АЭРОЗОЛЬНЫЙ ФИЛЬТР И ФИЛЬТРОВАЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2003 года по МПК B01D39/16 B01D46/54 

Изобретения относятся к области аэрозольных фильтров с фильтрующими элементами из композиционных материалов, преимущественно из минеральных волокон (стекловолокна), и могут быть использованы для очистки технологических воздушных сред в атомной, химической, медицинской промышленности, в производстве радиоэлектронных, полупроводниковых и точных приборов.

Известно устройство для очистки воздуха от пыли (Патент РФ 2022620, МПК В 01 D 46/10. Устройство для очистки воздуха от пыли. Опубликован 15.11.94. Бюл. 21). Данное устройство содержит корпус с фильтрующим элементом, уложенным гофрами, в вершинах которых установлены сепараторы, выполненные в виде стержней.

К недостаткам этого устройства относится то, что его использование для очистки воздуха в производственных помещениях предполагает наличие дополнительных систем для тонкой и сверхтонкой очистки фильтруемых потоков.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является аэрозольный фильтр, рассмотренный в книге Ю.Н. Филатова "Электроформование волокнистых материалов". М. : Нефть и газ, 1997, стр. 255-261. Это устройство содержит корпус, фильтрующие элементы предварительной очистки и тонкой очистки, которые установлены герметично по поверхностям соприкосновения с корпусом и выполнены из волокнистого материала. Волокнистый материал уложен складками. Между складками размещены гофрированные сепараторы. Причем фильтрующий элемент тонкой очистки содержит уложенные друг на друга три слоя волокнистого материала, выполненного из волокон одинакового диаметра, равного 1,5 мкм.

Недостатком этого устройства является то, что фильтрующий элемент тонкой очистки имеет относительно малую суммарную эффективность слоев, проявляющуюся в том, что они не позволяют эффективно фильтровать воздушный поток от частиц, имеющих относительно небольшой размер.

Известен нетканый фильтровальный материал на основе стекловолокна, выполненный из супертонкого штапельного стекловолокна со средним диаметром 1,2-2,2 мкм и связующего (Патент РФ 1787493, МПК 5 В 01 D 39/20. Нетканый фильтровальный материал. Опубл. 15.01.92. Бюл. 2, 1993 г.). Фильтровальный материал имеет следующие характеристики: поверхностная плотность 40-47 г/м², объемная пористость 95-98%. Анизотропная прочностная структура фильтровального материала существует при следующем соотношении компонентов: супертонкое стекловолокно 90-92%, связующее - остальное.

Недостатком известного фильтровального материала являются его относительно низкие фильтрующие характеристики.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому материалу является многослойный фильтровальный материал, характеристика которого дана в патенте США 5389121. Composite of layers of glass fibers of various filament diameters. PFEFFER; JACK R. МПК В 01 D 39/06, 14.02.95. Фильтровальный материал выполнен на основе стекловолокон и связующего. Он содержит по крайней мере один слой из волокон с диаметром 0,00002-0,00005 дюйма, а другой - из волокон с диаметром 0,00006-0,00015 дюйма. При этом слой стекловолокна, расположенный со стороны подвода фильтруемого потока, имеет средний диаметр волокон не менее 0,8 мкм.

Недостатком данного технического решения является использование на завершающей стадии очистки относительно больших по диаметру волокон, которые не могут обеспечить необходимую эффективность фильтрования воздушного потока от мелких частиц.

Перед авторами стояла задача устранить указанные недостатки, а именно разработать аэрозольный фильтр и фильтровальный материал, обеспечивающие относительно высокую эффективность фильтрования воздушных потоков.

Технический результат изобретений состоит в улучшении технических и эксплуатационных характеристик аэрозольного фильтра и фильтрующего материала.

