KR20180055802A - 필터 베드에 의한 유체의 정제 장치 및 방법 - Google Patents

필터 베드에 의한 유체의 정제 장치 및 방법 Download PDF

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KR20180055802A
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젤레 파버
피테르 반 데르 헤이든
르네 알렉산터 로젠달
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파크 아이.피. 비.브이.
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Abstract

본 발명은 유체의 정제 장치 및 방법을 제공하며, 상기 장치는 - 작동 시, 입자상(granular) 필터 물질을 갖는 필터 베드(2)를 수용하는 용기(1); - 작동 중, 상기 필터 베드(2) 아래의 캐비티(5)로부터 상기 필터 베드 위의 위치(17)까지 필터 물질을 운반하도록 구성된 운반 시스템(8); - 정제될 유체를 장치 내로 도입하는 유체 유입구(14); - 작동 시, 혼합 섹션 아래의 용기의 일부에서 상기 필터 베드로부터 입자상 필터 물질과 상기 유체 유입구로부터 유체의 혼합물을 제공하도록 구성된 혼합 섹션(3); 및 - 복수의 가스 리프트 인젝터들(4)을 포함하고, 각각의 가스 리프트 인젝터(4)는, 작동 시, 상기 유체 유입구(14)로부터 유체의 혼합물과 상기 필터 베드(2)로부터 입자상 필터 물질을 상기 캐비티(5)로 운반하도록 구성된다.

Description

필터 베드에 의한 유체의 정제 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PURIFICATION OF A FLUID BY MEANS OF A FILTER BED}
본 발명은, 필터 베드에 의해, 산업 폐수 또는 지하수와 같은, 유체의 정제를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
유체(fluid) 또는 액체(liquid)를 정제 또는 정화하기 위한 상이한 유형들의 필터 베드 반응기가 당업계에 공지되어 있다. 종래의 고정식 필터들에서는 고형물이 필터 베드에 점진적으로 축적되어 처리가 재개되기 전에 필터 물질이 역세척(backwashing)에 의해 세정되어야 할 때까지 헤드 손실을 증가시킨다. 역세척들 사이의 시간들은 다양할 수 있으며, 이러한 시간들이 너무 짧으면 시스템의 효과적인 작동 시간을 상당히 감소될 수 있다.
　연속 베드 필터 반응기에서, 정제될 유체는 필터 베드를 통해 전도되고, 필터 물질은 운반 시스템에 의해 이동된다. 필터 물질을 움직이기 위해서는 필터 물질을 필터 베드를 통해 순환시키거나, 예를 들어, 필터 물질을 필터 베드의 하단부에서 상단부로 침착시켜 상부로 가져 와서, 필터 물질이 처리되기 전이나 후에 필터 베드로 다시 떨어뜨려, 연속적으로 하단부에서 상단부로 계속 움직일 수 있다. 이는 일반적인 오토 정제 시스템들에서, 제거된 부분들은 농축된 스트림에서 연속적으로 배출된다.
이러한 유형의 연속 베드 필터 반응기는 산업 폐수 및 가정 폐수의 정제 및 식수 정제에 점점 더 많이 사용되고 있다.
EP 730 895 A1은 필터 베드의 필터 물질이 에어 리프트로 들어 올려 져 정제되기 전에 필터 베드의 필터 물질이 미끄러져 내려가는 경사 원뿔형 하단부를 갖는 원통형 용기를 포함하는 전형적인 종래 기술 모래 필터를 개시한다. 세척될 물은 일반적으로 용기의 상단부 절반의 입구에 도입된다. 이러한 장치들은 일반적으로 6 ~ 7 미터 정도의 매우 높은 원뿔형 하단부로 인해 단점이 있다. 이는 더 복잡하고 비싼 구조를 만들 수 있다. 또한, 필터 베드는 종종 불균일하게 로딩되고, 결과적으로 바람직한 유체 경로들이 생성될 수 있는데, 특히 필터의 직경이 커질수록 더욱 그러하다. 두 가지 이유들로, 이 유형의 필터들의 직경은 일반적으로 최대 4 미터로 제한된다.
본 발명은 유체의 정제 장치를 제공한다. 상기 장치는,
작동 시, 입자상 필터 물질을 갖는 필터 베드를 수용하는 용기;
작동 중, 필터 베드 아래의 캐비티로부터 필터 베드 위의 위치까지 필터 물질을 운반하도록 구성된 운반 시스템;
정제될 유체를 상기 장치 내로 도입하는 유체 유입구;
작동 시, 유체 유입구로부터 유체의 혼합물과 필터 베드로부터 입자상 필터 물질을 제공하도록 구성된 혼합 섹션; 및
복수의 가스 리프트 인젝터들을 포함하고, 각각의 가스 리프트 인젝터는, 작동 시, 유체 유입구로부터 유체의 혼합물과 필터 베드로부터 입자상 필터 물질을 캐비티로 운반하도록 구성된다.
