Регенерация фильтровального материала гидродинамического фильтра

Введение. Очистка технологических жидкостей и сточных вод [1] от механических примесей методом фильтрования представляет собой обязательный и критически важный процесс в таких отраслях, как нефтехимия, энергетика и водоподготовка [2]. Результативность данного процесса напрямую определяет стабильность технологических циклов, срок службы оборудования, качество конечной продукции и соответствие экологическим нормативам [3]. Ключевой эксплуатационной проблемой в рассматриваемой области является интенсивное загрязнение фильтровального материала (фильтровальной перегородки) в ходе работы. Это приводит к резкому возрастанию гидравлического сопротивления, что, в свою очередь, вызывает значительное увеличение энергозатрат [4]. Помимо этого, активное зарастание перегородки осадком повышает риск её механического разрушения и ведёт к незапланированным остановкам производства для регенерации или замены фильтрующих элементов. Традиционные методы очистки, такие как обратная промывка, требуют прекращения работы фильтра или применения сложных систем с дублирующими линиями, что снижает общую производительность и увеличивает капитальные затраты [5].

В качестве перспективного решения указанной проблемы рассматривается использование фильтров с возможностью непрерывной или периодической регенерации без остановки основного процесса. Одним из таких типов аппаратов являются гидродинамические фильтры (ГДФ), в которых для снижения осаждения частиц на фильтровальной перегородке (ФП) комбинируется эффект центробежной сепарации и тангенциальная подача потока вдоль её поверхности [6]. В отличие от фильтрующих центрифуг, в ГДФ поток направляется снаружи внутрь вращающейся ФП, что усиливает действие центробежных сил на сформировавшийся слой осадка [7]. Самостоятельным направлением интенсификации регенерации фильтров служит вибрационное воздействие на фильтровальный элемент, способствующее разрушению адгезионных связей в слое загрязнений [8].

Анализ современных исследований свидетельствует о том, что влияние вращения ФП [7] и вибрационного воздействия [8] на процесс фильтрования изучалось, как правило, изолированно. Вместе с тем в научной литературе практически отсутствуют систематические исследования комбинированного влияния этих двух типов силовых полей на результативность регенерации гидродинамических фильтров. Кроме того, недостаточно разработаны универсальные расчётные методы, позволяющие количественно оценивать эффективность подобного комбинированного воздействия с учётом ключевых факторов, прежде всего адгезионных свойств улавливаемых частиц по отношению к материалу фильтровальной перегородки [9]. Таким образом, существует очевидный научно-практический пробел, обусловленный отсутствием методики для обоснованного выбора оптимальных режимов совместного центробежного и вибрационного воздействия, основанной на физической модели процесса отрыва частицы.

Целью настоящей работы является экспериментальное и аналитическое исследование синергетического эффекта от комбинированного центробежно-вибрационного воздействия на процесс регенерации фильтровальной перегородки гидродинамического фильтра и разработка на этой основе верифицированной расчётной методики для оптимизации параметров регенерации.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие последовательные задачи:

• анализ литературных данных по методам регенерации ФП и выявление пробела, касающегося комплексного воздействия силовых полей;
• разработка аналитической и расчётной моделей процесса отрыва частицы от ФП, основанных на балансе удерживающих (силы адгезии, сила давления потока) и отрывающих (центробежная сила, инерционная сила от вибрации) сил;
• экспериментальное исследование на специально созданном испытательном стенде раздельного и совместного влияния скорости вращения ФП, а также амплитуды и частоты вибрации на эффективность удаления осадка при фильтровании суспензий с частицами различной природы (электрокорунд, карбид кремния);
• верификация разработанной расчётной модели путём сопоставления аналитических оценок эффективности регенерации с полученными экспериментальными данными.

Материалы и методы. Исследования проводились на специально разработанном стенде с гидродинамическим вибрационным фильтром, схема которого представлена на рис. 1.

Основная конструктивная особенность аппарата заключается в возможности независимого сообщения цилиндрической фильтровальной перегородке (ФП) вращательного движения от электродвигателя и возвратно-поступательного (вибрационного) движения от вибростенда. Основные геометрические параметры: высота корпуса — 186 мм, внешний диаметр ФП — 21 мм, толщина ФП — 1 мм. Более подробное описание принципа действия и компоновки приведено в работе [10].

Для анализа процесса регенерации применена модель, основанная на балансе сил, действующих на частицу в слое осадка на вибрирующей и вращающейся поверхности (рис. 2), по аналогии с подходами, изложенными в работах «Особенности процесса регенерации фильтровальных перегородок» [11] и «Эффективность регенерации щелевого фильтра» [12].

