ПАТРОННЫЙ ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ И ФИЛЬТРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК B01D27/06 

Изобретение относится к области микрофильтрации жидких и газообразных сред, а именно к конструкциям фильтрующих элементов, в частности, плоских и патронных, которые применяются в различных отраслях промышленности, например, пищевой, фармацевтической, электронной, химической и пр.

Известен патронный фильтрующий элемент, включающий гофрированную фильтрующую пленку из материала на основе целлюлозы и внутреннюю перфорированную трубку, которые с обоих концов соединены с торцевыми деталями (Каталог фирмы VIA UNITA D'ITALIA, 1998 г., с.36). Каркас и торцевые детали выполнены из полипропилена. Фильтрующий элемент предназначен для очистки питьевой воды, тонкость фильтрации составляет 25 мкм.

Известен также фильтрующий элемент, включающий гофрированную фильтрующую пленку из полипропилена и внутреннюю перфорированную трубку, которые с обоих концов соединены с торцевыми деталями (Каталог фирмы VIA UNITA D'ITALIA, 1998 г., с.35). Каркас и торцевые детали выполнены из полипропилена. Фильтрующий элемент также предназначен для очистки питьевой воды, тонкость фильтрации составляет 50 мкм.

Недостаток таких фильтрующих элементов заключается в том, что они имеют низкую химическую стойкость, рассчитаны на рабочие температуры от 0^oС до 80^oС. Эти фильтрующие элементы не позволяют производить тепловую стерилизацию, выполнение которой является обязательным условием при их использовании в пищевой и фармацевтической промышленности. Кроме того, такие фильтрующие элементы не подлежат эффективной регенерации, т.к. шероховатость фильтрующего материала и конструкция гофропакета не позволяют смывать с нее осадок при отмывке фильтрующего элемента.

Известна пористая пленка из фторопласта-4 ФМВП-0,011, изготовляемая из предварительно термообработанного порошка фторопласта-4 (ТУ 6-05-1712-83 ОАО "Уралхимпласт"). Пленка предназначена для грубой очистки инъекционных растворов от механических загрязнений в качестве предварительных фильтров. Пленка ФМВП-0,011 выпускается толщиной 1 мм с максимальным диаметром пор 11 мкм. Эффективная пористость пленки ФМВП-0,011 составляет более 30%.

Известна также пористая пленка из фторопласта-4 ФМВП-0,001, также изготовляемая из предварительно термообработанного порошка фторопласта-4 (ТУ 6-05-1712-83 ОАО "Уралхимпласт"). Пленка предназначена для тонкой очистки инъекционных растворов от механических загрязнений в качестве предварительных фильтров. Пленка ФМВП-0,001 выпускается толщиной 1 мм с максимальным диаметром пор 3 мкм. Эффективная пористость пленки ФМВП-0,001 составляет не более 30%. Пленки выпускаются шириной 200 мм.

Однако эти пленки невозможно применять в качестве гофрированного фильтрующего материала в фильтрующих элементах патронного типа, так как они не могут обеспечить дренаж фильтруемой жидкости между складками внутренней поверхности гофр. Кроме того, они имеют значительную толщину (1 мм) и ограниченные геометрические размеры (200 мм), поэтому изготовить фильтрующий элемент с большой площадью фильтрации и, как следствие, с высокой производительностью не представляется возможным.

Из заявки WO 93/09862, МПК 7 В 01 D 27/06, опубл. 27.05.1993 известна гофрированная фильтровальная мембрана, предназначенная для фильтрации в пищевой промышленности, производстве полупроводников и других отраслях, где используются высокосорбционные химические вещества. Фильтр-патрон имеет гофрированную фильтрующую мембрану из ПТФЭ с поддерживающими сетками с обеих сторон для избежания деформации при фильтровании. Поддерживающая сетка выполнена в виде нетканых листов из термически связанных ПТФЭ-волокон толщиной менее 0,2 мм, предпочтительно от 0,075 мм до 0,125 мм, наиболее предпочтительно 0,1 мм. Диаметр волокон составляет от 20 мкм до 30 мкм длиной от 1 мм до 20 мм. Фильтр-мембрана закреплена вокруг сердечника. Концы фильтрующего элемента прикреплены к сделанной из PFA или похожего термопластичного материала концевой чашечке и сделанному из PFA или похожего термопластичного полимера концевому адаптеру с помощью расплавления, которое прикрепляет концы элемента и концевой чашечке и к адаптеру.

Недостатком этой конструкции является обязательное наличие с обеих сторон ПТФЭ-мембраны поддерживающих структур, при отсутствии которых конструкция фильтрующего элемента неработоспособна.