용기의 하단부(bottom)는 평평(flat)하거나(외측에서 보았을 때), 적어도 중요한 평평한 부분을 포함할 수 있다. 전술한 특징들은 종래 기술의 용기들의 비스듬한 원뿔형 하단부를 불필요하게 하여, 보다 간단한 구조를 가능하게 한다. 가스 리프트 인젝터들은 비스듬하게 기울어질 수 있다. 가스 리프트 인젝터들은 중심에서 벗어난 패턴으로 배열될 수 있어 각 가스 리프트 인젝터가 용기의 평평한 하단부의 일부를 덮는다. 그런 식으로, 용기의 하단부 또는 그 근처에 놓인 혼합물을 추가로 상측으로 운반하기 위해 캐비티로 효과적으로 가져온다. 하나 이상의 유체 유입구, 혼합 섹션 및 가스 리프트 인젝터들은 일반적으로 용기의 하반부에 제공될 것이다. "용기의 하반부(lower half of the vessel)"라는 용어는 용기의 하단부에 가까운 위치를 가리키는데, 적어도 용기의 상단부보다 하단부에 더 가깝다. 이 위치는 또한 용기의 하부 3분의 1, 또는 용기의 하부 1/4에 있을 수 있다. 일반적으로, 유체 유입구 및 필터 베드 아래의 캐비티는 용기의 하단부에 근접할 수 있다. 가스 리프트 인젝터들은 정제될 유체와 필터 베드로부터 오는 입자상 물질의 혼합물을 보다 상측을 향해 운반하기 위하여 캐비티를 향해 운반하기 때문에, 종래 기술의 필터 베드 반응기(reactor)들의 하향-좁아진 원뿔 형상은 더 이상 필요하지 않다. 이는 본 발명에 따른 장치의 제조를 단순화하고, 특정 물질들(예를 들어, 중합체(polymer)들)의 사용을 사용하기에 실용적으로 만든다. 본 발명은 또한 종래의 필터 베드 반응기들보다 짧을 수 있는 필터 디바이스를 제공한다.
이 개시는 혼합물을 격실(compartment)들로부터 캐비티로 운반하기 위한 수단인 가스 리프트 인젝터를 기술한다. 가스 리프트 인젝터는 이것을 달성하기 위한 편리한 수단이며, 이는 가스가 또한 용기의 높은 부분(higher part)로 운반하기 위해 라이저 파이프(riser pipe)의 작동을 돕는다. 그러나, 본 개시는 가스 리프트 인젝터들의 사용에 제한되지 않는다. 이 개시가 가스 리프트 인젝터들을 언급하는 경우, 또한 다른 유형들의 운반 시스템이 지시될 수 있다(예를 들어, 펌프-활성화 운반 시스템). 관련성이 있는 것은 가스 리프트 인젝터가 혼합물을 캐비티로 이동시키고 캐비티와 용기의 높은 부분 사이의 운반 시스템이 작동하는 것을 방해하지 않는 것이다.
본 발명에 따른 실시예에서, 상기 장치는 용기의 하반부에 혼합 섹션을 포함하고, 상기 혼합 섹션의 개방된 상단부(open top)는 필터 베드와 유체로 연결되고 혼합 섹션의 개방된 하단부(open bottom)는 유체 유입구와 유체로 연결된다. 일 실시예에서, 혼합 섹션은, 하나 이상의 교차 부재들에 의해 복수의 격실들로, 분할된다. 일 실시예에서, 혼합 섹션의 상단부 개구(top opening)는 하단부 개구(bottom opening)보다 크며, 그 결과 혼합 섹션은 깔때기 형상을 효율적으로 갖는다. 일 실시예에서, 혼합 섹션은, 작동 시, 적어도 하나의 가스 리프트 인젝터의 유입구에 유입 유체 및 입자상 물질의 혼합물을, 가져 오도록 구성된다.
본 발명은 전술한 바와 같은 복수의 장치들의 어레이를 제공하며, 복수의 장치들 중 적어도 2개는 상호 연결되어 적어도 2개의 장치들 사이에서 정제될 유체를 분배한다.
본 발명은 유체의 정제 방법을 더 제공하며, 상기 방법은,
정제될 유입 유체를 정제 장치로 도입하는 단계;
정제 장치 내의 필터 베드로부터 입자상 필터 물질을 유입 유체와 혼합하는 단계; 및
복수의 가스 리프트 인젝터들을 통해 입자상 필터 물질과 유입 유체의 혼합물을 필터 베드 아래로부터 필터 베드 위로 필터 물질을 가져오는 운반 시스템으로 공급하는 단계를 포함한다.
첨부된 도면 시트들에서, 동일한 참조 번호들은 동일한 요소들을 표시한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 하부의 등각 단면도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 하부의 정면 단면도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 하부의 평면도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체의 정제 방법의 흐름도를 도시한다.
도 6a는 직사각형 둘레를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 도시하고, 도 6b는 그러한 용기들의 어레이를 도시한다.
도 7a는 육각형 둘레를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 도시하고, 도 7b는 이러한 용기들의 어레이를 도시한다.
본 발명은 이제 첨부된 도면들과 관련하여 설명될 것이다.
이하의 설명 전반에 걸쳐, 필터 물질로서 모래가 사용되는 본 발명의 실시예들이 설명될 것이다.
그러나, 이 필터 물질은 규암 모래, 화강암 모래, 자갈, 무연탄 또는 활성탄과 같은, 당업계에 공지된 바와 같은 임의의 다른 적절한 유형의 필터 물질일 수 있음을 이해해야 한다.
또한, 본 발명의 실시예들에서는 정제될 유체가 물인 것으로 간주하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 임의의 적절한 유체에 적용될 수 있다.
