Секторный элемент дискового керамического фильтра и фильтровальная установка на его основе
Группа изобретений относится к фильтровальным установкам с дисковыми вращающимися фильтрующими элементами и может быть использована при проведении различных технологических процессов, связанных с разделением суспензий на жидкую и твердую фазы. Керамический секторный элемент дискового фильтра включает два фильтрующих слоя, разделенных между собой дистанцирующими элементами и внутренней камерой, сообщенной через горловину и полый вал с распределительной головкой фильтровальной установки. Внутренняя камера сформирована в виде совокупности двух полостей, каждая из которых выполнена в виде системы радиальных и поперечных трубчатых каналов, сообщенных между собой в форме сетевой структуры, распределенной с равномерной плотностью в керамическом материале у одной из фильтрующих поверхностей сектора. Радиальные каналы каждой из полостей сообщены между собой и радиальными каналами другой полости в центральной части сектора и подсоединены к двум патрубкам, размещенным со смещением между собой в поперечном направлении. Фильтровальная установка для разделения суспензии содержит корпус, ванну для суспензии, вращающийся полый вал, на котором закреплены дисковые фильтрующие элементы, собранные из керамических секторов с внутренней камерой. Внутренняя камера соединена патрубком с полостью вала и с распределительной головкой, подключенной к вакуумному насосу. Техническим результатом является повышение надежности фильтровальной установки за счет повышения прочности керамического сектора фильтровального элемента в условиях воздействия гидродинамических ударных нагрузок в режиме регенерации фильтрующих свойств сектора. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к фильтровальным установкам с дисковыми вращающимися фильтрующими элементами и может быть использовано при проведении различных технологических процессов, связанных с разделением суспензий на жидкую и твердую фазы.
Фильтровальные установки с дисковыми вращающимися фильтрующими элементами широко используются при проведении различных технологических процессов и являются эффективным средством разделения суспензий. Фильтрующий элемент в этих установках представляет собой относительно тонкий диск, который сформирован из нескольких фильтрующих секторов, которые закреплены на горизонтальном, полом валу. Боковые стенки каждого сектора выполняются из фильтрующих материалов и образуют между собой внутреннюю полость, которая сообщена с полостью вала. Процесс разделения фаз при фильтрации суспензий осуществляют за счет капиллярных сил и перепада давлений, который чаще всего формируют путем создания разрежения во внутренних полостях фильтрующих секторов, соединенных через пустотелый вал и распределительное устройство с вакуумным насосом. При вращении вала сектора фильтрующих дисков периодически погружаются в суспензию, при этом жидкость из суспензии под действием перепада давлений фильтруется через боковую поверхность секторов, поступает во внутреннюю полость сектора, а затем в полость вала и выводится из установки. На наружной фильтрующей поверхности секторов в стадии фильтрации формируется слой осадка из твердых частиц, который после подъема сектора выше уровня суспензии механически удаляется с его поверхности. Эффективность процесса фильтрации и регенерации дисковых фильтрующих элементов в каждом конкретном технологическом процессе зависит, прежде всего, от характеристик суспензии, свойств фильтрующего материала и конструкции фильтрующих секторов.
Известен сектор дискового фильтра, содержащий фильтрующий каркас, выполненный в форме кругового сектора из пористой керамики, сектор содержит внутреннюю полость, которая сообщена с патрубком для отвода жидкости (RU 2200613). Фильтрующий каркас образован сферическими частицами электрокорунда с изменяющимся соотношением их размеров по толщине фильтрующего слоя для формирования пор, размеры которых увеличиваются в направлении выхода фильтрата, причем отношение размера частиц на наружной стороне фильтрующей поверхности к размеру частиц на внутренней его поверхности выбрано в диапазоне от 0,02 до 0,05. В полости между фильтрующими слоями параллельными рядами в двух взаимно перпендикулярных направлениях расположены внутренние элементы, выполненные заодно с фильтрующим каркасом. Недостатком известного устройства является наличие прямоточных каналов, которые не предохраняют от гидравлического удара при регенерации и приводит к деградации конструкционной прочности фильтрующих слоев.
