Протитечійний фільтр

Реферат: Протитечійний фільтр, що може бути використано в системах для пом'якшення і хімічного знесолювання сильномінералізованих вод, зокрема у водопідготовлювальних системах електростанцій, котельних установках та інших процесах сорбції, в якому корпус фільтра розташований горизонтально і виконаний у вигляді горизонтально розташованої циліндричної частини, з'єднаної за одне ціле торцевими фланцями, щільно з'єднаними з додатково установленими усередині корпуса пневматичними компенсаторами з вмонтованим в кожному з них ніпелем для подання повітря, а дренажно-розподільні системи виконані у вигляді щілинних фільтруючих елементів, щільно з'єднаних з штуцерами входу та виходу оброблюваної рідини. UA 115164 C2 (12) UA 115164 C2 У фільтрі досягається рівномірний розподіл гідравлічних опорів по усій площині при високій ефективності процесу фільтрування, при цьому він є компактним та зручним при виготовленні, транспортуванні, монтажі та експлуатації. UA 115164 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Запропонований винахід стосується конструкції фільтрів іонного обміну з рухомим іонообмінним матеріалом у формі суспензії або псевдозрідженого шару та може бути використаний у системах для пом'якшення і хімічного знесолювання сильномінералізованих вод, різних процесах сорбції, зокрема, у водопідготовлювальних системах електростанцій, котельных установках. Протитечійний метод іонообміну або сорбції полягає в пропусканні через фільтруюче завантаження (іоніт або сорбент) регенераційного розчину і оброблюваної рідини в протилежних напрямках. Іонітні протитечійні фільтри є вертикальними однокамерними циліндричними апаратами з еліптичними днищами. Промислові фільтри зазвичай мають діаметр в межах 1-3,4 м, висоту корпуса більше 5 м. Максимальна висота фільтруючого завантаження іоніту від 1 до 2,5 м обмежена допустимими гідравлічними опорами, а вільний об'єм над поверхнею іоніту повинен бути достатнім для розширення верхнього шару фільтруючого завантаження при розпушуванні і набуханні усього шару іоніту. Зазвичай цей вільний об'єм може досягати 50 % об'єму фільтра. Зі зменьшеням до мінімуму вільного об'єму протитечійних фільтрів підвищується ефективність процесу. Увесь вільний об'єм фільтра протягом усього цикла постійно заповнений водою. Кожний фільтр складається з наступних основних елементів: розташованого вертикально циліндричного корпуса, нижнього, середнього і верхнього розподільних колекторних систем, штуцерів підводу та відводу оброблювальної рідини та регенераційного розчину, штуцера завантаження фільтруючого матеріалу, трубопроводів, запірної арматури, пробовідбірного пристрою і фільтруючого завантаження. Колектор і розподільні трубки закріплені на спеціальних металевих полосах, прикріплених до корпуса фільтра. Трубопроводи і запірна арматура розташовані по фронту фільтра [Отраслевой каталог, Москва -1983, Водоподготовительное оборудование для ТЭС и промышленной энергетики, с. 70, 72, 75-76]. Відомі протитечійні фільтри надзвичайно громіздкі, некомпактні, немобільні, матеріаломісткі, занадто дорогі, потребують використання великих будівельних майданчиків, приміщень та матеріалів, значних витрат на виготовлення, транспортування і монтаж готових фільтрів. Розподільні колекторні системи також громіздкі, матеріаломісткі, їх виготовлення, монтаж і, за необхідності, ремонт, також дорогі і потребують великих об'ємів та трудових витрат для їх розміщення усередині фільтрів. У великих промислових протитечійних фільтрах грубодисперсні домішки (ГДД), відфільтровані поверхневим шаром шихти іоніту, виводяться при розпушуванні та промиванні вузького шару. При цьому основна частина іоніту зберігається в упакованому стані протягом робочого цикла, регенерації і розпушування забрудненого верхнього шару. Порушення розподільних шарів іоніта є причиною серйозного погіршення якості фільтрата та нівелірування ефекту протитечійної технології. Для утримання шару іоніту в упакованому вигляді використовують проміжне пористе середовище у вигляді крупнозернистого інертного матеріалу, або водяну подушку горизонтальної компенсації, або занурені колекторні системи, в яких середній колектор прихований у верхньому шарі іоніту. [Технологии подготовки воды в энергетике. Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям "Теплоэнергетика" и "Атомная энергетика", Одесса, Феникс, 2008, с. 215, 216, 217, рис. 3.38.]