POLSKIEJ RZECZYPOSPOLITEJ LUDOWEJ OPIS PATENTOWY Nr47883 KI. 85 d, 1 KI. internat. E 03 b Przedsiebiorstwo Budowy Kopaln Surowców Chemicznych*) Warszawa, Polska Wielowarstwowy filtr zwirowo-krzemianowy Patent trwa od dnia 19 sierpnia 1961 r.Przedmiotem wynalazku jest segmentowy wielowarstwowy filtr zwirowo-krzemianowy do studzien wierconych, lub innych urzadzen slu¬ zacych do odbierania agresywnych cieczy fil¬ trowanych przez filtr.Dotychczas znane sposoby filtrowania stu¬ dzien wierconych filtrami o wlasnosciach zbli¬ zonych do filtra w/g wynalazku polegaja na stosowaniu jednowarstwowych, wielofrakcjo- wych segmentów filtrowych, sporzadzanych z ziarn zwiru spajanego cementem, siarka lub zywica.W filtrach tych nie ma mozliwosci wytwarza¬ nia warunków zestopniowanego hydraulicznie przeplywu i dobierania poszczególnych warstw filtracyjnych. w zaleznosci od napotkanych w terenie warunków hydrogeologicznych.Filtry znane dotychczas musza byc wytwa¬ rzane w wielu zróznicowanych asortymentach, *) Wlasciciel patentu oswiadczyl, ze twórca wynalazku jest mgr inz. Bohdan Zakiewicz.Opis j|ipricypp\4^k^m dnia 9 grudnia 1963 r. które nie zawsze dadza sie dopasowac do no¬ wych warunków i wymagaja kazdorazowej zmiany technologii i asortymentu produkcji.Segmenty filtrowe znane dotychczas, isa nad¬ stawiane przy pomocy samocentrujacych zam¬ ków, na skutek czego ulegaja latwemu peka¬ niu, sa nieodporne na naciski scinajace kolum¬ ny, oraz na manipulacje pompami wewnatrz filtrów.Segmenty filtrowe znane dotychczas nie mo¬ ga byc usuwane z gruntu po ich umieszczeniu w otworze studziennym. Nie pozwala na to za¬ równo niska ich wytrzymalosc jak i zbyt duze tarcie porowatych kolumn w gruncie.Znane sa filtry kamionkowe o grubych scia¬ nach, w których ziarna — kulki o srednicy 1 i wiecej cm, wykonane sa z ciasta kamionko¬ wego, i stapiane ze soba w piecach ceramicz¬ nych, a nastepnie uodparniane antykorozyjnie kamionkowa polewa krzemianowa.Filtry te moga sluzyc jedynie do filtrowania zwiróiw w studniach chlopskich, sa slabe, nie-przydatne w dzisiejszej technice filtrowania studni wierconych. Znacznie przewyzsz&ja je pod wzgledem wytrzymalosci i zdolnosci filtra¬ cyjnych, filtry zwirowo-cementowe, zwiro- wo-siarkowe i zwirowo-zywicowe.W filtrze wedlug -wynalazku — ciecz filtro¬ wana przedostaje sie przez wielowarstwowa scianke do wnetrza studni czy innego odbiorni¬ ka cieczy przefiltrowywanej, jak np. filtry do cieklej siarki i inn. subst. chem.Filtr wielowarstwowy umozliwia takie dobra¬ nie wielkosci ziaren, z jakich sa wytworzone poszczególne warstwy, aby wywolac efekt po¬ dobny do filtracji przez itzw. w hydrotechnice „filtr odwrotny".Ilosc zróznicowanych granulacyjnie rodzajów warstw, potrzebnych do uzyskania wlasciwego efektu hydraulicznego w zestawie kolumny fil¬ trowej jest niewielka rzedu 5—6. Odpowiednia kombinacja zestawieniowa 3-ch warstw, z tych 5—6-ciu rodzajów warstw filtrowych, zapewnia dostosowanie sie do dowolnych warunków hy¬ drogeologicznych. Tym samym produkcja jest znacznie uproszczona