DE1611096A1

DE1611096A1 - Aufstroemfilter

Info

Publication number: DE1611096A1
Application number: DE19671611096
Authority: DE
Inventors: Harding Victor John George
Original assignee: HARDING VICTOR JOHN GEORGE
Current assignee: HARDING VICTOR JOHN GEORGE
Priority date: 1967-01-04
Filing date: 1967-12-29
Publication date: 1970-09-24
Also published as: FR1566223A; GB1190248A; AU1611367A; AU410422B2

Description

AufStrömfilter

Die Erfindung betrifft einen Aufströmfilter, bestellend aus einem Behälter mit einem darin befindlichen,aus körnigen Partikeln bestehenden Filterbett, dem das zu filternde Medium in der Richtung von unten nach oben mit einem derartigen Druck und einer derartigen Geschwindigkeit zugeleitet wird, daß die Filterpartikel in einen flüssigkeitsähnlichen Zustand versetzt werden.

Die üblichen Filter gehören zum sog. Abstromtyp. bei welchem die Feststoffe enthaltende Flüssigkeit auf die obere Fläche eines Bettes aus Filterstoffen aufgegeben wird, durch das Bett nach unten fließt und von dort als gefiltertes Produkt abgeführt wird. .

Der herausfiltrierte Rückstand wird teilweise im Filterbett zurückgehalten, teilweise bleibt er oben auf diesem als sog. Filterkuchen liegen.

Angehäufte Rückstände verstopfen gelegentlich das Filterbett zum Teil und müssen dann entfernt werden. Dies erfolgt gewöhnlich durch Auswaschen des Bettes. Das Auswaschen geschieht derart, daß das Einströmen der Rohflüssigkeit unterbunden und der Auslaß für die gereinigte Flüssigkeit geschlossen wird. Dann wird etwas von der vorher erhaltenen gereinigten Flüssigkeit unter genügendem Druck in den Filter unterhalb des Filterbettes eingebracht, so daß sie nach oben steigt durch das Bett, und zwar in solcher Menge, daß diesei fiach oben zu einem flüssigkeits· ähnlichen Zustand ausdehnt. Die gereinigte Flüssigkeit, die durch dieses flüssigkeitsähnliche Bett strömt, macht die festgehaltenen Rückstände frei und drängt sie und den derüberliegenden Filterkuchen weg zuitt Abraum. Der Auswaschvorgang wird so lange fortgesetzt, bis das Bett rein genug ist, um die Wiederaufnahme

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des Filtervorganges zu gestatten, worauf das Auswaschen unterbrochen, der Auslaß für die reine Flüssigkeit geöffnet und wieder rohe Flüssigkeit auf das Filterbett gegeben werden kann. .

Das vorbeschriebene Auswaschen muß sehr sorgfältig durchgeführt werden. Wenn der Zustrom der Auswaschflüssigkeit anfänglich zu hoch ist, kann, der oben liegende Filterkuchen durch das. sich ausdehnende Bett der Flüssigkeitspartikel zu Klumpen gebrochen werden, und etwas von dem Kuchen, der häufig ein höheres spezifi-sches Gewicht als das flussigkeitsähnliche Bett aufweist, kann auf den Boden des Bettes sinken. In solchen Fällen können die Stücke des Kuchens nur durch kostspielige mechanische Hilfsmittel herausgeschafft werden, und wenn sie nicht entfernt werden, gelangen sie in die ausströmende reine Flüssigkeit und verunreinigen sie. Während des Eückwaschverfahrens werden die Partikel des Filtermediums, die gewöhnlich ein sehr einheitliches spez. Gew. besitzen, hydraulisch klassifiziert, d.h. die kleineren Partikel steigen im Bett nach oben und die gröss.eren fallen nach unten, wobei die Partikelgröße von oben nach unten zunimmt.

