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Die Erfindung bezieht sich auf ein aus körnigen Feststoffen bestehendes Filter, welches von Gasen oder
Flüssigkeiten durchströmt wird. Mit dem Ausdruck Gase und Flüssigkeiten" (nachstehend mit Medium" bezeichnet) sind Gase und Flüssigkeiten im weitesten Sinne gemeint, z. B. verunreinigte Luft oder verschie- dene Naturgase, Wasser, Abwasser, Zucker- und Glukoselösungen, Lösungen von Säuren, Salzen, Laugen,
Gemische von Gasen und Flüssigkeiten usw.
Das Durchleiten von Gasen oder Flüssigkeiten durch eine aus körnigen Feststoffen bestehende Schicht ist an sich schon lange bekannt. Wenn aber die Medien trüb sind und ein Teil der enthaltenen Substanzen sich auf der Oberfläche der Feststoff körner absetzt, werden diese Substanzen das körnige Material nach kurzer Zeit verstopfen. Es ist nun ein Ziel der Erfindung, die vom Medium in den Zwischenräumen der Feststoffe abgelagerten Substanzen möglichst stark zu zerstreuen.
Gegenstand der Erfindung ist ein aus körnigen Feststoffen bestehendes Filter, durch welches Gase oder
Flüssigkeiten, insbesondere von unten nach oben, geleitet werden und bei dem ein Durchbruch während des Durchganges auch bei einem Druckverlust von l m Wassersäule oder mehr nicht auftritt, so dass der Druck auf das Medium stark über das normale Mass erhöht werden kann, ohne dass die Filterschicht aufgewirbelt wird. Der Ausdruck "Filter" ist dabei im weitesten Sinne zu verstehen ; die Erfindung kann also nicht nur beim blossen Filtrieren, sondern auch beim Ionenaustausch, Entfärben usw. mittels körniger Feststoffe angewendet werden.
Die Erfindung zielt auch darauf ab, das Auftreten von geschlossenen Wirbeln bewegter Teilchen im expandierten Bett der Feststoffe zu vermeiden und dadurch eine bessere Klassifikation des Bettes zu erzielen.
Ein dieser Zielsetzung entsprechendes, gemäss der Erfindung ausgebildetes und aus körnigen Feststoffen bestehendes Filter mit einer im Durchlass eines Gehäuses angeordneten Feststoffschicht ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass in der Feststoffschicht in der Nähe seiner Oberseite Stützelemente vorgesehen sind, die eine den Durchlassquerschnitt des Gehäuses im wesentlichen unvermindert belassende und in mehrere Zellen unterteilende Form aufweisen.
Vorzugsweise nehmen die Stützelemente mit ihrem Anströmquerschnitt weniger als 10% des Durchlassquerschnitts des Gehäuses ein.
Das Kontakt-oder Filtermaterial kann aus unterschiedlichen Materialien bestehen und körniges Material aus Sand, Kohle, Koks, Bauxit, Magnesit, metallischen Oxyden oder Stoffen tierischer, pflanzlicher oder mineralischer Herkunft od. dgl. sein. Auch Adsorbentia, wie Beinschwarz, Aktivkohle und Entfärbungsharze, körnige Massen mineralischen Ursprungs oder Mischungen von zwei oder mehreren der genannten Bestandteile, ferner Ionenaustauscher und Katalysatoren, können verwendet werden. Das Kontaktmaterial kann auch biologisch aktiv sein oder eine präzipitierende Wirkung auf die in den Gasen oder Flüssigkeiten enthaltenen Feststoffe haben.
Die Körner der Massen für das Filtermaterial können sehr unterschiedliche Grösse haben ; sie können sogar pulverartig oder faserig sein.
Gewöhnlich wird beim Filtrieren das Medium von oben nach unten durch das Bett körniger Feststoffe geführt, wie beispielsweise beim Filtrieren von Wasser durch ein Sandbett. Es ist aber auch bekannt, von unten nach oben zu filtrieren. Dies konnte bisher nur mit Schwierigkeiten ausgeführt werden, weil unvermeidlich Durchbrüche des Mediums auftreten, wobei dann das Wasser ohne irgendeine Filtration das Bett passiert. Nur bei einer sehr langsamen Kontaktgeschwindigkeit (Filtriergeschwindigkeit) wird dieses Durchbrechen für eine kurze Betriebszeit vermieden, bei höherer Geschwindigkeit kann das Bett aber durch Fluidisation homogen werden. In keinem dieser Fälle wird ein ausreichender Filtrationseffekt erreicht.
In der USA-Patentschrift Nr. 2, 723, 761 wird ein Verfahren beschrieben, wobei die Filtration, zumindest teilweise, von unten nach oben stattfindet. Hiefür muss aber das Filtrat unter der Oberfläche des
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Bettes mittels eines Drainagesystems abgeführt werden, während über dem Bett ein Aussendruck ange- wendet werden muss, um einen Durchbruch des Bettes zu verhindern. Dieses Verfahren bringt aber oft unerwünschte Komplikationen mit sich. Wenn man nämlich, wie es am praktischsten und einfachsten ist, Aussendruck mittels eines nichtfiltrierten Mediums aufbringt, wird eine teilweise Filtration durch die dünne Schicht des Feststoffes oberhalb der Abfuhrvorrichtungen, oft mit ungenügender Reinigung, er- folgen. Eine solche Filtration ist mit Rücksicht auf die Filtrierkapazität immer unerwünscht.
