NO160489B - Fremgangsm te og anordning ved filtrering. - Google Patents

Description

Vann kan filtreres ved gjennomstrømning gjennom et filterlag av granuløst materiale, idet smuss i vannet fanges i eller på filterlaget. Filterlaget må renses fra tid til annen og dette utføres normalt ved å tilbakespyle med vann. Ved bruk strømmer vannet normalt nedover og tilbakespylingsvannet vil da strømme oppover. Anvendt spylevann fjernes gjennom en åpning over toppen av filterlaget. Rommet mellom filtertoppen og utløpet kan benevnes som det frie vannrom.

Man har forsøkt å forbedre rensingen ved bruk av luftspyling, det vil si ved å sende en luftstrøm gjennom filterlaget i samme retning som tilbakespylingsstrømmen. Luftspyling kan tidvis utformes før vannspyling, men bør for oppnåelse av best resultat utføres samtidig med vannspylingen. Hensikten er å få filtermediumkornene til å gni mot hverandre slik at tilklebende smuss avrives og skilles fra kornene og vaskes ut av laget ved hjelp av tilbakespylingsvannet.

For at denne operasjon skal bli mest mulig effektiv bør luftboblene være store og lettstigende i forhold til kornene i filtermediet. Når de oppadstrømmende luftbobler under disse forhold unnslipper fra filterlagets overflate, søker de å løfte de enkelte korn i filtermediet opp i det frie vannrom over laget og føre dem mot og ut gjennom tilbakespylings-spillvann-utløpet sammen med smuss som er fjernet fra filterlaget.

For å unngå tap av granuløst materiale er det vanlig praksis å utføre det frie vannrom så høyt at så godt som intet granuløst materiale føres til toppen av rommet. Dette hindrer i alt vesentlig tap av granuløst materiale, men det innebærer en alvorlig ulempe. Smusset som utspyles fra filterlaget har en tendens til å resirkulere i det frie vannrom istedenfor å strømme ut gjennom utløpet, og dersom tilbakespylingen ikke fortsettes i meget lang tid, med betydelig sløsing av spylevann, vil følgelig det gjenværende smuss avsettes på eller i filterlaget såsnart dette igjen er brakt i drift.

Problemet med smuss-resirkulering er særlig stort der smusset som fjernes fra filterlaget består av materiale av forholdsvis høy egenvekt eller består av flokkulert materiale med høy bunnfellingshastighet, ettersom hastigheten til det oppadstrømmende vann i det frie vannrom over filterlaget, selv når smusspartiklenes utstrømningshastighet fra overflateporene i filterlaget er høy, bare er en brøkdel av spylevannets hastighet opp gjennom porene i filterlaget.

For å bringe smuss-resirkulering til et minimum og derved sikre effektiv rensing av filterlaget på kortest mulig tid og med minst mulig forbruk av spylevann, er det vesentlig at høyden av vannrommet mellom toppen av filterlaget og samle/fjerne-systemer for tilbakespylings-spillvannet er slik at oppholdstiden i det frie vannrom er utilstrekkelig til å tillate at effekten av tyngdepåvirket bunnfelling forårsaker nedbremsing av de oppadstrømmende smusspartikler til det punkt der de igjen begynner å bunnfelle og resirkulere. Imidlertid vil en redusering av høyden i det frie vannrom for å redusere

smuss-resirkulering medføre en øket tendens til tap av filterkorn gjennom utløpet. Nødvendigheten av å unngå tap av filtermedium gjennom utløpet under luftspyling og samtidig unngå resirkulering av smuss, innebærer et stort problem. I mange filtere som er

konstruert for rensing med samtidig luftspyling og tilbakespyling, ofres renseeffektiviteten, spylevannforbruket, stanstid og filtreringskapasitet fordi dette problem ikke er blitt løst.

Et typisk tilfelle hvor dette problem oppstår er når et filterlag renses med den teknikk som er beskrevet i avhandlingen til Treanor og Smith under tittelen "Varivoid Filters in Use and Reuse Schemes" fremført ved den førtiende "Annual Meeting International Water Conference of the Engineers Society of Western Pennsylvania" i 1979. "Varivoid" er et varemerke. I denne avhandling er det angitt at Varivoid-rensing omfatter et første rensetrinn, et annet rensetrinn som består av kombinert luftspyling og vannspyling med luften innført gjennom et separat bunnfordelingssystem og med vannstrømningshastigheten lavere enn den minste fluidiseringshastighet, men med luft/vann-blandingens lineært oppadrettete strømningshastighet høyere enn den minste fluidiseringshastighet, samt et sluttrinn bestående av etter-fluidiseringsspyling uten luft. Et liknende system er også beskrevet i en avhandling med tittel "Water Flood - Filtration of Water for Oil Well Injection" av A. I. Treanor og utgitt av Permutit Boby Limited. Forsøk på drift av systemet som beskrevet og vist i disse avhandlinger under anvendelse av konvensjonelle teknikker fører uvegerlig til enten betydelig tap av granuløst materiale eller merkbar tilbakeholding av smuss.

