EA006795B1 - Фильтр (варианты) - Google Patents

Abstract

Фильтр, содержащий полый корпус, снабженный патрубками подвода загрязненной и отвода отфильтрованной среды, средством отвода фильтрата, донным элементом и крышкой, и размещенное в полости корпуса на проницаемом для среды основании средство фильтрации с фильтрующим элементом, в котором фильтрующий элемент выполнен в виде открытого с обеих сторон трубчатого элемента, при этом средство фильтрации сформировано трубчатыми элементами, размещенными внавал. Во втором варианте выполнения фильтр дополнительно содержит средство охлаждения, которое в некоторых формах реализации может быть совмещено со средством фильтрации.

Description

Изобретение относится к фильтрации предпочтительно газообразных сред и может быть широко использовано в различных областях промышленности, в том числе для очистки синтезгазов и пиролизных газов, направляемых на дальнейшее использование.

Фильтрованием называют процессы разделения неоднородных систем при помощи пористых перегородок, которые задерживают одни фазы этих систем и пропускают другие.

В простейшем случае фильтр представляет собой сосуд, разделенный на две части пористой фильтровальной перегородкой. Отличительной особенностью всякой фильтровальной перегородки является наличие пор, способных пропускать частицы одной фазы, но задерживать частицы другой фазы. При этом поры могут быть сформированы как структурой материала, так и использованием фильтрующих элементов со сквозной полостью. В промышленных условиях применяют разнообразные, часто довольно сложные по конструкции, фильтры с различными по структуре фильтрующими элементами, причем фильтровальная перегородка обычно имеет плоскую или цилиндрическую форму.

Известны фильтрующие элементы для очистки жидких и газообразных сред, выполненные из металлокерамики и представляющие собой цилиндры, усеченные конусы, диски и т. д. пористой структуры. При этом средство фильтрации в целом может представлять собой, например, решетку определенного диаметра, в специально расточенные отверстия которой устанавливают и укрепляют пористые фильтрующие элементы [1].

Известно также средство фильтрации, выполненное в виде фильтроэлемента для отделения частиц твердых веществ от горячих газообразных или жидких сред, который может быть установлен в соответствующем корпусе фильтра [2]. Фильтроэлемент содержит стабильный по форме газопроницаемый пористый несущий элемент, выполненный из жаропрочного материала, включающего некорродирующие материалы, например стекло, керамику, металлы и их соединения. С внешней стороны несущий элемент снабжен жаропрочным покровным слоем, выполненным из мелкозернистого пористого наполнителя. Описанный фильтроэлемент может быть использован в фильтрах, предназначенных для очистки газообразных или жидких сред с температурой до 800°С, в том числе агрессивных. Однако фильтроэлемент требует проведения специальных мероприятий по очистке или замене покровного слоя, т.к. небольшие по размеру поры мелкозернистого пористого наполнителя достаточно быстро забиваются, что сокращает общую площадь фильтрования и снижает эффективность фильтра в целом.

Известен также ряд решений, направленных на увеличение эффективной площади фильтрования при сохранении площади поперечного сечения фильтруемого потока. Такие решения, в основном, направлены на усовершенствование структуры фильтрующего материала (материала, из которого изготовлены фильтрующие элементы) [3] и на искусственное создание внутри средства фильтрации разветвленной сети каналов, например, типа лабиринтов [4]. Такие решения позволяют повысить эффективность фильтров, однако, требуют значительных дополнительных затрат на разработку, в частности фильтрующих элементов. Кроме того, усложнение конструкции фильтрующих элементов в ряде случаев приводит к усложнению процессов очистки фильтра и/или регенерации фильтрующих элементов.

Для очистки газообразных сред известны также фильтры, в которых фильтрующие элементы размещают на проницаемом основании, расположенном в корпусе. Так, известен фильтровальный агрегат, содержащий корпус с входным и выходным отверстиями для прохождения через корпус газовой среды, решетку, расположенную в корпусе и разделяющую его на две секции, и в качестве фильтрующих элементов - множество гибких фильтровальных мешков, установленных на решетке [5]. Фильтровальные мешки содержат тканевую подложку и, по меньшей мере, частично покрыты слоем, содержащим тонкое полимерное волокно. Средство фильтрации включает также средства уплотнения фильтровальных мешков и средство предотвращения сплющивания мешков под воздействием движущегося через корпус потока газообразной среды, связанное с каждым фильтровальным мешком. Фильтр описанной конструкции обеспечивает довольно высокое качество очистки газообразной среды от механических примесей. Однако учитывая свойства материалов, из которых изготовлены и которыми покрыты фильтровальные мешки, данные фильтры имеют жесткие ограничения по температуре и химическому составу фильтруемых газообразных сред. Кроме того, фильтрующие элементы достаточно трудоемки в изготовлении и подлежат предварительному испытанию перед установкой в фильтре.