In Adsorp- tions-, Entfärbungs- und Entionisierungsverfahren ist dies sogar unzulässig, weil in diesen Fällen das
Verfahren nur einen ungenügenden Erfolg ergeben würde. Überdies sind die Abfuhrvorrichtungen in der
Oberschicht des Feststoffes angeordnet, wo die kleinsten Körnchen vorhanden sind. Dadurch ist die tech- nische Ausbildung des Abfuhrsystems infolge der grossen Gefahr von Verstopfungen und Druckverlusten schwierig.
Gemäss der Erfindung wird das Medium bei körnigen Feststoffen mit hohem spezifischen Gewicht ausschliesslich von unten nach oben durch dieses geführt, wobei zur Vermeidung lokaler Durchbrüche im körnigen Feststoff in der Nähe der Oberseite feste Körper jeglicher Form als Stützelemente angeordnet sind, welche den Durchlass des Filtergehäuses in mehrere einzelne Zellen unterteilen. Die durch diese Stütz- elemente gebildeten Wände halten das Filtermaterial zusammen, wodurch Durchbrüche vermieden werden.
Ein Element kann z. B. aus einem einfachen Horizontalgitter oder einem Rost bestehen, gegebenenfalls können auch zwei oder mehrere angebracht werden. Das Anbringen solcher Elemente ist für verschiedene Aufgaben erwünscht, wobei diese Elemente dann in verschiedenen Höhen im Filter angeordnet werden können. Diese als "Reaktionselemente" oder "Stützelemente" bezeichneten Elemente dienen also der Verhinderung eines Durchbruchs des Filters.
Die Elemente oder Elementensysteme, welche schliesslich niedriger oder selbst auf dem Boden angebracht sind, haben eine andere Funktion als die Stützelemente. Sie müssen nämlich das Medium derart verteilen, dass die Filtration und bzw. oder der Kontakt so gleichmässig wie nur möglich über den gesamten Feststoff verteilt erfolgt. Diese Elemente oder Elementensysteme werden in der Beschreibung Verteilelemente" genannt.
Es ist nun aber nicht so, dass die Elemente immer jeweils nur eine dieser Funktionen ausüben können.
Sie dienen nämlich mehr oder weniger alle sowohl für das Aufbringen eines Druckes auf dem Feststoff, als auch für das Verteilen des Mediums, wobei die letztgenannte Aufgabe zum Grossteil von den niedrigeren Elementen erfüllt wird. In vielen Fällen genügt auch nur ein Element, welches dann beide Funktionen ausübt.
Für die Konstruktion der Elemente können nur allgemeine Richtlinien gegeben werden ; diese genügen aber und dienen also auch für jeden besonderen Fall. Es ist nicht möglich, eine einheitliche Konstruktion anzugeben. Diese Konstruktion wird für die verschiedenen Filtrationen variieren, sogar in einem Filter werden die Elemente oft noch untereinander variieren. Für Filtrationsprobleme, für welche noch nicht ausreichende Daten gegeben sind, werden nun einige wenige einfache, auf der Hand liegende Experimente auszuführen sein.
Die Rostabstände oder, deutlicher ausgedrückt, die Dimensionen der durch die Gitter der Elemente gebildeten Zellen ist ausserordentlich wichtig, insofern nämlich der Druck des unter dem Feststoff zugeführten Mediums desto höher sein muss, je kleiner diese Dimensionen sind. Oft können statt eines Gewebeelements mit engen Geweben mit demselben Erfolg, mehrere mit geringem Abstand übereinander angeordneten Rost- oder Gitterelemente mit grösseren Abständen angewendet werden.
Allgemein gesprochen kann, z. B. bei Feststoff in Form von normalen Sandkörnern sogar in einem offenen Filter, ein Druck von mehreren Atmosphären angewandt werden, wobei das Gewicht von Sand und Flüssigkeit im Filter in diesem Falle nur einen vernachlässigbaren Gegendruck ausübt und daher die überraschende Wirkung der Erfindung in auffallender Weise demonstriert wird. In Zusammenhang damit wird es verständlich, dass auch an die Stärke des Gewebesystems Ansprüche gestellt werden.
Es ist nicht immer erwünscht, die Abstände unnötig klein zu machen, weil ein Filter auch gereinigt werden muss, wobei die reinigende Rückwaschung des Feststoffs einen der Behandlungsschritte ausmacht. Bei dieser Behandlung muss die Feststoffschicht durchbrochen werden. In schwierigen Fällen kann dies mit Hilfe von Luft oder durch Aufspülen mit einer Flüssigkeit oder selbst mechanisch von oben erreicht werden. Es ist aber besser, das Rekationselement durch eine erhöhte Geschwindigkeit des aufwärts gerichteten Flüssigkeitsstromes zu durchbrechen.
Es gibt zwei Möglichkeiten diesen Durchbruch zu erzielen, nämlich indem entweder der Feststoff oberhalb des Elementes durch die Flüssigkeit bei höherer Strömungsgeschwindigkeit entfernt wird, oder die Gewölbe oder die abwärts gebogenen Bogen zusammenbrechen, welche im und/oder unter dem Zellensystem gebildet worden sind und welche primär die Verteilung der aufwärts gerichteten Kräfte im körnigen Feststoff bewirken. Es ist klar, dass ein breites Gewölbe eher zusammenbricht als ein kleines ; deshalb ist es naheliegend die Abstände auch nicht zu klein zu wählen. Auch muss Rechnung getragen werden, dass das Medium und der Feststoff verteilt sind, weil die Elemente eine Art Labyrinth bilden.
