НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Кривенко Сергій Вікторович

УДК 66.067

КІНЕТИКА ПРОЦЕСУ ФІЛЬТРУВАННЯ ПРИ ВИКОРИСТАННІ ТВЕРДОЇ ФАЗИ СУСПЕНЗІЇ ЯК ДОПОМІЖНОГО ФІЛЬТРУВАЛЬНОГО МАТЕРІАЛУ

05.17.08 – процеси та обладнання хімічної технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Херсонському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: | Доктор технічних наук, професор

Луняка Клара Василівна,

Херсонський державний технічний університет, зав. кафедри “Обладнання хімічних виробництв і підприємств будівельних матеріалів”

Офіційні опоненти: | Доктор технічних наук, професор

Дубинін Анатолій Іванович,

Національний університет “Львівська політехніка”, Інститут хімії та хімічної технології, професор кафедри “Хімічна інженерія”

Доктор технічних наук, професор

Михайлик Віктор Дмитрович,

Херсонський державний технічний університет, зав. кафедри “Екологія та охорона життєдіяльності”.

Провідна установа | Сумський державний університет, Міністерство освіти і науки України,

м. Суми.

Захист відбудеться 01.07.2003 р. о 12 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д 35.052.09 при Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, пл. Св. Юра, 9, корпус 9, ауд. 214.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий 27.05.2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Вахула Я.І.

к.т.н., доцент

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи.

Концепція розвитку хімічної промисловості України в 1998 – 2010 роках передбачає розширення асортименту та збільшення виробництва хімічної продукції і матеріалів соціальної спрямованості. Двоокис титану можна віднести до цих продуктів, оскільки він використовується у виробництві лакофарбувальної продукції, легкій промисловості, у виробництві хімічних волокон тощо. Цей продукт посідає значне місце в структурі експорту хімічної і нафтохімічної продукції – його частка в загальному обсязі експорту складає 8 %.

Одним з найважливіших гідромеханічних процесів у виробництві двоокису титану є процес фільтрування. У цій технології фільтрування проводиться двічі – при отриманні розчину титанової кислоти (так звана “чорна фільтрація”) і при відокремленні готового продукту (“біла фільтрація”). В наш час в цьому виробництві фільтрування найчастіше провадиться на барабанних вакуум-фільтрах з використанням як допоміжного фільтрувального матеріалу деревного борошна, яке наноситься на фільтрувальну синтетичну тканину, а після завершення процесу “чорної фільтрації” викидається разом з осадом шламу у відходи; це сприяє збільшенню кількості твердих відходів, що, в свою чергу, пов’язане з проблемами їхнього складування. Так, тільки для ДАК “Титан” (Автономна республіка Крим) кількість відходів складає 12 - 18 т/рік. При проведенні процесу “білої фільтрації” продукт - двоокис титану – зрізається разом із деревним борошном, яке потім відокремлюється від продукту шляхом його випалу. Це призводить до погіршення якості вітчизняного двоокису титану в порівнянні з зарубіжним. Крім того, використання деревного борошна з певних порід дерев сприяє підвищенню вартості продукції, а також нераціональному використанню природних ресурсів.

У зв’язку зі сказаним, проблема вдосконалення процесу фільтрування є нагальною для виробництва. Одним із шляхів вдосконалення цього процесу є заміна деревного борошна на осад твердої фази суспензій, які використовуються у технологічному процесі, що потребує детального вивчення кінетики цього процесу, внесення змін в конструкцію барабанного вакуум-фільтру; разом з тим це забезпечує перехід від напівбезперервного фільтрування до безперервного.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Напрямок дослідження співпадає з науково-дослідною тематикою Херсонського державного технічного університету “Дослідження теплових, гідромеханічних та механічних процесів в машинах і апаратах хімічних виробництв”. Дослідження у наукових працях виконані згідно з науково-технічною програмою НТП № 4.12 і координаційним планом науково-технічного прогресу Державного комітету України з питань науки і технологій з проблем “Економічні і технологічні підходи енерго- і ресурсозбереження”, “Методи, засоби і напрямки реалізації енергозберігаючих технологій”.

Автором роботи виконані огляд та аналіз джерел літератури за темою роботи, експериментальні дослідження та обробка їхніх результатів, виготовлені необхідні пристрої для проведення дослідження, у тому числі напіввиробничий барабанний вакуум-фільтр.

Мета і задачі дослідження.

Метою роботи є дослідження кінетики процесу фільтрування у виробництві двоокису титану при використанні осадів твердої фази суспензій, що поступають на фільтрування, як допоміжних фільтрувальних матеріалів, що дозволить визначити параметри запропонованого способу, а також розробка конструкції вузла центрування тканини з осадом, яка дає змогу здійснити процес на промисловому барабанному вакуум-фільтрі.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

1. Теоретично обґрунтувати можливість використання твердої фази суспензій, що поступають на фільтрування, у виробництві двоокису титану як допоміжного фільтрувального матеріалу.

