Керамический фильтрующий элемент для очистки жидкостей и газов

 

Изобретение предназначено для фильтрации и касается конструкции фильтрующего элемента для очистки жидкостей и газов от возможных примесей. Керамический фильтрующий элемент для очистки жидкостей и газов имеет основную часть с крупными порами, которая со всех сторон, кроме стороны выхода потока, снабжена поверхностным слоем с мелкими порами. При этом удельная воздухопроницаемость материала основной части в 50-750 раз больше удельной воздухопроницаемости материала поверхностного слоя. Основная часть фильтрующего элемента может иметь форму прямоугольного параллелепипеда. Основная часть элемента может иметь форму правильного тела вращения, которое может быть снабжено центральным отверстием. Основная часть элемента может иметь внутренние пустоты в виде равномерно размещенных тупиковых углублений правильной формы. Поверхность упомянутых пустот может быть покрыта поверхностным слоем с мелкими порами. Изобретение решает задачу повышения прочности и эффективности фильтрующего элемента, а также снижения трудоемкости проектирования на его основе фильтрационных систем. 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к технике фильтрации и касается конструкции фильтрующего элемента для очистки жидкостей и газов от возможных примесей.

Фильтрующий элемент для очистки жидкостей и газов предназначен для монтажа в фильтрующие пакеты в качестве их взаимозаменяемых конструкционных составных частей и может быть использован в любых отраслях промышленности, где необходимо применение конструкционных фильтрующих систем, выполняющих функцию очистки рабочих жидкостей или газов, например воды, топлива или масел, природного газа или воздуха, а также при решении технических и экологических проблем. Среди известных фильтрующих элементов наибольшее применение получила керамическая пористая плита, имеющая форму прямоугольного параллелепипеда или круглой пластины.

Известен фильтрующий элемент, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда, применяющийся в качестве сменной детали пневмотранспортного желоба, изготовленный из однородного пористого материала [1].

Однако известная конструкция имеет следующие недостатки. При фильтрации загрязненной жидкости и газа через поры элемента частицы загрязнения попадают внутрь пор и поэтому степень регенерации такого фильтрующего элемента низка, а срок службы невелик. Для обеспечения необходимой прочности при эксплуатации такой фильтрующий элемент необходимо изготавливать значительной толщины. Это не обеспечивает необходимой удельной производительности при постоянной фильтрационной поверхности. С целью увеличения этой производительности при рациональной толщине приходится увеличивать размер пор материала фильтра. Это ухудшает его очистительные свойства, уменьшает прочность и снижает срок службы, вследствие забивания пор частицами загрязнений в объеме фильтра. При крупных порах материала фильтра последний склонен также к выветриванию, вымываемости и выкрашиваемости, а особенности в тех его частях, где имеются острые края и углы.

Известны также керамические многослойные фильтрующие элементы, предназначенные для набора в пакет, имеющие форму тел вращения с торцами сложного профиля и центральным отверстием, на поверхность которых со стороны выхода жидкости или газа нанесен слой материала с меньшими порами, чем у материала, расположенного со стороны входа потока [2].

Однако подобный многослойный фильтрующий элемент осуществляет ступенчатую очистку и так же, как и однослойный, плохо регенерируется из-за проникновения частиц загрязнений в его поры. Поэтому срок службы такого фильтрующего элемента невелик.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является фильтрующий элемент [3] , принятый за прототип. Он предназначен для отделения твердых частиц из газообразных и жидких сред и имеет стабильную по форме основную часть из проницаемого для газа и жидкости материала, которая по меньшей мере со стороны подачи потока снабжена слоем материала с меньшими порами.

Однако эта конструкция имеет ряд недостатков. Не уточняется форма фильтрующего элемента и требования к параметрам материала его слоев, а также рациональное расположение слоев с малыми порами. Это практически исключает возможность применения заложенной в прототипе идеи для практической реализации и расчета параметров фильтрующих систем, где эти фильтрующие элементы могут быть применены. Для получения таких данных с учетом свойств прототипа необходима постановка специальных эмпирических исследований по оценке параметров фильтрующего элемента при его рациональной форме. Это значительно увеличивает трудоемкость проектирования фильтрующих систем. Предъявляемое в прототипе требование к фильтрующему элементу по ограничению расположения слоя с мелкими порами по меньшей мере со стороны подачи жидкости или газа не является достаточным, так как но обеспечивает прочностных свойств фильтрующего элемента при оптимизации его эксплуатационным параметров по производительности и сроку службы.

