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

1. Установлена принципиальная возможность повышения эффективности процессов очистки каолина, саломаса и оборотной воды специальными магнитными методами ВГМС и МИО КНЧ.
2. 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.
3. 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