ФИЛЬТР С АВТОМАТИЧЕСКОЙ СТРУКТУРИЗАЦИЕЙ ЗЕРНИСТОЙ ЗАГРУЗКИ ДЛЯ ЖИДКОСТЕЙ
FLUID FILTER WITH AUTOMATIC STRUCTURING OF GRANULAR MEDIUM

Изобретение относится к области водоснабжения и водоотведения и может использоваться в системах улучшения качества воды, например при ее осветлении, обезжелезивании и комплексной очистке, а также для улучшения качества других жидкостей.
Известен фильтр с автоматической структуризацией зернистой загрузки для очистки воды, включающий корпус, зернистую загрузку, под которой установлена слоисто-решетчатая дренажно-распределительная система, трубы для подвода и отвода жидкости с запорными устройствами, трубу для структуризации зернистой загрузки (она же центральная), быстродействующий клапан, вакуум-бак промывной воды и воды, засасываемой в него из псевдоожиженной загрузки в процессе структуризации нисходящим током, назовем ее структуризатом; содержит также эжектор на трубе для подвода жидкости, например, при ее обезжелезивании (RU 2033841 С1 6, B01D 24/48, 30.04.95).
Технический недостаток известного устройства для улучшения качества воды: смешение структуризата неудовлетворительного качества, содержащего остатки отмытого осадка от песка, с чистым фильтратом в вакуум-баке, высокий расход чистой жидкости на промывку загрузки; кроме того, слоисто-решетчатая дренажно-распределительная система не участвует в химических процессах улучшения качества воды непосредственно.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и решаемой задаче является фильтр с автоматической структуризацией зернистой загрузки для жидкостей, содержащий прозрачный корпус, камеры исходной-отработанной и чистой жидкости, зернистую загрузку с индикаторными частицами и слоисто-решетчатую дренажно-распределительную систему под ней, трубы для подачи исходной и промывной жидкости, отвода фильтрата и отработанной жидкости с запорно-регулирующими устройствами, подключенную к камере чистой жидкости трубу структуризации, быстродействующий клапан, эжектор с вакуум-баком на всасывающей трубе и диффузором, подключенным через задвижку к камере чистой жидкости (RU 2183492 С1 7, B01D 24/46, 20.06.02).
Технический недостаток фильтра с автоматической структуризацией зернистой загрузки для жидкостей: необходимость длительной работы сопла эжектора для создания требуемого разрежения воздуха (вакуума) в вакуум-баке - как минимум суммарно в течение промывки, структуризации и последующей откачки жидкости из вакуум-бака, что ускоряет износ сопла, т.е. снижает надежность устройства; ухудшение качества фильтрата в резервуаре чистой жидкости при возвращении в него структуризата из вакуум-бака; высокий расход чистой жидкости на промывку загрузки и недостаточно комплексная работа эжектора, состоящая лишь в откачке структуризата из вакуум-бака и создании в нем вакуума, что в целом снижает коэффициент полезного действия (кпд) фильтра; привнесение в загрузку индикаторных частиц усложняет состав загрузки; кроме того, слоисто-решетчатая дренажно-распределительная система, хорошо прочищаемая от шлама интенсивными потоками жидкости восходящей промывки и, особенно, нисходящей структуризации, не участвует непосредственно в химических процессах улучшения качества жидкости вследствие химической инертности ее материала (изготовляется обычно из металла или пластмассы), что сужает технологические возможности фильтра.
Техническая задача: повышение надежности устройства обеспечением сокращения продолжительности прямой подачи жидкости через сопло эжектора исключительно до продолжительности промывки зернистой загрузки (обычно 5-12 минут), повышение качества чистой жидкости обеспечением недопущения смешения чистой жидкости с первым фильтратом, повышение кпд фильтра обеспечением снижения расхода чистой жидкости на промывку загрузки утилизацией структуризата на это, сохраняя структуризат в вакуум-баке, а затем подсасывая (эжектируя) его в поток промывной жидкости из вакуум-бака; одновременным выполнением эжектором функций пополнения потока промывной жидкости структуризатом из вакуум-бака и создания в нем вакуума; упрощение состава загрузки выполнением ее зернами функций индикаторных частиц; кроме того, расширение технологических возможностей устройства путем обеспечения протекания в слоисто-решетчатой дренажно-распределительной системе дополнительных химических процессов улучшения качества жидкости, например озоно-сорбционной очистки воды от органических и других окисляемых примесей.
