ФИЛЬТР МАГНИТНЫЙ ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖИДКОСТЕЙ Российский патент 2004 года по МПК B01D35/06 C02F1/48 

Изобретение относится к устройствам для магнитной очистки жидкостей от ферромагнитных и механических примесей и может быть использовано в химической, нефтехимической и других областях промышленности, а также в быту, в частности, для очистки питьевой воды.

Присутствие железа в воде делает ее непригодной как для питья, так и для использования в бытовых целях. Уже при концентрациях железа более 0,3 мг/л такая вода вызывает образование ржавых подтеков, способных изменить цвет тканей при их стирке, изменить качество еды, приготовленной на такой воде и т. д.

В промышленности вследствие присутствия в применяемых жидкостях железа образуется ржавчина и накипь, вследствие чего повышаются на 30% энергозатраты на подготовку воды. Кроме того, во многих технологических процессах и в быту необходимо знать расход воды, для чего на трубопроводах устанавливают счетчики, которые, как правило, работают на принципе измерения индукции электромагнитной системы. Электромагнитная система притягивает ферромагнитные частицы вместе с налипшей на них грязью, тем самым изменяя проходное сечение трубопровода и внося погрешность в измерения. По этой причине на определенном расстоянии от счетчика расхода воды устанавливаются магнитные фильтры.

Все вышесказанное делает задачу по очистке воды от железа очень актуальной как для питьевого и хозяйственно - бытового применения, так и для промышленного использования.

Даже беглый обзор существующих способов борьбы с примесями железа позволяет сделать обоснованный вывод о том, что удаление железа из воды (жидкостей) одна из самых сложных задач и на данный момент не существует универсального экономически оправданного метода, применяемого во всех случаях жизни, поэтому в каждом отдельном случае она решается по-своему и, как правило, комплексным способом.

К существующим способам удаления железа из жидкостей можно отнести окислительный, в том числе каталитическое окисление; ионный обмен, мембранные технологии и дистилляцию.

Окисление (кислородом воздуха или аэрацией) с последующим осаждением и фильтрацией - это наиболее старый метод, и он обладает рядом недостатков. Окисление железа требует длительного времени, больших резервуаров для обеспечения необходимого времени контакта. Добавление различных окислителей или коагулянтов ускоряет процесс очистки, но требует затрат на их дезинфекцию и не позволяет фильтровать частицы менее 20 мкм. Установки для осуществления этого способа довольно сложны, дороги и требуют значительных затрат электроэнергии, что ограничивает его применение.

Суть способа каталитического окисления заключается в том, что реакция окисления железа происходит на поверхности гранул специальной фильтрующей среды, обладающей свойствами катализатора. Наибольшее распространение в современной водоподготовке нашли фильтрующие среды на основе диоксида марганца. Железо в присутствии диоксида марганца быстро окисляется и оседает на поверхности гранул фильтрующей среды. Впоследствии большая часть окисленного железа вымывается в дренаж при обратной промывке. Таким образом, слой гранулированного катализатора является одновременно и фильтрующей средой. Для улучшения процесса окисления в жидкость могут добавляться дополнительные химические окислители. Недостатки этого способа: все системы на основе каталитического окисления с помощью диоксида марганца имеют большой удельный вес и требуют больших расходов воды при обратной промывке. Кроме того, системы этого типа не могут справиться со случаями, когда содержание железа в жидкости превышает 10-15 мг/л, что совсем не редкость.

Для осуществления способа ионного удаления железа из воды используются иониты природные (сульфоугли, цеолиты) и синтетические ионообменные смолы. На практике возможность применения катионообменных смол по железу сильно затруднена. Ионообменные смолы очень критичны к наличию в воде трехвалентного железа или органических примесей, которые “забивают” смолу и очень плохо из нее вымываются. В результате регенерацию ионитов необходимо проводить чаще, что удорожает процесс очистки. Аппаратурное оформление достаточно сложно, т. к. надо реализовать засыпку ионита и его регенерацию.

Мембранные способы широко используются для удаления бактерий, простейших и вирусов и пока не входят в число стандартных методов борьбы с присутствием в воде железа. Это объясняется тем, что этот способ очень дорог и применение его ограничено следующими факторами: критичность к “зарастанию” органикой и забивание поверхности нерастворимыми частицами (ржавчиной). Это означает, что мембранные системы требуют достаточно тщательной предварительной подготовки воды, в частности удаления взвесей и органики. Применение этого способа рентабельно только там, где требуется очень высокое качество воды.