Дополнительная толщина поддерживающих структур уменьшает площадь эффективной фильтрации за счет снижения максимально возможного количества складок фильтрующего материала.

В заявленном изобретении решается задача создания высокопроизводительного патронного фильтрующего элемента для работы в нейтральных и агрессивных средах в интервале температур от -50^oС до +150^oС и перепадов давлений до 0,6 МПа, высокотехнологичного и удобного в эксплуатации, выдерживающего многократную регенерацию, обеспечивающего тонкость очистки фильтруемой жидкости в широком диапазоне - от 1 мкм до 100 мкм.

Патронный фильтрующий элемент включает гофрированную фильтрующую пленку и внутреннюю перфорированную трубку, соединенные с торцевыми деталями. Фильтрующая пленка выполнена из политетрафторэтилена и имеет средний размер пор от 1 до 100 мкм при эффективной пористости не менее 40%, толщину 100-900 мкм, предпочтительно 300-600 мкм, при этом внутренняя поверхность пленки выполнена профилированной в виде выступов: точечных, протяженных, высотой, равной до 20% от толщины пленки. Внутренняя перфорированная трубка и торцевые детали фильтрующего элемента также выполнены из политетрафторэтилена. Внутренняя перфорированная трубка и сформированная вокруг нее гофрированная фильтрующая пленка с обеих сторон соединены посредством сварки с торцевыми деталями таким образом, чтобы поток жидкости в зонах сварки был исключен.

Фильтрующий элемент может иметь также внешние поддерживающие элементы в форме перфорированного каркаса или поясков из политетрафторэтилена.

Одна или обе торцевые детали фильтрующего элемента могут иметь посадочное место для соединения с фильтродержателем или друг с другом.

Фильтрующий материал для изготовления патронного фильтрующего элемента представляет собой пористую пленку из политетрафторэтилена со средним размером пор от 1 мкм до 100 мкм при эффективной пористости не менее 40% и толщине 100-900 мкм, предпочтительно 300-600 мкм, при этом одна из поверхностей пленки выполнена профилированной в виде выступов: точечных, протяженных, крестообразных, зигзагообразных и других. Высота выступов может составлять до 20% от толщины пленки.

Точечные выступы могут иметь форму полусферы, усеченного конуса или другую высотой от 20 до 200 мкм, предпочтительно 50-100 мкм, и быть расположены на расстоянии от 0,1 до 10 мм, предпочтительно 1-3 мм друг от друга.

Протяженные выступы могут иметь профиль полукруга, трапеции или другую высотой от 20 до 200 мкм, предпочтительно 50-100 мкм, расположены с шагом от 0,1 до 10 мм, предпочтительно 1-3 мм, направлены под углом от 0^o до 90^o, предпочтительно под углом от 5^o до 90^o к кромке пленки, предпочтительно 30^o-60^o, наиболее предпочтительно 45^o.

Значение эффективной (открытой) пористости пленки коррелирует со средним размером пор. Для пленки со средним размером пор 1 мкм значение эффективной пористости составляет около 40%, при увеличении размера пор эффективная пористость возрастает, достигая 80-90% для пленок с размером пор более 10 мкм.

Техническим результатом изобретения является то, что конструкция патронного фильтрующего элемента полностью выполнена из политетрафторэтилена, а в качестве фильтрующего материала используют пористую гофрированную пленку из политетрафторэтилена, для поддержания формы которой при создании перепада давления на фильтрующем элементе не требуется дополнительной поддержки в виде сетки и других перфорированных или пористых подложек, так как гофры из такой пленки имеют достаточную прочность для сохранения формы.

Пористая политетрафторэтиленовая пленка, используемая в качестве фильтрующего материала, является достаточно тонкой; гофр высотой 250 мм из такой пленки имеет большую площадь поверхности до 1 м². Это позволяет производить патронные фильтрующие элементы, обладающие низким сопротивлением потоку жидкости или газа и соответственно высокой производительностью.

Выполнение внутренней поверхности пленочного фильтруемого материала профилированной обеспечивает работоспособность фильтрующего элемента за счет предотвращения слипания смежных складок гофр и соответственно дренаж фильтруемой жидкости между складками.

Гладкая внешняя поверхность пленки позволяет хорошо отмывать фильтрующий материал обратным током воды, а также смывать осадок с внешней поверхности при регенерации элемента.

Средний диаметр пор, эффективная пористость пленки, схема профилирования внутренней поверхности пленки, а также схема гофрирования пленки задается в зависимости от функционального назначения конкретного типа фильтрующего элемента и обеспечения заданной тонкости очистки фильтруемой жидкости в широком диапазоне - от 1 мкм до 100 мкм.

