СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ФИЛЬТРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING MECHANICAL STRENGTH OF FILTER MATERIALS

Изобретение относится к способам и устройствам для экспрессного определения механической прочности (истираемости и измельчаемости) фильтрующих материалов и ионообменных смол, используемых в водоподготовке.
Важным показателем качества фильтрующего материала является его механическая прочность. Под механической прочностью следует понимать сопротивление фильтрующего материала износу вследствие наложения на слой давления, трения зерен друг о друга, а также растрескивания зерен при колебании температуры воды или из-за выщелачивания водой отдельных составляющих фильтрующего материала при его недостаточной химической прочности. При истирании и измельчении материала происходит появление в нем повышенного количества пылевидных частиц и мелких зерен, что вызывает повышение гидравлического сопротивления верхнего слоя фильтрующей загрузки из-за забивания мелочью и вынос измельченных зерен с промывной водой, т.е происходит безвозвратная потеря фильтрующего материала.
Механическую прочность фильтрующих материалов оценивают двумя показателями: истираемостью (т.е. процентом износа материала вследствие трения зерен друг о друга во время промывок) и измельчаемостью (процентом износа вследствие растрескивания зерен). Механическую прочность материала считают удовлетворительной, если его истираемость не превышает 0,5, а измельчаемость - 4% [Микульский В.Г. и др. Строительные материалы (Материаловедение, Строительные материалы): Учеб. издание. - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2004. - 536 с. http://www.newreferat.com/ref-36280-7.html;].
3
3
Для определения механической прочности разработаны различные методы. В частности, обычно механическую прочность ионитов определяют по изменению фракционного состава до и после встряхивания. В ходе анализа берут 10 см влажного набухшего сорбента и определяют его фракционный состав. Затем все фракции смешивают вместе, помещают в мерный цилиндр вместимостью 25 см и заливают 15 см дистиллированной воды. Цилиндр с сорбентом закрепляют на площадке вибрационного аппарата и встряхивают в течении 8 ч. После этого замеряют объем сорбента в цилиндре, отделяют сорбент от жидкости и подвергают его фракционному анализу и делают вывод о механической прочности сорбента (Комиссаренков А.А., Федорова О.В. Сорбционные технологии. Определение свойств сорбентов, учебно-методическое пособие для выполнения курсовой работы / СПбГТУ РП. - СПб.: - 2015. - с. 13).
Известен способ определения механической прочности ионитов, в котором используется метод с определением усилий на раздавливание одной гранулы на специальном приборе, например, на приборе Чатиллона (СТО ВТИ 37-002-2005. Требования к применению ионитов. С. 1). Однако он не позволяет определить величину истираемости.
Известен метод, который основан на размоле ионита в шаровой мельнице с применением и без применения стальных или агатовых шаров. Механическую прочность ионитов характеризуют по изменению фракционного состава ионита. Этот метод дает сравнительное представление о чувствительности к истиранию различных ионитов, но не позволяет оценить изменение механической прочности материалов в реальном процессе водоподготовки. Большую информацию получают, используя метод, основанный на быстром чередовании циклов сорбции и регенерации, позволяющий определить срок службы ионита по количеству циклов, которые может выдержать ионит без значительного разрушения зерен, о чем судят по изменению фракционного состава ионита. Метод позволяет оценит механическую стойкость ионита в условиях, близких к условиям реального использования его, однако он весьма трудоемок и длителен. [Ольшанова К.М. и др. Руководство по ионообменной, распределительной и осадочной хроматографии. М.: Химия, 1965. - с. 39-41].
Наиболее близким к заявляемой группе изобретений является способ измерения, заключающийся в том, что 100 г исследуемого материала с размером частиц 0,5-1,0 мм помещают в банку со 150 мл воды и встряхивают на лабораторной машине, представляет собой качающуюся с заданной частотой платформу, на которой закреплены колбы с исследуемыми материалами, в течение 24 ч с числом качаний 100 раз в 1 мин. Истираемость определяется долей материала, прошедшего через сито с отверстиями 0,25 мм после предварительного механического воздействия, а процент измельчаемости - массой его частиц, прошедших через сито с отверстиями 0,50 мм и оставшихся на сите с отверстиями 0,25 мм. Механическую прочность материала считают удовлетворительной, если его истираемость не превышает 0,5, а измельчаемость - 4% (Гурвич С.М. Оператор водоподготовки. 1981 г. С. 53). Недостатком способа является его большая продолжительность при работе с современными ионообменными смолами (ионитами), которые имеют большую упругость и прочность и механическую прочность на уровне 98-100%, что для получения точного сравнения испытываемых образцов требует длительного времени воздействия.
Задачей, решаемой авторами, являлось создание более быстрого способа исследования прочностных характеристик материала в условиях максимально близких к условиям реального процесса водоочистки и устройство для его осуществления.
