從大流量流動液體分離和過濾顆粒及有機物的裝置和方法
2023-05-02 02:38:06
專利名稱：從大流量流動液體分離和過濾顆粒及有機物的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種用於從流動液體中過濾固體顆粒和有機物的裝置和方法。
背景技術：
水過濾系統利用最終阻礙固體顆料和有機物的濾網或過濾器構件，因此需要對過濾器構件進行清洗從而保持過濾系統的操作效率。
發明內容
本申請涉及一種用於從大流量流動液體中分離和過濾顆粒和有機物的裝置和方法，所述大流量流動液體在水泵出口壓力的作用下被傳送到具有多個過濾器構件的過濾器腔室，所述裝置和方法包括過濾器構件反衝洗自清洗系統和氣體輔助的水過濾和處理，所述裝置和方法可用在包括壓載水處理、冷卻水、養魚場、便攜水以及工業用水的大流量水處理應用中。本發明的目的在於提供一種能夠從大流量液體中分離和過濾顆粒和有機物的裝置，所述液體在水泵入口壓力下經過位於過濾器殼體中的多個平行過濾構件，從而在大量液體流過過濾裝置時能夠對各個過濾器構件進行清洗。為此目的，本發明提供一種在預定壓力下從大流量液體中分離和過濾顆粒和有機物的裝置，所述裝置具有過濾器構件的自清洗系統，所述裝置包括:具有入口管的入口腔室，所述入口管在預定壓力下從水泵系統接收進入液體；過濾器殼體，用於定位多個細長的過濾器構件，每個過濾器構件在一端連接到所述入口腔室，每個過濾器構件的另一端位置過濾器腔室中靠近出口噴嘴的位置上；從所述過濾器殼體延伸出來的出口噴嘴，用於傳送來自系統的過濾後的液體；過濾器構件反衝洗裝置，其中，每個過濾器構件的另一端通過反衝洗管和反衝洗閥連接到淤積物歧管；一組翼片，位於每個過濾器構件的一端上，用於引導液體流入過濾器構件的內部以沿著過濾器構件的內表面進行清洗動作；用於每個過濾器構件的氣體注入管，用於輔助進行清洗過濾器構件和液體處理；以及反向壓力控制器，安裝在液體流動系統中，用於確保足夠的反向壓力以將淤積物從淤積物腔室中排出，所述淤積物腔室用於船上系統以及在水位線或海平面以下進行排放的其它海運系統。在一個優選的實施例中， 所述裝置和方法包括紫外線腔室，用於對液體進行處理，以便阻止例如細菌、微生物和病原體的水生有害生物的活動。反衝洗周期由主要的入口與出口之間的壓力差啟動。當該壓力差在過濾器/分離器腔室中達到預定的數值(典型地為30毫巴)時，反衝洗啟動並且由可編程邏輯計算機(PCL)控制。本發明的過濾器/分離裝置具體地適用於在船上壓載水系統上去除顆粒和有機物，從而減少壓載容器中的沉澱物負荷，並且阻止水生有害生物的擴散。船隻使用大流量低壓水泵，泵房通常低於海平面從而在淤積物排放系統中產生反向壓力。反向壓力控制器在淤積物系統上保持足夠的壓力差以便促進淤積物從船隻排出。通過對於本發明優選實施例的以下詳細描述的理解或者通過在實踐在使用本發明，本發明的其它目的、優勢和優選特徵將會變得明顯。
本發明的優選實施例被選擇來進行詳細描述，以便使得本發明相關的技術領域的普通技術人員能夠理解本發明如何運作，這些優選實施例在附圖中示出，其中:圖1為本發明裝置的側視截面圖；圖2為圖1中所示裝置的上翼緣的俯視圖；圖3為圖2中所示上翼緣的截面圖；圖4為圖1中所示裝置的過濾器殼體凸緣的俯視圖；圖5為圖4中所示的過濾器殼體凸緣的截面圖，其中示出了過濾器構件的位置；圖6為過濾器殼體底緣的平面圖；圖7為圖6中所示底緣的截面圖，其中示出了過濾器構件的位置；圖8為圖1所示過濾器殼體裝置的淤積物排出歧管的仰視圖；圖9為圖1所示過濾器殼體裝置的過濾器構件形成部件；圖10為本發明裝置的修改實施例的側視截面圖；圖11為圖10所示的過濾器殼體裝置的淤積物排放歧管的仰視圖；圖12為圖11所示歧管的截面圖；以及圖13為圖1所示裝置與紫外線處理腔室以及其它用於處理壓載的船上設備一起使用的示意圖。
