Фильтр щелевой автоматический. Основные параметры, влияющие на правильный выбор

14 / 11 / 2016

Среди работающих под давлением промышленных фильтров непрерывного действия автоматические фильтры с обратной промывкой являются одними из наиболее универсальных и эффективных. Конструкция подобных фильтров приведена на рис. № 1.

 Фильтр автоматический самопромывной ФА-1

                                 Рис. № 1

Эффективная конструкция

Фильтр представляет собой вертикальный аппарат, в корпусе которого между верхней и нижней трубными досками по концентрическим окружностям установлены фильтрующие элементы – цилиндрические щелевые решетки. К их особенностям относятся: постоянство размера щелей и шага между ними, а также возможность изготовления с различной величиной щели (30- 1000 мкм), разной высоты и в широком диапазоне диаметров. Материальное исполнение из нержавеющих сталей аустенитного и аустенито-ферритного классов обеспечивает высокую стойкость фильтрующих элементов в различных агрессивных средах.

Нижняя трубная доска отделяет корпус от входной камеры. Загрязненная жидкость фильтруется через щелевые решетки и поступает в выходной штуцер, а осадок из примесей остается на внутренних поверхностях. Дискретно вращающийся вал-коллектор предназначен для очистки фильтрующих поверхностей методом обратной промывки. При совмещении патрубков коллектора с фильтроэлементами открывается клапан обратной промывки, и промывка производится обратным потоком очищенной жидкости. При минимальных габаритах корпуса внутри него можно разместить максимальное количество фильтроэлементов и получить развитую поверхность фильтрования. Таким образом, фильтры данного типа являются наиболее эффективными. Их можно сравнить с кожухотрубчатыми теплообменниками, обеспечивающими, при прочих равных условиях, наибольшее значение теплосъема.

Экономичная регенерация

Периодически осуществляемый процесс обратной промывки двух или более фильтроэлементов одновременно (а за цикл – всей фильтрующей поверхности) восстанавливает работоспособность щелевых решеток и приводит к уменьшению перепада давлений в аппарате на входе и выходе. Эта конструктивная особенность дает возможность автоматизировать работу фильтра в заданном интервале потерь. В режиме промывки перепад давлений снижается от максимального до минимального, при прекращении промывки он вновь возрастает до наибольшего значения, и процесс повторяется снова. Эта способность к саморегулированию позволяет фильтру работать длительное время при простом обслуживании и достаточно низких эксплуатационных расходах.

Промывка фильтрующих элементов приводит к некоторому снижению давления в аппарате из-за потери кинетической энергии, уходящей с потоком промывной жидкости. Конструкция промывного трубопровода – условный проход, конфигурация, характеристика установленной запорно-регулирующей арматуры – сводит влияние этого фактора до минимума. С момента начала открытия клапана и до его полного открытия сумма энергии промывной струи и энергии, затрачиваемой на преодоление местных сопротивлений, в том числе и изменяющегося сопротивления крана, остается примерно одинаковой. Это обстоятельство характеризует плавность работы фильтра и отсутствие гидроударов.

Оптимальные геометрические характеристики

Конечно, для того, чтобы перечисленные очевидные преимущества изделия были наилучшим образом реализованы в работе, необходимо правильно подобрать фильтр как по размерам корпуса, так и по площади фильтрующей поверхности. На расчет оптимальных геометрических характеристик влияет множество факторов, которые рассматриваются ниже.

Очевидно, что при прочих равных условиях требуемая производительность в первую очередь определяет общую площадь фильтрующей поверхности аппарата, и, как следствие, размеры его корпуса. Если поверхность фильтрования меньше оптимальной, фильтр начинает часто работать в режиме обратной промывки, или, в предельном случае, непрерывно. Естественно, в этом случае расход среды через промывной трубопровод возрастает. Например, при рабочем давлении в корпусе фильтра 2,5 МПа и непрерывно осуществляемой промывке производительность аппарата может снизиться до 80 % от расчетной. Кроме этого, возрастают затраты на электроэнергию, степень износа трущихся поверхностей, вероятность остановок с целью замены отдельных деталей.

Площадь поверхности фильтрования

Правильно подобранный фильтр не должен сбрасывать через промывной трубопровод более 1-2 % от общего расхода жидкости в интервале времени одновременной промывки между началом открытия и полным закрытием клапана 10-12 секунд. Поверхность фильтрования может быть и достаточной, но фильтроэлементы не следует очень плотно располагать в корпусе минимально возможного диаметра. В этом случае возрастают скорости во всех сечениях аппарата, а гидравлические потери на местных сопротивлениях увеличиваются пропорционально квадрату скорости. Приходится или увеличивать допустимый перепад давления, или чаще производить обратную промывку.