첨부한 도 1에서, 1은, 특정 입자 크기의 이 예시에서의 모래인, 필터 물질의 필터 베드(2)를 갖는 용기 또는 탱크를 나타낸다. 용기(1)는 원통형 섹션으로 구성되며, 공지된 모래 필터들과 같은 원뿔형 하단부가 필요 없지만, 필터 베드 아래에 위치한 필터 베드와 동일한 직경의 하단부 원통형 섹션이 있다. 이 하단부 원통형 섹션은 적어도 하나의 격실, 바람직하게는 복수의 격실들을 포함하는 혼합 섹션(3)을 포함한다. 각 격실은 깔때기처럼 작동하도록 하측으로 좁아질 수 있다. 본 발명에 따른 실시예에서, 혼합 섹션(3)은 각각 하측 폭이 좁은 적어도 3 개의 격실들을 포함하여, 하단부 원통형 섹션 주위에 원을 형성하는 깔때기들과 같이 작용한다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 예를 들어 2, 3, 4(도 6a에 도시된 바와 같이), 5, 6(도 2 - 도 4에 도시됨), 7, 8 또는 그 이상의, 다른 격실들의 수가 제공될 수 있다. 혼합 섹션의 중심 주위의 격실들의 이러한 깔때기 구조에 의해, 보다 평평한 하단부 섹션이 제공되고, 모래와 물의 혼합물은 혼합 섹션 주위의 서로 다른 위치들로부터 운반 시스템으로 가져올 수 있다. 이 혼합 섹션(3)은 유체 유입구(14)로부터의 유입물(influent)가 필터 베드 내로 흘러들어갈 수 있고 필터 베드로부터의 필터 물질이 아래로 가라앉을 수 있도록 개방된 상단부를 갖는다. 혼합 섹션(3)의 상세한 설명은 하기에 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용기(1)의 상부는 개방되지만, 본 발명에 따른 다른 실시예들에서는 폐쇄될 수도 있다. 용기(1)의 중심에는, 작동 중에 필터 베드(2)의 필터 물질을 이동시키도록 구성된, 운반 시스템이 있다. 운반 시스템은 용기(1)의 수직 축을 따라 연장되는 리프트 파이프(8)로서 배열된다. 본 발명에 따른 일 실시예에서 제2 파이프(9)는 리프트 파이프(8) 주위에 위치하며, 제2 파이프는 외측 파이프 또는 케이싱 파이프라고도 불린다. 이 외측 파이프(9)는 리프트 파이프(8)보다 짧을 수 있으며, 그 결과 리프트 파이프(8)는 외측 파이프(9)보다 용기의 하단부까지 더 아래 방향으로 연장된다.
상부 단부에서, 외측 파이프(9)는 리프트 파이프(8)의 상부 단부 아래의 소정 거리에 위치하는 지점까지 연장된다. 이 외측 파이프는 리프트 파이프(8) 및 필터 베드(2) 사이의 분리 수단으로서 작용하여, 필터가 물과 모래로 채워지는 동안 리프트 파이프가 필터와 간섭하지 않고 제거되어 장착될 수 있다. 하단부 단부에서, 외측 파이프(9)는 리프트 파이프(8)의 하부 단부 위의 소정 거리에 위치한 지점까지 연장된다. 리프트 파이프(8) 및 외측 파이프(9)는 리프트 파이프(8)를 그것의 하단부 단부 아래까지 둘러싼 캐비티(5)의 원뿔형 개구부에서 끝난다.
이 캐비티(5)는 필터 베드 아래의 디바이스의 중앙에 위치한다. 상기 캐비티(5) 주위에는 필터 물질(모래)이 운반 시스템에 공급되고 유입물(물)가 필터 베드 내로 흘러 들어가는 혼합 섹션(3)이 위치한다. 가스 리프트 인젝터(4)는, 그것의 상부 단부가, 캐비티(5) 내로 연장되고, 작동 시, 가스 리프트 인젝터는 시스템 외부로부터 불어 넣어진 가스와, 혼합 섹션(3)으로부터 가스 리프트 인젝터(4)로 들어오는 모래와 물의 혼합물을 제공한다. 본 발명에 따른 실시예들에서, 가스는 공기이지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 또한, 본 발명에 따른 실시예들에서, 디바이스에는 적어도 2 개의 가스 리프트 인젝터들이 제공된다. 이들 가스 리프트 인젝터들은, 혼합 섹션(3)의 각각의 격실들에서와 같이, 혼합 섹션을 둘러싸는 서로 다른 지점들에 그들의 하부 단부들을 갖도록 배치될 수 있다. 이러한 방식으로 그들은, 혼합 섹션에서 서로 다른 위치들로부터 캐비티(5)의 상부로, 물과 모래의 혼합물을 추진 가스와 함께 가져올 수 있다.
또한, 공급된 가스의 양을 조절함으로써 물과 모래의 혼합물이 운반된 양을 제어할 수 있다. 하나 이상의 가스 리프트 인젝터가 캐비티(5) 주위에 적용되는 경우, 공급된 가스의 양은 각 가스 리프트 인젝터마다 다를 수 있다. 이러한 방식으로, 물과 모래의 운반된 혼합물의 양은 혼합 섹션(3)의 각각의 격실마다 다를 수 있으며, 따라서 필터 베드에서 불균일하게 분포된 모래 또는 필터 베드에서 불균일하게 하측으로 분포된 모래 속도를 보상할 수 있다.
