Фильтр-сепаратор

Фильтр-сепаратор содержит корпус с отстойником закрытым перфорированной крышкой-успокоителем, по меньшей мере одним входным, выходным и дренажным патрубками и по меньшей мере один фильтрующий элемент, выполненный из фильтрующего и коагулирующего материала, коллектор для очищаемой жидкости образован для первого (верхнего яруса) фильтрэлемнтов крышкой фильтра и трубной решеткой первого яруса, а для второго и последующего ярусов устройством для отвода воды с предыдущего яруса и трубной решеткой последующего яруса фильтрэлементов. Устройства для отвода воды с первого и последующих каскадов фильтрэлементов выполнено в виде воронки с центральным сливом с углом больше или равным 0. Сливной патрубок для слива воды с устройства для отвода воды предыдущего яруса закреплен в трубной решетке следующего яруса и заканчивается внутри сливного патрубка следующего яруса. Фильтрующие элементы выполнены из полимерных материалов в виде цилиндрических тел закрепленных на патрубках трубной решетки. Выходной патрубок очищенной среды расположен выше верхней крышки фильтрэлемента и имеет внутренний диаметр больше или равный 1,1 D_вход для очищаемого продукта. Патрубок отвода отделенной воды расположен ниже донышка фильтрэлемента. 1 н.п. и 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

Настоящая группа полезных моделей относится к фильтрации, а более конкретно к фильтрующим устройствам, предназначенным для очистки жидкостей и газов от воды, механических примесей и биозагрязнений.

Известен фильтр для очистки жидкостей, содержащий корпус с двумя входными патрубками в виде осевых перфорированных труб, на которые насажены фильтрующие пакеты, выполненные из эластичных пористых дисков, промежуточных и торцовых шайб, и с выходным патрубком. Одна из торцовых шайб соединена с механизмом возвратно-постутытельного перемещения вдоль входного патрубка. Механизм выполнен в виде закрепленных на валу эксцентриков, упирающихся в подвижные торцовые шайбы фильтрующих пакетов (см. АС СССР 454038).

Известный фильтр позволяет удалять из жидкостей механические примеси, но не обеспечивает удаление из таких жидкостей, как нефтепродукты, содержащейся в них воды.

Известен фильтр-сепаратор для очистки углеводородных жидкостей, преимущественно топлив, от свободной воды и механических примесей. Устройство состоит из корпуса с отстойником, входным, выходным и дренажным патрубками, и по меньшей мере одной пары установленных по высоте фильтрующих элементов, выполненных из фильтрующего, коагулирующего дренажного и водоотделяющего слоев, и устройства для отвода воды, установленного между фильтрующими элементами и выполненного в виде чашеобразной вставки, дно которой имеет уклон в сторону края чаши, в нижней части которой выполнено отверстие для отвода воды. Чашеобразная ставка может быть снабжена трубкой для отвода воды, один конец которой соединен с отверстием для отвода воды, а другой размещен в отстойнике или в чашеобразной вставке нижерасположенного устройства для отвода воды (АС СССР 955978).

Устройство имеет компактную конструкцию и позволяют непрерывно осуществлять очистку углеводородньих жидкостей от воды, однако при относительно большом содержании в очищаемой жидкости механических примесей ресурс работы такого устройства ограничен, так как фильтрующие элементы не поддаются регенерации, к тому же их конструкция достаточно сложна.

Известно устройство для разделения эмульсий [Заявка России 2007106133\15], включающее корпус и размещенный в нем влагоотделительный пакет из пористо- ячеистого материала, размер пор которого уменьшается по мере продвижения разделяемой смеси во влагоотделительном пакете, уложенного под углом к горизонту не ниже угла отекания жидкости по направлению к движущемуся потоку поперечными слоями в виде пластин, при обеспечении расположения влагоотделительного пакета, состаящего из композиции олеофильных и гидрофильных пористых материалов с фиксированной пористо-ячеистой структурой с открытой пористостью не менее 98%, на уровне превышающем границу раздела фаз.

Предложенные устройства достаточно сложны в изготовлении и не очищают жидкость от механических примесей, кроме того достаточно технологически сложно проводить замену или регенерацию влагоотделяющих пластин.

Известно устройство для выделения эмульгированной воды из топлива [Пат. США 6764598]. Разделение углеводородов и воды проводят в многокамерной системе, включающей пертетрафторэтиленовую мембрану с размерами пор 0,1 мкм, обладающую гидрофобными свойствами. Предшествующий ей фильтр имеет размеры пор 0,5-100 мкм. Фильтрацию ведут при температуре 54° и перепаде давления 3,5 кг\см².