2. Дослідити кінетику процесу фільтрування з використанням твердої фази суспензій як допоміжного матеріалу, що дає можливість математичного описання процесу.

3. Вивчити вплив перепаду тиску, концентрації суспензії, температури на швидкість і якість фільтрування.

4. Розробити математичну модель процесу фільтрування з використанням твердої фази суспензій як допоміжного матеріалу і перевірити її адекватність виробничим умовам фільтрування.

5. Розробити конструкцію, котра забезпечує проведення запропонованого способу фільтрування з використанням твердої фази суспензій як допоміжного матеріалу - вузол центрування фільтрувальної тканини.

Об’єкт дослідження – процес фільтрування у виробництві двоокису титану.

Предмет дослідження – кінетичні закономірності процесу фільтрування з використанням осадів твердої фази суспензій виробництва двоокису титану як допоміжних фільтрувальних матеріалів, вплив природи фільтрувальних матеріалів і параметрів процесу на якість фільтрування.

Методи дослідження – кінетичний, гідродинамічний, гранулометричний метод визначення фізичних характеристик твердої фази “чорної” та “білої фільтрації”, оптичний метод дослідження властивостей фільтрату, ваговий. Для математичної обробки результатів експериментів використовувались графічні та статистичні методи (метод середніх, метод найменших квадратів). Теоретичні розрахунки та обробку експериментальних даних виконано з використанням комп’ютерної техніки.

Наукова новизна.

Обґрунтована можливість використання твердої фази суспензії як допоміжного фільтрувального матеріалу у виробництві двоокису титану. Проведені кінетичні дослідження процесу фільтрування при використанні твердої фази суспензій як допоміжного фільтрувального матеріалу. Вперше: запропоноване рівняння для визначення часу фільтрування в залежності від щільності фільтрувальної тканини, отримане критеріальне рівняння процесу фільтрування при використанні твердої фази суспензії як допоміжного матеріалу.

Практичне значення одержаних результатів.

Запропонований спосіб фільтрування суспензій на барабанних вакуум-фільтрах у виробництві двоокису титану з використанням як допоміжного фільтрувального матеріалу твердої фази суспензій, що поступають на фільтрування, що дає можливість відмовитись від покупки, складування, зважування і т. ін. деревного борошна, яке є дорогим і до того ж пожежо- і вибухонебезпечним матеріалом, а також знизити кількість твердих відходів у виробництві двоокису титану, що призводить до покращення екологічної ситуації в районі хімічного виробництва. Розроблений пристрій для центрування фільтрувальної тканини, який забезпечує можливість здійснення запропонованого способу фільтрування.

Особистий внесок здобувача полягає у виконанні досліджень як в експериментальному, так і в аналітичному плані, а саме: аналіз літератури, підбір та апробація методик дослідження, виконання експерименту, узагальнення отриманих результатів. Постановка завдання, обговорення результатів досліджень, їхня інтерпретація, узагальнення і формулювання висновків проводилося разом з науковим керівником д.т.н., професором Лунякою К.В.

Особисто дисертанту належать: в роботі 1 - обробка експериментальних даних та визначення основних параметрів фільтрування; в роботі 2 - визначення виду і констант фільтрування; в роботі 3 - отримання експериментальних даних по визначенню опору фільтрувальних тканин та опору і товщини шару осаду; в роботі 4 - визначення впливу різних параметрів на утворення шару осаду; в роботі 5 - запропонований вузол контролю прозорості фільтрату; в роботі 6 - виготовлення пристрою і проведення випробувань; в роботі 7 - проведення експериментальних досліджень; [8] - визначення різними методами параметрів твердої фази суспензій; в роботі 9 - ідея використання як допоміжного фільтрувального матеріалу твердої фази суспензії.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення дисертації доповідались і обговорювались на Х міжнародній конференції “Вдосконалення процесів та апаратів хімічних та харчових виробництв” (ІССЕ – 99, Львів, 1999), Республіканській конференції “Право власності на промислові відходи та його реалізація в сучасному законодавчо-нормативному полі” (Ялта, 2001), Науково-практичній конференції “Промислова та екологічна безпека при експлуатації хімічних виробництв” (Тольятті, 2001), ”Проблемы легкой и текстильной промышленности” (Херсон, 2001).

Публікації.