Дистилляция является известным способом глубокой очистки воды. Вода, испаряясь, освобождается практически ото всех растворенных и нерастворенных примесей. В дистилляторах для ускорения естественного процесса испарения воды применяется нагревание до температуры кипения жидкости, что приводит к интенсивному образованию пара. При этом механические частицы, содержащиеся в жидкости, оказываются слишком тяжелыми, чтобы быть подхваченными паром. Одновременно почти все растворенные в жидкости химические вещества достигают предела своей растворимости и выпадают в осадок. Дистиллированная вода достаточно широко используется в медицине, химических лабораториях и промышленности, например заливка в аккумуляторы автомобиля. В быту этот способ не нашел широкого применения. Недостатками его являются низкая производительность, образование осадка, накипи и т. п., которые надо удалять. Дистилляторы потребляют значительное количество электроэнергии и излучают тепло в больших количествах.

Широкое применение в промышленности находят магнитные фильтры, которые способны удалять из жидкости практически любое количество железа. Они относительно просты по конструкции и выпускаются многими заводами России и за рубежом. С целью удаления механических или других примесей, кроме магнитной системы в них используются сетчатые фильтры различных конструкции и материала сетки.

Известен магнитный инерционно-гравитационный фильтр (патент РФ № 2175954), включающий корпус со съемной крышкой, функционально состоящий из камеры осаждения и сборника шлама, разделенных решеткой, размещенные в камере осаждения перпендикулярно входящему потоку перегородки, на которых установлены основные постоянные магниты. Основные постоянные магниты набраны в виде вертикально чередующихся рядов противоположной полярности, причем перегородки выполнены из ферромагнитного материала. В камере осаждения установлена дополнительная магнитная система, выполненная в виде постоянных кольцевых магнитов, расположенных соосно друг с другом одноименными полюсами навстречу и разделенных ферромагнитными концентраторами, толщина которых зависит от величины магнитной индукции кольцевых магнитов. Сетчатый фильтрующий элемент установлен на выпускном патрубке, расположенном в верхней части корпуса.

К недостаткам известного устройства следует отнести то, что наличие шламосборника усложняет конструкцию, не гарантируя полного удаления загрязнений, т. к. ферромагнитные примеси будут в основном оседать на поверхность перегородок основной магнитной системы и на торцах концентраторов дополнительной магнитной системы. Расположение сетчатого фильтра на выпускном патрубке встречно очищаемому потоку увеличивает сопротивление ему, и если требуется измерить расход жидкости, необходимо увеличить прямой участок трубопровода до места размещения счетчика расхода, чтобы уменьшить погрешность измерения.

Известна конструкция аппарата для магнитной обработки и очистки воды и различных химических жидких сред (Патент РФ №2182121). Аппарат состоит из немагнитного цилиндрического корпуса, окруженного секциями постоянных магнитов, которые расположены на определенном расстоянии А друг от друга с чередованием магнитных полюсов по длине корпуса. Каждая магнитная секция крепится ферромагнитной лентой. Внутри корпуса расположена немагнитная труба, в которой размещены постоянные кольцевые магниты с ферромагнитными дисками. Магниты ориентированы к ферромагнитным дискам одноименными полюсами. Немагнитная труба внутри корпуса крепится опорными центрирующими пластинами.

С помощью магнитов в каждом из ферромагнитных дисков, расположенных по длине корпуса, поочередно меняется магнитное поле, которое взаимодействует с полем магнитных секций, расположенных с внешней стороны корпуса. Таким образом в кольцевом зазоре образуются круговые радиальные магнитные поля, которые направлены перпендикулярно потоку жидкости с изменением магнитных полюсов по длине корпуса аппарата.

Число изменений знаков кольцевого радиального магнитного поля и величина напряженности магнитного поля в аппарате зависят от условий обработки, а именно от химического состава, температуры, линейной скорости, от расстояния между магнитным аппаратом и теплообменником.