Wenn der Zustrom der Auswaschflüssigkeit unterbrochen wird, sinkt das Bett in seinen verdichteten Zustand zurück, und die Abstufung der Partikelgröße bleibt im wesentlichen erhalten. Wenn der Filtervorgang wieder aufgenommen wird, trifft die eintretende rohe Flüssigkeit zuerst auf die feinkörnigen oberen Schichten des Bettes, das dann schnell verstopft wird.

Grobe Teilchen stauen sich dann oben auf dem Bett und bilden den Filterkuchen. Die Filtriergeschwindigkeit nimmt somit rasch ab, so daß ein neuerliches Auswaschen erforderlich wird, ehe die unteren Teile des Filterbettes eine nennenswerte Menge !Rückstände gesammelt haben. ■

Es ist anzunehmen, daß ein Bett mit hydraulisch klassifizierten Partikeln, wie oben beschrieben, über längere Zeit wirksam wäre, wenn die rohe Flüssigkeit durch das Bett nach oben geleitet würde,

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so daß die gesamte Porenkapazität des Bettes für die Aufnahme von Rückständen ausgenutzt werden könnte, ehe eine neue Auswaschung erf order li.eh wird. Jedoch sind Filter mit Aufwärtsströmung "bisher nicht anwendbar, weil der Flussigkeltszuflußauf einen geringen Wert reduziert werden muß. Anderenfalls würde das Filterbett in einen'flüssigkeitsähnlichen Zustand^übergeführt und seine Funktion als Filter allmählich verlieren, da die das Filterbett bildenden Körner mit der Zeit heraus ge schwemmt würden.

Die Erfindung sieht demgegenüber einen wirkungsvollen Aufstrom-.filter vor, in welchem auch beim Rückwaschen die erwünschte Druckflüssigkeits- oder hydraulische .Klassifizierung der Filtermediumpartikel aufrechterhalten werden kann.

Erfindungsgemäß kennzeichnet sich ein wie eingangs erläuterter AufStrömfilter durch mindestens ein oberhalb des Filterbettes vorgesehenes Haltesieb, oberhalb dessen sich der Auslaß für das von den abzufiltrierenden Stoffen getrennte Medium befindet.

Erfindungsgemäße Filter funktionieren wie folgt: Während des normalen Filtervorganges wird die rohe Flüssigkeit unter solchem Druck und mit solcher Geschwindigkeit zugeführt, daß sie das JBett anhebt und es fest gegen die Unterseite des Haltesiebes drückt, während beim Auswaschen der Zustrom an Rohflüssigkeit unterbunden wird, so daß das Bett herabfällt und sich auflöst, worauf es in üblicher Weise gewaschen und die Abfallflüssigkeit durch den dafür vorgesehenen Auslaß abgeführt werden kann.

Zwei Ausführungsformen und weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der anliegenden Zeichnung beispielsweise und schematisch. hervor»

Fig« 1 ist eine schema tische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Flüssigkeitsfilters, gezeigt während eines Auswasehvorganges.

Fig. 2 gibt eine ähnliche Ansicht des gleichen Filters wie Fig. 1 wieder, und zwar während des Filterns.

Fig. 5 zeigt in ähnlicher Ansicht wie Fig. 1 eine andere Ausführungsform der Erfindung während des Filterns.

Der durch die Figuren 1 und 2 dargestellte Filter umfaßt einen Behälter 1 mit einem ventilgeregelten Eohflüssigkeitseinlaß E, einem, ventilgeregelten Einlaß W für die Waschflüssigkeit, einem ventilgeregelten Anlaß F für die gereinigte Flüssigkeit und einem ebenfalls ventilgeregelten Auslaß W¹ für die Abfallflüssigkeit.

Eine Charge aus einem Filtermedium in Partikelform wird in einer dafür im Behälter 1 vorgesehenen Kammer untergebracht, und zwar in dem Eaum innerhalb desselben, der zwischen dem unteren Stützsieb 5 und- dem oberen Haltesieb 2 liegt. Diese Charge ist unterschiedlich mit A, B und C bezeichnet, je nach ihrem physikalischen Zustand zum jeweiligen Zeitpunkt.

