Разработка пилотной установки темпло-масоообменного аппарата для регенерации кизельгурового шлама в активном гидродинамическом режиме

Номинация: Лучшее конструкторское решение
Просмотреть картинки списком
Автор: Жигулина Марина Олеговна, аспирант 3-го года обучения. Наставник: Шахов Сергей Васильевич
Город: Воронеж
Место учебы: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

Актуальность и предпосылки создания проекта. В России и странах СНГ сравнительно недавно впервые появились системы фильтрации намывного типа для фильтрации вина, пива, растительного масла и других жидких пищевых продуктов. В таких системах фильтрующим элементом служит тонкий порошок известнякового происхождения -кизельгур. Такие фильтры в зависимости от выбранной марки и искусства оператора, управляющего намыванием кизельгура, могут использоваться на самых разных стадиях технологического процесса - от грубой фильтрации до "полирующей". Различные модели кизельгуровых фильтров могут обеспечивать большую производительность - до 3000-5000 дал в час. При этом стоимость кизельгура, необходимого для фильтрации заданного объема жидкости невилика. Она составляет около 30 руб. за кг. Зарядка фильтра с рабочей площадью 6 м. кв. составляет около 20 кг. Производительность такого фильтра — 600-800 дал/час. Стоимость установки около $17000. Простой расчет показывает, что отказ от применения других видов фильтров и переход на кизельгуровый фильтр позволяет уменьшить стоимость фильтрации более, чем в 2 раза, и окупить стоимость фильтра за полгода. Дополнительное преимущество таких фильтров заключается в полном отсутствии потерь, т.к. не происходит впитывания и протекания фильтруемой жидкости.

Применение кизельгуровой фильтрации позволяет значительно снизить производственные расходы. Так, например, ориентировочный расход кизельгура составляет около 7 кг на 1000 дал фильтруемого материала.

Кизельгур (диатомит, инфузорная земля, горная мука) — это осадочная горная порода, состоящая из раковинок диатомовых водорослей. Остатки диамитов - океанических отложений одноклеточных водоростей - образуют в кизельгуре микроскопически тонкую структуру. Миллионы лет назад диамиты в большом количестве покрывали дно морей и океанов, поэтому с течением времени образовался их толстый слой.Кизельгур обычно рыхлый или слабо сцементированный, имеет светло-серый или желтоватый цвет. В различных количествах в кизельгуре встречаются шарики (глобулы) опала, а также обломочные и глинистые минералы. Диатомит обладает высокой термостойкостью, однако при нагревании до температуры свыше 870°С он спекается. Применение кизельгура в промышленности связано с его особыми свойствами - низкой плотностью, высокой пористостью (пористость 60-65 %) и химической инертностью. Химический состав кизельгура непостоянен: 70-90 % кремнезема; 3-12 % глинозема; 0,6-8 % FeO1-3 % CaOи 0,5-25 % MgO.

Результатом процесса фильтрации на кизельгуровыхфильтрх является готовый продукт без примесей и кизельгуровый шлам.

Разумеется, готовый продукт реализуется предприятием для получения прибыли, а кизельгуровый шлам - это отход производства.

Поэтому в настоящее время с позиции ресурсосбережения, рационального использования сырья и природных ресурсов существует две основные проблемы, связанные с кизельгуром и кизельгуровым шламом:

1. Истощаемые запасы кизельгура. Диатомит, является уникальным исчерпаемым природным ресурсом, не имеющим известных по химическим и физическим свойствам аналогов. По предварительным расчетам запасов кизельгура хватит лишь на 40-60 лет при неизменной интенсивности его использования.

2. Утилизация кизельгурового шлама. Сейчас отработанный кизельгур утилизируется в соответствии с требованиями законодательства. Это происходит как правило путём его складирования в хранилищах под открытым небом. Небольшая часть используется в сельском и лесном хозяйстве в качестве подкормки для растений и почвоулучшителя, в зеленом строительстве, декоративном цветоводстве, а также для приготовления компостов и органических удобрений. Также ведутся разработки по использованию в качестве кормовой добавки на птицефабриках.

Однако проблема заключается в том, что кизельгуровые отходы предприятия производят постоянно, а рациональными способами может быть утилизирована лишь небольшая их часть и, в большинстве случаев, сезонно.

Утилизация в качестве подкормки для растений и почвоулучшителя ограничена ещё и тем, что в кизельгуровом шламе присутствует значительное количество органического связанного азота и чрезмерное использование кизельгурового шлама может привести к накоплению в земле и воде нежелательных нитратов.

Цели и задачи проекта.

Исходя из имеющихся проблем целью проекта являетсяразработка тепло-массобменного аппарата для регенерации кизельгурурового шлама, позволяющего решить проблему исчерпаемости кизельгура, как природного ресурса, и проблему рационально-экологичной утилизации кизельгурового шлама.

Техническое решение. Научно-техническая новизна и основные преимущества.

Сырьем для работы тепло-массообменного аппарата для регенерации кизельгурового шлама является непосредственно кизельгуровый шлам, образующийся в результате процесса фильтрации на кизельгуровом фильтре. Готовым продуктом является регенерированный кизельгур - химические, физические и другие свойства которого идентичны свойствам первоначально использованного для фильтрации кизельгура.

Применятся регенерированный кизельгур может аналогичнопервоначальному для фильтрации пива,вина, сахарного сиропа, масла и других продуктов. В дополнение к этому кизельгур, в т.ч. и регенерированный можно использовать в строительстве для создания строительных смесей и производства кирпича.

Для комплексного решения поставленных задач поставленных задач разработан проект установки для регенерациикизельгурового шлама (рисунок 6).

Научный интерес представляет тепло- массообменный аппарат для регенерации кизельгурового шлама (рисунок 7)в кипящем слое с применением закручивающих потоков.

