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Verfahren und Vorrichtung zum Filtern von Flüssigkeiten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Filtern von Flüssigkeiten, z. B.
Wein, öl, Benzin und hauptsächlich Wasser, womit jede in üblicher Weise vorbereitete Rohflüssigkeit betriebssicher und billig gereinigt und die Reinigung des körnigen Filtermaterials der Vorrichtung binnen einigen Minuten durchgeführt werden kann.
Die schwebenden Verunreinigungen der Oberflächengewässer, besonders der fliessenden Gewässer werden im allgemeinen durch Filtration nach Absetzen entfernt.
Zur Filtration wird eine aus Körnern, meistens aus Sandkörnern, bestehende Filterschicht verwendet. Auf dieser primären Filterschicht bildet sich aus künstlichen Flocken oder aus natürlichen schwebenden Teilchen eine sekundäre Filterschicht aus, die die ganz feine, sogenannte Kristallfiltration ermöglicht.
Bei dem früher allgemein üblichen Verfahren lässt man das zu filternde Rohwasser durch eine 1 bis 2 m dicke horizontale Schicht, im allgemeinen von oben nach unten vertikal durchströmen, wobei die im Rohwasser befindlichen schwebenden Verunreinigungen während des Durchströmens der Filterschicht zwischen den Körnern zurückbleiben.
Ein Nachteil dieser bekannten Filtervorrichtungen ist, dass sich die Lücken zwischen den Körnern nach verhältnismässig kurzer Betriebszeit mit den schwebenden Verunreinigungen füllen, worauf die Filterschicht ihre Filtrierfähigkeit rasch verliert und häufig gereinigt werden muss.
Es sind ferner schon sogenannte statische Filtervorrichtungen bekanntgeworden, bei denen die Rohflüssigkeit durch eine in einem Filtergefäss befindliche, aus körnigem Material bestehende Filtersäule strömt. Für die Reinigung dieser Filtersäule werden die Filterkörner vom unteren Teil der Säule durch einen Wasserstrahl in den oberen Teil der Säule gefördert, und durch Spülung gereinigt. Während des Reinigungsprozesses ist die Filtration unterbrochen. Vorrichtungen dieser Art sind z. B. in den österr. Patentschriften Nr. 39185, Nr. 69067, Nr. 100452 und Nr. 108430, ferner in der deutschen Patentschrift Nr. 132914 beschrieben.
Zum Durchspülen der Körner muss ziemlich viel Reinwasser verwendet werden. Das bedeutet einen grossen Verlust, denn der Zweck des Verfahrens ist eben das Gewinnen von Reinwasser. Zum Zurückspülen wird deshalb Reinwasser verwendet, weil das zum Zurückspülen notwendige Wasser nur durch die einige Zehntel mm breiten Verteilerspalten unter die Filterschicht eingeführt werden kann und das Rohwasser die Spalten verstopft. Die Spalten müssen aber deshalb so klein sein, weil sie am Oberteil des Verteilerraumes des Spülwassers angebracht sind und wenn die Spalten grösser wären, würden sie die Filterkörner durchlassen, die in den Verteilerraum fallen und ihn verstopfen würden. Bei den bekannten Filtern ist in jedem Fall ein Unterbau und eine Kiesschicht von über 1 m Dicke mit nach oben allmählich geringer werdender Korngrösse erforderlich.
Diese Vorrichtungen erfordern viel Raum und teure Einrichtungen, wobei der Ausnutzungsgrad sehr gering ist.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Korngrösse sehr gleichmässig sein muss. Die Gleichmässigkeit der Korngrösse ist bei den herkömmlichen Sandfiltern mit horizontaler Schicht deshalb eine so strenge Forderung, weil beim Rückspülen eine nachteilige Segregation auftritt. Die feinsten Körner bilden nämlich nach dem Zurückspülen immer die oberste Schicht, so wird also, sehr
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ungünstigerweise, das Schlammaufnahmevermögen von dieser Schicht bestimmt. Die grosse, oft 1 bis
2 m Sandschichtstärke bleibt praktisch unausgenutzt, weil nur eine Sandschicht von einigen cm (oft 2 bis 3 cm) filtert, der übrige Teil der Schicht bloss die Rolle einer unausgenutzten Stützschicht spielt.
