Гранулированный фильтрующий материал

Предложенное решение относится к области очистки жидкостей и газов и может быть использовано в пищевой, фармацевтической, химической и других отраслях промышленности для повышения качества фильтрации.

Известен фильтрующий материал из диатомита (патент на изобретение РФ №2237510, МПК B01D 39/06, 2004 г.), реализуемый в виде порошка с размером частиц от 0,1 до 0,001 мм. Недостатком данного фильтрующего материала являются малый размер частиц (что затрудняет его регенерацию из-за уноса частиц) и неправильная (несферическая) форма частиц, что снижает сыпучесть, порционирование и плотность упаковки фильтрующего материала.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является гранулированный фильтрующий материал, содержащий кембрийскую глину и молотый бой автоклавного пенобетона (патент на изобретение РФ №2553896, МПК B01D 39/06, 2015 г.). Недостатком известного фильтрующего материала является его невысокие эксплуатационные свойства, которые проявляются в недостаточной эффективности очистки из-за малого (не более 50%) содержания пористого материала (пенобетона) в гранулах, т.е. низкое качество готового продукта.

Технический результат предложенного решения заключается в повышении качества готового продукта.

Указанный технический результат достигается тем, что в гранулированном фильтрующем материале гранулы имеют пористую структуру и сформированы из слоев сферической формы, а шероховатая поверхность слоев обладает абразивными свойствами. Пористая структура гранулы обеспечивает участие всего ее объема в процессе очистки (фильтрации) жидкости или газа, т.е. повышает эксплуатационные качества гранулированного фильтрующего материала. Сферическая форма гранулы (и ее слоев) улучшает сыпучесть и порционирование материала, облегчает его поверхностную обработку, обеспечивает более высокую плотность упаковки и стабильность гранулометрического состава продукта по высоте при засыпке в больших объемах. Шероховатая поверхность гранулы (и ее слоев) предотвращает слипание гранул и перекрытие (экранирование) входных отверстий пор у гранул, с которыми они соприкасаются. Абразивные свойства поверхности гранулы (и ее слоев) обеспечивают отшелушивание и удаление верхних отработанных слоев гранул при их трении в процессе противоточной регенерационной промывки.

Гранулы могут быть выполнены из измельченных до размера менее 1 мм частиц диатомитовой породы (диатомит, кизельгур, трепел, опока, инфузорная земля и др.), которая имеет естественную пористость, обеспечивающую высокое качество гранулированного фильтрующего материала.

Размер гранул должен находиться в интервале от 0,3 до 6,0 мм, т.к. при меньшем размере гранул происходит их массовый унос в процессе противоточной регенерационной промывки, а при большем - резкое возрастание сопротивления фильтрации.

Размер выступов шероховатостей на поверхности гранул должен находиться в интервале от 1,0 до 150,0 мкм, т.к. при меньшем размере выступов шероховатостей гранулы слипаются и перекрывают (экранируют) входные отверстия пор у гранул, с которыми они соприкасаются, а при большем - возникает «проскок» твердых частиц осадка между частицами, что в обоих случаях снижает качество фильтрации.

Экспериментальным путем было установлено, что гранула благополучно отрабатывает гарантийный срок эксплуатации в том случае, если ее прочность при одноосном сжатии составляет не менее 5,0/d_г МПа (где d_г - диаметр гранулы, мм). Для гранулы диаметром 0,3 мм минимально необходимая прочность составляет 16,7 МПа, для 1 мм - 5 МПА, для 5 мм - 1 МПа и для 6 мм - 0,83 МПа. В случае несоблюдения указанного соотношения гранулированный фильтрующий материал теряет свою эффективность вследствие разрушения гранул до истечения гарантийного срока эксплуатации.

В состав гранул может входить от 0,1 до 10,0% (в зависимости от состава диатомита) стеклообразующих оксидов щелочных (натрия, калия, лития) и/или щелочно-земельных (кальция, магния, цинка, бария, свинца) металлов, что повышает прочность гранул на 25-35% за счет их остекловывания в процессе обжига. Если оксидов щелочных и/или щелочно-земельных металлов будет меньше 0,1%, то образовавшиеся отдельные вкрапления стекла не объединятся в цельный стеклянный каркас, и, соответственно, прочность гранулы не увеличится. Если оксидов щелочных и/или щелочно-земельных металлов будет больше 10%, то на прочность гранулы это уже не повлияет, но начнет снижаться пористость гранулы и, соответственно, ее фильтрационная эффективность.

