УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСИЙ

Область техники.
Полезная модель относится к технике разделения жидких неоднородных дисперсных систем, более конкретно - к устройствам с подвижным в процессе фильтрования фильтрующим элементом, а именно - устройству тангенциального динамического фильтрования с самоочищающимся фильтрующим элементом.
Полезная модель предназначена для очистки текучих сред в нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, металлургической, судостроительной, текстильной, машиностроительной, химической, пищевой, в сельском хозяйстве и других отраслях, в частности, для очистки воды и водоподготовки.
Известный уровень техники.
В традиционных неполнопоточных и полнопоточных фильтрах отделение дисперсных примесей от жидкости производится либо только за счет потока, либо только в результате перемещений фильтрующего элемента относительно потока.
В известных установках разделения фаз неоднородных дисперсных систем поток фильтруемой жидкости или дисперсии обычно подается перпендикулярно фильтрующей поверхности, при этом частицы, соизмеримые или превышающие размер фильтрующей ячейки, попадая в неё, забивают ячейку, в результате чего происходит загрязнение фильтрующего элемента и потеря им фильтрующих свойств. После этого необходима остановка процесса фильтрации и либо замена фильтрующего элемента, либо его очистка.
Для решения этой проблемы были предложены фильтровальные установки с вращающимися фильтрующими элементами, конструкция которых предполагает самоочистку фильтрующих элементов.
Известные устройства для разделения фаз неоднородных дисперсных систем (суспензий и эмульсий) с использованием вращающихся фильтрующих элементов с подачей фильтруемого потока на наружную поверхность фильтрующего элемента, как правило, имеют корпус, внутри которого вращается фильтрующий элемент с пористой поверхностью, электрический двигатель, приводящий фильтрующий элемент во вращение, патрубки для ввода фильтруемой жидкости, вывода фильтрата и удаления осадка, подводящие и отводящие магистрали. В некоторых предусмотрены средства для очистки фильтрующего элемента.
В известных решениях, так или иначе, упомянута перфорированная (пористая) наружная поверхность фильтрующего элемента.
Известен самоочищающийся фильтр по патенту RU2067017 от 27.09.1996, представляющий собой вращающийся цилиндрический фильтрующий элемент, на который через сопла под давлением и с большой скоростью по и против направления его вращения с целью турбулизации потока подается фильтруемая среда. Недостатком данного изобретения является сложность конструкции и неустойчивость работы устройства вследствие использования реверсивного движения фильтрующего элемента. Кроме того, использование разнонаправленных потоков жидкости уменьшает их смывающую способность и снижает самоочищаемость фильтрующего элемента.
Патент US 4,551,242 от 05.11.1985 (Apparatus for dynamic classification of suspensions of solid bodies in liquids) описывает аппарат для динамического разделения суспензий твердых тел в жидкости, состоящий из цилиндрического корпуса с коническим дном, в котором коаксиально расположен, установленный на полом приводном валу, вращающийся перфорированный цилиндрический элемент, покрытый марлевой сеткой. Фильтруемая суспензия подается в кольцевое пространство между цилиндрическим корпусом и вращающимся цилиндром, покрытым марлевой сеткой. При этом в результате действия центробежных сил, накапливающиеся на поверхности фильтрующего элемента частицы диаметром больше, чем размер ячейки марлевой сетки, отбрасываются к стенке корпуса аппарата, а фильтрат, содержащий частицы диаметром меньше размера ячейки марлевой сетки, поступает внутрь фильтрующего элемента, откуда выводится через полый приводной вал.
Недостатком данной конструкции является недостаточно эффективная самоочистка фильтрующего элемента из-за установленных ребер, с одной стороны увеличивающих турбулентность потока фильтруемой жидкости, а с другой - уменьшающих смывающее воздействие потока на поверхность марлевой сетки. Кроме того, такая конструкция вследствие использования марлевой сетки допускает возможность лишь достаточно грубого фильтрования.
В патенте US 5,160,633 от 03.11.1992 (Frontal separator system for separating particles from beverage liquids) фильтруемая жидкость также подается на внешнюю поверхность вращающегося фильтрующего элемента. Данная установка рассчитана на фильтрацию соков. Недостатком ее является недостаточная эффективность вследствие подачи фильтруемой жидкости на поверхность фильтрующего элемента сверху. Из-за этого смывание накапливающихся на поверхности фильтрующего элемента твердых частиц происходит неэффективно и полного самоочищения фильтрующего элемента не достигается.
В патенте US 5,401,422 от 28.03.1995 (Separation method for solid constituents of a suspension and device for carrying out this method) описан метод и устройство для разделения частиц фотографической суспензии в соответствии с их массой на вращающемся фильтре. В этой конструкции подача фильтруемой жидкости происходит через патрубок, расположенный в нижней части корпуса, а выход - в верхней. Вывод фильтрата происходит через патрубок, находящийся в нижней части фильтрующего элемента. Такая конструкция повышает эффективность фильтрации, однако самоочищение фильтра при этом будет затруднено, поскольку движение жидкости снизу-вверх препятствует удалению твердых частиц от поверхности фильтрующего элемента. В рассмотренном в патенте случае это не является существенным, поскольку устройство применяется для фильтрации фотографических суспензий, содержание отфильтровываемых частиц в которых невелико, а их удельная плотность по сравнению с плотностью воды как минимум в 5 раз выше. В иных условиях, при более высоком содержании твердой фазы, такое направление движения жидкости будет приводить к быстрому засорению фильтрующего элемента.
