державному університеті харчових технологій (2000), конференції “Космічна екологія і ноосфера” ( Крим, 1999), “8th European magnetic materials and applications conference EMMA - 2000” (Київ, 2000), “V Ukrainian-Polish Symposium Theoretical and experimental studies of interfacial phenomena and their technological applications” (Одеса, 2000), “Euro-Asian Symposium “Trends in Magnetism” EASTMAG-2001” (Росія, Єкатеринбург, 2001), “The 8th Joint MMM- Intermag Conference” (San Antonio, Texas, 2001), International Conference PHYSICS of liquid matter: modern problems (Україна, Київ, 2001), International conference “Functional Materials” ICFM-2001, (Україна, Крим, Партеніт, 2001), Liquid Matter Conference (Germany, Konstanz, 2002).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 58 друкованих робіт, із них 31стаття в провідних наукових фахових виданнях, 4 патенти України.

Структура дисертації. Загальний зміст дисертаційної роботи викладено на 306 сторінках машинописного тексту, що складається з вступу, 7 розділів, загальних висновків та додатку. Дисертація ілюстрована 100 рисунками та 14 таблицями. Приводиться список використаних літературних джерел, що нараховує 391 назву.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ.

У вступі обгрунтовано актуальність, сформульовано мету та задачі досліджень, викладено наукову та практичну цінність роботи.

В першому розділі дисертації розглянуті питання використання магнітних систем з постійними високоградієнтними МП в різних аспектах технічного застосування. На основі аналізу науково-технічної та патентної літератури показано, що в даний час переважна більшість магнітних фільтрів (сепараторів) використовує методи високоградієнтної магнітної сепарації, що забезпечується введенням в об’єм фільтра, обмежений магнітною системою, різних феромагнітних елементів. Удосконалення ВГМФ(С) іде в двох напрямках: I). Пряме очищення, коли магнітними фільтрами з ВГФН вилучаються з робочого середовища домішки за рахунок різниці в магнітних властивостях самих домішок і робочого середовища. II). Непряме очищення, коли традиційні способи очищення (сепарації) об'єднуються з ВГМФ(С).

Розширення сфери використання високоградієнтної магнітної фільтрації при прямому очищенні йде: 1). Шляхом збільшення зовнішнього магнітного поля фільтра за рахунок використання: а) потужних електромагнітів, що обмежено через перегрів і велике споживання електроенергії; б) дорогих постійних магнітів із рідкоземельних металів, що обмежено властивостями матеріалу; в) надпровідних магнітних систем, які створюють велику напруженість магнітного поля і є ефективними для вилучення слабомагнітних домішок, належать в даний час до комерційних високих технологій. 2) Шляхом зменшення розмірів окремих елементів ВГФН, що збільшує градієнт магнітного поля і збільшує активну зону уловлювання, тобто ємність ВГФН. Просте ж зменшення розмірів окремих елементів насадки має обмеження по гідродинамічному опору ВГФН або складності і дороговизні способів одержання насадок. Крім того аналіз літератури по ВГМФ (С) показав, що найбільш ефективно уловлюються на ВГФН слабомагнітні домішки, розміри яких близькі до розмірів їх окремих елементів. Тому розробка нових принципів створення ВГФН, що, зокрема, мали б декілька рівнів характерних розмірів окремих елементів, і в яких кількість рівнів ВГФН і їхні розмірні характеристики можна було б вибирати виходячи з характеристик середовища, що підлягає очищенню, домісних часток і вимог технологічного процесу до тонкості очищення є досить актуальною.

Для непрямих методів ВГМФ(С) одна з головних задач - розробка дешевих та ефективних сорбентів, у тому числі біосорбентів, використання яких гальмується в значній мірі недостатньою вивченістю їх поведінки в околі ВГФН і необхідністю інтенсифікації цього процесу.

Зроблено аналіз методів визначення магнітної сприйнятливості (МС) мікрооб’єктів і показано, що частина з існуючих методів не забезпечує визначення ефективної МС мікрооб’єктів з урахуванням МС робочого середовища безпосередньо в рідині, що важливо при визначення ефективності роботи ВГМФ(С). Тому задача розробки методів визначення ефективної МС мікрооб’єктів безпосередньо в рідині є актуальною особливо для непрямої ВГМФ (С).

