Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

Мухамеджанов Марат Габитович

Разработка технологии нетканых фильтровальных материалов на основе волокнистых каркасных элементов для очистки углеводородных топлив

Специальность 05.19.02. - Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2012

Работа выполнена на кафедре технологии нетканых материалов Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина

Научный руководитель  кандидат химических наук, профессор

Горчакова Валентина Михайловна

Официальные оппоненты Кудрявин Лев Александрович

доктор технических наук, профессор федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина

профессор кафедры технологии трикотажного производства

Жеребцова Нина Анатольевна 

кандидат технических наук, старший научный сотрудник ОАО НПО Стеклопластик фирма

НПК Терм 

Ведущая организация ОАО Центральный научно-исследовательский институт пленочных материалов и искусственных кож

Защита состоится л3 мая 2012 г. в 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.139.02 при Московском государственном текстильном университете имени А.Н. Косыгина по адресу: 119071, Москва, ул. Малая Калужская, д.1.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина

Автореферат разослан  л 3 апреля 2012 года

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор  Ю.С. Шустов

Общая характеристика работы.

Актуальность темы

Углеводородное топливо в процессе производства, хранения, транспортирования, заливки в бак автомобилей и др.  подвергается загрязнению твердыми частицами. Для очистки углеводородных топлив от твердых частиц используются различные фильтрующие материалы: бумаги, специальные картоны, ткани и др. Однако эти фильтрующие материалы не отвечают современным техническим требованиям, поэтому создание новых фильтрующих материалов для очистки углеводородных топлив и оснащение ими фильтроэлементов, являются актуальной задачей.

Цель исследования

Целью данной диссертационной работы является разработка нетканого фильтрующего материала для очистки углеводородного топлива от механических загрязнений, используемого в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) и технологии изготовления структуры пористого многослойного  нетканого фильтрующего материала (НФМ), обеспечивающего номинальную тонкость фильтрации 5 мкм, низкое гидравлическое сопротивление, высокую грязеемкость.

Задачи исследований

Исходя из поставленной цели, в данной работе решались следующие задачи:

-изучение рынка отечественных и зарубежных фильтрующих материалов для очистки углеводородных топлив и оценка тенденции их развития;

-анализ современного состояния научных исследований в области фильтрующих материалов для очистки углеводородных топлив;

-разработка технических требований к НФМ для очистки углеводородных топлив от механических загрязнений, используемых в ДВС;

-разработка модели структуры пористого многослойного НФМ, обеспечивающего необходимую тонкость фильтрации, гидравлическое сопротивление, грязеемкость;

-разработка каркасного волокнистого элемента, выполняющего роль барьера для малых частиц загрязнений, повышающего номинальную тонкость фильтрации;

-разработка технологии изготовления многослойных НФМ с тонкостью фильтрации 5 мкм;

-оптимизация технологических параметров изготовления НФМ;

-установление зависимости фильтрующих характеристик от технологических параметров производства и структурных элементов НФМ;

- внедрение в практику разработанного многослойного НФМ и оценка экономической эффективности от внедрения нового материала для очистки углеводородного топлива от механических загрязнений, в качестве фильтрующей шторы фильтроэлементов;

Методы и средства исследования

В работе использовались стандартные и нестандартные методики исследования физико-механических, функциональных и эксплуатационных свойств  НФМ и его компонентов.

При оптимизации технологических параметров изготовления материала применялись методы математической статистики, математического планирования и анализа эксперимента.

Исследование структурных характеристик проводилось методами поляризационной микроскопии.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

- разработана многослойная структура НФМ на основе алгоритма его работы по осаждению и удержанию частиц загрязнения различных типоразмеров и предложена технология его изготовления;

- разработан основной структурный элемент - барьерный слой, улучшающий фильтрующую способность, и установлено его влияние на изменение эксплуатационных характеристик: грязеемкость, номинальную тонкость фильтрации. Разработана схема технологической реализации многослойной структурной модели НФМ.

