ИОНООБМЕННЫЙ ФИЛЬТР Российский патент 2003 года по МПК B01J47/02 B01D15/04 C02F1/42 

Изобретение относится к области обработки природных и сточных вод в ионообменных фильтрах, содержащих сыпучий (зернистый) фильтрующий материал, находящийся между проницаемыми неподвижными перегородками, а также к регенерации фильтрующего материала методом противотока.

Известен противоточный ионообменный фильтр (а. с. СССР 858870, М. Кл. B 01 D 24/00; B 01 J 47/10, приор. 11.07.79 г., опубл.30.08.81 г.). Он включает корпус, нижнее распределительное устройство, на котором уложен слой ионита, прижатого сверху плитой из поропласта. Плита приводится в движение вверх-вниз механизмом перемещения поршневого типа. Для снижения трения между плитой и корпусом фильтра установлена обечайка из пластмассы.

Недостатком данного устройства является его конструктивная сложность, связанная с наличием приводного механизма.

Известен ионообменный фильтр для осуществления способа по патенту России 1372711, МКИ6: B 01 J 49/02, приор. 29.11.85 г., опубл. 20.11.96 г. Фильтр содержит корпус, подающую трубу, перфорированные распределительные трубы, водяную подушку, установленную под ними решетку, блокирующий слой ионита, трубы среднего сборно-распределительного средства, основной слой ионита, нижнее сборно-распределительное средство, а также трубы для выхода фильтрата, промывочной воды, отвода отмытых загрязнений.

Данное устройство сложно в эксплуатации из-за необходимости проведения регенерации блокирующего и основного слоев ионита в существенно различающихся режимах. Кроме того, наличие трех сборно-распределительных средств конструктивно усложняет устройство и сопряжено с небходимостью герметизации их вводов, размещением крепежных элементов в полости корпуса, а наличие водяной подушки - это "омертвление" значительной части (не менее 30%) объема фильтра.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению (прототипом) является фильтр по полезной модели РФ 21291, МПК7 C 02 F 1/42, приор. 06.08.2001 г. , опубл. 10.01.2002 г. Данный противоточный фильтр включает полый корпус с цилиндрической боковой поверхностью и сферическими крышкой и днищем, размещенные в полости корпуса, верхнее и нижнее распределительные устройства, снабженные дренажными колпачками, слой фильтрующего (активного) материала - ионообменной смолы (занимающий более 80% объема фильтра), слой инертного материала с плотностью, меньшей плотности воды (плавающая загрузка), свободную зону (составляющую 5-10% объема фильтра) между слоями, выполненные в стенках корпуса смотровые окна для визуального контроля уровня ионообменной и инертной смол, верхний и нижний загрузочные люки - средства перегрузки для фильтрующего материала и выполненные в крышке и в днище корпуса патрубки для ввода и вывода обрабатываемой воды и регенерационного раствора.

По приведенным существенным признакам прототип и заявляемое изобретение совпадают.

Недостатком данного фильтра являются потери инертного материала. Они происходят во время гидроперегрузок ионообменной смолы, осуществляемых для ее периодической обратной промывки и для технического обслуживания фильтра. Эта перегрузка (в отмывочный аппарат) сопровождается захватом массой ионообменной смолы зерен инертной смолы и выносом ее из полости фильтра. Следствие этого - необходимость улавливания и восполнения массы инертного материала и, зачастую, возникновение забоев трубопроводов из-за склонности легкого инертного материала концентрироваться в переходных участках. Все это усложняет в техническом и экономическом аспектах использование фильтров, выполненных в соответствии с техническим решением-прототипом.

Задачей, решаемой изобретением, являлось обеспечение экономичности и упрощение использования фильтров, создаваемых согласно этому изобретению.

Техническим результатом изобретения является предотвращение потерь инертного материала путем исключения его выноса из полости фильтра и предотвращение забоев средств перегрузки ионообменного материала.

Получение технического результата обеспечивается предлагаемым изобретением. Ионообменный противоточный фильтр, выполненный в качестве примера воплощения изобретения, включает цилиндрический полый корпус со сферическими крышкой и днищем, установленные в полости корпуса верхнее и нижнее распределительные устройства, расположенные между последними слой ионообменной смолы, слой инертной смолы с плотностью, меньшей плотности воды, свободную зону между упомянутыми слоями, выполненные в стенке корпуса верхние и нижние смотровые окна для визуального контроля уровней ионообменной и инертной смол, верхнее и нижнее средства для перегрузки ионообменной смолы, а также выполненные в крышке и в днище средства для ввода и вывода обрабатываемой воды и регенерационного раствора. Согласно изобретению в верхней части свободной зоны при рабочем цикле фильтра, под нижней поверхностью слоя инертной смолы установлена горизонтальная решетка, ячейки которой выполнены с возможностью пропуска частиц ионообменной смолы и удержания частиц инертной смолы, при этом верхнее средство для перегрузки ионообменной смолы размещено ниже верхних смотровых окон, а выше этих окон, оппозитно слою инертной смолы, дополнительно выполнено средство для ее перегрузки.

