СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ФИЛЬТРОВ С НЕЗАКРЕПЛЕННОЙ СРЕДОЙ Российский патент 2012 года по МПК B01D37/04 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в общем относится к области фильтрации жидкостей с использованием незакрепленной фильтрующей среды и более конкретно к способу и системе для удаления отфильтрованных загрязнений из фильтрующих слоев этого типа во время циклов периодической очистки.

Известный уровень техники

В известной технологии употреблялись разнообразные типы способов и систем для удаления накопившихся загрязнений из слоя гранулированной фильтрующей среды. Способы, применявшиеся до сих пор, в целом имеют такие общие стадии обработки: 1) введение взрыхляющего средства для разрушения агломераций фильтрующей среды и загрязнений, типично образующихся во время процесса фильтрации, 2) протекание транспортирующей среды через взрыхленные гранулы для высвобождения загрязнений с фильтрующей среды, 3) удержание очищенной фильтрующей среды внутри фильтра в то же время с обеспечением возможности удаления загрязнений с потоком и 4) возвращение очищенной фильтрующей среды обратно в ее нормальное состояние. Эти четыре стадии могут быть кратко резюмированы следующими понятиями: 1) взрыхление, 2) промывание, 3) отделение и 4) повторное формование.

В отношении общей стадии 1 для взрыхления фильтрующей среды представлены разнообразные средства, такие как вращающиеся ножи и высоконапорные жидкостные форсунки (смотрите патенты США № 2521396 и 3992291/3953333). Однако оба этих способа создают по меньшей мере две существенных проблемы. Во-первых, системы с вращающимися ножами зачастую имеют механические уплотнения, которые требуют частого технического обслуживания. Во-вторых, высоконапорные жидкостные форсунки производят огромные объемы загрязненной противоточной промывной воды, которую нужно собирать и вовлекать в рециркуляцию в процессе. То, что необходимо в технологии, так это средство для взрыхления, которое не нуждается во вращающихся внутренних дефлекторах или крыльчатках и сводит к минимуму потребление жидкости.

В отношении общей стадии 2 транспортирующей средой, употребляемой для промывания фильтрующей среды, чаще всего служит чистая профильтрованная текучая среда. Во многих системах требуется хранение большого объема чистого фильтрата для обеспечения высокого импульсного напора, когда во время этой стадии в цикле противоточного промывания потребляется высокообъемный расход для промывания среды. В некоторых способах высоконапорные водяные форсунки используют как для взрыхления, так и для промывания, что представляет собой комбинацию общих стадий 1 и 2. Однако такие системы по-прежнему создают огромные объемы промывной противоточной жидкости, которую нужно сохранять и вовлекать обратно в процесс рециркуляции. Кроме того, было бы предпочтительным использовать загрязненную технологическую текучую среду для противоточного промывания вместо чистого фильтрата. Это избавило бы от необходимости содержать емкости для хранения чистого фильтрата и насосы, предназначенные для циклов периодического противоточного промывания.

Что касается общей стадии 3, отделение загрязнений от фильтрующей среды типично производят пропусканием потока суспензии в непрерывном протоке через очистной элемент, размещенный снаружи корпуса фильтра, где рассеянные более крупные дисперсные частицы удаляются из суспензии, и возвращением выведенного фильтрующего материала обратно в корпус фильтра (смотрите патенты США № 3992291 и 3953333). Этот способ связан с дополнительными существенными расходами и увеличением габаритов фильтра, поскольку он требует применения разнообразных наружных трубопроводов, емкостей, вентилей и оборудования. Патент США № 4787987 представляет способ in-situ отделения загрязнений от фильтрующей среды с помощью сита, имеющего слегка меньшую величину ячеек, чем размер частиц фильтрующей среды, содержащейся внутри емкости ниже фильтрующей среды. В этом способе среда и загрязнения взрыхляют и суспендируют действием высокопроизводительного жидкостного насоса. Во время стадии взрыхления в емкость добавляют подпиточную жидкость по существу при такой же скорости, с каковой насыщенную загрязнениями жидкость выводят через ситовое средство, тогда как фильтрующая среда остается внутри корпуса фильтра.

Настоящее изобретение отчасти направлено на новое средство in-situ взрыхления и ожижения гранулированной фильтрующей среды, чтобы в достаточной мере высвободить накопившиеся загрязнения настолько быстро, насколько возможно, и вымыть эти загрязнения из корпуса фильтра с использованием минимального количества необходимой жидкости. Прочие преимущества, которые присущи раскрытому и заявленному изобретению, будут очевидными специалистам с ординарной квалификацией в этой области технологии.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Авторы настоящего изобретения представляют новый способ in-situ очистки гранулированной фильтрующей среды от накопившихся загрязнений. Этот способ сочетает низкий расход загрязненной жидкости с газом, таким как воздух или природный газ, для создания размывающего потока. Этот размывающий поток распределяется в фильтрующей среде через одну или более радиальных форсунок, размещенных внутри фильтрующей среды. Газ выходит из радиальных форсунок в виде пузырьков, диспергированных внутри жидкости. По мере того как размывающий поток поднимается вверх через фильтрующую среду, он вспучивает слой для разрушения крупных скоплений загрязнений и переводит во взвешенное состояние отдельные гранулы фильтрующей среды для срывания с места и перемещения более мелких скоплений загрязнений внутри промежуточных пространств вокруг гранул фильтрующей среды. Это ожижающее действие обеспечивает требуемую степень взрыхления среды для перемещения и приведения в подвижное состояние отложений загрязнений без необходимости создания высоких объемных скоростей жидкости, обычных для прочих способов очистки фильтров.

Этот способ создает преимущество в том, что обеспечивает возможность применения загрязненной технологической жидкости в размывающем потоке, чем устраняется необходимость в хранении чистого фильтрата для употребления во время циклов противоточного промывания.

