Фильтр-сепаратор

Изобретение относится фильтрующим устройствам, предназначенным для очистки жидкостей и газов от воды, механических примесей и биозагрязнений.

Фильтр-сепаратор содержит корпус с входным и выходным патрубками и патрубком для отвода примесей дополнительно имеет по меньшей мере еще один дополнительный дренажный патрубок, по меньшей мере два смотровых стекла и датчика уровня конденсата и по меньшей мере один, циклон и фильтрующий элемент, выполненный из фильтрующего и коагулирующего материала, перед входом очищаемой технологической среды в циклон установлен диффузор-конфузор, коллектор для ввода очищаемой технологической среды образован крышкой фильтра-сепаратора и трубной решеткой фильтрэлементов, а фильтрующие элементы выполнены из полимерных материалов в виде цилиндрических тел закрепленных на патрубках трубной решетки с помощью крышек; крышка и днище фильтра-сепаратора выполнены неразъемными, разъемными и/или разъемными и снабжены подъемно-поворотным устройством. 1 н.з и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Настоящая группа полезных моделей относится к устройствам для очистки технологических газовых сред промышленных предприятий, а более конкретно к очистительным устройствам, предназначенным для очистки технологических газовых сред химической и нефтехимической промышленности от жидкостей, воды и механических примесей.

Известен циклон Кочеткова [Патент России 2306984] содержащий корпус, периферийный ввод газового потока, выполненный в виде входного патрубка, винтообразующую крышку, бункер и выходной патрубок для выхода очищенного газа, фильтрующий элемент, установленный на общем с корпусом циклона постаменте, в котором закреплен бункер, имеющий в верхней части пластину с коническим отверстием, над которой с зазором и соостно отверстию установлена отбойная шайба. Фильтрующий элемент представляет собою фильтрпатрон, выполненный виде цилиндрического проволочного или стержневого каркаса с верхним глухим и нижним открытым фланцами, на которых посредством ремешков, расположенных в плоскости, перпендикулярной оси каркаса, закреплен фильтровальный материал. На верхнем фланце фильтрпатрона расположена система регенерации. Бункер выполнен конической или пирамидальной формы с углом наклона стенок, превышающим угол естественного откоса улавливаемой пыли.

Недостатком этого технического решения является сложное крепление фильтрпатрона ремнями и невозможность работать со средами содержащими следы любой жидкости. Отделенная пыль будет смачиваться жидкостью, забивать как фильтр, так и циклон и не удаляться со стенок бункера.

Известно устройство для фильтрации воздушного потока [Заявка Германии 102006041732] с предварительным отделением грубых загрязнений в циклонах содержащее расположенное по ходу потока воздуха устройство для тонкой очистки. Грубая очистка воздуха происходит через множество циклонов, причем в направлении потока перед циклоном находятся воздушные клапаны для регулирования воздушного потока с целью выравнивания давления в различных потоках очищаемого газа.

Недостатком этого технического решения является слишком сложное регулирование равномерности очищаемых воздушных потоков.

Известен сепаратор жидких, твердых и пастообразных частиц, содержащихся в газовом потоке [Заявка Франции 12901151], представляющий собой аппарат, в корпусе которого имеются патрубки входа и выхода газового потока и множество каналов изогнутой формы, расположенных между ними. Часть поверхности каналов представляет собой проницаемую перегородку. В качестве проницаемой перегородки используют решетки, перфорированные металлические ленты, тканные и нетканые материалы. Пористость перегородки составляет от 10 до 98%, толщина от 0,04 до 10 мм.

Недостатком этого технического решения является слишком сложное изготовление и монтаж пористых изогнутых перегородок, достаточно низкая грязеемкость предложенной конструкции.

