ФИЛЬТР ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ Российский патент 2004 года по МПК B01D24/10 B01D24/38 

Изобретение относится к области фильтрования жидкостей, а более конкретно - к напорным вертикальным фильтрам, и может найти применение для очистки воды, сточных вод, осветления соков, вин и других жидкостей в пищевой промышленности, но преимущественно для очистки природной воды для нужд населения и промышленного водоснабжения.

Из уровня техники известны напорные фильтры, используемые в промышленном водоснабжении для удаления осадков, корпуса которых имеют цилиндрическую форму, с выпуклыми (эллиптическими) верхней и нижней частями [Кульский Л.А., Строкач П.П. Технология очистки природных вод. Киев: Вища школа. 1981. - С. 138] . Они представляют собой закрытые резервуары, изготовленные из стали толщиной до 10 мм и рассчитанные на рабочее давление до 588 кПа. Эти фильтры имеют дренажную систему в виде горизонтально расположенной трубчатой магистрали, с ответвлениями, снабженными фарфоровыми и пластмассовыми дренажными колпачками или щелями. В фильтрах имеется фильтрующий слой (песок или другая зернистая загрузка), устройства для сбора фильтрата и отвода промывной воды, арматура для подвода и отвода фильтруемой воды, а также устройства для подачи промывной воды и воздуха. К недостаткам таких фильтров следует отнести сложность их конструкции (как при изготовлении, так и при использовании), большую металлоемкость. Фильтры обеспечивают недостаточную степень очистки воды, т.е. невысокую эффективность фильтрования. Это связано с неравномерным распределением очищаемой воды между зернами загрузки, а также с плохой работой дренажно-распределительной системы, не обеспечивающей интенсивную промывку (регенерацию) загрузки.

К аналогам заявляемого изобретения можно отнести фильтр для очистки воды по авторскому свидетельству СССР 710580, кл. В 01 D 24/38. Фильтр включает корпус, разделенный промежуточным днищем, оснащенным дренажными колпачками, камеры для грязной воды и для фильтрата, зернистую загрузку, размещенную на промежуточном днище. В корпус фильтра вмонтирована центральная труба с водосборной воронкой и коллектор для сжатого воздуха. К корпусу присоединены патрубки для отвода фильтрата и подачи промывной воды, а также для подачи исходной воды и отвода промывной воды и подачи сжатого воздуха. Особое выполнение дренажных колпачков и их взаимное расположение, а также изогнутая форма промежуточного днища обеспечивает повышение эффективности и надежности работы фильтра. Действие пристеночного эффекта в периферийной и центральной зонах фильтра снижается за счет использования центральной трубы с воронкой. Отражение струй промывной воды от стенок корпуса и центральной трубы повышает эффективность регенерации загрузки. Недостатками устройства являются сложность изготовления промежуточного днища, которое выполняется по периферийной части выпуклым, а в центральной - вогнутым, изготовления и размещения на днище дренажных колпачков, сопряженных между собой гранями, наклоненными под углом α, а также их монтаж. Центральная труба с воронкой для разбрызгивания воды данной конструкции не обеспечивает равномерной нагрузки на фильтр при его работе и регенерации, что не позволяет достичь высокой эффективности очистки воды. Фильтр обладает высокой металлоемкостью, так как насыщен элементами, усложняющими его конструкцию (дополнительное днище, колпачки, центральная труба с воронкой).

Наиболее близким к заявляемому по технической сути является фильтр по авторскому свидетельству СССР 1546101, кл. В 01 D 24/38.

