Разработка методики расчета структуры фильтрующего элемента для повышения его грязеемкости

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Разработка методики расчета структуры фильтрующего элемента для повышения его грязеемкости

М.И. Христофорова

В условиях стремительного развития современного общества прослеживается усиление негативного воздействия на окружающую среду. Наблюдается повсеместное ухудшение качества природной воды источников водоснабжения. В настоящее время природная вода крайне редко обладает свойствами, соответствующими всем необходимым требованиям, которые предъявляет потребитель.

В целях обеспечения высокого качества воды питьевой, воды, используемой некоторыми отраслями промышленности, в мире прослеживается устойчивая тенденция применения физико-химических методов очистки, в частности обратного осмоса. Для успешной работы обратноосмотических установок поступающая на обработку вода должна отвечать установленным требованиям их эксплуатации[1].

Стабильная работа установок обратного осмоса обеспечивается расположением в технологической схеме перед установкой фильтров микрофильтрации. Таковыми являются волокнистые полимерные фильтры для водоочистки [2].

Распространенным используемым фильтроматериаломполимерных фильтров является полипропилен. Однако наряду с нужными свойствами обеспечения стабильности проведения процесса очистки на установках обратного осмоса, данные фильтроэлементы имеют ряд недостатков, а именно: фильтрация жидкости с помощью таких фильтров сопряжена с постоянным расходом фильтроэлементов, что создает проблемы с их утилизацией; фильтроэлементы достаточно дороги; эффективность их работы оставляет желать лучшего.

Фильтрация жидкости с помощью волокнистых фильтров сопряжена с постоянным расходом фильтрующих элементов,так как большая ихчасть является одноразовыми, т.е. нерегенирируемыми.Процессы фильтрования с применением волокнистых фильтроэлементов, которые работают без регенерации, требуют на сегодняшний день оптимизации.

Важным направлением оптимизации является увеличение срока службы фильтроэлемента, который тесно связан с показателем грязеемкости. Исходя из этого,одной из основных характеристик работы данных фильтров является грязеемкость и, в данном случае, это объем загрязняющих веществ, который способен задержать фильтрующий элемент за весь период эксплуатации [3].

Целью исследования являлось определение структуры фильтрующего слоя, которая будет обеспечивать максимальную грязеемкость волокнистого полимерного фильтрующего элемента, основываясь на данных о гранулометрическом составе твердых частиц в жидкости.

Решались задачи исследования по установлению гранулометрического состава тестового загрязнителя - кварца молотого пылевидного, а также разработка методики расчета структуры фильтрующего слоя.

Базы проведения исследований: АО «Фильтр» (пос. Товарково) и кафедра ФН2-КФ «Промышленная экология» КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Объектом исследования являлся фильтрующий элемент, представленный на рис. 1, для очистки жидкостей от механических примесей, изготовленный по технологии «meltblown» - «мелтблаун.

Рис. 1. Опытный фильтрующий элемент

Структура исследуемого фильтрующего элемента состоит из перфорированного трубчатого каркаса и намотанных на него слоев полимера различной толщины: подложки, «отсечного» и «основного» (фильтрующего) слоев[4].

В проведенных нами ранее исследованиях [1] было указано, что в фильтрующем элементе «отсечной» слой отвечает за эффективность, а остальная часть фильтрующего слоя обеспечивает грязеемкость фильтрующего элемента. Эта часть «основного» слоя имеет наибольшую толщину, которая определяется наружным диаметром фильтрующего элемента.Размер пор плавно увеличивается от «отсечного» слоя до наружного.Последний слой фильтрующего материала несет на себе основную нагрузку по очистке жидкости, поэтому проводимые опыты были направлены на определение оптимальной структуры «основного» фильтрующего слоя для повышения грязеемкости фильтрующего элемента.

Определение гранулометрического состава твердых частиц жидкости.

