ФИЛЬТР ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ Российский патент 2010 года по МПК B01D24/10 

Заявляемое изобретение относится к очистке природных и промышленных сточных вод и может быть использовано в системах оборотного водоснабжения металлургической, химической, теплоэнергетической и других отраслей промышленности.

Известен фильтр для очистки воды (СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения/ Госстрой СССР. - М., 1985. - С.34-36, пп.6.107, 6.108, 6.115, 6.119, 6.121), содержащий корпус, разделенный промежуточным днищем на камеру грязной воды, заполненную однослойной крупнозернистой загрузкой из кварцевого песка с крупностью зерен 1,6-2,5 мм высотой 2,5-3 м, и камеру отфильтрованной воды, распределительную дренажную систему со щелевыми колпачками в количестве 35-50 на 1 м² рабочей площади фильтра, патрубки для подвода и отвода обрабатываемой и промывной воды и сжатого воздуха. В распределительной дренажной системе щелевые колпачки, как правило, устанавливаются по коридорной или шахматной схеме, а потеря напора в зернистой загрузке и щелевых колпачках не должна превышать 0,15 МПа.

Потеря напора в распределительной дренажной системе со щелевыми колпачками определяется по формуле

где ζ - коэффициент гидравлического сопротивления, рекомендуется принять равным 4;

v - скорость воды или водовоздушной смеси в щелях колпачка, не менее 1,5 м/с;

g - ускорение силы тяжести, м/с².

К недостаткам такого фильтра можно отнести сложную и недостаточно надежную конструкцию распределительной дренажной системы, что обуславливается необходимостью размещения на промежуточном днище большого количества щелевых колпачков (35-50 шт. на 1 м² рабочей площади фильтра).

Применение формулы (1) для расчета потери напора в распределительной дренажной системе со щелевыми колпачками возможно только для фильтров, в которых применяются поддерживающие слои, так как коэффициент сопротивления ζ не учитывает увеличение потери напора за счет прилегания зерен загрузки к щелям колпачков в режиме фильтрования.

Устройство в фильтрах поддерживающего слоя, расположенного между загрузкой и промежуточным днищем, не создает условий для равномерного распределения воды и воздуха во время промывки фильтра и отвода отфильтрованной воды. Применение поддерживающего слоя приводит к удорожанию фильтра, и в некоторых случаях, при недостаточной потере напора в щелевых колпачках, поддерживающий слой является причиной нарушения процессов фильтрования и промывки фильтра, что обусловлено наличием системы горизонтальной компенсации по высоте поддерживающего слоя. Поэтому распределительную дренажную систему большого сопротивления необходимо размещать непосредственно в зернистой загрузке фильтра без устройства поддерживающего слоя, и в этом случае может быть достигнуто равномерное распределение промывной воды и отвод отфильтрованной воды по рабочей площади фильтра.

Работа фильтра, оснащенного однослойной крупнозернистой загрузкой, характеризуется короткими фильтроциклами вследствие небольшой грязеемкости, обычно не более 5-8 кг/м² рабочей площади фильтра. Кроме того, такой фильтр не может быть использован для очистки сточных вод, содержащих нефтепродукты в виде масел. В последние годы предпочтение отдается фильтрам с двух- и многослойными загрузками, например фильтрам с крупнозернистой двухслойной загрузкой из слоя дробленого антрацита с крупностью зерен 3-6 мм и слоя кварцевого песка с крупностью зерен 1,6-2,5 мм.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату при его использовании является выбранный в качестве прототипа фильтр для очистки воды (а.с. №710580, МПК2 В01D 23/26, опубл. 25.01.1980, бюл. №3), содержащий корпус, разделенный промежуточным днищем на камеру грязной воды, заполненную крупнозернистой двухслойной загрузкой из слоя дробленого антрацита с крупностью зерен 3-6 мм и слоя кварцевого песка с крупностью зерен 1,6-2,5 мм, и камеру отфильтрованной воды, центральную вертикальную трубу с установленными в ее верхней части водосборной воронкой и колосниковой решеткой, распределительную дренажную систему со щелевыми колпачками, патрубки для подвода и отвода обрабатываемой и промывной воды, а также сжатого воздуха. При этом щелевые колпачки, как правило, устанавливаются по коридорной или шахматной схеме в количестве 35-50 шт. на 1 м² рабочей площади фильтра.