Последнее из упомянутых решений по своей технической сущности является наиболее близким к заявляемому фильтру.

Из анализа состояния уровня техники следует, что задачей настоящего изобретения является создание фильтра, который может быть использован для очистки высокотемпературных газообразных или жидких сред, в том числе агрессивных. При этом фильтр должен обеспечивать значительное увеличение площади фильтрования при сохранении площади поперечного сечения фильтруемого потока и упрощение процесса очистки фильтрующих элементов и фильтра в целом. Кроме того, фильтр должен иметь более высокие показатели по надежности и долговечности.

Поставленная задача в первом варианте исполнения решается фильтром, содержащим полый корпус, снабженный патрубками подвода загрязненной и отвода отфильтрованной среды, средством отвода фильтрата, донным элементом и крышкой, и размещенное в полости корпуса на проницаемом для среды основании средство фильтрации с фильтрующим элементом, за счет того, что фильтрующий элемент

- 1 006795 выполнен в виде открытого с обеих сторон трубчатого элемента, при этом средство фильтрации сформировано трубчатыми элементами, размещенными внавал. Выбор такой формы реализации фильтрующих элементов, а также их размещение внавал (по сути, формирование разветвленной сети каналов лабиринтного типа), фактически, обеспечивает при сохранении диаметра потока фильтруемой среды создание площади фильтрования, значительно превосходящей площади фильтрования, обеспечиваемые фильтрами большинства известных конструкций. Максимальная простота и оригинальность конструкции, а также максимально возможная простота сборки фильтра (фильтрующие элементы засыпаются в корпус на решетчатое основание без упорядочения их расположения, в том числе взаимного) с учетом формирования значительной площади фильтрования, обеспечивают высокую эффективность фильтра по всем показателям. Такая конструкция обеспечивает также максимально простую очистку фильтра: достаточно снять крышку и промыть фильтр промывочной жидкостью, например водой, подаваемой на всю поверхность слоя фильтрующих элементов под определенным давлением. Более того, в качестве фильтрующих элементов в ряде форм реализации могут быть использованы подлежащие в общем случае утилизации отходы производства изделий, например, из металлических, в частности алюминиевых, трубок подходящего для целей фильтрации диаметра.

В любом случае следует учитывать, что эффективность фильтрации в каждом конкретном случае применения может быть повышена за счет выбора оптимальных размеров и формы фильтрующих элементов, их количества и высоты слоя фильтрующих элементов на решетчатом основании, а также материала, из которого изготовлены фильтрующие элементы, в зависимости от химического состава фильтруемой среды, ее температуры, объема и т.п. параметров.

С учетом химического состава фильтруемых сред, а также температурных режимов в предпочтительных формах реализации изобретения трубчатый элемент должен быть выполнен из термостойкого материала и/или из материала, устойчивого к агрессивным средам. Это обеспечивает возможность многократного использования фильтрующих элементов, повышает надежность фильтра в целом и значительно увеличивает срок службы как отдельных фильтрующих элементов, так и фильтра в целом.

Для улучшения сорбционных свойств фильтрующих элементов по отношению к примесям фильтруемой среды в виде твердых частиц, в том числе пылевидных, в зависимости от материала, из которого изготовлены фильтрующие элементы, в некоторых формах реализации может быть предпочтительной обработка поверхностей фильтрующих элементов подходящим сорбентом. Его химический состав и фаза (твердое вещество или жидкость) могут быть выбраны специалистом в данной области техники, исходя из конкретных условий фильтрации.