Этот способ создает дополнительное преимущество в минимизации объема насыщенной загрязнениями водной жидкости, которая должна быть повторно обработана. Другие способы очистки фильтров требуют больших объемных расходов жидкости, вплоть до полуторакратного количества относительно расхода подводимой жидкости во время нормального режима работы, для обеспечения достаточной скорости внутри среды, чтобы высвободить загрязнения с фильтрующей среды. Пониженные объемы противоточной промывной жидкости уменьшают затраты на вспомогательное оборудование и расходы на переработку.

Этот способ создает дополнительное преимущество в сокращении продолжительности цикла очистки. В других способах очистки фильтров поток газа пропускают отдельно через фильтрующую среду для разрушения накопившихся загрязнений с последующим пропусканием потока жидкости сквозь среду для вымывания загрязнений прочь. Путем объединения стадии взрыхления со стадией промывания продолжительности циклов очистки могут быть существенно сокращены. Более короткие продолжительности циклов очистки будут обеспечивать общее повышение производительности фильтровальной системы.

Этот способ создает дополнительное преимущество в том, что позволяет оптимизировать цикл очистки среды для разнообразных процессов фильтрования. Регулированием отношения газа к жидкости в размывающем потоке и, если необходимо, размера и местоположения радиальных размывающих форсунок цикл очистки может быть приспособлен к более широкому разнообразию степеней загрязненности, условий накопления агломератов и физических характеристик.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения описан фильтр с гранулированной средой, которая состоит из корпуса фильтра, в котором содержится среда, оседающая под действием силы тяжести на дно корпуса фильтра с образованием слоя. Донная часть корпуса фильтра имеет выпускной канал, к которому присоединено механическое сито, такое как проволочный элемент или перфорированная труба. Отверстия в механическом сите являются меньшими, чем гранулы фильтрующей среды, чтобы при протекании технологической жидкости через фильтр чистый фильтрат выходил из выпускного канала, тогда как фильтрующие гранулы оставались внутри корпуса фильтра. Во время нормального режима работы фильтра загрязненная жидкость вытекает из впускного канала, соединенного с распределителем и механическим ситом, и протекает сквозь слой фильтрующей среды, оставляя отложения загрязнений на верхней части фильтрующей среды, внутри промежутков между гранулами такового и на поверхности таковых.

Когда внутри корпуса фильтра накапливаются достаточные уровни загрязнений, нормальное течение в корпус фильтра прекращают и запускают цикл очистки. Вариант исполнения корпуса фильтра имеет одиночную радиальную форсунку или множество равномерно распределенных радиальных форсунок, в зависимости от диаметра корпуса фильтра, размещенных непосредственно над донной частью фильтрующего слоя. Трубопровод или труба отходит от форсунки для соединения наружной стороны корпуса фильтра с радиальной форсункой. Во время цикла очистки размывающий поток с контролируемым расходом протекает через радиальные форсунки, вверх через фильтрующую среду и вверх к выпускному отверстию распределителя/механического сита. Размывающий поток состоит из смеси газа и жидкости, образованной снаружи корпуса фильтра и подводимой к радиальным форсункам по соединительному трубопроводу. Радиальная форсунка предназначена для создания оптимального диспергирования газообразных и жидких компонентов так, что смесь может одновременно взрыхлять фильтрующие гранулы и вымывать загрязнения из промежутков между гранулами среды.

В размывающем потоке перемещаемые загрязнения и некоторые взвешенные в жидкости фильтрующие гранулы увлекаются течением в сторону впускного отверстия, механическое сито удерживает взвешенные в жидкости гранулы внутри корпуса фильтра, в то же время позволяя размывающему потоку и загрязнениям покидать корпус фильтра. Вариант исполнения далее включает вентиляционный канал в верхней части корпуса фильтра для обеспечения возможности выпуска газа, увлеченного размывающим потоком, до возвращения фильтра к нормальному режиму работы.

Расход газа и жидкости, смешанных с образованием размывающего потока и используемых для взрыхления и вымывания загрязнений из корпуса фильтра, нужно выбирать, принимая во внимание следующие обстоятельства: (1) надлежащую выходную скорость на форсунке для образования однородной газовой дисперсии внутри жидкости и максимально полное покрытие размывающим потоком поперечного сечения слоя среды; (2) должную вертикальную скорость газа для расширения слоя среды, чтобы разрушить крупные скопления загрязнений; (3) надлежащую скорость газа для ожижения и взрыхления гранул среды и (4) надлежащую кинетическую энергию жидкости для приведения в движение и выноса высвобожденных загрязнений наружу из фильтрующего слоя.

Количество и местоположение радиальных форсунок внутри корпуса фильтра нужно выбирать с учетом следующих обстоятельств: (1) равномерного распределения размывающего потока во всему поперечному сечению фильтрующего слоя и сведения к минимуму «слепых пятен» или объема фильтрующей среды, не затрагиваемого размывающим потоком; и (2) близости к донной части слоя среды, достаточной для того, чтобы выходной поток форсунки контактировал с механическим ситом при донном выпускном канале для очистки сита от фильтрующей среды, собравшейся на таковом.

Хотя изобретение было обобщено как включающее способ и установку для удаления загрязнений из слоя гранулированной фильтрующей среды, прочие варианты применения в пределах области изобретения могут оказаться очевидными для специалистов в области фильтрации.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 представляет вид в вертикальном разрезе корпуса фильтра с незакрепленной средой, которая составляет часть настоящего изобретения, показывающий внутренние детали, используемые для проведения описываемого здесь способа очистки среды.

Фиг.2 представляет вид в горизонтальном разрезе по диаметру корпуса фильтра, который составляет часть настоящего изобретения, показывающий один вариант осуществления местоположения радиальных форсунок под углом 45° между выпускным сетчатым магистральным коллектором фильтрата.

Фиг.3 представляет трехмерный вид в разрезе варианта исполнения из фиг.2 как видимый с нижней стороны емкости фильтрующего корпуса. Этот вид приводит дополнительные подробности варианта осуществления, представленного на фиг.2.

