ПЕСОЧНЫЙ ФИЛЬТР

Полезная модель относится к технике фильтрации питьевой воды, сточных вод, содержащих взвешенные частицы, в химической промышленности, на нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятиях, а также может быть использована в других отраслях техники, где требуется очистка воды от механических примесей.
Очистка воды от механических примесей фильтрацией через слой песка является наиболее простым, экономичным и достаточно эффективным процессом и поэтому широко используется в различных производствах.
Известен простой по конструкции песочный фильтр (см. книгу: Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. ГХИ, 1960, С.219. Рис.128), с корпусом, представляющим цилиндрический вертикально установленный резервуар, включающий в средней части рабочий слой фильтрующего песка. В центральной части резервуара размещена вертикально установленная подъемная труба, снабженная в нижней части струйным насосом, сопло которого направлено вверх. Под фильтрующим слоем песка расположен коллектор для сбора и вывода фильтрата. При работе загрязненная вода проходит слой песка сверху вниз. При этом основная масса загрязнений отлагается на песчинках верхних слоев фильтрующего слоя. Вследствие постепенного оседания (движения вниз) этого слоя максимально загрязненным становится весь фильтрующий слой песка. Загрязненный песок из нижней части корпуса аппарата увлекается струей воды струйного насоса и при движении вверх по трубе отмывается от частиц загрязнений, налипших на песчинки. Промывная вода удаляется из верхней части аппарата.
Недостаток этого устройства обусловлен однонаправленным движением фильтрующего песка и фильтруемой воды, вследствие чего рабочий слой песка имеет повышенную загрязненность по всей толщине, повышенное гидравлическое сопротивление, а фильтр - малую производительность и эффективность работы. Другой недостаток рассматриваемого фильтра заключается в неэффективности промывки загрязненного песка в вертикальной подъемной трубе из-за довольно спокойного движения по ней потока песчаной суспензии, т.е. из-за незначительного турбулентного перемешивания, способствующего отделению частиц загрязнений от поверхности песчинок.
Более эффективны другие известные способ фильтрации и фильтр для его осуществления, описания которых даны в статье: Dyna Sand-filter fur Wasser and Abwasser (Песчаный Dyna-фильтр для очистки природных и сточных вод), «Gas-Wasser-Abwasser». 1984. 64. №7. S.472-476.
В этом известном фильтре процесс фильтрации осуществляется при противоточном движении фильтруемой жидкости, которая течет через фильтрующий слой песка снизу вверх и фильтрующего слоя песка, оседающего сверху вниз из-за постоянного удаления нижних слоев на промывку.
Рассматриваемый известный фильтр включает корпус - цилиндрический резервуар, установленный вертикально и вмещающий в средней части фильтрующий слой песка, вертикальную подъемную промывную трубу, размещенную в центральной части корпуса и оснащенную в нижней части газлифтным насосом, состоящим из камеры для газообразной среды, выполненной в виде трубы, охватывающей с зазором подъемную трубу и сообщающейся с патрубком ввода газообразной среды, и отверстий в нижней части подъемной трубы, сообщающих ее с камерой для газообразной среды. Вода, содержащая взвешенные частицы, поступает на фильтрацию через распределительную систему, расположенную под слоем фильтрующего песка, и проходит этот слой снизу вверх, постепенно освобождаясь от взвесей. Фильтрат отводится из верхней части аппарата. При таком взаимном движении фильтрующего песка и воды наиболее загрязняются слои песка в нижней части фильтрующего слоя. Эти слои сразу же непрерывно удаляются при помощи газлифтного насоса в нижнюю часть подъемной трубы. На выходе из насоса формируется песчаная суспензия, которая двигается вверх по подъемной трубе. В качестве среды инициирующей движение песочной суспензии и перемешивание ее для интенсификации процесса промывки песка используется воздух. Под действием подаваемого в насос воздуха в подъемной трубе происходит вихревое перемешивание песочной суспензии и промывка, более интенсивная, чем в ранее рассмотренном известном фильтре. При движении в подъемной трубе происходит только первая стадия промывки. Вторая, окончательная, стадия промывки отработанного песка осуществляется в кольцевом отстойнике, охватывающем верхний конец подъемной трубы, куда попадает песок после выхода из нее. Из выходящей суспензии песчинки оседают в верхнюю часть кольцевого отстойника, попадая в кольцевой канал, образованный стенками отстойника, и оседают в нем в небольшом встречном потоке фильтрата, выходящего вверх из фильтрующего слоя. Для интенсификации процесса промывки путем создания поперечного движения фильтрата, стенки кольцевого отстойника внутри имеют кольцевые выступы, создающие извилистый вертикально направленный канал.
