СПОСОБ ОЧИСТКИ ЖИДКОСТЕЙ ФИЛЬТРОВАНИЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК B01D37/00 B01D24/14 

Изобретение относится к способам отделения взвешенных частиц от жидкостей фильтрованием и осветлительным фильтром, которые могут быть использованы в любой области промышленности, где требуется в частности очистка высомутных суспензий.

Известен способ очистки жидкостей фильтрованием, включающий подачу очищаемой жидкости в корпус фильтра, пропускание ее в направлении сверху вниз через неподвижный слой фильтрующей зернистой загрузки, отвод осветленной жидкости из корпуса и обратную верхней части слоя путем подачи струй промывной жидкости, которыми верхний слой как бы переворачивается [1]
Недостатком этого известного способа является то, что все задержанные загрязнения остаются в загрузке, поэтому грязеемкость слоя увеличивается незначительно и последующая регенерация требует значительного расхода промывной жидкости.

В указанном источнике информации раскрыта конструкция фильтра, являющегося прототипом к предлагаемому. Известный фильтр содержит вертикальный корпус, нижнее дренажное устройство, на котором размещен слой фильтрующей загрузки верхнее распределительное устройство в виде перфорированных труб и размещенное в слое загрузки среднее распределительное устройство.

Недостатками этого известного устройства является малая грязеемкость слоя и большой расход промывной жидкости.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков.

На чертеже представлено схематическое изображение фильтра для осветления жидкостей.

Фильтр содержит вертикальный корпус 1 с расположенными в нем верхним распределительным устройством 2 и нижним дренажным (дренажно-распределительным) устройством 3. На устройстве 3 размещен слой зернистого фильтрующего материала 4, ниже свободной верхней границы которого установлены горизонтально расположенные распределительные элементы верхнего распределительного устройства 2. В слое же, на расстоянии 0,3-0,8 м от устройства 2, расположено среднее распределительное устройство 5. В верхней части фильтра, над слоем 4, выполнено устройство для отвода промывной жидкости (отводящее устройство) 6.

Исполнение распределительных и дренажного устройств может быть различным, здесь будут представлены примеры конкретного исполнения. Нижнее дренажное устройство 3 содержит плоскую плиту, в отверстиях которой установлены дренажные элементы 7 с размером щелей, меньшим размера зерен фильтрующего материала.

Верхнее и среднее распределительные устройства 2 и 5 содержат коллектор, на котором установлены распределительные элементы 8 и 9, выполненные, например, в виде горизонтально расположенных перфорированных лучей. На лучи 9 устройства 5 для предотвращения поступления в них фильтрующего материала навита проволока с размером щелей между витками, меньшим размера зерен загрузки. Отверстия на лучах 8 устройства 2 выполнены открытыми, при этом их размер превышает размер наибольших частиц (зерен) фильтрующего материала не менее, чем в три раза.

Отводящее устройство 6 представляет собой перфорированный полый тор с размером отверстий, достаточным для свободного прохождения через них вымываемых загрязнений.

Кроме того, фильтр содержит патрубки подвода исходной суспензии 10 и промывной жидкости 11, отвода фильтрата 12 и промывной воды 13, подачи сжатого воздуха и сдувки 14.

Пример осуществления способа.

