Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

3.1. Кинетика наполнения полости фильтра при фильтрации

Для изучения влияния параметров на показатели центробежной фильтрации проведены опыты по регенерации цинка из отходов ванн цинкования.

В табл. 6 приведены результаты испытания фильтрации гартцинка центрифугой ЦП-200 с погружным фильтром диаметром 200 мм, скоростью вращения фильтра в расплаве 300 мин–1, скоростью вращения фильтра на отжиме 900 мин–1.

Таблица 6

Результаты центробежной фильтрации гартцинка [5]

Плавка

Содержание железа, %, в цинке

Выход, %

исходном

фильтрате

фильтростатках

фильтростатков

1

0,2

0,044

1,8

8,9

2

0,23

0,015

1,71

12,6

3

0,32

0,076

3,74

6,7

4

0,32

0,07

4,66

5,5

5

1,83

0,3

23,7

16

6

4,83

0,11

33

15

Испытания показали перспективность использования погружаемого фильтра для очистки гартцинка с различным исходным содержанием железа. Фильтростатки получаются сыпучими, кристаллическими и являются удобной моделью для исследования общих характеристик центробежной фильтрации погружаемым фильтром.

Общая производительность процесса рафинирования погружаемым фильтром всецело зависит от полного заполнения полости фильтр осадком. Вначале операции рафинирования фильтр быстро наполняется осадком дроссов. Через некоторое время процесса фильтрации, погруженным фильтром, именуемое как «длительность фильтрации в обозначении B» снижается наполнение фильтра и приходится с помощью реле времени увеличивать длительность вращения фильтра в погруженном состоянии. С увеличением длительности вращения фильтра в погруженном состоянии увеличивается вес осадка в фильтре.

На рис. 12 показан скачек увеличения наполнения фильтра при добавлении длительности вращения фильтра в погруженном состоянии.

12.tif

Рис. 12. Кинетика изменения наполнения фильтра: Х – длительность фильтации, B , мин; Y – вес наполнения фильтра, кг

Для оценки наполнения фильтра используется параметр, характеризующийся как «производительность заполнения фильтра Q, кг/мин» в течение вращения фильтра в состоянии, погруженном в расплав. Производительность наполнения фильтра Q означет вес осадка за время B вращения фильтра в расплаве [6].

Суммарная длительность циклов погружения фильтра в расплав для его заполнения осадком до необходимой степени очистки расплава от твердой примеси именуется как «длительность процесса центробежной фильтрации, Дц, в мин».

В процессе фильтрации производительность наполнения фильтра снижется и объясняется это снижением концентрации твердых примесей железа в расплаве.

13.wmf

Рис. 13. Влияние содержания [Fe]rs на производительность наполнения фильтра. Примечание: оп 9 – температура фильтрации – 490 °С; скорость вращения в расплаве 420 мин–1; оп27 – Температура фильтрации – 480 °С; скорость вращения в расплаве 240 мин–1

Статистическая обработка опытов на рис. 13 показала, что производительность наполнения фильтра зависит от содержания твердой фазы соединений железа в расплаве по уравнениям:

Q9 = 1,1∙[Fe]rs – 0,32 с корреляцией 0,84; (3.1)

Q27 = 1,68∙[Fe]rs – 0,92 с корреляцией 0,79. (3.2)

При погружении фильтра в расплав гартцинка, содержащем 0,6 % железа полость фильтра объемом 0,56 дм3 заполнится расплавом плотностью 6,9 кг/дм3, т. е. по весу это составит 0,56∙6,9 = 3,86 кг. В этом объеме содержится твердая фаза соединения FeZn10 (плотностью 7,21 кг/см3) весом 0,549 кг.

При повторных циклах полость фильтра от фильтрующей щели по заборные окна может заполнится дроссами плотностью 2,19 кг/дм3,т. е. по весу 0,56∙2,19 = 1,23 кг. За 1 мин вращения фильтра в погруженном состоянии фактически получено 1,25 кг дроссов с содержанием 4 % Fe.

