ФИЛЬТРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2004 года по МПК B01D24/46 B01D41/02 

Изобретение относится к области очистки природных и сточных вод и может быть использовано в очистных сооружениях в качестве ступени глубокой доочистки обрабатываемой среды от нерастворимых веществ в различных отраслях промышленности и коммунального хозяйства.

В процессе фильтрования природных и сточных вод через зернистую загрузку происходит ее забивание извлеченными из воды загрязнениями. В результате этого резко повышается гидравлическое сопротивление загрузки и, как следствие, снижается эффективность очистки обрабатываемой среды за счет выноса уже задержанных фильтрующим устройством загрязнений, а его производительность значительно снижается. Для исключения этого явления обычно производят периодическую промывку фильтрующей загрузки обратным током воды или воды и воздуха (см., например, СниП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети. - М.: Стройиздат, 1985 г.). Отмывка задержанных фильтрующей загрузкой загрязнений осуществляется, во первых, в результате смыва их с поверхности зерен потоком воды и, во-вторых, за счет трения частиц друг о друга. То есть эффективность отмывки загрузки определяется сдвиговыми усилиями, возникающими на поверхности зерен загрузки. Условия эффективного протекания указанных процессов определяются интенсивностью подачи промывной воды и режимом течения потока воды с загрузкой. Однако, как показывает опыт эксплуатации фильтров с зернистой загрузкой, в различных условиях их работы интенсивность режимов промывки этими способами не гарантирует, что через какое-то время (обычно через 3-4 месяца, а иногда и раньше) не образуются агломераты частиц фильтрующей загрузки, сцепленные между собой задержанными загрязнениями. Поскольку эти агломераты не разрушаются в процессе промывки указанными способами, создается ситуация, при которой в массе фильтрующей загрузки образуются монолитные зоны, которые теряют фильтрующие свойства. В этом случае обрабатываемая среда будет проходить мимо этих зон, что приводит к нарушению гидродинамического режима фильтрации, в результате чего резко снижается эффективность ее очистки.

Для устранения образования монолитных зон в фильтрующей загрузке используют различные технические решения, позволяющие производить промывку загрузки от задержанных загрязнений с большей интенсивностью, чем позволяет промывка традиционными методами.

Известно фильтрующее устройство, в корпусе которого над фильтрующей загрузкой устанавливают насос, входной и выходной патрубки которого сообщены с пространством над загрузкой. При этом входной патрубок забирает воду из верхней части надзагрузочного пространства, а выходной патрубок расположен на некотором расстоянии над уровнем загрузки (см. Патент РФ №2072882, кл. В 01 D 24/46, Бюл. №4, 1997 г. (аналог)).

Интенсификация процесса очистки фильтрующей загрузки в этом устройстве, по мнению авторов, достигается за счет того, что создается определенный режим циркуляции загрузки при подаче воды сверху на ее центральную часть.

Однако в этом случае, так же, как и в устройствах, использующих традиционные методы промывки, "ожижение" загрузки осуществляется с одинаковой интенсивностью подачи (или циркуляции воды). В самом деле, при обработке загрузки в корпусе фильтрующего устройства при одних и тех же размерах корпуса и объемах загрузки, интенсивность подачи воды должна быть одной и той же, в противном случае, при ее увеличении, возможен вынос зерен загрузки через устройство для отвода промывной воды. Таким образом, это устройство не позволяет повысить эффективность процесса промывки фильтрующей загрузки по сравнению с известными традиционными.

Отмеченные выше недостатки технических решений промывки заработанной фильтрующей зернистой загрузки частично устраняются в фильтрующем устройстве, содержащем гидроэлеватор, установленный внутри корпуса устройства, при этом выходной патрубок гидроэлеватора сообщен с полостью корпуса, расположенной над фильтрующей загрузкой, а сопло, через которое подают воду под высоким давлением, и входное отверстие конфузорной части эжектора гидроэлеватора расположены в загрузке, в нижней части корпуса (см. В.А.Клячко, И.Э.Апельцин. Очистка природных вод. - М.: Стройиздат, 1971 г., с.225, рис. VIII-9 (аналог)).