Der Ausdruck "Sieb", wie er hier gebracht wird, soll irgendeine poröse oder durchlöcherte Sperre bezeichnen, welche die Partikel des Filterbetts nicht passieren können, während die zu filternde Flüssigkeit frei hindurchströmen kann. Solche Siebe sind an sich bekannt und können beispielsweise aus Textil- oder Metallgewebe, gesinterten porösen Feststoffen, willkürlich angeordneten Faserschichten oder Gefügen bzw. Partikeln von geeigneter Größe und spezifischem Gewicht bestehen.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich,wird während des Rückwaschens eine Säule A aus den Filterpartikeln in flüssigkeitsähnliiiche» Zustand durch aufwärtsströmende Waschflüssigkeit gehalten, die durch den dafür vorgesehenen Einlaß W eintritt, das Stützsieb 3 und dann . die Säule A passiert, worauf sie durch das Regelventil 4- und den Auslaß W¹ für die unreine Flüssigkeit austritt.

In der Praxis mißt die fluidisierte Partikelsäule A etwa das eineinhalbfache der Höhe H des ruhenden Partikelbetts, wie auch

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Pig.. 1 und 2 zeigen, d.h. des Bettes, das sich durch die Schwerkraft auf dem Stützsieb 3 bilden würde, wenn die gesamte ,Flüssigkeitsströmung gestoppt würde*

Nach Durchführung des Waschvorganges können der.EinlaßW für die Waschflüssigkeit umd das Ventil 4- geschlossen werden, worauf der Einlaß R für die Ronflüssigkeit und der Auslaß J¹ für die reine Flüssigkeit geöffnet werden können. Die rohe Flüssigkeit kann dann mit genügend FlieBgeschwindigkeit und Druck in den Raum unterhalb des Stützsiebes 3 eintreten, um das Partikelbett A zu heben, bis es das Haltesieb 2 trifft, worauf die Partikel rasch nach -unten drücken, bis eine Stufe erreicht ist, in welcher die Geschwindigkeit der Aufwärts strömung durch den Widerstand des suspendierten zusammengedrückten Bettes so sehr reduziert wird, daß keine Partikel mehr gehoben und in das Bett hineingepreßt werden. Die übrigen Partikel bleiben in flüssigkeitsähnlichem Zustand in einer Säule, die sich nach unten bis zum unteren Stützsieb 3 erstreckt. Diese Situation ist in Fig. 2 veranschaulicht, wo das suspendierte arbeitende Bett mit B bezeichnet ist, während die übrigen partikel die Bezeichnung C tragen, und man sieht, daß dazwischen eine Zone liegt, die relativ frei von Partikeln ist, " ·

Da das Filterbett B abzufiltrierende Stoffe ansammelt, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit ab (vorausgesetzt, daß Rohflüssigkeit unter konstantem Druck zugeführt wird), und die Höhe der verflüssigten Partikelsäule 0 nimmt stufenweise ab. In der Tat zeigt die Höhe der Säule 0 recht genau zu Jeder Zeit.die Strömungsgeschwindigkeit an und bildet ein sicheres Anzeichen für das JSfotwendigwerden der Bückwaschung. Bei automatisch betriebenen erfindungsgemäßen Filtern kann ein optisch oder anderweitig betätigtes Meßinstrument verwendet werden, das auf die Höhe der Partikelsäule C anspricht, um die Häufigkeit der Rückwaschungen regeln.

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Die Tatsache, daß das Filterbett zwangsläufig in der Aufwärtsrichtung angehalten wird, ermöglicht die Anwendung von relativ hoheiji Druck in der zufließenden Rohflüssigkeit. Wenn beispielsweise Wasser gefiltert wird und das Filtermedium Sand ist, so kann ein Druck von ungefähr 1,4 at angewandt werden, um eine anfängliche Filtriergesehwindigkeit von 12 gpm/sq.Ft/min bis 28 gpm/sq.ft/min der Querschnittsfläche des Filterbettes je nach der Größe der Sandpartikel zu erreichen.

