АЭРОЗОЛЬНЫЙ ФИЛЬТР Российский патент 2002 года по МПК B01D46/52 

Изобретение относится к средствам фильтрования газов и/или паров, а точнее к устройствам для отделения частиц фильтровальным материалом, в виде пластин, листов или фильтровальных лент, и предназначено для очистки газов, особенно воздуха от аэрозолей, в том числе пыли.

Необходимость очистки воздуха от любых аэрозолей в широком промышленном масштабе особенно остро появилась сравнительно недавно, в связи с созданием и развитием таких новых отраслей, как производство полупроводниковых, радиоэлектронных и сверхточных приборов, атомная энергетика, выпуск химических веществ особой чистоты и т.п. Опыт работы этих производств показывает, что в большинстве случаев нормальное проведение технологического процесса существенно зависит от того, насколько хорошо решена задача очистки газа или воздуха от аэрозолей.

В практике довольно часто возникает необходимость очистки воздуха, содержащего как крупные частицы, так и мелкодисперсные частицы, имеющие большую концентрацию, например, при очистке приточного, вытяжного, а также рециркуляционного воздуха. Фильтры для таких установок должны улавливать аэрозоли, содержащие частицы с размерами от тысячных долей микрометра до сотен микрометров при концентрациях до нескольких грамм на м³.

Известен воздушный фильтр [Патент США 5492551, кл. В 01 D 46/00, НКИ 55-496, 55-511, заяв. 26.04.94, опубл. 20.02.96], содержащий раму и закрепленный в ней тканый фильтровальный материал, выполненный из волокон разного поперечного сечения, имеющих гладкую наружную поверхность.

Основным недостатком такого фильтра является его малая пылеемкость, он быстро заполняется частицами пыли и становится непригодным для использования.

Известно фильтровальное устройство, содержащее установленные в корпусе две последовательно расположенные зоны фильтрования, первая из которых образована объемным фильтрующим материалом постоянной плотности, а вторая - объемным фильтрующим материалом с переменной плотностью [Патент США 5364456, кл. В 01 D 46/10, НКИ 95-287, заяв. 03.03.1993, публ. 15.11.94].

Такое фильтровальное устройство имеет довольно высокую эффективность фильтрации, но ресурс такой установки невелик, пылеемкость его небольшая, каждая зона фильтрования имеет небольшую поверхность и быстро заполняется частицами, содержащимися в воздухе, что не позволяет использовать такие фильтровальные установки для очистки воздуха с высоким содержанием аэрозолей.

Известен пылезадерживающий фильтр [Заявка ФРГ 3827746, кл. В 01 D 46/52, заяв. 16.08.88, опубл. 22.02.90, 8], содержащий фильтрующие элементы, состоящие из сложенного зигзагообразно фильтровального материала с расположенными между складками распорками.

Такой фильтр может быть высокоэффективным, если в нем использован высокоэффективный фильтрующий материал, но при этом фильтр будет иметь низкую пылеемкость. Если же в фильтре использован пылеемкий фильтрующий материал, то фильтр будет иметь невысокую эффективность.

Задачей настоящего изобретения является увеличение ресурса работы фильтра путем увеличения его пылеемкости без снижения эффективности фильтрации.

Поставленная задача решается тем, что в известном аэрозольном фильтре, содержащем корпус, в котором размещены фильтрующие элементы, выполненные из зигзагообразно сложенного фильтровального материала с расположенными между складками разделителями, фильтрующие элементы составлены из не менее двух слоев фильтровального материала, из которых первый по потоку загрязненного воздуха выполнен из крупноволокнистого фильтровального материала с низкий плотностью упаковки волокон диаметром 5-10 мкм, а последний по ходу загрязненного воздуха - из тонковолокнистого материала с высокой плотностью упаковки волокон диаметром 0,2-0,4 мкм.

При очень высокой запыленности воздуха частицами разной величины фильтрующие элементы могут быть размещены в корпусе в виде последовательно установленных двух зон фильтрования газового потока так, что в первой по потоку загрязненного воздуха зоне фильтрующий элемент выполнен из фильтровального материала постоянной плотности, а во второй - из материала разной плотности, при этом в первой по потоку зоне фильтрующий элемент изготовлен из крупноволокнистого фильтровального материала, а во второй зоне - из двух слоев: первый - из крупноволокнистого с низкой плотностью упаковки волокон, а второй - из тонковолокнистого фильтровального материала с высокой плотностью упаковки волокон.

