Повышение эффективности процесса очистки промышленного сырья от парамагнитных примесей магнитным методом
= [(mн-mк)/mн] 100%,
С = Сн(1-e-kh), (3)
m = mн(1-e-kh),
,
где – эффективность извлечения, %; Сн и Ск – начальная и конечная концентрация задержанных частиц в матрице, кг/м3; mн и mк –массовая доля примесей в не очищенном и очищенном сырье, кг/кг; k – безразмерный коэффициент, зависящий от удельной магнитной силы; h - высота зоны фильтрации магнитного сепаратора, м; t - максимального время фильтрации, мин; R – радиус окружности, в которую заключен один слой, состоящий из шариков диаметром dш, м; Кn - коэффициент пористости шаров, в относительных едиицах, Кn= 0,5; rч - средневзвешенный радиус частиц, м; ч - плотность частиц, кг/м3; ж– плотность жидкости, кг/м3; S - площадь сечения рабочей зоны магнитного сепаратора, м2; - средняя скорость фильтрации, м/сек;
Система (3) решается на ПЭВМ с использованием програмного продукта «Mathcad ».
По аналогии с очисткой методом ВГМС, выделим основные параметры очистки СОЖ при воздействии магнитно-импульсного поля КНЧ диапазона. Бактерицидное действие магнитного поля зависит от следующих основных факторов: частоты следования и формы импульсов, плотности энергии магнитного поля, напряженности и градиента напряженности магнитного поля, времени обработки, резистентности (сопротивляемости) микроорганизмов и т.д. Как отмечает ряд исследователей, в частности Бинги В.Н., единой теории, объясняющей бактерицидное действие магнитного поля нет. Однако доказано наличие биоэффективных частот в "частотно-амплитудных окнах". Например, для ряда микроорганизмов, эти частоты лежат в диапазоне 2 …10 Гц.
На основании выше сказанного, к основным параметрам магнитно-импульсной обработки КНЧ диапазона можно отнести параметры, относящиеся к первой и третьей категории: частоту следования импульсов и величину индукции магнитного поля, время обработки жидкости. В то же время, частота и амплитуда импульсов тесно связаны с плотностью энергии магнитного поля (Дж/м3) внутри катушки соленоида
= В2/2о = [n Io е-t sin(2ft + o)]2о/2, (4)
где В - индукция магнитного поля, Тл; – магнитная проницаемость вещества ; о - магнитная постоянная, Г/м; n – число витков в катушке соленоида,Io - ток в катушке соленоида, А; f - частота следования импульсов, Гц; t – время воздействия импульса, с.
С целью упрощения решения задачи для исследуемого диапазона частот 2…10 Гц за основные параметры принимаем частоту следования импульсов, магнитную индукцию, скорость перемещения обрабатываемой жидкости и время обработки жидкости.
Третья глава содержит результаты исследований влияния основных параметров методов ВГМС и МИО КНЧ на эффективность процесса очистки промышленного сырья.
Исследования по очистке каолина, саломаса и оборотной воды системы пылеулавливания электросталеплавильного производства методом ВГМС выполнялись на лабораторном и промышленном высокоградиентных электромагнитных сепараторах HGMS модели 10-15-20 и 105-30-20-250 (Канада). Исследования по магнитно-импульсной КНЧ обработке СОЖ выполнены на экспериментальной установке, разработанной московским филиалом ИТЦ Всероссийского энергетического института в г. Тольятти (Россия).
Исследования включали определение влияния основных параметров ВГМС и МИО КНЧ на эффективность очистки промышленного сырья, гранулометрического и химического состава, удельной магнитной восприимчивости, общемикробного числа (ОМЧ) и коли-индекса.
При исследованиях очистки каолинов различных месторождений от красящих примесей методом ВГМС определены реагентный режим, режим фильтрации и сушки каолиновой суспензии, получены уравнения и графические зависимости, связывающие содержание красящих примесей в каолине с его белизной, скоростью и временем фильтрации в высокоградиентном магнитном поле, получены эмпирические зависимости (5) для расчета объемной производительности промышленного сепаратора по питанию QП, очищенному продукту QО и твердому веществу QТ :
QП =, м3/ч ; QО=
, м3/ч ; QТ= QО, т/ч, (5)
где – средняя скорость истечения суспензии из рабочей зоны магнитного аппарата, м/с; S - площадь сечения рабочей зоны магнитного аппарата, м2 ; t3 - время, в течение которого
Рис.2. Зависимость белизны очищенного в магнитном поле каолина Просяновского месторождения от белизны неочищенного каолина.
