АППАРАТ ДЛЯ ФИЛЬТРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОТОКОВ ТЕКУЧИХ СРЕД, ГИБРИДНЫЙ ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
APPARATUS FOR FILTRATION OF PROCESS FLUID FLOWS, HYBRID FILTRATION ELEMENT AND METHOD OF ITS FABRICATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к фильтрующим элементам и фильтрам, используемым для фильтрации потоков газа и жидкости, таких как потоки природного газа, потоки жидкости при обработке природного газа, потоки промышленных химических веществ и т.п.
Уровень техники
Многие процессы сепарации используют жидкие растворители, чтобы физически или химически адсорбировать или абсорбировать химические частицы из газов или жидкостей. Эти растворители удаляют определенный загрязнитель из потока (до той точки, когда растворитель определяется как «богатый» или «обогащенный»), а затем они регенерируются и освобождаются от вещества, растворенного в растворителе, с помощью термической обработки или другими методами. Затем «обедненный» растворитель может снова вступать в контакт с обрабатываемым потоком. Это обеспечивает продолжительный цикл работы растворителя, который обогащается, а затем освобождается от удаляемого вещества. Эти процессы с использованием растворителя используются или для процесса очистки потока посредством удаления загрязнителя, или для восстановления и/или концентрации вещества, присутствующего в технологическом потоке.
Существует множество примеров промышленных процессов, которые используют некоторые вариации вышеописанных шагов. Одним из широко используемых примеров является использование аминов или гликолей для удаления загрязнителей из потоков природного газа. Поскольку эти системы работают в постоянном цикле, существует необходимость удаления загрязнителей из этих потоков растворителя, чтобы защищать оборудование, используемое в цикле, и поддерживать эффективность удаления загрязнителей. Для удаления твердых загрязнителей из потоков жидкого растворителя в прошлом использовались твердые фильтры. Однако углеводороды и другие нерастворимые загрязнители также в малых количествах находятся в технологическом потоке, и со временем они накапливаются, оказывая вредное воздействие на эффективность процесса. Активированный уголь доказал свою высокую эффективность в удалении этих незатвердевших загрязнителей. Традиционным типом используемого сейчас угля является гранулированный активированный уголь (GAC). Этот уголь помещается в поток растворителя двумя способами: или как часть контейнера-картриджа внутри корпуса, или как неподвижный слой, помещаемый внутрь корпуса.
Фильтры этого типа с активированным углем работают вполне эффективно, но имеют определенные ограничения. Прежде всего, из-за ограниченного расхода потока, который может пройти через уголь, угольные фильтры должны быть очень большими, чтобы вместить весь поток растворителя. Это приводит к практике обработки только части растворителя за каждый проход, т.е. использование отвода от общего потока. Использование отвода от общего потока уменьшает размер требуемого контейнера с угольным фильтром, но при этом обработка растворителя менее эффективна, чем в случае использования фильтра с полным потоком. Другое ограничение используемых в настоящее время контейнеров с фильтрами связано с фактом, что гранулированный активированный уголь выделяет мелкие частички угля в поток растворителя во время операции фильтрования, что требует установки ниже по ходу потока от угольного фильтра другого твердого фильтра.
В результате, при существующей практике, если есть необходимость удаления всех загрязнителей из потока растворителя, то требуется установка трех последовательно расположенных фильтров. Растворитель должен быть отфильтрован от твердых частиц, что делается почти всегда при обработке полного потока растворителя, проходящего через фильтр. Затем угольный фильтр, вместе с фильтром, расположенным ниже по ходу потока и улавливающим частицы, находящиеся в потоке после угольного фильтра, вводится в поток растворителя. Это может быть сделано или с полным потоком растворителя, проходящего через эти фильтры, или, как объяснялось выше, эти фильтры могут быть расположены таким образом, чтобы они получали только часть или отвод от общего потока растворителя.
В течение нескольких последних лет для увеличения эффективности были введены в использование новые растворители, которые являются даже более чувствительными к твердым и жидким загрязнителям, чем используемые ранее. Это делает эффективность систем фильтрации в потоке растворителя даже более критической.
Поэтому существует необходимость постоянных улучшений фильтрующих элементов и процессов фильтрации вышеописанного типа для увеличения эффективности фильтрации. Существует также необходимость для создания таких улучшенных фильтрующих элементов и контейнеров, которые исключают использование корпусов многоразовых фильтрующих контейнеров в вышеописанных типах процессов фильтрации. Существует также необходимость для создания такого улучшенного фильтрующего элемента, который может обеспечить способность фильтра принимать, в большинстве случаев, полный поток в процессе работы.
Раскрытие изобретения
Соответственно задачей настоящего изобретения является обеспечить систему, которая исключает необходимость использования корпусов многоразовых фильтрующих контейнеров в процессах фильтрации вышеописанного типа, и замену многоразовых контейнеров одноразовыми.
Другой задачей настоящего изобретения является удаление многоразовых фильтрующих контейнеров вышеописанного типа, в то же время улучшая общий достигаемый фильтрационный эффект, а также способность фильтра работать с полным потоком, почти во всех случаях.
Предпочтительный фильтрующий элемент изобретения включает в себя корпус фильтрующего элемента, вытянутый в длину и имеющий центральный канал, который проходит между его противоположными концами. Центральный канал окружен фильтрующим блоком, заполненным углем, а этот фильтрующий угольный блок, в свою очередь, окружен защитным фильтрующим материалом с извилистыми порами. Фильтрующий защитный материал с извилистыми порами может содержать различные материалы с извилистыми порами, известные в соответствующих областях промышленности.