По матеріалах роботи опубліковано п’ять статей у наукових фахових виданнях, три тези доповідей конференцій, отримано два деклараційних патенти України на винахід.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку використаної літератури та додатків. Матеріали дисертаційної роботи викладені на 135 сторінках машинописного тексту, з них: ілюстрацій – 30, таблиць - 31. У бібліографії наведено 147 літературних джерел. Додатки містять 9 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтована актуальність дослідження проблеми фільтрування на барабанних вакуум-фільтрах в процесі виробництва двоокису титану. Наведена мета роботи, наукова новизна, практичне значення отриманих результатів, апробація результатів досліджень.

В першому розділі “Огляд джерел літератури і вибір напрямків досліджень” розглядається сучасний стан питань, пов’язаних з проблемами фільтрування – фільтрувальні матеріали, теорія процесу, обладнання, що використовується. Розглядаються проблеми, що стосуються фільтрування в процесі отримання двоокису титану. Визначене коло питань, які потребують рішення для досягнення поставленої мети.

В другому розділі “Методики експериментів та дослідження властивостей фільтрувальних матеріалів” наведені методики експериментальних досліджень, відомі властивості фільтрувальних матеріалів (артикули фільтрувальних тканин, склад деревного борошна) та визначені в роботі, такі як загальний і питомий гідравлічний опір, порізність і ступінь стискання осадів твердої фази. Наведені схеми лабораторної та напіввиробничої експериментальних установок.

Експерименти по визначенню опору шару деревного борошна дозволили визначити оптимальний гідравлічний опір фільтру, який при “чорній фільтрації” дорівнює R31011 м-1, а при “білій” - R61012 м-1. Такий саме опір ми прагнули створити при використанні осаду твердої фази суспензії. Опір та інші характеристики фільтрувальних матеріалів залежать від виду фільтрувальної тканини, товщини шару допоміжного матеріалу і вакууму. Дані, наведені в табл. 1 показують, що оптимальний опір шару осаду твердої фази суспензії, що забезпечує необхідну якість фільтрату, досягається при перепаді тиску 0,04-0,05 МПа.

Таблиця 1

Визначення опору шару осаду суспензії при “чорній фільтрації”

(1=0,002 м)

Р, МПа | 1, с | R110-11, м-1 | r010-13, м-2

0,01 | 750 | 1,31 | 5,28

0,02 | 495 | 1,74 | 6,96

0,03 | 408 | 2,15 | 8,60

0,04 | 375 | 2,64 | 10,56

0,05 | 334 | 3,03 | 12,16

0,06 | 301 | 3,28 | 13,39

В третьому розділі “Кінетика процесу фільтрування при використанні різних фільтрувальних матеріалів” наведені результати експериментальних досліджень “чорної” та “білої фільтрації”.

Спочатку експериментально була доведена принципова можливість використання осаду твердої фази суспензій, що поступають на фільтрування, як допоміжного фільтрувального матеріалу і визначена товщина шару суспензії, що забезпечує потрібну якість фільтрату, яка визначалась прозорістю та максимальним допустимим вмістом у фільтраті твердої фази суспензії. Досліди для “чорної” і “білої фільтрації” були аналогічними. Нижче наведені експериментальні дані по вивченню “чорної фільтрації”.

Досліджений вплив умов фільтрування – величини вакууму, концентрації суспензії і температури на час, необхідний для намивання такого шару і на час власне фільтрування. Деякі з цих залежностей наведені на рис. 1 – 2. Досліди проводили за таких умов: перепад тиску 0,04 МПа; при дослідженні впливу концентрації суспензії на час утворення шару осаду товщиною 2 мм температура складала 200С, концентрація суспензії коливалась у межах 100 – 400 кг/м3; а при дослідження впливу температури на час утворення шару осаду і час фільтрування концентрація суспензії 134 кг/м3, а температура

змінювалась від 20 до 700С. Отримані дані свідчать про те, що зі збільшенням концентрації твердої фази в суспензії а також температури, час, потрібний для намивання шару осаду, який забезпечує прозорість фільтрату, а також час власне фільтрування, зменшується. Для виробничих умов цей час складає 360 с для “чорної” і 380 с – для “білої фільтрації”.