Наиболее близким по конструкции является Европейский патент EP 1044713 A1 от 01.10.1999 (Method and device for clarifying a liquid flow containing finely divided solids), который описывает устройство, состоящее из цилиндрического корпуса, в котором вращается приводимый в движение электродвигателем пористый фильтрующий элемент, на который по касательной к его поверхности подается фильтруемая жидкость. Жидкость проходит через поры фильтрующего элемента внутрь элемента, поступает в полую выпускную трубу, проходящую по всей высоте фильтрующего элемента, двигается по ней вверх, после чего фильтрат удаляется из верхней части устройства, а накапливающийся в процессе фильтрации на поверхности фильтрующего элемента осадок, по крайней мере, частично смывается с поверхности фильтрующего элементы потоком фильтруемой жидкости.
Недостатками известного устройства являются низкая максимальная линейная скорость движения фильтрующего элемента, которая при указанном в патенте диаметре фильтрующего элемента 40 см соответствует 150 оборотам в минуту, что совершенно недостаточно для удаления накапливающихся на поверхности фильтрующего элемента твердых частиц. Именно поэтому на корпусе известного блока фильтрации устанавливаются ультразвуковые излучатели, которые должны обеспечивать стряхивание осадка с фильтрующего элемента, после чего он смывается потоком фильтруемой жидкости и выводится из фильтра. Однако и этого оказывается недостаточно, так как для регенерации фильтрующего элемента в конструкции предусмотрены многочисленные специальные моечные сопла, направленные тангенциально к внешней поверхности фильтрующего элемента и предназначенные для удаления твердых частиц струями моющей жидкости под высоким давлением. Чтобы использовать моечные сопла для регенерации фильтрующего элемента процесс фильтрации должен быть остановлен.
Еще одним недостатком указанной конструкции следует считать широкий патрубок ввода исходной дисперсии, не обеспечивающий точно направленного попадания фильтруемой жидкости по касательной к поверхности фильтрующего элемента, что резко снижает как эффективность фильтрации, так и эффективность самоочистки фильтрующего элемента. Кроме того, такое расположение и форма патрубка ввода фильтруемой жидкости создает в пространстве вокруг фильтрующего элемента встречные потоки, что значительно увеличивает гидродинамическое сопротивление установки в целом. Дополнительные возмущения и сопротивление движению потока жидкости создают имеющиеся на внутренней поверхности корпуса блока фильтрации выступы, сделанные с целью его турбулизации.
В целом предложенная в патенте конструкция оказывается сильно усложненной, хотя и рассчитанной только на осветление фильтруемой жидкости от твердых не пластичных частиц. Указанный диапазон содержания твердой фазы от 1 мг/л до 10 г/л оказывается недостаточным для очистки жидкостей с более высоким содержанием нерастворимых примесей.
Кроме того, при движении фильтрата внутри фильтрующего элемента снизу вверх возникает дополнительное сопротивление прохождению фильтрата через поры фильтрующего материала, что в свою очередь требует повышения давления фильтруемой жидкости, подаваемой в корпус фильтрующего устройства.
Общими недостатками вышеописанных средств тангенциального динамического фильтрования, среди прочих, являются:
1. Низкая самоочищаемость фильтрующего элемента, что снижает их производительность.
2. Ограниченная сфера применения описанных устройств, рассчитаных на фильтрование в первую очередь водных дисперсий, т.е. систем с невысокой вязкостью. При повышении вязкости исходных дисперсий их эффективность будет резко снижаться вследствие использования малых скоростей вращения фильтрующего элемента и низких напоров (скоростей подачи) фильтруемых жидкостей или дисперсий - перепад давлений между внешней поверхностью фильтрующего элемента и его внутренним объемом оказывается недостаточным для эффективной работы фильтра.
3. Быстрое засорение пор фильтрующего элемента при фильтровании дисперсий с пластичными или липкими частицами твердой фазы (например, планктон, частицы краски, бытовые стоки животноводческих и птицеводческих ферм, поселков и т.п.).
4. Нестабильность работы при изменении состава фильтруемой жидкости.
5. Ограниченная сфера применения в связи с использованием фильтрующих материалов с небольшим (0,2-5 мкм) размером пор.
6. Необходимость остановки и слива системы в ряде решений при проведении обратной промывки.
Кроме того, возникающий в известных устройствах перепад давлений между внешней поверхностью фильтрующего элемента и его внутренним объемом оказывается недостаточным для эффективной работы фильтра. При этом дальнейшее повышение скорости подачи фильтруемой жидкости не будет приводить к улучшению эксплуатационных показателей.
