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Verfahren und Einrichtung zum Filtrieren von Flüssigkeiten
Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zum Filtrieren von Flüssigkeiten, welches insbesondere für
die Reinigung von Oberflächenwässern (Flußwasser u. dgl.) geeignet ist und bei dem
die Flüssigkeit durch ein sogenanntes »Anschwemm-Filter«, d. h. durch Metailnetze
hindurchgedrückt wird, welche mit einer Anschwemm-Masse, wie z. B. einer Schicht
von Asbest- oder Zellulosefasern, bedeckt sind. Weiterhin betrifft die Erfindung
besonders geeignete Einrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Mit Anschwemm-Filtern erhält man bekanntlich auch bei relativ hohen
Durchsätzen noch sehr saubere Filtrate; trotzdem konnte sich das Anschwemm-Filter
bisher nur für die Filtration begrenzter Mengen hochwertigen Filtrates. durchsetzen,
weil die Anschwemm-Schicht sich im Betrieb allmählich verstopfte und dann nach Unterbrechung
des Betriebes in zeitraubender Weise von den Drahtnetzen entfernt und durch neue
Anschwemm-Masse ersetzt werden mußte.
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Die Erfindung beseitigt diese Nachteile und ermöglicht einen praktisch
kontinuierlichen Betrieb mit so stark vermindertem Bedarf an Anschwemm-Masse, daß
man dieses Filtrationsverfahren nunmehr auf alle Filterprobleme anwenden und auch
zur Reinigung von Gebrauchswässern benutzen kann.
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Gemäß der Erfindung wird der Filtrationsvorgang periodisch durch
einen kurzzeitigen Reinigungsprozeß unterbrochen, welcher darin besteht, daß die
Anschwemm-Masse durch Rückspülung
von den Anschwemm-Netzen abgeworfen
und aus dem entleerten Filterraum in einen tiefer liegenden Waschraum übergeführt,
dort anschließend in turbulent strömender Flüssigkeit an Sieben ausgewaschen und
hierbei durch parallel zu den Waschsieben unter Druck eingespritzte Flüssigkeitsstrahlen
von einer Anschwemmung an den Waschsieben abgehalten sowie nach Zuführung einer
Ersatzmenge frischer Anschwemm-Masse unmittelbar im Anschluß an den Waschprozeß
in den Filterraum zurückgeführt und neu angeschwemmt wird.
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Dieser Prozeß erfordert nur einige Minuten Zeit, welche sich im Rahmen
eines kontinuierlichen Fabrikationsprozesses leicht durch einen relativ kleinen
Filtratspeicher überbrücken lassen. Er setzt voraus, daß dieAnschwemm-Masse bei
jedem Spülvorgang möglichst restlos von den Anschwemm-Netzen abgehoben und in den
Waschraum übergeführt wird, was man am besten erreicht, wenn man die Rückspülung
durch stoßartige Entleerung eines in der vorangehenden Filtrierperiode aufgefüllten,
unter Druck stehenden Filtratspeichers herbeiführt.
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Von entscheidender Bedeutung ist jedoch die neuartige Durchführung
des Waschprozesses an Waschsieben, welche durch eingespritzte Flüssigkeitsstrahlen
von der Bildung eines unzulässigen Anschwemm-Belages freigehalten werden. Diese
Art des Waschprozesses ermöglicht eine überraschend schnelle Äusschwemmung des an
die Anschwemm-Masse gebundenen Schmutzes, wobei es sich empfiehlt, den Flüssigkeitsdurchsatz
während des Waschprozesses auf ein Mehrfaches des Filterproduktionsdurchsatzes zu
bemessen, indem man beispielsweise die Filterpumpe während des Waschprozesses mit
verdoppelter- Drehzahl laufen läßt.
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Weiterhin kann man zur Erhöhung der Durchwirbelung im Waschprozeß
auch noch Druckluft durch den Waschraum hindurchblasen. Der Waschprozeß ist bereits
nach I bis 2 Minuten beendet, so daß die erneute Anschwemmung unverzüglich folgen
kann. Diese nimmt man zweckmäßig ebenfalls bei erhöhtem Arbeitsdruck der Filterpumpe
und entsprechend gesteigertem Durchsatz vor, damit sofort eine gleichmäßige Anschwemm-Schicht
auf der ganzen Oberfläche der Anschwemm-Netze entsteht und. diese am Schluß des
Anschwemm-Vorganges verdichtet wird. Man kann dann nach Abschluß des Verdichtungsvorganges
unverzüglich wieder auf Filtration umschalten und erhält sofort ein klares Filtrat
Die Anschwemmung bei erhöhtem Durchsatz erfolgt am besten dadurch, daß man den Waschablauf
schließt, aber den Wasch--zulauf zunächst offenläßt, bis die Anschwemmung vollzogen-ist.