Прошедшие через кольцевой отстойник частицы песка, очищенные от загрязнений, оседают далее вниз и образуют чистый верхний фильтрующий слой, постепенно оседающий вниз и заменяющий при этом загрязненные слои песка. Промывная вода, выходящая вверх из кольцевого отстойника и взвешенные в ней частицы загрязнений, отводятся из аппарата вместе с другими промывными водами. Таким образом, очистка воды, отмывка и регенерация фильтрующего слоя происходят одновременно, обеспечивая возможность непрерывной длительной работы аппарата. При этом подъемная труба выполняет еще одну важную функцию - подъем рециркулирующего регенерируемого песка из нижней части корпуса в верхнюю.
По технической сущности и достигаемому положительному эффекту этот песочный фильтр наиболее близок к заявляемому техническому решению и поэтому принят в качестве прототипа.
Недостаток прототипа состоит в том, что известный фильтр удовлетворительно работает только при фильтрации воды, содержащей механические загрязнения, которые образуют непрочные, легко смываемые осадки и налипания на песчинки фильтрующего слоя. В этом случае небольших воздействий, возникающих при перемешивании песчаной суспензии воздухом в подъемной трубе, достаточно для отделения этих частиц загрязнений от песчинок. В случае наличия в обрабатываемой воде загрязнений с повышенной адгезией, например, нефте-, масло-, смолосодержащих частиц такого воздействия недостаточно и для полной отмывки требуется повышенные механические воздействия при повышенных температурах обрабатываемой суспензии или применение специальных добавок, способствующих процессу отмывки. Работа известного фильтра в таких условиях становится неэффективной из-за быстрого загрязнения фильтрующего слоя и требуются периодические остановки фильтра для извлечения загрязненного фильтрующего слоя песка и замены его чистым песком, что увеличивает эксплуатационные затраты на процесс фильтрации.
Кроме того, недостатком известного песочного фильтра, принятого за прототип, является невозможность обеспечения эффективной работы отстойника, установленного на верхнем конце подъемной трубы и предназначенного для окончательной отмывки рециркулирующих в фильтре песчинок и отделения их от загрязняющих взвесей, отмываемых в процессе первой стадии промывки. Неэффективность обусловлена отсутствием возможности регулирования расхода фильтрата через отстойник и установления расхода ее, создающего гидродинамические условия в канале, обеспечивающие наиболее полную отмывку, а также скорости, необходимые для выноса вверх всех загрязняющих частиц при одновременном движении вниз отмытых песчинок.
Целью создания предлагаемой конструкции фильтра является устранение указанных недостатков и создание условий, необходимых для обеспечения более быстрой и полной отмывки рециркулирующего песка и увеличения тем самым продолжительности непрерывной работы фильтра с более высокой производительностью.
Поставленная цель достигается тем, что в песочном фильтре, содержащем корпус, выполненный в виде цилиндрической емкости, установленной вертикально и включающий в средней части рабочий слой фильтрующего песка, установленную вертикально в корпусе подъемную трубу, оснащенную в нижней части газлифтным насосом, образованным камерой для газообразной среды, выполненной в виде трубы, охватывающей с зазором подъемную трубу и сообщенной с патрубком ввода газообразной среды, и отверстиями в стенке нижней части подъемной трубы, сообщающими ее с камерой для газообразной среды, а в верхней части - отстойником, выполненным в виде двух цилиндрических аксиально расположенных перегородок, внутренняя из которых примыкает к наружной поверхности стенки подъемной или охватывающей ее трубы, а на поверхностях стенок этих перегородок, обращенных друг к другу, выполнены кольцевые выступы, образующие вертикально направленный извилистый канал, патрубок для ввода загрязненной воды, сообщенный с распределителем, размещенным под фильтрующим слоем, патрубки для вывода фильтрата и промывной воды, расположенные в верхней части корпуса, согласно изобретения, новым является то, что он снабжен трубопроводом для подвода пара, оснащенным запорным и регулирующим клапанами и сообщенным с патрубком ввода газообразной среды.