Для решения поставленной задачи в аэрозольном фильтре, содержащем корпус, фильтрующие элементы предварительной очистки и тонкой очистки, установленные герметично по поверхностям соприкосновения с корпусом, выполненные из волокнистого материала, уложенного складками с размещенными между складками гофрированными сепараторами, предлагается:
- соотношение фильтрующих поверхностей элемента тонкой очистки и элемента предварительной очистки обеспечить равным (4-6):1;
- элемент тонкой очистки выполнить из трехслойного волокнистого материала;
- слой волокнистого материала, расположенный со стороны подвода фильтруемого потока, выполнить из волокон с диаметром не менее 0,8 мкм, второй слой - из стекловолокон с диаметром 0,4-08 мкм, а третий - из волокон диаметром не более 0,4 мкм.

Кроме того, в аэрозольном фильтре дополнительно предлагается:
- в частном случае поверхностную плотность каждого из слоев обеспечить равной 50-100 г/м²;
- толщину слоев в фильтрующем материале элемента тонкой очистки выдержать равной 0,15-0,30 мм;
- фильтрующий материал элемента предварительной очистки выполнить из нетканого полиэфирного полотна с поверхностной плотностью 100-200 г/м² при толщине полотна 5-15 мм;
- фильтрующий материал элемента предварительной очистки выполнить из стекловолокна с диаметром волокон 1,0-3,0 мкм;
- расстояние между фильтрующими элементами тонкой и предварительной очистки выдержать равным не более 30 мм;
- перед фильтрующим элементом предварительной очистки и/или между фильтрующими элементами установить решетки;
- высоту сепараторов, установленных между складками фильтрующего элемента предварительной очистки, обеспечить равной не более 10 мм, а высоту сепараторов, установленных между складками фильтрующего элемента тонкой очистки, - не более 3,5 мм.

Указанный выше технический результат достигается, если для изготовления фильтрующего элемента тонкой очистки заявляемого аэрозольного фильтра, в частности, используют заявляемый фильтровальный материал.

В фильтровальном материале, содержащем последовательно расположенные слои стекловолокна со связующим, в котором внешний слой выполнен из волокон с диаметром не менее 0,8 мкм, предлагается:
- выполнить трехслойным;
- в промежуточном слое расположить волокна диаметром 0,4-0,8 мкм;
- в третьем слое разместить волокна диаметром не более 0,4 мкм;
- толщину каждого слоя обеспечить равной 0,15-0,30 мм.

В частном случае предлагается поверхностную плотность фильтровального материала обеспечить равной 50-100 г/м².

Использование совокупности всех существенных признаков предлагаемых изобретений позволяет достичь значительного улучшения фильтрующих характеристик материала и фильтра в целом.

На чертеже представлен поперечный разрез аэрозольного фильтра.

На чертеже приняты следующие обозначения:
1 - корпус; 2 - фильтрующий элемент тонкой очистки; 3 - складки фильтрующего элемента тонкой очистки; 4 - сепаратор, установленный между складками фильтрующего элемента тонкой очистки; 5 - фильтрующий элемент предварительной очистки; 6 - складки фильтрующего элемента предварительной очистки; 7 - сепаратор между складками фильтрующего элемента предварительной очистки; 8 - решетка, установленная перед фильтрующим элементом предварительной очистки; 9 - решетка, установленная перед фильтрующим элементом тонкой очистки.

Аэрозольный фильтр содержит корпус 1, фильтрующие элементы предварительной очистки 5 и тонкой очистки 2.

Фильтрующие элементы установлены герметично по поверхностям соприкосновения с корпусом 1.

Фильтрующие элементы выполнены из волокнистого материала, уложенного складками.

Между складками 3 фильтрующего элемента тонкой очистки 2 и складками 6 фильтрующего элемента предварительной очистки 6 размещены соответственно гофрированные сепараторы 6 и 7.

Соотношение фильтрующих поверхностей элемента тонкой очистки 2 и элемента предварительной очистки 5 составляет (4-6):1.

В результате обеспечивается необходимая линейная скорость фильтрования в фильтрующем элементе предварительной очистки 5 (≥0,2 м/с). При этом реализуется инерционный механизм захвата крупных частиц, улавливаемых волокнистым материалом.