Оснащение прототипа усовершенствованной конструкцией верхней распределительной системы, включающей водосборную воронку со съемными колосниковыми решетками, позволяет исключить попадание случайных предметов в камеру грязной воды во время фильтрования и вынос зернистой загрузки из фильтра во время промывки, что является существенным преимуществом по сравнению с аналогом и другими конструкциями фильтров. Однако конструкция распределительной дренажной системы со щелевыми колпачками прототипа имеет такие же недостатки, что и у аналогов, а именно сложность и недостаточная надежность, обусловленные необходимостью размещения большого количества дренажных колпачков (35-50 на 1 м² рабочей площади фильтра), а также рекомендуемые схемы размещения их на промежуточном днище. К недостаткам прототипа также можно отнести низкие технико-экономические показатели работы прототипа и непродолжительный срок его службы, обусловленные тем, что распределительная дренажная система прототипа не позволяет обеспечить как равномерный отвод отфильтрованной воды, так и равномерную подачу промывной воды. Кроме того, такая распределительная дренажная система характеризуется недостаточной надежностью в эксплуатации.

В основу заявляемого изобретения поставлена техническая задача создать такой фильтр для очистки воды, который за счет усовершенствования конструкции распределительной дренажной системы большого сопротивления позволит обеспечить достижение технического результата, заключающегося в повышении технико-экономических показателей работы фильтра, а также в повышении надежности его эксплуатации и в увеличении срока службы.

Поставленная задача решается за счет того, что фильтр для очистки воды, содержащий корпус, разделенный промежуточным днищем на камеру грязной воды, заполненную крупнозернистой двухслойной загрузкой из слоя дробленого антрацита с крупностью зерен 3-6 мм и слоя кварцевого песка с крупностью зерен 1,6-2,5 мм, и камеру фильтрата, центральную вертикальную трубу с установленными в ее верхней части водосборной воронкой и колосниковой решеткой, распределительную дренажную систему со щелевыми колпачками, патрубки для подвода и отвода обрабатываемой и промывной воды и сжатого воздуха, согласно изобретению снабжен усовершенствованной распределительной дренажной системой большого сопротивления со щелевыми колпачками в количестве 20 штук на 1 м² рабочей площади фильтра, расположенными на промежуточном днище по концентрическим окружностям с расстоянием между щелевыми колпачками 180-220 мм, при этом соотношение ширины щелей в щелевом колпачке к диаметру зерен нижнего предела фракции кварцевого песка составляет 0,55-0,65.

Снабжение заявляемого фильтра усовершенствованной распределительной дренажной системой большого сопротивления при установке 20 щелевых колпачков на 1 м² рабочей площади фильтра и их размещение на промежуточном днище по концентрическим окружностям с расстоянием между колпачками 180-220 мм, а также обеспечение соотношения ширины щелей в щелевых колпачках к диаметру зерен нижнего предела фракции кварцевого песка, которое составляет 0,55-0,65, позволяет использовать крупнозернистую двухслойную загрузку из слоя дробленого антрацита фракций 3-6 мм и слоя кварцевого песка фракций 1,6-2,5 мм без устройства поддерживающего слоя при скорости фильтрования 30-50 м/ч, разместить распределительную дренажную систему большого сопротивления со щелевыми колпачками непосредственно в загрузке фильтра, обеспечить равномерный сбор отфильтрованной воды с рабочей площади фильтра при фильтровании, а также обеспечить равномерное распределение воды и воздуха по рабочей площади фильтра при промывке. Кроме того, предотвращается засорение щелей колпачков при фильтровании и промывке крупнозернистой двухслойной загрузки, а также обеспечивается предельная потеря напора в заявляемом фильтре не более 0,1 МПа, увеличение срока службы, повышение надежности и технико-экономических показателей работы фильтра.

Распределительная дренажная система большого сопротивления в заявляемом фильтре во время фильтрования позволяет обеспечить равномерный отвод отфильтрованной воды, а во время промывки - равномерное распределение воды и воздуха по рабочей площади фильтра. Гидравлическая неустойчивость потоков отфильтрованной воды во время фильтрования, а также потоков промывной воды и воздуха во взвешенном слое во время промывки нейтрализуется сопротивлением в щелях колпачков по направлению движения этих потоков.

Определяющим параметром распределительной дренажной системы большого сопротивления со щелевыми колпачками является потеря напора в ней. Поэтому известная формула (1) может быть представлена в следующем виде:

где

h - потеря напора, м вод. ст.

v - скорость движения воды в щелях колпачков, м/с;

g - ускорение силы тяжести, м/с²;

µ - коэффициент расхода.

Скорость движения воды в щелях колпачков распределительной дренажной системы большого сопротивления должна быть во время фильтрования не менее 2 м/с, а во время промывки не менее 3-4 м/с.

