Методика автоматизированного выбора и расчета фильтров для разделения суспензий

УДК 66.02.001

МЕТОДИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ВЫБОРА И РАСЧЕТА ФИЛЬТРОВ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СУСПЕНЗИЙ

Е.Н. Малыгин, С.В. Карпушкин, С.Н. Маковеев

Кафедра «Гибкие автоматизированные производственные системы», ТГТУ Представлена членом редколлегии профессором В. И. Коноваловым

Ключевые слова и фразы: выбор вида фильтровальной перегородки; выбор типа фильтра; выбор оптимального аппаратурного оформления; разделение суспензии с заданными свойствами; расчет параметров процесса фильтрования; система автоматизированного выбора и расчета фильтров; стандартные фильтры.

Аннотация: Предложена методика автоматизированного выбора и расчета стандартных фильтров для разделения суспензий, разработанная на основе нормативных документов. Приведен пример ее практического применения. Представлена структура и состав созданной на ее основе информационной системы.

Фильтры для разделения суспензий входят в состав основной аппаратуры химических, фармацевтических, горно-обогатительных производств. Проблема выбора типа фильтра, обеспечивающего надежное и эффективное разделение конкретной суспензии, возникает как при проектировании новых, так и при перепрофилировании действующих производств на выпуск новой продукции. Последнее особенно актуально для многоассортиментных малотоннажных химических производств, примерами которых могут служить производства синтетических красителей и полупродуктов, добавок к полимерным материалам, кинофотоматериалов, фармацевтических препаратов. Для этих производств характерна быстрая смена ассортимента выпускаемой продукции, так что практически любой фильтр за время эксплуатации используется в различных технологических схемах для обработки суспензий с разными свойствами. Изменение ассортимента продукции производства требует проверки пригодности аппаратов для осуществления новых процессов.

Предлагаемая методика автоматизированного расчета и выбора фильтров для разделения суспензий разработана на основе официальных нормативных документов (ГОСТ, РД, РТМ). Она предусматривает:

I. Выбор типа аппарата, его конструкции и исполнения, вида фильтровальной перегородки, наиболее подходящих для разделения суспензии с заданными характеристиками.

II. Определение числа аппаратов N и рабочей поверхности £ (м2), обеспечивающих требуемую производительность Q (кг/с) по суспензии с заданными свойствами, а также выполнение условий пригодности привода фильтра и прочности элементов его конструкции.

На этапе I решаются задачи формирования множества типов фильтров Фв и видов фильтровальных перегородок ФПв, характеристики которых наиболее полно отвечают физико-химическим и фильтрационным свойствам разделяемой суспензии при заданных требованиях к качеству продуктов и процессу разделения. Основой для их формирования являются условия работоспособности фильтра и фильтровальной перегородки при разделении суспензии с заданными свойствами [1]:

ДР ^max ];

ДРдр - ДР;

T e [Tmin , Tmax ];

где ДР, ДРпр - перепад давлений при фильтровании и промывке осадка, Па; Т -температура суспензии, оС; С - концентрация твердой фазы в суспензии, кг/м3; ё - минимальный диаметр частиц, подлежащих выделению из суспензии, м;

1^?™^ Д^тахЬ [^1^^ РтахЬ [Сш^ СтахЬ ^т^ ётах] - интервал^1 допустимых дЛЯ

данного типа фильтра и вида фильтровальной перегородки значений перепада давления, температуры суспензии, концентрации твердой фазы и диаметра выделяемых частиц.