В заявляемом песочном фильтре в стенке подъемной трубы дополнительно могут быть выполнены отверстия, разнесенные по высоте ее и сообщающие ее с камерой для газообразной среды, в стенку подъемной трубы могут быть врезаны паровые патрубки, сообщенные с трубопроводом для подвода пара, и эти паровые патрубки могут быть направлены вверх под острым углом к вертикали. Фильтр дополнительно может быть оснащен трубопроводом для подвода воздуха, снабженным запорным и регулирующим клапанами и сообщенным с патрубком ввода газообразной среды.
В заявляемом песочном фильтре с одним или несколькими паровыми патрубками, врезанными в стенку подъемной камеры и сообщенными с трубопроводом для подвода пара, а также снабженном трубопроводом для подвода воздуха, сообщенным с патрубком ввода газообразной среды, трубопровод для подвода пара может быть разобщен с патрубком ввода газообразной среды. Кроме того, в стенку подъемной трубы могут быть врезаны патрубки для ввода поверхностно-активных веществ и моющих средств,
а наружная перегородка отстойника, размещенного на верхнем конце подъемной трубы, может быть установлена с возможностью перемещения по высоте.
Технический результат реализации предлагаемого песочного фильтра заключается в изменении гидродинамики и механизма промывки песочной суспензии в подъемной трубе путем подачи в нее в качестве побудителя движения суспензии и интенсификатора промывки песка водяного пара или паро-воздушной смеси. При попадании пара в подъемную трубу в ней образуется множество паровых пузырьков, которые, всплывая, действуют аналогично воздухо-водяной смеси в подъемной трубы фильтра-прототипа, и инициируют движение песочной суспензии снизу вверх и интенсивное перемешивание этой суспензии. Одновременно с этим в заявляемом фильтре происходит интенсивная конденсация (схлопывание) части пузырьков пара, попадающих внутрь трубы, которая сопровождается резкими гидроударами. Под воздействием ударных волн от схлопывания паровых пузырьков, распространяющихся в подъемной трубе, частички загрязнений, налипшие на песчинки при фильтрации, отделяются от поверхности песчинок. Причем сила ударов такова, что от песчинок отделяются частички загрязнений, обладающих высокими адгезионными свойствами - продукты переработки нефтепродуктов и смол. Кроме генерирования гидроударных волн при конденсации пара происходит нагревание потока промываемой суспензии, что также интенсифицирует процесс промывки.
Анализ научно-технической и патентной литературы не выявил описания фильтров с заявляемой совокупностью отличительных признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого песочного фильтра критерию « новизна», а несомненные и серьезные преимущества его - о соответствии критерию «существенные отличия».
Предлагаемый песочный фильтр иллюстрируется следующими чертежами: на фиг.1 представлен фильтр, в котором в соответствии с изобретением в качестве рабочей газообразной среды, инициирующей движение песочной суспензии по подъемной трубе и интенсифицирующей промывку загрязненного песка, используется водяной пар, подаваемый в газлифтный насос - в нижнюю часть подъемной трубы; на фиг.2 показан фильтр, в котором подача пара осуществляется не только в нижнюю часть подъемной трубы, но и через отверстия в стенке подъемной трубы, разнесенные по высоте ее; на фиг.3 более подробно изображен кольцевой отстойник, размещенный на верхнем конце подъемной трубы; на фиг.4 приведен вариант конструкции заявляемого фильтра, в котором в стенку подъемной трубы врезаны направленные вверх паровые патрубки, сообщенные с трубопроводом для подвода пара; на фиг.5 приведена конструкция
фильтpa, оснащенного дополнительно трубопроводом для подвода воздуха; на фиг.6 показана конструкция фильтра, снабженного трубопроводами для подвода пара и воздуха, в которой трубопровод для подвода пара, соединенный с патрубками, врезанными в подъемную трубу, отсоединен от патрубка ввода газообразной среды в газлифтный насос.