Дело в том, что оптимальной будет такая конструкция фильтрующего элемента, которая при минимальном гидравлическом сопротивлении будет достаточно механически прочной. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы удельная воздухопроницаемость основного тела, а следовательно, и размер пор его материала во много раз превосходили воздухопроницаемость и размер пор слоя с мелкими порами. В то же время толщины основного слоя и слоя материала с мелкими порами также должны удовлетворять условиям, обеспечивающим, с одной стороны, исключение разрушения фильтрующего элемента при эксплуатации, с другой стороны, исключение значительного проникновения частиц загрязнений в глубину слоя с малыми порами. Это, в свою очередь, обеспечивает высокую степень регенерации фильтрующего элемента, что значительно увеличивает срок его службы.

Выполнить эти условия при расположении слоя с малыми порами только со стороны подачи потока практически невозможно, так как края такого фильтрующего элемента, где имеются острые углы при крупнопористой структуре материала его основной части, особенно подвержены выкрашиваемости, выветриванию и другим видам разрушения в процессе эксплуатации. Кроме того, сам крупнопористый фильтрующий элемент при недостаточной толщине слоя с мелкими порами, который по сути является упрочняющим и толщину которого необходимо уменьшать до предела по причинам, изложенным выше, склонен к растрескиванию при механических воздействиях, в особенности в процессе монтажа в пакет или кассету.

В связи с вышеизложенным для исключения такого растрескивания необходимо увеличивать толщину слоя с мелкими порами в прототипе. Это приводит, с одной стороны, к уменьшению общей производительности фильтрующего элемента, с другой стороны, к уменьшению степени регенерации прототипа обратным током ввиду проникновения частиц загрязнений на достаточно большую глубину слоя с меньшими порами.

Задачей данного изобретения является повышение прочности и эффективности фильтрующего элемента, а также снижение трудоемкости проектирования на его основе фильтрационных систем.

Поставленная задача решается за счет того, что в керамическом фильтрующем элементе для очистки жидкостей и газов, имеющем основную часть с крупными порами, которая по меньшей мере со стороны подачи потока снабжена поверхностным слоем с мелкими порами, в соответствии с изобретением основная часть элемента снабжена поверхностным слоем с мелкими порами со всех сторон, кроме стороны выхода потока, причем удельная воздухопроницаемость материала основной части в 50 - 750 раз больше удельной воздухопроницаемости материала поверхностного слоя. Основная часть элемента может иметь форму прямоугольного параллелепипеда или правильного тела вращения, которое может быть снабжено центральным отверстием.

В целях снижения веса фильтрующего элемента, дополнительного повышения производительности и жесткости конструкции за счет уменьшения толщины основной его части, а также рационального распределения массы последней по объему основная часть фильтрующего элемента может иметь геометрическую пористость в виде равномерно размещенных замкнутых пустот правильной геометрической формы, открытых с одной стороны. Поверхность этик пустот может быть покрыта поверхностным слоем с мелкими порами.

Параметры воздухопроницаемости основного и мелкопористого слоев выбраны, исходя из следующих соображений. Заявляемые фильтрующие элементы в эксплуатации наиболее рационально использовать после предварительной грубой или промежуточной очистки жидкостей или газов. Преимущественные размеры частиц загрязнений после грубой очистки находятся в пределах 60 - 10 мкм. Для осаждения таких частиц в виде осадка мелкопористый слой, согласно эмпирическим данным, должен иметь размер пор в пределах 10 - 15 мкм. Такой пористый материал при пористости 40% имеет воздухопроницаемость порядка .

Ввиду значительных размеров осаждаемых частиц осадок последних не оказывает существенного сопротивления при увеличении его толщины. Поэтому материал основного слоя элемента достаточно выбрать с воздухопроницаемостью в 50 раз больше, чем мелкопористого, т.е. от 12,5 до , что соответствует размерам пор основного слоя 70 - 100 мкм. Последний свободно пропускает частицы, меньшие 10 мкм, и практически не изменяет сопротивления в процессе эксплуатации. При промежуточной очистке фильтрата от частиц загрязнений с размерами в пределах 3 - 10 мкм по эмпирическим данным необходима керамика с размерами пор 3 - 5 мкм с воздухопроницаемостью .

При сохранении основного слоя с размерами пор 70 - 100 мкм и воздухопроницаемостью соотношение воздухопроницаемости основного и мелкопористого слоев может находиться в пределах 208 - 750.

