JP2013521998A - 流体の濾過プロセスとプロセス実行のためのフィルタ装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、円筒形ハウジング、その中に同軸的に据え付けられた円筒形の多孔支持体、濾材、支持布、その内部に配置された移動可能な逆洗装置とからなる逆洗フィルタ装置により流体特に水媒体の濾過を行うプロセスに関する。プロセスは、微細粒子と超微粒子並びに油脂性又は圧縮性粘着物の除去の改善を可能としかつ高濃度固形物に適用可能である。本発明によるプロセスは以下のステップを含む。ａ）支持体の孔の中にフィルタケークを形成する。ｂ）フィルタケークの表面または内部に比較的微細な粒子または、油脂性または圧縮性粘着物粒子を堆積する。ｃ）所定のフィルタ負荷または最大許容差圧に達した後、または濾液流量が最低値より下がった場合に、逆洗を行う。本発明の更なる態様は、該プロセスを実行するフィルタ装置であり、濾材が差圧２００Ｐａで空気透過率７００〜１３００ｌ／ｍ^２ｓを有する濾布からなることを特徴とする。

Description

本発明は、流体、特に水媒体の濾過プロセスとそのプロセスを実行するためのフィルタ装置に関する。

一般に、濾過方式には４つの概念モデルがある。ここでは、ケーク濾過、ブロック濾過、深層濾過、クロスフロー濾過を区分けして考える。逆洗フィルタ装置の殆どは、ブロック濾過を利用する。これはシーブ（篩）濾過とも呼ばれている。ブロック濾過は、固体粒子がフィルタ媒体の穴を閉塞するプロセスのことであり、表面に固体粒子が堆積して次第に厚くなるフィルタケークを形成するケーク濾過とは異なるものである。

現状の技術水準に適合してはいるものの、ケーク生成や高固体濃度に適さない逆洗フィルタ設計がいくつかある。米国特許出願公開第２００６／００４３０１４号明細書に記載されているような、吸引ノズル逆洗フィルタシステムは、吸引ノズルから濾布までの距離が長く、バイパス流が生成される。このいわゆるバイパス流は未濾過チャンバから逆洗抽出装置へ直接流れ込み、濾布の清浄化に寄与しない逆洗液体のロスを生じる。ただしこの設計に関連する特性は、媒体中の大きな粒子を吸引ノズルに入り込ませるために必要である。結果として、吸引ノズルと濾布との間の距離は、最大粒子の直径以上でなければならない。これらの粒子が排出されない場合には、未濾過チャンバ内に堆積して、結果的にフィルタの閉塞を起こす。このシステムにおいてケーク生成が許されるとすると、逆洗液体への需要がより大きいために、利用できる濾液として存在するよりも多い洗浄液を必要とするであろう。このことはフィルタの閉塞を招き、適切なフィルタ機能がそれ以上は確保されないことになる。

別の逆洗フィルタ装置としては、米国特許第４，４１５，４４８号明細書に記載のカートリッジ型フラッシュバックフィルタがある。このフィルタシステムにおいて、逆洗前のフィルタ要素内における最も好ましくない粒子位置は、抽出装置に対向するフィルタ要素の側部である。逆洗の間、粒子はフィルタカートリッジから出るまでにフィルタカートリッジの全長を移動し、バックフラッシュ液用の抽出装置に入ってしまう可能性がある。その時になって初めて抽出装置は隣の要素へ回転することができる。

それに要する時間の間に、逆洗液は全フィルタカートリッジから排出され、したがって、逆洗開始時にフィルタカートリッジの流入端にあった、最も好適な粒子の領域から排出される。

その結果、フィルタカートリッジ全体の洗浄プロセスにおいて、全粒子を完全に排除するために多量の逆洗液を必要とする。実際にはカートリッジの一部のみしか洗浄されないことが多く、その主要部分が汚染されたままとなる。したがってこのようなフィルタシステムにおいて、ケーク生成濾過方式のような多量の固体があると、生成された濾液に対する逆洗液の割合が不適当になって、殆どの場合において利用できるよりも多い濾液が必要とされる。こうして、フィルタの適正な機能が確保されなくなる。

Ｌｅｎｚｉｎｇ ＡＧによる欧州特許出願公開第００５８６５６（Ａｌ）号明細書に記載のフィルタ装置においては、加圧摺動部材３（図１）によって未濾過チャンバ６を廃棄物チャンバ４に対して密封することが行われる。こうして、バイパス流が防止される。逆洗時には、洗浄液の全量が濾過方向とは逆に濾材１を貫通して流れて、濾材の洗浄に寄与する。