Заявляемый фильтр (фиг.1), как и песочный фильтр-прототип, содержит корпус 1, выполненный в виде цилиндрической емкости, установленной вертикально и содержащей в средней части слой фильтрующего песка 2. Под фильтрующим слоем расположен распределитель обрабатываемой воды 3, соединенный с патрубком 4 для ввода загрязненной воды. В центре емкости установлена вертикально подъемная труба 5, оснащенная в нижней части газлифтным насосом 6, образованным камерой для газообразной среды, выполненной в виде трубы 7, охватывающей с зазором подъемную трубу и сообщенной с патрубком 8 ввода газообразной среды, и отверстиями 9 в стенке нижней части подъемной трубы, сообщающими ее с камерой для газообразной среды. На верхнем конце подъемной трубы расположен отстойник (фиг.3), состоящий из двух цилиндрических аксиально размещенных перегородок 10 и 11, внутренняя 10 из которых примыкает к наружной поверхности стенки верхнего конца подъемной или охватывающей ее трубы. На стенках этих перегородок, обращенных друг к другу, выполнены кольцевые выступы 12 и 13, образующие извилистый канал 14. Кроме того, фильтр содержит патрубки: 15 - для вывода фильтрата и 16 - для вывода промывной воды, расположенные в верхней части корпуса. Фильтр оснащен также трубопроводом 23 для подвода пара, снабженным запорным 24 и регулирующим 25 клапанами и сообщенным с патрубком 8 ввода газообразной среды.
Этот заявляемый фильтр работает следующим образом.
Загрязненная вода (т.е. вода, содержащая взвешенные частицы) подается в аппарат через патрубок 4 и поступает в распределитель 3, с помощью которого равномерно распределяется по сечению корпуса аппарата под рабочим слоем песка 2. При движении воды снизу вверх через фильтрующий слой частицы взвесей задерживаются песчинками и налипают на их поверхность. Фильтрат, выходя из фильтрующего слоя, поднимается в верхнюю часть корпуса и основной поток его удаляется из аппарата через патрубок 15. Небольшая доля фильтрата поступает снизу в канал 14 отстойника для окончательной промывки песка. При противоточном движении фильтруемой воды и песка наиболее загрязненными оказываются нижние слои песка фильтрующего слоя 2. Во время работы фильтра эти слои оседают вниз, по конусу 17 песок скатывается на периферию поперечного сечения корпуса, через зазор 18 попадает на конусное днище корпуса и по нему скользит к нижнему концу подъемной трубы. Здесь песок
подхватывается потоком воды, отсасываемой газлифтным насосом из средней части корпуса. Образовавшаяся суспензия загрязненных песчинок прокачивается вверх по подъемной трубе и при движении перемешивается с пузырями пара, поступающими из отверстий 9, образуя паро-водяную смесь, быстро поднимающуюся вверх. В виде интенсивно перемешивающейся паро-водяной смеси нагреваемая паром песчаная суспензия проходит через всю трубу под энергичным воздействием ударных волн от конденсирующихся паровых пузырьков. Все эти факторы обусловливают интенсивную промывку песка, который полностью освобождается от налипших при фильтрации загрязнений.
Выходящие из верхнего конца подъемной трубы почти полностью промытые песчинки оседают вниз и попадают в канал 14 отстойника (фиг.3). В этом канале песчинки продолжают оседать вниз во встречном потоке фильтрата и окончательно отделяются от частиц загрязнений. Некоторое поперечное движение потока фильтрата по извилистому каналу отстойника, инициируемое кольцевыми выступами, способствует отмывке песчинок. Отмытые песчинки, выходящие из отстойника, падают сверху на рабочий слой 2 и образуют новый фильтрующий слой, а частицы загрязнений, отделившиеся от песчинок на входе в отстойник и в канале 14, подхватываются потоком промывной воды и выносятся вверх. В конечном итоге они попадают в патрубок 15 и выводятся из аппарата.