Ovennevnte problem er i alt vesentlig løst ved en fremgangsmåte ved filtrering av en væske, hvor væsken filtreres gjennom et filterlag av granuløst materiale i en beholder og renses i beholderen og beholderen har et utløp for spylevann over toppen av laget, for derved å avgrense et fritt vannrom over laget, og rensingen utføres ved hjelp av samtidig oppadstrømmende spylevann og luft gjennom laget og det frie vannrom, karakterisert ved at spylevannet og luften bringes til å strømme opp med strømningshastigheter som er slik at noe granulert materiale medrives av de oppadstrømmende luftbobler og føres til toppen av det frie vannrom og stort sett alt det medrevne granuløse materialet skilles fra boblene ved eller nær toppen av det frie vannrom og tillates å synke tilbake på laget, og at det medrevne granuløse materiale bringes til å treffe ledeplateinnretninger som er anordnet i det frie rom i beholderen nær utløpet hvorved det granuløse materiale separeres fra de medrevne luftbobler.

Ifølge oppfinnelsen er således det frie vannrom tilstrekkelig grunt til at medrevet, granuløst materiale kan føres til toppen av vannrommet og tap av dette granuløse materiale hindres ved at det skilles fra luftboblene ved eller nær toppen av det frie vannrom.

Oppfinnelsen omfatter også en filtreringsanordning omfattende en beholder i hvilken et filterlag av granuløst materiale er anordnet, innløp for luft og spylevann til lager ved eller nær dets bunn og et utløp for spylevann over toppen av laget, hvor utløpet er beskyttet ved hjelp av en ledeplateinnretning under utløpets nivå, karakterisert ved at ledeplateinnretningen omfatter ett eller flere oppadskrånende elementer som er innrettet til å avlede oppadstigende granuløst materiale bort fra utløpet, og at ledeplateinnretningen omfatter én eller flere åpninger gjennom hvilke kan synke granuløst materiale som har steget over elementet eller elementene, men som er konstruert hovedsakelig for å hindre oppad-gjennomstrømning av medrevet granuløst materiale.

Ledeplatekonstruksjonen omfatter fortrinnsvis to oppadskrånende elementer med det ytre (målt fra utløpet) element plassert slik at det mottar bobler og/eller granuløst materiale som av det indre element avledes utad og oppad, og idet ytterelementets indre kant er beliggende i en stilling som er over innerelementets ytre kant og nærmere utløpet enn innerelementets ytre kant. Oppadgjennomstrømning av granuløst materiale og/eller bobler mellom utløpet og ledeplatekonstruksjonen må forhindres. Generelt omfatter ledeplatekonstruksjonen et element (det nedre element dersom der er to) som ved sin indre kant er forbundet med utløpet. I en annen konstruksjon strekker dette element seg under bunnen av utløpet og ligger innenfor det projiserte areal av utløpets bunn, idet det ofte avgrenser en åpning mellom elementet og bunnen av utløpet gjennom hvilket nedadsyn-kende granuler kan synke uten vesnetlig oppadbevegelse av luftbobler eller granuler.

Ledeplatekonstruksjonen kan også omfatte andre elementer, og kan særlig omfatte et luftsepareringselement som generelt strekker seg fra ytterelementets ytre kant, stort sett på horisontal måte. Dette luftsepareringselement kan være en perforert plate gjennom hvilken luftbobler kan passere. Størrelsen av perforeringene er fortrinnsvis slik at oppad-gjennomstrømning av medrevet granuløst materiale hindres eller minskes. Perforeringenes størrelse er fortrinnsvis slik at granuløst materiale skilles fra luftboblene og at oppad-gjennomstrømning av granuløst materiale hindres eller minskes.

Utløpsåpningen er fortrinnsvis et overløp, eller et horisontalt utløp, og kan være toppkantene på et beger eller trau hvorfra en utløpskanal kan føre ut av anordningen. Dersom utløpet er et beget kan ledeplatekonstruksjonen enten være ringformet rundt begeret og hvert element kan også være ringformet. Dersom utløpet er et trau vil en ledeplatekonstruksjon som ovenfor beskrevet generelt være anordnet langs hver side av trauet. Selve trauet kan være ringformet. Dersom utløpet er et overløp i en sidevegg av laget er ledeplatekonstruksjonen anordnet nær overløpet. Der kan være én eller flere trau eller andre utløp. Dette utløp kan tjene som et innløp for innstrømmende forbruksvann som skal filtreres.

