МЕМБРАННЫЙ ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖИДКИХ И ПАРОГАЗОВЫХ СРЕД

Изобретение относится к фильтрующим элементам, предназначенным для очистки жидкостей и газов, в том числе пара, в диапазоне температур от 20°С до 250°С.
Известен фильтрующий элемент, состоящий из органической пористой подложки с нанесенной на ее поверхность фильтрующей мембраной, выполненной из одного из металлов Ti, Zr, Hf, Cr, Al, Ni и нержавеющей стали, либо их оксинитридов, либо их нитридов, имеющей низкую адгезию к осадкам очищаемой среды [Патент на изобретение РФ №2148679 «Фильтрующий элемент и способ его изготовления », МКИ С23С 14/20, опубл. 10.05.2000]. При этом диаметр пор органической пористой подложки больше диаметра пор фильтрующей мембраны, а толщина фильтрующей мембраны составляет 7-12 мкм.
Недостатками известного устройства является:
- относительно низкая температура его эксплуатации (при нагревании до 70-80°С органическая подложка начинает размягчаться);
- относительно низкое давление фильтрации жидкой или газовой среды (не более 0,50-0,55 МПа), т.к. при более высоком давлении фильтрации происходит разрыв или макродеформация органической подложки.
Известен углеродный фильтрующий материал, содержащий волокно из углерода с нанесенными на поверхность волокон либо одного слоя покрытия из карбида кремния, либо слоя из карбида титана, либо их смеси, либо двумя слоями с общей толщиной слоя 100 - 500 нм [Патент РФ на изобретение №2155629 «Углеродный фильтрующий материал». МКИ7 В01D 39/06, опубл. 10.09.2000 г.].
Недостатком известного фильтрующего материала является низкая пластичность углеродного фильтрующего материала. При больших скоростях и давлениях фильтрации происходит разрушение углеродных волокон, наблюдается их осыпание и попадание ультрадисперсного порошка в очищаемую среду.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является фильтроэлемент выполненный из порошкового металлического материала методом порошковой металлургии, например из титана и (или) его сплавов [Свидетельство на полезную модель РФ №27498 «Фильтр». Опубликовано 10.02.2003].
Известный элемент тонкой очистки выполнен из измельченной титановой стружки и/или отходов титана и его сплавов. Конструкция и материал фильтроэлемента позволяет проводить очистку различных жидкостей (пищевых, технических, агрессивных и др.), парожидкостных, газо-воздушных сред при температурах до 250°С и выше, однако, он не обеспечивают очистку среды в режиме ультрафильтрации, не может быть использован для удаления из очищаемой жидкости растворенных примесей
- ионов, а также в нем использован принцип объемной фильтрации.
Недостатками известного технического решения являются:
- относительно быстрое забивание фильтроэлемента, существенно уменьшающее эксплуатационный ресурс и требующее применения интенсивных методов восстановления (регенерации) его работоспособности;
- ограниченное число регенераций фильтроэлемента.
Предложенное техническое решение позволяет исключить указанные недостатки, а именно, исключить забивание фильтроэлемента и увеличить число его регенераций.
Технический результат состоит в увеличении эксплуатационного ресурса мембранного фильтрующего элемента и расширить его функциональные возможности.
Для исключения указанных недостатков в мембранном фильтрующем элементе для очистки жидких и парогазовых сред, состоящем из полого пористого цилиндра, первого и второго адаптеров, присоединенных к торцам полого пористого цилиндра, первой фильтрующей мембраны, сформированной на внешней поверхности полого пористого цилиндра и выполненной из металла, сплава или нержавеющей стали, причем эквивалентный диаметр сквозных пор полого пористого цилиндра больше эквивалентного диаметра сквозных пор первой фильтрующей мембраны, предлагается на наружной поверхности первой фильтрующей мембраны сформировать вторую фильтрующую мембрану, выполненную из керамического материала.
В частных случаях выполнения мембранного фильтрующего элемента предлагается:
- первую фильтрующую мембрану выполнить из металла, например, из титана, циркония, хрома, никеля или алюминия;
- в качестве керамического материала используют нитрид алюминия, нитриды, оксиды или карбиды хрома, титана или циркония;
- керамический материал использовать с удельным сопротивлением 0,03-0,85 МОм и эквивалентным диаметром сквозных пор 0,05-0,15 мкм;
- пористость первой и второй фильтрующих мембран обеспечить соответственно 15-20 об.% и 7-13 об.%;
- в первой и второй фильтрующих мембранах использовать наноструктуру с линейным размером субзерен 10-15 нм;
- суммарную толщину первой и второй фильтрующих мембран обеспечить равной 7
- 15 мкм, а отношение толщин первой и второй фильтрующих мембран - 0,5-0,7;
- стенку полого пористого цилиндра выполнить с толщиной 1,0-3,0 мм, со средним диаметром сквозных пор 2-3 мкм и с объемной открытой пористостью - 45-55 об.%;
- второй адаптер выполнить в виде конуса с углом раскрытия равным 100-120°.