Кроме количественных характеристик процесса разделения суспензии, учитываемых условиями (1), при выборе типа фильтра и вида фильтровальной перегородки принимаются во внимание и качественные:

- характер твердой фазы суспензии (кристаллическая, аморфная, волокнистая, коллоидная);

- характер образующегося осадка (зернистый, рассыпчатый, прочный, ломающийся и др.);

- химическая активность жидкой фазы суспензии (значение pH);

- токсичность суспензии;

- возможность подогрева суспензии;

- категория (класс) производственного помещения (некатегорийное, В I, В 1а, и др.);

- категория и группа взрывопожароопасности продукта (некатегорийный. пожароопасный, и др.);

- требования к герметизации фильтра;

- возможные способы съема осадка (ножом, сходящим полотном и др.);

- рекомендуемые способы отвода фильтрата (открытый, закрытый);

- способ создания перепада давления (вакуум, избыточное давление, гидростатическое давление);

- требования к промывке осадка (наименование промывной жидкости, ее удельный расход);

- основной конструкционный материал (углеродистая или нержавеющая сталь, титан, полипропилен и др.).

Выбор конкретной фильтровальной перегородки из множества ФПв осуществляет эксперт.

На этапе II из фильтров множества Фв формируются допустимые варианты аппаратурного оформления (АО) процесса фильтрования, т.е. значений £ и N обеспечивающих требуемую производительность по разделяемой суспензии. Для выбранных таким образом типоразмеров фильтров проверяется выполнение условий пригодности привода и прочности элементов конструкции.

Например, для барабанного ячейкового вакуум-фильтра общего назначения условие обеспечения заданной производительности имеет вид [2]

где Кз = 0,7...0,9 - коэффициент, учитывающий снижение производительности фильтра в результате постепенной забивки пор фильтрующей перегородки; 510-фм -180/пя -2

360

- частота вращения барабана, с 1,

0 Ь^

0 =--------------------, 0п =----------------------- необходимые продолжитель-

и2 «

ности фильтрования суспензии и промывки осадка, с; V - отношение поверхности осадка, орошаемой промывными устройствами, к необходимой поверхности промывки; Ь\, Уо, Nп - константы, значения которых определяются свойствами суспензии, осадка, промывной жидкости и фильтровальной перегородки; фм - угол сектора мертвой зоны от уровня суспензии в корыте фильтра до начала зоны фильтрования, град.; пя - общее число ячеек фильтра; п'я - число ячеек фильтра, одновременно находящихся в зоне осушки осадка; ф{ - центральный угол, занимаемый сектором съема осадка, град.; 5ос - заданная (рекомендуемая) толщина слоя осадка, м; рс - плотность суспензии, кг/м3; и - отношение объемов осадка и фильтрата.

Условия пригодности привода:

р ] (3) п 6 [птш , птах ],

п

где N = 0,00118 —------------------------------- - необходимая мощность приво-

П

да барабанного фильтра, Вт [3]; п - к.п.д. привода; М\, М2 - моменты сил сопротивления, возникающих вследствие неуравновешенности слоя осадка при вращении барабана и сопротивления срезу осадка, Н-м; М3, М4, М5 - моменты сил трения барабана о суспензию, подвижной шайбы распределительной головки о неподвижную и в подшипниках вала, Н-м; - мощность электродвигателя вы-

бранного фильтра, Вт; [птш, птах] - интервал допустимых для данной модификации фильтра значений частоты вращения барабана, с-1.

Условия прочности элементов фильтрующего барабана [4], [5]:

1/8 < Б/Ь < 2/3;

Мст - ^ ) < 0,1; пц > [пц ] -

псв.ш > [псв.ш ];

/к0тст;

об .

<

max

об стэкв. <

ста

об а

М <Гм ]

/

к"

где Б - диаметр барабана фильтра, м; Ь - длина обечайки барабана, м; £ст - толщина стенки барабана, м; ск - компенсационная прибавка, м; пц, [пц ] - расчетный и допускаемый запас прочности для цапфы барабана; псвш, [псвш] - расчетный и

т.ст

допускаемый запас прочности для сварного шва; <^тах - максимальное напряже-

ние от изгиба в торцевой стенке, Па; ст^ - эквивалентное напряжение в наиболее нагруженной точке поперечного сечения обечайки барабана, Па; [ стт'ст ], [ ст°б ] - допускаемые амплитуды условных упругих напряжений для материала

торцевой стенки и обечайки барабана, Па; КСТ'ст, -Kc;6 - коэффициенты концентрации условных упругих напряжений торцевой стенки и обечайки барабана (обычно принимаются равными 2.5); M - изгибающий момент, обусловленный собственным весом барабана, Н-м; [M] - допускаемый изгибающий момент для материала обечайки барабана, Н-м.

