SE502021C2 - Förfarande och anordning för rening av en cirkulerande vätska i en cirkulationskrets - Google Patents

Description

502 10 15 20 25 30 35 021 magnetitpartiklar så småningom kommer att förorena systemet Uppfinningen finner emellertid allmän användning i cir- kulationskretsar, exempelvis i hydraulkretsar, fjärr- värmekretsar, köldbärarkretsar och dylikt, där förore- ningspartiklar så småningom uppträder och kan störa kretsens funktion.

I exemplet med centralvärmesystem är det sålunda känt att systemet med tiden, om inga åtgärder vidtas, kommer att innehålla betydande mängder magnetitslam vilka för- orsakar cirkulationsstörningar och skador i form av av- lagringskorrosion etc. För att undvika sådana störningar är det väl känt att man kan filtrera det cirkulerande mediet och att man genom att tillföra kretsvätskan vissa kemikalier kan mobilisera och agglomerera förorenings- partiklarna så att dessa enklare kan filtreras av.

Därvid har man föreslagit användning av filterpatroner omfattande en lindad tråd av polypropen varvid tråden har en ytbeläggning av sådana kemikalier. Men resultatet av användningen av sådana filter har inte varit till- fredsställande.

Vi har funnit att de bildade partikelaggregaten sällan har enskilda partiklar > ca 20 um och att mer än 50% av partiklarna är < ca: 5 um medan de bildade aggregaten vanligen är > ca: 5 um men < ca: 30 um, för här använd- bara kemikalier, där partiklarna består av magnetitslam, utfällda salter etc. Under inverkan av dispergerings- medel med obetydlig eller ingen förmåga till aggregat- bildning erhålls typiskt > 50% av partiklarna < ca: 2 um.

För att filtret skall vara verksamt för avskiljning av sådana föroreningar bör därför filtret vara utformat 10 15 20 25 30 35 502 021 för att kunna avskilja en väsentlig andel av aggregatet av. denna storleksordning. Men vi har funnit att sådana kända filter i vissa fall ändå haft en låg smutskapacitet och låg avskiljningsförmåga, när man följer de generella rekommendationerna från filterleverantören avseende flödena över filtren.

Ett ändamål med uppfinningen är därför att anvisa ett förfarande och en filterenhet som ger filterenheten en hög smutskapacitet och en hög avskiljningsförmåga under alla driftsbetingelser. Ändamålet uppnås med det förfarande som anges i det självständiga förfarandekravet. Utföringsformer av för- farandet anges i de osjälvständiga förfarandekraven. Ändamålet uppnås även med den filterenhet som anges i det bilagda självständiga produktkravet. Utföringsformer av produkten anges i de osjälvständiga produktkraven.

Enligt uppfinningen har vi funnit att man kan få ett högt utnyttjande av filtrets avskiljningskapacitet, en hög grad av avskiljning av föroreningarna medelst filter- enheten, och en avskiljning gynnande koncentrationsut- veckling för funktionskemikalierna i cirkulationssystemet, genom att man i enlighet med det uppfinningsenliga för- farandet dynamiskt begränsar ytflödet (m3/s) per ytenhet (m2) (= ytbelastningen (m/sn på filtret till värden som beror av filtrets avskiljningsförmåga (filterstruktur och filtermaterial) och även beror av partikelaggregatets hállfasthet. Men i alla normala applikationer har aggre- gathållfastheten en övre gräns vid vilken problem tende- rar att uppstå på grund av att aggregaten börjar störa funktionen för ventiler, strypspalter etc. i cirkula- tionssystemet. Med "dynamisk" begränsning avses att det angivna högsta flödet skall vara ett maximalt värde, 502 Û21 10 15 20 25 30 35 och oberoende av tryckfallet över filteranordningen.

I djupfilter där filtret vanligen har avtagande porstor- lek mot utströmningssidan, ligger en stor andel av filtrets smutskapacitet i filtervolymen närmare ingångs- sidan, och för att så väl som möjligt utnyttja denna kapa- citet måste belastningen vara så låg att aggregaten upp- fångas och förblir hela även pà filtrets ingángssida; annars skulle aggregaten brytas sönder och aggregatdelarna/ partiklarna sätta igen de finaste porerna på filtrets utloppssida varvid filtervolymen på ingångssidan skulle bli väsentligen tomma på aggregat och partiklarna när filtret är förbrukat/igensatt.

