очистка фильтра на основе полых волокон с фронтальным режимом работы

Формула изобретения

1. Способ очистки фильтра на основе полых волокон, содержащего корпус (1) фильтра, в котором полые волокна (9) закреплены в вертикальном положении, включающий подачу фильтруемой жидкости в объем корпуса (1) фильтра через нижнюю его часть, отвод фильтрата через верхнюю часть фильтра, фазу очистки, в которой осуществляют обратную подачу газа через полые волокна (9), отличающийся тем, что в фазе очистки одновременно осуществляют циркуляцию очищающей жидкости в объеме корпуса (1) фильтра, причем указанная циркуляция жидкости происходит от верхней части по направлению к нижней части корпуса фильтра.

2. Способ очистки по п.1, отличающийся тем, что в качестве очищающей жидкости используют фильтруемую жидкость, остающуюся в корпусе (1) фильтра, а циркуляцию осуществляют по линии (12), подключенной параллельно к корпусу (1) фильтра.

3. Способ очистки по п.1, отличающийся тем, что очищающая жидкость циркулирует со скоростью, позволяющей удалять пузырьки газа, подаваемого в обратном направлении в полые волокна (9).

4. Способ очистки по п.1, отличающийся тем, что фазу очистки выполняют при достижении заранее определенных заданных значений минимальной скорости фильтрации и накопленного объема фильтрата.

5. Способ очистки по п.1, отличающийся тем, что фаза очистки содержит следующие этапы:

прекращают подачу фильтруемой жидкости в корпус (1) фильтра,

прикладывают внешнее давление в верхней части фильтра,

осуществляют обратную подачу газа в полые волокна (9) под давлением, превышающим давление точки начала образования пузырьков.

6. Способ очистки по п.1, отличающийся тем, что подаваемым в обратном направлении газом является воздух, азот и другие нейтральные газы.

7. Способ очистки по п.1, отличающийся тем, что выполняют дополнительный конечный этап, состоящий в опорожнении корпуса (1) фильтра.

8. Устройство фильтрации, содержащее фильтр на основе полых волокон, включающий корпус (1) фильтра, в котором закреплены полые волокна (9) в вертикальном положении, корпус (1) фильтра содержит средство подачи (2) фильтруемой жидкости в объем корпуса (1) фильтра, расположенное в нижней части корпуса (1) фильтра, средство отвода (4) фильтрата и обратной подачи очищающего газа, установленное в верхней части корпуса (1) фильтра, отличающееся тем, что оно содержит линию (12) очистки полых волокон (9), обеспечивающую подвод очищающей жидкости в верхнюю часть объема корпуса (1) фильтра и отвод ее через нижнюю часть корпуса фильтра.

9. Устройство фильтрации по п.8, отличающееся тем, что полые волокна (9) равномерно закреплены на верхних концах.

10. Устройство фильтрации по п.8, отличающееся тем, что корпус (1) фильтра содержит устройство (11) разделения потока, которое позволяет распределять фильтруемую жидкость по объему корпуса фильтра.

11. Устройство фильтрации по п.8, отличающееся тем, что к верхней части корпуса (1) фильтра подключена вентиляция.

12. Устройство фильтрации по п.8, отличающееся тем, что линия очистки представляет собой линию (12), подключенную параллельно к корпусу (1) фильтра, что позволяет осуществлять во время фазы очистки циркуляцию фильтруемой жидкости, остающейся в корпусе (1) фильтра.

13. Устройство фильтрации по п.12, отличающееся тем, что линия очистки содержит открывающий/закрывающий клапан (14) и насос (13).

14. Устройство фильтрации по п.13, отличающееся тем, что в качестве насоса (13) используют насос центробежного, перистальтического или вихревого типа.

15. Устройство фильтрации по п.13, отличающееся тем, что клапан (14) представляет собой диафрагменный клапан.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к способу очистки фильтра, выполненного на основе полых волокон, с фронтальным режимом работы. Оно также относится к фильтрующему устройству, в котором можно использовать указанный способ.