Исходную жидкость через патрубок 10 подают в распределительное устройство 2. Поскольку отверстия на распределительных элементах 8 этого устройства значительно больше размера зерен фильтрующего материала, последние при отсутствии подачи исходной суспензии через отверстия забивают распределительное устройство 2 и при подаче препятствуют ее поступлению в слой загрузки. Несмотря на то, что суспензия поступает в фильтр под определенным напором, она не может выдавить зерна загрузки из устройства 2 через отверстия на элементы 8, поскольку этому препятствует плотный, неподвижный слой загрузки. Поэтому одновременно или вслед за подачей исходной суспензии в корпус также подается промывная жидкость, поступающая через патрубок 11 в среднее распределительное устройство 5. Отверстия на распределительных элементах 9 устройства 5 перекрыты навитой проволокой с размером зазоров, меньшим размера частиц, поэтому промывная жидкость, не содержащая механических включений, свободно проходит в верхний слой и, двигаясь в восходящем направлении, взвешивает и расширяет его. При этом, если фильтр уже был заполнен жидкостью, отвод взрыхляющей воды осуществляют через отводящее устройство 6 и патрубок 13, если же свободное пространство фильтра не заполнено жидкостью, производится его частичное заполнение поступающей взрыхляющей жидкостью при открытом патрубке сдувки 14. При взрыхлении слоя порозность его в значительной мере увеличивается и он уже не препятствует выносу зерен из отверстий верхнего распределительного устройства 2, перемещаемых в слой под напором исходной суспензии. После очистки устройства 2, что может контролироваться, например, по падению давления на подающем трубопроводе, подача промывной жидкости прекращается и фильтр переключается на работу в режиме фильтрования.

Следует отметить, что расширение слоя является необходимым условием для освобождения устройства 2 от зерен фильтрующего материала, но недостаточным. Как показали эксперименты, при размере отверстий элементов 8, меньшем трех диаметров наибольших частиц загрузки, "затекшие" внутрь устройства 2 при остановке фильтра зерна при попытке их удаления потоком исходной суспензии, через отверстия практически не выносились. Так, при размере зерен фильтрующего материала 0,4-0,65 минимальный диаметр отверстий, при котором устройство 2 освобождалось от фильтрующего материала, был равен 2,0 мм, для зерен размером 0,5-1,0 мм минимальный диаметр составил величину 3,0 мм, а для зерен 1,0-1,6 мм соответственно 5,0 мм. При значениях диаметра отверстий, меньших указанных, разгрузка устройства 2 не происходила, при равных или больших значениях устройство 2 быстро освобождалось от попавших в него зерен. Следовательно, можно сделать вывод, что для нормального функционирования фильтра, в котором исходная суспензия подается внутрь фильтрующего слоя, необходимы два условия, не предусмотренные в известных аналогах: обязательное взрыхление слоя через среднее распределительное устройство (которое в известных аналогах с подачей суспензии внутрь слоя отсутствует) и заявленное соотношение размеров отверстий верхнего распредустройства и зерен загрузки. Оба эти условия предусмотрены как отличительные признаки в заявляемых решениях.

Описанная картина забивки и разгрузки устройства 2 объясняется следующим.

Как известно, мелкозернистые материалы при определенном содержании межпоровой жидкости становятся жидкотекучими и способны проникать в различные щели и отверстия. При поступлении зерен на отверстие между стенками последнего и зернами возникают распорные силы, способствующие образованию над отверстием свода из зерен. Причем, прочность образующего свода, препятствующего заходу зерен в отверстие, прямо пропорционально воздействующему на свод усилию. Поэтому при остановке фильтра, где движущей силой перемещения зерен в отверстия устройства 2 является очень небольшая по величине гравитационная сила, усилия в образующемся сводике минимальны, он непрочен, то создается, то разрушается, и при его разрушениях зерна поступают внутрь устройства 2.

Иная картина при разгрузке верхнего устройства, когда на находящийся внутри него материал воздействует достаточно высокий напор исходной суспензии. Образующие сводики имеют прочную структуру, не разрушаются и препятствуют выносу материала.

Однако структурная прочность сводика определяется не только усилием, но и количеством частиц в образующемся своде, то есть зависит от соотношения размеров отверстия и зерен. Эксперименты показали, что достаточно непрочная структура, не оказывающая препятствий для выхода зерен, образуется уже при соотношении размеров отверстия и зерен, равному трем с дальнейшим разупрочнением при увеличении соотношения.

Таким образом, при заявленном соотношении размеров зерна свободно поступают внутрь верхнего распределительного устройства 2 и также свободно удаляются через них при подаче исходной суспензии с одновременным взрыхлением слоя.