Фільтрування відбувається завдяки наявності у фільтрувального матеріалу певного гідравлічного опору. Багаторічне використання деревного борошна як допоміжного фільтрувального матеріалу при виробництві двоокису титану

довело його високу ефективність, що виражається в отриманні фільтрату з високою прозорістю, яку забезпечує низький вміст твердої фази (не більше 0,05 кг/м3). Щоб при заміні фільтрувального матеріалу не відбувалося погіршення якості фільтрату, зокрема, потрібного ступеню його прозорості, треба створити такі ж самі умови фільтрування, зокрема, опір фільтрувальної перегородки, як і в разі використання деревного борошна. Для оцінки можливості використання як підкладок для шару осаду твердої фази суспензій досліджувались тканини з поліпропілену різної щільності - визначався їхній опір у залежності від щільності тканини , яку ми характеризували кількістю ниток на 1 см2, вплив щільності на товщину шару осаду (мм), потрібну для забезпечення необхідної якості фільтрату і на час (с), потрібний для досягнення такої товщини. При цьому були отримані рівняння, які дають можливість розрахувати ці величини:

= 10,28 -0,47 (1)

= 831,76 -0,23 (2)

Експериментальні дослідження показали, що товщина шару осаду твердої фази, яка забезпечує потрібну прозорість фільтрату, складає для “чорної фільтрації” 2 мм, а для “білої” – 4 мм. На рис. 3 наведені дані по визначенню вмісту твердої фази суспензії у фільтраті, отриманому в умовах “чорної фільтрації” (крива 1), котрі свідчать про те, що осад твердої фази товщиною 2 мм і більше забезпечує допустимий у виробництві вміст частинок твердої фази (менше 0,05 кг/м3). Тут же для порівняння показаний вміст твердої фази у фільтраті, отриманому при використанні як допоміжного фільтрувального матеріалу шару деревного борошна товщиною 60 мм (лінія 2).

Були проведені експерименти по встановленню виду фільтрування з використанням фільтрувальних тканин з різною щільністю. Для цього на основі експериментальних даних були побудовані залежності в координатах, указаних на рис. 4-6, де номери кривих відповідають тканинам зі щільністю: 1 – 89 нит./см2, 2 – 54 нит./см2, 3 – 29 нит./см2, 4 – 22 нит./см2. Умови експериментів: перепад тиску 0,04 МПа, концентрація суспензії 134 кг/м3, температура 200С. Встановлюють вид фільтрування, будуючи залежності у різних координатах; пряма в цих координатах характеризує приналежність даного фільтрування до певного виду.

Отримані результати свідчать про те, що фільтрування при використанні більш цупких фільтрувальних тканин підкоряється рівнянню, яке описує процес з утворенням осаду, оскільки залежність q - q являє собою пряму. Для фільтрувальної тканини, яка має меншу щільність, процес іде спочатку з закупорюванням пор, якими є отвори між нитками тканини, а потім відбувається утворення осаду. Оскільки найкращі умови створюються при фільтруванні з відкладенням осаду, для потреб виробництва при використанні запропонованого способу фільтрування рекомендуємо тканини зі щільністю 89 нит./см2 і 54 нит./см2.

Фільтрування з відкладенням шару осаду описується відомим з літератури рівнянням фільтрування типу (3), яке дає можливість розрахувати основну характеристику процесу фільтрування - час фільтрування:

=АV+ВV2 (3)

Проведені експерименти по визначенню часу, потрібного для фільтрування певного об’єму суспензії і побудова залежності V - /V дали можливість визначити коефіцієнти А і В. Так, для “чорної фільтрації” рівняння фільтрування набуває вигляду:

= 2,4105 V + 1,21012 V2 (4)

Це рівняння дає можливість розрахувати час фільтрування.

Експериментальні дані по визначенню швидкості руху фільтрату крізь фільтрувальну перегородку, порізності шару фільтру, величин, що характеризують форму частинок (коефіцієнт і фактор форми) дозволили нам отримати критеріальне рівняння фільтрування при використанні як допоміжного фільтрувального матеріалу твердої фази суспензії, яка поступає на фільтрування. Це рівняння має вигляд:

, або (5)

Отримане критеріальне рівняння дає можливість проводити розрахунки продуктивності фільтру при зміні тиску, а також визначати, якої товщини потрібний бути шар осаду твердої фази при встановленому перепаді тиску для забезпечення прозорості фільтрату. Усі необхідні для виведення критеріального рівняння величини, а також розраховані сталі цього рівняння наведені в табл. 2.

Таблиця 2

Експериментальні дані та результати розрахунків

критеріїв подібності процесу “чорної фільтрації”

Величина | Позначення | Чисельне значення

Об’єм фільтрату, м3 | V | 5010-6

Площа фільтру, м2 | F | 0,9610-3

Перепад тиску на фільтрі, МПа | Р | 0,04

Об’єм фільтрату, що приходиться на

1 м2 поверхні фільтру, м3/м2 | q | 5210-3

Час фільтрування, с | 433

Початкова швидкість руху фільтрату, м/с | 1,210-4

Густина фільтрату, кг/м3 | 1050

В’язкість фільтрату, Пас | 1,0910-3

Товщина шару осаду, м | 210-3

Середній діаметр частинок за даними

гранулометричного аналізу, м | dз | 0,610-4

Порізність шару фільтрувального матеріалу | 0,36

Коефіцієнт форми | 5,6

Фактор форми | Ф | 0,42

Критерій Рейнольдса | Re | 4,5410-3

Модифікований критерій Рейнольдса | Reз | 6,9310-3

Критерій Ейлера | Eu | 2,6109

Сталі критеріального рівняння | C

m

n | 465

1,5

-1,5

Відмітимо відмінність процесу фільтрування при існуючому способі та пропонованому.