Для фильтров периодического действия условие (2) имеет вид [6]

Q ^ Кз S^oc рс

N ©ц u ’

где 0ц = 0 + 0п + ©с + ©в - продолжительность цикла обработки суспензии, с, включающего фильтрование суспензии, промывку и осушку осадка, вспомогательные операции (загрузка суспензии, удаление осадка, подготовка к следующему циклу). Выбор соотношения для расчета продолжительности фильтрования 0 зависит от режима фильтрования (постоянной скорости, постоянного перепада давления, перехода с первого на второй). К условиям вида (3) для механизированных фильтр-прессов типа ФКМ можно отнести условие пригодности привода электромеханического зажима фильтровальных плит, для ФПАКМ - привода валика, перемещающего фильтровальную ткань при разгрузке осадка. Условия вида (4) для емкостных фильтров (друк-фильтров, листовых, патронных) - это условия прочности обечаек и днищ [4], для ФКМ - условия прочности плит, прочности и устойчивости грузового винта электромеханического зажима и т. п.

Из вариантов АО, удовлетворяющих условиям (2) - (4) и им подобным, выбирается наиболее экономичный, которому соответствует наименьшее значение функции

Z = Nf

где f (S) - зависимость стоимости фильтра от его рабочей поверхности.

На основании вышесказанного предлагается следующий алгоритм автоматизированного выбора и расчета фильтра для разделения конкретной суспензии.

1. Формирование множества классификационных признаков выбора типа фильтра ТФ и фильтровальной перегородки ТП с учетом условий (1) и качественных характеристик процесса разделения суспензии, которые определяют набор требований к оборудованию: тип и исполнение фильтра; материал частей, соприкасающихся с суспензией; наличие теплообменного устройства и т. д.

2. Формирование множеств Фв и ФПв с учетом характеристик доступных типов фильтров и фильтровальных перегородок. В множество Фв включаются те типы и исполнения доступных фильтров i е (1, 2,..., I), которым соответствует максимум мощности пересечения множества их характеристик ХФ^ и множества ТФ: i е Фв, если|ТФ п ХФ, | ^ max . Аналогично j е ФПв,

i=1,.",I

если|ТП п ХП,1 ^ max . Здесь I и J - числа доступных типов фильтров и

j=1,.",J

фильтровальных перегородок. При проектировании нового производства доступными можно считать все типы фильтров и перегородок, которые приводятся в каталогах стандартной аппаратуры [7 - 9], или в прайс-листах предприятий хими-

ческого машиностроения, например [10, 11]. При перепрофилировании действующего производства к числу доступных относятся только те фильтры и виды перегородок, которые можно привлечь к выпуску новой продукции, не выходя за рамки парка оборудования конкретного предприятия или цеха.

3. Выбор конкретной фильтровальной перегородки, расчет параметров процесса разделения суспензии согласно [2, 6] (0ц, £, п и др.) и поочередный расчет числа фильтров всех типов и исполнений из множества Фв, необходимого для обеспечения заданной производительности согласно условиям (2).

4. Проверка выполнения условий (3), если это необходимо, и условий прочности элементов для каждого типа и исполнения фильтров множества Фв.