Для обеспечения термостойкости фильтра в качестве фильтровального материала удобнее использовать двухслойное стекловолокно, в котором первый по потоку загрязненного воздуха слой выполнен из крупноволокнистого материала с плотностью упаковки волокон не более 0,04, а второй слой - из тонковолокнистого материала выполнен из стекловолокна и плотностью упаковки волокон не более 0,25 при соотношении толщин слоев 3÷5.

Для рациональной организации поступления потока воздуха в фильтр, расположенные между складками разделители выполнены в виде гофрированных сепарирующих пластин из гофрированного алюминиевого листа.

Сравнительный анализ с прототипом показал, что заявляемое решение отличается от прототипа тем, что фильтрующие элементы составлены из не менее двух слоев фильтровального материала, из которых первый по потоку загрязненного воздуха выполнен из крупноволокнистого фильтровального материала с низкой плотностью упаковки волокон диаметром 5-10 мкм, а последний по ходу загрязненного воздуха - из тонковолокнистого материала с высокой плотностью упаковки волокон диаметром 0,2-0,4 мкм, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна".

Сущность изобретения заключается в следующем.

Как известно, для фильтров тонкой очистки используется фильтровальный тонковолокнистый материал.

Практический срок службы фильтров тонкой очистки ограничивается временем, в течение которого фильтрующий материал забивается пылью, которую он улавливает. Поэтому фильтры тонкой очистки применяются только в том случае, когда весовые концентрации аэрозолей невелики.

При высокой концентрации аэрозолей фильтры тонкой очистки быстро заполняются и проблема увеличения пылеемкости может быть решена путем увеличения габаритов фильтра, но в большинстве случаев делать это не рационально, так как это ведет к увеличению стоимости изготовления и эксплуатации фильтровальных установок. Кроме того, обычно размеры фильтровальной установки ограничены в помещениях и увеличить их не представляется возможным.

Проблема увеличения пылеемкости может быть решена, если использовать слоистый фильтровальный материал с разной плотностью упаковки волокон, как, например, в патенте РФ 2075330, кл. B 01 D 39/16, заяв. 30.06.94, опубл. 20.03.97, 8. Этот материал для очистки от пыли газовоздушных сред составлен из последовательно уложенных входного рыхлого слоя из грубых синтетических волокон и выходного плотного слоя тонких волокон.

Проблема минимизации габаритов и гидродинамического сопротивления фильтров без снижения качества очистки может быть решена, если использовать волокнистый материал с максимально высоким фильтрующим качеством, который зигзагообразно уложен и если при этом материал будет достаточно плотно уложен, то есть геометрическая толщина материала будет небольшой.

Для этого было предложено использовать для формирования фильтрующих элементов крупноволокнистый материал с низкой плотностью упаковки волокон. Толщина такого материала должна быть невелика и он устанавливается первым по отношению к поступающему потоку воздуха. Этот слой поглощает наиболее крупные частицы, что позволяет при высокой концентрации аэрозолей рационально использовать тонковолокнистый слой и значительно повысить эффективность фильтрации.

Размещение в складках фильтровального материала разделителей в виде гофрированных сепарирующих пластин позволяет, не увеличивая объема конфигурирования самого фильтрующего материала, увеличить фильтрующую площадь фильтра в целом.

Эксперименты показали, что для фильтра установок, улавливающих аэрозоли, содержащие частицы с размерами от тысячных долей микрометра до сотен микрометров при концентрациях до нескольких грамм на м³, наилучший результат для очистки воздуха с очень высокой концентрацией пыли может быть получен, если фильтровальный элемент уложен в складки так, чтобы плотность упаковки крупноволокнистого первого по потоку загрязненного воздуха была не более 0,04, а во втором по ходу слое тонковолокнистого материала - не более 0,25.

Для обеспечения термостойкости фильтра в качестве фильтровального материала лучше использовать двухслойное стекловолокно, в котором первый по потоку загрязненного воздуха слой выполнен из крупноволокнистого материала с размерами волокон 5-10 мкм с плотностью упаковки волокон не более 0,04, а второй слой - из тонковолокнистого материала выполнен из стекловолокна с размерами волокон 0,2-0,4 мкм и плотностью упаковки волокон не более 0,25.

Устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 - общий вид фильтра, на фиг. 2 - общий вид двухзонального фильтра, на фиг.3 - схема укладки фильтровального материала в фильтрующих элементах.

Аэрозольный фильтр содержит корпус 1, в котором размещены фильтровальные элементы, содержащие зигзагообразно сложенный фильтровальный материал, состоящий из слоя крупноволокнистого фильтровального материала 2, слоя тонковолокнистого материала 3, размещенные в складках гофрированные сепарирующие пластины 4. Двухзональный фильтр (фиг.2) содержит зону грубой очистки 5 и зону высокоэффективной очистки 6. Стрелками показаны направление потока воздуха.