Bei der Bestimmung der Abstände müssen diese prinzipiell bei höheren Filtrationsgeschwindigkeiten und fein gekörntem Material viel kleiner gewählt werden, als in Fällen, bei welchen keine Gefahr besteht, dass unter Umständen das Material suspendiert wird oder die Tendenz hat, suspendiert zu werden. Im ersten Fall werden Dimensionen von 25 mm und kleiner gewählt, während die Maschenweite bei Fällen ohne Expansiongefahr das Zehn- bis Hundertfache betragen kann.
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Es ist unmöglich, alle Funktionen zu nennen, welche diese Dimensionen bestimmen, aber unter anderem können die folgenden angegeben werden : Teilchengrösse des Feststoffmaterials, dessen spezifisches Ge- wicht, Elastizität, Zusammendrückbarkeit, Kohäsion, Adhäsion, Aussenform und Reibungskoeffizient zwischen den Teilchen und mit der Flüssigkeit, Tiefe des Bettes über dem Element, Gesamttiefe des Bettes, spez. Gewicht der Flüssigkeit, Viskosität, Druckdifferenz zwischen der Flüssigkeit unter-und oberhalb des Elements und Form des Elements, wie weit das Feststoffmaterial mit Unsauberkeiten beladen ist, die Anzahl der Elemente. Was die Form anbelangt, muss man gut darauf achten, dass im Falle von Ge- wölbebildung sich diese Gewölbe gegenseitig stützen.
Wenn als Konstruktionsmaterial Walzeisen mit dreieckigem Profil verwendet werden, dessen Spitze nach oben gerichtet ist oder dessen Profil an der Unterseite auch nur verbreitert ist, wird eine sehr gute
Wirkung erzielt. Ferner können für die Konstruktion Platteisen- oder Flacheisen, perforierte Blätter,
Drahtgeflechte, Winkeleisen, "Bulb-" oder T-Eisen oder Material mit anderen Profilen angewendet werden.
Es ist aber vorteilhafter, die in Fig. 2 geeignete Konstruktion anzuwenden. Diese Fig. stellt ein Element dar, das zur Gänze aus Flacheisen gebildet ist. Die Gewölbe können sich jeweils auf dem Nachbargewölbe abstützen. Obendrein hat dies den Vorteil, dass beim Auswaschen alle Gewölbe zusammenbrechen, sobald das erste zusammenbricht ; dies ist zur Erzielung eines guten Auswascheffektes notwendig.
Neben dieser
Konstruktion sind auch noch andere möglich ; infolgedessen ist die Erfindung nicht auf diese besonderen
Konstruktionen beschränkt. Auch beim Auswaschen des Filters während der Reinigung spielen die das
Gewebe bildenden Elemente eine wichtige Rolle, insbesondere die im Feststoffmaterial unterliegenden, welche die beim Rückwaschen unerwünschte Zirkulation der Feststoffkörnchen im expandierten Filter verhindern oder zumindest stark einschränken.
Bei einem richtigen Rückwaschungsvorgang darf eine solche Zirkulation der Körnchen nicht vorkommen, weil damit eine Klassifikation der Körnchen nach ihrer Grösse unmöglich wäre. In einem gut klassifizierten
Bett liegen die groben Teilchen unten und die kleinen oben. Dies ist meistens infolge der beim Rück- waschungsvorgang im Gegenstrom auftretenden Zirkulation nicht der Fall.
Der Erfindung gemäss können biologische, katalytische und andere Reaktionen in einem expandierten
Feststoffmaterial in geeigneter Weise stattfinden, weil dieses ausserordentlich wirkungsvoll klassifiziert worden ist und nicht viele Stellen aufweist, die infolge einer Zirkulationsströmung schlecht oder nicht passierbar sind. Zum Reinigen des Filters können Wasser, Luft, Dampf, Elektrolytlösungen, Detergentia u. dgl. angewandt werden.
Bei der Filtrierung gemäss dem Verfahren nach der Erfindung kann ein Drainiersystem in den meisten
Fällen weggelassen werden. Dies kann aber beim Filtrieren durch feinkörniges Mateial mit niedrigem spez. Gewicht, z. B. durch körnige Ionenaustauscher oder bei einer erfindungsgemäss zu behandelnden
Flüssigkeit mit hohem spez. Gewicht nachteilig sein. Die Feststoffteilchen oberhalb der Gewölbe im Reaktionselement werden dann nämlich mit dem Strom mitgenommen und die Gewölbe im Gewebesystem werden vorzeitig zusammenbrechen.
Das erfindungsgemässe Verfahren bleibt aber durchführbar, wenn man das Medium unmittelbar oberhalb oder unterhalb des Reaktionselementes durch Drains, gegebenenfalls mit Hilfe von Vakuum abführt, und es nicht über die Oberfläche des Materials, aber gegebenenfalls zur Verhinderung einer nicht starken Materialexpansion gar nicht oder nur teilweise mit geringer Geschwindigkeit abführt. In diesem Fall müssen spezielle Anforderungen an die Abfuhrelemente, d. h. an die Drains gestellt werden, weil diese sich ohne Anordnung einer speziellen Konstruktion verstopfen. Dies kann aber korrigiert werden, wenn sogenannte "atmende" Drains angewandt werden, welche bei wechselndem Innen- oder Aussendruck eine gegenseitige Verschiebung der Abgrenzungen der Abfuhrwände der Drains bewirken, so dass Verstopfungen gelöst und entfernt werden.