Фильтр состоит из корпуса, выполненного в виде цилиндрической обечайки, эллиптической крышки и эллиптического днища, герметично соединенных с помощью фланцев с обечайкой. Внутри крышки размещена верхняя сборно-распределительная система, соединенная с патрубком для подачи воды, проходящим в крышке корпуса. На днище корпуса установлена нижняя сборно-распределительная система. Она выполнена в виде съемных колпачков со щелями, размещенных на днище корпуса. К днищу корпуса присоединена камера с эллиптическим днищем. Она с одной стороны сообщена с патрубком для отвода фильтрата и подачи промывной воды, а с другой - с нижней сборно-распределительной системой. Внутри корпуса размещена зернистая загрузка. За счет размещения дренажных колпачков на днище корпуса и эллиптической формы днища камеры удалось снизить металлоемкость фильтра и повысить надежность его работы под давлением. Однако снижение металлоемкости (20%) недостаточно. Эффективность фильтрования низкая из-за недостаточно хорошего распределения по всему объему слоя фильтрующей загрузки воды, поступающей на очистку или для промывки (регенерации) фильтра. У фильтра активно работает не вся загрузка, а только ограниченная диаметром камеры d часть. Недостатком является также сложность изготовления эллиптических частей фильтра и съемных колпачков.

Известные фильтры имеют, как правило, цель повысить эффективность очистки воды путем усовершенствования системы промывки (регенерации) фильтров, за счет изменения условий и режимов работы. Однако эти нововведения сопряжены с усложнением конструкции фильтров, что снижает их надежность и увеличивает металлоемкость. В известных фильтрах наблюдается также унос зерен фильтрующего материала, что приводит к необходимости периодически останавливать фильтр для досыпки загрузки и восстановления нормативной высоты фильтрующего слоя и делает их неэкономичными.

Задача изобретения - создать простой по конструкции, экономичный, обладающий низкой материалоемкостью, но одновременно надежный фильтр с высокой эффективностью фильтрации.

Поставленная задача решается следующим образом. Аналогично известному, заявляемый фильтр содержит цилиндрический корпус, крышку с патрубком для подачи воды, днище, жестко, например посредством фланцев, соединенные с корпусом, зернистую загрузку, размещенную в корпусе, верхнюю сборно-распределительную систему, установленную внутри крышки корпуса, соединенную с патрубком для подачи воды, нижнюю сборно-распределительную систему внутри днища фильтра, патрубок для отвода фильтрата и подачи промывной воды.

Но в отличие от прототипа заявляемый фильтр дополнительно содержит сетчатые перегородки, одна из которых жестко закреплена между крышкой и корпусом, а другая, тоже жестко, между корпусом и днищем, при этом патрубок для отвода фильтрата и подачи промывной воды размещен в днище и соединен с нижней сборно-распределительной системой, кроме этого каждая из сборно-распределительных систем выполнена в виде установленных вертикально перфорированных труб, заглушенных на конце, а крышка и днище выполнены конусообразными. Фильтр снабжен также бандажными кольцами, соединенными изнутри с корпусом.

