TWI528992B

TWI528992B - 用於精煉及化學工業的磁性過濾器及移除污染物的方法

Info

Publication number: TWI528992B
Application number: TW101137083A
Authority: TW
Inventors: 林棕斌; 李福民; 邱宗敏; 吳光宇; 陳伯毅; 法烈德Ｇ湯; 李政誠
Original assignee: 台灣中油股份有限公司; Ａｍｔ國際有限公司
Priority date: 2012-10-08
Filing date: 2012-10-08
Publication date: 2016-04-11
Also published as: TW201336570A

Description

用於精煉及化學工業的磁性過濾器及移除污染物的方法

本發明是有關於一種過濾器(filter)，且特別是有關於一種磁性過濾器(magnetic filter)。

利用永久磁鐵(permanent magnet)來當成過濾介質(filter medium)的過濾器在現有技術中是很普遍的。如授予Michael等人的編號第2,789,655號美國專利、授予Cramer等人的編號第3,139,403號美國專利、授予Latimer的編號第5,043,063號美國專利以及編號第850,233號英國專利中的實例所描述的例示性磁性過濾裝置(magnetic filtering device)都將磁鐵環繞於永久固接於外罩(housing)的固定桿(rod)或柱(column)中，因而難以維護。某些濾清裝置(filtration device)會如授予Hayes的編號第4,946,589號美國專利中所揭露的，以增加過濾器濾網(filter screen)的方式來移除污泥(sludge)。清潔並移除污染物(contaminant)通常會需要如授予Wolfs的編號第6,077,333號美國專利中所示的內部噴灑器(internal sprayer)。最近，授予Schaaf等人的編號第6,730,217號美國專利揭露了具有由承載於非磁性絕緣管(non-magnetic insulation tube)內的永久磁鐵棒(permanent magnet bar)所組成的一種可移除的磁鐵芯組件(removable magnetic core assembly)的一種磁性過濾器。

現有磁性濾清設備的一項主要缺點在於難以進行部分維護，因為在許多實例中，包含所有的永久磁鐵棒以及保護管(protective tube)的整體芯組件都必須要同時從過濾器外罩移除。在其他的結構中，由於個別的絕緣管是無法裝卸的，因此所有的磁鐵棒都必須要一起從所有的管體抽出。因此，更換磁鐵棒或絕緣管不方便又昂貴，並且在極端的情況下，即使只是要維護一個或少數無法維修的磁鐵棒及/或管體，仍必須要更換掉整個芯組件。操作時，因為芯組件的重量，需要使用到動力裝備(power equipment)或機械工具(mechanical tool)。另外一個缺點則在於濾清裝置中的絕緣管數量往往是固定的，並且無法隨著需求而調整。

本發明部分基於開發一種多功能(versatile)又耐用(robust)的磁性過濾器，其包括由各裝配來環繞一個或多個永久磁鐵於其中的複數個可更換的狹長固持套筒(exchangeable elongated holder sleeve)所組成的一個磁鐵芯組件以及一個板支撐組件(plate support assembly)。套筒與磁鐵棒都不是以螺絲(screw)、螺桿(bolt)、焊接(welding)或其他類似的方式機械式地固定於過濾器外罩，因此都是能夠手動移除的。也因此，磁鐵棒與固持套筒能夠個別地維修或更換。如此一來，磁鐵芯組件中的固持套筒數量便是可變動的，以便符合特定應用的需要。此磁性過濾器特別適合用於處理包含有沉降污泥(degradation sludge)、含鐵顆粒或薄片(iron containing particles or flakes)以及非磁性聚合材料(non-magnetic polymeric materials)的製程物流(process stream)。