Предпочтительно, чтобы защитный фильтрующий материал с извилистыми порами содержал листы нетканого материала, сформированного из смеси материала-основы и связующего материала, при этом этот смешанный материал подвергается сжатию таким образом, чтобы сформировать лист с подобранной пористостью. Лист формируется как спирально намотанная трубка, состоящая их множества листов, при этом каждый лист нагревается и сжимается, чтобы связывать волокна основы, формируя, таким образом, пористый фильтрующий элемент.
Предпочтительный для использования фильтрующий угольный блок формируется сначала из массы большого количества собранных вместе частиц связующего материала. Частицы активированного угля, имеющие температуру размягчения выше, чем температура размягчения связующего материала, соединяются с ним для формирования однородной смеси. Практически однородная смесь частиц выдавливается из цилиндра экструдера в пресс-форму. Смесь частиц нагревается до температуры, которая выше температуры размягчения связующего материала, но меньше, чем температура размягчения вышеупомянутого связующего материала, при этом нагретая смесь затем превращается, в основном, в гомогенный композитный материал. Полученный композитный материал быстро охлаждается ниже точки размягчения связующего материала, чтобы получить требуемый композитный материал. Затем композитный материал выдавливается из пресс-формы уже как готовый твердый композитный материал в форме фильтрующего угольного блока.
В одном особенно предпочтительном варианте изобретения защитный фильтрующий материал с извилистыми порами содержит:
нетканый материал, содержащий практически гомогенную смесь базового волокна и связующего материала, сжатого таким образом, чтобы сформировать первичную полосу нетканого материала с подобранной пористостью;
первичная полоса нетканого материала спирально наворачивается сама на себя с множеством наложенных один на другой слоев, чтобы сформировать первую полосу, имеющую подобранную радиальную толщину;
вторичный нетканый материал, содержащий практически гомогенную структуру, которая является смесью базового волокна и связующего материала, сжатого таким образом, чтобы сформировать вторичную полосу нетканого материала с подобранной пористостью;
вторичная полоса нетканого материала спирально наворачивается сама на себя с множеством наложенных один на другой слоев, чтобы сформировать вторую полосу, имеющую подобранную радиальную толщину;
первичная и вторичная полоса накладываются одна на другую и соединяются, чтобы в результате получить пористый, самоподдерживающий фильтрующий элемент.
Изобретение также содержит аппарат для фильтрации потока жидкости, например, такого как обрабатываемый жидкий поток природного газа, содержащий гликоли и амины. Аппарат включает в себя закрытый резервуар, вытянутый в продольном направлении и имеющий внутреннюю часть. Разделение производится внутри резервуара. В результате этого разделения получается плоская внутренняя и плоская наружная стороны, соответственно разделяющие внутреннюю часть резервуара на первую ступень и вторую ступень. В этой разделяющей перегородке предусмотрено, по меньшей мере, одно отверстие. Входное отверстие обеспечивается для того, чтобы жидкость могла вливаться в первую ступень резервуара. Также обеспечивается выходное отверстие для выхода жидкости из второй ступени. По меньшей мере один цилиндрический фильтрующий элемент, который имеет герметичное уплотнение и проходит через первую ступень, располагается внутри резервуара. Фильтрующие элементы, содержащие фильтрующий угольный блок, окружены защитным фильтрующим материал с извилистыми порами, как ранее описывалось.
Описанные выше объекты, также как дополнительные объекты, свойства и преимущества изобретения будут более понятны из последующего далее детального описания.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - упрощенный вид в перспективе с частичным вырезом резервуара с фильтром для жидкости, который может использовать улучшенные фильтрующие элементы, в соответствии с изобретением.
Фиг.2 - частично схематический вид сбоку на резервуар с фильтром существующего уровня техники, использующего гранулированный активированный уголь в качестве фильтрующей среды.
Фиг.3 - вид в перспективе на фильтрующий элемент в соответствии с изобретением, показанный с частичным вырезом.
Осуществление изобретения
Конкретный тип фильтрующего резервуара с улучшенными фильтрующими элементами в соответствии с изобретением может принимать различные конфигурации. Например, специалисты в области добычи нефти и газа знакомы с фильтрующими резервуарами, содержащими фильтрующие элементы для фильтрации сухих газовых потоков, также как и с фильтрующими элементами для отделения твердых частиц и жидкостей из загрязненных газовых потоков. Часто эти типы резервуаров устанавливаются на линиях газопроводов для выполнения функций по фильтрации. Патенты US 5919284, выданный 6 июля 1999 г., и US 6168647, выданный 2 января 2001 г., раскрывают фильтрующие резервуары, использующие отдельные фильтрующие элементы для отделения твердых частиц, фильтрации жидкостей и смешанных жидкостей. Вышеупомянутые многоступенчатые резервуары, так же как и множество других подобных фильтрующих резервуаров используются в промышленности, когда применяются сплошные или с пустотелой центральной частью цилиндрические элементы, обычно выполненные так, чтобы они, по меньшей мере частично, являлись пористой фильтрационной средой. Например, пористые фильтрующие элементы могут выгодно использоваться в вышеописанных типах фильтрующих резервуаров того же самого общепринятого типа, как и те, которые описаны в патенте US 5827430, выданном 27 октября 1998 г. Jr. Perry и др.