Vidare har vi funnit att det är väsentligt att funktions- kemikaliernas mängd och utlösningshastighet regleras inom vissa gränser så att kemikaliekoncentrationen i cirkulationsvätskan stiger med en viss hastighet. Det har därvid visat sig att den genom uppfinningen anvisade belastningen underlättar en sådan önskad koncentrationsut- veckling för de för närvarande tillgängliga och vanliga funktionskemikalierna, dvs. medel- och högmolekylära polyakrylater, non-joniska och anjoniska polyakrylamider, polyakrylat-silikatestrar med varierande molekylvikter, samt kombinationer av dessa.

Vidare har det visat sig väsentligt att den mängd kemi- kalier som tillföres filtret motsvarar den mängd kemi- kalier som tillsammans med partiklarna kan fångas upp av filtret; kemikaliemängden är anpassad till och mot- svarar filtrets smutskapacitet, för att ett viktigt syfte med uppfinningen, att ge ett självkontrollerande system, skall uppnås.

Ett centralt drag hos det uppfinningsenliga förfarandet är att filtrets ytbelastning regleras till ett värde _ 10 15 20 25 30 35 502 021 för vilket åtminstone 70 % total reduktion av provförore- ning av kaolinlera Grade C, ECC International erhålles.

Såsom ett exempel erhålles en sådan 70 %-ig reduktion av provföroreningen över filter av patrontyp, som är bil- dade av lindade polypropentrådar vilka har en ytbelägg- ning av en blandning av medel- och högmolekylära poly- akrylater, vilka filter i frånvaro av ytbeläggningen har en avskiljningsgrad enligt ASTM F662-80 uppgående till 30,10 och 2 mikron, då ytbelastningen på filtret anordnas så att det uppgår till högst 0,1 x 10-3, 1,5 x 1o'3 resp. 2,5 x 1o'3 m/s.

Ett centralt drag hos uppfinningen är metoden för fast- ställandet av användbara kemikalier eller kemikaliekom- binationer vilka förmår bilda aggregat med tillräckligt låg hållfasthet för att kunna brytas ned av den i systemet cirkulerande vätskan om aggregatet fastnar i en spalt eller annan förträngning ute i systemet och vilken ytbe- lastning som kan tillåtas på ett filtermediåpmed en viss avskiljning enligt ASTM F-622-80 för Beta Ratio = 10 enligt ISO 4572.

Väsentligt är här att välja en provförorening med en väl definierad partikelstorleksfördelning inom det partikel- storleksintervall som är av intresse för den avsedda an- vändningen. För oorganiska föroreningar i cirkulerande vattensystem med i huvudsak magnetit, utfällda salter och föroreningar från tillverkning och montering bör en oorganisk provförorening väljas och för organiska föro- reningar bör en organisk provförorening väljas. Då par- tiklar < ca: 0,5 um i vatten som är i rörelse i allt väsentligt uppträder som om de vore i lösning saknar dessa intresse för dessa bestämningar. Då av praktiska skäl provfiltreringar sker med endast en passage genom filtret (singel pass) medan i praktisk användning det är fråga om multipel pass kan 0,8-l um väljas som undre gräns för partiklar i singel pass då detta approximativt 0502 021 10 15 20 25 30 35 motsvarar avskiljning vid 0,5 um i multipel pass. Från vad som tidigare sagts bör andelen partiklar > ca: 20 um vara måttlig för att provsubstansen skall vara meningsfull.

För fastställandet av användbara kemikalier/kemikaliekom- binationer för filtermedia med Beta Ratio = 10 inter- vallet 3-30 um i single pass enligt ASTM som ovan görs försök med olika ytbelastningar för en given avskilj- ningsgrad till dess att en gravimetrisk total retension lika med eller större än t.ex. 70% för provföroreningen erhålls. Valet av gravimetrisk retention görs med hän- syn till den valda provföroreningens partikelstorleks- fördelning enligt de riktlinjer som här angivits. Valet av provförorening bör dock ske så att partiklar > 0,8 um i single pass ger 60-80% retention för föroreningen och vald retentionsgräns« Skall användas för Samtliga försök för fastställande av en kemikalies lämplighet samt lämplig ytbelastning för ett givet filtermedia med Beta Ratio = 10 vid ett givet mikrontal.

Plottas värden för ytbelastning med en tolerans om i 10% för en given retention som ovan mot mikrontal för ett filtermedia erhålls en approximativt rät linje där linjens lutning utgör ett indirekt mått på de bildade aggregatens mekaniska stabilitet. Den så erhållna lin- jen utgör för vald kombination av kemikalie/filtermedia gränsvärdet för ytbelastning som måste upprätthállas genom dynamisk flödesbegränsning.