據此，本發明一方面有關於用於從一個精煉廠(refinery)或一個化學廠(chemical plant)中的一道液態製程物流分離磁性與非磁性污染物的一種磁性過濾器，其包括：一個外罩，具有被一個可移除蓋體(removable cover)密封住的一個開口(opening)、一個製程物流入口(process stream inlet)以及一個製程物流出口(process stream outlet)，並且一個內部區域(interior region)介於入口與出口之間；一個磁鐵芯組件，其可拆卸地放置於內部區域中，並且其包括：一個磁鐵支撐組件(magnet support assembly)，具有至少一個支撐板(support plate)；以及複數個狹長非磁性套筒(elongated non-magnetic sleeve)，其以各狹長套筒呈垂直方向(vertically orientated)且彼此分隔(spaced apart from one another)的方式可移動地配置於磁鐵支撐組件中，並且各狹長套筒裝配來容納配置於其中的一個或多個磁鐵；一個濾網，具有一個上框(upper rim)，並且環繞於磁鐵芯組件的一個下部(lower portion)，其中濾網裝配來將這些污染物補集於其上；以及一個板支撐組件，固接於外罩的內部區域中，並且定義出上下支撐周緣(support perimeter)，以便將濾網的上框放置於下支撐周緣上，並且將磁鐵芯組件的一個支撐板放置於上支撐周緣上，其中磁鐵芯組件的支撐板與濾網的上框形成一個流道(flow channel)，以使液體在液態製程物流從入口流動至出口時會流過流道，並且會通過狹長非磁性套筒，以使磁性污染物會附著於各非磁性套筒的外部(exterior)，並且預定尺寸的污染物最後會經由濾網移除，以形成經由出口離開內部的一道處理過的液態製程物流。

操作時，一道進料流(feed stream)一開始會先與磁鐵芯組件互相作用，順磁性污染物(paramagnetic contaminant)會被經由其磁鐵所產生的磁場(magnetic field)所吸附，並且污染物會沉積至其固持套筒的外部表面(exterior surface)上。網目濾筒(mesh screen cylinder)會接著捕集特定尺寸的非磁性與弱磁性污染物，然後才會將清除過的物流(cleaned stream)排出磁性過濾器(magnetic filter)。在維護磁性過濾器時，零件(component)在轉開鉸鏈蓋(hinged cover)之後便能夠從外罩的內部任意移除，亦即不必先解開或解鎖任何的機械式固接機構(mechanical securing mechanism)。舉例來說，可以輕易地將磁鐵棒從各個套筒分離，或者是可以將個別的狹長非磁性套筒從磁鐵支撐組件拔出。另外，也可以將磁鐵支撐組件從內部拔出，以便一併移除所有的狹長非磁性套筒。

本發明是有關於從液態石油(liquid petroleum)或化學製程物流，特別是包含有機溶劑(organic solvent)與副產物(by-product)的物流，移除順磁性顆粒(paramagnetic particle)或污泥以及至少一部分非磁性污泥的一種磁性過濾器。碳鋼(carbon steel)，用於工廠建造的一種常見材料，很容易會在精煉廠或化學廠製程物流中酸性污染物(acidic contaminant)的存在下鏽蝕。鏽蝕(corrosion)會產生鐵離子(ferrous ion)，其會與硫(sulfur)、氧(oxygen)以及水(water)反應而形成細微顆粒(fine particle)或可見薄片形式的順磁性硫化亞鐵(FeS)、氧化亞鐵(FeO)、氫氧化亞鐵(Fe(OH)₂)、六氰化亞鐵(Fe(CN)₆)等。這些順磁性材料很容易吸附可能為有機副產物的沉降污泥，因而使大部分的污染物成為順磁性。經證實，絕大部分的污染物可利用一個或多個永久磁鐵從製程物流移除。未被磁鐵吸附的剩餘污染物主要是由不會對來自於磁鐵的磁場充分反應的非磁性(或弱磁性)顆粒所組成。本發明的磁性過濾器特別適合用於處理物流中的主要污染包含磁性污染物的受污染製程物流(contaminated process stream)。在此方式下，來自於最初磁性濾清階段(initial magnetic filtration stage)下游的製程物流中的剩餘少量非磁性污染物可輕易地在利用一個或多個濾網的後續第二階段中分離。