Аппарат для регенерации кизельгурового шлама состоит из цилиндроконической камеры, к цилиндрической части 1 которой подключен тангенциальный патрубок 2 ввода кизельгурового шлама в виде газовзвеси, камеры выгрузки сухого продукта 3, конической части 4 камеры, к вершине которой соосно подключен конфузор 5 для ввода рециркуляционного сушильного агента.

По оси установки в цилиндрической части 1 размещена полая вставка 6 в виде чередующихся элементов гиперболической и шарообразной формы.

На внешней поверхности полой вставки 6 расположены каналы 7 регулируемого сечения для вывода части отработанного сушильного агента.

Газовая горелка 8 размещенная перед последним гиперболическим элементом в районе его сопряжения с шарообразной частью вставки. Над верхним срезом полой вставки расположен отражатель 9. В крышке 11 цилиндроконической камеры предусмотрен патрубок 12 для вывода отработанного сушильного агента.

Способ регенерации кизельгурового шлама осуществляется следующим образом:кизельгуровыйшлам предварительно отжатый на деканторе до влажности 40...45 % подают в цилиндрическую часть 1 цилиндроконической камеры в виде газовзвеси через патрубок 2, где кизельгуровый шлам подсушивается в закрученном потоке. Частично подсушенный кизельгуровый шлам опускается в нижнюю коническую часть 4 цилиндроконической камеры, где захватывается основным потоком сушильного агента, подаваемого через патрубок 5. Процесс сушки продолжается в активном гидродинамическом режиме (зона I). В ядре потока осуществляется фонтанирование слоя кизельгурового шлама, а по периферии опускаются закрученные тангенциальным потоком частицы кизельгурового шлама, при этом ядро фонтана вращается вокруг вертикальной оси. Направление вращения ядра фонтана совпадает с направлением движения тангенциального потока. Высыхая частицы кизельгурового шлама поднимаются вверх и захватываются потоком сушильного агента, скорость которого увеличивается вследствие уменьшения сечения, обусловленного конфигурацией полой вставки 6. По мере движения сушильного агента через полую вставку 6 его скорость падает до скорости витания частиц кизельгуровогошлама из-за увеличения проходного сечения, обусловленного шарообразной конфигурацией вставки 6, и образуется взвешенный слой (зона II), в котором идет досушка частиц кизельгурового шлама до влажности 10... 15 %. Далее частицы поднимаются вверх и захватываются потоком сушильного агента, скорость которого увеличивается вследствие уменьшения сечения, обусловленного конфигурацией полой вставки 6. В месте наибольшего увеличения скорости сушильного агента в районе сопряжения последнего гиперболического элемента с шарообразной частью осуществляется прожиг частиц кизельгурового шлама газовой горелкой при температуре 500-550°С (зона III) и последующая сушка полученной смеси (зона IV) при пониженной влажности среды.

При осуществлении данного способа улучшается тепло- и массообмен.

Благодаря выполнению внешней поверхности горелки 8 повторяющей внутреннюю форму сопряжения полой вставки 6, частицы смеси не возвращаются в зону распыла (зона III) и улучшается гидродинамика процесса.

Отражатель 9 отклоняет частицы смеси в радиальном направлении, в результате чего легкие высушенные частицы смеси попадают в камеру выгрузки 3, в которой происходит разделение продукта и отработанного сушильного агента, а не досушенные частицы смеси возвращаются во взвешенный слой. Отработанный сушильный агент удаляется из камеры выгрузки 3 через патрубок 13.

Предлагаемый способ и аппарат для его осуществления имеют следующие преимущества:

- позволяет эффективно удалить влагу из твердого компонента (например, кизельгурового шлама) в активном гидродинамическом режиме с чередованием зон сушки и досушки до влажности 12.. 15 %.

- выполнение полой вставки в виде чередующихся элементов гиперболической и шарообразной формы повышает эффективность процесса сушки;

- рецеркуляция теплоносителя, позволяет уменьшить энергетические затраты;

- постадийное высушивание твердого компонента при получении регенерированного кизельгура дает равномерную влажность по всему продукту;.

- применениепсвдоожиженного слоя, обладающего высокими показателями тепло- и массопередачи, с температурным режимом от 500 до 550 градусов позволяет сохранить свойственную кузельгуру адсорбционную способность и структуру поверхности.

Сравнение с отечественными и зарубежными аналогами. Патентный поиск показал, что данный аппарат является абсолютно уникальным, т.к. не нашлось ни одного патента как в РФ, так и за ее пределами по данной тематике.

Однакоисследования по термической регенерация кизельгурового шлама проводились на предприятии TremonisGmbH в Дортмунде. Однако вих технологии для реакции требуется температура минимум 800 градусов Цельсия, что ведёт к качественным изменениям самого кизельгура. Другим недостатком является то факт, что предприятие TremonisGmbHиспользовался смешанный регенерат от разных поставщиков. Ввиду явных недостатков исследование не нашло поддержки и было прекращено не достигнув промышленного образца.

Стадия реализации.

Область внедрения НИКОР - использование результатов НИОКР в экспериментальных образцах и лабораторных процессах, далее планируется перейти в область освоения результатов ОКР и экспериментальных работ в опытном производстве;

В настоящее время имеется исследование свойств кизельгура и кизельгурового шлама и имитационная модель установки для регенарации, создан комплект конструкторско-проектной документации для экспериментальной установки аппарата для регенерации кизельгурового шлама и комплект технической документации для промышленного образца, создана экспериментальная установка, проводятся лабораторные исследования и испытания установки.

Интеллектуальная собственность.

Патент на изобретение № RU 2459165 C1 «Печь для термической регенерации» 20.08.2012 (Охрана прав до 09.02.2031).