ФИЛЬТР ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ Российский патент 1994 года по МПК B01D24/30 

Изобретение относится к фильтрам для очистки воды от взвешенных веществ и нефтепродуктов и может быть использовано в металлургической, химической, горнорудной отраслях промышленности и других областях народного хозяйства.

Известен противоточный фильтр непрерывного действия, содержащий корпус с крышкой и днищем, плавающей фильтрующей загрузкой и патрубками для отвода промывной воды и вывода загрузки на регенерацию, распределитель исходной воды, расположенный в верхней части корпуса по его оси и выполненный в виде двух соосно установленных цилиндроконусов, вершины которых повернуты по оси фильтра одна относительно другой на 180^о, дренажную систему, трубопроводы гидроперегрузки исходной и промывной воды, эжектор, соединенный с трубопроводами гидроперегрузки и промывной воды и устройство для регенерации, размещенное в нижней части корпуса и выполненное в виде соосно установленной обечайки с раструбом, к которой тангенциально подведен трубопровод гидроперегрузки.

Недостатками указанного устройства являются невысокое качество очистки воды, регенерации загрузки и унос гранул загрузки с промывной водой, потому что устройство для регенерации имеет малое гидравлическое сопротивление, обусловливающее высокую скорость промывной воды в этом устройстве, что в свою очередь повышают гидродинамический напор и является причиной уноса из фильтра большого количества гранул загрузки с промывной водой, которые отлагаются в трубопроводе промывной воды и являются безвозвратными потерями. Это приводит к ухудшению качества регенерации загрузки. Кроме того, уменьшение количества гранул загрузки в фильтре приводит к повышению удельной нагрузки по загрязнениям на фильтрующий материал и является причиной ухудшения качества очистки воды.

Наиболее близким по сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому решению является фильтр для очистки воды непрерывного действия, содержащий корпус с крышкой и днищем, плавающую фильтрующую загрузку, патрубки с эжектором для вывода загрузки на регенерацию, распределительное средство с патрубком для подвода очищаемой воды, установленное в верхней части корпуса по его оси и выполненное в виде перфорированного обратного конуса с отверстиями, в которых размещены основной и дополнительные патрубки, устройство для регенерации, выполненное в виде цилиндрической обечайки с патрубком для отвода промывной воды, присоединенное к днищу, и трубопровод для транспортирования регенерируемой загрузки.

Устройство по прототипу имеет те же недостатки, что и аналог.

Целью настоящего изобретения является повышение качества очистки воды и регенерации загрузки. Повышение качества очистки воды заключается в увеличении степени очистки воды от твердых частиц и масел. Повышение качества регенерации загрузки заключается в предотвращении уноса гранул загрузки с промывной водой.

На фиг. 1 представлен общий вид фильтра; на фиг .2 - цилиндрическая обечайка устройства для регенерации; на фиг. 3 - разрез по А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - разрез по Б-Б на фиг.2; на фиг. 5 - технологическая схема установки, состоящей из двух фильтров.

Корпус 1 фильтра имеет эллиптические крышку 2 и днище 3. В корпусе 1 фильтра располагается фильтрующая плавающая загрузка 4, представляющая собой зерна вспененного полистирола. В верхней части корпуса 1 находится система подвода очищаемой воды, состоящая из патрубка 5 и распределительного устройства 6. Распределительное устройство 6 выполнено в виде боковой поверхности усеченного конуса, обращенного большим основанием вверх. Поверхность распределительного устройства 6 имеет перфорацию в виде прямоугольных отверстий, площадь которых увеличивается в направлении снизу вверх. В крышке 2 корпуса 1 смонтирована система для отбора фильтрующей загрузки на регенерацию, включающая в себя патрубки 7 для отбора загрузки и эжектор 8 для подачи воды. В днище 3 корпуса 1 находится обечайка 9. В центр днища 3 вмонтирован патрубок 10 для отвода промывной воды. В корпусе 1 находится также дренажная система 11 для отвода очищенной воды. В состав фильтра, кроме того, входят трубопровод для транспортирования регенерируемой загрузки 12 с задвижкой 13.

