Самопромываемый гиперфильтр воды Российский патент 2025 года по МПК B01D61/08 B01D61/12 C02F1/44 

Изобретение относится к доочистке питьевой воды осветлением непосредственно перед ее подачей потребителям. Изобретение также может быть использовано в следующих областях: коммунальные системы водоснабжения; защита систем обратного осмоса; водоочистка; фильтрация охлаждающих жидкостей; фильтрация оборотных вод; охлаждающая вода и водные солевые растворы в химической промышленности; в нефтегазодобывающей отрасли для воды для обводнения скважин, очистки попутной воды, жидкости для закачивания скважин, фильтрация водной готовой продукции; в электронной промышленности.

Известно оборудование для фильтрования при компактной конструкции; для доочистки в многоквартирных домах используются картриджные очистители, в том числе картриджные фильтры. Однако производительность картриджных фильтров невысока и составляет при качественной очистке (осветлении) 10-20 л воды на человека в сутки. Широко используются в конструкциях фильтров фильтрующие перегородки.

Известны приемы фильтрования через объемно-пространственные поровые структуры. К ним можно также отнести гофрированные камеры, камеры с патронными элементами с нанесением фильтровального порошка кизельгура, фильтровальные покрытия шпальтового сечения.

Известен фильтр для тонкой очистки воды с использованием патронного фильтрующего элемента по патенту РФ 2710196. Патронный фильтрующий элемент содержит закрепленную на каркасе фильтрующую поверхность, сформированную путем укладки по спирали нержавеющей проволоки треугольного сечения с фильтрующей щелью между витками проволоки, фильтрующий элемент выполнен многослойным; каркас каждого фильтрующего слоя включает жестко установленные вертикальные стержни из нержавеющей стали, между которыми установлены волнообразные или зигзагообразные проволочные элементы с поперечным сечением того же типоразмера, что и вертикальные стержни, с возможностью разделения объема между вертикальными стержнями на отдельные ячейки, на наружной поверхности каркаса каждого фильтрующего слоя жестко закреплена фильтрующая поверхность путем укладки по спирали нержавеющей проволоки треугольного/ трапецеидального сечения с фильтрующей щелью между витками проволоки с расширением щели в направлении фильтрации, все фильтрующие слои, включающие каркас и фильтрующую поверхность из треугольной/трапецеидальной проволоки, размещены в патроне коаксиально с зазором между слоями, достаточным для сборки слоев без натяга, по крайней мере, с зазором не более 1/20-1/10 от толщины фильтрующего слоя, типоразмер проволоки и размер щели фильтрующего слоя уменьшаются в последующих слоях в направлении фильтрации с соблюдением условия, при котором щель составляет до 1/6-1/5 от размера основания треугольника/трапеции в сечении проволоки, причем с уменьшением размера фильтрующей щели высота проволоки не уменьшается для обеспечения конструктивной прочности и надежности слоя, а изменяется соотношение между шириной и высотой проволоки, а также для обеспечения отношения "щель: шаг укладки проволоки", по крайней мере, до 0,20, щель в последнем фильтрующем слое в направлении фильтрации имеет размер с обеспечением заданной тонкости очистки, по крайней мере, технологически достигаемую величину 0,010-0,005 мм, а размер щели предыдущих слоев уменьшается от наружного слоя к последующим слоям либо по линейной зависимости, либо в соответствии с функциональной зависимостью между размером частиц и их массой в объеме очищаемой воды, внутренняя поверхность последнего слоя с наименьшей щелью между витками проволоки образует канал выхода очищенной воды. Сечение канала по оси патрона превышает суммарное живое сечение фильтрующих щелей в последнем слое в направлении фильтрации, причем сечение выходного канала выбрано из условия, что скорость потока в канале не более 1 метра в секунду, с обеспечением режима ламинарного потока воды в выходном канале, каждый фильтрующий слой закрыт сверху и снизу торцевыми кольцевыми заглушками, а патрон в целом в нижней части закрыт заглушкой, выполненной заодно с пробкой, совмещаемой без натяга с внутренней поверхностью выходного канала, а в верхней части патрон снабжен герметичной крышкой с патрубком для выхода очищенной воды, снабженной средствами установки и крепления патрона в рабочем вертикальном положении в фильтруемой среде. Изобретение обеспечивает повышение тонкости очистки, производительности очистки, снижение времени на очистку и регенерацию фильтра.

Известен самоочищающийся фильтр непрерывного действия по патенту РФ 2682558, наиболее близкий предлагаемому изобретению.

