CN103100251A - 从大流量流动液体分离和过滤颗粒及有机物的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于从流动液体中过滤固体颗粒和有机物以及用于清洗过滤器构件的装置和方法，所述装置和方法在清洗过滤器构件时保持来自系统的过滤后液体的正向流动。湍流、紫外线以及系统压力为所述装置和方法的各个方面。

Description

从大流量流动液体分离和过滤颗粒及有机物的装置和方法

本申请是申请人为比吉尔·尼尔森，申请日为2006年5月2日,发明名称为“从大流量流动液体中分离和过滤颗粒及有机物的装置和方法”的中国专利申请200680054430.5（国际申请号：PCT／US2006/016859）的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于从流动液体中过滤固体颗粒和有机物的装置和方法。

背景技术

水过滤系统利用最终阻碍固体颗料和有机物的滤网或过滤器构件，因此需要对过滤器构件进行清洗从而保持过滤系统的操作效率。

发明内容

本申请涉及一种用于从大流量流动液体中分离和过滤颗粒和有机物的装置和方法，所述大流量流动液体在水泵出口压力的作用下被传送到具有多个过滤器构件的过滤器腔室，所述装置和方法包括过滤器构件反冲洗自清洗系统和气体辅助的水过滤和处理，所述装置和方法可用在包括压载水处理、冷却水、养鱼场、便携水以及工业用水的大流量水处理应用中。

本发明的目的在于提供一种能够从大流量液体中分离和过滤颗粒和有机物的装置，所述液体在水泵入口压力下经过位于过滤器壳体中的多个平行过滤构件，从而在大量液体流过过滤装置时能够对各个过滤器构件进行清洗。

为此目的，本发明提供一种在预定压力下从大流量液体中分离和过滤颗粒和有机物的装置，所述装置具有过滤器构件的自清洗系统，所述装置包括：

具有入口管的入口腔室，所述入口管在预定压力下从水泵系统接收进入液体；

过滤器壳体，用于定位多个细长的过滤器构件，每个过滤器构件在一端连接到所述入口腔室，每个过滤器构件的另一端位置过滤器腔室中靠近出口喷嘴的位置上；

从所述过滤器壳体延伸出来的出口喷嘴，用于传送来自系统的过滤后的液体；

过滤器构件反冲洗装置，其中，每个过滤器构件的另一端通过反冲洗管和反冲洗阀连接到淤积物歧管；

一组翼片，位于每个过滤器构件的一端上，用于引导液体流入过滤器构件的内部以沿着过滤器构件的内表面进行清洗动作；

用于每个过滤器构件的气体注入管，用于辅助进行清洗过滤器构件和液体处理；以及

反向压力控制器，安装在液体流动系统中，用于确保足够的反向压力以将淤积物从淤积物腔室中排出，所述淤积物腔室用于船上系统以及在水位线或海平面以下进行排放的其它海运系统。

在一个优选的实施例中，所述装置和方法包括紫外线腔室，用于对液体进行处理，以便阻止例如细菌、微生物和病原体的水生有害生物的活动。

反冲洗周期由主要的入口与出口之间的压力差启动。当该压力差在过滤器/分离器腔室中达到预定的数值（典型地为30毫巴）时，反冲洗启动并且由可编程逻辑计算机（PCL）控制。

本发明的过滤器/分离装置具体地适用于在船上压载水系统上去除颗粒和有机物，从而减少压载容器中的沉淀物负荷，并且阻止水生有害生物的扩散。船只使用大流量低压水泵，泵房通常低于海平面从而在淤积物排放系统中产生反向压力。反向压力控制器在淤积物系统上保持足够的压力差以便促进淤积物从船只排出。