- определен характер осаждения и удержания частиц загрязнения в зависимости от предложенных технологических операций с использованием метода поляризационной микроскопии;

- методами регрессионного анализа проведено  исследование факторов, влияющих на изменение структурных характеристик, физико-механических и эксплуатационных свойств НФМ;

-определено влияние технологических параметров изготовления фильтровального материала на изменение номинальной тонкости фильтрации, воздухопроницаемости, пористости;

- научная новизна технического решения подтверждена патентом РФ на изобретение №2421267 Нетканый фильтрующий материал от 20.06.2011г.

Практическая ценность работы

• Разработанная комбинированная технология позволяет осуществить промышленный выпуск НФМ для очистки углеводородного топлива от механических загрязнений размером 5 мкм. Составлен проект нормативно- технической документации на разработанный НФМ.
• Разработанный материал может заменить широко применяемые бумажные фильтрующие материалы как отечественного, так и импортного производства.
• Созданный материал хемостоек к углеводородным топливам и воде, что сохраняет целостность его структуры на протяжении всего времени эксплуатации и исключает проскок частиц более 5 мкм в ДВС.
• Многослойная структура материала обеспечивает высокую и качественную очистку углеводородного топлива, позволяет увеличить грязеемкость до полного засорения фильтроэлемента по сравнению с бумажными аналогами в 2,8 раза, тем самым увеличить срок эксплуатации фильтроэлемента.
• Разработанная структура НФМ позволит создавать ассортиментный ряд фильтрующих материалов для нового поколения ДВС.

Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1. 6 Всероссийской научной студенческой конференции Текстиль 21 века Нетканые материалы технического назначения, 2007г., МГТУ им. А.Н. Косыгина

2. Всероссийской выставке научно- технического творчества молодежи (НТТМ). л Фильтровальные нетканые материалы для углеводородных топлив, 2008 г., ОАО ГАО  Всероссийский выставочный центр.

3. 7 Всероссийской научной студенческой конференции Текстиль 21 века. Нетканый фильтровальный материал, 2008 г., МГТУ им. А.Н. Косыгина.

4. Всероссийской научно- технической конференции (ВНТК) Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль 2009 г. Нетканые материалы для очистки нефтепродуктов от механических загрязнений, 2009г., МГТУ им. А.Н. Косыгина.

5.ВНТК Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль 2010 г. Структура пористых нетканых фильтровальных материалов и ее качественная оценка, 2010 г., МГТУ им. А.Н. Косыгина.

6. 10 Всероссийской научной студенческой конференции Текстиль 21 века. л Нетканые фильтровальные материалы для очистки углеводородных топлив, 2011 г., МГТУ им. А.Н. Косыгина.

7. ВНТК Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль 2011, Технология изготовления нетканых фильтровальных материалов с использованием матриц в виде барьерных слоев, 2011 г., МГТУ им. А.Н. Косыгина.

Достоверность результатов работы

Достоверность и обоснованность основных положений и выводов диссертационной работы подтверждаются согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований и базируются на использовании современных методов математической статистики, планирования и анализа эксперимента, теории фильтрации. Экспериментальные результаты основаны на использовании стандартных методов испытаний волокон и НФМ.  Полученные результаты работы апробированы на предприятиях и получили положительную оценку.

Публикации

В рамках диссертационной работы опубликовано 3 статьи в журналах, включенных в перечень ВАК, 1 патент, 1 научная статья, 7 тезисов докладов.

Объем и структура работы

Диссертационная работа изложена на 196 страницах машинописного текста и состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка используемой литературы из 112 наименований, 20 таблиц, 45 иллюстраций, 7 приложений.

Содержание работы

Во введении приведены обоснование выбора темы и ее актуальность, изложены научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы цель и задачи работы.

Глава 1 диссертационной работы посвящена обзору и анализу информационных источников о развитии рынка НФМ, тенденции развития НФМ, состоянии отечественного рынка фильтрующих материалов для очистки углеводородного топлива и сырьевой базе.

На основе анализа литературных источников были установлены виды и механизмы осаждения частиц загрязнения при очистке углеводородного топлива. Проанализирована теория процесса фильтрации углеводородных топлив, которая позволила спроектировать новую структурную модель НФМ.

Определено направление исследований по созданию новых видов фильтрующих материалов. Проанализированы результаты выполненных исследований о влиянии размера пор, воздухопроницаемости НФМ на номинальную тонкость фильтрации.