Kemikalier som vid extrapolering av sagda linje till yt- belastningen 0 ger mikrontal > 40 um och vid extrapole- ring till mikrontalet 1 ger en ytbelastning > 0,006 m/sek saknar praktiskt intresse för denna uppfinning. Varje kemikalie eller kombination av kemikalier som för ett 10 15 20 25 30 35 502 021 givet filtermedia vid utprovning som beskrivits ovan ger en linje som faller inom de givna gränserna skall omfattas av patentet.

Ett centralt drag i det uppfinningsmässiga förfarandet är att filtrets ytbelastning dynamiskt begränsas till vad som framkomit enligt ovan vid förfarandet för ur- val av lämpliga kemikalier/kemikaliekombinationer för ett visst filtermedia.

Exempel Ett djupfilter i form av en lindad patron med lindning av polypropen på en rostfri stödkärna, vilket filter är klassificerat för 5 um avskiljning enligt ASTM F-622-80 för Beta Ratio = 10 enligt ISO 4572, tillfördes ett förråd av suspenderings- och agglomereringskemikalier i form av en blandning av medel- och högmolekylära poly- akrylsyror. Denna blandning pårördes filterlindningen genom att filterpatronen dränkes i en lösning av dessa akrylsyror varefter överskottslösningen fick avrinna och lösningsmedlet avlägsnades. Under denna kemikalie- páföring roterades filterpatroner runt sin längdaxel, och lösningsmedlet avlägsnades genom konventionell torkning. Den mängd funktionskemikalier som härigenom tillfördes filterpatronen anpassades till den mängd funktionskemikalier som sedermera uppsamlas av filter- patronen när dess smutskapacitet är väsentligen full- ständigt utnyttjad.

En sådan djupfilterpatron monterades såsom ett delflödes- filter i ett centralvärmesystem med betydande mängder magnetitslam vilka förorsakat cirkulationsstörningar och skador i form av avlagringskorrosion i systemet.

Genom en dynamisk flödesbegränsning av delflödet genom djupfilterpatronen inställes ett flöde av motsvarande 0,002 m/s i 10% över filterpatronens filtermedium. Här- 502 10 15 20 25 30 35 021 vid erhölls en reduktion av järnhalten i systemvattnet med 70 % av halten före provet. Enligt anvisningarna häri för urval av kemikalier skulle för ett 10 um fil- ter med àlla övriga faktorer lika den dynamiska flödes- begränsningen inställtstill 0,00l5 m/s 1 10% för ett likvärdigt resultat, när provföroreningen är pappers- beläggningslera GradeC från English China Clays ECC International GB. 80 - 90 % reduktion av järnhalten över filtret erhålles efter avslutad utlösning av polyakrylaterna tack vare att den maximala vattenhastigheten genom filtrets porer dynamiskt begränsats till ett i förväg bestämt maximalt värde för ytbelastningen. Härigenom undviks migrering av avskilt material till den rena sidan av filtret även vid misskötsel, om filtret är anordnat såsom ett del- flödesfilter, enär det enda som händer om filtret ej bytes med lämpligt intervall, är ett bortfall av filtre- ringsfunktionen när filtret är igensatt.

Fig. l illustrerar driftsförhållandena vid ett filter- system som drives enligt tidigare teknik.

Fig. 2 illustrerar driftsförhållandena för samma system men med en enligt ovan begränsad ytbelastning av filtret.

Fig. 3 visar det väsentLkw.samarbetet mellan maximalt tillåten ytbelastning och filtrets filtergrad för 70% retention på en given filtertyp med en bestämd kemikalie.

Bifogade figur 1 och 2 illustrerar drift av filtersystem som vardera har det ovan indikerade grundutförandet med funktionskemikalie preparerade filterelement, varvid dock figur 1 illustrerar driftkaraktäristika där ytbelast- ningen ställts in godtyckligt genom en statisk stryp- ning av flödet till motsvarande i genomsnitt 0,0020 m/s i ytbelastning. Pga. förändringar i flöden i den filtre- rade huvudkretsen erhålls variationer i det verkliga 10 15 20 25 30 35 502 021 flödet i delflödeskretsen och därmed i ytbelastningen, även om flödet i genomsnitt över en längre tidsperiod ligger inom värden som motsvarar den önskade, men vid denna tidpunkt okända, högsta ytbelastningen. För korta- re perioder har flöden motsvarande en ytbelastning om 0,0035 m/s noterats.

Figur 2 visar driften med en dynamisk flödesbegräsning som ger en maximal ytbelastning om 0,0022 m/s även vid snabba flödes-/tryckförändringar i huvudkretsen och normalt upprätthåller en konstant ytbelastning om 0,0020 m/s 1 5% unde filterelementens praktiska livslängd.