Для заполнения фильтра этим весом дроссов полость должна заполняться несколькими объемами (1,25/0,549 = 2,28 объемов), т. е. через полость должен циркулировать расплав. Значит, полость фильтра непрерывно обновляется расплавом, т. е. расплав циркулирует через полость фильтра. Производительность циркуляции можно упрощено рассчитать по заполнению осадком в фильтре кристаллами железа из расплава во время вращения фильтра в течение 1 мин и будет составлять10 кг/мин.

В конце процесса рафинирования при содержании в расплаве 0,27 % Fe для наполнения полости фильтра при его вращения в течение 1 мин с фильтра разгружено 0,25 кг дроссов с 2,8 % Fe, т. е. через фильтр прокачано

(0,25∙2,8) / (1∙0,27) = 2,6 кг/мин расплава.

Однако, при низком сопротивлении малого слоя осадка в фильтре и низкого содержания железа циркуляция расплава гораздо выше.

В предыдущей главе приведен расчет теоретической производительности расплава через полость при скорости вращения 360 об/мин фильтра в расплаве равной 4,9 кг/мин.

14.tif

Рис. 14. Схема циркуляции расплава через фильтр. Узлы: 1 – котел; 2 – ротор вращения фильтра; 3 – тарель; 4 – заборные окна; 5 – щель фильтрации; 6 – полость фильтра для осадка; 7 – собраная твердая фаза; 8 – твердые кристаллы суспензии расплава

На рис. 14 стрелкой показано заполнение расплава в полость фильтра и стрелкой выброс жидкой фазы через фильтрующую щель.

Схема поясняет, что при вращении фильтра в расплаве в полость фильтра всасывается суспензия твердых примесей и под действием центробежных сил выбрасывается в объем расплава, а твердые примеси накапливаются в полости фильтра. В табл. 7 приведена кинетика наполнения фильтра на примере удаления железа из гатрцинка.

Таблица 7

Кинетика наполнения фильтра и циркуляция расплава через фильтр

Длительность наполнения фильтра, мин

[Fe] в металле, %

Вес дроссов, кг

[Fe] в дроссах, %

Степень удаления Fe, %

Qfi, кг/мин

Vцирк, кг/мин

1

0,6

1,25

4,0

10,1

1,25

15,1

2

0,55

1,12

3,6

18,4

1,12

14,7

4

0,50

0,99

3,8

26,2

0,50

8,1

6

0,46

0,86

3,4

32,0

0,43

7,5

8

0,43

0,73

3,3

37,0

0,37

7,6

10

0,40

0,6

3,5

41,3

0,30

8,0

11

0,38

0,3

3,2

44,2

0,30

8,9

13

0,36

0,46

3,3

47,3

0,23

8,2

15

0,34

0,58

3,5

51,4

0,29

6,5

17

0,32

0,51

3,0

54,5

0,26

5,9

19

0,30

0,49

3,0

57,5

0,25

6,6

22

0,28

0,43

2,6

59,7

0,14

5,5

23

0,27

0,25

2,8

61,1

0,25

6,6

24

0,26

0,1

2,4

61,6

0,1

5,4

Условия опыта. Длительность вращения фильтра в цикле – 60 с; частота вращения фильтра n = 240 мин–1; Температура фильтрации 480 °С.

При исследовании кинетики наполнения погружного фильтра дроссами показана оценка производительности циркуляции расплава через фильтр.

На рис. 15 показано, что скорость движения жидкости через щель в короткий момент (пока щель свободна) производительность фильтра высокая, но по ходу процесса скорость циркуляции расплава снижается, так как поры забиваются. Таким образом, производительность наполнения фильтра зависит от содержания твердого в расплаве, характеризуемое содержанием твердых соединений железа и скорости циркуляции расплава через фильтр.

