Гранулированный фильтр с пористыми гранулами

Настоящая полезная модель относится к области очистки газа и воды и может быть использована в различных отраслях промышленности: химической, металлургической, пищевой, энергетической и других областях промышленно-хозяйственной деятельности для повышения качества фильтрации.
Известен фильтр для очистки жидкостей, который может быть использован в пищевой, фармацевтической, химической промышленности, а также в медицине и в сельском хозяйстве [Патент RU 173045, МПК B01D 24/16, опубл. 08.08.2017]. Фильтр для очистки жидкостей от механических взвесей, содержащий корпус с патрубком для подвода исходной жидкости, размещенным в нижней части корпуса, патрубком для отвода фильтрата, размещенным в верхней части корпуса, проницаемую перегородку, установленную в корпусе с образованием по его высоте верхней и нижней секций, причем проницаемая перегородка оснащена дефлектором, который установлен на проницаемой перегородке в пространстве нижней секции напротив выходного отверстия опускной трубы, выполненного оснащенным конфузором. Отличительной особенностью фильтра является то, что верхняя секция содержит слой сыпучего фильтрующего материала, расположенного на проницаемой перегородке. Причем в качестве гранулированного фильтрующего материала может использоваться засыпка из активированного угля, цеолита или гранулированных ионообменных смол, а в качестве сыпучего фильтрующего материала может использоваться засыпка из кварцевого песка или электрокорунда.
Известен сорбционный фильтр, относящийся к области очистки производственных вод от растворенных органических веществ, в том числе нефтяных углеводородов, включает сорбционную камеру, заполненную гранулированным активированным углем, и электроды, выполненные из алюминия и графита, разграничивающие слои сорбента в корпусе и создающие электрохимические источники тока, согласно полезной модели, сорбционная камера содержит два или более рядов стержневых алюминиевых электродов, соединенных проводником друг с другом, два или более рядов стержневых графитовых электродов, соединенных проводником друг с другом, причем ряды алюминиевых и графитовых электродов чередуются, создавая многоэлектродный источник тока, кроме того фильтр дополнительно содержит камеру генерации электрического тока, заполненную раствором NaCl, разделенную вертикальными перегородками на два или более отсеков, гидравлически соединенных друг с другом, в каждом отсеке размещены дополнительные электроды, образующие электрохимические источники тока, соединенные последовательно друг с другом и с электрохимическим многоэлектродным источником тока сорбционной камеры, а скорость фильтрования составляет 11-15 м/ч [Патент RU 136360, МПК B01D 25/00, опубл. 10.01.2014].
Недостатками перечисленных аналогов являются сложность конструкции, неспособность улавливания частиц субмикронного размера.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является фильтрующий материал и фильтр для очистки воды, которые могут быть использованы автономно при получении экологически чистой воды для дома или офиса, а также в составе технологического оборудования для предприятий по получению безалкогольных напитков, для пищевых производств, для кафе, ресторанов и т.п. [Патент RU 102195, МПК B01D 24/16, B01D 39/06, опубл. 20.02.2011]. Сущность технического решения состоит в том, что гранулы фильтрующего материала выполнены пористыми с размером пор от 1 до 40 мкм и диаметром 0,1-2,0 мм и содержат компоненты при, мас. %: диоксид кремния -10-89, углерод - 10-89, серебро - 1. Размер частиц диоксида кремния и углерода составляет 0,5-80 нм, а серебра - 20-80 нм. Конструкция фильтра включает вертикальный цилиндрический корпус с входным и выходным штуцерами и, установленные в корпусе, верхнее и нижнее перфорированные дренажные перегородки с размещенным между ними гранулированным фильтрующим материалом. Гранулы фильтрующего материала выполнены пористыми с размером пор от 1 до 40 мкм и диаметром 0,1-2,0 мм, а нижняя дренажная перегородка подпружинена. Дренажные перегородки могут быть снабжены серебряным покрытием. Входной и выходной штуцеры размещены соосно оси корпуса.
Недостатками данной полезной модели являются то, что она не относится к области обработки газа, сложность конструкции, неспособность улавливания частиц субмикронного размера.
