CN1226182A - 流体径向流动的介质可流体化过滤器 - Google Patents

Abstract

一种径向流动过滤器使用非固定型的颗粒状微粒,以自进流流体中滤掉杂质而且此颗粒状介质可以由逆洗操作而流体化以将陷在其中的杂质释出。在逆洗操作中,逆洗流体给在上部的颗粒状粒子加上向上的牵引力,把它提升到逆洗室中以将它流体化。以下几个区段的颗粒状滤床,以相同的方式逐一流体化,因而把所有的颗粒状介质清洁完毕。在逆洗操作完成后,这些颗粒状物质落回到过滤室而形成一个滤床,以实施下一个过滤操作过程。

Description

流体径向流动的介质可流体化过滤器

本发明的技术领域

本发明一般地说与下列的设备有关：

用以进流流体和多孔介质相作用(co-acting)的设备，用以自进流流体除去杂质、固体与粒子物质的设备，特别是一种流体作径向流动，使用的介质是非固定型，而且流体在逆洗期间，其流向可以反转以除去滤出的物质，因此将此过滤器再生以供再度使用的设备。有关的应用：

这个申请要求先前申请入档的，

暂时申请编号：60/018,168(1996年5月23日入挡)

以及申请编号：60/023,679(1996年8月17日入档)中所要求的所有权益。上述二项申请仍在审查中。

本发明的背景

现有的、可以从进流流体除去颗粒状的微粒物质的过滤器，有许多种。这些过滤器一般可以分成二大类：介质固定型，和介质非固定型。介质固定型的过滤器，使用一种用编织的或非编织的纤维材料作成的，可以拆除的卡式过滤元件。介质的选择决定于由欲自进流流体中剔除的颗粒状杂质的大小而决定的多孔性(porosity)。这种介质固定型的卡式过滤元件，当积附了相当量的杂质后，必须将过滤元件拆下清洗，甚至将元件整个更换掉。卡式过滤器不容易逆洗，但是许多卡式过滤器是径向流动式的。这种径向流动过滤器给欲过滤的流体提供了最大可能的接触表面。因此，流体流动的阻力很小。

另外一类，使用非固定型的介质，如沙子，小玻璃珠，动物骨粉，或其他流体可以自其间通过的微小的颗粒状物质。这种非固定型的介质，一般都是呈球状，或其他形状不规则的颗粒状物质。其颗粒间之空隙，可以将流体中的杂质微粒有效地过滤出来。非固定型的介质有一个优点：介质可以由逆洗程序再生。逆洗的作用，包括将介质浮动而流体化，使陷在介质中的杂质，自介质的颗粒间或颗粒表面驱出。然而这种过滤器有一个缺点：过滤器的体积较大，成本较高，以及效率较低。由于对流体提供的表面积较小，因而常被迫使用颗粒较大的介质，或使用(对流体单位面积而言)较高的流速。换言之，要发展一种径向流动，使用非固定型介质而滤床可以由逆洗而再生的过滤器，是一件很不简单的工作。

Martin在美国第3415382专利中揭示了一种径向流动过滤器。它使用玻璃珠作的非固定型介质。虽然这种过滤器在其所设计的过滤功能上有效，但因它使用的介质是颗粒较大的珠子，必须将过虑器拆开，取出介质才能将介质再生。

径向流动过滤器在需要自流体除去杂质或固体物质的制造业与生产业，有很广泛的应用。图1展示一个基本的径向流动过滤器10的一般结构。这种过滤器包括二个同心多孔管子12与14以及充满在此二同心管子中间的环形空间20的多孔介质16。这些过滤器元件都装在一个过滤器的壳体18里面。多孔介质16由大小均匀的细小的玻璃球组成。玻璃球的大小对某一特定的过滤器大致是固定的，但对不同的过滤器而言其变动范围很广。介质珠子的大小，可以是次微米，微米，甚至于可以和粗的砂子一般大小。它们完全充满了多孔管子12与14中间的小隔间20。管子上的小孔呈圆形，大小均匀，而且以均匀的图样分配着，但小孔也可以用其他的排列方式分布。这个同心管与多孔介质(介质)的组件要完全包住，使流体在过滤操作中，将过滤器组件完全包围住。当流体通过外面那个同心圆管12上的小孔沿径向流入多孔介质16，再通过里面那个圆管的小孔离开多孔介质16时，过滤操作在过滤器10的整个轴向长度上发生。流体中的杂质在流体横向运动通过多孔介质16时，被捕捉住。

经过一个或多个过滤周期后，多孔介质16必需用逆洗来清洁。逆洗程序包括干净的流体自内管14沿径向向外涌进多孔介质16，再从外多孔圆管12流出。其流向基本上与在过滤周期中所采取的方向相反。图2展示这种过滤器10在传统式的逆洗过程中的操作情形。相当大的流速加上在玻璃珠子四周产生的涌流，将聚积在珠子间与珠子上的杂质移出，并把它冲掉。这些杂质足够小，可以通过构成多孔介质16的玻璃珠子间的空隙。然而，不是所有的杂质都可以除掉，如树脂的残余部分。杂质颗粒逐渐在多孔介质16中堆积。因此，经过某个数目的过滤与逆洗周期后，过滤器10必须拆下以更换或维护多孔介质16使其恢复良好状况。

从以上的讨论，可以看出需要使用非固定型介质，其构造可以提供逆洗能力的径向流动过滤器。

还需要一个使用非固定型介质的过滤器：在逆洗周期，多孔介质完全再生，因此免掉间歇性地把过滤器拆开以清洗或更换多孔介质。另外，需要使用非固定型介质，可以逆洗的过滤器，其逆洗工作压力不能过高。还需要一种过滤器，在逆选周期的最后阶段产生逆洗流体高阻力，以逆洗流体压力的增加作逆洗操作完毕的信号。

本发明的简介

根据此发明的原则和概念，本申请公开一种径向流动过滤器，它使用非固定型介质，可以有效地用逆洗程序将杂质或微小的颗粒除去，以将介质再生。根据此发明的一个优选实施例，这个径向流动过滤器使用较大的介质室以容纳颗粒状的介质珠子。在逆洗周期中，逆洗流体的反向流动给颗粒状的珠子加上上升的力量，把它传送到逆洗室的上部，因此将珠子分开，让积聚的颗粒状物质被移开与带走。在过滤周期，颗粒状的珠子，沉降到介质室的下部，进流流体从珠子间通过，从那里颗粒状物质被滤出。