15.wmf

Рис. 15. Изменение производительности наполнения фильтра и циркуляции расплава через фильтр. Обозначения: по абсциссе: Bfil – длительность фильтрации, мин; по ординате: Qfl – производительность наполнения фильтра; Vfl – производительность циркуляции расплава, кг/мин

Точнее циркуляцию расплава через фильтр характеризовать содержанием в расплаве твердой фазы [FeZn10], а не [Fe]. Однако, параметр производительность циркуляции расплава через фильтр не регулируемый параметр, а характеризует внутреннее состояние расплава и зависит не только от [Fe], но и от их дисперсности и равновесия перекристаллизации фаз FeZn3, FeZn7, FeZn10.

Связь производительности наполнения фильтра и производительность циркуляции расплава через полость фильтра характеризуется их соотношением, т. е. показателем V/Q.

Из табл. 8 видно, что с увеличением длительности фильтрации повышается показатель V/Q (превышение производительности циркуляции над производительностью наполнения фильтра), и повышается выход свободного цинка Zncv / [Fe] относительно соединений железа в дроссах.

16.wmf

Рис. 16. Изменение показателя V/Q расплава и Zncv / [Fe] по ходу процесса фильтрации

На рис. 16 также показано, что с увеличением длительности процесса повышается показатель V/Q (кратность превышения производительности циркуляции над производительностью наполнения фильтра) по уравнению:

V/Q = 1,28∙min + 7,9 c корреляцией 0,77. (3.3)

Таблица 8

Изменение содержания свободного цинка в дроссах по ходу фильтрации

Забор от нач., мин

Вес дроссов, кг

Анализ

Stud Fe

sum тв фз, % c Zn7

Q наполн., кг/мин

Vtv циркул. кг/мин

Zncv / [Fe]

V/Q

дроссов

расплав.

Fe %

Fe %

0,7

1,1

5,88

0,53

10,9

4,49

1,57

16,7

11,2

10,6

1,4

0,82

5,88

0,49

19,0

4,13

1,17

13,5

12,2

11,5

2,1

0,87

5,88

0,44

27,7

3,74

1,24

15,8

13,5

12,7

2,8

0,9

5,88

0,39

36,6

3,33

1,29

18,4

15,1

14,3

3,5

0,76

4,36

0,36

42,2

3,08

1,09

12,3

20,6

11,3

4,2

0,71

4,36

0,33

47,4

2,84

1,01

12,4

22,4

12,2

4,9

0,51

4,14

0,31

50,9

2,67

0,73

9,1

24,4

12,5

5,6

0,46

4,14

0,29

54,2

2,52

0,66

8,7

25,8

13,3

6,3

0,21

3,86

0,28

55,5

2,46

0,30

3,8

27,4

12,7

7

0,48

3,86

0,26

58,6

2,31

0,69

9,4

29,1

13,7

7,7

0,4

3,33

0,25

60,9

2,20

0,57

7,0

32,6

12,3

8,4

0,66

4,31

0,22

65,7

1,96

0,94

17,5

32,0

18,5

9,1

0,35

4,31

0,21

68,2

1,83

0,50

10,0

34,2

20,0

9,8

0,41

4,28

0,19

71,2

1,67

0,59

13,2

37,1

22,6

10,5

0,17

4,28

0,18

72,4

1,60

0,24

5,7

38,7

23,6

11,2

0,18

4,28

0,17

73,7

1,53

0,26

6,3

40,5

24,7

11,9

0,03

4,28

0,17

73,9

1,52

0,04

1,1

40,8

24,8

Приложение: температура фильтрации – 500 °С; частота вращения фильтра в расплаве – 240 мин–1.

Выход свободного жидкого Zn в дроссы относительно твердых фаз соединений железа повышается с увеличением длительности фильтрации по уравнению:

Zncv / [Fe] = 2,8∙min + 9,3 c корреляцией 0,99. (3.4)

Это объясняется снижением содержания твердой фазы мелкой фракции соединений железа, которая связывает на своей поверхности жидкую пленку цинка. Это подтверждается на рис. 17.