Одновременно в результате прохождения очищаемого воздуха через фильтрующий элемент предварительной очистки 5 происходит выравнивание профиля скорости воздуха по поперечному сечению перед входом в фильтрующий элемент тонкой очистки 2. В итоге происходит равномерное осаждение мелкодисперсных примесей в фильтрующем элементе тонкой очистки 2.

Фильтрующий элемент тонкой очистки 2 выполнен из трехслойного волокнистого материала. В нем слой, расположенный со стороны подвода фильтруемого потока, выполнен из волокон с диаметром не менее 0,8 мкм, второй слой выполнен из стекловолокон с диаметром 0,4-08 мкм, а третий - из волокон диаметром не более 0,4 мкм.

В фильтрующем элементе тонкой очистки 2 скорость воздушного потока относительно поверхности фильтрования снижается в 4-6 раз по сравнению со скоростью потока в фильтрующем элементе предварительной очистки 5. Под действием броуновской диффузии и эффекта зацепления происходит улавливание частиц микронного и субмикронного размеров. При этом первый слой фильтрующего элемента тонкой очистки 2 задерживает в своем объеме преимущественно частицы микронного размера, а последующие два слоя - частицы субмикронного размера. По мере прохождения фильтруемым потоком слоев фильтрующего элемента тонкой очистки 2 с уменьшающимися диаметрами волокон увеличивается фильтрующая поверхность волокон, что приводит к росту эффективности удержания мелкодисперсных примесей.

В частных случаях исполнения аэрозольного фильтра могут иметь следующие решения.

Поверхностная плотность каждого из слоев фильтрующего материала составляет 50-100 г/м², а толщина слоев в фильтрующем материале элемента тонкой очистки выбрана равной 0,15-0,30 мм.

Фильтрующий материал элемента предварительной очистки 5 может быть выполнен из нетканого полиэфирного полотна с поверхностной плотностью 100-200 г/м², имеющего толщину 5-15 мм, или из стекловолокна с диаметром волокон 1,0-3,0 мкм.

Оптимальное расстояние между фильтрующими элементами тонкой очистки 2 и предварительной очистки 5 составляет не более 30 мм. На этом расстоянии происходит выравнивание профиля скорости воздушного потока перед фильтрующим элементом тонкой очистки 2 и, как результат, обеспечивается равномерное по его сечению осаждение мелкодисперсных примесей.

Перед фильтрующим элементом предварительной очистки 5 и/или между фильтрующими элементами установлены решетки 8 и 9.

Высота сепараторов, установленных между складками фильтрующего элемента предварительной очистки 5, составляет не более 10 мм, а высота сепараторов, установленных между складками фильтрующего элемента тонкой очистки 2, составляет не более 3,5 мм.

Исключение преждевременного забивания мелких пор фильтрующего элемента тонкой очистки 2 относительно крупными частицами за счет работы фильтрующего элемента предварительной очистки 5 увеличивает срок службы аэрозольного фильтра и его пылеемкость.

Аэрозольный фильтр работает следующим образом.

Очищаемый воздушный поток последовательно проходит решетку 8, участок между решеткой 8 и фильтрующим элементом предварительной очистки 5, фильтрующий элемент предварительной очистки 5, решетку 9, участок между решеткой 9 и фильтрующим элементом тонкой очистки 2, фильтрующий элемент тонкой очистки 2 и выходит из аэрозольного фильтра.

В объеме фильтрующего элемента предварительной очистки 5 происходит удержание частиц относительно крупного размера, а в объеме фильтрующего элемента тонкой очистки 2 - удержание частиц относительно мелкого размера.

Изготовленный полупромышленный образец аэрозольного фильтра состоит из корпуса 1 и установленных в нем фильтрующих элементов предварительной очистки 5 и тонкой очистки 2. Проходное сечение корпуса имеет габаритные размеры 610 мм х 636 мм. Глубина аэрозольного фильтра - 570 мм.