Настоящее изобретение раскрывает использование технологии пористого фильтрующего элемента такого типа, которое было описано в вышеупомянутом патенте Jr. Perry и др., в комбинации с другими достаточно новыми технологиями, определяемыми здесь как полученные методом экструзии «блоки с угольным фильтрующим элементом». Общее объяснение технологии угольных блоков можно найти в следующих выданных патентах US 5189092, выданный 23 февраля 1993 г. Козлову; US 5331037, выданный 19 июля 1994 г. Козлову; и US 5922803, выданный 13 июля 1999 г. Козлову и др. Эти патенты описывают метод и аппарат для продолжительной экструзии композита твердых частиц из поданных в экструдер смесей, составленных, в основном, из однородной смеси сыпучего связующего материала и сыпучего материала, которым обычно является активированный уголь. Поданная в экструдер смесь проходит через пресс-форму экструдера практически с однородным поперечным сечением. Сыпучий материал поданной смеси подвергается воздействию тепла, давления и последующего охлаждения, которое делает смесь твердой, таким образом, она выходит из пресс-формы как твердый композитный элемент. Твердые фильтрующие элементы с частицами активированного угля для самого широкого применения в разнообразных фильтрующих операциях могут быть сформированы с помощью описанного процесса и аппарата. В пределах, не представленных в описании, которое следует ниже, настоящее раскрытие изобретения включает в себя сведения, с помощью ссылок, об идеях вышеупомянутых патентов, относящихся к технологии пористого угольного фильтрующего элемента.
Существуют также другие способы создания пористого угольного фильтрующего элемента, которые могут быть известны специалистам в данной области техники. Например, угольный элемент может быть создан из таких же начальных материалов, как в описанном выше методе прессования материалов, вместе с тепловой обработкой в подходящей пресс-форме.
Технология описанного выше типа была разработана в начале 90-х годов и практически заменила использование гранулированного активированного угля (GAC) угольными фильтрами, которые нашли свое применение во многих домашних системах. Пористый угольный фильтрующий элемент имеет перед GAC многочисленные преимущества. Тремя из самых значительных преимуществ являются преимущество в кинетике процесса, способность пористого фильтрующего элемента действовать и как фильтр для фильтрации частиц, и как адсорбирующее устройство, а также тот факт, что пористый угольный фильтрующий элемент никогда не теряет частички угля в процессе фильтрации потока.
Активированный уголь удаляет углеводороды и другие загрязнители посредством адсорбции их на поверхности угля на молекулярном уровне. Мерой, которая позволяет оценить, насколько быстро происходит эта реакция, относится к обсуждению так называемой «кинетики» процесса. При плотном контакте и достаточно мелкими частицами угля пористого элемента кинетика на порядок больше, чем при использовании GAC в качестве фильтрующего средства. В результате время пребывания, в течение которого поток должен оставаться в контакте с углем, значительно сокращается. Это позволяет увеличить расход потока, проходящего через угольный фильтр, в то время как размер резервуара, необходимый для обработки данного потока, становится значительно меньше.
Хотя преимущества пористых угольных фильтрующих элементов известны в различных отраслях промышленности, определенные аспекты их функционирования ограничили их использование в промышленных процессах того типа, с которыми связано настоящее изобретение. Например, тот факт, что угольный элемент является также очень хорошим фильтром, предоставляет возможность для удаления твердых частиц с помощью угольного элемента, так же как и для процесса адсорбирования жидкости. Однако это также представляет опасность, что этот угольный элемент будет полностью заблокирован твердыми частицами, и засорен еще до того, как он исчерпает свои адсорбирующие возможности. Это также может означать, что фильтры будут прекращать работу и заменяться более часто, чем это будет вызываться причинами, связанными с адсорбцией. Эта способность угольного фильтрующего элемента фильтровать твердые частицы не является проблемой во многих случаях его использования, например, таких как питьевая вода, где загрязнение твердыми частицами, если и существует, то очень незначительное. Однако, в случае использования с промышленными потоками, загрязнение твердыми частицами может быть значительным. В результате технология пористого угольного фильтрующего элемента вышеописанного типа согласно сведениям заявителя не является хорошо приспособленной к технологическим процессам фильтрации различного вида потоков.
Изобретение заявителя направлено на преодоление вышеупомянутых недостатков, свойственных использованию технологии угольного фильтрующего элемента, тем самым способствуя использованию этой технологии в промышленных процессах фильтрации различного вида потоков. Эта цель достигается с помощью соединения описанной выше технологии угольного фильтрующего элемента с окружающим слоем защитного фильтрующего материала с извилистыми порами. Этот окружающий слой защитного фильтрующего материала с извилистыми порами может быть, например, запатентованной заявителем технологией PEACH, описанной в патентах US 5827430, выданном 27 октября 1998 г., и US 5893956, выданном 13 апреля 1999 г.
В некоторых вариантах применения защитный фильтрующий материал с извилистыми порами может также содержать, например, фильтр из вспученного материала или из нетканого материала фильерного способа производства, фильтр из стекловолокна и т.д. Эти фильтрующие материалы с извилистыми порами могут включать связанные между собой волокна, чтобы создать фильтрующую систему для удаления загрязнителя в виде твердых частиц, которые могут преждевременно загрязнить фильтр. Вспученный материал или нетканый материал фильерного способа производства создаются посредством первоначального изготовления матрицы из волокна методом нагрева полимера, такого как полипропилен, а затем выдавливания его через маленькие отверстия, чтобы создать матрицу с очень тонкими волокнами. Эти волокна затем складываются вместе и создают картридж фильтра, или фильтрующее вещество со специфическими потребительскими характеристиками. Трубка из стекловолокна использует тонкие стеклянные волокна, которые укладываются в толстый мат, который затем закручивается в трубочку и закрепляется с помощью эпоксидной смолы, придавая ей какую-либо форму.
