Уважаемые коллеги! 24.12.2021г. Наш офис и отгрузка товара работают до 11:00.
Просьба по всем вопросам писать на почту mail@mvif.ru
г. Москва,
Большая Семёновская ул,
д. 49
пн-пт 8:30-17:00
Склад до 16:30

Фильтры. Практика применения//Мир газов// № 90

Скачать статью (7,09 MБ)

Фильтры. Практика применения





В наше время устройства фильтрации широко применяются во всех сферах промышленности и в повседневной жизни каждого человека. Наиболее популярным примером такого устройства является фильтр для питьевой воды.

История появления такого устройства, предназначенного для отделения частиц определённых размеров, началась еще в четвертом тысячелетии до нашей эры одновременно с появлением письменности и таких важных изобретений как колесо и гончарный круг.

В Древнем Египте для очистки воды применяли песок, толченую пемзу, губки, шерсть, хлопок-сырец, ткани, кору. В конструкции глиняного сосуда, показанного на рисунке 1, предусматривалась предварительная фильтрация для отделения крупных частиц от жидкости. Для отделения более мелких частиц на перфорированную поверхность сосуда укладывалось полотно.

Рисунок 1. Глиняный сосуд 3218-3035 год до н.э



Перед фильтрацией мутную воду отстаивали. Со временем люди научились применять простые химические способы очистки. Например, в Китае пропитывали коагулянтом тростинки, которыми помешивали воду, добиваясь выпадения примесей в осадок, отделяемый фильтрованием, а вода благодаря такой системе очистки становилась пригодной для питья.

В период Античности также были свои системы очистки воды. Применялась фильтрация воды с помощью тканевых мешочков (рукавов). Один из таких приборов вошел в историю под названием «рукав Гиппократа». Эта система очистки воды документально зафиксирована источниками, которые датируются V-VI веками до н. э.

На рисунке 2 изображён фильтр периода Средневековья. Люди все так же делали фильтры, в которых вещества очищались, проходя через слои песка, щебня и древесного угля. Позднее в странах Западной Европы начали использовать "фильтровальные камни" - песчаники. В конце XVII века воду стали очищать для общественного пользования.

Рисунок 2. Фильтрация воды в Средневековье



В эпоху Промышленной революции фильтрующие устройства активно применялись в парожидкостных системах. Повреждение установок часто было вызвано попаданием в трубопроводную систему ржавчины, окалин и других твердых частиц. Фильтры устанавливались перед измерительными, регулирующими и перекрывающими устройствами. Это позволяло задерживать твердые частицы в текущих жидкостях или газах и защищать оборудование от их вредного воздействия. Тем самым сокращалось время простоя и технического обслуживания.

В современном мире процесс фильтрации схож со способами предыдущих периодов истории человечества. Тенденция развития направлена на увеличение степени чистоты веществ. В промышленности существует потребность в высокочистых и сверхчистых жидкостях и газах.

Установка фильтров является обязательной мерой для обеспечения безопасной эксплуатации технологических систем и установок. Фильтры рекомендуется устанавливать перед перекачивающими агрегатами, это позволит значительно продлить срок службы оборудования. Особенно важно удалить механические загрязнения, попавшие внутрь трубопровода в процессе монтажа. На рисунке 3 показаны твёрдые частицы, отделённые фильтром от потока рабочей среды во входном трубопроводе насосной установки.

Попадание твёрдых частиц в перекачивающий агрегат приведёт к повреждениям рабочего колеса, подшипников и уплотнительных узлов, что неизбежно выведет агрегат из строя. На рисунке 3 также видно, что механические частицы попали на уплотнительный элемент затвора трубопроводной арматуры, что привело к потере герметичности и прекращению выполнения запорным клапаном своей целевой функции. На рисунке 4 представлены механические включения, отделенные фильтрующими устройствами от потока рабочей среды. Фильтрующие устройства располагают так же непосредственно перед контрольными приборами, регуляторами давления, а также прочими устройствами, в целях защиты от повреждений твёрдыми частицами.