Настоящее изобретение позволяет улучшить рабочие характеристики устройств такого типа, предназначенных для отделения твердого вещества от жидкости.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

При фронтальном режиме фильтрации суспензии, содержащей твердые частицы с очень малыми размерами, отделение твердого вещества от жидкости может осуществляться на среде фильтра, выполненной в форме полых органических волокон под действием давления, достаточного для обеспечения прохода жидкости от внешней поверхности волокон внутрь указанных волокон.

Используемые волокна, собранные параллельно в виде пучков в корпусе фильтра, установлены таким образом, что они позволяют в одной цепи извлекать всю отфильтрованную жидкость. С другой стороны, твердые вещества, оседающие на внешней поверхности волокон, остаются здесь до тех пор, пока их накопление не приведет к потере напора, что, в свою очередь, снижает давление фильтрации, вследствие чего падает производительность фильтрации жидкости. Когда производительность фильтрации жидкости достигает заранее заданного низкого порогового значения, следует производить очистку волокон. Для такой очистки необходимо останавливать процесс отделения твердого вещества от жидкости для выполнения соответствующей процедуры очистки, которая должна обеспечить удаление с поверхности волокон частиц, осевших на указанные волокна, с последующим удалением из корпуса фильтра всех твердых веществ при общей очистке системы. Очищенные волокна затем снова можно включить в процесс разделения твердого вещества и жидкости. Таким образом определяется последовательность режимов работы, состоящая из фазы фильтрации, фазы очистки и фазы очистки фильтра.

Фильтры на основе полых органических волокон более двадцати лет используются в различных областях техники, где требуется обеспечить отделение твердого вещества от жидкости. Их основное преимущество состоит в обеспечении большой площади фильтрации при малых общих размерах.

Органические волокна изготавливают из различных материалов (PVA - поливиниловый спирт, PS - полисульфон и т.д.) и формуют способом вытяжки с получением приблизительно следующих размеров:

- внешний диаметр от 0,3 до 3 мм,

- внутренний диаметр от 0,15 до 2 мм,

- длина, по требованию, до нескольких метров.

Волокна собирают в виде пучков или связок из нескольких тысяч волокон равной длины. Они должны быть закреплены на одном конце и остаются свободными на другом закрытом конце. Волокна также могут быть закреплены на обоих концах, которые остаются свободными. Два конца волокон могут быть расположены напротив друг друга (прямые волокна) или могут быть расположены на одном уровне (U-образные волокна).

Волокна выполнены пористыми с диаметром пор d _p, позволяющим обеспечить полную задержку наименьших частиц, присутствующих в обрабатываемой жидкости (обычно значение d _p выбирают большим или равным 0,1 мкм). Среднее значение размера d_p в жидкой среде может быть получено по результатам измерения "давления точки начала образования пузырьков", в соответствии с чем, чем меньше значение d_p, тем выше давление точки начала образования пузырьков воздуха.

Пучки или связки волокон собирают отдельно или параллельно в подходящих кожухах или корпусах фильтра, которые позволяют подавать фильтруемую жидкость под давлением (меньшим или равным 3 бара) снизу или сверху. Корпус фильтра также позволяет обеспечить выпуск отфильтрованной жидкости, при этом следует понимать, что конструктивно в корпусе фильтра присутствует общий контур линии подачи жидкости, предназначенной для фильтрации, и линии выпуска отфильтрованной жидкости.

