химически стойкий фильтр для очистки агрессивных жидкостей и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Керамический фильтр для очистки жидкостей от загрязнений, содержащий блок пористых керамических пластин прямоугольной формы со сквозными каналами, причем пластина имеет ширину t, толщину h и длину L, а канал имеет размер канала d, отличающийся тем, что соотношение между шириной t и длиной L пластины, толщиной пластины h и размером канала d выбрано из условия t/L=0,46-2,0, d/h=0,65-0,9, а межосевое расстояние А между каналами выбрано из условия A=(0,8-1,7)d.

2. Способ изготовления керамического фильтра, включающий смешивание керамического материала с органической добавкой, формование заготовки и ее отжиг, отличающийся тем, что для изготовления фильтра используются порошки оксидов, причем в нагреваемый смеситель с мелющими телами вначале загружают органическую добавку, парафин с полиэтиленом в количестве 16,0-20% от массы смеси загружаемых оксидов, тщательно перемешивают, повышают температуру до 90-130°С, добавляют порошки спекающей добавки, тщательно перемешивают 50 мин и добавляют порошки оксидов, вес.%: 10-12 Na₂O, 2-3 K₂O, 2-3 MgO, 18-20 CaO, 2-3 ВаО, 1-5 B₂O₃, 8-10 Al₂O ₃, 2 TiO₂, тщательно перемешивают не менее 40 мин, добавляют наполнитель - порошок оксида кремния, тщательно перемешивают не менее 40 мин, полученную смесь подают в экструдер, причем температура смеси перед фильерой экструдера составляет 50-90°С, получаемую по мере выдавливания оксидную заготовку нарезают на пластины заданной длины, устанавливают в огнеупорный короб, засыпают пластины в коробе огнеупорным порошком, нагревают короб вместе с пластинами со скоростью 10-30°С/ч, выдерживают при температуре 700-1300°С и охлаждают вместе с печью.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что состав оксидной смеси может включать примеси оксидов Li₂O, ZrO₂ , BeO, SrO, ZnO, CdO, Fe₃O₄ в сумме до 5 вес.%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к очистке загрязненных кислот, щелочей, их растворов и производных, загрязненной воды, механическому разделению растворов с помощью мембранных керамических фильтров.

Известен керамический фильтр, содержащий пластину из пористого керамического материала со сквозными каналами в теле фильтра, стенки которых покрыты мембранным слоем (см. авт. свид. СССР № . 1674934, кл BD01D 61/18, 1989). Также известен фильтр в мембранном исполнении, см. патент США № 5236588, кл. B01D 67/00,1991.

Наиболее близким к заявляемой группе изобретений является керамический фильтр для очистки жидкостей, способ его изготовления и устройство формования по патенту № 2088318, кл. B01D 69/00,1997, РФ.

Известный фильтр содержит блок с прямоугольными пластинами из пористого керамического материала, в теле которых выполнены сквозные каналы, на стенках которых сформирован мембранный слой из исходного материала. Пластина имеет геометрические параметры: ширину t, толщину h, длину L и размер канала d, выбранные из условия t/L=0,45 d/h=0,65.

Недостатком этого фильтра является ограниченная производительность вследствие неблагоприятных соотношений длины с шириной пластины и толщины пластины с размером ее канала. Пластина более широкая с большим количеством каналов, с малой толщиной стенок каналов, при больших длинах обеспечит более высокий выход очищенной жидкости.

Известный способ изготовления керамического фильтра включает смешивание керамического материала с органической добавкой при 90-160°С, его стабилизацию в термостате при 60-90°С и наполнение им под давлением 0,5-10 МПа устройства для формования, прогретого до 40-80°С, имеющего прямоугольный вкладыш с закладными стержнями для образования каналов в пластине. После выдержки под давлением устройство для формования охлаждают и в процессе охлаждения извлекают закладные стержни и сформованную заготовку, которую нагревают со скоростью 60°С/час и обжигают при 1200-1600°С.

Недостатком способа изготовления фильтра является низкая коррозионная стойкость материала фильтра к агрессивным жидкостям, например, загрязненным растворам кислот или их производным, что быстро разрушает фильтр. Другим недостатком способа является высокая скорость нагрева заготовки, что приводит к появлению трещин в пластине, и высокая температура нагрева заготовки, что вызывает повышенные затраты тепловой энергии.

Известное устройство для формования керамического фильтра содержит матрицу из двух разъемных пластин с эластичными прокладками на их внутренних поверхностях, с питательным каналом в одной из разъемных пластин и вкладыш с центральным отверстием для образования пластины фильтра и отверстиями для размещения закладных стержней, образующих каналы пластины, и фиксированного относительно матрицы болтами и штифтами.

Недостатком устройства является его сложность: наличие эластичных прокладок на внутренних поверхностях разъемных пластин матрицы и болтов и штифтов, фиксирующих вкладыш, требующая в целом больших затрат времени на сборку и разборку.

Задачей изобретения является создание высокопроизводительного фильтра с повышенной химической стойкостью при очистке в химическом производстве загрязненных кислот, их растворов и производных и загрязненной воды.

Поставленная задача решается тем, что химически стойкий фильтр в форме пластины прямоугольной формы из пористого оксидного материала со сквозными каналами размером d, с шириной пластины t, толщиной h, длиной L и межосевым расстоянием между каналами А выполнен из условия t/L=0,2-2,0, d/h=0,2-0,9 и A=(0,8-1,7)d.

