ФИЛЬТР, РАБОТАЮЩИЙ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
FILTER OPERATED UNDER PRESSURE

Изобретение относится к устройствам для очистки газообразных и жидких сред и их смесей от твердых примесей методом фильтрования под давлением и может быть использовано на технологических установках нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, нефтяной, газовой и других отраслей промышленности.
Известны фильтр-прессы, состоящие из множества плотно прижатых друг к другу конструкционных элементов в форме плит и рам, между которыми расположены фильтрующие перегородки. (А.Г. Касаткин Основные процессы и аппараты химической технологии. Издательство АльянС, Москва, 2008, стр.200-201.) К недостаткам фильтр-прессов относятся:
1) сложная конструкция с подвижными изнашиваемыми деталями;
2) возможные утечки продукта;
3) необходимость автоматизации процесса по каждой зоне фильтрования с целью контроля за изменением давления, неконтролируемый рост которого может привести к разрушению фильтрующих перегородок и деталей конструкции - плит и рам;
4) невозможность фильтрования при высоких давлениях, необходимых по условиям технологического процесса, из-за ограничения конструкции по допустимой механической прочности;
5) необходимость разборки аппарата при выгрузке осадка с последующей его сборкой, что требует больших затрат ручного труда.
Известны листовые фильтры, работающие под давлением, состоящие из корпуса, множества фильтрующих рам, установленных в корпусе на небольшом расстоянии одна от другой и присоединенных к внутреннему коллектору. (А.Г. Касаткин Основные процессы и аппараты химической технологии. Издательство АльянС, Москва, 2008, стр.202.) К недостаткам этих фильтров относятся:
1) сложная конструкция присоединения рам к внутреннему коллектору;
2) необходимость перемешивания среды для предотвращения осаждения твердых частиц, вызываемого неравномерным распределением потока среды между фильтрующими элементами и корпусом, которое возрастает с увеличением диаметра и высоты аппарата.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению относится фильтр, работающий под давлением, состоящий из цилиндрического корпуса, расположенного горизонтально, фланца, съемной крышки, патрубка, подводящего загрязненную среду, патрубка, отводящего очищенную среду, фильтрующего элемента, выполненного из множества неподвижных пористых, проницаемых перегородок, расположенных вертикально в корпусе. (Патент US 2165931 B01D, 11.07.1939 г.).
К недостаткам прототипа относятся:
1) нерациональное использование объема аппарата на создание кольцевого канала между корпусом и фильтрующими элементами, необходимого для подвода загрязненной среды к каждой стороне проницаемых полых дисков, в результате зона подачи загрязненной среды составляет около 81,8% объема корпуса и только 18,2% объема корпуса приходится на фильтрующие элементы, формирующие зону фильтрования (по патентным данным);
2) распределительная решетка является лишней деталью конструкции, так как ее применение с целью равномерного распределения потока загрязненной среды при его низкой скорости неэффективно;
3) подача промывной жидкости через маленькие отверстия в центральной трубе приводит к значительным местным сопротивлениям, снижающих напор промывной жидкости и ухудшающих условия регенерации фильтрующих элементов.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в реализации фильтра, работающего под давлением, с увеличенной площадью фильтрования и равномерным распределением потоков среды и промывочной жидкости за счет существенного изменения конструкции и формы фильтрующих элементов, связей между элементами и их эффективного размещения в объеме аппарата.
Данная задача решается за счет того, что в фильтре, работающем под давлением, состоящем из корпуса, расположенного горизонтально, фланца, съемной крышки, патрубка, подводящего загрязненную среду, патрубка, отводящего очищенную среду, фильтрующего элемента, состоящего из множества неподвижных пористых, проницаемых перегородок, расположенных вертикально внутри корпуса, множество пористых проницаемых перегородок, начиная с первой, расположенной у фланца корпуса, и продолжая до последней, расположенной у днища корпуса, двумя противоположными сторонами, повторяющими форму корпуса, присоединены к внутренней поверхности корпуса, а другими двумя противоположными горизонтальными сторонами отделены друг от друга чередующимися непроницаемыми пластинами, в нижней и верхней части корпуса имеются нижний и верхний каналы между стенкой корпуса и сопряженными с ним непроницаемыми пластинами, при этом площади сечений в вертикальных плоскостях нижнего и верхнего каналов равны между собой или выполнены переменными, съемная крышка разделена перегородкой на камеру ввода загрязненной среды и камеру вывода очищенной среды.
Выполнение множества пористых проницаемых перегородок, присоединенных к внутренней поверхности корпуса двумя противоположными сторонами, а двумя другими горизонтальными сторонами, отделенными друг от друга непроницаемыми пластинами, делит внутреннее пространство корпуса на две равные части, через которые обеспечиваются на стадии фильтрования подача и равномерное распределение загрязненной среды по поверхности фильтрования пористых проницаемых перегородок, а на стадии регенерации пористых проницаемых перегородок - подача промывочной жидкости с противоположной стороны перегородок и отвод промывочной жидкости со смытым осадком.
Подача и отвод потоков загрязненной среды и промывочной жидкости через нижний и верхний каналы уменьшают нерационально используемый объем корпуса с позиции основного процесса фильтрования и увеличивают долю объема корпуса, приходящегося на фильтрующие элементы, формирующие зону фильтрования, до 35,6%, то есть почти в двое больше, чем в прототипе.
Равенство площадей сечений нижнего и верхнего каналов обеспечивает равенство гидродинамических условий при движении потоков как в режиме фильтрования, так и в режиме обратной промывки пористых проницаемых перегородок, работу пористых проницаемых перегородок при одинаковом перепаде давления на обоих режимах, что предохраняет пористые проницаемые перегородки от возможных гидравлических ударов и механического разрушения.
В связи с тем, что объем загрязненной среды постепенно уменьшается по мере продвижения к днищу по нижнему каналу, а объем очищенной среды, наоборот, по мере продвижения от днища к крышке по верхнему каналу увеличивается, то подбор площади сечений нижнего и верхнего каналов и выбор формы корпуса проводится с учетом изменения объема соответствующего потока.
Разделение съемной крышки перегородкой на камеру ввода загрязненной среды и на камеру вывода очищенной среды делает фильтр независимым от диаметра трубопроводов обвязки фильтра и позволяет создать высокопроизводительный фильтр из двух или более корпусов.
Полезно к пористым проницаемым перегородкам и к верхним непроницаемым пластинам со стороны ввода загрязненной среды присоединять вертикально расположенные направляющие пластины. Эти пластины обеспечивают улучшение распределения загрязненной среды на входе в зону фильтрования и выравнивание локальной производительности пористых проницаемых перегородок на различных участках их поверхности.
Целесообразно также вертикально расположенные направляющие пластины, присоединенные к пористым проницаемым перегородкам и к верхним непроницаемым пластинам со стороны ввода загрязненной среды выполнять перфорированными для обеспечения равномерного распределения загрязненной среды по всей поверхности пористой проницаемой перегородки, а также с целью дополнительного выравнивания локальной производительности пористых проницаемых перегородок на различных участках их поверхности.
Рекомендуется также к пористым проницаемым перегородкам со стороны ввода загрязненной среды присоединять в шахматном порядке горизонтально расположенные направляющие пластины, которые обеспечивают турбулизацию потока загрязненной среды, ее перемешивание и препятствуют осаждению примесей внутри аппарата.
Целесообразно горизонтально расположенные направляющие пластины, присоединенные к пористым проницаемым перегородкам со стороны ввода загрязненной среды, выполнять перфорированными для интенсификации процесса турбулизации потока загрязненной среды.
Полезно к пористым проницаемым перегородкам и к нижним непроницаемым пластинам со стороны вывода очищенной среды присоединять вертикально расположенные направляющие пластины, которые на стадии обратной промывки обеспечивают равномерное поступление промывочной жидкости на поверхность пористой проницаемой перегородки со стороны вывода очищенной среды, что позволяет синхронизировать удаление осадка со всей поверхности пористой проницаемой перегородки, сократив продолжительность стадии промывки и расход промывочной жидкости, и увеличить интегральную производительность фильтра.
Целесообразно также вертикально расположенные направляющие пластины, присоединенные к пористым проницаемым перегородкам со стороны вывода очищенной среды, выполнять перфорированными для обеспечения равномерного распределения промывочной жидкости по всей площади внутренней поверхности пористой проницаемой перегородки.
Полезно к пористым проницаемым перегородкам со стороны вывода очищенной среды присоединять в шахматном порядке горизонтально расположенные направляющие пластины, которые обеспечивают турбулизацию потока промывочной жидкости, ее перемешивание и промывку пористых проницаемых перегородок.
Рекомендуется горизонтально расположенные направляющие пластины, присоединенные к пористым проницаемым перегородкам со стороны вывода очищенной среды, выполнять перфорированными для интенсификации процесса турбулизации потока промывочной жидкости и устранения формирования застойных зон за горизонтально расположенными направляющими пластинами.
Для увеличения производительности фильтрования целесообразно два или более фильтра присоединять фланцами корпуса к съемной крышке, тем самым отпадает необходимость в запорно-регулирующей арматуре и трубопроводной обвязке для каждого аппарата.
Изменение формы фильтрующего элемента в заявляемом изобретении по сравнению с прототипом при сохранении расстояний между ними позволяет при прочих равных условиях увеличить площадь фильтрации в 1,2 раза.
Достигаемый технический результат заключается в повышении производительности фильтра, работающего под давлением, за счет увеличения площади фильтрования, рационального использования объема корпуса, изменения конструкции и формы фильтрующих элементов, связей между элементами, кроме этого применение направляющих пластин позволяет равномерно распределить потоки как загрязненной и очищенной среды, так и промывочной жидкости, тем самым обеспечив в режиме фильтрования равномерное отложение осадка на поверхности фильтрующих элементов и, соответственно, в режиме обратной промывки смыв осадка промывочной жидкостью без разборки фильтра.
Изобретение поясняется фигурами 1-16:
на фиг.1 изображен фильтр известного уровня техники (прототип);
на фиг.2 изображен фильтрующий элемент фильтра известного уровня техники (прототип) (сечение А-А на фиг.1);
на фиг.3 изображен фильтр по заявляемому изобретению;
на фиг.4 изображен фильтрующий элемент фильтра по заявляемому изобретению (сечение А-А на фиг.3);
на фиг.5 изображен фильтр по заявляемому изобретению с вертикальными пластинами со стороны входа загрязненной среды и со стороны выхода очищенной среды;
на фиг.6 изображены вертикальные пластины фильтра по заявляемому изобретению со стороны входа загрязненной среды (сечение В-В на фиг.5);
на фиг.7 изображены вертикальные пластины фильтра по заявляемому изобретению со стороны выхода очищенной среды (сечение С-С на фиг.5);
на фиг.8 изображена перфорированная вертикальная пластина фильтра по заявляемому изобретению;
на фиг.9 изображены горизонтальные пластины фильтра по заявляемому изобретению со стороны выхода очищенной среды (сечение С-С на фиг.5) с потоком промывочной жидкости;
на фиг.10 изображена перфорированная горизонтальная пластина фильтра по заявляемому изобретению;
на фиг.11 изображен фильтрующий элемент фильтра по заявляемому изобретению с корпусом в виде призмы, в основании которой лежит правильный четырехугольник (сечение А-А на фиг.3);
на фиг.12 изображен фильтр по заявляемому изобретению с переменным сечением нижнего и верхнего каналов;
на фиг.13 изображен фильтр по заявляемому изобретению с корпусом в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды, в основании которой лежат правильный четырехугольник;
на фиг.14 изображен фильтр по заявляемому изобретению с двумя корпусами, присоединенными к съемной крышке;
на фиг.15 изображен фильтр по заявляемому изобретению с тремя корпусами, присоединенными к съемной крышке (вид сверху);
на фиг.16 изображен фильтр по заявляемому изобретению с четырьмя корпусами, присоединенными к съемной крышке (вид сверху).
На фигурах 1-16: 1 - корпус, 2 - фланец корпуса, 3 - съемная крышка, 4 - днище, 5 - патрубок, подводящий загрязненную среду, 6 - патрубок, отводящий очищенную среду, 7 - центральная труба, 8 - распределительная решетка, 9 - фильтрующий элемент из проницаемых полых дисков, 10 - кольцевой зазор для движения загрязненной среды, 11 - пористая проницаемая перегородка, состоящая из прямоугольника (14) и сегментов (15), 12 - нижняя непроницаемая пластина, 13 - верхняя непроницаемая пластина, 16 - вертикальная направляющая пластина для загрязненной среды, 17 - вертикальная направляющая пластина для очищенной среды или промывочной жидкости, 18 - горизонтальная распределительная пластина, 19 - перегородка, 20 - фильтрующий элемент, 21 - камера ввода загрязненной среды, 22 - камера вывода очищенной среды.
Согласно фигурам 1 и 2 фильтр по прототипу состоит из цилиндрического корпуса 1, к которому с помощью фланца 2 присоединяется съемная крышка 3, а с противоположной стороны днище 4, патрубка 5, подводящего загрязненную среду, патрубка 6, отводящего очищенную среду, центральной трубы 7, на которой установлены распределительная решетка 8, фильтрующие элементы в виде пористых полых дисков 9 образуют вместе с внутренней стенкой корпуса кольцевой зазор 10 для движения загрязненной среды.
Согласно фигурам 3-9 фильтр, работающий под давлением, состоит из цилиндрического корпуса 1, к которому с помощью фланца 2 присоединяется съемная крышка 3, а с противоположной стороны днище 4, патрубками, подводящим загрязненную 5 и отводящим очищенную среду 6, фильтрующего элемента, герметично присоединенного к корпусу и состоящего из вертикально расположенных пористых проницаемых перегородок 11 и горизонтально расположенных непроницаемых пластин нижних 12 и верхних 13, соответственно.
При сравнении фигур 1 и 3 видно, что изменение конструкции и связей элементов позволяет при одинаковой длине корпуса фильтра, начиная от фланца корпуса и заканчивая днищем, разместить в предлагаемом изобретении большее количество фильтрующих элементов по сравнению с прототипом. Сравнение фильтрующего элемента предлагаемого изобретения, состоящего из вписанного в окружность прямоугольника 14 и двух сегментов 15 и с фильтрующим элементом прототипа в виде кольца, представленных, соответственно, на фигурах 4 и 2, подтверждает, что при одинаковом диаметре корпуса фильтра предлагаемое изменение формы элемента позволяет увеличить его площадь по сравнению с прототипом.
В варианте исполнения, показанным на фигуре 5 и 6, к пористым проницаемым перегородкам 11 и верхним пластинам 13 крепятся вертикальные направляющие пластины для загрязненной среды 16. В другом варианте, изображенном на фигуре 5 и 7, к пористым проницаемым перегородкам 11 и нижним пластинам 12 крепятся вертикальные направляющие пластины для очищенной среды 17. Еще в одном варианте согласно фигуре 9 к пористым проницаемым перегородкам 11 со стороны вывода очищенной среды крепятся горизонтальные распределительные пластины 18 для распределения промывочной жидкости. Также горизонтальные распределительные пластины 18 можно применять и для распределения загрязненной среды на входе в зону фильтрации. Как показано на фигурах 8 и 10 вертикальные направляющие пластины и горизонтальные распределительные пластины могут быть перфорированными, при этом форма отверстий, их количество и расположение на поверхности детали может быть разнообразным. На фигурах 8 и 10 показан один из вариантов перфорации пластин.
Применение вертикальных направляющих пластин или горизонтальных распределительных пластин, форма отверстий, их количество и расположение на поверхности детали согласно изобретению определяется в зависимости от степени загрязнения очищаемой среды, вида загрязнений и производительности.
В варианте исполнения, показанном на фигуре 5 и 11, корпус фильтра выполнен в виде призмы, в основании которой лежит правильный четырехугольник. В другом варианте исполнения, изображенном на фигуре 12, заявляемый фильтр имеет нижний и верхний каналы переменного сечения, площади сечений этих каналов подбираются с учетом изменения объема проходящего потока и регулируются высотой пористых проницаемых перегородок. В следующем варианте, изображенном на фигуре 13, предлагается фильтр с переменным сечением нижнего и верхнего каналов, площади сечений этих каналов подбираются также с учетом изменения объема проходящего потока, но регулируются за счет применения корпуса, выполненного в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды, в основании которой лежит правильный четырехугольник.
В варианте исполнения, показанным на фигуре 14, для увеличения производительности два корпуса 1 фильтра с предлагаемым фильтрующим элементом 20 с помощью фланцев 2 присоединяются к съемной крышке 3, которая перегородкой 19 делится на камеру ввода загрязненной среды 21, камеру вывода очищенной среды 22, необходимыми для раздельной подачи среды в каждый корпус, и патрубками, ввода загрязненной среды 5 и отвода очищенной среды 6.
В другом варианте, изображенном на фигуре 15, к съемной крышке 3 присоединены три корпуса 1 фильтра.
Еще в одном варианте согласно фигуре 16 к съемной крышке 3 присоединены четыре корпуса 1 фильтра.
Фильтр, работающий под давлением, используется следующим образом.
Загрязненная среда по патрубку 5, смонтированному в съемной крышке 3, поступает в нижнюю часть корпуса 1 и движется по нижнему горизонтальному каналу. Загрязненная среда равномерно распределяется по всей длине корпуса 1. Фильтрующий элемент 20 герметично присоединен к корпусу 1 и состоит из вертикально расположенных пористых проницаемых перегородок 11 и горизонтальных нижних 12 и верхних непроницаемых пластин 13. Загрязненная среда, обходя нижние горизонтальные непроницаемые пластины 12, поступает в открытую полость, образованную между двумя соседними вертикальными пористыми, проницаемыми перегородками 11, стенками корпуса 1 и верхними горизонтальными непроницаемыми пластинами 13. Среда за счет вертикальных 16 (или горизонтальных 18) направляющих пластин равномерно распределяется по всей поверхности фильтрующей перегородки и проникает через пористые, проницаемые перегородки 11, очищаясь от твердых примесей. Такая конструкция равномерно направляет потоки загрязненной среды во все открытые снизу полости, образованные вышеописанными элементами по всей длине корпуса 1, начиная от корпусного фланца 2 для присоединения крышки 3 и до днища 4. Затем очищенная среда поступает в верхний горизонтальный канал и выводится из аппарата через соответствующий патрубок 6, смонтированный в съемной крышке 3.
При промывке фильтра промывочная жидкость движется обратным ходом. Через патрубок 6 жидкость поступает в верхнюю часть цилиндрического корпуса 1 и движется по верхнему горизонтальному каналу. Жидкость равномерно распределяется по всей длине корпуса 1. Далее жидкость обходит верхние горизонтальные непроницаемые пластины 13 и поступает в открытую полость, образованную между вертикальными пористыми проницаемыми перегородками 11, стенками корпуса 1 и нижними горизонтальными непроницаемыми пластинами 12. Жидкость за счет вертикальных 17 (или горизонтальных 18) направляющих пластин равномерно распределяется по всей противоположной стадии фильтрования поверхности пористой проницаемой перегородки 11, проникает через перегородки и смывает с них накопившиеся твердые примеси. Такая конструкция равномерно направляет потоки жидкости во все открытые сверху полости, образованные вышеописанными элементами по всей длине корпуса 1, начиная от фланца 2 корпуса для присоединения крышки 3 и до днища 4. Затем жидкость с примесями поступает в нижний горизонтальный канал и выводится из аппарата через патрубок 5.
В зависимости от требуемой производительности фильтр, работающий под давлением, может состоять из двух и более корпусов 1. У двухкорпусного фильтра повышенной производительности съемная крышка 3 играет роль распределительной камеры с герметичной горизонтальной непроницаемой перегородкой 19, необходимой для раздельной подачи загрязненной среды 5, 21 и отвода очищенной среды 6, 22 через соответствующие патрубки и камеры. Загрязненная среда через патрубок 5, установленный в съемной крышке 3, и камеру 21 равномерно распределяется между присоединенными корпусами 1 и поступает в нижнюю часть каждого корпуса 1. Движение загрязненной среды внутри каждого корпуса 1 в режиме фильтрования аналогично вышеописанному порядку. Затем очищенная среда, вытекающая из верхних горизонтальных каналов каждого присоединенного корпуса 1, поступает в камеру 22, расположенную в съемной крышке 3 и выводится из аппарата через соответствующий патрубок 6.
Аналогично работают фильтры с тремя и более корпусами.
Следует подчеркнуть, что описанные примеры лишь иллюстрируют использование предлагаемого изобретения и не ограничивают возможности применения последнего в других вариантах исполнения. Так, например, корпус фильтра может быть выполнен в виде призмы, в основании которой лежат правильные многоугольники, усеченного конуса, усеченной пирамиды, в основании которой лежат правильные четырехугольники. В таких корпусах, расположенных горизонтально, согласно предлагаемому изобретению эффективно используется объем аппарата и создаются условия для осуществления фильтрования с высокой производительностью.
Таким образом, заявляемая конструкция фильтра, работающего под давлением, позволяет повысить производительность за счет увеличения площади фильтрующих элементов в связи с рациональным использованием объема корпуса, изменением конструкции и формы фильтрующих элементов, связей между элементами, применение направляющих пластин позволяет равномерно распределить потоки как загрязненной среды, так и промывочной жидкости, тем самым обеспечивая равномерное отложение осадка на поверхности фильтрующих элементов и, соответственно, смыв осадка при промывке без разборки фильтра.