Предложенное устройство требует предварительного подогрева жидкости и работает при достаточно высоком для фильтров перепаде давления, кроме того оно быстро выходит из строя при попадании в очищаемую жидкость механических перимесей.

Известен фильтрующий водоотделяющий пакет, который состоит из отдельных элементов, каждый из которых собран из двух фигурных дисков, разделенных радиальными перегородками на 12 секторов. В качестве пористой перегородки используется металлическая сетка, имеющая гидрофобное покрытие на основе фторопласта. Радиальные перегородки образуют по высоте фильтрующего водоотталкивающего пакета 12 вертикальных колонн, из которых в 11-ти происходит очистка топлива, а 12-я в это время промывается противотоком [Ремонт, восстановление, модернизация.\2004, 2.стр.19-21.].

Известен фильтр для топлива [Пат. США 6361684] состоящий из внешнего корпуса, образующего внутреннюю полость с входным и выходным проходами для топлива и коллектора воды. Фильтр картриджного типа смонтирован в полом пространстве и служит для сепарации воды. В полом пространстве установлен и насос, прокачивающий топливо через фильтр. Корпус имеет два конца, один из которых с крышкой. Фильтр снабжен нагревателем и термостатом для поддержки необходимой температуры в нагревателе. Система электрического контроля установлена на конце корпуса без крышки.

Эти технические решения весьма сложны в изготовлении, плохо очищают от воды и пригодны для очистки только сравнительно небольших количеств жидкости.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому устройству является фильтр-сепаратор [Свидетельство на полезную модель 13579 Россия], содержащий корпус с отстойником, входным, выходным и дренажным патрубками и по меньшей мере одну пару установленных по высоте фильтрующих элементов, выполненных их фильтрующего и коагулирующего материала, в центральной часты корпуса установлен соединенный со входным патрубком в виде полого диска с вертикальными патрубками для закрепления фильтрующих элементов, снабженный осесимметричной с корпусом обечайкой для разделения потоков очищенной жидкости от нижнего и верхнего фильтрующих элементов, а фильтрующие элементы выполнены из поливинформаля в виде цилиндрических стаканов с дном, со стороны открытых торцов закрепленных на патрубках коллектора. Фильтрующие элементы закреплены на патрубках коллектора с помощью крышек с отверстием, соосным с полостью стакана. Для удобства монтажа отверстия крышек и вертикальные патрубки снабжены сопряженной резьбой. Отстойник перекрыт сверху перфорированной перегородкой. Каждый из фильтрующих элементов нижнего яруса имеет утолщенное дно, при этом толщина стенки цилиндрического стакана относится к толщине его дна как 1: (1,1-1,6).

Это техническое решение принято нами за прототип.

К недостаткам прототипа относится неадекватные условия работы нижних и верхних фильтрэлементов, неравномерность поступления в них механических примесей, возможность скопления больших количеств отделенной воды на донышках верхних фильтрэлементов залповый сброс ее в очищенный продукт, наличие обечайки для разделения потоков.

Задачей изобретения является разработка фильтра-сепаратора и его фильтрующего элемента, которые могли бы обеспечивать равномерность работы всех фильтрэлементов, исключить возможность залповых выбросов воды в очищенный продукт, упрощение конструкции аппарата и расширение диапазона его производительности.

Поставленная задача решается тем, что фильтр сепаратор содержит корпус с отстойником, по меньшей мере одним входным, выходным и дренажным патрубками и по меньшей мере один фильтрующий элемент, выполненный из фильтрующего и коагулирующего материала, коллектор для ввода очищаемой жидкости образован для первого (верхнего яруса) фильтрэлемнтов крышкой фильтра и трубной решеткой первого яруса фильтрэлементов, а для второго и последующего ярусов устройством для отвода воды с предыдущего яруса и трубной решеткой последующего яруса фильтрэлементов. Трубные решетки первого и последующего ярусов смонтированы на опорном кольце. Устройства для отвода воды с первого и последующих каскадов фильтрэлементов выполнено в виде воронки с центральным сливом с углом а больше или равным 0 и смонтировано на опорном кольце. Сливной патрубок для слива воды с устройства для отвода воды предыдущего яруса закреплен в трубной решетке следующего яруса и заканчивается внутри сливного патрубка следующего яруса на расстоянии от его верхнего края не менее внешнего диаметра сливного патрубка предыдущего яруса. Фильтрующие элементы выполнены из полимерных материалов в виде цилиндрических тел закрепленных на патрубках трубной решетки с помощью крышек. Входной патрубок очищаемой среды снабжен рассекателем, а патрубок трубной решетки для крепления фильтрэлемента выступает над трубной решеткой от 0 до трех высот фильтрэлемента и сверху закрыт защитным устройством. Выходной патрубок очищенной среды расположен выше верхней крышки фильтрэлемента и имеет внутренний диаметр больше или равный 1,1 D_вход для очищаемого продукта. Патрубок отвода отделенной воды расположен ниже донышка фильтрэлемента. Крышка и днище фильтра выполнены неразъемными, разъемными и/или разъемными и снабжены подъемно-поворотным устройством.