Отличительной особенностью расчета по этой формуле является то, что в ней принят уточненный коэффициент расхода µ, величина которого получена в ходе экспериментальных исследований. В процессе фильтрования в фильтрах без поддерживающего слоя зерна загрузки прилегают к щелям колпачков, поэтому потеря напора в таких колпачках будет значительно выше по сравнению с чистыми колпачками, на которые не влияет зернистая загрузка. По результатам экспериментальных исследований выявлены условия, при которых зерна загрузки, прилегающие к щелям колпачков, оказывают минимальное влияние на сопротивление. Во время промывки под воздействием воды, истекающей из щелей отдельно взятого колпачка, зернистая загрузка в районе его расположения переходит во взвешенное состояние и коэффициент µ при расчете потери напора необходимо принимать как для чистых колпачков без влияний зерен загрузки. Таким образом, в результате экспериментальных исследований величину коэффициента расхода µ при расчете потери напора в процессе фильтрования рекомендуется принять 0,25-0,3, а в процессе промывки 0,38-0,43. Однако, несмотря на более высокую величину коэффициента расхода µ для чистых щелевых колпачков, расчет потери напора в распределительной дренажной системе должен производиться исходя из условий обеспечения проведения эффективной промывки фильтра. Последнее связано с тем, что скорость промывной воды в щелях дренажных колпачков принимается в 1,5-2,0 раза большей, чем в той же дренажной системе во время работы фильтра в режиме фильтрования.

Создание усовершенствованной распределительной дренажной системы большого сопротивления с установкой 20 щелевых колпачков на 1 м² рабочей площади фильтра и рациональной схемы их размещения на промежуточном днище фильтра по концентрическим окружностям позволяет увеличить расстояние между соседними колпачками в пределах от 180 мм до 220 мм, а также исключить абразивный износ соседних колпачков и внутренних участков корпуса фильтра, прилегающих к промежуточному днищу. Кроме того, установка на промежуточном днище щелевых колпачков на расстоянии 180-220 мм друг от друга в количестве 20 штук на 1 м² рабочей площади фильтра обеспечивает проведение эффективной промывки фильтра при равномерном распределении промывной воды по рабочей площади фильтра.

Установка более 20 щелевых колпачков на 1 м² рабочей площади фильтра обусловит создание условий для абразивного воздействия на соседние колпачки потоков воды, истекающих из щелевых колпачков, и взвешенных зерен фильтрующей загрузки при промывке фильтра, а установка менее 20 щелевых колпачков на 1 м² рабочей площади фильтра обусловит необходимость увеличения расстояния между ними, при этом в промежутках между колпачками будут образовываться зоны с недостаточно промываемой зернистой загрузкой.

Расположение щелевых колпачков фильтра на промежуточном днище по концентрическим окружностям является более рациональным техническим решением по сравнению с коридорной или шахматной схемами. В схеме размещения щелевых колпачков по концентрическим окружностям они равномерно расположены по рабочей площади фильтра, и особенно важно то, что, размещая щелевые колпачки на более удаленной окружности от оси фильтра, последние будут одинаково удалены от внутренней стенки корпуса.

Одним из условий обеспечения надежной и устойчивой работы фильтра в режиме фильтрования и промывки является предотвращение засорения щелей колпачков распределительной дренажной системы, которое достигается за счет заявляемого соотношения ширины щелей в колпачке к диаметру нижнего предела фракции кварцевого песка, принятого на основании экспериментальных исследований и составляющего 0,55-0,65. Заявляемое соотношение 0,55-0,65 является наиболее оптимальным для распределительной дренажной системы большого сопротивления со щелевыми колпачками.

При соотношении ширины щелей в колпачке к диаметру зерен нижнего предела фракции кварцевого песка большем, чем 0,65, увеличивается потеря напора в распределительной дренажной системе за счет перекрытия щелей и их забивания песчинками зернистой загрузки и возникают трудности по удалению этих песчинок из щелей колпачков во время эксплуатации.

При соотношении ширины щелей в колпачке к диаметру зерен нижнего предела фракции кварцевого песка менее 0,55 нерационально используется располагаемый напор в режиме фильтрования, а также увеличивается трудоемкость изготовления щелевых колпачков из-за увеличения трудоемкости нарезки более узких щелей в колпачках. В нашем случае при использовании для нижнего слоя загрузки крупнозернистого кварцевого песка фракций 1,6-2,5 мм ширина щелей колпачков составит 0,9-1,0 мм.

Сущность заявляемого фильтра для очистки воды поясняется графическим материалом, где представлено на:

- фиг.1 - общий вид фильтра для очистки воды;

- фиг.2 - схема размещения щелевых колпачков.