粒子がシステムの外に移送されるまでに移動しなければならない最大距離は、約５ｍｍに過ぎず、これは多孔支持体２の壁の厚さ程度である。したがって、粒子は既に廃棄物チャンバ４内にある。このように、相当するシステムに比べて必要とする逆洗媒体は実質的に少なくて済む。このＬｅｎｚｉｎｇ ＡＧによる欧州特許出願公開第００５８６５６（Ａｌ）号明細書により具体化されたフィルタシステムは、粘性媒体の深層濾過に好適であり、好ましくは、ステンレススチールの不織繊維に適合し、紡糸液の濾過の分野で利用される。この実施形態は、濾過しにくい粒子が存在する低粘度の水媒体の濾過には適していない。

米国特許出願公開第２００６／００４３０１４号明細書 米国特許第４，４１５，４４８号明細書 欧州特許出願公開第００５８６５６号明細書

円筒形ハウジングと、その中に同軸的に据え付けられた円筒形の多孔支持体と、濾材と、支持布と、その内部に配置された移動可能な逆洗装置とから基本的に構成される逆洗フィルタ装置で実行可能な濾過プロセスに基づいて、流体、特に水媒体の濾過において、微細粒子と超微粒子、並びに油脂性または圧縮性粘着物と固体濃度の高い粒子との改良された分離を可能とするプロセスを提供することを、本発明の目的とする。

本発明によるプロセスは以下のステップ、
ａ）支持体の穿孔部にフィルタケークを形成するステップ、
ｂ）フィルタケークの表面または内部において、微細粒子と、油脂性または圧縮性粘着物粒子とをそれぞれ分離するステップ、
ｃ）所定のフィルタ負荷または最大許容差圧に達した後、または濾液流量が最低値より下がった場合に、逆洗を行うステップ、
を含む。

もう一つの目的は、本発明によるプロセスを実行するためのフィルタ装置を提供することである。

円筒形ハウジングと、その中に同軸的に据え付けられた円筒形の多孔支持体と、濾材と、支持布と、その内部に配置された移動可能な逆洗装置とから構成される本発明のフィルタ装置は、差圧２００Ｐａにおいて空気透過率７００〜１３００ ｌ／ｍ^２ｓを有する濾布からなる濾材を特徴とする。

これらの濾材は、抵抗の非常に小さい高速濾液流とフィルタケークの高速生成とを可能とする。

濾材は多孔支持板と支持布との間に挟まれて配置されている。濾材は多孔支持体に全表面が載っていて、クランプ装置（図示せず）によって支持体上に挟みつけられている。

別の好適な濾材が図５ａと５ｂに示されている。これは、細長のスロット３３の開いた超微細多孔金属シート３２からなり、断面図（図５ｂ）に示すように、開口部が濾液チャンバに向かって広がり、かつ丸まっている。スロットの幅は５〜８０マイクロメートル、好ましくは１０〜２０マイクロメートルである。濾材の全面積に対する孔の部分の面積は５〜２０％、好ましくは５〜１０％である。濾過方向は図５ｂに矢印で示してある。このような濾材ではまた、非常に高速でのフィルタケーク形成が可能であり、逆洗性の改良につながる。

フィルタケークは、形成されると支持体の孔の中に配置され、その結果として逆洗ユニットの妨げにはならない。

加圧された摺動部材によって密封されるので、未濾過液が廃棄物チャンバに直接流入することはない。

本発明を以下の説明および図１〜４によりさらに詳細に記述する。

図１は主要フィルタ部品構造の断面図である。 図２はプロセスフロー回路図である。 図３は、フィルタ助剤の添加を含むプロセス構成のためのプロセスフロー図である。 図４は、フィルタ助剤の回収を含むプロセス構成のためのプロセスフロー図である。 濾材を示す図である。 濾材を示す断面図である。

図１は主要フィルタ部品構造の断面図である。濾材１は多孔支持体２と支持布（図示せず）の間に配置されている。図１の左部分では、孔８の中にフィルタケーク７が形成されている。濾過は矢印で示すように、未濾過チャンバ６から濾液チャンバ５に向かって起きる。図１の右部分には逆洗が示されている。逆洗装置３＋４は水平矢印の方向に移動する。

本発明のフィルタにおけるケーク生成方法を、図１を参照して以下に説明する。最初に、固体を含む未濾過液が未濾過チャンバ６から濾材１を通って濾液チャンバ５へ押し込まれる。粗い粒子が濾材１上に堆積し、微細粒子の支持層を形成する。この支持層ができることにより、濾材の細孔寸法よりもはるかに小さい粒径の粒子を分離することが可能となる。フィルタケーク７が穴８内にたまって厚さが増大してゆき、未濾過チャンバ６と濾液チャンバ５との間の差圧が最大許容値に達するか、または濾液流量が最低値より小さくなる。ケーク形成が完了すると、次に容易に逆洗可能となり、逆洗装置によって数秒間でフィルタ表面が清浄化される。逆洗装置は、例えば欧州特許第ＥＰ００５６６５６号（Ｌｅｎｚｉｎｇ ＡＧ）により公知である。

