CN1011479B - 气体过滤系统 - Google Patents

Abstract

一气体过滤系统，它由有密封底的呈圆柱体形的壳体构成，壳体的上部有一进气口，壳体底部的侧壁上有一出气口。气体以低速通过一具有预定厚度的水平滤床。该滤床是一层粒状过滤介质。过滤介质由一种轻质粒状材料支承层支承，此材料的平均粒度大于过滤介质的平均粒度。支承层延至壳体的底部。已过滤气体由许多管状件回收并送至出气口。管状件的壁可通过气体且置于支承层中，并向一带出气口的环形集气管中排气。

Description

本发明涉及对以低速通过一层过滤介质的气态流体的过滤，更具体地说就是对大质量单位流量气态流体的过滤。

众所周知，过滤效率主要取决于所用过滤介质的性质和颗粒粒度，以及由过滤介质构成的水平或其它种滤床的厚度。

在对某些充满颗粒的气体排出到大气中之前进行过滤的应用中，始终保持滤床的厚度是很关键的。滤床厚度的减少可能导致过滤效率的降低，还会导致所用过滤器特性的不利变化，这些现象对过滤系统的周围环境产生了不容忽视的有害作用。

对安全装置中装有加压水类型的核反应堆来讲，情况尤其是这样。虽然发生严重事故的或然率极小，但人们仍然试图避免使密封性能产生可能由于内部压力过高所引起的无法逆转的有害作用，所以必须配备与反应堆密封容器连接的装置，目的是使产生的气体膨胀并过滤，以消除破坏密封容器的任何危险。

应当记住，在上述的这类应用中，操作条件是特别恶劣的。待过滤的气体混合物（含有空气、二氧化碳、水蒸汽、一氧化碳和带有悬浮粒的气体）在发生事故时，将以140℃的温度、5巴的绝对压力和高达3.5kg/s的质量单位流量冲出容器。进入过滤系统的大质量单位流量气体混合物首先进行膨胀（达到1.1巴绝对压力），然后由过滤介质进行过滤，在过滤介质层的进口和出口侧，气体混合物的速度较高，但在通过过滤床时速度较低。

我们已在实验室中以较小的规模进行了多次实验，以便对这些情况进行评估。

1985年10月底在美国俄亥州哥伦布举行的一次国际学术会议的一份出版物报导过一特别有趣的实验室实验。

作为PITEAS研究和开发计划的一部分，该实验室研制了一种砂质过滤器，并对它进行了许多实验，其中的待过滤气体的特性是变化的。

通过在过滤系统的进口和出口侧取样的办法，这些实验即能说明实验室中的一种砂质过滤介质〔其平均砂粒粒度（大约为0.7mm）和深度（大约800mm）与所要求的特性是适合的〕的效率。

所使用的过滤系统包括一圆柱形玻璃外壳，其直径大约为1m，外壳的顶部有一进气管，底部有一出气管。这些垂直管与外壳主体是同心的。外壳中有一层细砂，构成一深度为800mm的水平砂床。当然，必须有过滤介质的支承物和收集已过滤气体并将其送至出口处的装置。

置于砂层下的支承物按顺序排列有：

-一个50mm深的“支承”砂层，砂粒平均粒度大大超过过滤介质的平均粒度（大约为2mm），

-一个金属筛，筛孔尺寸小于支承层中砂粒的平均粒度，

-一电镀的钢篦，由商业上常见的轧制型材以机械方式支承。

回收的手段是在外壳底部，在钢篦和底壁之间形成一个自由空间。自底壁处伸出一过滤气体出口。

然而，试图将这种砂质过滤器的设计扩展成实际大小的过滤系统将会出现许多不足之处。

首先，由于有支承砂层，将会使过滤器填料有关的操作变得复杂起来，因为要保证过滤介质具有恒定的厚度，无疑意味着要保证支承层具有恒定的厚度。此外，在添入过滤介质之后，不可能检查此厚度（只能局部地核查出支承层的厚度）。这是一个最主要的缺陷，因为没有准确厚度的支承层是不行的。