i potaniona.Masa filtracyjna z jakiej uformowany jest filtr wedlug wynalazku, sklada sie z ziarn skalnych, porcelitu lub klinkru spojonych ze soba przy pomocy polewy krzemianowej, któ¬ rej ilosc jest scisle dobrana dla danej granula¬ cji ziarn i stanowi 10—20% wagowej ilosci masy.W masie filtracyjnej, ziarna odpowiednio granulowane spojone sa polewa krzemianowa tylko na kontaktach styku iziaren. Pory sa nie- zapelnione polewa i umozliwiaja przefiltrowy- wanie cieczy.Uformowane segmenty filtru sa wyprazone w piecu w temperaturze topienia sie spoiwa z dodatkiem topników w ilosci zaleznej od prze¬ znaczenia filtra i wymaganej wytrzymalosci.Formowanie masy odbywa sie w specjalnych formach, nadajacych dowolny ksztalt elemen¬ tom filtrowym.Dla studzien wierconych mozna wytwarzac w ten sposób segmenty, które sa osadzone wspólsrodkowo wzgledem siebie w otworach studziennych, a wiec wielowarstwowo w sto¬ sunku do kierunku doplywu wody z otoczenia do studni.'Poszczególnym warstwom — segmentom, mozna nadac dowolna przepuszczalnosc i poro¬ watosc, uzyskujac „filtr odwrotny", w którym nie zachodzi kolmatowanie drobnymi frakcjami gruntu filtrowanego.Segmenty, o ile tego wymaga konstrukcja elementu urzadzeniowego, filtrujacego wode, moga byc dodatkowo zbrojone siatka, pretami metalowymi lub szklanymi.Zbrojenie to na skutek spiekania — jest bar¬ dzo trwale zwiazane z masa filtracyjna.Filtry zwirowo-krzemianowe, moga osiagac wysoka wytrzymalosc przy równoczesnym za¬ chowaniu niewielkiej grubosci scianek nie wy¬ magajac stosowania korpusów nosnych. Dopie¬ ro w przypadkach szczególnych jak np. studni wiszacych, ruchach górotworu itp. segmenty krzemianowe moga byc nanizywane na rury nosne ze stali, azbesto-cementu, plastykowe itp.Rury nosne w takim wypadku posiadaja wy¬ ciete odpowiednio otwory. Niekiedy segmenty moga byc nadstawiane w kolumnach pionowych bez potrzeby zaopatrywania ich krawedzi w laczniki korytkowe, sani©centrujace.Jest to mozliwe przy zastosowaniu odpo¬ wiedniego sposobu nadstawiania segmentów wielowarstwowych i mijaniu sie plaszczyzn zlaczowych.Zasadniczo konstrukcja filtra wg. wynalazku polega na zastosowaniu specjalnych laczników segmentowych, które w wielowarstwowej ko¬ lumnie filtra spelniaja wielofunkcyjna role.Laczniki stanowia cylindryczne, dwustronne korytka (w przekroju pionowym przypomina¬ jace ksztalt litery H) zaopatrzone po stronie zewnetrznej i w listwowe wypusty slizgowe, wykonane z tego samego materialu co laczniki lub specjalnie wtapiane w calizne lacznika z materialu innego niz lacznik. W tym drugim przypadku, celem takiego wtapiania jest po¬ trzeba zastosowania specjalnego, elastycznego materialu na lacznik np. z gumy, natomiast dosc odpornego na scieranie materialu na wy¬ pust lacznikowy np. z bakelitu, poliwinylu itp.Zastosowanie takiego materialu na wypusty ulatwia manipulacje kolumn filtrowych wzgle¬ dem siebie i ich ewentualna wymiane, dzieki zmniejszeniu tarcia wypustów o sciany filtra.W przypadku zastosowania laczników poliwi¬ nylowych, zarówno