УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФИЛЬТРАЦИИ И ОТБОРА ПРОБ ЖИДКОСТЕЙ В СОСУДАХ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
APPARATUS FOR FILTERING AND SAMPLING LIQUIDS IN PRESSURE VESSELS

Устройство для фильтрации и отбора проб жидкостей в сосудах под давлением относится к обогатительно-металлургической и химической областям промышленности, а именно к средствам контроля химического состава раствора в автоклавах, резервуарах, трубах или других емкостях, где рабочая среда находится при высоких давлениях и температурах.
Известна «Система отбора и доставки проб фильтратов для ионометрии» (патент R.U №2244281, опубл. 10.08.2004 г.). Система отбора и доставки проб фильтрата для ионометрии содержит фильтр, погруженный в исследуемую среду и связанный с накопительной емкостью, источник вакуум-давления, который через пневмотрубку соединен с верхним отверстием накопительной емкости. Система содержит пробоприемную емкость, связанную с накопительной емкостью, и устройство управления, первый выход которого соединен с источником вакуум-давления. Накопительная емкость разделена на камеру промывки и камеру отправки. Нижнее отверстие камеры промывки является нижним отверстием накопительной емкости, а боковое отверстие камеры отправки является боковым отверстием накопительной емкости. Внутри камеры промывки установлен плавающий клапан с возможностью перекрывания нижнего и верхнего отверстия. Фильтр соединен через пробоотборную трубку с нижним отверстием накопительной емкости. Боковое отверстие накопительной емкости через транспортную трубку соединено с пробоприемной емкостью и измерительным входом анализатора. В транспортной трубке установлен датчик протока и обратный клапан. Выход датчика протока соединен с входом устройства управления, второй выход которого соединен с управляющим входом анализатора. Система позволяет повысить точность измерения ионного состава пробы и увеличивает срок службы фильтра за счет улучшения условий его регенерации.
Недостатком данного устройства является невозможность его использования в системах, работающих под давлением и при высоких температурах. Накопительная емкость из-за конструктивного исполнения не позволяет получать представительные пробы в динамично меняющихся системах.
Известно изобретение «Устройство для отбора проб из емкости под давлением» (патент RU №2400724, опубл. 13.04.2009 г.). Пробоотборное устройство содержит корпус с торцевым уплотнением, пробозаборную трубку с запорным краном и гибким армированным шлангом с ферромагнитным наконечником и постоянный магнит. В емкости вертикально и герметично от низа до верха расположен полый кожух из диамагнетика или парамагнетика, внутри которого по всей высоте емкости находится линейный электродвигатель с постоянным магнитом, закрепленный к подвижному индуктору электродвигателя через прокладку из магнитонепроницаемого материала и способный вертикально перемещаться по неподвижному вторичному элементу электродвигателя совместно с его индуктором с остановкой в необходимой точке вторичного элемента. Напротив постоянного магнита с внешней стороны кожуха постоянно находится ферромагнитный наконечник гибкого шланга, удерживаемый в таком положении силой магнитного притяжения. Достигаемый при этом технический результат заключается в осуществлении поинтервального отбора жидкости и газа из емкости.
Недостатком данного устройства является неспособность работы в агрессивных условиях (сильно кислых средах), отсутствие фильтрующего элемента, устройство предназначено только для больших сосудов 5-200 м3, отбор проб может осуществляться только в статичных системах.
Известно изобретение «Устройство для отбора изокинетических проб рабочей среды» (патент RU №2095777, опубл. 10.11.1997 г.), имеет по меньшей мере одно отверстие для отбора проб и содержит силовой цилиндр со штоком, запорный клапан, соединенный с силовым цилиндром и выполненный с возможностью соединения с указанным отверстием для отбора проб, и зонд, связанный со свободным концом штока силового цилиндра. Зонд установлен с возможностью аксиального перемещения из устройства через запорный клапан для ввода через отверстие для отбора проб в поток рабочей среды и имеющий по меньшей мере одно приемное отверстие, сообщающееся с каналом внутри штока силового цилиндра. Шток выполнен в виде двух коаксиально установленных внутренней и наружной трубок. Зонд смонтирован на внутренней трубке. На свободном конце наружной трубки выполнено дополнительное приемное отверстие. В зонде приемное отверстие и приемное отверстие в трубчатом штоке смещены друг относительно друга на угол 180°C. Приемное отверстие в зонде обращено в противоположную потоку рабочей среды сторону для забора заданной части потока во внутреннюю трубку.
