Электронный научный журнал
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

АНАЛИЗ РАБОТЫ КЕРАМИЧЕСКИХ ДИСКОВЫХ ВАКУУМ ФИЛЬТРОВ

Стовпенко А.С. 1 Нарижных В.Ю. 1 Лозовая С.Ю. 1
1 Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
1. Розанов Л.Н. Вакуумная техника: Учеб. для вузов по спец. «Вакуумная техника». – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк. 1990. – 320 с.: ил.
2. Секторный элемент дискового керамического фильтра, патент РФ № 2205057. заявка от 01.03.2002, зарегистрировано 27.05.2003, B01D33/23.
3. Пористый керамический фильтр, патент РФ № 2217214. заявка от 25.10.2002, зарегистрировано 27.11.2003, B01D33/23.
4. Секторный элемент дискового керамического фильтра, патент РФ № 2405615. заявка от 5.08.2009, зарегистрировано 10.12.2010, B01D33/23.

Ранее и в настоящее время обогатительные фабрики использовали для фильтрации и очистки воды от концентрата использовали дисковые вакуум фильтры типа ДОО, в которых использовались диски обернутые в фильтроткань.

Дисковые вакуум фильтры (рис. 1,а) предназначены для разделения суспензий с относительно однородным составом и медленно осаждающимися частицами твердой фазы [1]. Эти фильтры (рис. 1,а) обладают развитой фильтрующей поверхностью и состоят из горизонтально расположенного вала, на котором закреплены диски 1, частично погруженные в ванну 2 с разделяемой суспензией. Каждый диск состоит из обтянутых фильтровальной тканью полых секторов, имеющих с обеих сторон перфорированную поверхность. Цикл работы сектора диска состоит из: зона фильтрации: при вращении рабочего вала фильтрующий элемент погружается в суспензию. Под воздействием вакуума и капиллярного эффекта керамической лопатки на её поверхности образуется отфильтрованный осадок. Фильтрат через керамическую лопатку, коллекторную систему и вакуумметрическую систему поступает в дренажную ёмкость; зона промывки осадка: фильтрующий элемент с отфильтрованным осадком выходит из суспензии и промывается распылением технологической жидкостью посредством форсунок; зона сушки осадка: дальнейшее непрерывное обезвоживание фильтровального осадка проводится под действием высокого вакуумного разряжения; зона выгрузки осадка: скребок снимает подсушенный осадок с лопатки; зона регенерации фильтрующего элемента: после скребка техническая вода с воздухом из воздушной магистрали, образуя водо-воздушную смесь, поступает в керамические пластины через коллекторную систему и промывает забитые поры обратной продувкой.

а  б

teh69.tif

Рис. 1. Дисковый вакуум фильтр: а – схема фильтра: 1 – сектор фильтрующего диска; 2 – ванна фильтра; 3 – распределительная головка; 4 – нож; б – сектор с ловушкой к дисковому вакуум фильтру ДУ 250-3,75 «Сибирь»: 1 – бигель; 2 – стяжка; 3 – дека; 4 – ребра жесткости; 5 – манжета; 6 – ловушка; 7 – ячейковый вал

Главной проблемой этого фильтра является повышенный износ и недолговечность фильтроткани, которой обтянуты сектора дисков.

Сектор дискового вакуум фильтра «Сибирь» (рис. 1,б) состоит из двух дек 3, отлитых из алюминиевого сплава, соединенных между собой болтами. Между сектором и ячейковым валом расположена ловушка 6 для улавливания влаги, вытесняемой обратно в осадок при отдувке его сжатым воздухом.

У подобного типа устройств существуют такие недостатки как: не большое живое сечение сектора до 40 %; большая масса металлических секторов с перфорированной декой (достигает 22 кг); замена фильтроткани на таких секторах требует больших затрат ручного труда.

Поэтому актуальной задачей является: создание минимального гидроаэродинамического сопротивления водо-воздушной смеси в тракте диска от фильтрующей перегородки до вакуумной системы.

В настоящее время используются секторные элементы из керамических материалов [2].

Такая конструкция сектора диска вакуум фильтра обеспечивает:

– создание почти абсолютного вакуума в системе, что позволяет получать очень сухой кек, не требующий последующей сушки;

– очень чистый фильтрат, практически не имеющий твердых частиц;

– уменьшение энергозатрат;

– отсутствие фильтроткани;

– долгий срок службы пластин (от одного года и более);

– минимальное количество дорогостоящего оборудования (компрессоры, насосы, запорные клапаны, фильтроткань и т.п.);

– при необходимости возможна промывка кека водой.