17.wmf

Рис. 17. Влияние содержания железа в расплаве на превышение циркуляции над наполнением. Примечание: температура фильтрации – 500 °С; частота вращения фильтра в расплаве – 240 мин–1; 1 – Zncv / [Fe] – выход свободного цинка в дроссы относительно твердой фазы соединений железа

В начале фильтрации при содержании Fe более 0,3 % зависимость описывается уравнением:

V/Q = 26,6 – 35,7∙[Fe]rs с корреляцией 0,61. (3.5)

Со снижении содержания Fe менее 0,3 % резко увеличивается превышение циркуляции расплава по сравнению с производительностью наполнения фильтра. С уменьшением содержания железа в расплаве планомерно повышается выход свободного цинка относительно содержания соединений железа по уравнению:

Zncv / [Fe] = 52,6 – 86,1∙[Fe]rs с корреляцией 0,95. (3.6)

В разбавленной суспензии чтобы наполнить фильтр требуется многократная циркуляция расплава.

Расчетная производительность циркуляции расплава через полость конических тарелей со свободной щелью зависит от скорости вращения фильтра в расплаве. Для рассматриваемого опыта при скорости вращения 240 об/мин производительность циркуляции расплава через фильтр (по расчету в главе 2) должна составлять 6,1 кг/мин. Фактическая скорость циркуляции зависит от проницаемости осадка, создаваемого сопротивления скорости расплава через поры осадка и щель.

Производительность циркуляции, рассчитанная по количеству накопления железа в фильтре тоже не отражает фактическую производительность циркуляции, так как часть кристаллов соединений железа может быть настолько мелкодисперсная, что не задерживается в порах осадка и поэтому фактическая циркуляция больше, чем расчетная.

В целом можно сделать вывод, что для обеспечения производительности рафинирования необходимо обеспечить полное заполнение полости фильтра, которое создается самоустанавливающейся производительностью циркуляции расплава через полость фильтра.

Изучение влияния параметров процесса на виртуальный показатель «производительность циркуляции» преследует цель выявить условия максимального заполнения полости осадком.

Если в начале процесса на реле установлена излишне большая длительность вращения фильтра в расплаве, то фильтр заполняется за короткое время, но продолжает вращаться в расплаве с уже заполненной полостью и в многократных циклах это снижает общую производительность процесса. В конце процесса рафинирования эта установленная длительность может быть недостаточна для заполнения фильтра, то во всех циклах из расплава поднимается полупустой фильтр. Это также снижает общую производительность процесса рафинирования.

Для повышения общей производительности фильтрации путем сокращения количества циклов с недостаточно наполненной полостью фильтра предложено [14] устройство управления процессом оптимизации наполнения фильтра.

Для осуществления способа опора 10 ротора-фильтра 3 снабжена торроидальным дифференциальным гидравлическим датчиком ТГД давления 17. К гидродатчику давления подсоединен электрический преобразователь давления 18 из сапфировых элементов. Преобразователь давления через устройство сопряжения соединено с анализатором, таймером, задатчиком, блоком управления приводами связанных с процессором.

18.tif

Рис. 18. Ротор с фильтром. Основные узлы: 3 – ротор с тарелями; 8 – фильтрующая щель; 9 – заборные окна; 10 – опора подшипников; 17 – гидродатчик давления; 18 – электропреобразователь давления

При автоматическом погружении и поднятии фильтра измеряется дифференциальным датчиком сила давления вращающегося ротора (рис. 18) фильтра на опору подшипника до погружения в расплав и после подъема из расплава. Определяется прирост силы давления, который сравнивается с заданным значением и блок управления регулирует длительность вращения ротора-фильтра в расплаве. Причем при отрицательном значении разности повышается длительность вращения ротора-фильтра в расплаве, а при положительном значении длительность вращения ротора-фильтра изменяется наоборот.


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252