Фиг.4 представляет вид сверху поперечного разреза, подобного таковому, показанному на фиг.2, но с радиальными форсунками, размещенными чуть выше и совмещенными с патрубками выпускного сетчатого магистрального коллектора, показывающий альтернативное расположение радиальных форсунок для применения в настоящем изобретении.

Фиг.5 показывает подробный трехмерный вид радиальной форсунки и составляющих ее деталей. Пунктирные линии, проходящие от кольцевого зазора в радиальной форсунке, обозначают общее движение размывающего потока из форсунки и воздействие размывающего потока, которое он оказывает на текучие среды, окружающие форсунку.

Фиг.6 показывает вид вертикального поперечного сечения альтернативного варианта исполнения радиальной форсунки, где пластины форсунки модифицированы для повышения однородности распределения размывающего потока и уменьшения закупоривания форсунки средой, когда последняя не работает.

Фиг.7 показывает трехмерный вид сверху дополнительного альтернативного варианта осуществления настоящего изобретения, где радиальные форсунки размещены под патрубками выпускного сетчатого магистрального коллектора для фильтрата, чтобы обеспечивать очистку сетчатого участка магистрального коллектора, а также фильтрующей среды в корпусе во время проведения описываемого здесь способа очистки.

Фиг.8 показывает альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения, где множество фильтрующих корпусов, каждый из которых включает внутренние детали, необходимые для проведения описываемого здесь способа очистки, заключено в один горизонтальный корпус фильтра, разделенный на отдельные отсеки внутренними перегородками.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

На фиг.1 показана фильтрующая емкость 10 для размещения в ней слоя гранулированной фильтрующей среды 12. Корпус фильтра представляет собой рассчитанную на давление емкость, имеющую верхнюю крышку и нижнее днище эллипсоидальной формы с отношением 2:1. Другие формы и конструкции емкости фильтра могут быть использованы без влияния на принципы действия согласно изобретению. Гранулированная фильтрующая среда 12 может быть любой из ряда материалов, выбранных на основе характеристик фильтруемой жидкости и свойств загрязнений. Для фильтрации воды, содержащей взвешенные капельки масла и твердые загрязнения, обычно употребляется гранулированная скорлупа черного грецкого ореха. Над фильтрующим слоем 12 предусмотрена пустая область 14, чтобы обеспечить пространство для расширения слоя во время цикла очистки. Разумеется, будет понятно, что для размещения слоя гранулированного фильтрующего материала может быть использован любой пригодный корпус фильтра.

Фильтрующая емкость 10 также включает входные распределители 20 для введения загрязненной жидкости из наружного трубопровода и диспергирования жидкости по существу равномерно по поперечному сечению фильтрующей емкости. В верхней части фильтрующей емкости также смонтирован выпускной магистральный коллектор 22 противоточного промывания для принятия струи размывающего потока и высвобожденных загрязнений во время цикла очистки. Выпускной магистральный коллектор также включает ситовые средства 23 для механического просеивания, показанные здесь как перфорированная труба или проволочный элемент, где открытые сквозные отверстия имеют меньший диаметр, чем наименьший размер гранул среды, и предотвращают утечку любых взвешенных в жидкости частиц фильтрующей среды из емкости во время цикла противоточного промывания. Хотя эта фигура показывает отдельные устройства для впуска технологической текучей среды и выпуска противоточной промывной жидкости, многие конструкции впускного распределителя сочетают как распределение технологической текучей среды, так и выведение противоточной промывной жидкости. Описание впускного средства является примерным для предпочтительного варианта исполнения, и другие конструкции питающих впускных каналов могут быть использованы в зависимости от характеристик фильтруемой жидкости и содержащихся в ней загрязнений.

Фиг.1 также показывает выпускной магистральный коллектор 30, к которому присоединены механические ситовые средства 33, показанные здесь как перфорированная труба или проволочный элемент. После прохождения через фильтрующий слой очищенный фильтрат выходит из фильтрующей емкости через отверстия в сите. Диаметр отверстий в сите является меньшим, чем наименьший диаметр гранул фильтрующей среды, так что среда во время работы остается внутри емкости.

Фиг.1 и 2 показывают множество радиальных форсунок 40, имеющих выпуски сразу под касательной к донной части механических сит. В варианте осуществления, показанном на фиг.2, механические ситовые средства 33 состоят из четырех клинообразных проволочных экранов, формирующих крестообразный выпускной магистральный коллектор. В этой компоновке четыре радиальных форсунки 40 размещены внутри промежутков между четырьмя механическими ситами 33 в выпускном магистральном коллекторе. Разумеется, квалифицированным специалистам в этой области техники должно быть понятно, что размер и форма выпускных ситовых средств и число используемых радиальных форсунок будет зависеть от диаметра фильтрующего корпуса.

Радиальные форсунки 40, показанные на фиг.1 и 2, состоят из двух горизонтальных круглых дисков, разнесенных так, чтобы образовывать зазор, через который размывающий поток вытекает в слой фильтрующей среды во время цикла очистки. Высота выходного зазора радиальной форсунки показана приблизительно наравне с касательной к донной части сетчатых труб 33 для механического просеивания. Во многих фильтрующих емкостях нижнее днище емкости заполнено твердым материалом, таким как цементный раствор или бетон, вплоть до донной части сетчатых труб для механического просеивания. Этот твердый материал действует как опорное основание для гранул фильтрующей среды во время работы фильтра в нормальных эксплуатационных режимах, поскольку фильтрующая среда ниже сетчатых труб для механического просеивания по существу выведена из эффективного использования. Как правило, выходные зазоры радиальных форсунок размещены вблизи касательной к донной части трубчатых сит 33 так, что фильтрующая среда вблизи основания емкости может контактировать с размывающим потоком. Размещение форсунок вблизи основания слоя фильтрующей среды также позволяет размывающему потоку очищать отверстия в ситах от возможного забивания средой или загрязняющими примесями. Для вариантов применения, где контакт со средой вблизи основания или размывание сита не является необходимым или желательным, выходные зазоры радиальных форсунок могут быть подняты выше выпускного магистрального коллектора так, что взмученная дисперсия может проникать во все уголки емкости без помех со стороны выпускного магистрального коллектора или ситовых экранов.