Для разделения жидких дисперсных систем с высокой составляющей твердой фазы (до 15%) известные технические решения оказываются непригодными, так как не решают таких проблем, как:
- повышение эффективной самоочистки внешней поверхности фильтрующего элемента, что особенно существенно при фильтровании сред с повышенной вязкостью, высоким содержанием твердой фазы (более 10 г/л), высокой пластичностью и/или липкостью частиц твердой фазы;
- повышение производительности устройства при работе с упомянутыми дисперсными системами;
- увеличение срока безостановочного процесса фильтрования и отдаление необходимости остановки процесса и слива содержимого установки для очистки фильтрующего элемента;
- создание возможности обратной промывки фильтрующего элемента при попадании твердых частиц внутрь пор материала;
- упрощение конструкции блока фильтрации путем отказа от ультразвуковых излучателей, дополнительных моечных сопл и проч.
Целью предлагаемой полезной модели является повышение эффективности, производительности и устойчивости работы техники для разделения жидких неоднородных дисперсных систем, а также расширение сферы их применения.
Технической задачей настоящей полезной модели является создание такой фильтрующей системы, в которой предусмотрены меры по повышению эффективности устройства фильтрования, особенно при работе с текучими средами, имеющими (а) повышенную вязкость, (в) высокую плотность и/или (с) содержащими пластичные или липкие твердые частицы, и (d) для текучих сред с высоким (более 10 г/л) содержанием твердых частиц, а также меры для упрощения очистки фильтрующего элемента.
Сущность полезной модели.
Для решения вышеназванных проблем предлагается техническое решение, охватывающее совокупность признаков, изложенных в пунктах формулы полезной модели.
Предлагаемое устройство для разделения дисперсий фильтрованием включает цилиндрический корпус, внутри которого коаксиально установлен закрепленный на приводном валу электродвигателя цилиндрический вращающийся фильтрующий элемент с перфорированной фильтрующей поверхностью и снабженный трубой с отверстиями для вывода фильтрата из внутренней камеры фильтрующего элемента, где корпус в своей верхней части через патрубок соединен с подводящей магистралью для очищаемой дисперсии, а в нижней соединен с отводящей магистралью для удаления осадка и неотфильтрованной части потока.
В предлагаемом устройстве:
- верхнее основание цилиндрического корпуса выполнено в виде верхней центрующей пластины, в центре которой через верхний кольцевой опорный элемент установлен приводной вал двигателя, на котором непосредственно закреплен вращающийся фильтрующий элемент с возможностью регулирования скорости его вращения;
- устройство дополнительно оснащено конусным блоком сбора фильтрата, отделенным от дна цилиндрического корпуса нижней центрующей пластиной;
- в дне вращающегося фильтрующего элемента установлена выводящая фильтрат труба, поддерживаемая нижним кольцевым опорным элементом, установленным по центру нижней центрующей пластины, причем противоположный конец упомянутой выводящей фильтрат трубы упирается в дисковый опорный элемент на дне блока сбора фильтрата;
- отверстия в выводящей фильтрат трубе выполнены только в пределах блока сбора фильтрата;
- патрубок ввода очищаемой дисперсии соединен с нагнетательным насосом с возможностью повышения давления;
- патрубок отвода фильтрата соединен с всасывающим насосом с возможностью понижения давления.
Фильтрующая поверхность фильтрующего элемента предлагаемого устройства выполнена из пористого или ячеистого материала с размером пор/ячеек от 0,2 мкм до 100 мкм.
Упомянутые верхний и нижний кольцевые опорные элементы, а также дисковый опорный элемент предлагаемого устройства выполнены с возможностью поддерживать вращение со скоростью до 5000 об/мин, например, в форме блока подшипников.
В оптимальном варианте предлагаемого устройства внутренняя поверхность цилиндрического корпуса выполнена со спиральными углублениями, а патрубок ввода выполнен заканчивающимся в виде вертикально расширяющегося щелевидного сопла в стенке корпуса, причем на корпусе фильтрующего устройства могут симметрично располагаться до шести таких щелевидных сопел.
Глубина упомянутых спиральных углублений не превышает 0,25% радиуса фильтрующего элемента, а высота щели щелевидного сопла патрубка ввода составляет до 10% от высоты фильтрующего элемента.
Разделение дисперсий фильтрованием с помощью предлагаемого устройства фильтрации осуществляют как в неполнопоточном, так и в полнопоточном режимах; очищаемую дисперсию подают под давлением 120-1013 кПа через одно или несколько щелевидных сопел на вращающийся с возможностью регулирования скорости в интервале 800-5000 об/мин фильтрующий элемент по касательной к его фильтрующей поверхности, причем, попадая на спиральные углубления корпуса, подаваемый поток дополнительно закручивается вокруг фильтрующего элемента навстречу направлению его вращения, двигаясь сверху вниз вместе с неотфильтрованной частью потока; при этом в зазоре между корпусом и фильтрующим элементом создают повышенное давление, а во внутренней камере фильтрующего элемента и блоке сбора фильтрата - разряжение.