Известен вихрединамический сепаратор с противоточным направлением входного и очищенного потоков [Патент России 2323767], включающий вертикальный корпус с набором кольцеобразных элементов, штуцер и трубопровод вывода очищенного потока расположенный снизу, штуцер и трубопровод вывода твердых частиц. Начальный участок штуцера вывода очищенного потока выполнен с диаметром, большим диаметра штуцера входного потока, и снабжен конической оболочкой со штуцером и трубопроводом вывода вторичного осадка. Штуцер вывода твердых частиц пропущен через оболочку. Трубопровод вывода вторичного осадка соединен с трубопроводом вывода твердых частиц под острым углом или через эжекционную камеру.

Недостатком этого технического решения является сложное устройство вывода отделенных механических примесей и невозможность работать со средами содержащими следы любой жидкости. Отделенная пыль будет смачиваться жидкостью и плохо удаляться из аппарата.

Известен фильтр-циклон (двухступенчатый) [Патент России 2177820], включающий циклон, фильтр, содержащий зернистый фильтрующий материал, пылевыгрузночное устройство и патрубки подвода запыленного и отвода очищенного воздуха, приэтом циклон выполнен с обратным конусом и расположен над фильтром, а фильтр содержит фильтрующий элемент, установленный с зазором внутри корпуса фильтра и выполненный виде двух коаксиально расположенных жалюзийных решеток, внутри которых размещен зернистый фильтрующий материал, приэтом жалюзи жалюзийной решетки выполнены в идее примыкающих к ее внутренним стенкам пластин, направленных в сторону пылевыгрузночного устройства под углом естественного откоса, а пылевыгрузночное устройство выполнено виде конуса, снабжено весовым дозатором и установлено под фильтром.

Недостатком этого технического решения является сложное устройство фильтрэлемента с насыпным зернистым фильтрующим материалом и невозможность работать со средами содержащими следы любой жидкости. Отделенная пыль будет смачиваться жидкостью и плохо удаляться из аппарата.

Известен пылеуловитель [Патент России 2299768], характеризующийся тем, что содержит корпус внутри которого выполнена камера формирования вихревого потока, в верхней части которой по вертикальной оси установлении входной патрубок запыленного потока, под входным патрубком установлено отклоняющее устройство в виде конуса с криволинейной поверхностью, которая вместе с криволинейной поверхностью, сопрягающей стенку входного патрубка с внутренней стенкой камеры, образует канал, отклоняющий входной поток к внутренней криволинейной стенке камеры. Криволинейная стенка камеры выполнена в виде поверхности, обеспечивающей формирование потока, выходящего из кольцевого канала, в виде пристеночного тороидального вихря, нижняя часть внутреннего пространств камеры сообщена с пространством внутри корпуса через отверстие в камере, в верхней части корпуса выполнено, по меньшей мере, два патрубка для отвода очищенного воздуха, в а пространство между наружными стенками камеры и корпусом предназначено для подъема очищенного воздуха, при этом под отверстием в камере установлен бункер для сбора пыли.

Недостатком этого технического решения является сложное устройство камеры формирующей пристеночный тороидальный вихрь и невозможность работать со средами содержащими следы любой жидкости. Отделенная пыль будет смачиваться жидкостью и плохо удаляться из аппарата.

Известно устройство для очистки воздуха и газов от влаги, масла и механических примесей [Патент России 2226421], состоящее из корпуса с входным и выходным патрубками и патрубком для отвода примесей, а так же коаксиально расположенного внутри корпуса диффузора, выполненного в виде трубы со шлицами, и установленными на входе и выходе диффузора завихрителем и спрямителем газового потока, поступающего и выходящего из диффузора. На выходе газового потока диффузор имеет кольцеобразный выступ, высота которого составляет 0,01-0,1 диаметра диффузора, нижняя поверхность которого составляет со стенкой диффузора острый угол, а в непосредственной близости от основания выступа, по крайней мере, одну шлицу, что обеспечивает устройству минимальное гидравлическое сопротивление при максимальной степени очистки.

Это техническое решение как наиболее близкое по технической сущности к предлагаемой полезной модели принято нами за прототип.