Другой вариант осуществления идеи настоящего изобретения включает в себя использование технологии "pleat pack", т.е. гофрированного набивочного материала в качестве фильтрующего материала, который размещался бы над угольным элементом. Гофрированные набивочные материалы известны в современной промышленности и специалистам в данной области техники. В то время как гофрированный фильтрующий материал может удалять загрязнители в виде твердых частиц, он будет менее эффективным при удалении любых жидких загрязнителей.
Обратимся к фиг.1, на которой показан фильтрующий резервуар настоящего изобретения, обозначенный в целом позицией 13. Резервуары этого типа используются для фильтрации потока текучей среды в промышленном процессе. Под термином «текучая среда» в этом описании подразумевается или «жидкость», и/или «газ». Этот конкретный фильтрующий резервуар 13, показанный на фиг.1, является фильтром для жидкости. Фильтрующие резервуары общего типа, один из которых изображен на фиг.1, могут использоваться, например, в процессах сепарации нефти и газа и подобных промышленных режимах работы. Хотя фиг.1 иллюстрирует один вариант осуществления изобретения фильтрующего резервуара для жидкости, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что фильтрующие элементы, рассматриваемые настоящим изобретением, могут применяться для самых разнообразных подобных резервуаров, используемых в промышленности. Например, фильтрующие элементы этого изобретения могут применяться в резервуарах, которые используются для одновременной фильтрации твердых частиц, сепарации жидкостей, коалесцирующих жидкостей и до процесса коалесценции из газового потока. Фильтрующие элементы могут также используются в резервуарах, которые применяются для коалесценции и сепарации двух жидкостей и для фильтрации твердых частиц в жидкостях. Кроме того, хотя резервуар, показанный на фиг.1, показан с четырьмя фильтрующими элементами, установленными внутри резервуара выше разделяющей резервуар перегородки, должно быть понятно, что некоторые конструкции резервуаров будут использовать различное число элементов, т.е. или большее, или меньшее количество элементов, в зависимости от конечной области использования фильтрующего резервуара.
Обратимся снова к фиг.1. Должно быть понятно, что хотя резервуар 13 показан, в основном, в вертикальной конфигурации, другие резервуары такого же общего типа могут также иметь, в основном, горизонтальный вариант осуществления изобретения. Резервуар 13 имеет практически цилиндрический внешний корпус 15, который образует закрытый резервуар, имеющий определенную длину и внутреннюю часть 17. Резервуар имеет входное отверстие 14 и выходное отверстие 16. Внешний корпус 15 закрыт на его верхнем конце герметизирующим элементом в виде крышки, которая, в свою очередь, имеет непроницаемый для жидкостей фланец. Внешний корпус 15 постоянно закрыт на его нижнем конце 23 приваренным к нижней стороне основанием. Крышка 19 с фланцем обеспечивает герметизирующее уплотнение, предохраняющее от жидкостей, поступающих через впускное отверстие 14, а также обеспечивает доступ к фильтрующим элементам. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1, четыре фильтрующих элемента 25 расположены внутри внутренней части 17 с помощью разделяющей резервуар перегородки 27. Резервуар 13, предпочтительно, изготавливается из стали, которая отвечает опубликованным стандартам для резервуаров под давлением, таким как ASME (Американское общество инженеров-механиков) Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII, Division 1.
Перегородка 27, которая разделяет внутреннюю часть резервуара на первую и вторую фильтрационные камеры, имеет плоские внутреннюю и внешнюю стороны, 29 и 31 соответственно. Для каждого фильтрующего элемента, который должен быть установлен на перегородке 27, выполнено отверстие. Как должно быть известно специалистам в данной области техники, над каждым отверстием обычно устанавливается выступающий в вертикальном направлении небольшой стакан, обычно приваренный, чтобы конец фильтрующего элемента надежно удерживался на перегородке. Цилиндрические фильтрующие элементы 25, расположенные внутри резервуара, установлены внутри первой камеры с необходимыми уплотнениями и связаны через соответствующий вертикальный стакан и соответствующее отверстие в перегородке 27 со второй камерой резервуара. Жидкость втекает через впускное отверстие 14, через первую камеру, через внутреннюю часть стаканов, во внутреннюю пустотелую часть фильтрующих элементов 25, проходя через их боковые стенки, а затем через вторую камеру к выпускному отверстию 16. Направление потока жидкости обозначено стрелками на фиг.1.
Каждый из фильтрующих элементов 25 (фиг.3) содержит цилиндрический корпус с практически цилиндрическими боковыми стенками 35. Фильтрующие элементы имеют внутреннюю полость 37, первое концевое отверстие 39 и находящееся на противоположном конце второе концевое отверстие 41. Концевые отверстия 39, 41 окружены концевыми колпачками 43, 45 соответственно, которые могут быть сделаны из металла или жесткого пластика. Концевой колпачок 45, в изображенном варианте изобретенного устройства, имеет на одном конце элемент 47 выпускного отверстия, который, в свою очередь, имеет участок 49 с уплотнительным кольцом.
