«75 лет Выпуск 72 ЕКАТЕРИНБУРГ 2005 Реферат К своему 75-летию УНИХИМ выпускает настоящий сборник трудов, представляющий основные направления его деятельности за последние 5 лет, а также результаты исследований, ...»

Одним из первых в СССР В.М.Новаковский применил в прикладных исследованиях электрохимические методы, разработанные английской школой коррозионистов (Эванс и др.) [1]. При определенных условиях электрический ток может производить такие же воздействия на границе раздела металл – электрометалл, как и химические окислители. В данном случае им показано, что наложение анодного потенциала на стальной электрод, находящийся в серной кислоте, вызывает такую же пассивацию поверхности, как и избыток триоксида серы (SO3) в олеуме. То есть посредством наложения анодного тока весьма малой плотности (10-1-10-2 ма/см2) обеспечивается антикоррозионная защита металла в продукционной серной кислоте, и следовательно, высокая чистота кислоты по железу. Этот метод позволяет хранить серную кислоту аккумуляторной чистоты в стальных емкостях. В 1958-60 гг. был проведен цикл опытно-промышленных работ по защите сернокислотных железнодорожных цистерн методом анодной защиты. На основе лабораторного оборудования была создана промышленная электрическая схема для анодной защиты железнодорожных цистерн в реальных условиях перевозок. Испытания прошли успешно, но на серийное применение такого новшества Министерство путей сообщения не рискнуло. В химической промышленности анодная защита оборудования, базирующая на приоритетных работах коррозионистов УНИХИМ, применяется начиная с 1970 года.

В новых экономических условиях актуальность такого способа защиты увеличивается. Резкий рост цен на металл, особенно нержавеющие стали, возросшие требования к качеству серной кислоты с одной стороны и относительная дешевизна электронных компонентов: выпрямителей, стабилизаторов напряжения, контрольных приборов, с другой, позволяют использовать этот метод с высоким экономическим эффектом.

Скорость коррозионного процесса как многих других гетерогенных реакций, зависит от движения коррозионной среды относительно металла. Этот факт во II половине 20 века был твердо установлен. На практике он проявлялся иногда самым неожиданным образом. Известны случаи выхода из строя бездействующего оборудования из стали 08Х18Н10Т с остатками промывной технической воды с нейтральной реакцией и содержанием хлоридов менее 1 г/дм3 (пресная вода). В практике УНИХИМ известны случаи разрушения корпусов фильтров для питьевой воды, находящихся на хранении после гидравлических испытаний на водопроводной свердловской воде (Cl– + SO 4 100 мг/л).

Капиллярная влага в них удерживалась в порах активированного угля. В ходе эксплуатации фильтров при движении воды коррозия отсутствовала в течении многих лет службы.

Лабораторные исследования влияния движения среды на коррозию металлов сталкиваются с большими затруднениями в связи с трудностью моделирования реальных условий. Важным шагом в теорию моделирования коррозионного процесса в реальных условиях явилась кандидатская диссертация А.Я.Полубоярцевой "Параллельное исследование скорости коррозии труб и вращающихся дисков в некоторых средах". В работе с использованием принципа вращающегося в жидкости диска разработана методика лабораторных коррозионных испытаний, обеспечивающая количественный контроль за гидродинамическими и диффузионными параметрами процесса.

Сопоставлением полученных результатов показана возможность замены сложных и малопроизводительных испытаний труб лабораторными опытами на вращающихся дисковых образцах. Замена представляет особый интерес, так как вследствие высокой интенсивности диффузионных процессов на вращающемся диске условия диффузии в трубе при турбулентном режиме течения, наиболее часто встречающемся на практике, можно смоделировать на диске при относительно небольших скоростях вращения. Это позволяет проводить испытания в ламинарной области, когда поверхность вращающегося диска является равнодоступной в диффузионном отношении. Введены три эмпирические уравнения пересчета числа оборотов диска n об/мин на эквивалентную в диффузионном отношении линейную скорость потока в трубе V м/сек. Показано, что эмпирическое уравнение соответствует выведенному В.М. Новаковским и С.Н. Фишман аналогичному теоретическому уравнению.

Установлена возможность использования теоретического уравнения пересчета V на n для определения скорости коррозии трубопровода при различных скоростях течения агрессивной среды на основании экспериментальных данных по зависимости коррозии дисковых образцов от числа оборотов.

В строго контролируемой гидродинамической обстановке с учетом влияния движения проведены опыты по коррозии серого чугуна в концентрированной серной кислоте (94-96% H2SO4) при температурах 40, 60 и 70oC и малоуглеродистой стали в нитрозных кислотах. Результаты опытов позволили сделать ряд практических выводов по борьбе с коррозией оросительных сернокислотных холодильников. В своих методических разработках Л.А. Полубоярцева опередила академическую науку. Лишь после публикации ее диссертационных материалов коррозионные исследования на дисковом вращающемся электроде стали общепринятыми.

Очень важным практически является изучение коррозионных процессов в условиях теплопередачи. Это вся теплоэнергетика, большинство двигателей внутреннего сгорания, нагрев химических сред в реакторах, выпарные установки и др. Всеобъемлющей теории коррозионных процессов в этой области нет до сих пор. Важные для практики частные случаи рассматриваются во многих научных трудах. Одной из первых в СССР была диссертация П.И. Зарубина "Исследования коррозии металлов в условиях теплопередачи". Изучено совместное влияние теплопередачи, скорости движения жидкости, вязкости растворов и концентрации агрессивных веществ на коррозию углеродистой стали, нержавеющих сталей и меди. Обнаружены общие закономерности в процессе коррозии столь разных по химическим свойствам материалов в условиях теплопередачи. Автором была показана эквивалентность коррозионных процессов на трубчатых образцах и на вращающемся диске с обогревом, что расширило возможности изучения данного процесса. Создан математический аппарат для описания коррозионных процессов в условиях теплопередачи через металл и движение среды. Полученные научные данные позволили дать по результатам лабораторных исследований обоснование на использование в сернокислотном производстве экономнолегированных сталей – 08Х22Н6Т (ЭП-53) и 08Х21Р6М2Т (ЭП-54) взамен обычной нержавеющей – 08Н18Н10Т с большим экономическим эффектом.

';

Теоретический задел, сконцентрированный в упомянутых диссертационных работах, обеспечил прогнозирование коррозионностойкости металлов в тех технологических условиях, которые трудно или невозможно воспроизвести в лабораторном эксперименте.

Это, в свою очередь, позволило обеспечивать проектировщиков надежными исходными данными по выбору материалов для процессов, предлагаемых технологами УНИХИМ к внедрению.

Моделирование коррозионного процесса в лабораторных условиях сложный процесс. Необходимо также сделать правильные выводы из массива цифровых данных, полученных в коррозионных опытах. Методы математического планирования эксперимента были внедрены в практическую деятельность лаборатории А.С. Шубиным. В конце 50тых – начале 60-тых годов эти методы были новинкой в отечественной науке, и лаборатория освоила их одной из первых в Свердловске. Это повысило эффективность экспериментов без дополнительных материальных затрат.

В 60-е годы отечественная промышленность стала производить в больших объемах пластмассы и синтетические смолы, которые нашли широкое применение в антикоррозионной защите химического оборудования. В УНИХИМе это направление развивали кандидаты технических наук А.Л. Штерензон и Ю.Е. Лобанов. Такие полимеры, как фторопласт соперничают по химической стойкости с благородными металлами. Начиная с шестидесятых годов XX в. в проектных решениях по химическим технологиям широко представлены синтетические полимерные материалы. Любопытно, что фторопласт был прежде всего внедрен в практику лабораторных исследований. Из него изготавливали подвески для коррозионных образцов, крепеж, обоймы для дисковых электродов и т.д.

Общетеоретический интерес представляет цикл работ коллектива сотрудников во главе с А.Л. Штерензоном на тему "О проникновении электролитов через пленки полиэтилена и других гидрофобных полимеров". Это интересное научное направление, лежащее на стыке таких областей как структура полимеров, капиллярность, адгезия полимеров к металлам, защита от коррозии. На первый взгляд, плотные слои полимеров непористой структуры (полиэтилен, полихлорвинил, полистирол, фенол-формальдегидные смолы) для электролитов (водные растворы солей, кислот, оснований) совершенно непроницаемы.

Этим объясняется широкое применение полимеров для упаковки различных жидких продуктов. Исходя из этого следовало бы ожидать, что тонкий слой полиэтилена, нанесенный на обычную сталь обеспечит ее защиту на века от действия соляной или серной кислот. В действительности, этого не происходит. 2-3 мм слой полиэтилена, нанесенный на поверхность стального резервуара через несколько недель или месяцев начинает пузыриться и отслаиваться вследствие подповерхностной коррозии металла. А когда на полиэтилене вследствие механических напряжений образуются макротрещины, коррозия принимает разрушительный характер. Явление это серьезно ограничивает возможности защиты металлов полимерными материалами и является парадоксальным. Ведь даже если допустить наличие в полимере микропор и микротрещин, то электролит туда попадать не должен, т.к. по теории капиллярности, жидкость не может затекать в гидрофобные капилляры, т.к. этот процесс термодинамически невыгоден. Тем не менее, такое явление имеет место, и коррозионисты УНИХИМа указали на его механизм и изучили количественные закономерности данного процесса.

Это серьезный вклад в учение о поверхностных явлениях. Большую работу провели сотрудники лаборатории коррозии по внедрению в практику экономнолегированных сталей. Помимо стандартных работ по испытаниям и внедрению в химические технологии экономнолегированных сталей лаборатория выполнила совместно с Академией Наук Грузинской ССР исследования по созданию, изучению коррозионных характеристик и промышленным испытаниям новой хромомарганцовистой стали 08Х25Г15С, которая показала исключительную стойкость в средах с высоким содержанием сульфид-иона (упаривание Na2S). К сожалению, в 90-х годах успешные работы были прерваны.

В.Д. Осинцев совместно с отраслевыми институтами России и Украины проводил исследования по защите от коррозии черных металлов путем диффузионного хромирования и цинкования. Диффузионное цинкование успешно внедрено в промышленность.

По всем направлениям технологических работ проводили коррозионные исследования научные сотрудники С.В. Гребенщикова, Э.А. Замятина, А.Г. Коморникова, Л.З.

Ляшенко, В.О. Осинцев, Л.А. Полубояррцева, Л.Н. Юрлова, а также инженеры А.М.

Пантюхина, Г.Р. Пасова и З.Н. Румянцева. Проектные решения технологов и аппаратурщиков имели четкие обоснования по коррозионностойким материалам. При поиске решений по применению коррозионностойких материалов принималось во внимание не только достижение технической цели, но и экономические соображения, т.к. применение высоколегированных сталей и титана необходимо было обосновывать в Межведомственной комиссии в Москве.

Начиная с 1973 г. в лаборатории коррозии по инициативе В.И. Рябина проводились исследования защиты полиметаллических систем теплообмена с помощью ингибиторов. В 1975 г. была выпущена опытно-промышленная партия ингибитора "Икар 1" для систем охлаждения автомобильных двигателей. Тема оказалась столь многообещающей и актуальной, что вызвала к жизни постановление ГКНТ СССР № 15 от 01.02.81 г. "Создание и внедрение в производство средств и методов защиты системы охлаждения и ее агрегатов серийных и новых ДВС (двигателей внутреннего сгорания) от коррозионнокавитационных разрушений и накипеобразования". Основным исполнителем по этой многоотраслевой теме стала лаборатория коррозии УНИХИМ, возглавляемая к.т.н. П.И.