Размывающий поток, содержащий смесь жидкости и газа, предварительно смешанных снаружи фильтрующего корпуса, подводят к радиальной форсунке по трубопроводу 35. Этот трубопровод показан на чертеже в виде прямого сегмента трубы, присоединенного к трубному прямоугольному (90°) уголку, повернутому вниз и соединенному с верхним круглым диском радиальной форсунки.

Для большинства габаритов фильтрующих емкостей, показанных на фиг.2, четыре радиальные форсунки, размещенные приблизительно в центре каждого квадранта, образованного крестообразным выпускным магистральным коллектором и трубчатыми ситами, будут обеспечивать надлежащее распределение размывающего потока по всему поперечному сечению фильтрующего слоя. Расстояние в поперечном направлении, на которое радиальные форсунки выбрасывают размывающий поток, предварительно настраивается оператором фильтра путем регулирования расхода воды и газа, заранее смешанных снаружи фильтрующего корпуса. Поэтому компромиссный выбор между повышением расхода водно-газовой смеси в каждой радиальной форсунке или увеличением числа радиальных форсунок в пределах поперечного сечения емкости в основном представляет собой вопрос экономической целесообразности. Авторы настоящего изобретения нашли удовлетворительное с экономической точки зрения решение, рассчитав каждую размывающую форсунку на очистку зоны, охватывающей приблизительно от 1,5 до 3 футов по радиусу в поперечном направлении от центральной оси форсунки. Число форсунок при необходимости увеличивают для более полного охвата поперечного сечения фильтрующей емкости, тогда как расположение форсунок в основном определяется симметрией поперечного сечения.

Фиг.2 показывает расположение множества форсунок по поперечному сечению емкости относительно линии с радиусом R, соединяющей центры форсунок в емкость. Этот радиус R форсунок в емкости будет варьироваться в зависимости от типа фильтрующей среды, диаметра фильтрующей емкости, степени загрязненности и физических свойств загрязнения. Авторы настоящего изобретения нашли, что для фильтрации воды для удаления масла и твердых частиц с использованием скорлупы черного грецкого ореха значение R в диапазоне от 25% до 36% от диаметра D емкости будет обеспечивать надлежащее покрытие размывающим потоком для эффективного очищающего взрыхления среды.

Фиг.4 показывает альтернативное размещение четырех форсунок в виде пунктирных кружков 42, повернутых на 45° от положений, показанных на фиг.2 и расположенных непосредственно под механическими ситовыми экранами 33. При повороте радиальных форсунок до совпадения с механическими ситовыми экранами и подъеме их слегка выше верхней касательной к круговому контуру экранов размывающий поток будет иметь меньшую степень помех от ситовых экранов. Например, такое расположение может быть более желательным для вариантов применения фильтров, где большая часть загрязнений накапливается на первых нескольких футах глубины фильтрующей среды, и фильтрующая среда не склонна закупоривать отверстия в ситовых экранах. Преимущество такого расположения состоит в сведении к минимуму «слепых пятен», поскольку вертикальное движение размывающего потока не затрудняется контактом с деталями ситовых экранов, что может иметь место в прочих показанных вариантах исполнения.

Альтернативно, как показано на фиг.7, радиальные форсунки могут быть размещены ниже и вровень с выпускными ситовыми экранами так, что размывающий поток приходит в непосредственный контакт с ситовыми экранами для вымывания и очистки фильтрующей среды и загрязнений из отверстий сит. Эта ориентация форсунок может быть предпочтительной в некоторых вариантах применения, где требуется струйное промывание ситовых экранов для взрыхления среды вокруг ситовых экранов для удаления загрязнений и для вымывания любого среды, который мог бы застрять внутри отверстий ситовых экранов.

Фиг.5 показывает единичный элемент радиальной форсунки, рассматриваемый авторами настоящего изобретения для распределения размывающего потока. Радиальная форсунка состоит из верхней круглой пластины 50 и нижней круглой пластины 51, в которой расположено отверстие 52 для сообщения с трубопроводом, подводящим размывающий поток к форсунке. Каждая круглая пластина имеет диаметр D. Пластины форсунки раздвинуты с образованием зазора b, который может иметь переменный размер в расчете на габариты емкости, характер очищаемой фильтрующей среды и желательный радиус распространения размывающей струи. Авторы настоящего изобретения нашли удовлетворительную производительность форсунки при применении зазора с высотой h в пределах диапазона от 2 мм для малогабаритных фильтрующих систем до 30 мм для крупных промышленных фильтров. В общем, диаметр h газовых пузырьков должен быть меньше, чем наименьший размер гранул фильтрующей среды, чтобы предотвратить закупоривание этими гранулами зазора, когда форсунка не работает. Диаметр D круглых пластин типично варьируется от 100 мм для малых фильтрующих систем до 400 мм для крупногабаритных промышленных фильтрующих систем.

Согласно фиг.5, когда размывающий поток протекает через зазор между пластинами и пересекает наружный периметр пластин, давление размывающего потока внезапно падает до уровня давления в фильтрующей емкости. Газ внутри жидкой части размывающего потока формирует сплошную дисперсию из пузырьков с высокой скоростью, распространяющуюся от форсунки, показанную на фиг.5 пунктирными прямыми линиями. Когда этот размывающий поток движется от форсунки и попадает в фильтрующую среду, он вызывает циркуляцию жидкости внутри области вокруг форсунки, показанную на фиг.5 изогнутыми пунктирными линиями со стрелками на концах. Благодаря созданию циркуляции внутренней жидкости количество жидкости, добавляемой в размывающий поток, может быть сокращено, тем самым уменьшая общий объем противоточной промывной жидкости, требующей утилизации или переработки.