Изобретение, кроме упомянутого, характеризуется тем, что горизонтальная решетка выполнена секционно-составной, а средства для перегрузки ионообменной и инертной смол выполнены в виде патрубков.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется схематическими чертежами, где на фиг. 1 представлен противоточный ионообменный фильтр, главный (фронтальный) вид с разрезом; на фиг.2 - то же, в разрезе по А-А на фиг.1.

Ионообменный противоточный фильтр выполнен в виде полого цилиндрического корпуса 1 со сферическими крышкой 2 и днищем 3. В полости корпуса 1 закреплены верхнее 4 и нижнее 5 распределительные устройства с дренажными колпачками 6. Между внутренними поверхностями названных устройств размещены слой активной ионообменной смолы 7, например катионит марки КУ-2-8 (могут быть использованы смолы зарубежного производства Dowex, Lewatit, Amberlit, Amberjet) - в виде зерен диаметром 0,3-1,2 мм, занимающий 80-90% объема фильтра, и слой инертного материала 8 - в виде зерен (гранул) с наибольшим размером 3,0-5,0 мм из полипропиленовой или полиэтиленовой смолы. Плотность этих зерен меньше плотности воды. Этот слой занимает до 10% объема фильтра. Между слоями ионообменной и инертной смол имеется свободная зона 9, объем которой составляет до 5% объема фильтра (узкая зона свободного пространства высотой до 100 мм). Позиционирование слоев указано при использовании фильтра в рабочем цикле - ионировании нисходящего потока воды (по основному функциональному назначению фильтра). В свободной зоне 9, предпочтительно в верхней ее части и под нижней поверхностью слоя инертной смолы, установлена горизонтальная решетка 10 из нержавеющей проволоки диаметром 0,5 мм. Ячейки решетки в представляемом варианте осуществления изобретения выполнены прямоугольной формы размером 2х2 мм. Для обеспечения возможности монтажа-демотажа решетки 10 через люк обслуживания (не показан) фильтра она выполнена секционно-составной из рамочных секторовидных секций 11, жестко соединенных между собой по смежным кромкам посредством стандартных крепежных элементов 12, например, резьбового типа (болты, шпильки). Решетка 10 аналогичными элементами закреплена на полки 13, установленные со стороны внутренней поверхности на стенке корпуса 1. Центральная часть решетки 10 может быть дополнительно закреплена к верхнему 4 и/или к нижнему 5 распределительным устройствам. При конструировании решетки должен быть соблюден принцип: ее элементы конструкции должны занимать ("омертвлять") не более 20% площади проходного сечения корпуса фильтра. При таком соотношении указанных площадей гидравлическое сопротивление аппарата остается в рациональных пределах.

С фронтальной стороны корпуса фильтра выполнены окна: верхние 14 и нижние 15 для визуального контроля уровней ионообменной и инертной смол. Кроме того, в стенке корпуса 1 выполнены средства для перегрузки ионообменной смолы в виде патрубков верхнего 16, расположенного ниже верхних окон 14, а именно не выше поверхности слоя ионообменной смолы, и нижнего патрубка 17, размещенного выше нижнего распределительного устройства 5. Оппозитно слою 8 в корпусе 1 выполнено средство для перегрузки инертной смолы в виде патрубка 18. Упомянутые средства перегрузки могут быть выполнены и в виде люков, как у прототипа. Патрубковое исполнение предпочтительнее, т. к. позволяет осуществить сообщение фильтра с внешней трубопроводной системой при минимальном количестве переходных элементов. В крышке 2 и днище 3 выполнены патрубки 19 и 20 для ввода и вывода обрабатываемой воды и регенерационного раствора.

Противоточный фильтр работает следующим образом.

При рабочем (штатном) цикле обработки в ионообменном фильтре (стадия истощения смолы) вода подается нисходящим потоком через патрубок 19, верхнее распределительное устройство 4 с дренажными колпачками 6, далее проходит через слой инертной смолы 8 и горизонтальную решетку 10. Наличие последней с указанным размером ячеек позволяет исключить мигрирование частиц легковесной инертной смолы, внедрение ее в массу ионитной смолы и предотвратить упомянутые негативные последствия. Кроме того, наличие решетки 10 позволяет увеличить распределительную функцию, организовать устойчивый горизонтальный фронт движения обрабатываемой воды через слой смолы 7. Обработанная вода собирается нижним распределительным устройством 5 с дренажными колпачками 6 и выводится из фильтра через патрубок 20 к потребителю.