Узагальнюючи сказане вище, можна зробити висновок, що актуальним і доцільним для подальшого удосконалення МФ(С) є глибоке дослідження мікроскопічних процесів, які відбуваються в околі ВГФН в модельних та робочих середовищах та процесів уловлювання слабомагнітних домісних часток ВГФН.

У другому розділі представлені результати теоретичних розрахунків та чисельного моделювання роботи окремих елементів ВГФН. Проведений в роботі аналіз методів та засобів ВГМФ(С) показав, що однією з основних задач при визначенні ефективності роботи ВГФН для МФ(С) є вивчення відгуку домішок (механічних, мікроорганізмів, комплексних часток) на високоградієнтне магнітне поле (ВГМП) яке створюють окремі елементи ВГФН на мікроскопічному рівні. Тому в роботі зроблений теоретичний розрахунок ефективності роботи окремих елементів високоградієнтних феромагнітних насадок. Проведено порівняння ефективності уловлювання слабомагнітних мікрооб’єктів окремим елементом феромагнітної насадки сферичної форми при паралельному і перпендикулярному напрямках потоку робочої рідини щодо зовнішнього МП. Для цих випадків було чисельно розв‘язано рівняння динаміки слабомагнітної домісної частки у ВГМП, яке широко використовується в сучасних задачах магнітної фільтрації та сепарації, отриманого з умови рівності сили Стокса, діючої на домісну частку, що рухається в рідині, силі з боку ВГМП створеного при намагнічуванні окремого елемента ВГФН. У випадку, коли окремий елемент ВГФН має сферичну форму, і швидкість потоку рідини паралельна зовнішньому магнітному полю, дане рівняння має такий вигляд (у безрозмірному виді):

де, - швидкість слабомагнітної частки; - швидкість потоку рідини відносно елемента ВГФН; - просторова координата слабомагнітної частки, ;, - сприйнятливість слабомагнітної частки;, де М - намагніченість окремого елемента ВГФН сферичної форми; а - її радіус; b - радіус домісної слабомагнітної частки; - об’єм слабомагнітної частки, - магнітна стала, магнітне поле в (1) має вигляд магнітного поля точкового диполя.

На основі чисельного розв’язку рівняння (1) для паралельної та перпендикулярної орієнтацій МП відносно швидкості рідини була визначена область уловлювання слабомагнітних домішок окремим елементом ВГФН сферичної форми, як геометричне місце точок в об’ємі, з якого в результаті руху слабомагнітної частки відбувається її торкання поверхні уловлюючої феромагнітної (ФМ) частки. В результаті чисельного моделювання було показано, що при паралельній орієнтації МП та потоку рідини максимальний розмір перетину області уловлювання площиною, яка перпендикулярна швидкості потоку рідини на 20-30% менше ніж аналогічна величина для перпендикулярної орієнтації МП та потоку рідини. Функції і, від безрозмірних параметрів, отримані на основі чисельного розв’язку рівняння (1), мають вигляд:

де; – безрозмірні чисельні коефіцієнти.

Чисельне моделювання дозволило зробити висновок, що для, що змінюється від 0,00001 до 10000 і, що змінюється від 0,1 до 9 площа перетину області уловлювання при взаємоперпендикулярній орієнтації МП та потоку рідини від 1% до 10% більше, ніж площа зони уловлювання при їх паралельній орієнтації.

Побудована математична модель форми кластеру уловлених слабомагнітних домішок та визначена ємність окремого елементу ВГФН сферичної форми. Форма кластеру уловлених домішок розраховувалася для паралельної орієнтації МП та потоку рідини. У модель форми кластера закладений принцип статичної рівноваги довільної домісної частки на поверхні кластера. У результаті було отримано, що крива, яка обмежує кластер уловлених часток у перетині площиною XZ, що є фігурою обертання навколо осі Z, описується в полярній системі координат функцією:

де , k - коефіцієнт тертя; x, z - координати на поверхні кластера уловлених часток; - максимальний кут осадження слабомагнітної частки на поверхні кластера,– кут між вектором і віссю ОХ. Порівняння теоретично розрахованої форми кластера з експериментальними даними показало, що теорія дає кількісно правильний опис форми кластера уловлених часток.

Дана модель застосовується для розрахунку ємності ВГФН в системах тонкого очищення при виробництві залізоокисних пігментів, гідроксиламіна сульфата, вугілля та ін.