В ходе проведения ряда экспериментов, в которых в качестве фильтрующих элементов использовались трубчатые элементы, имеющие различные размеры (как в продольном, так и в поперечном направлении), различную форму поперечного сечения, и изготовленные из различных материалов, были получены неожиданно высокие результаты по эффективности очистки, в частности парогазовых смесей, образующихся в результате пиролиза углеводородсодержащего сырья. Так, в ряде экспериментов в качестве фильтрующих элементов были использованы трубчатые фильтрующие элементы, изготовленные из теплопроводных материалов, в частности алюминиевые кольца из трубы 0 20x20x1 мм. В ходе этих экспериментов часть тепловой энергии фильтруемой парогазовой смеси передавалась на фильтрующие элементы, выполненные из теплопроводного материала, несколько охлаждая фильтруемую газообразную среду. На основании этого было предложено использовать заявляемые фильтры не только в качестве устройств очистки газообразных сред, но и в качестве устройств предварительного охлаждения.

Таким образом, во втором варианте исполнения поставленная задача решается фильтром, аналогичной описанной выше конструкции, за счет того, что он дополнительно содержит средство охлаждения. В общем случае, средство охлаждения может быть выполнено любым известным специалистам в данной области техники образом.

Однако в некоторых формах реализации средство охлаждения может быть совмещено со средством фильтрации, в частности с фильтрующими элементами из состава средства фильтрации. В этих формах реализации для обеспечения отвода тепла трубчатый элемент предпочтительно должен быть выполнен из теплопроводного материала.

Как и в первом варианте исполнения, в различных формах реализации трубчатый элемент может быть выполнен из термостойкого материала и/или материала, устойчивого к агрессивным средам, а также его поверхности могут быть обработаны сорбентом. В общем случае, как уже упоминалось выше, материал фильтрующего элемента выбирают с учетом условий его использования: температурных режимов, химического состава фильтруемой среды и т. д.

Во втором варианте исполнения фильтр предпочтительно дополнительно содержит средство отвода тепла, связанное со средством фильтрации. При этом средство отвода тепла может быть выполнено любым известным специалисту в данной области техники образом, например в виде рубашки охлаждения и т. п.

Более подробно конструкция, принципы работы фильтра, а также его достоинства и преимущества будут рассмотрены ниже со ссылкой на позиции чертежа, на котором схематично представлена одна из предпочтительных, но не ограничивающих форм реализации фильтра во втором варианте исполнения.

- 2 006795

На чертеже изображен фильтр для очистки предпочтительно газообразной высокотемпературной среды, в частности пиролизного газа. Фильтр содержит цилиндрический корпус 1, выполненный составным из верхнего 2, центрального 3 и нижнего 4 участков, и крышку 5. Между нижним 4 и центральным 3 участками корпуса 1 установлена решетка 6, на которой внавал размещены фильтрующие элементы 7 (на чертеже изображен только фрагмент слоя фильтрующих элементов 7). Фильтрующие элементы 7 в представленной на чертеже форме реализации выполнены в виде алюминиевых колец из трубы 0 20x20x1 мм. Высота 11 слоя фильтрующих элементов 7 может быть выбрана любой в каждом конкретном случае применения. В частности, в представленной на чертеже форме реализации, высота 1 слоя фильтрующих элементов 7 совпадает с высотой центрального 3 и верхнего 2 участков корпуса 1 фильтра.

На нижнем участке 4 корпуса 1 размещен блок 8 сбора фильтрата. Фильтр снабжен патрубком 9 подвода загрязненной среды и патрубком 10 отвода отфильтрованной среды.

Стенки корпуса 1 на верхнем 2 и центральном 3 участке для реализации средства отвода тепла выполнены двойными и включают внешнюю стенку 11 и внутреннюю стенку 12. В том случае, если фильтр не снабжен средством охлаждения, что соответствует первому варианту исполнения, стенки корпуса 1 выполняются одинарными.

Заявляемый фильтр работает следующим образом.

В цилиндрический корпус 1 устанавливают блок 8 сбора фильтрата на нижнем участке 4 и решетку 6 (между нижним 4 и центральным 3 участками корпуса 1). Засыпают фильтрующие элементы 7, количество которых выбирают в соответствии с размерами и формой фильтрующих элементов 7, а также установленным значением высоты 1 слоя фильтрующих элементов 7. В качестве фильтрующих элементов 7 могут быть использованы, в частности, отходы производства изделий из металлических трубок, например алюминиевых трубок, что не требует дополнительных расходов на специальное изготовление фильтрующих элементов. В качестве фильтрующих элементов 7 могут быть использованы также открытые с обоих концов трубчатые элементы, выполненные из пористых материалов. При засыпке в корпус 1 на решетку 6 фильтрующие элементы располагаются случайным образом и благодаря своей форме образуют развитую сеть сквозных каналов по типу лабиринта. Суммарная площадь фильтрования в этом случае включает площадь внешней поверхности и площадь внутренней поверхности каждого фильтрующего элемента 7, а также площадь поверхности пор (в случае использования для изготовления фильтрующих элементов 7 пористых материалов).

