ВИБРАЦИОННЫЙ ФИЛЬТР Российский патент 1997 года по МПК B01D29/72 B01D37/04 G05D27/00 

Изобретение относится к устройствам для непрерывного разделения суспензий на жидкую и твердую фазы, а именно к вибрационным фильтрам, используемым в химической, гидрометаллургической, пищевой и других отраслях промышленности.

Известен вибрационный фильтр, содержащий ванну, фильтрующий элемент с патрубком вывода фильтрата, вибропривод и магистраль отвода фильтрата [1]
В известном вибрационном фильтре фильтрующий элемент совершает горизонтальные колебания. Для улучшения регенерации микросетки фильтрующего элемента и повышения производительности фильтра колебания осуществляют в виде угловых перемещений. Возникающие при вибрации инерционные силы преодолевают преимущественно силы адгезии (силы прилипания осадка к фильтрующей поверхности).

Недостатком известного вибрационного фильтра является то, что горизонтальная вибрация (в том числе и угловая) не обеспечивает эффективного преодоления сил трения, возникающих между осадком и фильтрующей поверхностью. Недостаток является особенно существенным при фильтровании суспензий с повышенной вязкостью или содержащих волокнистый материал. Недостатком известного устройства является также то, что процесс фильтрации осуществляется без регулирующих воздействий, т.е. является неуправляемым.

Более близким по технической сущности является вибрационный фильтр, содержащий подпружиненную ванну с патрубком и разгрузочным клапаном, установленные на раме ванны якори первого и второго электромагнитных возбудителей, статоры которых через траверсу соединены с фильтрующими элементами, установленными в ванне, магистраль отвода фильтрата и гибкие трубки [2]
В известном вибрационном фильтре фильтрующие элементы совершают вертикальные колебания. Возникающие при вибрации инерционные силы преодолевают преимущественно силы трения, возникающие между осадком и фильтрующей поверхностью, что способствует сбросу осадка.

Недостатком известного вибрационного фильтра является то, что вертикальная вибрация не обеспечивает эффективного преодоления сил адгезии. Недостаток является существенным при фильтрации суспензий с любой вязкостью. Недостатком известного устройства является также то, что процесс фильтрации осуществляется без регулирующих воздействий, т.е. является неуправляемым.

Для преодоления как сил адгезии, так и сил трения в вибрационный фильтр, содержащий подпружиненную ванну с патрубком и разгрузочным клапаном, установленные на раме ванны якори первого и второго электромагнитных возбудителей, статоры которых через траверсу соединены с фильтрующими элементами, установленными в ванне, магистраль отвода фильтрата и гибкие трубки, введены два коллектора отвода фильтрата, два датчика расхода фильтрата, два преобразователя "расход-напряжение", генератор возбуждающих импульсов, генератор модулирующего напряжения, сумматор, вычитатель, два модулятора импульсов, регулятор частоты импульсов и два усилителя мощности, причем фильтрующие элементы через соответствующие гибкие трубки соединены соответственно с первым и вторым коллекторами отвода фильтрата, соединенными с магистралью отвода фильтрата и соответственно с первым и вторым датчиками расхода фильтрата, выходы которых соответственно через первый и второй преобразователи "расход-напряжение" соединены с входом вычитателя и сумматора, выход которого через регулятор частоты импульсов и генератор возбуждающих импульсов соединен с первым входами первого и второго модуляторов импульсов, вторые входы которых через генератор модулирующего напряжения соединены с выходом вычитателя, а входы соответственно через первый и второй усилители мощности с обмотками возбуждения первого и второго электромагнитных вибровозбудителей.

Совокупность существенных признаков заявляемого изобретения обеспечивает получение принципиально нового технического результата эффективного преодоления как сил адгезии, так и сил трения. Новый технический результат достигается благодаря тому, что колебания фильтрующих элементов содержат как горизонтальную, так и вертикальную составляющие.

На фиг. 1 изображена функциональная схема вибрационного фильтра; на фиг. 2 диаграммы напряжений на выходах элементов фильтра.