Фильтрующие элементы предварительной очистки 5 и тонкой очистки 2 установлены на расстоянии 30 мм друг от друга.

Перед фильтрующими элементами 5 и 2 для увеличения прочности конструкции в целом установлены решетки 8 и 9. Между корпусом 1 и фильтрующими элементами 5 и 2 проложены уплотняющие прокладки из стеклобумаги.

Фильтрующий элемент предварительной очистки 5 выполнен из полиэфирного полотна толщиной 10 мм (ФЛ-150). Площадь поверхности фильтрующего элемента предварительной очистки 5 (со стороны потока) составляет 5 м². Глубина укладки складок 6 фильтрующего элемента предварительной очистки 5 составляет 200 мм. Полиэфирное полотно улавливает относительно крупные частицы (>1-3мкм), имеет высокую пористость (>90%) и относительно низкое гидравлическое сопротивление. Оно термо- и влагостойко, устойчиво в агрессивных средах и обладает достаточной прочностью, чтобы не разрушаться в местах изгибов. Между складками 6 фильтрующего элемента предварительной очистки 5 установлены сепараторы 7 высотой 10 мм, выполненные из алюминиевой фольги.

Фильтрующий элемент тонкой очистки 2 выполнен из трехслойного композитного материала на основе стекловолокна в фактуре бумаги. Средние диаметры стекловолокон в каждом последующем слое по отношению к предыдущему уменьшаются по мере удаления от фронта движения фильтруемого потока и составляют соответственно ~1, ~0,7 и ~0,3 мкм.

Между складками 3 фильтрующего элемента тонкой очистки 2 установлены гофрированные сепараторы 4 высотой 3,5 мм, также выполненные из алюминиевой фольги. Глубина укладки складок 3 составляет 250 мм, а поверхность фильтрующего элемента тонкой очистки 2 (со стороны потока) составляет 23 м².

Фильтровальный материал содержит последовательно расположенные слои стекловолокна со связующим.

Фильтровальный материал выполнен трехслойным. В нем внешний слой выполнен из волокон с диаметром не менее 0,8 мкм, промежуточный слой содержит волокна диаметром 0,4-0,8 мкм, третий слой содержит волокна диаметром не более 0,4 мкм.

Толщина каждого слоя составляет 0,15-0,30 мм.

В частном случае рекомендуемая поверхностная плотность каждого слоя фильтровального материала составляет 50-100 г/м².

При использовании фильтровального материала в составе фильтрующего элемента тонкой очистки материал ориентируют в полости корпуса таким образом, чтобы первым со стороны подвода фильтруемого потока являлся слой фильтрующего материала, выполненный из стекловолокон с наибольшим диаметром.

Изготовленный фильтровальный материал представляет собой термостойкую трехслойную стеклобумагу из стекловолокон, скрепленных между собой синтетическим связующим. Фильтровальный материал изготавливают на бумагоделательных плоскосеточных машинах "мокрым" способом при последовательном формовании его слоев из пульпы-суспензии. Отливку первых двух слоев и их просушку осуществляют последовательно, начиная с внешнего слоя, состоящего из стекловолокна наибольшего диаметра. После просушки, нанесения связующего осуществляют контроль поверхностной плотности стеклобумаги и ее аэродинамических характеристик, а затем осуществляет отливку третьего слоя из стекловолокна наименьшего диаметра. При таком способе изготовления полностью исключается образование сквозных отверстий в стеклобумаге, которые, как правило, присутствуют в однослойном материале.

Примеры выполнения фильтровального материала приведены в таблице.

Индексы 1, 2, 3 в таблице соответствуют 1, 2 и 3 слоям фильтровального материала.

Результаты испытаний полупромышленных образцов аэрозольных фильтров в производственных условиях первой в мире АЭС (г. Обнинск) и Курской АЭС показали, что при их работе с номинальной производительностью по очищаемому воздуху до 3500 м³/ч обеспечивается эффективность очистки 99,95% при концентрации аэрозолей в очищаемом воздухе до 1 мг/м³. Аэрозольные фильтры эффективно работают при температуре очищаемого воздуха до 150^oС и относительной влажности до ~100%.