происходит очистка каолина, t3 = 360 с; tц- время цикла, без учета времени на промывку и отключение магнитного поля, tо - время элементарного цикла, c; – плотность очищенной каолиновой суспензии на выходе из сепаратора, кг/м3.
Зависимости связывающие массовую долю красящих примесей в каолине Просяновского месторождения с продолжительностью питания, белизной каолина и содержанием в нем красящих окислов имеют вид (6, 7):
к = 0,037t + 0,813, corr (к,t) = 0,92, mean(к) = 1 %, mean(t) = 6 мин
WО = 36,87 + 0,59WН, сorr(WO,WН) = 0,59;
W o = 94,32 - 10,58 , corr (Wo, ) = 0,76, mean(WO) = 85,01%;
mean() = 0,88%;
W o = 91,6 – 13,39 1, corr (W o, 1) = 0,70; (6)
W o = 94,34 – 23,77 2, corr (W o, 2) = 0,66;
W Н = 94,32 - 10,58 , corr (WН, ) = 0,76, mean(WO) = 81,6%,
mean() = 1,2%;
W Н = 87,89 – 8,62 1,, corr (W Н, 1) = 0,43; (7)
W Н = 88,87 – 15,28 2, corr (W Н, 2) = 0,68,
где, t - продолжительность подачи питания, мин; Wн - белизна неочищенного каолина %; Wo - белизна очищенного каолина, %, к, 1, 2 - соответственно суммарное содержание оксидов Fe2O3 и TiO2, оксидов Fe2O3, оксидов TiO2 в очищенном каолине, %; , 1, 2 - соответственно суммарное содержание оксидов Fe2O3 и TiO2, оксидов Fe2O3, оксидов TiO2 в неочищенном каолине, %; corr (WО, ), corr (WН,), corr (WO,WН) - коэффициент корреляции Пирсона; mean (WO) и mean () – средние значения белизны и содержания оксидов, где mean () и mean (t) средние значения суммарного содержания примесей в каолине и продолжительности подачи питания; corr (,t) – коэффициент корреляции Пирсона.
По рис.2 и системе уравнений (6) можно прогнозировать белизну очищенного каолина и содержание в нем красящих оксидов, то есть прогнозировать эффективность очистки каолина методом ВГМС.
Результаты исследований показали, что при оптимальных параметрах: В = 1,7 Тл, расчетный grad H 14 107 кА/м2, = 0,006 м/с, h = 0, 3 м, t = 6 мин, = 2…5 мПа·сек, плотность каолиновой суспензи = 1103 кг/м3 метод ВГМС позволяет повысить эффективность процесса очистки Просяновского каолина от красящих примесей и достигнуть нормы ТУ 21-25-285-87 (белизна каолина 80…84%) и ГОСТ 21286-82 (массовая доля оксидов железа и титана до 1 %).
В качестве «высокоградиентной матрицы» использовалась металлическая стружка. С целью уменьшения гидродинамического сопротивления каолиновой суспензии и снижения её динамической вязкости использовался диспергатор, приготовленный на основе полифосфата натрия с массовой долей Р2О5 не превышающей 0,3-0,4% во избежании изменения реологических свойств каолина. Кроме того, на основании экспериментальных исследований установлены требования, предъявляемые к сырью: на линию магнитной очистки должны подаваться каолины с максимальным суммарным содержанием красящих оксидов 1,6% и белизной не ниже 78%. Анализ исследований по очистке саломаса методом ВГМС от никельсодержащего катализатора в диапазоне параметров В (Н) = 0,5…1,5 Тл (400…1200 кА/м), grad H = 4105…6105 кА/м2, h = 0,15…0,60 м, = 0,01…0,07 м/с показал, что зависимость массовой доли никеля в саломасе от индукции магнитного поля и высоты зоны фильтрации магнитного аппарата носит обратно-пропорциональный характер (рис.3) и может быть описана системой уравнений:
= н e-k1 В + о, (8)
= н e-k2 h + о,
где н – массовая доля никеля в «черном» саломасе, мг/кг; k1 и k2 - опытные коэффициенты; В (Н)- индукция (напряженность) магнитного поля, Тл (кА/м); h – высота зоны фильтрации, м; о – остаточная массовая доля никеля в очищенном саломасе, мг/кг, определяется опытным путем.