Для вариантов применения, предусматривающих фильтрующий корпус под высоким давлением, может иметь место склонность фильтрующей среды забиваться в пространство зазора между пластинами радиальной форсунки и в трубопровод для размывающего потока. Фиг.6 показывает модифицированный вариант исполнения форсунки, который включает верхнюю пластину 64, которая имеет диаметр, слегка больший, чем диаметр нижней пластины 65, для уменьшения внедрения гранул в выходной зазор форсунки, обусловленного давлением массы среды на верхнюю часть форсунки. Эта форсунка также имеет клиновидный профиль зазора между пластинами, который включает сужающуюся секцию Н1, которая является меньшей, чем высота Н2 на выходе. Сходящиеся и непараллельные поверхности верхней пластины 64 и нижней пластины 65 также помогают размывающему потоку прочищать радиальный зазор между пластинами, когда начинается цикл струйного размывания. Вариант осуществления, показанный на фиг.6, также демонстрирует разделительный конус 66, который состоит из конуса, проходящего наружу от нижней стороны нижней пластины с внедрением в отверстие трубопровода в верхней пластине. Продольная центральная ось конуса совпадает с продольной центральной осью отверстия трубопровода для обеспечения более равномерного распределения размывающего потока через просвет радиального зазора между пластинами форсунки.

С привлечением фиг.8 представлен вариант осуществления, в котором несколько фильтрующих корпусов, содержащих внутренние детали, описываемые здесь для исполнения способа очистки и показанные в предыдущих фигурах, размещены внутри одиночной горизонтальной емкости 80 и разделены множеством разделительных перегородок 84. Следует отметить, что для целей ясности кодовые номера компонентов варианта осуществления в фигуре приведены для одной камеры, и должно быть понятно, что каждая камера имеет идентичные компоненты. Каждая фильтрующая камера содержит рабочую впускную форсунку 82 и рабочую выпускную форсунку 81. Множество трубчатых каналов может быть присоединено к этим впускному и выпускному патрубкам так, что технологическая текучая среда может протекать параллельно в каждую камеру. Такой фильтр позволяет обрабатывать большое количество жидкости без необходимости размещения большого числа радиальных форсунок, чтобы обеспечить надлежащее покрытие размывающим потоком, каковое могло бы понадобиться, если бы фильтрацию проводили в одиночной крупногабаритной фильтрующей емкости. Альтернативно, трубчатые каналы, соединяющие камеры, могут быть скомпонованы так, что фильтруемая текучая среда протекает через каждую камеру последовательным образом. Такая картина течения может быть преимущественной там, где каждая камера содержит иной тип среды, который проявляет сугубо специфическое сродство к конкретному загрязнению в текучей среде или размеру частиц. В этом типе компоновки фильтров количество размывающего потока, требуемое для разрушения и высвобождения загрязнений во время цикла очистки, может регулироваться независимо для каждой камеры для оптимизации цикла очистки.

В настоящем изобретении размывающий поток, протекающий к радиальным форсункам внутри фильтрующего корпуса, состоит из предварительно смешанного потока сжатого газа и жидкости, протекающего к каждой форсунке из общего магистрального коллектора. Присоединенный к этому общий магистральный коллектор является источником сжатого газа и жидкости под давлением. Каждый из этих потоков протекает в общий распределительный магистральный коллектор через управляющее устройство и измерительное устройство таким образом, что оператор может регулировать расход газа и жидкости, притекающих к форсункам. Типичные источники газа представляют собой сжатый воздух или природный газ. Однако был бы применимым любой инертный газ. С экономической точки зрения источник жидкости, типично употребляемый авторами настоящего изобретения, представляет собой поступающую загрязненную технологическую текучую среду.

Количество жидкости и газа, поступающих в общий магистральный коллектор, в значительной мере зависит от общего размера фильтрующего корпуса. Авторы настоящего изобретения определили, что приблизительно 9 gpm (галлонов в минуту) воды на квадратный фут площади слоя и 0,7 SCFM (стандартных кубических футов в минуту) газа на кубический фут слоя обеспечивают надлежащую производительность для очистки скорлупы черного грецкого ореха, отфильтровывающей масло и твердые частицы от получаемой воды. Преобразование этих значений в общеупотребительные единицы объема дает типичное значение в 1,7 кубического фута жидкости на квадратный фут площади слоя на стандартный кубический фут газа на кубический фут фильтрующей среды внутри корпуса. Это отношение будет варьировать до некоторой степени в зависимости от габаритов емкости, количества используемых радиальных форсунок, размера и объема очищаемой фильтрующей среды и физических характеристик загрязнений.

Поэтому понятно, что частью эксплуатационного режима фильтра этого типа является регулирование значений расхода потоков жидкости и газа для оптимизации производительности цикла очистки среды, в то же время при сведении к минимуму количества загрязненной жидкости, остающейся для утилизации или повторного употребления.

Будет понятно, что вышеприведенное описание изобретения является исключительно примерным и что разнообразные средства и модификации могут быть использованы для реализации замысла авторов настоящего изобретения без выхода за рамки области изобретения.