Использование заявленных технических решений позволило улучшить фильтрующие характеристики аэрозольных фильтров при сохранении стандартных габаритов и увеличить их ресурс ~в 2 раза. Продолжительность их работы составила более 1,5 лет с момента начала испытаний.

Изобретения относятся к аэрозольным фильтрам для очистки технологических воздушных сред в атомной, химической, медицинской промышленности. Аэрозольный фильтр содержит корпус, фильтрующий элемент тонкой очистки, выполненный из волокнистого материала, уложенного складками с установленными между складками гофрированными сепараторами. Перед фильтрующим элементом тонкой очистки в корпусе дополнительно установлен фильтрующий элемент предварительной очистки. Соотношение фильтрующих поверхностей фильтрующих элементов тонкой и предварительной очистки составляет от 4:1 до 6:1. В качестве фильтрующего элемента тонкой очистки используют фильтровальный материал на основе стекловолокна, содержащий связующее и состоящий из трех последовательно расположенных фильтрующих слоев с различными диаметрами волокон. Выполненный из стекловолокон с наибольшим диаметром слой фильтрующего элемента тонкой очистки установлен в корпусе со стороны фильтруемого потока. Изобретение обеспечивает высокую эффективность очистки воздушной среды. 2 с. и 8 з.п.ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Аэрозольный фильтр, содержащий корпус, фильтрующие элементы предварительной очистки и тонкой очистки, установленные герметично по поверхностям соприкосновения с корпусом, выполненные из волокнистого материала, уложенного складками с размещенными между складками гофрированными сепараторами, отличающийся тем, что соотношение фильтрующих поверхностей элемента тонкой очистки и элемента предварительной очистки составляет (4-6): 1, при этом элемент тонкой очистки выполнен из трехслойного волокнистого материала, в котором слой, расположенный со стороны подвода фильтруемого потока, выполнен из волокон с диаметром не менее 0,8 мкм, второй слой выполнен из стекловолокон с диаметром 0,4-0,8 мкм, а третий - из волокон диаметром не более 0,4 мкм. 2. Аэрозольный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что рекомендуемая поверхностная плотность каждого из слоев составляет 50-100 г/м². 3. Аэрозольный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что толщина слоев в фильтрующем материале элемента тонкой очистки составляет 0,15-0,30 мм. 4. Аэрозольный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что фильтрующий материал элемента предварительной очистки выполнен из нетканого полиэфирного полотна с поверхностью плотностью 100-200 г/м² при толщине полотна 5-15 мм. 5. Аэрозольный фильтр по п. 1, отличающийся тем, что фильтрующий материал элемента предварительной очистки выполнен из стекловолокна с диаметром волокон 1,0-3,0 мкм. 6. Аэрозольный фильтр по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что расстояние между фильтрующими элементами тонкой и предварительной очистки составляет не более 30 мм. 7. Аэрозольный фильтр по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что перед фильтрующим элементом предварительной очистки и/или между фильтрующими элементами установлены решетки. 8. Аэрозольный фильтр по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что высота сепараторов, установленных между складками фильтрующего элемента предварительной очистки, составляет не более 10 мм, а высота сепараторов, установленных между складками фильтрующего элемента тонкой очистки, составляет не более 3,5 мм. 9. Фильтровальный материал, содержащий последовательно расположенные слои стекловолокна со связующим, в котором внешний слой выполнен из волокон с диаметром не менее 0,8 мкм, отличающийся тем, что материал выполнен трехслойным, при этом промежуточный слой содержит волокна диаметром 0,4-0,8 мкм, третий слой содержит волокна диаметром не более 0,4 мкм, а толщина каждого слоя составляет 0,15-0,30 мм. 10. Фильтровальный материал по п. 9, отличающийся тем, что рекомендуемая поверхностная плотность каждого слоя составляет 50-100 г/м².