Аппарат переведен в режим фильтрования, при этом подаваемая внутрь, под верхнюю границу слоя исходная суспензия в нисходящем направлении проходит через весь находящийся ниже устройства 2 слой, где очищается от примесей, а осветленная жидкость через щели дренажного устройства и патрубок 12 выводится из фильтра.

Исходная суспензия подается под свободную поверхность слоя,где находятся отклассифицировавшиеся наименьшие зерна и их осколки, поэтому, начальное гидросопротивление слоя относительно невелико, что обеспечивает большую продолжительность фильтроцикла с соответствующим увеличением грязеемкости, находящейся в фильтре загрузки. Увеличению грязеемкости также способствует энергия жидкостных струй, поступающих непосредственно в фильтрующий слой и как бы проталкивающих загрязнения в его глубь.

При фильтровании содержащиеся в очищаемой жидкости взвеси отделяются в слое фильтрующего материала и постепенно забивают его межзерновое пространство. Причем сначала забиваются (насыщаются) верхние, первые по ходу движения потока исходной суспензии слои с постепенным перемещением границы насыщенного и чистого слоев вниз, внутрь фильтрующего слоя.

Эта граница носит название фронта фильтрования или фронта осадка. При этом сначала происходит формирование этого фронта в начальном слое загрузки высотой (толщиной) Х_о, а затем начинается собственно перемещение фронта параллельно самому себе со скоростью V. Формирование фронта происходит в течение времени τ_о, продолжительность фильтроцикла τ опрепделяется либо временным регламентом, либо предельным перепадом давления на фильтре или проскоком примесей в фильтрат.

По окончании фильтрования, определяемом ростом перепада давления, фронт осадка останавливается на определенном расстоянии от верхнего распределительного устройства 2. Как показали эксперименты, это расстояние, то есть высота максимального загрязненного фильтрующего слоя, в зависимости от конкретных условий, варьируется в пределах 300-800 мм. Поскольку в этом слое задерживается основная масса загрязнений; но не все, ниже него обычно располагается так называемый контрольный слой, доочищающий жидкость и загрязняющийся окончательно лишь через несколько (4-10) фильтроциклов.

Поэтому в большинстве фильтроциклов целесообразна промывка не всего слоя, а лишь его лобовой, верхней части высотой от уровня устройства 2 (300-800) мм и очистки всего слоя по прошествии нескольких фильтроциклов.

Для этого в заявляемом фильтре среднее дренажное устройство 5, предназначенное для подачи промывной воды, и устанавливается на расстоянии (300-800 мм) от верхнего распределительного устройства 2. Это позволяет промывать лишь верхний, загрязненный слой, не перемешивая его с нижним, чистым слоем. Такой прием обеспечивает снижение расхода промывной жидкости и времени промывки (так как требуется промывка слоя, в 1,5-2,0 раза меньшего, чем полный объем загрузки), и повышение качества фильтрата (за счет предотвращения загрязнения нижних, чистых слоев загрязнениями из верхнего слоя).

Более точно расстояние между двумя распределительными устройствами может быть определено экспериментально с использованием формулы
LX_o + (τ-τ_о)·V причем 0,3≅L≅0,8 м.

Представленные здесь обозначения величин объяснены выше.

Физический смысл формулы состоит в том, что расстояние между устройствами, равное высоте загрязненного слоя, складывается из высот начального слоя, в котором формируется фронт осадка, и слоя, в котором в течение фильтроцикла перемещается стационарный, сформировавшийся фронт.

Итак, фильтр отключается на промывку лобового слоя, для чего подача исходной жидкости прекращается, а через среднее распределительное устройство 5 в фильтрующий слой подается промывная жидкость. Возможны два варианта осуществления промывки.

