Разработка и исследование процесса формирования структур намоток пористых перегородок трубчатых текстильных фильтров

По мере ускорения темпов научно-технического прогресса воздействие людей на природу становится все более мощным, и в настоящее время оно уже соизмеримо с действием природных факторов, что приводит к качественному изменению соотношения сил между обществом и природой. В природу внедряется все больше и больше новых веществ чуждых ей, порой сильно токсичных для живых организмов.

Накопление промышленных отходов, обусловливая высокий уровень загрязнения атмосферы, гидросферы и литосферы, способствует повышению заболеваемости людей и животных, ускорению коррозии машин и металлического оборудования, снижению урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности животноводства. Сейчас человечество столкнулось с необходимостью охраны природы, то есть с предотвращением загрязнения воды и воздуха вредными промышленными выбросами, продуктами жизнедеятельности человека, ядовитыми химическими и радиоактивными веществами, предупреждением вредных последствий применения пестицидов и ряда других факторов.

Наиболее рациональный путь уменьшения промышленных отходов и загрязнения природной среды является совершенствование технологических процессов, которые способствуют комплексной переработке исходного сырья, и тем самым резко сокращают количество отходов. Этот путь невозможен без создания малоотходных или безотходных производств. Безотходное производствоэто такая идеальная организация производства, при которой отходы или минимальны или полностью перерабатываются без получения других отходов. Однако количество таких производств невелико и окружающая среда (атмосфера, гидросфера и литосфера) подвергаются значительному загрязнению.

Наибольшее загрязнение атмосферного воздуха приходится на долю оксидов углерода, соединений серы и азота, углеводородов и промышленной пыли.

Гидросфера (водная оболочка земли) загрязняется различными взвешенными частицами, ухудшающими прозрачность и внешний вид воды, нефтепродуктами, солями тяжелых металлов, радиоактивными, органическими и другими веществами.

Литосфера (верхняя оболочка земли), включающая земную кору и верхнюю мантию земли загрязняется бытовым мусором, фекалиями, ядохимикатами, сажей и другими веществами, в почвах накапливаются металлы, например, железо, ртуть, свинец, медь и д.р.

Вполне понятно, что по мере накопления загрязнений в воздухе, воде и почве качество сферы обитания живых организмов значительно понижается. Комитет экспертов Всемирной организации здравоохранения установил нормы допустимых уровней загрязнения окружающей среды, то — есть среднего предельного содержания в воздухе, воде или почве тех или иных вредных примесей.

Основным показателем, используемым для контроля качества воздуха, воды и почвы в нашей стране являются предельно-допустимые концентрации вредных веществ (П.Д.К).

Если уровень загрязнения превышает величину ПДК, то осуществляют очистку воздуха, воды или почвы, которая может быть механической, химической и биологической.

Загрязненные воздух, вода или почва в общем случае представляют собой неоднородные системы. К таким неоднородным системам относят: — суспензии — неоднородные системы, состоящие из жидкости и взвешенных в ней твердых частиц. В зависимости от размеров твердых частиц суспензии условно подразделяются: на грубые (размеры взвешенных частиц более 100 мкм), тонкие (размеры взвешенных частиц 0,5 .100 мкм) и мути (размеры взвешенных частиц 0,1 .0,5 мкм).

Переходную область между суспензиями и истинными растворами занимают коллоидные растворы, в которых размеры частиц, находящихся в жидкости являются средними между размерами молекул и частиц взвесей. В этом случае частицы уже не могут осаждаться под действием силы тяжести.

— Эмульсии — неоднородные системы, состоящие из жидкости и распределенных в ней капель другой жидкости, не смешивающейся с первой.

— Пены — неоднородные системы, состоящие из жидкости и распределенных в ней пузырьков газа. Пены по своим свойствам близки к эмульсиям.

— Пыли и дымы — неоднородные системы, состоящие из газа и распределенных в нем частиц твердого вещества.

Пыли образуются обычно при механическом распределении частиц в газе (при дроблении, смешивании и транспортировке твердых материалов). Размер твердых частиц пылей составляет приблизительно 30.70 мкм.

— Дымы получаются в процессах конденсации паров (газов) при переходе их в жидкое или твердое состояниепри этом образуются твердые взвешенные в газе частицы размерами 0,5.5 мкм. При образовании дисперсной фазы из частиц жидкости примерно таких же размеров (0,3.0,5 мкм) возникают системы, называемые туманами. Пыли, дымы и туманы представляют собой аэродисперсные системы, называемые аэрозолями.

Отделение воздуха и воды от взвешенных в них твердых частиц или капель другой жидкости может производиться путем осаждения, фильтрования или центрифугирования.