Рис.3. Зависимость концентрации никеля в саломасе от индукции магнитного поля и высоты рабочей зоны.
Уравнение регрессии, показывающее зависимость от скорости филь- трации саломаса в диапазоне 0,01…0,07 м/с при h = 0,15 м, В(Н) = 0,75Тл (600 кА/м) и corr (, ) = 0,99 имеет вид:
= 88,5 + 112,8 - 4,6 2, (9)
где, -скорость фильтрации, м/с; corr (, ) – коэффициент корреляции. Показано, что ориентировочное максимальное время фильтрации саломаса в ВГМС, необходимое для полного насыщения шаров «высокоградиентной» матрицы частицами никелевого катализатора, расчитанное по уравнению (9) с использованием системы (3) составляет примерно 3 мин.
, (10)
где tр, - максимальное время фильтрации, мин; h - высота рабочей зоны магнитного сепаратора; м; R – радиус окружности, в которую заключен один слой, состоящий из шариков диаметром dш, м; Кn - коэффициент пористости шаров, ; rкат. – средний взвешенный радиус частиц катализатора,; кат - плотность катализатора, кг/м3; ; m - массовая доля никеля в неочищенном саломасе, кг /кг; - плотность саломаса, кг/м3 ; S - сечение рабочей зоны сепаратора, м2; ; - скорость фильтрации саломаса, м/сек.
Рис.4. Зависимость концентрации шлама от индукции магнитного поля и высоты зоны фильтрации высокоградиентного магнитного сепаратора.
Установлено, что оптимальные параметры метода ВГМС, обеспечива- ющие повышение эффективности существующего на Екатеринбургском жиркомбинате процесса очисти саломаса от никелевого катализатора, следующие: В (Н) = 0,8 Тл ( 640 кА/м); grad H 4105 кА/м2
При исследованиях очистки методом ВГМС оборотных вод от шлама системы пылеулавливания электросталеплавильного производства в оптимальных условиях В = 0,4 Тл, grad H 3 105 кА/м2, = 0,03 м/с, t = 3 мин, h = 0,30 м эффективность очистки оборотной воды от шлама достигала 99%.
Зависимость (11) концентрациии шлама в очищенной воде от индукции магнитного поля и высоты зоны фильтрации магнитного аппарата представлена на рис.4.
С = Сн e-k В(h) + о, (11)
где Сн –концентрация частиц в не очищенной оборотной воде, кг/м3; k - безразмерный коэффициент, определяется опытным путем; В - индукция (напряженность) магнитного поля, Тл (кА/м); h – высота зоны фильтрации, м;о – остаточная концентрация шлама в очищенной воде, мг/л, определяется опытным путем, мг/л, о = 15-20 мг/л, зависит от удельной магнитной силы магнитного сепаратора.
С целью сгущения, фильтрации, сушки и утилизации задержанного в магнитном поле шлама, исследовалось влияние на него следующих реагентов: полиакриламида аммиачного ПАА, сульфата алюминия Al2(SO4)3, сульфата железа FeSO4, кальция гидроксида Са (ОН)2. Показано, что применение ПАА в сравнении с традиционными неорганическими коагулянтами дает десятикратное увеличение скорости осаждения шлама.
Исследования по очистке СОЖ от микрофлоры методом МИО показали, что в исследуемом диапазоне частот f = 2…10 Гц, расчетной В (Н) = 0,05 Тл (4 кА/м), с увеличением количества проходов СОЖ через рабочую зону от 1 до 5 раз, скорости движения = 0,05…0,25 м/с и времени нахождения СОЖ в магнитном поле t =5…55 с, бактерицидное действие магнитного поля по ОМЧ снижается (рис.5). Определены оптимальные значения параметров МИО СОЖ: В = 0,05 Тл (4 кА/м); f = 2 Гц; t = 5..6 с, = 0,07…0,08 м/с. Эффективность обеззараживания методом МИО по ОМЧ достигает 77%.