Ein grosser Nachteil der bekannten statischen Filter besteht auch darin, dass auf der oberen
Filterfläche auf der Einströmungsseite während des Betriebes in einer Tiefe von einigen cm allmählich eine klumpenartige Einkrustung auftritt, umsomehr, da die wiederholte Zurückspülung die feineren
Sandkörner allmählich auf den oberen Teil der Filterschicht spült und diese durch den in die Schicht eindringenden Schlamm noch leichter zu Klumpen zusammenstehen. Man hat versucht, diese eingekrustete Schicht durch einen starken Wasserstrahl zeitweise aufzulockern, aber mit ungenügendem Ergebnis. Das Auflockern der Schicht ist kostspielig, erfordert viel Wasser und ist nur von vorübergehender Wirkung.
Ein weiterer Nachteil dieser statischen Filtervorrichtungen, bei denen zur Bewegung oder Förderung des Filtersandes eine Wasserstrahlpumpe angewendet wird, besteht darin, dass die Sandkörner das das Spülwasser einführende Rohr in einer sehr kurzen Zeit, oft in einigen Wochen verschleissen.
Die oben beschriebenen statischen Filter mit horizontaler, ruhender Filterschicht ermöglichen zwar eine Kristallfiltration, doch ihre Unwirtschaftlichkeit führte in letzter Zeit zur Entwicklung eines Verfahrens, bei dem die aus Körnern bestehende Filterschicht als eine vertikale oder annähernd vertikale Filtersäule zwischen entsprechend ausgebildeten flüssigkeitsdurchlassenden Wänden ausgebildet wird und diese Filtersäule sich nach unten bewegend zirkuliert. Dadurch ist die Filterschicht ständig zum Filtern bereit. Die Aufgabe der Wände ist die Abstützung und Führung der Filtersäule und der entsprechende Durchlass der Flüssigkeit. Die zu filternde Flüssigkeit strömt im Wesen horizontal durch die Filtersäule.
Bei diesem Verfahren sind die Nachteile der statischen Filter beseitigt, weil bei diesem sogenannten "Filter mit beweglichem Bett" eine Filtersäule von einigen cm infolge des ständigen Austausches der sich nach unten bewegenden Filterkörner genügt. Die Reinigungsanlage wird um ein Vielfaches kleiner, es genügt dazu ein bedeutend kleineres und billigeres Gebäude und zur Zirkulierung der wenigeren Filterkörner ein Luftkompressor mit geringer Leistung. Die Einkrustung der Oberfläche wird vermieden und die Gleichmässigkeit der Körner ist keine wesentliche Forderung.
Die Feinheit der Filtration ist aber bei diesen Filtern mit beweglichem Bett nicht ausreichend, weil die sich nach unten bewegende Filtersäule entlang ihrer Höhe nicht gleichmässig ist, sondern nach unten allmählich immer mehr verunreinigt wird. Deshalb wird diese Säule nach unten immer dichter, folglich weniger durchlassfähig, oben aber kommt nur ein lockeres Filterbett mit nicht entsprechender Filterfähigkeit wegen der unausgebildeten Beschaffung des sekundären Filterbettes zustande. Es kann also keine sogenannte Kristallfiltration durchgeführt werden.
Der aus der ungleichmässigen Verunreinigung stammende oben erwähnte Nachteil kann zwar durch diskontinuierliche Bewegung der Filtersäule, statt deren kontinuierliche Bewegung beseitigt werden, in diesem Fall verringern sich aber die Wirtschaftlichkeitsvorteile dieser Filtration.
Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Filterverfahrens, sowie die Herstellung einer dazu geeigneten Vorrichtung, womit bei Behaltung von sämtlichen vorteilhaften Eigenschaften der Vorrichtungen mit beweglichem Bett die bei den statischen Filtern übliche Feinheit der Kristallfiltration erreicht wird.
Die Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst werden soll, ist die Reinigung und Spülung der bei den Filtern mit beweglichem Bett angewandten vertikalen Filtersäule, wobei die Änderung der Filterfähigkeit entlang der Höhe der Filtersäule beseitigt wird und womit die verunreinigten Körner der Filtersäule wieder gereinigt werden können, ohne dass dazu die kontinuierliche oder diskontinuierliche Bewegung der Filtersäule nach unten notwendig wäre.
Ausgehend nun von einem Verfahren zum Filtern von Flüssigkeiten, bei dem die Rohflüssigkeit durch eine vertikale, aus körnigem Material bestehende Filtersäule in horizontaler Richtung strömen gelassen wird, welche Filtersäule auf der Seite des Eintritts der Rohflüssigkeit durch eine Jalousiewand, auf der Seite des Austritts der gefilterten Flüssigkeit durch eine Siebwand begrenzt ist, und das Filtern in Intervallen unterbrochen wird, in denen Filtermaterial vom unteren Teil zum oberen Teil der Filtersäule gefördert wird, besteht das Wesentliche dieser Verfahrensweise darin, dass die verunreinigte, neben der Jalousiewand befindliche Schicht der Filtersäule mittels eines gegen die Filterrichtung gerichteten Flüssigkeitsstosses in vertikaler Richtung nach oben durch die Spalten der Jalousiewand auf die andere Seite der Wand geschoben wird,
worauf das sich unterhalb der Jalousiewand ansammelnde
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bekannter Art zu verstehen.)
