NO761133L - - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår filtere og mer spesielt filtere som egner seg til å fjerne faste partikler fra store fluidum-volumer med liten viskositet, såsom gasser eller vann.

Under normal drift i filtreringsprosesser tvinges fluidumet som filtreres til å passere en porøs membran eller masse hvori porene i alminnelighet er mindre enn partiklene som fjernes. Det er også velkjent å separere faste stoffer fra fluidumfase ved tilførsel av fysiske krefter, f.eks. sentrifugalkraft. I slike metoder er energimengden som kreves for å bevirke separering av partikler fra fluidumet forholdsvis stor, og i de tilfelle hvor et porøst filtermedium benyttes, blir energibehovet større etter-som faste partikler oppsamles på filterets overflate. Således vil filtreringshastigheten avta eller det vil måtte kreves en større trykkforskjell mellom filtermediets innløps- og utløpsflater. Dette krav setter grenser for de materialer som kan benyttes, og hvor det dreier seg om høye trykk, er det nødvendig å ta i bruk smeltede keramiske materialer eller sortert kvalitetssand for tilveiebringelse av den nødvendige styrke for å motvirke disse høye trykk.

Den vanlige måte å fjerne det utfiltrede faste materiale fra filteret i en filtreringsprosess av væsker er tilbake-vasking eller returvasking og dette kan være en ganske kostbar operasjon særlig når det dreier seg om store væskemengder som skal filtreres og hvor returvaskhyppigheten er stor. Mange filterelementer kan ikke returvaskes tilfredsstillende og er faktisk be-stemt til engangsbruk.

Ved hjelp av nærværende oppfinnelse overvinnes mange, av de ovenfor nevnte vanskeligheter og ulemper og oppfinnelsen omfatter følgende trekk: 1)-Det tilveiebringes en fremgangsmåte for filtrering av store vo-lumer av fluidum, idet det til å begynne med arbeides med et meget

lavt trykkfall over filtermediet.

.2) Massen av partiklene som fjernes hefter ikke sterkt til fil-' teroverflaten og tiden før et tydelig trykkfall opptrer er overraskende /-lang. 3) Filterelementet kan lett returvaskes og krever liten fluidum-mengde og kort tidsperiode for å få gjort dette. . 4) Omsetning pr. flateenhet er betydelig større enn i tidligere benyttede enheter.

I samsvar med oppfinnelsen er det tilveiebragt et filtreringsapparat som omfatter et kammer, et hult, porøst filter-elemeht anordnet.slik i kammeret at det er tilveiebragt et ringformet mellomrom, tetningsinnretninger for isolering av det ringformede mellomrom fra elementets indre, innretninger til å til-føre fluidum til det ringformede mellomrom og innretninger til å fjerne filtrert fluidum fra elementets indre, hvor filterelementet er utstyrt med en ru eller grov overflate og apparatet er konstruert og anordnet slik ct fluidumet i det ringformede rom strømmer utover overflaten av filterelementet.

Det finnes flere muligheter for å sikre at fluidumet i ringmellomrommet strømmer utover overflaten av filterelementet. Dette ringrom kan være forsynt med en brønn nedenfor filteret

inn i hvilket innløpet fører fluidumet, slik at sistnevnte må stige vertikalt fra brønnen før det kommer i berøring med filterelementets overflate. En annen mulighet er å anordne innløpet for direkte utlevering av fluidumet over filterelementets overflate. En tredje mulighet er å anordne innløpet slik at det sen-der ut fluidumet i en retning perpendikulær på overflaten, men i tillegg å plassere mellom innløpet og overflaten bøyeskjermer e.l. med en slik orienteringsretning at fluidumets bevegelse for-andres til bevegelse utover filterelementets overflate.

Videre er det vesentlig at filterelementets overflate er grov eller ru. Den foretrukne utførelse av apparatet består i at det finnes db hult, sylindrisk filterelement anordnet sentralt i et sylindrisk kammer. Passende elementer av denne type kan tilveiebringes ved belegging av partikler med kompakt form med en væske som vil størkne eller stivne og binde partiklene sammen, men hvor det er for lite væske til at den fyller alle mellomrom mellom de sammenpakkede partikler, hvoretter blandingen støpes i en sylindrisk form og hvor væsken tvinges eller gis an-ledning til å stivne.