Для определения параметров фильтрующего слоя нами было проведено исследование по установлению гранулометрического состава тестового загрязнителя - кварца молотого пылевидного марки Б ГОСТ 9077-82. Для проведения исследования использовался лабораторный стенд контроля качества фильтров для жидких сред. Вид гидравлического стенда представлен на рис.2

Рис. 2. Лабораторный стенд контроля качества фильтров для жидких сред

В трехлитровую банку наливалась чистая вода и добавлялся загрязнитель. Затем подавали загрязненную воду на фильтрующий элемент и отбирали пробы воды до и после него. С помощью счетчика частиц Pamas S-4031 WG определялось количество частиц загрязнителя в пробе воды. Используя несколько замеров, определялся гранулометрический состав загрязнителя, с помощью которого вычислили объем его частиц в предположении, что все они имеют сферическую форму. Затем определили относительные объемы частиц по всем размерам с помощью формулы (1).

,(1)

где Vi - среднее арифметическое значение объема частицы заданного размера, м3; ?Vi- суммарный объем частиц всех размеров, м3.

Полученные значения относительного объема частиц были использованы в дальнейшем расчете.

Расчет структуры фильтрующего слоя. Для проведения расчета необходимо было по относительному объему частиц заданного размера выделить объем фильтрующего материала, пропорционально объему частиц и определить интервалы диаметров, определяющие положение данного объема фильтрующего материала в фильтрующем элементе.

Для определения диаметров использовали поперечное сечение фильтроэлемента, изображенное на рис.3.

Рис.3. Поперечное сечение фильтроэлемента

Значения относительных объемов, вычисленных ранее, приравнивали к площадям элементов, выделяемых в поперечном сечении фильтрующего слоя. В результате составили систему уравнений (2) для определения параметров фильтрующего слоя.

(2)

гдеd - внутренний диаметр фильтрующего слоя, мм; D - наружный диаметр фильтрующего слоя, мм; di, di-1- размеры, определяющие положение рассматриваемого элемента фильтрующего материала, мм; k - коэффициент пропорциональности; Si- площадь i-го элемента фильтрующего слоя, мм2; S - площадь поперечного сечения фильтрующего слоя, мм2.

В результате проведенных вычислений получили выражение (3) для диаметра di.

(3)

C помощью выражения (3), получили зависимость среднего размера пор r фильтрующего материала от диаметра фильтрующего элементаdi,, представленную на рис.4. При этом принимали в качестве допущения, что средний размер пор равен среднему размеру частиц.

Рис.4. График зависимости среднего размера пор фильтрующего материала от диаметра di

Полученная зависимость может быть использована для изготовления образцов фильтрующих элементов с дальнейшей экспериментальной проверкой адекватности выбранной методики расчета структуры фильтрующего слоя.

Таким образом, в результате проведенных исследований установлен гранулометрический состав тестового загрязнителя - кварца молотого пылевидного марки Б ГОСТ 9077-82, проведен расчет структуры фильтрующего слоя, в результате получена зависимость, позволяющая рассчитать структуру фильтрующего слоя по гранулометрическому составу твердых частиц в жидкости. Предполагается, что расчет по данной методике будет обеспечивать оптимальность параметров фильтроэлемента по ресурсу.

На основании проведенного исследования можно утверждать, что фильтрующий слой будет повышаться по сравнению со стандартными элементами, это улучшит их эксплуатационные свойства, приведет к уменьшению затрат на их приобретение и замену, снизит нагрузку на окружающую среду.

Список литературы

фильтрующий грязеемкость слой гранулометрический

Христофорова М.И., Хролынцев А.А., Яковлева О.В. Поиск оптимальных параметров фильтрующего слоя для элементов из нетканого полимерного волокнистого материала // Наукоемкие технологии. - 2016. -Том 17. - № 5. - С.69-73.

Христофорова М.И., Хролынцев А.А., Яковлева О.В. О повышении тонкости фильтрации картриджных фильтров для установок обратного осмоса // Наука, образование и инновации: сборник статей Международной научно-практической конференции.- 2016. В 4 ч. - Ч. 3.- C.70-73.

Грязеемкость фильтрующего элемента. URL:http://technical_translator_dictionary.academic.ru (дата обращения 9.10.16).

Христофорова М.И., Хролынцев А.А., Яковлева О.В. Обеспечение необходимой тонкости фильтрации взвеси в профильтрованной воде перед установкой обратного осмоса // Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе: материалы Региональной научно-технической конференции. - 2016. - Том 2. - C. 24-29.

Размещено на Allbest.ru