Фильтр для очистки жидкостей

Авторы патента:

Полезная модель относится к устройствам для очистки жидкостей, преимущественно нефтесодержащих жидкостей, образующихся при разработке нефтяных скважин, отмывки транспортных средств, предназначенных для перевозки нефтепродуктов, а также различных емкостей для их хранения или переработки.

Технической задачей предполагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей фильтра, упрощение его конструкции, при одновременном снижении трудозатрат на его изготовление и эксплуатацию.

Технический результат достигается за счет того, что в известный фильтр для очистки жидкости, содержащий корпус, крышку, тангенциально расположенный подводящий патрубок, а также отводящий патрубок очищенной жидкости и узел сбора шлама и твердых загрязнений, щелевой фильтрующий элемент, выполненный в виде пружины, закрепленной между неподвижной и подвижной опорами, внесены изменения, а именно:

- щелевой фильтрующий элемент установлен ниже подводящего патрубка на величину не менее одного диаметра цилиндрической части корпуса с возможностью регулирования межвиткового расстояния в процессе очистки;

- крышка корпуса выполнена сферической, образуя дополнительную зону для сбора легкой фракции, и снабжена дополнительным патрубком для отвода ее;

- узел сбора шлама и твердых загрязнений выполнен в виде сменного поддона, размещенного в основании, на котором установлен корпус фильтра.

Конструкция позволяет варьировать степень очистки в процессе фильтрации за счет регулировки межвиткового зазора фильтрующего элемента.

В настоящее время завершены лабораторные испытания нескольких фильтров и подготовлена техдокументация для промышленного изготовления фильтров, которые будут использованы при мойке транспортных средств, для очистки отработанного моющего раствора.

Оно может быть использовано в судостроении, машиностроительной, пищевой, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, а также в строительстве, на транспорте, в энергетике и других отраслях промышленности, где происходит образование стоков, содержащих нефтепродукты и органические вещества.

Нефть и нефтепродукты, вступая в непосредственный контакт с водой, загрязняют ее, находясь при этом в различных состояниях, основные из которых следующие: свободная нефть, нестабилизированные дисперсии, стабилизированные дисперсии, молекулярно растворенная нефть, обволакивающая твердые включения. Состояние нефти в нефтесодержащих водах имеет определяющее значение для выбора способа обработки этих вод с целью их очистки.

Известен аппарат « Термофильтр», предназначенный для очистки жидкостей от механических примесей, которые выпускаются предприятием ООО «Зкосервис Технохим-М». (г.Москва)

Фильтр состоит из цилиндрического корпуса с коническим днищем, фланца в верхней части корпуса и крышки. К крышке и днищу приварены патрубки для подсоединения фильтра к соответствующим трубопроводам. К внутренней стороне крышки крепятся щелевые фильтрующие элементы, выполненные в виде пружины, на которую намывается слой перлита, задерживающего взвешенные или коллоидные частицы. При токе воды снаружи внутрь фильтрующего элемента происходит фильтрация, а при токе воды изнутри наружу - смыв накопившихся загрязнений, за счет увеличения зазоров между витками пружины.

В фильтре используются конструкции фильтрующего элемента, варианты которых защищены патентами РФ №№20779023, 2077924 и 2077925, известные как фильтрующий элемент Крапухина.

Во всех вариантах на пружину намывается фильтрующий слой или она находится внутри фильтрующей перегородки.

Общими недостатками таких фильтров является необходимость регенерации фильтрующего элемента и невозможность регулирования величины отделяемых механических примесей, т.к. в рабочем положении зазор между витками пружины не изменяется.

Кроме того, эффективно применение этих фильтров для разделения двухфазной системы, а нефтесодержащая жидкость относится к трехфазной системе.

Известен фильтр для жидких нефтепродуктов. Фильтр содержит корпус, снабженный рамой со стойками, обеспечивающими установку корпуса под различными углами наклона к горизонту, фильтрующий элемент в виде спирали с каркасом, расположенным с внешней стороны спирали, и осью, присоединенной через подшипниковый узел к валу электропривода. Последний выполнен с регулируемым числом оборотов и имеет ручной дублер. Средство для очистки фильтра выполнено в виде расположенной в прорези корпуса трубки с продольной щелью, один конец которой заглушен, а другой присоединен к источнику пара. К фильтрующему элементу присоединен конический патрубок для отвода загрязнений, установленный с возможностью вращения вместе с фильтрующим элементом. Изобретение обеспечивает оптимальные условия фильтрования жидкостей с различной вязкостью. (Патент РФ №2163832).

