Картридж для очистки сжиженных углеводородных или сжиженных попутных газов

Полезная модель относится к устройствам очистки сжиженных углеводородов (СУГ) или сжиженных попутных газов (СПГ)от воды и механических примесей и может найти широкое применение в нефтедобывающей и газовой промышленности на промыслах, в нефтедобывающей, нефтехимической и газоперерабатывающей промышленности.
Особенностью процесса очистки СУГ и СПГ являются низкие температуры фильтрующей среды, что связано с наличием в них кристаллов воды и широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) и большое количество механических примесей (продукты коррозии магистралей и резервуаров).
Известен фильтр-сепаратор для очистки жидких углеводородов, содержащий корпус с входным и выходным патрубками и расположенный в нем фильтрпакет, отличающийся тем, что имеет магнитный экран в виде стержней, привод в верхней части корпуса и щетки, при этом привод выполнен в виде чашеобразных лопастей, жестко связанных со стержнями, а щетки закреплены на стержнях, (патент RU 2199371).
Известен фильтр-сепаратор для очистки газовых и жидких сред, содержащий корпус, крышку, входной и выходной патрубки и фильтровальный элемент трубчатого типа, установленный внутри корпуса и включающий фильтрующий слой, размещенный со стороны входа фильтруемой среды в корпус и примыкающую к нему изнутри коалесцирующую прослойку, отличающийся тем, что, фильтрующий слой и коалесцирующая прослойка выполнены из волокон термопластичного полимера, например, полипропилена, причем коалесцирующая прослойка состоит, по меньшей мере, из двух тонковолокнистых слоев, разделенных слоем из грубых волокон, при этом плотность тонковолокнистых слоев уменьшается по ходу движения фильтруемой среды.(Патент RU 59437)
С целью улучшения работы фильтров для очистки СУГ и СПГ от кристаллов воды, осуществляется подогрев топлива, проходящего через фильтр, либо самого фильтра.
Известно устройство для подогрева топлива, устанавливаемое снаружи на цилиндрической части корпуса фильтра и закрепляемое на нем с помощью двух хомутов (заявка 2114409, Великобритания). Устройство включает прямоугольную полоску из гибкого теплопроводного материала, на которой укреплены 2 проводника электрического тока, к которым подсоединены клеммы для подвода электропитания.
Известна также система подогрева топлива в дизеле, включающая электрические подогреватели топливных фильтров, представляющие собой проволочные нагревательные элементы, встроенные внутрь корпусов топливных фильтров (заявка N 2099321, Великобритания). Система подачи тока к подогревателям обеспечивает возможность их независимого включения.
Известен подогреватель топлива по патенту N 2160921 Великобритании, включающий нагревательный элемент в виде ленточной спирали, помещенной в специальный корпус и включенной в цепь электропитания. Топливо из входного канала крышки корпуса фильтра направляется на дефлектор, стекает по нему к периферии и поступает в полость корпуса подогревателя, где омывает спираль. Недостатками известных электрических подогревателей топлива является их невысокая эффективность подогрева топлива из-за большой тепловой инерционности устройства, когда тепло до поступления в топливо расходуется на нагрев корпуса фильтра (заявка N 2114409, Великобритания) и из-за неравномерности подогрева топлива и местного перегрева, когда внутри корпуса фильтра устанавливается проволочная спираль, температура которой, как известно, достигает 700-800°С и более. Контакт топлива с нагретой до такой температуры поверхностью приводит к ускоренному окислению топлива и резкому ухудшению его качества, а именно повышению кислотности топлива и смолообразования на деталях впрыскивающей топливо аппаратуры (плунжера, форсунки). Это приводит к преждевременному износу деталей и поломкам. Ресурс высокотеплонапряженной электрической спирали проволочного подогревателя также недостаточен, а в случае перегорания проволочной спирали она не подлежит ремонту и весь дорогостоящий нагревательный элемент требует замены.
Ленточный электрический нагреватель лишен части указанных недостатков благодаря большей поверхности контакта ленточной спирали с топливом и ее пониженной температуре нагрева по сравнению с проволочной спиралью. Однако в конструктивном исполнении подогревателя по патенту N 2160921 (Великобритания) имеются другие существенные недостатки, и прежде всего сложность конструкции как самого подогревателя, так и вызванные им усложнения топливного фильтра, в котором установлен подогреватель данного типа. Имеется в виду необходимость наличия специального дефлектора, как направляющего устройства, по которому топливо из крышки фильтра стекает к периферии и поступает в корпус подогревателя. В свою очередь, в специальном корпусе подогревателя образована полость, имеющая вход и выход для топлива, в которой ленточная спираль нагревательного элемента установлена так, что один конец ее изолирован от массы и выведен наружу на изолированную клемму, а другой конец спирали соединен с корпусом. Сложная и громоздкая конструкция, существенно увеличившая массу и габаритные размеры топливного фильтра. При работе подогревателя часть тепла расходуется на подогрев собственного корпуса подогревателя, дефлектора, корпуса и крышки фильтра, что связано с большими тепловыми потерями рассеивания на этих металлических поверхностях.