일 실시예에서, 혼합 섹션(3)의 격실 당 하나의 가스 리프트 인젝터(4)가 있다. 따라서 각각의 가스 리프트 인젝터(4)는 그것의 각각의 격실에 제공된 물과 입자상 물질의 혼합물을 캐비티(5)로 이동 시키도록 구성된다. 격실 당 여러 개의 가스 리프트 인젝터들을 사용할 수도 있다. 혼합 섹션(3)에서 격실들의 수는 당업자에 의해 선택될 수 있고 일반적으로 용기의 둘레의 형상에 의존할 것이다.
세척될 물은 혼합 섹션(3) 아래의 공간으로 연장되는 유입 파이프(14)를 통해 시스템으로 들어가고, 그 결과 혼합 섹션(3)을 통해 하측으로 이동하는 필터 물질은 유입 파이프(14)로부터의 유입물과 혼합될 것이다. 혼합 섹션(3)의 상단부는 개방되어 있고 따라서 유입물에서의 물은 또한 혼합 섹션을 통해 필터 베드(2) 내로 상측으로 이동할 수 있다. 물은 필터 베드를 통해 상측으로 흐를 때 정제되고 정화되며, 물에 함유된 불순물들은 필터 베드(2)에 의해 보유된다.
가스 리프트 인젝터들(4)을 통해 캐비티(5)로 들어가는 물, 모래 및 공기의 혼합물은 리프트 파이프(8)로부터 들어간다. 공기와의 혼합물이 리프트 파이프로 들어갈 때, 리프트 파이프(8)에서의 유체의 비중은 감소하고, 즉 유체의 농도(density)는 감소하며, 그것은 차례로 리프트 파이프를 따라 상측으로 펌핑된다.
또한 리프트 파이프(8)에 연결된 하나의 공기 공급원으로 시스템을 작동시키는 것이 가능하다: 가스는 리프트 파이프(8)를 통해 필터로 들어간다. 파이프에서 유체 비중이 감소하고 그것은 상측으로 펌핑된다. 이 흐름은 캐비티(5)에서 압축된 압력(under pressure)을 생성하며, 이는 물과 입자상 물질의 혼합물을 혼합 섹션(3)으로부터, 가스 리프트 인젝터들을 통해 캐비티(5)로, 이동시킬 것이다.
필터 베드(2)의 하단부에 위치하고 물로부터 보유된 불순물들로 오염된 모래는 혼합 섹션(3)의 하단부로 가라 앉고, 모래 순환은 공수(airlift) 원리에 기초하며 그것은 더러운 모래와 물의 혼합물을 캐비티(5)를 통해 가스 리프트 인젝터(4)를 관통하고 리프트 파이프(8)를 관통하여 필터 베드 위로 혼합 섹션(3)의 하단부로부터 상측으로 가압한다.
필터 베드의 원뿔형 하단부 대신에 이 운반 시스템 및 이 혼합 섹션(3)을 사용하는 것은 모래를 리프트 파이프(8)의 하부 단부로 가져 올 수 있다는 것의 의미에서 유리하며, 공지된 유사한 필터들에서 발생하는 바와 같이, 쌓인 모래(burden of the sand)가 필터 베드에서 불균일하게 분포되지 않고 상측으로 밀어내도록 하고, 용기의 높이는 공지된 유사한 필터들의 높이보다 낮을 수 있다.
리프트 파이프(8)를 통해 상측으로 보내지는 모래는 물 및 실트(silt) 및 다른 고형물들과 같은 불순물들과 혼합된다. 모래와 다른 불순물들 사이의 밀도(density)의 차이는 리프트 파이프(8)를 통해 상승함에 따라 차동 운동(differential movement)을 용이하게 하며 따라서 분리될 수 있다. 모래는 일반적으로 더 높은 밀도를 가지며, 따라서 그것이 리프트 파이프의 상부 단부에 도달하면, 그것은 다시 사용하기 위해 필터 베드로 미끄러져 내려가는 것이 첫 번째이다.
리프트 파이프(8) 및 외측 파이프(9)의 상부 단부는 필터 베드(2) 위로 연장된다. 필터 베드(2) 위에 위치된 리프트 파이프(8) 및 외측 파이프(9)의 이 섹션 주위에는 재킷(15)이 위치된다. 재킷(15)의 내부와 외측 파이프(9)의 외부 측면의 외부에는 상부 측면에 하향 경사 표면을 갖는 교번하는 리브(rib)들 패턴이 제공된다. 이러한 리브들는 리프트 파이프(8)를 통해 위로 보내진 모래가 재킷(15)과 외측 파이프(9) 사이의 공간(16)을 통해 아래로 가라 앉는 반면, 필터 베드(2)로부터의 깨끗한 물은 동일한 공간을 통해 상측으로 흐를 수 있다.
모래를 리프트 파이프(8)를 통해 위로 보내고 다시 필터 베드(2)로 가라 앉힘으로써, 필터 베드의 상단부 부분에 위치된 모래는 가장 깨끗한 모래이고, 필터 베드의 하단부에 위치된 모래는 가장 높은 불순물들 농도를 갖는다. 필터 베드 하단부로부터의 모래를 정제시킨 다음, 필터 베드의 상단부에 다시 침전시킬 수 있다(deposite). 이러한 방식으로, 깨끗한 모래가 연속적으로 제공되고, 이 모래의 연속적인 세정은 최적의 연속적인 물 세련 공정을 허용한다.