Как показали проведенные авторами исследования, выполнение коллектора в виде тора образуемого для первого (верхнего яруса) фильтрэлемнтов крышкой фильтра и трубной решеткой первого яруса, а для второго и последующего ярусов устройством для отвода воды с предыдущего яруса и трубной решеткой последующего яруса фильтрэлементов, 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 большеобъемным коллектором для подвода очищаемой жидкости достигается создание ламинарного потока жидкости поступающей в фильтрэлементы, выравнивание скоростей жидкости поступающей в каждый фильтрэлемент и равномерное снижение скорости фильтруемой жидкости от центра фильтрующего элемента к его периферии с одновременным образованием вблизи нижней части фильтрующего стакана относительно спокойных зон, в которых исключается, перемешивание очищенной жидкости с отделенной водой, в результате чего укрупненные капли воды не уносятся восходящим потоком отфильтрованной жидкости, а поступают в отстойник (из нижнего яруса фильтрующих элементов - непосредственно, а из верхнего яруса - через устройство для отвода воды).

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 и фильтрующего элемента.

Заявляемый фильтр-сепаратор изображен на чертеже, где на фиг.1 показан фильтр-сепаратор с двумя ярусами фильтрующих элементов в разрезе по оси;

на фиг.2 показан фильтр-сепаратор с двумя ярусами фильтрующих элементов с фильтрэлементами одетыми на патрубки в разрезе по оси;

на фиг.3 показано посадочное место патрубка для крепления фильтрэлемента;

на фиг.4 показано крепление фильтрэлемента к патрубку трубной решетки;

на фиг.5 показан вариант размещения фильтрэлементов на верхнем (первом) ярусе фильтра-сепаратора;

на фиг.6 показан вариант размещения фильтрэлементов на втором и последующих ярусах фильтра-сепаратора;

на фиг.7 показан фильтр-сепаратор с четырьмя ярусами фильтрующих элементов в разрезе по оси;

на фиг.8 показан фильтрующий элемент, снабженный одной крышкой и ограничителем продольного (вертикального) удлинения фильтрующего элемента;

на фиг.9 показан трехъярусный фильтр с последовательной подачей очищаемой среды на ярусы фильтра.

Заявляемый фильтр - сепаратор (фиг.1) состоит из корпуса 1 с отстойником 2, патрубком 3 для подвода очищаемой жидкости, патрубком 4 для отвода очищенной жидкости, патрубком 5 для слива отстоя, по меньшей мере одного фильтрующего элемента 6, установленного ярусно на вертикальных патрубках 7, защищенных сверху от прямого попадания очищаемой среды защитным устройством 25, коллектора 8 первого (верхнего яруса) фильтрэлементов образованного крышкой фильтра 9 и трубной решеткой первого яруса 10, коллектора 11 второго и последующего ярусов образованного устройством для отвода воды с предыдущего яруса 12 и трубной решеткой последующего яруса фильтрэлементов 13. Устройство для отвода воды 12 выполнено в виде воронки с углом больше или равным 0, а сливной патрубок для слива воды 14 с устройства для отвода воды предыдущего яруса закреплен в трубной решетке следующего яруса. Для удобства монтажа и демонтажа фильтрующие элементы 6 закрепляются на патрубках 7 (фиг.3) с помощью крышек 15 (фиг.4). На патрубках сделана резьба 21 (фиг.3), опорная шайба 22 (фиг.3) и поставлена прокладка 23 (фиг.3). Крышки 15 прикрепрены к фильтрэлементу и имеют гайку 24 для крепления к патрубку 7 (фиг.2). В крышке корпуса фильтра расположены входной патрубок 3 (фиг.2) с рассекателем 16 (фиг.2), патрубки для стравливания воздуха 17; контрольно-измерительных приборов 18; контроля давления 19 и датчика уровня раздела фаз 20, при этом крышка фильтра 9 (фиг.2) выполнена съемной. Элементы первого яруса 10 имеют круговое (фиг.5) «а», квадратное «б» или треугольное «в» и последующих ярусов 13 (фиг.6) круговое «а», квадратное «б» или треугольное «в». При этом на каждом последующем ярусе количество фильтрэлементов 6 меньше чем на предыдущем (фиг.7). Это связано с уменьшением диаметров трубных решеток, устройств для отвода воды и колец для их крепления, т.к. в противном случае будет невозможен монтаж и демонтаж фильтра. Для выполнения этого требования размеры трубных решеток определяются уравнением:

D_ktrn+l<D_trn <D_ktrn-l

где:

D _ktrn+1 - диаметр N+1 опорного кольца трубной решетки;

D_trkn-1 -диаметр N-1 опорного кольца трубной решетки;

D_trn - диаметр энной трубной решетки,

а размеры опорных колец, на которых монтируются трубные решетки определяются уравнением:

D _ktmD_ktrl(l-0,l*n),

где:

D_ktm - диаметр энного опорного кольца трубной решетки;

D_ktrl - диаметр первого (верхнего) опорного кольца трубной решетки;

n - номер опорного кольца. Соответственно, размеры устройства для отвода воды определяются уравнением:

D_kovn+l<D _uоvn <D_kovn-1

где:

D _kovn+l - диаметр N+1 опорного кольца устройства для отвода воды;

D_kovn-1 - диаметр N-1 опорного кольца устройства для отвода воды;

D_uovn - диаметр энного устройства для отвода воды, а размеры опорных колец устройства для отвода воды определяются уравнением:

D_kovnD_kovl(l-0,l*n),

где:

D_kovn - диаметр энного опорного кольца устройства для отвода воды;

D_kovl - диаметр первого (верхнего) опорного кольца устройства для отвода воды;

n - номер опорного кольца.

Для предотвращения возможного разрыва тела фильтрэлемента под весом скопившейся в нем воды фильтрэлемент оборудуется ограничителем продольного (вертикального) растяжения 27 (фиг.8) прикрепленного к крышке направляющими 26.

Для увеличения качества очистки предусмотрена подача очищаемой среды последовательно с одного яруса фильтров на другой (фиг.9).

На НПЗ ООО «Нижневартовское нефтеперерабатывающее объединение» (ННПО) эксплуатируются разработанный авторами одноярусный фильтр работающий на линии выдачи дизельного топлива из ректификационных колон в резервуары. Производительность одноярусного фильтра 16 м³/час, перепад давления 0,03 МПа.

Концентрация воды в очищаемом топливе колебалась от 360 до 3300 ppm на входе. Степень очистки топлива составляла более 95% в зависимости от концентрации в исходном дизельном топливе воды, ПАВ, различных типов присадок и иных химических веществ с полярными функциональными группами, содержащихся в исходной нефти, не разложившихся в процессе ее переработки и способствующих удержанию свободной, растворенной и эмульгированной воды в объеме нефтепродукта. Фильтр работает на ННПО непрерывно без регенерации и технического обслуживания в течение года - от ремонта до ремонта.. Поломок и отказов в работе фильтров не наблюдалось. Отделенная вода сливалась периодически один-два раза с сутки, в зависимости от обводненности исходного топлива. Механические загрязнения (продукты коррозии) задерживались фильтром полностью и товарный продукт соответствовал требованиям ГОСТ. Грязеемкость фильтров позволяет эксплуатировать их без регенерации в течение года.

Аналогичные фильтры используются в «ННПО» на линии выдачи керосина.

Таким образом предложенная конструкции фильтра подтверждает свою работоспособность в условиях промышленной эксплуатации.

Лабораторные двухярусные фильтры были использованы нами для доосушки топлива ТС-1 с установки АТ-6 ПО «Киришинефтеоргсинтез». На дне емкости с представленной пробой исходного топлива, наблюдались капли воды. Содержание воды в топливе составляло 0,011%. Топливо фильтровалось при температуре окружающей среды 27°С через два яруса фильтрэлементов последовательно и параллельно. Концентрация воды после фильтрации составляла 0,002 и 0,007%, соответственно.

Проведенные испытания подтвердили работоспособность фильтра и улучшение качества очистки от воды при последовательной фильтрации через два яруса фильтрэлементов.