Зарубиным.

Во исполнение этого постановления были разработаны составы присадок многофункционального назначения, обеспечивающих, помимо ингибирующих, антинакипные, антипенные, антиокислительные, буферирующие свойства. В результате разработаны и внедрены в производство всесезонная охлаждающая жидкость (антифриз) "Лена" по ТУ 113-07-02-88 и ингибирующая присадка к воде "Икар 3М" по ТУ 113-07-07-90. Научные результаты работы легли в основу кандидатской диссертации А.Б. Журавлева "Состав и технология присадок многофункционального назначения для охлаждающих жидкостей".

Оба продукта были внедрены в промышленное производство. Технологические аспекты крупнотоннажного производства антифризов изучала к.х.н. Н.А. Христофорова. Натурные испытания охлаждающих жидкостей на автомобилях выполнялись под руководством З.М. Барской. Таким образом, лаборатория коррозии УНИХИМа прошла путь от вспомогательного подразделения аппаратурного отдела до самостоятельного технологического коллектива, способного как к исследовательской, так и внедренческой деятельности в своей области. Этот рост базировался на собственной фундаментальной исследовательской базе.

[1] Эванс Ю.Р. Коррозия и окисление металлов. М.: Изд-во машиностроительной литературы, пер. с англ. 1962. 856 с.

ПРИМЕНЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РАБОТАХ ИНСТИТУТА И ОПЫТНОГО ЗАВОДА.

Б.С.Коган, Г.М.Кесарева, В.Н.Савельев, В.И.Дегтярев, А.В.Иванов До начала 90-х годов лаборатория физико-химических исследований владела многочисленными методами исследования (рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализы, ИК-спектроскопия, ртутная порометрия, седиментационный анализ, электронная микроскопия, методы исследования свойств растворов, термический анализ, анализ магнитных и электромагнитных характеристик материалов), развивались термодинамические методы исследования, где, кроме теоретических расчетов равновесий, на современной калориметрической аппаратуре проводились экспериментальные определения таких термодинамических свойств веществ и материалов, как теплоемкость, теплопроводность, энтальпии растворения и образования, энтальпийные характеристики различных реакций и т.д. С 1981 года УНИХИМ стал базовой организацией в системе ГСССД – Государственной службе стандартных справочных данных. Лаборатория интенсивно проводила исследования и анализы по многочисленным заявкам трех десятков лабораторий и секторов института по таким направлениям развития неорганической технологии, где УНИХИМ был головной организацией в системе Министерства по производству минеральных удобрений и химической промышленности СССР. В лаборатории работали опытные специалисты с большим стажем, восемь из которых имели ученую степень кандидата наук.

Переход на рыночную экономику в корне изменил как положение всего института, так и лаборатории физико-химических исследований. Достаточно сказать, что в году в штате лаборатории оставалось только три работающих сотрудника и три метода исследования – ртутная порометрия, измерение удельной поверхности и седиментационный анализ.

В 2002-2003 годах произошла переориентация деятельности, направленная на разработку и совершенствование малотоннажных технологий на опытном заводе с целью выпуска конкурентоспособных продуктов для удовлетворения спроса как в России, так и за ее пределами. Институт и опытный завод функционировали как единый организм, существование которого стало целиком определяться ассортиментом, количеством и качеством производимых продуктов. Именно с этого момента резко возросла роль лаборатории физико-химических исследований, ставшей наряду с другими научными и производственными подразделениями, неотъемлемым фактором развития и устойчивости предприятия. Развитие технологии бескислородных соединений бора, боратов бария, цинка и других производимых продуктов стимулировало реанимацию полностью или частично утраченных методов исследования. В лаборатории были восстановлены такие методы исследования как рентгенофазовый, термодинамический и термический анализы, некоторые методы исследования растворов, расширены возможности дисперсного анализа материалов, лаборатория стала активно участвовать параллельно с другими подразделениями в усовершенствовании технологии и создании качественно новых продуктов. К августу 2004 года в лаборатории уже работало 7 сотрудников. Это позволило не только восстановить, но и значительно усовершенствовать различные методы физико-химических исследований в соответствии с запросами предприятия.

Увеличение потребности страны в отечественном нитриде бора, необходимость обеспечения специфических свойств этого продукта для отдельных потребителей (индекс графитации) привели к восстановлению рентгенофазового анализа. Были реанимированы два дифрактометра ДРОН-3М, получено разрешение ГорСЭС на проведение работ с использованием этих аппаратов, сотрудники лаборатории, прошли обучение и получили соответствующую категорию, позволяющую работать на них.

Индекс графитации нитрида бора измеряли по соотношению площадей трех пиков отражений, записанных на диаграммную бумагу. Изменение методики записи кривых у потребителя потребовало внедрения в лаборатории цифровой записи сигналов с использованием компьютерной техники для последующего расчета индекса графитации.

Использование компьютерной приставки позволило, кроме того, проводить полномасштабную запись рентгенограмм и их расшифровку не только для нитрида бора, но и для других материалов в соответствии с возросшими потребностями производства (бор аморфный, полиборид и другие бориды магния, бориды титана и хрома, бораты цинка и бария и т.д.) с определением при этом межплоскостных расстояний и параметров кристаллических решеток разных сингоний.

Необходимость расчета параметров кристаллической решетки нитрида бора, учета искажений структуры при получении его различными способами способствовали возрождению рентгеноструктурного анализа. Разработанная в 80-х годах методика определения параметра «С» кристаллической решетки нитрида бора с записью сигнала на диаграммную бумагу была не лишена неточностей и недостатков, что привело к появлению новой методики с использованием как компьютерной приставки, так и новых компьютерных программ для ее расчета. Статистическая оценка результатов измерения показала, что параметр «С» может быть определен по этой методике с погрешностью ± 0,0001 нм или ± 0,02%.

Ртутная порометрия высокого давления применялась, в основном, для исследования пористой структуры ванадиевых сернокислотных катализаторов. В значительной мере, благодаря этому она сохранилась без потерь и до настоящего времени. Удовлетворяя потребности лаборатории серы и сернистого ангидрида, лаборатория физикохимических исследований в настоящее применяет ртутную порометрию высокого давления и для исследования таких нетрадиционных продуктов, как, например, нитрид бора.

Существенно изменился метод представления результатов измерений. Современная компьютерная техника позволила отказаться от применения графопостроителей и позволила создавать базы данных порограмм с последующим их сравнением, анализом и вспомогательными расчетами.

Необходимость учета распределения крупных пор для различных продуктов привели к появлению в лаборатории метода ртутной порометрии низкого давления. Этот метод существовал в лаборатории несколько десятков лет назад, однако из-за отсутствия должного интереса со стороны потребителей был не востребован. В настоящее время в лаборатории создан поромер низкого давления с использованием нового дилатометра и нового регистрирующего прибора – образцового вакуумметра ВО 11301, поверенного в Уральском центре стандартизации, метрологии и сертификации. Метод позволяет исследовать распределение в материале пор размером от 6,5 до 50 мкм.

Метод измерения удельной поверхности на приборе Sorpty-1750 итальянского производства (метод низкотемпературной адсорбции азота) не претерпел каких-либо изменений и достаточно широко применяется в лаборатории для исследования удельной поверхности различных материалов.

Потребности получения материалов с различным размером частиц, контроль их производства стимулировал развитие дисперсного анализа материалов. До 2003 года лаборатория располагала лишь одним действующим прибором - центробежным анализатором частиц Shimadzu SA-CP-2 японского производства. В настоящее время прибор оснащен компьютерной приставкой, для него были разработаны программы записи и обработки сигналов, в результате чего потребитель получает печатный документ – таблицу результатов и два рисунка – интегральную и дифференциальную кривые распределения частиц по размерам. С января 2003 года в лаборатории появился лазерный дифракционный микроанализатор гранулометрического состава Analysette 22 производства ФРГ, позволяющий, кроме того, воздействовать на материал с целью получения информации о размере не только агрегатов, но и первичных частиц (интенсивное перемешивание и ультразвуковая обработка суспензии). Оба прибора широко применяются для исследования дисперсного состава всех выпускаемых материалов, в особенности бората цинка и аморфного бора.

Существенные изменения претерпел дифференциально-термический анализ материалов. Имеющиеся в распоряжении лаборатории два дериватографа Q-1500 D венгерского производства были восстановлены в 2000 году после их вынужденного перемещения. Один из приборов вскоре был оснащен компьютерной приставкой с целью записи аналоговых сигналов в цифровом варианте, для него разработана программа записи (ИФМ РАН) и обработки сигналов (УНИХИМ), в результате чего полученные кривые обрабатываются на компьютере по специальным программам. Например, в лаборатории имеется программа обработки кинетических кривых термического анализа (ТЕРМАН), которая позволяет выбрать статистически адекватный механизм термического разложения материалов из возможных 26 вариантов.

Со вторым прибором была проведена большая методическая работа с целью повышения точности, чувствительности и информативности измерений. Прибор был отградуирован по реперным точкам – стандартным образцам температур и теплот фазовых переходов, была существенно изменена конструкция измерительной ячейки в сторону ее миниатюризации. Изменение возникло в результате необходимости исследования малых количеств термически лабильных веществ с целью моделирования процессов их обработки в капле и тонком слое материала. Конструктивные изменения позволили проводить измерения на навесках 10-20 мг без существенного ухудшения точности. Таким способом были исследованы образцы жидких суперпластификаторов, концентрированных водных растворов, а также самых различных материалов, нанесенных на ячейку в виде слоя толщиной от десятков микрон до одного миллиметра. Это, в частности, позволяло устранить диффузионный фактор, имеющий существенное влияние при измерениях процессов в тиглях. Вновь возобновлены исследования поведения материалов в инертной атмосфере азота и аргона высокой чистоты, что дало возможность провести исследования процесса получения бормагниевой лигатуры, поведения бора, полиборида магния и нитрида бора при повышенных температурах.

Работы по исследованию свойств растворов прекратились практически с года из-за отсутствия государственных заказов. Тем не менее, в лаборатории создан банк данных о свойствах растворов, определенных в предыдущие годы. Эти данные совместно с известными литературными являются базой для расчета свойств многокомпонентных водных растворов по программам, разработанным в лаборатории. Поэтому при отсутствии экстремальных параметров возможен расчет свойств растворов практически любых составов.

При необходимости в лаборатории проводятся и экспериментальные исследования физико-химических свойств растворов. Например, в соответствии с ГОСТ на материалы (см., например, ГОСТ 28084-89. Жидкости охлаждающие низкозамерзающие) определяются температуры замерзания (температуры начала кристаллизации). При этом методика определения по сравнению с прошлыми годами была модернизирована в части применения в качестве хладоагента не твердой углекислоты в смеси с ацетоном, а жидкого азота, что позволило наблюдать за изменениями в растворе в проходящем свете без извлечения сосуда для измерения из хладоагента и, соответственно, повысить точность измерений. Для выполнения одного из заказов сторонних организаций специально была разработана методика определения поверхностного натяжения латексов методом отрыва кольца, которая дала хорошую воспроизводимость как на модельных (стандартных) растворах, так и на измеряемых композициях.