図２はプロセスフロー回路図である。未濾過液が僅かな粗い粒子しか含まない場合には、微細粒子を濾過するのに効果的な支持層がゆっくり形成され、初期には微細粒子の浸透が起き、いわゆる初期濾過液すなわち汚濁スパイクが形成される。しかし、濾液の品質が安定して低い固体濃度を示すようにするために、濾過を回路内で継続して必要な支持層を形成し、清浄な濾液が製造されるようにする。微細粒子が濾材を透過しなくなれば、必要とする支持層はすぐに形成される。

この手順に対して、未濾過液導管９から１つまたは複数のフィルタ装置１１、１１’、１１’’が未濾過液に供給される。処理にいくつかのフィルタ装置が必要であれば、それは分配導管１０を介して供給される。

フィルタ装置が１つだけ使用される場合、濾液は、初期にはまだ濁っているが、戻り導管１３を通ってポンプ１４のすぐ上流の位置へ戻される（循環）。フィルタ装置がいくつか使用される場合、まだ汚濁している濾液が回収導管１２に入り、それから戻り導管１３を通って同じ経路でポンプ１４の上流に戻される。支持層が形成されて、所望の濾液品質が達成されると、個々のフィルタの戻り導管は閉鎖され、濾液導管１５が開放される。

未濾過液内の固体が、油脂性または圧縮性粘着物のために、使用している濾材では濾過が困難または全く濾過できない場合には、あるいはまたその固体が非常に短時間で濾材を閉塞する場合には、フィルタ助剤を添加して濾過特性を変えることができる。

図３は、フィルタ助剤の添加を含むプロセス構成のためのプロセスフロー図である。

この目的のために、フィルタ助剤スラリがスラリ容器１６内に準備される。スラリは濾液とフィルタ助剤１７とを混合して準備される。ほとんどの場合、フィルタ助剤は粉末形状であり、したがって濾液中での攪拌が必要である。フィルタ装置での濾過のために、スラリは移送式ポンプ１８によってフィルタ２０の入口にある未濾過液ポンプ１９の上流へ供給される。フィルタ助剤の投与は、フィルタの逆洗終了後に直接行われる。フィルタでの流速が高いために、支持層は非常に急速に形成される。この後未濾過液から流入する固形物は支持層によって捕捉されて支持層上に堆積し、フィルタケークを形成する。

経済性およびエコロジーの観点から、可能な限りフィルタ助剤を回収することは意味がある。

好適なフィルタ助剤は、微細な砂、金属粉、およびそのほかの微細粒径化した重い粉末などであり、粒径範囲は３０〜２００マイクロメートル、密度は１，５００ｋｇ／ｍ^３〜１０，０００ｋｇ／ｍ^３、好ましくは２，０００ｋｇ／ｍ^３〜８，０００ｋｇ／ｍ^３である。これは後から添加する必要がある場合と、たとえば砂を含む河川水などのように未濾過液内にもともと存在している場合とがある。

図４は、フィルタ助剤の回収を含むプロセス構成のためのプロセスフロー図である。

回収のためには、本発明のフィルタ装置から循環的に製造された逆洗液（廃棄物）が廃棄導管２８を通って貯蔵タンク２３に供給される。既存の廃棄物は、濾過される媒体、濾過して除外されるべき固体、およびフィルタ助剤からなる。廃棄物は次に貯蔵タンクからポンプ２４で分離装置２５に送られ、密度分離によって除外されるべき固体がフィルタ助剤から分離される。濾過して除外されるべき固体は、上部導管２９で抽出され、フィルタ助剤は濃縮スラリとして下部導管３０から抽出される。液体遠心分離器などのような遠心力によって分離を促進することができる。その後、回収されたフィルタ助剤はスラリ貯蔵タンク２６内に格納される。そうして、必要に応じてフィルタ助剤がポンプ２７でフィルタポンプ２１の上流へ供給される。

フィルタ助剤を添加したプロセス構成において、このフィルタ助剤は濾過プロセスの最初にフィルタ助剤回収部、すなわち貯蔵タンク２３内に供給される。濾過の進行に伴い、消費されたフィルタ助剤は必要量を追加補充される。

