КАСКАДНЫЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР-ВОДООТДЕЛИТЕЛЬ
MULTI-STAGE HYDRODYNAMIC WATER SEPARATING FILTER

Изобретение относится к устройствам для очистки углеводородных жидкостей, например, моторных топлив от механических примесей и эмульсионной воды, и может быть использовано в нефтеперерабатывающей и химической промышленности, в сфере нефтепродуктообеспечения и в других отраслях, связанных с разделением малоконцентрированных суспензий и эмульсий методом фильтрования.
Потребность в совершенствовании средств очистки и обезвоживания жидкостей, используемых при эксплуатации различной техники (топлив, смазочных и гидравлических масел, охлаждающих составов и т.п.) вызвана повышением требований к чистоте указанных жидкостей, обусловленным усложнением узлов и агрегатов техники, где эти жидкости применяются. Перед авторами стояла задача разработать устройство для очистки жидкостей от загрязнений в виде механических примесей и эмульсионной воды, обладающее большим ресурсом работы при заданной тонкости очистки. Изучение технической и патентной литературы показало, что для очистки технических жидкостей от указанных загрязнений весьма эффективным средством являются фильтры.
Известны применяемые для очистки жидкостей фильтры с цилиндрическими фильтрующими элементами, у которых жидкость поступает к пористой перегородке в радиальном направлении, т.е. перпендикулярно к ее поверхности (Бродский Г.С. Фильтры и системы фильтрации для мобильных машин. -М. :Горная промышленность, 2004, с.188-211). Недостатком фильтров с такими фильтрующими элементами является довольно быстрое закупоривание пор этой перегородки частицами загрязнений, а в случае использования в качестве перегородки гидрофобного материала - блокирование ее пор микрокаплями эмульсионной воды (Коваленко В.П., Турчанинов В.Е. Очистка нефтепродуктов от загрязнения. -М. :Недра. 1990, с.148), что требует остановки процесса очистки жидкости для замены или регенерации фильтрующего элемента.
Известны также фильтры, получившие название гидродинамических, у которых удаление загрязнений с пористой перегородки происходит непрерывно за счет перемещения очищаемой жидкости параллельно поверхности этой перегородки. Этот эффект может быть достигнут или благодаря перемещению пористой перегородки относительно потока жидкости, или путем подвода потока жидкости к перегородке параллельно ее поверхности (Финкельштейн З.Л. Применение и очистка рабочих жидкостей для горных машин. -М.: Недра, 1986 г., с.166-171). Недостатками гидродинамических фильтров с движущейся пористой перегородкой являются сложность конструкции и потребность в посторонних источниках энергии, а фильтров с неподвижной перегородкой - необходимость отвода части жидкости на сброс для создания ее потока вдоль всей поверхности перегородки.
Известен гидродинамический фильтр, включающий корпус с входным, выходным, сливным патрубками и цилиндрический фильтрующий элемент в виде неподвижной пористой перегородки, поток жидкости, вдоль которой движется в сужающемся зазоре, что обеспечивает постоянную скорость потока по всей длине перегородки (Коваленко В.П., Турчанинов В.Е. Очистка нефтепродуктов от загрязнений. -М. :Недра, 1990 г. с.140-141, рис.16a). Недостатком такого фильтра является сложность изготовления корпуса криволинейной формы для создания сужающегося зазора и необходимость отвода части жидкости на сброс.
Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является устройство для очистки жидкостей в циркуляционных системах, включающее цилиндрический корпус с патрубком в вертикальной стенке для выхода очищенной жидкости и патрубком в днище для сброса части очищаемой жидкости, крышку с патрубком для входа очищаемой жидкости, фильтрующий элемент, установленный соосно корпусу, выполненный из гидрофобного материала в форме усеченного конуса, и гравитационный динамический отстойник, размещенный с наружной стороны днища в конической насадке, имеющей патрубки для отвода сброшенной жидкости для циркуляции (Патент РФ №2456055 «Устройство для очистки жидкостей в циркуляционных системах», B01D 36/04, C02F 1/00, Бюлл. изобр. 2012, №20).