Фильтр включает вертикально устанавливаемый цилиндрический корпус с нижним днищем и с фланцевым разъемом в верхней части. На верхнем фланце концентрично корпусу установлен цилиндрический фильтрующий элемент с глухим нижним днищем и с верхним днищем, соединенным с патрубком выхода отфильтрованной жидкости. В пространстве между корпусом фильтра и фильтрующим элементом вдоль продольной оси фильтра установлена глухая перегородка, разделяющая это пространство на две полости. Каждая полость соединена со своим патрубком входа жидкости, подлежащей фильтрации, и выхода жидкости при противоточной промывке фильтрующего элемента. Обеспечивается компактная конструкция фильтра без электрических и других приводов, без вращающихся или перемещающихся деталей, способного работать при требуемом давлении фильтруемой жидкости.

Как указано в описании, время непрерывной работы каждой полости фильтра по проведению процессов фильтрации, а также время, требуемое для противоточной промывки, определяется для каждых конкретных условий. Определение времени промывки в таком фильтре осуществляют по повышению степени очистки, при снижении производительности фильтра. Степень очистки s определяется как: ε=(С_и-С₀)/С_и, где С_и и С₀ соответственно концентрация взвеси в исходной и очищенной (осветленной) жидкости.

Техническая проблема состоит в том, чтобы многократно увеличить производительность фильтра с обеспечением заданной степени очистки.

Заявляется:

Самопромываемый гиперфильтр воды, включающий вертикально устанавливаемый корпус с размещенным в корпусе фильтропакетом, разделяющим объем корпуса на отдельные камеры, патрубки подвода исходной воды, отвода осветленной воды, отвода промывной воды, отличающийся тем, что

- фильтр выполнен трехкамерным и включает верхнюю, среднюю и нижнюю камеры, верхняя камера отделена разделительным ситовым пакетом, а нижняя отделена фильтровальным пакетом, все камеры через патрубки соединены с трубопроводами,

- при этом к средней камере подсоединен первый трубопровод подачи осветляемой воды, вход которого подключен к трубопроводу подачи исходной воды потребителю и снабжен вентилем и электромагнитным клапаном,

- с патрубком нижней камеры соединен трубопровод, снабженный тремя электромагнитными клапанами с общим входом, а с выходами указанных электромагнитных клапанов соединены второй трубопровод отведения осветленной воды, первый трубопровод подачи исходной (осветляемой) воды и третий трубопровод отвода стока намывки,

- с патрубком средней камеры соединен эжектор, центральное сопло которого соединено с четвертым трубопроводом подвода намывной суспензии, снабженным вентилем и электромагнитным клапаном, а отверстие для ввода микропеска соединено через электромагнитный клапан с бункером микропеска,

- с патрубками верхней камеры соединены пятый трубопровод подачи промывной воды, снабженный вентилем и электромагнитным клапаном, и шестой трубопровод отвода стока промывной воды, снабженный электромагнитным клапаном,

- кроме того, трубопроводы второй, четвертый, пятый и шестой и средняя камера фильтра снабжены патрубками для отбора воды для датчиков расхода и мутности воды, а первый трубопровод снабжен датчиками давления, расхода и мутности воды;

- измерительные выходы датчиков подключены к микропроцессорному блоку управления с обеспечением коммутации вентилей и электромагнитных клапанов при переходе от режима фильтрования к режиму промывки при снижении производительности фильтрования в пределах 10% и повышении степени осветления воды (соответственно снижение мутности/цветности воды).

Для пояснения изобретения на фиг. 1 приведена технологическая схема самопромываемого гиперфильтра осветления воды.

Самопромываемый гиперфильтр питьевой воды 1 выполнен трехкамерным и включает верхнюю 2, среднюю 3 и нижнюю 4 камеры. Верхняя камера 2 отделена разделительным ситовым пакетом 5, а нижняя камера 4 отделена фильтровальным пакетом 6, образованным из одной и более фильтровальных мембран.

Все камеры через патрубки соединены с трубопроводами. К средней камере 3 подсоединен первый трубопровод 7 подачи осветляемой воды, который снабжен вентилем 8 и электромагнитным клапаном 9. Вход трубопровода 7 подключен к трубопроводу 10 подачи исходной воды потребителю (то есть воды, которая подвергается доочистке предлагаемым фильтром).