Благодаря тому, что все детали фильтрующего элемента выполнены из политетрафторэтилена, он обладает высокой химической инертностью и термостабильностью, способностью выдерживать тепловую стерилизацию, что позволяет использовать его для фильтрации жидких и газообразных сред в интервале температур от -50^oС до +150^oС и перепадов давлений до 0,6 МПа в таких отраслях промышленности, как электронная, фармацевтическая, пищевая и т. п.

На фиг.1 изображена конструкция патронного фильтрующего элемента, общий вид в разрезе согласно данному изобретению. На фиг.2 представлен разрез А-А фиг. 1. На фиг. 3 и 4 изображен вариант профилированной поверхности пленки (вид сверху и вид сбоку в разрезе соответственно). На фиг.5 и 6 изображен другой вариант профилированной пленки (вид сверху и вид сбоку в разрезе соответственно).

Пример 1. Патронный фильтрующий элемент содержит внутреннюю перфорированную трубку 1, гофрированный фильтрующий материал 2 из политетрафторэтиленовой пленки, тупиковую торцевую деталь 3, проходную торцевую деталь 4 с посадочным местом для установки в фильтродержателе (не показаны). Все детали фильтрующего элемента выполнены из политетрафторэтилена. Внутренняя перфорированная трубка 1 и гофрированный фильтрующий материал 2 с обеих сторон соединены посредством сварки с торцевыми деталями 3, 4 фильтрующего элемента с образованием сварочных швов. Сварка может быть осуществлена с использованием присадочного материала Ф-4МБ или без него.

Гофры 5 фильтрующего материала уложены в виде звезды. Гофрирование фильтрующего материала выполнено из целого куска пористой пленки из политетрафторэтилена с одним сварным швом концов по образующей.

Фильтрующий материал 2 (фиг.3 и 4), используемый в фильтрующем элементе по изобретению, выполнен в виде пористой пленки из политетрафторэтилена шириной Н, равной 250 мм, толщиной δ, равной 300 мкм, со средним диаметром пор 1 мкм и эффективной пористостью 45%. Одна из поверхностей пленки (в фильтрующем элементе она является внутренней поверхностью фильтрующего материала) имеет протяженные выступы 6, расположенные под углом α к кромке пленки, равным 45^o, с шагом t, равным 2 мм, с профилем полукруглой формы радиусом 50 мкм.

Пример 2. Фильтрующий материал 2 (фиг.5 и 6), используемый в фильтрующем элементе по изобретению, выполнен в виде пористой пленки из политетрафторэтилена шириной Н, равной 250 мм, толщиной δ, равной 600 мкм, со средним диаметром пор 5 мкм и эффективной пористостью 60%. Одна из поверхностей пленки (в фильтрующем элементе она является внутренней поверхностью фильтрующего материала) имеет точечные выступы 7, расположенные равномерно на поверхности пленки на расстоянии 0.5 мм друг от друга и имеющие вид усеченного конуса высотой 100 мкм и диаметром в основании конуса 100 мкм.

Патронный фильтрующий элемент работает следующим образом.

Фильтрующий элемент монтируется в посадочном гнезде фильтродержателя. Фильтруемая жидкость (или газ) подается через входной штуцер в корпус фильтродержателя, проходит через поры гофрированной пористой пленки, попадает во внутренние складки гофр, проходит в зазоре между складками, образуемыми выступами профилированной внутренней поверхности пористой пленки, проходит далее через перфорированную внутреннюю трубку во внутреннюю полость фильтрующего элемента и через выходной штуцер фильтродержателя попадает к потребителю. Частицы загрязнений размером, превышающим диаметр пор, задерживаются на поверхности пористой пленки, в результате чего на внешней, гладкой поверхности пленки образуется осадок. С накоплением осадка возрастает гидравлическое сопротивление фильтрующего элемента. По достижении предельного значения сопротивления, определяемого технологическими требованиями, дальнейшая фильтрация становится невозможной и фильтрующий элемент подлежит регенерации. Регенерацию осуществляют обратным током чистой жидкости (или газа) при давлении, превышающем конечное давление прямого тока. В процессе регенерации рекомендуется производить механический смыв осадка специальной кистью с мягким ворсом. Допустимо также производить регенерацию, смывая (или сдувая) осадок с внешней поверхности фильтрующего элемента сильной струей чистой жидкости (или газа).