Новым техническим результатом является многофункциональный, высоко производительный фильтрующий элемент, обеспечивающий эффективность процесса фильтрации различных сред химического и фазового состава: жидких, водных, газообразных, парообразных, газо-жидкостных в том числе химически агрессивных, с температурой до 250°С. Степень очистки фильтрующего элемента составляет от всех типов загрязнений 99,6-99,9%. Технический результат достигается значительным увеличением тонкости фильтрации, за счет создания наноструктуры мембраны и увеличения поверхности фильтроэлемента за счет высокой пористости фильтрующих мембран.
Сущность изобретения поясняется на фигуре, на которой представлено продольное
осевое сечение мембранного фильтрующего элемента для очистки жидких и парогазовых сред. На фигуре приняты следующие обозначения: 1 - вторая фильтрующая мембрана; 2 - второй адаптер; 3 - первая фильтрующая мембрана; 4 - первый адаптер; 5 - полый пористый цилиндр.
Мембранный фильтрующий элемент для очистки жидких и парогазовых сред состоит из полого пористого цилиндра 5, первого 4 и второго 2 адаптеров, первой 3 и второй 1 фильтрующих мембран.
Первый 4 и второй 2 адаптеры присоединены к торцам полого пористого цилиндра 5.
Первая фильтрующая мембрана 3 сформирована на внешней поверхности полого пористого цилиндра 5 и выполнена из металла. Например, в первой фильтрующей мембране 3 использованы титан, цирконий, хром, никель или алюминий. Перечисленные металлы в процессе формирования первой фильтрующей мембраны образуют максимально однородную структуру по объемной открытой пористости.
Эквивалентный диаметр сквозных пор полого пористого цилиндра 5 больше эквивалентного диаметра сквозных пор первой фильтрующей мембраны 3. Первая фильтрующая мембрана выполняет функцию промежуточного слоя, чтобы создать условия для формирования второй фильтрующей мембраны с заданным эквивалентным диаметром сквозных пор.
На наружной поверхности первой фильтрующей мембраны 3 сформирована вторая фильтрующая мембрана 1. Вторая фильтрующая мембрана 1 выполнена из керамического материала. В частности, во второй фильтрующей мембране 1 в качестве керамического материала используют нитрид алюминия, нитриды, оксиды или карбиды хрома, титана или циркония. Керамический материал имеет удельное сопротивление 0,03-0,85 МОм и эквивалентный диаметр сквозных пор 0,05-0,15 мкм. Диапазон удельного сопротивления 0,03-0,85 МОм второй фильтрующей мембраны 1 вытекает из условия заданного эксплуатационного ресурса мембранного фильтрующего элемента в целом. Значения удельного сопротивления меньше 0,03 МОм недопустимы, т.к. в составе второй фильтрующей мембраны 1 будет присутствовать в основном металлическая фаза, которая имеет низкую коррозионную стойкость в парогазовых средах. Если задавать удельное сопротивления больше 0,85 МОм, то в процессе формирования второй фильтрующей мембраны 1 возникает 100% брак, т.к. мембрана растрескивается. Эффективность очистки жидких и парогазовых сред становится недопустимо низкой (30-40% и ниже).
Пористость первой 3 и второй 1 фильтрующих мембран составляет соответственно 15-20 об.% и 7-13 об.%. Пористость первой фильтрующей мембраны 3 и второй фильтрующей мембраны 1 не должна выходить из суммарного интервала значений 7-20 об.%. Значения пористости меньше, чем 7 об.%, недопустимы, т.к. это приводит к резкому повышению перепада давления фильтрации по сечению мембран. В свою очередь для сброса осадков (регенерации) со второй фильтрующей мембраны 1 требуется еще более высокий перепад давления по ее сечению. В этом случае число регенераций второй фильтрующей мембраны 1 сокращается в разы и, следовательно, сокращается в разы эксплуатационный ресурс мембранного фильтроэлемента в целом.
Первая 3 и вторая 1 фильтрующие мембраны имеют наноструктуру с линейным размером субзерен 10-15 нм, их суммарная толщина первой и второй фильтрующих мембран составляет 7-15 мкм, а отношение толщин первой 3 и второй 1 фильтрующих мембран равно 0,5-0,7. Первая 3 и вторая 1 фильтрующие мембраны имеют высокоразвитую поверхность границ (нанощелей) субзерен, т.к. формирование первой 3 и второй 1 фильтрующих мембран сопровождается образованием структуры наноразмерного масштаба. Через нанощели фильтруемая среда легко проникает в полый пористый цилиндр 5 при перепаде давления на первой 3 и второй 1 мембранах большем 0,5 атм.