Термодинамические методы исследования также используются в настоящее время для выполнения единичных заказов: например, для экспериментального определения теплоемкости и теплопроводности нитрида бора в интервале температур -75 - + С. В исследованиях института с опытным заводом использовались и расчетные термодинамические методы исследования, например, для исследования процессов термического гидролиза хлорида магния и термического разложения железного купороса. Лаборатория оснащена различными калориметрами для экспериментального определения таких термодинамических свойств различных материалов как:

- теплоемкость и теплопроводность в интервале температур -125 - +400 оС (калориметры ИТ-с-400, погрешность 3% и ИТ--400, погрешность 10%);

- теплоемкость в интервале температур 60-300 К (калориметр УНТО, НПО «Дальстандарт», Хабаровск) с погрешностью 0,15% в интервале температур 60-90 К и 0,20% в интервале 90-300 К;

-теплоты растворения, смешения, кристаллизации, смачивания, сорбции, теплоты реакций в растворах (калориметры ДАК-1-1А, погрешность измерения энергии тепловыделения 1%).

Кроме описанных методов исследования лаборатория применяет в своей работе инфракрасную спектроскопию (IR-470 Shimadzu, Япония), оптическую микроскопию (МИН-8; Biolar – Польша; MF -Карл Цейсc и др.), электронную микроскопию (измерения в Институте химии и Институте физики металлов РАН). Для наглядного цветного изображения объектов размером от 2 мкм до нескольких мм используется цифровой микроскоп QX3 в комплекте с микроскопом Biolar.

Участие в решении актуальных задач позволило лаборатории получить интересные результаты практически по всем направлениям научной и практической деятельности.

До сих пор применяемые такие показатели качества продукта, как индекс графитации, содержание борного ангидрида, насыпная плотность, неполно описывали потребительские характеристики нитрида бора, применяемого для получения абразивных материалов. Необходимо было найти и другие отличия нитрида бора, производимого по карбамидной технологии нашим предприятием от материала, производимого Запорожским абразивным комбинатом (ЗАК) по карботермической технологии.

С этой целью в лаборатории была исследована прессуемость порошков нитрида бора с заведомо различными свойствами, в частности, с различным индексом графитации. Замеряли высоту спрессованной таблетки одинаковой массы материала, методом ртутной порометрии определяли суммарный объем пор (пустот) и расчетную плотность материала. Оказалось, что чем выше индекс графитации, тем хуже прессуется порошок.

Высота спрессованной таблетки (или ее объем), суммарный объем пор в ней с высоким коэффициентом корреляции линейно зависели от параметра «С» кристаллической решетки нитрида бора и от индекса графитации. Проведенные исследования позволили определить границы изменения параметра «С» и индекса графитации, внутри которых свойства порошка нитрида бора будут удовлетворять потребителя.

Методами термического анализа и визуально-политермическим исследована первая стадия взаимодействия в системе мочевина – борная кислота. Построена диаграмма плавкости этой системы в широком интервале составов. Результаты исследования использованы для совершенствования технологии нитрида бора.

Антипиреновые свойства бората цинка зависят от содержащейся в нем кристаллизационной воды, которая выделяется в определенном интервале температур. В зависимости от областей его применения этот интервал может быть различен. Контроль качества выпускаемого на опытном заводе продукта как антипирена производится в лаборатории методом термического анализа на дериватографе Q-1500 D. При этом контролируются несколько параметров: температура начала выделения кристаллизационной воды, количество выделяющейся воды, наличие или отсутствие низкотемпературных стадий дегидратации и температуры эндотермических пиков дегидратации. Результаты анализа используются при коррекции технологического режима и при принятии решений о формировании партий продукта.

Наряду с антипиреновыми свойствами продукта контролю подвергается размер его частиц методами седиментации на центробежном анализаторе частиц Shimadzu SACP-2 и лазерном дифракционном микроанализаторе гранулометрического состава Analysette 22. Эти методы, в том числе и метод ДТГА, и метод рентгенофазового анализа, и методы оптической микроскопии, применяются не только для контроля, но и как методы исследования при разработке новых технологических идей при производстве бората цинка.

Потребительские характеристики этого продукта как антикоррозионного пигмента таковы, что кроме седиментационного анализа, применение других методов исследования казалось некорректным. Однако в дальнейшем оказалось, что выпускаемый опытным заводом продукт время от времени отличается по своему качеству при применении у потребителя, хотя удовлетворяет показателям ТУ.

Термический анализ продукта показал, что борат бария содержит кристаллизационную воду, причем количество воды в нем и характеристические температуры дегидратации не всегда постоянны. Кроме того, эффект боратовой перегруппировки (эффект кристаллизации) различен по величине, а иногда и вовсе отсутствует. Комплексное исследование материалов с применением рентгенофазового анализа показало, что продукт, в котором этот эффект значителен, плохо окристаллизован и содержит, в основном, аморфную фазу.

Аморфный бор и полиборид магния.

Большинство потребителей аморфного бора заинтересовано в определенном дисперсном составе продуктов либо в сторону уменьшения максимального размера частиц, либо в сторону ограничения верхнего и нижнего пределов крупности. Максимальный размер частиц аморфного бора, производимого Опытным заводом, в ряде случаев достигал 100 мкм, минимальный – на уровне десятых долей мкм.

Использование седиментографа Shimadzu SA-CP-2 и лазерного дифракционного микроанализатора гранулометрического состава Analysette 22 показало, что частицы аморфного бора агрегированы, и агрегаты разрушаются лишь при применении антикоагулянтов, интенсивного перемешивания и ультразвука, или не разрушаются совсем.

Электронно-микроскопические фотографии образцов подтвердили высказанные предположения и показали, что первичные частицы аморфного бора имеют размер несколько десятков нанометров, а полиборида магния около десяти нанометров. Это позволило предположить, что при достаточно высокой нагрузке при измельчении сухого материала можно существенно уменьшить размеры агрегатов, что и было подтверждено в лаборатории при измельчении аморфного бора и полиборида магния в шаровой фарфоровой мельнице. Максимальный размер частиц в полученном материале, как правило, не превышал 20 мкм, а, в некоторых случаях, и 5 мкм. По аналогичной методике Опытный завод по просьбе заказчика произвел материал с максимальным размером частиц менее мкм.

Бор-магниевая лигатура.

С целью исследования влияния качества сырья на процесс получения бормагниевой лигатуры и выяснения механизма взаимодействия в системе методом ДТГА была изучена система «магний-полиборид магния». Части спрессованных таблеток шихт помещали в лабиринтный тигель дериватографа, заполненный аргоном высокой чистоты, и исследовали их поведение при повышенной температуре при различных скоростях нагрева также в токе высоко чистого аргона. Лабиринтный тигель имитировал ретортную печь, используемую на Опытном заводе, т. к. газообразные продукты, образующиеся при термическом разложении, находятся в лабиринтном тигле под некоторым избыточным давлением за счет стесненных условий их эвакуации.

Результаты исследования показали, что в составе шихты еще до плавления магния, около 500 оС, происходит его взаимодействие с аморфным бором, причем с началом плавления магния (около 650 оС) скорость реакции резко возрастает. Процесс взаимодействия заканчивается около 710-715 оС при скорости нагрева шихт 2,5 град/мин и около 810-815 оС – при 10 град/мин. Чем выше продолжительность первой стадии взаимодействия, тем полнее используется магний на второй стадии. На основании проведенных исследований были выданы рекомендации по проведению процесса в ретортной печи, повышению степени использования магния и качества получаемой лигатуры и высказано заключение о незначительном влиянии происхождения применяемого сырья.

В предстоящие годы лаборатория будет продолжать работу по нескольким направлениям:

- по восстановлению ранее использовавшихся методов исследования (истинная плотность твердых материалов, исследование микропористой структуры материалов с размерами пор от 0,5 до 50 нм методом БЭТ на приборе Sorptomatic-1900, а также других методов, которые окажутся необходимыми);

- по повышению точности, информативности и метрологическому обеспечению действующих методов (рентгенофазовый анализ, ИК-спектроскопия, ДТА, ртутная порометрия, методы исследования дисперсного состава и др.);

- по внедрению новых, ранее не использовавшихся методов (магнитная сепарация и др.);

- по организации программного обеспечения действующих, восстанавливаемых и новых методов исследования, по созданию баз данных и расчетных программ по результатам анализов и свойствам материалов:

- по дальнейшему развитию взаимодействия с технологическими лабораториями и подразделениями опытного завода не только с точки зрения анализа и контроля действующих производств, но и с точки зрения активного участия в повышении качества производимой продукции и расширении ее ассортимента.

КОАГУЛЯЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПЛОТНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ

В настоящее время теорию, связанную с коагуляционными процессами, принято разделять на микрокинетическую и макрокинетическую. Микрокинетическая теория изучает движение частиц до их столкновения, а также процессы столкновения и слипания, слияния столкнувшихся частиц, с целью определения вероятностей элементарных актов коагуляции за единицу времени в заданном объёме. Вывод, исследование и разработка математических методов решения кинетических уравнений, описывающих эволюцию функции распределения частиц по массам, при заданной вероятности их столкновения и слипания, входит в круг макрокинетической теории коагуляции. Данная работа целиком посвящена макрокинетической теории. В настоящее время имеется большое число работ исследующих процессы парной коагуляции частиц, среди которых следует особо выделить две довольно солидные монографии [1, 2] и две докторские диссертации [3, 4], где содержится подробное изложение современного состояния теории парной коагуляции частиц.

Цель данной работы сформулировать и исследовать общие эволюционные кинетические уравнения, учитывающие всевозможное число сталкивающихся и коагулирующих частиц в системе.

1. Вывод основных уравнений Дискретный спектр. Рассмотрим пространственно-однородную дисперсную систему с идеальным перемешиванием частиц. Пусть (n,t) – число частиц в единице объёма системы массой x p n, n = 1, 2, 3, …, в момент времени t, xp – масса первичной частицы, kl G l (i1, i 2,..., i l )t – вероятность столкновения и образования в единице объёма системы за время t частицы массой x p (i1 + i 2 +... + i k ) при столкновении между собой l неравных частиц массой x p i j, j = 1, l i j 1 при их единичной концентрации;

kl - символ Кронекера, k - фиксированное число. Если же концентрация частиц в системе Составляя баланс по числу частиц массой x p n в единице объёма системы за время t, при t стремящемся к нулю, получим следующую систему уравнений, описывающую рассматриваемый процесс:

Естественно, что данная система уравнений при k=2 приводит к известным уравнениям Смолуховского, которые описывают парную коагуляцию частиц.