Зроблено оцінку відстані між феромагнітною та слабомагнітною частками в нерухомій рідині, для якої радіальна складова “магнітної” сили і сили Стокса, що виникає в результаті теплових флуктуацій швидкості слабомагнітної частки, стають рівними. Ця відстань і є оцінкою межі придатності моделі при розрахунку форми кластера уловлених часток:

, (5)

де - стала Больцмана; Т – абсолютна температура; - густина слабомагнітної частки.

Отримані аналітичні вирази областей уловлювання ВГФН слабомагнітних домішок та ємності феромагнітної насадки дозволяють розраховувати ємність та оптимізувати структуру ВГФН і можуть бути використані на етапі проектування МФ(С) для систем тонкого очищення та сепарації в різних хімічних технологіях.

У третьому розділі представлені результати експериментальних досліджень ефективності роботи окремих елементів ВГФН. З цією метою була створена установка для вивчення ефективності уловлювання неферомагнітних домішок феромагнітними насадками різних конструкцій, яка дозволяє змінювати швидкість потоку рідини і його напрямок стосовно зовнішнього магнітного поля, використовувати рідини різної в’язкості, застосовувати неферомагнітні домішки з різною магнітною сприйнятливістю і дисперсністю і змінювати величину постійного зовнішнього магнітного поля в інтервалі від 0 до 560 кА/м.

Експерименти, проведені на установці, виявили, що характерні розміри кластерів домісних часток, уловлених елементом ВГФН, і характерні розміри областей уловлювання в зовнішньому МП монотонно ростуть із ростом величини зовнішнього МП доти, доки величина останнього не наблизиться до значення, при якому окремий елемент ВГФН повністю намагнічується. Зроблено порівняння ефективності уловлювання домісних часток при паралельному і перпендикулярному напрямках зовнішнього МП щодо потоку рідини. Експерименти показали, що лінійні розміри, як кластерів уловлених домішок, так і областей уловлювання при перпендикулярній орієнтації МП та потоку рідини на 10-20% більше, ніж при паралельній орієнтації МП та потоку рідини. Проте, чисельні розрахунки зон уловлювання, як було відзначено вище, показали, що при паралельній і перпендикулярній орієнтаціях МП та потоку рідини форми зон уловлювання відрізняються і витягнуті по напрямку зовнішнього МП, а площі їх поперечного розтину площиною, перпендикулярної швидкості рідини, відрізняються незначно. Отже, при розрахунку ефективності насадок можна приблизно користуватися даними розрахунку в одній з геометрій. Досліджено вплив характеристик слабомагнітних мікрооб'єктів на ефективність їх уловлювання елементами ВГФН у магнітному фільтрі. Експерименти показали, що розмір кластерів та зони уловлювання домішок при паралельній і перпендикулярній орієнтаціях МП та потоку рідини ростуть з ростом магнітної сприйнятливості, дисперсності уловлюваних домішок і розміру ВГФН, що цілком підтверджується теоретичними розрахунками.

Експериментально виявлено, що найкраще уловлюються домісні частки, розміри яких близькі до розмірів окремих елементів насадки при незмінності інших параметрів системи, що було враховано у розрахунку параметрів МФ(С) та при реалізації нових способів формування та виготовлення багаторівневих ВГФН для систем тонкого очищення при виробництві залізоокисних пігментів, гідроксиламіна сульфата, десульфатизації вугілля та ін.

Четвертий розділ присвячений розробці нових принципів та способів створення багаторівневих високоградієнтних феромагнітних насадок на поверхні основи для магнітних фільтрів (сепараторів). У багаторівневих ВГФН перший рівень створюється магнітною системою фільтра, другий рівень – окремими елементами ВГФН, що являють собою кластер часток, розміри яких можуть відрізнятися на порядок або більше, третій рівень – окремими частками, із яких складається кластер, четвертий - уловленими фільтром феромагнітними домішками.

Обгрунтовано ряд переваг багаторівневих ВГФН у порівнянні зі звичайними ВГФН. Показано, що багаторівневі ВГФН забезпечують невисоку матеріалоємність, високу ємність і тонкість очищення магнітних фільтрів такими засобами:

Створенням максимально можливої кількості неоднорідностей на одиницю площі високоградієнтної феромагнітної насадки з одночасним розкидом характерних розмірів насадок в достатньо широкому діапазоні, що забезпечує уловлювання домішок так само в широкому діапазоні розмірів.

Можливістю створення частини неоднорідностей на поверхні насадки з розмірами порядку необхідної тонкості очищення.