Таким образом, заявляемый фильтр отличается от прототипа тем, что:
- заявляемый фильтр содержит горизонтальные сетчатые перегородки, жестко закрепленные одна между корпусом и крышкой, а другая между корпусом и днищем, т. о. зернистая загрузка расположена между перегородками. Ячейки сетки позволяют беспрепятственно проникать воде, но задерживают крупные частицы. Обеспечивается охват всей поверхности загрузки, отсутствуют застойные зоны. Закрепление загрузки между сетками исключает вынос зерен материала загрузки, что обычно происходит при движении под напором потоков жидкости в фильтрах. Благодаря этому снижаются издержки, связанные с периодическими остановками фильтров для дозагрузки фильтрующего материала. Расположение перегородок между корпусом и днищем, корпусом и крышкой позволяет эти составные части фильтра закрепить фланцами, т.е. просто и надежно;
- патрубок для отвода фильтрата и подачи промывной воды размещен в днище корпуса и соединен непосредственно с нижней сборно-распределительной системой, кроме этого каждая из сборно-распределительных систем выполнена в виде перфорированных и заглушенных на концах вертикальных труб. Такая организация распределения и сбора воды имеет достоинства: простота изготовления (верхняя и нижняя распределительные системы идентичны); снижение материалоемкости (на изготовление перфорированных труб требуется меньше металла, чем для колпачков); хорошее качество фильтрования и промывки загрузки за счет более равномерного распределения потока воды; кроме этого перфорированные трубы осуществляют поддержку сеток, играя роль опор;
- крышка и днище корпуса выполнены конусообразными. Изготавливать конусы проще, чем сферические (эллиптические) части, в то же время они достаточно надежны при работе под давлением. Стенка каждого конуса отражает попадающие на нее из отверстий перфорированных труб струи воды. Вылетающие из отверстий в трубах струи воды ударяются о стенки корпуса и разбиваются на более мелкие. Этот эффект усиливается тем, что благодаря вертикальному положению труб и тому, что концы их заглушены, напор поступающей воды повышается. Это обеспечивает более эффективное диспергирование очищаемой либо промывной воды, вовлечение в контакт с водой всех зерен загрузки без образования застойных зон в слое фильтрующего материала;
- корпус снабжен изнутри бандажными кольцами, которые придают прочность корпусу фильтра и препятствуют пристеночному эффекту. При этом материалоемкость колец и трудозатраты на их установку минимальны.

Отличия от прототипа подтверждают новизну заявляемого фильтра.

Известно, что большинство фильтров имеют эллиптические крышки и днища. Выполнение крышки фильтров конусообразной заявителям не известно. Но из уровня техники известны фильтры с коническим днищем. Например, фильтры по авторским свидетельствам СССР 1736555, 1725961 и др. Днища в этих фильтрах служат для сбора осадка и фильтрата, а коническая форма в этом случае является оптимальной, она благоприятствует сбору осадка, фильтрата. Конусообразность крышки и днища в заявляемом фильтре носит иной технический результат в сравнении с конусообразностью днищ известных фильтров. Он заключается в отражении горизонтальных струй воды из перфорированных труб и обеспечении эффективного диспергирования, которые ведут к более равномерному распределению воды по зернистой загрузке, а следовательно, повышению эффективности фильтрования.

Заявителям не известны также фильтры, в которых сборно-распределительные системы были бы выполнены в виде вертикально установленных перфорированных труб. В известных фильтрах, в том числе в прототипе, как правило, перфорированные трубы распределительных систем располагают горизонтально. Они служат для равномерного распределения воды по зернистой загрузке. Но равномерное распределение воды достигается через иной технический результат: горизонтальными перфорированными трубами осуществляется вертикальный полив (как из душа). В заявляемом фильтре вертикальные трубы обеспечивают горизонтальное направление струй воды, удар их о стенки конуса и, как результат, диспергирование, ведущее к более равномерному распределению воды по зернистой загрузке.

Кроме этого, как уже было сказано выше, повышение эффективности очистки воды и надежности фильтра приводит, как правило, к усложнению конструкции, увеличению материалоемкости (например, аналог по авторскому свидетельству СССР 1584978). А снижение металлоемкости, упрощение конструкции, повышение надежности (например, как в прототипе по авторскому свидетельству СССР 1546101) приводит к снижению эффективности фильтрования.

В заявляемом устройстве эти противоречия преодолены.

Вышеперечисленное позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое изобретение явным образом не следует из уровня техники, а значит оно соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 схематично представлен предлагаемый фильтр для очистки воды, на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - участок I на фиг.1; на фиг.4 - участок II на фиг.1, стрелками показаны направления падения и отражения струй воды.