Partiklene kan være av organisk karakter, f.eks. av polyamid, polyester eller po.lyolefin, men fortrinnsvis er de av uorganisk og spesielt mineralsk opprinnelse. Med uttrykket "kompakt eller sammenpakket form" menes at den lengste dimensjon ikke skal være større enn det dobbelte av de to dimensjoner i rett vinkel på den førstnevnte og at overflaten er i det vesentlige fri for fremspring o.l. Det foretrekkes partikler av granitt, flint eller sand og særlig å foretrekke er en blanding av forskjellige sandstørrelser eller en størrelse av sand og en annen av flint eller granitt. Partikkelstørrelsen i denne forbindelse kan defineres ved passering gjennom eller tilbakeholding av mas-kesikter etter BSS standard.

Væskebindemidlet kan være uorganisk, f.eks. vannsement-blanding, men fortrinnsvis benyttes en organisk sement, f.eks. umettet polyester, epoksyharpiks eller polyuretan.

Ved benyttelse av en blanding av to eller flere forskjellige størrelser av sand eller andre kompakte mineralpartikler, kan porøsiteten og ruheten av overflaten av filterelementet varieres innenfor vide grenser. Det er'funnet i praksis at ens-artede blandinger av sand med forskjellig størrelse er ønskelige ved fremstilling av filterelementet, tildels for å oppnå ensartet filtreringsstrøm over overflaten av filterelementet, men også for å frembringe et materiale med ensartet styrke. Mens systemer med eller 4 forskjellige partikkelstørrelser kan benyttes, f.eks', som beskrevet i britisk patent 1 373 214, er det å foretrekke å benytte blandinger av to størrelser, hvor hver størrelse repre-senteres med fra 4 0 til 60 vekt% av totalmengden. Denne virkning illustreres nærnere ved data i den følgende oppstilling som angir relative porøsiteter og kompresjonsstyrker eller trykkstyrker for 7,5 cm terninger, fremstilt av materialer av blandingene. Harpiksen som ble. benyttet til å binde partiklene sammen, var en blanding av en oksypropylert toluendiamin MW 4 60 og Suprasec DN som er et handelsmessig tilgjengelig diisocyanatodifenylmetan som inneholder andre poly(isocyanatofenyl)polymetylener med en NCO-verdi på 2 50 ved NCO:OH-forhold på 1:1 sammen med 20 vekt% metyl-.etylketon. Mengden av den brukte harpiks varierte mellom 5 og 10 vekt%av partiklenes.

For fremstilling av terningene ble partiklene sammen-blandet grundig i tørr tilstand hvoretter harpiksen ble tilsatt og blandingen fortsatte i 5-10 for å sikre at partiklene ble grundig overtrukket. De med bindemiddel overtrukne partikler ble så helt ned i en terningform med 7,5 cm tverrmål og som ble banket flere ganger for å sikre at partiklene satte seg, hvoretter massen ble toppet av og presset noe sammen for. å få en glatt toppflate. Terningen ble herdet ved opphold ved romtemperatur i løpet av .2 dager eller ved oppheting til 110°C i 2 timer.

Trykkstyrken ble målt på en Farnell trykkprøvemaskin serie 500.

Porøsiteten ble målt etter forholdsmåten med følgende testmetode. Fire overflater av terningen ble forseglet ved hjelp av et vannavstøtende polyuretanbelegg, mens to motsatte overflater ble frie. Terningen ble montert med disse frie overflater i et horisontalt plan, som henholdsvis toppflate og bunnflate og en sylinder med diameter 6,4 cm og lengde 15 cm ble plassert på topp-flaten. Resten av overflaten utenfor sylinderen ble så forseglet på lignende måte som sidene av terningen. Vann ble helt inn i sylinderen og nivået ble holdt på 10 cm, mens vannet som rant fra terningens bunn ble oppsamlet og veiet. I porøsitetskolonnen angår målingen i cm 2 det indre tverrsnittsareal av sylinderen.