Можливістю створювати задані відстані між окремими елементами насадки для регулювання розподілу осадження домішок в об’ємі насадки, щоб на вході у фільтр не створювати більш “заповнених” областей, чим на виході.

В роботі запропоновані нові способи формування багаторівневих ВГФН із феромагнітного дрібнодисперсного порошку. В основі запропонованих способів формування ВГФН лежать дослідження поводження в зовнішньому МП колективу феромагнітних (ФМ) часток на поверхні рідини, а також на межі поділу рідини і твердого тіла. Дослідження проводилися на установці, конструкція якої дозволяла робити спостереження в режимі пройденого та відбитого світла одночасно. Для формування ВГФН використовувалися частки нікелю з дисперсністю від 3 до 15 мкм. Прикладення зовнішнього МП перпендикулярно поверхні рідини наводило магнітний момент часток і при =2400 А/м, унаслідок взаємодії між ними відбувався поділ початкового агломерату часток на кластери, що відштовхувалися один від одного. Збільшення до 24 кА/м призводило до появи структури у вигляді сітки, лабіринту або гексагональної гратки, включення магнітного поля паралельно поверхні формувало смугові кластери (рис. 1).

Таким чином, під впливом постійного МП в масиві магнітних часток, розташованих на поверхні рідини або на межі поділу рідина - тверде тіло, формується стійка структура - суперкластер (насадка), що складається з великої кількості кластерів часток (елементів насадки).

Рис. 1. Фрагменти структур, що складаються з часток Ni на межі поділу води і повітря (a,b) і на плоскій твердій поверхні (c). a) = 4 кА/м, = 0.8 кА/м (вертикально до рисунка); b) = 12 кА/м, = 0; c) = 24 кА/м, = 0.

Був проведений пошук критичних МП при перетворенні структур колективів магнітних часток. У інтервалі полів формування від 0 до 16 кА/м була вивчена структура суперкластера, залежність висоти кластерів, що утворюють суперкластер, від їх поперечного розміру, кількості кластерів, а також діаметра суперкластера від величини зовнішнього МП. Встановлено, що в різних інтервалах Н, при “вибуховому” характері формування суперкластера, можна виділити декілька різних станів його структури (рис. 2). Особливістю інтервалу Н>5600 А/м є формування шестикутної форми суперкластера. При досягненні значень Н>8000 А/м у сформованій структурі центральне ядро практично не спостерігається. У інтервалі полів 0 <H<3200 А/м суперкластер зберігає свою початкову форму і залишається суцільним. При досягненні значень поля формування 3200 А/мН4000 А/м починають виявлятися зміни в структурі масиву часток, утворюються проколи (пустоти в об’ємі кластера, що не включають в себе магнітні частки), розрихлення поверхні й утворення на поверхні невеличкої кількості витягнутих у напрямку поля фрагментів. У полі ~  А/м відбувається “відстріл” великої кількості кластерів. У інтервалі полів Н=4000 5600 А/м відбувається розпад початкового кластера в суперкластер із зберіганням центрального ядра. Діаметр централь-ного ядра перевищує діаметри кластерів, що відокремлюються , у 2 3 рази.

Критичні МП, що характеризують вибуховий процес формування суперкластера, виявляються на залежності середнього діаметра суперкластера від значення поля формування (рис. 3). Як видно з рисунка, ця залежність має три характерні лінійні ділянки в інтервалах полів 0-4000 А/м, 4000-8000 А/м і 8000-16000 А/м.

Для з'ясовування механізму, що визначає величину , автогенераторним методом була виміряна залежність сприйнятливості від магнітного поля для замороженого в парафіні кластера. Сформований у розплавленому парафіні у відсутності МП початковий кластер із часток Ni був сердечником виносної котушки індуктивності контуру вимірювального автогенератора, що працює на частоті 1 МГц. При здійсненні впливу на кластер зовнішнім МП змінюються його параметри, змінюючи при цьому частоту (рис.2) вимірювального генератора. При цьому встановлено, що початкові, характерні зміни частоти автогенератора відбуваються при досягненні полів ~  А/м. Було встановлено, що у використаному матеріалі рух доменних меж відбувається, починаючи зі значення поля Н ~  А/м і величина (перше критичне поле) визначається коерцитивною силою матеріалу часток, тобто, природа першого критичного поля при “вибуху” кластера пов'язана зі стартом доменних меж у магнітних частках (рис. 3).

Значення Н, що відповідає другому злому на залежності , було прийнято за друге критичне поле (рис.3). Для з'ясовування природи другого критичного поля вимірювалися залежності висоти кластерів у суперкластері від поперечного розміру основи кластеру при різних значеннях поля формування. Додаткову інформацію про природу дали дослідження залежностей від поля формування максимальної висоти елементів у суперкластерах і кількості кластерів у суперкластері (рис. 4). Показано, що в полях формування менших, ніж основний процес розвитку суперкластера пов'язаний із відривом кластерів від початкового агломерату часток і їхнього руху уздовж межі поділу парафін - скло. При Н  А/м максимальні висоти кластерів складають. Збільшення Н до 16000 А/м призводить до збільшення в 3 рази. Цей результат підтверджує, що в інтервалі Н> (H8000 А/м) у процесі формування суперкластера виявляється додатковий ефект. Суть його складається в русі магнітних часток не тільки вздовж поверхні межі поділу парафін – тверда поверхня, що характерно для МП А/м, але і їх переміщення вздовж напрямку МП. З погляду використання засобу формування структур часток для багаторівневої насадки МФ(С) при А/м відбуваються значні зміни розмагнічуючих факторів кластерів, що утворюють насадку. Наявність максимуму на залежності показує, що відповідний вибір поля формування може дозволити виготовляти насадки для фільтрів з однаковою кількістю елементів (кластерів), але з різними розмагнічуючими факторами кластерів.

У результаті проведених досліджень по формуванню упорядкованої структури кластерів ФМ часток на поверхні основи були запропоновані способи формування ВГФН із магнітного порошку. Перший спосіб містить у собі таку послідовність операцій: розміщення на основу фільтра ФМ порошку; прикладення до порошку МП з визначеною величиною Н =; нанесення речовини, що зв'язує окремі частки в кластері; відключення МП після затвердіння кластерів. Запропоновано також спосіб одержання насадки магнітного фільтра з упорядкованим і контрольованим розташуванням магнітних елементів. Цей спосіб містить у собі таку послідовність операцій: розміщення основи фільтра на магнітну матрицю; розміщення на основу фільтру ФМ порошку; прикладання до ФМ порошку змінного і постійного МП з визначеною величиною Н =; відключення змінного МП після стабілізації положення феромагнітних часток; нанесення речовини, що зв'язує окремі частки кластера; відключення постійного МП після затвердіння кластерів. Запропоновано також спосіб формування насадки магнітного фільтра, який дозволяє виготовляти ВГФН не тільки з упорядкованою та контрольованою структурою насадки та розміром окремих елементів ВГФН, але й дозволяє контролювати кількість часток ФМ порошку в окремих елементах насадки. Кількість часток в окремих елементах визначаються кількістю включень та відключень зовнішнього постійного МП, тобто кількістю імпульсів МП (). При досягненні критичного значення, розмір окремого елементу в насадці не перевищує розмір окремої частки ФМ порошку.

Проведені дослідження показують, що за допомогою розроблених у роботі нових засобів формування багаторівневих ВГФН можна регулювати широкий набір параметрів ВГФН: розмір елемента насадки, розмагнічуючий фактор елементів насадки, структуру насадки, кількість часток ФМ порошку в окремих елементах насадки, відстань між окремими елементами насадки. Таким чином, розроблені способи формування багаторівневих ВГФН дозволяють вибирати параметри ВГФН відповідно до параметрів середовища, що підлягає очищенню та вимог конкретного технологічного процесу хімічного виробництва. Ці дослідження були реалізовані для забезпечення систем тонкого очищення технологічних процесів при виробництві гідроксиламіна сульфата, при десульфатизації вугілля, для сепарації лепідокрокіта з маточного розчину та ін. багаторівневими ВГФН для МФ(С), які виготовляються у відділі фізики магнітних явищ та високотемпературної надпровідності Донецького національного університету.

П’ятий розділ присвячений розробці нових способів визначення магнітної сприйнятливості (МС) мікрооб'єктів безпосередньо в середовищі, що підлягає очищенню. Ці способи були розроблені для забезпечення вивчення на мікроскопічному рівні процесів взаємодії домісних часток різної природи з ВГФН та їх окремими елементами в тих умовах, що реалізуються безпосередньо в технологічних процесах при очищенні або сепарації рідини.

