Фільтр для очищення рідин

Изобретение относится к технике очистки жидкостей фильтрованием и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Очистка жидкостей является неотъемлемой частью основных технологических процессов производства на химических, нефте химических, пищевых, фармацевтических и многих други х предприятиях, а также, необходима при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, всех типов, систем смазки и гидравлических систем в промышленности, энергетике, на транспорте, в строительстве и сельском хозяйстве. Высокую степень чистоты жидкости обеспечивает ее очистка. Сущность процесса очистки заключается в разделении каким-либо методом суспензии, которой является содержащая механические загрязнения жидкость, на твердую и жидкую фазы. Твердые механические частицы удаляют из жидкости в основном физическими методами. К физическим методам относятся фильтрование жидкости через пористые перегородки. На основании физического метода созданы универсальные очистители-фильтры, эффективность применения которых практически не зависит от свойств твердых частиц загрязнений и связана исключительно с соотношением размеров частиц и пор фильтрующей перегородки. На работу фильтров существенное влияние оказывают свойства очищаемой жидкости (ее вязкость, электрокинетические свойства, растворенные в ней ПАВ и т. д.). Очистка жидкости фильтрованием осуществляется в фильтрах самой различной конструкции, различающихся устройством корпуса фильтра и фильтрующего элемента, характеристиками фильтрующего материала и многими другими факторами. Поскольку в реальных условиях в жидкостях содержатся твердые частицы, удаление которых является конечной целью процесса фильтрования, накопление этих частиц в порах фильтрующе го слоя и на его поверхности приводит к уменьшению пористости и тем самым к ухудшению течения жидкости. Загрязнения в жидкостях, применяемых в технике, имеют полидисперсный характер, поэтому фильтрование сопровождается полным или частичным закупориванием пор, образованием над входом в поры пористых структур в виде сводиков или образованием осадка на поверхности фильтрационного слоя. Фильтрование жидкости с разным содержанием механических загрязнений, улавливание их фильтрующим слоем будет зависеть от ее удельной пропускной способности, концентрации загрязнений, коэффициента проницаемости слоя, и коэффициента полноты фильтрования. Конструктивное исполнение фильтрующи х элементов определяется, в первую очередь, свойствами фильтрующего материала, а также конструкцией и местом установки фильтра, свойствами очищаемой жидкости, требуемой тонкостью ее фильтрования и условиями эксплуатации. Значительное распространение получили листовые фильтры, работающие под давлением, Они представляют собой сосуд с вертикальной перегородкой в виде плоского каркаса, туго обтянутого с одной или обеих сторон фильтрующим материалом. Направление движения жидкости в эти х фильтрах перпендикулярно направлению силы тяжести. Поверхность фильтрования этих фильтров может быть увеличена, так как отдельные листы размещены в корпусе фильтра на небольшом расстоянии один от другого. Жесткий каркас позволяет вести фильтрование при довольно высоком давлении жидкости поступающей на фильтр. Известен фильтр для очистки жидкостей [Патент СССР № 1834678, кл. В 01 D 27/00, опублик. 15.08.93.], содержащий разъемный герметичный корпус с дном и подводящим и отводящим патрубками, уплотнительные устройства и фильтрующее устройство. Фильтрующее устройство выполнено в виде отдельно расположенных и закрепленных на корпусе вертикальных колон, каждая из которых состоит из цилиндрических полимербетонных фильтр-элементов. Суммарная рабочая поверхность фильтр-элементов превышает расчетную для заданной производительности фильтра. Обеспечение в небольшом объеме более развитой поверхности фильтрации приведет к уменьшению гидравлического сопротивления при высокой удельной пропускной способности. Кроме того, полимербетонные фильтр-элементы обеспечивают необходимую жесткость к перепадам давлений. К недостаткам полимербетонных фильтрационных материалов относится неравномерность их поровой структуры, так как в процессе производства тр удно обеспечить стабильный размер пор. Известно, что ухудшение фильтрационных свойств материала за счет уменьшения удельной пропускной способности может быть обусловлено