В случае использования в качестве фильтрующих элементов 7 алюминиевых колец или элементов из аналогичных по свойствам материалов для улучшения их сорбционных свойств по отношению к пылевидным примесям фильтруемой среды их поверхности можно предварительно обрабатывать сорбентами.

После засыпки фильтрующих элементов 7 в корпус 1 фильтр закрывают крышкой 5 и закрепляют крышку 5 по отношению к корпусу 1.

Через патрубок 9 подвода загрязненной среды, расположенный на нижнем участке 4 корпуса 1, в корпус 1 фильтра подают загрязненную газообразную среду. В восходящем потоке газообразная среда, которая содержит примеси твердых частиц, проникает через решетку 6 и поступает в систему каналов, образованную расположенными на решетке 6 внавал фильтрующими элементами 7. При прохождении через систему каналов газообразной среды твердые частицы оседают на внешних и внутренних стенках фильтрующих элементов 7, а в случае изготовления элементов 7 из пористых материалов, и в порах. При использовании специальных покрытий-сорбентов на поверхностях фильтрующих элементов 7, твердые, в частности пылевидные, частицы «прилипают» к стенкам фильтрующих элементов 7 и далее либо накапливаются на стенках в покрытии-сорбенте, либо попадают вместе с материалом покрытия-сорбента в блок 8 сбора фильтрата.

Проходя через систему каналов, образованную фильтрующими элементами 7, газообразная среда очищается от твердых примесей и в уже очищенном виде поступает через патрубок 10 отвода отфильтрованной среды на дальнейшее использование.

Через патрубок 9 подвода загрязненной среды в корпус 1 фильтра поступает высокотемпературная среда (до 500°С и выше). При контакте среды с фильтрующими элементами 7 и внутренней стенкой 12 корпуса 1 им передается часть тепловой энергии. Для отводы из фильтра и последующей утилизации полученной от фильтруемой среды тепловой энергии между внешней стенкой 11 и внутренней стенкой 12 корпуса 1 можно подавать в непрерывном режиме теплопроводную среду, например воду. При контакте с внутренней стенкой 12 корпуса 1 теплопроводная среда будет «забирать» тепловую энергию у внутренней стенки 12 нагреваясь при этом. Подогретую теплопроводную среду можно в дальнейшем, например, возвращать в процесс пиролиза. Внутренние стенки 12 корпуса 1, отдавая свою тепловую энергию теплопроводной среде, в то же время получают тепловую энергию у находящихся в контакте с ними как фильтруемой среды, так и фильтрующих элементов 7, а фильтрующие элементы 7, находящиеся в контакте с внутренней стенкой 12 корпуса 1 и передающие ей тепловую энергию, в свою очередь, получают тепловую энергию и от фильтруемой среды и от смежных с ними фильтрующих элементов. Таким образом можно реализовать очень простую и эффективную систему отвода тепловой энергии и,

- 3 006795 тем самым, предварительного охлаждения фильтруемой среды параллельно с очисткой фильтруемой среды от твердых примесей.

Учитывая структуру слоя фильтрующих элементов 7, можно говорить о возможности длительного использования заявляемого фильтра без очистки и, тем более, без замены фильтрующих элементов при условии сохранения высокой эффективности фильтрования.

Однако в том случае, если все же необходимо произвести очистку фильтра или заменить фильтрующие элементы, в том числе фильтрующими элементами другого размера и/или формы, или изменить высоту слоя фильтрующих элементов, эти мероприятия можно провести максимально простым образом.