Wenn der Flüssigkeitszufluß unterbunden wird, verliert das sehwebende Bett semne tragende Kraft und beginnt sich zu zersetzen, und zwar vom Boden nach oben, zuerst langsam, dann mit zunehmender Geschwindigkeit, bis der verbleibende Teil in sich zusammenfällt und mit großer Turbulenz absinkt unter Zurücklassung eines großen Teiles des aufgenommenen Rückstandes. Wird dann der Druck wieder hergestellt, so steigt das ganze Filterbett wieder nach oben und wirkt wie ein Kolben, der die rückstandhaltige Flüssigkeit austreibt. Ein -erneutes Fallen des Bettes läßt eine weitere Menge Rückstand zurück, und bei Wasser wurde gefunden, daß 8 bis 10 Arbeitsgänge ausreichen, um ein Sandbett völlig für einen neuen Einsatz zu reinigen. Diese Art des auf und ab gerichteten Zyklus kann daher für das Rückwaschen benutzt werden. Alternativ kann nach einem ersten Senken des Bettes Waschflüssigkeit mit solcher Geschwindigkeit aufgegeben werden, um das Bett bis zum wirksamen Maximum von etwa 1 1/2 mal seiner Höhe im Ruhezustand zu expandieren (siehe Fig. 1), und diese Geschwindigkeit kann beibehalten werden, bis das Bett für den nächsten Prozeß rein genug ist, genau wie es bei einem normalen Abstromfilter geschieht.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, wobei auf daß untere Stützsieb verzichtet wurde und die rohe und die Waschflüssigkeit nach unten bis nahe an den Boden des Behälters geführt werden. In der Praxis sind geeignete Hilfsmittel vorgesehen, um die Anströmgeschwindigkeit über den gesamten Bereich der aufströmenden Flüssigkeit zu egalisieren.

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Bei dieser Form ergibt sich eine geringere Gesamthöhe des Behältergefäßes im. Vergleich zu ähnlichen. Filtern gemäß den Figuren i und 2.

Bei Versuchen, die zu der Erfindung führten, wurde ein Modell

^ . aus .Polymethxlmethacrylat . -.- . gebaut, das aus einem Rohr/von 0,1?? m Durchmesser und 1,5 m Höhe bestand, mit oberen und unteren Sieben von 80 Haschenweite. Mit einer ruhenden Sandsäule von ca. 1 m Höhe und einem Eintrittsdruck von ca. 1,4- at in zufließendem ungereinigtem Wasser wurde folgerichtig eine Filterbettdicke von ca.-60 cm erreicht, und die Durchsatzresultate waren wie oben erwähnt.\

Wenn das Filtern fortgesetzt wird, bis das Filterbett stark mit Rückständen versetzt ist, bleibt das Bett in der Schwebe, auch wenn die Wasserzufuhr unterbunden wird. Dies beruht auf einer kittenden Wirkung der abfiltrierten JPartikel, die in Zusammenwirken mit ^em-:Aii%e±^ einer Aufwölbung des Bettes zwischen den umgebenden Wänden des engen Filters führt. Eine gewisse Aufwölbwirkung bei beladenem Bett läßt sich in Filterbetten erwarten, bei denen der Abstand zwischen den Wänden kleiner oder nur wenig größer als die Tiefe des Filterbetts ist. Man kann daher bei Behältern, in denen mit Aufwölbung gerechnet werden muß, dieses Bestreben dadurch verhindern, daß man eine oder mehrere Flüssigkeitsdüsen innerhalb des Bettes vorsieht oder an einem oder mehreren Punkten an der Peripherie des Behälters, durch welche Flüssigkeitsstrahlen in das Bett geleitet werden, wodurch alle Aufwölbungen im Bett zerstört werden und die Zersetzung des letzteren vor Beginn der Auswaschung eingeleitet wird.

