ФИЛЬТР-СЕПАРАТОР И ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ

ФИЛЬТР-СЕПАРАТОР И ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ
Настоящая группа полезных моделей относится к фильтрации, а более конкретно к фильтрующим устройствам, предназначенным для очистки органических жидкостей, в частности масел, нефтепродуктов, в том числе топлива двигателей внутреннего сгорания, от эмульгированной воды и механических примесей.
Известен фильтр для очистки жидкостей, содержащий корпус с двумя входными патрубками в виде осевых перфорированных труб, на которые насажены фильтрующие пакеты, выполненные из эластичных пористых дисков, промежуточных и торцовых щайб, и с выходным патрубком. Одна из торцовых шайб соединена с механизмом возвратно-поступательного перемещения вдоль входного патрубка. Механизм выполнен в виде закрепленных на валу эксцентриков, упирающихся в подвижные торцовые щайбы фильтрующих пакетов (см. авторское свидетельство СССР № 454038 по кл. В 01 D 25/26, опубликован 25.12.1974).
Известный фильтр позволяет удалять из жидкостей механические примеси, но не обеспечивает удаление из таких жидкостей, как нефтепродукты, содержащейся в них воды.
Известен фильтрующий элемент, состоящий из цилиндрического тела, выполненного из поливинилформаля (см. патент РФ № 2048162 по кл. В 01 D 29/72, опубликован 20.11.1995).
Известный фильтрующий элемент позволяет очищать нефтепродукты от механических примесей и воды. Однако вода удаляется из нефтепродуктов лищь за счет ее поглощения фильтрующим элементом, в результате чего приходится часто производить из него отжим воды с помощью специального приспособления.
Известен фильтр-сепаратор для очистки органических жидкостей от эмульгированной воды, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, систему фильтрующих коагулирующих стаканов с общим коллектором-распределителем, гидрофобное дренирующее устройство и отстойную зону. Фильтрующие коагулирующие стаканы выполнены перфорированными
MK№:B01D25/00 В 01 D 39/16
и обтянутыми в нижней части металлической сеткой с диаметром ячеек 1,4 2,0 мм и состоят из двух насыпных слоев гидрофильной активной у- АзОз с
диаметров частиц верхнего слоя 0,7 - 1,2 мм и нижнего слоя 1,7 - 2,5 мм при
высоте слоев и соответственно 350 и 400 мм (см. авторское свидетельство
СССР
№ 1433477 по кл. В 01 D 27/02, 37/08, опубликовано 30.10.1988).
К недостаткам известного фильтра-сепаратора следует отнести сложность конструкции фильтрующих коагулирующих стаканов и недостаточную эффективность и надежность улавливания механических примесей, а также необходимость его разборки для удаления задержанной воды.
Известен фильтрующий элемент, состоящий из набора цилиндрических колец, выполненных, в частности, из поливинилформаля и размещенных между двумя щайбами (см. патент РФ № 2022614 по кл. В 01 D 27/08, опубликован 15.11.1994).
Фильтрующий элемент имеет развитую поверхность, однако при его регенерации не исключается появления зазоров между кольцами и уплотнительными щайбами после регенерации отжатием из-за коробления и неравномерного намокания поливинилформаля, что снижает надежность его работы.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому устройству является фильтр-сепаратор для очистки углеводородных жидкостей, преимущественно топлив, от свободной воды и механических примесей, принятый за прототип. Устройство-прототип состоит из корпуса с отстойником, входным, выходным и дренажным патрубками, и по меньщей мере одной пары установленных по высоте фильтрующих элементов, выполненных из фильтрующего, коагулирующего дренажного и водоотделяющего слоев, и устройства для отвода воды, установленного между фильтрующими элементами и выполненного в виде чашеобразной вставки, дно которой имеет уклон в сторону края чаши, в нижней части которой выполнено отверстие для отвода воды. Чашеобразная ставка может быть снабжена трубкой для отвода воды, один конец которой соединен с отверстием для отвода воды, а другой размещен в отстойнике или в чащеобразной вставке нижерасположенного устройства для отвода воды (см. авторское свидетельство СССР № 955978 по кл. В 01 D 25/00, опубликовано 07.09.1982).
Устройство-прототип имеет компактную конструкцию и позволяют непрерьшно осуществлять очистку углеводородных жидкостей от воды, однако при относительно большом содержании в очищаемой жидкости механических примесей ресурс работы такого устройства ограничен, так как фильтрующие элементы не поддаются регенерации, к тому же их конструкция достаточно сложна.