Внутренняя полость 37 фильтрующих элементов окружена угольным фильтрующим материалом 51, который формирует практически цилиндрический слой вокруг внутренней полости 37. Угольный фильтрующий материал 51 состоит из компонентов, описанных в упоминаемых ранее патентах US 5189092, US 5331037 и US 5922803. «Пример 1», приведенный в патенте US 5189092, описывает типичный процесс следующим образом.
3
Полученный методом экструзии фильтр из активированного угля может быть полезен в качестве высокопроизводительного фильтрующего элемента для воды, который удаляет осадочные отложения, хлор, посторонние вкусы и запахи, летучие органические соединения, тяжелые металлы, например свинец, сероводород и растворимые металлические компоненты, имеющие плотность около 0,84 г/см, и может быть получен с помощью процесса, содержащего:
A) приблизительно от 50 до 60% от веса - частицы активированного угля;
B) приблизительно от 27,5 до 37,5% от веса - частицы измельченного диоксида марганца, по меньшей мере, около 100-кратного размера ячейки, и
C) приблизительно от 12,5 до 22,5% от веса - связующие частицы, имеющие диаметр в диапазоне от около 0,1 до около 250 микрон, и предпочтительно состоящие из смеси, содержащей:
A) около 55% от веса - частицы активированного угля с размером ячейки приблизительно от 50-кратного до 200-кратного размера частиц;
B) около 30% от веса - измельченный диоксид марганца, и
C) около 15% от веса - частицы связующего вещества - полиэтилена.
2
3
Подаваемая смесь на 55% от веса составляет активированный уголь из кокосовых орехов Barnaby Sutcliffe с частицами 50-200-кратного размера, 30% от веса составляют измельченные частицы MnO 400-кратного размера и 15% от веса составляют частицы 510 связующего вещества - полиэтилена (USI Division of Quantum Chemical Corporation) смешивались в 600-фунтовой массе в плужном миксере (S.Howes, Silver Creek, N.Y.) в течение, примерно, пяти часов, до тех пор, пока не получилась практически однородная смесь с постоянным объединенным составом. Затем смесь была отправлена в экструдер. Винт экструдера в виде шнека 6,35 см внешним диаметром и диаметром основания 3,18 см вращался со скоростью 3 об/мин. Температура цилиндра экструдера соответствовала обычной комнатной температуре окружающей среды, около 20°С, при этом первая зона нагрева пресс-формы поддерживалась на значении температуры в 340°F (173°С), вторая зона нагрева пресс-формы соответствовала температуре 380°F (194°С), а температура зоны охлаждения составляла 95°F (44°С). Пресс-форма изготовлена из нержавеющей стали 4140, 6,35 см наружного диаметра, общая длина составляет 45,7 см, при этом длина каждой зоны нагрева и охлаждения составляет по 15,2 см. Диаметр винта экструдера составляет 3,18 см, шлифованный, центральный стержень винта, изготовленный из нержавеющей стали 4140, вкручивается в ответную часть винта, установленную на конце экструдера, при этом центральный стержень винта заходит в центральную часть пресс-формы, таким образом из экструдера выходит цилиндрический фильтрующий элемент с внешним диаметром 6,35 см и внутренним диаметром 3,18 см. Было использовано устройство тороидального типа для обеспечения противодавления, чтобы обеспечить достаточное противодавление для уплотнения подаваемой смеси и превращения ее в продукт, при этом продукт производился при скорости около 5 см в минуту и плотности около 0,84 г/см.
Вышеописанный процесс описан в патенте US 5189092, только с намерением быть представленным, главным образом, в области угольных фильтрующих элементов.
Угольный фильтрующий материал 51 окружен защитным слоем 53 (фиг.3) фильтрующего материала с извилистыми порами. Конструкция фильтрующего материала с извилистыми порами может изменяться в зависимости от конкретного практического применения фильтрационного резервуара. Фильтрующий материал 53 с извилистыми порами может формироваться, предположительно, из любого традиционно используемого в данной области техники материала, включая упоминавшиеся ранее вспученные фильтрующие материалы, или нетканый материал фильерного способа производства, материалы из стекловолокна и т.д. Однако предпочтительный вариант конструкции и используемого фильтрующего материала с извилистыми порами раскрыт в патенте US 5827430. Такие фильтрующие элементы продаются под коммерческой торговой маркой PEACH Perry Equipment Corporation of Mineral Wells, Texas. Для расширения пределов материалов, представленных в данном описании, идеи вышеупомянутого патента включены в описание изобретения путем ссылки.
Пример типичного производственного процесса для изготовления элементов фильтрующего материала с извилистыми порами приводится в изобретении по патенту US 5827430, колонка 13, строка 66 и последующие, и описывается следующим образом.