Стенка полого пористого цилиндра 5 имеет толщину 1,0-3,0 мм, средний диаметр сквозных пор 2-3 мкм и объемную открытую пористость 45-55 об.%. Меньше 1,0 мм стенка полого пористого цилиндра 5 не может быть, т.к. она в процессе очистки жидкости или парогазовой вибрирует, и вторая фильтрующая мембрана трескается и частично осыпается с ее поверхности. Больше 3,0 мм стенка полого пористого цилиндра 5 также не может быть в силу того, технология изготовления мембранного фильтроэлемента сильно усложняется, возрастает также стоимость его.
Первый адаптер 4 предназначен для герметичного соединения мембранного фильтрующего элемента с фильтром.
Второй адаптер 2 выполнен в виде конуса с углом раскрытия равным 100-120°. Он выполняет функцию рассекателя на входе фильтруемой среды в полый пористый элемент 5 и обеспечивает равномерность ее распределения вокруг мембранного фильтрующего элемента. Отклонение в любую сторону от интервала допустимых значений угла раскрытия конуса 100-120° приводит к турбулизации потока очищаемой среды и, следовательно, к снижению скорости мембранной очистки жидкости или парогазовых сред.
Фильтрующий элемент обеспечивает фильтрацию различных сред химического и фазового состава: водных, газообразных, парообразных, в том числе химически агрессивных, с температурой до 250°С. Степень очистки фильтрующего элемента составляет 99,6%.
Благодаря выполнению второй фильтрующей мембраны 1 из электроизоляционной керамики на нем слабо прилипают осадки и при регенерации они легко сбрасываются.
3
Фильтрующий элемент является универсальным, многофункциональным, он обладает стойкостью к коррозии и может быть использован для очистки различных жидких и парогазовых сред. Скорость фильтрации, например, водяного пара составляет 90-110 м/час.
Мембранный фильтрующий элемент работает следующим образом.
Мембранный фильтрующий элемент помещают в очищаемую среду. Обеспечивают перепад давления больший 0,05 МПа на первой 3 и второй 1 фильтрующих мембранах, например, с помощью насоса. Очищаемую среду пропускают соответственно через вторую 1, первую 3 и сквозные поры полого пористого цилиндра 5. Далее очищенную среду отводят из полого пористого цилиндра 5 через второй адаптер 2 в накопительную емкость.
Пример конкретного исполнения устройства
Фильтрующий элемент содержит полый пористый цилиндр 5, выполненный из нержавеющей стали с толщиной стенки 1,5±0,1 мм, имеющий средний диаметр сквозных пор 2,5±0,3 мкм и объемную открытую пористость 50±5 об.%. На торцевых поверхностях снизу и сверху фильтрующего элемента установлены адаптеры 2, 3, соответственно.
На внешнюю поверхность полого пористого цилиндра 6 из нержавеющей стали 1Х18Н10Т нанесена первая 3 и вторая 1 фильтрующая мембрана (фиг.1). Первая фильтрующая мембрана 3 выполнена из тугоплавкого металла - титана марки ВТ1 - 00 толщиной 4±1 мкм и имеет средний диаметр сквозных пор 0,4±0,1 мкм и объемную пористость 17,5±2.5 об.%. Вторая фильтрующая мембрана 1 выполнена из электроизоляционной керамики - нитрида алюминия (A1N) толщиной 7±1 мкм, имеет средний диаметр сквозных пор 0,10±0,5 мкм и объемную пористость 10±3 об.%. То есть, общая толщина первой 3 и второй 1 фильтрующих мембран на полом пористом цилиндре 5 составляет 11±1 мкм.
Удельное сопротивление второй фильтрующей мембраны 1 составляет 0,75±0,03 МОм. Вторая фильтрующая мембрана 1 имеет наноструктуру с линейным размером субзерен 12,5±2,5 нм.
Второй адаптер 2 на входе фильтруемой среды выполнен коническим и служит рассекателем, обеспечивая равномерное растекание жидкости или парогазовой среды по поверхности наружной стенки фильтрующего элемента. Угол раскрытия конуса второго адаптера 2 составляет 100° и обеспечивает равномерное растекание очищаемой среды по всей поверхности второй фильтрующей мембраны 1. Фильтруемая среда - водяной пар под давлением 3 атм. при температуре 175°С. Анализ показал, что очищенный конденсат не содержит взвесей (эффективность очистки ~99,6%), а фильтрат имеет прозрачность двойного дистиллята.
Таким образом, заявленный мембранный фильтрующий элемент обеспечивает эффективность процесса ультрафильтрации жидких и парогазовых сред в интервале температур от 20°С до 250°С. Степень очистки фильтруемых сред составляет 99,6%.