Известен подогреватель дизельного топлива, содержащий корпус фильтра тонкой очистки топлива, со штуцерами подвода и отвода топлива, фильтрующий элемент, установленный в корпусе, электрический нагревательный элемент, выполненный в виде стакана из углеродной ткани или углеродных волокон, установленный между корпусом и фильтрующим элементом, источник электрического тока, соединенный электрической цепью с электрическим нагревательным элементом, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности подогреватель снабжен позистором, установленным внутри фильтрующего элемента и последовательно соединенным с электрическим нагревательным элементом и источником электрического тока, причем торцы стакана покрыты токопроводящим материалом, соединенным с электрической цепью (Патент RU 2008499).
Известен электрический подогреватель топлива для топливных систем дизелей, содержащий защитную оболочку и ленточный электронагревательный элемент, выполнен так, что защитная оболочка подогревателя состоит из двух соединенных между собой гибких вертикальных расположенных пластин из теплостойкого электроизоляционного материала, свернутых в кольцо, а электрический нагревательный элемент выполнен в виде размещенной между этими пластинами тонкой токопроводящей ленты, образующей незамкнутое кольцо, причем электронагреватель размещен внутри корпуса фильтра так, что наружная пластина оболочки подогревателя обращена к внутренней поверхности корпуса фильтра, а внутренняя пластина оболочки подогревателя обращена к фильтроэлементу и снабжена сквозными окнами, через которые топливо свободно поступает к нагревательному элементу и омывает его. (Патент РФ 2078979).
Недостатком известных конструкций для очистки топлив является установка подогревателей, обладающих недостаточной пожаро- и взрывобезопасностью.
Известен фильтрующий картридж для очистки жидкостей и газов от воды, механических примесей и биозагрязнений в виде полого или сплошного цилиндрического тела со сквозным или несквозным отверстием, с фланцами и крышками для монтажа фильтроэлемента из поливинилформаля в фильтрующем устройстве, на фланцах имеются дополнительные отверстия под резьбовое соединение для крепления крышек, а поливинилформаль имеет однородную пористую структуру. (Патент РФ 125874 - прототип)
Картридж по прототипу не эффективен при работе с СУГ и СПГ т.к. кристаллы воды в условиях работы при отрицательных температурах попадая на внутренние стенки картриджа, сокращают площадь фильтрации (до полного пломбирования фильтрующих стенок), тем самым существенно сокращая ресурс работы фильтрующего картриджа.
Поставленная задача и технический результат достигаются при использовании предлагаемого картриджа, выполненного в виде цилиндрического тела из пористого композитного материала, с расположенным во внутренней полости картриджа нагревательным элементом в виде эластичного спиралевидного кабеля инфракрасного излучения.
Предлагаемая модель картриджа может быть выполнена в двух вариантах: со сквозным отверстием и в виде сплошного цилиндрического тела.
Картридж в виде полого цилиндрического тела из пористого композитного материала со сквозным отверстием имеет верхний и нижний фланцы и крышки, с дополнительными отверстиями под резьбовое соединение для крепления крышек к корпусу фильтра, с расположенным во внутренней полости картриджа мягким нагревательным элементом в виде эластичного спиралевидного кабеля инфракрасного излучения.
Картридж в виде сплошного цилиндрического тела из пористого композитного материала с несквозным отверстием имеет фланец и крышку в верхней плоскости с дополнительными отверстиями под резьбовое соединение для крепления крышки к корпусу фильтра, с расположенным во внутренней полости картриджа мягким нагревательным элементом в виде эластичного спиралевидного кабеля инфракрасного излучения.