При достижении нижнего заранее заданного значения производительности фильтруемой жидкости осуществляют прочистку фильтра такого типа способом обратной подачи отфильтрованной жидкости в течение времени, достаточного для удаления твердых частиц с поверхности волокон, или путем обратной подачи газа под давлением в течение эквивалентного времени (см. патент US №4540490). Обратная подача обозначает, что в течение короткого времени производят циркуляцию жидкости или газообразной текучей среды в противоположном направлении по сравнению с нормальным направлением фильтрации, то есть по направлению изнутри волокон к внешней поверхности указанных волокон под действием достаточного механического давления. В случае обратной подачи жидкости указанное давление может быть низким, средним или высоким. В случае обратной подачи газа (например, воздуха или азота) указанное давление должно быть больше, чем давление точки начала образования пузырьков для волокон, которое зависит от диаметра d_p пор.

В способе очистки с использованием обратной подачи газа, когда корпус фильтра находится в вертикальном положении, происходит подъем пузырьков газа на внешней поверхности волокон, которые в жидкой фазе содержат твердые вещества, выносимые с поверхности волокон. Промывка смеси твердого вещества/жидкости, содержащейся в корпусе фильтра, которая следует после фазы очистки, упрощается при вертикальной установке корпуса фильтра, благодаря такой сборке волокон, когда только верхняя часть указанных волокон закреплена на корпусе так, что нижняя часть остается свободной. Любой другой вариант сборки затрудняет очистку такого типа.

Указанный способ прочистки должен осуществляться в течение минимального периода времени и достаточно редко и в то же время должен обеспечивать максимальную степень удаления твердых веществ, осевших на волокна. Если эти условия не будут обеспечены, потеря производительности и остаточные загрязнения, после их накопления в ходе нескольких последовательностей очистки, приводят к необходимости производить длительную химическую очистку волокон. Химическая очистка такого типа является нежелательной и приводит к образованию вторичных отходов. В качестве примера, такая очистка должна осуществляться один раз в сутки. Таким образом от оператора требуется обеспечить надлежащий контроль процесса фильтрации (по его определенным параметрам) и проводить очистку путем обратной прокачки.

Степень прилипания частиц к поверхности волокон зависит от различных параметров. В частности, можно отметить следующие факторы:

- природа частиц и природа волокон (взаимодействие частиц и поверхности волокон),

- солевой состав жидкости, содержащий частицы (низкий уровень засоленности создает благоприятные условия для прилипания частиц к поверхности волокон), или специфические химические характеристики той же жидкости (рН),

- механическое давление фильтрации (высокое давление способствует внедрению или проникновению частиц в структуру пористых волокон).

Дополнительное прилипание частиц к первому слою частиц, в зависимости от тех же параметров, приводит к образованию структуры типа "корки".

Удаление частиц или корки, осевших на поверхности волокон, происходит в результате различных механических воздействий между поверхностью волокон и первым слоем частиц под действием принудительного потока жидкости или газообразной текучей среды с последующим выносом пузырьков газа из связок волокон, в последнем случае.

Чем быстрее осуществляется очистка и чем больше свобода движения на уровне волокон, тем выше эффективность удаления частиц или дробления осадка во время очистки.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение направлено на обеспечение особенно эффективного и быстрого удаления частиц или осадка, осевших на поверхности полых волокон.

Целью настоящего изобретения является способ очистки фильтра на основе полых волокон с фронтальным режимом работы, причем указанный фильтр содержит корпус фильтра, в котором полые волокна закреплены в вертикальном положении так, что жидкость, подаваемая для фильтрации, подводится в объем корпуса фильтра со стороны днища, фильтрат отводят через верхнюю часть фильтра, при этом способ очистки содержит обратную подачу газа через полые волокна и характеризуется тем, что способ также содержит циркуляцию очищающей жидкости в объеме корпуса фильтра, причем указанная циркуляция жидкости происходит по направлению сверху вниз корпуса фильтра.

Предпочтительно, указанная циркуляция очищающей жидкости состоит в циркуляции фильтруемой жидкости, остающейся в корпусе фильтра, с использованием линии, подключенной параллельно к корпусу фильтра.

Очищающая жидкость может циркулировать с такой скоростью потока, которая позволяет временно удалять пузырьки газа, подаваемого в полые волокна в обратном направлении.