리프트 파이프(8)는 소위 "와셔 박스(washer box)"인 2차 용기(17)에서 끝난다. 리프트 파이프를 통해 들어 올려졌고 서로 다른 밀도들로 인해 이미 깨끗한 모래로부터 분리된, 물과 혼합된 실트 및 다른 불순물들은, 2차 용기(18)에 연결된 배수 파이프(18)를 통해 용기(1)의 밖으로 배수된다.
필터 베드(2)를 통해 상향으로 상승하고 불순물들이 필터 베드에 보유된 정제된 물은 오버 플로우 에지(overflow edge)(19)를 지나 용기(1)의 내벽 상의 소정 높이에 위치한 배출부(discharge)(20)로 유출될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 장치의 하부의 등각 단면도를 도시한다. 혼합 섹션은 외벽(10)과 외벽의 상부 단부에서 시작하여 상기 상부 단부 아래의 특정 거리의 지점까지 하측으로 구부러진 형상으로 연장되는 내부 분리기(11)가 제공되고, 이는 대략 중간의 수직 지점이 될 수 있다. 외벽(10)과 내부 분리기(11) 사이의 공간은 혼합 섹션(3) 주위에 환형의 도관 또는 링 라인을 형성한다.
혼합 섹션(3)은 혼합 섹션의 상부 단부로부터, 내부 분리기(11)가 끝나는 높이와 일치하는, 대략 중간까지 수직으로 연장되는 교차 부재들(13)의 반경 패턴이 제공되고, 이들 교차 부재들은, 자전거 스포크(bicycle spoke)들처럼, 캐비티(5)의 외벽으로 작용하는 내벽(6)을 갖는, 혼합 섹션의 중심을 갖는 내부 분리기(11)를 연결한다. 이들 교차 부재들의 하부면들은 외벽(10)과 내부 분리기(11) 사이의 환형 도관 링에 연결될 수 있어, 유입수(influent water)는 환형 도관 링뿐만 아니라, 교차 부재들(13)을 통해 분배된다. 이들 교차 부재들(13)은 혼합 섹션(3)을 분할하여, 혼합 섹션의 중심 주위에 파이-형(pie-shape) 패턴으로 격실들을 생성한다. 본 발명에 따른 실시예에서, 적어도 3 개의 격실들에서 혼합 섹션을 분할하는 적어도 3 개의 교차 부재들이 존재하지만, 임의의 다른 수의 교차 부재들도 또한 가능할 수 있음은 당업자에게는 명백하다. 환형 도관 링과 교차 부재들을 통해, 유입수가 격실들 주위로 분배된다.
혼합 섹션(3)에는 또한 내부 분리기(11)의 단부 위의 작은 거리에서 시작하여 혼합 섹션의 하단부까지 연장되는 경사진 벽(12)이 제공된다. 혼합 섹션의 이 구조는 상당한 직경 및 상당한 높이를 갖는 원뿔형 구조를 필요로 하지 않고 모래가 혼합 섹션의 하단부 중앙을 향하여 아래로 가라 앉도록 한다. 다시 말하면, 내부 분리기(11), 교차 부재들(13), 캐비티(5)의 외벽 그리고 경사진 벽(12)은 함께 협력하여 복수의 격실들을 포함하는 깔때기 구조를 형성한다. 교차 부재들(13)에 의해 생성된 복수의 깔때기-형 격실들에 의해 제공되는 깔때기 구조는 필터 베드 입자들 및 유입물이 가스 리프트 인젝터(4) 내로 흡입될 수 있는 용기의 하단부 근처의 공간을 향해 유입물과 혼합된 필터 베드 입자들을 안내하도록 구성된다. 격실들 하단부의 서로 다른 위치들로부터 캐비티(5)의 상부로 물, 모래 및 추력(thrusting) 가스의 혼합물을 향하게 하는 가스 리프트 인젝터들의 기울어진 위치가 유리하다. 이 분배는 물질이 하단부 섹션의 중심으로부터가 아니라 하단부 섹션 주위의 서로 다른 위치들로부터 운반 시스템 내로 가져올 수 있게 하며, 보다 짧은 하단부 섹션들 및 이에 따른 짧은 디바이스들을 가능하게 하고, 동시에 빠르고 효율적으로 분산된 필터링 프로세스를 제공한다.
물은 적어도 하나의 유입 파이프(14)를 통해 그 외벽을 통해 혼합 섹션(3)에 들어가서 시스템으로 들어간다. 다수의 유입 파이프가 또한 외벽 주위에 제공되어, 물이 필터의 서로 다른 측면들을 통해 시스템으로 들어갈 수 있고 바람직한 유체 경로들이 회피될 수 있다. 복수의 유입 파이프들은 예를 들어 외벽의 특정 위치들에 위치될 수 있어 물이 교차 부재들(13)에 의해 형성된 서로 다른 격실들의 각각의 주위에서 시스템 내로 유입된다. 혼합 섹션의 외벽 내의 적어도 하나의 유입 파이프의 진입 지점은 경사진 벽(12)의 시작점 위의 높이, 및 외벽(10)과 내부 분리기(11)에 의해 형성된 환형 도관 내부에 위치한다. 이러한 방식으로, 이 유입 파이프는 격리되고 보호되며, 혼합 섹션에 위치한 물질은 오물을 도입하는 유입 파이프 내로 들어갈 수 없다.
