РУКАВНЫЙ ФИЛЬТР ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ НАНОДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ

Полезная модель относится к устройству для разделения газовых неоднородных систем, а именно, к усовершенствованию рукавного фильтра для улавливания нанодисперсных целевых продуктов при реализации нанотехнологий в металлургии и химических производствах.
Область применения предлагаемой конструкции рукавного фильтра - в качестве оборудования для улавливания нанодисперсных порошков металлов, тугоплавких соединений, их композиций.
Известна конструкция рукавного фильтра [1, с.161] с улавливанием высокодисперсных продуктов на поверхности фильтрующей ткани (нитрон, лавсан, стеклоткани и др.), ее регенерацией обратной продувкой инертным газом и сбором уловленного продукта в приемном бункере. Недостатком конструкции является необходимость охлаждения отходящих технологических газов до рабочей температуры фильтрующей ткани и улавливание только достаточно крупных порошков микрометрового диапазона, обычно в пределах 1-10 мкм.
Из известных наиболее близкой к предлагаемой по конструктивному исполнению является конструкция рукавного фильтра для улавливания ультрадисперсных порошков [2, с.1], включающая корпус с охлаждающей рубашкой и с патрубками подвода запыленного и отвода очищенного газов, систему регенерации, фильтрующий рукав и сборник порошка с шиберным устройством. Система регенерации выполнена в виде установленной коаксиально с внешней стороны рукава конусообразной камеры с меньшим основанием в нижней части. Фильтр снабжен выполненными в виде клиньев и размещенными между рукавом и камерой радиальными газонепроницаемыми перегородками и патрубками подвода регенерирующего газа, установленными между перегородками в верхней части камеры, при этом патрубок подвода газа соединен с рукавом, сборник порошка установлен внутри корпуса, а меньшее основание камеры выполнено с отверстиями. Такая конструкция позволяет повысить эффективность регенерации фильтрующего рукава и уменьшить или полностью исключить загрязнение целевого продукта побочными продуктами, которые могут конденсироваться из газовой фазы при понижении температуры газопорошковой смеси и тем самым улучшить качество целевого продукта, осаждающегося на внутренней поверхности фильтрующего рукава. Наряду с этим такая конструкция имеет ряд существенных недостатков: 1) эффективная работа фильтра при улавливании порошков ультра - нанодисперсного диапазона крупности достигается только при условии формирования на поверхности фильтрующей ткани порошкового слоя, т.е. при образовании двухслойной фильтрующей перегородки; 2) низкая эффективность улавливания нанодисперсных порошков в начальной и послерегенерационные периоды работы фильтрующего рукава; 3) снижение качества нанодисперсных продуктов вследствие неконтролируемого их спекания на шибере и в сборнике, обусловленного повышенной температурой поступающих в рукавный фильтр технологических газов; 4) снижение качества нанодисперсных продуктов при разгерметизации сборника порошка вследствие активного поглощения ими кислорода и паров воды воздуха, поскольку рукавный фильтр не содержит устройств, обеспечивающих эффективную пассивацию уловленных нанодисперсных продуктов; 5) снижение эффективности улавливания в связи с периодическим совмещением работы фильтрующего рукава в режимах улавливания и регенерации; 6) нестабильность гидравлического сопротивления системы улавливания из-за периодического совмещения режимов улавливания и регенерации, что вызывает нарушения в работе электротермического оборудования газовихревой схемы, обычно используемого для синтеза нанодисперсных порошков; 7) сложность в экспериментальном определении параметров конусообразной камеры системы регенерации: соотношения площадей оснований, высоты конуса в зависимости от изменения температуры технологических газов по длине фильтрующего рукава.
Задачей полезной модели является усовершенствование конструкции рукавного фильтра для улавливания нанодисперсных порошков, направленное на повышение эффективности улавливания, предотвращение спекания и окисления уловленных продуктов.
Технический результат достигается тем, что рукавный фильтр для улавливания нанодисперсных порошков, включающий корпус с охлаждающей рубашкой и с патрубками подвода газопорошковой смеси и отвода очищенных газов, улавливающий рукав, систему регенерации в виде установленной коаксиально с внешней стороны рукава камеры с радиальными газонепроницаемыми перегородками и патрубками подвода регенерирующего газа, сборник нанодисперсного порошка с шиберным устройством, выполнен в виде двух работающих поочередно в режиме улавливания и регенерации секций, каждая из которых снабжена запорным устройством, устройством в виде полой шайбы с радиальными отверстиями для струйного ввода в газопорошковую смесь охлаждающей, коагулирующей и пассивирующей газожидкостной эмульсии и камерой системы регенерации цилиндрической формы с прямоугольными перегородками, установленной по отношению к рукаву с зазором не более 0,05 м.