не только частичным разрушением поровой структуры, но и явлениями, связанными с отложением в его порах частиц загрязнений. Известно, что пористость фильтрующего материала в цилиндрических фильтр-элементах уменьшается в направлении движения потока жидкости, частицы загрязнений больших размеров задерживаются в областях, прилегающих к входу в фильтрующий элемент, а меньших ближе к выходу из него, происходит дифференцированная задержка частиц загрязнений по размерам. Изменение пористости фильтрующего материала в зависимости от характера загрязнений очищаемой жидкости также могут существенно отличаться. Однако предел изменения пористости ограничивается соотношением наружного и внутреннего диаметров. Причем, чем меньше это соотношение, тем меньше изменение пористости может быть получено. В данной конструкции необходимую пористость фильтрующего материала, а, следовательно, необходимую тонкость фильтрации жидкостей можно обеспечить за счет увеличения толщины фильтрующего слоя. Недостатком является то, что в известном устройстве фильтр-элемент имеет довольно большую толщину и не обладает гибкостью, поэтому их геометрическая форма задается, как правило еще в процессе изготовления. Это ограничивает область применения таких фильтрующи х материалов, так как при разработке каждого нового по конструкции или размерам фильтра требуется изготовление соответствующи х пресс-форм и другого оборудования. Поэтому недостатками известной конструкции являются значительные габаритные размеры и масса фильтрующего элемента, такие фильтрующие элементы находят широкое применение в фильтрах для грубой очистки жидкостей в стационарных условиях, когда размеры и масса устройства не играют существенной роли. Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сути и достигаемому результату является фильтр для очистки жидкости [Авт. св. СССР № 688202, кл. В 01 D 27/06, В 01 D 29/24, опублик. 30.09.79], содержащий разъемный герметичный корпус и размещенные в нем патроны, имеющие внешний и внутренний фильтр-элементы, герметично соединенные между собой. Каждый патрон гофрирован и образован из двух частей, представляющих собой внешний и внутренний фильтр-элементы, что позволяет повысить надежность фильтра при входе из строя одного фильтр-элемента, так как быстрому осмотрению подвергается только часть фильтрующего слоя вн утреннего фильтр-элемента. Для получения развитой поверхности необходимо усложнять конфигурацию фильтр-элемента для чего необходим материал небольшой толщины и легко поддаваемый обработке. Это обуславливает уменьшение массы известного фильтра. В свою очередь небольшая толщина уменьшает жесткость фильтрующего слоя и не обеспечит фильтрование при высоких перепадах давления. Кроме того, из-за небольшой толщины фильтрующего материала не обеспечивает тонкость фильтрации. Введение в фильтре внутреннего фильтр-элемента не приводит к повышению тонкости и полноты фильтрования, так как оба фильтрующи х слоя выполнены из материала с одинаковой поровой структурой. Помимо этого конфигурация гофр требует большой объем для расположения в нем патронов, что снижает удельную пропускную способность за счет невысокого коэффициента использования объема. Задачей заявляемого устройства является усовершенствование фильтра путем выполнения внутреннего и наружного фильтр-элементов из пористого металлического листа, расположенного на каркасе и имеющего поры в виде цилиндрических каналов, обеспечивающих тонкость и полноту фильтрования при высокой пропускной способности, что позволит расширить область применения фильтра. Решение указанной задачи достигается тем, что фильтр для очистки жидкостей, содержащий разъемный герметичный корпус и размещенные в нем патроны, имеющие внешний и внутренний фильтр-элементы, герметично соединенные между собой, установленные с зазором и выполненные из листа пористого металла сотовой структуры, размещенного на несущем каркасе в виде трубы, на наружной поверхности которой имеется резьба, а по образующей - щели, при этом лист имеет поры в виде цилиндрических каналов, диаметр каналов листа внешнего фильтр-элемента в два раза больше диаметра каналов внутреннего. Фильтр-элементы герметично установлены посредством колец на несущем каркасе. Фильтр-элементы имеют компенсирующие складки. Щели на трубе расположены перпендикулярно вершинам резьбы. Ширина их равна или меньше