Во второй главе изложено методическое обеспечение экспериментальных исследований.

Для оценки физико-механических, структурных, эксплуатационных свойств НФМ для очистки углеводородного топлива от механических загрязнений использовались стандартные методики.

В процессе исследования влияния технологических параметров изготовления на функциональные свойства НФМ использованы современные методы математического планирования и анализа эксперимента с обработкой полученных результатов при помощи современных компьютерных программ.

В третьей главе проведен анализ фильтруемой среды, источников механических загрязнений углеводородного топлива, их видов. Определено распределение частиц загрязнения в дизельном топливе согласно стандарту DIN EN 590 (рис. 1).

Рис.1 Кривая распределения частиц загрязнения по их размерам в дизельном топливе.

Установлено, что для очистки топлива должны использоваться фильтрующие материалы, обладающие глубинным характером осаждения частиц загрязнения.

Составлена условная схема осаждения, удержания частиц загрязнения и алгоритм работы разрабатываемого фильтрующего материала, которая подтверждает необходимость применения многослойной структуры материала.

Установлены основные факторы влияющие на изменение функциональных свойств НФМ: разрывные характеристики, воздухопроницаемость, водо- и хемостойкость в среде углеводородного топлив.

Определены критерии оценки НФМ: пористость, размер пор, скорость прохождения потока, номинальная тонкость фильтрации.

Разработаны технические требования, предъявляемые к современным НФМ для очистки углеводородного топлива от механических загрязнений на основе анализа применяемых аналогов, требований потребителей и существующей нормативно- технической документации: пористость не менее 50%, воздухопроницаемость 42-50 дм3/(м2с), номинальная тонкость фильтрации 5 мкм.

Четвертая глава посвящена разработке технологии многослойного НФМ для очистки углеводородного топлива. Согласно разработанной рабочей структурной модели фильтрующего материала, проведен выбор волокнистого состава по эквивалентному радиусу пор. Выполнен расчет линейных плотностей волокон в каждом слое.

; (1) 

где, - средний эквивалентный радиус пор идеального НМ с перекрестным расположением волокон (см);

- средний радиус волокон (см);

в - удельная плотность применяемых волокон (=1,38) г/см3;

v - объемная плотность полотна (г/см3);

- средняя линейная плотность волокон (текс).

Для выполнения требований по прочностным показателям и повышенной номинальной тонкости фильтрации в качестве барьерного слоя опробовано три вида материалов: ткань, холст из полиэфирных волокон линейной плотностью 0,17 текс и иглопробивной термофиксированный нетканый материал (ИНМ). Показано, что оптимальным волокнистым каркасным элементом, используемым в качестве барьерного слоя, является термофиксированный ИНМ.

Характеристики исследуемых барьерных слоев представлены в табл. 1.

Таблица 1

Наименование показателей	Наименование каркасных слоев
	Барьерный слой ИНМ термофиксированный	Холст  из ПЭФ волокон линейной плотностью 0,17 текс	Ткань ПЭФ полотняного переплетения, с размером ячейки 5 х 5 мм
Поверхностная плотность, г/м2	180	140	110
Толщина при удельном давлении 1,0 кПа, мм	2,1	2,5	3,0
Разрывная нагрузка полоски 50х100 мм, даН   по длине   по ширине	8,5 10,0	1,3 1,7	100 120
Относительное удлинение при разрыве,%   по длине   по ширине	48 56	- -	25 25
Воздухопроницаемость, дм3/(м2с)	470	490	Более 2000

Обоснован способ скрепления волокнистых слоев методом иглопрокалывания (дублирования) и предложены схемы иглопрокалывания, позволяющее минимизировать образование сквозных отверстий от следов игл.

Рациональные параметры иглопрокалывания определены с помощью метода математического планирования и анализа эксперимента второго порядка для 3 - х факторов (план Бокс 3).

Найдено уравнение регрессии:

Y=233,4375Ц7,2999Х1+6,3999Х2+2,699Х3Ц2,625Х1Х2+3,375Х2Х3Ц 14,4375Х12+4,0625Х22+4,562Х32 (2)

где, Y - воздухопроницаемость дм3/(м2с) х1- поверхностная плотность г/м2; х2 - плотность прокалывания,  см-2; х3 - глубина прокалывания, мм. 