Als Waschflüssigkeit kann man auch getrennt unter Druck zugeführtes Wasser verwenden.
Bei der Filtration von geringwertigen Flüssigkeiten, wie z.B. von Oberflächenwasser,
benutzt man als Waschflüssigkeit unmittelbar das unter Leitungsdruck stehende Rohwasser.
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Durch das erfindungsgemäße Waschen an Sieben, welche hierbei durch
Flüssigkeitsstrahlen von Anschwemmungen freigehalten werden, lassen sich die Verluste
an Anschwemm-Masse auf ein Mini mum reduzieren. Trotzdem wird ein kleiner Teil mit
dem abgeführten Schmutz ausgeschwemmt und muß daher ersetzt werden. Er beträgt je
Waschprozeß etwa 5 bis ro 0/o und umfaßt einen erhöhten Anteil an feinster Faser.
Man schiebt daher als Ersatz zweckmäßig ein Fasergemisch nach, welches gegenüber
der Ausgangsmasse einen erhöhten, etwa verdoppelten Anteil an feinen Fasern besitzt.
Um eine gute Einmischung der Ersatzmasse sicherzustellen, wird diese vorher aufgelöst
und dann in der Zeitspanne zwischen der Beendigung des Waschprozesses und dem Beginn
des nachfolgenden Anschwemm-Prozesses unter Druck in die ausgewaschene Anschwemm-Masse
eingespritzt.
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Zur Durchführung des erfindungsgernäßen Verfahrens bedient man sich
am besten eines Apparates, bei dem der Waschraum in einem gemeinsamen Behälter unmittelbar
unter dem Filterraum angeordnet ist und an seinen Seitenwänden das Waschsieb trägt.
Die im Rückspulprozeß ron den Ans chw emm- Netzen abgewoffene Anschwer£lm-Masse
fällt dann unmittelbar in den darunterliegenden Waschraum, dem man znveckmä einen
kegelförmigen Boden gibt, so da!3 die Ansch'vemm-Masse auf diesem seitlich zu den
Waschsieben hin abgleitet. Über dem Filterraum kann man im gleichen Behälter den
durch eine Wand abgetrennten Filtrat-Speicherraum -vorsehen und erhält dann für
die Rückspülung einen besonders Irn-izen :ErIussigkeitsweg.
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Die Anschwemm-Ketze werden zwecklIIãßig lotrecht aufgehängt und am
besten stemförinig um ein gemeinsames Verteilerrohr angeorclnet, das ihre Reinfiltratableitungen
mit dem Filtratspefcher verbindet und mit einer Anzahl von gleichmäßig über seinen
Mantel verteilten Öffnungen versehen ist, um den Vordruck beim Anschwemmen möglichst
gleichmäßig über die Anschwemm-Netze zu rerteilen. An dieses Verteilerrohr kann
dann unten das weite Ableitungsrohr für den Vorlauf angeschlossen werden.
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Das Waschsieb wird zweckmäßig aus einzelnen, im Zickzack verlaufenden
Elementen aufgebaut und innerhalb eines mit dem Waschablauf verbundenen Ringkanals
angeordnet, der durch gleichmäßig verteilte Öffnungen mit dem Waschsieb in Verbindung
steht. Zur Freihaltung des Waschsiebes von Anschwemm-Belägen wird der Hauptteil
der Waschflüssigkeit über Düsen in den Waschraum eir,-geführt, welche im Waschraum
rings in Abständen von höchstens 40 mm voneinander und in einem Abstand von höchstens
30 mm von der Oberfläche des Waschsiebes angeordnet sind und deren Strahlrichtung
annähernd parallel zum Waschsieb verläuft. Weitere Düsen, die zweckmäßig mit tangentialer
Komponente Waschflüssigkeit in den Waschraum einspritzen, können der zusätzlichen
Durchwirbelung der suspendierten Anschwemm-Masse im Waschraum dienen und dessen
Inhalt gleichzeitig in Rotation versetzen.