К недостаткам этого технического решения следует отнести низкую эффективность очистки нефтесодержащей жидкости, т.к. в зону отделения твердой фазы попадает и часть неочищенной жидкости.

Наличие электропривода, специальных подшипников и стоек для регулирования угла наклона фильтра усложняет конструкцию и затраты на обслуживание фильтра.

Известен фильтр для очистки жидкостей смазочных материалов, который содержит проточную полость, образованную коническим каркасом, спираль, установленную во внутренней полости каркаса. Конический каркас установлен в корпусе, выполненном в виде цилиндрического стакана с выходным штуцером для фильтрата, и оба герметично соединены с фланцем, причем корпус герметично закрыт крышкой, выполненной с выходным штуцером, а конический каркас выполнен в виде стакана с отверстиями на боковой поверхности для выхода фильтрата. Внутри каркаса установлены фильтрующий элемент и коническая подпружиненная пробка, а проточная полость образована спиралью, установленной между фильтрующим элементом и внешней боковой поверхностью конической пробки и жестко на ней закрепленной (Патент РФ №2237509).

Фильтр для очистки жидкостей работает следующим образом. Подлежащий очистке смазочный материал (жидкость или воздушный поток) подается с помощью насоса через входной штуцер в конический каркас, где по проточной полости, созданной спиралью, установленной между фильтрующим элементом и конической пробкой, приобретает вращательное движение. За счет вращательного движения потока смазочного материала механические примеси испытывают действие центробежных и тангенциальных сил, прижимающих их к поверхности фильтрующего элемента, а очищенный смазочный материал через фильтрующий элемент под действием этих сил и давления проходит через отверстия в коническом каркасе к выходному штуцеру. Примеси, осевшие на фильтрующем элементе под действием тангенциальных сил потока смазочного материала, уносятся вместе с ним к выходному штуцеру в емкость для очищаемого смазочного материала.

Эффективность работы предлагаемого фильтра вызывает сомнение, т.к. полнота выделения легкой фракции, за счет отжимания фильтрующего элемента пружиной, не может обеспечить требуемого разделения.

Кроме того, сами авторы не отрицают попадание твердой фазы в отфильтрованный фильтрат, т.е. потом требуется дополнительная очистка уже двухфазной системы: жидкость - твердая фаза. Необходима промывка фильтрующей поверхности, которая осуществляется растворителем, вредно действующим на обслуживающий персонал.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому техническому решению является фильтр для очистки жидкостей и газов от посторонних примесей, которое защищено патентом РФ №2035201.

Фильтр содержит корпус, крышку, подводящий, отводящий и сбросной патрубки, щелевой фильтрующий элемент, выполненный в виде одной или нескольких пружин, прикрепленных к неподвижной и подвижной диафрагмам так, что внутренняя полость пружин сообщается с соответствующими проходными отверстиями в неподвижной диафрагме, обтекатель с кольцевым выступом, контактирующим с горловиной и обеспечивающий заданный фильтрующий межвитковой зазор в пружинах, а также и осевой ход подвижной диафрагмы в полости грязесборника, образующегося в нижней части корпуса, и отражатель потока, выполненный в виде тонкостенной обечайки, охватывающей по периферии пружины щелевого фильтрующего элемента и установленной между неподвижной и подвижной диафрагмами. Исходная среда, содержащая посторонние примеси, поступает под давлением в подводящий патрубок, выходя из него, попадает на неперфорированную часть отражателя и изменяет свое направление. Пройдя затем через перфорацию отражателя

и освобождаясь тем самым от наиболее крупных включений, поток исходной среды попадает на щелевой фильтрующий элемент. Фильтрующий элемент может быть выполнен в виде одной или несколько пружин, практически их количество определяет размеры корпуса, а не сущность работы фильтра. Для повышения эффективности работы отражателя путем уменьшения силы взаимодействия с набегающим потоком исходной среды за счет уменьшения угла атаки потока подводящий патрубок присоединен к корпусу тангенциально. Проходя через межвитковые зазоры в пружинах фильтрующего элемента, исходная среда очищается от посторонних примесей и поступает в очищенном виде в отводящий патрубок.