Існуючий спосіб фільтрування суспензій виробництва двоокису титану:

1. Перед проведенням процесу фільтрування проводять намивання на фільтрувальну тканину шару деревного борошна (товщина шару 60-70 мм), для чого в корито фільтру подають суспензію борошна і створюють розрідження в барабані.

2. Потім корито заповнюють суспензією і проводять фільтрування.

Одночасно відбувається зрізання шару осаду разом з частиною шару деревного борошна.

При “чорній фільтрації” твердий осад викидають у відвали, а далі використовують фільтрат. При “білій фільтрації” зрізаний шар деревного борошна разом з осадом суспензії гідратованого двоокису титану (ГДТ) поступає на ділянку прожарювання. При термічній обробці у печі деревне борошно згоряє, а залишок являє собою основний продукт виробництва. Далі його ще піддають розмелюванню, поверхневій обробці і заключним операціям – контрольному фільтруванню, сушінню та пакуванню.

Пропонований спосіб фільтрування:

1.

поступати прозорий фільтрат, починається власне фільтрування.

2. При фільтруванні збільшується товщина шару осаду, гідравлічний опір зростає, тому для забезпечення потрібної продуктивності фільтру треба створювати більший вакуум, що пов’язане зі збільшенням витрат. Для запобігання цього зайвий шар осаду знімається; таким чином підтримується така товщина шару осаду, яка забезпечує потрібну продуктивність фільтру при заданому вакуумі. При “чорній фільтрації” осад є відходом, він викидається в шламонакопичувач. При пропонованому способі обсяг твердих відходів різко скорочується, оскільки вони не містять деревного борошна. При “білій фільтрації” твердий осад направляється на прожарювання. Оскільки при пропонованому способі він не містить деревного борошна, яке при згорянні утворює забарвлені продукти згоряння, які залишаються разом з двоокисом титану при існуючому способі, то якість кінцевого продукту поліпшується.

Умови фільтрування при проведені процесів “чорної” і “білої фільтрації” дещо різні, оскільки тверді фази суспензій, що використовуються у цих двох процесах, відрізняються розмірами частинок твердої фази (для суспензії, що використовується у “білій фільтрації”, ці частинки дрібніші), завдяки чому при “білій фільтрації” потрібна більша товщина шару осаду, яка забезпечує отримання прозорого фільтрату, що призводить до збільшення при “білій фільтрації” величини гідравлічного опору фільтрувальної перегородки, а разом з тим, до збільшення часу намивання шару допоміжного матеріалу і до зменшення швидкості фільтрування (у порівнянні з “чорною фільтрацією”). Досліджені у попередніх розділах кінетичні закономірності та отримані рівняння дають змогу визначити параметри вказаних процесів. Ці параметри розраховані для продуктивності виробничих вакуум-фільтрів з урахуванням розмірів величини їхньої поверхні фільтрування і наведені в табл. 3.

Таблиця 3

Основні характеристики процесу фільтрування,

отримані при проведенні лабораторних дослідів

Операція або параметр | “Чорна фільтрація” | “Біла фільтрація”

Артикул фільтрувальної тканини, який відповідає оптимальній щільності | ТППФ

арт. 56306 | ТППФ

арт. 56306

Величина вакууму, МПа | 0,04-0,05 | 0,04-0,05

Швидкість обертання барабану, об./хв. | 0,28 | 0,25

Товщина потрібного шару осаду для отримання прозорого фільтрату, мм | 2 | 4

Час, необхідний для намивання потрібного для отримання прозорого фільтрату шару осаду для виробничих умов, с | 360 | 380

Власне фільтрування, с | 820 | 1140

Максимальна товщина шару осаду при фільтруванні, мм | 4 | 6

Продуктивність фільтрувальної установки, м3/год | 9,8 | 12,2

В четвертому розділі “Розробка вузла центрування фільтрувальної стрічки для барабанного вакуум-фільтру і корегування схеми фільтрування у зв’язку з використанням твердої фази суспензії як допоміжного фільтрувального матеріалу” наведена схема вузла центрування фільтрувальної стрічки (рис. 7), який складається з барабану 1, розміщеного в ємності з суспензією 2. Барабан постачений безкінечною фільтрувальною тканиною 3 з вузлом її регенерації, котрий складається зі спрямовуючих роликів 4, ножа для знімання осаду 5, і пристрою для центрування фільтрувальної тканини відносно поздовжньої осі машини і розправлення тканини по ширині фільтру. Останній складається з двох пар

роликів 6, 7 і 8, 9, розташованих по різні боки фільтрувальної тканини, причому, кожна пара роликів нахилена під кутом від 12 до 300 до лінії, перпендикулярної до поздовжньої осі машини і навантажена змінними вантажами, котрі дають можливість верхньому ролику вільно переміщатися у вертикальних спрямовуючих (вид А).