Четыре различных типа волокон продавались фирмой Hoechst Celanese of Charlotte, N.C., при этом они были проданы под обозначениями 252, 121, 224 и 271. Волокно 252 имело структуру типа «ядра-оболочки», в то время как волокна 121, 224 и 271 имели простую однокомпонентную структуру. Массовый номер волокна 252 имел значение 3, а длина составляла 1500 дюймов. Массовый номер волокна 224 имел значение 6, а длина составляла 2000 дюймов. Массовый номер волокна 271 имел значение 15, а длина составляла 3000 дюймов. Первая смесь волокон была произведена из волокон 121 и 252 и состояла на 50% содержания по весу от каждого типа волокон. Вторая смесь волокон была произведена из волокон 224 и 252 и состояла на 50% содержания по весу от каждого типа волокон. Третья смесь волокон была произведена из композиции 25% по весу волокна 121, 25% волокна 224 и 50% волокна 252. Четвертая смесь волокон была произведена из волокон 271 и 252 и состояла на 50% содержания по весу от каждого типа волокон. Волокно 252, являющееся волокном типа «ядра-оболочки», служит связующим волокном в каждой из вышеупомянутых смесей. Каждая смесь волокон была сформирована в полотно из сплетенных нитей, которое имело толщину, приблизительно составляющую 1,27 см. Толщина каждого сплетенного полотна была уменьшена, приблизительно, на 50% в процессе формирования мата, во время обработки продолжительностью девяносто секунд, в печах, создающих тягу воздуха благодаря рециркуляции насыщенного паром воздуха с расходом, приблизительно, 1080 куб. метров в минуту при температуре 204°С. Была создана разница давлений на разных сторонах мата в печах, создающих тягу воздуха, составляющую 150 мм водяного столба. При выходе из печей, создающих тягу воздуха, каждый мат был пропущен между двумя цилиндрическими валами из нержавеющей стали, которые уменьшали толщину каждого мата приблизительно на 50% и превращали в полотно нетканого материала с шириной около 94 см. Каждый 94-см лист нетканого материала был разрезан на 15-см по ширине полоски 13, 15, 17, 19. Был определен основной вес каждого полотна нетканого материала и он должен был находиться в диапазоне от 17,3 до 42 г на кв. метр. Полоски нетканого материала 13, 15, 17, 19 были затем загружены на валы 79 роликовой опоры 75, по одной роликовой опоре на каждой ступени намоточной машины 71. Затем эти полоски были использованы при формировании спирально намотанной трубки, состоящей из множества листов, при этом каждый лист подвергся нагреву и сжатию, чтобы соединить основное волокно и элемент фильтрующего материала с извилистыми порами.
Приведенный выше пример конкретных типов материала, а также массовый номер волокна, количество намотанных слоев и т.д. предполагаются для того, чтобы проиллюстрировать только один тип фильтрующего материала с извилистыми порами, пригодного для практического использования с настоящим изобретением. Массовый номер волокна, количество завертываний и т.д. будут, очевидно, определяться характером применения фильтра.
Сейчас опишем функционирование изобретенного аппарата. Обратимся сначала к фиг.2, на которой показан фильтрационный резервуар 55, относящийся к существующему уровню техники. Этот резервуар использует гранулированный активированный древесный уголь и спроектирован, первоначально, для очистки потоков гликоля и амина. Этот резервуар 55, изображенный на фиг.2, характеризуется наличием впускного отверстия 57, распределителя 59 впускного отверстия и выпускного отверстия 61. Поддерживающий слой 63 фильтрующего вещества находится выше расположенного на дне резервуара дренажного отверстия 62 и поддерживает большое количество гранулированного активированного древесного угля (GAC) 65. Резервуар 55, изображенный на фиг.2, также имеет отверстие 64 для очистки. Резервуары этого типа часто устанавливаются ниже по ходу потока относительно фильтров для удаления твердых частиц полнопоточного типа и служат для адсорбции растворенных углеводородов, жирных кислот, являющихся ингибиторами буровых скважин и определенных соединений распада гликолевых и аминовых систем. Фильтрационные системы, отвечающие необходимым требованиям, уменьшают проблемы пенообразования, гниения и коррозии, и, равным образом, поддерживают более высокую эффективность в решении вопросов. Как уже кратко пояснялось, хорошо спроектированное обезвоживание гликолевых или аминовых обрабатывающих систем включает в себя эффективный фильтр/сепаратор на впускном отверстии потока газа, чтобы предотвратить попадание в контактную колонну свободных твердых частиц, находящихся в жидкости или газе. В процессе регенерации гликоля адсорбирующий фильтрационный модуль обычно располагается ниже по ходу потока относительно полнопоточного фильтра, и удаляет те загрязнения, на удаление которых не рассчитан полнопоточный фильтр.
Настоящее изобретение заменяет материал GAC резервуара 55 фильтрующими элементами, показанными на фиг.1 и 3. Как описывалось ранее, фильтрующие элементы изобретения используют угольный фильтрующий материал 51, окруженный фильтрующим материалом с извилистыми порами, например фильтрующим материалом PEACH. При использовании фильтрующего материала с извилистыми порами загрязняющие поток твердые частицы удаляются до того, как поток войдет в соприкосновение с угольным блоком. Фильтрующая трубка может быть изготовлена и помещена над угольным блоком, и в тесном контакте с угольным блоком со стороны наружного диаметра вокруг угольного блока. Внешний защитный слой фильтрующего материала с извилистыми порами уменьшает тенденцию твердых частиц постоянно засорять внутренний угольный блок. Комбинированный картридж может быть спроектирован таким образом, чтобы способность к удалению твердых частиц и способность к адсорбции жидких загрязнителей могли соответствовать друг другу. Например, в одном тесте способность угольного фильтра удерживать загрязнитель была увеличена в четыре раза.