如圖1所示的磁性過濾器包括具有一個斜面狀基部(bevel-shaped base)40的一個包覆體(enclosure)或外罩1，以及固接於固設支柱(mounting legs)44的垂直周壁(vertical peripheral walls)42。外罩1定義出了最好可從外罩1的相對水平末端(opposite horizontal end)或填料空間(plenum)30、34裝卸的一個內部區域32。在此方式下，磁性過濾器可輕易地結合至精煉廠或化學廠中輸送污染物流的現存管路(existing piping)的直線段(straight section)。舉例來說，可移除管路的一個長度以形成兩個末端：(1)來自於製程物流的上游端(upstream end)焊接於外罩1的入口段(inlet section)2，而(2)管路的下游端(downstream end)則一樣固接於外罩1的出口段(outlet section)3。如以下所進一步描述，內部區域32內的結構會引導製程物流進入磁性過濾器外罩1，以先穿越會吸附磁性污染物的磁鐵芯組件，接著再遇到會從其中過濾掉非磁性與弱磁性污染物的一個濾筒，然後才排出過濾器外罩而成為一道處理過的物流。

外罩1的頂部開口(top opening)的外周緣(outer perimeter)為凸緣(flange)4所圍繞，而蓋體(cover)5的一個末端則以鎖固於安裝銷(fitting pin)7的墊圈(collar)6安裝並連接於其上。蓋體5因此而能夠繞著安裝銷7或其他鉸鏈機構(hinge mechanism)水平地旋開。蓋體5的另一個末端經由配備有最好不需要機械或動力工具(power tool)的手柄(handle bar)或其他緊固裝置(fastening device)的一個手動操作螺絲(hand operated screw)8牢固地貼附於凸緣4。一個聚合墊片(polymer gasket)或其他適合的密封工具(sealing mean)可被插設於蓋體5與凸緣4之間，以確保在濾清操作(filtration operation)過程中的緊密貼合(tight fit)。磁性過濾器外罩1於底部配備有用於定期排放的一個排放閥(drain valve)26以及在為了此單元的維護(包括清理)而打開蓋體5之前用於釋放過量壓力(excess pressure)的一個安全洩壓閥(safety relief valve)27。貼附於頂部支撐板(top supporting plate)16的一個彈性金屬條(flexible metal band)22有助於整體磁鐵芯組件或固持套筒組件(holder sleeve assembly)13(圖2C)(包括或不包括固持套筒14)的移除。

圖2A描繪出包括有最好各由具有N與S磁極(pole)的一個短永久磁鐵塊或圓柱(short permanent magnet block or cylinder)所組成的複數個堆疊磁鐵棒(magnet bar)10的磁鐵棒組件(magnet bar assembly)9的垂直剖面圖。複數個磁鐵棒10的排列，使得相鄰磁鐵的相同磁極會被放置成彼此緊鄰(next to each other)。個別的磁鐵棒10會被安裝至頂部上具有一個拉環(pulling ring)12的一個密封非磁性管狀外殼(sealed non-magnetic tubular enclosure)11中。各磁鐵棒組件9會被插入至一個分離固持套筒(separate holder sleeve)14中。如以下所進一步描述，在濾清製程(filtration process)的過程中，磁性污染物將會附著於固持套筒14的外表面。圖2B描繪出顯示出了位於內部的磁鐵棒10、位於中間的管狀外殼11以及位於外部的磁鐵棒固持套筒14的剖面俯視圖。雖然磁鐵棒10具有一個矩形剖面(rectangular cross section)，但是應該要理解為磁鐵棒10以及對應的管狀外殼11與固持套筒14可以是任何適合的外觀結構(exterior configuration)。

圖2C繪示出固接於包括有三個平行支撑板16、17以及18的一個固持套筒組件13上的複數個分隔的狹長型固持套筒14的排列。各固持套筒14最好配備有兩個把手(pulling handle)21，使得固持套筒在清理週期(clean-up cycle)的過程中能夠在磁鐵棒組件9從固持套筒抽出之後從固持套筒組件13任意地拔出。上支撐與中支撐板16、17具有依尺寸製作並校準過的孔洞(aperture)或開孔(hole)15，使得一個固持套筒14可以輕易地安裝至開孔15中，並且承靠於下支撐板18的表面上。貼附在各固持套筒14的開放端(open end)並且具有大於安裝開孔15直徑的一個頂蓋(top lid)或框型蓋體(rim cover)19會將各固持套筒14支撐在上支撑板16。頂部支撑板16承受了複數個磁鐵棒組件9以及其相關固持套筒14的整體重量。另外，頂部支撑板16遮蓋了各固持套筒14的開放端，也因而遮蓋了各磁鐵棒組件9，以免與操作過程中的製程流體(process fluid)直接接觸。如以下所進一步描述，中支撐板17經由將其壓向永久連接於過濾器外罩1的一個支撐環(supporting ring)25(圖1)而將一個濾筒24(圖1)固接於適當的地方。底部支撐板18則固接於複數個固持套筒14的下端。

