Очистка воды от механических включений - от эволюции к революции

calendar_today
2 декабря 0002
query_builder
visibility
451
Перед человечеством всегда стояла задача фильтрации воды от механических загрязнений. На протяжении веков использовалась технология применения отстойников и песчано-гравийных фильтров. В эпоху НТР появились гидроциклоны и фильтры с "промывкой противотоком". Однако все эти технологии имели общую черту - пассивный характер очистки фильтра от загрязнений. Все усовершенствования систем фильтрации носили эволюционный характер.

Рассмотрим эволюцию усовершенствования систем фильтрации:
Песчано-гравийные фильтры
Представляют собой емкость, засыпанную песком и гравием, через которые фильтруется вода.
Единственное достоинство таких фильтров - возможность достижения тонких рейтингов фильтрации, часто труднодостижимых другими методами.
Неоднократно предпринимаемые попытки устранения этих недостатков не привели к заметным результатам. Применение таких фильтров в высокопроизводительных системах очиcтки воды в промышленности (особенно для построения оборотных циклов в металлургии, энергетике и химии) является ничем не обоснованным ни в техническом, ни в экономическом отношении.

Однако технологии свойственно очень много недостатков:

  • Недопустимо высокие потери воды на промывку.
  • Неизбежное попадание фильтрующей среды (частиц песка) в контур чистой воды. Это совершенно неприемлемо для ряда применений.
  • Высокие значения давления воды, необходимого для вспучивания песчано-гравийной смеси при промывке.
  • Склонность фильтров к забиваниям липкими и волокнистыми загрязнениями.
  • Значительные финансовые и трудовые затраты на замену фильтрующей среды.
  • Очень большие габариты.
  • Сложность построения надежных систем автоматической очистки. Если физические характеристики загрязнений (удельный вес, размеры) соизмеримы с характеристиками засыпного материала, то очистить фильтр не представляется возможным.

    Гидроциклоны
    Устройства достаточно эффективно удаляют тяжелые загрязнения. Однако очевидны и серьезные недостатки гидроциклонов:

  • Очень большие потери воды на промывку.
  • Усиленный абразивный износ.
  • Невозможность отделения легких и крупных загрязнений.
  • Отсутствие селективности в отношении размеров загрязнений, что делает гидроциклоны непригодными для защиты от засорения теплообменников, форсунок и трубопроводов.

    Фильтры с "промывкой противотоком"
    Технология очистки сетки "противотоком" предложена в начале двадцатого века фирмой "Ноneywell". Фильтры с "промывкой противотоком" имеют существенное преимущество по сравнению с песчано-гравийными фильтрами и гидроциклонами. Суть технологии в том, что для отделения накопившихся на сетке загрязнений подача воды прекращается, а направление потока воды в фильтре реверсируется. Загрязнения отделяются от сетки и через сбросной клапан удаляются в шламопровод. Принципиально то, что вся поверхность сетки промывается одновременно, и природа воздействия механизма очистки на накопившиеся загрязнения - пассивная.
    С помощью "промывки противотоком" можно достаточно эффективно очистить сетки от загрязнений вроде песка и ржавчины, но более сложные загрязнения (липкие, волокнистые, с наличием масел и т.п.) отделяются значительно хуже. Причина в ряде принципиальных технологических ограничений:

  • Как только в процессе промывки на сетке будут очищены участки с суммарной площадью, соизмеримой с площадью сбросного клапана, то дальнейшая очистка сетки прекратится. Вода будет течь там, где сопротивление току меньше, т.е. через уже промытые участки. Как следствие, после нескольких циклов промывки некоторые участки сетки перестают промываться вообще, т.к. загрязнения на них уплотняются, а другие будут промываться постоянно. Это приводит к фактическому уменьшению рабочей площади сетки.
  • Загрязнения на непромытых участках имеют склонность к уплотнениям и способствуют возникновению биообрастаний. Как следствие - необходимость остановки и разборки фильтра для ручной очистки сеток.
  • Для облегчения пассивного отделения загрязнений в качестве фильтрующего элемента используются сетки из клиновидного профиля. Но при обратном токе воды через такой элемент возникают "теневые клинья", что способствует появлению трудноудаляемых обрастаний.

    Существуют также и другие важные недостатки технологии:

  • Во время промывки сетки "противотоком" подача воды потребителю прекращается. Более того, фильтр во время промывки в значительном количестве потребляет чистую воду. Т.е. производительность фильтра во время промывки становится отрицательной. Чистая вода для промывки должна подаваться под значительным давлением.
  • Следствием применения сетки из клиновидного профиля является повышенный перепад давления на чистой сетке.