Рисунок 3. Механические частицы в входном трубопроводе перекачивающего агрегата на уплотнительном элементе затвора клапана



Рисунок 4. Механические частицы, отделённые фильтрующими устройствами от потока рабочей среды



Фильтрация рабочей среды путём пропускания её через пористую структуру является простым, экономичным и эффективным методом отделения твердых частиц и капельной жидкости.

Микронные фильтры высокого давления.

Фильтры серии ФА-Т, представленные на рисунке 5 и ФА-П на рисунке 6, предназначены для высокоэффективного отделения твёрдых частиц от рабочей среды в пневматических системах, работающих под давлением до 420 бар. Фильтры позволяют предотвратить попадание твердых частиц в импульсные трубки, дроссельные отверстия, а также снизить износ запорных и регулирующих органов арматуры. Фильтрующие элементы фильтров серии ФА-Т и ФА-П на рисунке 5 имеют пористую структуру с размерами пор от 0,5 мкм до 150 мкм и выполнены из спеченного порошка нержавеющей стали. Конструкция фильтра серии ФА-Т позволяет проводить обслуживание без демонтажа корпуса. Массогабаритные характеристики фильтра серии ФА-П позволяют устанавливать его в системы с особыми требованиями к габаритам и массе изделий, а проходной тип проточной полости обладает более высокой пропускной способностью по сравнению с фильтром серии ФА-Т, где количество поворотов потока больше.

Рисунок 5. Фильтр высокого давления серии ФА-Т и фильтрующие элементы



Рисунок 6. Фильтры высокого давления серии ФА-П из латуни и нержавеющей стали



Фильтры высокого давления для отделения механических частиц и капельной жидкости.

Для отделения твердых частиц от потока рабочей среды в фильтрах серии ФА-В (рисунок 7) используются сетчатые фильтрующие элементы цилиндрической формы, выполненные из металлической сетки. Движение потока рабочей среды направлено снаружи фильтрующего элемента (рисунок 8). Частицы с размерами большими, чем размер ячейки сетки, отделяются от потока рабочей среды и скапливаются на поверхности фильтрующего элемента или в нижней полости фильтра. При необходимости отделения капельной жидкости от газообразной рабочей среды используется фильтрующие элементы коалесцентного типа. На рисунке 9 показана структура фильтрующего элемента, состоящая из внутреннего слоя с множеством мелких пор, отделяющих капельную жидкость от потока газообразной рабочей среды и наружного слоя с более крупными порами. Скапливаясь на поверхности внутреннего слоя, жидкость выталкивается на наружный слой и под воздействием гравитационных сил стекает внутри внешнего дренажного слоя в нижнюю полость фильтра.

Рисунок 7. Фильтр высокого давления серии ФА-В



Рисунок 8. Фильтрация рабочей среды от механических частиц



Рисунок 9.Коалесцентная фильтрация рабочей среды от капельной жидкости



Фильтрующие элементы, изготавливаются из различных материалов. Неорганический фильтрующий элемент из диоксида кремния с низким уровнем адсорбации, используется с агрессивными газами и жидкостями при температуре до плюс 500 °С. Эпоксиэфир применяется для отделения всех типов твёрдых частиц в неагрессивных газах и жидкостях при температуре до плюс 150 °С. Силикон является гидрофобным связующим, препятствующим заполнению пор фильтрующего элемента и используется при повышенном содержании капельной влаги в рабочей среде. Поливинилиденфторид (PVDF) имеет превосходную химическую стойкость и используется при работе с агрессивными газами. Конструкция фильтра обеспечивает высокие показатели фильтрации рабочей среды с давлением до 700 бар.

Фильтры газовые низкого давления.

Фильтры газовые серии ФА-К, представленные на рисунке 10, предназначены для отделения пыли, ржавчины, окалины и других твердых частиц от потока газообразных рабочих сред с давлением до 16 бар. Корпусные элементы фильтра серии ФА-К выполнены из латуни, что позволяет применять его при работе с кислородом. Эти фильтры доступны с DN15, 20 и 25 мм и нашли широкое применение при создании трубопроводной разводки медицинских учреждений.

