Механические фильтры с фокусированной промывкой
Опубликовано: 21 июня 2010 г.
127
М. Холенберг, д. т. н.
Перед человечеством всегда стояла задача очистки воды от механических загрязнений. В настоящее время этот вопрос особенно актуален из-за значительно увеличившихся объемов воды, необходимой для коммунально-бытовых и промышленных нужд. Немаловажной является и проблема очистки самих фильтров от улавливаемых ими механических загрязнений.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
На протяжении веков для очистки воды использовались отстойники и песчано-гравийные фильтры. В эпоху научно-технической революции в арсенале специалистов-водников появились гидроциклоны и фильтры с промывкой противотоком. Суть последней из этих технологий заключается в том, что для отделения накопившихся на сетке загрязнений направление потока воды в фильтре меняется на обратное. Загрязнения отделяются от сетки и через сбросной клапан удаляются в шламопровод. Принципиальным является то, что вся поверхность сетки промывается одновременно, а природа воздействия механизма очистки на накопившиеся загрязнения – пассивная.
С помощью промывки противотоком можно достаточно эффективно очистить сетки от таких загрязнений, как песок и ржавчина, но более сложные примеси (липкие, волокнистые, с наличием масел и т.п.) отделяются значительно хуже. Причина заключается в ряде принципиальных технологических ограничений.
Как только в процессе промывки на сетке будут очищены участки суммарной площадью, соизмеримой с площадью сбросного клапана, дальнейшая очистка сетки прекратится. Вода будет течь там, где меньше гидравлическое сопротивление, то есть через уже промытые участки. Как следствие, после нескольких циклов промывки некоторые участки сетки перестают промываться вообще, так как загрязнения на них уплотняются. Другие же участки будут промываться постоянно. Это приводит к фактическому уменьшению рабочей площади сетки.
Уплотнение загрязнений на непромытых участках, подверженных также биообрастанию, вызывает необходимость остановки и разборки фильтра для ручной очистки сеток.
Для облегчения отделения загрязнений в качестве фильтрующего элемента используются сетки из клиновидного профиля. Но при обратном токе воды через такой элемент возникают так называемые теневые клинья, что способствует появлению трудноудаляемых обрастаний.
У фильтров с обратной промывкой имеются и другие недостатки. Так, во время промывки сетки противотоком подача воды потребителю прекращается. Более того, фильтр в значительном количестве потребляет чистую воду. Промывка требует и определенных энергозатрат: вода должна подаваться под значительным давлением.
В ряде конструкций предпринимаются попытки к устранению перечисленных недостатков. Например, используется гидроудар для облегчения отделения загрязнений во время промывки или в одном фильтре предусматривается нескольких сеток с поочередной их промывкой. Но все эти усовершенствования не могут исправить принципиального момента, ограничивающего применение технологии, – пассивной промывки. С развитием индустрии, усложнением технологий и ужесточением требований к качеству очистки воды появились принципиально новые технологии.
Так, в 1960-х в Израиле появились фильтры с фокусированной промывкой. Толчком к их разработке послужил массовый переход сельского хозяйства на капельный полив. Это в свою очередь требовало очистки большого количества воды для предотвращения забивания тонких трубопроводов и форсунок.
Для решения задачи была разработана технология промывки, суть которой заключается в том, что вихревой вакуумный сканер удаляет загрязнения последовательно с каждого участка сетки. Причем делается это со стороны накопления загрязнений и без применения противотока. Таким образом, был изобретен своеобразный «водный пылесос».
В конструкции фильтров стало возможным использовать многослойные плетеные сетки, что резко повышало качество и надежность фильтрации.
Эта технология решала поставленные сельскохозяйственные задачи в силу очевидных преимуществ: фильтры не вызывали потери давления в сети; обеспечивалась фильтрация легких, липких и волокнистых загрязнений (органическая смесь).
У фильтров с фокусированной промывкой нашлись и другие преимущества, не принципиальные для капельного полива, но чрезвычайно важные для очистки воды оборотных циклов металлургического, химического производства и энергетики:
• фильтры во время промывки не прекращают и не сокращают подачу воды потребителю (это важно для технологических процессов, не допускающих даже кратковременную остановку или сокращение подачи воды);
• при высокой производительности обеспечивается качественная и надежная фильтрация сильно загрязненной воды с очень тонкими рейтингами фильтрации – вплоть до 10 мкм;
• фильтры могут успешно работать во время залповых сбросов загрязнений, не сокращая потока очищенной воды.