Недостатком изобретения является отсутствие фильтрации в конструкции, что является необходимым условием для анализа и контроля раствора в условиях рабочих сред, для которых предусмотрено данное пробоотборное устройство.
Известно техническое решение по патенту (SU №853103, опубл. 22.11.1979 г.), «Устройство для фильтрации и отбора проб жидкостей», включающее в себя диафрагменный насос, в него вмонтирован фильтрующий элемент. Верхняя часть камеры снабжена мембраной, связанной полым штоком с механизмом возвратно-поступательного перемещения. Кроме того, шток соединяет внутреннюю полость камеры насоса через штуцер и гибкий шланг с выпускным клапаном. Дросселем регулируют количество раствора, направляемого на отмывку фильтрующего элемента и в анализатор. Камера насоса размещена непосредственно в фильтруемой жидкости.
Недостатком данного устройства является невозможность его использования в системах, работающих под давлением и при высоких температурах, т.к. его конструктивное исполнение не предусмотрено для применения в таких рабочих средах.
Известна «Система автоматического отбора, подготовки и доставки проб фильтратов» (патент RU №2331055, опубл. 20.02.2006 г.), выбранная за прототип, система автоматического отбора, доставки и подготовки проб фильтратов содержит фильтр, установленный в герметичной пробоотборной емкости, соединенный через пробоприемную трубку и прямой клапан с накопительной емкостью. Прямой клапан выполнен в виде неуправляемого шарового или лепесткового клапана. Накопительная емкость снабжена первым датчиком уровня. Система снабжена управляемым источником вакуум-давления, который содержит включенный в магистраль сжатого воздуха первый электромагнитный клапан и прямой канал эжектора, а также второй электромагнитный клапан и отборный клапан. Система имеет транспортные трубки, пробоприемную емкость, устройство управления, герметичную пробоотборную емкость и анализатор. В систему введена приемоотправительная станция, выполненная в виде герметичной емкости, снабженной в нижней ее части управляемым двухходовым диафрагменным клапаном, а в верхней - поплавковым запорным клапаном, расположенным в цилиндрической ее части. Приемоотправительная станция снабжена штуцером подачи в нее воды, используемой для промывки линии доставки пробы. В систему введен блок фильтрации между пробоотборником и приемоотправительной станцией. Блок фильтрации состоит из герметичной переливной емкости с расположенным в ней фильтроэлементом управляемого диафрагменного донного клапана, переливного штуцера, диафрагменного сбросного клапана и емкости накопления фильтрата для последующей регенерации фильтроэлемента. Фильтроэлемент герметично соединен с емкостью накопления объема фильтрата для последующей регенерации фильтроэлемента. К нижней части переливной емкости присоединен управляемый диафрагменный донный клапан. Верхняя часть выполнена с переливным штуцером, соединенным с диафрагменным сбросным клапаном.
Недостатком данного устройства является то, что фильтрация осуществляется вне рабочей среды, вследствие чего изменяются физические параметры (температура, давление), при которых происходит разделение твердой фазы от раствора, что в свою очередь изменяет химический состав фильтрата.
Техническим результатом является повышение точности получения представительной пробы по химическому составу из сред, протекающих в условиях высоких температур и давлений, что позволит повысить точность контроля химического состава раствора, в частности технологических параметров гидрометаллургических автоклавных комплексов.
Технический результат достигается тем, что фильтрующий элемент расположен в рабочей среде, который герметично соединен с емкостью накопления объема фильтра, закрепленной на линии отвода пробы, и для регенерации фильтрующей поверхности введен гидравлический пульсатор давления, который установлен на линии отвода пробы между шаровым клапаном и шайбой сопротивления, через которую подается проба в пробоприемник в виде герметичной емкости, имеющей водоохлождаемую рубашку, расположенную в конце линии для отвода фильтрата, снабженной в нижней ее части управляемым двухходовым клапаном, штуцером для подачи в нее воды, используемой для линии доставки пробы.