В этом устройстве промывка фильтрующей загрузки осуществляется следующим образом. Производят "ожижение" фильтрующей загрузки подачей промывной воды через дренажную систему снизу вверх и производят циркуляцию фильтрующей загрузки при помощи гидроэлеватора. При этом струя воды, вытекающая из сопла, захватывает фильтрующую загрузку и эжектирует ее в конфузорную часть гидроэлеватора. Поскольку скорость потока обрабатываемой среды в гидроэлеваторе достигает 500-800 м/ч, то в этом случае интенсивность промывки увеличивается почти на порядок, в результате чего эффективность отмывки загрязнений с фильтрующей загрузки возрастает.

Однако это устройство не позволяет получить наибольший эффект отмывки фильтрующей загрузки. В самом деле, поток, протекающий через гидроэлеватор, имеет концентрацию зерен загрузки порядка 15-20%, т.е. зерна находятся в потоке воды. В этом случае эффективность промывки возрастает главным образом за счет скорости потока, поскольку при указанной выше концентрации загрузки в потоке соударение зерен друг с другом будет носить случайный характер и эффективность этого фактора будет небольшой. Следует также отметить, что возрастание эффективности отмывки загрузки за счет скорости потока будет тоже небольшое, поскольку и поток воды, и поток загрузки движутся в одну сторону, то сдвиговые напряжения на поверхности зерен загрузки увеличиваются незначительно. Кроме того, вход в конфузорную часть гидроэлеватора в этом устройстве остается открытой и во время рабочего режима фильтрации. При этом возможно попадание загрузки в конфузорную часть и уплотнение ее в ней. В этом случае возможна такая ситуация, что поток воды, вытекающий из сопла, не сможет пробить эту уплотненную в конфузоре загрузку, и гидроэлеватор не будет работать.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является фильтрующее устройство, содержащее корпус с верхней и нижней крышками и установленными в нем распределительной системой, сообщенной с патрубком подвода обрабатываемой среды, дренажной системой, сообщенной с патрубком отвода обработанной среды и устройством для выгрузки фильтрующей загрузки. Устройство для выгрузки фильтрующей загрузки выполнено в виде патрубка подвода воды, сообщенного с соплом, ось которого совпадает с осью конфузора, выходное отверстие которого сообщено с патрубком отвода фильтрующей загрузки. Фильтрующее устройство снабжено также гидроциклоном, с патрубками отвода шлама и подвода фильтрующей загрузки, и насосом высокого давления с нагнетательным патрубком (см. Патент РФ, №2121863, кл. В 01 D 24/08, Бюл. №32, 1998 г. (прототип)).

В этом устройстве удается повысить эффективность промывки фильтрующей загрузки за счет того, что в гидроциклоне имеет место такой режим течения потока воды и загрузки, при котором зерна загрузки постоянно трутся друг о друга, в результате чего на их поверхностях возникают очень высокие сдвиговые напряжения. По мнению авторов этого устройства, указанное выше можно получить, подавая поток воды и фильтрующей загрузки за счет перепада давлений в корпусе фильтра и в корпусе гидроциклона. Давление в корпусе гидроциклона в предлагаемом фильтрующем устройстве определяется сопротивлением в патрубке отвода шлама и в патрубке отвода промывной воды. Как следует из конструкции фильтрующего устройства, сопротивление в патрубке отвода шлама практически соответствует давлению в корпусе. В этом случае весь поток воды с загрузкой будет удаляться из гидроциклона через патрубок отвода промывной воды, разделения загрузки и воды происходить не будет, и гидроциклон быстро забьется фильтрующей загрузкой. На этот случай в конструкции фильтрующего устройства предусмотрен насос высокого давления, который подает воду в патрубок отвода фильтрующей загрузки из корпуса. Однако при такой подаче воды высокого давления в гидроциклон поток этой воды запирает поток воды с фильтрующей загрузкой, подаваемый из корпуса, сам частично может попадать в корпус фильтрующего устройства, а основной частью поступает в гидроциклон. В результате фильтрующая загрузка не сможет подаваться в гидроциклон для очистки. Таким образом, это фильтрующее устройство не обеспечивает отмывку фильтрующей загрузки от загрязнений, задержанных в рабочем режиме фильтрования.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности промывки фильтрующей загрузки.