Для частоты 2 Гц зависимость ОМЧ от времени нахождения СОЖ в рабочей зоне магнитного аппарата при В = 0,05 Тл (4 кА/м); f = 2 Гц и = 0,07м/с имеет вид:
4,70- 0,60t, при t<6;
C(t) = -2,70 + 0,64t, при 6t<10; (12)
1,96 +0,17t, при 10t<18;
corr (C, t) = 0,53
где, С – общее число (концентрация) микроорганизмов в СОЖ (ОМЧ), кл/л; t - временя нахождения СОЖ в рабочей зоне магнитного аппарата, сек; corr (C, t) – коэффициент корреляции.
Рис.5. Влияние на ОМЧ количества проходов СОЖ через индуктор магнитно- импульсной КНЧ установки и времени обработки.
Таким образом, исследования показали, что очистка промышленного сырья от парамагнитных примесей с размером частиц менее 60 мкм, в том числе от бактериальной флоры, эффективно осуществляется с применением специальных магнитных методов разделения.
Четвертая глава содержит алгоритм методики определения основных параметров процесса очистки каолина, саломаса, оборотных вод от парамагнитных примесей с размером частиц менее 60 мкм методом ВГМС и определения основных параметров процесса очистки СОЖ от бактериальной флоры методом МИО (рис.6 и рис.7). Показаны результаты реализации про-цессов очистки промышленного сырья от парамагнитных примесей магнит-ными методами.
По результатам лабораторных исследований в «ВНИИНеруд» ОАО «Союзнеруд» (г. Тольятти) разработан проект технологического регламента на извлечение никелевого катализатора из саломаса методом ВГМС.
Разработан проект процесса обеззараживания СОЖ в магнитно-импульсном поле КНЧ диапазона применительно к существующей технологии очистки СОЖ механосборочного производства ОАО «АвтоВАЗ». Эффективность метода (по ОМЧ) составляет 77%.
В результате лабораторных исследований и промышленных испытаний на производственном объединении «Просянаякаолин» (Украина) запущен в эксплуатацию процесс очистки каолина магнитным методом годовой производительностью до 24 тыс.т.
Наработана и испытана в производственных условиях керамических заводов партия каолина магнитного обогащения общей массой более 3000 т. Результаты исследований легли в основу ТУ 21-25-285-87 «Каолин магнитного обогащения для бумажной промышленности» и оформлены технологическим регламентом на процесс получения каолина.
Алгоритмы методик определения основных параметров процесса магнитной очистки каолина, саломаса,оборотных вод методом ВГМС и очистки СОЖ от бактериальной флоры методом МИО представлены на рис. 7 и 8.
Рис. 6. Алгоритм методики определения основных параметров процесса магнитной очистки каолина, саломаса и оборотных вод методом ВГМС.
Рис. 7. Алгоритм методики определения основных параметров процесса очистки СОЖ от бактериальной флоры методом МИО.
Основные результаты диссертационной работы
- Установлена принципиальная возможность повышения эффективности процессов очистки каолина, саломаса и оборотной воды специальными магнитными методами ВГМС и МИО КНЧ.
- Получены математические модели процессов очистки промышленного сырья от примесей магнитным методом, показывающие влияние основных технологических параметров метода ВГМС и метода МИО КНЧ диапазона на эффективность очистки.
- Предложена методика расчёта оптимальных технологических параметров работы высокоградиентного магнитного сепаратора для очистки каолина, саломаса и оборотных вод от парамагнитных примесей.
4. На базе математических моделей и инженерных методик расчёта разработаны :
а) проекты:
- очистки оборотной воды на основе метода ВГМС применительно к условиям промышленного электросталеплавильного производства завода «Волгоцеммаш» г. Тольятти производительностью до 200 м3/ч с эффективностью до 99%;
- очистки СОЖ на установке МИО КНЧ производительностью до 50 м3/час применительно к условиям механосборочного производства ОАО «АвтоВАЗ» г. Тольятти с эффективностью по ОМЧ до 77%.
б) технологические регламенты:
- для Екатеринбургского жирового комбината по извлечению никелевого катализатора из саломаса магнитным методом ВГМС;
- для объединения «Просянаякаолин» (Украина) получения каолина магнитным методом (ВГМС).
5. Осуществлено внедрение на производственном объединении «Просянаякаолин» (Украина) процесса очистки каолина от парамагнитных примесей методом ВГМС производительностью 24 тыс. т. / год.
6. Разработаны рекомендации на проектирование высокоградиентного магнитного сепаратора производительности не менее 70 м3/ч для очистки оборотной воды от шлама электросталеплавильного производства с эффективностью до 99%.
Основные публикации по теме диссертации