На фиг. 2 изображена цилиндрическая обечайка 9. Нижняя часть обечайки 9 выполнена цилиндрической, а верхняя - в виде конуса 14. Угол α при вершине конуса 14 составляет 90-120^оС. Нижняя часть боковой цилиндрической поверхности обечайки 9 имеет перфорацию в виде прямоугольных отверстий 15. Высота перфорированного участка h₁ составляет 0,45-0,70 высоты Н цилиндрической части обечайки. Длина отверстий b обечайки 9 составляет 1-1,4 их высоты h₂ и равна 0,18-0,32 диаметра обечайки. Общая площадь отверстий n ˙ b˙ h₂ составляет 0,23-0,51 площади боковой поверхности цилиндрической части обечайки πDН, где n - количество отверстий. Перфорационные отверстия 15 размещены равномерно по боковой поверхности обечайки, а геометрические центры отверстий в плане образуют правильный многоугольник, вписанный в окружность, являющуюся проекцией боковой поверхности обечайки, как показано в разрезах А-А и Б-Б.

В центр днища вмонтирован патрубок 10 для отвода промывной воды, диаметр которого α составляет 0,12-0,25 от диаметра обечайки D. Фильтр работает следующим образом. В корпус 1 фильтра помещается фильтрующая плавающая загрузка 4. Затем корпус 1 заполняется водой до величины внутреннего давления 0,6-0,8 МПа (5-7 ати). Очищаемая вода подается через патрубок 5 в верхнюю часть корпуса 1 фильтра и с помощью устройства 6 равномерно распределяется по сечению фильтра. Под действием гравитационной силы и гидродинамического напора, обусловленного разностью атмосферного и внутреннего давления в фильтре, вода движется сверху вниз через слой фильтрующей плавающей загрузки 4. При этом происходит фильтрация воды, т.е. очистка ее от механических примесей и масел. Очищенная вода отводится с помощью дренажной системы 11. В процессе фильтрации загрузка 4 загрязняется механическими примесями и маслами, содержащимися в очищаемой воде. С целью регенерации загрузки 4 в эжектор 8 подается промывная вода, давление которой на 0,1-0,2 МПа (1-2 ати) выше внутреннего давления в фильтре. В результате этого в патрубках 7 возникает разрежение, которое увлекает в них гранулы из верхних, наиболее загрязненных слоев фильтрующей загрузки 4. Вода из эжектора 8 вместе с зернами загрузки 4 поступает в трубопровод 12. Движение водопенополистирольной смеси в трубопроводе происходит в турбулентном режиме. При этом загрязненные гранулы отмываются промывной водой. Отмытые гранулы вместе с промывной водой поступают в нижнюю часть корпуса 1 фильтра, где происходит разделение компонентов смеси. Промывная вода под действием гравитационной силы и гидродинамического напора движется вниз и через отверстия 15 в обечайке 9 поступает в нижнюю часть днища 3 корпуса 1, где расположен патрубок 10 для отвода промывной воды. Конструкция обечайки 9 не позволяет потокам промывной воды, которая отводится из фильтров, увлекать за собой гранулы пенополистирола. Поэтому последние за счет гидростатической силы поднимаются вверх, так как их плотность ниже плотности воды, и образуют нижний слой плавающей фильтрующей загрузки. Таким образом, происходит непрерывное движение гранул снизу вверх, а очищаемой воды сверху вниз, т.е. фильтр для очистки воды работает в режиме противотока.