按照本发明的径向流动过滤器的一个优选实施例，进流流体通过覆盖在外多孔圆筒上的筛网，并沿径向通过介质的颗粒。已过滤的流体再通过一个覆盖有筛网的内多孔圆筒。然后此已过滤好的流体再通过一连串装在筛网覆盖的内多孔圆筒中的止回阀，然后流到过滤器的流体出口。

在逆洗周期，逆洗流体受力以反方向通过过滤器，此时，止回阀关闭，逆洗流体以相反方向通过颗粒状介质。在逆冼过程，流体一般可以径向通过颗粒状介质，并沿轴心向上运动。这个逆洗流体的向上作用力，促使止回阀关闭，因此使大部分的流体进入颗粒状的介质，而不在内多孔圆筒内向上流动。这个逆流流体产生的向上牵引力，使上部的介质颗粒上升进入逆洗室，在那里将杂质微粒分开并自介质带走。这种颗粒状介质的运动和分离过程常常被称为“浮动”或“流体化”(Fluidization)，它发生在当作用在介质的上层(或上区段)的颗粒的牵引力超过浮性重量(buoyant weight)时。一旦在最上层的介质完全流体化后，接着其下层的介质也被流体化，这层的颗粒状介质被迫向上流动，因此颗粒分开，微细的粒子被释出。每个下面一层的介质也依次被流体化，整个过滤器介质就因此在逆洗期间再生完全。因为介质是分层依次流体化，逆洗需要的压力显著地降低了，因此所需的逆洗泵与其它设备的要求也减少了。

在一个较佳的径向流动过滤器，逆洗室构造为其容积要能容纳几乎所有的流体化过的颗粒状介质。当完全流体化后，颗粒状的介质会将盖有网子的内多孔圆筒穿入逆洗室部分完全盖满。因为在逆洗室与覆盖有筛网的内多孔圆筒的上部间没有容易的，或无阻碍的通路，因此，逆洗流体的压力会增加。这个逆洗流体压力的增加，可以用作逆洗程序已经完毕的一种信号。一旦逆洗流体停止流动，那些颗粒状的介质就向下落回到介质室的下部，从此下一个过滤程序可以开始。

本发明的其他实施例包括其他不同的安排，诸如用O型环，多孔袋与止回阀等，以促进介质的流体化过程。

附图的简介

一些本发明的特点与优点，将从以下对本发明的优选的以及其他的实施例的描述变得更明显。以下的叙述和附图，对同样的部分，元件等将使用一样的参考编号。

图1是一个众所周知的径向流动过滤器的一般性剖面图。显示过滤器在过滤周期中的操作。

图2是展示图1所显示的过滤器在逆洗操作中。

图3与图4显示依本发明构造的一个径向流动过滤器的示意构造图。过滤器分别在过滤操作与逆洗操作中。

图5a-5f是一个径向流动过滤器的部分示意剖面图，显示颗粒状介质在不同阶段的流体化状态。

图6a是一个径向流动过滤器的部分剖面图，显示作用在颗粒状介质之上的速度矢量，它造成一个向上的引力以造成颗粒状介质的流体化。

图7是一个电脑给出的，显示在逆洗过程中流体流动的图样。

图8是一种径向流动的过滤器的剖面图，此过滤器有本发明所揭示的逆洗与流体化的能力。

图9是本发明实施例中的一种使用在内多孔圆筒上的止回阀的剖面图。

图10是根据本发明第二实施例构造的一种止回阀板的平视图。

图11与12是一个使用在过滤器壳体上的止回阀的剖面图。止回阀分别在开启或关闭状态。

图13是根据本发明的另一种实施例构造的径向过滤器的不同部分的剖面图。

图14a与14b是一个依照本发明的另一实施例构造的一种径向流动过滤器的示意剖面图，分别显示一个多孔挠性构件在过滤与逆洗周期中的操作。

图15a与15b是一个依照本发明的又另一实施例构造的一种径向流动过滤器的示意剖面图，分别展示一个径向流动过滤器以相反的流向操作的情形。

详细描述

图3展示一个依据本发明构造的一种径向流动过滤组件50的示意图。这个径向流动过滤器组件50使用一种新的逆洗技术，因此避免了先前过滤器技术需要的周期性的停机与维修非固定型多孔介质的成本支出。虽然优选的和其他的实施例将以一个使用颗粒状介质以自进流流体滤掉微粒物质的装置描述，本发明的原理与构想可以用使进流流体(气体或液体)和介质互相作用(co-acting)而实现，其中介质必须周期性的逆洗以清洁或再生所用的介质。

这种径向流动的过滤器组件50有一个结实的圆柱形壳体52盖住过滤器组件的整个长度。一个以筛网覆盖着的内多孔圆筒54延伸至过滤器组件壳体52的全长。图中未显示出内网是做在多孔圆筒的支撑结构54上，以防止筛网的崩溃。装多孔介质56的空间由二个小室构成。在过滤周期，多孔介质56装在一般位于过滤器组件50较下面或底部的第一个小室58中。这第一个多孔介质室58包括一个由二个有网子包覆其上的同心多孔圆筒包围着的环形空间。这二个同心多孔圆筒，一个给内筛网54确定界限，另一个给外筛网60确定界限。和筛网罩住的内多孔圆筒54很相似，外筛网60也被一个多孔圆筒支撑着，这个外多孔圆筒的长度只伸长到过滤器组件50的总长的一半而已。筛网圆筒54与60的孔口比多孔介质56的一般直径还小。以此，筛网可以把多孔介质保留在过滤器50里。