Använda filterelement för de redovisade proven är från samma tillverkningsbatch från filtertillverkaren som an- ger typisk spridning i avskiljningsprestanda mellan batcher till I 2% från angiven avskiljningsgrad. Samt- liga använda filterelement är kemikaliepreparerade vid samma ti1lfälle_med samma kemikalielösning.

De horisontella pilarna i figurerna har approximativt samma längdskala som tidsaxeln som är linjär. I figur 1 erhålls inte den typiska snabba nedgången mot noll i slutet av filtrets praktiska drifttid. Detta måste till- skrivas det faktum att betydande mängder material som skall mobiliseras finns i systemet, vilket syns pà de uppmätta järnhalterna och den relativt snabba utlös- ningen av funktionskemikalien. Funktionskemikalien för- brukas härvid även av material ute i systemet som ej mobiliserats i tillräcklig omfattning för att följa med vattenströmmen. Efter ca: halva drifttiden är det där- för sannolikt att halten järn före filter till allt större del består av mobiliserat material som migrerat genom filtret pgs. för hög ytbelastning, för att senare åter mätas som järn före filter. Omfattningen av migre- ringen i figur l är dock ur såväl teknisk som drift- ekonomisk synpunkt helt oacceptabel. 502 021 10 15 20 25 30 35 10 I figur 2 som avser uppfinningen representerar tidaxeln ca: 3 gånger längre tid än figur 1. Järnhalterna är väsentligt lägre representerande ett renare system vil- ket även syns på den långsammare ökningstakten i järn- halt direkt efterínstfllation av nya filterelement. Där- av följer att mindre mängd funktionskemikalie förbrukas för mobilisering ute i systemet och koncentrationen av denna i inkommande vatten till filtret är därför högre under längre tid vilket minskar utlösningen av densamma från djupfiltermediat. Detta är huvudförklaringen till den väsentligt längre utlösningsfasen och inte ett strypt flöde, totalt filtrerad volym under denna del är ca: 2,5 gånger volymen för figur 1.

Mot bakgrund av att valt filterelements karaktäristika såsom filteryta och avskiljningsgrad är kända och att för en vald kemikalie eller kombination av kemikalier, en högsta acceptabel ytbelastning kan fastställas, kan filterelementets maximala ytbelastning i en installation begränsas till önskat värde genom införandet av någon i sig känd anordning för dynamisk flödesbegränsning. Denna dynamiska flödesbegränsande anordning kan vara en inte- grerad del av filterelementet, utgöra en del av själva filterenheten (filterhuset) eller anordning med sådan verkan anordnad i en ledning vari filterenheten är placerad.

På diagrammet enligt fig. 3 avbildas resultatet med filter som preparerats med en agglomereringskemikalie bestående av polyakrylat, som försäljes under varu- namnet Polytreat 2065, av Houseman Scandinavia A/S.

Det kaolin som använts som provförorening är kaolin Grade C från EEC International AB, Box 37, S-421 21 Västra Frölunda, Sverige. 10 15 ll 502 021.

En anläggning enligt uppfinningen för utövning av för- farandet kan ha den utformning som framgår av ingressen till förfarandekravet, och utmärkes i huvudsak av att flödesreglerutrustningen, som medger inställning av yt- belastningsvärdet, är anordnat att vara väsentligen oberoende av tryckfallsändringar över filtret i systemet.

Provföroreningen kaolinlera Grade C ECC International, illustreras pà bilagda fig. 4 med avseende på partikelstor- leksfördelningen, som utvärderats under användning av ECC testmetod P 109 för partiklar med storleken 0,5 um och däröver samt Ladal centrifug för storlekar mindre än 0,5 Um.

Pâ fig. 4 avser ordinatan "vikt-% större än" och avser abskissan “partiklarnas ekvivalenta sfäriska diameter um".

Claims (8)