С целью увеличения надежности устройства были рассмотрены несколько типов секторов дисков и определены напряжения, перемещения и деформации возникающие при их работе с использованием программного продукта Solid Works 2012 от компании Siemens.

Диски пористого керамического фильтра [3] (рис. 2) собраны из плоских пористых пластин 1, 2, которые имеют первичные и вторичные дистанционные элементы 3, 4 соответственно, каналы 5, сливное отверстие 6 и отверстия 7.

Пористые керамические пластины 1, 2 служат для удержания на фильтрующей поверхности твердого осадка (кека) и поступления фильтрата через капилляры в каналы 5. Первичные дистанционные элементы 3 расположены по периметру пористого керамического фильтра, определяют его геометрическую форму и заданные размеры.

Вторичные дистанционные элементы 4 формируют разветвленную форму и величину каналов 5 и имеют в сечении форму известных плоских геометрических фигур. Сливное отверстие 6 предназначено для вывода фильтрата в режиме фильтрации и ввода регенерирующей жидкости на этапе регенерации плоских, пористых керамических пластин 1, 2. Отверстия 7 предназначены для крепления пористого керамического фильтра на диске вакуумно-сушильного устройства.

Пористый керамический фильтр через отверстия 7 крепится на диск вакуумно-сушильного устройства и через выходное отверстие 6 соединен с пустотелым валом. При вращении вала фильтрующей установки пористый керамический фильтр погружается в резервуар для вещества, которое необходимо отфильтровать. В результате отсоса через пустотелый вал происходит процесс фильтрации через плоские пористые пластины 1, 2. Фильтрат собирается в каналах 5 и выводится через сливное отверстие 6 в пустотелый вал.

а б

teh70.tiff

Рис. 2. Пористая пластина

Секторный элемент диска керамического фильтра [4] (рис. 3.) содержит плоские пористые пластины 1, 2, первичные и вторичные дистанционные элементы 3, 4 соответственно, периферийные вторичные дистанционные элементы 5, горизонтальную перегородку 6, каналы 7, сливное отверстие 8, монтажное отверстие 9. Первичные и вторичные дистанционные элементы образуют совместно с каналами и сливными отверстиями единое полое пространство и соединены в блок.

Плоские пористые керамические пластины 1, 2 предназначены для удержания на фильтрующей поверхности твердого осадка (кека) и поступления фильтрата через проницаемую пористость в каналы 7. Первичные дистанционные элементы 3 расположены по периметру секторного элемента и определяют его геометрическую форму, заданные размеры и связывают в единый пустотелый блок пористые керамические пластины 1, 2. Вторичные дистанционные элементы 4 формируют разветвленную форму и величину каналов 7. Периферийные вторичные дистанционные элементы 5 придают жесткость первичным дистанционным элементам 3 и усиливают прочность на разрыв плоских пористых пластин 1, 2 в местах сопряжения с первичными дистанционными элементами 3.

Горизонтальная перегородка 6 усиливает общую конструкционную прочность секторного элемента и позволяет сформировать плоскость сечения в каждый пустотелый объем, определяющую скорость выхода фильтрата и ввода регенерирующей жидкости из выходного отверстия 8.

а б в

teh71.tiff

Рис. 3. Секторный элемент

а б

teh72.tiff

Рис. 4. Сектор диска

Секторный элемент диска [2] (рис. 4.) содержит пустотелый блок 1, включающий внутренние элементы 2, которые расположены рядами со смещением по дугам концентрических окружностей с образованием пустотелого объема 3, и боковые стенки 4. Пустотелый блок 1 выполнен из пористой керамики с радиусами R и r линий сопряжения в верхней и нижней частях 5 и 6 секторного элемента соответственно. Кроме того, сектор содержит выходной патрубок 7, соединение которого с пустотелым блоком 1 осуществлено резьбовым соединением с герметичным уплотнителем 8.

Расположение внутренних элементов 2 смещенными рядами по дугам концентрических окружностей придает поверхности фильтрации волновую форму, что интенсифицирует процесс набора кека и его равномерность распределения.

Резьбовое соединение патрубка 7 с герметичным уплотнителем 8 увеличивает соединительную связь металлического патрубка 7 с керамическим блоком  1, а герметичный уплотнитель 8 предотвращает снижение давления при отдувке кека при регенерации фильтрующей поверхности. При помощи выходного патрубка 7 сектор крепится к пустотелому валу фильтровальной установки.