В практике работы большинства промышленных предприятий для обеспечения требуемой производительности по исходной воде используют не один, а несколько фильтров. В этом случае целесообразно соединение фильтров в батарею с помощью технологических трубопроводов. На фиг. 3 представлена технологическая схема работы батареи из двух таких фильтров I и II. Обвязка фильтров осуществляется с помощью технологических трубопроводов: промывной воды 10, очищенной воды 11, регенерации загрузки 12, подачи воды на эжекцию 16, очищаемой воды 17. Отличие представленной технологической схемы от режима работы одиночного фильтра состоит в том, что с помощью трубопроводов регенерации 12 и задвижек 13 (см. фиг. 1) осуществляется обмен гранулами пенополистирола между фильтрами I и II. Это позволяет увеличить время пребывания водопенополистирольной смеси в трубопроводах 12, что способствует повышению эффективности регенерации загрузки.

Приведенная технологическая схема позволяет также осуществлять промывку загрузки непосредственно в одном из фильтров. В этом случае один из аппаратов, например II, освобождается от загрузки. В фильтр 1 подаются потоки очищаемой воды 17 и воды на эжекцию 16, отводятся потоки очищенной воды 11 и водопенополистирольной смеси 12. Аппарат 1 работает в режиме фильтрации. В аппарат II подается водопенополистирольная смесь 12, а отводится промывная вода 10. Этот аппарат работает в режиме регенерации загрузки. Когда большая часть загрузки перейдет из аппарата 1 в аппарат II, направление потоков изменяют на противоположное, и т.д. Такая организация технологических потоков позволяет повысить ресурс работы загрузки до ее полной замены.

При использовании для очистки воды батареи из двух и более фильтров особо важное значение приобретает гидравлический режим работы фильтров. В этом случае правильный подбор гидравлического режима позволяет обеспечить не только высокую степень очистки воды, но и требуемое направление и производительность потоков в технологических трубопроводах. Кроме того, предотвращение уноса гранул плавающей загрузки с промывной водой является необходимым условием устойчивой работы батареи из нескольких фильтров с промывкой загрузки непосредственно в одном из фильтров, так как в противном случае резко возрастают безвозвратные потери загрузки с промывной водой, а интенсивное отложение гранул в трубопроводе промывной воды делает практически невозможной нормальную эксплуатацию установки в целом. В связи с этим предлагаемая конструкция фильтра для очистки воды, позволяющая предотвратить унос гранул загрузки с промывной водой и обеспечить оптимальный гидравлический режим, эффективна не только в случае работы одного фильтра, но и при параллельной работе батареи из двух и более фильтров.

Испытания предложенного фильтра для очистки воды были проведены на установке водоподготовки цеха улавливания N 1 Мариупольского коксохимического завода. Очистке подвергали воду цикла первичных газовых холодильников с горизонтальным расположением трубок. Исходная вода загрязнена твердыми частицами (илы, фусы) в количестве 80-100 мг/л и маслами (нефтепродукты, смолы) в количестве 40-60 мг/л. Количество перерабатываемой загрязненной воды 90-110 м³/ч, ее температура 30-40^оС.

Основные технические данные фильтра: диаметр, мм 3020 высота, мм 7505 рабочий объем, м³ 32 рабочее давление, МПа 0,6-0,8 площадь фильтрования, м² 7,06 скорость фильтрования, м/ч 12,7-15,6 объем фильтрующей загрузки, м³ 26 относительный расход промывной воды, % 0,5-1,5 масса без воды и загрузки, кг 8775 фильтрующий материал Гранулы
пенополис-
тирола
ПСВ-с крупность гранул, мм 2-5 насыпная плотность гранул, кг/м³ 155 грязеемкость, кг/м³ 60
Вначале исследовали влияние угла при вершине конической части обечайки α на работу фильтра. В качестве показателей, характеризующих работу фильтра, здесь и далее использовали:
гидравлическое сопротивление фильтра, кПа;
содержание гранул пенополистирола в воде после промывки, г/л:
cтепень очистки, % по твердым частицам и по маслам.

Полученные экспериментальные данные приведены в табл. 1.