Для эффективной работы фильтра скорость потока промывной воды на выходе из отстойника и в канале 14 должна регулироваться для того, чтобы она была меньше скорости витания (скорости осаждения) песчинок, но была больше скорости витания частиц загрязнений, отделившихся от песчинок. В этом случае песчинки будут оседать в отстойнике и попадать на рабочий фильтрующий слой, а частички загрязнений, отфильтрованных и отделенных при промывке от песчинок будут вместе с промывной водой выноситься из фильтра. Возможность такой регулировки предусматривает конструкция предлагаемого фильтра. Регулировка обеспечивается перемещением по высоте наружной перегородки 12 отстойника вместе с выступами, при котором изменяется проходное сечение извилистого канала для движения фильтрата. При этом, соответственно, изменяется скорость движения фильтрата (промывной воды) на выходе из извилистого канала и в узких местах самого канала, при которых будет происходить сепарация песчинок и загрязняющих частиц. Такая регулировка должна осуществляться при пуске фильтра в работу, при изменении состава загрязненных вод, при котором могут измениться размеры загрязняющих частиц, а также при замене фильтрующего песчаного слоя, при котором может измениться размер песчинок. При отсутствии такой регулировки возможен неполный вынос загрязняющих частиц и, следовательно,
повышенное загрязнение фильтрующего слоя или вынос песчинок с промывной водой, т.е. к потере в конечном итоге фильтрующего песчаного слоя.
Рассматриваемый фильтр с подачей пара в нижнюю часть подъемной трубы максимально эффективен только при сравнительно небольших разностях температур пара и обрабатываемой загрязненной воды, когда доля пара, конденсирующегося в подъемной трубе, невелика. Большие разности температур пара и обрабатываемой воды обусловливают конденсацию большой доли пара, входящего в подъемную трубу, и, соответственно, уменьшение содержания пара в виде пузырьков в подъемной трубе, обеспечивающего движение вверх песочной суспензии. Это может привести к уменьшению пропускной способности подъемной трубы, ниже необходимой для нормального процесса фильтрации и уменьшение в конечном итоге производительности фильтра.
При большой разности температур пара и обрабатываемой песочной суспензии более эффективен вариант конструкции предлагаемого фильтра, приведенный на фиг.2. Пар, поступающий в аппарат из трубопровода 23 через патрубок 8, проникает в подъемную трубу не только через отверстия 9 газлифтного насоса, но и через отверстия 19, 20, 21, разнесенные по ее высоте. В результате этого по высоте подъемной трубы образуется несколько участков, заполненных большим количеством паровых пузырьков, и суммарный объем паро-водяной смеси в трубе становится значительно больше и, следовательно, обеспечивается значительно более высокая скорость перемещения и перемешивания обрабатываемой песчаной суспензии. Кроме того, при этом увеличивается также механическое воздействие на промываемые песчинки ударных волн от охлопывающихся паровых пузырьков, т.е. улучшается очищение и промывка песка. Следовательно, эта конструкция может быть также использована при необходимости промывки загрязнений, обладающих большой адгезией. Несконденсирововшийся в подъемной трубе пар уходит из подъемной трубы через патрубок 22.
Ввод пара в подъемную трубу может быть осуществлен также через один или несколько разнесенных по высоте паровых патрубков 26 и 27, как это показано на фиг.4. Паровые патрубки 26 и 27 сообщаются непосредственно с трубопроводом для подвода пара 23. На газлифтный насос 6 пар из трубопровода 23 поступает через патрубок 8, камеру для газообразной среды и отверстия 9. При этом паровые патрубки целесообразно установить направив их вверх под острым углом к вертикали, как это показано на фиг.4. Преимущество этой конструкции состоит в том, что для создания и поддержания высокоскоростного движения песочной суспензии и промывки песка в подъемной трубе используется механическая энергия (скоростной напор) поступающего через паровые патрубки пара, направляемого непосредственно из паровой трубы 23.