Фильтр включает цилиндрический корпус 1, конусообразную крышку 2, конусообразное днище 3, верхнюю и нижнюю сборно-распределительную систему в виде заглушенных на конце перфорированных труб 4, зернистую загрузку 5, размещенную в корпусе 1 между двумя горизонтально расположенными сетчатыми перегородками 6. Корпус соединен с конусообразной крышкой 2 и конусообразным днищем 3 и двумя сетчатыми перегородками 6 с помощью фланцевых соединений 7. Фильтр снабжен верхним патрубком 8 для подачи очищаемой воды и отведения промывной воды и нижним патрубком 9 для отведения фильтрата и подачи промывной воды. Корпус внутри снабжен бандажными кольцами 10. Бандажные кольца 10 закреплены на внутренней поверхности корпуса 1 с помощью сварки. Патрубки 8 и 9 соединены с перфорированными трубами 4 через горизонтальные трубы 11 посредством сварки.

Фильтр работает следующим образом.

Предварительно обработанная окислителем (воздухом, озоном и т.п.) очищаемая вода насосом (не показан) подается на фильтрацию через обратный клапан (не показан). Вода поступает по патрубку 8 в верхнюю сборно-распределительную систему, включающую перфорированные трубы 4. Сборно-распределительная система представляет собой несколько (от 3 до 6) вертикальных труб с равномерно расположенными отверстиями, которые находятся в ограниченном стенками конуса пространстве. Назначение этой системы - диспергирование потока входящей воды в горизонтальной плоскости с целью создания равномерной подачи воды на зернистую загрузку. Конус является отражающей поверхностью при движении воды. Вылетающие из отверстий в трубах струи воды ударяются о стенки конуса и разбиваются на еще более мелкие. Это позволяет создать равномерную нагрузку на всю площадь фильтра, что способствует повышению эффективности фильтрования.

Вода освобождается от твердых частиц загрязнителей, проходя через зернистую фильтрующую загрузку 5, представляющую сыпучий материал, например альбитофир, с крупностью зерен от 0,63 до 2,00 мм. Высота слоя загрузки составляет 1,5-1,8 м. Загрузка закреплена между двумя сетчатыми перегородками 6. Материалом для сетки является нержавеющая сталь, размер ячейки 0,3 мм. Сетка служит не только для удерживания зерен загрузки и препятствует их выносу, но и способствует равномерному распределению потока воды по всей поверхности зерен загрузки при фильтрации и при регенерации.

Перфорированные трубы 4 сборно-распределительной системы служат не только для диспергирования воды, но и осуществляют поддержку сетчатых перегородок с загрузкой, играя роль опор.

Нижняя сборно-распределительная система является полным аналогом верхней. Их функции при очистке воды и промывке фильтрующей загрузки от накопившегося осадка противоположны. В режиме фильтрации поток очищаемой воды поступает через патрубок 8, и движется сверху вниз, а в режиме промывки (регенерации) - через патрубок 9 и движется снизу вверх. Трубы 4 крышки 2 играют распределительную роль при работе в режиме фильтрации и служат для сбора промывной воды при регенерации фильтра. Трубы 4 днища 3 играют распределительную роль при работе в режиме регенерации и служат для сбора очищенной воды (фильтрата) при фильтровании.

После прохождения слоя фильтрующей загрузки очищенная вода через нижний патрубок 9 и нормально открытый гидроклапан (не показан) поступает в накопитель чистой воды (не показан), из которого отводится потребителю. Очищенная вода из накопителя расходуется также на промывку при регенерации загрузки.

При промывке фильтра включается насос (не показан), с помощью которого промывная вода подается в корпус фильтра по патрубку 9. При движении воды снизу вверх из загрузки 5 вымываются накопившиеся частицы загрязнителей. Образующаяся взвесь отводится из фильтра по трубе в канализацию.

Для повышения механической прочности корпуса фильтра, а также для исключения пристеночного эффекта, часто возникающего в других конструкциях фильтров в результате стремления жидкости выбрать наиболее легкий путь при движении через плотные слои зернистого материала, в заявляемом фильтре внутри цилиндрической части корпуса выполнены бандажные кольца.