Рукавный фильтр для улавливания нанодисперсных порошков представлен на фиг.1, на фиг.2 - вид А-А фиг.1.
Рукавный фильтр состоит из секций 1 и 2, соединенных газоходами 3 и 4 с общим газоходом 5, служащим для подвода к секциям смеси газа и нанопорошка, поступающих из реактора. Газоходы 3 и 4 оборудованы запорными устройствами 6 и 7 и устройствами 8, 9 в виде полой шайбы с радиальными отверстиями для струйного ввода в газопорошковую смесь охлаждающей, коагулирующей и пассивирующей газожидкостной эмульсии. Каждая секция включает корпус 10 с крышкой 11 и охлаждающей рубашкой 12, улавливающий рукав 13, сборник 14 нанопорошка с шиберным устройством 15, камеру регенерации 16 цилиндрической формы, установленную по отношению к рукаву 13 с зазором не более 0,05 м, постоянным по ходу движения регенерирующего газа, которая одновременно является камерой очищенного газа. Камера 16 разделена на отдельные секции продольными радиальными газонепроницаемыми самоустанавливающимися перегородками 17 прямоугольной формы, сопрягающимися со стенками улавливающего рукава и камеры. Перегородки 17 установлены с возможностью перемещения в направляющих 18, закрепленных на внутренней боковой поверхности и на верхнем фланце камеры 16.
Каждая секция снабжена патрубком 19 для ввода регенерирующего газа. Крышка 11 и охлаждающая рубашка 12 снабжены патрубками 20, 21 для ввода и 22, 23 для вывода охлаждающей среды.
Для ввода газопорошковой смеси на крышке 11 установлен патрубок 24. Улавливающий рукав 13 установлен соосно с патрубком 24 и имеет с ним герметичное уплотнение. Сборник 14 нанопорошка с шиберным устройством 15 присоединен к улавливающему рукаву 13 и расположен внутри корпуса 10.
Внутренний объем рукава 13 соединен с манометром 25. Для вывода очищенного газа каждая секция имеет отверстие 26, а корпус - патрубок 27.
Рукавный фильтр работает следующим образом. При работающей в режиме улавливания секции 1 образующаяся в реакторе газопорошковая смесь поступает в общий газоход 5, далее через открытое запорное устройство 6 в газоход 3, подвергается в устройстве 8 воздействию охлаждающей, коагулирующей и пассивирующей газожидкостной эмульсии и через патрубок 24 поступает внутрь рукава 13. На внутренней поверхности улавливающего рукава осаждается нанодисперсный порошок, а очищенный газ через камеру 16 регенерации и отверстие 26 выходит в объем корпуса 10 и, омывая по ходу своего движения шиберное устройство 15 и сборник 14 нанодисперсного порошка, через патрубок 27 покидает его. Секция 1 работает в режиме улавливания до достижения предельно допустимого давления внутри рукава, контролируемого манометром 25. При достижении предельно допустимого давления в работу в режиме улавливания включается секция 2, а секция 1 переходит на работу в режиме регенерации, в связи с чем запорное устройство 7 открывается, а запорное устройство 6 закрывается. Регенерирующий газ вводится в каждую секцию камеры через индивидуальный патрубок 19 и направляется вдоль поверхности улавливающего рукава 13, воздействует на фильтрующую поверхность и освобождает ее от осадившегося нанодисперсного порошка, который обрушивается на крышку шиберного устройства 15. По мере накопления нанодисперсного порошка, шиберное устройство 15 периодически открывают и пересыпают нанодисперсный порошок в сборник 14. Последний после заполнения нанодисперсным порошком отсоединяется в закрытом состоянии вместе с шиберным устройством от улавливающего рукава 13. По окончанию регенерации и освобождения, при необходимости, сборника 14 от нанодисперсного порошка, секция 1 готова к работе в режиме улавливания и будет введена в него при отключении секции 2 на регенерацию.
3
2
Результаты применения предлагаемой конструкции рукавного фильтра при внесенных в него конструктивных изменениях представлены в таблице для случая улавливания нанопорошка металлоподобного карбида СrС, производимого карбидизацией порошка хрома метаном (природным газом) в плазменном потоке азота в трехструйном прямоточном реакторе мощностью 150 кВт.