På utsiden var forholdet 40:60 -»■ 60:40 og fordelingen av de små partikler kunne sees å være mindre homogen. De øvrige tabeller angår derfor blandinger med like vektmengder av de to partikkelstørreIser.

Det fremgår av disse, tabeller at for hver serie med konstant størrelse for de store partikler avtar porøsiteten med avtagende størrelse av de små partikler, men at de serier som inneholder de største partikler har størst porøsitet. Det er således mulig å frembringe komposisjoner med lignende porøsiteter, men med overflater med forskjellig ruhets- eller grovhetsgrad, som stort sett er i samsvar med størrelsen av de største partikler som benyttes i sammensetningen.

Oppfinnelsen skal nå forklares nærmere ved hjelp av eksempler og under henvisning til tegningen,hvor fig. 1 viser et skjematisk vertikaltverrsnitt av en filteranordning ifølge oppfinnelsen som er særlig hensiktsmessig for fjernelse av suspenderte faste stoffer fra vann, mens fig. 2 er et grunnriss til fig. 1 og viser anordningen sammen med tilordnet matningsledning og retur-vaskanordning.

Anordningen på fig. 1 omfatter et sylindrisk hus 1 med fastskrudde endeplater 2 og 3, et utløpsrør 4 som strekker seg inn i huset og utvides oppover som en indre sylinder 5. En åpning 6 i kammerets vegg danner et innløp som vender mot den indre sylinders vegg. Denne sylinders toppflate har et rundt hull 7 som er omgitt av en smal flens med en tetning 8.

Et porøst filterelement 9 fremstilt av en blanding av to sandstørrelser og/eller granitt eller flint som er bundet sammen med en polyuretanharpiks på lignende måte som i de ovenfor be-skrevne terninger, men med form som en hul sylinder, er anordnet sentralt i huset med sin nedre ende tettet mot tetningen og sin øvre ende lukket med en stålplate 10 og en tetning 11. En gjenge- stang 12 er ført gjennom et hull i platen og en vingemutter 13 og en tetningsskive 14 gjør det mulig at platen og filterelementet kan fastspennes mellom tetningene 8 og 11.

Husets nedre ende danner en brønn og platen 3 er utstyrt med et avløpsrør 15. En utluftningsventil 16 er anordnet i platen ved husets øvre ende.

Åpningen i huset for utløpsrøret og åpningen 6 er omgitt av flenser 17,18 festet med skruer (ikke vist) som gjør det mulig å montere inniøpsrør og utløpsrør 19,20 som hvert er utstyrt med et ventilrør 21 som tjener som sted for montering av

et manometer samt et ventilrør 22 som tjener som et sted for tag-ning av prøver. Rørene 19 og 20 er gjennom ventiler 23,24,25,26 forbundet med en fluidumkilde som skal slippes inn og som krever filtrering samt med et samlested for det filtrerte fluidum. Et

rør 27 som er utstyrt med en ventil 28 forbinder innløps- og ut-løpsrørene på steder mellom ventilene 23 og 24 hhv. ventilene 25 og 26.

En ventil 29 er anordnet på avløpsrøret 15.

Når anordningen er i drift, er ventilene 28,29 og ventilene på rørene 21,22 stengt, mens ventilene 16,23,24,25,26 er åpne. Væsken pumpes inn i filteret og luften i mellomrommet mellom filterelementet og huset slipper ut gjennom ventilen 16 til mellomrommet er fylt hvoretter ventilen 16 stenges.

Filtrering fortsetter på vanlig måte og trykkforskjel-len mellom rørene 21 er vanligvis mindre enn 0,3 5 kg/cm 2. I de

fleste tilfelle oppsamles materialet som filtreres bort fra væsken på filterelementets overflate og faller ned i brønnen. Derfor er trykkfallstigningen over filterelementet vanligvis et tegn på at brønnen er full og krever tømming ved at avløpsventilen 29 åp-nes. Samtidig kan det materiale som heftes til overflaten av elementet fjernes ved en kort returvasking, hvis ikke materialet er av smørende type, og dette gjøres ved at strømmen reverseres ved stengning av ventilene 23 og 26 og åpning av ventilen 28. Det bortvaskede materiale vil også falle ned i brønnen og vil fjernes gjennom avløpsventilen.