Эффективность фильтра показана на примере его реализации при очистке природных вод с высоким содержанием железа:
Корпус фильтра был выполнен из нержавеющей стали толщиной 1,5 мм, в отличие от известных фильтров, где толщина стальной стенки до 10 мм. Фланцевые соединения выполнены из нержавеющей стали толщиной 6 мм, в распределительных системах используются трубы из нержавеющей стали диаметром 38 мм. Общая масса фильтра без загрузки составляет около 300 кг при площади фильтрации 1,2 м².

Вода перед фильтрованием обрабатывалась озоном в течение 30 мин. Через фильтр было пропущено 200 т обработанной воды с концентрацией железа 3,0 мг/дм³. После этого фильтр был промыт, на промывку пошло 10 т воды. В промывной воде проанализировали содержание железа. Количество Fe⁺³ составило 59,7 мг/дм³ (усредненная величина). Таким образом, осадок, содержащий 600 г железа, удалось удалить почти полностью. В пересчете на трехвалентное железо это составляет 597 г.

Согласно СНиП 2.04.02-84 при скорости фильтрации 8-10 м/ч фильтроцикл составляет около 8 ч. В заявляемом фильтре фильтроцикл составляет 16-24 часа (в зависимости от содержания загрязнителей в исходной воде). Например, при содержании в исходной воде железа 6,5 мг/дм³ и суточной производительности водоочистной установки 120-140 т организована промывка 1 раз за 2 суток, что в 4 раза реже, чем рекомендуемая СНиП. При этом достигается высокое качество очищенной воды, содержание железа в ней 0,03 мг/дм³. Увеличение фильтроцикла обеспечивает высокий кпд фильтра и водоочистной установки в целом при малой материалоемкости фильтра.

Изобретение предназначено для очистки воды для нужд населения и промышленного водоснабжения, но может быть использовано и для очистки жидкостей, например для осветления вин и соков в пищевой промышленности. Фильтр состоит из цилиндрического корпуса, усиленного бандажными кольцами. С корпусом при помощи фланцев скреплены конические крышка и днище. Во фланцевых соединениях корпуса и крышки, корпуса и днища закреплены две сетчатые перегородки, которые препятствуют выносу зерен зернистой загрузки, расположенной в корпусе между этими перегородками. В крышке установлена сборно-распределительная система из вертикально установленных на патрубке подачи (отведения) воды перфорированных труб, заглушенных на концах. Такая же сборно-распределительная система, соединенная с патрубком отведения (подачи) воды, выполнена в днище фильтра. При подаче воды струи воды из отверстий труб ударяются о стенки конуса (крышки) и раздробляются на мелкие капли. Диспергированная вода более равномерно распределяется по зернистой загрузке, и эффективность фильтрования повышается. Аналогично этому подается и распределяется по загрузке промывная вода. Простая конструкция фильтра способствует снижению его материалоемкости. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Фильтр для очистки воды, содержащий цилиндрический корпус, крышку с патрубком для подачи воды и днище, жестко соединенные с корпусом, зернистую загрузку, размещенную в корпусе, верхнюю сборно-распределительную систему, установленную внутри крышки фильтра, соединенную с патрубком для подачи воды, нижнюю сборно-распределительную систему внутри днища, патрубок для отвода фильтрата и подачи промывной воды, отличающийся тем, что он дополнительно содержит горизонтальные сетчатые перегородки, одна из которых жестко закреплена между корпусом и крышкой, а другая тоже жестко - между корпусом и днищем, при этом патрубок для отвода фильтрата и подачи промывной воды размещен в днище и соединен с нижней сборно-распределительной системой, кроме этого, каждая из сборно-распределительных систем выполнена в виде перфорированных и заглушенных на концах вертикальных труб, а крышка и днище выполнены конусообразными.2. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что корпус снабжен изнутри бандажными кольцами.3. Фильтр по п.1, отличающийся тем, что крышка и днище соединены с корпусом посредством фланцев.