从图3可以看出，根据本发明的一个重要的特点，此径向流动过滤器组件50包括一个在上面的逆洗室62和一个在下面的多孔介质室58。逆洗室62的容积较好是与介质室58的容积相同。在下面会更详细地说明，位于上面的逆洗室62的一般直径比位于下方的多孔介质室58的直径大，如此可以促进在逆洗周期中多孔介质56的流体化，以及其分离与搅动。固定在内多孔圆筒54与筛网之间的一个栓子64用以阻止流体自筛网圆筒的上部沿轴向流到筛网圆筒的下部，或以相反方向流动。有一个或多个孔口66以等距离固定在内多孔圆筒54内。这些孔口的大小逐渐减小，因此愈靠近栓子64的逆洗流体受到的阻力愈大。如以下在逆洗周期的介绍将描述的，孔口66强迫逆洗流体，向外流入多孔介质56中，因此产生一个上升力以将一个垂直区段中的多孔介质流体化。

在过滤周期中，一小部分的进流流体带着悬浮粒子，进入内多孔圆筒54的顶部，并沿着径向通过筛网，然后沿箭头68所指方向往下进入逆洗室62的上部。这种进流流体的流动将可能在逆洗周期积留在逆洗室62的任何多孔介质56往下传送。然而，大部分的进流流体将通过在壳体52上的多数孔口70，并被引导环绕外多孔圆筒60，图3与4未显示，过滤器组件50是装在另外一个壳体上，这个壳体有进口与出口与别的泵设备相连接。每个孔口70各有一个止回阀，可以让流体进入过滤器组件50但是它将阻止逆洗流体的反向流动。进流流体通过外多孔圆筒60后，沿径向通过多孔介质56，在那里颗粒状杂质陷在多孔介质56颗粒间的空隙中或停留在介质56的表面上。因此，进流流体就被过滤完毕。过滤好的流体通过筛网包覆的内多孔圆筒54径向流动通过孔口66。过滤好的流体、沿着箭头72所示方向离开此径向流动过滤器组件50。

多孔介质可以是玻璃或其它种类的小珠子，如沙，动物性骨粉，活性碳，或其它任何具有能除去某种指定大小的微粒与某种形态的杂质所需的特性的颗粒状物质。如众所周知的公称直径100毫米的珠子，当如图3所显示的一样地安置好，就能过滤出比珠子更小的颗粒状物质。因此，覆盖在多孔圆筒54与60上的筛网可以保留介质颗粒，让微粒物质通过网孔但被介质床留住而滤出。视进流流体中所含的悬浮杂质量之数量，以及滤床多孔介质的容积大小，介质颗粒间的空隙最终将被这些颗粒状的杂质填满，过滤器组件50的效率因此减低而导致泵的负荷增加。

依照本发明的一个重要特点，可以逆转流体流动的方向而将此径向流动过滤器组件50有效地逆洗。逆洗流体的流动路径如图4所示。逆洗流体在箭头74所指的地点进入此径向流动过滤器组件50，此逆洗流体企图沿内多孔圆筒54的轴向流动，但是由于一系列的小孔66之存在，流体被向外地导入多孔介质56里。可以看见孔口70的止回阀在逆洗周期中因受力而关闭，因此所有的逆洗流体就被向上导引入过滤室58。

依照本发明的另一个特点，如图4所显示的，多孔介质的较上方部分，由于受到逆洗流体所施的向上牵引力量，首先被流体化。此外，不同高度的孔口66开口大小不同，允许不同区段的多孔介质56连续地依次被流体化。多孔介质56的最上面一段，最先被流体化，因为作用在这层多孔介质与颗粒状杂质的上升力超过其浮力重量。一旦这最上层的多孔介质56流体化了，其后就从其下面一区段的多孔介质除掉，因此这个下面一区段的介质就可以被流体化。如此，到最后过滤室58内的所有多孔介质56都流体化了，而且几乎所有的介质都被逆洗流体带到位于其上方的逆洗室62内。这种分段式的流体化程序克服了需要很大的逆洗压力，以将这整个环状管柱中的多孔介质提升起来。没有相当大的逆洗压力，要将介质管柱提起是一种难事。

逆洗室62有二个功用。首先，将来自直径较小的过滤室58的多孔介质56的流体化是受到一个漩转作用推进逆洗室62而成。这个涡漩运动将多孔介质56搅动，因此将介质颗粒分开并释出微料状的杂质。这些杂质微粒被逆洗流体带着通过覆以筛网的内多孔圆筒54并沿箭头76所指方向排出过滤器组件50。过滤器壳体52的上部可以打洞以容许较大的颗粒与杂质被带离过滤器组件50。根据逆洗流体的体积流量、逆洗压力以及多孔介质的颗粒大小与重量，决定孔口66大小的选择，使逆洗流体可以对各层的多孔介质56施以足够的牵引力以将介质颗粒提起并将它从过滤室58传送到逆洗室62。本发明的第二个特点是：当几乎所有的多孔介质56被传送到逆洗室62时，逆洗流体的流动就会受到累积在覆有筛网的内多孔圆筒延伸入逆洗室62部分的多孔介质的阻力。因此，当多孔介质56流体化完成时，逆洗流体压力的增加可以测出。这可以用来指示过滤器组件50的逆洗周期已经结束，而且引发下一个过滤周期的开始。

当几个径向流动过滤器并联使用时，上述的逆洗流体增加的现象可以有利地使用。如果每一个径向流动过滤器组件50都使用同一来源的逆洗流体，那么当其中一个过滤器的介质变成完全流体化而增加通过它的逆洗流体，逆洗流体的压力可以供其他的过滤器以促进其多孔介质的流体化。换言之，一旦一个过滤器流体化了，它就不让大量的逆洗流体通过，它显著地阻止此逆洗流体的通过。当数个并联的过滤器之中的一个过滤器的多孔介质受杂质微粒阻塞的很厉害，而需要大部分的逆洗压力以将其介质流体化时，这个特点就变得特别有益。