Во всех опытах общая высота цилиндрической обечайки с конической крышкой 1000 мм, диаметр D=800 мм, длина прямоугольных отверстий в обечайке b= 200 мм, их отношение к диаметру обечайки b/D=0,25; высота отверстий в обечайке h₂=150 мм, отношение длины основания к высоте b/h₂=1,33, количество отверстий n=16, площадь отверстия окна bh₂=0,03 м², суммарная площадь отверстий окон nbh₂=0,48 м², диаметр патрубка для отвода промывной воды d= 150 мм, отношение d/D=0,19.

Анализ данных табл. 1 показывает, что величина угла α при вершине конической части обечайки менее 90^о не обеспечивает эффективной задержки гранул плавающей загрузки на конической поверхности, и они проникают внутрь обечайки, а затем выносятся из фильтра вместе с промывной водой в количестве 9,1 г/л. Если угол α при вершине конуса более 120^о, то это нарушает гидравлический режим работы фильтра, вследствие чего снижается степень очистки воды по твердым частицам на 1,8%, по маслам - на 0,7%. Таким образом, оптимальная величина угла при вершине конической части обечайки α составляет 90-120^о.

В табл. 2 приведены данные, обосновывающие правомерность выбора высоты перфорированной части боковой поверхности цилиндрической обечайки.

Во всех опытах угол при вершине обечайки α =120^о, общая высота обечайки с конической крышкой 1000 мм, диаметр D=800 мм, длина отверстия в обечайке b= 200 мм, ее отношение к диаметру обечайки b/D=0,25, высота отверстий h₂= 150 мм, отношение длины к высоте b/h₂=1,33, количество отверстий n=16, площадь отверстия окна bh₂=0,03 м², суммарная площадь отверстий окон nbh₂= 0,48 м², диаметр патрубка для отвода промывной воды d=150 мм, отношение d/D=0,19; отношение nbh₂/ πDH=0,25.

Из представленных данных видно, что если отношение высоты нижнего перфорированного участка h₁ к общей высоте цилиндрической части обечайки Н составляет менее 0,45, то в промывную воду, выходящую из корпуса фильтра через патрубок в днище, попадают гранулы фильтрующей загрузки в количестве 1,9 г/л. Причиной этого является уменьшение толщины перемычек между отверстиями, в результате чего возрастает гидродинамический напор, под действием которого гранулы загрузки попадают внутрь обечайки вместе с промывной водой. Если же отношение h₁/H превышает 0,70, то в промывную воду, выходящую из фильтра, также попадают гранулы загрузки в количестве 9,9 г/л. Связано это с тем, что в этом случае верхние отверстия располагаются в той части цилиндрической поверхности обечайки, которая должна задерживать гранулы загрузки. Вместо этого часть гранул беспрепятственно проникает внутрь обечайки через верхние отверстия. Хотя высота перфорированного участка и не оказывает влияния на степень очистки воды, эксплуатация фильтра в обоих рассмотренных случаях (h₁/H менее 0,45 и более 0,70) существенно осложняется вследствие попадания гранул загрузки в промывную воду. Таким образом, оптимальное отношение высоты перфорированного участка к общей высоте цилиндрической части обечайки h₁/H находится в пределах 0,45-0,70.

В табл. 3 приведены данные, обосновывающие правомерность выбора диапазона изменения длины "b" прямоугольных отверстий.

Во всех опытах угол при вершине обечайки α =120^о, общая высота обечайки с цилиндрической крышкой 1000 мм, диаметр обечайки D=800 мм, отношение b/h₂= 1,33, диаметр патрубка для отвода промывной воды d=150 мм, отношение d/D= 0,19, высота перфорированного участка h₁=0,70 высоты цилиндрической части обечайки Н.