Фильтрованием называют процесс разделения неоднородной системы с помощью пористой перегородки, способной пропускать жидкость или газ, но задерживать взвешенные твердые частицы.

При фильтровании движение фильтруемой жидкости сквозь пористую перегородку осуществляется под действием давления или центробежных сил и применяется для более тонкого разделения суспензии и пылей, чем при осаждении.

До настоящего времени в качестве фильтровальных перегородок чаще всего использовались текстильные полотна (ткани, нетканые материалы, фетры, трикотажные рукава и т. д.), выработка которых требует значительных трудозатрат и довольно сложных технологий изготовления. В настоящее время в связи с возникновением современных более совершенных технологий и производств новых материалов, а также с увеличением объема очисткш загрязненных вод и воздуха возникла необходимость создания новых фильтров и структур фильтровальных перегородок, отличающихся дешевизной, надежностью и требуемыми эксплуатационными свойствами (производительностью, тонкостью очистки, легкостью удаления осадка).

С этой точки зрения наиболее рациональным является внедрение в технику фильтрования трубчатых текстильных фильтров, пористые перегородки которых могут быть получены путем наматывания текстильных нитей на перфорированный остов (патрон) текстильного фильтра. Поскольку процесс наматывания довольно производителен, то сформированные таким путем фильтры будут отличаться дешевизной.

Меняя структуру намотки пористой перегородки легко создать требуемую ее пористость а, следовательно, и степень очистки загрязненной воды или запыленного воздуха при достаточно эффективном процессе фильтрации.

Кроме того путем отматывания витков сильно загрязненных внешних слоев пористой перегородки можно значительно увеличить срок ее службы и достичь экономии материальных средств.

Несмотря на то, что данный вопрос уже поднимался рядом исследователей в своих работах, задачи по созданию трубчатых текстильных фильтров остаются весьма актуальными и требуют своего решения.

Актуальность темы

Актуальность данной работы обусловлена тем, что в настоящее время в связи с бурным развитием техники и внедрением новейших технологий наблюдается сильное загрязнение окружающей среды.

В связи с этим возникает необходимость в очистке питьевой воды, сточных вод, воздуха от вредных веществ.

Поэтому, важное значение для народного хозяйства имеет разработка и внедрение новых видов фильтров и фильтровальных перегородок в очистные сооружения, обладающих более высокими фильтровальными свойствами при снижении затрат на их изготовления.

Целью настоящей работы является разработка и исследование новых структур фильтровальных перегородок формируемых однопроцессным способом, путем намотки нитей на перфорированные патроны заданных габаритов.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

— производится сравнительный анализ существующих конструкций фильтровальных перегородок плоской формы и трубчатых текстильных фильтров (ТТФ);

— исследуются возможные структуры ТТФ применяемые для очистки воды от механических примесей и взвешенных частиц, а также трубчатые текстильные фильтры, применяемые в качестве аэраторов и их гидравлические свойства;

— разрабатываются новые конструкции мотального оборудования для формирования заданных структур намоток ТТФ требуемых габаритов;

— исследуются факторы, оказывающие основное влияние на структуру намотки фильтровальных перегородок ТТФ, и качественные показатели работы фильтров;

— определяется экономическая эффективность внедрения нового способа создания фильтровальных перегородок.

Методы проведения исследований.

Работа содержит теоретические и экспериментальные исследования. При теоретическом исследовании использованы методы математического анализа с составлением алгебраических и дифференциальных уравнений.

При экспериментальных исследованиях использовались методы математической статистики со статистической обработкой экспериментальных данных. В качестве средств исследования использовались мотальные машины различных конструкций, киносъемочные камеры и персональная ЭВМ.

Научная новизна полученных автором результатов заключается в том, что:

— разработан новый однопроцессный способ формирования фильтровальных перегородок с заданной структурой, путем намотки нити на перфорированный патрон;

— исследованы гидравлические свойства пористых перегородок ТТФ различной структуры и габаритов;

— разработаны конструкции мотальных механизмов для получения пористых перегородок различной структуры и габаритов;

— исследованы основные факторы, оказывающие влияние на структуру намотки и процесс формирования ТТФ, определяющие их эксплуатационные и качественные показатели;

Практическая ценность работы Разработанные структуры пористых перегородок трубчатых текстильных фильтров, а также конструкции мотальных механизмов для их формирования позволяют:

— создать новые фильтры различных габаритов, которые способствуют значительному повышению эффективности процесса фильтрования суспензий;

— облегчить более легкую очистку пористой перегородки от осадка;

— удешевить процесс изготовления трубчатых текстильных фильтров, для различных отраслей народного хозяйства. Результаты работы внедрены и используются на:

— ОАО «Ковротекс», г Димитровград;

— ОАО «Номатекс», г. Димитровград- -ООО «ТКАЧ», г. Димитровград- -МУП ВКХ «Димитровградводоканал».