图5a-5f以图显示不同区段的多孔介质56连续依次地流体化的例子。所展示的是一个典型的径向流动过滤器，在其内多孔圆筒上布置有四个止回阀90-95将多孔介质56分成五个区段。这些止回阀在图9中显示的更详细。图5a展示在逆洗周期的初期，颗粒状的滤粒珠子在流体化开始之前的流料环形管柱。图5b显示多孔介质80的最上面部分开始流体化，并受到流体的牵引力被向上提起进入逆洗室62。如前面说过的，这是因为作用在多孔介质56上部60的轴向牵引力，超过介质本身的浮性重量(buoyant weight)，因此多孔介质受力向上运动进入逆洗室62。当这个程序持续进行，第一区段80的多孔介质就如图5c所展示的全部被向上提升进入逆洗室62，在图5c中，紧连着的下一区段82正开始流体化，并被向上传送到逆洗室62，在那里介质的颗粒彼此分开而且也和被过滤出的微粒物质分开。此时因为原先压在其上的第一区段80的介质的浮性重量已经排除了，第二区段82的介质也就被向上提升。在图5d中，再下面一区段84的多孔介质56开始流体化，并被向上提升进入逆洗室62。图5e显示在区段86中的介质的流体化。在图5f中，因为受到自过滤器组件底部进口96进入的逆洗流体的牵引力，最底层88的多孔介质被向上提升。

有一点很重要，止回阀90-94与95的开口每个都不同。位置在最上面的止回阀90的开口最小，而在最下面的止回阀95的开口最大，位于它们之间的止回阀(92-94)的开口大小也处于它们之间。进口96最好没有真正的孔口结构，但其开口本身就有孔口的作用，而且其大小较孔口95大。最上面的止回阀90孔口大小选择，是依进入进口90的逆洗流体的压力而定，作用于多孔介质56的牵引力必需足够使上区段80的介质上升。一旦最上区段80的多孔介质56，受流体力量向上传送完毕，逆洗流体就可以不受多孔介质56的阻力继续流过止回阀90的孔口。但是因为止回阀90的孔口小，流过止回阀92的逆洗流体的剩余力量可以给第二区段82施予足够的牵引力，将此区段的多孔介质56向上提升。利用止回阀(90-95)的孔口不同开口大小的设计，可假设当上一区段的多孔介质流体化并传送到逆洗室62后，每一区段的多孔介质56受到的牵引力大小都几乎相同。这些孔口大小之选择，取决于逆洗流体压力，多孔介质56颗粒的大小与重量，以及根据实验而定出的其他参数。还有一个变通办法，根据本发明原理构造的径向流动过滤器区段50可以用合适的电子计算机软件作模拟与分析。有一个过滤器流体动力学程序叫“FLUENT”。本发明所公开的径向流动过滤器以此程序模拟，并确定其相关的重要参数。分析的结果记录在密格尔·阿玛亚(MiguelAmaya)于1996年8月17日提出的博士论文“一个径向流动过滤器在逆洗周期中的工艺特性”中。这里将此论文并入本专利申请中作参考。

上面，本发明的一个重要的特点，容许多孔介质在逆流操作中一区段一区段地流体化，是因为在内多孔圆筒54上装有一系列的等距离但半径逐渐变小的孔口。图6a所显示的是利用电脑程序分析一个使用此种孔口设计的径向流动过滤器，以及其对位于内多孔圆筒54与外多孔圆筒60之间的环状空间的多孔介质的效应。图中展示一个第一孔口90与第二孔口92固定在内多孔圆筒54内。在这个设计中，内多孔圆筒54内有一个被挠性构件100包住的重要地区。这个挠性构件100可以用耐久的弹性橡胶材料薄片制作，粘在或固定在内多孔圆筒54的内表面。这个小袋100将孔口盖住并阻止流体通过。位于孔口结构90与90正下面的内多孔圆筒54上的口104中，有一小部分102未被此挠性构件100盖住。有一个变通方法，不用小袋100，只是使内多孔圆筒54不全部打孔。逆洗流体在内多孔圆筒54内沿箭头106方向流动。在过滤室58中展示的箭头是逆洗流体流动的速度矢量。

孔口90与92限制逆洗流体在内多孔圆筒54中的流动，并导致作用在多孔介质上牵引力。只有当这个牵引力超过多孔介质的浮性重量，多孔流体才能在逆洗操作过程中沿轴心方向向上移动。流体流速失量在轴心方向的数值可以确定流体牵引力超过浮性重量的多孔介质区域。图6a中展示的流速失量108，显示在某一个时刻流体流动的动力学和所产生的牵引力。在多孔介质的区段110中，流体速度失量108一般都是朝上的。假设图6a上所描述的是多孔介质的最上层，在这区段，多孔介质的浮性重量，与由孔口90存在而产生并作用于其上的牵引力相比，是最小的。电脑分析的结果确定：应用选择适当的孔口90尺寸，内多孔圆筒54上选择适当的孔口104大小与分布，以及多孔介质颗粒的大小与重量，可以使作用在多孔介质的牵引力超过其浮性重量。在这个情况下，多孔介质被向上提起，并从过滤室58移到逆洗室62。

在过滤室58的112区段内，流体流速矢量在此处几乎是不存在，没有净牵引力作用在多孔介质上。在112区段的正上方那个区段，速度失量111的方向朝下。因此，作用在112区段的向下力量，防止整个多孔介质管柱像一个栓子一样地被向上提起。然而，当孔口90上面的那一区段的多孔介质被移开后，向下的速度失量就变成不复存在，这使下面一区段的介质准备流体化。因此这个安排促进了介质从上到下的连续流体化过程。对第二个孔口92而言，作用在多孔介质上的向上的牵引力在区段114中也存在。由于受到在它上面的多孔介质的累积重量，这个牵引力没有超过在此区段114的浮性重量。当在其上方的区段110的多孔介质被移除并流体化后，作用在多孔介质区段114的牵引力就超过其浮力重量，因此这区段的介质颗粒就开始往上升，并传送到逆洗室62以流体化。同样的流体动力作用发生在剩余的孔口区段，以至整个环形过滤室58中的多孔介质都被搬光为止。

图6b是一个径向流动过滤器的部分剖面图。这个过滤器在外多孔圆筒60与过滤器组件壳体52之间装有一个环形的箍带。可以看出，多孔介质56的每个区段都各有一个相关的箍带。这个环状的箍带，或其他相似的构造，是用来将逆洗流体自外面的环状腔室118导引回多孔介质56。这种环形的箍带116可以与过滤器组件的壳体制成一体，或与外多孔圆筒60的外壁一并制造。