Недостатком прототипа является достаточно сложная конструкция, требование исполнения величины угла между нижней плоскостью поверхности выступа и стенкой трубы в жестких пределах, необходимость закрутки и спрямления потока очищаемого газа, возможность выноса капельной жидкости в поток очищенного газа, возможность зарастания шлицов мокрыми механическими примесями.

Задачей заявляемого изобретения является расширение арсенала технических средств очистки технологических газовых сред промышленных предприятий от примесей жидкости и механических загрязнений за счет разработки конструкции эффективного устройства использующего несколько различных принципов очистки газов, отличающимся простотой и надежностью в изготовлении, обслуживании, ремонте и эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что фильтр-сепаратор содержит корпус с отстойником, по меньшей мере одним входным и выходным патрубками, по меньшей мере двумя дренажным патрубками, смотровыми стеклами и датчиками уровня конденсата и по меньшей мере одним диффузором-конфузором, циклоном и фильтрующиим элементом, выполненным из фильтрующего и коагулирующего материала. Коллектор для ввода очищаемой технологической среды образован крышкой фильтра-сепаратора и трубной решеткой фильтрэлементов. Фильтрующие элементы выполнены из полимерных материалов в виде цилиндрических тел закрепленных на патрубках трубной решетки с помощью крышек. Крышка и днище фильтра-сепаратора выполнены неразъемными, разъемными и/или разъемными и снабжены подъемно-поворотным устройством.

Диффузор - конфузор (фиг.1) имеет длину в пределах 5-10 диаметров подводящего патрубка, при этом центральный угол раскрытия диффузора не более 10 градусов. На фиг.1:

D₀ - начальный диаметр диффузора

D - конечный диаметр диффузора

L - длина диффузора

Оптимальное отношение при угле раскрытия не более 10% [Федоров В.Н. Имитационное моделирование процессов конденсационного пылеулавливания. Диссерт.докт.техн. наук, СПб, 1999 г.].

Длинна диффузора (L) учитывая это отношение и котангенс угла раскрытия будет больше или равна 5,67 *D(⁶/₇), т.е. более 5.

Оптимальная скорость потока в подводящем патрубке циклона подтверждена экспериментально и составляет 16-20 м/с, а приведенная скорость в поперечном сечении циклона вытекает из скорости на входе и конструктивных параметров циклона и составляет не более 5 м/с.[Федоров В.Н. Имитационное моделирование процессов конденсационного пылеулавливания. Диссерт.докт.техн. наук, СПб, 1999 г.]

Как, показали проведенные авторами исследования, установка на входном патрубке очищаемой технологической среды диффузора-конфузора позволяет за счет коагуляции и конденсации паров жидкости на мелкодисперсных частицах пыли значительно увеличить размеры улавливаемых частиц. Это значительно улучшает работу циклона, позволяя на 98-99% освободить очищаемый газ от жидких и твердых загрязнений. Выполнение коллектора в виде тора, образуемого крышкой фильтра-сепаратора и трубной решеткой фильтрэлементов, и закрепление фильтрэлементов в трубной решетке со стороны открытых торцов цилиндрических тел из полимерных материалов позволяет создать условия благоприятные для возникновения и поддержания в процессе работы эффекта коалесценции (укрупнения) капель воды. При таком конструктивном выполнении фильтра-сепаратора с болыпеобъемным коллектором для подвода очищаемой среды достигается создание ламинарного потока, поступающего в фильтрэлементы, выравнивание скоростей, потока в каждом фильтрэлементе, и равномерное снижение скорости фильтрации от центра фильтрующего элемента к его периферии с одновременным образованием вблизи нижней части фильтрующего стакана относительно спокойных зон, в результате чего укрупненные капли жидкости не уносятся восходящим потоком очищенного газа, а поступают в отстойник.