Задачей полезной модели является разработка гранулированного фильтра с пористыми гранулами, в котором устранены недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом является повышение эффективности фильтра, снижение гидродинамического сопротивления и перепада давления, повышение эффективности осаждения для частиц субмикронного размера.
г
пор
Технический результат достигается тем, что гранулированный фильтр с пористыми гранулами для очистки воды и газа включает в себя вертикальный цилиндрический корпус диаметром 20 мм и длиной 20 мм с входным и выходным патрубками, заполненный гранулированным фильтрующим материалом, представляющим собой пористые сферические гранулы диаметром d=5 мм, диаметр пор d=1,9 мм, суммарная пористость среды ε=0,635. Для формирования потока газа перед упаковкой гранул расположен входной патрубок длиной 10 мм, после гранул - выходной патрубок длиной 40 мм, диаметры патрубков равны 20 мм. Корпус и патрубки выполнены из пенополиуретана. Пористые сферические гранулы могут быть изготовлены из керамики, полиактида или карбона.
г
пор
Предлагаемый гранулированный фильтр с пористыми гранулами для очистки воды и газа (фиг. 1) работает следующим образом. Поток воздуха с аэрозольными частицами или сточные воды с загрязняющими веществами по патрубку поступают в вертикальный цилиндрический корпус предлагаемого механического фильтра для очистки. Для формирования потока газа перед упаковкой гранул расположен входной патрубок длиной 10 мм, после гранул - выходной патрубок длиной 40 мм. Внутри корпуса содержатся пористые сферические гранулы диаметром d=5 мм, диаметр пор d=1,9 мм (фиг. 1). За счет высокой извилистости порового пространства частицы не следуют за линиями тока газа, а оседают на поверхности гранул.
Численные параметрические расчеты показали, что данный диаметр гранул и пор являются наиболее оптимальными. Диаметры корпуса и патрубков могут быть увеличены в зависимости от фильтрующей системы. Корпус и патрубки выполнены из пенополиуретана. Пористые сферические гранулы могут быть изготовлены из керамики, полиактида или карбона.
На фиг. 2 показан пример модели упаковки сфер с порами.
Параметры пористости созданной модели фильтра представлены в таблице 1.
Верификация построенных моделей проведена сравнением параметров пористости слоя сферических гранул, построенных по методу DEM с формулой [Benyahia, F., O'Neill, К.Е., 2005. Enhanced voidage correlations for packed beds of various particle shapes and sizes. Part. Sci. Technol. 23 (2), 169- 177]:
t
где ϕ - сферичность гранул, d - диаметр корпуса (патрубка). Расчеты по формуле (1) также представлены в таблице 1. Отклонения параметров пористости для упаковки, построенной по методу DEM с формулой (1), составили 4-6.4%.
-6
Гранулированный фильтр с пористыми гранулами для очистки воды и газа с суммарной пористостью ε=0,635 показывает наибольшую эффективность осаждения в области частиц до 2⋅10 м, а дальнейшее увеличение пористости приводит к уменьшению эффективности.
Пористость ε=0,635 обеспечивает большую площадь поверхности за счет полых сферических включений внутри гранулы с несколькими соединительными каналами. Частицы субмикронного размера, попавшие внутрь пористой гранулы вместе с газом, с большей долей вероятности осядут внутри поры.
При пористости среды ε=0,635 гранулированный фильтр с пористыми гранулами для очистки воды и газа обеспечивает меньшее значение перепада давления. Снижение перепада давления при сохранении эффективности осаждения частиц приводит к росту коэффициента качества фильтра. Добавление пор способствует снижению гидродинамического сопротивления материала.
Достоинствами предлагаемой полезной модели являются применение его для очистки как газа, так и воды; сложная извилистая структура пористой среды, способствующая улавливанию частиц субмикронного размера. Фильтр также отличается своей легкостью и простотой конструкции.
Таким образом, можно сделать вывод, что гранулы с модификациями в виде пор улучшают фильтрующие свойства гранулированных фильтров со сферическими гранулами, снижают гидродинамическое сопротивление фильтра. При пористости среды ε=0,635 гранулированный фильтр с пористыми гранулами для очистки воды и газа обеспечивает снижение перепада давления и повышение эффективности осаждения для частиц субмикронного размера.