图7显示在逆洗过程中，逆洗流体的流动情形。在最上面区段的多孔介质已经由流体化而传送走了。图中显示过滤器的垂直剖面图，此过滤器的内多孔圆筒装有半径递减的五个孔口。图上线较粗，颜色较深的地方，显示逆洗流体较大的流动量，而个别的波动状的线条显示该区域逆洗流体流量减少。可以由图上看出，上面区段的多孔介质56已经流体化了，但是较下面的区段的介质，受到的牵引力未超过累积其上的介质的浮性重量，因此流体化尚未开始。由此可以看出，径向流动过滤器可以以此方式构造，以对多孔介质提供流体化的能力，而不需要过高的逆洗压力，不致减低过滤器操作的效率。

上面提过，径向流动过滤器的各个结构元件影响流体化过程的能力与效率。在设计多孔介质流体化必需考虑的许多变数中，流速的大小以及流速对径向牵引力和压力降的影响，比其它的许多变数的影响大。利用电脑分析，可以发现增加过滤器的流速可以增加对介质颗粒的牵引力，但是这要付出压力降增加的代价。多孔介质的性质与特性对其反应的影响，比内多孔圆筒的孔口排列式样的影响大。例如，减小多孔介质颗粒的尺寸，平均要增加压力5955Pa，这是改变内多孔圆筒54的开口面积百分比的结果的九倍。牵引力相对于开口面积百分比的增加而增大。对于径向过滤器的设计，这显示出当介质使用较小的颗粒，孔口的式样变化比较不重要。还要注意的是改变开口面积百分比对牵引力的大小有相反的效果。例如，增加开口面积百分比的平均效果是减少牵引力，然而增加孔口大小会造成增加牵引力。根据电脑分析结果，开口面积百分比大时，内多孔圆筒54的大孔口会减少牵引力；但开口面积百分比小时，使用大的孔口会增加牵引力。同时增加开口面积百分比与开口大小会造成相当的穿过径向流体过滤器的压力降。还要注意的是，已发现逆洗液体的流速和多孔介质的微粒直径对牵引力和过滤器的压力降有很大的影响。使用较高的流速与颗粒较小的介质时，内多孔圆筒的孔口排列式样对牵引力与压力降的效果没有太大的相关性。

一个本发明的实施例，用电脑程序“FLUENT”(V4.31)，流体流动模式(Fluid Flow Modeling 1995,FLUENT,INC.,CenterraResource park,10 Cavendish Court,NH 03766)分析。这个过滤器的构造如下：使用5个孔口，其半径在0.254时到1.047吋之间。介质的颗粒一般直径为44-840微米，比重2.5，与沙子相似。内多孔圆筒54上的孔口半径为0.75吋，孔口的开口面积为百分之六十六。装多孔介质的环状过滤室的尺寸为0 80吋(径向)×22.625吋(轴向)，流速为每分钟3-28加仑(gpm)。逆洗压力的范围0.5-10kPa。预计如此构造的过滤器，多孔介质可以成功地流体化因此可以完全去除杂质，从而节省了别种设计为了要拆卸过滤器组件以更换介质所需的停机时间。

图8显示引用了上述的许多特点的一种径向过滤器的剖面图。过滤器120有一个底座122和一个可拆除的壳体124，彼此以螺栓和夹子126联结。壳体124与底座122用弹性橡胶或其它种类的粘合剂密封。底座122有一个进口接头128与一个进流流体供给相连。流体以泵沿箭头130所示方向打入。进流体中有流体和欲被壳体124内的滤床分离出的颗粒状杂质。一旦杂质被除去后，流出液体由出口接头132沿箭头134所示方向自过滤器排出，在逆洗操作时，逆洗流体由接头132引入过滤器120，并与悬浮的杂质自接头128流出过滤器。对熟悉将过滤器自泵系统拆下并连接到逆洗系统的工艺的人，有很多种的阀门安装与控制系统可供使用。

径向流动过滤器组件136固定在壳体124里头。过滤器组件136有一个封闭的箱子138以容纳与支持过滤器组件。这个箱子138包括一个圆筒140固定在上顶盖142与底盖144之间。箱子138的内部空间，除了在圆筒140上的一个或几个开口70外，对流体密封。流体与过滤器120以进口接头128连结。上述的每个开口70有一个止回阀，容许流体进入箱子138，但不让流体以反方向流动。这个箱子138可以用塑胶或金属制作，以适合各个过滤系统的特别需要，要从水或类似的液体滤掉杂质，在低压情况箱子可以用PVC或聚乙烯塑胶材料制造。在这个情况下，上下二端的盖子142与144可以用粘接、焊接或其它方法固定在圆筒上。当使用较高的压力或腐蚀性的液体(如化学品)时，箱子138可以用不锈钢或其它种类的材料制造，并用焊接接合。

过滤器组件136的箱子138内，有一对多孔圆筒。其中的内多孔圆筒54支撑于顶盖142与底盖144上的开口内。此外，内多孔圆筒54还受过滤室底盖146的支撑。这些元件可以用粘合，螺栓或其它方式加以固定，作永久固定的或可拆卸的安装。内多孔圆筒54的外周以筛网148包覆着。这个网子可以由合成的或金属材料制作，其网目足够地小，可以防止滤床或多孔介质的颗粒穿过。内多孔圆筒54的内部还有一个栓子64，用以防止液体在内多孔圆筒54内沿轴向通行。

作为与上述的图3与图4有关的孔口结构66的替代设计，图8设计包括使用数个止回阀150。我们预期带有孔口的止回阀将是较好的结构。止回阀150包括一个阀座，和一个以合成材料作成的能在液体中浮起的小球。止回阀150还有一个或数个孔口，以下将更详细的叙述。虽然在过滤操作中，止回阀150是开启的，但在逆洗操作中，除了小孔口外，它一般说来是关闭的。因此设计，在过滤操作中对流体流动的限制就被消除了。

