Разработка технологии термостойкого фильтровального нетканого материала

Серьёзной экологической проблемой являются выбросы в атмосферу вредных веществ предприятий чёрной и цветной металлургии, химической промышленности, цементных и асфальтобетонных заводов. Промышленные выбросы фильтруются рукавными фильтрами из термостойких нетканых материалов.

В зависимости от типа промышленного производства температура эксплуатации фильтров колеблется от 90 °C до 300 °C. Критическим является температурный интервал 250−300°С, и сырьевой состав фильтровального материала должен соответствовать условиям эксплуатации. Для фильтрации в этом температурном интервале используют материалы из волокон с высокой термической устойчивостью.

Во всех областях промышленности нетканые фильтровальные материалы вытеснили тканые фильтры, которые в настоящее время используются в тех отраслях, где по условиям эксплуатации требуются высокая прочность, стабильность структуры и грубая очистка.

Многие отечественные и зарубежные фирмы работают над совершенствованием свойств термостойких фильтровальных нетканых материалов, изменяя состав, структуру, виды отделок и обработок, улучшая тем самым их свойства и расширяя область применения.

Для прогнозирования эксплуатационных свойств и разработки новых видов термостойких фильтровальных нетканых материалов необходим анализ их фильтрующих и термических характеристик, который позволит обоснованно выбрать фильтровальный материал для использования в различных производствах при температуре эксплуатации 250 °C и при ее критических повышениях.

Помимо фильтрующих и термических характеристик, в связи с особенностями промышленного производства, при выборе материала необходимо учитывать химический состав фильтруемой среды. Во время эксплуатации фильтровальных установок необходимо поддерживать температуру выше точки росы. Падение температуры ниже определенного значения «точки росы» приводит к образованию кислот или липкого слоя пыли, которые разрушают материал, снижая срок службы рукавного фильтра. Это необходимо учитывать при проектировании фильтровальных установок с рукавными фильтрами для повышения их срока эксплуатации.

Актуальность работы.

На крупнейших промышленных производствах высокотемпературные выбросы твердых и токсичных веществ в атмосферу фильтруются рукавными фильтрами из различных термостойких волокон зарубежного производства. Несмотря на множество предложений в области разработки термостойких фильтровальных нетканых материалов, на сегодняшний день не существует материала, отвечающего комплексу требований по физико-механическим, фильтрующим и термическим свойствам. Из-за специфики сырья фильтровальные материалы из термостойких волокон очень дорогостоящие.

Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки и исследования структуры и свойств новых видов термостойких фильтровальных нетканых материалов для очистки от промышленных выбросов при температуре 250−300°С.

Внедрение таких материалов позволит заменить дорогостоящие импортные аналоги, обеспечить высокие физико-механические свойства, улучшить фильтрующие и термические характеристики, увеличить устойчивость к термическому старению и кислотостойкость, снизить себестоимость готового материала.

Целью работы является разработка технологии термостойкого фильтровального нетканого материала.

Задачи исследований.

Исходя из поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Анализ современного состояния производства термостойких фильтровальных нетканых материалов отечественного и зарубежного производства;

2. Анализ патентов и научных трудов, посвященных вопросам разработки структуры, исследования свойств и применения фильтровальных нетканых материалов;

3. Исследование теоретических основ фильтрации с использованием нетканых материалов различной структуры;

4. Разработка технических требований к термостойким фильтровальным нетканым материалам для фильтрации твердых частиц;

5. Разработка структуры термостойких фильтровальных нетканых материалов с использованием дополнительных компонентов;

6. Разработка технологии производства термостойких фильтровальных нетканых материалов;

7. Проведение экспериментальных исследований фильтровальных материалов с использованием современных методов и средств;

8. Анализ полученных результатов исследований и оптимизация технологических параметров термостойких фильтровальных нетканых материалов;

9. Апробация метода Девиса для определения теоретических значений эффективности фильтрации и воздухопроницаемости фильтровального материала с целью повышения его эксплуатационных свойств;

10. Сравнительные экспериментальные исследования фильтровальных материалов различной структуры, определяющие влияние структурных характеристик и видов обработки на их фильтрующие свойства;

11.Исследование структуры термостойких фильтровальных нетканых материалов после пропускания кварцевой пыли с помощью методов световой микроскопии;

12.Сравнительный анализ термической устойчивости разработанного термостойкого фильтровального нетканого материала и импортного аналога, изменения их физико-механических свойств в условиях термического старения и действия растворов кислот;

13.Исследование регенерируемости, эффективности фильтрации, пылеемкости фильтровальных материалов из термостойких волокон при многократных циклах регенерации;

14. Сравнительный анализ технико-экономической эффективности разработанного термостойкого фильтровального нетканого материала с улучшенными свойствами и импортного аналога;

15.Разработка технических условий и технологического регламента изготовления термостойкого фильтровального нетканого материала.