Указанная цель достигается в фильтрующем устройстве, содержащем корпус с верхней и нижней крышками и установленными в нем распределительной системой, сообщенной с патрубком подвода обрабатываемой среды, дренажной системой, сообщенной с патрубком отвода обработанной среды и устройством для выгрузки фильтрующей загрузки, выполненным в виде патрубка подвода воды, сообщенного с соплом, ось которого совпадает с осью конфузора, гидроциклон с патрубком отвода шлама и подвода фильтрующей загрузки, сообщенного с патрубком отвода устройства для выгрузки фильтрующей загрузки, и насос высокого давления с нагнетательным патрубком. Фильтрующее устройство снабжено двумя дополнительными патрубками, первый из которых установлен на патрубке отвода дренажной системы и второй - на верхней крышке корпуса, а конфузор снабжен диффузором, входное отверстие которого сообщено с выходным отверстием конфузора, и выходное - с патрубком отвода фильтрующей загрузки, при этом выходное сечение сопла выполнено в виде круглого отверстия, установленного с зазором напротив входного отверстия конфузора. При этом сопло снабжено механизмом для перемещения его вдоль оси до полного перекрытия им входного отверстия конфузора, нагнетательный патрубок насоса высокого давления сообщен с патрубком подвода сопла, шламовый патрубок гидроциклона сообщен со вторым дополнительным патрубком, установленным на верхней крышке корпуса, а первый дополнительный патрубок, установленный на патрубке отвода дренажной системы, сообщен с источником сжатого воздуха.

Фильтрующее устройство может быть дополнительно снабжено устройством обработки в пульсирующих полях, входной патрубок которого сообщен с патрубком отвода фильтрующей загрузки, а выходной - с патрубком подвода фильтрующей загрузки гидроциклона.

Предлагаемое фильтрующее устройство приведено на фиг.1; на фиг.2 - вариант выполнения фильтрующего устройства с устройством обработки в пульсирующих полях.

Фильтрующее устройство содержит корпус 1 с верхней 2 и нижней 3 крышками. В корпусе 1 установлены распределительная система 4, сообщенная с патрубком 5 подвода обрабатываемой среды, дренажная система 6, сообщенная с патрубком 7 отвода обработанной среды и устройство для выгрузки фильтрующей загрузки. Это устройство выполнено в виде патрубка 8 подвода воды, сообщенного с соплом 9, ось которого совпадает с осью конфузора 10, выходное отверстие которого сообщено с входным отверстием диффузора 11, выходное отверстие которого сообщено с патрубком 12 отвода фильтрующей загрузки. В фильтрующее устройство входит гидроциклон 13 с патрубками 14 и 15 отвода шлама и подвода фильтрующей загрузки соответственно, при этом патрубок 15 подвода фильтрующей загрузки сообщен с патрубком отвода 12 устройства для выгрузки фильтрующей загрузки. Оно включает в себя также насос 16 высокого давления с нагнетательным патрубком 17. Фильтрующее устройство снабжено двумя дополнительными патрубками 18 и 19, первый из которых установлен на патрубке отвода 7 дренажной системы 6 и второй - на верхней крышке 2 корпуса 1. Выходное сечение сопла 9 выполнено в виде круглого отверстия, установленного с зазором напротив входного отверстия конфузора 10. Сопло 9 снабжено механизмом 20 для перемещения его вдоль оси до полного перекрытия им входного отверстия конфузора 10, а нагнетательный патрубок 17 насоса высокого давления 16 сообщен с патрубком подвода 8 сопла 9. Шламовый патрубок 14 гидроциклона 13 сообщен с дополнительным патрубком 19, установленным на верхней крышке 2 корпуса 1, а патрубок 18, установленный на патрубке отвода 7 дренажной системы 6, сообщен с источником сжатого воздуха 21.