Die Flüssigkeitsstrahlen können auch während des Auswaschens aufrechterhalten werden, um eine stärkere Durchwirbelung der Partikel und damit eine raschere Reinigung zu erzielen. Die Strahlen können auch in ihrem Volumen so proportioniert sein, daß durch sie die gesamte Auswaschflüssigkeit zugeführt wird, in welchem Fall nur die Rohflüssigkeit in der in Fig. 5 gezeigten Art zum Boden des Behälters geleitet wird.

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Wenn einer oder mehrere Flüssigkeitsstrahl en eingesetzt werden, um jede in einem rückstandhaltigen Bett vorhandene Aufwölbung zu zerstören, ist es erforderlich, ein eigenes Auslaßventil für die so eingespritzte Flüssigkeit vorzusehen, da der Abfluß-. auslaß bei der Vorbereitung des Rückwaschens geschlossen wird, ebenso das Ventil 4 und das Einströmventil R,während das Hauptventil für die Waschflüssigkeit bei W noch nicht offen ist.

Ein regelbarer Hilfsauslaß kann zu diesem Zweck unterhalb des unteren Siebes angeordnet sein, wie bei 5 in den Figuren 1 und 2 und bei 6 in Fig. 3 gezeigt. Im letzteren Falle kann die öffnung in der Behälterwand mit einem geeigneten Sieb versehen sein, um den Austritt irgendwelcher Bettpartikel zu verhindern.

Es sei besonders darauf hingewiesen, daß die Anwendung hohen Druckes beim erfindungsgemäßen Arbeiten nicht obligatorisch ist. Wenn sich das Bett einmal gebildet hat, kann der Druck auf 1 1/2 oder 2 lb/sq.in. (je nach der Partikelgröße des Bettes) reduziert und die Filtrierung bei diesem oder einem beliebigen höheren Druck fortgesetzt werden.

Der Fachmann kann erkennen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung im Gebrauch nicht auf die Filtrierung flüssiger Medien wie Wasser, Petroleum, Getränke, Industrielösungen u. dgl. beschränkt ist, sondern auch zur Filtrierung strömender Gase wie Luft verwendet werden kann, so lange die einzelnen das Bett bildenden Partikel ein solches spez. Gewicht und eine derartige Größe aufweisen, daß sie im aufwärts gerichteten Strom eines Gases fluidisiert und nachher gegen das obere Haltesieb gepreßt werden können, um ein Filterbett geeigneter Dicke zu bilden, unter der Voraussetzung, daß das einströmende Gas keine klebenden Beimengungen aufweist, die die Bettpartikel zusammenbacken und deren Auseinanderfallen und Absinken zum Zwecke der Reinigung verhindern wurden. So können z.B, Staubpartikel in trockener Luft oder einem trockenen Gas durch ein Bett aus Sägespänen geeigneter Größe, leichten Kunststoffen oder dergleichen gefiltert werden. , ' f

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Wenn eine."besonders schnelle Reinigung des Filterbettes erforderlich ist, können Schall- oder Ultraschall schwingungen verwendet werden, die mit Hilfe eines im ..Inner en der verflüssigten Säule oder in einer oder mehreren der .Behälterwände untergebrachten Umwandlungsgerätes oder von Umwandlern in diö fluidisierten Bettpartikel eingeführt werden. Solche Umwandler können von der bekannten Art sein,, wie sie für die Reinigung von Gegenständen durch Eintauchen in eine fflüssigkeiLt verwendet werden, in welcher Schall- oder Ultraschallsehwingungen erzeugt werden.

Es -können ?au.ch ein oder mehrere Strahlen der'Waschflüssigkeit oder e±nes komprimierten JSases wie ζ JSk. IiUft zugeführt'werden, um während. -üles ¥as.chvorganges eine Mohe jEurbuleaszi r'in der !"lüssigkea.tsss.uLe Jiervor2airufen»

Um während tdes Waaeihvorganges Jede TieiKiinreiniguiig des ^oberen Haiifaesiebes durch fssämutzige Waschf liisssiigfceit zu ^erMiadern, können SpülMittel ßringesetezt werden, weliehe zusätaliah ein Abwärtsströmen der gereinigten Flüssigkeil; durch das 2ialtesieb während des Maschvarjganges ermöglichen.