Систему уравнений ( 1.1 ) следует дополнить начальными условиями Законы сохранения. Используя систему уравнений (1.1) и начальные условия (1.2), можно вывести соотношения, описывающие закон сохранения вещества и изменения числа частиц в коагулирующей системе. Действительно, умножим левую и правую части сисi темы уравнений (1.1) на n, i = 0,1 и просуммируем по всем n от единицы до бесконечности, тогда для показателя степени, равного нулю и единице соответственно, получим уравнения где, как и прежде, скобка <... > означает среднее значение, индекс 0 – начальное значение. При выводе соотношений (1.3) была использована формула:

Теорема о среднем. В дальнейшем довольно часто будет возникать надобность обращаться к этой теореме, сущность которой заключается в следующем. Пусть функция g k (i1, i 2,..., i k ) от k дискретных независимых переменных i j 1, j = 1, k, принимающих целые положительные числа, – симметричная относительно перестановки аргументов (другими словами g k – симметричный тензор k-го ранга), тогда имеет место очевидное равенство:

При j = 1, по сути дела, эта формула неявно была использована при выводе равенства в выражениях (1.3). Больше того, формула (1.5) имеет интегральный аналог:

справедливо равенство Непрерывный спектр. При переходе от дискретного спектра частиц к непрерывному следует сделать стандартные преобразования:

В этом случае система уравнений (1.1) преобразуется, относительно функции f(x,t), к квазилинейному интегро-дифференциальному уравнению вида которое следует дополнить начальным условием Формула (1.4) так же, как и (1.5) имеет интегральный аналог:

Следует отметить, что общие уравнения коагуляции для дискретного и непрерывного спектров обладают всеми недостатками, присущими кинетическому уравнению парной коагуляции. Так, если функция G k зависит от произведения масс коагулирующих частиц, то процесс заканчивается за конечное время, а второй момент, вычисленный непосредственно из соответствующего уравнения, с течением времени, ещё до окончания процесса, становится отрицательным, что, конечно, лишено физического смысла. В связи с этим возникает необходимость вычисления второго момента для того, чтобы определить промежуток времени, в течение которого полученное решение следует считать физически корректным.

2. Псевдолинейный вариант общей кинетической теории коагуляции Основные уравнения. Дискретный спектр. Рассмотрим пространственно-однородную коагулирующую дисперсную систему. Введём величину Pn (t ) = x p n n (t ) / M, которую можно трактовать как вероятность. Она неотрицательна и удовлетворяет условию нормировки:

стояния "n" в состояние "n+i", i 1, в единицу времени (скорость перехода) за счёт коагуляции. Чтобы получить уравнение для функции Pn (t ) воспользуемся законом сохранения вероятности, записав его в виде где g n (t ) и g n (t ) – приходящий и уходящий потоки вероятности за малый промежуток времени t. Запишем выражения для этих потоков. Очевидно, что Подставим эти выражения в (2.1), затем поделим обе части равенства на t и перейдём к пределу при t 0. В результате для рассматриваемого процесса получим уравнения где предполагается, что ещё в следующем виде:

Покажем, что общая система квазилинейных кинетических уравнений (1.1) представима в виде (2.3). Для доказательства сделанного утверждения поступим следующим образом. Введём парциальные скорости перехода, согласно равенствам:

составим их сумму:

где для простоты аргумент t у функции Очевидно, что С другой стороны, так как G k – симметричная функция своих аргументов, то, согласно теореме о среднем (1.5) имеет место тождество для n k. Просуммируем теперь левую и правую части этого равенства по k от единицы до n, с учётом того, что получим нужное нам равенство:

Подставляя левые части выражений (2.5) и (2.7) в (2.3), получим систему уравнений (1.1).

Таким образом, система уравнений (2.3) описывает в дискретном представлении процессы коагуляции, обусловленные всевозможным числом столкновений частиц между собой, но, в отличие от (1.1), она полностью определяется заданием начальных условий и функции a. Последнее утверждение означает, что при заданных G k искомая функция (n, t ) определяется системой квазилинейных кинетических уравнений коагуляции (1.1) и, напротив, при заданной функции a (n, i ) – системой линейных уравнений (2.3).

Основные уравнения. Непрерывный спектр. Покажем, что так же, как и для дискретного спектра, квазилинейное интегро-дифференциальное кинетическое уравнение коагуляции (1.8) может быть преобразовано к псевдолинейному виду. Для этой цели введём обозначения:

Очевидно, имеет место равенство Для преобразования правой части в (1.8) используем теорему о среднем (1.6), согласно которой имеем:

Суммируя теперь левую и правую части этого выражения по k от двух до бесконечности, получим формулу из которой следует, что С учётом (2.10) и (2.13) из (1.8) получим искомое уравнение:

Справедливы и обратные утверждения, то есть, если предположить, что для функции a имеют место равенства (2.4) – для дискретного спектра, и (2.8) и (2.9) – для непрерывного спектра, то из (2.3) и (2.14) следуют квазилинейные уравнения (1.1) и (1.8) соответственно.

Тогда решение уравнения (2.14) легко получить методом преобразования Лапласа. Оно имеет вид = dt, I1 (x ) – модифицированная функция Бесселя первого рода, первого порядгде ка чисто мнимого аргумента.

3. Эволюционные процессы в коагулирующих дисперсных системах с распадающимися частицами Укрупнение частиц в дисперсной системе, обусловленное процессами коагуляции, как правило, сопровождается одновременным их распадом. Уравнение распада частиц в дисперсной системе можно сравнительно легко получить, если воспользоваться рассуждениями, использованными при выводе системы уравнений (2.2).

Итак, пусть Pn (t )t – вероятность распада частицы массой x p n за время t в единице объёма системы. Пусть далее состояния "n" в состояние "i" (n i ) в единицу времени в единице объёма системы (скорость перехода) за счёт распада частиц. Для того, чтобы получить уравнения для функции Pn (t ), воспользуемся законом сохранения вероятности, записав его в виде где g n (t ) и g n (t ) – приходящий и уходящий потоки вероятности за малый промежуток времени t. Очевидно, что Подставив эти выражения в (3.1), поделив обе части равенства на t, и переходя к пределу, при t 0, получим систему уравнений где предполагается, что g (n; n i, i ) = 0 при n i 0.

Аналогичными рассуждениями можно получить и кинетическое уравнение распада частиц в континуальном представлении:

С другой стороны уравнения коагуляции (2.2) и (2.14) можно записать ещё в виде для непрерывного спектра.

Объединяя уравнения (3.2) и (3,4), а также (3.3) и (3.5), получим обобщённые уравнения, описывающие процессы коагуляции, сопровождающиеся распадом частиц:

– для континуального представления, где приняты следующие обозначения:

Аналогичные выражения для функции можно получить в континуальном представлении при формальной замене i на s и n на x. Уравнения (3.6) и (3.7) следует дополнить начальными и соответствующими граничными условиями.

Формирование стационарных спектров. При наличии двух конкурирующих процессов, таких как коагуляция и распад частиц, может сформироваться стационарный спектр масс. Из уравнений (3.6) и (3.7) для установившегося процесса, если он существует, следует, что Pn (t ) = P(x, t ) = 0. Эти условия в частности, выполняются, если имеют место равенства:

– для дискретного спектра и – для непрерывного спектра.

Pi e bi i = Pn e bn n. Это равенство возможно, если Pi e bi i = const, Pn e bn n = const.

Из этих соотношений найдём Pn :

где постоянная "С" определяется из условия нормировки Pn на единицу. Очевидно, что показатель степени может быть как положительным, так и отрицательным числом.

В заключение следует отметить, что согласно [5], при формальной замене где V – скорость поступательного движения частиц в системе, D – эффективный коэффициент диффузии (коэффициент перемешивания частиц в системе), 0 – среднее время пребывания частиц в системе, 0 – число частиц массой x в единице объёма входного потока, уравнения (3.6) и (3.7) будут справедливы и для описания рассматриваемых процессов в проточных аппаратах диффузионного типа или идеального смешения.

[1] Волощук В.М., Седунов Ю.С. Процессы коагуляции в дисперсных системах. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 320 с.

[2] Волощук В.М. Кинетическая теория коагуляции. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 284 с.

[3] Лушников А.А. Эволюция коагулирующих систем. Дис. на соискание степени д-ра физ.-мат. наук. М.: НИФХИ им. Карпова,1978. 273 с.

[4] Пискунов В.Н. Роль процессов коагуляции в формировании спектров частиц в дисперсных системах. Дис. на соискание степени д-ра физ.-мат. наук. М.: ИПГ, 1986.

[5] Пеньков Н.В. Коагуляционные процессы в дисперсных системах. Дис. на соискание степени д-ра физ.-мат. наук. М.: НИФХИ им. Карпова, 1992. 342 с.

КИНЕТИКА ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ

Процессы дробления (распада) частиц следует исследовать в двух аспектах: с точки зрения микрофизики процесса, когда анализируется вероятность распада частицы на два, три и большее число осколков в единицу времени, и с точки зрения макрокинетики процесса, когда для уже установленной вероятности распада частицы за единицу времени на то или иное число осколков анализируется эволюция спектра масс. Распад частиц может происходить как под действием внутренних сил – например, термическое дробление, так и под действием внешних сил – например, дробление частиц при их столкновении между собой, дробление частиц в промышленных установках, шаровых мельницах и др.

В процессе измельчения частиц, например, в шаровых мельницах, с увеличением суммарной поверхности мелкодисперсной фазы дисперсные системы термодинамически неустойчивы и стремятся уменьшить поверхностную энергию за счёт укрупнения частиц.

Таким образом, процесс дробления частиц, как правило, сопровождается одновременно и их коагуляцией. В связи с этим, математическое описание процесса формирования спектра масс в рассматриваемой дисперсной системе в общем случае является чрезвычайно трудной задачей.

Однако, если столь сложный процесс рассматривать как совокупность менее сложных ("элементарных") процессов, участвующих в формировании спектра масс таких как непрерывный рост, истирание, дробление и коагуляция частиц, то согласно [1], для математического описания сложного процесса целесообразно использовать принцип суf перпозиции, сущность которого заключается в следующем. Пусть – скорость изt i менения плотности функции распределения числа частиц по массам в рассматриваемом объёме, в данный момент времени t, обусловленная "элементарным" процессом, например, дроблением частиц на два, три и т.д. осколка, тогда скорость изменения плотности функции распределения для сложного процесса, обусловленного n "элементарными" процессами, можно представить в виде суперпозиции скоростей для "элементарных" процессов, то есть Такой подход к моделированию процессов, управляемых линейными и квазилинейными дифференциальными и интегро-дифференциальными эволюционными уравнениями математической физики, позволяют построить математическое описание сложного процесса на основании кинетических уравнений, описывающих "элементарные" процессы. Поэтому очень важным является создание математических моделей "элементарных" процессов.

Из вышеизложенного следует, что при математическом описании асимптотической стадии дробления частиц должен быть учтён и обратный процесс – их коагуляция.

Итак, для описания исследуемого процесса необходимо использовать как уравнение дробления, так и уравнение коагуляции. Обобщённое уравнение, описывающее процессы дробления, сопровождающиеся коагуляцией частиц, согласно [2], можно представить в следующем виде – для процесса дробления частиц, и – для процесса коагуляции частиц, остальные обозначения такие же как и в работе [2].

Для однозначного решения интегро-дифференциального уравнения (1) необходимо задать ещё соответствующие начальные и граничные условия.

Методы решения. Диффузионное приближение. Для нахождения приближенного решения интегро-дифференциального уравнения (1), согласно [1], целесообразно его предварительно"аппроксимировать" нижеследующим уравнением типа Фоккера-Планка:

где приняты следующие обозначения:

Уравнение (4) следует дополнить начальными условиями и естественными граничными условиями:

Рассмотрим пример, который сам по себе имеет практический и научный интерес.