Применение приведенных соотношений позволяет изготавливать более широкие и более длинные пластины с частым расположением каналов в теле пластины, что в целом повышает производительность фильтрации пластины.

Фильтр может содержать блок таких пластин.

Поставленная задача решается также тем, что в способе изготовления керамического фильтра, включающем перемешивание керамического материала с органической добавкой, формование заготовки и ее отжиг, использована смесь порошков оксидов, причем вначале в нагреваемый смеситель с мелющими телами загружают органическую добавку, парафин с полиэтиленом, в количестве 16-20% от массы смеси оксидов, тщательно перемешивают, повышают температуру до 90-130°С, добавляют порошки спекающей добавки, тщательно перемешивают 50 мин, затем добавляют смесь порошков оксидов, вес.%: 10-12 Na₂O, 2-3 K₂O, 2-3 MgO, 18-20 CaO, 2-3 ВаО, 1-5 B₂O₃, 8-10 Al₂ O₃, 2 TiO₂, тщательно перемешивают не менее 40 мин, добавляют наполнитель, порошок оксида кремния, тщательно перемешивают не менее 40 мин, подают полученную смесь в экструдер с тем, чтобы температура смеси перед фильерой экструдера составляла 50-90°С, получаемую по мере выдавливания оксидную заготовку нарезают на пластины заданной длины, устанавливают их с разрежением в огнеупорный короб, наполняют короб с пластинами плотно огнеупорным порошком, нагревают короб вместе с пластинами со скоростью 10-30°С/час, выдерживают при температуре 700-1300°С и охлаждают вместе с печью. Химический состав смеси оксидов может включать примеси оксидов Li₂O, ZrO₂, BeO, SrO, ZnO, CdO, Fe₃O₄ до 5 вес.%.

На Фиг.1 изображена пластина оксидного фильтра, вид спереди; на Фиг.2 изображена пластина оксидного фильтра, вид сверху.

Оксидный фильтр представляет собой прямоугольную пластину со сквозными параллельными каналами, выполненными в теле пластины. Пластина имеет ширину t, толщину h, длину L, размер канала d, расстояние между осями каналов А. Экспериментально было установлено, что поставленная задача решается при условии t/L=0,2-2,0, d/h=0,2-0,9 и А=(0,8-1,7)d. При указанных соотношениях параметров пластины фильтр обеспечивается повышение производительности фильтрации.

Пластины могут быть собраны в блок, что повышает производительность фильтра.

Фильтр работает следующим образом.

Предварительно из прямоугольных пластин собирается блок или модуль (на чертеже не показан). Очищаемая жидкость прокачивается по сквозным каналам, просачивается при этом через поры стенок каналов тангенциально направлению потока очищаемой жидкости и попадает в зону сбора, а затем к потребителю. Очищаемую жидкость можно направить поверх пластины, в этом случае очищенная жидкость просачивается через поры стенок каналов с поверхности пластины в ее каналы, откуда подается к потребителю.

Пример осуществления способа изготовления фильтра при помощи экструдера для его формования.

В нагреваемый смеситель с мелющими телами загружают органическую добавку, парафин с полиэтиленом, в количестве 16,0-20% от массы смеси оксидов, тщательно перемешивают, повышают температуру до 90-130°С, добавляют порошки спекающей добавки, тщательно перемешивают 50 мин и добавляют смесь порошков оксидов, вес.%: 10-12 Na₂ O, 2-3 K₂O, 2-3 MgO, 18-20 CaO, 2-3 ВаО, 1-5 B ₂O₃, 8-10 Al₂O₃, 2 TiO ₂, тщательно перемешивают не менее 40 мин, добавляют наполнитель, порошок оксида кремния, тщательно перемешивают не менее 40 мин, подают полученную смесь в экструдер с тем, чтобы температура смеси перед фильерой экструдера составляла 50-90°С, получаемую по мере выдавливания оксидную заготовку нарезают на пластины заданной длины, устанавливают их с разрежением в огнеупорный короб, засыпают короб с пластинами плотно огнеупорным порошком, нагревают короб вместе с пластинами со скоростью 10-30°С/час, выдерживают при температуре 700-1300°С и охлаждают вместе с печью. Состав смеси оксидов может включать примеси оксидов Li₂O, ZrO₂, BeO, SrO, ZnO, CdO, Fe ₃O₄ в сумме до 5 вес.%.

Технический результат изобретения заключается в создании химически стойкого оксидного фильтра, пригодного для фильтрации загрязненных кислот, щелочей, их растворов и производных в химическом производстве. Отбор фильтрата протекает одновременно с четырех граней пластины фильтра. Одновременно этот фильтр может использоваться для очистки воды, масел, соков, молока и др.

При давлении жидкости в системе постоянным производительность фильтра повышается пропорционально уменьшению толщины стенок каналов пластины.

При давлении в системе 0,5 МПа и соотношении d/h=0,9 производительность фильтрации достигает 1200 л/час. Фильтрующая поверхность при этом не превышает 0,06 м².

Заявляемый способ обеспечивает кислотную и щелочную стойкость оксидной пластины фильтра на уровне не менее 1 класса при высоком качестве очистки. Заявляемый способ обеспечивает также снижение расхода тепловой энергии при спекании и снижает брак отжига пластин по трещинам.

В целом заявляемое изобретение позволит снабдить предприятия химической отрасли новым химически стойким, высокопроизводительным оксидным фильтром с высоким качеством очистки при существенном снижении себестоимости очищения жидкости.