lacznik jak i wypusty moga byc wykonane z tego samego materialu, Lacz¬ niki gumowe z wypustkami poliwinylowymi lub bakelitowymi maja zastosowanie w przy¬ padku koniecznosci nadania kolumnom filtro¬ wym szczególnie duzej elastycznosci i odporno¬ sci na wstrzasy i ruchy mas ziemnych.Wypusty lacznikowe umozliwiaja wytworze¬ nie cylindrycznych szczelin miedzykolumno- wych, przez punktowe rozparcie tych kolumn, w miejscu styku wypustu ze scianka kolumny — 2 —zewnetrznej. Na zewnetrznym obwodzie lacz¬ nika rozmieszczonych jest 4—8 wypustów. Mie- dzykolumnowa przestrzenia cylindryczna, po¬ miedzy wypustami, moze swobodnie, pionowo cyrkulowac woda i zawiesina pylasta.Laczniki laczace segmenty filtrowe, zwiro- wo-krzemianowe wytwarzaja w kolumnie oslo¬ nowej studni zdolnosc do elastycznego przyjmo¬ wania naprezen scinajacych, dynamicznych i statycznych, jakie wystepuja pod naciskiem masywów wodonosnych, a takze w wyniku dzialania pompy glebinowej i jej przewodu w studni. Ponadto laczniki stanowia element samoczynnego uszczelnienia styków segmento¬ wych przez co niepotrzebnym stalo sie specjal¬ ne uszczelnianie styków asfaltem, cementem i juta. Laczniki dzieki korytkowemu wyksztal¬ ceniu, w które wchodza krawedzie segmentów filtrowych, zabezpieczaja te krawedzie przed rozbijaniem i pekaniem, jakie zachodzi w trak¬ cie wymiany pomp i przewodów pompowych.Kolumny filtrowe sa opuszczane do otworu wiertniczego przy pomocy specjalnych postu¬ mentów manipulacyjnych, umozliwiajacych usu¬ wanie poszczególnych kolumn w przypadku ich zniszczenia lub zakolmatowania.Ponadto za posrednictwem postumentów ma¬ nipulacyjnych oraz szczelin cylindrycznych, wy¬ tworzonych miedzy kolumnami, umozliwione zostalo usuwanie zanieczyszczen kolmatacyj- nych z tych szczelin, a takze z porów filtrów.Usuwanie to dokonuje sie przy pomocy prze¬ wodu tlocznego, którym wtlacza sie powietrze lub wode pod cisnieniem do przestrzeni lacz¬ nikowej w postumencie, a nastepnie do prze¬ strzeni miedzykolumnowej.Material pylasty osadzony w tych przestrze¬ niach i w porach filtru jest pod cisnieniem wy¬ tlaczany do góry i usuwany z otworu. Przeplyw wody w przestrzeniach miedzykolumnowych w kierunku iku górze jest umozliwiony dzieki specjalnym krawedziowym wypustom slizgo¬ wym, w jakie zaopatrzone sa laczniki segmen¬ towe.Woda lub woda z powietrzem jest doprowa¬ dzana do przestrzeni miedzykolumnowych po nadslawieniu rury tlocznej na stozkowe gniazdo zamka filtrowego wewnetrznego postumentu manipulacyjnego.Woda wtloczona ta rura dostaje sie do prze¬ strzeni miedzypostumentowej a nastepnie wtlo¬ czona zostaje do przestrzeni miedzykolumno¬ wych.W trakcie przetlaczania medium oczyszcza¬ jacego, dochodzi do wyplukiwania drobnych ziarn z porów filtra a przede Wszystkim na sku¬ tek ruchu wody, zmieszanej z powietrzem oraz z porywanymi czastkami gruntu, oczyszczana zostaje zewnetrzna powierzchnia dwóch kolumn filtrowych t.j. wewnetrznej i srodkowej. Zew¬ netrzne powierzchnie kolumn filtrowych ule¬ gaja przede wszystkim uszczelnieniu