Те же проблемы возникают и в случае, если площадь фильтрующей поверхности не соответствует содержанию примесей в среде, подлежащей очистке. Если концентрация примесей достаточно велика (более 1000 мг/литр), конструкция вала-коллектора должна обеспечить единовременную промывку как можно большей площади фильтрации. Конструктивно обусловленное горизонтальное направление фильтрования не совпадает с направлением силы тяжести (осаждения частиц), поэтому перепад давления на фильтрующей поверхности может удержать на ней лишь определенный слой осадка. Следовательно, в камере входа загрязненной среды возможно образование повышенной концентрации примесей, особенно крупной фракции.

Наряду с обратной промывкой, особенно при содержании частиц более 100 мг/литр, возникает необходимость периодической очистки камеры. В данном случае целесообразно применить фильтр, в котором процесс промывки способствует удалению осадка из камеры; подобная конструкция разрабатывается в настоящее время. Если концентрация примесей невелика, а площадь фильтрующей поверхности выбрана с запасом, может возникнуть наименее эффективный процесс фильтрования – с закупориванием щелей. Следует применить фильтр с количеством щелевых решеток, обеспечивающим образование осадка, и в то же время с минимальными гидравлическими потерями в корпусе.

Размер щели

Выбор площади фильтрования и размера щели (степени фильтрации) зависит от характеристики осадка. У несжимаемых осадков пористость слоя не изменяется с увеличением перепада давления и толщины слоя, что характерно для частиц неорганического происхождения (например, песок с крупностью более 100 мкм). Для сжимаемых осадков (например, гидраты окислов металлов) пористость при тех же условиях уменьшается и сопротивление фильтрованию увеличивается. При прочих равных условиях, чем больше сжимаемость частиц, тем больше и необходимая поверхность фильтрации. Для любого вида примесей, чем больше средний размер частиц, тем больше эквивалентный диаметр каналов осадка и меньше сопротивление фильтрованию, что также учитывается при подборе фильтра.

Размер щели фильтроэлемента должен быть меньше среднего размера частиц, но в разумных пределах, иначе неоправданно возрастает сопротивление щелевой решетки на чистом продукте. К тому же очень мелкие частицы все равно задержатся в порах осадка.

Вязкость среды и гидравлическое сопротивление

Гидравлическое сопротивление как фильтровальной перегородки, так и осадка зависит от вязкости фильтруемой среды. Чем больше кинематическая вязкость, тем выше коэффициент сопротивления движению потока через щель и коэффициент трения в слое осадка, а значит, больше потери давления на фильтре. Сопротивление фильтровальной перегородки при вязкости фильтруемой среды (1,0- 5,0)х10-6 м2/сек для правильно подобранного фильтра может составлять 0,001-0,03 кгс/см2. С увеличением вязкости, повышением производительности и уменьшением ширины щели резко возрастает сопротивление как перегородки, так и осадка. При прочих равных условиях, чем меньше значение кинематической вязкости фильтруемой среды, тем меньше геометрические размеры требуемого фильтра. Если вязкость очищаемой жидкости превышает 5,0 х 10-6 м2/сек, следует использовать фильтрующие элементы с размером щели не менее 100 мкм.

Сопротивление фильтрованию возрастает с увеличением плотности фильтруемой среды. Однако плотность жидкостей изменяется в достаточно узком диапазоне и решающего влияния на процесс фильтрования не оказывает. Величина перепада давления при работе фильтра зависит от гидравлического сопротивления корпуса, фильтровальной перегородки, осадка, а также периодической потери давления при обратной промывке. Гидравлическое сопротивление корпуса зависит от его геометрии и не превышает 0,25- 0,3 кгс/см2.

Сопротивлением щелевых решеток можно пренебречь. Максимальное значение избыточного давления для фильтрующего элемента принимается равным 1,0 кгс/см2 и определяет предельную величину сопротивления осадка. Поэтому предельное значение перепада давления на фильтре в процессе его работы не должно быть более 1,3 кгс/см2. Величина расчетного перепада давления назначается исходя из технологической схемы включения фильтра, а также рабочего давления в корпусе. При небольших значениях рабочего давления (от 2,5 до 6,0 кгс/см2) конструкция фильтра должна обеспечить минимальное значение потерь, в особенности на фильтровальной перегородке.



Выводы

Решающее значение имеет расчет площади фильтрации. Таким образом, выбор конструкции автоматического фильтра основывается на следующих основных параметрах:

  • производительность фильтра и величина допустимых потерь на промывку;
  • характеристика фильтруемой среды, плотность, вязкость при рабочей температуре;
  • концентрация примесей в фильтруемой жидкости;
  • характеристика примесей (химический состав, размеры частиц, плотность);
  • величина рабочего давления и допустимого перепада давления на фильтре.

Несмотря на то, что физическая суть процесса фильтрования достаточно проста, при выборе оптимального автоматического фильтра для конкретных условий приходится решать ряд непростых задач. Однако имеющийся опыт и результаты работы созданных фильтров позволяют двигаться дальше и совершенствовать как конструкцию изделий, так и методику их подбора в зависимости от исходных данных.

Наверх