Наиболее близким по наибольшему числу существенных признаков к заявляемому фильтрующему элементу является фильтрующий элемент, состоящий из полого цилиндра, выполненного из поливинилформаля, один из открытых торцов которого прикреплен к шайбе (см. патент РФ № 2050928 по кл. В 01 D 27/04, опубликован 27.12.1995).
Известный фильтрующий элемент обеспечивает эффективную очистку органических жидкостей, не растворяющих материал фильтрующего элемента, от воды и механических примесей, однако требует частой регенерации, так как по мере насыщения поливинилформаля водой ухудщается, а затем и полностью прекращается очистка органической жидкости от воды. Для регенерации фильтрующего элемента необходимо применять дополнительные приспособления.
Задачей являлась разработка такого фильтра-сепаратора и его фильтровального элемента, которые бы обеспечивали повыщение производительности и эффективности очистки органических жидкостей от воды и механических примесей за счет увеличения промежутка времени работы устройства между циклами регенерации фильтровального элемента и упрощения самого процесса регенерации.
Поставленная задача решается группой полезных моделей, объединенных единым изобретательским замыслом, а именно тем, что в фильтре-сепараторе, содержащем корпус с отстойником, входным, выходным и дренажным патрубками и по меньшей мере одну пару установленных по высоте фильтрующих элементов, выполненных их фильтрующего и коагулирующего материала, в центральной части корпуса установлен соединенный со входным патрубком коллектор в виде полого диска с вертикальными патрубками для закрепления фильтрующих элементов, снабженный осесимметричной с корпусом обечайкой для разделения потоков очищенной жидкости от нижнего и верхнего фильтрующих элементов, а фильтрующие элементы выполнены из поливинформаля в виде цилиндрических стаканов с дном, со стороны
открытых торцов закрепленных на патрубках коллектора. Поставленная задача решается также тем, что фильтрующие элементы в виде цилиндрического стакана с дном изготовлены из поливинилформаля, полученного из композиции, включающей поливиниловый спирт, картофельный крахмал, формальдегид и воду при следующем соотношении компонентов, вес. %:
поливиниловый спирт- 7 - 9;
картофельный крахмал- 4 - 6;
формальдегид- 3 - 5;
вода - остальное.
Фильтрующие элементы могут быть закреплены на патрубках коллектора с помощью крыщек с отверстием, соосным с полостью стакана. Для удобства монтажа отверстия крышек и вертикальные патрубки могут быть снабжены, например, сопряженной резьбой. Отстойник может быть перекрыт сверху перфорированной перегородкой, например, в виде сетки. Каждый из фильтрующих элементов нижнего яруса может иметь утолщенное дно, при этом толщина стенки цилиндрического стакана относится к толщине его дна как 1::(, - 1,6).
Как показали проведенные авторами исследования, выполнение коллектора в виде полого диска с вертикальными патрубками, на которых закреплены со стороны открытых торцов цилиндрические стаканы из поливинилформаля, и снабжение коллектора обечайкой, осесимметричной с корпусом, в совокупности с выполнением поливиннилформального фильтрующего элемента из композиции, включающей поливиниловый спирт, картофельный крахмал, формальдегид и воду, взятых в указанном выше соотношении, позволяет создать условия, благоприятные для возникновения эффекта коалесценции (укрупнения) капель воды, задерживаемой поливинилформалем. При таком конструктивном выполнении фильтра-сепаратора достигается равномерное снижение скорости фильтруемой жидкости от центра фильтрующего элемента к его периферии с одновременным образованием вблизи нижней части фильтрующего стакана относительно спокойных зон, в которых исключается, благодаря наличию обечайки, перемещивание жидкости, отфильтрованной нижним и верхним ярусами фильтрующих элементов, в результате чего укрупненные капли воды не уносятся восходящим потоком отфильтрованной жидкости, а поступают в отстойник (из нижнего яруса фильтрующих элементов - непосредственно, а из верхнего яруса - через устройство для отвода воды). Выполнение фильтрующих элементов из поливинилформапя, полученного из композиции иного состава, чем заявленный, резко ухудшает коаиесцирующие свойства фильтрующего элемента. Выполнение фильтрующих элементов в виде цилиндрических стаканов с дном, закрепленных открытым торцом на патрубках коллектора, дополнительно значительно упрощает процесс их регенерации, так как позволяет производить ее без использования каких-либо дополнительных приспособлений простым изменением направления движения потока жидкости на обратное. Улучщению условий отвода капель воды в отстойник из нижнего яруса фильтрующих элементов способствует и выполнение утолщенным в 1,1 -1,6 раза дна цилиндрического стакана по сравнению с толщиной его боковой стенки, а также закрепление фильтрующих элементов на патрубках коллектора с помощью крыщек с отверстием, соосныс с полостью стакана фильтрующего элемента (одновременно такое закрепление элементов упрощает процесс их замены). Перекрытие отстойника перфорированной перегородкой, например в виде сетки, предотвращает попадание воды из отстойника в отфильтрованную жидкость.