Пусть U g U a = x, b g + b a = x где 0, > 0, тогда, подставляя данные значения в (4), получим уравнение Для упрощения уравнения (6) целесообразно перейти от независимой переменной x к ноx вой независимой переменной. Производя замену переменных, с учётом заx кона сохранения вероятности:

получим уравнение относительно функции (,t ) :

Найти аналитическое решение этого уравнения уже не представляет труда. Оно имеет вид:

где = dt. Переходя теперь от независимой переменной к независимой переx менной x, с учётом того, что P(x, t ) = (, t ), = ln, окончательно получим реx шение уравнения (6) f (x, t ) – плотность функции распределения числа частиц массой x в единице объёма системы в момент времени t, M =< x > N =< x 0 > N 0 = xf (x, t )dx, <... > – среднее значение указанной величины, индекс – начальное значение, f (x,0) = N 0 (x x 0 ), (x x 0 ) – дельта функция Дирака. По определению f (x, t )dx = N(t ) = N 0 x 0 P(x, t )dx,подставляя явное значение функции P(x, t ) и производя интегрирование по x от нуля до бесконечности, получим выражение для N:

Больше того, так как N(t ) < x >= N 0 x 0, то из этого выражения найдём На практике, как правило, вместо формулы (10) используют её интегральный аналог где (x, t ) – интеграл вероятности. Из выражения (13) следует, что в вероятностной логарифмически-нормальной координатной сетке для каждого фиксированного значения времени t зависимость F от x должна быть линейной. Однако, экспериментальные данные по измельчению кварцевого песка шаровой мельницей [3], а также экспериментальные данные работы [4] показывают, что функция F от x – ломаная линия, составленная из двух отрезков прямых с угловыми коэффициентами 1 / 1 и 1 / 2, где 2 > 1. Из этого факта следует, что в исследуемых процессах измельчения, коагуляция существенна только для мелких частиц.

[1] Пеньков Н.В. Коагуляционные процессы в дисперсных системах. Дис. на соискание степени д-ра физ.-мат. наук. М.: НИФХИ им. Карпова, 1992. 342 с.

[2] Пеньков Н.В. Коагуляционные процессы в плотных дисперсных системах (настоящий сборник трудов).

[3] Ведерников В.Б. Процессы разделения в газо-дисперсных системах. Дис. на соискание степени д-ра тех.наук. М.; МИХМ, 1992. 367 с.

[4] Першин С.А., Крючков А.Н., Кнунянц М.И. и др. // ДАН СССР. 1989. Т. 307. № 2.

С. 401-405.

НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ

ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЦЕНТРОБЕЖНО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ АППАРАТАМ

Л.М. Новиков, А.А. Ермаков, К.Л. Новиков, Н.В. Инюшкин Теория процесса улавливания частиц в различных пылеуловителях за всю историю их создания и применения в системах пылеулавливания развивалась в нескольких направлениях.

Одно из этих направлений основано на теории подобия или теории приближенного моделирования. Из зарубежных работ наибольший интерес здесь представляет теория приближенного моделирования Барта [1]. Он первым ввел параметр медианного диаметра частиц d50, который более точно определяется из характеристики фракционной эффективности, чем параметр d100, который применялся ранее. Из отечественных можно отметить работы Сыркина С.Н. [2], Коузова П.А. [3] и Гольдина Ш.Л. [4]. Они создали теорию, которая основана на критериях Рейнольдса, Эйлера и Лагранжа. Однако, эта теория сложна в практическом применении, заключающемся в зависимости этих критериев от трудно учитываемых параметров и многообразии их влияния на процесс улавливания частиц. Кроме того, при выборе параметров процесса отсутствуют достоверные критерии их выбора, что приводит к значительным погрешностям по сравнению с опытными данными.

Другое направление основано на механике движения изолированной частицы в силовом поле – гравитационном, центробежном, электрическом и др. Характер движения частицы здесь определяется принципом работы и конструкцией аппарата [5, 6].

Однако, оба эти направления не учитывают сложный процесс взаимодействия частиц между собой в силовом поле с изменяющимися параметрами. Поэтому при расчетах пылеуловителей принимаются многие упрощения и допущения, вследствие чего результаты расчетов значительно расходятся с экспериментально полученными величинами.

Исходя их стохастических представлений о движении взвешенных частиц в силовом поле и используя математический аппарат теории случайных марковских процессов [7], разработано еще одно направление теории процесса улавливания частиц в пылеуловителях [8]. Оно учитывает конструктивные особенности пылеуловителей, технологические параметры очищаемого газа и физические свойства улавливаемых частиц. На этой базе разработана математическая модель и предложен метод расчета циклонов и электроциклонов [9, 10].

Однако, следует отметить некоторую особенность электрических пылеуловителей, в частности, электроциклонов и происходящие в связи с этим постепенные конструктивные изменения в процессе их работы. Это касается коронирующих электродов, у которых элементы коронирования подвержены механическому и электрическому износу. Доказано, что для коронирующих электродов электроциклонов наиболее подходящими являются фиксированные точки коронирования в виде заостренных игл [11]. Известно, что в прямоточных электроциклонах ЭНВГ коронирующим электродом служит обтекатель потока, коаксиально расположенный внутри его корпуса. На своей боковой наружной поверхности обтекатель имеет иглы, равномерно расположенные на определенном расстоянии одна от другой [12]. При этом, интенсивность механического износа игл зависит от абразивных свойств улавливаемой пыли. Электрический износ или, так называемая, электрическая эрозия игл – это постепенное их разрушение под влиянием электрических разрядов. Последнее в аппаратах электрического улавливания частиц из потока газа носит название коронного разряда, который всегда имеет место при нормальной их работе.

Внешним проявлением его на игольчатых коронирующих электродах служит голубовато–фиолетовое свечение на заостренных концах игл. Именно концы игл и подвержены электрической эрозии, которая превращает их со временем из заостренных в овально–притупленные. Это приводит к снижению эффективности электрической очистки газа в аппарате, т.е. к необходимости периодической замены игл на новые.

Ранее [11] нами было выведено выражение коэффициента с условным обозначением Nэц для электроциклона, зависящего от геометрических параметров аппарата, физических параметров очищаемого газа и улавливаемой пыли:

где dч – диаметр частиц;

dц – диаметр частиц, улавливаемых на 50% под воздействием центробежных dэ – диаметр частиц, улавливаемых на 50% под воздействием электрических Здесь следует подчеркнуть, что нами же разработан прямоточный электроциклон с коническим корпусом типа ЭНВГК [11]. Он применен в качестве экспериментальной модели с углом конусности корпуса 20. При этом, половина этого угла 0 равна действительному углу, необходимому для поддержания постоянной тангенцальной скорости потока газа по высоте корпуса аппарата. Причем, он равен углу тр, который необходим для преодоления трения газового потока внутри корпуса аппарата.

Проведенные нами исследования на прозрачной модели циклона типа НВГК, основы электроциклона ЭНВГК, показали, что количество витков nэ пылегазового потока в его сепарационной зоне зависит от скорости потока на входе в аппарата vвх. Причем, nэ с ростом vвх постепенно увеличивается и при повышении vвх в рабочем диапазоне от 14 до 20 м/с nэ возрастает с 2,5 до 2,9. Построенная графическая кривая зависимости nэ = f(vвх) показала, что она асимптотически приближается к значению nэ = 3,6 при vвх > м/с.

Выражение (1) можно представить в виде при условии, что частицы в электроциклоне заряжаются до предельного значения. Это вполне реально, так как известно, что взвешенная в газе частица при поступлении в аппарат электрической очистки "приобретает электрический заряд, который достигает значения, близкого к максимальному, за очень малую долю секунды" [13]. Как было указано выше, даже при максимуме рабочего диапазона vвх пылегазовый поток совершает внутри его корпуса 2,9 оборота. Расчеты показывают, что в межэлектродном пространстве частица находится при этом в течение нескольких секунд.

При условии, что в электроциклоне частицы определенного диаметра dч улавливаются с эффективностью 50%, т.е. при P(d) = 0,5 получаем величину Nэц = 1 и имеем:

Отсюда получаем формулу для определения частиц, улавливаемых на 50% в электроциклоне dтэц [11]:

При этом справедливы следующие выражения:

где dэц – диаметр частиц, улавливаемых на 50% под совместным воздействием b1 – поправочный коэффициент.

Ранее нами экспериментально и математическим путем было доказано наличие эффекта усиления в электроциклоне при совместном воздействии на частицы центробежных и электрических сил и выведено выражение для коэффициента усиления [11]. С учетом этого эффекта выражение (3) можно записать в следующем виде:

где dтэ – теоретически определяемый диаметр частиц, улавливаемых на 50% под b2 – коэффициент усиления, определяемый экспериментально по полученным При этом, эффективность улавливания частиц на 50% под воздействием электрических и центробежных сил можно представить выражением:

где dn – медианный диаметр частиц в исходной пыли.

Причем, с учетом эффекта усиления, для dэц также справедливо выражение:

Величину dц здесь можно представить в виде:

где b0 – поправочный коэффициент, определяемый экспериментально при эффективности аппарата 50% под воздействием центробежных сил;

dтц – теоретически определяемый диаметр частиц, улавливаемых на 50% под Ранее нами были получены [11] формулы для расчета фракционной эффективности электроциклона:

и полной его эффективности эц – среднеквадратичное отклонение фракционной характеристики электрогде циклона (корень квадратный от дисперсии фракционной характеристики электроциклона, эц = эц ), параметр, определяемый экспериментально из выражения:

причем, d84,1, d50, d15,9 – диаметры частиц, при которых суммарная масса всех частиц, имеющих размер меньше этих значений, составляет соответственно 84,1, 50 и 15,9% от общей массы пыли;

где n – дисперсия распределения исходной пыли по размерам.

Исходные формулы (11) и (12) фракционной эффективности электроциклона дают достаточно верные результаты для крупных и для мелких частиц. При этом, крупные частицы эффективно улавливаются с помощью центробежного поля, а мелкие – с помощью электрического поля. Для более точного расчета улавливания частиц промежуточного размера (1030 мкм), здесь вводятся поправочные коэффициенты.

Следует подчеркнуть, что формулы (11) и (12) совпадают, когда какое-либо из полей, действующих на частицы в электроциклоне, отсутствует. Однако, в формуле (12) значения эц и dэц зависят от размера улавливаемых частиц dч. Действительно, из сравнения формул (11) и (12) можно записать уравнение:

Решаем это уравнение и находим выражение для dэц:

т.е. dэц действительно зависит от dч.

Как известно, полная эффективность пылеуловителя рассчитывается по формуле:

fp(x) – дифференциальная функция распределения пыли;

P(x) – фракционная эффективность пылеуловителя.

При этом, в частности, если пыль соответствует логнормальному закону распределения, что, как правило, имеет место на практике, используя формулу (12), полученную из формулы (18), с заменой в ней в выражении dэц, рассчитываемого по формуле (17), значения dч на dч = const, получаем формулу (13). Причем, dч = const является неизвестной величиной, принятой в работах [8, 9, 10] равной медианному диаметру частиц улавливаемой пыли.