一个外多孔圆筒60的底部固定在过滤室顶盖146之上。其上端固定在过滤器组件箱子140内面的环形小片152上。和内多孔圆筒结构54很相似，外多孔圆筒60之内表面附有筛网154。筛网154之作用与筛网148的作用相同。外多孔圆筒60与内多孔圆筒54之间的环形空间就是所谓的过滤室156。过滤室156充满了多孔介质，如颗粒状的物质，用来将杂质从进流流体中除去。在过滤室156上面的是逆洗室62。逆洗室的容积最好和过滤室156的相同，虽然它可以比较大。如在图8中可以看出，逆洗室62的径向尺寸比过滤室的较大。在颗粒状的介质粒子58从过滤室156提升至逆洗室62时，这个径向尺寸上的差异会给介质颗粒加上一种漩涡状的运动。而这漩涡状的运动可以搅动介质颗粒，并促进颗粒与颗粒的分离以便将杂质从其中释放出来。如果没有这个径向尺寸上的差异，逆洗流动有将整个介质管柱像一个栓子一样一齐提起的倾向。

在过滤操作过程中，进流流体被导引依以下的途径流动，它自进口接头128进入后，进流流体受力进入环绕着过滤器组件壳体138的空间160。然后流体受压力经由过滤器组件壳体内壁上的止回阀进入孔口70。一旦流体受力通过止回阀孔口70后，它就充满了环形空间162，并将外多孔圆筒60的外表面整个包住。然后流体沿径向方向自多孔介质58通过，在此流体中的杂质被除去。过滤后的流体然后通过内多孔圆筒54上的小孔，并进入内多孔圆筒内的空间164。然后，过滤过的流体通过开启的止回阀150，从过滤器120底部排出进入排出口接头132。这个径向流动的特点，容许多孔介质58有很大的表面积，呈现给进流流体。这个过滤操作程序继续进行直到过滤器120进口接头的压力上升，显示多孔介质58已经积集了相当数量的杂质以致过滤操作已经失去效率为止。

一旦决定了逆流操作必需执行，一些阀门的开启或关闭就适当的加以调整，使逆洗流体受力进入接头132。这个逆洗流体的流动途径要有效地自多孔介质58除去杂质，并将杂质跟逆洗流体一起自接头128带出过滤器。逆洗流体被迫进入接头132，并向上流动进入内多孔圆筒54内部的中心部分164。此时，除了在其内形成的小孔口外，止回阀150是关闭的。逆洗流体遇到一连串尺寸逐渐减小的孔口，因而促进介质颗粒的流体化，正如前面描述过的。过滤室156内的多孔介质58，一区段一区段地被流体化并被向上带入逆洗室62。在逆洗室62中，流体加在介质颗粒上的漩涡状流动与搅动运动把杂质从介质中释放出。这些杂质跟着逆洗流体从逆洗室62流入内多孔圆筒54的中心地区166，并从端点168流出。可以看出，在流体化过程中，止回阀将过滤器组件壳体138上的孔口70关闭，因此防止大量的逆洗流体沿径向方向向外通过外多孔圆筒60。无论如何，被逆洗流体带出的杂质，自内多孔圆筒54的顶端168导入其外面的环形区域160，再从那里进入接头128。

图9显示一种固定在内多孔圆筒54内的止回阀150的设计。此止回阀150由一片平板170组成，平板上有一个主要的孔口172。孔口172可以用一个以塑胶或其他类似的有浮力的材料制作的圆球174塞住。每个止回阀球的浮性重量可以不同。图上没有显示，但熟悉止回阀设计工艺的人会偏好用笼子或相似设计以防止止回阀球向下掉落，而无意地将位于其下方的止回阀的主孔口封住。而且在平板170上，有一个或多个孔口176，它们不会被上述的止回阀球174栓住。这些孔口176的作用，和前面提过的，与图3有关的，标示为66的孔口相同。再者，一个止回阀板170上每个孔口176的开口面积百分比最好与固定在内多孔圆筒58内的其他止回阀板的孔口开口面积百分比不同。

图10显示另一种可以固定在内多孔圆筒58内的止回阀板180的设计。与图9中显示的止回阀板176不同，图10的止回阀板180的开口有凹凸不平或呈锯齿状的边182，以防止止回阀球174将板180封住。即使在球174落在板180的孔口中间，这个止回阀板180上的不平整开口的阀座182容许液体自其间流过。

图11与12显示一种止回阀，可以使用在过滤器组件壳体138的壁140上，尤其是它与图8中的孔口70相关连。这个止回阀有一个橡胶材料作的塞子184。这个塞子，有一个平面部分186和一个杆188。杆的顶部有一个圆锥状的或扩大的头，在安装时，杆头可以沿单方向用力压入锚孔183，但装好后不容易取下。图11也显示流体沿箭头192方向流动，使孔口70被栓子的平板部分186关闭，因此防止流体流过过滤器组件壳体140。在图12中，流体沿着箭头194方向流动，通过孔口70。因此，在过滤操作周期间，进流流体可以通过孔口70，进入包围着外多孔圆筒(图8)60的空间162内。虽然图上只显示2个孔口70，此设计可以用更多的孔口，只要它们可以被有弹性的止回阀的平板186盖住。其他种类的止回阀，如弹性平板可以一端固定在过滤器组件壳体140的内壁上，平板可以依流体流动的方向而开或关，因此其功能与止回阀相同。熟悉此工艺的人，可能依其偏好，使用其他种类的机械操作的或电动的入口止回阀，和与过滤器120相关的内多孔圆筒止回阀。

图13显示依据本发明的原理与构想构造的另一种径向过滤器。这种过滤器组件200的结构特性与图8所显示的相似。这个过滤器组件200的外多孔圆筒60与圆筒形壳体204之间，有几个橡胶制的O形环202。虽然图13的设计中，只展示四个O形环，任多数目的O形环都可使用。每个O形环给外多孔圆筒60与壳体204的内壁之间造成一个密封。因此，O形环202之作用，是改变流体在多孔介质56内的流动方向。通过多孔介质的流体有相当大的部分由径向流动改变成轴向流动。此外，在多孔介质内部还产生了额外的轴向力量。使用O形环202可能改变了需要的止回阀150数量，可能还需要在壳体204的壁上装一个泄漏孔206。这个泄漏孔可以装在每个毗连的O形环间，使液体可以在每个区段的多孔介质中流入或流出。正如我们可以知道的，O形环数目与止回阀150孔口尺寸，以及多孔介质每区段之轴向长度的决定，必须能保证在逆洗周期中有适当的轴向力量加在多孔介质颗粒上。