Технический результат в отношении способа заключается в том, что при исследованиях механической прочности фильтрующих материалов путем оказания циклического знакопеременного разрушающего воздействия на исследуемый материал, помещенный в водную среду с последующим его пропусканием через сита с заданными размерами отверстий и определением доли разрушенного материала, прошедшего через них, в качестве циклического знакопеременного воздействия используют переменный разнонаправленный поток воды, включающий в себя подачу воды снизу со скоростью, обеспечивающей переход материала в псевдоожи-женное состояние, отстаивание полученного слоя и подачу потока жидкости сверху со скоростью обеспечивающую перепад давления на слое 0,1-2,0 атм.
1
2
3
На фигуре 1 показан цикл работы данного способа. Вначале, в течении времени Т,жидкость подается снизу вверх со скоростью, обеспечивающей псевдоожижение материала и расширение загрузки, затем на время Т подача жидкости прекращается и слой оседает. После этого на время Т, жидкость поступает сверху на слой загрузки, сдавливая его. Затем цикл повторяется.
Исследования проводят с использованием устройства, обеспечивающего последовательное расширение слоя до его псевдоожижения с последующем его сжатием при фильтрации раствора и повторения такого цикла с высокой частотой.
Технический результат в отношении устройства заключается в создании устройства, которое включает в себя емкость с исследуемым материалом и устройство реализующее вибрационное воздействие, в котором устройство, реализующее вибрационное воздействие, состоит из последовательно связанных трубопроводами емкости с водой, насоса, регулировочного крана, клапанов и емкости с исследуемым материалом, при чем регулировочный клан и клапаны выполнены с возможностью обеспечить подачу жидкости сверху или снизу в емкость с исследуемым материалом. Устройство может дополнительно содержать гидробак, связанный трубопроводом с насосом.
Установка, позволяющая реализовать такой режим, показана на фигуре 2. Установка состоит из емкости 1, насоса, создающего заданный напор жидкости 2, регулировочного крана 3, клапанов 4-7, блока испытательных колонок 8, в которые загружаются исследуемые материалы, и гидробака 9.
1
2
3
4
Работает установка следующим образом: из емкости 1 насосом 2 жидкость нагнетается с заданным напором и расходом в набор испытательных колонок 8, в которые загружены исследуемые материалы. Расход регулируется вентилем 3. Колонок может быть подключено столько, сколько образцов материалов следует испытать. Сначала жидкость подается снизу через клапан 4 и выходит через клапан 7 со скоростью, обеспечивающей псевдоожижение и расширение загрузки в течение времени Т (фигура 1). Соответственно, насос должен иметь производительность, обеспечивающую подъем загрузки одновременно во всех колонках. Затем следует закрытие клапанов 4 и 7 и остановка подачи жидкости на время Т и оседание слоя. При этом жидкость поступает в гидробак 9. При открывании клапанов 6 и 5 на время Т, жидкость поступает в колонки сверху, сдавливая загрузку. После паузы на время Т цикл повторяется.
Пример. Была использована установка для исследования прочностных характеристик фильтрующих материалов состоящая из емкости 1, насоса типа FOT100, создающего давление более 1,5 атм. и расход жидкости до 150 л/ч 2, блока из трех испытательных колонок - 8 с диаметром 40 мм и высотой 200 мм, в которые загружаются исследуемые материалы с высотой слоя 100 мм, блока электромагнитных клапанов - 4-7, регулирующего крана 3 и гидробака 9 объемом 10 л. Цикл работы установки состоял из периода подачи жидкости снизу через клапан 4 со скоростью 5-40 м/ч (меньшее значение - для ионитов, а большее - для загрузок мехфильтров), в течение 10-30 сек, которая обеспечивает псевдоожижение и расширение загрузки. Затем, во время которой жидкость поступает из насоса в гидробак 8. Затем открываются клапаны 6 и 5 и жидкость с большой скоростью подается сверху, уплотняя и сжимая слой загрузки - исследуемых образцов. Таким образом, в течение короткого времени, максимум 1 минуты, моделировался цикл работы механического или ионообменного фильтра, в промышленных условиях занимающий от 8 часов до десятков суток. Затем цикл повторялся.
Было проведено испытание образцов ионитов, проработавших в течении 3 месяцев на промышленной установке водоочистки Киришского НПЗ и результатов их испытаний по традиционному и заявляемому методам. Сопоставление результатов испытаний механической прочности ионитов заявляемым способом, способом, описанном в ближайшем аналоге и прошедших промышленные испытания приведены в таблице 1.
Полученные результаты показали, что заявляемый способ позволяют получить данные, наиболее близкие к результатам промышленного применения ионитов.