Рисунок 10. Фильтр серии ФА-К

Конструкция фильтра позволяет быстро извлечь сетчатый фильтрующий элемент и провести техническое обслуживание без демонтажа корпуса с трубопровода. Фильтрующий элемент с размером ячейки 100 мкм выполнен из химически стойкого материала и обеспечивает требуемую степень очистки, не разрушается под воздействием рабочей среды и в процессе периодической очистки фильтрующего элемента.

Межфланцевые фильтры нашли применение в трубопроводах больших диаметров. Межфланцевая конструкция позволяет сократить металлоемкость и гидравлическое сопротивление фильтра. Между фланцами устанавливается цилиндрический корпус с конической фильтрующей вставкой. Поток рабочей среды направляется на вершину конуса фильтра. Фильтрующая поверхность сформирована фильтрующим слоем сетки, уложенным на несущий опорный слой сетки.

Фильтр межфланцевый высокого давления серии ФА-ВМ предназначен для очистки от механических частиц природного газа, воздуха, азота, а также других газов и жидкостей с температурой от минус 196°С до плюс 100°С при высоких давлениях до 420 бар. В корпус фильтра серии ФА-ВМ установлен сетчатый фильтрующий элемент с размером ячейки 150 мкм. Конструкция фильтра обеспечивает высокие показатели надёжности работы, герметичности и фильтрации рабочей среды. Фильтр комплектуется ответными фланцами ISO 6162 (SAE J518 C) из нержавеющей стали и крепежом. Номинальный диаметр фильтра от DN15 до DN100.

Межфланцевые фильтры среднего давления (PN40) получили широкое применение в криогенике. Они применяются для очистки перекачиваемой рабочей среды, как от механических загрязнений, так и кристаллических примесей. Так в жидкой углекислоте часто присутствуют кристаллы влаги, а в сжиженном природном газе могут присутствовать кристаллы углекислоты.

В фильтре серии ФА-М фильтрация рабочей среды происходит при её прохождении через сетчатый фильтрующий элемент, имеющий фиксированный размер ячейки. При этом все твёрдые частицы с размерами большими, чем размер ячейки сетки, удерживаются на внешней поверхности фильтрующего элемента. На рисунке 11 представлен пример применения криогенных фильтров этой серии на линии всасывания центробежной насосной криогенной установки с погружным насосом. Установка перекачивает сжиженный природный газ. На рисунке 12 представлен типоразмерный ряд фильтров серии ФА-М и информация для заказа.

Рисунок 11. Фильтр серии ФА-М на криогенной установке



Рисунок 12. Информация для заказа межфланцевого фильтра серии ФА-М



Конструкция фильтра позволяет быстро извлечь корпус с фильтрующим элементом при обслуживании. Фильтр устанавливается в трубопровод с жидкой или газообразной рабочей средой с давлением до 40 бар и температурой от минус 196°С до плюс 100°С в горизонтальном или вертикальном положении. Направление потока рабочей среды в трубопроводе должно совпадать с направлением указанным стрелкой на корпусе фильтра.

Фильтрующий элемент на (рисунок 13) состоит из металлического кольца, к которому крепятся два слоя плетёной проволочной сетки из нержавеющей стали: опорный слой с размером ячейки 1600 мкм и фильтрующий слой с размером ячейки 150 мкм. Опорный слой препятствует деформации фильтрующей сетки, а конусная форма дополнительно увеличивает жёсткость конструкции, повышает площадь фильтрации и снижает гидравлическое сопротивление.

Рисунок 13 Фильтрующий элемент и увеличенное изображение сетки

На рисунке 14 представлен слой осадка на внешней поверхности сетки, образованный твёрдыми частицами в процессе работы. При существенном падении давления рабочей среды после фильтра, необходимо извлечь фильтрующий элемент и очистить его. Конусная форма фильтрующего элемента позволяет значительно увеличить эффективную площадь фильтрации без увеличения массогабаритных характеристик, что увеличивает временной интервал обслуживания.

Рисунок 14. Слой твердых частиц на поверхности фильтрующего элемента

Фильтры производства MV&F проходят контроль герметичности и прочности. После изготовления и сборки фильтр устанавливается на гидравлический стенд для испытаний на прочность. Пробное давление испытуемой среды двукратно превышает номинальное давление изделия. При испытаниях производится визуальный контроль герметичности соединений.