Сущность технического решения поясняется чертежом. Устройство для фильтрации и отбора проб состоит из фильтрующего элемента 1, изготовленного из пористого Ti, стойкого к химическому воздействию агрессивной рабочей среды. Фильтр выполнен в виде цилиндра, установленного на линии 2 для отвода фильтрата. В линии 2 установлен шаровой клапан 10, далее установлен гидравлический пульсатор давления 4, который создает избыточное гидравлическое давление в линии 2 для отмывки фильтрующей поверхности. Шайба сопротивления 5 изменяет соотношение количества раствора, направляемого на отмывку фильтрующего элемента и в пробоприемник. Эта функция может быть выполнена с помощью шарового клапана 11. Пробоприемник 6, как и линия 2, изготовлены из химически стойких материалов Ti или из различных легированных сталей. Для работы пробоприемника используются шаровой клапан 12 для сброса абгаза и двухходовой мембранный клапан 9 - для слива фильтрата. Пробоприемник 6 снабжен водоохлаждаемой рубашкой 7. Контроль фильтрации осуществляется по разности давлений установленными манометрами в рабочей среде, манометром 14 и в линии отвода фильтрата - манометром 15. Промывка системы осуществляется подачей воды 3 в линию через шаровой клапан 13. Управление системой и передачу информации производят контроллером 8, управляющими электромагнитными шаровыми клапанами 10-13 и трехходовым мембранным клапаном в соответствии с циклограммой.
Фильтрующий элемент выполнен из металлического пористого титана, стойкого к агрессивным воздействиям рабочих сред, который герметично соединен с емкостью накопления объема фильтрата. При отборе пробы фильтруемая жидкость проходит через фильтрующий элемент за счет создания давления рабочей средой. Для обеспечения равномерного отбора фильтрата из гидросмесей с большим содержанием твердых частиц в линии отбора пробы используется гидравлический пульсатор давления (ГПД). Часть отфильтрованной жидкости идет на отмывку фильтрующего элемента, а часть поступает в пробоприемник. Таким образом, при каждом создании избыточного давления с помощью ГПД в линии 2 происходит отмыв фильтрующего элемента, что делает поток фильтрата стабильным.
Для направления большего количества раствора на фильтрующий элемент, а не в пробоприемник, в линию отбора пробы установлена шайба сопротивления. Дополнительно для регулирования потока раствора используется в качестве дросселя шаровой клапан, расположенный между шайбой сопротивления и пробоприемником.
Манометр, расположенный на линии отвода пробоотбора, выполняет функцию контроля фильтрации. По разности давления рабочей среды и давления в линии можно судить о состоянии фильтрации.
Пробоприемник выполнен в виде герметичной емкости, снабженной водоохлаждаемой рубашкой для охлаждения фильтрата. Для слива раствора в нижней части пробоотборника используют управляемый шаровой клапан и двухходовый диафрагменный клапан. Клапан, расположенный над пробоприемником, необходим для сброса абгаза, нижний - для слива раствора. Для промывки линии доставки пробы используют штуцер, подавая в него промывную воду.
Линия для отвода фильтрата выполнена из стойкого сплава в силу воздействия агрессивных растворов, высоких температур и давлений.
Блок управления, индикации и передачи информации снабжен программируемым логическим контроллером и программой для контроля отбора пробы. Устройство для фильтрации и отбора проб жидкостей в сосудах под давлением может работать как в автоматическом, так и в ручном режиме.
Устройство для фильтрации и отбора проб жидкостей в сосудах под давлением работает следующим образом. В начальный момент все клапаны закрыты. По сигналу от контроллера 8 происходит открытие шарового клапана 10, линия 2 отвода фильтрата заполняется раствором. При достижении минимальной разности давлений манометров 14 и 15 происходит включение гидравлического пульсатора давления 4. Открывается шаровой клапан 11, фильтрат поступает в пробоприемник. Когда разность давления на манометрах 14 и 15 приближается к нулю, что контролирует заполнение пробоотборника, закрывается клапан 11. Через некоторое время фильтрат охлаждается водоохлаждаемой рубашкой 7 до приемлемой температуры, после чего происходит слив фильтрата путем последовательного открытия шарового клапана 12 и двухходового мембранного клапана 9 на слив в емкость для фильтрата 16. Затем происходит промывка системы подачей воды 3 в линию через шаровой клапан 13 и переключением трехходового диафрагменного клапана на слив в емкость для промывного раствора 17. При необходимости цикл заполнения пробоотборника повторяют. По окончании отбора отключается гидравлический пульсатор давления, закрывается шаровой клапан 10 и последовательно открываются клапаны 11, 9 и 12 для сброса давления в линии 2.
Изобретение позволяет повысить точность контроля технологических параметров, своевременно выявить технологические расстройства и устранить их за счет получения более достоверных данных о химическом составе раствора, что обеспечивает повышение технико-экономических показателей процессов, протекающих в частности в гидрометаллургических автоклавных комплексах.