Согласно изобретению в фильтре с автоматической структуризацией зернистой загрузки для жидкостей быстродействующий клапан присоединен входом к трубе для подачи промывной жидкости и выходом - к эжектору, а функции индикаторных частиц выполняют самые крупные зерна загрузки.
Кроме того, слоисто-решетчатая дренажно-распределительная система снабжена пористой прослойкой активированного угля.
На чертеже показан фильтр с автоматической структуризацией зернистой загрузки для жидкостей, общий вид, с гидравлической привязкой к резервуару чистой жидкости и канализации.
Фильтр с автоматической структуризацией зернистой загрузки для жидкостей содержит прозрачный корпус 1, зернистую загрузку с индикаторными частицами 2, слоисто-решетчатую дренажно-распределительную систему 3 и камеру чистой жидкости 4 под ней, камеру исходной-отработанной жидкости 5, трубы подвода сырой 6 и отвода промывной 7 жидкости с вентилями 8 и 9, трубы подачи чистой промывной жидкости 10 и отвода чистого фильтрата 11 с вентилями 12 и 13, трубу структуризации 14, задвижку 15 (в прототипе эта задвижка не показана, но она в обязательном порядке в реальных устройствах есть на трубе, отводящей жидкость от диффузора эжектора, в различных целях, даже на случаи ремонта эжектора и прочих элементов); эжектор 16 с диффузором 17, подключенным через задвижку 15 (посредством трубы 14) к камере чистой жидкости (в прототипе это подключение не показано, но в реальности оно может быть как вариант снижения потерь при питании эжектора чистой жидкостью), и всасывающей трубой 18; быстродействующий клапан 19 (например, с электромагнитным приводом), присоединенный входом к трубе для подачи промывной жидкости 10 и выходом к входу эжектора 16. В состав фильтра входит вакуум-бак 20 с воздушным регулятором 21, подключенный к всасывающей трубе 18 эжектора 16, трубу 22 с вентилем 23 для сброса в канализацию фильтрата, не всегда соответствующего нормативным показателям чистой жидкости (например, после дезинфекции загрузки).
Слоисто-решетчатая дренажно-распределительная система 3 снабжена пористой прослойкой активированного угля 24 (в виде гранул, сеток и т.п.).
Фильтр подключен трубой подачи промывной жидкости 10 к резервуару чистой жидкости, например к 25, посредством нагнетательного насоса 26 с обратным клапаном 27, и трубой 7 с задвижкой 9 - к канализации 28 посредством, также к примеру, вспомогательных лотка 29 сброса отработанной промывной жидкости, окна 30 и кармана 31 (возможны другие известные схемы подачи промывной жидкости в трубу 10 и другие известные типы вспомогательных элементов фильтра, не входящие в состав настоящего изобретения, поэтому далее ссылки на них будут делаться в скобках).
В исходном состоянии быстродействующий клапан 19 открыт. Все вентили и задвижка 15 закрыты. Прозрачный корпус 1 не заполнен жидкостью, полости элементов 14, 16, 10, 18 и 20 заполнены воздухом.
Фильтр с автоматической структуризацией зернистой загрузки для жидкостей работает в одном подготовительном периоде и в трех (далее повторяющихся последовательно) основных периодах:
- подготовительный период заключается в наполнении прозрачного корпуса 1 сырой жидкостью и вакуум-бака 20 фильтратом для создания части запаса промывной жидкости на первую промывку зернистой загрузки 2;
- период промывки зернистой загрузки 2 и формирования вакуума в вакуум-баке 20 с автоматическим переходом фильтра в кратковременный период структуризации;
- период структуризации зернистой загрузки 2 и засасывание структуризата (он же первый фильтрат) вакуум-баком 20;
- период полезного фильтрования с отводом чистого фильтрата (в резервуар чистой жидкости 25).
В подготовительном периоде наполнения прозрачного корпуса 1 жидкостью и вакуум-бака 20 фильтратом для создания части запаса промывной жидкости на первую промывку зернистой загрузки 2 фильтр вводится в работу открытием задвижек 8 и 15. Сырая, то есть исходная, жидкость подается по трубе 6 через вентиль 8 (в канал 31 и далее через окно 30 по лотку 29) в камеру исходной-отработанной жидкости 5. Проходя через поры зернистой загрузки 2 вниз, жидкость очищается в загрузке, и фильтрат поступает через слоисто-решетчатую дренажно-распределительную систему 3 под ней в камеру чистой жидкости 4, откуда отводится самотеком через задвижку 15 по трубе структуризации 14, эжектору 16 и его всасывающей трубе 18 в вакуум-бак 20. А так как в течение всего этого периода клапан 19 на трубе структуризации 14 открыт, но вентиль 12 на трубе 10 закрыт, то фильтратом заполняется и труба 10. Продолжительность подготовительного периода устанавливается воздушным регулятором 21. После заполнения фильтратом вакуум-бака 20 подготовительный период завершают закрытием задвижки 8 на трубе 6 подвода сырой жидкости. Фильтр подготовлен для работы в трех далее повторяющихся последовательно основных периодах.