Для повышения эффективности очистки зерен загрузки при промывке фильтрующее устройство может быть снабжено устройством 22 для обработки фильтрующей загрузки в пульсирующих полях. При этом входной патрубок 23 устройства 22 сообщен с патрубком 12 отвода фильтрующей загрузки, а выходной патрубок 24 - с патрубком 15 подвода фильтрующей загрузки в гидроциклон 13.

Фильтрующее устройство работает следующим образом.

В рабочем режиме обрабатываемая среда поступает через патрубок 5 в распределительную систему 4, которая равномерно распределяет ее по сечению корпуса 1. Проходя через фильтрующую загрузку 25, обрабатываемая среда очищается от нерастворимых загрязнений. Очищенная среда через дренажную систему 6 поступает в патрубок 7 отвода обработанной среды и далее подается либо на дальнейшую очистку, либо на повторное использование, либо на сброс в канализацию или в водоем (на фиг.1 и 2 не показаны). Загрязненная во время рабочего режима фильтрующая загрузка 25 промывается следующим образом. Закрывают задвижки 26 и 27 на трубопроводе отвода обработанной среды и трубопроводе подачи обрабатываемой среды соответственно и одновременно открывают задвижку 28 на трубопроводе сброса промывной воды в канализацию или в систему очистки промывных вод (на фиг.1 и 2 не показаны). Открывают задвижку 29 на трубопроводе подачи сжатого воздуха и производят с его помощью "сжижение" фильтрующей загрузки. Во время рабочего режима фильтрования сопло 9 перекрывает входное отверстие конфузора 10.

В режиме промывки, после того как произошло "ожижение" фильтрующей загрузки, включают в работу насос высокого давления 16, который подает воду из резервуара 30 в сопло 9. После этого перемещают сопло 9 вниз, в результате чего открывается входное отверстие конфузора 10. Струя воды, вытекающая из сопла 9, эжектирует "ожиженную" фильтрующую загрузку и направляет ее в конфузор 10. Поскольку в устройстве конфузор-диффузор трехфазная система вода-воздух-фильтрующая загрузка движется с большой скоростью в ограниченном пространстве, причем в развитом турбулентном режиме течения, то на поверхности зерен фильтрующей загрузки будут действовать повышенные сдвиговые усилия, которые производят первичную очистку загрузки.

Далее, попадая в гидроциклон 13, поток воды, воздуха и фильтрующей загрузки приобретает режим течения, при котором зерна загрузки интенсивно трутся друг о друга, в результате чего на их поверхностях возникают значительные сдвиговые усилия, которые эффективно разрушают и удаляют с поверхности зерен прилипшие на них загрязнения. Зерна загрузки, очищенные от загрязнений, через патрубок 14 отвода шлама гидроциклона 13 поступают в корпус 1 фильтрующего устройства. Промывная вода с отмытыми загрязнениями отводится по трубопроводу отвода промывной воды из гидроциклона либо в канализацию, либо в систему очистки промывных вод, где она очищается и используется повторно. Перед окончанием промывки фильтрующей загрузки перемещают сопло 9 при помощи механизма 20 вверх до полного закрытия входного отверстия конфузора 10. После этого закрывают задвижку 29 и прекращают подачу воздуха. Фильтрующее устройство готово к работе. В некоторых случаях, при работе с особо загрязненными средами для вытеснения оставшихся в фильтрующей загрузке загрязнений через патрубок 7 и дренажную систему 6 подают промывную воду с расходом, рекомендуемым традиционными методами промывки. В этих же случаях используют устройство 22 для обработки фильтрующей загрузки в пульсационных полях, что позволяет дополнительно повысить эффективность отмывки фильтрующей загрузки.

Предлагаемое фильтрующее устройство позволяет производить гарантированную эффективную очистку зернистой фильтрующей загрузки, в результате которой с поверхности зерен полностью смываются все загрязнения, разрушать агломераты зерен фильтрующей загрузки и при этом сократить на 50-55% расход промывной воды.