Таким образом, при любых промежуточных значениях величин пор основного и мелкопористого слоев и размеров частиц загрязнений отношение воздухопроницаемости этих слоев может находиться в пределах 50 - 750. Для более глубокой очистки фильтрата использовать предлагаемую конструкцию фильтрующего элемента не целесообразно вследствие значительного увеличения сопротивления мелкопористого слоя даже при его весьма малой толщине, и затруднения регенерации вследствие заполнения пор мелкопористого слоя весьма малыми частицами загрязнений, освободить от которых поры практически невозможно. Таким образом, верхний предел соотношения 750 является наиболее рациональным.

При уменьшении нижнего предела соотношения воздухопроницаемостей менее 50 необходимо рассмотреть два варианта конструкции фильтрующего элемента.

1. Основной слой с размерами пор 70 - 100 мкм, мелкопористый имеет поры более 15 мкм. При этом увеличивается вероятность прохождения частиц загрязнений с размерами более 10 мкм через поры основного слоя, а следовательно, его загрязнения с ухудшением степени регенерации.

2. Мелкопористый слой с размерами пор 10 - 15 мкм (как указано выше), крупнопористый имеет размеры пор менее 70 мкм. При этом значительно увеличивается сопротивление основного слоя фильтрующего элемента и эффективность последнего значительно падает.

На фиг. 1 изображен фильтрующий элемент, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда.

На фиг. 2 изображен фильтрующий элемент, имеющий форму диска.

На фиг. 3 изображен диаметральный разрез фиг. 2.

На фиг. 4 изображен фильтрующий элемент с пустотами.

На фиг. 5 изображен фильтрующий элемент с пустотами, покрытыми поверхностным слоем (сечение в плоскости XZ).

Керамический фильтрующий элемент, изображенный на фиг. 1, имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Он имеет основную часть 1 с крупными порами и поверхностный слой 2 с мелкими порами. Направление подачи потока обозначено стрелкой.

Фильтрующий элемент, изображенный на фиг. 2 и 3, имеет форму диска с центральным отверстием. Он также имеет основную часть 1 и поверхностный слой 2. Отверстие снабжено прокладками 3. Направления подачи потока и выхода очищенного потока показаны стрелками.

Фильтрующий элемент, изображенный на фиг. 4, имеет форму прямоугольного параллелепипеда, содержит основную часть 1 и слой 2 с мелкими порами. Но в этом варианте элемент дополнительно содержит геометрическую пористость, образованную рядом равномерно размещенных замкнутых внутренних пустот в виде углублений-пазов 4, которые открыты в направлении C-C, где сопротивление фильтрующего элемента является наименьшим из-за малой его толщины. При этом направление C-C совпадает с направлением открытия пустот в сторону выхода потока из материала.

Фильтрующий элемент, изображенный на фиг. 5, также имеет форму прямоугольного параллелепипеда, содержит основную часть 1 и слой 2. Он тоже снабжен пустотами 4, но эти пустоты открыты в направлении C-C наименьшего сопротивления элемента и прохождения потока среды со стороны входа в него. Поэтому поверхность пустот 4 покрыта слоем 2 с мелкими порами.

В процессе эксплуатации работа заявляемых вариантов фильтрующих элементов, например варианта, изображенного на фиг. 3, происходит следующим образом, фильтрующий элемент с помощью прокладок 3 и центральной стягивающий перфорированной трубки (не показано) монтируется в очистное устройство таким образом, что загрязненный фильтрат поступает в направлении мелкопористый слой - основной слой (указано стрелками). Очищенный поток выходит в направлении B-B.

Вследствие малой воздухопроницаемости мелкопористого слоя, а следовательно, и малой величины пор, частицы загрязнений осаждаются на мелкопористом слое с образованием осадка. При этом частицы не попадают внутрь пор основного слоя 1. Вследствие малой толщины мелкопористого слоя 2 сопротивление последнего практически не изменяет удельную производительность элемента, которая практически приближается к удельной производительности основного слоя. Величина последнего весьма велика ввиду значительной воздухопроницаемости материала основного слоя. По мере увеличения осадка загрязнений и увеличения сопротивления элемента последний подвергается регенерации обратным током (лучше пульсирующим) жидкости или газа, который при этом беспрепятственно проходит через основной слой элемента, ввиду его незагрязненности и без значительных затрат энергии освобождает мелкопористый слой малой толщины от загрязнений.