Spylevannet og spyleluften innføres fortrinnsvis i filterlaget ved eller nær dets bunn gjennom separate åpninger. Anordningen av et separat luftsystem muliggjør hensiktsmessig styring av luftboblestørrelsen slik at boblene kan være større og mer lettstigende i forhold til størrelsen og tettheten av filtermediumkornene enn det som kan oppnås ved bruk av et kombinert luft/vann-matesystem.

Vannfordelingsåpningene eller -dysene kan være av konvensjonell konstruksjon og kan være anordnet i en plate som strekker seg tvers over filterlagets overflateareal eller de kan være utformet i sideledninger som stikker ut fra en tank, det hele på konvensjonell måte. Dysene kan være i filterlaget eller nær dets bunn eller de kan være i en bæreplate som filterlaget hviler på eller de kan være i eller ved bunnen av et underlag av grovt granuløst materiale som filterlaget hviler på. Dysene kan virke som samleinnretninger for filtrat under forbruksstrømning.

Luftfordelingsdysene er fortrinnsvis forskjøvet fra vannfordelingsdysene i begge horisontalretninger, for å minske faren for oppspalting av filterlaget. Luftfordelingsdysene er fortrinnsvis plassert omtrent midt mellom vannfordelingsdysene. Luftfordelingsdysene er fortrinnsvis over vanndysene. Dersom vannfordelingsdysene er i et underlag er luftfordelingsdysene fortrinnsvis like over underlaget.

En foretrukket anordning ifølge oppfinnelsen er vist i de medfølgende tegninger der figur 1 og 2 skjematisk viser snitt gjennom filterbeholdere og figur 3 viser endel av figur 1 i større målestokk.

Filterbeholderen 1 kan være åpen eller lukket i toppen og kan være sylindrisk eller rektangulær og kan ha konvensjonelle dimensjoner og er utstyrt med et innløp 2 og et utløp 3 for vannet som filtreres under forbruksstrømning og et innløp 4 og utløpskanal 5 for tilbakespylingsvann. Innløpet 2 kan være felles med utløpskanalen 5 og innløpet 4 kan være felles med utløpskanalen 3.

En plate 6 er anordnet for understøttelse av et underlag 7a som bærer et filterlag 7 over et kammer 8. Platen 6 kan være av konvensjonell konstruksjon og kan være utstyrt med åpninger eller dyser, skjematisk vist ved 9, for det oppadstrøm-mende tilbakespylingsvann som kommer inn i kammeret 8 gjennom innløpet 4 samt for oppsamling av nedadstrømmende filtrat under forbruksstrømning. Alternativt kan en tank og sideledninger være anordnet. Åpningene 9 er fortrinnsvis jevnt fordelt over hele platens 6 overflateareal.

En luftfordelingsmanifold 10 med et innløp 11 for trykkluft er anordnet over platen 6 og underlaget 7a og innbefatter åpninger eller dyser som er vist skjematisk ved 12 og jevnt fordelt over dens areal. Manifolden 10 kan være av konvensjonell type, for eksempel en beholder med siderør. Åpningene 12 er plassert midt mellom åpningene 9 i begge horisontalretninger.

Utløpet for tilbakespylingsvann dannes av de øvre kanter

13 på et trau 14, og utløpskanalen 5 leder ut fra dette trau. Innløpskanalen 2 kan, dersom den er forskjellig fra utløpet 5 også være forbundet med trauet. Avstanden mellom toppen av laget 7 og kantene 13 på trauet danner det frie vannrom 15. I den viste anordning har trauet 14 form av en opphengt kanal som er vist fra enden av figur 1. Den har sidevegger 16 og en bunnvegg 17 og er utstyrt med en ledeplatekonstruksjon som strekker seg langs begge sider. På hver side av trauet består denne ledeplatekonstruksjon av indre og ytre, ringformete, oppadskrånende elementer 18 og 19 samt et horisontalt perforert element 20. Ytterkanten 21 av hvert innerelement 18 er lenger fra utløpet (målt horisontalt) enn innerkanten 22 av hvert element 19 og er under denne kant, slik at der dannes en åpning 23. Det er en nedadskrående ledeplate 24 som har en øvre kant 25 og forbinder hver ytterkant 21 med den nærmestliggende vegg 16. Elementenes 24 øvre kanter 25 ligger under de nedre kanter 22 av elementene 19 og fortrinnsvis på en linje i forlengelse av elementene 19.