In der Fig. 1 ist ein derartiger Drain dargestellt ; es gibt zwar verschiedene Konstruktionen dieser Art, doch ist dieser Drain sehr wirkungsvoll. Er besteht aus einem runden oder konischen oben geschlossenen Rohr, das mit dem Abfuhrsystem verbunden und mit in ungleichen Abständen angeordneten Schlitzen versehen ist, die mehr oder weniger breite Lamellen bilden, welche bei Innen oder Aussendruck unterschiedlich stark ausweichen. Wenn die derzeit üblichen kugeligen Ionenaustauscher mit kleiner Teilchengrösse angewandt werden, welche obendrein untereinander einen sehr kleinen Reibungskoeffizient aufweisen, muss die Schlitzbreite der Drains besonders klein gewählt werden. Diese Schlitze lassen nun eine geringe Flüssigkeit passieren, so dass sie in grosser Anzahl angewandt werden müssen und dadurch die Vorrichtung verteuern und den Druckverlust der Drains stark erhöhen.
Die erfindungsgemäss vorgeschlagene Anwendung eines Hilfsstoffs ist bei solchen Schwierigkeiten sehr wirkungsvoll. Dieser Hilfsstoff wird über dem wirksamen Filtriermaterial in den Reaktionselementen angebracht und besteht aus einem Material mit niedrigem spez. Gewicht und grösserer Teilchengrösse, welches sich im Reaktionselement festsetzt ohne dass die Zellenabmessungen zu klein gewählt werden müssen.
In diesem Fall kann ein eventuell erforderliches Drainiersystem im Hilfsstoff angeordnet werden, so dass die Abfuhröffnungen nun viel grösser sein können und kein grosser Druckverlust auftreten kann. Dann kann das Drainiersystem konstruktiv ein einheitliches Aggregat mit dem Reaktionselement bilden. Auf diese Weise ist auch die Regeneration eines sogenannten Mischbettes technisch ausführbar geworden.
Bei der Anwendung eines Mischbettes filtriert man durch eine Mischung von Harzen verschiedener Arten, z. B. von Kation- und Anionaustauschern. Bei der Regeneration werden diese ein unterschiedliches spez. Gewicht oder eine unterschiedliche Teilchengrösse aufweisenden Arten durch einen aufwärts ge-
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richteten Flüssigkeitsstrom geschieden, wonach sich aufeinander abgesetzte Schichten ergeben. Zwischen den Schichten verläuft ein Abfuhrsystem für die Regenerierungs- und Waschflüssigkeiten, die beide unter- und oberhalb der Schichten zugeführt werden und z. B. aus einer Säure- bzw. einer Laugenlösung be- stehen. Besonders ausschlaggebend ist nun die Stossstelle zwischen den beiden Ionenaustauschern, weil diese gewöhnlich mit der Lagerungsstelle der Abfuhrelemente nicht zusammenfällt.
Das Resultat ist unter anderem eine schlechte Regenerierungswirkung, zumal die Regenerierungsflüssigkeiten zum Teil an den falschen Stellen angewandt werden. Erfindungsgemäss wird nun diese Fehlerquelle vollständig durchzwischenschaltung eines Bettes aus Hilfsstoff in genügender Dicke, gegebenenfalls mit einem Reaktions- element in andern Schichten aufgehoben. In dieser Weise kann man ausserdem die Schichtdicke der aktiven Komponenten im Bedarfsfall einigermassen durch Abänderungen der Arbeitsbedingungen variieren und den nachteiligen Effekt einer unregelmässigen Quellung dieser Komponenten während der Regenerierung und Waschung kompensieren.
Es ist naheliegend, dass man die Körnergrösse und das spez. Gewicht dieses Hilfsmediums durch Ex- perimente sorgfältig feststellen muss. Man grobkörniges Material, gegebenenfalls mit einer geeig- neten, gerade im Handel erhältlichen Porosität verwenden. Das Material selber kann auch eine Funktion als Korriktiv für die Reaktion während der Filtration ausüben, indem es z. B. amphoter oder entfärbend ist.
Die Vorteile der Vorrichtung und des Verfahrens nach der Erfindung sind vielfältig. Wegen des Flüssigkeitseintritts am Boden in die gröbsten Feststoffkörner und der Möglichkeit einer zulässigen Expansion kann das Filter mit der aus dem Medium abgeschiedenen Substanz viel mehr beladen werden, als bei der Filtrierung über ein konventionelles Filter. Auch ist die Stundenkapazität pro m2 Filterquerschnitt viel grösser. In einem konventionellen Filter erfolgt die Substanzabscheidung hauptsächlich in einer Ebene, bei der erfindungsgemässen Vorrichtung dagegen in dreidimensionalem Raum. Dies bietet auch die Möglichkeit, feste Substanzen durch Adsorption an den Feststoffteilchen abzuscheiden.
Auf diese Weise können gemäss dem Verfahren nach der Erfindung Filtrationsprobleme gelöst werden, welche in anderer Weise augenscheinlich nicht lösbar sein würden, wie z. B. die Abscheidung von Kolloiden, welche andere Vorrichtungen verstopfen. Auch beim Durchleiten einer Flüssigkeit durch Feststoffe, wobei vor allem aber Entfärbung, Ionenaustausch, katalytische Wirkung oder Ausflockung angestrebt und eine Abscheidung von festen Substanzen nur sekundär ist, bietet das Verfahren nach der Erfindung grossen Vorteil, weil es die Anwendung des wirtschftlichen Gegenstromprinzips möglich macht und der Druckverlust kleiner ist.