其次，由于在底部需要有回收滤过的气体的自由空间，将会带来毁坏过滤介质支承系统的不容忽视的危险，这是因为不能保证支承构件的金属件不会最终由于过滤介质的沉积现象或化学相互作用而受到腐蚀。尽管这种腐蚀并非一定发生，但不得不予以考虑，因为这种腐蚀会带来使过滤介质的支承构件在中期或长期使用后毁坏，从而导致过滤器损坏。

可以考虑在底部的自由空间中填充砂粒以消除毁坏的危险，但这将对气体的回收（压力头损失，在出口处的速度增加不够多），构件的重量（大约增加70吨重），当然还有成本（砂本身的成本，以及必要的加强机械支承物的成本）带来的不良后果。

还可以考虑采用并修改水过滤器中使用的技术，某些这类过滤器装有一种类似于上述砂粒的粒状材料的过滤介质。

然而，这些过滤器总是含有一固体支承板，其底部有一自由空间，不论这些过滤器是逆流过滤器（在一板上有顺序安置的几层，其中有一粗砂砾支承层，一粗过滤砂砾层和一粒度减少一倍的砂过滤层）或简单的水回流冲洗过滤器，如惠勒过滤器（内有一混凝土底板，其中有许多充满陶瓷球的棱锥形的小穴，它的上面按顺序放置有许多层，各层中的砂粒粒度是逐渐减小的，最上面一层是细砂）。因此，这些技术并未提供有关消除过滤介质支承构件毁坏危险的任何启示。另外，如果在预定的应用中采用这类过滤器的话，必将采用极高的操作压力，目的是在过滤介质的出气口处获得高速，这样便需要有庞大的构件来适应这些条件。

本发明的一个目的是提出一个旨在通过采用一种简单，比较经济和可靠的结构来克服上述缺点，特别是消除过滤介质支持构件毁坏的危险的过滤系统。

本发明的另一目的是提出一个有可能在回收装置中的气体速度，与在过滤介质中气体速度之间产生高比率。（例如，高达100∶1的比率）的过滤系统。

本发明涉及一气体过滤系统，它包括有一大致呈圆柱形的壳体，其底部是封闭的;一位于壳体上部的待过滤气体的进气口;一位于壳体底部侧面的已过滤气体的出气口;一具有预定厚度的水平滤床，它是由一层粒状过滤介质构成的，待过滤气体将以低速通过此层;过滤介质支承物，它包括有一轻质粒状材料，其平均粒度大于过滤介质平均粒度的支承层，此层向下伸展至壳体的封闭底部。此系统还包括有回收已滤气体并输送至出气口处的装置。该装置由许多管状件组成，它们装置在支承层中，气体可由其侧壁穿过。管状件可向一环形集气管排气。出气口位于该集气管的外侧圆周上。

一柔性筛网最好安置在滤床和支承层之间，筛网孔尺寸小于过滤介质的平均粒度，目的是避免使过滤介质混入到支承层中，并保证能保持住水平滤床的预定厚度。在一实施例中，柔性的筛网件是由一种织物，例如玻璃纤维制成的。

构成支承层的轻度粒状材料采用具有平均粒度大的膨胀材料，例如膨胀粘土是有利的。

装置于支承层中的管状件最好全部都位于一基本上呈水平的平面上。装置于支承层中的管状件，基本上全部都装置成呈同样位向的带孔管件是有利的。在一实施例中，每个带孔管件都有一光滑的自由端，而壳体在其侧壁有相应的孔，以插入光滑自由端。

为避免发生过滤介质穿入的危险，使筛子侧壁上的孔或槽的尺寸小于过滤介质的平均粒度是有利的。

为了便于采用更大的尺寸，带孔管件最好是由半个筛状物构成的，它们中的每一个都从壳体的一公共直径部位的一侧，向外伸展出去。在此公共直径部位上装有一横梁。半个筛状物的端部固定在此梁上。