필터 베드(2)로부터 내려온 모래는 혼합 섹션(3)으로 들어가 유입 파이프(14)를 통해 유입되는 물과 혼합된다. 혼합 섹션(3)의 하단부에는, 물과 모래가 캐비티(5)로 들어가는 가스 리프트 인젝터들(4)이 위치한다. 이들 가스 리프트 인젝터들(4)은 대각선 방향으로 연장되고, 즉 격실들의 하단부의 특정 분산 위치에 하나의 하부 단부를 가지며, 캐비티(5)의 상부 단부가 위치되는 디바이스의 중심을 향해 기울어진다.
이들 가스 리프트 인젝터들은 혼합 섹션(3)에서 모래와 물의 혼합물을 개방된 하부 단부로 가져 와서 주입된 가스로, 캐비티(5)의 상부에 위치한, 혼합 섹션 외부의 개방된 상부 단부로 밀어낸다. 혼합 섹션의 내벽(6)은 혼합 섹션(3)의 하부 단부에 위치되고 물과 모래가 들어가는 하단부를 제외하고 가스 리프트 인젝터들(4)을 덮는다.
물과 모래가 혼합 섹션(3)의 하단부로부터 캐비티(5) 내로 들어 올려지기 위해서, 가스 유입 파이프들(7)을 통해 가스 유입 인젝터들(4)에 가스가 주입된다. 물, 모래 및 공기의 혼합물은 가스 리프트 인젝터(4)를 통해 캐비티(5)로 진입하고, 거기에서 운반 시스템의 리프트 파이프(8)로 들어간다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 장치의 하부의 정면도를 나타낸다. 도 3으로부터 하측으로 구부러진 형상을 갖는 내부 분리기(11)가 외벽(10)과 함께 환형 도관을 형성하는 방법을 알 수 있다. 경사진 벽(12)은 내부 분리기(11)의 끝단 지점보다 높은 높이에서 시작한다는 것을 알 수 있다. 이러한 방식으로, 물이 혼합 섹션(3)으로 들어가는 유입 파이프(14)는 격리되고 보호되며, 혼합 섹션 내부의 물질은 유입 파이프로 들어갈 수 없다. 더욱이, 유입유는 환형 도관에 의해 주변으로 퍼져서, 유입유는 고르게 분포되고 유입 파이프(14)의 주위에 집중되지 않는다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 장치의 평면도를 나타낸다.
도 4로부터 교차 부재들(13)이 내부 분리기(11)를 혼합 섹션(3)의 내벽(6)과 어떻게 연결하는지, 그리고 그들이, 혼합 섹션의 중앙 주위에 깔때기-형의 구조를 형성하는 복수의 격실들로 분할하는, 자전거 스포크들과 유사하게 어떻게 분포되는지를 명확하게 알 수 있다. 도 4의 실시예에서, 교차 부재들(13)은 혼합 섹션(3)을 상단부 및 하단부 개구들에서 상호 연결되는 6 개의 격실들로 분할한다. 격실들의 수는 반드시 6 개인 것은 아님을 이해해야 될 것이다. 당업자는 상이한 수의 격실들을 갖는 본 발명에 따른 시스템을 설계할 수 있다.
도 4로부터 내부 분리기(11)가 외부 혼합 섹션 벽의 내부 부분 둘레에 환형 도관을 어떻게 형성하는지 이해할 수 있다. 경사진 벽(12)이 혼합 섹션(3)의 하단부까지 어떻게 연장되는지 또한 알 수 있다. 필터 베드(2) 아래의, 디바이스의 중앙-하단부 부분에 위치한 캐비티(5)의 외벽으로서 작용하는, 혼합 섹션의 내벽(6)은 하향 방향으로 넓어지는 원뿔형을 갖는다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체의 정제 방법의 흐름도를 나타낸다. 단계 51에서 유체, 이 경우 물은, 유입 파이프(14)에 의해 필터 디바이스로 들어간다. 이 유입 파이프는, 외벽과 내부 분리기(11)에 의해 형성된 환형 도관 내부에서, 혼합 섹션(3)의 외벽(10)에 위치된 그것의 단부들 중 하나를 갖는다. 내부 분리기는 하측으로 구부러진 형상을 가지기 때문에, 유입 파이프를 통해 물의 입구를 덮고, 혼합 섹션 내부에 위치한 유체로부터 유입 파이프(14)를 보호한다.
혼합 섹션(3)을 통해, 단계 52에서 유입유로부터의 물은 입자상 필터 물질, 이 경우에는 필터 베드(2)에 위치된 특정 입자 크기의 모래와 혼합된다. 따라서 물은 필터 베드를 횡단하여 정제되므로 물이 위로 올라 갈수록 불순물들이 쌓인다.
혼합 섹션(3)의 하단부에 침전된 모래는 물로부터 유지된 불순물들의 양이 가장 많은 모래이다. 이 모래는 또한 정제되어 연속적인 정제 과정을 위해 재사용될 수 있다. 이를 위해, 단계(53)에서 모래는 가스 주입을 통해 운반되며, 이는 모래가 불순물들 및 물과 함께 혼합 섹션(3)의 하단부에서 적어도 하나의 가스 리프트 인젝터(4)를 통해 운반 시스템으로 가져온다. 혼합 섹션의 하단부로부터의 모래와 물의 혼합물은 가스 리프트 인젝터(4)로 들어가고, 혼합 섹션에 의해 둘러싸인, 필터 베드(2) 아래에 위치한 캐비티(5)로 가져온다. 모래와 물이 가스 리프트를 통해 상승할 수 있도록, 가스 유입 파이프(7), 이 경우에는 공기를 통해, 가스 리프트(4)로 가스가 주입되고, 이 공기는 모래와 물을 캐비티(5) 내로 밀어낸다.