Начинают период промывки загрузки, открыв вентили 9 и 12 (запустив насос 26). Промывная жидкость подается (в направлении сплошных стрелок) по трубе 10 (из резервуара 25 с переменным уровнем ∇0 через обратный клапан 27) в открытый быстродействующий клапан 19, далее жидкость поступает в камеру чистой жидкости 4 по эжектору 16, направленному диффузором 17 в камеру чистой жидкости 4, и по трубе 14 через задвижку 15. При этом эжектор 16 подсасывает по трубе 18 жидкость из вакуум-бака 20 и подает ее в трубу 14, увеличивая промывной расход в начале промывки и создавая разрежение воздуха в вакуум-баке 20. Из камеры 4 промывная жидкость поступает под напором снизу в зернистую загрузку 2 через слоисто-решетчатую дренажно-распределительную систему 3 под ней. Увеличенный (ударный) начальный расход промывки обеспечивает разрушение слежавшегося песка, предупреждает образование глыб и комьев в загрузке, делает ее сыпучей по всей площади фильтра. Постепенно, но быстро, суммарный расход промывной жидкости в трубе 14 снижается до нормального, загрузка "вскипает" в псевдоожиженное состояние и далее с отмытым адсорбатом отводится из фильтра через камеру исходной-отработанной жидкости 5 (лоток 29, окно 30 и канал 31) и открытый вентиль 9 по трубе 7 (в канализацию 28 под действием переменного уровня жидкости ∇1). Снижение суммарного промывного расхода происходит под действием формирующегося вакуума в вакуум-баке 20, сдерживающего захват жидкости эжектором 16 из вакуум-бака 20. В течение всего периода промывки зернистой загрузки 2 тем же восходящим потоком жидкости промывается также слоисто-решетчатая дренажно-распределительная система 3. Для завершения периода промывки закрывают быстродействующий клапан 19 и задвижку 12 (выключают насос 26). Тем самым фильтр одновременно автоматически перешел в режим структуризации зернистой загрузки.
При этом подача промывной жидкости по трубе 10 мгновенно прекратилась, а в трубе структуризации 14 резко изменилось направление движения жидкости на обратное. Теперь она движется (пунктирные стрелки) в сторону вакуум-бака 20 (под действием вакуума в нем и переменного уровня жидкости ∇2) по всасывающей трубе 18, эжектору 16, трубе структуризации 14 через задвижку 15 из камеры чистой жидкости 4, в которую жидкость засасывается из кипящей загрузки 2 через слоисто-решетчатую дренажно-распределительную систему 3. В результате этого движение жидкости в «кипящей» псевдоожиженной загрузке 2 быстро изменилось с восходящего направления на обратное, нисходящее движение, вниз. При этом мелкие ее зерна мгновенно, почти как молекулы растворенных веществ, захватываются жидкостью в нисходящее движение, а более крупные, инерционные, зерна несколько отстают от мелких, загрузка 2 приходит в плотное состояние, и раскладка зерен в ней оказывается инвертированной, т.е. вверху сосредоточены отставшие крупные зерна, а глубже - мелкие. Произошла структуризация зернистой загрузки с засасыванием структуризата (он же первый фильтрат) вакуум-баком 20. Задавая глубину вакуума в вакуум-баке 20 воздушным регулятором 21, можно изменять интенсивность осаждения мелких фракций зернистой загрузки относительно более крупных и, следовательно, управлять степенью автоматической структуризации зернистой загрузки. Чем больше оказалось самых крупных зерен (индикаторных частиц) у поверхности загрузки, тем выше эффект структуризации. Это наблюдаемо через прозрачный корпус 1.
Следует заметить, структуризация в данном случае ведется с убывающим во времени отсосом (расходом) жидкости в вакуум-бак 20 до нуля с некоторого максимального значения, что исключает вертикальный гидравлический удар по слоисто-решетчатой дренажно-распределительной системе быстро «охлопывающейся» в плотное состояние загрузки.