Tilfredsstillende drift av filteret synes å være avhengig av avløpet av turbulensdannelsen i væsken forårsaket ved strømning av sistnevnte utover filterelementets ru overflate. Hvis denne turbulens ikke utvikles, reduseres filterelementets effektivitet betraktelig. Turbulensen påvirkes av forskjellige

faktorer og de viktigste synes å være

1) innløpsvæskens strøraningshastighet

2) filterelementoverflatens runet eller grovhet, og

3) innløpsvæskens trykk.

r

Det har vist seg at valget av forskjellige sementer benyttet til oppbygging av filterelementet har liten virkning på elementets oppførsel, og sementen kan velges bare med tanke på

prisen og/eller varighetsegenskapene under de tilsiktede drifts- \ forhold. For drift med filtrering av vandige medier foretrekkes bruk av en epoksyharpiks eller mer spesielt en tverrbundet polyuretanharpiks, fortrinnsvis en fremstilt av polyeter som hydrok-sylkomponent, f.eks. et oksypropylert reaksjonsprodukt av glyce-rol, trimetyloletan eller trimetylolpropan eller av en alifatisk eller aromatisk diamin, f.eks. toluylendiamin.

For filtrering av faste stoffer fra vann gjelder iføl-ge oppfinnerens observasjoner at de beste resultater oppnås når trykkfallet mellom det ringformede rom og elementets indre ligger i området 0,035-0,07 kg/cm 2. Filtreringseffektiviteten reduseres i trykkfallområdet 0,14-0,3 5 kg/cm 2 og når det sistnevnte område overskrides, blir separeringsgraden meget lav. For oppnåelse av størst mulig virkningsgrad er det viktig å skaffe en balanse mellom filterelementets porøsitet og den ønskede strømningshastighet for fluidet slik at det oppnås et trykkfall på 0,035-0,07 kg/cm<o>mellom det ringformede mellomrom og filterelementets indre.

Selv om de nevnte verdier ikke helt er uten innvirk-ning på filterelementets overflate, synes det følgende forhold å eksistere mellom porøsiteten, som målt på den ovenfor forklarte måte, og strømningshastigheten for filterelementer med overflateareal på omtrent 0,0 9 m 2 -0,6 m 2og .som arbeider under innløps-trykk på 3,5 kg/cm 2når det nødvendige trykkfall skal oppnås:

Hvis innløpstrykket varierer eller strømningshastighe-ten varierer fra den optimale verdi for den valgte porøsitet, avtar filterelementets virkningsgrad. Følgen ér at ifølge et viktig trekk ved driften må innløpstrykket eller strømningshastighe-ten variere lite i forhold til de forutbestemte verdier, for-

trinnsvis ikke mer enn 5% .

Når det kreves strømningshastigheter eller strømnings-mengder som ligger under 11,4 m 3/t, har man funnet at blandinger av sandpartikler som er nødvendig for å gi tilsvarende porøsite-ter på 2 l/t/cm for en størrelse som resulterer i overflater som ikke er tilstrekkelig grove til å være effektive. Denne van-skelighet kan overvinnes ved å påføre et ytterlag med større partikler på filterelementet, f.eks. ved påsementering av et slikt lag med partikkelstørrelser 5,0-6,3 mm på overflaten av elementet idet det benyttes den minste effektive mengde sement. Andre midler til å bringe et lag med større partikler til tett plasse-ring på ytterlaget av elementet kan også være effektive.

Resultater som oppnås ved hjelp av filtere ifølge oppfinnelsen kan illustreres ved følgende eksempler:

Eksempel 1

En blanding av like deler av"Garside"sandkvaliteter 1,0-1,4 mm og 1,4-2,0 mm ble blandet med 5 vekt% oksypropylert toluylendiamin/Suptrasec DN harpiks som nevnt ovenfor og støpt i form av en hul sylinder med høyde 62,2 cm, ytterdiameter 25,4 cm og tykkelse 2,54 cm. Sylinderen hadde et overflateareal på 0,49 m 2og ei prøveblandingsterning hadde en porøsitet, målt på samme måte som forklart ovenfor, på 4 l/t/cm 2. Dette filterelement ble anbragt i et filterkammer av den ovenfor forklarte type med innerdiameter 55,9 cm, slik at det ringformede mellomrom ra-dialt målt hadde en tverrdimensjon på 15 cm.