通过对于本发明优选实施例的以下详细描述的理解或者通过在实践在使用本发明，本发明的其它目的、优势和优选特征将会变得明显。

附图说明

本发明的优选实施例被选择来进行详细描述，以便使得本发明相关的技术领域的普通技术人员能够理解本发明如何运作，这些优选实施例在附图中示出，其中：

图1为本发明装置的侧视截面图；

图2为图1中所示装置的上翼缘的俯视图；

图3为图2中所示上翼缘的截面图；

图4为图1中所示装置的过滤器壳体凸缘的俯视图；

图5为图4中所示的过滤器壳体凸缘的截面图，其中示出了过滤器构件的位置；

图6为过滤器壳体底缘的平面图；

图7为图6中所示底缘的截面图，其中示出了过滤器构件的位置；

图8为图1所示过滤器壳体装置的淤积物排出歧管的仰视图；

图9为图1所示过滤器壳体装置的过滤器构件形成部件；

图10为本发明装置的修改实施例的侧视截面图；

图11为图10所示的过滤器壳体装置的淤积物排放歧管的仰视图；

图12为图11所示歧管的截面图；以及

图13为图1所示装置与紫外线处理腔室以及其它用于处理压载的船上设备一起使用的示意图。

具体实施方式

参照附图，根据本发明的装置10包括用于过滤大流量流动液体的过滤器壳体12、置于壳体中的过滤器构件14（分别由数字I、II、III和IV表示）、用于接收液体以及将液体引导到过滤器壳体的入口歧管16、用于从过滤器壳体传输过滤之后的液体的出口18，以及淤积物歧管20，用于从过滤器壳体接收和去除由过滤器构件从本发明装置所处理的液体中过滤出来的颗料及有机物淤积物。

过滤器壳体是一个限定过滤器壳体腔体12b的细长壳体12a，优选地为圆柱形，其具有过滤器壳体凸缘22及底缘24。出口喷嘴26从壳体上靠近底缘的位置向外伸出。多个过滤器构件14利用分别与过滤器壳体凸缘和底缘相适合的构件端部14a和14b被固定在壳体中，所述多个过滤器构件14优选地如图1-9所示具有四个过滤器构件。

过滤器壳体上装有限定入口腔室16a的入口歧管16，所述入口腔体16a固定到过滤器壳体凸缘22。入口歧管包括入口管16b和注入上翼缘26，注入管28通过注入上翼缘26以将化学制品注入正在处理的液体中。上翼缘26（图2和图3）是具有穿过其中的注入管开口28a的圆板。

过滤器壳体凸缘22如图4和图5所示，其包括具有四个带有斜面的开口22a的圆板，所述开口22a用于接收和支撑过滤器构件的入口端部14a。凸缘的外围22b使用通过钻孔的螺钉22c固定至过滤器壳体和入口腔室。类似地，底缘24（图6和图7）为具有多个开口24a以及一系列外围钻孔24b的圆板，所述开口24a用于接收过滤器构件的出口端部14b，所述外围钻孔24b用于将凸缘拧到过滤器壳体上。

如图1、7和8所示，具有一体成型歧管凸缘21的淤积物排放歧管20使用底缘24固定到过滤器壳体上。淤积物排放歧管包括一组导管20a-d，其中一个导管从每个过滤器构件14I-IV的底端延伸到排放歧管容器30，在每个导管中具有反冲洗阀32a-d。淤积物歧管凸缘21通过底缘24固定到过滤器壳体（图1和图7）。

在图1-9的实施例中，过滤器壳体配置有四个过滤器构件，所述过滤器构件由过滤器壳体凸缘22和底缘24在其端部14a和14b进行支持。根据过滤器的直径，过滤器壳体可以配置有任何数量的过滤器构件，并且可以对过滤器的长度进行选择以便使得过滤器适于可用的安装空间。并且过滤器壳体可以定向在水平到垂直的任何位置上。

每个过滤器构件（图1、5和9）为楔形金属丝过滤器，其由三个部件组成：上支撑件14a、滤网14c以及底端环14b。上支撑件焊接到滤网并且加工为适合过滤器壳体凸缘22的斜面开口22a。上支撑件还具有边缘14d（图5），所述边缘14d置于凸缘22的上面以便承受过滤器的载重，所述上支撑件还具有用于进入过滤器内部腔室14f的开口14e。每个过滤器构件的上支撑件的开口14e配置有翼片32，所述翼片32将液体流动设定为过滤器构件内部的螺旋运动。另外，翼片34（图5）可放置在过滤器构件腔室14f中以便在构件内部获得湍流。