Wenn das austretende Medium nicht unter Druck abgeführt zu werden braucht, kann man, selbst wenn das Medium unter hohem Druck zugeführt wird, billige offene Filter anwenden, welche obendrein den Vorteil einfacher Regelung und Uberwachung des Verfahrens haben. Eine Anwendung des erfindunggemässen Verfahrens in geschlossenen Filtern ist aber ohne Schwierigkeit möglich.
Im Gegensatz zu konventionellen Sandfiltern ist eine vollständige Reinigung eines verstopften Feststoffbetts nicht notwendig und oft sogar nicht erwünscht. Die Klassifikation dieses Sandes beim Auswaschen mit Wasser allein ist auch öfters überflüssig. In einem konventionellen Filter wäre dann eine rationelle Filtration durch die hiedurch verursachte Gefahr des Verstopfens der Oberfläche unmöglich.
Der Verbrauch an Spülwasser für das erfindungsgemässe Filter ist aus diesem Grunde und auch infolge der grossen Kapazität des Filters sehr klein. Auch wird beim Spülen eine konzentrierte austretende Flüssigkeit erhalten, was zumeist erwünscht ist. Wenn die austretende Spülflüssigkeit sehr konzentriert sein soll, ist es angebracht, ein Filtermaterial anzuwenden, das spezifisch leichter als das Medium ist, womit es in Kontakt gebracht wird. Das Filtermaterial beispielsweise Körner eines porösen Harzes, Holz, Bimsstein usw. sein. In diesem Fall müssen aber alle Strömungsrichtungen und Filterelemente umgekehrt werden.
Das Verteilungssystem für Flüssigkeit, Spülflüssigkeit und Spülgas ist dann auf der Oberseite des Filters, der Expansionsraum darunter, das Reaktionssystem im Inneren auf der Bodenseite des Filters, die Zufuhr der zu behandelnden Flüssigkeit erfolgt dann auf der Oberseite des Filters, die Abfuhr auf der Bodenseite. Da die abgeschiedenen Feststoffe sich auf die Bodenseite im Filter absetzen,
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Flüssigkeit hoher Konzentration bei der Reinigung eines Filters mit Filtration nach oben, kann Luft von unten in das Filter eingeleitet werden ; sobald dieses in Bewegung ist, kann dann die austretende Flüssigkeit am Boden des Filters abgezogen werden. Dieses Verfahren kann angewendet werden, wenn nicht die Erreichung eines vollkommen klaren Filtrats, sondern die Konzentrierung der Beimischungen Ziel der Filtration ist.
Eine wichtige Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens ist die Injektion von Flüssigkeiten in die Erde, sei es um sich dieser Flüssigkeiten zu entledigen, sei es zur Korrektion der Bodenstruktur.
Die Möglichkeit radioaktiv verseuchte Adsorbentia abzuführen, ist so durch Abpumpen als Suspension realisierbar, auch Abwasser kann abgeführt werden. Das Reaktionselement wird dann vorzugsweise an jenen Stellen angeordnet, wo die Flüssigkeit als Folge der speziellen Schichtung des Bodens oder der Anordnung von Drainagerohren wieder austritt. Das Prinzip der Erfindung kann auch angewandt werden bei der Einfassung ("captage") von Springquellen, der Gewinnung von Grundwasser, Öl oder natürlichem
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Gas, insbesondere zur Regulierung der Medien. Bei Anwendung der erfindungsgemässen Verfahren soll wie in jedem Filtrationssystem so viel als möglich eine stossweise und unregelmässige Zufuhr der eintretenden Medien vermieden werden. Eine Entlüftung dieser Medien ist gewöhnlich auch erwünscht.
Ausserdem ist es empfehlenswert, eine gute Verteilung der Spülluft und des Spülwassers durch Anbringen einer richtigen Trag- und Verteilkonstruktion unter dem körnigen Feststoff zu bewirken. Dazu kann man die in konventionellen Filtern üblichen Verteilsysteme anwenden, wenn man berücksichtigt, dass während der
Filtration oft eine Feststoff enthaltende Flüssigkeit durchgeleitet werden muss.
Anschliessend werden einige Beispiele von Ausführungsweisen des erfindungsgemässen Verfahrens gegeben, welchen eine Beschreibung einiger Einzelheiten der gebrachten Vorrichtung vorangeht ; die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Die Reaktions-und Dispersionselemente werden oft gemäss derselben Konstruktion (Fig. 2) ausgebildet.
Die Abmessungen des Konstruktionsmaterials und die Maschenweite können aber wie aus den Beispielen ersichtlich variieren. Die parallel laufenden Stäbe können aber z. B. auch gegeneinander verschoben statt übereinander aufgestellt sein.
Fig. 3 zeigt die Konstruktion eines einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden Filters (2 m lang, l m breit und 2 m hoch). Natürlich kann der Filter beliebig der verlangten Kapazität und Umständen angepasste willkürliche Abmessungen haben.
In der Längsrichtung des Bodens sind vier Verteilungselemente A angeordnet, die an der Unterseite dreieckige Öffnungen in gegenseitigen Abständen von 100 mm aufweisen, wodurch eine gleichmässige Verteilung von Luft, Wasser, Spülwasser und Spülluft über das gesamte, oberhalb dieser Verteilungs- öffnungen liegende Filtermaterial erzielt wird. Diese Elemente sind gegebenenfalls zur Verstärkung des Bodens mit diesem verschweisst. Ebenso können andere Verteilungssysteme angewandt werden, beispielsweise konventionelle Spüldüsen (nozzles) in einem Doppelboden oder auch perforierte Zuleitungsröhren aufweisende Systeme. Wasser und Gas werden bei C und D zugeleitet.
