Способ определения толщины слоя фильтрующего материала картриджа
METHOD OF DETERMINING LAYER THICKNESS OF CARTRIDGE FILTER MATERIAL

Изобретение относится к области очистки жидкости, в частности, к области очистки питьевой воды и может быть использовано при производстве бутилированной воды.
Известен кассетный фильтр, содержащий корпус с установленными в нем параллельно друг другу с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения кассетами, в нижней части которых имеются фильтрующие элементы, выполненные в виде гибких сеток, соединенных между собой эластичными связями с размещенным между сетками эластичным пористым фильтрующим материалом, а в верхней части имеются непроницаемые вертикальные перегородки. В промежутках между кассетами расположены отжимные валки, при этом отжимные валки выполнены в виде коаксиально расположенных один в другом перфорированных цилиндров, сообщенных с трубопроводом для отвода промывной воды, внешний из которых выполнен перфорированным и установлен с возможностью вращения, а внутренний установлен с возможностью ограниченного поворота. Фильтр оборудован также трубопроводами для подачи очищаемой воды, отвода фильтрата и сбросной воды и осадка, при этом эластичный пористый фильтрующий материал в первых по ходу движения обрабатываемой жидкости кассетах выполнен из отдельных кусков с размерами в пределах (1,2-1,4)h, где h - размер ячеек сетки по диагонали, по периметру в раме кассет установлена непроницаемая диафрагма, частично перекрывающая фильтрующий элемент кассеты на глубину 0,2 m, где m - толщина фильтрующего элемента, обеспечивающая равномерное фильтрование жидкости по всей площади этого элемента (RU 2174962 С1, 20.10.2001).
Известен кольцевой фильтр непрерывного действия, размещенный в радиальном отстойнике, включающем корпус с входным и выходным патрубками, узел удаления осадка, при этом плавающая загрузка кольцевого фильтра имеет размер гранул 2-5 мм и толщину фильтрующего слоя до 0,5 м (RU 2066227 С1, 10.09.1996).
Известен фильтрующий элемент из спеченных частиц синтетических материалов, который, в основном, имеет форму узкого полого короба с двумя большими, проходящими зигзагообразно или волнисто, первыми боковыми стенками, двумя узкими, вторыми боковыми стенками, которые соединяют друг с другом первые боковые стенки, с закрытой стороной, образующей днище, и противоположной открытой стороной, причем выступы и впадины первых боковых стенок проходят в направлении от стороны, образующей днище, к открытой стороне, причем далее на открытой стороне фильтрующего элемента предусмотрена головная часть для крепления, которая удлинена и образует, по меньшей мере, участок для прохождения потока. Фильтрующий элемент имеет две соединенные друг с другом половины, которые содержат, соответственно, одну из первых боковых стенок, головная часть и основание прилиты из синтетической смолы, причем головная часть прилита к первым и вторым боковым стенкам таким образом, что она первой частью своей высоты охватывает снаружи первые и вторые боковые стенки и второй частью своей высоты выступает за первые и вторые боковые стенки и перекрывает их у их концов, головная часть во второй части своей высоты на, по меньшей мере, одном участке прохождения потока создает благоприятный для протекания переход от ограниченного зигзагообразно или волнисто пространства между обеими первыми боковыми стенками в основном прямоугольное поперечное сечение потока (RU 2173205 С2, 10.09.2001).
Известно устройство для фильтрования жидкостей, содержащее корпус, имеющее подвод очищаемой жидкости и отвод фильтрата, перегородку с отверстиями в его верхней части и фильтрующие элементы. Корпус выполнен в виде жесткого каркаса, изготовленного из нескольких вертикально размещенных U-образных плоских стальных петель, установленных симметрично относительно оси устройства на диске-перегородке в верхней части, вытянутых по длине устройства и скрепленных между собой несколькими кольцами большего и меньшего диаметров, закрепленными в горизонтальной плоскости на нескольких уровнях по высоте устройства и проходящими внутри и снаружи каждой U-образной петли, фильтрующие элементы устройства представляют собой цельный чехол, надетый на жесткий каркас и закрепленный в верхней части устройства под диском-перегородкой и в средней (по высоте) части от смещения. При этом чехол содержит внешний и внутренний сорбционно-фильтрующие слои материалов, а толщина материала внутреннего сорбционно-фильтрующего слоя соотносится с толщиной наружного сорбционно-фильтрующего слоя, как 1:13 (RU 2400285 С2, 27.09.2010).
Основным недостатком указанных изобретений является отсутствие предварительного расчета толщины фильтрующего слоя, которое необходимо для наиболее эффективной работы фильтра.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка способа расчета толщины слоя фильтрующего материала картриджа.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в создании способа расчета толщины слоя фильтрующего материала картриджа необходимого для наиболее эффективного использования фильтра в процессе очистки жидкости.