При работе устройства в неполнопоточном режиме фильтрации соотношение площади сечений патрубка ввода и патрубка выпускного канала подбирают из интервала 10:1-2, причем количество неотфильтрованной части потока не превышает 10-15% объема исходной очищаемой дисперсии.
При работе устройства по настоящей полезной модели, когда целевым продуктом является максимально чистый фильтрат, устройство фильтрования устанавливают вертикально и неотфильтрованную часть потока возвращают для повторения цикла, а в варианте, когда целевым продуктом является осадок, устройство устанавливают под углом, например, 45º, облегчая спуск осадка.
Краткое описание чертежей.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена принципиальная общая схема фильтрования жидких неоднородных дисперсных систем.
На фиг. 2 представлен общий вид устройства для разделения дисперсий (блока фильтрации) по настоящей полезной модели.
На фиг. 3а иллюстрировано щелевидное сопло патрубка ввода очищаемой дисперсии и схема 3в возникающих потоков внутри корпуса по предлагаемой полезной модели.
На фиг. 4 представлен пример конструкции устройства, предназначенного для фракционирования текучих сред с повышенной вязкостью жидкой фазы и/или высоким содержанием твердой фазы.
Общая схема фильтрующей установки (Фиг.1), ключевым элементом которой является предлагаемое устройство разделения дисперсий путем тангенциального динамического фильтрования, включает емкость 1 для фильтруемой среды - очищаемой жидкости или дисперсии; нагнетательный насос 2; подводящую магистраль 3 для фильтруемой среды - очищаемой жидкости или дисперсии; патрубок ввода фильтруемой среды 4 с регулятором давления, позволяющим задавать давление внутри корпуса 17 блока фильтрации 7; выпускной канал 5 с регулируемым дросселем для регулировки сброса осадка и неотфильтрованной части потока; отводящую магистраль 6 для удаления осадка и неотфильтрованной части потока; собственно устройство для разделения дисперсий (далее - блок фильтрации) 7; блок сбора фильтрата 8; патрубок отвода фильтрата 9; отводящую магистраль для фильтрата 10; емкость для сбора осадка и неотфильтрованной части потока 11; всасывающий насос 12, установленный на магистрали, отводящей фильтрат из блока фильтрации 7, создающий разряжение внутри фильтрующего элемента; емкость для сбора фильтрата 13; электродвигатель 14 с приводом с вращения (Фиг. 3в). Патрубок 4 снабжен или соединен со средствами регулирования давления, например, регулируемым дросселем.
В нижней части корпуса 17 блока фильтрации размещен выпускной канал 5, через который удаляется нефильтрованная часть потока и образовавшийся осадок.
Выпускной канал 5 может быть снабжен регулируемым дросселем.
Верхним и нижним основаниями цилиндрического корпуса 17 блока фильтрации служат верхняя 22 и нижняя 23 центрующие пластины с уплотнительными кольцами, уплотнительными манжетами и кольцевыми опорными элементами 24, обеспечивающими плавность и равномерность вращения фильтрующего элемента, например, блоками подшипников. Центрующие пластины обеспечивают герметичность корпуса блока фильтрации и конструкционную отделенность очищаемой жидкости или дисперсии от фильтрата, а также возможность быстрого вращения фильтрующего элемента без возникновения биений.
Через уплотнительные манжеты и блок подшипников кольцевые опорные элементы 24 верхней центрующей пластины 22 внутрь корпуса 17 блока фильтрации проходит приводной вал 25, на котором закреплен цилиндрический фильтрующий элемент 18. Приводной вал 25 подсоединен к электродвигателю 14 с возможностью регулировки скорости вращения приводного вала и передает вращение на фильтрующий элемент 18.
Фильтрующий элемент 18 расположен внутри корпуса 17 блока фильтрации коаксиально ему. При этом расстояние между внутренней поверхностью корпуса блока фильтрации 17 и внешней поверхностью 19 фильтрующего элемента 18 не должно превышать 10% от радиуса фильтрующего элемента. Дном цилиндрического корпуса 17 блока фильтрации 7 служит нижняя центрующая пластина 23, на которой установлен сужающийся книзу конусный блок сбора фильтрата 8 с патрубком 9 отвода фильтрата. Через уплотнительные манжеты и кольцевой опорный элемент - блок подшипников 24 нижней центрующей пластины 23 внутрь блока сбора фильтрата 8 проходит выводящая труба 26 с отверстиями, которая подсоединена ко дну фильтрующего элемента 18. Через выводящую трубу 26 происходит отвод фильтрата из внутренней камеры 20 фильтрующего элемента 18.
В нижней части блока сбора фильтрата 8 установлен дисковый опорный элемент - блок подшипников 27, обеспечивающий центрирование выводящей трубы 26. Отверстия в выводящей трубе 26 обеспечивают гидравлическую связь фильтрата внутри камеры 20 фильтрующего элемента 18 и блока сбора фильтрата 8, несмотря на их конструкционную автономность.
Работа устройства.