По первому фильтр, по крайней мере, до уровня устройства 5 предварительно, до подачи промывной жидкости, опорожняется (с помощью сжатого воздуха или самотеком). Подаваемая затем жидкость взвешивает лобовой слой и постепенно заполняет свободное пространство фильтра, вынося туда отмытые загрязнения. При подаче эта жидкость вытесняет находящуюся в фильтре жидкость через устройство 6 и патрубок 13. Подача жидкости на промывку прекращается при ее появлении на выходе из фильтра, что определяется по анализу пробы или расчетным путем (по объему свободного пространства фильтра плюс межзерновой объем загрязненной части фильтрующего слоя).

При осуществлении обоих вариантов промывания жидкость выносит вымытые из слоя загрязнения в свободное пространство фильтра, где они с восходящим потоком жидкости поднимаются вверх и постепенно распределяются по всему свободному пространству. Поскольку подача промывной жидкости производится до момента появления ее на сливе из фильтра, вымытые загрязнения из фильтра не выходят и после прекращения подачи осаждаются на свободную поверхность фильтрующего слоя. Поскольку толщина верхнего, промываемого слоя составляет 30-70% от общей толщины слоя, примерно пропорционально сокращается расход жидкости по сравнению с промывкой всего слоя.

После промывки в фильтр с использованием вышеописанного приема вновь подается исходная суспензия. Так как она поступает под свободную поверхность слоя с осевшими на ней загрязнениями, последние не препятствуют ее перемещению и не снижают продолжительность фильтроцикла.

При загрязнении верхнего слоя вновь производится его промывка с последующим переключением аппарата на режим фильтрования. В дальнейшем описанные режимы работы повторяются.

Как показали эксперименты, целесообразно проведение 4-5 промывок без выноса загрязнений из фильтра. Затем, при очередной промывке, все накопленные загрязнения удаляются из фильтра.

В лобовом слое задерживается основная масса загрязнений, остальные улавливаются в нижнем, контрольном слое, расположенном ниже среднего устройства 5. Этот слой постепенно загрязняется, потому через 4-10 промывок лобового слоя производится промывка всего фильтрующего материала.

Рассмотрим пример конкретного осуществления способа.

Исходная суспензия (раствор азотной кислоты + сажа) концентрацией твердого (сажи) 1,2 г/л подавалась на фильтр диаметром 500 мм, в котором располагался слой зернистого фильтрующего материала высотой 1100 мм.

Фильтрующий слой состоял из двух частей, при этом нижняя часть высотой 500 мм состояла из слоя шариков из нержавеющей стали диаметром 0,2-0,4 мм, а верхняя содержала гранулы электрокорунда диаметром 0,5-1,0 мм.

На расстоянии 100 м от верхней границы слоя располагалось верхнее распределительное устройство лучевого типа, размер отверстий в котором был равен 3,0 мм. Ниже этого устройства на расстоянии от него 600 мм (и на 100 мм ниже границы двух фильтрующих слоев), было установлено среднее распределительное устройство. Толщина нижнего, контрольного слоя составляла 400 мм.

Фильтрование производилось со скоростью5 м/ч (расход 1,0 м³/ч) до максимального перепада давления на фильтре 0,3 МПа. При этом было профильтровано 8 м³ суспензии, расчетная грязеемкость (на весь слой) составила 45-50 г/л.

По окончании фильтрования в аппарат через среднее распредустройство была подана промывная жидкость (азотная кислота), при этом фильтр был предварительно подопорожнен. Для промывки было использовано ≈250 л промывной жидкости, после заполнения фильтра промывка была прекращена, вымытые загрязнения остались в свободном пространстве аппарата.

При повторной подаче исходной суспензии из-за частичного загрязнения неотмытой нижней части фильтрующего слоя начальный перепад давления возрос, что позволило профильтровать уже не 8, а 4,0 м³суспензии. Уловленные загрязнения вновь через среднее устройство были вымыты в свободный объем фильтра.

Затем были проведены еще два цикла с очисткой в каждом по 2,0 м³суспензии и выносом отмытых загрязнений после третьего цикла в верхнюю часть фильтра.