Одним из показателей фильтрационной эффективности гранулированного фильтрующего материала является относительная площадь пор на поверхности гранулы, поперечный размер которых (пор) на поверхности гранул находится в оптимальном для улавливания осадка диапазоне. Для гранул, выполненных из диатомита, оптимальный поперечный размер пор на поверхности гранулы находится в интервале от 0,01 до 20 мкм. При этом площадь пор на поверхности гранулы, у которых поперечный размер пор на поверхности гранулы находится в указанном диапазоне, должна быть не менее 60% от общей площади пор на поверхности гранулы. Максимальная (100%) эффективность фильтрации достигается в случае, когда площадь пор на поверхности гранулы, у которых поперечный размер пор на поверхности гранулы находится в интервале от 0,01 до 20 мкм, составляет 72-80% от общей площади пор на поверхности гранулы. Если площадь пор на поверхности гранулы, у которых поперечный размер пор на поверхности гранулы находится в указанном диапазоне, снижается до 60%, то эффективность фильтрации снижается до 85-90%. Если же площадь пор на поверхности гранулы, у которых поперечный размер пор на поверхности гранулы находится в указанном диапазоне, снижается до 50-55%, то эффективность фильтрации падает до 45-55%.

Пример конкретного выполнения.

Диатомитовую породу (кизельгур, трепел, опоку, инфузорную землю и др.) измельчают до частиц размером менее 1 мм и классифицируют на 3 фракции (до 5 мкм, от 5 до 100 мкм и свыше 100 мкм), которые для регулирования свойств и характеристик гранулированного фильтрующего материала затем смешивают в различном соотношении фракций.

Измельченные частицы породы (одной фракции или смеси из 2-х или 3-х фракций), имеющие влажность 15-18%, смешивают со связующими добавками: например, с водой, повышая влажность измельченных частиц до 38-42%, или с веществами, содержащими углерод, например с водным 5% раствором карбоксиметилцеллюлозы (0,08% карбоксиметилцеллюлозы от веса гранул). В качестве связующей добавки, содержащей углерод, также может использоваться крахмал, модифицированный крахмал, метилцеллюлозу и другие вещества.

Смесь частиц диатомитовой породы со связующими добавками отправляют на послойную грануляцию в тарельчатом грануляторе или грануляторе псевдоожиженного слоя до получения изотропных гранул сферической формы, средний диаметр которых превышает средний эквивалентный диаметр измельченных частиц диатомитовой породы не менее чем в 8 раз. Полученные гранулы подсушивают и затем обжигают при температуре от 700 до 1200°С.

Послойная грануляция и превышение среднего диаметра гранул не менее чем в 8 раз среднего эквивалентного диаметра измельченных частиц диатомитовой породы обеспечивают изотропность гранул (т.е. повышают качество готового продукта) по пористости, проницаемости, плотности и прочности, повышает сферичность гранул.

Готовые гранулы из диатомита имеют пористую структуру, сформированную из слоев сферической формы, шероховатая поверхность которых обладает абразивными свойствами. Размер гранул находится в интервале от 0,3 до 6,0 мм, а размер выступов шероховатостей на поверхности гранул находится в интервале от 1,0 до 150,0 мкм. Прочность гранулы при одноосном сжатии составляет не менее 5,0/d_г МПа (d_г - диаметр гранулы, мм).

Прочность гранул повышается путем их остекловывания в процессе обжига. Для этого в состав гранул добавляют от 0,1 до 10,0% (в зависимости от состава диатомита) стеклообразующих оксидов щелочных(натрия, калия, лития) и/или щелочно-земельных (кальция, магния, цинка, бария, свинца) металлов. Например, для остекловывания гранул, изготовленных из диатомита Инзенского месторождения, достаточно добавить около 2% соды Na₂CO₃.

Загрязненный в процессе эксплуатации гранулированный фильтрующий материал восстанавливают противоточной регенерационной промывкой, в ходе которой при активном взаимодействии (трении) гранул своими шероховатыми поверхностями, обладающими абразивными свойствами, происходит отшелушивание и унос верхних отработанных слоев гранул, наиболее забитых в ходе эксплуатации.