С патрубком нижней камеры 4 соединен трубопровод 11, снабженный тремя электромагнитными клапанами 12, 13, 14 с общим входом. С выходом клапана 12 соединен второй трубопровод 15 отведения осветленной воды, с выходом клапана 13 соединен первый трубопровод 7 подачи осветляемой воды и с выходом клапана 14 соединен третий трубопровод 16 отвода стока намывки. С патрубком средней камеры соединен эжектор 17, центральное сопло которого соединено с четвертым трубопроводом 18 подвода намывной суспензии, снабженным вентилем 19 и электромагнитным клапаном 20, а входное отверстие соединено через электромагнитный клапан 21 с бункером 22 микропеска. С патрубками верхней камеры соединены пятый трубопровод 23 подачи промывной воды, снабженный вентилем 24 и электромагнитным клапаном 25, и шестой трубопровод 26 отвода стока промывной воды, снабженный электромагнитным клапаном 27.

Трубопроводы 11, 18, 23, 26 и камера фильтра 3 снабжены патрубками для отбора воды для датчиков расхода и мутности воды соответственно 28 и 29, 30 и 31, 32 и 33, 34 и 35, 36 и 37, а первый трубопровод 7 снабжен датчиками давления, расхода и мутности воды соответственно 38, 39, 40. В качестве датчика давления используется манометр.

Измерительные выходы датчиков 28-40 подключены к микропроцессорному блоку управления (на фиг. условно показан БУ41) с обеспечением коммутации указанных вентилей и электромагнитных клапанов при переходе от режима фильтрования к режиму промывки при снижении производительности фильтрования в пределах 8-10% в трубопроводе 15 отвода осветленной воды. Расчет производительности фильтрования осуществляется в блоке управления на основании показаний датчиков расхода волы. Контроль за повышением/снижением мутности/цветности осветляемой воды посредством датчиков необходимо осуществлять в соответствии с требованиями Санитарно-эпидемиологических правил и нормативов (СанПиН) «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества».

Самопромываемый гиперфильтр питьевой воды функционирует следующим образом.

Перед началом работы на фильтровальный пакет 6 намывается микропесок из бункера 22 со средним размером частиц 50-100 мкм путем подачи намывной суспензии по трубопроводу 18. Наладка на этом этапе: открыты 19, 20, 21, 12, остальные клапаны закрыты. При этом контролируются в трубопроводе 11 параметры расхода и степени очистки воды. По датчикам 28, 29 определяется выход на заданный режим производительности фильтра и заданное качество фильтрации. Клапаны 19,20, 21 перекрываются.

Следующий штатный режим фильтрования с контролем заданного режима по качеству воды и производительности фильтра. Наладка на этапе фильтрования: открыты вентиль 8 и электромагнитные клапаны 9, 12. Все остальные вентили и клапаны закрыты. В среднюю камеру 3 подается под давлением (под напором исходной воды в трубопроводе 7) исходная вода на доочистку. При прохождении фильтропакета 6 с намытым микропеском со средним размером пор ≈10 мкм осветленная вода выводится через патрубок отвода очищенной воды по трубопроводу 15. Продолжительность режима фильтрования составляет 1-3 часа.

Сигнал «завершения фильтрования» формируется по параметрам датчиков 28, 29, 38, 39, 40. Контролируемые параметры - это снижение давления в трубопроводе 11, рассчитанное БУ как Δр=P₁ - Р₂, снижение производительности (рассчитывается в блоке управления на основании измеренных показателей датчиков расхода) и повышение степени очистки, рассчитанное как ε=(с_и-с₀)/с_и.

По показаниям датчиков, показывающих снижение производительности фильтрования и повышение степени осветления, как показали расчеты и экспериментальные работы, на 8-10%, осуществляется переход к режиму промывки фильтровальных мембран вплоть до смыва микропеска с фильтровальной перегородки 6. Наладка режима промывки: открыты вентиль 8, электромагнитные клапаны 13 подачи из трубопровода 7 исходной воды в нижнюю камеру 4 и клапан 27 отвода стока промывной воды по трубопроводу 26. При этом снятый микропесок проходит через разделительный ситовый пакет 5, через который выводится большая часть мелкой взвеси из смываемого осадка, а также часть изношенного микропеска. Завершение режима промывки контролируется датчиками 34, 35 расхода и мутности воды после промывки микропеска, настраиваемые при тестировании для обеспечения оптимальной продолжительности промывки.