Пристрій для центрування тканини складається з двох пар спрямовуючих

Рис. 7. Пристрій для центрування фільтрувальної тканини

роликів (вид Б). Кожна пара має верхній 6, 8 і нижній 7,9 ролики з опорами 10, 11 і 12, 13, встановленими в кронштейнах 14, 15. Опори верхніх роликів навантажені змінним вантажем 18. Установка кронштейнів з роликами 16, 17 в потрібне положення проводиться повертанням відносно своєї осі з наступною фіксацією. Пристрій постачений датчиками положення тканини 14, 15, встановленими на спеціальних кронштейнах, розташованих по краях фільтрувальної тканини (на рис. 7 не показано).

Пристрій працює таким чином: при зміщенні фільтрувальної тканини відносно поздовжньої осі, тканина діє своєю кромкою на датчик 14, який подає сигнал на підйом верхнього ролика 6. Ролик підіймається, звільняє зі свого боку тканину, котра під дією другої пари спрямовуючих роликів 8, 9 буде зміщуватись до контакту своєї кромки з датчиком 15, встановленим з іншого боку тканини і т.д. Завдяки своїм опорам 10, 11, вільно встановленим в пазах кронштейна 19, верхній ролик 6 має можливість вертикального переміщення при зміні товщини шару осаду на фільтрувальній тканині. Необхідне навантаження на тканину здійснюється змінним вантажем 18.

На відміну від запропонованих раніше конструкцій, в котрих не вирішена задача центрування тканини, в результаті чого відбувається зміщення тканини з зони дії вакууму та її зморщування, що призводить до втрати вакууму, утворенню осаду з нерівномірною товщиною шару, в пропонованій нами конструкції вирішується проблема центруванню фільтрувальної тканини, що рухається, відносно поздовжньої осі машини і розправлення тканини по ширині. Для цього фільтр постачений пристроєм з нахиленими

під кутом від 12 до 300 до лінії, перпендикулярної до поздовжньої осі машини, роликами, навантаженими змінними вантажами з можливістю вільного переміщення верхнього ролика в вертикальних спрямовуючих.

При куті, меншому за 120, спостерігається погіршення розширення тканини внаслідок зменшення сили тертя між тканиною і роликами, при куті, більшому за 300, відбувається порушення цілісності шару осаду внаслідок дії розтягуючих зусиль.

Розрахунок потужності, що витрачається на обертання барабану і на пересування фільтрувальної тканини показав, що потреби в додатковому двигуні для обертання роликів і просування фільтрувальної стрічки немає.

З використанням методу фізичного моделювання була створена модель барабанного вакуум-фільтру з пропонованим пристроєм. Проведені на моделі дослідження показали її працездатність. Проведені досліди, а також результати напіввиробничих і виробничих випробувань показали працездатність пропонованого технічного рішення.

Умовні позначення: - товщину шару осаду ,м; - час, с; - щільність тканини, кількість нит./см2; q - об’єм фільтрату, отриманого з 1 м2 поверхні фільтрування, м3/м2; А - константа, яка характеризує гідравлічний опір фільтрувальної перегородки, с/м; В – константа, яка враховує режим процесу фільтрування і фізико-хімічні властивості осаду і рідини, с/м2; V- об’єм фільтрату, м3; - перепад тиску, Па, - динамічний коефіцієнт в’язкості, Пас; R - опір фільтрувальної тканини, м-1; r0 - питомий об’ємний опір осаду,

м-2; Vос - об’єм осаду, м3.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. На основі теоретичних і експериментальних досліджень доведена принципова можливість використання твердої фази суспензій виробництва двоокису титану як допоміжних фільтрувальних матеріалів. Вперше вивчена кінетика процесу фільтрування з використанням як допоміжного фільтрувального матеріалу твердої фази суспензій, що поступають на фільтрування.

2. Шляхом проведення кінетичних досліджень визначені величини, які характеризують запропонований режим фільтрування, а саме: потрібну величину питомого і загального гідравлічного опору шару та оптимальне значення вакууму, а також досліджений вплив цих величин на технічні характеристики вакуум-фільтру – продуктивність, поверхню фільтрування, швидкість обертання барабану при “чорній” і “білій фільтрації”.