502 021 10 15 20 25 30 35 12 Patentkrav

1. Förfarande för rening av en cirkulerande vätska i en cirkulationskrets såsom en fjärrvärmekrets, en hydraulkrets, en centralvärmekrets eller dylikt, varvid åtminstone ett delflöde av kretsens vätska ledes genom ett filterhus som innehåller ett filter vilket har ett i form av en filterbeläggning anordnat förråd av kemi- kalier som är lösliga i vätskan och som tjänar till att suspendera och agglomerera föroreningspartiklar i kretsen, varvid filtret väljes för att ha dimensionerande öpp- ningar som är större än en väsentlig andel av partiklarna, k ä n n e t e c k n a t av att filtrets ytbelastning regleras till ett värde för vilket åtminstone 70% reduk- tion erhålles i enkel passage med filtret av en i vätskan suspenderad standardiserad förorening med en partikelstor- leksfördelning motsvarande den för kaolinlera Grade C, ECC International, att filtrets ytbelastning begränsas till högst 0,006 m/s, resp. 0 m/s och en rätlihjig gräns där- emellan, för filter vilka utan kemikaliebeläggning har en avskiljning enligt ASTM F-662-80 uppgående till l um resp. 40 um och linjär skala däremellan, och att filtrets ytbelastning anordnas så att inställt värde ej väsent- ligt överskrides vid tryckvariationer över filtret.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att kemikalieförrådets storlek väljes för att i huvudsak motsvara den kemikaliemängd som avlägsnas till- sammans med filtratet på filtret när filtrets smutskapa- citet är väsentligen fullt utnyttjad.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a t av att kemikalieförrådet bindes vid filtret för att i approximativt jämn takt urlakas under ungefär den första tredjedelen av filtrets tid. 10 15 20 25 30 35 13 502 021

4. Förfarande enligt något av kraven 1 - 3, k ä n n e - t e c k n a t av att maximalt tillåten ytbelastning för ett filter med en given filtergrad och en given kemikalie- beläggning eller en mot denna svarande uppgift om resul- terande agglomerathållfasthet, bestämmes genom jämförelse med resultatet av utvärderingsförsök med filter av olika filtergrader och kemikalier eller därav betingade agglo- merathållfastheter, vilka resultat har erhållits under användning av en standardiserad förorening av en typ som väsentligen motsvarar de förväntade föroreningarna i systemen som skall renas, varvid utvärderingsförsöken erbjuder samband mellan utbelastning och filtergrad för en 70-%ig föroreningsretention.

5. Förfarande enligt något av kraven 1 - 4, k ä n - n e t e c k n a t av att ytbelastningen på filtret instäiies på högst 0,7 x 1o'3, 1,7 x 1o'3 2,4 x 1o'3 en avskiljningsgrad enligt ASTM F662-80 uppgående till 20,10, respektive 3 mikron, och för en provförorening av kaolin Grade C, ECC International i vatten, vilket filter har en ytbeläggning av polyakrylat på polypropen- fibrerna. respektive m/s för patronfilter av polypropen och med

6. Filterenhet för rening av en cirkulerande vätska i en cirkulationskrets såsom en fjärrvärmekrets, en hydraulkrets, en centralvärmekrets eller dylikt, vilken filterenhet är anordnad att monteras i ett i kretsen inkopplat filterhus, varvid filterenheten omfattar ett filter med ett förråd av i vätskan lösliga kemikalier för suspendering och agglomerering av föroreningspar- tiklar i kretsens vätska, varvid filtrets dimensionerande filtermedieöppningar är större än en väsentlig andel av föroreningspartiklarna, k ä n n e t e c k n a d av att filterenheten har en flödesregleranordning som är anordnad att begränsa filtrets ytbelastning till ett 5()2 10 15 20 25 14 Qšâle för vilket åtminstone 70 % reduktion erhålles över filtret av en suspenderad standardiserad provföro- rening med en partikelstorleksfördelning motsvarande den för kaolinlera Grade C, ECC International, att flödesregler- anordningen är anordnad att begränsa ytbelastningen till högst 0,006 m/s resp. 0 m/s och en rätlinjig gräns där- emallan för filter vilken utan kemikaliebeläggning har en avskiljning enligt ASTM F662-80 uppgående till 1 um resp. 40 um och linjär skala däremellan, och att flödesregler- anordningen är anordnad att väsentligen förhindra stegring i inställd ytbelastning även vid variationer i tryckfallet över filtret. k ä n n e t e c k n a d av att ytbelastningen uppgår till högst 0,7 x 103, 1,7 x 1o"3 polypropen och med en avskiljningsgrad enligt ASTM F-662-80 uppgående till 20,10 respektive 3 mikron, och

7. Filterenhet enligt krav 6, respektive 2,4 x 10-3 m/s för patronfilter av för en provförorening av kaolin Grade C, ECC International, i vatten, vilket filter har en ytbeläggning av polyakrylat på polypropenfibrerna.

8. Filterenhet enligt krav 6 eller 7, k ä n n e - t e c k n a d av att den patronen tillförda kemikalie- mängden är vald för att i huvudsak motsvara den kemi- kaliemängd som avlägsnas tillsammans med filtratet på filtret när filtrets smutskapacitet är väsentligen fullt utnyttjad.