Um das erfindungsgemässe Verfahren zu verwirklichen, wird eine Vorrichtung verwendet, bei der die Filtersäule zwischen einer kreiszylindrisch ausgebildeten, inneren Jalousiewand und einem konzentrisch zur Jalousiewand angeordneten Siebgeflecht vorgesehen ist, wobei zwecks Ausbildung eines Verteilerraumes für die Rohflüssigkeit im Inneren der Jalousiewand konzentrisch zu dieser mit geringem Wandabstand ein unten offenes Ablenkrohr vorgesehen ist, das mit einer Zufuhrleitung für die Rohflüssigkeit verbunden ist.
Unterhalb der Filtersäule ist ein Verteilergefäss für die Zufuhr der Spülflüssigkeit und unterhalb des Verteilerraumes für die Rohflüssigkeit ein Sammelgefäss für das verunreinigte Filtermaterial vorgesehen, von dem ein Mammutpumpenrohr in den Oberteil des
Filtergefässes führt.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann vorteilhaft mit weiteren Konstruktionselementen ergänzt werden. So dadurch, dass die Öffnungen im Verteilergefäss für die Spülflüssigkeit am Boden des Gefässes ausgebildet sind und ihre Abmessung das Mehrfache der maximalen Abmessung der verwendeten Filterkörner beträgt. Die grosse Abmessung der Öffnungen ist aber mit dem Vorteil verbunden, dass zur Reinigung der Filtersäule Rohwasser verwendet werden kann. Deshalb ist es zweckmässig, die Durchführungsöffnungen des Spülwasserverteilers bei der erfindungsgemässen Vorrichtung auf diese Weise auszubilden.
Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung kann ferner das Verteilergefäss mit der Zufuhrleitung für die Rohflüssigkeit durch eine Leitung verbunden sein, bei deren Abzweigung ein Umschaltventil eingebaut ist, das die Rohflüssigkeit in eine der Rohrleitungen leitet.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung näher erläutert.
In einem vertikal stehenden Gefäss --1-- ist parallel oder annähernd parallel zu den Seitenwänden ein aus Jalousieplatten bestehendes Jalousierohr-2--mit geschlossener Decke und offenem Boden angeordnet. In diesem Jalousierohr ist ein Ablenkrohr --3-- vorgesehen, dessen Wand in einem bestimmten Abstand vom inneren Rand der Jalousieplatten liegt und entlang des Jalousierohres verläuft. Am oberen Ende des Ablenkrohres-3--ist die Einströmungsleitung - -4--, die die zu filternde Flüssigkeit in das Ablenkrohr --3-- führt, angeschlossen. Die Breite des zylinderförmigen Rohwasserverteilerraumes zwischen dem Jalousierohr--2-und dem Ablenkrohr - kann empirisch, abhängig von der Sandkorngrösse, bestimmt werden. Im Falle grösserer
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z. B.Siebgeflecht --5-- gelangen.
Das gefilterte reine Wasser wird vom Zwischenraum --6-- durch den oben angeschlossenen Sammelkanal --7-- und den Rohransatz --8-- abgeleitet.
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--10-- mit- -13-- eingebaut, das das Rohwasser wahlweise entweder durch die Einströmungsleitung-4-in das Ablenkrohr--3-, oder durch das Rohr--12--in das Spülwasserverteilergefäss --10-- leitet.
Am Umfang des Bodens des Spülwaserverteiler gefässes --10-- sind mehrere Öffnungen --14-- verteilt angeordnet, durch die das Spülwasser in die Filtersäulen strömen kann.
Das erfindungsgemässe Verfahren läuft in der beschriebenen Vorrichtung während des Betriebes folgenderweise : Das Rohwasser strömt durch die Einströmungsleitung--4--kontinuierlich in das Ablenkrohr--3--, und verlässt dieses am unteren Ende, worauf es nach oben im Rohwasserverteilerraum zwischen dem Jalousierohr--2--und dem Ablenkrohr --3-- strömt. ES tritt zwischen den Platten des Jalousierohres-2-hindurch und durchsetzt in beinahe horizontaler Richtung die Filtersäule, wobei es durch das in den Spalten der Filterkörner aus den Teilchen des Verunreinigungsmaterials zustandekommende sekundäre Filterbett gefiltert wird bzw. die
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Verunreinigungen ausgeschieden werden.