Недостатками известного технического решения являются:

- наличие отражателя, защищающего пружинный фильтрующий элемент, что усложняет конструкцию;

- жесткое крепление фильтрующего элемента между подвижной и неподвижной диафрагмой не позволяет изменить зазор между витками пружины в процессе очистки;

- для очистки отражателя и пружинного фильтрующего элемента используются разные потоки (один снизу от патрубка фильтрата, второй - от входного патрубка. За счет разряжения, создаваемого в грязесборнике, подвижная диафрагма растягивает пружину, а отражатель выходит из нее и очищаются от загрязнений. Однако, это требует дополнительных расходов промывочной жидкости.

Практически известный фильтр позволяет очистить жидкость от крупных примесей, которые остаются на отражателе и мелких (заданного размера) на пружинном фильтрующем элементе, но он не может разделить легкую и тяжелую жидкие фазы.

- щелевой фильтрующий элемент установлен ниже подводящего патрубка на величину не менее одного диаметра цилиндрической части корпуса с возможностью изменения межвиткового расстояния в процессе очистки;

Кроме того, подводящий патрубок размещен в корпусе под углом, тангенс которого равен 0,0314-0,0320, и может быть выполнен прямоугольным, например, в виде квадрата.

На основании проведенных исследований было установлено, что для разделения легкой нефтяной фракции от раствора требуется не менее трех - пяти вращений входящего потока нефтесодержащей жидкости. Для этого достаточно высоты корпуса фильтра равного одному диаметру корпуса фильтра, поэтому, чтобы не происходило смешение легкой фракции с отчищенным раствором (жидкостью) внутри пружинного фильтрующего элемента, его размещают несколько ниже входного патрубка.

Небольшой наклон входного патрубка направляет входной поток вниз и позволяет облегчить сползание шлама со стенок корпуса, т.к. на него кроме гравитации будет воздействовать вертикальная составляющая центробежной силы.

Верхний узел для крепления фильтрующего элемента выполнен в виде цилиндрической трубки для отвода очищенной жидкости, установленный в крышке корпуса с возможностью вертикального перемещения ее, за счет наружной резьбы и гаек. Это позволяет в процессе очистки нефтесодержащей жидкости изменять межвитковой зазор пружинного фильтрующего элемента, в зависимости от размера твердых частиц, находящихся в исходной жидкости.

Крышка корпуса выполнена сферической таким образом, что в верхней части корпуса образуется зона для накопления легкой фракции. В ней же размещен дополнительный патрубок для отвода легкой фракции (нефти или нефтепродуктов), выполненный с возможностью присоединения насоса для ее откачки, если это необходимо.

В нижней части основания, на котором установлен корпус фильтра, размещен сменный поддон, что позволяет без остановки процесса очистки нефтесодержащей жидкости удалять шлам.

Сопло входного патрубка 3 целесообразно выполнять прямоугольным сечением, равновеликим внутреннему сечению патрубка, т.к. в этом случае, увеличивается масса потока, обладающая большей угловой скоростью, за счет чего повышается коэффициент разделения входного потока на фракции.

На фигуре 1 приведена конструкция предлагаемого фильтра для очистки жидкостей.

На ней показан цилиндрический корпус 1, фланцы 2, тангенциальный входной патрубок 3, сферическая крышка 4, в которой размещены патрубки для отвода очищенной жидкости 5 и патрубок для отвода легкой фракции 6, выполненные в форме штуцеров, с возможностью подсоединения внешних насосов, верхний узел крепления пружинного фильтрующего

элемента 7, соединенный с цилиндрической трубкой 8, установленный в крышке корпуса, пружинный фильтрующий элемент 9, нижняя пробка 10 для крепления пружинного элемента, втулка 11, стойки 12 для крепления фланцев 2 к корпусу 1, грязесборник 13, обечайка 14, основание 15 (показано с условно снятой верхней поверхностью), в котором размещен сменный поддон 16, снабженный ручкой 17 для удаления поддона. Кроме того, в нижней части грязесборника 13 имеется заслонка 18, которая перекрывает его при удалении поддона.