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Für die Einführung der periodisch nachzuschiebenden Ersatz-knschwemm-Masse
steht man zweck-
mäßig ein gesondertes Mischgefäß mit Rührer vor,
in dem diese Masse zunächst aufbereitet und aus dem sie dann nach Abschluß des Waschvorganges
unter dem Druck der Waschflüssigkeit in den Waschraum eingeführt und mit der frisch
gewaschenen Anschwemm-Masse vermischt wird.
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Mit Hilfe eines solchen Apparates läßt sich das eingangs beschriebene
Verfahren einfach durch aufeinanderfolgende Offnung und Schließung verschiedener
Ventile durchführen, und zwar vollautomatisch, wenn man sich für die Steuerung der
Ventile eines elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen Programmschaltwerkes
an sich bekannter Art bedient. Werden die einzelnen Ventile mit hydraulischer Steuerung
durch Servoventile ausgerüstet, so gestaltet sich ein solches Programm-Schaltwerk
besonders einfach.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und weitere Einzelheiten einer erprobten
Einrichtung zu seiner Durchführung sei im folgenden an Hand der Zeichnungen näher
erläutert. Von diesen zeigt Fig. I den schematischen Vertikalschnitt durch eine
erfindungsgemäße Einrichtung sowie Fig. 2 einen etwas vergrößerten Schnitt nach
II-II durch den Filterraum und Fig. 3 einen etwas vergrößerten Schnitt nach III-III
durch den Waschraum.
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Der dargestellte Apparat besteht aus einem Behälter, dessen Unterteil
I den Waschraum und dessen mittlerer Teil 2 den Filterraum darstellt.
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Dieser ist durch eine Zwischenwand 3 von dem obenliegenden Speicherraum
4 abgetrennt. Im Filterraum 2 stehen die sternförmig angeordneten Metalldraht-Gewebeplatten-
5, welche innen in Haltesegmente 6 eingeklemmt sind <vgl. Fig. 2).
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Letztere bilden einen rohrförmigen Körper, welcher oben und unten
durch Spannring II zasammengehalten wird und das Verteilerrohr 9 umgibt. Der Zwischenraum
7, welcher zwischen diesem rohrförmigen Körper und dem Verteilerrohr g liegt, steht
über eine Bohrung 8 mit dem Speicherraum 4 in Verbindung. Das Verteilerrohr g ist
an die Zwischenwand 3 angeschweißt und mit einer Vielzahl von gleichmäßig verteilten
Durchlaßöffnungen 10 ausgerüstet. Der ganze, unten durch den Flansch 12 abgeschlossene
Filterstern wird von dem Rohr I7 durch den angeschweißten Flansch I3 von unten gegen
die Zwischenwand 3 gedrückt.
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Im Unterteil des Apparates ist das Waschsieb 14 angeordnet, welches
gemäß Fig. 3 zickzackförmig an der Seitenwand des Waschraumes I entlang geführt
ist. Der Waschraum I ist unten durch den Flansch 15 abgeschlossen, welcher mit dem
Konusblech I6 den Boden dieses Raumes bildet. Durch diesen Boden führt das erwähnte
Rohr I7 hindurch, das während des Anschwemm-Prozesses den Vorlauf abführt. Die untere
Wandungszone des Waschraumes I liegt innerhalb des Ringkanals I8, von dem aus eine
Anzahl öffnungen 19 zum Waschraum I führen. Unter dem Flansch 15 liegt ein zweiter
Ringkanal 20, von dem aus zahlreiche, als Waschdüsen wirkende Kanäle 21 und 21a
in den Waschraum I münden (vgl. auch Fig. 3).
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Für die Aufbereitung und Einführung der Ersatz-Anschwemm-Masse dient
ein Behälter 33, der mit einem Fülltrichter 34 und einem Motorrührer 35 ausgerüstet
ist. Dieser Behälter 33 ist über eine Leitung 37 mit der Zulaufleitung und über
eine Leitung 36 mit dem Waschraum I verbunden. Für die Reinigung des Apparates dient
das Ablaßventil 27.