В течение всего периода структуризации зернистой загрузки 2 дополнительно происходит промывка слоисто-решетчатой дренажно-распределительной системы 3 интенсивным нисходящим потоком жидкости.
После этого открывают клапан 19, закрывают вентиль 9 на трубе 7 отвода промывной жидкости и задвижку 15 на трубе структуризации 14 для снижения утечек жидкости. Этими действиями завершен период структуризации зернистой загрузки 2 и засасывание структуризата (он же первый фильтрат) вакуум-баком 20.
В период полезного фильтрования фильтр вводят путем открытия вентилей 8 и 13 на трубах подвода сырой жидкости 6 и отвода чистого фильтрата 11. Исходная жидкость поступает по трубе 6 через вентиль 8 (в канал 31 и далее через окно 30 по лотку 29) в камеру исходной-отработанной жидкости 5. Проходя через укрупненные верхние поры структурированной зернистой загрузки 2, жидкость очищается в толще загрузки и поступает в камеру чистой жидкости 4. По трубе 11 чистый фильтрат отводится из фильтра через вентиль 13 (в резервуар чистой жидкости 25).
Качество фильтрата повышается при движении его вниз в пористой прослойке активированного угля 24. Например, при озоносорбционной очистке воды от органических и других окисляемых примесей продукты окисления задерживаются в активированном угле с катализом реакций разложения органики и деструкцией озона.
После истощения грязеемкости зернистой загрузки 2 или после достижения предельных потерь напора на ней период полезного фильтрования завершают закрытием вентилей 8 и 13.
Далее открывают задвижку 15 и основные периоды фильтроцикла повторяют многократно (начиная с периода промывки зернистой загрузки 2 и формирования вакуума в вакуум-баке 20 с завершением закрытием быстродействующего клапана 19 и автоматическим переходом фильтра в кратковременный период структуризации, и т.д.) до остановки фильтра на профилактику согласно эксплуатационному регламенту.
Таким образом, благодаря тому, что в фильтре с автоматической структуризацией зернистой загрузки для жидкостей быстродействующий клапан присоединен входом к трубе для подачи промывной жидкости и выходом - к эжектору, повышены надежность (сокращением продолжительности прямой подачи жидкости через сопло эжектора исключительно до продолжительности промывки зернистой загрузки), качество чистой жидкости (устранением смешения чистой жидкости с первым фильтратом) и кпд фильтра (снижением расхода чистой жидкости на промывку загрузки и утилизацией на это первого фильтрата, одновременным выполнением эжектором более широких функций - пополнения потока промывной жидкости структуризатом из вакуум-бака 20 и создания в нем вакуума); а самые крупные зерна загрузки выполняют функции индикаторных частиц, упрощен состав загрузки.
Приведем пример расчета КПД для заявляемого изобретения по сравнению с прототипом. Если сначала принять условный кпд прототипа равным разности расходов поступления (100%) чистой жидкости в резервуар (26) и отбора из него на промывку (нормативно 5%), отнять от него расходы фильтрата на структуризацию (из камеры чистой жидкости 4 - согласно нашим исследованиям 1% от 100%) и жидкости на работу эжектора (1%) со сбросом их в сумме 5+1+1=7% в канализацию после использования, то в итоге прототип обладает кпд=100-7=93%.
В заявляемом же изобретении из резервуара на промывку забирается чистой жидкости 4% и на это же к ним добавляется 1% из вакуум-бака. На работу эжектора, кроме 4% чистой жидкости на промывку, дополнительная жидкость не расходуется. Следовательно, в канализацию сбрасывается всего только нормативные 1+4=5%. Тогда, изобретение обладает кпд=100-5=95%, что на 2% выше (лучше), чем кпд прототипа.
Это существенная прибавка кпд, эквивалентная экономии 40% жидкости от нормативного объема на промывку (2/5×100=40%). При этом энергозатраты в обоих случаях приняты, согласно детальным расчетам, одинаковыми (при одной промывке в сутки в заявленном изобретении они характеризуются 5-минутными потерями напора на мощном эжекторе, а в прототипе - 24-часовыми потерями напора на относительно слабом по мощности эжекторе, поэтому энергозатраты примерно равны в сравниваемых вариантах), а продолжительность создания необходимого вакуума в вакуум-баке 20 составляет меньше 5 минут продолжительности промывки зернистой загрузки, что удовлетворяет критерию работоспособности изобретения.
Кроме того, благодаря оснащению слоисто-решетчатой дренажно-распределительной системы 3 химически активной прослойкой 24 расширены технологические возможности фильтра.