Das Filter weist auf der Oberseite eine Rinne E zur Abfuhr des austretenden Mediums oder des Spülwassers auf ; bei F kann die Abfuhrleitung angeschlossen werden. Die Oberfläche des Filtermatrials G befindet sich in einigem Abstand unter der Abfuhrleitung. Das Filtermaterial ruht auf einer Tragschicht aus gröberen Materialien.
In dem Filtermaterial ist erfindungsgemäss ein Element eingebettet. Als Beispiel ist in Fig. 2 ein Element des Gewebesystems angegeben. Es besteht aus Flacheisen (30-6 mm) in Form von vier aufeinandergeschweissten Rosten. Die Stäbe des ersten und des dritten Rostes laufen parallel ; ebenso die Stäbe des zweiten und des vierten Rostes, wobei sie aber senkrecht zu den Stäben des ersten und des dritten Rostes verlaufen.
Das Element ist im Filter unbeweglich angebracht. Der Abstand H hängt von den Arbeitsbedingungen ab.
Beispiel 1 : Flusswasser mit Verunreinigungen bis 40 mg Feststoffe pro l wird von unten nach oben mit einer scheinbaren Durchlaufgeschwindigkeit von 8 m/h (8 m3 Flüssigkeit pro m2 Querschnitt pro h) filtriert. Das Filtermaterial besteht aus Sand mit einer Korngrösse von 1 bis 2 nun. Die Tragschicht für das eigentliche Filtermaterial ist wie folgt zusammengesetzt :
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<tb>
<tb> Eine <SEP> Schicht <SEP> von <SEP> 16 <SEP> cm <SEP> mit <SEP> 10-15 <SEP> mm <SEP> Korngrösse,
<tb> eine <SEP> Schicht <SEP> von <SEP> 6 <SEP> cm <SEP> mit <SEP> 6-10 <SEP> mm <SEP> Korngrösse,
<tb> eine <SEP> Schicht <SEP> von <SEP> 6 <SEP> cm <SEP> mit <SEP> 3-6 <SEP> mm <SEP> Korngrösse,
<tb> eine <SEP> Schicht <SEP> von <SEP> 6 <SEP> cm <SEP> mit <SEP> 2-3 <SEP> mm <SEP> Korngrösse.
<tb>
Das Filtermaterial (1-2 mm) ist 1, 4 m dick. Das abfliessende Medium enthält 4-6 mg Feststoffe/l, wobei das Filter durchschnittlich 160 h Laufzeit hat. Das diese Ergebnisse bewirkende Element ist gemäss Fig. 2 ausgebildet und 100 mm unter der Oberfläche des Filtermaterials angeordnet. Die Kapazität kann stark, im Durchschnitt bis zu 220 h erhöht werden, wenn im Filtermaterial 300 mm unter dem ersten ein zweites Element angebracht wird. Der Abstand H ist in beiden Fällen 60 mm. Am Ende des Durchlaufes ist der Filterwiderstand von 250 auf 2000 mm Wassersäule gestiegen. Die Reinigung des Filters wird wie folgt ausgeführt. Erst wird während 10 min eine Mischung von 2 m3 Luft und 0, 4 m3 Wasser/min eingeführt, danach wird während 4 min ausschliesslich Wasser in einer Menge von 1, 5 m3/min zugeführt.
Dann kann das Filter erneut verwendet werden.
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verringert.
Beispiel 3 : Entspricht dem Beispiel l, doch ist der Abstand H des Gewebes auf 30 mm verringert.
Es können nun ungefähr 3000 m3 filtriert weden, wobei der Druckverlust aber bis 3900 mm Wassersäule ansteigt, ohne dass ein Durchbruch des Materials auftritt.
Beispiel 4 : Gereinigter Dünnsaft einer Rübenzuckerfabrik wird über ein Filter gemäss Beispiel 1 geleitet, worin aber 40 mm unter der Oberfläche des festen Filtermaterials ein Gewebesystem angebracht worden ist, das eine Maschenweite von 25 mm aufweist und 200 mm über einem Gewebesystem mit 50 mm Maschenweite liegt. Das Filter ist oberhalb der Tragschicht mit einem Kationsaustauscher Imac C 12, beladen mit Na Ionen, mit einer Korngrösse von 0, 6 bis 0, 9 mm, gefüllt. Der Saft soll bei dieser Behandlung
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entkalkt sein. Die scheinbare Durchlaufgeschwindigkeit beträgt 8 m/h. Die Deckschicht in der Stärke von 200 mm des Materials besteht aber aus einem Hilfsmaterial von Körnern aus Polyvinylchlorid, 1, 1 spez.
Gewicht, mit einer Korngrösse von 3 bis 5 mm.
Der Regenerierung des Filters geht eine Rückwaschung nach Entsüssung des Materials mit Wasser von oben nach unten voraus, worauf eine 10%ige NaCI-Lösung von oben nach unten durchgeführt und das Material ausgewaschen wird.