По окончании четвертого цикла был промыт весь фильтрующий слой с выносом всех ранее уловленных взвесей из аппарата. В первых трех циклах было использовано 0,75 м³ промывной жидкости, в последнем 0,4 м³. Всего на 16 м³ очищенной суспензии было израсходовано 1,15 м³ промывной жидкости, что составляет расход жидкости на собственные нужды фильтра 7% Общая расчетная грязеемкость находящегося в фильтре слоя (за четыре цикла, до полной промывки слоя) составила 90 г/л загрузки.

Для сравнения фильтрование указанной суспензии было произведено на фильтре обычной конструкции с аналогичной фильтрующей загрузкой с подачей суспензии на поверхность фильтрующего слоя и с промывкой всего его объема. При этом за фильтроцикл (до достижения предельного перепада давления на фильтре 0,3 МПа) было обработано 2,0 м³ суспензии, грязеемкость слоя составила 12 г/л, для обработки 16 м³ суспензии (сколько ее обработано в предлагаемом фильтре за один полный фильтроцикл) понадобилось проведение 8 фильтроциклов с восьмью промывками. Причем, на каждую промывку было израсходовано 0,4 м³жидкости, а всего ≈3,2 м³. Расход промжидкости на собственные нужды фильтра составил 20%
Как видно, предлагаемое решение позволило примерно в 3 раза снизить расход промывной жидкости.

Учитывая эти результаты, на предлагаемом фильтре была произведена очистка суспензии с концентрацией сажи 3,0 г/л. Было проведено 2 цикла: первый без выноса вымытых загрязнений из фильтра, второй с удалением всех загрязнений с отмывкой всего слоя. При этом было обработано 4,5 м³суспензии (3,0 м³ в первом цикле и 1,5 м³ во втором). На проведение промывок использовано 0,65 м³ промывной жидкости, или 14% от объема обработанной суспензии Это, в принципе, вполне приемлемое соотношение, что позволяет значительно расширить сферу применения насыпных фильтров по предельно допустимой концентрации взвесей в исходной суспензии и рекомендовать их использование при концентрации твердого до 3 г/л.

Сущность изобретения: способ очистки жидкостей фильтрованием включает подачу очищаемой жидкости под верхний слой загрузки, а фильтрование - в направлении сверху вниз и последующую промывку верхней части слоя подачей промывной жидкости, которую прекращают в момент ее появления на выходе из корпуса фильтра. Фильтр для осуществления способа содержит расположенный на нижнем дренажном устройстве слой зернистой фильтрующей загрузки, среднее распределительное устройство и расположенное в слое загрузки на расстоянии 0,3 - 0,8 м верхнее распределительное устройство, выполненное в виде труб с отверстиями, размеры которых выполнены большими размеров частиц слоя не менее чем в три раза. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ очистки жидкости фильтрованием, включающий подачу очищаемой жидкости в корпус фильтра, пропускание ее в направлении сверху вниз через неподвижный слой фильтрующей зернистой загрузки, отвод осветленной жидкости из корпуса и обратную промывку верхней части слоя промывной жидкости, отличающийся тем, что, с целью повышения грязеемкости слоя и снижения расхода промывной жидкости, подачу очищаемой жидкости осуществляют под верхнюю часть слоя загрузки и производят до момента появления ее на выходе из корпуса фильтра. 2. Устройство для очистки жидкостей фильтрованием, содержащий вертикальный корпус, нижнее дренажное устройство с размещенным на нем слоем зернистой загрузки, верхнее распределительное устройство в виде перфорированных элементов и размещенное в слое загрузки среднее распределительное устройство, отличающееся тем, что, с целью повышения грязеемкости слоя и снижения расхода промывной жидкости, верхнее распределительное устройство размещено в слое загрузки на расстоянии от среднего 0,3 - 0,8 м и размер перфораций в нем выполнен превышающим размер частиц слоя не менее чем в три раза.