5. Оценка вариантов аппаратурного оформления процесса разделения конкретной суспензии, удовлетворяющих условиям (2) - (4) и выбор лучшего по критерию (5). Так как за последние годы масштаб цен многократно менялся, то стоимость стандартных фильтров предлагается рассчитывать в условных единицах по однофакторной степенной модели, например:

- для барабанных ячейковых вакуум-фильтров общего назначения

г = а£0,44 (БОУ - а = 4, БОР - а = 5, БОК - а = 6,5);

0 32

- для ФПАКМ 2 = а£ ’ (из углеродистой стали - а = 8, из нержавеющей -а = 10,5);

- для друк-фильтров ЕдСх 2 = (из углеродистой стали - а = 10, из нержавеющей - а = 14);

- для фильтр-прессов рамных и камерных 2 = 0,41 (из полипропилена -

а = 0,95, из чугуна - а = 1,06, из нержавеющей стали - а = 2,86).

Если условия (3), (4) не выполняются для всех фильтров множества Фв, то либо изменяются условия его формирования (множество ТФ), либо делается вывод о непригодности доступных фильтров для разделения указанной суспензии.

Проиллюстрируем работу предлагаемого алгоритма конкретным примером.

Исходные данные для выбора типа фильтра и фильтровальной перегородки:

- наименование суспензии - пигмент голубой фталоцианиновый;

- процесс образования суспензии - разварка пасты пигмента;

- режим реализации процесса - периодический;

- требуемая производительность по суспензии Q = 7 кг/с;

- рекомендуемый перепад давления при фильтровании АР = 500 000 Па;

- температура суспензии Т = 25 °С;

- концентрация твердой фазы в суспензии с = 0,05 масс. доли;

- размер частиц твердой фазы ё = 8-10-6 м;

- характер твердой фазы суспензии - кристаллическая;

- характер образующегося осадка - прочный, ломающийся;

- вид удаляемого осадка - отжатый;

- промывка осадка необходима? - да;

- наименование жидкой фазы суспензии - раствор И2804;

- рН жидкой фазы - 1;

- концентрация раствора жидкой фазы - малоконцентрированный;

- летучесть жидкой фазы - нелетучая;

- агрессивность суспензии - агрессивная;

- токсичность суспензии - нетоксичная;

- огне- и взрывоопасность - невзрывоопасная;

- химическая стабильность суспензии во времени - стабильна;

- обогрев фильтра необходим? - нет;

- рекомендуемый материал частей фильтра, соприкасающихся с суспензией -полипропилен;

- категория (класс) производственного помещения - В 1а.

Формирование множества ТФ:

- фильтры периодического действия;

- фильтры под давлением;

- давление фильтрования - 500 000 Па;

- температура фильтрования - 25 °С;

- концентрация твердой фазы в суспензии - 59,2 кг/м3 (0,05 масс. доли);

- размер частиц - 8 мкм;

- вид удаляемого осадка - отжатый;

- промывка - необходима;

- материал фильтра - полипропилен.

Формирование множества Фв (см. рис. 1). Как видно из рисунка, единственным фильтром, пригодным для разделения рассматриваемой суспензии является фильтр-пресс (рамный или камерный).

Формирование множества ТП:

- тип фильтра - фильтр-пресс;

- температура - 25 °С;

- среда - кислая;

- концентрация среды - малая;

- концентрация твердой фазы в суспензии - 5 %;

- размер частиц - 8 мкм.

Формирование множества ФПв (см. рис. 2). По мнению эксперта (технолога) наиболее подходящей в данном случае является ткань фильтровальная хлориновая штапельная арт. 86002. Для более обоснованного выбора фильтровальной перегородки необходимы эксперименты.