如下面将要详细描述的，在过滤器构件的反冲洗期间，翼片32和34对于流入构件的水造成的螺旋运动对过滤器的内表面进行清洗，从而提高了反冲洗操作的效率。滤网14c自身由具有50微米缝隙的楔形金属丝制成，其具有内部支撑件来加强滤网以便承受最少8巴的破坏压力。应当理解，滤网可以具有其它的过滤等级。底端环14b被焊接到滤网上，其外部直径稍小于滤网，并且适于进入设置在底缘24中的钻孔（24a）（图7）。

所述分离和过滤装置被特别设计用于例如压载水处理、冷却水、养鱼场、便携水以及工业用水的大流量系统中，用于从液体中去除悬浮颗粒以及有机物。液体流经入口喷嘴，进入入口腔体，并流入由进入开口翼片造成的螺旋运动中的过滤器构件，从而进入装置。液体在过滤器构件中通过缝隙流入过滤器壳体腔室。与过滤级别（filtration grade）相比较大的颗粒和有机物在过滤器构件的内表面上被阻挡。过滤后的水从出口喷嘴26排出。

收集在过滤器构件内表面上的颗粒和有机物会逐渐地阻塞过滤器，所以过滤器必须通过反冲洗操作进行清洗。每个过滤器构件的反冲洗可以在一个设定的时间之后由过滤器入口或出口上存在的不同压力启动。根据本发明，同一时间仅有一个过滤器构件进行反冲洗，从而装置能够继续将过滤后的水通过其它的过滤器构件进行传输。

当过滤器构件IV（图1和图8）的反冲洗阀32b打开时，过滤器构件内的水流入淤积物排放歧管30。过滤器构件内的压力得以减小，并且有来自过滤器壳体腔室12b的已经过滤了的水通过过滤器构件发生反向的自由回流。当反冲洗阀32b打开时，过滤器壳体腔体内的压力大于过滤器构件IV内的压力，从而来自剩余操作构件I-III中的过滤了的水反向流动（反冲洗）进过滤器构件IV中。楔入或夹在过滤器构件IV的过滤器缝隙中的颗粒被反冲洗到过滤器中。由于压力得以减小，所以通过过滤器构件回流的液体的速度增加了，从而能够清洗过滤器构件的内表面。同时，事先过滤的水或来自入口腔体16a的未经过滤的水流入过滤器构件，所述水在入口翼片32的作用下发生螺旋运动，从而提高过滤器构件的内表面的清洗效果。

在反冲洗期间，将水提供到装置中的水泵P（图13）正常工作。从装置中排放过滤后的水减少了进入淤积物歧管的量。

反冲洗的时间由控制器设定并且可以根据水中的灰尘量进行调节。如果过滤器构件在所设定的时间之前发生阻塞，则压差开关启动反冲洗操作。在对过滤器构件IV进行了反冲洗操作之后，反冲洗阀32b关闭，阀门32c打开以便清洗过滤器构件II。在已经冲洗完所有过滤器构件之后，过滤器装置重新回到正常的操作模式。来自各个过滤器构件的沉淀水通过各个歧管导管20a-d流入收集容器30。收集容器连接到船上的外侧排放管，在陆地应用中则连接至淤积物处理设备。

在船上安装中，当装置被安装到船的水位以下时，在淤积物排放管中存在一个等于船只的负荷物重量的反向压力。控制阀（未示出）安装在淤积物排放管上，所述控制阀在过滤器系统中自动保持一个大于反向压力的内压。控制阀将对清洗液体和淤积物之间的水平衡进行调节，并且保持排放淤积物所需的系统压力，而不需要使用淤积物排放泵。