Очистка воздуха происходит следующим образом.

Запыленный газ подводят к сепарирующей пластине 4, при этом крупные частицы крупной среднедисперсной пыли, обладающие наибольшей инерцией, ударяясь о рабочую поверхность первого крупноволокнистого слоя 2, оседают в нем. Мелкие частицы, обладающие меньшей инерцией, ударяясь о рабочую поверхность слоя 2, проскакивают его и оседают на тонковолокнистом слое 3.

Для очень загрязненного потока газа устанавливают двухзональный фильтр (фиг. 2), в котором в первой зоне 5 (зоне грубой очистки) происходит очистка воздуха от крупных частиц пыли, а во второй зоне 6 - от мелких частиц, но в первом слое 2 - оседают более крупные частицы, а в слое 3 - самые мелкие частицы.

Были проведены сравнительные испытания заявленной конструкции и фильтров тонкой очистки, содержащих только один слой тонковолокнистого материала, наиболее часто используемых в настоящее время.

Данные испытаний приведены в таблице.

В испытуемом фильтре было использовано в качестве крупноволокнистого материала стекловолокно с диаметром волокон 5-10 мкм, слой геометрической толщиной - 0,3±0,1 мм, плотность упаковки волокон - 0,01; а в качестве тонковолокнистого материала - стекловолокно с диаметром волокон - 0,2-0,4 мкм, с геометрической толщиной - 0,5±0,1 мм, плотность упаковки волокон - 0,20, высота гофров сепарирующих пластин 4,3 мм, толщина исходного двухслойного материала ≈2 мм, толщина каждого слоя - не более 1,3-1,5 нм.

В одноступенчатом варианте фильтр содержит 37 м² двухслойного материала.

В двухступенчатом фильтре: в ступени грубой очистки - высота гофр 4,3-10 мм, толщина материала 0,8-1,2 мм, в ступени высокоэффективной тонкой очистки - все как в одноступенчатом фильтре.

Из таблицы видно, что такое выполнение фильтра помогает увеличить пылеемкость почти в 7 раз, при этом эффективность не меняется.

Изобретение предназначено для фильтрования газов и/или паров. Аэрозольный фильтр содержит корпус, в котором размещены фильтрующие элементы, выполненные из зигзагообразно сложенного фильтровального материала с расположенными между складками разделителями. Фильтрующие элементы последовательно установлены в корпусе и выполнены из слоев волокнистого фильтровального материала различной плотности, при этом первый по потоку загрязненного воздуха слой фильтровального материала изготовлен из крупноволокнистого материала с размером волокон 5-10 мкм с низкой плотностью упаковки волокон не более 0,04, а второй - из тонковолокнистого материала с размером волокон 0,2-0,4 мкм с высокой плотностью упаковки волокон не более 0,25. Изобретение позволяет значительно увеличить ресурс работы за счет увеличения его пылеемкости без снижения эффективности фильтрации. 6 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Аэрозольный фильтр, содержащий корпус, в котором размещены фильтрующие элементы, выполненные из зигзагообразно сложенного фильтровального материала с расположенными между складками разделителями, отличающийся тем, что фильтрующие элементы выполнены из последовательно уложенного первого по потоку загрязненного воздуха слоя крупноволокнистого фильтровального материала с размерами волокон 5-10 мкм с низкой плотностью упаковки волокон не более 0,04 и второго по ходу - из тонковолокнистого материала с размерами волокон 0,2-0,4 мкм и высокой плотностью упаковки волокон не более 0,25. 2. Аэрозольный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен предварительной зоной фильтрования газового потока, в которой фильтрующий элемент изготовлен из крупноволокнистого фильтровального материала постоянной плотности. 3. Аэрозольный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что в качестве фильтровального материала использовано двухслойное стекловолокно. 4. Аэрозольный фильтр по п. 3, отличающийся тем, что слои крупноволокнистого и тонковолокнистого стекловолокна выполнены при соотношении их толщин 3-5. 5. Аэрозольный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что расположенные между складками разделители выполнены в виде гофрированных сепарирующих пластин. 6. Аэрозольный фильтр по п. 5, отличающийся тем, что сепарирующие пластины выполнены из гофрированного алюминиевого листа. 7. Аэрозольный фильтр по п. 2, отличающийся тем, что в качестве фильтровального материала в первой зоне используется стекловолокно с размерами волокон 5-10 мкм и плотностью упаковки не более 0,04.