К недостаткам этой конструкции следует отнести наличие двух магнитных систем, в результате чего поляризационные эффекты, связанные с воздействием внешнего магнитного поля, обусловливают изменение энергии взаимодействия полей этих систем, которое должно быть оптимальным. Не исключено, что качество очистки жидкости будет недостаточным, т.к. внутри трубы будет происходить очистка воды от ферромагнитных примесей, а между корпусом и трубой велика вероятность уноса ферромагнитных частиц вместе с налипшими на них примесями потоком очищаемой жидкости.

Известен магнитный фильтр, содержащий цилиндрический корпус, расположенную внутри него магнитную систему из кольцевых магнитов, установленных внутри оси корпуса, и фильтрующий элемент, размещенный в корпусе коаксиально магнитной системе, причем магнитная система снабжена перфорированными магнитопроводными пластинами, установленными на торцах магнитной системы, и кольцами из магнитомягкого материала. Фильтрующий элемент выполнен из отдельных колец. (Авт. свид. №1717181, БИ №9,1992).

Недостатком данной системы является то, что кольцевые магниты намагничены вдоль оси корпуса, поэтому проникновение магнитного поля в поток жидкости мало, а это сказывается на качестве очистки. Кроме того, наличие магнитомягких колец между постоянными кольцевыми магнитами, на которых в основном оседают ферромагнитные частицы, приводит к тому, что для очистки пластин приходится практически магнитную систему разбирать.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому решению является устройство очистки и магнитной обработки жидкостей, содержащее корпус с входным и выходным патрубками. Корпус снабжен верхней и нижней крышками. Между крышками корпуса размещены фильтровальный элемент и магнитная система, причем фильтровальный элемент выполнен в виде толстостенного цилиндра из взаимосвязанных полимерных микроволокон, уложенных послойно с изменяющейся от центра к периферии плотностью упаковки. Корпус и нижняя крышка снабжены кольцевыми выступами, направленными навстречу друг другу и уплотняющими фильтровальный элемент по торцам. Внутри фильтровального элемента размещены с зазорами один над другим кольцевые магниты, ось намагниченности которых совпадает с их осевой линией, магниты расположены разноименными полюсами навстречу друг другу, а зазоры между магнитами образуют каналы для прохождения жидкости последовательно между всеми магнитами (Патент РФ №2079339, кл. В 01 D 35/06, 20.05.1997, БИ №14).

Недостатками данного технического решения, принятого за прототип, является сложность конструкции фильтровального элемента и неэффективное выполнение магнитной системы. Намагничивание магнитов вдоль оси корпуса не позволяет обеспечить достаточную глубину проникновения магнитного поля в поток обрабатываемой жидкости, в результате очистка от ферромагнитных примесей будет неэффективна. Кроме того, наличие зазоров между отдельными блоками, состоящими из двух кольцевых магнитов, увеличивает сопротивление движению обрабатываемого потока жидкости, в результате чего скорость потока уменьшается, а это вносит большую погрешность в измерение расхода жидкости.

Выполнение фильтровального элемента из взаимосвязанных полимерных волокон повышает трудоемкость его восстановления.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является устранение вышеуказанных недостатков магнитной системы, чтобы повысить качество очистки жидкостей от ферромагнитных примесей, а также упрощение конструкции фильтровального элемента.

Технический результат достигается за счет того, что в известный магнитный фильтр для очистки жидкостей, содержащий цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками, крышкой для крепления фильтровального элемента, размещенного вдоль внутренней поверхности корпуса, и магнитную систему, расположенную коаксиально фильтровальному элементу, состоящую из кольцевых постоянных магнитов, закрепленных на немагнитной стержне вдоль оси корпуса, внесены изменения, а именно: кольцевые магниты закреплены на немагнитном стержне без зазоров, вплотную друг к другу; они намагничены в направлении, диаметральном оси корпуса; полюса соседних магнитов смещены относительно друг друга на 90 градусов; диаметр и высота кольцевых магнитов в зависимости от проходного диаметра корпуса выбираются при помощи эмпирической зависимости, имеющей вид:

Д_м=(8,3-8,7)(10^-7*(Д_у)²+(5,6-6,0)(10^-2*Д_у+15;

H_м=2*10^-3*(Д_y)²+8,

где Д_у - проходной диаметр корпуса, мм,

Д_м и Н_м - соответственно диаметр и ширина кольцевого магнита.