С целью увеличения номинальной тонкости фильтрации предложено последовательное использование 2-х стадийной термообработки НФМ, позволяющей достичь необходимой структуры фильтрующего полотна:

-термообработка под температурным воздействием;

-термообработка под одновременным воздействием температуры и давления.

Для определения рациональных параметров термообработок использован метод математического планирования для двух факторов (план КОНО-2).

В пятой главе проанализировано изменение структурных, физико-механических и функциональных свойств разработанного НФМ на различных этапах его изготовления. Проведенные исследования подтверждают существенные изменения структурных и фильтрующих характеристик НФМ на каждом технологическом этапе. По разработанной комбинированной технологии, выработана опытная партия нетканого фильтрующего материала.

Известно, что номинальная тонкость фильтрации зависит от размера пор НФМ, уменьшение размера пор приводит к повышению номинальной тонкости фильтрации, что подтверждается диаграммами распределения частиц загрязнения, (рис. 3) прошедших на эталонный образец  после: а - дублирования трех слоев, б - термообработки сдублированных слоев без давления на АТУ - 1800 и в - термообработки на каландре фирмы Рамиш.

  Рис 3 а) б) в)

Анализ экспериментальных данных подтверждает, что размер прошедших частиц загрязнения снижается с 25 мкм (дублирование материала в три слоя) до 15 мкм (после обработки на АТУ-1800) и после каландрирования достигает до 5 мкм.

Изучено влияние номинальной тонкости фильтрации барьерного слоя на номинальную тонкость фильтрации готового НФМ. Результаты взаимосвязи номинальной тонкости фильтрации барьерного слоя и НФМ представлены на рис. 4. Представленные барьерные слои изготовлены с различными размерами пор.

  рис. 4

Барьерный слой во многом предопределяет величину номинальной тонкости фильтрации. Номинальную тонкость фильтрации барьерного слоя можно использовать для прогнозирования величины этой характеристики в НФМ.

Результаты стендовых и промышленных апробаций разработанного НФМ подтвердили, что фильтроэлементы оснащенные новым материалом обеспечивают номинальную тонкость фильтрации 5 мкм, при этом гидравлическое сопротивление на фильтроэлементе в процессе эксплуатации не превышает значения 2,5 кПа. Грязеемкость фильтроэлементов, оснащенных НФМ, по сравнению с фильтроэлементами оснащенными импортными бумажными фильтрующими материалами увеличивается в 2,8 раза. Апробация проведена на установочной серии фильтроэлементов для очистки топлива, поступающего в ДВС тепловозов и автомобилей марки МАЗ.

Технические требования предъявляемые к НФМ и их практическая реализация представлены в табл. 2.

  Таблица 2

№ п/п	Наименование показателей	Заданные значения	Показатели разработан ного НФМ
1	Поверхностная плотность, г/м2, не более	50025	520
2	Толщина при удельном давлении 20 Па, мм, не более	2,00,1	1,9
3	Разрывная нагрузка полоски 50х100 мм, даН, не менее по длине по ширине	40,0 50,0	64,0 78,0
4	Относительное удлинение пи разрыве, %, не более по длине по ширине	120   120	85 92
5	Воздухопроницаемость дм3/м2с	50-38	42-50
6	Пористость %, не менее	80	80,4
7	Номинальная тонкость фильтрации, мкм, не более	5,0	5,0
8	Хемостойкость	Стойкий к углеводородным топливам и воде	Стойкий к углеводородным топливам и воде
9	Жесткость (метод кольца), сН, не более по длине   по ширине	60 55	58 50
10	Гидравлическое сопротивление в элементе, кПа, не более	9,8	2,0

По своим физико- механическим и функциональным свойствам разработанный НФМ, удовлетворяет техническим требованиям, предъявляемым к материалам для очистки углеводородных топлив от механических загрязнений для ДВС. Разработанный НФМ  обладает высокими значениями разрывных и деформационных характеристик.

В шестой главе  Произведен расчет экономического эффекта от внедрения разработанного НФМ у производителя фильтроэлементов. Составлена смета расходов в расчете на 1 м2 фильтрующего полотна для очистки углеводородных топлив. Экономическая эффективность у производителя фильтроэлементов - 30,3 руб/м2.