3. Виведені рівняння, які дають змогу розраховувати час фільтрування у залежності від властивостей фільтрувальної тканини та уточнене критеріальне рівняння процесу фільтрування при використанні осадів твердої фази суспензій та визначені константи рівнянні фільтрування з відкладенням осаду при постійному перепаду тисків.

4. Запропонована конструкція вузла центрування фільтрувальної стрічки барабанного вакуум-фільтру при використанні твердої фази суспензії як допоміжного фільтрувального матеріалу, яка сприяє збереженню сталого значення перепаду тисків і надає можливість здійснити запропонований спосіб фільтрування.

5. Проведені випробування розробленого пристрою – вузла центрування тканини – на напіввиробничій моделі апарату довели придатність його для виконання операцій центрування фільтрувальної тканини і здійснення запропонованого способу фільтрування.

6. Ефект від впровадження результатів роботи складається з підвищення якості продукції (зростання білизни двоокису титану на 1,5%), зменшення у 5-6 разів твердих відходів виробництва, сірчаної кислоти у відходах – у 10-12 разів при “чорній” і у 7-8 разів при “білій фільтрації”. Розрахунковий економічний ефект від впровадження запропонованої розробки у виробництво складає 3874,32 грн. на рік на одну технологічну гілку за рахунок відмови від дорогого деревного борошна. Строк окупності 3,7 місяців.

Основні публікації по темі дисертації

1. К.В. Луняка, С.В. Кривенко, Г.М.Глухов. Використання математичного моделювання при дослідженні процесу “чорної фільтрації” у виробництві двоокису титану // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. - 2001. - № 3 (8). – С. 11-14.

2. К.Луняка, С.Кривенко, Г.Глухов. Отримання рівняння “чорної фільтрації” у виробництві двоокису титану при використанні твердої фази суспензії, що поступає на фільтрування, як фільтрувального матеріалу // Вісник Тернопільского державного технічного університету. – 2001. - Т. 6, №4. - С.141-144.

3. К.В.Луняка, С.В.Кривенко, Г.М.Глухов. Вимоги до текстильного матеріалу, який використовується у якості фільтрувальної підкладки на барабанних вакуум-фільтрах // Проблемы легкой и текстильной промышленности Украины. Межвузовский журнал.– 2001.- № 5.–С. 30-33.

4. К.Луняка, С.Кривенко, Г.Глухов. Дослідження процесу “чорної фільтрації” у виробництві двоокису титану // Вестник Херсонського государственного технического университета.- 2001.-№ 4 (13).–С. 323-325.

5. С.Кривенко, К.Луняка. Використання вузла автоматизованого контролю прозорості фільтрату суспензії гідратованого двоокису титану // Вестник Херсонського государственного технического университета.- 2002. -№ 3 (16). – С. 165-167.

6. Деклараційний патент на винахід № 51108 А. Осадочний барабанний вакуум-фільтр з тканиною, що збігає. /Смагін П.В., Кривенко С.В., Луняка К.В., Глухов Г.М./.

7. Деклараційний патент на винахід № 54256 А. Спосіб фільтрування суспензій на барабанному вакуум-фільтрі / Луняка К.В., Кривенко С.В., Глухов Г.М./.

8. Луняка К.В., Кривенко С.В. Використання полімерних матеріалів для процесу “чорної фільтрації” у виробництві двоокису титану// Тези доповідей

Х міжнародної конференції “Вдосконалення процесів та апаратів хімічних та харчових виробництв” (ІССЕ - 99), Львів– 99 –С. 100.

9. Джафаров В.Ю., Кривенко С.В., Луняка К.В. Зниження кількості

відходів при “чорній фільтрації” у виробництві двоокису титану // Збірник матеріалів конференції “Право власності на промислові відходи та його реалізація в сучасному законодавчо-нормативному полі”, Київ–2001–С. 32-33.

Анотації

Кривенко С.В. Кінетика процесу фільтрування при використанні твердої фази суспензії як допоміжного фільтрувального матеріалу. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.17.08 – процеси та обладнання хімічної технології. – Національний університет “Львівська політехніка”, Львів - 2003.

Дисертація присвячена питанням теоретичних та експериментальних досліджень процесу фільтрування на барабанних вакуум-фільтрах з використанням як допоміжного фільтрувального матеріалу твердої осаду фази суспензій, що поступають на фільтрування у виробництві двоокису титану. Наведені результати досліджень процесу при використанні твердої фази суспензії як допоміжного фільтрувального матеріалу. Проаналізований вплив природи допоміжного фільтрувального матеріалу і умов фільтрування на кінетику процесу. Запропоновано конструкцію вузла для центрування фільтрувальної тканини, яка дає можливість здійснити безперервний процес фільтрування.