Создание технологии вывело Израиль в мировые лидеры в области промышленной очистки воды от механических загрязнений. Еще раз сформулируем ее ключевые моменты:
1) загрязнения удаляются принудительно и последовательно со всех участков сетки. Вся площадь сетки очищается равномерно, что предотвращает появление зон (например, краев сетки), склонных к обрастаниям;
2) сканер очищает загрязнения со стороны их накопления, поэтому не существует ни «теневых» зон, ни других факторов, препятствующих отделению части загрязнений;
3) во время очистки сетки (30–40 с) производительность фильтра по очищенной воде не снижается. Незначительно (до 1 %) повышается только общий расход воды;
4) эффективность функционирования механизма очистки абсолютно не зависит от соотношения площадей сетки и сбросного клапана. Открытая площадь сетки в таких фильтрах значительно больше, чем у систем с промывкой противотоком;
5) система очистки может работать в четырех режимах: по перепаду давления, времени, комбинации этих параметров или непрерывно.
В настоящее время фильтры с фокусированной промывкой применяются в различных сферах хозяйственной деятельности – от сельского хозяйства до оборотных циклов металлургии. Их производством занимается компания Amiad Filtration Systems (Израиль). На рынках стран СНГ оборудование появилось несколько лет назад. Сегодня опыт его эксплуатации есть у украинских металлургических комбинатов «Запорожсталь», «Азовсталь», «ММК им. Ильича».
На рис. 1 показана схема работы фильтра с фокусированной промывкой. Загрязненная вода поступает через впуск 1 в цилиндрический фильтрующий элемент 3 и покидает фильтр через выпуск 2. Загрязнения накапливаются на внутренней поверхности сетки 4 и образуют «фильтровальный пирог». Очистка сетки фильтра осуществляется вакуумным сканером 5. Он состоит из центральной трубы со всасывающими соплами 6. Промывочный клапан 7 соединяет внутреннюю полость вакуумного сканера с атмосферой снаружи корпуса фильтра. При открывании промывочного клапана перепад давления между водой внутри фильтра и атмосферой создает высокую силу всасывания на форсунках сканера. Это вызывает движение воды через небольшой участок сетки перед каждым соплом, отделяя «фильтровальный пирог» от сетки и всасывая его в вакуумный сканер, а затем выбрасывает через промывочный клапан в канализацию. Приводной механизм 8 вращает вакуумный сканер вокруг оси и осуществляет его поступательное перемещение. Таким образом, форсунки движутся по спирали и последовательно очищают всю внутреннюю поверхность фильтрующего элемента за один проход.
В заключение – о конструкции сеток для различных типов фильтров. Они различаются по материалам, из которых они сделаны, конструкции, а также степени фильтрации. Так, сетка из клиновидного профиля, применяемая при промывке противотоком (рис. 2), представляет собой решетку, образованную рядами профиля 2 клиновидного сечения, разделенными промежутками для протекания фильтруемой жидкости. Каркасообразующие поперечные элементы 1 в процессе фильтрации участия не принимают. Со стороны поступления загрязнений такая сетка представляет собой практически зеркальную поверхность, что облегчает пассивное отделение загрязнений во время промывки.
Основное отличие в характеристике очистки воды такой сеткой заключается в том, что расстояние между полосами профиля, определяющее рейтинг фильтрации, не может быть меньше 50–100 мкм по технологическим причинам. Это делает невозможным создание сеток из клиновидного профиля для тонкой фильтрации. Многослойная плетеная сетка, применяемая в фильтрах с фокусированной промывкой (рис. 3), выполнена из проволоки круглого сечения. Для защиты от повреждений крупными механическими загрязнениями и абразивного износа рабочую сетку 3 помещают между двумя защитными (2 и 4). В качестве каркасообразующей конструкции используется четвертая сетка из жесткого профиля 1.
Рабочая сетка для фильтров с фокусированной промывкой может иметь размеры ячеек до 10 мкм. К тому же она обладает высокой степенью прозрачности (табл.). Использование при этом сеток специального плетения (например, «голландская вязь», рис. 4) позволяет создавать системы, гарантированно удаляющие загрязнения любой геометрии – в том числе в виде пластин и игл. В ряде применений (предотвращение забивания теплообменников, форсунок, трубопроводов и др.) это имеет первостепенное значение.
При выборе сеток для фильтров необходимо учитывать так называемый эффект подслоя: жидкость фильтруется не только сеткой, но и образующимся на ней «фильтровальным пирогом», состоящим из уже задержанных загрязнений. В результате этого фильтр задержит не только все загрязнения, размерами превосходящие отверстия сетки, но и значительную часть загрязнений с меньшими размерами. Степень влияния данного эффекта на качество фильтрации существенно зависит от конструкции фильтрующего элемента. При использовании четырехслойной сетки «эффект подслоя» проявляется значительно сильнее, чем при использовании сетки из клиновидного профиля, что обусловлено куда более сложной объемной геометрией сетки и более мелким размером загрязнений, накапливающихся на ней.
Опыт показывает, что, например, при фильтрации оборотной воды агломерационной фабрики фильтр с рейтингом фильтрации 800 мкм не только гарантированно задерживает загрязнения крупнее 800 мкм, но и отфильтровывает (по массе) до 92 % всех загрязнений вплоть до размеров 30–40 мкм!
Статья опубликована в журнале «Аква-Терм» # 3(43) 2008