ДИСКОВЫЙ ВАКУУМ-ФИЛЬТР Российский патент 2004 года по МПК B01D33/21 

Изобретение, описание которого приведено ниже, относится к средствам обезвоживания суспензии и может быть использовано в черной и цветной металлургии, а также в химической промышленности и в других отраслях промышленности.

Известен дисковый вакуум-фильтр, содержащий ванну с суспензией и расположенный над ней ячейковый вал, образованный каналами ячейкового вала, к которым подсоединены входные патрубки с секторами фильтра, расположенными по окружности ячейкового вала образуя диски, установленные с возможностью частичного погружения в ванну с суспензией при вращении ячейкового вала, а также распределительную головку с патрубком отвода фильтрата, причем площади поперечных сечений этих элементов имеют разные размеры, при этом в местах соединения входных патрубков с ячейковым валом, распределительной головки с ним и ее с патрубком отвода фильтрата образованы зоны местного сопротивления потоку фильтрата (см. а.с. СССР 371956, от 14.12.1972 г.).

Этот известный дисковый вакуум-фильтр обладает существенными недостатками, а именно повышенным расходом энергии на обезвоживание, низкой производительностью и неэффективным отводом фильтрата из зоны сушки, что обусловлено выполнением поперечных сечений упомянутых элементов с учетом только гидравлического сопротивления потоку фильтрата, а также наличием зон повышенного сопротивления потоку фильтрата. Еще одним существенным недостатком данной конструкции фильтра является то, что в ней не учитывается специфика потока, проходящего по указанному каналу и соединенным с ним элементам. Между тем, в конкретно взятом канале ячейкового вала при попадании в зону сушки фильтрат представляет собой среду из смеси жидкой и газовой фазы. Концентрация жидкой фазы в среде и скорость ее движения постоянно и резко изменяются, а в зонах местного сопротивления 1п. 2г. 3фс. (см. фиг.2) образуется вихреобразный поток, гидроаэродинамическое сопротивление которому может быть установлено только экспериментально. Причем оно во многом зависит от величины взаимодействующих площадей поперечных сечений трубопровода, что определяет скорость и полноту удаления фильтрата, т.е. производительность фильтра и качество продукции, получаемой с него.

Задачей настоящего изобретения является улучшение известного дискового вакуум-фильтра путем поиска оптимального поперечного сечения его трубопровода, чтобы у него были хорошие гидроаэродинамические характеристики, а также не имел бы отмеченных у прототипа недостатков.

Поставленная задача решена таким образам, что в известном дисковой вакуум-фильтре, содержащем ванну с суспензией и расположенный над ней ячейковый вал, образованный из каналов ячейкового вала, к которым подсоединены входные патрубки с секторами фильтра, расположенными по окружности ячейкового вала, образуя диски, установленные с возможностью частичного погружения в ванну с суспензией при вращении ячейковою вала, а также распределительную головку с патрубком отвода фильтрата, согласно настоящему изобретению площади поперечного сечения входного патрубка и патрубка отвода фильтрата связаны с площадью поперечного сечения канала ячейкового вала следующими соотношениями (см. фиг.2):


где S_n - площадь поперечного сечения входного патрубка 2;
S_фс - площадь поперечного сечения патрубка отвода фильтрата 4 из зоны сушки;
S_к - площадь поперечного сечения канала 1 ячейкового вала;
E_n - коэффициент соотношения площади поперечного сечения входного патрубка 2 к площади поперечного сечения канала 1 ячейкового вала, определяемый экспериментально;
Е_фс - коэффициент соотношения площади поперечного сечения канала 1 ячейкового вала к площади поперечного сечения патрубка отвода фильтрата 4 из зоны сушки, определяемый экспериментально.

Есть вариант, уточняющий отдельные признаки предлагаемого изобретения, а именно, когда значение каждого из коэффициентов E_n, Е_фс находится в следующих пределах:
E_n≥0,5; E_фс≤0,25.