. У відомому фільтрі системи UFD компанії "Degremont" іоніт повністю заповнює фільтр,фільтрація проходить у стандартному напрямку (вниз) і регенерація у режимі плаваючого шару (вверх). Для утримання шару іоніту в упакованому вигляді використовують крупнозернистий інертний матеріал. Верхній колектор-розподільник прихований усередині шару крупнозернистого інертного матеріалу, далі, по ходу оброблювальної рідини, знаходиться невеликий вільний об'єм, іоніт і нижній колектор-розподільник. Ця система є менш чутливою до присутності змулених речовин. Крім того, акумульовані на поверхні шару ГДД, змиваються при регенерації та відмиванні [Технологии подготовки воды в энергетике. Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям "Теплоэнергетика" и "Атомная энергетика". - Одесса, Феникс, 2008. - С. 222 рис. 3.42.]. Але при експлуатації цих конструкцій виникають проблеми механічної стійкості дренажних колекторних систем та гідравлічних перекосів при регенерації і відмиванні фільтруючого завантаження. А використання інертних матеріалів та наявність вільного об'єму приводить до зменшення робочого об'єму фільтра та зниження ефективності його роботи. Найбільш близьким за технічною суттю та досягуваним результатом є, вибраний заявниками за найближчий аналог, протитечійний фільтр системи, запропонованою компанією "Esmil", і ліцензованою в "Dow Chemikal" під назвою Апкоре (UP.CO.RE.), дуже схожий на UFD систему. 1 UA 115164 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Протитечійний фільтр включає циліндричний корпус з закріпленими на ньому штуцерами входу і виходу оброблюваної рідини, входу для завантаження фільтруючого матеріалу і розташовані усередині корпуса фільтра дренажно-розподільні системи. Корпус фільтра розташований вертикально. Верхня його частина заповнена крупнозернистим інертним матеріалом, між шарами якого розташована верхня горизонтальна колекторна розподільна система. Далі у верхній частині фільтра залишається невеликий вільний об'єм, упакований іоніт, а в нижній частині фільтра розташована нижня горизонтальна дренажно-розподільна колекторна система, виконана у вигляді дренажної плити з двійними ковпачками. По системі Апкоре стабільна вихідна вода подається на верхню розподільну систему, після чого вона проходить крізь вузький шар плаваючого псевдорозрідженого інертного матеріала, упакований іоніт і через дренажну плиту з двійними ковпачками оброблена вода виходить з фільтра. В фільтр завантажують іонообмінний матеріал марки Дауэкс. Розмір зерен інертного матеріала вибраний таким, що через нього при потоці регенераційного розчину або відмивочної води вверх вільно проходить іонітний дріб'язок та ГДД, а цілі зерна іоніту затримуються. У верхній частині фільтра залишається вільний об'єм [Технологии подготовки воды в энергетике. Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям "Теплоэнергетика" и "Атомная энергетика". - Одесса, Феникс, 2008. - С. 222-223, рис.3.42]. Відомий протитечійний фільтр також, як і наведені вище фільтри, має вертикальне розташування корпуса, що обумовлює складність його конструкції, громіздкість, некомпактність, немобільність, високу вартість, через необхідність використання великих будівельних майданчиків, високих приміщень, значних витрат на матеріали, виготовлення, транспортування і монтаж. Горизонтально розташовані дренажно-розподільні колекторні системи також громіздкі, матеріаломісткі, їх виготовлення, монтаж і, за необхідності, ремонт, також дорогі, потребують великих трудових витрат та об'ємів для їх розміщення усередині фільтра, що зменшує робочий об'єм фільтра та знижує ефективність його роботи. Крім того, як наведено у вищенаведеному джерелі інформації процес регенерації та відмивання не виключає внутрішарового перемішування іоніту ("перевертання зон сорбції"). В основу винаходу поставлена задача удосконалення відомої конструкції фільтра, в якому шляхом зміни розташування та нового виконання відомих елементів конструкції, введення додаткового елемента та нового взаємозв'язку елементів конструкції фільтра між собою, забезпечується спрощення конструкції фільтра, його мобільність, компактність, можливість моделювання, зниження вартості та підвищення ефективності роботи фільтра та якості фільтрата. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому протитечійному фільтрі, який включає циліндричний корпус, оснащений штуцерами входу та виходу оброблюваної рідини, входу для завантаження фільтруючого матеріалу і розташовані усередині корпуса фільтра дренажнорозподільні системи, згідно з запропонованим винаходом, корпус фільтра розташований горизонтально і виконаний у вигляді горизонтально розташованої циліндричної частини, з'єднаної за одне ціле торцевими фланцями, щільно з'єднаними з додатково установленими усередині корпуса пневматичними компенсаторами з вмонтованим у кожному з них ніпелем для подання повітря, а дренажно-розподільні системи виконані у вигляді щілинних фільтруючих елементів, щільно з'єднаних з штуцерами входу та виходу оброблюваної рідини. Поставлена задача вирішується також тим, що пневматичні компенсатори виконані у вигляді балонів, виготовлених з матеріалів, здатних змінювати свою форму у залежності від робочого тиску фільтра та тиску повітря усередині пневматичних компенсаторів. Поставлена задача вирішується також тим, що щілинні фільтруючі елементи виконані за патентом України № 51769 (патент РФ № 103740) у вигляді дроту, безпосередньо намотаного на окремі виконані з різьбою і перфорацією розподільні трубки, причому перфорація виконана у вигляді прорізів по верхній твірній розподільних трубок. Запропонований винахід дозволяє створити простий, компактний, мобільний, не потребуючий значних будівельних майданчиків і високих приміщень протитечійний фільтр, в якому увесь об'єм води знаходиться безпосередньо у міжзерновому фільтруючому завантаженні. Конструкція фільтра дозволяє знизити матеріалоємність та використання значної кількості арматури для обв'язки фільтра, вартість виготовлення, транспортування, монтажу фільтра, полегшити його експлуатацію та розширити сферу використання фільтра: у котельній системі, пересувних контейнерних установках, стандартному морському контейнері при його висоті 2,4 м. 2 UA 115164 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Фільтр легко монтується на стіні або невисокій панелі. Пневматичні компенсатори і щілинні фільтруючі елементи випускаються промисловістю різних типорозмірів. Резинові пневматичні компенсатори широко використовуються у гідроакумуляторах як змінні мембрани для розширювальних баків. Конструкція фільтра забезпечує рівномірний розподіл гідравлічних опорів по усій площині фільтра без громіздких колекторних дренажно-розподільних систем, забезпечує рівномірний потік оброблюваної рідини через фільтруюче завантаження протягом усього робочого циклу, а також потоків води і регенераційних розчинів, які пропускають через фільтр в процесі регенерації. Запобігає винесенню фільтруючого зернистого завантаження в дренаж під час його розпушування, а також проникнення його в трубопровід обробленої рідини в період робочого цикла фільтра, виключає можливість внутрішарового перемішування іоніту („перевертання зон сорбції"). Рівномірність розподілу проходячих через фільтр потоків забезпечує найкращий контакт їх з фільтруючим завантаженням, який сприяє максимально позитивному використанню цього завантаження, що дозволяє: підвищити ефективність роботи фільтра без зниження якості фільтрата за можливості збільшення швидкості руху робочого середовища до 50 м/годину проти 30-40 м/годину у відомому фільтрі; підвищити якість фільтрата за можливості збільшення теоретичних тарілок в об'ємі фільтра та моделювання декількох одинакових елементів для збільшення об'єму фільтруючого завантаження та виключення можливості порушення шарів іоніту у режимі розпушування та регенерації. Технічний результат запропонованого винаходу це: компактність, мобільність, комфортність виготовлення, транспортування, монтажу та експлуатації без використання великих будівельних майданчиків, високих приміщень, значної кількості арматури для обв'язки та обслуговування. Конструкція фільтра забезпечує рівномірний розподіл гідравлічних опорів по усій площині фільтра та ефективність процесу без громіздких колекторних дренажно-розподільних систем Запропонований протитечійний фільтр включає наступні елементи конструкції: горизонтальний циліндричний корпус, виконаний у вигляді горизонтально розташованої циліндричної частини, з'єднаної за одне ціле торцевими фланцями; установлені усередині корпуса пневматичні компенсатори з вмонтованим в кожному з них ніпелем для подання повітря, та щільно з'єднані з торцевими фланцями; щілинні фільтруючі елементи, щільно з'єднані з штуцерами входу та виходу оброблюваної рідини або регенераційного розчину; штуцер для завантаження фільтруючого матеріала. Пневматичні компенсатори виконані у вигляді балонів, виготовлених з матеріалів, здатних змінювати свою форму у залежності від робочого тиску у