图中显示的过滤器组件200也包括挠性构件100。这个挠性构件100可以与有孔口或无孔口的止回阀150，以及O形环202合并使用。此挠性构件100的作用，是用以浓缩几乎所有的流入内多孔圆筒54的逆洗流体，导入每个止回阀150正下方的地区。这个挠性构件100使存在每个多孔介质区段中的轴向流动增加至最大量。图中显示挠性构件100在过滤周期中，其外壁表面受到液体压力，而变形以至向内凹入。

最后，过滤器组件200包括一个逆洗出口止回阀210。这个出口止回阀210置于内多孔圆筒54的未开孔部分，最好在靠近过滤器组件200的底部。当受到逆洗流体的压力而被迫开启时，这个出口止回阀210给流体自内多孔圆筒54的内部空间到位于壳体204与外多孔圆筒60之间的环形空间162提供了一条通路。出口止回阀210容许逆洗流体从过滤室以下的高度流出，并直接流入外面的环形空间162，而不必先穿过多孔介质56。逆洗流体一旦进入外面的环形空间162后，它可以从泄漏孔206流出，或经过多孔介质56流出并流入上面的逆洗室62。

出口止回阀210在逆洗周期中，也用以封闭进口止回阀184。这在多孔介质56的小颗粒充满了污染物，而容许少量的逆洗流体达到外面的环形空间162的情况下有益。此外，出口止回阀210提供逆洗流体至外环状空间162，由O形环202导引额外的流体进入多孔介质56内，而帮助多孔介质56的流体化。它还给外环状空间162提供一种流体擦洗的作用，因此显著地减少欲从多孔介质56中除去杂质所需的逆洗流体的流量。这是因为陷在筛网上的颗粒较大的杂质，被直接冲掉而从泄漏孔206冲出，而不被带回多孔介质56内而从逆洗室62流出。将颗粒较大的杂质直接自泄漏孔206排出，那些颗粒太大不能穿过包覆在外多孔圆筒60的筛网的颗粒状杂质就因此完全被除去了。

一种替代方法是除了最上面一个，所有的泄漏孔206都可以除去，而在每个O形环202都加一个垂直的渠道让逆洗流体可以向上流绕过每个O形环。此外，对止回阀150，熟悉此项工艺的人可以设计出其替代装置，包括在挠性构件100本身形成孔口，并允许挠性构件的一部分挡住内多孔圆筒54内的垂直通道。我们可以看出图13中的过滤器组件200还提供了一些其他的特点。这些特点可能被认为是可自由选择的，但在某些情况下可能是必需的。熟悉这项工艺技术的人可以发现，可以针对不同的情况，对这些设计的各个不同的特点作适当的选择以产生最佳的过滤与逆洗效果。而且，虽然前面一般只提及过多孔介质56与除去颗粒状物质或杂质有关，也可以选择其他种类的介质以从液体中除去溶解的固体，使固体与液体交互作用，提供接合能力，甚至为供应至过滤器的液体提供催化作用。无论如何，根据本发明所揭示的原理和构想构造的过滤器，不论这过滤器是否用作过滤器使用，给径向流过介质的液体提供了增大的表面积，而且它提供有效的逆洗操作能力以将介质流体化。

图14a和图14b显示径向流动过滤器220的另一个设计，它结合了一个穿孔的挠性构件222。这个小袋最好用一种易弯曲的橡胶材料作成，其构造适于承受过滤器内可能会遭遇的压力，并能承受通过过滤器220的欲被过滤的流体与逆洗流体的种类。此挠性构件222可以作成管状。固定的平板224作内多孔圆筒54内的阻挡液体上流的挡板。

这个挠性构件222使用一个依某种图案分布的小孔226作孔口，而不用装有孔口的止回阀，也不用前面提过的孔口结构。在此挠性构件上形成的小孔226，靠近介质56的最上部，使它在逆洗周期中能被流体化。这些小孔226可以在挠性构件222的最上面的区段中作环状分布。随后的几组孔口230-236形成在挠性构件上。编号230-236的每组孔口之直径随其至挡板224的距离增加而增大。以此安排，这些成组的孔口的功能，和前面叙述过的与图3和图4相关的孔口结构的作用非常相似。每一组的孔口的开口面积的改变可以用不同的方法达成。例如最上面的那组孔口226可以包括预先设定开口数目的为第一直径的小孔。第二组的孔口228可以用同样数目，但是直径稍大的小孔组成。接下的每组孔口230-236可以用直径逐渐加大的小孔组成。变通的方法之一为每组的孔口使用直径相同的小孔，但是小孔的数目以孔口226用一个小的数目，而小孔的数目依孔口至挡板224的距离增加而变大。熟悉此种工艺的人，可以设计出许多其他的安排，以获得一种可以促进多孔介质流体化的孔口结构。

有一点很重要值得一提，各组的孔口226-236之制造必须与内多孔圆筒54上的相对应的小孔对齐。如此，逆洗流体就可以流过挠性构件222上的孔口以及内多孔圆筒上的小孔，而进入多孔介质56。至于在最下面的那组孔口236，其开口相当的大以至于被过滤过的液体在其中通过时，不会产生可检测出的压力差。

图14a显示径向流动过滤器组件220在过滤周期中的操作。在这个周期，进流流体沿箭头240所示方向进入过滤器组件220，并进入多孔介质56管柱的顶部。然而，大部分的流体将流过开启的止回阀184而沿径向流过多孔介质56的各个区域。每个区域是由各别的O形环202分隔以促进逆洗周期的流体化过程，由于受到径向流过介质56的欲被过滤之流体的压力，挠性件侧壁被迫向内弯曲正如图14a显示的。在过滤周期中，虽然有些过滤好的流体，通过各组的孔口，大部分的流体将通过开口最大的那组孔口236并如箭头232所示自过滤器组件排出。