단계(54)에서, 모래와 물은 필터 베드(2) 아래에 위치하는 캐비티(5)로부터 리프트 파이프(8)를 통해 필터 베드 위로 가져온다. 공기는 리프트 파이프(8) 내의 모래와 물의 혼합물의 비중을 감소 시키며, 이는 혼합물의 밀도가 감소하고, 필터 베드 위로 올라갈 때까지 리프트 파이프를 따라 상측으로 펌핑된다.
리프트 파이프의 상부 단부에 위치한 용기(17)에 도달한 불순물들은 배수 파이프(18)를 통해 필터를 떠날 수 있다. 이제 깨끗해진, 모래는 필터 베드로 다시 가라 앉을 수 있어 물의 연속적인 정제를 위해 재사용할 수 있다. 마지막으로, 용기(1)의 상부에 도달하고 필터 베드(2)를 완전히 통과한 물은 이제 정제되고, 용기(1)의 내벽의 소정 높이에 위치한 배출부(20)로 오버 플로우 에지(19)를 통해 배출될 수 있다.
이상의 예시들에서, 원통형 용기들을 나타내었다. 그러나, 용기의 둘레는 원형일 필요는 없다. 사각형, 직사각형 및 육각형과 같은, 다른 형상들도 사용될 수 있다. 도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 도시하며, 여기서 용기(61)는 직사각형 주변을 갖고, 도 6b는 그러한 용기들(61)의 어레이를 도시한다. 어레이(62) 내의 각 모듈(61)은 도관을 형성하는 용기(61), 라이저 또는 리프트 파이프(8), 및 외벽(10)(내부 분리기(11)와 함께)을 포함한다. 이 예시에서, 용기(61)는 4 개의 격실들을 갖는 혼합 섹션(3)을 갖는다. 그러나, 이전과 같이, 본질적으로 임의의 수의 격실들을 배치할 수 있다. 에어 리프트 인젝터들(4)은 도 1-4의 보다 상세한 예시들에 도시된 임의의 다른 요소들일 수 있는 바와 같이 또한 존재한다(도시되지 않음). 어레이(62) 내의 용기들(61)은 상호 연결될 수 있으며, 그 결과 물 유입 물은 상호 연결된 일련의 도관들(벽(10) 및 분리기(11)에 의해 형성된) 및 교차 부재들(13)을 통해 모든 용기들(61)에 공급된다. 따라서 하나의 용기(61)의 입력(14)은 다른 용기의 입력(14)에 연결된다. 충분한 외부 투입물(14)이 폐수 투입구에 연결되어 있다면, 어레이 전체에 걸쳐 양호한 폐수 분배가 보장될 수 있다.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 장치를 도시하며, 여기서 용기(71)가 육각형 둘레를 갖고, 도 7b는 그러한 용기들(71)의 어레이(72)를 도시한다. 다시, 도 1-4의 예시들에 개시된 모든 세부 사항들이 이 실시예에도 적용될 수 있다. 어레이(72) 내의 용기들(71)은 도 6b를 참조하여 설명된 바와 같이 상호 연결된다. 도 6b 및 도 7b에서, 직사각형 및 육각형 둘레를 갖는 용기의 어레이들이 도시되어 있지만, 어레이들은, 원형 둘레들을 포함하는, 임의의 유형의 둘레를 갖는 용기들을 사용하여 제조될 수 있다. 그러나, 원형 둘레의 경우와 같이, 결과는 어레이의 용기들 사이에 빈 공간이 생길 수 있다. 용기들(61 및 71)의 장점은 어레이로 단단히 포장될 수 있다는 것이다.
본 발명은 원뿔형 하단부 섹션을 포함하지 않지만, 평평한 하단부 섹션을 갖는 용기를 갖는, 공지된 필터 디바이스들의 것보다 상당히 짧은 하단부 섹션을 갖는 필터 디바이스를 제공한다. 이것은 디바이스의 하단부 섹션의 중심 주위에 위치된 깔때기-형의 격실들 구조에 의해 생성되며, 이는 복수의 가스 인젝터들에 의해 제공되는 가스 분사 시스템과 함께 필터 베드의 표면에 걸쳐 필터링 물질의 개선된 비례 분포를 가능하게 한다.
본 발명의 필터 장치는 개별 원통형 탱크들의 형태로 제공되거나, 필터 디바이스들이 사변형 컨테이너들에 도입되고 복수의 컨테이너들이 필터 셀들을 구성하는 콘크리트 분지 설치들과 같은, 유역 설치물들 내에 제공될 수 있다. 많은 양의 필터 디바이스들이 이용되어야 하는 경우, 많은 양의 분리된 필터 디바이스들 대신에 복수의 컨테이너들로 구성된 필터 셀들을 제공함으로써 후자의 구성을 구현하는 것이 더 쉽다.
도면들의 상기 설명에서, 본 발명은 특정 실시예들을 참조하여 설명되었다. 그러나, 첨부된 청구 범위에 요약된 바와 같이 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변형들 및 변경들이 이루어질 수 있음이 명백할 것이다.
특히, 본 발명의 다양한 양태들의 특정 특징들의 조합들이 이루어질 수 있다. 본 발명의 일 양상은 본 발명의 또 다른 양상과 관련하여 기술된 특징을 부가함으로써 더 유리하게 향상될 수 있다.