шага резьбы, а площадь их равна площадям впадин резьбы, выходящих в щели. Ухудшение фильтрационных свойств известных материалов может быть обусловлено не только частичным разрушением поровой структуры, но и явлениями, связанными с отложением в его порах частиц загрязнений. Полноту и тонкость фильтрования определяют при постоянном перепаде давлений в начальный период работы фильтра, т. к. с увеличением продолжительности процесса фильтрования число и размер пропускаемых частиц уменьшается, вследствие сокращения суммарной площади сечения пор при отложении в них задерживаемых перегородкой частиц. Однако, улучшение фильтрационных свойств наблюдается до тех пор, пока содержание загрязнений в жидкости и размер их частиц принимают минимальные значения. Этому моменту соответствует некоторым критический перепад давления на фильтрующем слое, превышение которого может привести к ухудшению фильтрационных свойств материала, что объясняется, во-первых возрастанием скорости потока жидкости в порах фильтрующего слоя, и выносом части отложившихся ранее в порах частиц, во-вторых деформацией слоя материала, способствующей продавливанию через нее частиц с размерами, превышающих диаметр пор. Выполнение фильтр-элементов из листа пористого металла сотовой структуры с порами в виде цилиндрических каналов, позволяет получить тонкостенные цилиндрические фильтр-элементы, отличающиеся высокой механической прочностью. Такой материал представляет собой литой металлический лист, в котором равномерно размещены непрерывные зеркально гладкие каналы одного диаметра, оси каналов расположены параллельно друг другу, что обеспечивает равномерную пористую структур у и обладает более высокой стабильностью гидравлических характеристик по сравнению с известными пористыми проницаемыми материалами. [Пористые проницаемые материалы. Справочник под ред. С. В. Белова, М., Металлургия, 1987, с. 205]. Основным преимуществом таких материалов является однородность и высокая пористость структуры, обеспечивающем регулирование диаметра каналов, также пластичность и прочность его. Эти качества обуславливают использование фильтра при высоких давления и температурах в химически активных средах. Технология получения материала позволяет задавать диаметр каналов в фильтрующем слое, что позволит получить фильтр с диаметром каналов внешнего фильтр-элемента в 2 раза больше диаметра каналов внутреннего фильтр-элемента, что позволит повысить тонкость и полноту фильтрования. Это объясняется тем, что в заявляемом фильтре обеспечивается улучшение фильтрационных свойств материала за счет уменьшения скорости потока жидкости в поровых каналах фильтрующего слоя и выноса части отложившихся ранее в каналах частиц, а также исключения деформации материала, способствующего продавливанию через него частиц с размерами превышающих диаметр каналов, кроме того, материал позволяет получить зеркально гладкую фильтрующую поверхность фильтр-элементов, что в свою очередь уменьшает прилипание частиц и улучшение фильтрационных свойств фильтра. Это позволит приблизить процесс к условиям ламинарного движения жидкости через фильтрующий материал, при этом возмущения, возникающие в результате изменения направления движения жидкости, а также, при расширении и сужении живого потока отдельных её струек, локализуются и затухают под воздействием сил трения. Так как движущейся силой процесса фильтрования является перепад давления на фильтрационных элементах, поэтому и показатель скорости равен показателю удельной пропускной способности фильтрэлемента при соответствующем перепаде давления 1 Эта зависимость получается экспериментальным путем [Коваленко В. Л., Ильинский А, А. Основы техники очистки жидкостей от механических загрязнений. М., Химия, 1982, с. 122-123]. В результате за счет выполнения каналов цилиндрическими с зеркально гладкой поверхностью позволит уменьшить коэффициент извилистости по сравнению с известными решениями и позволит увеличить пропускную способность фильтра. Выполнение внешнего и внутреннего фильтр-элементов в виде цилиндра из листа пористого металла приводит к увеличению фильтрующей поверхности без усложнения конфигурации фильтрующего слоя, а это, в свою очередь, позволит увеличить пропускную способность фильтра. Материал фильтрэлемента обладает необходимой гибкостью, что способствует увеличению количества цилиндрических