Очищаемую жидкость (дисперсию) нагнетательным насосом 2 по подводящим магистралям 3 под давлением, которое можно регулировать в диапазоне от 120 до 1013 кПа подают к расположенным в верхней части цилиндрического корпуса 17 блока фильтрации одному или нескольким патрубкам ввода 4, заканчивающимся щелевидными соплами 28 в корпусе блока фильтрации. Проходящая через один или несколько патрубков 4 очищаемая жидкость или дисперсия под давлением попадает на расположенный внутри корпуса блока фильтрации 17 коаксиально ему вращающийся фильтрующий элемент 18 и по касательной к его фильтрующей поверхности 19. Кроме того, проходя через щелевидные сопла 28 патрубков ввода 4 и попадая на спиральные углубления 21 на внутренней поверхности корпуса блока фильтрации 17, подаваемый поток закручивается вокруг фильтрующего элемента 18 навстречу направлению его вращения, что дополнительно обеспечивает равномерность попадания очищаемой жидкости на всю внешнюю поверхность 19 фильтрующего элемента и - главное - эффективное смывание осадка с поверхности 19 фильтрующего элемента.
Фильтрующий элемент 18 приводится во вращение расположенным над блоком фильтрации 7 электродвигателем 14, обеспечивающим скорость вращения от 800 до 5000 оборотов в минуту и возможность регулировки скорости вращения, через механически связанный с ним приводной вал 25, входящий внутрь корпуса 17 блока фильтрации через верхнюю центрующую пластину 22. Для обеспечения герметичности блока фильтрации 7 в зоне соединения с корпусом 17 верхняя центрующая пластина 22 имеет уплотнительное кольцо, а в зоне прохождения приводного вала 25 - уплотнительные манжеты (отдельными позициями не отмечены), расположенные сверху и снизу кольцевого опорного элемента в виде блока подшипников 24, обеспечивающего плавность вращения приводного вала 25.
Очищаемая жидкость или дисперсия, попавшая на фильтрующую поверхность 19 фильтрующего элемента 18 под действием избыточного давления, создаваемого в корпусе 17 блока фильтрации нагнетательным насосом 2, и дополнительного разряжения от 50 до 10 кПа, создаваемым внутри камеры 20 фильтрующего элемента 18 всасывающим насосом 12, расположенным на отводящей магистрали 10 для фильтрата, проходит через пористую/ячеистую поверхность 19 фильтрующего материала во внутреннюю камеру 20 фильтрующего элемента 18, при этом твердые частицы фильтруемой дисперсии задерживаются на внешней поверхности 19 фильтрующего элемента 18 и смываются с нее потоком очищаемой дисперсии, направленным по касательной к ней, а также отрываются и отбрасываются от нее за счет действия центробежных сил, возникающих при указанных скоростях вращения фильтрующего элемента 18. Под действием центробежных сил укрупненные частицы осадка собираются у стенок корпуса 17 блока фильтрации и вместе с потоком очищаемой дисперсии направляются в нижнюю часть блока фильтрации, откуда через выпускной канал 5 вместе с неотфильтрованной частью потока выводятся из корпуса 17 блока фильтрации 7. Движение жидкости сверху вниз происходит естественным путем за счет вывода части неотфильтрованной жидкости (порядка 15% от общего объема подаваемой жидкости) и осадка. При этом соотношение площади сечений впускных (4) и выпускного (5) патрубков должно быть в диапазоне от 10:1 до 10:2, а количество неотфильтрованной дисперсии (поток В, Фиг.2) составляет не более 10-15% объема исходной очищаемой дисперсии (поток А).
Фильтрат, собирающийся во внутренней камере 20 фильтрующего элемента 18 удаляется из него через выводящую трубу 26, механически закрепленную в дне цилиндрического фильтрующего элемента 18 и гидравлически связанную с блоком 8 сбора фильтрата. Выводящая фильтрат труба 26 проходит через нижнюю центрующую пластину 23, снабженную, как и верхняя центрующая пластина 22, уплотнительным кольцом, уплотнительными манжетами и кольцевым опорным элементом в виде блока подшипников 24, благодаря чему блок 8 сбора фильтрата конструкционно отделен от объема с фильтруемой дисперсией, но связан с ним гидравлически. Через отверстия в выводящей трубе 26 фильтрат поступает в блок сбора фильтрата 8, откуда через патрубок отвода фильтрата 9 попадает в магистраль 10 отвода фильтрата и, пройдя всасывающий насос 12, направляется во внешнюю емкость 13 для сбора фильтрата. В нижней части блока сбора фильтрата 8 выводящая труба 26 упирается в дисковый опорный блок подшипников 27, обеспечивающий устойчивость, центрирование и плавность вращения выводящей трубы 26.
При увеличении скорости вращения фильтрующего элемента до указанного интервала, как оказалось, происходит в 3-5 раз более тонкая очистка, чем можно предположить, исходя из размеров пор фильтрующей поверхности.
При использовании блока фильтрации в режиме неполнопоточного фильтра, как указано выше, соотношение площади сечений впускных и выпускного патрубков подбирают из интервала от 10:1 до 10:2, причем количество неотфильтрованной дисперсии не превышает 10-15% объема исходной очищаемой дисперсии (поток А).