Вибрационный фильтр (фиг. 1) содержит станину 1, на которой на пружинах 2 установлена ванна 3, С ванной 3 жестко соединена рама 4, которая также жестко соединена с якорями 5 первого и второго электромагнитных возбудителей, каждый из которых содержит также упругие элементы 6, обмотку 7 возбуждения и статор 8. Статоры вибровозбудителей соединены с траверсой 9, на которой установлены фильтрующие элементы 10, соединенные гибкими трубками 11 с первым 12 и вторым 13 коллекторами для отвода фильтрата. При этом с коллектором 12 соединена первая половина фильтрующих элементов (например, элементы, расположенные слева от вертикальной оси фильтра на фиг. 1), а с коллектором 13 вторая половина фильтрующих элементов (например, элементы, расположенные справа от вертикальной оси фильтра на фиг. 1). Коллектор 12 через первый датчик 14 расхода фильтрата, а коллектор 13 через второй датчик 15 расхода фильтрата, соединены с магистралью 16 отвода фильтрата.

Выход первого датчика расхода фильтрата через первый преобразователь 17 "расход-напряжение" и выход второго датчика 15 расхода фильтрата через второй преобразователь 18 "расход-напряжение" подключены соответственно к первым и вторым входам вычитателя 19 и сумматора 20. Выход вычитателя 19 соединен с входом генератора 21 модулирующего напряжения, а выход сумматора 20 через регулятор 22 частоты импульсов и генератор 23 возбуждающих импульсов подключен к объединенным первым входам первого модулятора 24 импульсов и второго модулятора 25 импульсов. Первый выход генератора 21 модулирующего напряжения соединен с вторым входом модулятора 24 импульсов, а второй выход генератора 21 модулирующего напряжения с вторым входом второго модулятора 25 импульсов. Выход первого модулятора 24 импульсов через первый усилитель 26 мощности, а выход второго модулятора 25 импульсов через второй усилитель 27 мощности соединены соответственно с обмотками 7 возбуждения первого и второго электромагнитных вибровозбудителей. Ванна 3 в нижней части снабжена патрубком 28 с разгрузочным клапаном 29.

На фиг. 2 обозначено: U₁ напряжение на первом выходе генератора 21 модулирующего напряжения, U₂ напряжение на выходе первого модулятора 24 импульсов, U₃ напряжение на втором выходе генератора 21 модулирующего напряжения, U₄ напряжение на выходе второго модулятора 25 импульсов, T₁ период следования импульсов на выходе генератора 23 возбуждающих импульсов, T₂ период изменения напряжения на первом и втором выходах генератора 21 модулирующего напряжения, T' и T" - соответственно длительности работы первого и второго вибровозбудителей с повышенной (пониженной) и пониженной (повышенной) амплитудами колебаний в пределах одного периода T₂, t время.

Вибрационный фильтр (фиг. 1) работает следующим образом.

Исходная суспензия под давлением подается в ванну 3. Жидкая фаза суспензии проходит через микросетку фильтрующих элементов 10 и далее через гибкие трубки 11, первый 12 и второй 13 коллекторы, первый 14 и второй 15 датчики расхода фильтрата, поступает в магистраль 16 отвода фильтрата. Для увеличения перепада давлений на фильтрующих элементах магистраль 16 отвода фильтрата соединена с вакуум-насосом (не показан). Осадок, накапливающийся на поверхности фильтрующих элементов 10, сползает с них и оседает на днище ванны 3.

Для сброса осадка с поверхности фильтрующих элементов, т.е. для повышения производительности фильтра, ванну подвергают вибрации, которая создается первым и вторым электромагнитными вибровозбудителями. Для повышения эффективности вибросброса осадка якоря 5 вибровозбудителей через раму 4 соединены с ванной 3, а статоры 8 вибровозбудителей через траверсу 9 с фильтрующими элементами 10. При такой установке вибровозбудителей колебания ванны и фильтрующих элементов происходят в противофазе, что способствует лучшей очистке фильтрующих элементов от осадка.