Фаза очистки, предпочтительно, выполняется после достижения заданного значения производительности, которое выбирают из минимальной скорости потока фильтрации и максимального объема накопленного фильтрата.

В соответствии с конкретным вариантом выполнения фаза очистки содержит следующие этапы:

- прекращение подачи фильтруемой жидкости в корпус фильтра,

- приложение внешнего давления в верхней части фильтра,

- обратная подача газа в полые волокна под давлением, превышающим давление точки начала образования пузырьков, и

- одновременная циркуляция очищающей жидкости.

Газ, подаваемый в обратном направлении, может быть выбран из воздуха, азота и других нейтральных газов.

Предпочтительно, способ содержит дополнительный конечный этап, состоящий из опорожнения корпуса фильтра.

Другой целью настоящего изобретения является устройство фильтрации, содержащее фильтр на основе полых волокон с фронтальным режимом работы, причем указанный фильтр содержит корпус фильтра, в котором закреплены полые волокна в вертикальном положении, корпус фильтра содержит средство подачи фильтруемой жидкости в объем корпуса фильтра, причем указанное средство подачи расположено в нижней части корпуса фильтра, фильтр содержит средство отвода фильтрата и обратной подачи очищающего газа, установленное в верхней части корпуса фильтра, характеризующийся тем, что устройство содержит линию, обеспечивающую очистку полых волокон, причем указанная линия позволяет подводить очищающую жидкость в верхнюю часть объема корпуса фильтра и отводить ее через нижнюю часть корпуса фильтра.

Полые волокна, предпочтительно, закреплены только на верхних концах.

Корпус фильтра может содержать устройство разделения потока, которое позволяет распределять фильтруемую жидкость по объему корпуса фильтра. Такое устройство разделения потока обладает преимуществом частичного придания пучку волокон формы "зонтика", которая способствует равномерному распределению жидкости, подводимой к волокнам, и предотвращает образование местного накопления частиц на части волокон, расположенных по внешнему контуру.

Предпочтительно, линия подачи очищающей жидкости представляет собой линию, подключенную параллельно к корпусу фильтра и позволяющую в течение фазы очистки осуществлять циркуляцию фильтруемой жидкости, остающейся в корпусе фильтра. Указанная линия подачи очищающего воздуха может содержать открывающий/закрывающий клапан, например диафрагменный клапан, и насос, который может быть выбран из центробежного, перистальтического и вихревого насосов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение будет более понятным, и другие преимущества и конкретные его свойства будут очевидны при чтении приведенного ниже описания примера его выполнения, который ни коим образом не является ограничивающим, со ссылками на прилагаемые чертежи, среди которых:

на фиг.1 схематично показан вертикальный разрез фильтрующего устройства в соответствии с настоящим изобретением, представленного в фазе фильтрации;

на фиг.2 схематично показан вертикальный разрез фильтрующего устройства, соответствующего фиг.1, но представленного в фазе очистки.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фильтрующее устройство, представленное на фиг.1, содержит корпус 1 фильтра, выполненный в форме вертикального цилиндра, герметично закрытого на торцах. В нижнем его торце сформировано отверстие 2, соединенное с трубой 3, предназначенной для подачи фильтруемой жидкости. На верхнем торце выполнено отверстие 4, соединенное с трубой 5, предназначенной для отвода фильтрата. В указанной трубе 5 установлен клапан 17. Труба 18 с установленным в ней клапаном 19 подключена к указанной трубе 5 между указанным клапаном 17 и отверстием 4 отвода.

В верхней части корпуса 1 фильтра установлена пластина 6, разделяющая корпус фильтра на камеру 7 отвода, которая проходит к отверстию 4 отвода, и большую часть 8, называемую объемом корпуса фильтра. На указанной пластине 6 установлен пучок полых волокон 9, из которого на чертеже представлено только несколько волокон. Волокна закрыты на нижних концах. Внешняя поверхность полых волокон, таким образом, находится в контакте с фильтруемой жидкостью, которую подводят в объем 8 корпуса фильтра, при открытом клапане 10. Внутренний объем полых волокон 9 соединен с камерой 7 отвода.