通过上翼缘26（图1-3）的注入管28提供了空气辅助反冲洗，一个注入管用于一个过滤器构件。在反冲洗其间，空气改善了反冲洗，特别是在水非常脏的情况下更是如此。空气注入有利于水发生湍流，并且为更好地清洗过滤器构件提高了效率。使用了7巴的船只压缩空气。

注入管还可以用于氮、臭氧、过氧化氢等的压载水应用中。对于便携水或废水而言，可以添加氯。根据所选择的喷嘴，位于注入管末端以及过滤器构件入口处的注入喷嘴（未示出）将气体扩散到微小的气泡中或者将液体和气体均匀地混合到水中。

有两条通过装置的液体路径，第一过滤液体路径和第二或反冲洗液体路径，所述路径由反冲洗阀32a-d的关闭位置和打开位置确定。

当所有的反冲洗阀门关闭时，过滤液体路径建立。在入口管16b处进入装置的液体通过入口腔体16a及其顶端开口14e（图5）进入每个过滤器构件，填充过滤器构件的内部及其淤积物歧管导管20a-d直至反冲洗阀32a-d。过滤器构件中的液压大于过滤器壳体腔室外中的液压，从而液体继续沿着第一路径通过滤网流入过滤器壳体腔室并且通过出口喷嘴26流出。

当一个反冲洗阀（例如32b）打开并且过滤器构件IV中的压力低于过滤器壳体腔室中的压力时，第二液体路径建立。来自入口腔室16a的水流入过滤器构件开口14d，并通过过滤器构件的内部流入淤积物歧管导管20b，并继续流入淤积物歧管。同时，通过经由滤网回流到过滤器构件的内部，过滤器壳体腔体中已过滤的液体加入第二液体路径，并继续进入淤积物歧管导管20b并进入淤积物歧管。包括已过滤的水、未过滤的水以及有机物和颗料的淤积物继续从淤积物歧管沿第二液体路径流到船外排放管道或者在陆地应用中流到其它处理点。

本发明的装置40的经修改的实施例在图10-13中进行了描述，其包括过滤器壳体42、置于壳体中的过滤器构件14、用于接收液体并将液体引导到过滤器壳体的入口歧管44、用于从过滤器壳体传送已过滤液体的出口46，以及用于对来自过滤器壳体的颗粒和有机物淤积物进行接收和排放的淤积物歧管48，所述淤积物由过滤器构件从所述装置处理的液体中经过滤得到。

过滤器壳体是限定壳体腔室的细长壳体，优选地为圆柱形，并且配置有过滤器壳体凸缘50和底缘52。出口喷嘴46从壳体上靠近底缘的位置伸出。多个过滤器构件14使用构件端部14a和14b固定在壳体中，所述构件端部14a和14b分别适合于装到过滤器壳体凸缘和底缘中。

过滤器壳体上装有固定至过滤器壳体凸缘的入口腔室44。入口腔室包括入口管44a以及注入上翼缘54，注入管56通过注入上翼缘54。

过滤器壳体凸缘50、底缘52和注入上翼缘54与图4-7中所示的相应部件的设计相类似。

如图10-12所示，淤积物排放歧管56通过底缘固定到过滤器壳体上。淤积物排放歧管56包括多分割为多个间隔56a-d的容器，典型地，所述容器被分割为4个间隔，每个间隔具有通过底缘的过滤器构件进入开口以及带有反冲洗阀的出口管58a-d，所述出口管58a-d从每个间隔的底部延伸至淤积物排放容器。出口管通过凸缘57（图10、11）连接到歧管56的下侧。为方便说明，图10中所示的反冲洗阀60和用于导管58c的淤积物容器48也适用于对于58a、58b和58d的说明。

淤积物歧管容器的每个间隔从多个过滤器构件接收反冲洗排放。在图10中，显示了通过底缘连接到歧管容器的间隔56a的三个过滤器构件。在这种方案中，在能够运用单个控制阀58a的操作进行多个过滤器构件的反冲洗的同时，避免了不适当的管道安排复杂度。