В режиме регенерации истощенной ионитной смолы раствор реагента подается в обратном направлении (в противоток) относительно направления ионообменной обработки воды - через патрубок 20. Раствор проходит последовательно нижнее распределительное устройство 5 с дренажными колпачками 6, слой ионообменной смолы 7, горизонтальную решетку 10, слой инертной смолы 8 и поступает в верхнее распределительное устройство 4. При этом частицы активной смолы проникают через решетку 10 и прижимаются к слою инертной смолы 8 и распределительному устройству 4 (происходит зажатие слоя смолы), а свободная зона 9 мигрирует в нижнюю часть фильтра. Отработанный регенерационный раствор выводится из фильтра через патрубок 19. По окончании регенерации производят вытеснение раствора реагента при том же направлении потока.

В режиме отмывки ионообменной смолы направление потока отмывочной воды задается так же, как при регенерации - снизу вверх. После отмывки ионита проводится осаждение слоя ионита и осуществляется новый рабочий цикл обработки воды. По проведении определенного количества циклов обработки воды, регенераций и отмывок регенеранта в верхней части слоя 7 ионообменной смолы накапливаются загрязнения (грубо- и мелкодисперсные примеси) и возникает необходимость ее очистки. Для этого верхний патрубок 16 соединяют гибким трубопроводом с емкостью обратной промывки (не показаны) и подают воду через верхнее распределительное устройство 4. Инертная смола прижимается к решетке 10 и удерживается ею, а ионообменная смола 7 потоком воды выносится из полости фильтра и поступает в емкость обратной промывки.

Благодаря наличию решетки 10, выполненной с возможностью удержания зерен инертной смолы и пропускания зерен ионообменной смолы, заявленному позиционированию этой решетки, упомянутому позиционированию верхнего патрубка для перегрузки ионита, а также наличию и упомянутому размещению дополнительного патрубка для перегрузки инертной смолы обеспечивается возможность раздельной перегрузки ионитной и инертной смол. Этим достигается получение технического результата, выражающегося в исключении потерь инертной смолы, забоев средств перегрузки, операций по восполнению слоя инертной смолы, и таким образом обеспечивается улучшение технико-экономических условий использования фильтра. Дополнительными преимуществами изобретения, достоверность получения которых может быть установлена опытным путем, могут быть, во-первых, увеличение полноты использования ионообменной смолы в рабочем цикле за счет распределяющего воздействия, оказываемого решеткой, на поток подаваемой на обработку воды и уменьшения тем самым скважинного и пристенного эффектов. Во-вторых, это ускорение отмывки зерен смолы от примесей за счет интенсификации гидродинамического процесса, сопряженного с увеличением скорости потока, вследствие уменьшения (перекрытия) проходного сечения фильтра телом решетки. Причем интенсивной отмывке подвергается наиболее загрязненный верхний слой ионита, к тому же испытывающий дополнительное механическое воздействие при мигрировании через решетку.

Изобретение относится к области обработки природных и сточных вод в ионообменных фильтрах, содержащих сыпучий (зернистый) фильтрующий материал, находящийся между проницаемыми неподвижными перегородками, а также к регенерации фильтрующего материала методом противотока. Техническим результатом изобретения является предотвращение потерь инертного материала путем исключения его выноса из полости фильтра и устранение забоев средств перегрузки ионообменного материала. Согласно изобретению в полости цилиндрического корпуса фильтра, находящегося в стадии реализации основного рабочего процесса, в месте расположения свободной зоны установлена горизонтальная решетка, ячейки которой выполнены с возможностью пропуска частиц ионообменной смолы и удержания частиц инертной смолы. В корпусе фильтра верхнее средство для перегрузки ионообменной смолы размещено ниже верхних смотровых окон, а выше этих окон оппозитно слою инертной смолы дополнительно выполнено средство для ее перегрузки. Горизонтальная решетка выполнена секционно-составной, а средства для перегрузки ионообменной и инертной смол выполнены в виде патрубков. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ионообменный фильтр, включающий цилиндрический полый корпус со сферическими крышкой и днищем, установленные в полости корпуса верхнее и нижнее распределительные устройства, расположенные между последними слой ионообменной смолы, слой инертной смолы с плотностью, меньшей плотности воды, свободную зону между упомянутыми слоями, выполненные в стенке корпуса верхние и нижние смотровые окна, верхнее и нижнее средства для перегрузки ионообменной смолы, а также выполненные в крышке и в днище средства для ввода и вывода обрабатываемой воды и регенерационного раствора, отличающийся тем, что в свободной зоне в верхней ее части и под нижней поверхностью слоя инертной смолы при рабочем цикле фильтра установлена горизонтальная решетка, ячейки которой выполнены с возможностью пропуска частиц ионообменной смолы и удержания частиц инертной смолы, при этом верхнее средство для перегрузки ионообменной смолы размещено ниже верхних смотровых окон, а выше этих окон оппозитно слою инертной смолы дополнительно выполнено средство для ее перегрузки. 2. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что горизонтальная решетка выполнена секционно-составной. 3. Фильтр по п.1 или 2, отличающийся тем, что средства для перегрузки ионообменной и инертной смол выполнены в виде патрубков.