На рис. 5 линиями обозначена распределение потоков суспензии в карманах, которые показывают, что за счет снижения диаметра патрубков обеспечивается равномерную подачу суспензии во всех карманах и во всем из объеме.

teh73.tiff

Рис. 5. Схема распределения потоков в рабочей зоне вакуум фильтра (разработана в Solid Works)

Анализ напряжений, перемещений и деформаций в описанных выше конструкциях секторов фильтрующих керамических дисков (табл. 1), а также распределения потоков в карманах при дисках (рис. 5), показал

1. В секторе [3] максимальные напряжения возникающие в серединной части сектора по всей ширине, а следовательно перемещения и деформации сконцентрированы там же. Очевидно , что вероятность разрушения секторов велика, так как нагрузка сосредоточена по всей площади серединной зоны сектора.

2. В секторе [4] максимальные напряжения возникают в середине пластины на расстоянии примерно 2/3 от наружной поверхности и по краям, что может привести к выкрашиванию от центра к краю, что приведет к разрушению сектора.

3. Сектор [5] нагружен с равномерным увеличением от внутренней поверхности к наружной, где достигает максимального значения. Как видно из характера распределения потоков (рис. 5.) основная нагрузка на диск осуществляется на наружной поверхности и вероятность разрушения. Но если увеличить площадь внутренних элементов, расположенных у наружной части сектора, то она будет разгружена, однако при этом снизится полезная площадь рабочей поверхности сектора.

Основной целью данной статьи является выявление информационных связей этапа планирования и разработки продукции, которые косвенно описывает стандарт ГОСТ Р 51814.6-2005 [1], построение блок-схемы выполнения этого этапа и, как результат, упрощение восприятия работниками межфункциональной APQP команды требований стандарта для более успешного выполнения I этапа и уменьшения количества брака, рекламаций и повышения спроса на выпускаемую продукцию в будущем.

С формальной точки зрения, в стандарте ИСО 9001:2000 требования, относящиеся к этапам разработки и постановки продукции на производство, составляют более 1/3 всего объема текста. А если учесть сложность и трудоемкость реализации этих требований, то они составят более 2/3 всех требований к системе менеджмента качества [3].

Следует заметить, что западная техническая культура уделяет гораздо больше внимания начальным стадиям проектирования, чем это принято делать у нас [2]. Здесь проявляется максимум творчества, «научно-технического остроумия», исследований. Это не дешево, но это во много раз выгоднее, чем иметь потом убытки в производстве и терять потребителей из-за дефектов и неудобств эксплуатации продукции [3].

«Планирование, разработка концепции и плана обеспечения качества продукции» является I этапом процедуры APQP «Перспективное планирование качества продукции». Целью I этапа является обеспечение ясного понимания потребностей и ожиданий потребителей и планирование всего APQP-процесса [1].

Первым и можно сказать основным шагом в организации работ по подготовке производства является создание межфункциональной APQP команды. Но как разобраться и не потеряться во всех рекомендациях стандарта ГОСТ Р 51814.6-2005 [1], собственных документах производителя и требованиях потребителя?

В стандарте [1] описаны отдельные входы и выходы I этапа APQP, однако, основываясь только на этих данных достаточно трудно установить взаимосвязь процессов и информации, передающейся от процесса к процессу в ходе выполнения I этапа. Стандарт ГОСТ Р 51814.6- 2005 [1] дает достаточно подробное описание осуществляемых процессов, но используемая форма представления рекомендаций не позволяет легко разобраться в необходимом этапе. Поэтому в данной статье постараемся установить все взаимосвязи между информацией, используемой APQP – командой для выполнения I этапа и проследим, как входы процесса переходят в его выходы.

Таким образом, проведя исследования была получена схема распределения потоков в рабочей зоне вакуум фильтра, который выявил необходимость снижения диаметров патрубков по мере удаления от трубопровода. Анализ напряжений, перемещений и деформаций сектора диска возникающих от воздействия потока суспензии позволил определить его наиболее целесообразную конструкцию сектора диска керамического дискового вакуум фильтра.

teh74.tiff


Библиографическая ссылка

Стовпенко А.С., Нарижных В.Ю., Лозовая С.Ю. АНАЛИЗ РАБОТЫ КЕРАМИЧЕСКИХ ДИСКОВЫХ ВАКУУМ ФИЛЬТРОВ // Международный студенческий научный вестник. – 2015. – № 3-1.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=12044 (дата обращения: 15.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074