Фильтр работает следующим образом (на примере очистки нефтесодержащего моющего раствора).

Нефтесодержащий моющий раствор поступает в корпус 1 фильтра через входной тангенциальный патрубок 3, установленный в корпусе с небольшим углом наклона (tg=0,0314-0,0320) для создания направления вращения потока в сторону пружинного фильтрующего элемента 9.

Тангенциальный ввод обеспечивает вращение потока по винтовой линии, благодаря чему тяжелые частицы отбрасываются к стенке корпуса и под действием сил гравитации и вертикальной составляющей центробежной силы постепенно перемещаются к грязесборнику 13 и далее собираются в сменном поддоне 16. Основание 15 снабжено смотровым окном (на фиг.1 не показано), поэтому по мере накопления шлама необходимо поддон сменить. Это осуществляется посредством перекрытия грязесборника 13 заслонкой (шибером) 18.

При вращении входного потока происходит отделение легкой (нефтесодержащей) фракции от более тяжелой жидкости, содержащей мелкие взвеси. Нефтесодержащая фракция всплывает в верхнюю часть корпуса 1 и скапливается под крышкой 2, затем через патрубок (штуцер) 6 удаляется на хранение. Если легкая фракция обладает повышенной вязкостью, то конструкция штуцера 6 позволяет откачать ее, посредством подключения через гибкий шланг к насосу.

Более тяжелая фракция проходит через пружинный фильтрующий элемент 9, который крепится к верхнему узлу 7, выполненному в виде полой втулки, соединенной с цилиндрической трубкой 8 для отвода фильтрата через патрубок (щтуцер) 5. Нижний конец фильтрующего элемента крепится к пробке 10, которая расположена во втулке 11.

Взвеси, размер которых менее межвиткового зазора фильтрующего элемента, проскакивают и удаляются с фильтратом (очищенной жидкостью или раствором). Размер их первоначально задается за счет установки цилиндрической трубки 8 в крышке 4. Однако, межвитковый зазор можно изменять посредством растяжения или сжатия пружины за счет вертикального перемещения цилиндрической трубки 8 и закрепления в новом положении.

Взвеси и более крупные частицы оседают на фильтрующем элементе, поэтому его надо периодически очищать. Для этого, через штуцер 5 вводят под давлением жидкость, которая поступает через цилиндрическую трубку 8 внутрь пружины 9, и воздействуя на пробку 10, которая установлена во втулке 11 с возможностью ограниченного перемещения, растягивает ее и смывает осевшие на ней частицы, которые поступают через грязесборник 13 в поддон 16.

Предлагаемая конструкция обладает рядом преимуществ по сравнению с известными аналогичными фильтрами, т.к. позволяет очищать любые трехфазные системы, обладает простой конструкцией и не требует больших затрат, как при изготовлении, так и при эксплуатации фильтра.

1. Фильтр для очистки жидкостей, преимущественно для содержащих углеводородные вещества, содержащий корпус, крышку, тангенциально расположенный подводящий патрубок, отводящий патрубок очищенной жидкости и узел сбора шлама, щелевой фильтрующий элемент, выполненный в виде пружины, закрепленной между неподвижной и подвижной опорами, отличающийся тем, что щелевой фильтрующий элемент установлен в корпусе ниже подводящего патрубка на величину не менее одного диаметра цилиндрической части корпуса, крышка корпуса снабжена дополнительным патрубком для отвода легкой фракции, а узел сбора шлама выполнен в виде сменного поддона, размещенного в основании, на котором установлен корпус фильтра.

2. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что подводящий патрубок размещен в корпусе под углом, тангенс которого равен 0,0314-0,0320.

3. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что крепление фильтрующего элемента выполнено с возможностью изменения межвиткового зазора как в процессе очистки жидкости, так и промывки фильтрующего элемента.

4. Фильтр по п.1 или 2, отличающийся тем, что подводящий патрубок может быть выполнен с прямоугольным сечением, преимущественно квадратным.