Изобретение предназначено для обновления слоя гранулированной фильтрующей среды, которая содержит загрязнения, накопившиеся во время фильтрации потока жидкости. Способ включает стадию создания потока чистого фильтрата с малым объемным расходом в режиме противотока. Затем фильтрующую среду взрыхляют для разрушения загрязнений, которые накопились на поверхности или в промежуточных пространствах вокруг гранул фильтрующей среды, путем подвергания заполненного жидкостью фильтрующей среды воздействию размывающего потока, включающего главным образом газ, смешанный с чистой жидкостью. Размывающий поток распределяется во всей фильтрующей среде через множество радиальных форсунок, размещенных внутри фильтрующего слоя. Радиальные форсунки диспергируют газ внутри жидкости и фильтрующей среды, вызывая значительную турбулентность и взрыхление гранул фильтрующей среды для высвобождения захваченных загрязнений, без необходимости использования высоких значений расхода жидкости. Количество форсунок и их размещение внутри фильтрующего слоя варьируют в зависимости от таких факторов, как размер и форма фильтрующей емкости и тип очищаемой фильтрующей среды. Количество воды и газа, протекающих через форсунки, регулируется для обеспечения по существу равномерной очистки всего слоя в целом. Результатом являются малые объемы фильтрата, расходуемого в цикле противоточного промывания, и связанного с этим хранения и рециркуляции этой жидкости обратно в процесс. Каждая из радиальных форсунок включает два горизонтальных и параллельных круглых диска, отстоящих друг от друга с образованием цилиндрического зазора, через который вытекает сжатый газ и размывающий поток жидкости. Описанные установки представляют собой одиночную фильтрующую емкость из множества фильтрующих камер внутри общей фильтрующей емкости, каждая из которых содержит гранулированную фильтрующую среду и множество радиальных форсунок, размещенных в среде для распределения размывающего потока во всем объеме во время стадий очистки и обновления в процессе фильтрации. 4 н. и 33 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ отфильтровывания загрязнений из потока загрязненной жидкости с использованием фильтрующей среды, содержащей фильтрующие гранулы, содержащиеся внутри емкости, имеющей впускной распределитель и выпускное отверстие, снабженное механическим ситовым средством, причем загрязнения в указанном потоке загрязненной жидкости сначала накапливаются на поверхности или в промежуточных пространствах вокруг фильтрующих гранул, и накопившиеся загрязнения периодически удаляют из фильтрующих гранул, причем указанная стадия удаления загрязнений характеризуется следующими стадиями, на которых:
прекращают поступление потока загрязненной жидкой среды в емкость через указанный впускной распределитель,
создают размывающий поток, содержащий дисперсию газ-жидкость при регулируемом отношении газа и жидкости, причем пузырьки газа в указанном размывающем потоке, по существу, равномерно захвачены и диспергированы в указанной жидкости в регулируемом отношении к указанной жидкости в указанном размывающем потоке,
направляют и подают указанный размывающий поток в фильтрующую среду при регулируемой скорости в местоположение, находящееся вблизи нижней части указанной фильтрующей среды в указанной емкости, так что указанный размывающий поток и захваченные им пузырьки газа взрыхляют фильтрующие гранулы в указанной фильтрующей среде и далее удаляют и захватывают в указанном размывающем потоке загрязнения, которые ранее были накоплены на поверхности или отложены в промежуточных пространствах между фильтрующих гранул,
удаляют мобилизованные загрязнения, захваченные в указанном размывающем потоке, из емкости через перекрытое сеткой отверстие, расположенное в верхней части емкости;
удаляют газ, который поднялся в верхнюю часть емкости, из указанной верхней части емкости;
прекращают подачу размывающего потока;
ожидают период времени для обеспечения возможности оседания, по меньшей мере, значительной части очищенной среды на дно емкости и
восстанавливают подачу загрязненной жидкой среды в емкость.

2. Способ по п.1, в котором указанное регулируемое отношение газа к жидкости создается вне указанной емкости и где регулируемое отношение дополнительно является регулируемым переменным образом для обеспечения оптимизации действия указанных пузырьков не только посредством разъединения агломератов загрязнений в указанных фильтрующих гранулах, но дополнительно посредством агломерации пузырьков с указанными загрязнениями, вызывая тем самым подъем указанных загрязнений в указанной фильтрующей среде и в указанной емкости.

3. Способ по п.1, в котором указанный поток загрязненной жидкости используют в качестве размывающего потока, так чтобы исключить потребность в хранении и/или использовании свободной от загрязнений жидкости для использования в качестве размывающего потока.

4. Способ по п.1, в котором указанный размывающий поток подают в нижнюю часть емкости через одну или более форсунок, направляющих указанный размывающий поток в радиальном направленном наружу от указанных форсунок направлении в указанной емкости.

5. Способ по п.1, в котором стадия создания течения размывающего потока дополнительно включает:
комбинирование регулируемого расхода жидкости с регулируемым расходом взрыхляющего газа в трубопроводе под давлением, находящемся снаружи емкости, с образованием размывающего потока,
подведения размывающего потока в емкость посредством указанного трубопровода под давлением;
распределение размывающего потока на множество радиальных форсунок, размещенных внутри фильтрующей среды так, что размывающий поток, по существу, равномерно распределяется по поперечному сечению емкости.

6. Способ по п.5, в котором радиальные форсунки состоят из круглых первой и второй пластин, расположенных на расстоянии друг от друга для создания цилиндрического зазора, через который размывающий поток может выходить в радиальном направленном наружу направлении, причем указанный цилиндрический зазор расположен в перпендикулярном направлении по отношению к трубопроводу под давлением, подающему размывающий поток к указанным первой и второй пластинам.

7. Способ по п.6, в котором указанный первый пластинчатый элемент имеет в себе центральное отверстие, находящееся в жидкостном контакте с трубопроводом под давлением для обеспечения возможности подачи размывающей жидкости из трубопровода под давлением в указанный цилиндрический зазор.

8. Способ по п.6, в котором промежуток между первой и второй пластинами равен или находится между 2 мм и 30 мм.

9. Способ по п.6, в котором первая и вторая пластины имеют одинаковый диаметр, и величина диаметра находится между 100 и 400 мм.

10. Способ по п.6, в котором промежуток между первой и второй пластинами является, по существу, одинаковым по радиусу цилиндрического зазора.

11. Способ по п.6, в котором промежуток между первой и второй пластинами увеличивается в радиальном направлении от центральной оси пластин.

12. Способ по п.6, в котором первая пластина включает верхнюю пластину, а указанная вторая пластина включает нижнюю пластину, причем указанная верхняя пластина имеет диаметр слегка больший, чем нижняя пластина, для уменьшения склонности фильтрующей среды застревать внутри цилиндрического зазора, когда размывающий поток не протекает.

13. Способ по п.6, в котором размывающий поток входит в контакт с элементом, отклоняющим поток, для равномерного распределения размывающего потока через цилиндрический зазор.

14. Способ по п.13, в котором указанный отклоняющий поток элемент имеет круговое основание, расположенное на одной из указанных первой и второй пластин, и противоположный заостренный конец, простирающийся наружу от него и в направлении к другой из указанных первой и второй пластин и в центральном направлении в указанном цилиндрическом зазоре, для отклонения размывающего радиально направленного потока наружу в цилиндрический зазор.