В нижней части корпуса 1 фильтра установлено устройство 11 разделения потока жидкости, которое обеспечивает подачу равномерного потока жидкости на полые волокна 9. Указанные волокна являются гибкими и закреплены только на верхних концах, при этом поток фильтруемой жидкости образует из пучка волокон форму "зонтика".

Фильтр, в соответствии с настоящим изобретением, кроме того, содержит линию, подключенную параллельно корпусу фильтра. Указанная линия, в основном, содержит трубу 12, подключенную в нижней части к трубе 3 для подачи фильтруемой жидкости, между отверстием 2 и входным клапаном 10. Труба 12 соединена в верхней части с корпусом 1 фильтра непосредственно под пластиной 6. В ней установлен насос 13 и клапан 14. Указанный насос 13 может быть насосом центробежным, перистальтическим или вихревым насосом. Клапан 14 представляет собой, например, диафрагменный клапан.

Вентиляционная труба 15, в которой установлен клапан 16, подключена к верхней части корпуса 1 фильтра 1 непосредственно под пластиной 6.

Во время фазы фильтрации насос 13 выключен, и клапаны 14, 16 и 19 закрыты. Клапан 10 открыт, фильтруемая жидкость подводится через трубу 3 в корпус 1 фильтра. Фильтрат, выходящий из внутреннего объема полых волокон 9, поступает в камеру 7 отвода и отводится через трубу 5.

Необходимость очистки полых волокон может быть установлена по двум определенным заданным значениям: одному заданному значению, определяемому по минимальной скорости потока фильтрации, или другому заданному значению, устанавливаемому по общему объему полученного фильтрата. Второе заданное значение позволяет контролировать количество осевших твердых веществ на единицу площади фильтра.

При достижении одного или другого заданного значения производят очистку, выполняя следующие операции:

- прекращение подвода фильтруемой жидкости путем закрывания клапана 10,

- закрывание клапана 17,

- открывание вентиляции корпуса фильтра с помощью клапана 16,

- открывание клапана 19 для подачи обратного потока газа (воздуха или азота) через трубу 18 и секцию трубы 5, соединенную с отверстием 4, при этом газ подают под давлением, несколько превышающем давление образования пузырьков,

- открывание клапана 14 при включении насоса 13 для рециркуляции объема жидкости, находящейся в порах корпуса 1 фильтра.

Обратная подача газа и рециркуляция жидкости представляют собой две операции, которые, предпочтительно, выполняют одновременно.

Затем происходит циркуляция смеси жидкость - твердое вещество - газ в корпусе фильтра и в отводной линии. Насос 13 обеспечивает среднюю скорость снижения уровня жидкости и твердого вещества порядка 4-5 см/с в корпусе фильтра и на уровне волокон. В корпусе фильтра на уровне полых волокон происходит перемещение пузырьков газа, которые могут временно подниматься или опускаться в зависимости от размера пузырьков. Между частицами происходит трение или соударение между свободными частицами и частицами, прилипшими к поверхности волокон. В результате изменения циркуляции текучей среды происходит перемешивание волокон между собой.

Все это приводит к лучшему высвобождению частиц с поверхности волокон под действием различных ударов (или градиентов) в жидкости и/или в газе и под действием трения между частицами.

После достаточного времени очистки (несколько минут) выполняют очистку корпуса фильтра в условиях, известных специалистам в данной области техники, путем опорожнения корпуса фильтра. Фаза фильтрации начинается снова после заполнения корпуса фильтруемой жидкостью.

По сравнению с методиками прочистки известного уровня техники, указанными выше, настоящее изобретение позволяет снизить частоту очистки химического продукта от одного раза в сутки до одного раза в неделю, что свидетельствует об эффективности настоящего изобретения.