Изобретение предназначено для очистки природных и сточных вод и может быть использовано в очистных сооружениях в качестве ступени глубокой доочистки обрабатываемой среды от нерастворимых веществ в различных отраслях промышленности и коммунального хозяйства. Фильтрующее устройство содержит корпус с верхней и нижней крышками и установленными в нем распределительной системой, сообщенной с патрубком подвода обрабатываемой среды, дренажной системой, сообщенной с патрубком отвода обработанной среды и устройством для выгрузки фильтрующей загрузки, выполненным в виде патрубка подвода воды, сообщенного с соплом, ось которого совпадает с осью конфузора. Фильтрующее устройство включает в себя также гидроциклон с патрубком отвода шлама и подвода фильтрующей загрузки, сообщенного с патрубком отвода устройства для выгрузки фильтрующей загрузки, и насос высокого давления с нагнетательным патрубком. Фильтрующее устройство снабжено двумя дополнительными патрубками, первый из которых установлен на патрубке отвода дренажной системы и второй - на верхней крышке корпуса, а конфузор снабжен диффузором, входное отверстие которого сообщено с выходным отверстием конфузора, и выходное - с патрубком отвода фильтрующей загрузки, при этом выходное сечение сопла выполнено в виде круглого отверстия, установленного с зазором напротив входного отверстия конфузора. При этом сопло снабжено механизмом для перемещения его вдоль оси до полного перекрытия им входного отверстия конфузора, нагнетательный патрубок насоса высокого давления сообщен с патрубком подвода сопла, шламовый патрубок гидроциклона сообщен со вторым дополнительным патрубком, установленным на верхней крышке корпуса, а первый дополнительный патрубок, установленный на патрубке отвода дренажной системы, сообщен с источником сжатого воздуха. Фильтрующее устройство может быть дополнительно снабжено устройством обработки в пульсирующих полях, входной патрубок которого сообщен с патрубком отвода фильтрующей загрузки, а выходной - с патрубком подвода фильтрующей загрузки гидроциклона. Предлагаемое фильтрующее устройство позволяет производить гарантированную эффективную очистку зернистой фильтрующей загрузки, в результате которой с поверхности зерен полностью смываются все загрязнения, разрушать агломераты зерен фильтрующей загрузки и при этом сократить на 50-55% расход промывной воды. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Фильтрующее устройство, содержащее корпус с верхней и нижней крышками и установленными в нем распределительной системой, сообщенной с патрубком подвода обрабатываемой среды, дренажной системой, сообщенной с патрубком отвода обработанной среды и устройством для выгрузки фильтрующей загрузки, выполненным в виде патрубка подвода воды, сообщенного с соплом, и патрубка отвода фильтрующей загрузки, гидроциклон с патрубком отвода шлама и патрубком подвода фильтрующей загрузки, сообщенным с патрубком отвода устройства для выгрузки фильтрующей загрузки, и насос высокого давления с нагнетательным патрубком, отличающееся тем, что оно снабжено двумя дополнительными патрубками, конфузором с диффузором, при этом входное отверстие диффузора сообщено с выходным отверстием конфузора, а выходное - с патрубком отвода фильтрующей загрузки, ось сопла совпадает с осью конфузора, а выходное сечение сопла выполнено в виде круглого отверстия, установленного с зазором напротив входного отверстия конфузора, причем сопло снабжено механизмом для перемещения его вдоль оси до полного перекрытия им входного отверстия конфузора, нагнетательный патрубок насоса высокого давления сообщен с патрубком подвода сопла, шламовый патрубок гидроциклона сообщен со вторым дополнительным патрубком, установленным на верхней крышке корпуса, а первый дополнительный патрубок, установленный на патрубке отвода дренажной системы, сообщен с источником сжатого воздуха.2. Фильтрующее устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено устройством для обработки фильтрующей загрузки в пульсационных полях, входной патрубок которого сообщен с патрубком отвода фильтрующей загрузки, а выходной - с патрубком подвода фильтрующей загрузки гидроциклона.