15. Способ по п.1, в котором:
(a) поток жидкости представляет собой воду, содержащую суспендированные капли масла и твердые загрязнения; и/или
(b) загрязненный поток жидкости используют в качестве жидкости для противоточного промывания.

16. Способ по п.1 или 15, в котором расход жидкости или воды, входящей в размывающий поток, составляет между 8 и 10 галлонами в минуту на квадратный фут площади слоя включительно.

17. Способ по п.1, 14 или 15, в котором расход газа, добавляемого в размывающий поток, составляет между 0,5 и 0,9 стандартного кубического фута на кубический фут фильтрующей среды включительно.

18. Способ по п.1, 15 или 16, в котором размывающий поток состоит из смеси газа и жидкости, который вводят в емкость при регулируемом отношении, равном или находящимся между 1,0 и 2,0 кубическими футами воды или жидкости в минуту на фут площади слоя на кубический фут газа в минуту на кубический фут фильтрующей среды внутри емкости.

19. Фильтр с толстым слоем, включающий: емкость, образующую внутреннее пространство;
слой гранулированной фильтрующей среды, размещенной внутри емкости;
впускное соединительное и распределительное средство в верхней части указанной емкости для приема загрязненной жидкости и распределения загрязненной жидкости, по существу, равномерно по поперечному сечению емкости;
выпускное соединительное и выводящее средство, расположенное в нижней части как указанной емкости, так и указанной фильтрующей среды, для выведения профильтрованной жидкости из емкости при удержании гранулированной фильтрующей среды внутри емкости;
средство ввода газа для ввода газа в указанную загрязненную жидкость и создания регулируемой смеси газа и жидкости при регулируемом отношении друг к другу в указанной загрязненной жидкости и подачи смеси к радиальной форсунке или множеству равномерно разнесенных друг от друга форсунок, расположенных в нижней части указанной емкости в нижней части указанной гранулированной фильтрующей среды;
причем по меньшей мере одна радиальная форсунка или множество равномерно разнесенных друг от друга радиальных форсунок расположены внутри емкости вблизи выпускного соединительного и выводящего средства, причем указанная радиальная форсунка или форсунки приспособлены для диспергирования регулируемой смеси посредством размывающего потока, имеющего, по существу, равномерно захваченные пузырьки газа в нем, для взрыхления и сжижения гранулированной фильтрующей среды во время цикла регенерации и достижения того, чтобы агломераты загрязнений в промежуточных пространствах между фильтрующими гранулами разъединялись и агломерировали на пузырьках газа и становились захваченными в указанной смеси газ-жидкость, становились свободными от указанной гранулированной фильтрующей среды и побуждались к подъему вместе с указанными пузырьками газа в указанной емкости; и вентиляционный канал для удаления газа, который подымается в верхнюю часть емкости во время цикла регенерации.

20. Фильтр с толстым слоем по п.19, где: (а) размывающий поток состоит из смеси газа и жидкости при приблизительном отношении 1,7 кубического фута жидкости в минуту на фут площади слоя на кубический фут газа в минуту на кубический фут фильтрующей среды в емкости.

21. Фильтр с толстым слоем по п.19, дополнительно снабженный выпускным средством противоточного промывания, которое является независимым от указанного впускного соединительного и распределительного средства и указанного выпускного соединительного и выводящего средства, причем указанное выпускное средство противоточного промывания расположено вблизи верхней части емкости и над фильтрующей средой, для удаления смеси газа и жидкости из емкости во время цикла регенерации с удержанием гранулированной фильтрующей среды в емкости во время цикла регенерации.

22. Фильтр с толстым слоем по п.19, где радиальная форсунка состоит из круглой верхней пластины и круглой нижней пластины, расположенных на расстоянии друг от друга для создания цилиндрического зазора, через который протекает размывающий поток, причем один пластинчатый элемент снабжен центральным отверстием, соединенным с трубопроводом под давлением.

23. Фильтр с толстым слоем по п.22, где промежуток между верхней и нижней пластинами равен или находится между 2 мм и 30 мм.

24. Фильтр с толстым слоем по п.22, где верхняя и нижняя пластины имеют одинаковый диаметр, и величина диаметра находится между 100 и 400 мм.

25. Фильтр с толстым слоем по п.22, где промежуток между верхней и нижней пластинами является, по существу, одинаковым по радиусу цилиндрического зазора.

26. Фильтр с толстым слоем по п.22, где промежуток между верхней и нижней пластинами увеличивается в радиальном направлении от центральной оси пластин.

27. Фильтр с толстым слоем по п.22, где верхний пластинчатый элемент имеет диаметр слегка больший, чем нижний пластинчатый элемент, для уменьшения склонности фильтрующей среды застревать внутри цилиндрического зазора, когда размывающий поток не протекает.

28. Фильтр с толстым слоем по п.22, где размывающий поток, протекающий через центральное отверстие, направлен так, чтобы приходить в контакт с разделяющим элементом, соединенным с любым из верхнего и нижнего пластинчатых элементов, для более равномерного распределения течения размывающего потока через цилиндрический зазор.

29. Фильтр с толстым слоем по п.19, включающий:
(a) первичный внешний корпус, содержащий множество отдельных камер, причем каждая камера образует внутреннее пространство для того, чтобы вмещать слой гранулированной фильтрующей среды и принимать жидкость, подлежащую фильтрованию;
(b) впускное соединительное и распределительное средство в верхней части каждой камеры для приема загрязненной жидкости и распределения этой жидкости равномерно по поперечному сечению камеры;
(c) выпускное соединительное и выводящее средство, расположенное в нижней части каждой камеры, для удаления отфильтрованной жидкости из камеры при удержании гранулированной фильтрующей среды в камере;
(d) выпускное средство противоточного промывания для каждой камеры для использования в цикле регенерации для удаления смеси газа и жидкости из корпуса во время цикла регенерации при удержании гранулированной фильтрующей среды внутри корпуса во время цикла регенерации;
(e) по меньшей мере, одну радиальную форсунку или множество равномерно разнесенных друг от друга радиальных форсунок, расположенных в нижней части каждой камеры, для диспергирования регулируемой смеси газа и жидкости в гранулированной фильтрующей среде во время цикла регенерации;
(f) трубопровод, соединенный с каждой радиальной форсункой и выходящий наружу из корпуса фильтра, для приема и транспортировки регулируемой смеси газа и жидкости для использования во время цикла регенерации.