На этом же фильтре была проведена работа по удалению воды из водных эмульсий (ВТЭ) дизельного топлива, полученных при очистке дизельного топлива от серы сернокислотным способом. Содержание воды в кислой ВТЭ составляло 0,2%, а в щелочной эмульсии 0,5%. После фильтрования топливо было чистое и прозрачное, а содержание воды в обеих пробах не превышало 0,01%, т.е. соответствовало требованиям ГОСТ и ТУ.

В заявленной конструкции фильтра удалось не только осуществить коалесценцию капель воды при прохождении очищаемой жидкости через фильтрующий элемент, но и очистку жидкости от механических примесей, что свидетельствует о достижении нового технического эффекта и о соответствии заявленных решений критерию "изобретательский уровень".

1. Фильтр-сепаратор, содержащий корпус с отстойником, закрытым перфорированной крышкой-успокоителем, по меньшей мере одним входным, выходным и дренажным патрубками, и по меньшей мере один фильтрующий элемент, выполненный из фильтрующего и коагулирующего материала, отличающийся тем, что коллектор для очищаемой жидкости образован для первого (верхнего яруса) фильтрэлементов крышкой фильтра и трубной решеткой первого яруса, а для второго и последующего ярусов устройством для отвода воды с предыдущего яруса и трубной решеткой последующего яруса фильтрэлементов, при этом трубные решетки первого и последующего ярусов смонтированы на опорном кольце, устройства для отвода воды с первого и последующих ярусов фильтрэлементов выполнены в виде воронки с центральным сливом с углом больше или равным 0 и смонтированы на опорном кольце, а сливной патрубок для слива воды с устройства для отвода воды предыдущего яруса закреплен в трубной решетке следующего яруса и заканчивается внутри сливного патрубка следующего яруса на расстоянии от его верхнего края не менее внешнего диаметра сливного патрубка предыдущего яруса, фильтрующие элементы выполнены из полимерных материалов в виде цилиндрических тел, закрепленных с помощью приклеенных крышек на патрубках трубной решетки, а сами патрубки трубной решетки для крепления фильтрэлементов выступают над трубной решеткой на высоту от 0 до 3 высот фильтрэлемента и сверху закрыты защитным устройством, патрубок ввода очищаемой среды в корпус фильтра снабжен рассекателем, при этом патрубок вывода очищенной среды из корпуса фильтра расположен выше верхней крышки фильтрэлемента и имеет внутренний диаметр больше или равный 1,1 диаметра патрубка для ввода очищаемой среды, а патрубок отвода отделенной воды расположен ниже донышка фильтрэлемента.

2. Фильтр-сепаратор по п.1, отличающийся тем, что размеры трубных решеток определяются уравнением:

D_ktrn+1<D _trn<D_ktrn-1,

где D_ktrn+1 - диаметр N+1 опорного кольца трубной решетки;

D_ktrn-1 - диаметр N-1 опорного кольца трубной решетки;

D_trn - диаметр энной трубной решетки.

3. Фильтр-сепаратор по п.1, отличающийся тем, что трубная решетка смонтирована на опорном кольце, размеры которого определяются уравнением:

D _ktrnD_ktrl(l-0,1n),

где D_ktrn - диаметр энного опорного кольца трубной решетки;

D_ktr1 - диаметр первого (верхнего) опорного кольца трубной решетки;

n - номер опорного кольца.

4. Фильтр-сепаратор по п.1, отличающийся тем, что размеры устройства для отвода воды определяются уравнением:

D_kovn+1<D_uovn<D_kovn-1 ,

где D_kovn+1 - диаметр N+1 опорного кольца устройства для отвода воды;

D_kovn-1 - диаметр N-1 опорного кольца устройства для отвода воды;

D_uovn - диаметр энного устройства для отвода воды.

5. Фильтр-сепаратор по п.1, отличающийся тем, что размеры опорных колец устройства для отвода воды определяются уравнением:

D_kovnD_kov1(1-0,1n),

где D_kovn - диаметр энного опорного кольца устройства для отвода воды;

D_kov1 - диаметр первого (верхнего) опорного кольца устройства для отвода воды;

n - номер опорного кольца.

6. Фильтр-сепаратор по п.1, отличающийся тем, что подача очищаемой среды на ярусы фильтра осуществляется последовательно.

7. Фильтр-сепаратор по п.1, отличающийся тем, что крышка и днище фильтра выполнены неразъемными и/или разъемными и снабжены подъемно-поворотным устройством.

8. Фильтрующий элемент, отличающийся тем, что цилиндрическое тело приклеено к донышку фильтрэлемента, а донышко снабжено ограничителем удлинения фильтрэлемента по вертикали.