фільтрі та тиску повітря усередині пневматичних компенсаторів. Щілинні фільтруючі елементи виконані за патентом України № 51769 (патент РФ № 103740) у вигляді дроту, безпосередньо намотаного на окремі, виконані з різьбою і перфорацією, розподільні трубки, причому перфорація виконана у вигляді прорізів по верхній твірній розподільних трубок. Запропонований протитечійний фільтр пояснюється кресленням фільтра в розрізі. На кресленні показані: горизонтальний циліндричний корпус 1 з торцевими фланцями 2; пневматичні компенсатори 3, щільно з'єднані з торцевими фланцями 2 і обладнані вмонтованим в кожному з них ніпелем 4 для подання повітря; щілинні фільтруючі елементи 5,6, щільно з'єднані зі штуцерами 7,8 входу та виходу оброблюваної рідини або водних потоків та регенераційного розчину; штуцер 9 входу завантаження фільтруючого матеріала. Фільтр додатково обладнаний манометрами (на кресленні не показані) для заміру тиску у пневматичних компенсаторах 3 і тиску в корпусі 1 фільтра. Перед роботою фільтр завантажують водною суспензією фільтруючого матеріала. Робота фільтра наведена на прикладі використання фільтруючого матеріала - іоніту, та робочої оброблювальної рідини - води стабільної концентрації солей жорсткості. Завантаження суспензії іоніта здійснюють через штуцер 9 до повного заповнення усього об'єму фільтра. Після закінчення завантаження штуцер 9 закривають. Далі в пневматичні компенсатори 3 через ніпелі 4 подають повітря до досягнення у них 2 тиску 0,5кг/см . При цьому здійснюється ущільнення іоніту та рівномірний його розподіл по 3 UA 115164 C2 5 10 15 20 усьому об'єму фільтра з виключенням можливих каналів для протікання оброблювальної води мимо зерен іоніту по верхній частині об'єма фільтра. Воду стабільної концентрації солей жорсткості подають через штуцер 7, щілинний фільтруючий елемент 5 і далі вона рівномірно розподіляється по усьому об'єму фільтра. Швидкість подання оброблюваної води - 20-50 м/годину в залежності від отримання необхідної її якості. 2 При досягненні у фільтрі робочого тиску води вище надмірного від 0,5кг/см у пневматичних компенсаторах 3 вони стискаються, фільтруюче завантаження - іоніт, ущільнюється. При зниженні робочого тиску у фільтрі нижче надмірного у пневматичних компенсаторах 3 вони розтискаються в межах свого тиску, при цьому не відбувається змішування або втрати щільності шару іоніту. Шар іоніту в компактному стані підтримується потоком оброблюваної води або стиснутим повітрям. Оброблена вода при досягненні необхідної якості виходить через щілинний фільтр 6 та з'єднаний з ним вихідний штуцер 8. Регенерація здійснюється шляхом подачі регенераційного розчину, а потім промивної води, через штуцер 8 і щілинний фільтруючий елемент 6 та витісненням його через фільтруючий елемент 5 і штуцер 7 свіжим регенеруючим розчином, а потім промивною водою до нормативного вмісту компонентів регенераційних розчинів в промивній воді. Періодично один раз після 20-50 робочих циклів здійснюють видалення іоніту в окремий резервуар для його відмивання від взмулених речовин, продуктів деструкції або для повної заміни іоніту. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 1. Протитечійний фільтр, що включає циліндричний корпус, оснащений штуцерами входу та виходу оброблюваної рідини, входу для завантаження фільтруючого матеріалу, і розташовані усередині корпуса фільтра дренажно-розподільні системи, який відрізняється тим, що корпус фільтра розташований горизонтально і виконаний у вигляді горизонтально розташованої циліндричної частини, з'єднаної за одне ціле торцевими фланцями, щільно з'єднаними з додатково установленими усередині корпуса пневматичними компенсаторами з вмонтованим в кожному з них ніпелем для подання повітря, а дренажно-розподільні системи виконані у вигляді щілинних фільтруючих елементів, щільно з'єднаних з штуцерами входу та виходу оброблюваної рідини. 2. Фільтр за п. 1, який відрізняється тим, що пневматичні компенсатори виконані у вигляді балонів, виготовлених з матеріалів, здатних змінювати свою форму у залежності від робочого тиску фільтра та тиску повітря усередині пневматичних компенсаторів. 3. Фільтр за п. 1, який відрізняється тим, що щільові фільтруючі елементи виконані у вигляді дроту, безпосередньо намотаного на окремі, виконані з різьбою і перфорацією, розподільні трубки, причому перфорація виконана у вигляді прорізів по верхній твірній розподільних трубок. 4 UA 115164 C2 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5