Методы исследования.

В работе использовались стандартные и нестандартные методики исследования физико-механических, функциональных и эксплуатационных свойств волокон и термостойких фильтровальных нетканых материалов.

В процессе исследования влияния технологических параметров на свойства фильтровальных материалов из термостойких волокон применялись современные методы математического планирования и анализа эксперимента Статистическая обработка полученных результатов проводилась с использованием пакета прикладных программ.

Для расчёта теоретических значений эффективности фильтрации и воздухопроницаемости фильтровальных материалов применена методика, предложенная Девисом. Исследование структурных характеристик фильтровальных нетканых материалов проводилось методами световой микроскопии.

Для определения термической устойчивости полимеров использован термогравиметрический метод. Изменение физико-механических свойств термостойких фильтровальных нетканых материалов при термическом старении определялось косвенным методом, и при действии растворов кислот — по стандартной методике. Для исследования регенерируемости, эффективности фильтрации и пылеемкости при многократных циклах регенерации использовался ГОСТ 8002–74.

Научная новизна работы.

— разработана технология термостойкого фильтровального нетканого материала;

— проведена оптимизация технологических параметров фильтровальных нетканых материалов из термостойких волокон;

— выведены математические зависимости, характеризующие влияние технологических параметров на физико-механические, структурные, фильтрующие и термические свойства фильтровальных нетканых материалов из термостойких волокон;

— разработана структура термостойкого фильтровального нетканого материала с использованием дополнительных компонентов;

— проведена апробация метода Девиса и разработана программа расчета теоретических значений эффективности фильтрации и воздухопроницаемости фильтровального материала;

— проведен корреляционный анализ полученных расчетных и теоретических значений эффективности фильтрации и воздухопроницаемости фильтровальных материалов;

— проведена комплексная оценка свойств термостойких фильтровальных нетканых материалов различных структур, влияющих на их эксплуатационные характеристики;

— подана заявка на патентование термостойкого фильтровального нетканого материала.

Практическая значимость работы.

— разработанная технология термостойкого фильтровального нетканого материала позволяет сократить затраты на сырье, улучшить его фильтрующие и термические свойства и сделать его более доступным для использования на отечественных асфальтобетонных и цементных производствах;

— разработаны технические условия и технологический регламент производства термостойкого фильтровального нетканого материала;

Использование разработанного термостойкого фильтровального нетканого материала позволяет:

1) Заменить дорогостоящие зарубежные фильтровальные материалы;

2) Обеспечить высокие физико-механические свойства фильтров, улучшить их фильтрующие и термические характеристики по сравнению с зарубежными аналогами;

3) Повысить ресурс работы фильтра за счет увеличения устойчивости к термическому старению и кислотостойкости по сравнению с зарубежными аналогами;

4) Снизить себестоимость по сравнению с зарубежными аналогами в 1,78 раза.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: IV Международном симпозиуме по техническому текстилю, нетканым материалам и защитной одежде Techtextile Russia «Инновационные разработки, современные технологии и применение технического текстиля», «Крокус Экспо», г. Москва, 2009 г.- Международной научно-технической конференции, посвященной 90-летию Московского государственного текстильного университета имени А. Н. Косыгина «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ-2009), МГТУ имени А. Н. Косыгина, г. Москва, 2009 г.- X Международной конференции > «Использование защитных комбинезонов из нетканых материалов на российских предприятиях. Тенденции и перспективы», «Константиновский дворец», г. Стрельна, 2011 г.

Результаты исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, изложены в следующих публикациях:

1) О. О. Ерофеев, Т. Е. Волощик. Исследование свойств нетканых материалов из смеси термостойких волокон. // Сборник научных трудов аспирантов МГТУ им. А. Н. Косыгина, выпуск 15, М., 2009 г. — стр.3.

2) О. О. Ерофеев, Т. Е. Волощик, З. Ю. Козинда. Исследование свойств иглопробивных материалов из термостойких волокон. // Известия высших учебных заведений «Технология текстильной промышленности», № 6, 2010 г. — стр. 46−49 стр.

3) О. О. Ерофеев, Т. Е. Волощик. Термостойкие волокна для производства фильтровальных нетканых материалов. // Сборник научных трудов аспирантов МГТУ им. А. Н. Косыгина, выпуск 16, М., 2010 г. — стр.35.