Условие отрыва частицы описывается неравенством:

(1)

Разделив обе части на величину (mg)², характеризующую общий вес загрязнений на фильтровальной перегородке, получаем выражение для эффективности регенерации:

(2)

где η характеризует эффективность регенерации. В случае, если η = 1, при регенерации все частицы удаляются с фильтрующего материала.

Силы F_wc и F_wv зависят от режима работы аппарата — скорости вращения и параметров вибрации [13] — и рассчитываются по формулам:

(3)

(4)

где r — радиус фильтровальной перегородки, м; v — скорость вращения фильтровальной перегородки, об/мин; А — амплитуда вибрации, м; f — частота вибрации, Гц [14].

Сила перепада давления, согласно теории фильтрования с образованием несжимаемого осадка будет равна [15]:

(5)

где ΔP — перепад давления на перегородке, Па; S — площадь фильтровальной перегородки, м². Перепад давления в процессе работы и накопления осадка будет возрастать [16].

По теории Дерягина сила нормального отрыва выражается формулой:

(6)

(7)

где σ — поверхностное натяжение на границах двух тел; r — радиус кривизны частиц, µ — коэффициент трения.

В качестве механических примесей (дисперсной среды) использовались два типа частиц: электрокорунд и карбид кремния. В качестве очищаемой среды (дисперсионной среды) использовалась вода. Характеристики частиц приведены в таблице 1.

В качестве фильтровальной перегородки применяли проницаемый материал, изготовленный по технологии, разработанной в МГТУ им. Н. Э. Баумана, а именно методом горячей прокатки в вакууме на основе металлических сеток с тонкостью очистки 10 мкм — так называемых комбинированных пористых сетчатых металлов [17]. Характеристики фильтровальной перегородки определяли в соответствии с [18]. Проницаемость перегородки и слоя осадка [19] устанавливали экспериментально непосредственно на исследуемом аппарате. В качестве дисперсионной среды использовали воду комнатной температуры. Суспензию объёмной концентрацией 0,1 % приготавливали в ёмкости объёмом 300 л, оснащённой лопастной мешалкой для поддержания однородности состава.

Эксперимент осуществлялся следующим образом.

1. Подготовка суспензии. В баке, оснащенной электромешалкой, готовилась однородная водная суспензия с массовой концентрацией твердых частиц (загрязнений) 0,1 % по объему.

2. Цикл фильтрования (рабочий режим). Суспензия подавалась на вход фильтра. Фильтровальная перегородка вращалась с постоянной скоростью 300 об/мин. Процесс фильтрования продолжался в течение заданного времени или до достижения определенного перепада давления.

3. Инициация режима регенерации. По истечении времени фильтрования начиналась 30-секундная стадия регенерации, которая включала:

− перекрытие патрубка отвода очищенного фильтрата для устранения удерживающей силы, вызванной перепадом давления;

− одновременное увеличение скорости вращения фильтровальной перегородки до 1000 об/мин;

− одновременное включение вибрационного воздействия на перегородку с амплитудой 1 мм. При этом частота вибрации варьировалась от эксперимента к эксперименту, принимая значения 50, 60 или 70 Гц.

4. Удаление регенерированного осадка. В течение всей стадии регенерации жидкость направлялась в патрубок для отвода концентрата, увлекая тем самым отделенные от перегородки частицы.

5. Возврат в рабочий режим. По окончании 30 секунд режим регенерации отключался: вибрация прекращалась, скорость вращения перегородки снижалась до 300 об/мин, а патрубок фильтрата открывался. Аппарат возвращался к шагу 2 для следующего цикла фильтрования.

Для измерения расхода использовали магнитно-индукционный расходомер Dwyer MFS-11 с относительной погрешностью измерений ±2 % производства США. Для измерения перепада давления — датчики давления Hyadac HDA 4748-H-0009-000 (приведенная погрешность ± 0,5 %) производства Германии с регистратором данных HMG 3000. Контроль концентрации проводили с использованием анализаторов FCU 2000 и CS 2000 или фотонефелометра «Фотон-965» (Россия). В качестве привода использовали асинхронный электродвигатель (Россия) и вибростенд Tira Vib (Германия).

Результаты исследования. Результаты расчетных и экспериментальных исследований эффективности регенерации фильтровального материала при очистке жидкости от электрокорунда приведены на рис. 3.

Результаты расчетных и экспериментальных исследований эффективности регенерации фильтровального материала при очистке жидкости от карбида кремния приведены на рис. 4.

Результаты экспериментальной эффективности регенерации (η), проведенной для двух типов загрязнений — крупнодисперсного электрокорунда и мелкодисперсного карбида кремния — представлены на рис. 3 и 4. Они показывают следующее:

• применение только центробежного воздействия (импульсный разгон ФП до 1000 об/мин) показывает низкую эффективность: для электрокорунда η ≈ 20 %, а для карбида кремния — лишь около 2 %;
• комбинирование центробежного воздействия с вибрацией (амплитуда 1 мм, частота 70 Гц) приводит к синергетическому эффекту. Эффективность регенерации для электрокорунда возрастает до 80 %, а для карбида кремния — до 60 %.