Расчет параметров процесса разделения суспензии. Исходные данные:

- среднее удельное сопротивление осадка - 131,65-109 м/кг;

- сопротивление фильтрующей ткани, отнесенное к единице вязкости жидкой фазы суспензии - 27,34-109 м-1;

- содержание жидкой фазы в отфильтрованном осадке до осушки -0,52 масс. доли;

- содержание жидкой фазы в отфильтрованном осадке после осушки -0,47 масс. доли;

- плотность твердой фазы суспензии - 1720 кг/м3;

- плотность жидкой фазы - 1165 кг/м3;

- вязкость жидкой фазы при температуре фильтрации - 2,82-10 -3 Па-с;

- время осушки осадка - 60 с;

- время, затрачиваемое на вспомогательные операции - 240 с;

- наименование промывной жидкости - вода;

- перепад давления при промывке - 500 000 Па;

- вязкость промывной жидкости - 0,988-10-3 Па-с;

Рис. 1 Выбор подходящего типа фильтра

- необходимый объем промывной жидкости на 1 кг влажного осадка -

0,0025 м3/кг;

- требуется разделение фильтрата и промывной жидкости - нет.

В результате расчета, выполненного в соответствии с [6] при рекомендуемой толщине осадка 5ос = 7 мм, определена необходимая поверхность фильтрования Зр = 17,625 м2. Все возможные варианты аппаратурного оформления процесса разделения рассматриваемой суспензии сведены в табл. 1.

Рис. 2 Выбор типа фильтровальной ткани

Таблица 1

Варианты аппаратурного оформления процесса

№ варианта Обозначение фильтра Число фильтров N Поверхность фильтрования одного фильтра S, м2 Значение критерия

1 РЗР2-1Н-01 9 2 11,36

2 РЗР2,8-1Н-01 7 2,8 10,143

3 РЗР4-1Н-01 5 4 8,386

4 РЗР5,6-1Н-01 4 5,6 7,701

5 ФКМ16-1Н-01 2 16 5,922

6 ФКМ25-1Н-01 1 25 3,555

7 ФКМ32-2Н-01 1 32 3,934

8 ФКМ40-1Н-01 1 40 4,311

9 ФКМ50-2Н-01 1 50 4,724

10 ФКМ63-2Н-01 1 63 5,193

11 ФКМ80-2Н-01 1 80 5,728

12 ФКМ140-2Н-01 1 140 7,205

Из таблицы видно, что наиболее экономичным вариантом с точки зрения стоимости оборудования является вариант № 6: один камерный фильтр-пресс типа ФКМ, автоматизированный, с вертикальными плитами, с поверхностью фильтрования S = 25 м2 - ФКМ25-1Н-01.

Заметим, что выбранный тип фильтра и фильтровальной перегородки подлежит обязательной экспериментальной проверке в опытно-промышленном масштабе для уточнения производительности оборудования, качества получаемых продуктов и режимов процесса разделения.

На основе представленной методики на кафедре «Гибкие автоматизированные производственные системы» Тамбовского государственного технического университета создана система автоматизированного выбора и расчета фильтров для разделения суспензий. Система разработана в среде Visual Basic. В ее состав входят:

- информационно-поисковый модуль выбора типа, конструкции и исполнения фильтра, фильтровальной перегородки;

- разработанные на основе ГОСТ, РД и РТМ программные модули технологического, энергетического и механического расчетов фильтров периодического и непрерывного действия, реализующие алгоритмы решения задач вида (1) - (5) для фильтров различных конструкций;

- модули ввода исходных данных для выбора и расчета аппаратов, вывода результатов расчетов в установленной форме;

- электронные каталоги характеристик промышленных фильтров, фильтровальных перегородок, свойств конструкционных материалов.

Информационно-поисковый модуль включает электронные таблицы степени соответствия фильтров и фильтровальных перегородок различных типов параметрам промышленных суспензий и категории производства. Исходные данные для работы модуля представляются в виде опросного листа, где факторы, оказывающие влияние на выбор оборудования, объединены в три основные группы:

- характеристики суспензии (содержание твердой фазы, средний размер ее частиц, температура, токсичность, взрыво-пожароопасность);

- требования к осадку и фильтрату (допускаемая влажность осадка, содержание твердой фазы в фильтрате, условия промывки и способ выгрузки осадка);

- технологические возможности оборудования (возможные режимы разделения суспензии, допускаемые перепады давлений, интервал рабочих температур).