Under bruk medrives granuløst materiale fra laget 7 og noe av det føres, eller har mulighet til å føres, til toppen av det frie rom 15. Medrevne granuler som treffer elementene 18 eller 19 ruller oppover til undersiden av en perforert plate 20 som typisk har minst 40 % og fortrinnsvis 60 til 80 % perforert åpent areal. Luftboblene strømmer gjennom åpningene mens filterkornene faller tilbake til laget.

Medrevne korn som føres til toppen av rommet 15 forbi ytterenden av et element 20, det vil si nær kantene av beholderen 1, vil være tilbøyelige til å frigjøres fra den medrivende luft når de når overflaten og vil enten falle tilbake fra overflaten eller vil sammen med noe luft føres mot kanten 13. Den horisontale utstrekning av elementene 18, 19 og 20 er slik valgt at alle korn som strømmer mot kanten 13 vil synke under kantens 13 nivå før de når veggen 16. Disse korn vil så synke ned på ledeplatekonstruksjonen og av en ledeplate 24 ledes gjennom en åpning 23 og tilbake på filterlaget.

I konstruksjonen vist i figur 2 er utløpet overløpet over toppkanten 13 av en sidevegg 16a i det frie rom over laget 7. Spylevann strømmer over kanten 13 inn i et trauformet kammer 14a, og ut gjennom utløpskanalen 5.

Den beskrevne anordning er av verdi i enhver prosess der

et filterlag av granuløst materiale vaskes ved tilbakespyling og utsettes for en oppadrettet luftstrøm slik at granuløst materiale medrives av oppadstigende luftbobler, fortrinnsvis uten fluidisering av laget. Den er av særlig betydning i en prosess der vaskingen utføres i tre trinn hvorav hvert trinn følger det foregående trinn uten avbrudd, og hvor det første trinn omfatter tilbakespyling bare med vann, det andre tilbakespyling med vann og oppadstrømmende luft og det tredje bare med vann.

I det første trinn blir filteret tilbakespylt bare med

vann med en strømningshastighet lik eller høyere enn Vf, Vf er volumet av spylevannstrøm pr. arealenhet av laget pr. time som gir minst fluidisering når strømmen består av vann. Vf er således den hastighet ved hvilken trykktapet over filterlaget, ved økende tilbakespylingshastighet, akkurat når en konstant verdi og ikke lenger øker med økende strømningshastighet av tilbakespylingsvannet. Fortrinnsvis er strømningshastigheten i det første trinn lik Vf. Virkningen av dette første trinn er å dekomprimere laget fortrinnsvis uten merkbar fluidisering av laget.

I det andre trinn tilbakespyles laget med kombinerte luft-og vannstrømmer, hver med en hastighet på mellom 0,5 og 0,9 Vf.

8

Generelt er spylevanns-strømningshastigheten 0,6 til 0,8 Vf, helst ca. 0,75 Vf, og luftvolum-strømningshastigheten er fortrinnsvis stort sett den samme som vannvolum-strømningshas-tigheten. I det foretrukne system er således den lineære hastighet av luft og spylevann i kombinasjon gjennom laget omtrent lik den lineære hastighet man ville fått med bare vann alene ved 1,5 ganger minstefluidiseringshastigheten. Under disse forhold er det mulig å sørge for at luftboblene som forlater luftfordelingssystemet og kommer inn i laget har tilstrekkelig størrelse og oppdrift til at de forskyver filterkornene og kornene vil forbli i intim kontakt med hverandre, men vil bevege seg i forhold til hverandre. Som følge av dette vil smuss som kleber til kornene hurtig skilles fra kornene og føres opp i det frie rom ved toppen av laget. Selve laget blir imidlertid fortrinnsvis ikke vesentlig ekspandert og særlig ikke fluidisert ved dette trinn.

Det andre trinn bør følge direkte fra det første, mens laget fremdeles er dekomprimert, og likeledes bør det tredje trinn følge direkte etter det andre trinn uten avbrytelse. Det tredje trinn innebærer avlufting av laget ved tilbakespyling med en vannstrøm med en strømningshastighet på minst 0,5 Vf og generelt under 0,9 Vf. Overgangen fra det andre trinn til det tredje trinn utføres typisk bare ved å avskjære luftstrømmen og fortsette vannstrømmen med samme strømningshastighet som i det andre trinn. Luft som befinner seg i filterlaget fortrenges fra laget, slik at det deretter er klart til bruk.