Такое новое техническое решение позволяет получить дисковый вакуум-фильтр, в котором поперечные сечения увязаны со спецификой гидроаэродинамического характера потока среды и который имеет высокую производительность, экономит энергоресурсы, хорошо отводит фильтрат. Это обусловлено тем, что экспериментально определены соотношения площадей поперечных сечений и коэффициенты зависимости этих площадей поперечного сечения в образованном трубопроводе для транспортировки к удаления фильтрата.

Анализ патентной и научно-технической информации, проведенный заявителем, показал, что заявляемая совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения неизвестна.

Промышленная применимость предлагаемого дискового вакуум-фильтра подтверждается следующим описанием и поясняется фиг.1.

На фиг.1 изображен общий вид фильтра, на фиг.2 - разрез по А-А фиг.1, на фиг.3 - распределение технологических зон на дисковом вакуум-фильтре.

Дисковый вакуум-фильтр содержит ванну 5 с суспензией (суспензия в ванне не показана) и расположенный над ней ячейковый вал 8, состоящий из каналов 1 ячейкового вала, к которому подсоединены входные патрубки 2 с секторами 7, расположенными по окружности вала, образуя диски 6. Сектора 7 установлены с возможностью частичного погружения свободными концами в ванну 5 с суспензией при вращении ячейкового вала 8. Имеется распределительная головка 3 с патрубком 4 отвода фильтрата. Распределительная головка 3 присоединена к ячейковому валу 8.

Площади поперечного сечения входного патрубка 2 и патрубка отвода фильтрата 4 связаны с площадью поперечного сечения канала ячейкового вала 1 следующими соотношениями:
S_n=S_к•E_n;
S_фс=S_к/Е_фс;
где S_n - площадь поперечного сечения входного патрубка 2;
S_фс - площадь поперечного сечения патрубка отвода фильтрата 4 из зоны сушки;
S_к - площадь поперечного сечения канала 1 ячейкового вала;
Е_n - коэффициент соотношения площади поперечного сечения входного патрубка 2 к площади поперечного сечения канала 1 ячейкового вала, определяемый экспериментально;
Е_фс - коэффициент соотношения площади поперечного сечения канала 1 ячейкового вала к площади поперечного сечения патрубка отводя фильтрата 4 из зоны сушки, определяемый экспериментально. При этом значение каждого из коэффициентов Е_n, Е_фс находится в следующих пределах:
E_n≥0,5; E_фс≤0,25.

В более конкретном виде предлагаемый фильтр счетом из следующих элементов и работает следующим образом.