30. Фильтр с толстым слоем по п.29, дополнительно снабженный множеством трубопроводов, соединенных с впускными и выпускными соединениями каждой камеры для обеспечения возможности подвергаемой фильтрации загрязненной жидкости протекать сквозь множество камер внутри корпуса либо параллельно, либо последовательно.

31. Фильтр с толстым слоем по п.29 или 30, где загрязненная жидкость направлена так, чтобы последовательно протекать через множество камер, причем средний размер частиц гранулированной фильтрующей среды в каждой камере подобран так, чтобы уменьшаться в каждой последующей камере по направлению течения.

32. Фильтр с толстым слоем по п.20, где указанный поток жидкости включает воду, загрязнения включают капли масла, и гранулированная фильтрующая среда представляет собой гранулированную скорлупу черного грецкого ореха.

33. Фильтр с толстым слоем по п.21, где выпускное соединительное и выводящее средство и выпускное средство противоточного промывания каждое снабжено механическим ситовым средством, имеющим диаметр отверстий меньший, чем самые мелкие фильтрующие гранулы, так что фильтрующие гранулы удерживаются внутри емкости во время функционирования и во время цикла регенерации.

34. Способ фильтрации для удаления загрязнений, суспендированных в потоке загрязненной жидкости, дополнительно включающий цикл регенерации, включающий стадии:
размещают фильтрующую среду, состоящую из отдельных гранул, в емкости так, чтобы сформировать фильтрующий слой;
пропускают указанный поток загрязненной жидкости в нисходящем направлении через указанный фильтрующий слой от верхнего участка указанной емкости вниз через указанный фильтрующий слой, посредством чего отфильтровывают указанные загрязнения из указанного потока жидкости;
направляют жидкость, прошедшую через указанный фильтрующий слой, из указанной емкости;
периодически прерывают подачу указанного потока загрязненной жидкости в нисходящем направлении через указанный фильтрующий слой процессом очистки, включающим стадии:
(i) вводят газ в указанный поток загрязненной жидкости при регулируемом отношении указанного газа к указанной жидкости для получения размывающего потока, содержащего дисперсию газ-жидкость, причем пузырьки газа в указанном размывающем потоке, по существу, равномерно захвачены и диспергированы в указанной жидкости в регулируемом отношении к указанной жидкости в указанном размывающем потоке;
(ii) направляют указанный размывающий поток к множеству форсунок, расположенных в нижней части указанного фильтрующего слоя внутри указанной емкости, и в фильтрующую среду при регулируемой скорости в местоположение, находящееся вблизи нижней части указанной фильтрующей среды в указанной емкости, и подают указанную смесь газ-жидкость из указанного множества форсунок, установленных внутри фильтрующей среды;
(iii) сжижают и перемешивают отдельные гранулы в указанном фильтрующем слое с использованием указанных форсунок, в результате чего агломераты загрязнений в промежуточных пространствах между указанных фильтрующих гранул разъединяются и агломерируют на указанных пузырьках газа, становятся захваченными указанным размывающим потоком, посредством чего становятся свободными от указанных гранул и побуждаются к подъему вместе с указанными пузырьками газа в указанной емкости;
вызывают вытекание жидкости и загрязнений из указанной емкости через верхнюю часть указанной емкости; и
отводят накопившийся размывающий газ из емкости.

35. Фильтр с толстым слоем, содержащий:
первичный наружный корпус, содержащий множество отдельных камер, причем каждая камера образует внутреннее пространство для того, чтобы вмещать слой гранулированной фильтрующей среды и принимать жидкость, подлежащую фильтрованию;
впускное соединительное и распределительное средство в верхней части каждой камеры для приема загрязненной жидкости и равномерного распределения этой жидкости по верхней части поперечного сечения каждой камеры;
выпускное соединительное и выводящее средство, расположенное в нижней части каждой камеры, для удаления отфильтрованной жидкости из каждой камеры при удерживании гранулированной фильтрующей среды внутри камеры;
средство ввода для ввода газа в указанную загрязненную жидкость и создания регулируемой смеси газа и жидкости при регулируемом отношении друг к другу в указанной загрязненной жидкости, в которой пузырьки газа захвачены равномерно, и подачи ее к множеству равномерно разнесенных друг от друга форсунок;
причем по меньшей мере одна из указанного множества форсунок расположена в нижней части каждой камеры вблизи выпускного соединительного средства для диспергирования указанной регулируемой смеси в нижней части гранулированной фильтрующей среды во время цикла регенерации с тем, чтобы агломераты загрязнений в промежуточных пространствах между указанных фильтрующих гранул разъединялись и агломерировали на указанных пузырьках газа, и побуждались к подъему вместе с указанными пузырьками газа в указанной емкости; и
средство для перенаправления потока для прерывания подачи указанной загрязненной жидкости к указанному впускному соединительному средству и направления указанного загрязненного потока к указанным форсункам во время указанного цикла регенерации и очистки.

36. Фильтр по п.35, дополнительно содержащий множество трубопроводов, присоединенных к впускным и выпускным соединениям каждой камеры, для обеспечения возможности загрязненной жидкости, подвергаемой фильтрации, протекать через множество камер внутри корпуса фильтра либо параллельно, либо последовательно.

37. Фильтр по п.36, в котором загрязненная текучая среда протекает последовательно через множество камер, и в котором средний размер частиц гранулированной фильтрующей среды в каждой камере уменьшается в каждой последующей камере по направлению течения.