Анализ табл. 3 показывает, что при отношении длины отверстий b к диаметру обечайки D менее 0,18 увеличивается гидравлическое сопротивление фильтра с 71 до 80 кПа. Это приводит к снижению производительности фильтра по загрязнениям, а в конечном итоге - к уменьшению степени очистки воды на 4,6 и 6,2% по твердым частицам и маслам соответственно. В случае, если b/D больше 0,32, гидравлическое сопротивление обечайки с тонкими перемычками между отверстиями становится меньше требуемой величины, что приводит к возрастанию гидродинамического напора. Вследствие этого гранулы загрузки увлекаются промывной водой внутрь обечайки, а затем в патрубок для отвода промывной воды в количестве 2,6 г/л. Следовательно, длина прямоугольных отверстий должна составлять 0,18-0,32 от диаметра обечайки.

Данные по обоснованию правомерности выбора диапазона изменения высоты h₂ отверстий приведены в табл. 4.

Во всех опытах угол при вершине обечайки α = 120^о, диаметр патрубка для отвода промывной воды d=150 мм, общая высота обечайки с конической крышкой 1000 мм, диаметр обечайки D=800 мм, длина отверстий в обечайке b=200 мм, отношения d/D=0,19, h₁/H=0,70, b/D=0,25.

Анализ табл. 4 позволяет заключить, что при длине отверстия меньшей его высоты (b/h₂ менее 1,0) возрастает гидравлическое сопротивление фильтра. Аналогичная картина наблюдается в случае, когда отношение b/h₂ превышает 1,4. Связано это с возрастанием местных сопротивлений в узких отверстиях. В результате снижается производительность фильтра по загрязнениям, что приводит к снижению степени очистки воды от твердых частиц на 1,0-8,1% и от масел на 0,3-2,8%. Следовательно, оптимальное отношение длины прямоугольных отверстий к их высоте составляет 1,0-1,4.

В табл. 5 приведены результаты исследований по обоснованию правомерности выбора диапазона изменения суммарной площади отверстий относительно площади боковой поверхности цилиндрической части обечайки.

Во всех опытах угол при вершине конической части обечайки α =120^о, отношение высоты перфорированного участка h₁ к общей высоте цилиндрической части обечайки Н 0,7, длина отверстий в обечайке 200 мм, высота - 150 мм, площадь одного отверстия 0,03 м², отношения b/D=0,25, d/D=0,19.

Из данных табл. 5 следует, что при суммарной площади отверстий менее 0,23 от площади боковой поверхности цилиндрической части обечайки возрастает гидравлическое сопротивление фильтра на 10 кПа за счет роста местных сопротивлений сужению потоков промывной воды при входе внутрь обечайки. Это приводит к снижению производительности фильтра по загрязнениям и уменьшению степени очистки воды на 3,8% от твердых частиц и на 0,3% от масел. Если же суммарная площадь отверстий превышает 0,50 от площади боковой поверхности цилиндрической части обечайки, то гранулы плавающей загрузки попадают в количестве 8,2 г/л в промывную воду, выходящую из фильтра, вследствие роста гидродинамического напора. Следовательно, суммарная площадь отверстий в обечайке nbh₂ должна составлять 0,23-0,50 от площади боковой поверхности цилиндрической части обечайки πDH.

В табл. 6 приведены данные экспериментов по обоснованию правомерности выбора диапазона изменения диаметра патрубка для отвода промывной воды относительно диаметра обечайки.

Во всех опытах угол при вершине конической части обечайки α =120^о, высота перфорированного участка h₁ составляет 0,7 от общей высоты цилиндрической части обечайки Н, длина отверстий равна 0,25 диаметра обечайки D, а высота h₂=1,33b, общая площадь отверстий равна 0,25 площади боковой поверхности цилиндрической части обечайки.