Ключові слова: барабанний вакуум-фільтр, тверда фаза суспензії, кінетика, опір фільтрувальної перегородки.

Кривенко С.В. Кинетика процесса фильтрования при использовании твердой фазы суспензии в качестве вспомогательного фильтровального материала. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по

специальности 05.17.08 – процессы и оборудование химической технологии – Национальный университет “Львовская политехника”, Львов - 2003.

Диссертация посвящена вопросам теоретических и экспериментальных исследований на барабанных вакуум-фильтрах с использованием в качестве вспомогательного фильтровального материала твердой фазы суспензий, поступающих на фильтрование в производстве двуокиси титана.

В технологи производства двуокиси титана фильтрование является одним из основных процессов, причем, оно проводится дважды: сначала для отделения титановой кислоты от осадка шлама – так называемая “черная фильтрация”, и для выделения конечного продукта – двуокиси титана – “белая фильтрация”.

В настоящее время в качестве вспомогательного фильтровального материала в производстве двуокиси титана используют древесную муку. Наряду с положительным качеством этого материала, таким, как высокая прозрачность получаемого фильтрата, древесная мука имеет ряд недостатков, таких как значительная стоимость, взрыво- и пожароопасность; при ее использовании в процессе “черной фильтрации” увеличивается количество твердых отходов, а после “белой фильтрации” смесь древесной муки с двуокисью титана для выделения последнего подвергается обжигу; древесная мука сгорает, но при этом ухудшается качество двуокиси титана. В свете сказанного применение в качестве вспомогательного фильтровального материала твердой фазы суспензий, поступающих на фильтрование в

производстве двуокиси титана, представляет интерес.

Была исследована принципиальная возможность применения осадка твердой фазы суспензий в качестве вспомогательного фильтровального материала и исследовано влияние различных факторов – перепада давления на фильтровальной перегородке, концентрации суспензии, температуры, вида фильтровальной подложки – на кинетику процесса. Были получены уравнения фильтрования, которые позволяют рассчитать время фильтрования

при использовании в качестве вспомогательного фильтровального материала твердой фазы суспензий.

Было уточнено критериальное уравнение процесса фильтрования для случая использования осадка твердой фазы суспензий в качестве вспомогательного фильтровального материала, с помощью которого можно рассчитать производительность фильтра при изменении перепада давления.

Таким образом, была показана возможность применения твердой фазы суспензий как для “черной”, так и для “белой фильтрации” и путем исследования кинетики данных процессов определить оптимальные условия их протекания. Использование осадков твердой фазы суспензий позволяет получить высокое качество фильтрата без затрат на такой вспомогательный фильтровальный материал, как древесная мука, снизив при этом количество твердых отходов в производстве, однако вследствие того, что для обеспечения требуемого значения гидравлического сопротивления фильтровальной перегородки слой осадка должен быть небольшим, возникает опасность потери вакуума при смещении фильтровальной подложки. В связи с этим встает вопрос о сохранении вакуума внутри фильтровального барабана вместе с обеспечением съема осадка с фильтрующей ленты. Для этого предложена конструкция узла для центрирования фильтровальной ткани, которая дает возможность осуществить непрерывный процесс фильтрования.

Ключевые слова: барабанный вакуум-фильтр, твердая фаза суспензии, кинетика, сопротивление фильтровальной перегородки.

Krivenko S.V. Kinetics of filtration process at usage of a solid phase of a suspension, which one acts (goes) on filtrating, as a filter stuff. Manuscript.

Thesis for candidate degree of engineering sciences in specialty 05.17.08 – processes and equipment of chemical technology. National University “Lvivska Politechnika”, Lviv – 2003.

This thesis deals with the investigation of filtration process at usage of a solid phase of a suspension, which one acts (goes) on filtrating, as a filter stuff on

vacuum drum filter in manufacture of titanium oxide. The hydrodynamics and kinetics of filtration process was studied. For this kind of filtrating the equation is obtained. The accounts of speed of rotation of a drum of the vacuum - filter, area filtrating of a tape are carried out(spent) at "black" and " white kill " in manufacture of titanium oxide, and also productivity, which is reached (achieved) at introduction of the offered way of filtering with use of a firm phase suspension as auxiliary of a filtеr’s material .

On the basis of result of investigations the new method of filtration process in manufacture of titanium oxide of which a solid phase of a suspension, which one acts (goes) on filtrating, as a filter stuff was offed.

On the basis of obtained results, the centering mechanism for material filter was developed.

Keywords: the vacuum drum filter, filtration process, solid phase of a suspension, filter stuff’s strength.