Таблица
Конструктивные особенности, показатели работы рукавного фильтра для улавливания нанодисперсных порошков (по предполагаемому варианту и прототипу) и характеристики качества уловленного продукта
Конструктивные особенности, показатели работы и характеристики качества уловленного продукта
Рукавный фильтр по предполагаемому варианту
Рукавный фильтр по прототипу
Объем плазмообразующего газа (азота), нм<sup>3</sup>/ч
30,0
30,0
Содержание нанопорошка карбида хрома в газопорошковой смеси, кг/нм<sup>3</sup>
0,2
0,2
Средний размер частиц нанопорошка карбида хрома, нм
60
60
Температура газопорошковой смеси на выходе из закалочной камеры плазменного реактора, К
1023-1073
1023-1073
Наличие устройства для охлаждения газопорошковой смеси, коагуляции и пассивации нанопорошка
+
-
Продолжение таблицы
«Конструктивные особенности, показатели работы рукавного фильтра для улавливания нанодисперсных порошков (по предполагаемому варианту и прототипу) и характеристики качества уловленного продукта»
Конструктивные особенности, показатели работы и характеристики качества уловленного продукта
Рукавный фильтр по предполагаемому варианту
Рукавный фильтр по прототипу
Охлаждающая, коагулирующая и пассивирующая среда
газожидкостнаяэмульсия (азот+диметилкетон)
-
Охлаждающий эффект: температура газопорошковой смеси на входе в рукав, К
573-673
973-1023
Коагулирующий эффект
образование конгломератов размером до 600 нм
-
Количество секций
2
1
Материал рукава
сетка саржевая двухсторонняя [3, с.143]
сетка саржевая двухсторонняя [3, с.143]
Фильтрующая поверхность, м<sup>2</sup>
2,0
3,5
Скорость фильтрации, нм<sup>3</sup> азота/м<sup>2</sup> рукава·ч
1,0
1,0
Регенерирующий газ
азот
азот
Форма камеры регенерации
цилиндрическая
коническая
Перегородки камеры регенерации
прямоугольные
клиновидные
Относительный объем регенерирующего газа (азота) в зависимости от величины зазора между стенками рукава и камеры регенерации
0,075 м
1,9
2-3
0,05 м
1,0
2-3
0,025 м
1,0
2-3
Степень улавливания нанодисперсного порошка карбида хрома, %
95,0
70,0
Характеристики качества уловленного продукта - нанодисперсного порошка карбида хрома:
Продолжение таблицы
«Конструктивные особенности, показатели работы рукавного фильтра для улавливания нанодисперсных порошков (по предполагаемому варианту и прототипу) и характеристики качества уловленного продукта»
Конструктивные особенности, показатели работы и характеристики качества уловленного продукта
Рукавный фильтр по предполагаемому варианту
Рукавный фильтр по прототипу
укрупнение при спекании окисленность, достигаемая при разгерметизации сборника в течение 24 часов, кг кислорода / м<sup>2</sup> удельной поверхности нанодисперсного порошка карбида хрома
не наблюдается 0,75·10<sup>-7</sup>
до 180-250 нм 6,7·10<sup>-7</sup>
Анализ приведенных в таблице результатов показывает, что предлагаемая конструкция рукавного фильтра для улавливания нанодисперсных порошков обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества:
- повышение степени улавливания нанодисперсного порошка на 25% (с 70 до 95%);
- предотвращение укрупнения нанодисперсного порошка (до 3-4 раз);
- предотвращение поверхностного окисления нанодисперсного порошка (снижение окисленности в 8-9 раз);
- снижение объема газа, очищаемого от нанодисперсного порошка, и необходимой фильтрующей поверхности (в 1,5-1,75 раза);
- снижение объема регенерирующего газа (в 2-3 раза).
Список источников информации
1. Галевский Г.В. Технология плазмометаллургического производства наноматериалов: учеб. пособие: в 2 т. / Г.В.Галевский, Т.В.Киселева, О.А.Полях, В.В.Руднева. - Т.1. Основы проектирования плазмометаллургических реакторов и процессов. - М.: Флинта: Наука, 2008. - 228 с.
2. А.С. №1301461 А1 СССР, МПК В01D 46/02. Рукавный фильтр для фильтрации ультрадисперсных порошков / В.Н.Речкин, Р.А.Хабибулин, В.М.Шиловский. - №3974506/31 - 26; заявл. 05.11.1985; опубл. 07.04.1987. - Бюл. 13-5 с.
3. Пархоменко В.Д. Технология плазмохимических производств: учеб. пособие / В.Д.Пархоменко, П.Н.Цыбулев, Ю.И.Краснокутский. - К.: Выща шк., 1991. - С.143.