Принцип крепления крышек (крышки) фильтра с картриджем в обоих картриджах одинаков и осуществляется следующим образом. Для соединения картриджа с крышкой фильтра используют соединение из крепежного фланца с центральным отверстием для входа среды в картридж и 4-мя дополнительными отверстиями для болтов, на которые крепится картридж и трех дисков толщиной 1 мм, диска с центральным отверстием для входа среды в картридж и 4-мя отверстиями, совмещенными с отверстиями на фланце, диска с центральным отверстием для входа среды в картридж, 4-мя отверстиями, совмещенными с отверстиями на фланце и отверстиями большего диаметра, равномерно распределенными по всей плоскости диска, диска с центральным отверстием для входа среды в картридж и 4-мя отверстиями, совмещенными с отверстиями на фланце и отверстиями меньшего диаметра, чем на диске, совмещенными с отверстиями, равномерно распределенными по всей плоскости диска. После совмещения крепежных отверстий диски скрепляют между собой точечной сваркой, затем в 4-х отверстиях, совмещенных с отверстиями на фланце, нарезается резьба. В результате получается многослойное соединение, сверху которого сплошная крышка с центральным отверстием и 4 резьбовыми отверстиями для крепежа к фланцу, являющимся корпусом фильтра, а снизу - перфорированные пластины с 4 резьбовыми отверстиями и эффектом «поднутрения», так как диаметр отверстий на средней пластине больше диаметра совмещенных с ними отверстий на нижней пластине. Совмещение резьбового крепления с клеевым позволяет достигнуть эффекта поднутренных отверстий по всей площади крепежной шайбы и тем самым увеличить надежность крепления картриджа, а также использовать в качестве клеящего материала недорогие составы типа эпоксидной смолы.
Эластичный кабель инфракрасного излучения может закрепляться внутри картриджа двумя способами:
1. Размещаться в стенки картриджа при отливке заготовки, обволакиваясь пористым материалом в процессе синтеза полимера при температуре 60-70°С.
2. Помещаться в отверстие после отливки и синтезирования, и сушки заготовки, и закрепляться на одной из крепежных крышек.
Модель картриджа работает следующим образом.
Протекая через картридж, фильтрующий элемент которого выполнен из пористого композитного материала, потоки СУГ и СПГ очищаются от воды и механических примесей (кристаллов воды) с высокой эффективностью. Однако, для обеспечения беспрепятственного прохождения через стенки картриджа выполненного из пористого композитного материала необходимо прогреть его внутреннюю полость нагревательным элементом.
Картридж состоит из корпуса с фланцами и крышками для монтажа 1, с закрепленным внутри него фильтрующим элементом 2, во внутренней полости 3 которого размещен нагревательный элемент 4 в виде спиральных витков свернутого кабеля инфракрасного излучения. На Фиг. 1 показано устройство картриджа в двух вариантах: 1 - со сквозным отверстием, 2 - с несквозным отверстием.
При большом содержании загрязнений используют картридж со сквозным отверстием. СУГ(СПГ) поступает сверху через сквозное отверстие картриджа в нижнюю часть корпуса фильтра, и начинает движение в сторону наименьшего сопротивления или меньшего давления - сквозь стенки картриджа. Укрупненные капли воды, проходя через стенки картриджа, попадают только на боковые стенки и скатываясь по ним, падают в отстойную зону корпуса фильтра. Отделенные механические примеси частично остаются на внутренних стенках картриджа, но большинство, падая в них через нижнее отверстие в крышке картриджа накапливаются в нижней камере (специально для этого предназначенной) и легко удаляются путем промывки (частичная регенерация без демонтажа картриджа). Очищенный СУГ(СПГ), укрупняясь в большие капли, выходит на наружные стенки картриджа и заполняет верхнюю часть корпуса фильтра.
При небольшом содержании загрязнений используют картридж с несквозным отверстием. СУГ или СПГ проходит через центральное отверстие внутрь фильтрэлемента и, наполняя его полностью, начинает активно впитываться в пористые стенки картриджа. В результате прохождения сквозь весь слой материала происходит укрупнение капель воды, которые выходят вниз и на внешние стенки картриджа, стекают в нижнюю часть картриджа и далее падают в отстойную зону корпуса фильтра. При этом механические примеси остаются на внутренних стенках картриджа, а очищенная среда, укрупняясь в большие капли, выходит на наружные стенки картриджа и заполняет верхнюю часть корпуса фильтра.
Прогревание внутренней полости нагревательным элементом обеспечивает плавление кристаллов жидких сред (вода и ШФЛУ) образованных при низких температурах, в результате чего они приобретают текучесть и проходят через пористый композитный материал разделяясь на три фракции (имеющими различные плотности) с четкими границами раздела сред.
Использование в качестве подогревателя кабеля инфракрасного излучения обеспечивает огромный ресурс работы картриджа, взрывобезопасность, энергоэффективность и простоту эксплуатации фильтра.
Размещение эластичного подогревательного элемента в виде спиральных витков кабеля, позволяет увеличить производительность т.к при отсутствии загрязнений пористой перегородки картриджа повышается площадь фильтрации.
Многократная регенерация загрязненного картриджа осуществляется методом промывки обратным током и вертикального отжима фильтровальной стенки.
В Таблице 1 приведены результаты промышленных испытаний по очистке СУГ на транспортной заправке.
В соответствии с ГОСТ Р 56870-2016 Газы углеводородные сжиженные. Определение аммиака, воды и щелочи, результаты опытного пробега показывают качественную очистку и очень большой ресурс картриджа.