본 발명은 첨부된 청구 범위들 및 그 기술적 등가물들에 의해서만 제한된다는 것을 이해해야 한다. 이 문서와 그 청구항들에서, 동사 "포함하다(to comprise)" 및 그것의 활용은 비한정적인 의미로 사용되며, 특별히 언급되지 않은 항목을 제외하지 않고, 단어 뒤에 오는 항목이 포함됨을 의미한다. 또한, 부정확한 조항 "a" 또는 "an"에 의한 요소에 대한 언급은 문맥상 하나의 요소만이 분명히 요구되는 경우를 제외하고는 하나 이상의 요소가 존재할 가능성을 배제하지 않는다. 따라서 불명확한 "a" 또는 "an"은 일반적으로 "적어도 하나(at least one)"를 의미한다.

Claims (18)

  1. 유체의 정제 장치에 있어서,
    작동 시, 입자상(granular) 필터 물질을 갖는 필터 베드(2)를 수용하는 용기(1);
    작동 중, 상기 필터 베드(2) 아래의 캐비티(5)로부터 상기 필터 베드 위의 위치(17)까지 필터 물질을 운반하도록 구성된 운반 시스템(8);
    정제될 유체를 장치 내로 도입하는 유체 유입구(14);
    작동 시, 상기 유체 유입구로부터 유체의 혼합물과 상기 필터 베드로부터 입자상 필터 물질을 제공하도록 구성된 혼합 섹션(3); 및
    복수의 가스 리프트 인젝터들(4)을 포함하고,
    각각의 가스 리프트 인젝터(4)는, 작동 시, 상기 유체 유입구(14)로부터 유체의 혼합물과 상기 필터 베드(2)로부터 입자상 필터 물질을 상기 캐비티(5)로 운반하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용기의 하단부는 평평한(flat) 외부 표면을 갖는 것을 특징으로 하는, 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    적어도 하나의 가스 리프트 인젝터(4)는 중심으로부터 벗어난 위치로부터 캐비티(5)의 중심 축선을 향하여 비스듬히 상측으로 뻗어있는 파이프를 포함하는, 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐비티(5)는 하측으로 넓어지는 원뿔형 외벽을 갖는 것을 특징으로 하는, 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합 섹션(3)은 상기 용기(1)의 하반부에 제공되고 상기 혼합 섹션은 상기 필터 베드와 유체로 연결되는 개방된 상단부(open top) 및 상기 유체 유입구(14)와 유체로 연결되는 개방된 하단부(open bottom)를 갖는 것을 특징으로 하는, 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 혼합 섹션(3)의 상단부 개구(top opening)는 하단부 개구(bottom opening)보다 큰 것을 특징으로 하는, 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합 섹션(3)은 하나 이상의 교차 부재들(13)에 의해, 복수의 격실들로, 분할되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합 섹션(3)은, 작동 시, 적어도 하나의 가스 리프트 인젝터(4)의 유입구로 유입 유체 및 입자상 재료의 혼합물을 안내하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 가스 공급원은 상기 가스 리프트 인젝터(4)에 공급되는 가스의 양을 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    복수의 가스 공급원 각각은 서로 다른 양의 가스를 상기 가스 리프트 인젝터들(4)에 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 혼합 섹션(3)은 외벽(10) 및 내부 분리기(11)를 포함하고, 상기 외벽과 상기 내부 분리기 사이의 공간은 환형 도관을 형성하는 것을 특징으로 하는, 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 정제될 유체는 상기 혼합 섹션(3)의 상기 외벽(10) 및 상기 내부 분리기(11) 사이에 형성된 상기 환형 도관 내부에 위치하는 단부가 적어도 하나의 유입 파이프(14)에 의해 상기 장치로 들어가는 것을 특징으로 하는, 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 혼합 섹션(3)은 외부 혼합 섹션 벽(10)으로부터 상기 혼합 섹션의 하단부까지 연장하는 경사진 벽(12)을 포함하는, 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 혼합 섹션(3)은 상기 캐비티(5)를 둘러싸고, 상기 캐비티의 외벽은 상기 혼합 섹션의 내벽인 것을 특징으로 하는, 장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치로 정제될 유체를 도입하는 복수의 유체 유입구들(14)을 포함하는, 장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 운반 시스템(8)에 연결된 적어도 하나의 가스 공급원을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 가스 공급원은 가스를 상기 운반 시스템으로 직접 공급하고 상기 운반 시스템 내의 물질을 상측으로 펌핑하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 복수의 장치들의 어레이에 있어서,
    복수의 장치들 중 적어도 2개는 상호 연결되어 적어도 2 개의 장치들 사이에서 정제될 유체를 분배하는 것을 특징으로 하는, 복수의 장치들의 어레이.
  18. 유체의 정제 방법에 있어서,
    - 정제될 유입 유체를 정제 장치로 도입하는 단계;
    - 상기 정제 장치 내의 필터 베드(2)로부터 입자상(granular) 필터 물질을 상기 유입 유체와 혼합하는 단계(52); 및
    - 복수의 가스 리프트 인젝터들(4)을 통해 입자상 필터 물질과 유입 유체의 혼합물을 상기 필터 베드 아래의 중심으로부터 벗어난 위치로부터 상기 필터 베드 위로 필터 물질을 가져오는 운반 시스템으로 공급하는 단계(53)를 포함하는, 방법.
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