kolmata- cyjnemu i oczyszczenie ich umozliwia reaktywi- zacje doplywu wody do studni.Zewnetrzna powierzchnia zewnetrznej kolum¬ ny filtra oraz przestrzenie wewnatrzporowe wszystkich trzech kolumn moga byc oczyszcza¬ ne kolejnym pulsacyjnym przetlaczaniem me¬ dium poprzez sciany ikolumn do gruntu oraz przemiennym wywolywaniem przeplywu mie- dzykolumnowego ku górze.Dzieki cienkim sciankom poszczególnych ko¬ lumn filtrowych wymywanie hydrauliczne za¬ wiesin kolmatacyjnych jest mozliwe i przebie¬ ga latwo.Ponadto mozliwe jest stosowanie kombinacji plukania np. przy zamknieciu na powierzchni studni jednej z przestrzeni miedzykolumno¬ wych — tloczenie mediów druga i naodwrót.Równiez dzieki (konstrukcji filtrów studzien¬ nych wedlug wynalazku, mozliwe jest skuteczne usuwanie chemicznych produktów kolmatacji z porów filtra, przez trawienie odpowiednimi srodkami chemicznymi, kwasami itp. Mozliwosc swobodnego przemywania filtra tymi srodkami zapewnia wlasciwa skutecznosc procesu trawie¬ nia chemicznego i usuwanie zawiesin zarówno mechanicznych jak i chemicznych z ciala fil¬ trowego.W znanych dotychczas filtrach segmentowych, wytwarzanych przez spajanie ze soba ziarn zwi¬ ru cementem, siarka czy innym spoiwem osia¬ ga sie niewielkie wytrzymalosci na zgniatanie, rzedu maks. 160 kg/cm2, a takze mala odpor¬ nosc na agresje wód oraz scinanie w otworach studziennych.Ponadto na skutek stosunkowo niskiej wy¬ trzymalosci, nie mozna w studniach, przy za¬ stosowaniu filtrów zwirowych, znanych dotych¬ czas, wytwarzac wielu warstw koncentrycznych o róznej przepuszczalnosci i porowatosci, czyli nie mozna wytworzyc t.zw. „filtra odwrotnego", co w konsekwencji powoduje stopniowa utrate przepuszczalnosci na skutek kolmatacji.Stosunkowo niska wytrzymalosc spoiwa fil¬ trów zwirowych, znanych dotychczas, powodu¬ je, ze nie mozna ich umieszczac w studniach na glebokosci wiekszej niz 50 m, ze wzgledu na mozliwosc zgniecenia. *l-Róznica pomiedzy znanymi filtrami a wielo¬ warstwowym filtrem zwirowo-krzemianowym polega na tym, ze wielowarstwowy filtr zwiro¬ wo-krzemianowy posiada duza wytrzymalosc rzedu 400—500 kg/cm2, co umozliwia wytwarza¬ nie filtrów o cienkich, a mimo to, wysoko wy¬ trzymalych sciankach przy równoczesnym hy¬ draulicznym zestopniowaniu uziarnienia poszcze¬ gólnych warstw — kolumn filtra. Jest on od¬ porny na korozje i moze ibyc zastosowany do filtrowania cieczy goracych, silnie agresywnych dla metali czy betonu. Filtrowanie takich cie¬ czy znanymi dotychczas filtrami zwirowo-ce¬ mentowymi bylo niemozliwe. Dzieki zastosowa¬ niu kilku warstw, czyli wytwarzaniu tzw. „fil¬ tra odwrotnego", przy filtracji cieczy, zanie¬ czyszczonych zawiesinami pylastymi czy innymi, istnieje mozliwosc czesciowego usuwania i wy¬ miany poszczególnych warstw filtrowych po ich zukolmatowaniu, bez koniecznosci likwidacji ca¬ lego urzadzenia filtrujacego.Równiez w filtrze tym mozliwe jest przepro¬ wadzanie zabiegów regeneracyjnych, antykol- matacyjnych bez potrzeby usuwania kolumn filtracyjnych. Regeneracja filtrów stosowanych