Фактически, в гибридной фильтрационной системе изобретения находятся в работе два механизма по удалению загрязнений. В первом механизме удаление твердых частиц основано на кинетике, отсеивании, на сгущении и т.д., и эта функция возложена на фильтрующий материал с извилистыми порами, т.е. трубку из материала PEACH. Во втором механизме производится удаление загрязнителей, не относящихся к твердым частицам, угольным фильтрующим материалом. Второй механизм основан на химических связях (адсорбции) между сильно развитой поверхностью частиц в матрице угольного фильтра и жидкими загрязнителями, в которых загрязняющими веществами являются, например, углеводороды или растворенные химические вещества, такие как хлор и т.п. «Соответствие», которое обеспечивается в гибридных фильтрующих элементах изобретения, может быть задумано как задание размеров двум частям элемента, чтобы два процесса развивались в одинаковой степени. Участок, состоящий из материала PEACH фильтрующего элемента, будет засоряться твердыми частицами, и поэтому достигнет конца своего активного срока службы приблизительно в то же самое время, когда будет исчерпываться адсорбирующая способность участка фильтрующего элемента с угольным блоком. Фильтрующий слой из материала PEACH предотвращает переход угольного блока к состоянию, когда он не сможет эффективно работать из-за засорения твердыми частицами, таким образом он значительно увеличивает срок службы угольного блока.
Угольный фильтрующий материал удаляет частицы очень эффективно. Это является результатом спроектированной толщины слоя и способа, с помощью которого частицы угля объединяются в блоке. Это означает, что если поток содержит в себе твердые частицы, то угольный блок может засориться этими твердыми частицами раньше, чем адсорбирующая способность угля будет исчерпана. В этом случае гибридный фильтр не будет «соответствовать». Это засорение твердыми частицами приведет, в результате, к высокой разнице давлений, и поэтому блок будет нуждаться в замене, но он все еще будет иметь способность адсорбировать загрязнители. И здесь фильтрующий слой из материала PEACH позволяет угольному блоку сохранять свою действенность. Фильтрующий материал с извилистыми порами гибридной конструкции имеет высокую способность к удержанию загрязнений и задерживает твердые частицы, таким образом, срок службы угольного блока, с точки зрения возможного засорения твердыми частицами, увеличивается, кроме того, создается дополнительная возможность для адсорбирования большего количества загрязнителей.
Заявитель также выяснил в результате испытаний в действительных промышленных условиях, что матрица из материала PEACH будет действительно связывать углеводородные загрязнители, находящиеся в потоке, который используется в рабочем процессе. Благодаря тому, что это действие происходит на макроуровне, оно может значительно увеличить адсорбирующую способность всей системы.
Результатом является разработка системы для удаления загрязнений, использующая технологию PEACH и технологию угольных блоков в синергетическом стиле. Слой фильтрующей трубки из материала PEACH удаляет большое количество твердых частиц и некоторые жидкие загрязнители. За этим слоем следует угольный блок, который адсорбирует остающиеся жидкие загрязнители и обеспечивает окончательную абсолютную фильтрацию твердых частиц. Существует также дополнительное преимущество, свойственное гибридной системе, раскрываемой в изобретении, которое состоит в том, что угольный фильтрующий материал не имеет тенденцию терять мелкие частицы в процессе фильтрации потока. Поэтому в данном случае, при использовании фильтрационной системы изобретения, не требуется устанавливать дополнительный фильтр для удаления твердых частиц, который должен располагаться ниже по направлению движения потока относительно фильтрационной системы.
Например, предположим, что угольный блок спроектирован для удаления остаточных количеств загрязнителя в промышленном процессе при содержании 2 весовых промилле углеводорода, хлора или другого загрязнителя. Длина фильтрующего элемента, составляющая 25,4 см, может быть рассчитана таким образом, чтобы обеспечить обработку определенного объема жидкости, перед тем, как начать использовать его адсорбирующую способность. Разумное количество для определения конфигурации угольного блока может составлять, например, 295000 литров на 152 см длины угольного блока. Он также будет иметь эффективность фильтрации твердых частиц в диапазоне от 5 до 10 микрон, т.е. он будет удалять загрязняющие поток твердые частицы, имеющие размеры больше, чем 5-10 микрон. Предполагая, что твердые частицы, загрязняющие поток, и имеющие размеры больше, чем 10 микрон, составляют 6 промилле, то в упоминаемых ранее 295000 литров воды будет около 1,6 кг твердых частиц. Сам угольный блок способен обработать только 400 г этих твердых частиц, или даже меньше, прежде чем засорятся поры фильтрующего материала блока, и разница давлений в блоке будет так велика, что возникнет необходимость менять блок. В этом случае угольный блок будет заменен, в то время как он обработал меньше, чем 75600 литров жидкости, что является только четвертью от его ресурса. Работа угольного блока в таком режиме будет увеличивать затраты, которые увеличатся в четыре раза только по линии адсорбирующей способности. С помощью комбинирования угольного блока с пористым фильтрующим элементом можно увеличить в четыре раза способность системы фильтровать твердые частицы, что приведет, в результате, к снижению в четыре раза частоты замены картриджей, и адсорбирующая способность угольного блока будет использоваться полностью.
Кроме того, как ранее кратко упоминалось, при больших концентрациях жидкого загрязнителя, который должен подвергнуться адсорбции, он может также улавливаться материалом PEACH или матрицей пористого материала, перед тем, как он вступит в контакт с угольным фильтром. Это помогает угольному материалу, который должен адсорбировать этот загрязнитель, и увеличивает срок службы угольного блока.