В заявляемом фильтре-сепараторе реализуется одновременно несколько видов очистки технологических газовых сред:

1 - гравитационно-инерционная конденсация паров и коагуляция частиц в диффузоре-конфузоре;

2 - центробежное инерционное отделение дисперсных частиц под действием возникающих в циклоне центробежных сил;

3 - механическое разделение при прохождении очищаемого газа сквозь пористую среду фильтрующего элемента;

4 - адгезионное разделение за счет прилипания твердых частиц к жидкой пленке, образующейся на поверхности циклона и в порах фильтрующего элемента за счет сил межмолекулярного взаимодействия;

5 - адсорбционное разделение за счет поглощения газов-примесей слоем жидкости образующейся на поверхности циклона и в порах фильтрующего элемента [Намиот А.Ю. Растворимость газов в воде:

Справочное пособие. - М.: Недра, 1991. - 167 с.; Амирханов А.Х. Растворимость газов в жидкостях. Уфа.: 1989. - 38 с.]

Проведенный авторами поиск аналогов по источникам патентной и другой научно-технической информации не выявил технических решений, совпадающих с заявленными устройствами по совокупности существенных признаков, что свидетельствует о новизне заявленного фильтра-сепаратора.

Заявляемый фильтр - сепаратор изображен на чертеже, где на фиг.2 показан фильтр-сепаратор в разрезе по оси.

Заявляемый фильтр - сепаратор (фиг.2) состоит из корпуса 1 с отстойниками 2 и 3, патрубком 4 для подвода очищаемой технологической среды, патрубками 5 и 6 для отвода очищенной технологической среды, патрубками 7 и 8 слива отстоя, по меньшей мере одного диффузора-конфузора 9, циклона 10 и фильтрующего элемента 11, укрепленного на патрубке 26, коллектора 12 фильтрэлементов образованного крышкой фильтра 13 и трубной решеткой 14, В крышке корпуса фильтра расположены патрубки для стравливания воздуха 15; контрольно-измерительных приборов 16 и контроля давления 17, при этом крышка фильтра 13 выполнена съемной. В корпусе фильтра 1 расположены патрубки для смотровых стекол уровня отделенной жидкости 18-21 и датчиков контроля уровня отделенной жидкости 22-25.

Диффузор-конфузор 9 должен иметь длину в пределах 5-10 диаметров подводящего газохода, при этом центральный угол раскрытия диффузора не более 10 градусов.

В зависимости от решаемой задачи в корпусе фильтра-сепаратора может быть установлена батарея циклонов. Такое конструкционное решение увеличивает степень очистки технологической среды, но усложняет конструкцию аппарата. В этом случае необходимо изготовлять корпус 1 фильтра-сепаратора с разъемным днищем, таким же как и крышка 13.

Достаточно часто очищаемые технологические среды имеют большое количество крупных абразивных загрязнений. Р этом случае для снижения износа диффузора-конфузора 9 и циклона 10 перед патрубком ввода очищаемой технологической среды 4 устанавливается фильтр грубой очистки.

Для более полной очистки технологических сред от растворенных в них жидкостей, их конденсации и удаления капельной влаги, патрубок для ввода очищаемой технологической среды 4 и циклон 10 могут быть снабжены системой охлаждения.

Предлагаемый фильтр-сепаратор работает следующим образом:

очищаемая технологическая среда через патрубок 4 (снабженный, если это предусмотрено технологическим процессом, системой охлаждения и фильтром грубой очистки) поступает в диффузор -конфузор 9 и циклона 10. В циклоне 10 происходит очистка технологической среды от механических примесей и капельной влаги. Отделившиеся механические примеси и капельная влага поступают в отстойник 2 откуда удаляются через патрубок слива отстоя 7.