Источником электрических импульсов, необходимых для приведения вибровозбудителей в движение, является генератор 23 возбуждающих импульсов, с выхода которого импульсы через первый и второй модуляторы 24 и 25 их амплитуды, а также через первый и второй усилители 26 и 27 их мощности поступают на вибровозбудители.

Характерной особенностью вибрационного фильтра является то, что он снабжен конструктивными элементами (первым и вторым коллекторами 12 и 13 для отвода фильтрата) и совокупностью управляющих элементов (датчиками 14 и 15 расхода фильтрата, преобразователями "расход-напряжение" 17 и 18, вычитателем 19, сумматором 20, генератором 21 модулирующего напряжения, модуляторами 24 и 25 импульсов, регулятором 22 частоты импульсов), позволяющими дополнительно повысить эффективность вибросброса осадка с поверхности фильтрующих элементов. Для достижения такого технического результата изменяют амплитуду возбуждающих импульсов, поступающих на первый и второй электромагнитные вибровозбудители.

Первая особенность процесса изменения амплитуды возбуждающих импульсов состоит в том, что периодически изменяют амплитуду импульсов, поступающих на вибровозбудители, т. е. на интервале времени T' (фиг. 2а) на каждый вибровозбудитель поступают импульсы с одной амплитудой, а на интервале времени T" с другой амплитудой. При этом сумма T' + T" постоянна и образует период T₂ чередования совокупности импульсов с различными амплитудами. Длительность периода T₂ выбирают таким образом, чтобы он в сотни раз превышал длительность периода T₁ (фиг. 2а) возбуждающих импульсов, что обусловлено инерционностью электромагнитных вибровозбудителей (для перехода от одного режима колебаний к другому требуется определенное время) и инерционностью процесса вибросброса осадка (для отделения осадка от поверхности фильтрующего элемента также требуется определенное время).

Для изменения амплитуды импульсов используется первый и второй модуляторы 24 и 25 импульсов, включенные между генератором 23 возбуждающих импульсов и первым и вторым усилителями 26 и 27 мощности. Изменением амплитуды импульсов управляет генератор 21 модулирующего напряжения, сигналы с которого поступают на соответствующие входы первого и второго модуляторов 24 и 25 импульсов.

Вторая особенность процесса изменения амплитуды возбуждающих импульсов состоит в том, что когда на первом вибровозбудителе амплитуды понижают, на втором вибровозбудителе амплитуду импульсов повышают и наоборот. Такой режим обеспечивается тем, что при понижении напряжения U₁ на первом выходе генератора 21 модулирующего напряжения, напряжение U₃ на его втором выходе повышается (фиг. 2а, кривые U₁ и U₃). Соответственно понижается амплитуда импульсов U₂ на выходе первого модулятора 24 импульсов и повышается амплитуда импульсов U₄ на выходе второго модулятора 25 импульсов (фиг. 2а, кривые U₂ и U₄).

Благодаря указанным особенностям процесса изменения амплитуды возбуждающих импульсов, поступающих на вибровозбудители, их колебания происходят с различными амплитудами, т.е. когда на первом возбудителе амплитуда колебаний является повышенной, на втором вибровозбудителе она понижается и наоборот. Соответственно левая часть траверсы 9 (фиг. 1) совершает колебания с повышенной амплитудой, а правая часть траверсы колеблется с пониженной амплитудой и наоборот. Это приводит к наклону траверсы 9 и связанных с ней фильтрующих элементов 10 то в одну, то в другую сторону. Колебания наклоненных фильтрующих элементов 10 содержат горизонтальную и вертикальную составляющие. Горизонтальная составляющая колебаний способствует преодолению сил адгезии, а вертикальная сил трения, т.е. для отделения осадка от фильтрующей поверхности используются обе составляющие. Поскольку наклон фильтрующих элементов периодически изменяется, происходит эффективное удаление осадка со всех фильтрующих элементов и со всей их поверхности.

Третья особенность процесса изменения амплитуды возбуждающих импульсов состоит в том, что в пределах одного периода чередования совокупности импульсов с различными амплитудами (в пределах периода T₂) изменяют длительности прохождения импульсов с различными амплитудами (длительности интервалов времени T' и T'). Необходимость такого изменения обусловлена нестабильностью процесса фильтрации по объему фильтра. Причинами нестабильности процесса являются изменение состояния фильтрующих элементов, свойств и параметров осадка. Эти факторы, как показывают исследования, влияют на производительность процесса.