При использовании устройства в режиме полнопоточного фильтра выпускной патрубок полностью перекрывается и открывается периодически для залпового сброса осадка. При этом весь поток фильтруемой жидкости или дисперсии направляется через фильтрующий элемент.
о
Когда целевым продуктом работы установки является осадок, блок фильтрации устанавливают под углом, например, 45 к горизонтальной поверхности, на которой монтируется установка (Фиг. 4), облегчая спуск осадка вертикально вниз. Тогда как в целях отделения максимально чистого фильтрата установку располагают вертикально (Фиг. 2).
Варианты осуществления полезной модели.
Ниже приведены варианты осуществления полезной модели, которые являются иллюстрирующими настоящую полезную модель, но не ограничивающими объем ее охраны.
Пример 1. Очистка бытовых сточных вод.
3
2
3
3
Исходная дисперсия, представляющая собой сточные воды коттеджного поселка, содержащая 1800 мг/дм (1,8 г/л) взвешенных частиц, подавалась через входной патрубок под давлением 152 кПа внутрь корпуса блока фильтрации на вращающийся со скоростью 1500 оборотов в минуту цилиндрический фильтрующий элемент диаметром 0,15 метра и площадью фильтрующей поверхности 0,19 м. Размер фильтрующих ячеек составлял 30х30 мкм, живое сечение сетки 75%. Для улучшения работы установки внутри фильтрующего элемента дополнительно создавалось разряжение равное 70 кПа. Производительность установки по фильтрату составила 4,0 м/час, количество взвешенных частиц в фильтрате после фильтрации не превышало 80 мг/дм (0,08 г/л). Таким образом, степень очистки воды составила более 95,5%.
Пример 2. Фракционирование каолиновых глин.
2
3
Суспензия каолиновой глины с твердыми примесями в воде с соотношением твердой фазы и воды 25:75, подавалась через входной патрубок под давлением 172 кПа внутрь корпуса блока фильтрации фильтровальной установки на вращающийся со скоростью 1500 оборотов в минуту цилиндрический фильтрующий элемент диаметром 0,15 метра и площадью фильтрующей поверхности 0,19 м. Размер ячеек фильтрующего материала (сетки из нержавеющей стали) составлял 26х26 мкм, живое сечение сетки 70%. Для улучшения работы установки внутри фильтрующего элемента дополнительно создавалось разряжение равное 50 кПа. Для снижения гидравлического сопротивления фильтра через патрубок отвода осадка отводилось около 10% исходной суспензии. В результате фильтрации из каолиновых глин были полностью удалены частицы песка и другие твердые частицы размером более 20 мкм, при этом потери целевого вещества составили не более 0,25%. Резко повысилась однородность и пластичность конечного продукта. Производительность установки по фильтрату составила 3,0 м/час.
Пример 3. Очистка речной воды от водорослей.
3
2
3
3
Речная вода со средним значением содержания биомассы водорослей 6 кг/м (6 г/л), что соответствует содержанию водорослей в местах их скопления в период цветения водоема, подавалась через входной патрубок под давлением 250 кПа внутрь корпуса блока фильтрации фильтрующей установки на вращающийся со скоростью 1500 оборотов в минуту цилиндрический фильтрующий элемент диаметром 0,15 метра и площадью фильтрующей поверхности 0,19 м. Диаметр пор фильтрующего материала составлял 5 мкм, пористость фильтрующего материала 75%. Для улучшения работы установки внутри фильтрующего элемента дополнительно создавалось разряжение равное 30,4 кПа. Примерно 15% очищаемой воды с образовавшимся в результате фильтрации осадком сбрасывалось в емкость для сбора осадка. В результате фильтрации из воды было удалено практически 100% водорослей, а их содержание в фильтрате составило 1,25 г/м (0,00125 г/л). Производительность установки по фильтрату составила 2,5 м/час.
Пример 4. Очистка воды бассейнов от сине-зеленых водорослей (цианопрокариотов).
3
2
3
Вода из плавательного бассейна с содержанием биомассы сине-зеленых водорослей 8 мг/дм(0,008 г/л) подавалась через входной патрубок под давлением 304 кПа внутрь корпуса блока фильтрации фильтрующей установки на вращающийся со скоростью 2000 оборотов в минуту цилиндрический фильтрующий элемент диаметром 0,15 метра и площадью фильтрующей поверхности 0,19 м. Диаметр пор фильтрующего материала составлял 1 мкм, пористость фильтрующего материала 60%. Для улучшения работы установки внутри фильтрующего элемента дополнительно создавалось разряжение, равное 50,66 кПа. В связи с низким содержанием сине-зеленых водорослей в воде фильтр использовался в полнопоточном режиме - сброс отфильтрованного осадка производится залпово 1 раз в час. Так как средний размер сине-зеленой водоросли составляет 3-5 мкм, после прохождения воды через фильтр сине-зеленые водоросли в фильтрате обнаружены не были. Контроль наличия водорослей в фильтрате проводился микроскопически. Производительность установки составила 2,5 м/час.
Пример 5. Извлечение планктона из воды водоемов.
3
2
о
3
Речная вода со средним значением содержания биомассы водорослей 6 кг/м (6 г/л), что соответствует содержанию водорослей в местах их скопления в период цветения водоема, подавалась через входной патрубок под давлением 250 кПа внутрь корпуса фильтрующей установки на вращающийся со скоростью 1500 оборотов в минуту цилиндрический фильтрующий элемент диаметром 0,15 метра и площадью фильтрующей поверхности 0,19 м. Диаметр пор фильтрующего материала составлял 2 мкм, пористость фильтрующего материала 70%. Для улучшения работы установки внутри фильтрующего элемента дополнительно создавалось разряжение равное 30,4 кПа. В связи с необходимостью удаления большого количества осадка блок фильтрации располагался под углом 45 к горизонтальной поверхности, на которой была смонтирована установка (Фиг.4), так что патрубок отвода осадка был направлен вниз. Для равномерности удаления осадка и снижения гидравлического сопротивления в установке в емкость для сбора осадка из фильтра вместе с осадком отводилось примерно 5% фильтруемой жидкости. Так как средний размер водорослей составляет от 2 до 20 мкм, в результате фильтрации из воды было удалено практически 100% водорослей, а их содержание в фильтрате составило 1,25 г/м (0,00125 г/л). Производительность установки составила 12 кг водорослей в час по сухому продукту.
Предлагаемое техническое решение позволяет комбинировать режим неполнопоточного фильтра и полнопоточного фильтра в зависимости от поставленных задач, что даёт возможность повысить качество очищаемой жидкости и существенно расширить сферу применения подобных фильтровальных устройств.
А именно, предлагаемое решение отличают следующие преимущества:
1. Обеспечивается оптимальное соотношение касательной и нормальной компонент скорости жидкости и взвешенных в ней частиц вдоль всей поверхности фильтрующего элемента.
2. Высокая скорость вращения фильтрующего элемента (от 800 до 5000 оборотов в минуту), обеспечивающая эффективную очистку поверхности фильтрующего элемента от накапливающихся на его поверхности твердых частиц за счет совокупного действия центробежных сил и тангенциального движения фильтруемой жидкости относительно фильтрующей поверхности позволяет уменьшить непроизводительный сброс жидкости при работе фильтрующей установки в режиме неполнопоточного фильтра в 2-3 раза, и минимизировать или избежать засорения ячеек/пор фильтрующего элемента.
3. При этом скорость вращения фильтрующего элемента существенно выше (по крайней мере, в 5-33 раза) указанной в известном устройстве, что способствует повышению тонкости фильтрации, и позволяет использовать фильтрующие элементы с большим размером поры/ячейки, что в свою очередь способствует повышению эффективности и производительности устройства. Возможность использования фильтрующих материалов с размером пор/ячеек от 100 до 0,2 мкм существенно расширяет сферу применения устройства.
4. Фильтруемая среда подается на поверхность фильтрующего элемента под регулируемым давлением от 120 до 1013 кПа. Подача очищаемой дисперсии под давлением в корпус блока фильтрации с одновременным обеспечением разряжения (от 50 до 10 кПа) во внутренней камере фильтрующего элемента обеспечивает стабильную работу устройства при изменении состава фильтруемой жидкости. Кроме того, такая конструкция позволяет регулировать необходимый перепад давлений между внешней поверхностью фильтрующего элемента и его внутренней камерой, что повышает эксплуатационный характеристики устройства и позволяет очищать жидкости с высоким (до 15%) содержанием твердых частиц.
Сочетание высокой скорости вращения фильтрующего элемента, избыточного давления фильтруемой дисперсии, создаваемого на поверхности фильтрующего элемента, и обеспечение незначительного разряжения во внутреннем объеме фильтрующего элемента позволяют использовать предлагаемые устройства для фильтрования дисперсий с повышенной вязкостью жидкой фазы.
5. Подача фильтруемой жидкости, по крайней мере, через одно узкое вертикальное отверстие в корпусе фильтра, позволяет достичь более точно направленного попадания потока очищаемой дисперсии по касательной к поверхности фильтрующего элемента, что также способствует эффективному смыванию накапливающегося осадка и обеспечивает высокую самоочищаемость фильтрующего элемента. Высокая самоочищаемость фильтрующего элемента также значительно увеличивает интервалы безостановочной работы устройства и существенно снижает потери, возникающие при сливе фильтровальной установки для проведения обратной промывки или замены фильтрующего элемента.
6. Выполненные для повышения эффективности очистки фильтрующего элемента потоком жидкости на внутренней поверхности корпуса фильтра спиральные углубления создают направленное движение фильтруемой жидкости вокруг фильтрующего элемента сверху вниз навстречу направлению вращения фильтрующего элемента, что обеспечивает равномерное поступление фильтруемой среды ко всей поверхности фильтрующего элемента и эффективное смывание осадка с нее.
о
7. Для повышения эффективности работы установки отбор очищенной жидкости (фильтрата) осуществляется из нижней части фильтрующего элемента (в известном устройстве фильтрат движется снизу-вверх), что позволяет упростить конструкцию блока фильтрации (удаляется сквозная фильтровальная труба) и снизить напор очищаемой жидкости, необходимый для движения фильтрата снизу-вверх. Для улучшения отвода больших количеств осадка, собирающихся в нижней части емкости фильтра при очистке сильно загрязненных жидкостей и при использовании устройства для концентрирования твердой фазы, предусмотрено размещение блока фильтрации под углом, например, 45 к горизонтальной поверхности.
8. При использовании устройства в режиме неполнопоточного фильтра оптимальное соотношение площади сечений впускных и выпускного патрубков и оптимальное соотношение количества неотфильтрованной дисперсии с объемом исходной очищаемой дисперсии обеспечивает существенное повышение производительности установки, снижение гидродинамического сопротивления и повышение тонкости фильтрации. Благодаря возможности использования устройства в неполнопоточном режиме и высокой самоочищаемости фильтрующего элемента обеспечивается эффективное фильтрование дисперсий с пластичными и/или липкими частицами твердой фазы.
При использовании устройства в режиме полнопоточного фильтра практически весь поток фильтруемой жидкости направляется через фильтрующий элемент, что позволяет максимально полно извлекать фильтрат.
9. В связи с высокой самоочищаемостью фильтрующего элемента в конструкции нет необходимости использовать ультразвуковые излучатели, специальные очищающие устройства.
10. В отличие от известных устройств предлагаемая конструкция обеспечивает реальную обратную промывку пор/ячеек фильтрующего материала от попавших в них твердых частиц потоком жидкости, направленным из внутренней камеры фильтрующего элемента в зазор между корпусом блока фильтрации и внешней фильтрующей поверхностью фильтрующего элемента.
При возникновении необходимости очистки фильтрующего элемента она осуществляется его обратной промывкой путем подачи под давлением внутрь фильтрующего элемента промывной жидкости или фильтрата, что обеспечивает полную регенерацию фильтрующего элемента, в отличие от внешней промывки.
Промышленная применимость.
Предлагаемое техническое решение может найти применение как в области сельского хозяйства, так и в других промышленных областях, где только есть необходимость в отделении неоднородных дисперсных включений.
Главным образом, подобные устройства могут быть использованы для очистки воды из природных источников - рек, озер, артезианских скважин, сточных и технологических вод, масел и других жидкостей; а также шламовых отложений и других материалов, содержащих дисперсные примеси, для удаления механических загрязнений из рабочих жидкостей, для обработки коммунальных сточных вод, воды плавательных бассейнов, а также в непрерывных технологиях осушения и промывки в химической, горной, металлургической и пищевой отраслях промышленности.
Полезная модель может быть использована для гомогенизации (выравнивания по размеру частиц) компонентного состава суспензий (через фильтрующий элемент проходят только частицы менее заданного значения), например, коалиновых глин, красок и т.п., и концентрирования (удаления из фильтруемой системы излишней жидкости, например, водорослей, других органических остатков и проч.) для дальнейшего получения биотоплива и т.п.
Отдельно следует оговорить очистку воды от водорослей (это направление актуально для водозаборов промышленных предприятий и электростанций, при водоснабжении населенных пунктов), включая очистку воды бассейнов, и водоподготовку из различных источников воды в случае катастроф (землетрясения, наводнения и т.п.), при которых происходит нарушение/разрушение систем центрального водоснабжения.
Список позиций элементов установки и предлагаемого устройства для разделения дисперсий путем фильтрования (блока фильтрации):
1 - емкость для очищаемой дисперсии;
2 - нагнетательный насос;
3 - подводящая магистраль для очищаемой дисперсии;
4 - патрубок ввода с регулятором давления;
5 - выпускной канал с регулируемым дросселем;
6 - отводящая магистраль для удаления осадка и неотфильтрованной части потока;
7 - устройство для разделения дисперсий фильтрованием (блок фильтрации);
8 - блок сбора фильтрата;
9 - патрубок отвода фильтрата;
10 - отводящая магистраль для фильтрата;
11 - емкость для сбора осадка и неотфильтрованной части потока;
12 - всасывающий насос;
13 - емкость для сбора фильтрата;
14 - электродвигатель;
15 - байпас;
16 - емкость для жидкости, используемой для обратной промывки фильтрующего элемента;
17 - корпус устройства фильтрования (блока фильтрации);
18 - фильтрующий элемент;
19 - фильтрующая поверхность фильтрующего элемента;
20 - внутренняя камера фильтрующего элемента;
21 - спиральные углубления на внутренней поверхности корпуса устройства;
22 - верхняя центрующая пластина;
23 - нижняя центрующая пластина;
24 - кольцевой опорный элемент центрующей пластины - блок подшипников;
25 - приводной вал;
26 - выводящая фильтрат труба;
27 - дисковой опорный элемент в виде блока подшипников;
28 - щелевидное сопло патрубка ввода.