Кроме того, в качестве фильтровального элемента использована металлическая сетка или набор их, смещенных относительно друг друга, тем самым меняя размер ячеек. Это позволяет регулировать качество очистки жидкостей от механических примесей.

Размещение кольцевых магнитов вплотную позволяет исключить недостатки в эффективности магнитной системы из-за имеющихся зазоров между ними или применением разделяющих пластин из магнитомягкого материала, а диаметральное направление намагниченности кольцевых магнитов позволяет повысить градиент проникновения магнитного поля по высоте потока очищаемой жидкости. Для достижения такого же градиента проникновения магнитного поля в случае продольного намагничивания кольцевых постоянных магнитов необходимо увеличивать их размеры, при этом уменьшается скорость потока, а следовательно, и точность измерения расхода жидкости.

Большое значение для величины градиента проникновения магнитного поля по высота потека очищаемой жидкости имеет порядок чередования полюсов постоянных магнитов, установленных вплотную друг к другу.

При одноименном чередовании полюсов N-N магнитной системы необходимо обеспечить крепление магнитов с таким чередованием полюсов. При этом достигается большая глубина проникновения магнитного поля, но оно обладает малым градиентом и степень очистки от ферромагнитных частиц низка.

При естественном чередовании полюсов N-S специального крепления постоянных магнитов не нужно, и они обладают наибольшим магнитным градиентом, но глубина проникновения магнитного поля мала.

При смещении полюсов на 90 градусов относительно друг друга значительно повысится градиент проникновения магнитного поля по высоте потока очищаемой жидкости, а следовательно, и степень очистки жидкости от ферромагнитных примесей. Следует отметить, что смещение полюсов по часовой или против часовой стрелки не имеет практического значения, т.к. достигается одинаковый эффект.

Условия выбора конкретных диаметра и высоты кольцевых магнитов в зависимости от диаметра проходного диаметра были установлены для стандартных сечений Д_у = 50, 65, 80, 100 и 150 мм путем длительных испытаний и анализа полученных результатов. На основании их и была выведена эмпирическая зависимость между указанными величинами. При выполнении этой зависимости достигается оптимум между степенью очистки жидкости и влиянием размеров магнитной системы на искажения эпюры потока жидкости, а следовательно, и на погрешность измерения расхода жидкости.

Применение металлических сеток с малыми размерами ячеек, в принципе, известно, но использование одновременно нескольких сеток, позволяющих за счет продольного смещения регулировать размеры ячеек, а следовательно, и степень очистки жидкости от механических примесей не было обнаружено в результате патентного поиска. Металлические сетки очищаются от загрязнений путем струйной отмывки без применения химических средств.

Это позволяет констатировать то, что предлагаемый магнитный фильтр обладает существенными отличиями и новизной.

Предлагаемое изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг. 1 изображен общий вид фильтра в разрезе; на фиг. 2 изображена магнитная система с чередованием полюсов магнитов, как в прототипе, но кольцевые магниты расположены вплотную, с видами по стрелке А и Б; на фиг. 3 изображена магнитная система со смещением полюсов соседних магнитов по часовой стрелке с видами по стрелке А и Б; на фиг. 4 - то же, но со смещением полюсов соседних магнитов против часовой стрелки, с видами по стрелке А и Б.

Фильтр магнитный для очистки жидкостей состоит из корпуса 1 с верхней крышкой 2, магнитной системы 3, установленной на немагнитном стержне 4, фильтровального сетчатого элемента 5, размещенного между верхней и нижней крышкой 6 корпуса, входного патрубка 7 и выходного 8, пробки 9 и прокладок 10. На чертеже также показаны крепежные изделия (болты, гайки и т. п.).

Фильтр работает следующим образом.

Фильтруемая жидкость через входной патрубок 7 поступает внутрь корпуса 1, где, последовательно проходя в промежутке между магнитной системой 3, установленной на немагнитном стержне 4, и фильтровальным сетчатым элементом 5, очищается от ферромагнитных частиц и примесей, которые на них налипают. Ферромагнитные частицы, находящиеся в потоке жидкости, являются зародышевыми центрами, на которых адсорбируются различные механические примеси. Под воздействием магнитного поля они разрушаются, причем ферромагнитные частицы оседают на поверхности постоянных магнитов, а механические примеси на сетчатом фильтре 5. Очищенная вода через выходной патрубок 8 продолжает поступать к потребителю.