至少一個狹長固持套筒14(最好是中間的那一個)是固定的，並且牢固地固接於這三個支撐板16、17與18中的每一個，使得這些支撐板保持平行並且垂直地分隔以及對固持套筒組件13提供結構的完整性(structural integrity)。由此可明顯地看出，固接於支撐板的狹長固持套筒14與磁鐵棒及固持套筒組件13會是固定的整體結構(stationary integral)。也可以利用一個或多個鋼性桿件(rigid rod)來取代使用一個固定的固持套筒來固持住板件。

圖2D顯示出固持套筒組件的俯視圖，以描繪出插設過頂部支撐板16上的開孔15(圖2C)而一個呈均勻分佈的固持套筒14陣列。在處理被順磁性材料重度污染過的一道物流的情況下時，各可用開孔15皆具有插設於其中的一個固持套筒14，以便為了吸附順磁性顆粒而將物流暴露於最大磁場強度(magnetic field strength)下。為了要增加駐留時間(residence time)，通過磁性過濾器的流速可能必須要降低。在物流並未被重度污染的情況下，固持套筒組件可能不必完全配備有磁鐵棒。結合較少的磁鐵棒會容許磁性過濾器適應較大的製程物流流速。在此方案中，並非上支撐板16上的所有開孔15都將會被一個固持套筒14佔用，而是某些開孔15將會簡單地以最好是由順磁性材料(例如碳鋼)所製成並且具有與用於固持套筒14的頂部蓋體(top cover)19相同形狀及尺寸的一個插塞(plug)來塞住。當為了不同的應用而需要磁鐵棒時，插塞可因而以承載有附加磁鐵棒的固持套筒來取代。一種插塞39的一個代表性側視圖顯示於圖2E中，並且此插塞的一個旋轉90度後的側視圖顯示於圖2F中。

圖3A與3B描繪出由具有允許流體(fluid)以及特定尺寸顆粒通過的微孔(pore)的一個適當尺寸金屬材料所構成的中空濾筒24。濾筒定義出了最好是具有一個平坦基部(flat base)的腔室(chamber)45，以使捕集到的顆粒均勻地累積於底部。濾筒24最好是包括具有網目尺寸(mesh size)為1至200(線/每英吋)的一個較細濾網(finer screen)(最好是網目尺寸為10至100，用於內層29)以及網目尺寸為10至100的一個較粗濾網(coarser screen)(最好是網目尺寸為10至50，用於外層31)的兩層非磁性金屬濾網。濾筒24包括貼附於上凸出外框(upper protruding rim)23的兩個手柄(handle bar)28。

請參考圖1，組裝磁性過濾器時，會先以外側外框(outer rim)23的上方側放置於焊接在過濾器外罩上的支撐環25的上表面上的方式將濾筒24向下放入外罩1的內部區域32中。之後，將固持套筒組件13(圖2C)部分地放置於濾筒的腔室內，使得中支撐板17去承靠在外框23的上表面上，同時上支撐板16的下表面則去承靠在亦焊接在外罩1的上部上的支撐環20上。也可以在支撐板16與支撐環20之間放置一個墊片。在這樣的排列下，濾筒24會部分地環繞磁鐵芯組件，使得狹長的固持套筒14(圖2C)的末端會整個坐落在中空濾筒24的腔室內。此外，介於支撐板16與17之間的間隔(space)定義出了製程物流流體(process stream fluid)經由其進入的一個通道(channel)；銜接於此通道下游端側面的壁體(wall)36會使流體朝下轉向至濾筒24的腔室中。