管状件向其排气的环状集气管，最好是基本上呈固定矩形断面的环。在一实施例中，壳体的侧壁上有一些孔，管形件的自由端穿过这些孔，而上面装有侧面出气口的环状集气管是以可以盖住这些孔的方式安装在壳体的侧壁上的。这些孔最好是沿侧壁周边均匀分布的。

过滤系统最好在壳体内部装有一横置的人行栈桥，其高度与滤床达到其预定厚度时，过滤介质表面的高度相对应：这样便可以在过滤介质层的上面行走，并检查该层的高度。在一实施例中，人行栈桥呈十字形，在壳体的两上直径部位上以及壳体的侧壁上，至少有一通向人行栈桥的人孔。

过滤介质最好用砂粒，其平均粒度基本上为0.7mm。构成支承层的轻质材料最好用膨胀粘土，其平均粘度在10和25mm之间。在一实施例中，管形件位于支承层的上部并构成一些平行的筛子，其侧壁有一些孔或大约为0.4mm宽的槽。

从下面所说明的具体实施例及附图中，可更清楚地了解本发明的其他特性和优点。

图1为根据本发明提出的过滤系统通过轴线的断面图。图2为通过图1中Ⅱ-Ⅱ线的断面图。图3为图1所示过滤系统的侧视图，切去部分以便示出向环状集气管排气的带孔管件端部。图4为类似于图2的横向断面，用于表示管状件-半个带孔管件的排列情况。

图5为以放大尺寸表示的图4中A细部的断面图。

图6a和6b分别是图4中B处的断面和平面图详图。

图1和图2中所示的气体过滤系统1包括一个 一般呈圆柱形的外壳2，其顶部3和底部4都呈拱形。底部周围为一圆柱形裙部5。进气管6安装于外壳2的上部，用于送入待过滤的气体。由安装于外壳顶部的支架7所支承的管6上，装有一压力表8和一检查出气孔9。管6在扩散器锥体11上方、壳体中心线10的一水平面处排出气体。

在设想的优选实施例的应用中，进入管6中的气体是预先在过滤系统的进气口一侧，借助于一膜片小孔（未示出）经过膨胀的气体，因而其压力从5巴绝对压力降至1.1巴绝对压力。应说明的是，按照本发明所设计的过滤系统将在向下的方向上对单向的气体流起作用。只有当高质量单位流量气体在所用过滤介质的进气口和出气口侧具有高速度（例如，大约为40m/s），并以低速流过过滤介质（最好在0.1m/s左右）时才能实现过滤。主要是以减小管路断面积的方法使待过滤的流体以高速送入过滤器。这对设备的重量和安装成本有很大的影响，还可避免在气体中充满水蒸汽时，出现凝聚现象。

在这种情况下，有一层待过滤气体以低速流过的粒状材料过滤介质12，该介质层构成一具有预定厚度的水平滤床。所用的过滤介质可以是平均粒度大约为0.7mm的砂子，或者其他种适用于所设想的应用类型的材料，例如，小玻璃球。必须了解的是，在压力为1.1巴绝对压力时，要求气体以低速通过过滤介质即意味着断面面积要大，例如，在所考虑的流量条件下，0.1m/s的速度往往选用断面面积大约为42m²的过滤器。根据上述条件，即可以很容易想像出过滤介质的支承物，回收已过滤气体以及将此气体自过滤器壳体中送入到出气口处结构件的尺寸。