Контроль герметичности при температуре испытательной среды до минус 196 С° осуществляется согласно ГОСТ 34294-2017. Фильтр помещается в жидкий азот, после достижения требуемой температуры фильтр извлекается. Внутренняя полость фильтра заполняется газообразным гелием и с помощью гелиевого течеискателя производится контроль герметичности разъемных соединений.

Определение гидравлических характеристик фильтров осуществляется как экспериментально, так и расчетными методами. Метод испытания фильтров, предназначенных для очистки рабочих сред в пневмогидравлических системах, регламентируются ГОСТ 50554-93. Для определения потерь давления фильтрующего элемента необходимо, чтобы элементы стенда имели большее значение пропускной способности по сравнению с фильтром.

Для этого внутренний диаметр трубопроводов должен быть больше проходного диаметра фильтра. Чтобы определить гидравлические характеристики фильтров всех типоразмеров необходимо подобрать трубопроводы, арматуру и расходомерные устройства соответствующих номинальных диаметров. Высокие временные и энергетические затраты являются существенными недостатками метода определения гидравлических характеристик путём проведения эксперимента по сравнению с расчётным методом. В компании Мониторинг Вентиль и Фитинг (MV&F) широко применяются методы численного моделирования гидродинамических процессов в технологических аппаратах и в запорной и регулирующей арматуре. Моделирование рабочего процесса позволяет определить гидравлические характеристики фильтров различных типоразмеров на этапе конструирования без проведения многочисленных экспериментов. Расчетная задача рассматривается в трёхмерной постановке при стационарном режиме течения рабочей среды. Трёхмерная расчётная область на (рисунок 15) состоит из входного участка, проточной полости фильтра и выходного участка.

Рисунок 15. Расчётная область математической модели



Для дополнительного сопоставления расчётных и экспериментальных данных определены гидравлические характеристики проточной полости фильтра без фильтрующего элемента. В качестве рабочей среды выбрана вода. Принято, что теплообмен между рабочей средой и окружающей средой отсутствует, а значения температуры стенки проточной полости и рабочей среды равны. Фильтрующий элемент представляется как пористая среда. Условия математической модели представлены в таблице 1.

Параметр Значение
Рабочая среда вода
Температура рабочей среды на входе 15°С
Давление рабочей среды на входе 2 бара
Массовый расход на выходе 0,1…0,6кг/с
Пористость фильтрующего элемента 0,93
Размер пор 0,15мм

Пропускная способность - Kv фильтра ФА-М-15-150 по расчётным данным равна 5,1 м3/ч, а по экспериментальным данным 5,2 м3/ч. Расчётное значение пропускной способности проточной полости без фильтрующего элемента составило 7,6 м3/ч, по экспериментальным данным 7,2 м3/ч. Максимальное расхождение экспериментальных и расчётных данных составило 15%, что является допустимым значением для такого типа задач. Это свидетельствует о применимости разработанной методики для расчёта гидравлических характеристик фильтров.

Результатами решения также являются поле скорости и давления рабочей среды, изображённые на рисунке 17 и 18. Внутри пористой среды скорость рабочей среды уменьшается и принимает постоянное значение в середине пористого слоя. У пристеночной области характер течения меняется в виду геометрии проточной полости и трения рабочей среды о внутреннюю поверхность стенок канала.

Рисунок 17. Поле скорости рабочей среды с линиями тока



Рисунок 18. Поле давления рабочей среды



Фильтры серии ФА производства MV&F сертифицированы на соответствия требованиям ТР ТС 010/2011 «О безопасности машин и оборудования», ТР ТС 032/2013 «О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением» и обладают высокими показателями надёжности, безотказности и безопасности. Если Вам нужна помощь в подборе газовых и криогенных фильтров, то Вы можете обратиться в компанию Мониторинг Вентиль и Фитинг (MV&F). Наши специалисты помогут выбрать техническое решение и подходящее оборудование.

Автор статьи Малов Дмитрий, инженер-конструктор ООО «Мониторинг Вентиль и Фитинг» (MV&F)