Фактический экономический эффект от внедрения нового способа создания новых фильтровальных перегородок в производство трубчатых текстильных фильтров составил более 376 320 рублей в год. Апробация работы.

Результаты работы доложены и получили положительную оценку:

— на заседании кафедры «Ткачество» Димитровградского института технологии, управления и дизайна Ульяновского государственного технического университета;

— на Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые — развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск-2003) г. Иванова, Ивановская государственная текстильная академия, апрель 2003 г.;

— на Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2003) Москва, Московский государственный текстильный университет им. А. Н. Косыгина, ноябрь 2003 г.;

— на Всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль XXI века» г. Москва, Московский государственный текстильный университет им. А. Н. Косыгина, 2004 г.;

— на Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в образовательной, научной и управленческой деятельности» (Инфотекстиль-2004). г. Москва, Московский государственный текстильный университет им. А. Н. Косыгина;

— на II Международной научно-практической конференций «Экологияобразование, наука, промышленность и здоровье» г. Белгород, белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова, 2004 г.;

Публикации по работе. Основное содержание работы изложено в 6 статьях журналов и в 6 материалах научно-технических конференции.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, общих выводов, списка литературы и приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Наиболее перспективным направлением совершенствования процесса фильтрации является разработка и внедрение в практику трубчатых текстильных фильтров, пористые перегородки которых представляют собой намотки различного вида на перфорированном основании (патроне).

2. Формирование таких перегородок (намоток) возможно только на машинах с раздельным действием механизмов намотки и раскладки нитей (прецизионных мотальных машинах), на которых можно получать намотки сомкнутой, замкнутой и спиралевидной структуры.

3. Большой интерес представляют пористые перегородки сотовой (замкнутой) структуры намотки, позволяющие производить очистку технических растворов от взвешенных частиц определенной степени дисперсности и применяемых при производстве кинескопов цветных телевизоров.

4. Для формирования пористых перегородок ТТФ большой длины целесообразно применять мотальные механизмы с цепным раскладчиком нити.

5. Используемый в кинематической цепи мотального механизма с цепным раскладчиком нити мультипликатор позволяет увеличить размах нитеводителя и не влияет на угол сдвига между витками различных пар слоев намотки.

6. Коэффициент фильтрации пористых перегородок ТТФ в значительной мере определяется пористостью самих перегородок, зависящей от удельной плотности, а, следовательно, и от их структуры намотки.

7. Воздухопроницаемость пористых перегородок ТТФ может быть охарактеризована коэффициентом проницаемости перегородок, который зависит от радиуса (толщины) намотки.

8. При закупорке пор и образовании осадка давление внешних слоев намотки на внутренние слои, а также давление на намотку аэрируемой жидкости могут вызвать деформацию (сплющивание) основания (ствола) ТТФ, поэтому необходимо правильно рассчитывать жесткость остов, трубчатых текстильных фильтров.

9 Время образования осадка на пористой перегородке ТТФ на 27% больше чем на плоских фильтровальных перегородках.

10.Пористые перегородки трубчатых текстильных фильтров уменьшенных габаритов могут быть сформированы на прецизионных мотальных машинах, обеспечивающих сокращение хода нитеводителя при использовании клинового кулачкового механизма или поворотной кулисы.

11.Для получения устойчивой намотки пористой перегородки трубчатого текстильного фильтра необходимо, чтобы угол скрещивания витков в начале наматывания перегородки не превышал 40.

12.Для обеспечения требуемой тонкости фильтрации целесообразно применять сомкнутую структуру намотки пористой перегородки ТТФ, чтобы на паковке формировалось сомкнутая структура намотки необходимо обеспечить определенное передаточное отношение между веретеном и кулачком нитеводителя.

13. На высоту намотки пористой перегородки ТТФ существенное влияние оказывает величина свободного отрезка нити между точкой раскладки и точкой наматывания, а при увеличении расстояния между линией раскладки и осью вращения бобины на ее торцах наблюдается образование наплывов намотки, а поверхность становится нецилиндрической.

14. Для формирования намоток пористых перегородок ТТФ целесообразно использовать мотальные механизмы, позволяющие изменять в некотором диапазоне величину свободного отрезка нити между точкой раскладки и точкой наматывания.

15.Трубчатые текстильные фильтры обеспечивают возможность быстрой очистки от осадка отмоткой 2-Зх наиболее загрязненных верхних слоев намотки, чего не позволяют сделать плоские фильтры.

16. Экономический эффект от внедрения нового способа создания новых фильтровальных перегородок в производство трубчатых текстильных фильтров составил более 376 320 рублей в год.