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Zur Steuerung des Apparates sind folgende Hilfsmittel vorgesehen:
Das Rohfiüssigkeits-Zulaufventil 26 und das in der Reinflltratableitung 40 vor dem
Strömungsmesser 39 liegende Rückschlagventii 24, das weite Ablaufventil 22, welches
zum Entleeren des Filterraumes und für den Ablauf des Schmutzwassers aus dem Ringraum
I8 dient, das Ventil 25, über das die Waschdüsen 2I und 21a mit Waschflüssigkeit
gespeist werden, und das Vorlaufventil 23, über welches der Vorlauf während des
Anschwemm-Prozesses abgeführt wird, das Ventil 29 für den Einlaß von Druckwasser
in den Behälter 33 und das Rückschlagventil 28 für die Einführung der Ersatz-Anschwemm-Masse
in den Waschraum II sowie schließlich das zwischen die Entlüftungsleitung 3r und
den Tubus 30 eingeschaltete Schwimmerventil 32.
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Der Apparat arbeitet in folgender Weise: Wenn der Filterstern 5 mit
Anschwemm-Masse bedeckt ist, tritt die trübe Rohflüssigkeit in kontinuierlichem
Strom über das Ventil 26 ein; dabei wird das Reinfiltrat über das vom Druck offen
gehaltene Rückschlagventil24 und den Strömungsmesser 39 der Filtratableitung 40
zugeführt. Nach dem Erreichen eines zulässigen, festgelegten Druckabfalles am Filter
wird durch ein (nicht gezeichnetes) Programmschaltwerk zunächst das weite Ablaßventil
22 voll geöffnet, so daß eine plötzliche Druckentlastung im Wasch- und Filterraum
I und 2 eintritt. Die im Speicherraum 4 bis zu einer gewissen Höhe akkumulierte
Filtratmenge, welche unter dem dort eingeschlossenen Druckluftpolster ruht, wird
daher mit großer Geschwindigkeit durch die Öffnungen 8 und 10 in den Raum 7 hineingetrieben
und übt hierbei stoßartig einen Druck auf die gesamten Flächen des Filtersternes
5 aus. Hierdurch wird die Anschwemm-Masse sofort vollständig von den Filterflächen
abgehoben und fällt durch den inzwischen entleerten Filterraum in den Waschraum
1, der sich ebenfalls nahezu entleert. Nunmehr werden die Ventile 25 und 23 geöffnet,
während das Rückschlagventil 24 selbsttätig einen Filtratrücklauf aus der Leitung
40 verhindert.
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Die jetzt auf erhöhte, z. B. verdoppelte Drehzahl umgeschaltete Pumpe
preßt die Rohflüssigkeit unter hohem Druck über das Ventil 25 in den Ringkanal 20
und spritzt sie gleichzeitig durch alle Düsen 21 und 21a in den Waschraum I ein,
so daß die verschmutzte Filtermasse dort einer intensiven Durch wirbelung und Ausspülung
unterzogen wird. Die freigelegten Schmutzstoffe werden über das Waschsieb I4, den
Ringkanal I8 und das geöffnete Ventil zz abgeschwemmt. Die in einem Abstand von
weniger als 30 mm vom Spülsieb 14 angeordneten und weniger als 40 mm voneinander
entfernten
Düsen 21 senden ihre Strahlen parallel zu dem im Zickzack
aus einzelnen, an der Behälterwand zusammenstoßenden Elementen aufgebauten Spulsieb
I4 (vgl. Fig. 3) und verhindern hierdurch, daß letzteres sich mit Anschwemm-Masse
belegt. Sie sind so wirksam, daß der eigentliche Waschvorgang in etwa 30 Sekunden
beendet ist. Die schräggestellten Düsen 21a durchwirbeln dabei entlang der Konusfläche
I6 die dort abgesetzte Filtermasse und führen sie in die Nähe des Waschsiebes 14.
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Gleichzeitig wird das Waschgut durch sie in Drehung versetzt. Zur
Erhöhung der Durchwirbelung des Waschgutes können noch zusätzliche Druckluftdüsen
vorgesehen werden, oder es wird Druckluft in den Ringkanal 20 eingeführt, welche
sich dort mit der Waschflüssigkeit mischt.