Die Ausdrücke "Kammer" uncL "^Behälter" sind hier in weitem Sinn zu verstehen. In den Zeichnungen ist ein Behälter als geschlossenes Gefäß mit verschiedenen Flüssigkeitsein- und -auslassen in Form von ventilgeregelten Bohren «Largestellt, aber in erfindungsgemäßen Filtern von größerem ;Maßstab, wie sie bei der Trinkwasserftiltrierung in Städten oder dergleichen verwendet werden, hat jeder Behälter die Form eines oben offenen Reservoirs, von welchem das filtrierte Wasser durch Überlauf-Entwässerungsanlagen oder dergleichen herabströmt-, und jede Filtermedium enthaltende Kammer kann durch den unteren feil des Reservoirs unterhalb eines darin angebrachten Haltesiebes gebildet werden.

Claims

Pat ent anspräche

1) Atfströffifilter, bestehend aus einem Behälter mit einem darin ■befindlichen, aus körnigen Partikeln bestehenden Filterbett, dem das zu filternde Medium in der Richtung von unten nach oben mit einem derartigen Druck und einer derartigen Geschwindigkeit zugeleitet wird, daß die Filterpartikel in einen flüssigkeitsähnlichen Zustand versetzt werden, gekennzeichnet durch mindestens ein oberhalb des Filterbettes (A, B, O) vorgesehenes Haltesieb (2), oberhalb dessen sich der Auslaß (F) für das von den abzufiltrierenden Stoffen getrennte Medium befindet.

2) Filter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zusätzliches, unterhalb des Filterbettes (A, B, C) angeordnetes Stützsieb (3).

3) Filter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zutrittsleitung (R) für das zu filtrierende Medium unterhalb des Stützsiebes (3) mündet.

4-) Filter nach den Ansprüchen 1 und 2 *- 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Zutrittsleitung (R) für das zu filternde Medium im Filterinneren abwärts gegen den Boden geführt ist.

5) Filter nach den Ansprüchen 1-4, gekennzeichnet durch wenigstens eine Flüssigkeitsdüse zur Zuleitung eines Flüssig-

• keitsstrahles zum Aufbrechen oder Umrühren des fluidisierten Filterbettes.

6) Filter nach den Ansprüchen 1-5» gekennzeichnet durch eine . regelbare Austrittsöffnung (5» 6) für zur Zerstörung des fluidisierten Bettes eingeführte Hilfsflüssigkeit.

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7) Filter nach den Ansprüchen 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Siebe (2, 5) aus einem Textilfaser-, Kunststoff- oder Metallgewebe, einem gesinterten, porösen Feststoffkörper oder dergleichen besteht. ■

8) Filter nach den. Ansprüchen 1 - 7, gekennzeichnet duxch eine Einrichtung für die Einbringung von Schall- oder Ultraschallschwingungen in den Inhalt des Behälters»

9) Verfahren zum. Betrieb des Filters nach den Ansprüchen 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Eüekwaschung des mit abfiltrierten Stoffen durchsetzten Filterbettes mit reinen Flüssigkeiten oder Gasen unter Flüidisierung des Filterbettes durchgeführt wird. .

10) Filter zur Ausführung des .-Verfahrens nach Anspruch 9) ι dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleitung für dag Waschmedium unterhalb des Stützsiebes (J) mündet.

11) Filter zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Zuflußleitung (V), für das Waschmedium im Inneren des Filters abwärts gegen dessen Boden geführt ist.

12) Filter zur Ausführung des Ye rf ahrens nach Anspruch 9 und naoh den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet., 4aß sich die C&nung für die Austrittsleitung (WV) für das Waschmedium unterhalb des Siebes (2) befindet.

13) Filter nach den Ansprüchen 1 - 8 und 10 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (S, F, W, W¹) ventilgeregelt sind. :

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