Несмотря на преимущества прототипа по сравнению как с фильтрами традиционной конструкции (увеличение ресурса работы и возможность регулирования тонкости очистки жидкости за счет изменения скорости ее потока), так и с гидродинамическими фильтрами с подвижной пористой перегородкой (отсутствие потребности в посторонних источниках энергии), его недостатком является необходимость отвода части неочищенной жидкости на сброс. Для снижения объема сбрасываемой из фильтра неочищенной жидкости рекомендовано применять для очистки жидкости несколько гидродинамических фильтров из числа описанных, установленных последовательно по каскадной схеме (Финкельштейн З.Л. Применение и очистка рабочих жидкостей для горных машин. -М.: Недра, 1986 г., с.195-196). Такое решение существенно (более чем в 10 раз) уменьшает количество поступающей на сброс жидкости, но связано со значительным увеличением суммарных габаритных размеров и массы системы очистки, а также с необходимостью использования достаточно сложной трубопроводной обвязки входящих в эту систему фильтров.
Технический результат изобретения - повышение эффективности фильтра-водоотделителя за счет исключения отвода на сброс части неочищенной жидкости без увеличения габаритных размеров устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для очистки жидкостей, содержащем корпус, в вертикальной стенке которого выполнен патрубок выхода очищенной жидкости, а в днище - сливной патрубок для сброса части очищаемой жидкости, герметично установленную на корпусе крышку с патрубком подачи очищаемой жидкости, подпружиненный гидродинамический фильтрующий элемент в форме усеченного конуса, содержащий пористую гидрофобную перегородку и плоское верхнее основание с отверстием для соединения с входным патрубком и размещенный внутри корпуса с образованием кольцевого зазора переменного сечения, согласно изобретению корпус фильтра-водоотделителя разделен на три ступени двумя перфорированными горизонтальными перегородками, имеющими в центральной части конические патрубки, при этом в первой ступени размещен основной гидродинамический фильтрующий элемент, во второй и третьей ступенях - дополнительные гидродинамические фильтрующие элементы, аналогичные по конструкции и геометрически подобные основному, плоские верхние основания которых имеют отбортовку, причем соотношение рабочих поверхностей фильтрующих элементов первой, второй и третьей ступеней равно 10:3:1, внутренние полости фильтрующих элементов соединяются с помощью конических патрубков в перфорированных перегородках, а внутренняя полость фильтрующего элемента третьей ступени соединяется с коническим сливным патрубком, установленным в днище третьей ступени корпуса.
На чертеже представлен каскадный гидродинамический фильтр-водоотделитель.
Фильтр-водоотделитель включает цилиндрический корпус, состоящий из первой ступени 1, второй ступени 2 и третьей ступени 3, с патрубком 4 выхода очищенной жидкости, расположенным в боковой стенке третьей ступени 3, и герметично установленную на первой ступени 1 корпуса крышку 5 с входным патрубком 6 для подачи очищаемой жидкости. Внутри первой ступени 1 корпуса при помощи нажимной пружины 7 установлен фильтрующий элемент, состоящий из плоского основания 8 с отверстием для соединения с входным патрубком 6 и конической пористой перегородки 9, удерживаемый пружиной 7 в нижнем положении. Нижний конец конической пористой перегородки 9 герметично установлен в коническом патрубке 10, расположенном в перфорированной перегородке 11, разделяющей первую ступень 1 и вторую ступень 2. Внутри второй ступени 2 корпуса при помощи нажимной пружины 12 установлен фильтрующий элемент, состоящий из плоского отбортованного основания 13 с отверстием для соединения с патрубком 10 и конической пористой перегородки 14, удерживаемый пружиной 12 в нижнем положении. Нижний конец конической пористой перегородки 14 герметично установлен в коническом патрубке 15, расположенном в перфорированной перегородке 16, разделяющей вторую ступень 2 и третью ступень 3 корпуса. Внутри третьей ступени 3 корпуса при помощи нажимной пружины 17 установлен фильтрующий элемент, состоящий из плоского отбортованного основания 18 с отверстием для соединения с патрубком 15 и конической пористой перегородки 19, удерживаемый пружиной 17 в нижнем положении. Нижний конец конической пористой перегородки 19 герметично установлен в коническом сливном патрубке 20, расположенном на днище 21 третьей ступени 3 корпуса и снабженном сливным вентилем 22.