Проведенный авторами поиск аналогов по источникам патентной и другой научно-технической информации не выявил технических решений, совпадающих с заявленными устройствами по совокупности существенных признаков, что свидетельствует о новизне заявленного фильтра-сепаратора и фильтрующего элемента.
Из патентной литературы известно выполнение фильтрующего элемента из поливинилформаля (например, авторские свидетельства СССР №488598 по кл. В 01 D 27/08, опубликовано 25.10.1975; авторское свидетельство СССР № 1762972 по кл. В 01 D 27/02, опубликовано 23.09.1992). Однако в известных решениях поливинилформаль применяют лишь в качестве влагопоглотительного материала и не реализуют его коалесцирующие свойства, а регенерацию фильтрующего элемента осуществляют сжатием его при помощи дополнительных приспособлений (винта, пружины и других устройств). Проведенные авторами стендовые испытания известного фильтра с поливинилформальным фильтрующим элементом (авторское свидетельство СССР №488598) для очистки дизельного топлива с содержанием воды в количестве 0,1 %, показали, что эффективное поглощение из топлива воды концентрация воды в очищенном топливе менее 0,005 %) при изначально сухом фильтрующем элементе происходит до тех пор, пока фильтрующий элемент не поглотил 1 кг воды на 1 кг своего сухого веса, после чего концентрация воды в очищенном топливе возрастает до 0,01 % (при 1,2 кг поглощенной поливинилформалем воды), а при поглощении известным фильтрующем элементом 1,4 кг дальнейшее поглощение воды из топлива прекращается. При регенерации известного фильтрующего элемента отжатием из него вьщеляется не более 10 % поглощенной воды. Для предотвращения ухудщения очистки топлива при наступлении насыщения поливинилформаля водой в известных фильтрах дополнительно устанавливаются слои из коагулирующего и гидрофобного материалов (см. авторское свидетельство СССР № 1194453 по кл. В 01 D 27/08, опубликовано ЗОЛ 1.1985). В заявленной конструкции фильтрасепаратора в совокупности с фильтрующим элементом из поливинилформаля, полученного из композиции указанного выше состава, удалось осуществить коалесценцию капель воды при прохождении очищаемой жидкости через фильтрующий элемент и ее отвод в отстойник. В результате отпала необходимость как частой регенерации фильтрующего элемента для удаления из него поглощенной воды, так и применения дополнительных слоев из коагулирующего и гидрофобного материалов, что свидетельствует о достижении нового технического эффекта и о соответствии заявленных рещений критерию изобретательский уровень. Следует также отметить, что регенерация фильтрующего элемента заявленного фильтра - сепаратора значительно упрощается, так как вода непрерывно удаляется в отстойник в процессе его работы, а механические примеси удаляются из фильтрующего элемента без применения каких-либо дополнительных приспособлений простым изменением направления поступления и отвода жидкости на обратное рабочему циклу.
Заявляемый фильтр - сепаратор изображен на чертеже, где на фиг. 1 показан фильтр- сепаратор с восемью фильтрующими элементами в
разрезе по оси; на фиг. 2 вид восьмиэлементного фильтра - сепаратора в поперечном разрезе
по А - А; на фиг. 3 показан фильтр - сепаратор с двумя фильтрующими элементами в
по Б - Б;
на фиг. 5 - вид фильтрующего элемента с равнотолщинными стенкой и дном в
разрезе по оси, на фиг. 6 - вид фильтрующего элемента с равнотолщинными стенкой и дном
в поперечном разрезе;
на фиг. 7 - вид фильтрующего элемента с утолщенным дном в разрезе по оси; на фиг. 8 - вид фильтрующего элемента с утолщенным дном в поперечном
разрезе, на фиг.9 - вид фильтрующего элемента, снабженного крыщкой.