Для этого снимают крышку 5 с корпуса 1 и для очистки фильтра подают на всю поверхность слоя фильтрующих элементов 7 под определенным давлением промывочную жидкость, которую выбирают, исходя из предыдущих условий эксплуатации фильтра (в частности, было ли нанесено специальное покрытие-сорбент, характеристики пористости материала фильтрующих элементов, свойства и структура фильтрата и т.д.). Промывочная жидкость в нисходящем потоке проходит через систему каналов, образованную в слое фильтрующих элементов 7, «смывает» осевший на внутренних и внешних стенках (при необходимости, вместе с покрытиемсорбентом), а в случае наличия и в порах фильтрующих элементов 7 фильтрат, вместе с фильтратом поступает в блок 8 сбора фильтрата и выводится из фильтра на дальнейшую очистку и утилизацию. При необходимости, поверхности фильтрующих элементов 7 обрабатываются сорбентом. Крышка 5 устанавливается и закрепляется на корпусе 1;

для замены фильтрующих элементов, при необходимости, описанным выше образом осуществляют промывку фильтра, извлекают старые фильтрующие элементы 7 и засыпают новые;

для изменения высоты слоя фильтрующих элементов 7, при необходимости, описанным выше образом осуществляют промывку фильтра, извлекают «лишние» фильтрующие элементы 7 или добавляют новые фильтрующие элементы 7 до требуемой высоты 11.

Следует отметить, что в ряде форм реализации могут использоваться фильтрующие элементы с различными размерами, причем чередование фильтрующих элементов с различными размерами может быть как случайным, так и определенным, например послойно (нижний слой - фильтрующие элементы большего диаметра, верхний слой - фильтрующие элементы меньшего диаметра) или иным образом.

Как видно из приведенного выше описания, проиллюстрированного графически схематическим изображением одной из возможных форм реализации, предлагаемый фильтр в рамках заявленных существенных признаков предполагает большое количество доступных специалистам в данной области форм реализации. При этом в каждой из возможных форм реализации будет достигнута высокая эффективность фильтрования газообразных и жидких сред, загрязненных твердыми примесями, при сохранении высокой экономической эффективности фильтра в целом.

Литература

1. Шибряев Б.Ф., Павловская Е.И. Металлокерамические фильтрующие элементы. М., «Машиностроение», 1972, с. 6-13.

2. Патент ВИ № 2076770 С1, опубл. 10.04.1997.

3. Патент ВИ № 2222369 С1, опубл. 27.01.1994.

4. Заявка ВИ № 2002120358 А, опубл. 27.02.2004.

5. Заявка ВИ № 2003107561 А, опубл. 27.07.2004.

Claims (9)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Фильтр, содержащий полый корпус, снабженный патрубками подвода загрязненной и отвода отфильтрованной среды, средством отвода фильтрата, донным элементом и крышкой, и размещенное в полости корпуса на проницаемом для среды основании средство фильтрации с фильтрующим элементом, отличающийся тем, что фильтрующий элемент выполнен в виде открытого с обеих сторон трубчатого элемента, при этом средство фильтрации сформировано трубчатыми элементами, размещенными внавал.
2. 2. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что трубчатый элемент выполнен из термостойкого материала.
3. 3. Фильтр по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что трубчатый элемент выполнен из материала, устойчивого к агрессивным средам.
4. 4. Фильтр, содержащий полый корпус, снабженный патрубками подвода загрязненной и отвода отфильтрованной среды, средством отвода фильтрата, донным элементом и крышкой, и размещенное в полости корпуса на проницаемом для среды основании средство фильтрации с фильтрующим элементом, отличающийся тем, что дополнительно содержит средство охлаждения, фильтрующий элемент выполнен в виде открытого с обеих сторон трубчатого элемента, при этом средство фильтрации сформировано трубчатыми элементами, размещенными внавал.
5. 5. Фильтр по п.4, отличающийся тем, что средство охлаждения совмещено со средством фильтрации.

   - 4 006795
6. 6. Фильтр по любому из пп.4 или 5, отличающийся тем, что трубчатый элемент выполнен из теплопроводного материала.
7. 7. Фильтр по любому из пп.4-6, отличающийся тем, что трубчатый элемент выполнен из термостойкого материала.
8. 8. Фильтр по любому из пп.4-7, отличающийся тем, что трубчатый элемент выполнен из материала, устойчивого к агрессивным средам.
9. 9. Фильтр по любому из пп.4-8, отличающийся тем, что дополнительно содержит средство отвода тепла, связанное со средством фильтрации.