фильтр-элементов, что позволит при постоянном объеме фильтр-элемента повысить его пропускную способность или снизить гидравлическое сопротивление: где Ко - коэффициент использования объема фильтр-элемента, S - рабочая поверхность, м 2; V - объем фильтр-элемента. Это позволит расширить область применения заявляемого фильтра. Выполнение каркаса в виде трубы с резьбой на наружной поверхности и сквозными щелями позволит увеличить жесткость фильтр-элемента и обеспечит фильтрование при высоком давлении жидкости, не Снижая пропускную способность фильтрующе го слоя. А это достигается тем, что щели расположены перпендикулярно вершинам резьбы. В результате, заявляемый фильтр возможно использовать для фильтрации более вязких жидкостей, что приведет к расширению области использования фильтра. В зависимости от максимальной величины перепада давления жидкости на фильтр-элементе, обусловленного технологическими особенностями фильтра, ширина щели равна или меньше шага резьбы, а площадь их равна площади впадин резьбы, выходящих в щели, и определяется расчетным путем или получают экспериментальным путем. Увеличение площади щелей приведет к снижению прочности фильтр-элемента, а уменьшение не обеспечит необходимую пропускную способность. В отличие от известных решений, в которых усилие на фильтр-элемент определяется общим давлением жидкости на всю поверхность фильтр-элемента, то в заявляемом устройстве это усилие определяется давлением жидкости на площадь между вершинами резьбы и может регулироваться (в зависимости от величины давления) величиной шага резьбы. Поэтому снижение площади, на которую воздействуют давлением жидкости, обеспечивает увеличение прочности фильтр-элемента. Расположение фильтр-элементов в фильтре с зазором позволит перераспределить равномерно поток очищаемой жидкости .выходящий из щелей первого каркаса (наружный фильтр-элемент) на второй фильтрующий слой и улучшить процесс фильтрования, не снижая пропускной способности фильтра, при малом гидравлическом сопротивлении. Если допустить, что фильтр задерживает все частицы, размер которых больше его номинальной тонкости фильтрования и не задерживает частицы меньшего размера, то суммарное число частиц, задержанных 1 фильтровальным слоем, будет равно их общему числу на двух слоях и превышает номинальную тонкость фильтрования. Максимальный размер этих частиц определяется тонкостью фильтрования через 1 слой, а минимальный - тонкостью фильтрования на втором слое. За счет того, что фильтр-элементы имеют компенсационные складки, при воздействии на фильтрэлемент больших перепадов давлений, поверхностный его слой плотно прилегает к несущему каркасу, уменьшается при этом диаметр цилиндра и повышается прочность фильтрующе го элемента, как внутреннего так и наружного, а это, в свою очередь, позволит работать при повышенных давлениях, т. е. возможно применение для широкого диапазона жидкостей. Данная совокупность существенных признаков позволит по сравнению с прототипом получить следующие результаты: - возможность использования фильтра при высоких давлениях жидкости, что обеспечит расширение областей его применения; - повышается производительность фильтра за счет повышения пропускной способности или снижения гидравлического сопротивления фильтр-элементов и рационального использования объема, занимаемого ими; - повышается качественный эффект процесса очистки жидкостей путем повышения полноты и тонкости фильтрования за счет фильтрующего материала и конструкции фильтра; - повышается ресурс работы фильтра за счет его надежности; - сравнительно легкая регенерация фильтрующи х элементов. Заявляемое, техническое решение соответствует критериям "новизна" и "изобретательский уровень", т.