Очищенная в циклоне 10 технологическая среда поступает в коллектор 12, образованный крышкой фильтра-сепаратора 13 и трубной решеткой фильтрэлементов 14. Далее очищенная в циклоне 10 технологическая среда из коллектора 12, в зависимости от схемы заданной технологическим процессом производства через патрубок 6 для отвода очищенной технологической среды может поступать в технологический процесс (патрубок $ для отвода очищенной технологической среды при этом закрыт). Либо очищенная в циклоне 10 технологическая среда из коллектора 12 через патрубки 26 поступает на фильтрующие элементы 11 где происходит дальнейшая доочистка технологической среды от механических примесей и капельной! влаги. Отделившиеся механические примеси и капельная влага поступают в отстойник 3 откуда удаляются через патрубок слива отстоя 8. Очищенная технологическая среда через патрубок 5 для отвода очищенной технологической среды поступает в технологический процесс (патрубок 6 для отвода очищенной технологической среды при этом закрыт).

Контроль за накоплением отделившихся загрязнений осуществляется через смотровые стекла, установленные на патрубках для смотровых стекол уровня отделенной жидкости 18 - 21. Слив загрязнений при этом осуществляется вручную.

Либо контроль за накоплением отделившихся загрязнений осуществляется с помощью датчиков контроля уровня отделенной жидкости 22-25. Слив загрязнений при этом осуществляется автоматически.

Аппарат предлагаемой конструкции применялся для улавливания аэрозольных частиц из атмосферы воздуха на станции экологического мониторинга. Для повышения кпд улавливания аэрозольных частиц подавался водяной пар, который конденсировался на аэрозольных частицах, как на ядрах конденсации в диффузоре, где так же происходила коагуляция этих частиц, затем укрупненные частицы улавливались в разнотемпературном циклоне и окончательная доочистка происходила на фильтрах.

Во время испытаний запыленность очищаемого воздуха изменялась от 30 до 200 мг/м куб., температура колебалась от -30 до +30°С, а размер частиц от,0,02 до 100 мкм. Пересыщение влагой колебалось в зависимости от запыленности от 0,5 до 3,0.

После очистки воздуха в заявляемом устройств запыленность очищенного воздуха изменялась от 1 до 100 мг/м куб., а размер частиц от 0,02 до 3 мкм. Влажность очищенного воздуха соответствовала влажности атмосферного воздуха.

В заявленной конструкции фильтра - сепаратора содержащего циклон и диффузор - конфузор в совокупности с фильтрующим элементом из поливинилформаля, удалось не только осуществить коалесценцию капель воды при прохождении очищаемого газа последовательно через диффузор -конфузор, циклон и фильтрующий элемент, но и очистить газ от влаги и механических примесей, что свидетельствует о достижении нового технического эффекта и о соответствии заявленных решений критерию "изобретательский уровень".

1. Фильтр-сепаратор, содержащий корпус с входным и выходным патрубками и патрубком для отвода примесей, отличающийся тем, что корпус дополнительно имеет по меньшей мере еще один дополнительный дренажный патрубок, по меньшей мере два смотровых стекла и датчика уровня конденсата и по меньшей мере один циклон и фильтрующий элемент, выполненный из фильтрующего и коагулирующего материала, перед входом очищаемой технологической среды в циклон установлен диффузор-конфузор, коллектор для подвода очищаемой технологической среды к фильтрам образован крышкой фильтра-сепаратора и трубной решеткой фильтроэлементов, а фильтрующие элементы выполнены из полимерных материалов в виде цилиндрических тел, закрепленных на патрубках трубной решетки с помощью крышек.

2. Фильтр-сепаратор по п.1, отличающийся тем, что он содержит батарею циклонов.

3. Фильтр-сепаратор по п.1, отличающийся тем, что перед входом очищаемой технологической среды в диффузор-конфузор установлен фильтр грубой очистки.

4. Фильтр-сепаратор по п.1, отличающийся тем, что диффузор-конфузор имеет длину в пределах 5-10 диаметров подводящего патрубка, при этом центральный угол раскрытия диффузора не более 10º.

5. Фильтр-сепаратор по п.1, отличающийся тем, что подводящий патрубок, диффузор-конфузор и циклон имеют охлаждение.