本発明によるフィルタ装置を利用する場合、このプロセスはとくに重要である。それは、再生時間が数秒と短いことおよびプリコートの厚さが１０分の数ミリと薄いことによって、フィルタ助剤の消費量が非常に小さく、非常に高い濾過速度で運転することが可能である。「濾過速度」という用語は、フィルタの単位面積当たりの体積流量を表す。

前述の従来技術によるフィルタシステムにおいては、既存の層が全体に亘って一様であるためにはプリコートの厚さを少なくとも数ミリメートルにする必要があった。ほとんどの場合、これらのシステムでは再生に数分かかる。

本発明に関連して、逆洗にはガスを利用した固形物の排出が含まれる。

本発明の別の実施形態において、濾過サイクルが完了した後に、未濾過チャンバ、濾液チャンバ、および廃棄物チャンバから残留流体が処理ガスによって押し出され、かつその後に固形物が乾燥されて、同一ガスを用いてその圧力で排出される。

Claims (13)

1. 円筒形ハウジングと、該円筒形ハウジングの中に同軸的に据え付けられた円筒形の多孔支持体と、濾材と、支持布と、その内部に配置された移動可能な逆洗装置とからなる逆洗フィルタ装置によって、流体、特に水媒体の濾過を行うプロセスであって、
   ａ）前記支持体の孔の中にフィルタケークを形成し、
   ｂ）前記フィルタケークの表面又は内部において、微細粒子と、油脂性又は圧縮性粘着物粒子とをそれぞれ分離し、
   ｃ）所定のフィルタ負荷または最大許容差圧に達した後、又は濾液流量が最低値より下がった場合に逆洗を行う、
   ステップを含むプロセス。
2. 前記濾液は、濾過の開始時において必要な支持層が形成されるまでは、回路を循環することを特徴とする、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記フィルタケークは、濾過開始前又は濾過中に添加されたフィルタ助剤で形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のプロセス。
4. 前記濾材として、差圧２００Ｐａにおいて空気透過率７００〜１３００ｌ／ｍ^２ｓを有する濾布が使用されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のプロセス。
5. 粒径範囲が３０マイクロメートル〜２００マイクロメートルの重い粒子が液体遠心分離器などの密度分離処理によって廃棄物から分離されて、逆洗フィルタの上流に戻されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のプロセス。
6. 密度分離処理によって廃棄物から分離されて、前記逆洗フィルタの上流に戻される重い粒子を濾過プロセスに選択的に付加することを特徴とする、請求項５に記載のプロセス。
7. 前記重い粒子は、粒径範囲が３０マイクロメートル〜２００マイクロメートルで、密度が１，５００ｋｇ／ｍ^３〜１０，０００ｋｇ／ｍ^３、好ましくは２，０００ｋｇ／ｍ^３〜８，０００ｋｇ／ｍ^３である、砂の微粒子、金属粉、あるいはその他の微細粒子からなる重い粉末であることを特徴とする、請求項６に記載のプロセス。
8. 濾過サイクルが完了した後に、未濾過チャンバ、濾液チャンバ、及び廃棄物チャンバから残留流体がガスによって押し出され、かつその後に固形物が乾燥されて、同じガスの圧力を利用して排出されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のプロセス。
9. 円筒形ハウジングと、該円筒形ハウジングの中に同軸的に据え付けられた円筒形の多孔支持体と、濾材と、支持布と、その内部に配置された移動可能な逆洗装置とからなる、請求項１〜８のいずれか１項に記載のプロセスを実行するためのフィルタ装置であって、
   前記濾材は、差圧２００Ｐａにおいて空気透過率７００〜１３００ｌ／ｍ^２ｓを有する濾布が使用されることを特徴とするフィルタ装置。
10. 円筒形ハウジングと、該円筒形ハウジングの中に同軸的に据え付けられた円筒形の多孔支持体と、濾材と、支持布と、その内部に配置された移動可能な逆洗装置とからなる、請求項１〜８のいずれか１項に記載のプロセスを実行するためのフィルタ装置であって、
    前記濾材は、スロット形状の開口を有する極薄の多孔金属シートからなることを特徴とするフィルタ装置。
11. 前記フィルタケークは、前記支持体の孔の中に形成され、その結果として前記逆洗ユニットとは干渉しないことを特徴とする、請求項９〜１０のいずれか１項に記載のフィルタ装置。
12. 密封によって、未濾過液が前記廃棄物チャンバへ直接流入することを防止することを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか１項に記載のフィルタ装置。
13. 前記濾材を前記支持体上に均等に留めるための締付装置が備えられることを特徴とする、請求項９〜１２のいずれか１項に記載のフィルタ装置。

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