С надлежащим пониманием того, какие разновидности загрязнителей находятся в жидкости, трубка из материала PEACH или трубка из пористого материала, которые окружают угольный блок, могут быть сконструированы таким образом, чтобы способность удаления твердых частиц соответствовала адсорбирующей способности системы. Это «соответствие» создает оптимальное и очень экономически эффективное решение для преодоления проблемы загрязнения жидкости или текучей среды. Кроме того, процесс может быть осуществлен с помощью только одного фильтрационного резервуара.
Следующая далее краткая сводка результатов лабораторных испытаний взята из истории реального случая и имеет целью проиллюстрировать принципы изобретения:
Отчет о лабораторных испытаниях, выполненных 24 апреля 2006 г.
ПРОЕКТ #СЕ060411-105-3
ОБРАЗЦЫ:
Используемый фильтрующий элемент "CB500-7-20L" фирмы EOG Resources, Big Piney, WY.
ИСПЫТАНИЯ:
Распределение твердых частиц по размерам, микроскопические исследования, идентификация загрязнителя, цифровые фотографии.
РЕЗУЛЬТАТЫ:
Визуальное исследование фильтрующего элемента выявило, что он находится в хорошем состоянии. Оба концевых уплотнения были в хорошем состоянии и все компоненты были неповрежденными, это касается кольцевых уплотнений, расположенных в донной части и верхней части. Пример, который мало соответствовал репрезентативной выборке, был удален из элементов, подвергнутых исследованию. Внешний рукав из материала PEACH, спроектированный для защиты внутреннего угольного блока, был относительно чистым с наружной стороны, и плотно загружен внутри средних слоев, что явилось следствием задержанных углеводородов. Наружный слой рукава содержал твердые частицы с размерами, приблизительно, от 5 до 220 микрон. Наблюдались также некоторые скопления, составляющие размер до 600 микрон. Наружный слой рукава не содержал большого количества твердых частиц.
Средние слои рукава из материала PEACH содержали твердые частицы с размерами от 2 до 60 микрон. Эти появившиеся твердые частицы представлены, главным образом, железистыми кварцитами с некоторыми частицами песка. Тяжелый слой, появление которого связано с углеводородами, был представлен в этих срединных слоях. Приблизительно 80% среднего слоя содержали захваченные углеводороды и приблизительно 50% этих средних слоев содержали твердые частицы.
Поверхности угольного блока, расположенные выше и ниже по течению потока, были вычищены с помощью хлопкового тампона, чтобы поднять частицы для измерения. Поверхность, расположенная выше по течению потока, содержала твердые частицы, имеющие размеры от 2 до 50 микрон, а поверхность, расположенная ниже по течению потока (примыкающая к сердцевине), содержала твердые частицы, большая часть которых была меньше 5 микрон с незначительным количеством твердых частиц, имеющих размеры до 10 микрон.
Изобретение обеспечило несколько преимуществ. Фильтрующие элементы изобретения обеспечивают соответствие между поглощающей способностью и удалением загрязнителей из твердых частиц, а также показывают способность увеличить адсорбирующие возможности системы за счет удерживания углеводородов, или других загрязнителей, в матрице пористого фильтра. Фильтрующие элементы и процесс фильтрации изобретения обеспечивает создание системы, которая устраняет необходимость применения многоразовых фильтрующих контейнеров, заменяя их одноразовыми контейнерами. Устранение многоразовых фильтрующих контейнеров сопровождается также улучшением общего достигаемого фильтрационного эффекта, и при этом также обеспечивая способность фильтра работать с процессом, использующим полный поток обрабатываемого вещества, почти во всех случаях. Достигаемая полнопоточная фильтрация улучшает эксплуатационные характеристики по сравнению с системами, использующимися в настоящее время, которые применяются только с неполными потоками, т.е. используются только с частью потока. В тех случаях, когда поток такой большой, что нельзя обойтись без использования отделения потока, процентное содержание потока растворителя, проходящего через неполный поток с угольным фильтром, может быть существенно увеличено.
Общая способность системы к выполнению процессов фильтрации значительно увеличивается по сравнению с существующей в настоящее время практикой. Это преимущество может быть рассмотрено в двух ракурсах: перспектива проектирования и установки новой системы, и перспектива работы системы растворителей. Если посмотреть на затраты и выгоды, вытекающие из перспективы проектирования и установки, то здесь можно увидеть очень большие преимущества. Вместо использования трех отдельных резервуаров вместе со связанными с ними клапанами и другой аппаратурой требуется только один резервуар. Размер одного фильтрационного модуля согласно изобретению меньше, чем резервуар с GAC, использующийся в настоящее время в промышленности. В результате затраты на установку оборудования в этой части промышленного процесса могут быть уменьшены почти на 66%.
С точки зрения функционирования системы также существуют большие преимущества. Необходимо заменять картриджи и уголь только в одном резервуаре. Замена картриджей фильтра согласно изобретению намного легче, чем метод, который часто используется для замены угольного фильтра GAC, который помещается на фиксированную опору и часто раскапывается. Общие эксплуатационные характеристики растворителя улучшаются в результате улучшенной фильтрации. Необходимость создания запаса из трех типов различных материалов для трех фильтров уменьшается благодаря применению только одного типа сменного фильтра-картриджа.
В то время как изобретение показано только в одной из возможных форм, оно этим не ограничено, но восприимчиво к различным изменениям и модификациям, оставаясь в рамках идеи изобретения.