Известен пористый керамический сектор для формирования дискового фильтрующего элемента, содержащий два фильтрующих плоских слоя, разделенные между собой первичными и вторичными элементами, которые образуют полость, сообщенную с отверстием для отвода фильтрата (RU 2217214). Вторичные дистанционные элементы сектора расположены так, что образуют сеть разветвленных каналов. Один из вторичных дистанционных элементов расположен напротив сливного отверстия для снижения гидродинамического воздействия жидкости на внутренние поверхности фильтрующих слоев при регенерации фильтрующих свойств фильтрующих слоев сектора. Недостатком известной конструкции является недостаточная прочность сектора при регенерации фильтрующих слоев, поры которых закупорены твердыми частицами наноразмерной величины. Для регенерации пористых керамических материалов в этом случае приходится использовать достаточно высокое давление промывной жидкости, которое повышает вероятность формирования гидравлических ударов и разрушения фильтрующих слоев керамического сектора.
Известен секторный элемент дискового керамического фильтра, содержащий два фильтрующих плоских слоя, между которыми размещены первичные и вторичные дистанционные элементы, формирующие между слоями внутреннюю полость (RU 2405615). Вторичные дистанционные элементы конструктивно совмещены с первичными дистанционными элементами, а полость разделена на две равные камеры перегородкой, расположенной параллельно фильтрующим слоям. Первичные и вторичные дистанционные элементы соединены в блок и образуют совместно с каналами и сливным отверстием единую полость. Такая конструкция секторного элемента, которая является наиболее близкой по конструкции и достигаемому результату к предлагаемой конструкции, позволяет ослабить гидравлические удары в полости сектора путем дробления струи регенерирующей жидкости внутренней перегородкой, а конструктивное объединение периферийных вторичных дистанционных элементов с первичными дистанционными элементами позволяет повысить прочность секторных элементов дискового керамического фильтра. Однако известная конструкция не обеспечивает равномерную работу двух слоев фильтрации из-за высокой вероятности смещения внутренней перегородки относительно центра сливного отверстия при формовании и спекании керамического сектора в процессе его изготовления. Это приводит к неравномерному осаждению кека на наружной поверхности первого и второго фильтрующих слоев при фильтрации и неравномерной регенерации фильтрующих слоев сектора. В процессе эксплуатации секторных элементов исходная неоднородность гидродинамических условий работы фильтрующих слоев усиливается за счет неравномерного износа стенок сливного отверстия и примыкающих к нему стенок перегородки. Это приводит к дополнительному снижению эффективности фильтрации и повышению вероятности разрушения одного из фильтрующих слоев или перегородки при формировании условий гидравлического удара.
Известна фильтровальная установка для выделения из суспензии фильтровального осадка, которая содержит ванну, два вращающихся в противоположных направлениях полых вала, на которых закреплены дисковые фильтрующие элементы, собранные из керамических секторов (RU 2425710). Пустотелые стенки секторов содержат проницаемые поры, размеры которых увеличиваются от наружной поверхности фильтрующего слоя по ходу движения фильтрата. Керамические сектора соединены патрубками через пустотелый вал с распределительной головкой. Диски с секторами одного вала расположены между дисками второго вала с зазором, обеспечивающим бесконтактное вращение секторов со слоем отлагающегося на их фильтрующей поверхности осадка. Параллельные пустотелые валы объединены общим приводом и подключены к вакуумному насосу, в придонном пространстве установлены две горизонтальные мешалки, оси которых параллельны осям пустотелых валов. Изобретение позволяет увеличить производительность получения осадка с минимальным влагосодержанием и фильтрата высокой чистоты. Недостатком установки является то, что в ней использованы секторные элементы, которые не обеспечивают эффективный отвод фильтрата по каналам внутренней полости к патрубку и полости вала установки. Кроме того, повышение производительности достигается за счет использования двух систем дисковых элементов, вращающихся в разные стороны и установленных на двух полых валах с двумя распределительными устройствами. Это существенно усложняет конструкцию установки и снижает ее надежность.
Известна фильтровальная установка с дисковыми вращающимися фильтрующими элементами, которые сформированы из нескольких смежных круговых секторов, закрепленных на горизонтальном, полом валу (RU 2452553). Установка содержит корпус, ванну для суспензии, в которую частично погружены вращающиеся диски, средство для образования отрицательного давления внутри секторов, средство для отвода жидкости, средство для отделения и выгрузки твердого вещества, накопленного на наружной поверхности сектора. Смежные сектора соединены между собой с помощью торцевых соединительных узлов, а в радиальном направлении сектора объединены наружным ободом. Во внутренней полости секторов размещены боковые элементы из пластика, которые формируют несколько радиальных параллельных каналов отвода потока отфильтрованной жидкости, которые сообщены с горловиной секции. Известная установка, которая является наиболее близкой по конструкции и достигаемому результату к заявляемой конструкции, позволяет повысить эффективность фильтрации суспензии за счет интенсификации отвода отфильтрованной жидкости по нескольким параллельным каналам из внутренней полости секторов. Недостатком изобретения является сложность его использования для разделения фаз из тонких суспензий с частицами, которые отлагаются не только на наружной поверхности фильтрующего слоя, но и в порах его приповерхностного слоя. Это существенно увеличивает гидравлическое сопротивление фильтрующего слоя и требует повышенного давления при проведении регенерации его фильтрующих свойств. Кроме того, недостатком этого устройства является наличие прямоточных каналов во внутренней полости секторов, которые не предохраняют фильтрующие слои от воздействия гидравлического удара при его регенерации и от деградации фильтрующих свойств и характеристик прочности сектора.