如图11和图12所示，多个过滤器构件将水排放到单个间隔中，单个导管和阀将每个间隔连接到淤积物排放容器，如标号48和60所示。

导管、阀、淤积物排放容器以及过滤器构件与图1-9中的实施例相同。

图13示出了根据本发明装置的用于处理压载水的船上安装应用的示意图。大流量、低压的压载水泵P将海水以两种方式中的一种方式提供到过滤器/分离设备。首先，压载水可以事先通过用于分离和过滤颗粒和有机物的设备D进行了过滤。该设备在我们的国际申请PC／US02/41909中进行了描述并主张权利，其包括圆锥或圆柱形的入口腔室D1，在入口腔室D1中液体产生循环流动而不生成旋涡，液体加速进入分离和过滤腔室D2，在腔室D2中，液体绕腔室中央纵向放置的过滤器构件发生旋转，地心引力将较大较重的颗粒向分离和过滤腔室的外围方向分离出来，对于其特定重量较接近于液体的较小颗粒，其当液体通过过滤器构件的壁部渗透到过滤器构件的中央时被过滤并且流出单元的一个纵向出口。经过滤的颗粒和有机物的淤积物通过导管被传送到船外排放管道L。

这样预先过滤的水然后被引入本发明优选的或经修改的装置10、40，以便从传送到船外的带有过滤的颗粒和有机物的淤积物中进一步及最终分离出颗粒和有机物。

在根据本发明的第二个实施例中，预过滤设备可以旁路于向本发明的过滤器提供未经过滤的水的压载水泵。

然后，经过净化的水从过滤器10、40流到一个或多个紫外线腔室70，以便阻止水生有害生物的活动，所述水生有害生物包括细菌、微生物以及病原体。

最后，过滤了有机物和颗粒以及阻止了有害生物活动的压载水被引导到压载容器B中。

在操作中，过滤器（图1和10）接收预先过滤的水或未经过滤的水，以便去除有机物和颗粒。来自船上压载水泵的大流量低压水进入入口腔室，直接流入过滤器构件。位于过滤器构件中的翼片造成水的湍流。来自注入管的空气进一步提高进入过滤器构件的水的湍流。当水通过50微米过滤器构件标准过滤到过滤器腔室以及通过出口过滤到船上的压载容器时，过滤器构件将有机物和颗粒保持在其内表面上。

当有机物和颗粒收集在过滤器内表面上时，过滤器构件的过滤效率逐渐降低。过滤效率的损失造成穿过过滤器构件的压力的增加，压力控制器对该损失进行检测以打开相应的过滤器构件淤积物阀门。当阀门打开时，在过滤器构件中立即会出现压力降低，从而过滤器壳体腔室中的过滤后的水立即以更大的压力反冲洗穿过过滤器构件，从而放松和移除内表面上的有机物和颗粒。同时，湍流中来自入口腔室的未经过滤的水冲洗过滤器的内表面，从而带走有机物和颗粒。未经过滤的水的淤积物、未经过滤的水以及有机物和颗粒向前到达淤积物歧管，并排出船外。

当过滤器构件内部和过滤器腔室之间的压力达到平衡时反冲洗完成，从而压力控制器关闭相应的淤积物阀门。淤积物阀门关闭时，过滤器构件中的压力增加，水过滤恢复到正常的方式。

在优选的操作中，过滤器构件继而进行反冲洗，从而保证在整个操作期间过滤后的压载水从系统流出的净流量。

用于装置的材料对于入口压头和过滤器壳体而言为标准管道、对海水处理而言为CuNi90/10，对其它应用而言为AISI316L。也可以使用具有橡皮衬套的碳钢。注入管、过滤器壳体以及底缘可以由尼龙PLA6制成，所述尼龙PLA6具有足够的强度、耐磨性和耐化学性，并且重量较轻。歧管凸缘通常与压载系统采用相同的材料，即，热浸镀锌碳钢或GRE。滤网由具有50微米缝隙或所需要的其它的过渡等级的楔形金属丝制成。滤网焊接到上支撑件和下支撑件上，并且具有内部支撑件来加强滤网以便满足最小8巴的破坏压力。