Фильтр состоит из корпуса 1, расположенного внутри корпуса 1 промежуточного днища 2, разделяющего корпус 1 на камеру 3 грязной воды, заполненную крупнозернистой двухслойной загрузкой из слоя дробленого антрацита 4 с крупностью зерен 3-6 мм и слоя кварцевого песка 5 с крупностью зерен 1,6-2,5 мм, и камеру 6 отфильтрованной воды. К корпусу 1 присоединен патрубок 7 для подачи исходной загрязненной воды в центральную вертикальную трубу 8 с установленной в ее верхней части водосборной воронкой 9 и колосниковой решеткой 10, патрубок 11 для отвода отфильтрованной воды, патрубок 12 для подвода промывной воды и патрубок 13 для подвода сжатого воздуха в камеру 6 отфильтрованной воды. Отвод промывной воды из фильтра производится через патрубок 7. Промежуточное днище 2 и щелевые колпачки 14 представляют собой распределительную дренажную систему большого сопротивления фильтра. Щелевые колпачки 14 установлены на промежуточном днище 2 в количестве 20 штук на 1 м² рабочей площади фильтра по концентрическим окружностям так, что расстояние между щелевыми колпачками 14 составляет 180-220 мм, например 200 мм. При использовании для нижнего слоя загрузки крупнозернистого кварцевого песка с фракцией 1,6-2,5 мм ширина щелей в колпачках 14 распределительной дренажной системы большого сопротивления составляет 0,9-1,0 мм, например 0,95 мм.

Заявляемый фильтр работает следующим образом.

При фильтровании исходная загрязненная вода по патрубку 7 поступает в центральную вертикальную трубу 8 к водосборной воронке 9 и через колосниковую решетку 10 попадает вовнутрь корпуса 1 фильтра, проходит через крупнозернистую двухслойную загрузку, сначала через слой дробленого антрацита 4, затем через слой кварцевого песка 5, после чего поступает в распределительную дренажную систему, оснащенную щелевыми колпачками 14, и выводится из камеры 6 отфильтрованной воды через патрубок 11.

При промывке промывная вода по патрубку 12, а сжатый воздух по патрубку 13 подаются в камеру 6 отфильтрованной воды, проходят через щелевые колпачки 14 распределительной дренажной системы, поступают в камеру 3 грязной воды, проходят через крупнозернистую двухслойную загрузку, сначала через слой кварцевого песка 5, затем через слой дробленого антрацита 4, взрыхляя загрузку и вымывая из нее загрязнения. Загрязненная промывная вода и воздух через колосниковую решетку 10 поступают в водосборную воронку 9 и отводятся из фильтра через центральную вертикальную трубу 8 и патрубок 7 на сооружения обработки промывной воды.

Изобретение относится к устройствам для очистки воды и может быть использовано в системах оборотного водоснабжения. Фильтр содержит корпус, разделенный промежуточным днищем на камеру грязной воды, заполненную слоем дробленого антрацита и слоем кварцевого песка, и камеру отфильтрованной воды, патрубки для подвода и отвода обрабатываемой и промывной воды и сжатого воздуха. Фильтр также содержит центральную вертикальную трубу с водосборной воронкой и колосниковой решеткой, распределительную дренажную систему большого сопротивления со щелевыми колпачками в количестве 20 штук на 1 м² рабочей площади фильтра. Колпачки расположены на промежуточном днище по концентрическим окружностям на расстоянии 180-220 мм. Соотношение ширины щелей в щелевом колпачке к диаметру зерен нижнего предела фракции кварцевого песка составляет 0,55-0,65. Технический результат: повышение технико-экономических показателей работы фильтра, надежность его эксплуатации и увеличение срока службы фильтра. 2 ил.

Фильтр для очистки воды, содержащий корпус, разделенный промежуточным днищем на камеру грязной воды, заполненную двухслойной крупнозернистой загрузкой из слоя дробленого антрацита и слоя кварцевого песка, и камеру отфильтрованной воды, центральную вертикальную трубу с водосборной воронкой и колосниковой решеткой, распределительную дренажную систему со щелевыми колпачками, патрубки для подвода и отвода обрабатываемой и промывной воды и сжатого воздуха, отличающийся тем, что фильтр снабжен усовершенствованной распределительной дренажной системой большого сопротивления со щелевыми колпачками в количестве 20 штук на 1 м² рабочей площади фильтра, расположенными на промежуточном днище по концентрическим окружностям с расстоянием между щелевыми колпачками 180-220 мм, при этом соотношение ширины щелей в щелевом колпачке к диаметру зерен нижнего предела фракции кварцевого песка составляет 0,55-0,65.