图14b显示过滤器组件220在逆洗周期中的操作。在逆洗周期中，逆洗流体沿箭头244方向进入过滤器组件。逆洗流体进入挠性构件222的内部空间，因此对内多孔圆筒54的内表面加压力。逆洗流体受力通过那组孔口，如箭头246所示。然后，逆洗流体流入多孔介质56以将介质依前面提过的方式加以流体化。在逆洗周期中，止回阀184是关闭的以促进多孔介质56各区段作连续地分段流体化。最后，逆洗流体带着杂质和释放出的细小颗粒状物质沿箭头248所示的方向从过滤器组件220排出。

图15a和15b展示另一种径向流动过滤器的设计，此过滤器以相反的方式操作。这个设计对使用的介质颗粒较大或一般重量较轻的应用特别适合。在过滤周期中，如图15a所示的，一种使多孔介质下沉的液体(最好不是进流流体)依箭头252所示方向泵送到过滤器组件250内。这个流体给多孔介质56施予的牵引力，使介质珠子被向上提起至过滤室的顶部。在逆洗室62内固定在内多孔圆筒54内的每个止回阀150都关闭着，而位于过滤室150内的止回阀150都是开启的。一旦所有的多孔介质56都被这个下沉液体提进过滤室后，一个阀门系统(图中未展示)之调整即可以开始，使进流流体进入过滤器组件250如箭头252所示。而且，这个进流流体可以沿箭头254所示方向，通过打开着的进口止回阀184。进流液体沿径向通过介质56，再经由打开的止回阀150进入内多孔圆筒54的内部空间。最后，过滤好的进流流体沿箭头256所示的方向离开过滤器组件250。

图15b展示这种反向过滤器组件259在逆洗周期中的操作。在逆洗周期间，多孔介质56只容许由重力作用而沉淀到过滤器组件下部的过滤室内。在过滤器介质56从上面的过滤室运动至下面逆洗室时，介质的颗粒彼此分离，而杂质从其间除掉。颗粒状的物质和杂质通过位于内多孔圆筒54下方的开启的止回阀，被逆洗流体沿箭头260方向带出过滤器组件250。在多孔介质56的管柱不会因重力而往下运动的情况下，逆洗流体由箭头262方向进入过滤器组件250而产生前面提过的介质分区段连续的流体化现象。

虽然我们只针对一种特殊的径向流动过滤器公开了本发明有关的，优选的及其他的设计和组件，但必须了解，一些设计与构造的细节必须根据工程上的考虑，在不违反权利要求中定义的关于本发明的精神与范围的情况下，作必需的修改。确实地，对这项工艺熟知的人士，可能偏好只利用本发明所公开的特点的某一部分，或利用许多不同的实施例中的个别的特点，而获得其个别或混合的优点。

Claims (22)

1．一种将介质流体化的装置，它包括：

一种和进流流体相作用的介质；

一容纳上述的介质以使流体能沿径向方向通过此介质的支撑结

构；

一种导引流体到介质并使其沿径向方向流过此介质的进口结

构；

一个流体化室，所述介质在流体化过程中被带到此室，此流体

化室有足够大的容积，使介质分离成颗粒。

2．根据权利要求1的装置，其特征在于：流体化室的高度比介质在介质与流体交互作用的操作时所处的高度大。

3根据权利要求1的装置，其特征在于：流体化室的容积与在介质与流体交互作用时容纳所述介质的支撑结构之间的容积大小大约相同。

4根据权利要求1的装置，其特征在于：其结构为使上述的介质在流体化操作过程中被沿轴向方向带到所述的流体化室。

5．根据权利要求1的装置，其特征在于：支撑结构包括一对同心的支撑结构，和固定在其中的内支撑结构上的一个或数个孔口结构以限制流体在所述的内支撑结构内的流动。

6．根据权利要求5的装置，其特征在于：孔口结构由一片平板钻有小孔构成。

7根据权利要求5的装置，其特征在于：孔口结构由一种止回阀组成。

8．根据权利要求5的装置，其特征在于：孔口结构的有效开口面积与其他的孔口结构的开口面积不相等。

9．根据权利要求8的装置，其特征在于：每组孔口结构的有效开口面积按从流体进口到流体化室的孔口顺序逐渐减少。

10．根据权利要求5的装置，其特征在于：另外还包括一固定在所说内支撑结构之内部的挡板以阻止流体化流体沿轴向流过，因而使流体从内支撑结构通过介质。

11．根据权利要求1的装置，其特征在于：支撑结构包括一对同心的结构，而且此装置的结构要使进流流体在其与介质互相作用期间，轴向向内通过那二个同心支撑结构中的外面那个支撑结构，并且在流体化操作期间，流体化的流体不会连续地通过所说的外支撑结构。

12．根据权利要求3的装置，其特征在于：在其中介质是容纳在所说二个同心支撑结构的同心部分间的环状空间内，此环状空间有一个径向尺寸，而流体化室的特征为其空间为径向尺寸较大的环形空间。

13．根据权利1的装置，其特征在于：所述装置包括一个过滤器，而所述介质包括颗粒状的粒子。

14．根据权利要求13的装置，其特征在于：所说的流体化室包括一个逆洗室。

15．一种使介质和流体相互作用而使介质流体化的方法，此方法包括以下几个步骤：

把介质支持在第一空间内；

使进流流体沿径向方向流动通过介质；

以进流流体和介质相互作用；

将介质传送到第二空间，在那里使介质分离成粒子，因此使介

质被流体化。

16．根据权利要求15的方法，其特征在于：还包括使介质在流体化过程中沿着轴向运动。

17．根据权利要求16的方法，其特征在于：还包括将介质传送到一个流体化室，这个流体化室与所说的第一空间不相同。

18．根据权利要求15的方法，其特征在于：还包括由把介质传送到所说的第二空间而将该介质流体化。

19．根据权利要求18的方法，其特征在于：还包括在不同的时间段，把不同部分的介质依次连续地流体化。

20．根据权利要求19的方法，其特征在于：还包括在所说连续流体化程序中，对每部份的介质的粒子施予几乎相同的牵引力。

21．根据权利要求18的方法，其特征在于：还包括因介质全部流体化的结果而减少流体化液体的流速。

22．根据权利要求21的方法，其特征在于：还包括通过使已经流体化的介质积集在一个流体化流体出口区而减小流体化流体的流速。

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