Перший спосіб визначення МС мікрооб'єктів безпосередньо в рідині, полягає в розташуванні кювети з феромагнітною кулькою в зовнішньому постійному однорідному магнітному полі, рідина з частками рухається через кювету з визначеною швидкістю. МС мікрооб'єктів визначають по відомому куту осадження мікрооб'єктів на ФМ кульку. Кути осадження визначаються за допомогою мікроскопа, відеокамери та комп'ютерного забезпечення на установці, яка описана вище. В експерименті вимірюється кут осадження 2-3 моношарів неферомагнітних частинок на феромагнітну кульку. Чисельне моделювання осадження неферомагнітних частинок на феромагнітну кульку проводилося, виходячи з системи рівнянь (1). Кут осадження неферомагнітної частинки визначається з граничної умови рівності відстані від центру неферомагнітної частинки до центру феромагнітної кульки по сумі радіусів феромагнітної кульки і неферомагнітної частки:

Тобто задача зводиться до чисельного розв’язку системи рівнянь (1) із граничною умовою (6) і одержання формули, що виражає залежність максимального кута осадження мікрооб’єкту на феромагнітну кульку від магнітної сприйнятливості, по якому можна її визначити. Результати чисельного розрахунку залежності кута від параметрів та апроксимуються з точністю не менше 1% аналітичним виразом, який має вид:

Значення безрозмірних коефіцієнтів, визначені в діапазоні:

та.

Кожному куту осадження відповідає визначена МС, розрахована при калібруванні установки. Отримані експериментальні дані добре узгоджуються з отриманими в даній роботі теоретичними розрахунками.

Розроблено також другий спосіб визначення МС домісних часток безпосередньо в рідині за допомогою аналізу особливостей траєкторій руху окремих мікрочасток над поверхнею феромагнітної плівки, що має плоскопаралельну доменну структуру. В цьому методі за допомогою зовнішнього МП змінюють параметри доменної структури таким чином, щоб мікрочастка почала рухатись вздовж полосового домена, що відбувається, коли проекція сили Стокса на напрямок перпендикулярний полосовому домену, буде дорівнювати магнітній силі магнітостатичного поля доменної структури, діючої на домісну частку. Виходячи з цієї умови, регіструючи за допомогою оптичного мікроскопа зміну характеру руху мікрочастки, визначається її МС.

Важливо відзначити, що для визначення МС домісних часток за допомогою цих засобів потрібна невелика кількість робочої рідини, що містить міліграми домісної речовини. Крім того, у даних підходах не потрібно виділення домісних часток із робочої рідини, що зберігає їхню форму, дисперсність, а також фізичні і хімічні властивості, якими вони володіють безпосередньо в середовищі, яке очищається, що дозволяє більш надійно і достовірно визначати МС домішок у модельних та робочих середовищах для конкретних технологічних процесів хімічних виробництв.

У шостому розділі приведені результати досліджень стаціонарних потоків, що утворюються в нерухомих розчинах кислот, солей, лугів (електролітів) в околі ВГФН під впливом зовнішнього постійного МП.

У першій серії експериментів, показано, що виникнення стаціонарних потоків в околі ВГФН у нерухомих електролітах під дією постійного МП, є новим магнітогідродинамічним явищем. У експериментах використовувалися залізні кульки (від десятків мікрон до декількох міліметрів у діаметрі), що фіксувалися на немагнітному, хімічно інертному, циліндричному тримачі, що не проводить електричний струм у центрі кювети заповненої модельним електролітом. У цьому випадку без впливу зовнішнього МП індикаторні частинки не рухались або рухались дуже повільно у напрямку насадки. При вмиканні постійного МП спостерігався рух індикаторних часток. Рух істотно не згасає від 20 хв. до декількох годин у залежності від величини зовнішнього МП, площі поверхні залізної кульки і параметрів електроліту, яким заповнювали кювету. Крім того, у залежності від модельного електроліту спостерігається два взаємно протилежних по напрямку типу руху індикаторних часток (рис. 5 а, б).

Рис. 5. Напрямок руху потоків розчину (а) і розведеної кислоти (б) в околі ВГФН, поміщеної в зовнішнє постійне МП 80 кА/м.

В другій серії експериментів поверхня залізної кульки покривалася тонким прошарком (біля 2 мкм) лаку або клею, що є електричними ізоляторами, кулька поміщалася в центрі кювети так само, як і в попередніх експериментах. Руху індикаторних часток не було як без магнітного поля, так і при його вмиканні. Отже, у першій серії експериментів частинки були чисто індикаторами процесів руху рідини і конвективного масопереносу, що відбувається під впливом постійного МП при наявності