Если же при вычислении интеграла в правой части формулы (18) использовать формулу (11), то получим также приближенную формулу расчета полной эффективности электроциклона:

Экспериментально полученные данные при модельных испытаниях электроциклона ЭНВГК показывают, что полученная нами и предложенная новая формула (19) значительно упрощает инженерный расчет электроциклонов. Предложенная формула расчета полной эффективности электроциклона корректна и с точки зрения физики пылеулавливания.

[1] Barth W. Zur. Problematic der Staub abscheider Archiv fr Wrmewirtshaft. 1993. № 10.

S. 267-269.

[2] Сыркин С.Н. Теория моделирования траекторий твердых частиц в криволинейном потоке / Отчет ЦКТИ. 1934.

[3] Коузов П.А. О применимости теории моделирования циклонного процесса / Отопление и вентиляция. 1937. № 9. С. 11-13.

[4] Гольдин Ш.Л. Моделирование элементов теплотехнических устройств. М.: Металлургия, 1982. 80 с.

[5] Литвинов А.Т. Эффективная очистка газа в аппаратах, использующих для выделения частиц пыли из потока центробежную силу // ЖПХ. 1971. № 6. Т. XLIV (44).

С. 1221-1227.

[6] Deutsch W. Bewegung und Ladung der Elektrizitatsfrder im Zylinderkondensator. Ann.

d. Phys. 1922. Bd 68. № 12. S. 335-344.

[7] Казаков В.А. Введение в теорию марковских процессов и некоторые радиотехнические задачи / Советское радио. М.: 1973. С. 6-8.

[8] Пеньков Н.В., Ведерников В.Б. К теории разделительных процессов // В кн.: Процессы и аппараты технологии неорганических веществ. Свердловск, 1976. В. 41.

[9] Пеньков Н.В., Ведерников В.Б., Новиков Л.М., Савицкая Л.Ф. Об эффективности пылеулавливания в конических и цилиндрических электроциклонах // В кн.: Процессы и аппараты технологии неорганических веществ. Свердловск, 1979. В. 48.

[10] Новиков Л.М., Быков В.А., Инюшкин Н.В., Заостровский Ф.П., Воронкова Т.И., Лысенко Т.В. Исследование основных закономерностей процесса пылеулавливания в электроциклонах // В кн.: Процессы и аппараты технологии неорганических веществ. Свердловск, 1982. В. 54. С. 20-24.

[11] Новиков Л.М. Разработка конструкции и метода расчета центробежно-электрического пылеуловителя – электроциклона. Диссертация на соиск. уч. степ. канд. техн.

наук. УПИ. Сверлдовск, 1987.

[12] Новиков Л.М., Ведерников В.Б., Инюшкин Н.В. Электроциклон. А.с. СССР № 971475, кл. В 03 С 3/14, В 01 D 35/06 // Б.И. № 41. 1982.

[13] Ужов В.Н. Очистка промышленных газов электрофильтрами. М.: Химия, 1967.

ОПТИМИЗАЦИЯ ЦИКЛОННЫХ ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЕЙ

ПО КРИТЕРИЮ МИНИМАЛЬНАЯ СТОИМОСТЬ ОЧИСТКИ

Выбор циклонных пылеуловителей обычно производится по требуемой эффективности улавливания при заданном гидравлическом сопротивлении, характеризующим энергозатраты на проведение процесса пылеулавливания. Ранее в работах [1-4] была показана связь основных конструктивных и режимных параметров циклонов с эффективностью улавливания и гидравлическим сопротивлением аппаратов.

Основные конструктивные параметры сепарационной зоны циклона, в которой происходит процесс разделения газ твердые частицы, были обобщены путем введения симплекса геометрического подобия К, численное значение которого равно отношению диаметра выхлопной трубы циклона d к его внешнему диаметру D. На рис. 1 схематично показано, каким образом меняется конструкция сепарационной зоны циклона от изменения значения симплекса К.

Из схем, представленных на рис. 1 следует, что с уменьшением симплекса К увеличивается ширина входного патрубка циклона а, уменьшается его высота В и следовательно увеличивается число витков газа в сепарационной зоне циклона.

Используя полученные нами расчетные формулы:

где P(dч) – фракционная эффективность улавливания;

А и b – экспериментальные коэффициенты;

К симплекс геометрического подобия циклонов;

Н высота цилиндрической части циклона;

Wвх – скорость потока во входном патрубке;

z плотность материала частиц;

где коэффициент гидравлического сопротивления циклона, можно рассчитать в относительных единицах стоимости оптимальное значение симплекса К, при котором будет обеспечена минимальная стоимость очистки при известных стоимостях улавливаемой пыли и электроэнергии.

Наглядный вариант результатов таких расчетов показан на рис. 2.

кривая 1 – зависимость стоимости неуловленной пыли от К кривая 2 – зависимость стоимости электроэнергии от К кривая 3 – суммарная, характеризует зависимость стоимости очистки от К Из рис.2 следует, что график зависимости стоимости очистки от симплекса К имеет минимум при К=Копт. Таким образом конструкция сепарационной зоны циклона, характеризующаяся полученным из расчета (графика) значением Копт, обеспечивает для заданных условий минимальную стоимость очистки.

Расчеты по приведенной выше методике позволяют решать следующие техникотехнологические задачи:

осуществлять расчет оптимальной конструкции одиночного циклона по критерию минимальная стоимость очистки;

рассчитывать циклоны с максимальной эффективностью или с минимальным гидравлическим сопротивлением;

оптимизировать многоступенчатые системы пылеулавливания, включающие одиночные или групповые циклоны;

рассчитывать циклонные аппараты, работающие в режиме фракционирования полидисперсных порошков.

Разработанные на основе расчетов по представленной методике усовершенствованные циклоны и многоступенчатые системы пылеулавливания успешно эксплуатируются в течение ряда лет на предприятиях химической, металлургической, строительной, пищевой и других отраслей промышленности.

Под стоимостью очистки понимаются затраты на проведение процесса пылеулавливания, которые равны стоимости электроэнергии и стоимости пыли, неуловленной циклоном [1] Ведерников В.Б., Полыковский Г.Б. Экономико-математическая модель процесса пылеулавливания в центробежных аппаратах // ЖХП. 1989. № 10. С. 789-792.

[2] Ведерников В.Б., Полыковский Г.Б. Метод расчета процесса пылеулавливания в циклонах // ЖПХ. 1989. Т. 62. № 11. С. 2479-2483.

[3] Полыковский Г.Б. Совершенствование конструкций циклонов на основе развития теории процесса пылеулавливания в центробежном поле. Кандидатская диссертация, Свердловск, 1986. 227 с.

[4] Ведерников В.Б. Процессы разделения в газодисперсных системах. Докторская диссертация, Москва, 1992. 253 с.

ПРИМЕНЕНИЕ ЦИКЛОНОВ НВГ И ДПЦ В СИСТЕМАХ

ПЫЛЕУЛАВЛИВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ

ЭЛЕКТРОЦИКЛОНОВ ЭНВГ

Л.М. Новиков, Н.В. Инюшкин, В.Б. Ведерников, А.А. Ермаков, С.М. Колтышев, К.Л. Новиков, М.И. Хазан, Н.П. Махалева Прямоточные циклоны или циклоны с нижним выводом газа (НВГ) имеют корпус либо конической формы (типа НВГК), либо цилиндрической (типа НВГЦ). Они разработаны лабораторией пылеулавливания института УНИХИМ совместно с кафедрой ПАХТ УГТУ-УПИ и признаны наиболее эффективными прямоточными центробежными пылеуловителями [1, 2].

Исследования показали, что циклоны НВГ не только не уступают широко распространенным в системах пылеулавливания противоточным циклонам в эффективности пылеулавливания при меньшем гидравлическом сопротивлении, но и имеют ещё ряд других существенных преимуществ. Это имеет место прежде всего при компоновке циклонов в системах пылеулавливания, а также в системах улавливания порошковых и пылевидных продуктов с меньшим количеством пылеуловителей, т.е. с меньшими материальными и энергетическими затратами. Всё это позволило циклонам НВГ с начала семидесятых годов двадцатого века найти широкое применение в системах пылеулавливания сначала в химической, а затем и в других отраслях промышленности [3].

Сравнительные испытания циклона типа НВГК с противоточным циклоном института НИИОГАЗ типа ЦН-15, широко применяемым в различных системах пылеулавливания, показали существенные преимущества циклона НВГК. Последний имеет более высокую эффективность при меньшем гидравлическом сопротивлении. Причем, эффективность циклона НВГК неизменно возрастает с повышением скорости газа вплоть до её величины на входе до 40 м/с, а в циклоне ЦН-15 она резко снижается при величине свыше 26 м/с.

Институт НИИОГАЗ (г. Москва) является головным по промышленной и санитарной очистке газов, в котором разработаны различные пылеуловители, начиная от аппаратов самой грубой и заканчивая тонкой, санитарной очисткой. Однако при разработке аппаратов центробежного пылеулавливания предпочтение здесь было отдано противоточным циклонам. При этом, разработанным к тому времени малоэффективным прямоточным циклонам, не получившим дальнейшей конструктивной доработки, естественно, была отведена ниша вспомогательных пылеуловителей. Из прямоточных циклонов в то время наибольшее применение находил циклон ЦКТИ [4]. Его устанавливали в качестве предварительной ступени очистки газов в системах золоулавливания, обычно с корпусом большого диаметра, выложенным внутри противоабразивной плиткой. Большинство из других конструкций прямоточных пылеуловителей представляют собой цилиндрические трубы с розеточным, лопаточным или винтовым входом газа [5]. Они применяются в основном как пылеконцентраторы, имеющие высокую пылепропускную способность и небольшие размеры. Освобожденный в них, в основном от крупных частиц, газ направляется на доочистку в обычные, т.е. эффективные противоточные циклоны.

В процессе конструктивного оформления циклонов НВГ было выявлено, что все известные до них прямоточные центробежные пылеуловители имеют нарушенный аэродинамический режим потока газа внутри корпуса. Последнее объясняется отсутствием у них бункера, как в обычных противоточных циклонах и использование в качестве накопителя уловленной пыли нижней части их корпуса. Однако известно, что бункер является необходимой и неотъемлемой частью циклона, в которой продолжается процесс пылеулавливания и где "завихренный поток меняет своё направление и теряет скорость, вследствие чего происходит выпадение взвешенных частиц"[6]. "Бункер участвует в аэродинамике циклонного процесса, поэтому использование циклонов без бункера или с уменьшенными против рекомендуемых размерами бункера приводит к ухудшению эффективности аппаратов"[7]. Кроме того, низкую эффективность, например, циклона ЦКТИ можно объяснить и выводом его выхлопной трубы через боковую стенку корпуса, что также существенно нарушает аэродинамику газопылевого потока в аппарате. Выхлопная труба здесь образует преграду на пути вращающейся части потока в кольцевом пространстве между корпусом и выхлопной трубой. При встрече потока с этой преградой образуются завихрения, которые нарушают аэродинамику потока также и в сепарационной части корпуса аппарата. В результате существенно снижается эффективность циклона и повышается его гидравлическое сопротивление.

Таким образом, конструктивная недоработка прямоточных пылеуловителей явилась причиной их недооценки и причисления к разряду второстепенных центробежных пылеуловителей.