Изобретение относится к микрофильтрации жидких и газообразных сред, а именно к конструкциям фильтрующих элементов, в частности плоских и патронных, которые применяются в различных отраслях промышленности, например пищевой, фармацевтической, электронной, химической и пр. Технический результат - создание высокопроизводительного фильтрующего элемента для работы в нейтральных и агрессивных средах в интервале температур от -50 до +150^oС и перепадов давлений до 0,6 МПа. Патронный фильтрующий элемент включает гофрированную фильтрующую пленку и внутреннюю перфорированную трубку, соединенные с торцевыми деталями. Фильтрующая пленка выполнена из политетрафторэтилена и имеет средний размер пор от 1 до 100 мкм при эффективной пористости не менее 40%, толщину 100-900 мкм, предпочтительно 300-600 мкм, при этом внутренняя поверхность пленки выполнена профилированной в виде выступов: точечных, протяженных высотой, равной до 20% от толщины пленки. Внутренняя перфорированная трубка и торцевые детали фильтрующего элемента также выполнены из политетрафторэтилена. Внутренняя перфорированная трубка и гофрированная фильтрующая пленка с обеих сторон соединены посредством сварки с торцевыми деталями так, чтобы поток жидкости в зонах сварки был исключен. Патронный фильтрующий элемент может иметь также внешние поддерживающие элементы в форме перфорированного каркаса или поясков из политетрафторэтилена. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Патронный фильтрующий элемент, содержащий внутреннюю перфорированную трубку, сформированный вокруг нее гофрированный фильтрующий материал, соединенные торцевыми деталями, отличающийся тем, что фильтрующий материал выполнен в виде гофрированной пористой пленки из политетрафторэтилена с внутренней профилированной поверхностью в виде выступов, перфорированная трубка и торцевые детали выполнены из политетрафторэтилена, при этом перфорированная трубка и гофрированная пористая пленка соединены с обеих сторон с торцевыми деталями посредством сварки. 2. Патронный фильтрующий элемент по п. 1, отличающийся тем, что гофрированная политетрафторэтиленовая пленка имеет средний размер пор от 1 до 100 мкм при эффективной пористости не менее 40% и толщине 100-900 мкм, преимущественно 300-600 мкм. 3. Патронный фильтрующий элемент по п. 1, отличающийся тем, что выступы на внутренней поверхности гофрированной пленки выполнены точечными или протяженными. 4. Патронный фильтрующий элемент по п. 1, отличающийся тем, что высота выступов профилированной поверхности пленки составляет до 20% от толщины пленки. 5. Патронный фильтрующий элемент по п. 3, отличающийся тем, что точечные выступы профилированной поверхности пленки имеют форму полусферы, усеченного конуса или другую и расположены на расстоянии от 0,1 до 10 мм, предпочтительно 1-3 мм друг от друга. 6. Патронный фильтрующий элемент по п. 3, отличающийся тем, что протяженные выступы профилированной поверхности пленки имеют профиль полукруга, трапеции или другую и расположены под углом от 0 до 90^o к кромке пленки, предпочтительно от 5 до 60^o, наиболее предпочтительно 45^o, с шагом от 0,1 до 10 мм, предпочтительно 1-3 мм. 7. Патронный фильтрующий элемент по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно имеет внешние поддерживающие элементы в форме перфорированного каркаса или поясков из политетрафторэтилена. 8. Фильтрующий материал в виде пористой пленки из политетрафторэтилена, отличающийся тем, что политетрафторэтиленовая пленка имеет средний размер пор от 1 до 100 мкм при эффективной пористости не менее 40% и толщине 100-900 мкм, предпочтительно 300-600 мкм, при этом одна из поверхностей пленки выполнена профилированной в виде выступов. 9. Фильтрующий материал по п. 8, отличающийся тем, что одна из поверхностей пленки выполнена профилированной в виде точечных или протяженных выступов. 10. Фильтрующий материал по п. 9, отличающийся тем, что высота профилированных выступов составляет до 20% от толщины пленки. 11. Фильтрующий материал по п. 9, отличающийся тем, что точечные выступы, выполненные на одной из поверхностей пленки, имеют форму полусферы, усеченного конуса или другую и расположены на расстоянии от 0,1 до 10 мм, предпочтительно 1-3 мм друг от друга. 12. Фильтрующий материал по п. 9, отличающийся тем, что протяженные выступы, выполненные на одной из поверхностей пленки, имеют профиль полукруга, трапеции или другую и расположены под углом от 0 до 90^o к кромке пленки, предпочтительно от 5 до 60^o, наиболее предпочтительно 45^o, с шагом от 0,1 до 10 мм, предпочтительно 1-3 мм.