Дисковый вакуум-фильтр (фиг.1) состоит из ванны 5, заполняемой суспензией (не показана), и непосредственно самого фильтра, состоящего из ячейкового вала 8 с дисками 6 и распределительными головками 3 с патрубками 4. Фильтр имеет фильтрующую поверхность, образованную частично погруженными в ванну 5 с суспензией дисками 6, вращающимися вместе с ячейковым валом 8. Число дисков 6 в фильтре зависят от его конструкции. Каждый диск 6 собран из отдельных секторов 7, обтянутых фильтровальной тканью, являющейся фильтровальной перегородкой, и установленных на входных патрубках 2 каналов 1 ячейкового вала - горизонтально расположенных труб. Число этих труб равно числу секторов в диске 6, которые в сумме образуют ячейковый вал 8, а сами трубы - каналы 1 ячейкового вала. Ячейковый вал 8 своими концами опирается на подшипники и устанавливается над ванной 3, которая постоянно заполнена суспензией во время работы фильтра. К торцам (или по крайней мере к одному из них) ячейкового вала 8 крепятся распределительные головки 3 с патрубками 4. При вращении ячейкового вала и собранных на нем дисков каждый ряд секторов через каналы ячейкового вала сообщается с различными полостями распределительной головки, прижатой к торцам вала, и последовательно проходит зону набора осадка (кека) на ткань, зону сушки осадка и зону отдувки осадка. Зоны набора и сушки осадка соединены с вакуум-проводом через отдельно взятые полости распределительной головки и их патрубки, а зона отдувки - с линией сжатого воздуха через соответствующую полость распределительной головки и патрубок. При погружении секторов в суспензию в зоне набора (фиг.3 зона набора - 1) под действием вакуума происходит отсасывание фильтрата из ванны. В результате чего под действием разности давлений по обе стороны фильтровальной перегородки на поверхности ткани на секторах дисков происходит набор твердого осадка, а жидкость (фильтрат), проникая через осадок и ткань, собирается во внутренние полости секторов, откуда под действием вакуума через входной патрубок 2 (фиг.2) попадает в канал 1 ячейкового вала (фиг.2) и через соответствующую полость распределительной головки 3 (фиг.2) и патрубок отвода фильтрата удаляется в сборник фильтрата. При входе канала 1 ячейкового вала и установленных на нем ряде секторов в зону сушки (фиг.3 зона сушки - 2) находящийся также под разрежением (вакуумом) атмосферный воздух засасывается в поры осадка и с частью оставшейся в нем жидкости в виде смеси жидкой и газовой фазы попадает в полость сектора, откуда через входной патрубок 2, канал 1 ячейкового вала соответствующую полость распределительной головки 3 и патрубок 4 в виде смеси жидкой и газовой фазы транспортируется (удаляется) в сборник фильтрата. При входе ячейкового вала 8 и установленного на нем ряда секторов в зону отдувки (фиг.3 зона отдувки - 3), соединенной через соответствующую полость распределительной головки 3 и патрубок 9 с линией сжатого воздуха, под действием импульсной подачи воздуха (мгновенной отдувки) осадок (кек) отделяется от фильтроткани секторов и выгружается через карманы ванны в приемник твердого осадка.

Таким образом, каждый канал 1 ячейкового вала с установленным на нем рядом секторов за один оборот ячейкового вала 8 проходит через три зоны обработки: зону набора осадка, зону сушки осадка и зону отдувки осадка.

В период набора кека по трубопроводу "входной патрубок канала ячейкового вала 2 - сам канал 1 ячейкового вала - распределительная головка 3 - патрубок отвода фильтрата 4" транспортируется жидкость (фильтрат) с незначительным содержанием твердого. Закономерность ее движения по любому виду трубопроводов давно изучена и условия ее отвода легко поддаются расчету. В период же сушки кека по этому же трубопроводу транспортируется уже не жидкость, а смесь жидкой и газовой фазы условия, движения которой не установлены закономерностями, кроме эмпирических.

Из опыта эксплуатации дисковых вакуум-фильтров и исследований установлено, что во всей системе (при прочих равных условиях: крупности продукта, скорости движения фильтрующей поверхности, плотности суспензии, величины вакуума, величины технологических зон, качества фильтроткани, конструкции элементов, составляющих фильтр и других параметров) лимитирующим звеном, определяющим экономические показатели процесса обезвоживания суспензий на дисковых вакуум-фильтрах является то, насколько эффективно работает зона сушки кека.

Исследованиями установлено, что в местах стыковки составляющих трубопровод элементов
(1. входной патрубок 2 - канал 1 ячейкового вала;
2. канал 1 ячейкового вала - распределительная головка 3;
3. распределительная головка 3 - патрубок отвода фильтрата 4)
для транспортировки и отвода фильтрата из зоны сушки смесь жидкой и газовой фазы при своем движении переходит в вихревой поток из-за значительного гидроаэродинамического сопротивления в указанных точках трубопровода, которое намного превышает сопротивление, возникающее в этих точках трубопровода при движении потока жидкости (фильтрата). Именно наличие в трубопроводе таких сопротивлений затрудняет движение потока смеси жидкой и газовой фазы и препятствует максимальному удалению жидкой составляющей этого потока из полости трубопровода в период сушки кека.