Задачей изобретения является повышение надежности фильтровальной установки. Поставленная задача в изобретении решается за счет достижения технического результата, который состоит в повышении прочности керамического сектора фильтровального элемента в условиях воздействия гидродинамических ударных нагрузок в режиме регенерации фильтрующих свойств сектора.
Технический результат достигается тем, что в керамическом секторном элементе дискового фильтра (который включает два фильтрующих слоя, разделенных между собой дистанционирующими элементами и внутренней камерой, сообщенной через горловину и полый вал, с распределительным устройством фильтровальной установки) внутренняя камера сформирована в виде совокупности двух полостей, каждая из которых выполнена в виде системы радиальных и поперечных трубчатых каналов, сообщенных между собой в форме сетевой структуры, распределенной с равномерной плотностью в керамическом материале у одной из фильтрующих поверхностей сектора, причем радиальные каналы каждой из полостей сообщены между собой и радиальными каналами другой полости в центральной части сектора и подсоединены к двум патрубкам, размещенным со смещением между собой в поперечном направлении.
В частном варианте выполнения сектора толщина трубчатых каналов задана в пределах от 0,15 до 0,3 толщины керамического сектора.
В другом частном варианте выполнения сектора суммарная площадь сечения трубчатых каналов каждой из полостей в плоскости, параллельной фильтрующей поверхности сектора, составляет от 0,20 до 0,35 эффективной площади фильтрующей поверхности сектора.
В другом частном варианте выполнения сектора каждый радиальный канал одной полости размещен в поперечном направлении, преимущественно, в промежутке между двумя соседними радиальными каналами другой полости.
Технический результат достигается также тем, что в фильтровальной установке для разделения суспензии на жидкую и твердую фазы (установка содержит корпус, ванну для суспензии, вращающийся полый вал, на котором закреплены дисковые фильтрующие элементы, собранные из керамических секторов с внутренней камерой, которая соединена с полостью вала и с распределительной головкой, подключенной к вакуумному насосу) внутренняя камера выполнена в виде совокупности двух полостей, каждая из которых выполнена в виде радиальных и поперечных трубчатых каналов, сообщенных между собой в форме сетевой структуры и распределенных с равномерной плотностью в керамическом материале у одной из фильтрующих поверхностей сектора, причем радиальные каналы каждой из канальной систем сообщены между собой и радиальными каналами другой полости в центральной части сектора и подсоединены к двум патрубкам, размещенным со смещением между собой в поперечном направлении.
Сущность изобретения состоит в том, что приведенная выше совокупность признаков заявляемых изобретений - секторного элемента и фильтровальной установки, позволяет существенно повысить прочность керамических секторов в условиях гидродинамического воздействия (гидроудара) промывной жидкости на фильтрующие слои в фазе регенерации фильтрующих слоев. Указанный технический результат достигается за счет выполнения внутренней полости в виде двух соединенных параллельно между собой систем, каждая из которых выполнена в виде сетевой структуры из радиальных и поперечных трубчатых каналов. В соответствии с изобретением толщина трубчатых каналов задана в пределах от 0,15 до 0,3 от толщины керамического сектора, а суммарная площадь сечения трубчатых каналов в плоскости, параллельной фильтрующей поверхности сектора, составляет от 0,20 до 0,35 эффективной площади фильтрующей поверхности сектора, при этом каждый радиальный канал одной полости размещен в поперечном направлении, преимущественно, в промежутке между двумя соседними радиальными каналами другой полости. Такое соотношение геометрических размеров элементов конструкции сектора и их взаимное расположение позволяет обеспечить равномерное распределение каналов внутренней полости в керамическом материале у каждой из фильтрующих поверхностей сектора, при обеспечении высокой прочности сектора при воздействии промывной жидкости на стенки каналов в режиме регенерации. Высокая прочность керамического сектора обусловлена особенностями гашения гидродинамических нагрузок в полостях с канальной сетевой структурой, а также высокой устойчивостью трубчатых каналов к воздействию давления промывной жидкости.