3

Vann ble pumpet med en mengde 18-2 3 m /t ved et inn-løpstrykk på 3,5 kg/cm 2og reduserte faststoffinnholdet fra 1,9 ppm (deler pr. million) til 0,36 ppm. Ved et innløpstrykk

0,42-0,56 kg/cm 2ble faststoffinnholdet bare redusert fra 8,6 til 5,4 ppm selv om strømningsmengden var 26-30 m 3/t.

Eksempel 2

I et mindre apparat var filterelementets overflate bare 0,117 m 2 , mens innløpstrykket var 3,5 kg/cm 2og innløpsmeng-den var mindre enn 7,5 m<3>/t. Faststoffinnholdet ble redusert fra

2.4 til 1,6 ppm. Dette filter hadde et element med høyde 30,5 cm og en ytterdiameter på 12,5 cm og ble anbragt i et kammer med

7.5 cm radial klaring. Ved innløpstrykk 1,47 kg/cm 2og innløps-mengde 7,5 m 3/t ble faststoffgehalten redusert fra 1,8 til 1,3 ppm, men et element med lignende dimensjoner, men grovere overflate fremstilt av flintpartikler med 5,0-6,3 mm størrelse og

sand méd 1,4-2 mm størrelse bundet sammen, med en epoksyharpiks tilveiebragt ved en reduksjon av faststoffene fra 1,25 til 0,2 ppm. Denne blanding hadde også en porøsitet på 4 l/t/cm 2. Den harpiks som ble benyttet, var en blanding av lOOvektdeler Epofen ET-2 og 65 vektdeler EHT-3-herder (Borden Chemical Co.) og blandingen ble herdet i 4 dager ved romstemperatur.

Eksempel 3

I et apparat med dimensjoner som i eksempel 1 ble et filterelement benyttet fremstilt av like vektdeler flintpartikler 3,35-5,0 mm og sand 1-1,4 mm sammensementert med uretansement som beskrevet ovenfor med et forhold sement/aggregat 1:20. Apparatet ble benyttet til filtrering av elvevann som inneholdt 4-500 ppm faste partikler. Innløpstrykket var 3,5 kg/cm 2 og innløpsmeng-den 18,9-22,7 m 3/t. Utslippet fra apparatet inneholdt 8 ppm faste stoffer. Det var nødvendig med tømning med en dags mellomrom og det ble ført 5,7 million liter vann gjennom filteret før for-søket ble stanset for prøving av elementet, som var tilsynelaten-de upåvirket.

I et gjentatt forsøk inneholdt utløpsvannet 9 ppm faste stoffer. Dette vann ble sammenlignet med en prøve fra vann som ble destillert i et laboratorium under benyttelse av en Coulter Electronics Limited-partikkelteller og da med følgende resultater (to prøver for hvert tilfelle).

Volum: 0,0 5 ml

Eksempel 4

En blanding av like vektdeler kalkstenpartikler med størrelse 6,3-8,0 mm og 0,71-1,0 mm ble blandet med 6% vekt% epoksyharpiks og. en herder i forholdet 10:7 og støpt i form av en hul sylinder med høyde 62,2 cm, ytterdiameter 25,4 cm og tykkelse 2,54 cm. Sylinderens overflateareal var 0,49 m 2og en prøve-terning av blandingen hadde en porøsitet målt på samme måte som forklart ovenfor på 2,3 l/t/cm 2. En ensartet, rå overflate ble tilveiebragt ved anbringelse av et enkeltlag av kalkstenpartikler med størrelse 6,3-8,0 på overflaten av sylinderen under benyttelse av et epoksybindemiddel som forklart.

Fra tabellen på side 9 turde fremgå at et filterelement med porøsitet 2,3 l/t/cm 2 krever en optimal gjennomstrømnings-mengde på ca. 12,2 m 3/time.