Практические наблюдения показывают, что гидравлические удары при мгновенной конденсации больших масс пара могут быть весьма велики, что создает дополнительные нагрузки на корпус и конструктивные элементы фильтров. В связи с этим сила ударов не должна быть излишне велика и не превышать значений, минимально необходимых для обеспечения высококачественной промывки песчинок в подъемной трубе. Следовательно, сила ударов, возникающих при конденсации паровых пузырьков, должна регулироваться в зависимости от адгезионных свойств загрязнений, содержащихся в фильтруемой загрязненной воде. Известно, что скорость конденсации пара и, следовательно, сила гидроударов при конденсации паровых пузырей зависит от чистоты пара, в частности - от содержания в нем воздуха. Из этого следует, что силу ударных волн от конденсирующихся паровых пузырьков можно регулировать и устанавливать минимально необходимой для высокоэффективной промывки песка дозированием воздуха в поток пара, направляемый в подъемную трубу.
Фильтр, в котором используется этот способ регулирования качества мойки приведен на фиг.5. Приведенный вариант заявляемого фильтра оснащен дополнительно трубопроводом 28 для подвода сжатого воздуха, снабженным запорным 29 и регулирующим 30 клапанами и сообщенным с патрубком 8 для ввода газообразной среды. Этот фильтр предназначен для фильтрации воды, содержащей взвешенные частицы, имеющие выше средней адгезию к поверхности песчинок.
Фильтр работает следующим образом. На трубопроводе 23 подвода пара открывают запорный 24 клапан и регулирующим клапаном 25 устанавливают расход пара, необходимый для того, чтобы поток песчаной суспензии в подъемной трубе соответствовал заданному рабочему расходу. Затем открывают запорный клапан 29 на трубопроводе 28 и регулирующим клапаном 30 устанавливают поток воздуха в поток пара таким, чтобы сила гидроударов от конденсирующихся пузырьков пара обеспечивала высокоэффективную отмывку песчинок от загрязнений.
При малых и средних значениях адгезии взвешенных частиц к песчинкам фильтрующего слоя рационален следующий режим работы фильтра, изображенного на фиг.5. На трубопроводе 28 подвода воздуха открывают запорный клапан 29 и регулирующим клапаном 30 устанавливают поток воздуха в газлифтный насос, который обеспечивает требуемый расход суспензии отмываемого песка по подъемной трубе. Затем открывают запорный клапан 24 на трубопроводе пара 23 и регулирующим клапаном 25 дозируют поток пара в поток воздуха в таком количестве, чтобы либо вследствие микроударов от конденсирующихся паровых пузырьков, либо из-за увеличения температуры обрабатываемой суспензии, обеспечивалось необходимое качество отмывки песчинок.
На фиг.6 представлен фильтр, который может работать эффективно при фильтрации загрязненной воды с различной адгезией загрязняющих частиц к поверхности фильтрующих песчинок. В этом фильтре функции потоков пара и воздуха разделены:
поток воздуха из трубопровода 28 в патрубок 8 и далее - в газлифтный насос поддерживается таким, чтобы через подъемную трубу стабильно прокачивался необходимый поток песчаной суспензии, а в паровые патрубки 26 и 27, установленные на стенке подъемной трубы, из трубопровода подвода пара 23 через регулирующие клапаны 25 дозировали поток пара, достаточный для полной очистки рециркулирующих по подъемной трубе песчинок.
В особых случаях при трудноудаляемых загрязнениях в заявляемом фильтре предусмотрена подача в подъемную трубу растворов поверхностно-активных веществ и других моющих средств, например - через специальный патрубок, врезанный в ее стенку.
Таким образом, заявляемый фильтр, в котором в качестве газообразной среды при осуществлении регенерации фильтрующего слоя промывкой загрязненного песка используется пар и паро-воздушная смесь, обеспечивает высокоинтенсивный процесс промывки песка даже при фильтрации загрязненной воды, содержащей взвеси с высокой адгезией к песчинкам, и изменение условий проведения этого процесса в зависимости от свойств загрязняющих частиц, что в конечном итоге позволяет расширить диапазон эффективного применения песочных фильтров и при прочих равных условиях существенно увеличить производительность их по исходной загрязненной воде.