Предусмотрен также режим возвратной промывки ввиду сохранения части микропеска на разделительном ситовом пакете 5. В этом режиме открыты вентиль 24 подачи промывной воды в верхнюю камеру 2, электроклапаны 25 и 14 отвода стока промывной воды через трубопровод 16. Остальные вентили и клапаны закрыты и отключены. Сигнал на завершение возвратной промывки формируется по параметрам датчиков расхода 28, 32 при контроле цветности/мутности по датчикам 29, 33.

Наладка на компенсацию потери микропеска выполняется при открытом вентиле 19, клапанах 20, 21 и 14. Остальные вентили и клапаны закрыты. Сигнал завершения формируется по параметрам расхода и мутности воды, передаваемых датчиками 28, 29, 30, 31 в трубопроводах 18 и 11 на микропроцессор. Указанные параметры соответствуют режиму фильтрования с заданными показателями качества осветляемой воды. Затем осуществляется переход к режиму фильтрования.

Предусмотрена также наладка: байпасная подача потребителю исходной воды, которая осуществляется при открытом клапане 42 трубопровода 10. Все прочие вентили и клапаны закрыты и отключены.

Для надежной реализации фильтрования с увеличенной удельной производительностью необходима организация гибкого процесса с обратной связью, что возможно при использовании соответствующих датчиков качества воды на входе и выходе и микропроцессорной системы управления процессом фильтрования, в качестве которой условно показан блок управления БУ 41.

Чем меньше продолжительность непрерывного фильтрования, тем больше скорость фильтрования, тем больше производительность фильтрования, поскольку на начальной стадии фильтрования параметры процесса соответствуют заданным. То есть, при выборе режима малой продолжительности непрерывного фильтрования время непрерывной работы уменьшается.

На фиг. 2 и 3 упрощенно показаны графики режимов процесса напорного фильтрования через микропесок.

График изменения расхода воды разделяется на три участка а, b, с.

На участке "а" происходит процесс отложения отфильтрованных частиц на поверхности фильтровальной перегородки, при этом скорость уменьшается ввиду уменьшения размера ячеек перегородки до размера пор осадка (режим закупоривания ячеек). Содержание частиц загрязнений в отфильтрованной воде уменьшается, и качество воды повышается. На практике время Т_а составляет 0,5-1 час.

Участок "b" характеризуется относительной стабильностью размера пор осадка в течение T_b. Качество и производительность очистки при этом в некотором приближении постоянны. Время T_b составляет 16-20 часов. На практике с использованием известных фильтров в основном фильтруют воду именно при условии, представленном участком "b". Управление упрощается, так как не требуется постоянный контроль параметров в процессе фильтрования и качества воды.

Далее по окончанию времени T_b на участке "с" неизбежно увеличивается перепад давления с обеих сторон фильтровальной перегородки 6 и происходит продвижение фрагментов осадка через поры фильтра и прорыв воды через образующиеся при этом "свищи".

На участке "а" скорость фильтрования значительно (в 5-20 и более раз) превышает скорость достигаемую на участке "b". Но требуется контроль расхода или перепада давления, чтобы своевременно прекратить фильтрование и промыть фильтровальную перегородку.

Для получения максимальной производительности предлагается в соответствии с графиком (фиг. 2) при непрерывном измерении и контроле производительности и перепада давления Δр, не доводя режим до участков "b", "с", осуществлять фильтрование в режиме, соответствующему начальной стадии фильтрования Т_ф, которая ограничивается понижением производительности на 8-10% (фиг. 4). Целесообразность последующего перехода на промывку поясняется такими преимуществами: малое скопление осадка, слабая забитость пор фильтропакета, легкое снятие не слежавшегося осадка практически при рабочем давлении промывной воды, все эти факторы значительно уменьшают время качественной промывки и возврату к режиму фильтрования с заданной производительностью, то есть с наибольшей производительностью. Такой режим иллюстрируется пилообразной кривой на фиг. 4. Производительность и качество осветления питьевой воды предложенным гиперфильтром настолько выше показателей известных фильтров, насколько начальная производительность участка "а" выше, чем в режиме участка "b", а это в 5-20 и более раз. Указанное понижение производительности на 8-10%, после которого осуществляют промывку фильтра - это не единственный рабочий диапазон, а усредненный показатель, рассчитанный как оптимальный: меньшее понижение нецелесообразно из-за увеличения частоты переключений и уменьшение цикла фильтрации; при показателе более 10% возрастает забитость пор, время промывки и расход микропеска.