к. совокупность существенных признаков" характеризующи х данное устройство, является новой и не следует явным образом из известного уровня техники. Изобретение поясняется графическими материалами, где; на фиг. 1 представлен фильтр для очистки жидкости, общий вид; на фиг. 2 - предлагаемый фильтр в плане; на фиг. 3 - разрез А-А. Фильтр для очистки жидкостей (фиг. 1) включает герметичный корпус 1, съемную крышку 2 и патрубки 3, 4 для входа и выхода жидкости. В полости корпуса размещены 14 патронов, зажатые с помощью шпилек 5 между плитой 6 и пластиной 7. Каждый патрон состоит из внешнего фильтр-элемента 8, представляющего собой узел грубой очистки и внутреннего фильтр-элемента 9, представляющего собой узел тонкой очистки жидкости. Узел грубой очистки состоит из фильтрующего слоя 10 с кольцами 11, плотно посаженными на несущий каркас 12 в виде трубы, на наружной поверхности которой выполнена резьба 13 и щели 14. Несущий каркас 12 с одной стороны плотно входит в плиту б, с др угой закрывается заглушкой 15. Герметизация узла осуществляется плотной подгонкой деталей. Узел тонкой очистки состоит из фильтрующего слоя 16 с кольцами 17 плотно посаженными на несущий каркас 18 в виде трубы, на наружной поверхности которой выполнена резьба 19 и щели 20. Несущий каркас 18 с одной стороны поджимается через прокладку 21 к плите 6, с другой через прокладку 21 седло 22 поджимается к несущему каркасу 18 с помощью винта 23, обеспечивая герметичность узла тонкой очистки. Величина усилия сжатия прокладок 21 регулируется винтом 23. Фильтрующие слои 10, 16 фильтр-элементов выполнены из листа пористого металла сотовой структуры с порами в виде цилиндрических каналов. Узел тонкой очистки имеет каналы в два раза меньше диаметра каналов узла грубой очистки. Фильтрующие слои имеют компенсирующие складки 24, расположенные с противоположных сторон вдоль оси фильтр-элемента. Складки образованы под пропаянными стыками двух половинок металлического листа. В случае экстремального повышения перепада давлений предусмотрен клапан 25, прижатый к седлу 22 с помощью пружины 26. Путем ввинчивания гайки 27 в винт 28 регулируется величина давления срабатывания перепускного клапана. Фильтр для очистки жидкостей работает следующим образом. Очищаемая жидкость подается в корпус 1 через подводящий патрубок 3, проходит через фильтрующий слой узла грубой очистки, на которой остаются твердые частицы, а очищенная жидкость проходит по каналам материала, входит в канавки резьбы 13 несущего каркаса 12, стекает по ним в щели 14, попадает во внутреннюю полость каркаса и затем поступает на узел тонкой очистки. На этом фильтр-элементе процесс очистки жидкости аналогичен процессу очистки на узле грубой очистки. После прохождения жидкости через фильтр-элемент она отводится из верхней части корпуса 1 через отводящий патрубок 4. В случае резкого повышения давления жидкости на входе в фильтр срабатывает канал 25. Основное количество жидкости проходит через клапан, минуя узел тонкой очистки до полного установления нормального рабочего давления в фильтре. Затем клапан закрывается и процесс фильтрации в устройстве проходит по заданному режиму. После загрязнения патрон вывинчивается из корпуса 1. Для удаления осадка с поверхности и объема фильтр-элементов 8, 9 фильтрующие слои 10, 16, вместе с герметизирующими кольцами 11, 17 вынимаются из несущих каркасов 12. 18 и промываются чистой жидкостью. Сборка производится в обратной последовательности. Фильтр вновь готов к работе. Конструкция фильтра позволяет повысить тонкость фильтрования и удельную пропускную способность при небольшом гидравлическом сопротивлении, что позволит расширить область его применения. Фильтр прост и удобен в работе, компактен и обладает высокой надежностью. Кроме того материал фильтрующего слоя обеспечивает длительную работу фильтра без ухудшения гидравлической характеристики. Возможность задавать диаметр каналов в материале позволит в зависимости от назначения устройства получать фильтрующий слой с диаметром каналов от нескольких микрон до 8—10 мм и пористостью от 5 до 60%. Практически из любого металла или сплава возможно получить сотовую стр уктур у, однако, промышленное применение нашли пористые металлы на основе меди, бронзы, магния, никеля, чугуна, стали. Материал фильтрующего слоя фильтр-элемента и конструкция фильтра обеспечивает не только эффективное разделение суспензий, а также легкую регенерацию фильтр-элементов. В таблице приведены основные характеристики известных пористых материалов. Анализ приведенных данных показывает, что пористые металлы сотовой структуры по своим свойствам значительно превосходят пористые порошковые металлы. Заявляемое устройство отличается компактностью и простотой устройства и его составных элементов, которые являются типовыми. Заявляемый фильтр можно изготавливать на любом заводе на что не требуется дополнительного оборудования. На основании этого заявляемое техническое решение соответствует критерию "промышленная применимость".