Заявляемый фильтр - сепаратор состоит из корпуса 1 с отстойником 2, патрубком 3 для подвода очищаемой жидкости, патрубком 4 для отвода очищенной жидкости, патрубком 5 для слива отстоя, по меньщей мере одной пары фильтрующих элементов 6, установленных ярусно на вертикальных патрубках 7 коллектора 8, выполненного в виде полого диска и размещенного в центральной части корпуса 1 и соединенного с патрубком 3. Коллектор 8 снабжен обечайкой 9, установленной осесимметрично относительно корпуса 1. Обечайка 9 предназначена для разделения потоков очищенной жидкости, выходящих из нижнего и верхнего ярусов фильтрующих элементов 6. Каждый фильтрующий элемент 6 верхнего яруса может размещаться как внутри обечайки 9 (фиг. 3), так и вне ее (фиг. 1). В коллекторе 8 выполнен по меньщей мере один канал 10 для пропуска потока жидкости, очищенной фильтрующими элементами 6 нижнего яруса. Фильтрующие элементы 6 выполнены из поливинилформаля, полученного из композиции, включающей поливиниловый спирт (7 - 9 вес.%), картофельный крахмал (4-6 вес.%), формальдегид (3-5 вес.%) и воду (добавляемую до 100 вес. %), в виде цилиндрических стаканов с дном 11. У каждого из расположенных в нижнем ярусе фильтрующих элементов 6 дно 11 может иметь толщину, равную 1,1 - 1,6 толщины цилиндрической стенки 12. Устройство для отвода воды выполнено в виде вертикальной трубки 13, один конец которой закреплен в отверстии 14, а другой конец размещен в отстойнике 2. Отстойник 2 сверху может быть закрыт перфорированной перегородкой 15, выполненной, например, в виде сетки. Для удобства монтажа и демонтажа фильтрующие элементы 6 могут закрепляться на патрубках 7 с помощью крыщек 16 с отверстием 17 соосным с полостью фильтрующего элемента 6. Крыщки 16 закреплены на открытых
торцах 18 элементов 6. Отверстие 17 и патрубок 7 могут быть снабжены сопряженной резьбой 19. Фильтр-сепаратор может быть снабжен дополнительными патрубками 20 и 21 для промывки фильтрующих элементов 6 моющим раствором.
Заявляемый фильтр - сепаратор и фильтрующий элемент работают следующим образом. Загрязненную водой и механическими примесями органическую жидкость подают через патрубок 3, коллектор 8 и вертикальные патрубки 7 во внутреннюю полость фильтрующих элементов 6, расположенных вертикально в два яруса навстречу друг другу. Взвешенные в жидкости наиболее крупные капли воды и частицы механических примесей под влиянием силы тяжести попадают преимущественно в фильтрующий элемент 6 (фиг.З) или фильтрующие элементы 6 (фиг.1) нижнего яруса. Механические примеси, содержащиеся в очищаемой жидкости, в зависимости от размеров частиц, либо оседают на внутренней поверхности фильтрующего элемента 6, либо задерживаются в лабиринтах пор поливинилформаля, за исключением наиболее мелких частиц размером 1-2 мкм, которые не задерживаются фильтрующим элементом 6. Эмульгированная в органической жидкости вода поглощается поливинилформалем, образуя в его порах более крупные капли, которые движутся вместе с потоком очищаемой жидкости по направлению к наружной поверхности фильтрующего элемента 6. По мере движения жидкости к наружной поверхности фильтрующего элемента 6 ее скорость уменьшается, что способствует дальнейшему росту капель воды, размер которых зависит от структуры и размера пор материала фильтрующего элемента 6, и концентрации капель в нижней части фильтрующего элемента 6. К моменту достижения укрупненными каплями воды наружной поверхности стенки 12 больщинство из них оказывается в нижней части элемента 6 верхнего яруса и вблизи дна 11 элемента 6 нижнего яруса, где практически отсутствует движение жидкости. Вода, задержанная фильтрующими элементами 6 верхнего яруса, через отверстие 14 и трубку 13 стекает вниз в отстойник 2 через перфорированную перегородку 15, Туда же поступает вода, задержанная элементами 6 нижнего яруса. У фильтрующих элементов 6 нижнего яруса снижению скорости потока жидкости способствует выполнение дна 11 утолщенным. Фильтрующие элементы 6 во влажном состоянии становятся мягкими и в верхнем ярусе они несколько сжаты под действием собственного веса, а в нижнем ярусе они несколько растянуты; поэтому гидравлическое сопротивление элементов 6 верхнего яруса оказывается выше, чем у элементов 6 нижнего яруса. В результате поток очищаемой жидкости, проходящей через верхний ярус элементов 6, будет меньше, чем