В рассматриваемом вибрационном фильтре нестабильность процесса фильтрации по объему фильтра оценивается косвенно по величине разности сигналов, пропорциональных расходам фильтрата, формируемым в двух половинах фильтра. Если суммарный расход фильтрата через фильтрующие элементы, расположенные в одной половине фильтра, равен суммарному расходу фильтрата через фильтрующие элементы, расположенные в другой половине фильтра, то это означает, что процесс фильтрации по объему фильтра протекает одинаково. При разности расходов, не равной нулю, процесс фильтрации в двух половинах фильтра протекает с различиями. Величина разности расходов дает количественную оценку различия, а знак разности указывает на качественную сторону различия. Физические предпосылки и экспериментальная проверка подтверждают возможность использования принятого способа оценки нестабильности.

Возможность количественной и качественной оценок процесса фильтрации позволяет повысить эффективность (производительность) процесса путем управления режимом фильтрации. При равных расходах фильтрата в обеих половинах фильтра вибрационное воздействие осуществляют таким образом, что на каждом вибровозбудителе длительность поступления импульсов с повышенной амплитудой равна длительности поступления импульсов с пониженной амплитудой (фиг. 2а), т. е. равны интервалы времени T' и T". Если суммарный расход фильтрата через левую половину фильтра меньше суммарного расхода фильтрата через правую половину фильтра, что возможно при повышенном количестве осадка на фильтрующих элементах, расположенных в левой части фильтра, или при закупорке отверстий микросетки, то длительность вибрационного воздействия на эти фильтрующие элементы возрастает (фиг. 2б), т.е. интервал времени T' превышает интервал времени T". За счет увеличенной длительности вибрационного воздействия улучшается регенерация микросетки фильтрующих элементов и происходит восстановление производительности фильтра. Если же аналогичная ситуация возникает в правой части фильтра, то возрастает длительность вибрационного воздействия на фильтрующие элементы, расположенные в правой части фильтра (фиг. 2а), т. е. интервал времени T" превышает интервал времени T'. Во всех случаях длительность периода T₂ чередования совокупности импульсов с различными амплитудами остается постоянной и равной заданной.

Для практической реализации рассмотренного алгоритма управления амплитудой возбуждающих импульсов фильтрат, поступающий из левой половины фильтра, объединяется в общий поток в первом коллекторе 12, а фильтрат, поступающий из правой половины фильтра, объединяется в общий поток во втором коллекторе 13. Расходы фильтрата в потоках измеряются первым и вторым датчиками 14 и 15 расхода. Сигналы, пропорциональные расходу, формируются на выходе первого и второго преобразователей "расход-напряжение" 17 и 18, с которых поступают на входы вычитателя 19. Выходной сигнал вычитателя, в зависимости от его величины и знака, управляет генератором 21 модулирующего напряжения, который, таким образом, не только изменяет амплитуды возбуждающих импульсов, поступающих к первому и второму усилителям 26 и 27 мощности через первый и второй модуляторы 24 и 25 импульсов, но и корректирует длительность T' и T" прохождения возбуждающих импульсов с повышенными (пониженными) и пониженными (повышенными) амплитудами.

Четвертая особенность в процессе изменения амплитуды возбуждающих импульсов состоит в том, что в зависимости от вязкости, концентрации и удельной массы исходной суспензии, находящейся в ванне (фиг. 1), одновременно изменяют амплитуды всех импульсов как с повышенной, так и с пониженной амплитудами. Необходимость такого изменения обусловлена нестабильностью процесса фильтрации во времени (из-за изменения указанных выше реологических и инерционных характеристик исходной суспензии) и направлена на то, чтобы обеспечить максимально возможную в данных конкретных условиях амплитуду колебаний всех элементов фильтра (вибровозбудителей, ванны, фильтрующих элементов, траверсы).