在固持套筒14和頂部支撑板16上的頂部蓋體19以及支撐環20最好是由順磁性材料所製成，例如碳鋼。由於各固持套筒14(圖2C)皆裝配有一個磁鐵棒組件9(圖2A)，固持套筒14會從磁鐵棒產生強大的磁力，以協助將頂部支撐板16以及所有的固持套筒14牢固地保持在適當位置。在開孔15與頂部蓋體19之間可放置一個墊片，以提供較佳的密封。

固接於頂部支撐板16的彈性金屬條22也和金屬偏壓彈簧(metal biasing spring)一樣有將頂部支撐板16壓向支撐環20以及將中支撐板17壓向濾筒24頂部外框23的作用。當過濾器外罩的頂部蓋體5被蓋上並且壓迫金屬條22時，這項特徵便會將固持套筒組件13和濾筒24都牢固地保持在適當位置。

操作時，在受到污染的製程物流2進入磁性過濾器之後，物流中的順磁性材料會被磁鐵芯組件內的強力磁場所吸附。這些材料會附著於複數個固持套筒14的外表面。在濾筒24的腔室內，製程物流會在平行於狹長固持套筒14軸線(axis)的軸向(axial direction)以及徑向(radial direction)或橫向(transverse direction)流過。流動方向將會取決於污染物在磁鐵芯組件內堆積所發展而成的壓力梯度(pressure gradient)。可以預期的是，大部分的順磁性材料將會已經被磁性過濾器移除。接著，仍在製程物流中的特定尺寸非順磁性與弱順磁性材料都將會在流體通過濾筒24時被捕集。大致上不含順磁與非順磁污染物的清潔後製程物流會經由出口段3排出磁性過濾器。

在固持套筒14變得佈滿磁性污染物並且濾筒24變得佈滿非磁性污染物之後，磁性過濾器的入口段2與出口段3會關閉閥門(valve shut)。頂部蓋體5則會為了各種零件的移除以進行清潔而被打開。這些部分最好是以與將固持套筒組件13(圖2C)任意地從內部拔出的相反順序(reversed order)移除。從固持套筒組件移除磁鐵棒會釋放協助保持順磁性零件對準與互相吸引的吸附磁力(attractive magnetic force)，從而容許順磁性污染物從固持套筒的外表面落下。或者，也可以選擇將個別的磁鐵棒10從其固持套筒14任意地分離，或是將個別的固持套筒14從頂部支撐板16任意地拔出。

1‧‧‧外罩

2‧‧‧入口段

3‧‧‧出口段

4‧‧‧凸緣

5‧‧‧蓋體

6‧‧‧墊圈

7‧‧‧安裝銷

8‧‧‧手動操作螺絲

9‧‧‧磁鐵棒組件

10‧‧‧磁鐵棒

11‧‧‧管狀外殼

12‧‧‧拉環

13‧‧‧固持套筒組件

14‧‧‧固持套筒

15‧‧‧開孔

16、17、18‧‧‧支撑板

19‧‧‧蓋體

20、25‧‧‧支撐環

21‧‧‧把手

22‧‧‧金屬條

23‧‧‧外框

24‧‧‧濾筒

26‧‧‧排放閥

27‧‧‧安全洩壓閥

28‧‧‧手柄

29‧‧‧內層

30、34‧‧‧填料空間

31‧‧‧外層

32‧‧‧內部區域

36‧‧‧壁體

39‧‧‧插塞

40‧‧‧斜面狀基部

42‧‧‧垂直周壁

44‧‧‧固設支柱

45‧‧‧腔室

圖1為磁性過濾器的剖視圖。

圖2A為沿著磁鐵棒組件長度方向的剖視圖。

圖2B為磁鐵棒與固持套筒組件的俯視圖。

圖2C為固持套筒組件的側視圖。

圖2D為固持套筒組件的俯視圖。

圖2E為固持套筒插塞的側視圖。

圖2F為圖2E的固持套筒插塞旋轉大約90度之後的側視圖。

圖3A為濾筒的側視圖。

圖3B為濾筒的俯視圖。