Из представленных данных видно, что в случае, когда диаметр патрубка для отвода промывной воды составляет менее 0,12 от диаметра обечайки, гидравлическое сопротивление фильтра возрастает на 3 кПа вследствие увеличения местных сопротивлений при входе потока промывной воды из внутренней части обечайки в патрубок. Это приводит к снижению степени очистки промывной воды от твердых частиц на 1,9% и от масел на 2,0%. Наоборот, если диаметр патрубка для отвода промывной воды составляет более 0,25 от диаметра обечайки, вместе с промывной водой из фильтра уносятся гранулы фильтрующей плавающей загрузки в количестве 9,3 г/л. Это связано со снижением ниже оптимальных величин местных сопротивлений сужению потока промывной воды при переходе из внутренней части обечайки в патрубок для отвода воды. В результате увеличивается гидродинамический напор, под действием которого часть гранул загрузки выносится из фильтра с потоками промывной воды. Таким образом, оптимальная величина диаметра патрубка для отвода промывной воды должна составлять 0,12-0,25 от диаметра обечайки.

В табл. 7 приведены сопоставительные данные работы предлагаемого фильтра и фильтра по прототипу. При этом в предлагаемом фильтре угол при вершине конической части обечайки составлял 120^о, общая высота обечайки - 1000 мм, ее диаметр - 800 мм, высота перфорированного участка была 0,7 от высоты цилиндрической части обечайки, длина отверстий составляла 0,25 от диаметра обечайки, отношение длины отверстий к их высоте было 1,33; общая площадь отверстий составляла 0,25 от площади боковой поверхности цилиндрической части обечайки, диаметр патрубка для отвода промывной воды - 0,19 от диаметра обечайки.

В качестве прототипа исследовали работу фильтра под давлением ЕПМ7-ЗУ-02 по ТУ 26-01-995-86, изготовленного НПО "Пензхиммаш".

Из представленных в табл. 7 данных следует, что в сопоставимых условиях предлагаемый фильтр обеспечивает более эффективную очистку воды. По сравнению с прототипом, содержание в фильтрованной воде твердых частиц снижается на 2 мг/л, а масел - на 1 мг/л.

Степень очистки возрастает по твердым частицам на 2,2%, по маслам - на 2,0% . Это служит экспериментальным подтверждением эффективности применения для очистки воды предлагаемого фильтра по сравнению с прототипом.

Сущность изобретения: фильтр для очистки воды содержит корпус с крышкой и днищем, плавающую фильтрующую загрузку, распределитель, дренажную систему и устройство для регенерации в виде присоединенной к днищу цилиндрической обечайки с патрубком для отвода промывной воды, диаметр которого составляет 0,12 - 0,25 диаметра обечайки, при этом верхняя часть обечайки снабжена конусом с углом при вершине 90 - 120° и на ее поверхности на расстоянии от днища корпуса, составляющем 0,45 - 0,70 ее высоты, выполнены равномерно расположенные прямоугольные отверстия, длина которых составляет 0,18 - 0,32 диаметра обечайки и равна 1 - 1,4 их высоты при общей площади отверстий, составляющей 0,23 - 0,51 площади боковой поверхности обечайки. 5 ил., 7 табл.

ФИЛЬТР ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ, содержащий корпус с крышкой и днищем, плавающую фильтрующую загрузку, средство для распределения очищаемой воды, дренажную систему, патрубки с эжекторами для вывода загрузки на регенерацию, устройство для регенерации в виде присоединенной к днищу цилиндрической обечайки с патрубком для отвода промывной воды и трубопровод гидроперегрузки, отличающийся тем, что верхняя часть обечайки снабжена конусом с углом при вершине 90 - 120^o и на поверхности обечайки на расстоянии от днища корпуса, составляющем 0,45 - 0,70 ее высоты, выполнены на равном расстоянии одно от другого прямоугольные отверстия, длина которых составляет 0,18 - 0,32 диаметра обечайки и равна 1 - 1,4 их высоты, при этом общая площадь отверстий составляет 0,23 - 0,51 площади боковой поверхности обечайки, а диаметр патрубка для отвода промывной воды выполнен составляющим 0,12 - 0,25 диаметра обечайки.