через элементы 6 нижнего яруса. По мере оседания в фильтрующих элементах 6 механических примесей их гидравлическое сопротивление увеличивается, причем в элементах 6 нижнего яруса этот процесс происходит быстрее. В результате поток жидкости через фильтрующие элементы 6 нижнего яруса несколько уменьшится, а через верхние элементы 6 - увеличится. При залповом попадании в фильтрсепаратор, преимущественно в фильтрующие элементы 6 нижнего яруса, большого количества механических примесей или воды фильтрующие элементы 6 верхнего яруса выполняют роль буфера, беря дополнительную нагрузку по очистке жидкости и не позволяя резко увеличиться перепаду давления на фильтрующих элементах 6 нижнего яруса, что могло бы привести к их недопустимому растяжению и частичному выбросу их них механических примесей и воды в очищенную жидкость. В заявляемом фильтре-сепараторе очистка органической жидкости от воды происходит непрерывно, а регенерацию фильтрующих элементов 6 необходимо производить лишь для удаления накопившихся в них механических примесей, что позволяет увеличить продолжительность работы фильтра-сепаратора между двумя регенерациями фильтрующих элементов 6. Для предотвращения попадания воды, задержанной  фильтрующими  элементами 6 верхнего яруса, в жидкость, очищенную фильтрующими элементами 6 нижнего яруса, установлена цилиндрическая обечайка 9, разделяющая потоки жидкости, очищенной в нижнем и верхнем ярусах фильтрующих элементов 6. Конструктивное выполнение фильтрасепаратора позволяет очень просто и достаточно эффективно производить удаление накопившихся в фильтрующих элементах 6 механических примесей. С этой целью промывочную жидкость (чистое топливо или моющий раствор) подают в направлении, обратном рабочему, а именно подают через патрубок 4, а отводят через патрубок 3. Промывочная жидкость при протекании в обратном направлении через фильтрующий элемент 6 создает перепад давления, под действием которого поливинилформаль, мягкий во влажном состоянии, начинает сжиматься в направлении от наружной поверхности фильтрующего элемента 6 к его внутренней полости. В результате перепад давления продолжает увеличиваться. Таким образом, при установлении определенного первоначального расхода промывочной жидкости через фильтрсепаратор происходит самопроизвольное сжатие материала фильтрующего элемента 6 и удаление из его пор механических примесей. Управление процессом отжатия фильтрующего элемента 6 производят путем регулирования расхода промывочной жидкости. После прекращения подачи промывочной жидкости поливинилформаль фильтрующего элемента 6 под действием упругих возвращается в исходное состояние. Для осуществления процесса регенерации фильтр-сепаратор может быть снабжен патрубками 20 и 21 соответственно для подачи и удаления промывочной жидкости.
Был изготовлен фильтр-сепаратор, включавщий 8 пар фильтрующих элементов. Фильтрующие элементы имели следующие размеры: высота - 300 мм, наружный диаметр - 160 мм, диаметр внутренней полости - 50 мм, толщина дна - 60 мм. Производительность фильтра-сепаратора составляла 15 м дизельного топлива в час при скорости фильтрации 7,5 - 10,0 м/час. Производилась очистка сильно эмульгированной смеси дизельного топлива с водой при содержании воды 0,1 - 0,2 вес. %. Фильтрующие элементы были изготовлены из поливинилформаля, полученного из композиций, состав которых приведен в таблице 1. Результаты очистки дизельного топлива приведены в таблице 2. Содержание компонентов в композиции
№ образцаПоливиниловый Картофельный Формальдегид,
поливинилформаля спирт, вес.% крахмал, вес.%вес.%
10
Таблица 1.
Примечание: вода - остальное. Результаты очистки дизельного топлива
№ композицииСодержание воды, вес. %
10,008 (проба топлива замутненная, после отстаивания
воды на дне нет)
20,006 (проба топлива практически прозрачная)
3менее 0,005 (проба топлива прозрачная)
4менее 0,005 (проба топлива прозрачная)
50,007 (проба топлива слабо замутненная, после
отстаивания воды на дне нет)
60,010 (проба топлива замутненная, после отстаивания
на дне замечены мелкие капли воды)
Результаты очистки дизельного топлива показывают, что фильтрующие элементы, изготовленные из поливинилформаля, полученного из композиции заявленного качественного и количественного состава, обеспечивают эффективную очистку топлива от эмульгированной в нем воды.
Таблица 2