Изобретение поясняется чертежами на фиг. 1 и фиг. 2, на которых приведены возможные варианты выполнения секторного элемента дискового керамического фильтра в соответствии с изобретением и общая схема фильтровальной установки на основе использования этого секторного элемента.
На фиг. 1а и фиг. 1б показано выполнение внутренних полостей в секторном элементе. На фиг. 1а показано выполнение внутренних полостей в плоскостях радиальных сечений керамического секторного элемента, перпендикулярных оси полого вала у первого и второго фильтрующих слоев. На фиг. 1б показан фрагмент поперечного сечения секторного элемента.
На фиг. 2а и фиг. 2б показан возможный вариант конструктивного выполнения фильтровальной установки. На фиг. 2а приведена общая схема фильтровальной установки. На фиг. 2б приведена схема соединения двух патрубков керамического сектора с полостью вала.
Секторный элемент дискового фильтра (фиг. 1а и фиг. 1б) состоит из керамического усеченного кругового сектора (1), двух фильтрующих слоев (1.1) и (1.2), разделенных между собой дистанционирующими элементами (1.3) и внутренней камерой. Внутренняя камера сформирована в виде двух сообщенных между собой полостей, каждая из которых выполнена в виде системы радиальных (3) и (6) и поперечных (4) и (7) трубчатых каналов. Каналы (3) и (4) размещены преимущественно в первой радиальной плоскости сечения, сообщены между собой в форме сетевой структуры и распределены с равномерной плотностью в керамическом материале вблизи поверхности фильтрующего слоя (1.3). Каналы (6) и (7) размещены преимущественно во второй радиальной плоскости сечения, сообщены между собой в форме сетевой структуры и распределены с равномерной плотностью в керамическом материале вблизи поверхности фильтрующего слоя (1.2). В центральной части (11) сектора радиальные каналы (3) первой полости сообщены между собой и радиальными каналами (6) второй полости с помощью горловин (8) и поперечных каналов (9) и подсоединены к двум патрубкам (10). Патрубки (10) размещены в центральной части (11) сектора со смещением между собой в поперечном направлении. Для закрепления секторов (1) в дисковом фильтровальном элементе по краям его центральной части выполнены отверстия (12).
Толщина (13) трубчатых каналов (3), (4), (6) и (7) задана в пределах от 0,15 до 0,. 25 толщины (14) керамического сектора (1). Суммарная площадь сечения трубчатых каналов (3), (4), (6) и (7), размещенных в первой и второй радиальных плоскостях сечения, которые параллельны наружной поверхности фильтрующих слоев (1.1) и (1.2), составляет от 0,15 до 0,25 эффективной площади фильтрующих слоев. Радиальные каналы (3) первой полости размещены в поперечном направлении, преимущественно, в промежутке между двумя соседними радиальными каналами (6) второй полости и, соответственно, радиальные каналы (6) второй полости размещены в поперечном направлении, преимущественно, в промежутке между двумя соседними радиальными каналами (3) первой полости.
Фильтровальная установка (фиг. 2а и фиг. 2б) состоит из основания (15), емкости (16) для размещения суспензии, горизонтально размещенного на основании (15) полого вала (17), на котором закреплены дисковые фильтровальные элементы (18). Каждый фильтровальный элемент (18) собран из нескольких керамических секторов (1), внутренние полости которых сообщены патрубками (10) с полостью вала (17) и распределительной головкой (19). Вал (17) приводится во вращение с помощью привода (20). Распределительная головка (19) сообщена с вакуумным насосом (не показан) или с системой подвода промывной жидкости для регенерации фильтровальных слоев (1.1) и (1.2). Со стороны поверхности фильтрующих слоев (1.1) и (1.2) каждого дискового фильтровального элемента (18) на основании (15) закреплены скребки (21) и средство для сбора твердой фазы (не показано).