Описанная конструкция фильтрующего элемента может быть реализована следующим образом. Известными технологическими приемами прессуют пластину из шихты, позволяющей после сушки и обжига получить материал со средним гидравлическим диаметром пор 70-100 мкм. Мелкопористый слой покрытия наносят в виде суспензии также известного состава путем окунания заготовок плиты после сушки или обжига. Возможно также нанесение покрытия путем обмазки кистью или методом пульверизации. Покрытую таким образом сухую или предварительно обожженную плиту обжигают до закрепления покрытия в обжиге.

Для сравнения в качестве базового объекта были выбраны опытные однородные керамические фильтрующие пластины, изготовленные на Корниловском заводе (г. Санкт-Петербург). Тонкость отсева таких пластин при достигнутом среднем гидравлическом диаметре пор 70-100 мкм и с учетом объемно-фильтрующего эффекта фильтрующей керамики при толщине 25 мм составляет 25-30 мкм. Но низка механическая прочность, вследствие чего значительное количество фильтрующих элементов разрушается даже при монтаже. Показано, что при нанесении только на одну поверхность пластины покрытия с меньшими порами с размером по 10-15 мкм и толщине 1,5-2,0 мм тонкость отсева фильтрующего элемента улучшается до 6-8 мкм. При этом производительность пластины уменьшается в 2-2,5 раза. Однако поверхности пластин в местах острых краев разрушаются в процессе эксплуатации. Пластина плохо поддастся регенерации из-за проникновения частиц загрязнений малых размеров вглубь мелкопористого слоя.

Для сравнения на поверхность однородных пластин был нанесен слой материала в соответствии с фиг. 1 заявляемого объекта. При этом материал слоя имел средний гидравлический диаметр пор 6-8 мкм и толщину 0,3-0,5 мкм. Показано, что при выбранной конструкции основной части элемента и расположении его слоев удельная производительность элемента по воде уменьшается в сравнении с однослойной конструкцией не более чем в 1,5 раза при тонкости отсева 2-4 мкм. При этом полностью отсутствует разрушение пластин при монтаже в фильтрующую систему и их выкрашиваемость в процессе эксплуатации. Ввиду малой толщины мелкопористого слоя частицы загрязнений малых размеров практически не проникают вглубь мелкопористого слоя, а их осадок на этом слое легко смывается обратным током воды.

Таким образом, предлагаемые в заявляемом объекте формы основной части фильтрующего элемента в виде прямоугольного параллелепипеда или тела вращения с центральным отверстием или без него, при условии отсутствия слоя с мелкими порами только на поверхности со стороны выхода потока среды, упрощают конструкцию элемента, обеспечивают его технологическую реализацию с минимальными затратами и упрощают расчеты при проектировании фильтрующих систем. Кроме того, предлагаемая конструкция позволяет обеспечить общее упрочнение элемента даже при достаточно крупных порах материала его основной части, так как все острые углы последней могут быть при выборе соответствующей конструкции упрочнены мелкопористым материалом, имеющим механическую прочность, значительно большую, чем материал основного слоя.

По причинам, изложенным выше, появляется возможность для выбора таких параметров слоев материала по прочности и толщине, при которых возможно обеспечить заданную производительность элемента или запас ее до загрязнения при минимальных толщинах основной его части и слоя с мелкими порами.

Оптимизация параметров элемента может достигнуть максимальной степени, когда внутри его будут предусмотрены упорядоченные геометрические пустоты.

ЛИТЕРАТУРА 1. Смирнова К.А. Пористая керамика для фильтрации и аэрации. Литература по строительству, Москва, 1968 г., с. 156.

2. А.с. СССР 323137, B 01 D 39/20, заявл. 1969 г.

3. Патент ФРГ 3844199, B 01 D 39/00, 1991 г.

Формула изобретения

1. Керамический фильтрующий элемент для очистки жидкостей и газов, имеющий основную часть с крупными порами, которая снабжена поверхностным слоем с мелкими порами со всех сторон, кроме стороны выхода потока, отличающийся тем, что основная часть фильтрующего элемента выполнена в формах прямоугольного параллелепипеда или тела вращения, причем удельная воздухопроницаемость материала основной части в 50 - 750 раз больше удельной воздухопроницаемости материала поверхностного слоя.

2. Керамический фильтрующий элемент по п.1, имеющий основную часть в форме прямоугольного параллелепипеда, отличающийся тем, что он имеет внутренние пустоты в виде равномерно размещенных тупиковых углублений правильной формы.

3. Керамический фильтрующий элемент по п.1, имеющий основную часть в форме тела вращения, отличающийся тем, что он имеет центральное отверстие.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5