Поиск конкретных аппаратов может быть организован по любой совокупности их характеристик. Выбранные характеристики объединяются операциями «и», «или», а их значения могут быть заданы с помощью условий «равно», «не равно», «больше или равно», «меньше или равно». Результатом работы модуля являются типоразмеры промышленных фильтров и фильтровальных перегородок из электронных каталогов, тип и конструкция которых наиболее подходят для разделения суспензии с заданными свойствами в указанных условиях.

Первый вариант промышленной версии системы, позволяющий проводить выбор и расчет рамных и камерных фильтр-прессов, друк-фильтров, барабанных и ленточных вакуум-фильтров, передан в проектно-конструкторский отдел Тамбовского ОАО «Пигмент» для опытной эксплуатации. Учебная версия системы используется студентами ТГТУ (специализация 170514 «Гибкие автоматизированные производственные системы в технологии машин и аппаратов химических производств») при выполнении расчетных заданий по дисциплинам «Технологическое оборудование ГАПС», «ГАПС в химической технологии», курсовых и дипломных проектов.

Список литературы

1. Малиновская Т. А., Кобринский И. А., Кирсанов О. С., Рейнфарт В .В. Разделение суспензий в химической промышленности. - М.: Химия, 1983. - 264 с.

2. РТМ 26-01-5-64. Методика расчета барабанных вакуум-фильтров с наружной фильтрующей поверхностью.

3. Леонтьева А.И. Машины и аппараты химических производств: Лекции к курсу «Машины и аппараты химических производств», Ч. I / ТИХМ. - Тамбов, 1991. - 104 с.

4. ГОСТ 14249-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.

5. РТМ 26-01-82-76. Барабанные вакуум-фильтры. Методика расчета на прочность.

6. РТМ 26-01-10-65. Методика определения параметров процесса фильтрования с образованием осадка.

7. РТМ 26-01-17-67. Методика выбора фильтровальной ткани.

8. Фильтры для жидкостей. Каталог. Часть I. Фильтры непрерывного действия для жидкостей. - М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1989. - 144 с.

9. Фильтры для жидкостей. Каталог. Часть II. Фильтры периодического действия, фильтр-прессы, патронные керамические фильтры. - М.: ЦИНТИхим-нефтемаш, 1991. - 72 с.

10. www.progress.com.ua/products. - Официальный сайт Бердичевкого завода “Прогресс”.

11. www.uralhimmach.ru/catalog/filtrs/param. - Официальный сайт завода “ УРАЛхиммаш”.

Method of Automated Selection and Calculation of Filters for Suspension Separation

E.N. Malygin, S.V. Karpushkin, S.N. Makoveev

Department “Flexible Automated Production Systems ", TSTU

Key words and phrases: selection of filter partition type; selection of filter type; selection of optimum implementation of the process; suspension separation with given properties; calculation of filter process parameters; system of automated selection and filter calculation; standard filters.

Abstract: Methodology of automated selection and calculation of standard filters for suspension selection, developed on the basis of specification documents is suggested. The example of its practical application is given. The structure and composition of information system created on its basis are represented.

Methodik der automatisierten Auswahl und der Berechnung von Filtern ftir die Teilung der Suspensionen

Zusammenfassung: Es ist die auf Grund der Normativdokumente erarbeitete Methodik der automatisierten Auswahl und der Berechnung der Standartfilter fur die Teilung der Suspensionen vorgeschlagen. Es ist das Beispiel ihrer praktischen Anwen-dung angefuhrt. Es sind die Struktur und die Zusammensetzung des auf ihrem Grund geschaffenen Informationssystems gezeigt.

Methode du choix automatise et du calcul des filtres pour la separation

des suspensions

Resume: Est proposee la methode du choix automatise et du calcul des filtres standartises pour la separation des suspensions qui est elaboree a la base des documents normalifs. On cite l’exemple de son utilisation pratique. On a presente la structure et la composition du systeme informationnel fait a sa base.