因此，过滤器壳体2的封闭的底4和一侧面出气口13与上述实验室试验中使用的壳体结构有很大差别。

根据本发明的一个重要方面，过滤介质层12的支承物主要包括由一种平均粒度大于过滤介质12的平均粒度的轻质介质构成的支承层14，该支承层向下伸展至过滤器壳体12的底4处。很明显，所使用的轻质材料取决于有关的应用实施例的种类。材料的选用将取决于支承过滤介质负荷所需的机械性能，以及在工作温度下的动压力，还可能需要具有一定程度惰性的化学特性。例如，可以选用膨胀粘土，其平均粒度最好是10-25mm，这样，当气体通过此支承层时便可以减小压力头损失，还可减小此支承层在一定容积下的重量。例如，采用平均粒度为0.7mm的砂子作为过滤介质以及上述类型的膨胀粘土作为支承层，这两种组成物的密度比大约为6∶1，这意味着大大地减小了重量。

这样，与先有技术不同的是，在过滤介质下方没有自由空间，因为此空间将全部充满轻质材料的支承层14。此特征消除了支承物毁坏的危险，这样便可以保证过滤介质滤床12的厚度始终稳定。

本发明除了具有涉及到支承物的特征之外，另一重要特征涉及已过滤气体的回收装置。这一装置基本上包括有：多个管状件15，气体可通过这些管状件的壁，这些管状件位于轻质材料支承层14中;一环状集气管16，所述管状件可向其中排气;一从滤气器外壳伸出的侧壁出气口13，它安装在集气管的外侧周边上。这些位于支承层14之中的回收件能以高速将均匀分布的已过滤气体排出。由于管状物15位于支承层14的上部，因而压力头损失是有限的，支承层中的气体仅稍有加速，而在管状件中，然后在环状集气管中气体却被大大地加速了。

在过滤介质层12和支承层14之间最好装置一柔性筛网件17，它能避免所述过滤介质混入到支承层中，并能保证水平滤床保持一预定厚度。柔性筛网件17可由例如玻璃纤维的织物制成，或由市售的商标为KEVLAR的材料制成，所选用的筛孔尺寸小于过滤介质的平均粒度。选用的砂粒平均粒度为0.7mm，而选用的柔性织物17的筛孔尺寸大约为0.2mm时，效果较好，因为此筛孔尺寸小于过滤介质的最小颗粒的尺寸。另外，这种织物对于过滤系统运行过程中产生的动负荷具有较大的抗力。

通过对根据前述的PITEAS计划的一部分制造的实验室过滤系统的结构进行比较，可以注意到，支承砂层中砂粒粒度大约为2mm，层深为50mm，且深度的尺寸必须是很准确的。但在本发明中并不需要。此外，将轻质粒状材料、柔性织物和管状件结合起来使用，以代替该实验室研制的，由金属网、电镀钢篦和底部的用于回收气体的空间构成的系统是有利的：采用拱形底和密度为 300kg/m³的膨胀粘土，即可使支承构件的重量大约减少12吨，且消除造成过滤介质支承构件毁坏的危险。

图2至图4清楚地展示了根据本发明提出的过滤系统管状件15的空间排列情况。必须使气体均匀分布，并在从支承层进入管状件，并最终进入环状集气管的过程中，需要逐步加速。在此实例中，管状件是带孔管件15，它们基本上都位于同一水平面，并最好呈同一位向。这类带孔管件通常用于将固体物和待回收的流体进行物理分离，并用在许多场合中，例如，必须分离出固体并回收流体（石油化工，水处理，软化厂，水过滤器等）的场合。筛孔的总表面积取决于所需的流体流量，筛孔尺寸则应小于固体的粒度。在此实例中，可以采用圆柱体形带孔管件，其侧壁上有孔或槽，以在其内部形成小于过滤介质平均粒度的通路。例如，可采用有0.4mm宽槽的不锈钢带孔管件，确定带孔管件数的条件是：砂床中气体速度的均匀性不致被破坏。这样，可以安装20个不同长度，直径为100mm，表面积为7.5m²的带孔管件。可以采用一种带有孔或槽的圆柱形管状回收件，或者采用在母体上绕成螺旋线的平行杆回收件。