Для достижения указанного технического результата предложен способ определения толщины слоя фильтрующего материала картриджа, согласно которому измеряют концентрацию элемента вещества загрязнителя в жидкости до фильтрующего материала, пропускают через фильтрующий материал порционно жидкость, при прохождении каждой порции через фильтрующий материал измеряют концентрацию элемента вещества загрязнителя в жидкости, прошедшей через фильтрующий материал, для последующего определения отношения концентрации элемента вещества загрязнителя до фильтрующего материала к его концентрации после фильтрующего материала по формуле:
i,j,к,p
i,j,к,0
i,j,к,p
α = C/C где
i,j,к,p
α - коэффициент фильтрации для случая к порции р;
i - номер вещества загрязнителя;
j - номер фильтрующего элемента;
к - номер исследуемой толщины фильтрующего элемента;
р - номер порции;
i,j,к,0
C - концентрация вещества загрязнителя i до пропускания через фильтрующий элемент j заданной толщины к;
i,j,к,p
C - концентрация вещества загрязнителя i после пропускания порции р через фильтрующий элемент j заданной толщины к,
max
на основе полученных данных выполняют билинейную интерполяцию с использованием интерполяционного многочлена Лангранжа, формируя набор функциональных зависимостей для коэффициентов фильтрации для каждого элемента вещества загрязнителя в жидкости и фильтрующего материала в зависимости от толщины фильтрующего материала и объема пропущенной через него жидкости, затем на основании норм СанПин выбирают допустимые значения концентраций элемента вещества загрязнителя в жидкости [Ci], а также максимальные исходные концентрации элемента вещества загрязнителя [Ci], на основании которых вычисляют значение коэффициентов фильтрации по формуле:
i
max
α = Ci/Ci,
после чего численными методами определяют толщину слоя фильтрующего материала картриджа для каждого элемента вещества загрязнителя.
Способ определения толщины слоя фильтрующего материала картриджа, который предназначен для процесса очистки, например, бутилированной питьевой воды, осуществляют следующим образом.
j
k
В лабораторных условиях измеряют концентрацию элемента вещества загрязнителя (i) до фильтрующего элемента (j). Затем, через фильтрующий элемент (j) толщины h,, где k - номер исследуемой толщины, пропускают объем жидкости, равный, например, 350 л порциями, например, по 10 литров. Суммарный объем пропускаемой через фильтрующий элемент жидкости определяется исходя из потребного ресурса фильтрующего элемента (300 л), который также, как и объем фильтра-бутылки определяется исходя из запроса рынка. По прохождению каждой порции через фильтрующий элемент (j) производят измерение концентрации элемента вещества загрязнителя (i) и определяют отношение концентрации до фильтра к концентрации после фильтра.
i,j,k,p
α - коэффициент фильтрации для случая к порции р;
i - номер вещества загрязнителя;
j - номер фильтрующего элемента;
к - номер исследуемой толщины фильтрующего элемента;
р - номер порции;
i,j,к,0
C - концентрация вещества загрязнителя i до пропускания через фильтрующий элемент j заданной толщины к;
i,j,к,p
C - концентрация вещества загрязнителя i после пропускания порции р через фильтрующий элемент j заданной толщины к,
При этом, для того, чтобы сократить количество поисковых итерации k, для каждого фильтрующего элемента выбирают 6 последовательных значений толщиной от 0,5 мм до 5 мм согласно табл. 1.
Далее, для каждого вещества загрязнителя (i) и фильтрующего элемента (j) формируется таблица (табл. 2) значений коэффициента фильтрации.
Далее, выполняется билинейная интерполяция с использованием интерполяционного многочлена Лагранжа, согласно зависимости:
Где
a
i,j
(h,o) - коэффициент фильтрации, как функция двух переменных;
h - толщина исследуемого фильтрующего элемента;
o - фильтрующая способность исследуемого элемента фильтрации;
pk
p,
k
ƒ - значение коэффициента фильтрации в узле [h o];
р - номер шага интерполяции по значениям толщин исследуемого фильтрующего элемента;
k - номер шага интерполяции по толщинами фильтрующего элемента;
i
h - значение толщины фильтрующего элемента на i-ом шаге интерполяции;
i
o - значение фильтрующей способности на j-ом шаге интерполяции;
i - номер шага суммирования по значениями толщин фильтрующего элемента;
j - номер шага суммирования по значениями фильтрующей способности фильтрующего элемента.
Таким образом, формируют набор функциональных зависимостей для коэффициентов фильтрации для каждого вещества загрязнителя (i) и фильтрующего элемента (j) в зависимости от толщины фильтрующего элемента (j) и объема пропущенной через него жидкости.
i
i
max
После чего, необходимо свериться с нормами СанПин, выбрать допустимые значения концентраций веществ загрязнителей (C). И исходя из сферы применения фильтра и использования принципа наихудшего случая выбирают максимальные исходные концентрации веществ загрязнителей (C). Затем вычисляют необходимые значения коэффициентов фильтрации по зависимости:
i,j
Далее, исходя из условий (3) численными методами выполняют подбор необходимой величины (h) для каждого из веществ загрязнителей.
j
i,j
В итоге, среди найденного множества значений выбирают толщины фильтрующих элементов: h = max(h).
Предложенный способ определения толщины слоя фильтрующего материала картриджа позволяет с высокой точностью определить необходимую толщину слоя фильтрующего материала картриджа. При этом, для специалиста очевидно, что данный способ может быть использован в различных отраслях промышленности и предложенный расчет на примере производства бутилированной питьевой воды является лишь частным случаем реализации.