Beispiel 5 : Abwasser einer Papiermühle wird in einem Filter gemäss Beispiel 1 behandelt. Die Tragschicht und das Filtermaterial sind aber wie folgt zusammengesetzt :
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<tb>
<tb> Eine <SEP> Schicht <SEP> von <SEP> 100 <SEP> mm <SEP> mit <SEP> Korngrösse <SEP> 8-15 <SEP> mm,
<tb> eine <SEP> Schicht <SEP> von <SEP> 100 <SEP> mm <SEP> mit <SEP> Korngrösse <SEP> 5-8 <SEP> mm,
<tb> eine <SEP> Schicht <SEP> von <SEP> 500 <SEP> mm <SEP> mit <SEP> Korngrösse <SEP> 2-5 <SEP> mm.
<tb> eine <SEP> Schicht <SEP> von <SEP> 1300 <SEP> mm <SEP> mit <SEP> Korngrösse <SEP> 2-3 <SEP> mm.
<tb>
Beispiel 6 : Flusswasser mit 20-30 mg/l suspendierten Feststoffen, wird über ein offenes Filter gemäss der Erfindung geleitet. Dieses Filter hat eine Länge von 3 m, eine Breite von 2 m und eine Höhe von 1, 50 m. In einer Höhe von 20 cm oberhalb des Bodens ist ein Tragboden angebracht, in dem 250 sogenannte Spüldüsen (nozzles) angeordnet sind. Diese Düsen haben auf der Unterseite Röhren mit 12 mm Innendurchmesser, welche 150 mm unter dem Boden vorstehen und schief abgeschnitten sind. Oberhalb dieser Röhren ist eine Kappe mit 30 mm Durchmesser 10 mm über dem Boden mit einigen kleinen Stäben mit der Tragplatte verschweisst. Diese Spülköpfe (nozzles) arbeiten auf folgende Weise :
Wenn unter der Tragplatte Luft eingeführt wird, wird unter dieser Platte ein Luftkissen gebildet ; sobald dies genügend dick ist, wird Luft gleichmässig durch alle Spülköpfe abgeführt.
Diese Luft wird noch unter dem Material durch die Kappen dispergiert. Die Spülköpfe besorgen auch eine gleichmässige Dispersion des eintretenden, zu behandelnden Mediums sowie des Spülwassers. Obendrein ist auf der Tragplatte eine Schicht von Sand und Kies in einer Dicke von 1000 mm vorgesehen, die wie folgt aufgebaut ist :
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<tb>
<tb> Eine <SEP> Schicht <SEP> von <SEP> 100 <SEP> mm <SEP> mit <SEP> Korngrösse <SEP> 8-15 <SEP> mm,
<tb> eine <SEP> Schicht <SEP> von <SEP> 80 <SEP> mm <SEP> mit <SEP> Korngrösse <SEP> 5- <SEP> 8 <SEP> mm,
<tb> eine <SEP> Schicht <SEP> von <SEP> 80 <SEP> mm <SEP> mit <SEP> Korngrösse <SEP> 2-5 <SEP> mm,
<tb> eine <SEP> Schicht <SEP> von <SEP> 740 <SEP> mm <SEP> mit <SEP> Korngrösse <SEP> 1- <SEP> 2 <SEP> mm.
<tb>
150 mm unter der Oberfläche des Materials sind 100 regelmässig verteilte Drains angeordnet, die aus senkrechten rostfreien Stahlrohren (Durchmesser von 100 mm, 1 mm Wanddicke und 100 mm lang) mit in Längsrichtung verlaufenden Schlitzen (1 mm breit und 90 mm lang) bestehen. Im ganzen sind 19 Schlitze vorgesehen, welche 19 Lamellen bilden, die abwechselnd breit und schmal sind, wobei die breiten Lamellen 2 mm breiter als die schmalen sind. Weiter ist das Filter mit den notwendigen An- und Abfuhrleitungen und Ventilen versehen.
Stündlich werden 50 m3 Wasser unter dem Boden zugeführt ; die austretende Flüssigkeit wird durch die Abfuhrleitung abgeführt, auf der die Drains aufgestellt sind. Ein Vakuum von 2 m Wassersäule wird in A aufrecht erhalten. Das Filter wird gereinigt wenn der Druckverlust 10 m Wassersäule beträgt. Die austretende Flüssigkeit enthält 1-4 mg suspendierte Stoffe/l. Die Filterreinigung erfolgt durch Einführen von 6 m3 Luft innerhalb 30 sek und danach von 4 m3 Spülwasser/min während 5 min. Danach kann das Filter wieder für die Filtrierung gebraucht werden.
Beispiel 7 : Ein offenes Filter hat die folgenden Hauptabmessungen : 8 m lang, 3 m breit, 2, 5 m hoch und ist gemäss Fig. 3 ausgebildet.
Die Tragschicht und das Filtermaterial ist vom Boden bis zur Oberseite wie folgt zusammengesetzt :
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<tb>
<tb> eine <SEP> Schicht <SEP> von <SEP> 100 <SEP> mm <SEP> mit <SEP> Korngrösse <SEP> 30-40 <SEP> mm,
<tb> eine <SEP> Schicht <SEP> von <SEP> 100 <SEP> mm <SEP> mit <SEP> Korngrösse <SEP> 20-30 <SEP> mm,
<tb> eine <SEP> Schicht <SEP> von <SEP> 150 <SEP> mm <SEP> mit <SEP> Korngrösse <SEP> 10-20 <SEP> mm,
<tb> eine <SEP> Schicht <SEP> von <SEP> 1800 <SEP> mm <SEP> mit <SEP> Korngrösse <SEP> 6-10 <SEP> mm.