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Sobald der Waschvorgang beendet ist, wird das Ventil 22 geschlossen,
während das Ventil 25 noch geöffnet bleibt. Gleichzeitig wird das Ventil 29 geöffnet
und hierdurch die vorher im Behälter 33 aufbereitete frische Anschwemm-Masse über
die Leitung 36 in den Waschraum unter Druck eingespritzt. Dies bewirkt eine weitere
Durchwirbelung und Auflockerung des rotierenden Filtermassebreies, der gleichzeitig
vom ansteigenden Flüssigkeitsniveau verdünnt und nach oben zum Filterstern 5 emporgetragen
wird. Nunmehr setzt der neue Anschwemm-Vorgang ein, bei dem der Vorlauf über das
offene Ventil 23 abfließt. Infolge der erhöhten Durchlaufgeschwindigkeit legt sich
die Anschwemm-Masse sofort fest und dicht an die Anschwemm-Netze des Filtersternes
5 an und bedeckt diese in kurzer Zeit voll und gleichmaßig.
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Die weiter steigende Rohflüssigkeit gelangt schließlich durch das
Entlüftungsrohr 3I zum Schwimmerventil 32, welches sich schließt. Etwa in diesem
Augenblick werden die Ventile 23 und 25 wieder geschlossen. Gleichzeitig wird die
Filterpumpe auf normale Drehzahl zurückgeschaltet. Dann setzt die normale Filtration
wieder ein und es steigt der Druck im Speicherraum 4, bis sich das Rückschlagventil
24 öffnet und der Strömungsmesser 39 den Beginn der nächsten Filtrationsperiode
anzeigt.
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Der beschriebene Apparat liefert das Reinfiltrat unter einem gewissen
Druck in die an den Strömungsmesser 39 angeschlossene Leitung. Man kann jedoch auch
mit drucklosem Abfluß arbeiten. In diesem Falle wird an den Speicherraum 4 ein Steigrohr
gesetzt, das zu einem Überlauf (als Ersatz des Rückschlagventils 24) führt, um eine
gewisse Fallhöhe für den Abwurf der Filtermassen zur Verfügung zu haben. Es hat
sich nämlich gezeigt, daß für diesen Vorgang bereits ein Druck von 2 bis 3 m Wassersäule
genügt.
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Die erwähnte Leistungssteigerung der Filterpumpe kann man z. B. durch
Zuschalten einer Hilfspumpe oder Umschalten eines Getriebes herbeiführen. Am besten
bedient man sich jedoch einfach zum Antrieb der Pumpe eines Elektromotors, dessen
Drehzahl sich durch Polumschaltung stufenweise steigern bzw. verdoppeln läßt.
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Statt die Leitungen der Ventile 25 und 29 vom RohzufluB abzuzweigen,
kann man sie auch an eine gesonderte Spülleitung anschließen und das Ventil 26 während
des Spül- und Wiederanschwemmungsprozesses geschlossen halten. In dieser Weise wird
man z. B. bei der Filtrierung von Flüssigkeiten vorgehen, welche selbst nicht zum
Spülen herangezogen werden können.
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Die aufeinanderfolgende Öffnung und Schließung der Ventile 22, 23,
25, 26 und 29 kann man natürlich mit an sich bekannten Mitteln elektrisch oder hydraulisch
im gewünschten zeitlichen Programm steuern, um so den ganzen Prozeß voll zu automatisieren.
Weiterhin kann man den über das Ventil 23 abströmenden Vorlauf in die Ansaugleitung
der Filterpumpe zurückführen, um die Rohflüssigkeit des Vorlaufes wieder zu gewinnen.
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Durch den an sich bekannten gedrängten Aufbau des Filtersternes 5
lassen sich in einem verhältnismäßig kleinen Behälter-sehr große Filterflächen unterbringen,
so daß der beschriebene Apparat eine überraschend große Filterleistung aufweist.
Der Verlust an Anschwemm-Masse beträgt - wie Versuche gezeigt. haben - nnr 5 bis
I00/o je Spülvorgang, so daß die Kosten für die Ersatzmasse sehr gering sind. Das
Filtrat hat durchgehend einen Reinheitsgrad von 99,8°/o und ist kristallklar.
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Dieser hohe Reinheitsgrad ist auf die regelmäßige Nachschiebung feinfaseriger
Anschwemm-Masse sowie auf die Verdichtung der Anschwemm-Masse bei Beginn des Filtriervorganges
zurückzuführen.