Циклоны НВГ успешно применяются для улавливания влажных и залипающих пылей [8]. Это стало возможным благодаря прямоточному принципу их работы, в отличие от противоточных циклонов. Важнейшим условием предотвращения налипания пыли на стенке корпуса аппарата является максимально возможное ослабление прижатия и даже отстранение её от стенки корпуса. Одним из этих методов, часто применяемых в противоточных аппаратах, является изготовление корпуса в виде цилиндра и даже обратного конуса. Однако этот метод приводит к снижению эффективности пылеулавливания в связи с неизбежным быстрым уменьшением скорости вращающегося потока. В прямоточных же циклонах НВГ запыленный поток газа при вращательно-поступательном движении сверху вниз постепенно отодвигается всё дальше от стенки, даже в аппарате с конически сужающимся корпусом типа НВГК, направляясь непосредственно к горловине выхлопной трубы. Аэродинамические исследования показали, что от входного отверстия в циклоне типа НВГК непосредственно в горловину выхлопной трубы по воображаемому внутреннему конусу устремляется до 85 % от всего потока газа. Это способствует существенному ослаблению силы прижатия взвешенных частиц к стенке корпуса, существенно ослабляет и даже устраняет силу прижатия к ней частиц влажной и залипающей пылей.

Кроме того, при очистке обычно горячих технологических газов, выхлопная труба в циклонах НВГ, проходя из корпуса вниз и наружу через бункер, обогревает нижнюю часть корпуса и сам бункер. Это способствует предотвращению охлаждения пыли в пылеспускном кольцевом отверстии между корпусом и бункером и в самом бункере. При этом исключается процесс охлаждения уловленной пыли и конденсации влаги с нежелательным последующим процессом налипания пыли на стенках бункера и его постепенным зарастанием.

Циклоны НВГ также успешно применяются и для улавливания абразивной пыли [9].

В ЗАО"Кондор-ЭКО"(Экологический консорциум "РОСГАЗООЧИСТКА", г. Ярославль) по образцу циклона НВГ был изготовлен и испытан прямоточный циклон с цилиндро-коническим корпусом и с улиточным вводом запыленного газа (воздуха). Испытания этого прямоточного аппарата подтвердили все полученные ранее преимущества прямоточных циклонов типа НВГК перед противоточными. Цилиндро-конические прямоточные циклоны успешно применены в виде блоков с горизонтальным расположением элементов диаметром 50 мм для предварительной очистки воздуха газотурбинных двигателей. Замеры показали, что при среднем медианном диаметре частиц дорожной пыли в 30 мкм степень очистки воздуха в этих циклонах составляет порядка 95 % [2].

Исследования по усовершенствованию прямоточных циклонов типа НВГК с целью дальнейшего повышения их эффективности были продолжены. В результате, на основе циклона НВГК, был разработан и испытан принципиально новый двухстадийный прямоточный циклон типа ДПЦ [10].

В циклоне ДПЦ, в отличие от известных противоточных циклонов подобного класса, например, конических циклонов института НИИОГАЗ типа СДК-ЦН-33 и СКЦН-34, эффективная очистка газа осуществляется при примерно в полтора раза меньшем гидравлическом сопротивлении аппарата. В нём вторая стадия очистки осуществляется без каких-либо дополнительных энергетических затрат. Здесь максимально полезно используется энергия закрученного потока по всей высоте аппарата, что практически не применяется в других известных циклонных пылеуловителях.

В циклоне ДПЦ вполне удачно используется метод увеличения скорости закрученного потока в конически сужающихся корпусе и в его выхлопной трубе. Причем, выхлопная труба здесь удачно используется и в качестве дополнительного корпуса аппарата, где эффективно осуществляется вторая стадия пылеочистки. Прямоточный принцип работы этого аппарата позволяет осуществить более простой постадийный вывод уловленных частиц, отсепарированных к стенкам основного и дополнительного корпусов аппарата. Причем, для вывода частиц, отсепарированных к стенкам выхлопной трубы, к ней снизу коаксиально присоединена разделительная камера, состоящая из корпуса, бункера и отводной трубы.

Модельные испытания показали, что циклон ДПЦ имеет более высокую степень очистки газа по сравнению с циклоном НВГК, на основе которого он разработан. В циклоне ДПЦ улавливается больше примерно в 4 раза частиц, относящихся к средней фракции (1030 мкм) и в 1,5 раза частиц, относящихся к мелкой фракции (< 10 мкм).

Циклон ДПЦ в системах пылеулавливания успешно заменяет два последовательно установленных циклона. При этом системы становятся более компактными, с меньшими материальными и энергетическими затратами. Прямоточные циклоны ДПЦ, так же, как и все циклоны НВГ удачно компонуются в группы для создания компактных высокопроизводительных систем.

Групповые циклоны с четырьмя элементами типа ДПЦ-4 успешно применены в качестве второй ступени очистки газов барабанных печей фтористого алюминия и криолита в цехе фторсолей Сумского АО "Химпром" (Украина). При производительности по газу примерно 20 000 м3/ч с начальной запыленностью около 25 г/м3 двумя ступенями циклонной очистки запыленность газа перед последующей ступенью санитарной очистки удалось снизить до 0,8 г/м3. Это позволило обеспечить стабильную и надежную работу аппаратов тонкой мокрой очистки типа "Ротоклон".

Два групповых циклона типа ДПЦ-4 также успешно применены в двухступенчатой системе очистки аспирационного воздуха от щебеночной пыли, выделяемой от аппаратов в дробильно-сортировочном цехе Исетского щебеночного завода (г. В. Пышма).

Исследования показали, что при суммарной производительности по очищаемому воздуху 80 000 м3/ч со средней запыленностью на входе в групповые циклоны 6,0 г/м3, их эффективность в среднем составила 76,6 %. Причем, общая эффективность связки аппаратов "пылеосадительная камера групповой циклон" в среднем составила 89,0 %. Следует отметить, что, с целью обеспечения стабильной работы циклонов в любое время года, здесь впервые была применена усовершенствованная компоновка циклонов. При этом под каждым групповым циклоном была установлена дополнительная бункерная емкость.

Причем, оба бункера группового циклона и дополнительный бункер соединены между собой пылепускными трубами без какого-либо затвора. Пылепускной затвор имеется только под дополнительным бункером, нижняя коническая часть которого расположена в укрытом от воздействия наружного воздуха приямке.

Одиночный циклон ДПЦ установлен также в солевом цехе ПКЗ (г. Полевской) в качестве первой ступени системы очистки газа барабанной печи №4 производства криолита. Обследование показало, что при средней производительности по газу 9 300 м3/ч с запыленностью 17,0 г/м3 эффективность циклона ДПЦ в среднем составила 83,5 %.

Известно, что разработанные на основе циклонов НВГ комбинированные центробежно-электрические пылеуловители прямоточные электроциклоны ЭНВГ имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с электрофильтрами [11]. Это вполне обоснованно позволяет рассматривать компактные электроциклоны в качестве серьезной альтернативы громоздким электрофильтрам. Однако, до сих пор считается, что электроциклоны могут быть применены только в системах пылеочистки с относительно небольшими производительностями (5 000 20 000 м3/ч) по очищаемому газу. Это мнение основано, в частности, на некоторых конструктивных особенностях одиночных аппаратов и на практическом отсутствии их конструктивных разработок на повышенные производительности по газу. Такие аппараты необходимы для крупнотоннажных производств предприятий энергетической, металлургической, цементной и других отраслей промышленности.

Главной конструктивной особенностью электроциклона является то, что величина межэлектродного расстояния у него соответствует ширине входного патрубка для ввода запыленного газа в корпус аппарата. При этом, даже с применением современных агрегатов эдектропитания типа АПТД с максимальным номинальным выпрямленным напряжением 110 кВ, межэлектродное расстояние не превышает величины 0,175м. Поэтому в электроциклоне увеличение его производительности, при постоянной ширине входного патрубка, приводит к непропорциональному увеличению не только высоты входного патрубка, но и высоты самого аппарата. Кроме того, с увеличением производительности электроциклона непропорционально увеличивается и диаметр его обтекателя коронирующего электрода. Последнее приводит к нерациональному использованию внутреннего объема корпуса аппарата.

В связи с вышеизложенным, были проведены расчеты по оптимизации конструкции одиночного электроциклона максимально возможной производительности по очищаемому газу и использования его в качестве элемента для создания высокопроизводительного аппарата. Расчеты показали, что такой элемент электроциклона имеет диаметр корпуса примерно 1,5 м и при входной скорости газа 20 м/с производительность по газу порядка 20 000 м3/ч.

Для создания высокопроизводительного центробежно-электрического аппарата с использованием оптимизированного одиночного электроциклона в качестве его элемента, как один из возможных вариантов, была выбрана круговая равномерная компоновка элементов вокруг центральной газоподводящей трубы. При этом, совместно с НПП "Машпром" были разработаны аппараты с 12 и 24 элементами с коническим корпусом, соответственно, типа ЭНВГК-12 и ЭНВГК-24. Они имеют производительность по очищаемому газу, соответственно, 240 тыс. м3/ч и 480 тыс. м3/ч. При соответствующих габаритах аппаратов по высоте 16 м и 18 м и диаметрах бункеров 6,5 м и 9,5 м, они имеют общую массу, соответственно, 120 т и 250 т. По сравнению с электрофильтрами на такую же производительность по очищаемому газу, электроциклоны ЭНВГК имеют меньшие габариты и, соответственно, общую массу. Например, горизонтальный трехпольный двухсекционный электрофильтр типа ЭГАВ СРК, предназначенный для очистки дымовых газов от пыли, производительностью 300 тыс. м3/ч имеет габариты в ширину 7,9 м, в длину 15,5 м, в высоту 14,0 м и общую массу 437 т.

Для обеспечения систем пылеулавливания с ещё большей производительностью по очищаемому газу, разработанные прямоточные групповые электроциклоны ЭНВГКи ЭНВГК-24 устанавливаются в необходимом количестве с параллельным подключением в работу.

[1] Лукин В.Д., Курочкина М.И. Очистка вентиляционных выбросов в химической промышленности. Л.: Химия, 1980. 232 с.

[2] Федоров Б.С., Чекалов Л.В., Горячев И.К., Карпухович Д.Т., Санаев Ю.И. Экотехника. Защита атмосферного воздуха от выбросов пыли, аэрозолей и туманов. Ярославль, Русь, 2004. 424 с.

[3] Новиков Л.М., Инюшкин Н.В., Ведерников В.Б., Пеньков Н.В., Ермаков А.А., Полыковский Г.Б., Новиков К.Л., Хазан М.И. Обеспыливание выбросов в атмосферу с помощью усовершенствованных аппаратов // Труды УНИХИМа, Екатеринбург, 2000. В. 71. С. 80-87.

[4] Русанов А.А., Урбах И.И., Анастасиади А.П. Прямоточные циклоны // В кн.: Очистка дымовых газов в промышленной энергетике. М.: Энергия, 1969. С. 57.

[5] Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю., Мягков Б.И., Решидов И.К. Очистка промышленных газов от пыли. М.: Химия, 1981. 392 с.

[6] Циклоны НИИОГАЗ. Руководящие указания по проектированию, изготовлению, монтажу и эксплуатации. Всесоюзное объединение по очистке газов и пылеулавливанию. Ярославль, 1970. 96 с.

[7] Справочник по пыле и золоулавливанию // Под общей ред. Русанова А.А. М.:

Энегоатомиздат, 1983. 312 с.