Фильтровальная установка в режиме фильтрации работает следующим образом. С помощью вакуумного насоса, распределительной головки (19) и полого вала (17) в трубчатых каналах (3), (4), (6) и (7) создается разрежение. При вращении полого вала (17) керамические сектора (1) фильтрующих дисков (18) периодически погружаются в суспензию, размещенную в емкости (16). Жидкость из суспензии под действием перепада давлений фильтруется через слои (1.1) и (1.2) секторов, поступает под действием разрежения и гравитационных сил в трубчатые каналы (3), (4), (6) и (7) внутренних полостей сектора, а затем в полость вала (17) и выводится из установки через патрубок (22). При этом за счет формирования внутренней полости в виде двух сетчатых систем трубчатых каналов (3), (4), (6) и (7) обеспечивается интенсификация отвода фильтрата из полости керамического сектора фильтровального элемента.
На наружной поверхности слоев (1.1) и (1.2) в цикле фильтрации формируется слой осадка из твердых частиц (кека), который после подъема сектора (1) выше уровня суспензии и дополнительного удаления влаги механически удаляется с его поверхности с помощью скребков (21) и средства для сбора твердой фазы.
В процессе эксплуатации на внешней поверхности фильтрующих слоев 1.1 и 1.2 и в их приповерхностном объеме образуется тонкий осадок твердых частиц, который не удаляется скребками (21). Это приводит к забиванию пор фильтрующих слоев, увеличению гидравлического сопротивления фильтрующих элементов и к снижению производительности устройства. Для восстановления фильтрующих свойств фильтрующих элементов периодически проводят регенерацию путем промывки регенерирующей жидкостью. В режиме регенерации через патрубки (10) под давлением подают промывную жидкость, которая через горловины (8) поступает в трубчатые каналы (3), (4), (6) и (7), а затем проникает в открытые поры фильтрующих слоев 1.1, 1.2 и выходит вместе с твердыми частицами на наружную поверхность фильтрующих элементов с последующим поступлением в емкость (16). При подаче промывной жидкости к фильтрующим элементам разветвленная система каналов (3), (4), (6) и (7) обеспечивает дробление струи регенерирующей жидкости и снижение гидродинамического воздействия на фильтрующие слои, что повышает надежность установки.
Предлагаемая конструкция фильтрующего сектора позволяет повысить эффективность регенерации секторного керамического элемента за счет повышения скорости, давления и равномерности подачи регенерационной жидкости к фильтрующим слоям сектора со стороны внутренней полости. Этот эффект достигается за счет существенного повышения прочности керамических секторов фильтрующих элементов в условиях гидродинамического воздействия со стороны внутренней полости в цикле регенерации.
1. Керамический секторный элемент дискового фильтра, который включает два фильтрующих слоя, разделенных между собой дистанцирующими элементами и внутренней камерой, сообщенной через горловину и полый вал с распределительной головкой фильтровальной установки, отличающийся тем, что внутренняя камера сформирована в виде совокупности двух полостей, каждая из которых выполнена в виде системы радиальных и поперечных трубчатых каналов, сообщенных между собой в форме сетевой структуры, распределенной с равномерной плотностью в керамическом материале у одной из фильтрующих поверхностей сектора, причем радиальные каналы каждой из полостей сообщены между собой и радиальными каналами другой полости в центральной части сектора и подсоединены к двум патрубкам, размещенным со смещением между собой в поперечном направлении.
2. Керамический секторный элемент по п. 1, отличающийся тем, что диаметр трубчатых каналов задан в пределах от 0,15 до 0,3 толщины керамического сектора.
3. Керамический секторный элемент по п. 1, отличающийся тем, что суммарная площадь диаметрального сечения трубчатых каналов в плоскости, параллельной фильтрующей поверхности сектора, составляет от 0,20 до 0,35 эффективной площади фильтрующей поверхности сектора.
4. Керамический секторный элемент по п. 1, отличающийся тем, что каждый радиальный канал одной полости размещен в поперечном направлении, преимущественно, в промежутке между двумя соседними радиальными каналами другой полости.
5. Фильтровальная установка для разделения суспензии, которая содержит корпус, ванну для суспензии, вращающийся полый вал, на котором закреплены дисковые фильтрующие элементы, собранные из керамических секторов с внутренней камерой, камера соединена патрубком с полостью вала и с распределительной головкой, подключенной к вакуумному насосу, отличающаяся тем, что камера сформирована в виде совокупности двух полостей, каждая из которых выполнена в виде сообщающихся между собой в форме сетевой структуры радиальных и поперечных трубчатых каналов, распределенных с равномерной плотностью в керамическом материале у поверхности одного из фильтрующих слоев сектора, причем радиальные каналы каждой из полостей сообщены между собой и радиальными каналами другой полости в центральной части сектора и подсоединены к двум патрубкам, размещенным со смещением между собой в поперечном направлении.