Экспериментальная проверка работы фильтра показывает, что с увеличением амплитуды колебаний всех элементов увеличивается производительность фильтра, определяемая суммарным расходом фильтрата. При этом зависимость между амплитудой колебаний элементов фильтра и производительностью является практически линейной, что позволяет в качестве управляемой величины, максимум которой необходимо поддерживать, выбрать суммарный расход фильтрата.

Поддержание максимально возможной в данных конкретных условиях амплитуды колебаний всех элементов (максимально возможной производительности) обеспечивается в фильтре поиском и автоматической стабилизацией резонансного режима в колебательной системе. Поскольку из-за изменения реологических и инерционных характеристик суспензии изменяется резонансная частота колебательной системы фильтра, для работы фильтра в резонансном режиме необходима соответствующая подстройка частоты возбуждающих импульсов.

Сигнал, пропорциональный суммарному расходу фильтрата, формируется на выходе из сумматора 20 (фиг. 1), на входы которого поступают сигналы с первого и второго преобразователей "расход-напряжение" 17 и 18. Выходной сигнал сумматора 20 через регулятор 22 частоты импульсов управляет частотой возбуждающий импульсов, формируемых в генераторе 23 возбуждающих импульсов. Благодаря регулятору 22 частоты импульсов частота возбуждающих импульсов изменяется таким образом, что в колебательной системе фильтра устанавливается резонансный режим. При этом соответствующие приращения получают все импульсы, т.е. импульсы, которые в данный момент времени имеют как повышенную, так и пониженную амплитуды (фиг. 2). Различие же между амплитудами импульсов сохраняется. Соответственно сохраняется различие между амплитудами колебаний элементов, расположенных в левой и правой половинах фильтра, т.е. сохраняются рассмотренные выше положительные эффекты.

Заявленный вибрационный фильтр выгодно отличается от фильтра по схеме прототипа. Введение в фильтр дополнительных элементов с определенными связями между ними позволяет использовать все технические эффекты, способствующие повышению его производительности.

Использование: изобретение относится к устройствам для непрерывного разделения суспензий на жидкую и твердую фазы. Сущность изобретения: вибрационный фильтр содержит станину, на которой на пружинах установлена ванна. В ванне размещены фильтрующие элементы, совершающие с ванной непрерывные противофазные колебания. Возбудителями колебаний являются электромагнитные вибраторы. Фильтр снабжен системой управления, позволяющей изменять амплитуду возбуждающих импульсов, поступающих с генератора импульсов на вибраторы. За счет изменения амплитуды импульсов обеспечивается эффективный вибросброс осадка по объему фильтра и во времени. Экстремальный регулятор, имеющийся в системе управления, обеспечивает максимально возможную в данных условиях амплитуду колебаний элементов фильтра. 2 ил.

Вибрационный фильтр, содержащий подпружиненную ванну с патрубком и разгрузочным клапаном, установленные на раме ванны якори первого и второго электромагнитных вибровозбудителей, статоры которых через траверсу соединены с фильтрующими элементами, установленными в ванне, магистраль отвода фильтрата и гибкие трубки, отличающийся тем, что введены два коллектора отвода фильтрата, два датчика расхода фильтрата, два преобразователя расход напряжение, генератор возбуждающих импульсов, генератор модулирующего напряжения, сумматор, вычитатель, два модулятора импульсов, регулятор частоты импульсов и два усилителя мощности, причем фильтрующие элементы через соответствующие гибкие трубки соединены соответственно с первым и вторым коллекторами отвода фильтрата, соединенными с магистралью отвода фильтрата и соответственно с первым и вторым датчиками расхода фильтрата, выходы которых соответственно через первый и второй преобразователи расход напряжение соединены с входами вычитателя и сумматора, выход которого через регулятор частоты импульсов и генератор возбуждающих импульсов соединен с первыми входами первого и второго модуляторов импульсов, вторые входы которых через генератор модулирующего напряжения соединены с выходом вычитателя, а выходы соответственно через первый и второй усилители мощности с обмотками возбуждения первого и второго электромагнитных вибровозбудителей.