Эффект, получаемый при работе устройства, достигается благодаря тому, что поступающая на сброс из гидродинамического фильтрующего элемента первой ступени часть очищаемой жидкости, посредством которой производится смыв загрязнений с рабочей поверхности фильтрующего элемента, дополнительно очищается в гидродинамических фильтрующих элементах второй и третьей, что уменьшает количество удаляемого из устройства отстоя, поскольку при использовании одноступенчатого гидродинамического фильтра-водоотделителя очистке подвергается от 70% очищаемой жидкости, а при использовании трехступенчатого каскадного гидродинамического фильтра-водоотделителя - от 97,3 до 99%, при этом габаритные размеры устройства существенно не увеличиваются.
В качестве пористой гидрофобной перегородки используется, как вариант, проволочная сетка с фторопластовым покрытием, обладающая, наряду с требуемыми фильтрационными показателями и малым гидравлическим сопротивлением, также высокой водоотделяющей способностью (А.с. СССР №1063441 «Водоотталкивающая перегородка для фильтров-сепараторов». B01D 39/00, B01D 37/02. Бюл. Изобр. 1983, №48).
Подача очищаемой жидкости во внутреннюю полость фильтрующих элементов обеспечивает лучшие условия для отвода задерживаемых на пористой перегородке твердых частиц и микрокапель воды, а коническая форма этой перегородки, сужающейся по направлению потока очищаемой жидкости, обусловлена необходимостью создания продольного перемещения очищаемой жидкости с постоянной скоростью вдоль поверхности пористой перегородки, что обеспечивает одинаковое гидравлическое сопротивление во всех точках этой поверхности. Одинаковое гидравлическое сопротивление в пористых перегородках фильтрующих элементов первой, второй и третьей ступеней достигается благодаря выбору соотношения их рабочих поверхностей 10:3:1, так как объем жидкости, создающей продольный поток вдоль внутренней поверхности пористых перегородок, составляет до 30% от объема всей жидкости, поступающей в соответствующую ступень.
Каскадный гидродинамический фильтр-водоотделитель работает следующим образом. Загрязненная жидкость под давлением подается во входной патрубок 6, откуда поступает в сужающуюся полость, образованную пористой перегородкой 9, проходит через поры этой перегородки, поступает в кольцевой зазор между стенкой первой ступени 1 корпуса фильтра и пористой перегородкой 9 и отводится через отверстия в перфорированной перегородке 11 во вторую ступень 2 корпуса, а часть жидкости создает продольный поток вдоль внутренней поверхности пористой перегородки 9 и в виде концентрированной суспензии, насыщенной частицами загрязнений и эмульсионной водой, через патрубок 10 поступает в сужающуюся полость образованную пористой перегородкой 14, проходит через поры этой перегородки, поступает в кольцевой зазор между стенкой второй ступени 2 корпуса фильтра и пористой перегородкой 14 и совместно с очищенной жидкостью, поступившей из первой ступени 1, отводится через отверстия в перфорированной перегородке 16 в третью ступень 3 корпуса, а часть жидкости создает продольный поток вдоль внутренней поверхности пористой перегородки 19 и в виде суспензии, насыщенной частицами загрязнений и эмульсионной водой, через патрубок 15 в перфорированной перегородке 16 поступает во внутреннюю сужающуюся полость пористой перегородки 19, где проходит через поры этой перегородки, поступает в кольцевой зазор между стенкой третьей ступени 3 и пористой перегородкой 19, откуда совместно с жидкостью, очищенной в первой ступени 1 и второй ступени 2, отводится из корпуса третьей ступени 3 через патрубок выхода очищенной жидкости 4, а часть жидкости создает продольный поток вдоль внутренней поверхности пористой перегородки 19 и удаляется через сливной патрубок 20.