    В ряде конструкций предпринимаются попытки к устранению перечисленных недостатков. Например, использование гидроудара для облегчения отделения загрязнений во время промывки или применение в одном фильтре нескольких сеток с поочередной их промывкой. Но все эти усовершенствования носят косметический характер и не могут исправить принципиального ограничения технологии - пассивной промывки.
    С интенсификацией индустрии, усложнением технологии и с ужесточением требований к качеству очистки воды старые технологии фильтрации уже не могли удовлетворить потребности производства. Появились новые революционные технологии.

    Фильтры с "фокусированной промывкой"
    Технология появилась в Израиле в шестидесятых годах двадцатого века. Толчком к разработке послужил массовый переход сельского хозяйства на капельный полив, что требовало очистки большого количества воды для предотвращения забивания тонких трубопроводов и форсунок.
    Для решения задачи была разработана совершенно новая революционная технология промывки сетки - активная "фокусированная промывка". Суть технологии в том, что вихревой вакуумный сканер удалял загрязнения последовательно с каждого участка сетки. Причем делалось это со стороны накопления загрязнений и без применения противотока. Был изобретен своеобразный "водяной пылесос".
    В конструкции фильтров стало возможным использовать качественные многослойные плетеные сетки, что резко повышало качество и надежность фильтрации.
    Эта технология решала все поставленные "сельскохозяйственные" задачи в силу очевидных преимуществ:

  • Фильтры не вызывали потери давления в сети.
  • Обеспечивалась фильтрация легких, липких и волокнистых загрязнений ("органическая смесь").
  • Не требовалось практически никакого обслуживания, кроме профилактики раз в 6-12 месяцев.

    Таким образом, фильтры с фокусированной промывкой в настоящее время широко применяются на большинстве металлургических предприятий во всем мире. В Украине сейчас установлено более 400 фильтров промышленной очистки воды, использующих технологию активной промывки, в том числе на заводах:

  • "Запорожсталь";
  • "Днепроспецсталь";
  • "Мариупольский металлургический комбинат им. Ильича";
  • "Азовсталь";
  • "Укрграфит".

    Однако у фильтров с "фокусированной промывкой" были и другие очень важные преимущества, не принципиальные для капельного полива, но чрезвычайно важные для очистки воды оборотных циклов металлургического, химического производства и энергетики. Преимущества, которые вывели Израиль в мировые лидеры в области промышленной очистки воды от механических загрязнений:
  • 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.
  • Фильтры обеспечивают при высокой производительности качественную и надежную фильтрацию сильно загрязненной воды с очень тонкими рейтингами фильтрации - вплоть до 10 мкм.
  • Фильтры могут успешно работать во время залповых выбросов загрязнений, не сокращая потока очищенной воды.
  • Высокая прозрачность четырехслойной сетки сводит практически к нулю потерю давления на чистой сетке.
    Накоплен значительный опыт эксплуатации таких систем в условиях отечественной индустрии, для которой характерны высокая степень загрязнения воды, низкие давления в трубопроводах и изношенность оборудования.
    Фильтры с фокусированной промывкой хорошо зарекомендовали себя в условиях аварийных выбросов загрязнений, бросков давления и резких колебаний объемов фильтрации.
    Применение фильтров с фокусированной промывкой позволило уйти от плановых простоев оборудования, понизить затраты энергии и трудозатраты, способствовало решению экологических задач.
    Немаловажно также то, что системы фильтрации с фокусированной промывкой стоят не дороже систем с обратной промывкой. Стоимость же эксплуатации фильтров с фокусированной промывкой на порядок ниже, а надежность выше, чем у любой другой технологии.

    Устройство фильтра с "фокусированной промывкой" сетки (рис. 1)
    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.
    Эта сила всасывания 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.


    (рис. 2)

    Ключевые моменты технологии:
    1. Загрязнения принудительно удаляются последовательно со всех участков сетки. Вся площадь сетки очищается одинаково, 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 секунд) производительность фильтра по очищенной воде не снижается. Незначительно (до 1% от мгновенного расхода!) 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 устаревших систем "промывки противотоком".
    5. Сканер может работать непрерывно. Становится возможной работа во время залповых выбросов загрязнений, сезонных и технологических колебаний степени загрязненности воды и остановки части фильтрующего оборудования. Это единственные фильтры, способные непрерывно и очищать себя, и поставлять очищенную воду потребителям.
    6. Система очистки может работать в четырех режимах:

  • по перепаду давления;
  • по таймеру;
  • по комбинации этих параметров;
  • непрерывно.