Общие выводы по работе.

1.  На основании теории процессов фильтрации углеводородных топлив от механических загрязнений разработан метод проектирования рабочей структурной модели многослойного НФМ с увеличивающим градиентом плотности по толщине материала, позволяющим обеспечить номинальную тонкость фильтрации 5 мкм. На разработанный НФМ составлены проекты СТО и заправочного расчета.

2. Разработана комбинированная технология изготовления многослойного НФМ на основе доступного волокнистого сырья с каркасным элементом, выполняющим роль барьерного упрочняющего слоя, повышающего номинальную тонкость фильтрации.

3. Установлена зависимость номинальной тонкости фильтрации готового НФМ для очистки углеводородного топлива в ДВС от номинальной тонкости фильтрации барьерного слоя.

4. Научная новизна работы защищена патентом РФ на изобретение Нетканый фильтрующий материал № 2421267 от 20 июня 2011 г.

5. Разработанный НФМ предлагается использовать в качестве фильтрующей шторы при изготовлении фильтроэлементов новых конструкций по очистке углеводородных топлив для тепловозов и автомобилей МАЗ взамен бумажных фильтрующих материалов.

6. Преимущества разработанного НФМ, по сравнению с широко применяемыми для фильтрации углеводородных топлив бумажными аналогами, свидетельствуют его высокие эксплуатационные характеристики:

-повышенная грязеемкость в 2,8 раза;

-пониженное гидравлическое сопротивление, не превышает 2,5 кПа;

-устойчивость к воде и углеводородным топливам;

-способность к гофрированию для создания развернутой площади фильтрации и увеличению грязеемкости.

7. Разработанный НФМ обладает рядом технико - экономических преимуществ по сравнению с бумажными фильтрующими материалами и является экономически привлекательным для производителей фильтрэлементов. Общий удельный хозрасчетный показатель экономического эффекта в расчете на 1 м2 НФМ составил 30,3 руб/м2.

8. Полученные эксплуатационные характеристики подтверждены результатами апробации НФМ в фильтроэлементах для тепловозов на ОАО Коломенский тепловозостроительный завод и в фильтроэлементах для ДВС автомобилей МАЗ на АО СПО Дифа (г. Гродно, Беларусь).

Основное содержание диссертационной работы отражено в публикациях:

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов. Влияние термообработок на фильтрующую способность нетканых иглопробивных полотен.// Известия вузов. Технология текстильной промышленности №1 2010г. - 81-83 стр.

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов. Разработка структуры нетканого материала для очистки углеводородного топлива от механических загрязнений.// Известия вузов. Технология текстильной промышленности №4 2011г. - 86-89 стр.

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов. Создание нетканых фильтровальных материалов для очистки углеводородных топлив с заданным показателем жесткости.// Химические волокна №3 2010 г. - 52-54 стр.

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов. Нетканые материалы технического назначения.// Тезисы доклада 6 Всероссийской научной студенческой конференции Текстиль 21 века 2008 г. - 33-34 стр.

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов. Нетканые материалы для очистки нефтепродуктов от механических загрязнений.// Тезисы доклада Международной научно-технической конференции Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль 2009 2009 г. - 57-58 стр.

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов. Структура пористых нетканых фильтровальных материалов и ее качественная оценка.// Сборник научных трудов аспирантов МГТУ им. А.Н. Косыгина №16 2010 г.  -  31-35 стр.

М.Г. Мухамеджанов. Прогнозирование воздухопроницаемости НФМ в зависимости от вида каркасных элементов в структуре.// Тезисы доклада Международной научно-технической конференции Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль 2010 2010 г.  - 79-80 стр.

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов. Технология изготовления нетканых фильтровальных материалов с использованием матриц в виде барьерных слоев.//Тезисы доклада Международной научно-технической конференции Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль 2011 2011 г. - 33-34 стр.

В.М. Горчакова, М.Г. Мухамеджанов, С.В. Конюхова, Т.Ф. Сутягина. Нетканый фильтрующий материал. Патент на изобретение № 2421267 от 20.06.2011.

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям