УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ВЫСОКОДИСПЕРСНЫХ ПРИМЕСЕЙ ДИСТИЛЛЯЦИЕЙ

Область техники
Заявленная полезная модель относится к области очистки жидкостей, а именно к устройствам для высокоэффективной очистки воды от дисперсных примесей с размером более 0,005 мкм путем ее дистилляции и может быть использована для получения апирогенной воды в медицине и фармацевтической промышленности с содержанием бактериальных эндотоксинов менее 0,25 ЕЭ/мл (Общая фармакопейная статья. ОФС.1.2.4.0006.15 Бактериальные эндотоксины).
Уровень техники
Известно устройство очистки жидкости, включающее резервуар-испаритель с очищаемой жидкостью, соединенный через паропровод с фильтром для улавливания дисперсных примесей и обратный холодильник с накопителем очищенной жидкости (GB Patent №2143144).
Недостатком данного устройства является отсутствие блока периодической регенерации фильтра, что приводит к существенному возрастанию его газодинамического сопротивления вследствие забивки пористой структуры уловленным фильтратом и к последующей остановке процесса парогазовой очистки жидкости для замены фильтра.
Известно устройство очистки жидкости ее дистилляцией, включающее резервуар-испаритель с очищаемой жидкостью, обогреваемый паропровод, соединенный с обогреваемым, высокоэффективным фильтром для улавливания дисперсных частиц, и обратный холодильник с накопителем очищенной жидкости (Патент РФ №1315036).
Недостатком этого устройства является отсутствие блока периодической регенерации фильтра, что приводит к существенному возрастанию его сопротивления вследствие забивки пористой структуры фильтратом дисперсных примесей и к остановке процесса парогазовой очистки жидкости.
Известно устройство для очистки воды ее дистилляцией, включающее последовательно установленные испаритель жидкости, уловитель капель, дисперсных примесей и эндотоксинов, конденсатор очищенных паров воды и ее сборник (установки NORLAND, art_distill-norl.pdf; Potomac Company, info@potomac.ru. www.potomac.ru). Его недостатком является отсутствие блока периодической регенерации уловителя капель, дисперсных примесей и эндотоксинов за небольшой временной интервал менее 5 с.
Известно устройство очистки воды от дисперсных примесей дистилляцией, содержащее обогреваемый резервуар-испаритель с очищаемой водой, соединенный через паропровод с электромагнитным вентилем расхода пара, с обогреваемым высокоэффективным цилиндрическим фильтром, собранным из измерителя его сопротивления и многослойных, металлокерамических фильтропатронов, расположенных параллельно в цилиндрическом корпусе на трубной доске, блок их импульсной регенерации, обратный холодильник для конденсации очищенного пара, соединенный паропроводом с обогреваемым высокоэффективным цилиндрическим фильтром и с накопителем очищенной жидкости, сборник фильтрата примесей с патрубком и фильтром для удаления примесей из обогреваемого высокоэффективного цилиндрического фильтра после его регенерации (патент РФ №2047565, прототип).
Устройство по прототипу позволяет удалять из воды дисперсные частицы и белковые фрагменты бактерий с размером более 0,005 мкм с эффективностью более 99,995% за счет ее перевода в пар и последующего пропускания через обогреваемый высокоэффективный цилиндрический фильтр. Столь мелкие частицы улавливаются за счет их диффузионного захвата и зацепления. В результате в процессе очистки собранная в накопителе вода содержит бактериальный эндотоксин с концентрацией меньше их максимально допустимого уровня для инъекционной воды 0,25 ЕЭ/мл, представляющий собой структурные компоненты бактерий, высвобождающиеся при их термическом распаде (ОФС.1.2.4.0006.15 Бактериальные эндотоксины).
Недостатком данного устройства является сложность конструкции блока регенерации многослойных, металлокерамических фильтропатронов, в котором для удаления фильтрата дисперсных примесей с их фильтрующей поверхности используются наборы эжекторов, сверхзвуковых сопел с отсечными электромагнитными клапанами, установленными на многослойных металлокерамических фильтропатронах, а также сложность осуществления процесса регенерации, обусловленная одновременным использованием очищенного пара и дополнительного сжатого инертного газа особой чистоты от внешнего источника.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является упрощение конструкции устройства для очистки воды от высокодисперсных примесей дистилляцией с расширением его функциональных возможностей.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом заявляемой полезной модели является упрощение процесса регенерации обогреваемого высокоэффективного цилиндрического фильтра в устройстве для очистки воды от высокодисперсных примесей дистилляцией с расширением его функциональных возможностей за счет упрощения конструкции блока регенерации многослойных, металлокерамических фильтропатронов, что позволяет осуществлять их одновременную регенерацию с использованием только водяного пара, очищенного от высокодисперсных примесей и эндотоксинов.
П
ф
П
ф
Для достижения технического результата предложено устройство для очистки воды от высокодисперсных примесей дистилляцией, содержащее обогреваемый резервуар-испаритель с очищаемой водой, соединенный через паропровод с электромагнитным вентилем расхода пара, с обогреваемым высокоэффективным цилиндрическим фильтром, собранным из измерителя его сопротивления и многослойных, металлокерамических фильтропатронов, расположенных параллельно на трубной доске в цилиндрическом корпусе, блок их регенерации, обратный холодильник, соединенный паропроводом очищенного пара с обогреваемым высокоэффективным цилиндрическим фильтром и с накопителем очищенной жидкости, сборник фильтрата примесей с патрубком удаления примесей и фильтром для удаления примесей из обогреваемого высокоэффективного цилиндрического фильтра после его регенерации, при этом, блок регенерации многослойных, металлокерамических фильтропатронов включает накопитель очищенного пара, установленный между обогреваемым высокоэффективным цилиндрическим фильтром и обратным холодильником, отсечной электромагнитный клапан, расположенный на выходе из накопителя очищенного пара, соединенного через паропровод очищенного пара с обратным холодильником для конденсации очищенного пара, сбросной электромагнитный клапан, установленный на патрубке удаления примесей, и грубый фильтр, расположенный между обогреваемым высокоэффективным цилиндрическим фильтром и паропроводом с электромагнитным вентилем расхода пара, причем отношение геометрических объемов накопителя очищенного пара V и многослойных, металлокерамических фильтропатронов V составляет V/V>2.
Кроме того, грубый фильтр изготовлен из стекловолокнистых волокон диаметром от 20 до 200 мкм с открытой пористостью более 85%.
2
В результате грубый фильтр обладает относительно большой емкостью по отношению фильтрату дисперсных примесей на уровне более 500-1000 г/м.
В результате в заявленной полезной модели, в отличие от прототипа, исключены из блока регенерации наборы эжекторов, сверхзвуковых сопел с электромагнитными клапанами (один отсечной электромагнитный клапан, одно сверхзвуковое сопло и один эжектор на один многослойный, металлокерамический фильтропатрон), источник инертного газа особой чистоты и создан принципиально другой, упрощенный блок регенерации, включающий накопитель очищенного пара с сбросным и отсечным электромагнитными клапанами. Это позволяет упростить конструкцию блока регенерации многослойных, металлокерамических фильтропатронов и процесс их периодической регенерации, поскольку в заявленном устройстве используют только очищенный пар для удаления фильтрата примесей с поверхности многослойных, металлокерамических фильтропатронов путем их обратной отдувки импульсом очищенного пара и последующего удаления фильтрата в сборник фильтрата примесей через патрубок удаления примесей.
Установка грубого фильтра с большой емкостью накопления фильтрата дисперсных примесей между обогреваемым высокоэффективным цилиндрическим фильтром и паропроводом с электромагнитным вентилем расхода пара позволяет устранить возможность попадания сбрасываемого фильтрата накопленных примесей в паропровод с электромагнитным вентилем расхода пара и их нежелательное загрязнение.
Фильтрующая структура каждого многослойного, металлокерамического фильтропатрона состоит из тонкопористого селективного мембранного слоя, нанесенного на грубопористое армирующее мембранное основание. Его регенерацию осуществляют обратным импульсным потоком очищенного пара через многослойный, металлокерамический фильтропатрон, который подается из накопителя очищенного пара путем закрытия отсечного электромагнитного клапана и открытия сбросного электромагнитного клапана при закрытом электромагнитном вентиле расхода пара из обогреваемого резервуара-испарителя с очищаемой водой. В результате фильтрат примесей сбрасывается импульсом чистого пара с фильтрующей поверхности тонкопористого селективного слоя многослойных, металлокерамических фильтропатронов и удаляется в сборник фильтрата примесей через патрубок их удаления конвективным потоком пара.
П
Ф
Анализ экспериментов с очисткой воды от высокодисперсных примесей дистилляцией и эндотоксинов показал, что эффективная регенерация многослойных, металлокерамических фильтропатронов обратным импульсным потоком очищенного пара происходит эффективно, если отношение V/V>2.
Краткое описание чертежей
На фигуре изображена принципиальная схема заявленного устройства очистки воды от высокодисперсных примесей дистилляцией, где:
1 - обогреваемый резервуар-испаритель с очищаемой водой,
2 – паропровод,
3 - обогреваемый высокоэффективный цилиндрический фильтр,
4 - многослойные, металлокерамические фильтропатроны,
5 - трубная доска,
6 - накопитель очищенного пара,
7 - измеритель сопротивления обогреваемого высокоэффективного цилиндрического фильтра 3,
8 - обратный холодильник для конденсации очищенного пара,
9 - накопитель очищенной воды,
10 - паропровод очищенного пара,
11 - отсечной электромагнитный клапан, расположенный на выходе из накопителя очищенного пара 6,
12 - патрубок удаления примесей,
13 - сбросной электромагнитный клапан, установленный на патрубке удаления примесей 12,
14 - сборник фильтрата примесей,
15 - электромагнитный вентиль расхода пара,
16- грубый фильтр,
17 - парогазовый манометр,
18 - электронагреватель воды и фильтров,
19 - фильтр для удаления примесей из обогреваемого высокоэффективного цилиндрического фильтра после его регенерации,
ΔР - сопротивление обогреваемого высокоэффективного цилиндрического фильтра 3,
U - регулируемое напряжение питания электронагревателя 18,
П
V - объем накопителя очищенного пара,
ф
V - объем многослойных, металлокерамических фильтропатронов.
Осуществление полезной модели
П
ф
П
ф
На фигуре изображена принципиальная схема заявленного устройства для очистки воды от высокодисперсных примесей дистилляцией. Устройство содержит обогреваемый резервуар-испаритель с очищаемой водой 7, соединенный через паропровод 2 с электромагнитным вентилем расхода пара 15, с обогреваемым высокоэффективным цилиндрическим фильтром 3, собранным из измерителя его сопротивления 7 и многослойных, металлокерамических фильтропатронов 4, расположенных параллельно на трубной доске 5, обратный холодильник для конденсации очищенного пара 8, соединенный паропроводом очищенного пара 10 с накопителем очищенного пара 6 и с накопителем очищенной жидкости 9, сборник фильтрата примесей 14 с патрубком удаления примесей 12 с сбросным электромагнитным клапаном 13 для удаления фильтрата из обогреваемого высокоэффективного цилиндрического фильтра 3. Блок регенерации многослойных, металлокерамических фильтропатронов 4 включает накопитель очищенного пара 6, установленный между высокоэффективным цилиндрическим фильтром 3 и обратным холодильником для конденсации очищенного пара 8, отсечной электромагнитный клапан 11, расположенный на выходе из накопителя очищенного пара 6 и соединенный через паропровод очищенного пара 10 с обратным холодильником для конденсации очищенного пара 8, сбросной электромагнитный клапан 13, установленный на патрубке удаления примесей 12, и грубый фильтр 16, расположенный между обогреваемым высокоэффективным цилиндрическим фильтром 3 и паропроводом 2 с электромагнитным вентилем расхода пара 15. Отношение геометрических объемов накопителя V очищенного пара и многослойных, металлокерамических фильтропатронов V составляет V/V>2. Контроль давления пара в накопителе очищенного пара 6 осуществляется парогазовым манометром 17.
Регенерация обогреваемого высокоэффективного цилиндрического фильтра 3 осуществляется обратным импульсным потоком очищенного пара из накопителя очищенного пара 6 через многослойные, металлокерамические фильтропатроны 4 и патрубок удаления примесей 12 в сборник фильтрата примесей 14 с фильтром 19 для удаления примесей из обогреваемого высокоэффективного цилиндрического фильтра после его регенерации.
2
Грубый фильтр 16 собран из стекловолокнистых волокон диаметром от 20 до 200 мкм с открытой пористостью более 85% с емкостью по отношению фильтрату дисперсных примесей на уровне более 500-1000 г/м.
Устройство работает следующим образом. Водяной пар из резервуара-испарителя с очищаемой водой 1 при температуре от 110 до 200°С поступает через паропровод 2 с электромагнитным вентилем расхода пара 15 в обогреваемый высокоэффективный цилиндрический фильтр 3. Очистка пара от высокодисперсных примесей и бактериального эндотоксина осуществляется фильтрацией через многослойные, металлокерамические фильтропатроны 4, установленные параллельно на трубной доске 5. Их сопротивление потоку пара ΔР непрерывно контролируется измерителем сопротивления 7 обогреваемого высокоэффективного цилиндрического фильтра 3. Очищенный пар поступает последовательно в накопитель очищенного пара 6 и, далее, через отсечной электромагнитный клапан 11 по паропроводу очищенного пара 10 в обратный холодильник для конденсации очищенного пара 8, из которого сконденсированные пары собираются в накопителе очищенной жидкости 9. Давление пара Р в накопителе очищенного пара 6 измеряется парогазовым манометром 17 и регулируется температурой нагрева воды в обогреваемом резервуаре-испарителе с очищаемом водой 7, путем варьирования напряжения U электронагревателя воды и фильтров 18.
Многослойные, металлокерамические фильтропатроны 4 изготовлены из нержавеющей стали, никеля, оксидов алюминия и кремния по технологии автора (патенты РФ №2044090 и №20708873). Характеризуются многослойной мембранной структурой, состоящей из тонкопористого селективного слоя, нанесенного на грубопористое армирующее основание. Многослойные, металлокерамические фильтропатроны 4 обеспечивают высокоэффективную очистку потока пара от высокодисперсных примесей размером более 0,005 мкм с эффективностью Е>99,995%. Для устранения конденсации очищаемых паров многослойные, металлокерамические фильтропатроны 4 нагревают до температуры, превышающей температуру пара в обогреваемом резервуаре-испарителе 7 и паропроводе 2 на 10-50°С с помощью электронагревателя воды и фильтров 18.
В процессе очистки и накопления высокодисперсных примесей на фильтрующей поверхности тонкопористого селективного слоя многослойных, металлокерамических фильтропатронов 4 возрастает их сопротивление потоку пара ΔР. При существенном увеличении величины ΔР от измерителя сопротивления 7 обогреваемого высокоэффективного цилиндрического фильтра 3, поступает команда на закрытие отсечного электромагнитного клапана 11, который перекрывает поступление пара в обратный холодильник для конденсации паров очищенной воды 8, и на закрытие электромагнитного вентиля расхода пара 15 для перекрывания паропровода 2. Далее, открывается сбросной электромагнитный клапан 13 и осуществляется сброс давления пара через патрубок удаления примесей 12 в сборник фильтрата примесей 14 с фильтром 19. В результате из накопителя очищенного пара 6 подается обратный импульсный поток очищенного пара, который сбрасывает накопленный осадок высокодисперсных примесей с фильтрующей поверхности многослойных, металлокерамических фильтропатронов 4. Примеси конвективным потоком пара удаляются через патрубок удаления примесей 12 в сборник фильтрата примесей 14.
5
Время регенерации многослойных, металлокерамических фильтропатронов 4 не превышает 3-5 секунд. Давление пара в накопителе очищенного пара 6 перед регенерацией, контролируемое парогазовым манометром 17, должно быть в 2-2,5 раза меньше давления механического разрушения многослойных, металлокерамических фильтропатронов 4, составляющего (6-8)×10 Па.
П
ф
ф
1ф
1ф
Отношение геометрических объемов накопителя очищенного пара 6 и регенерируемых многослойных, металлокерамических фильтропатронов 4 составляет V/V>2. Величина V=πV, где n - количество многослойных, металлокерамических фильтропатронов 4, а V -геометрический объем одного многослойного, металлокерамического фильтропатрона.
П
ф
Экспериментально было показано, что при V/V<2 регенерация многослойных, металлокерамических фильтропатронов 4 от накопленного фильтрата высокодисперсных примесей и бактериального эндотоксина импульсным потоком очищенного пара происходит недостаточно эффективно, вследствие малых значений его объемного расхода и скорости удаления фильтрата высокодисперсных примесей потоком очищенного пара.
Установка грубого фильтра 16 с большой емкостью высокодисперсных примесей позволяет устранить недопустимое попадание их сбрасываемого фильтрата в паропровод 2 и электромагнитный вентиль расхода пара 15.
Полное время регенерации и возобновления процесса очистки воды составляет менее 5 с. Для этого сбросной электромагнитный клапан 13 закрывается, а электромагнитный вентиль расхода пара 15 и отсечной электромагнитный клапан 11 открываются.
В результате в заявленной полезной модели, в отличие от прототипа, исключены из блока регенерации наборы эжекторов, сверхзвуковых сопел с отсечными электромагнитными клапанами (один отсечной электромагнитный клапан, одно сверхзвуковое сопло и один эжектор на один многослойный, металлокерамический фильтропатрон по прототипу), источник инертного сжатого газа особой чистоты и создан принципиально другой блок регенерации многослойных, металлокерамических фильтропатронов 4. Это позволяет упростить его конструкцию путем отказа от использования инертного газа особой чистоты, наборов эжекторов и сверхзвуковых сопел с отсечными электромагнитными клапанами, поскольку в заявленном устройстве используется только очищенный пар для удаления фильтрата примесей с поверхности многослойных, металлокерамических фильтропатронов 4 путем их обратной отдувки импульсом очищенного пара из накопителя очищенного пара 6 и последующего удаления высокодисперсных примесей в сборник фильтрата примесей 14 через патрубок удаления примесей 12.
В результате достигается технический результат заявляемой полезной модели.
Пример.
Осуществлялась очистка водопроводной воды от высокодисперсных примесей путем ее испарения в обогреваемом резервуаре-испарителе с очищаемой водой 1 при температуре около 135-145°С с последующей очисткой паров воды от эндотоксина и высокодисперсных примесей с размером частиц d>0,005 мкм с помощью обогреваемого высокоэффективного цилиндрического фильтра 3 с многослойными, металлокерамическими фильтропатронами 4. Абсолютное давление пара в накопителе очищенного пара 6 не превышало 3,5 атм.
В качестве обогреваемого резервуара-испарителя с очищаемой водой 1 использовался модифицированный медицинский аквадистиллятор «ДЭ-4».
Многослойные, металлокерамические фильтропатроны 4 были изготовлены из неражавеющей стали, никеля, оксидов алюминия и кремния (патенты автора РФ №2044090 и 20708873). Их эффективность фильтрации составляла более 99,995% по высокодисперсным примесям с размером частиц более 0,005 мкм. Обратный холодильник для конденсации очищенного пара 8 был выполнен с термостатированием водопроводной водой. Сопротивление ΔР измерялось манометром «ОМ6».
1ф
ф
П
ф
2
3
3
2
2
Количество многослойных, металлокерамических фильтропатронов 4 цилиндрической формы составляло n=3, их наружный диаметр D=4 см, а длина L=10 см. Объем одного многослойного, металлокерамического фильтропатрона V=πDL/4=126 см. Объем V≈384 см. Их геометрическая площадь фильтрующей поверхности составляла 375 см. Обогреваемые элементы конструкции, отсечной электромагнитный клапан 11, сбросной электромагнитный клапан 13 и электромагнитный вентиль расхода пара 15 были выполнены из нержавеющей стали 12Х18Н9Т. Отношение геометрических объемов накопителя очищенного пара 6 и многослойных, металлокерамических фильтропатронов 4 составляло V/V≈6. Объем сборника фильтрата примесей 14 составлял 3 литра. Грубый фильтр 16 собран из стекловолокнистых волокон диаметром от 20 до 200 мкм с открытой пористостью более 85% с емкостью по отношению фильтрату дисперсных примесей на уровне более 500-1000 г/м.
4
Первоначальный перепад давления ΔР обогреваемого высокоэффективного цилиндрического фильтра 3 не превышал 3500 Па при нормальном расходе водяного пара ≈10-13 л/с с производительность более 20 литров очищенной воды в час. В процессе очистки паров на поверхности многослойных, металлокерамических фильтропатронов 4 накапливался фильтрат высокодисперсных примесей и возрастало их сопротивление. При ΔР=(2,5-3)×10 Па по команде с измерителя сопротивления 7 обогреваемого высокоэффективного цилиндрического фильтра 3, осуществлялась периодическая регенерация многослойных, металлокерамических фильтропатронов 4 обратным потоком очищенного пара путем одновременного закрытия отсечного электромагнитного клапана 11 и открытия сбросного электромагнитного клапана 13 с перекрыванием паропровода 2 с помощью электромагнитного вентиля расхода пара 15.
5
3
Давление пара и плотность очищенного пара в накопителе очищенного пара 6 составляло около 3,5×10 Па и 1,7 г/см при температуре резервуара-испарителя 7 около 135-145°С.
Время регенерации многослойных, металлокерамических фильтропатронов 4 было менее 3-4 с, а расход водяного пара с первоначальной плотностью около 1.5 г/литр из накопителя очищенного пара 6 не превышал 2,5 литра. В результате их сопротивление существенно уменьшалось и величина ΔР<4000 Па. После регенерации сбросной электромагнитный клапан 13 закрывался, а электромагнитные вентиль расхода пара 15 и отсечной электромагнитный клапан 11 открывались для осуществления процесса очистки воды.
В процессе очистки водопроводной воды было показано, что в накопителе очищенной воды 9 собранная вода соответствует медицинским требованиям для инъекционной воды и содержание эндотоксина в образце составило менее 0,08 ЕДэ/мл при максимально допустимом уровне эндотоксина для инъекционной воды не более 0,25 ЕДэ/мл (ОФС.1.2.4.0006.15 Бактериальные эндотоксины). Анализ осуществлялся в НИИ физико-химической медицины.
Таким образом, в заявляемой полезной модели обеспечивается непрерывный процесс парогазовой очистки жидкости с периодической регенерацией многослойных, металлокерамических фильтропатронов 4 за временной интервал менее 5 секунд с использованием упрощенной по сравнению с прототипом конструкции блока их регенерации без использования инертного газа особой чистоты от внешнего источника, наборов эжекторов и сверхзвуковых сопел с отсечными электромагнитными клапанами.