用这种方式，气体进入壳体的顶部时的速度达到例如42m/s，通过过滤介质床的速度可达到大约0.1m/s，在通过支承层和带孔管件进气孔之后，将被回收，这时的速度大约为0.5m/s。从带孔管件中出来的气体将被大大加速（例如，在最大的筛子出气口处，被回收气体的速度大约为12.8m/s），这种加速过程在环形集气管16中继续进行，在侧壁出气口13处，速度可达40m/s。所有带孔管件由位于圆周上的端部向集气管中排气。

环状集气管16（管状件或筛子向其中排气）最好是基本上呈大小恒定矩形断面的环，最终加速过程是在侧壁出气口13的收敛段实现的。装有侧壁出气口13的环形集气管是以这种方式固定到过滤器壳体2的侧壁上的：它覆盖住在侧壁上用于穿过带孔管件15自由端的多数洞孔18;这些洞孔18最好沿壳体侧壁周边均匀分布。

图5所示为某一实施例的细部：过滤器壳体周边处的带孔管件端部为一光滑的，焊接到带孔管件本体上的衬套19。衬套19可在相应的壳体2侧壁上的孔18中稍许滑动一些，这样便可在热膨胀时，对系统有一定程度的适应性。如果已经过过滤的气体到达带孔管件端部时，不顾及热膨胀问题，那么在此处采用气密连接是无益的。在带孔管件的另一端，可以看到一焊接的固定支架20。如果系统的尺寸很大，则将带孔管件15从过滤器壳体的一公共直径处伸展开来是有利的，按这种方式制成的半个带孔管件的端部在该处固定到一公共直径部位的横梁21上。图6a和6b更详尽地展示了半个带孔管件组的固定情况，例如将它们的支架20焊接到公共直径部位的横梁21上。还可以实现良好的气体回收条件，因进入到带孔管件中的流体可从公共直径横梁处直接传送到环形集气管处。筛子组的机械支承情况可以通过装置另外的、非直径部位的横梁22得到加强，如图2和图4所示。

在过滤器壳体内安装一横置的，高度相当于过滤介质层12的上表面的预定高度的人行栈桥23。如果将此人行栈桥制成交叉形，并位于壳体的两个直径部位处将更有利。因为这样便可以使工人在壳体内不必走在过滤介质上，并能检查过滤介质的高度。这样做自然需要使用具有足够强度的栅格构件，且应尽可能小地影响气体的通过。为此采用将直径部位横梁21和交叉形人线栈桥23连接到一中央管状件24上，则可实现质轻而又强固的结构。最好将中央管状件24下端固定在壳体底4上，如图1所示。

最后，图1和图3展示了2个如同蒸压器门的人孔盍25。工人通过它可进入到交叉形的人行栈桥23上。构件26（图3）是一些吊耳，在此实例中是固定到顶3的周边上的。它们可使操作变得方便些。

根据本发明提出的过滤系统因此便具有了许多优点。首先，在安全方面，支承结构的使用寿命是很长的，消除了由于导致过滤介质深度减少而毁坏的任何危险，从而在所考虑的应用中，消除了导致净化因素受损的任何危险。还有其他一些优点，当然是关于整体重量和制造成本方面的。最后，性能是优良的，特别是在带孔管件出气口处的气体速度和过滤介质内的气体速度之比是很高的（很容易达到100∶1）。

不言而喻，本发明在各方面都不局限于所说明的实施例，使用相同的方法提出的各种方案都应包括在权利要求书的范畴内。

Claims (17)

1、一种气体过滤系统，包括一个大致呈圆柱体形的壳体，该壳体有一封闭的底；一位于所述壳体上部的待过滤气体的进气口；一位于所述壳体下部的已过滤气体的出气口；一具有预定厚度的水平滤床，它包括一层待过滤的所述气体以低速通过的粒状过滤介质，以及过滤介质支承物；还有用于回收已滤气体并传送到所述壳体的出气口处的构件，上述回收构件包括管状件，所述气体可通过管状件的壁，本发明的气体过滤系统特征在于：