应当理解，虽然特别地参照船上压载系统对本发明进行了描述，但是根据本发明的装置特别地设计来用于包括冷却水、养鱼场、便携水以及工业用水的大流量系统中。

可以对采用本发明原理的设备安排进行各种各样的改变。前面的实施例用于示例的目的而非旨在对本发明的保护范围进行限制。本发明的保护范围由所附的权利要求书进行限定。

Claims (2)

1.一种用于从大流量流动液体中分离和过滤有机物和颗粒的装置，包括：限定有过滤器壳体腔室的过滤器壳体；多个细长的过滤器构件，其中每个过滤器构件具有封闭的滤网，所述滤网限定过滤器构件的内部腔室；入口歧管，安装在过滤器壳体上面并限定入口腔室，所述入口腔室与过滤器构件腔室相连通；注入管，该注入管装配到所述入口腔室上，从而将空气注入所述过滤器腔室以便辅助液体湍流流入所述过滤器构件，并且提高所述过滤器构件的清洗效率;出口喷嘴，用于传送来自所述壳体腔室的过滤后的液体；淤积物排放歧管，其固定至过滤器壳体，并且与过滤器构件的底端和淤积物处理点相连通，用于从过滤器构件接收流动液体；以及置于淤积物歧管中的反冲洗阀，用于控制来自过滤器构件腔室的液体流动，所述装置限定用于过滤液体的第一流动路径，所述第一流动路径从所述入口歧管延伸到所述过滤器构件腔室中，经过滤网进入所述壳体腔室，并且通过所述出口喷嘴，所述装置限定第二流动路径，用于未经过滤的液体从所述入口歧管流入过滤器构件的内部以及过滤后的液体从所述过滤器壳体腔室流入过滤器构件的内部，然后经过淤积物排放歧管的容器流到处理点，从而当反冲洗阀关闭时，所述装置经过所述入口歧管接收的液体通过所述第一流动路径，而当反冲洗阀打开时，借助于第二流动路径上流动的来自所述入口腔室的未经过滤的液体以及来自过滤器壳体腔室的过滤后的液体，所述滤网得到清洗，所述过滤器构件具有用于从所述入口歧管接收液体的进入开口，在所述进入开口中设置有翼片，以便使得液体以湍流的方式流入所述过滤器构件，所述装置还包括压力控制阀，用于保持所述装置中的内部压力，以便足以克服当所述装置安装在船中低于船只水位线以下的位置上时存在的反向压力，从而能够抵抗所述反向压力将淤积物排出船外，而不需要采用淤积物排放泵。

2.一种用于从大流量流动液体中分离和过滤有机物和颗粒的方法，所述方法包括以下步骤：

建立第一流动路径，用于液体从入口点流入滤网腔室，所述液体在过滤方向上经过所述滤网，并且经过收集腔室到达过滤后液体的排放点，建立第二流动路径，用于液体在过滤器清洗方向上从所述收集腔室流到处理点，所述液体从所述入口点经过所述滤网腔室到达处理点，

选择用于过滤液体的第一流动路径，

监视所述滤网腔室和所述收集腔室之间的压力差，

当压力差达到预定值时选择液体流动的第二流动路径，以便利用过滤后的液体和未经过滤的液体清洗过滤器，

在所述处理点排出在过滤后的液体和未经过滤的液体的混合物经过第二流动路径流动时产生的有机物和颗粒的淤积物，

所述方法还包括步骤：保持第二流动路径上的内部压力，从而使液体克服低于船只水位线以下的位置上时存在的反向压力，从而能够抵抗所述反向压力将淤积物排出船外，而不需要采用淤积物排放泵；

所述方法还包括使流入所述滤网腔室的液体产生湍流的步骤；以及

在所述入口点将空气注入所述液体，以使流入所述滤网腔室的液体额外产生湍流。

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