В зависимости от того, бытовая вода или промышленная подвергается очистки, зависит время между периодическими чистками магнитной системы и сетчатого фильтра, а также и количество сетчатых фильтровальных элементов. Учитывая то, что к питьевой воде или используемой в быту предъявляются более высокие требования, фильтровальный элемент 5 содержит более одной сетки. Дополнительная сетка вставляется в корпус фильтра путем снятия верхней крышки 2. Таким же образом можно сетчатый фильтровальный элемент вытащить и промыть от грязи.

Для очистки магнитной системы возможно использование двух вариантов. Первый - путем демонтажа магнитной системы, укрепленной на немагнитном стержне 4, для чего достаточно отвернуть гайку на нижней крышке 6 и снять верхнюю крышку 2, а далее промыть магнитную систему струей воды, находящейся под давлением.

Второй вариант. Это отсоединение всего фильтра магнитного от трубопровода, на котором он установлен. В этом случае очистку магнитной системы и сетчатого фильтра можно осуществить, не разбирая корпус фильтра, а лишь удалив пробку 9 и сильной струей промыть весь фильтр, удалив ферромагнитные частицы и грязь.

Преимущественное применение фильтра магнитного перед счетчиками расхода жидкостей, очистки бытовой и неагрессивных промышленных вод, находящихся под давлением 1,6 МПа и температурой до 150°С.

Промышленная реализация фильтра магнитного не вызывает трудностей, т.к. он изготавливается из стандартных деталей. Поворот соседних кольцевых магнитов на 90 градусов достигается за счет клея и крепления всей системы крепежными деталями к крышкам корпуса.

Преимуществами заявляемой конструкции являются простота конструкции магнитной системы; увеличение времени работы фильтра магнитного между чистками за счет исключения стальных прокладок между кольцевыми магнитами; возможность регулирования степени очистки от механических примесей путем регулирования размера ячеек сетчатого фильтра; обеспечение требуемой степени очистки воды как применяемой в быту, так и для промышленных целей; уменьшение погрешности в измерении расхода жидкости.

Использование изобретения намечено осуществить на одном из российских заводов в 2003 взамен серийно выпускаемых фильтров магнитных фланцевых.

Изобретение относится к устройствам для магнитной очистки жидкостей от ферромагнитных и механических примесей и может быть использовано в химической, нефтехимической и других областях промышленности, а также в быту, в частности, для очистки питьевой воды. Фильтр магнитный для очистки жидкостей содержит цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками и крышкой для крепления фильтровального элемента. Фильтровальный элемент размещен вдоль внутренней поверхности корпуса. Магнитная система расположена коаксиально фильтровальному элементу. Она состоит из кольцевых постоянных магнитов, закрепленных на немагнитном стержне вдоль оси корпуса без зазоров, вплотную друг к другу. Они намагничены в направлении, диаметральном оси корпуса. Полюса соседних магнитов смещены относительно друг друга на 90 градусов. Диаметр и высота кольцевых магнитов выбираются в зависимости от проходного диаметра корпуса. Техническим результатом является повышение качества очистки жидкостей от ферромагнитных примесей, а также упрощение конструкции фильтровального элемента. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Фильтр магнитный для очистки жидкости, содержащий цилиндрический корпус, снабженный входным и выходным патрубками и верхней крышкой, вдоль внутренней поверхности корпуса размещен фильтровальный элемент, а коаксиально с ним магнитная система, включающая кольцевые магниты, закрепленные на немагнитном стержне вдоль оси корпуса, отличающийся тем, что кольцевые магниты размещены вплотную, намагничены диаметрально оси корпуса, а полюса соседних пар кольцевых магнитов смещены на 90є относительно друг друга, причем диаметр и ширина кольцевого магнита зависят от проходного диаметра корпуса.2. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что диаметр и ширина кольцевого магнита выбраны по эмпирической зависимости, имеющей вид:

Дм <(8,3-8,7)·10^-7 (Ду)²+(5,6-6,0)·10^-2 Ду+15;

Нм=2·10^-3 (Ду)²+8,

где Ду - проходной диаметр корпуса, мм;

Дм и Нм - соответственно диаметр и ширина кольцевого магнита, мм.