dotychczas jest praktycznie niemozliwa i wyko¬ nywana bez powodzenia. W wiekszosci wypad¬ ków filtry zwirowo-krzemianowe nie wymagaja stosowania zbrojenia, a jesli nawet zastosuje sie takowe, to jest ono bardzo silnie spojone z masa filtracyjna. Natomiast wszystkie dotychczas sto¬ sowane filtry zwirowo-cementowe, zwirowo- -siarkowe, zwirowo-zywicowe, wymagaja zbro¬ jenia, dla nadania im odpowiedniej wytrzyma¬ losci.W studniach wielowarstwowy, segmentowy filtr zwirowo-krzemianowy wedlug wynalazku moze byc umieszczony na glebokosciach 400 m, bez obawy jego zniszczenia pod ciezarem nad- leglej kolumny oslonowej.Dzieki zastosowaniu laczników segmentowych wedlug wynalazku, mozna skutecznie ochronic krawedzie segmentów przed zniszczeniem, oraz równoczesnie uszczelnic styki segmentów. Lacz¬ niki te zaopatrzone w specjalne wypusty umoz¬ liwiaja wymiane poszczególnych kolumn filtro¬ wych.Filtr zwirowo-krzemianowy stanowi zatem nowosc w stosunku do znanych dotychczas fil¬ trów zwirowych spajanych cementem, siarka, czy zywica.Wielowarstwowy filtr zwirowo-krzemianowy jest uwidoczniony schematycznie na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój podluzny przez studnie lub swiece filtracyjna, zlazona - z segmentów 1, polaczonych ze soba lacznikami elastycznymi 2, zaopatrzonymi w wypusty sliz¬ gowe 3, rozpierajace kolumny filtrowe i two¬ rzace cylindryczne szczeliny (przestrzenie) mie- dzykolumnowe 4.Kolumny filtrowe spoczywaja na postumen¬ tach manipulacyjnych 5 i 6, przy pomocy któ¬ rych kolumny sa opuszczane do otworu stu¬ dziennego i przy pomocy których moga byc równiez z tego otworu usuwane.Postument filtrowy 6 wraz z zamkiem spus¬ towym 12 sluzy do opuszczenia zewnetrznej ko¬ lumny filtrowej.W dnie po stronie wewnetrznej postument 6 zaopatrzony jest we wspornik krzyzakowy z ze¬ laza ceowego, na którym moze byc posadzony drugi, wewnetrzny postument 5.Postument wewnetrzny 5 wraz z zamkiem spustowym 11 sluzy do opuszczania i wyciaga¬ nia kolumn: srodkowej i wewnetrznej filtra.Wewnetrzny postument 5 zaopatrzony jest w zamek spustowy 11 oraz stozkowo wyksztal¬ cone gniazdo do osadzenia rury tlocznej 7, któ¬ ra nasuwa sie na stozek, w wypadku tloczenia ta rura mediów oczyszczajacych szczeliny mie- dzykolumnowe 4 i filtry 1 z kolmatacyjnych czastek pylastych.Postument 6 równiez jest zaopatrzony w za¬ mek spustowy 12, umozliwiajacy niezalezne ma¬ nipulowanie kolumna zewnetrzna. Strzalkami 8 pokazano kierunek ruchu mediów oczyszczajar cych. Linia przerywana 9 oznaczono zarys scian otworu wiertniczego w przekroju podluznym, a 10 srodowisko gruntowe, z którego odbierana jest woda poprzez filtr do studni.Przestrzen miedzypoistumentowa wytworzona przez wspornik krzyzakowy postumentu 6, ozna¬ czona zostala liczba 13.Na fig. 2 pokazano schematycznie lacznik se¬ gmentowy z wypustami w rzucie poziomym i podluznym, przy czym liczba 1 oznaczono pierscieniowy, korytkowy lacznik wykonany z gumy lub z poliwinylu oraz 2 oznaczono wy¬ pusty rozpierajace wykonane z poliwinylu lub bakelitu. PL