Экспериментальный образец фильтра показал следующие технические характеристики:

- производительность 0,2-1,0 м³/ч, что превышает производительность достигаемую на участке "b" в 2-10 раз;

- степень очистки >90%, близка к показателю е 0,9-0,98, что достаточно для достижения по нормам СанПиН качества питьевой воды (мутность <0,4 мгм/дм³);

- расход микропеска 1,0 г/м³ при размере частиц микропеска в среднем 100 мкм;

- перепад давлений, 0,2-1,0 бар, который соответствует фильтрованию в штатном режиме (участок "b" на фиг. 3);

- удельная производительность 20-100 (м³/ч)/м², что превышает достигаемую при фильтровании через песок на участке "b" в 2-10 раз.

Таким образом, изобретение позволило многократно увеличить производительность фильтра с обеспечением заданной степени очистки в пределах 0,9-0,98.

Изобретение предназначено для очистки воды. Самопромываемый гиперфильтр воды выполнен трехкамерным и включает верхнюю, среднюю и нижнюю камеры. Верхняя камера отделена разделительным ситовым пакетом, а нижняя отделена фильтровальным пакетом. К средней камере подсоединен первый трубопровод подачи осветляемой воды, вход которого подключен к трубопроводу подачи исходной воды потребителю и снабжен вентилем и электромагнитным клапаном. С патрубком нижней камеры соединен трубопровод, снабженный тремя электромагнитными клапанами с общим входом, а с выходами указанных электромагнитных клапанов соединены второй трубопровод отведения осветленной воды, первый трубопровод подачи осветляемой воды и третий трубопровод отвода стока намывки. С патрубком средней камеры соединен эжектор, центральное сопло которого соединено с четвертым трубопроводом подвода намывной суспензии, снабженным вентилем и электромагнитным клапаном, а отверстие для ввода микропеска соединено через электромагнитный клапан с бункером микропеска. С патрубками верхней камеры соединены пятый трубопровод подачи промывной воды, снабженный вентилем и электромагнитным клапаном, и шестой трубопровод отвода стока промывной воды, снабженный электромагнитным клапаном. Трубопроводы второй, четвертый, пятый и шестой и средняя камера фильтра снабжены патрубками для отбора воды для датчиков расхода и мутности воды, а первый трубопровод снабжен датчиками давления, расхода и мутности воды. Измерительные выходы датчиков подключены к микропроцессорному блоку управления с обеспечением коммутации вентилей и электромагнитных клапанов при переходе от режима фильтрования к режиму промывки. Технический результат состоит в многократном увеличении производительности фильтра с обеспечением заданной степени очистки в пределах 0,9-0,98. 4 ил.

Самопромываемый гиперфильтр воды, включающий вертикально устанавливаемый корпус с размещенным в корпусе фильтропакетом, разделяющим объем корпуса на отдельные камеры, патрубки подвода исходной воды, отвода осветленной воды, отвода промывной воды, отличающийся тем, что фильтр выполнен трехкамерным и включает верхнюю, среднюю и нижнюю камеры, верхняя камера отделена разделительным ситовым пакетом, а нижняя отделена фильтровальным пакетом, все камеры через патрубки соединены с трубопроводами; при этом к средней камере подсоединен первый трубопровод подачи осветляемой воды, вход которого подключен к трубопроводу подачи исходной воды потребителю и снабжен вентилем и электромагнитным клапаном; с патрубком нижней камеры соединен трубопровод, снабженный тремя электромагнитными клапанами с общим входом, а с выходами указанных электромагнитных клапанов соединены второй трубопровод отведения осветленной воды, первый трубопровод подачи исходной - осветляемой воды и третий трубопровод отвода стока намывки; с патрубком средней камеры соединен эжектор, центральное сопло которого соединено с четвертым трубопроводом подвода намывной суспензии, снабженным вентилем и электромагнитным клапаном, а отверстие для ввода микропеска соединено через электромагнитный клапан с бункером микропеска, с патрубками верхней камеры соединены пятый трубопровод подачи промывной воды, снабженный вентилем и электромагнитным клапаном, и шестой трубопровод отвода стока промывной воды, снабженный электромагнитным клапаном, кроме того, трубопроводы второй, четвертый, пятый и шестой и средняя камера фильтра снабжены патрубками для отбора воды для датчиков расхода и мутности воды, а первый трубопровод снабжен датчиками давления, расхода и мутности воды; измерительные выходы датчиков подключены к микропроцессорному блоку управления с обеспечением коммутации вентилей и электромагнитных клапанов при переходе от режима фильтрования к режиму промывки при снижении производительности фильтрования на 10% и повышении степени осветления воды.