    Конструкция сеток
    Сетка из клиновидного профиля, применяемая при "промывке противотоком" (рис. 2)
    Сетка представляет собой решетку, образованную рядами профиля (2) клиновидного сечения, разделенными промежутками (L`) для протекания фильтруемой жидкости. Каркасообразующие поперечные элементы (1) в процессе фильтрации участия не принимают.
    Со стороны поступления загрязнений такая сетка представляет из себя практически зеркальную поверхность, что облегчает пассивное отделение загрязнений во время промывки.
    Важно:
    1. Размер поперечного сечения (L) клиновидного профиля определяет жесткость конструкции фильтрующего элемента и не может быть слишком малым. На практике этот размер практически всегда превышает 2-3 мм. Это приводит к значительному снижению прозрачности сетки (отношения L`/L) для тонких рейтингов фильтрации (табл. 1). Т.е. полезная ("открытая") площадь сетки, определяющая производительность фильтра, стремительно снижается с уменьшением промежутка между клиновидными профилями.
    2. Расстояние между полосами профиля (L`), определяющее рейтинг фильтрации, не может быть меньше 50-100 микрон по технологическим причинам. Это делает невозможным создание сеток из клиновидного профиля для тонких рейтингов фильтрации. На практике такие сетки не позволяют эффективно задерживать загрязнения размерами, меньшими 80 мкм.
    3. Щелевая конструкция сетки, строго говоря, вообще не позволяет говорить об определенном рейтинге фильтрации, т.к. через такой фильтрующий элемент могут проникать загрязнения в виде пластин, волокон. Это делает недопустимым применение таких сеток в системах, для которых важен предельный размер загрязнений - предотвращение забивания теплообменников, форсунок, трубопроводов и т.п.
    4. Сложное сечение клиновидного профиля является причиной повышенного гидравлического сопротивления сетки току жидкости, что вызывает значительный перепад давления даже на чистой сетке.


    (рис. 3)

    Многослойная плетеная сетка, применяемая в фильтрах с "фокусированной промывкой" (рис. 3)
    Сетка состоит из проволоки круглого сечения. При применении активного метода "фокусированной промывки" такая сетка имеет значительные технические преимущества. При создании высокопроизводительных систем промышленной фильтрации важную роль играет защита сетки от повреждений крупными механическими загрязнениями и абразивного износа. Для этого рабочую сетку (3) помещают между двумя защитными сетками (2 и 4). В качестве каркасообразующей конструкции используется четвертая сетка из жесткого профиля (1).
    Важно:
    1. В качестве рабочей сетки может использоваться тонкая сетка с размерами ячеек до 10 микрон. Для создания высокопроизводительных автоматических систем тонкой очистки применение многослойных плетеных сеток является практически безальтернативным решением.
    2. Использование плетеных многослойных сеток позволяет создавать фильтрующие элементы очень большой площади. В сочетании с технологией активной "фокусированной промывки" это позволяет создавать фильтры с производительностью порядка 8000 м3/ч.
    3. Плетеная сетка из проволоки круглого сечения обладает низким значением гидравлического сопротивления. Как следствие - чрезвычайно низкая потеря давления на чистой сетке.
    4. Плетеная сетка имеет высокую степень прозрачности (табл. 1).
    5. Использование сеток специального плетения ("голландская вязь"), в которых направление движения жидкости меняется, позволяет создавать системы, гарантированно удаляющие загрязнения любой геометрии - в том числе в виде пластин и игл. В ряде применений, например, предотвращение забивания теплообменников, форсунок и трубопроводов, это имеет первостепенное значение.
    6. Сложная геометрия многослойных плетеных сеток значительно усиливает влияние "эффекта подслоя". Как следствие - такие сетки имеют существенно лучшее качество фильтрации по сравнению с сетками из клиновидного профиля при одинаковом рейтинге фильтрации.

    Эффект подслоя
    На качество фильтрации в значительной степени влияет "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, превосходящими отверстия сетки, но и значительную часть загрязнений с меньшими размерами.
    Степень влияния 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 аглофабрики, 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!


    д.т.н. М. Холенберг

  • Комментарии
    Loading
    E-Mail:
    следить за ответами