4) О. О. Ерофеев, Т. Е. Волощик, А. П. Тажкенова. Исследование свойств нетканых фильтровальных материалов из термостойкого волокна Арселон-С. // Актуальность проблемы проектирования технологии нетканых материалов. Сборник научных трудов, посвященных 35-летию кафедры технологии нетканых материалов. М., 2010 г. — стр.39.

5) О. О. Ерофеев, Ю. К. Нагановский, Т. Е. Волощик, З. Ю. Козинда. Сравнительный анализ термических свойств волокон, используемых в материалах для фильтрации высокотемпературных сред. // Известия высших учебных заведений «Технология текстильной промышленности», № 4, 2011 г. — 24−28 стр.

6) О. О. Ерофеев, Т. Е. Волощик, 3. Ю. Тажкенова А. П. Исследование фильтрующих свойств нетканых материалов из термостойких волокон. // Химические волокна, № 2, 2010 г. — 36−37 стр.

7) О. О. Ерофеев, Т. Е. Волощик, 3. Ю. Козинда., С. В. Кузьмин, П. В. Никоноров. Структурный анализ термостойких фильтровальных нетканых материалов методом световой микроскопии. // Нетканые материалы, № 4, 2012 г.-8−10 стр.

8) О. О. Ерофеев, Т. Е. Волощик, З. Ю. Козинда, Ю. К. Нагановский. Исследование влияния факторов эксплуатации на свойства термостойких фильтровальных нетканых материалов. // Химические волокна, № 6, 2012 г. -стр. 12.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Проведены патентно-информационные исследования и изучена научно-техническая литература, посвященные вопросам разработки структуры, исследования свойств и применения фильтровальных нетканых материалов. Рассмотрены теоретические основы фильтрации с использованием нетканых материалов различной структуры.

2. Проведен анализ современного состояния производства отечественных и зарубежных термостойких фильтровальных нетканых материалов. Разработаны технические требования к термостойким фильтровальным нетканым материалам для фильтрации газовой среды.

3. Разработана структура и технология производства термостойкого фильтровального нетканого материала, включающего наружные слои из метаарамидных волокон, тканый каркас из восстановленной ПАБИ пряжи и стекловолокнистый холст.

4. Проведены экспериментальные исследования фильтровальных материалов различных структур, которые показали эффективность использования тканого каркаса из отходов ПАБИ пряжи и стекловолокнистого холста в структуре материала.

5. Анализ результатов предварительного эксперимента позволил выбрать оптимальные технологические параметры материала структуры холст-каркас-холст: поверхностная плотность холстов 220 г/м2 и плотность прокалывания 600 см" 2.

6. Анализ результатов основного эксперимента позволил выбрать оптимальные технологические параметры материала структуры холст-холст-каркас-холст: поверхностная плотность холста из стекловолокна 100 г/м2 и плотность прокалывания 600 см" 2.

7. Проведена апробация метода Девиса для расчета теоретических показателей воздухопроницаемости и эффективности фильтрации исследуемых фильтровальных материалов. Результаты расчетных показателей коррелируют с экспериментальными.

8. Проведен структурный анализ фильтровальных материалов различного состава с использованием метода световой микроскопии. Определено соотношение фракционного состава пыли и средние статистические значения диаметра частиц на различных слоях фильтровальных материалов.

9. Анализ расчетных и экспериментальных показателей эффективности фильтрации, выявил, что сырьевой состав тканого каркаса не влияет на общую эффективность очистки. Установлено, что введение в структуру фильтровальных материалов дополнительного слоя в виде холста из стекловолокна и опаливание одной из его поверхностей повышает эффективность фильтрации материала.

10. Проведенные сравнительные исследования изменения регенерируемости, эффективности фильтрации, пылеемкости разработанного фильтровального материала структуры холст-холст-каркас-холст с импортным аналогом при многократных циклах регенерации показали, что оба материала выдерживают до 2500 циклов регенерации.

11. Сравнительный анализ фильтровальных материалов и их компонентов показал, что введение в структуру фильтровального материала тканого каркаса из ПАБИ пряжи и холста из стекловолокна повышают его термические свойства.

12.

Введение

в структуру фильтровального материала тканого каркаса из ПАБИ и холста из стекловолокна, инертного к кислотам и щелочам, снижает потерю массы материала, его прочностных свойств и усадку при термическом старении.

13. Благодаря высокой стойкости к прожиганию, разработанный материал в отличие от импортного аналога может применяться на промышленных производствах, где происходит выброс искр и раскаленных частиц.

14. Проведен сравнительный анализ технико-экономической эффективности разработанного термостойкого фильтровального нетканого материала с улучшенными свойствами и импортного аналога, который показал, что себестоимость единицы продукции разработанного материала ниже импортного аналога в 1,78 раза.