[8] Новиков Л.М., Инюшкин Н.В., Ермаков А.А., Новиков К.Л., Махалева Н.П. Применение прямоточных циклонов типа НВГ для улавливания залипающих пылей / Переработка техногенных образований Свердловской области // Тезисы докладов науч.-практ. конф. "Техноген-98", Екатеринбург, 1998. С. 64.

[9] Новиков Л.М., Инюшкин Н.В., Новиков К.Л., Ермаков А.А., Махалева Н.П. Улавливание абразивной пыли в прямоточных циклонах типа НВГ / Переработка техногенных образований Свердловской области // Тезисы докладов науч.-практ. конф.

"Техноген 98", Екатеринбург, 1998. С. 64-65.

[10] Новиков Л.М., Инюшкин Н.В., Новиков К.Л., Ермаков А.А. Циклон ДПЦ для грубо-средней и частично тонкой очистки газа (воздуха) в системах пылеулавливания / Экологическая безопасность Урала // Тезисы докладов науч.-практ. конф. в рамках междунар. выставки "Уралэкология. Техноген 2002", Екатеринбург, 2002. С. 99.

[11] Новиков Л.М., Инюшкин Н.В., Новиков К.Л., Ермаков А.А. Компактные ресурсосберегающие электроциклоны ЭНВГ в системах пылеочистки промышленных газов (воздуха) альтернатива громоздким элктрофильтрам // Тезисы докладов Всероссийск. научн.-технич. конф. по технологии неорганических веществ, КазаньМенделеевск, 2001. С. 24-26.

ИЗУЧЕНИЕ УСЛОВИЙ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛИТИЯ, АЛЮМИНИЯ, МАГНИЯ В

АЛЮМИНИЙ-ЛИТИЙ-МАГНИЕВЫХ ШЛАКАХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО

ПРОИЗВОДСТВА И В РАСТВОРАХ ИХ ПЕРЕРАБОТКИ

Для получения солей лития при утилизации алюминий-литий-магниевых шлаков последние обрабатывают соляной кислотой. С целью оценки полноты извлечения лития из шлаков необходим аналитический контроль сырья и растворов, полученных при его переработке, на содержание лития, магния и алюминия. Настоящая работа посвящена изучению условий определения лития, алюминия и магния при их совместном присутствии.

Для определения малых количеств лития наибольшее распространение получил метод, основанный на измерении светопоглощения комплекса лития с 0-2-окси-3,6дисульфо-1-1-нафтилазо-бензоларсоновой кислотой (тороном) в щелочной среде при = 490 нм [1,2]. Метод прост и доступен, но требует уточнения условий образования комплекса в присутствии алюминия и магния.

Для работы использовали реактивы х.ч., ч.д.а. и ГСО составов водного раствора иона лития, магния и алюминия. Измерение светопоглощения растворов выполняли на фотоэлектроколориметре КФК-2МП.

С целью выяснения влияния концентрации гидроксида калия на образование комплекса были измерены оптические плотности серии растворов с переменным содержанием гидроксида калия. Кривая зависимости оптической плотности растворов от концентрации щелочи показывает, что светопоглощение комплекса лития с тороном не зависит от изменения концентрации гидроксида калия в интервале 5·10-2–9·10-2 М и образование комплекса возможно при любой концентрации в указанном интервале (рис. 1). Увеличение концентрации гидроксида калия приводит к образованию гидроксида магния и разрушению комплекса. Влияние концентрации щелочи было изучено в растворах с различным соотношением компонентов.

Рис. 1. Зависимость светопоглощения растворов от концентрации KOH.

Оптимальное количество торона, необходимое для достижения полноты образования комплекса лития с тороном, находили изучением серии растворов с переменным содержанием торона в 0,07 М щелочной среде. Результаты представлены на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость светопоглощения растворов от концентрации торона.

Из полученных данных видно, что четко выраженная область независимости оптической плотности растворов комплекса от содержания торона начинается при концентрации торона, равной 2·10-4 М. Уменьшение концентрации лития при образовании комплекса лития с тороном способствует более быстрому насыщению по торону. Увеличение концентрации торона ведет к получению плохо воспроизводимых результатов, по всей вероятности, из-за близкого расположения максимумов светопглощения комплекса лития с тороном и самого торона.

Кинетическая кривая зависимости оптической плотности растворов комплекса от времени показала полноту образования комплекса через 45 минут выстаивания растворов и устойчивость комплекса в течение 15 минут (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость светопоглощения растворов от времени.

Для растворов комплекса в изученных условиях соблюдается закон Бера в интервале 0,001-0,008 мг/25 см3 раствора.

С целью определения магния и алюминия широко используют метод комплексонометрического титрования [3,4]. Магний титруют в присутствии эриохромчерного Т при pH 9,5-10. Алюминий мешает определению магния, образуя комплекс с эриохромчерным Т и тем самым экранируя окраску индикатора. Для маскирования незначительных количеств алюминия используют триэтаноламин, большие количества отделяют от магния. Нами предложено маскирование алюминия комплексоном III при последовательном титровании алюминия и магния. В растворе, содержащем литий, алюминий, магний сначала определяли алюминий методом обратного титрования в присутствии ацетатного буферного раствора и индикаторной системы медь-пиридилазо-нафтол (ПАН), затем вводили аммиачный буфер и при pH 9,5-10 в присутствии этой же индикаторной системы титровали магний.

Оптимальные условия определения алюминия и магния, количество ПАН и меди, ацетатного и аммиачного буферных растворов и температурный режим, необходимые для образования комплексных соединений алюминия, магния с трилоном Б и индикаторами подбирали на модельных растворах, содержащих указанные элементы в количествах, соответствующих их концентрациям в пробах.

По разработанным методикам проведено определение лития, алюминия и магния в модельных растворах и пробах (табл. 1, 2).

Результаты определения лития, алюминия, магния в модельных растворах Результаты определения лития, алюминия, магния в образцах шлака и растворах его Образцы Шлаки Растворы* * Результаты определения Li, Al, Mg в растворах выражены в г/дм Полученные результаты показали хорошую сходимость. Относительное стандартное отклонение при определении лития, алюминия и магния не превышает соответственно 0,03; 0,01 и 0,04.

Статистический метод проверки по t-критерию показал, что расхождение между введенными и найденными количествами элементов статистически незначимо (t расч. < t табл.). На основании проведенного исследования разработаны методики определения лития, магния и алюминия в шлаках, о приобретении которых можно обращаться по телефонам: 371-57-72, 371-28-98.

[1] Сендел Е. Колориметрические методы определения следов металлов. М.: Мир, 1964.

[2] Шарло Г. Методы аналитической химии. М.-Л.: Химия, 1965. С. 693.

[3] Шварценбах Г., Флашка Г. Комплексонометрическое титрование. М.: Химия, 1970.

[4] Тихонов В.Н. Аналитическая химия алюминия. М.: Наука, 1971. С. 63.

ОДИН ИЗ ПУТЕЙ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА БОРМАГНИЕВОЙ ЛИГАТУРЫ

В.И. Кислицын, А.Н. Подкорытов, Н.А. Валов, В.Г. Богатырев, В.И. Рудаков, С.Ю. Кириллов, Л.Н. Елисеева, С.В. Самунь, А.С. Нечепуренко, Б.С. Коган, В технологии получения сверхтвердых материалов на основе нитрида бора в качестве катализатора используют бормагниевую лигатуру (БМЛ). Действующим началом в БМЛ является боридная фаза MgB2, содержание которой по ТУ 6-08-27-010-82 должно быть не менее 82%. Способы получения, свойства боридных фаз приведены в монографии [1]. Отмечается, что в системе Mg–B имеются четыре боридные фазы: MgB2, MgB4, MgB6 и MgB12. Для получения монофазного состава БМЛ необходимо соблюдение ряда технологических параметров, в частности, температурного режима на стадии термической обработки исходных компонентов в электропечи.

Опыт эксплуатации ранее существовавшей печи с силитовыми нагревателями убедительно показывал выход продукта, соответствующий ТУ, на уровне 86%. Одной из причин явился большой градиент температур по длине печи, обусловленный непостоянством омического сопротивления самих стержней в результате их "старения" и изменения сопротивления в контактах. Отмеченный недостаток, а также дороговизна силитовых стержней и сложность их замены послужили предпосылкой для реконструкции печи с заменой нагревателей на металлические продольные спирали установки термопар непосредственно в зону синтеза БМЛ и управления скоростью нагрева с помощью пропорционального интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора.

Для выбора оптимального режима нагрева проведены физико-химические исследования, которые позволили определить температуры и последовательность химических превращений на стадии синтеза БМЛ. Оптимальное сочетание реконструкции электропечи с управляемым режимом нагрева и охлаждения позволило не только упростить обслуживание печи, но и сократить расход электроэнергии на 15%. Кроме того повысить выход товарного продукта с 86% до 100% при одновременном повышении содержания диборидной фазы MgB2 с 82-83% до 86-87%, получить при механическом измельчении и классификации максимальный выход требуемой фракции.

Срок службы нагревателей увеличился с двух недель до одного года.

[1] Самсонов Г.В., Серебрякова Т.И., Неронов В.А. Бориды. М.: Атомиздат, 1975.

С. 145-148.

К ВОПРОСУ КИНЕТИКИ РОСТА, РАЗМНОЖЕНИЯ И ГИБЕЛИ

МИКРООРГАНИЗМОВ

Синхронное деление клеток. Согласно [1] в системе на некотором отрезке времени можно создать такие условия, когда клетки будут делиться синхронно. В этом случае имеют место следующие закономерности:

где M(t ) и N(t ) - масса и число клеток микроорганизмов в момент времени t; M 0 и N 0 – масса и число клеток микроорганизмов в начальный момент времени; = () - удельная скорость роста клетки; E( ) - целая часть от, т.е. функция E( ), равная наибольшему целому числу, не превосходящему. Так E() = 0 при 0 < 1, E( ) = Очевидно, что x (t ) = x 2 E ( ) - периодическая функция во времени с периодом = 1, где x (t ) - масса материнской клетки в момент времени t.

Ранее [2-12] при построении математической модели процесса роста, размножения и гибели клеток нами было учтено, что популяция микроорганизмов состоит из громадного числа клеток, в общем случае асинхронно делящихся и растущих с некоторой индивидуальной скоростью в соответствии с их возрастом, со случайным изменением концентрации компонентов и метаболизма в ближайшем окружении отдельной клетки; каждая клетка рассматривается как миниатюрный биореактор идеального смешения с переменным объемом, в котором непрерывно перерабатываются питательные вещества и синтезируются новые необходимые для жизнедеятельности микроорганизма компоненты. В указанных работах рассматривается размножение клеток почкованием и делением, учитывая, что процесс микробиологического синтеза может лимитироваться как переносом питательных веществ к поверхности клетки, так и биохимическими превращениями внутри самой клетки.

Итак, пусть f (x, t ) - плотность функции распределения (дифференциальная функция распределения) числа живых (способных к росту и размножению) микроорганизмов в момент времени t по массам х в единице объема системы; f p (x, t ) - плотность функции распределения числа мертвых (не способных к росту и делению) клеток по массам х в единице объема биореактора в момент времени t; Г(x, t ) - коэффициент смертности.