过滤介质支承物包括一由平均粒度大于所述过滤介质(12)的平均粒度的轻质粒状材料的支承层(14)，并伸展至壳体的封闭底部(4)；

用于回收已滤气体并传送到所述出气口的构件包括许多管状件(15)和一外部的环形集气管(16)，管状件装设于所述支承层(14)中，其可向环形集气管排气，在环形集气管的外侧周边上装有所述壳体的出气口(13)；

一柔性筛网(17)位于滤床(12)和支承层(14)之间，其网孔尺寸小于所述过滤介质的平均粒度。

2、根据权利要求1提出的气体过滤系统，其特征在于：所述柔性筛网（17）是由织物制成的。

3、根据权利要求2提出的气体过滤系统，其特征在于：所述柔性筛网（17）是由玻璃纤维织成的。

4、根据权利要求1提出的气体过滤系统，其特征在于：所述用于构成所述支承层（14）的轻质粒状材料是一种具有大的平均粒度的膨胀材料。

5、根据权利要求4提出的气体过滤系统，其特征在于：所述膨胀粒状材料是膨胀粘土。

6、根据权利要求1提出的气体过滤系统，其特征在于：位于所述支承层（14）中的所述管状物（15），基本上全部位于同一水平面上。

7、根据权利要求6提出的气体过滤系统，其特征在于：装置于所述支承层（14）中的所述管状物（15）是一些带孔管件，它们基本上都具有相同的位向。

8、根据权利要求7提出的气体过滤系统，其特征在于：每一个所述带孔管件（15）都有一光滑的自由端（19），所述带孔管件的侧壁上加工有相应的孔（18），其端部与所述光滑自由端连接。

9、根据权利要求7提出的气体过滤系统，其特征在于：所述带孔管件（15）的壁上，加工有比所述过滤介质（12）的平均粒度小的孔或槽。

10、根据权利要求7提出的气体过滤系统，其特征在于：所述带孔管件（15）是一些半个筛子，它们中的每一个，都从所述壳体（2）的一公共直径部位一侧伸展出去，在此直径部位安装一横梁（21），所述半个筛子的端部固定在此梁上。

11、根据权利要求1提出的气体过滤系统，其特征在于：由所述管状件（15）向其内部中排气的所述环形集气管（16）为一具有基本上呈恒定矩形断面的环。

12、根据权利要求11提出的气体过滤系统，其特征在于所述壳体（2）的侧壁上加工有许多孔（18），它们用于使所述管状件（15）的自由端穿过，上面安装有所述侧壁出气口（13）的所述环形集气管（16），是以这种方式安装到所述壳体的所述侧壁上的，即它覆盖了所述的孔。

13、根据权利要求12提出的气体过滤系统，其特征在于：所述孔（18）是沿所述壁的周边均匀分布的。

14、根据权利要求1提出的气体过滤系统，其特征在于：在所述壳体（2）内部还包括有一横置的人行栈桥（23），其高度相当于在所述滤床具有所述预定厚度时所述过滤介质（12）表面的高度。

15、根据权利要求14提出的气体过滤系统，其特征在于，所述人行栈桥（23）呈交叉形，位于所述壳体（2）的二直径部位上，而在所述壳体的所述侧壁上，至少有一个可接近所述人行栈桥的人孔（25）。

16、根据权利要求1提出的气体过滤系统，其特征在于：所述过滤介质（12）是平均粒度基本上等于0.7mm的砂子，而构成所述支承层（14）的所述轻质材料，是平均粒度在10至25mm之间的膨胀粘土。

17、根据权利要求16提出的气体过滤系统，其特征在于：所述管状件（15）安装于所述支承层（14）的上面部位，并构成许多平行的带孔管件，在其壁上是一些大约为0.4mm宽的孔或槽。

Images