Vann ble pumpet gjennom den nevnte enhet med en mengde på 11,4 m 3 /time og innløpstrykket var 4,2 kg/cm 2. Innholdet av faste stoffer ble redusert fra 8,8 ppm til 3,5 ppm. Trykkfallet over filterelementet var mindre enn 0,07 kg/cm 2.

Vann ble pumpet gjennom samme enhet i en mengde 11,4 m 3 /time under et innløpstrykk på 2,8 kg/cm 2..Faststoffinnholdet på 35 ppm ble da bare redusert til 31 ppm.

En innløpsmengde på 18,2 m 3/time ved innløpstrykk 4,2 kg/cm 2resulterte i en reduksjon fra 52 ppm til bare 44 ppm.

Epoksyharpiksen som ble benyttet ved oppbygning av elementet brukt i dette eksempel var Epofen EL og herdner EHL3 brukt henholdsvis i et forhold 10:7.

Filteret som er beskrevet ovenfor,er nyttig ved fjernelse av suspenderte stoffer eller partikler fra vandige medier. En slik bruk omfatter anvendelsen ved fjernelse av suspenderte uorganiske og organiske materialer fra vann for tilveiebringelse av konsumdyktig vann og industrielt vann med god kvalitet til bruk i kjeler eller vandige prosesser som fødevann eller ved behandling av vandige utslipp for å fjerne uønskede uorganiske eller organiske faste restdeler. Andre anvendelsen omfatter fjernelse av små mengder suspenderte faste stoffer fra vandige oppløsninger av kjemikalier under kjemiske prosesser eller fjernelse av suspenderte faste stoffer fra ikke-vandige oppløsningsmidler.

Filterets effektivitet er mest overraskende når det tas i betraktning at det fjernes fra væsken partikler som er meget mindre enn filterelementets porer. Dette må således være en helt forskjellig måte like overfor et konvensjonelt filter og det påstås.at fjernelsen av faste stoffer må være avhengig av utvik-lingen av en turbulens i væsken i det ringformede rom. Hvis dette postulat er riktig, skulle det være mulig for lignende anordninger å bli benyttet for å fjerne partikkelmateriale fra gasser, f.eks. ved behandling av utslippsgasser fra smelteovner, kjeler og. sement-anlegg.

Claims (8)

1. Filtreringsapparat omfattende et kammer, et hult porøst filterelement anordnet slik i kammeret at dét er tilveiebragt et ringformet mellomrom,tetningsinnretninger for å isolere det ringformede mellomrom fra elementets indre, innretninger for å til-føre fluidum til det ringformede mellomrom og innretninger til å fjerne filtrert fluidum fra elementets indre,karakterisert vedat filterelementet har grov eller ru overflate og at apparatet er konstruert og anordnet slik at fluidumet i det ringformede rom strømmer utover overflaten av filterelementet.
2. 2. Filtreriirgsapparat ifølge krav 1,karakterisert vedat det har et porøst, sylindrisk filterelement anordnet sentralt i et sylindrisk kammer.
3. 3. Et filterelement for apparatet ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat det omfatter en hul sylinder med åpne ender, med en porøs vegg av mineralpartikler sementert sammen med en syntetisk harpiks.
4. 4. Element ifølge krav 3,karakterisert vedat i det minste to sorterte størrelser av partikler er til stede i elementet. .
5. 5.. Element ifølge krav 3 eller 4, karakteris sert ved at den syntetiske harpiks er en polyuretanharpiks.
6. 6. Element ifølge krav 3eller 4,karakterisert vedat den syntetiske harpiks er en epoksyharpiks.
7. 7. Fremgangsmåte for å fjerne faste partikler fra suspen-sjoner av samme i en væske,karakterisert vedat væsken føres inn i et ringformet kammer i et filtreringsapparat av den type som angitt i krav 1 og den filtrerte væske fjernes fra filterelementets indre, hvor filterelementets porøsitet av-passes slik til strømningshastigheten av væsken at det tilveiebringes trykkfall på maksimalt 5 kg/cm 2 mellom filterelementets ytre og indre.
8. 8. Fremgangsmåte ifølge krav 7,karakterisertved at trykkfallet er mellom 0, 035" og 0,07 kg/cm 2.