Согласно теории гидравлики и аэродинамики наименьшим сопротивлением движению потока в трубопроводе обладает прямой трубопровод с абсолютно гладкой внутренней поверхностью, так называемый гидравлически гладкий трубопровод. Трубопровод же для транспортировки и отвода фильтрата из фильтра в силу конструктивных особенностей именно дискового вакуум-фильтра представляет собой сложный трубопровод с внезапными расширениями, сужениями и изменениями направления движения, где скорость потока изменяется и по величине и по направлению в точках местного сопротивления 1п, 2г, 3фс (см. фиг.2)
(1. входной патрубок 2 - канал 1 ячейкового вала;
2. канал 1 ячейкового вала - распределительная головка 3;
3. распределительная головка 3 - патрубок отвода фильтрата 4).

Величины сопротивлений в таких системах, как трубопровод для транспортировки и отвода смеси жидкой и газовой фазы в виде вихревого потока согласно теории гидравлики и аэродинамики зависят от геометрических размеров и форм составляющих трубопровод частей и определены экспериментальным путем. В результате этого найдены оптимальные поперечные сечения в трубопроводе, увязанные со спецификой гидроаэродинамического характера потока смеси жидкой и газовой фазы из зоны сушки, которые связаны между собой приведенными ранее соотношениями.

Технически реализованные параметры соотношений поперечных сечений трубопроводов дискового вакуум-фильтра в соответствии с заявляемым изобретением позволили получить результаты при фильтровании железорудного концентрата Костомукшского месторождения, приведенные в таблице.

Изобретение предназначено для обезвоживания суспензий. Дисковый вакуум-фильтр содержит ванну с суспензией, расположенный над ней ячейковый вал с каналами, к которым подсоединены входные патрубки с секторами фильтра, расположенными по окружности, образуя диски, установленные с возможностью погружения в ванну с суспензией при вращении ячейкового вала, распределительную головку с патрубком отвода фильтрата, при этом площади поперечного сечения входного патрубка и патрубка отвода фильтрата связаны с площадью поперечного сечения канала ячейкового вала следующими соотношениями: S_n=S_к•Е_n, S_фс= S_к/Е_фс, где S_n - площадь поперечного сечения входного патрубка, S_фс - площадь поперечного сечения патрубка отвода фильтрата из зоны сушки, S_к - площадь поперечного сечения канала ячейкового вала, Е_n - коэффициент соотношения площади поперечного сечения входного патрубка к площади поперечного сечения канала ячейкового вала, определяемый экспериментально, Е_фс - коэффициент соотношения площади поперечного сечения канала ячейкового вала к площади поперечного сечения патрубка отвода фильтрата из зоны сушки, определяемый экспериментально, причем Е_n≥0,5, E_фc≤0,25. Фильтрат имеет хорошие гидроаэродинамические характеристики и обладает высокой эффективностью очистки. 3 ил., 1 табл.

Дисковый вакуум-фильтр, содержащий ванну с суспензией, расположенный над ней ячейковый вал, образованный из каналов ячейкового вала, к которым подсоединены входные патрубки с секторами фильтра, расположенными по окружности ячейкового вала, образуя диски, установленные с возможностью частичного погружения в ванну с суспензией при вращении ячейкового вала, а также распределительную головку с патрубком отвода фильтрата, отличающийся тем, что площади поперечного сечения входного патрубка и патрубка отвода фильтрата связаны с площадью поперечного сечения канала ячейкового вала следующими соотношениями:

S_n=S_к·Е_n;

S_фс=S_к/Е_фс,

где S_n - площадь поперечного сечения входного патрубка;

S_фс - площадь поперечного сечения патрубка отвода фильтрата из зоны сушки;

S_к - площадь поперечного сечения канала ячейкового вала;

Е_n - коэффициент соотношения площади поперечного сечения входного патрубка к площади поперечного сечения канала ячейкового вала, определяемый экспериментально;

Е_фс - коэффициент соотношения площади поперечного сечения канала ячейкового вала к площади поперечного сечения патрубка отвода фильтрата из зоны сушки, определяемый экспериментально,

при этом Е_n ≥ 0,5; E_фc ≤ 0,25.