На рис. 3 и 4 приведены также расчетные кривые, полученные по разработанной модели, основанной на балансе сил (1). Как для электрокорунда, так и для карбида кремния наблюдается удовлетворительное качественное и количественное соответствие модели экспериментальным точкам. Максимальное расхождение между расчетными и экспериментальными значениями эффективности регенерации не превышает 15–20 %, что является приемлемой точностью для инженерных расчетов динамики процесса.

Обсуждение. Полученные результаты позволяют проанализировать физические механизмы, лежащие в основе процесса регенерации, и оценить границы применимости разработанной модели.

1. Анализ эффективности различных режимов регенерации. Существенное различие в эффективности центробежного воздействия для электрокорунда (20 %) и карбида кремния (2 %) полностью согласуется с теорией адгезии. Для более мелких частиц карбида кремния (60–80 мкм) отношение адгезионных сил к массе частицы (следовательно, и к инерционным силам) значительно выше, чем для крупных частиц электрокорунда (200–250 мкм). Таким образом, одного лишь центробежного усилия недостаточно для преодоления адгезионных связей мелкодисперсного осадка.

2. Природа синергетического эффекта. Достижение эффективности 60–80 % при комбинированном воздействии подтверждает гипотезу о различных и взаимно дополняющих механизмах разрушения слоя. Центробежная сила создаёт преимущественно радиальное отрывающее усилие. Вибрация, в свою очередь, индуцирует тангенциальные сдвиговые напряжения в толще осадка и снижает силу трения между частицами и поверхностью ФП за счёт микросмещений. Совместное действие указанных факторов обеспечивает более полное разрушение адгезионных связей.

3. Верификация расчётной модели. Расхождение между расчётными и экспериментальными данными в пределах 15–20 % свидетельствует об адекватности предложенного подхода, основанного на балансе сил. Основной источник погрешности, по всей видимости, связан со сложностью точного определения адгезионных сил (Fn, Ft) для конкретной пары «материал частицы — материал ФП». Достигнутая точность является удовлетворительной для инженерных расчётов, целью которых служит не абсолютный прогноз, а сравнительный анализ режимов и выбор оптимальных параметров.

4. Практическая значимость и ограничения. Результаты доказывают, что комбинированный метод позволяет увеличить ресурс ФП по сравнению с использованием только центробежного эффекта. Основное практическое ограничение — необходимость экспериментального определения адгезионных характеристик для новых типов загрязнений, поскольку их теоретический расчёт сопряжён со значительной неопределённостью. Помимо этого, модель была валидирована для водных суспензий; её применение к вязким или неньютоновским жидкостям требует дополнительных исследований с учётом изменения гидродинамических и адгезионных условий.

Заключение. В ходе проведенного исследования достигнута поставленная цель: экспериментально и теоретически обоснована эффективность комбинированного центробежно-вибрационного метода регенерации фильтровальной перегородки гидродинамического фильтра. Сформулированы следующие основные выводы:

1. Установлено, что раздельное применение центробежного воздействия (скорость вращения до 1000 об/мин) характеризуется низкой эффективностью регенерации (2–20 %), особенно для мелкодисперсных частиц с высокой удельной адгезией.

2. Доказан возрастающий эффект от комбинирования вращения ФП с вибрационным воздействием (амплитуда 1 мм, частота 70 Гц), что позволяет повысить эффективность регенерации до 60 % для карбида кремния и до 80 % для электрокорунда.

3. Разработана и экспериментально верифицирована расчетная модель, основанная на балансе удерживающих и отрывающих сил. Модель позволяет с приемлемой для инженерной практики точностью (погрешность ≤20 %) прогнозировать эффективность регенерации и подбирать оптимальные параметры (скорость вращения, частота и амплитуда вибрации) в зависимости от дисперсного состава и природы загрязнений.

4. Критически важным для точности модели является учет адгезионных свойств частиц, что определяет необходимость их экспериментального определения для конкретных условий фильтрации.

Перспективными направлениями дальнейших исследований являются адаптация методики для реологически сложных сред (нефтепродукты, пульпы), а также минимизация энергопотребления системы вибровозбуждения. Запланировано проведение дополнительных испытаний разработанного гидродинамического вибрационного фильтра [20] в условиях, моделирующих реальные промышленные процессы. Полученные результаты создают основу для разработки высокоэффективных фильтровальных систем для химической, нефтехимической и водоочистной отраслей.