Das Reinwasser gelangt aus der Filtersäule in den Zwischenraum--6--, von wo es durch den Sammelkanal--7--und den Rohransatz--8--zum Speicherungs-oder Verwendungsort geleitet wird. Während des Filtrations-Reinigungsprozesses fliesst im Rohr--12--kein Rohwasser.
Nach einem Betrieb von mehreren Tagen kann es vorkommen, dass die Schicht der aus unbeweglichen Körnern zusammengesetzten Filtersäule hauptsächlich neben dem Jalousierohr--2--
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Einströmungsleitung--4--abgeschlossenSpülwasserverteilergefäss --10-- geleitet wird. Das Spülwasser strömt dann durch die Öffnungen --14-- in die Filtersäule, wobei es die Filterkörner vom Boden des Spülwasserverteilergefässes - 10--mit sich reisst. Hiebei lässt es, in der Filtersäule strömend, die Schicht der Filtersäule neben dem Jalousierohr--2--durch die Spalten zwischen den Platten des Jalousierohres in den
Rohwasserverteilerraum neben dem Jalousierohr gleiten.
So wird bei der Rezirkulierung entgegen der
Filterrichtung immer nur der zur Einkrustung neigende, am stärksten verunreinigte Teil der Filtersäule gründlich gereinigt. Das verunreinigte, schlammige Wasser wird durch den im oberen Teil des Gefässes --l-- angebrachten, das Flüssigkeitsniveau--11--bestimmenden Rohransatz--15--aus dem Gefäss entfernt.
Die Einführung des Rohwassers in das Spülwasserverteilergefäss--10--wird nach Beendigung des Spülens durch Umstellung des Ventils--13--abgestellt und das Mammutrohr durch Einblasen von Luft durch das Rohr--16--in Betrieb genommen. Auf diese Weise wird der Sand, der während des Spülens in den Rohwasserverteilerraum zwischen dem Ablenkrohr--3--und dem Jalousierohr --2-- gelangt ist, und der Sand im Sammelkegel-9-durch das Rohr-17-auf den oberen Teil der Filtersäule gehoben. Nach Entfernung des Sandes wird durch öffnen des Ableitungsrohres - 8--der Filtrationsprozess wieder in Gang gesetzt.
In den Rohrabschnitt hinter dem Sperr-Umschaltventil--13--für das Rohwasser kann eine mit Schwimmer versehene Sperr-bzw. Regeleinrichtung eingefügt werden, die die Menge der durch die Filtersäulen je Zeiteinheit strömenden, d. h. gereinigten Flüssigkeit registriert und durch entsprechende Drosselung der Einströmungsleitung des Rohwassers das konstante Wasserniveau sichert.
Die wichtigsten Vorteile der erfindungsgemässen Vorrichtung sind darin zu sehen, dass keine sehr dicke Filtersäule notwendig und die Reinigung von wenigen Filterkörnern mit wenig Wasser möglich ist.
Ferner sind keine kostspieligen maschinellen Einrichtungen erforderlich. Die Gleichmässigkeit der Korngrösse spielt keine wesentliche Rolle, da bei der Rückspülung die infolge der Segregation oben befindliche feine Sandschicht an der Filtration nicht teilnimmt und auf diese Weise das Schlammaufnahmevermögen auf das 10 bis 15fache erhöht wird. Das grösste Problem der statischen Filter, nämlich die dicke Einkrustung, tritt nicht auf, da sich auf der ganzen Filterfläche ständig ein gleichmässiges sekundäres Filterbett ausbildet und die so verunreinigte Oberflächenschicht mit einem einzigen Wasserimpuls voll und ganz entfernt werden kann.
Zur Rückspülung kann statt reinem Wasser auch Rohwasser verwendet werden, da das Spülwasser einerseits nicht durch das Leitungssystem der Abführung des gefilterten Wassers eingeführt wird, anderseits am Spülwasserverteilergefäss Einführungsöffnungen mit grossen Abmessungen angebracht sind.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt. So kann z. B. das Organ, das die Konstanz des Wasserniveaus sichert, auch anders ausgestaltet werden, die Form des Gefässes kann zylindrisch oder auch eckig sein, zur Ableitung des Reinwassers können auch Sammelrohre verwendet werden, das Entfernen des Sandes aus dem Sammelkegel kann statt eines Mammutrohres auch mit einer Wasserstrahlpumpe erfolgen und statt des Umschaltventils kann auch ein Rückschlagventil angewandt werden.
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