Ettersom beholderen, under forbruksstrømning, normalt vil være fylt med vann opp til nivået over 13 er det nødvendig å senke vannnivået omtrent til nivået av utløpet 13, før renseope-rasjonen kan starte.

Et særskilt trekk ved oppfinnelsen ligger i en fremgangsmåte og anordning for tilbakespyling av et filterlag av granuløst materiale med vann som innføres i laget ved eller nær dets bunn gjennom vanntilførselsåpninger mens luftspyling av laget med luft som innføres separat i laget ved eller nær dets bunn gjennom separate lufttilførselsåpninger, og hvor luftens og vannets tilførsels-hastigheter er slik at oppspalting av laget ville skje dersom lufttilførselsåpningene er over vanntilførsels-åpningene og oppspalting hindres ved å anordne lufttilførsels-åpningene forskjøvet i forhold til vannfordelingsåpningene, fortrinnsvis i begge horisontale retninger.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte ved filtrering av en væske, hvor væsken filtreres gjennom et filterlag av granuløst materiale i en beholder og renses i beholderen og beholderen har et utløp for spylevann over toppen av laget, for derved å avgrense et fritt vannrom over laget, og rensingen utføres ved hjelp av samtidig oppadstrømmende spylevann og luft gjennom laget og det frie vannrom, karakterisert ved at spylevannet og luften bringes til å strømmer opp med strømningshastigheter som er slik at noe granulert materiale medrives av de oppadstrøm-mende luftbobler og føres til toppen av det frie vannrom og stort sett alt det medrevne granuløse materialet skilles fra boblene ved eller nær toppen av det frie vannrom og tillates å synke tilbake på laget, og at det medrevne granuløse materiale bringes til å treffe ledeplateinnretninger som er anordnet i det frie rom i beholderen nær utløpet hvorved det granuløse materiale separeres fra de medrevne luftbobler.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor ledeplateinnretningene omfatter en perforert plate som strekker seg fra elementets ytterkant, eller elementet lengst fra utløpet, karakterisert ved at luftbobler bringes til å strømme gjennom denne plate samtidig som strømmen av medrevet granuløst materiale opp gjennom platen bringes til et minimum.

3. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at spylevannet og luften innføres i laget ved eller nær bunnen av laget gjennom separate åpninger.

4. Filtreringsanordning omfattende en beholder (1) i hvilken et filterlag (7) av granuløst materiale er anordnet, innløp for luft (12) og spylevann (9) til laget (7) ved eller nær dets bunn og et utløp (13, 14) for spylevann over toppen av laget, hvor utløpet er beskyttet ved hjelp av en ledeplateinnretning under utløpets nivå, karakterisert ved at ledeplateinnretningen omfatter ett eller flere oppadskrånende elementer (18, 19) som er innrettet til å avlede oppadstigende granuløst materiale bort fra utløpet, og at ledeplateinnretningen omfatter én eller flere åpninger (23) gjennom hvilke kan synke granuløst materiale som har steget over elementet eller elementene (18, 19), men som er konstruert hovedsakelig for å hindre oppad-gjennomstrømning av medrevet granuløst materiale.

5. Anordning ifølge krav 4, karakterisert ved at ledeplateinnretningen omfatter to oppadskrånende elementer (18, 19) med det ytre (i forhold til utløpet) element (19) plassert for å oppta bobler og medrevet granuløst materiale som av det indre element (18) avledes utad og oppad og med den indre kant (22) av ytterelementet (19) i en stilling som er over innerelementets (18) ytterkant (21) og nærmere utløpet (13, 14) enn innerelementets (18) ytterkant (21).

6. Anordning ifølge krav 5, karakterisert ved at ledeplateinnretningen omfatter et luftsepareringselement (20) som strekker seg fra ytterelementets (19) ytterkant.

7. Anordning ifølge krav 6, karakterisert ved at luftsepareringselementet (20) er en stort sett horisontal, perforert plate som luftboblene kan strømme gjennom.

8. Anordning ifølge et av kravene 4 til 7, karakterisert ved at den ved eller nær bunnen av laget har åpninger for innføring av spylevannet (9) og separate åpninger for innføring av luften (12).

9. Anordning ifølge krav 8, karakterisert ved at åpningene for innføring av luften (12) er forskjøvet i begge horisontalretninger fra åpningene for innføring av vannet (9).

10. Anordning ifølge krav 9, karakterisert ved at åpningene for innføring av luften (12) er beliggende stort sett midtveis mellom åpningene for innføring av vannet (9).

11. Anordning ifølge et av kravene 8 til 10, karakterisert ved at åpningene for innføring av luften (12) er beliggende over åpningene for innføring av vannet (9).