<tb>
150 mm unter der Oberfläche des Materials ist die Oberkante eines Reaktionselements angeordnet, das eine Maschenweite von 200 mm aufweist, aber sonst unter Verwendung geeigneter Verstärkungen gemäss Fig. 2 ausgebildet ist. 500 mm weiter unten ist ein zweites Gewebesystem angebracht, das eine Maschenweite von 300 mm hat.
Das Filter wird für die Filtration des Transportwassers angewandt, mit welchem die Zuckerrüben in
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gung durchtreten. Der Druckverlust im Filter ist dann 5 m Wassersäule. Beim Reinigen wird gleichzeitig während 2 min 1, 1 m3 Wasser und 2 m3 Luftjm2 Oberfläche an der Unterseite des Filters durch das Ver-
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teilungssystem zugeführt und die austretende Flüssigkeit in ein Becken abgeführt. Der Auslass liegt 100 mm oberhalb des Materials. Nötigenfalls wird der eintretenden Flüssigkeit Chlorgas zur Regelung der Gärung im Material und in der Flüssigkeit zugeführt.
Beispiel 8 : Wasser wird von unten nach oben über einen mit NaCl-Lösung regenerierten Kationenaustauscher von stark saurem Charakter enthärtet, der aus runden Teilchen mit einem Durchmesser von 0, 4 bis 0, 9 mm besteht. Im Bett ist auf einer Höhe von 5 cm unter der Oberfläche eine waagrechte Platte montiert, welche auf der Oberseite mit konischen Spiralen versehen ist.
Diese Spiralen schliessen mit ihren Grundflächen aneinander an ; 1600 Spiralen sind pro m2 Filter- querschnitt angeordnet (Fig. 5). Jede Spirale ist aus einem Draht mit einem Durchmesser von-3 mm und l m Länge gewunden, die ersten drei Windungen haben einen Aussendurchmesser von 25 mm, anschliessend verlauft die Spirale konisch, wobei die oberste Windung einen Aussendurchmesser von 11 mm hat. Zwischen benachbarten Windungen ist von 0, 2 bis 0, 4 mm Spiel.
Beim Regenerieren des Bettes wird ein Teil des groben Mediums von unten abgeleitet und durch ein Rohr von 50 mm Durchmesser über die Spiralen geleitet, wo mit einer linearen Geschwindigkeit von ungefähr 10 m/h während 3 min gespült wird, wobei das Bett in normaler Weise expandiert. Die übrigen Tätigkeiten sind wie üblich. Die Filtrierung des zu erweichenden Wassers von unten nach oben erfolgt mit einer Geschwindigkeit von 20 m/h, bei der das Bett im unteren Teil des Filters fixiert wird, während der Regeneration und beim Rückwaschen nach unten wird der Kationenaustauscher zu einem Bett unter dem Reaktionselement vereinigt.
Diese in Beispiel 8 angegebene Vereinigung des Materials zu einem kompakten Bett unter dem Reaktionselement ist öfters erwünscht, im besonderen dann, wenn das Medium aus feinem Material besteht.
Die in Beispiel 8 genannten Spiralen sind auch ausgezeichnete Drains und wirken einigermassen als Rückschlagventile.
Besondere Aufmerksamkeit erfordert noch die Art und der Grad der Beladung des Materials mit den aus der zu behandelnden Flüssigkeit abgeschiedenen Feststoffen.
Bei geringer Filtrationsgeschwindigkeit und einer feineren Granulometrie des Materials werden diese Feststoffe im Filterbett unten abgeschieden. Bei zu hoher Filtrationsgeschwindigkeit und/oder grobem Filtermaterial kann die Abscheidung ungenügend sein, so dass das austretende Medium nicht gut gereinigt erhalten wird und die Absetzung zu hoch im Material erfolgt und daher dort ein grosser Teil des Druckverlustes auftritt. Dieser kann sogar lokal viel höher werden als irgendwo anders in derselben Horizontalebene.
Unter diesen Umständen kann dann unzeitiger Durchbruch des Mediums auftreten, wenn örtlich zu hohe Flüssigkeitsgeschwindigkeiten auftreten oder wenn der Druckverlust zu gross wird. Selbstverständlich spielt hier die Maschenweite des Rostes eine wichtige Rolle.
Man kann, falls man die Geschwindigkeit sehr hoch halten möchte, die Schichtentiefe des Materials vergrössern oder dafür Sorge tragen, dass das Material vor der Filtration gut zusammengedrückt wird, z. B. u. a. durch zeitweises Filtrieren von oben nach unten durch gutes Absetzenlassen des Materials oder gegebenenfalls durch Vibration. Die letztgenannte Massnahme ist bei sehr fein granulierten oder pulverförmigem Material besonders erforderlich, ist aber auch sonst empfehlenswert.
Das Element ist im allgemeinen fest mit dem Filter verbunden. Es kann aber in Sonderfällen erwünscht sein, dass es nicht verbunden ist, so dass eine zusätzliche Expansion des Bettes möglich ist, indem das Gewebe relativ zum Filtergehäuse verschiebbar ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Aus körnigen Feststoffen bestehendes Filter mit einer im Durchlass eines Gehäuses angeordneten Feststoffschicht, dadurch gekennzeichnet, dass in der Feststoffschicht in der Nähe seiner Oberseite Stützelemente vorgesehen sind, die eine den Durchlassquerschnitt des Gehäuses im wesentlichen unvermindert belassende und in mehrere Zellen unterteilende Form aufweisen.