具體實施例方式參照附圖，根據本發明的裝置10包括用於過濾大流量流動液體的過濾器殼體12、置於殼體中的過濾器構件14 (分別由數字1、I1、III和IV表示)、用於接收液體以及將液體引導到過濾器殼體的入口歧管16、用於從過濾器殼體傳輸過濾之後的液體的出口 18,以及淤積物歧管20，用於從過濾器殼體接收和去除由過濾器構件從本發明裝置所處理的液體中過濾出來的顆料及有機物淤積物。過濾器殼體是一個限定過濾器殼體腔體12b的細長殼體12a，優選地為圓柱形，其具有過濾器殼體凸緣22及底緣24。出口噴嘴26從殼體上靠近底緣的位置向外伸出。多個過濾器構件14利用分別與過濾器殼體凸緣和底緣相適合的構件端部14a和14b被固定在殼體中，所述多個過濾器構件14優選地如圖1-9所示具有四個過濾器構件。
過濾器殼體上裝有限定入口腔室16a的入口歧管16，所述入口腔體16a固定到過濾器殼體凸緣22。入口歧管包括入口管16b和注入上翼緣26,注入管28通過注入上翼緣26以將化學製品注入正在處理的液體中。上翼緣26 (圖2和圖3)是具有穿過其中的注入管開口 28a的圓板。過濾器殼體凸緣22如圖4和圖5所示，其包括具有四個帶有斜面的開口 22a的圓板，所述開口 22a用於接收和支撐過濾器構件的入口端部14a。凸緣的外圍22b使用通過鑽孔的螺釘22c固定至過濾器殼體和入口腔室。類似地，底緣24 (圖6和圖7)為具有多個開口 24a以及一系列外圍鑽孔24b的圓板，所述開口 24a用於接收過濾器構件的出口端部14b，所述外圍鑽孔24b用於將凸緣擰到過濾器殼體上。如圖1、7和8所示，具有一體成型歧管凸緣21的淤積物排放歧管20使用底緣24固定到過濾器殼體上。淤積物排放歧管包括一組導管20a_d，其中一個導管從每個過濾器構件141-1V的底端延伸到排放歧管容器30，在每個導管中具有反衝洗閥32a-d。淤積物歧管凸緣21通過底緣24固定到過濾器殼體(圖1和圖7)。在圖1-9的實施例中，過濾器殼體配置有四個過濾器構件，所述過濾器構件由過濾器殼體凸緣22和底緣24在其端部14a和14b進行支持。根據過濾器的直徑，過濾器殼體可以配置有任何數量的過濾器構件，並且可以對過濾器的長度進行選擇以便使得過濾器適於可用的安裝空間。並且過濾器殼體可以定向在水平到垂直的任何位置上。每個過濾器構件(圖1、5和9)為楔形金屬絲過濾器，其由三個部件組成:上支撐件14a、濾網14c以及底端環14b。上支撐件焊接到濾網並且加工為適合過濾器殼體凸緣22的斜面開口 22a。上支撐件還具有邊緣14d (圖5)，所述邊緣14d置於凸緣22的上面以便承受過濾器的載重，所述上支撐件還具有用於進入過濾器內部腔室Hf的開口 He。每個過濾器構件的上支撐件的開口 14e配置有翼片32，所述翼片32將液體流動設定為過濾器構件內部的螺旋運動。另外，翼片34 (圖5)可放置在過濾器構件腔室14f中以便在構件內部獲得瑞流。如下面將要詳細描述的，在過濾器構件的反衝洗期間，翼片32和34對於流入構件的水造成的螺旋運動對過濾器的內表面進行清洗，從而提高了反衝洗操作的效率。濾網14c自身由具有50微米縫隙的楔形金屬絲製成，其具有內部支撐件來加強濾網以便承受最少8巴的破壞壓力。應當理解，濾網可以具有其它的過濾等級。底端環14b被焊接到濾網上，其外部直徑稍小於濾網，並且適於進入設置在底緣24中的鑽孔(24a)(圖7)。所述分離和過濾裝置被特別設計用於例如壓載水處理、冷卻水、養魚場、便攜水以及工業用水的大流量系統中，用於從液體中去除懸浮顆粒以及有機物。液體流經入口噴嘴，進入入口腔體，並流入由進入開口翼片造成的螺旋運動中的過濾器構件，從而進入裝置。液體在過濾器構件中通過縫隙流入過濾器殼體腔室。與過濾級別(filtration grade)相比較大的顆粒和有機物在過濾器構件的內表面上被阻擋。過濾後的水從出口噴嘴26排出。收集在過濾器構件內表面上的顆粒和有機物會逐漸地阻塞過濾器，所以過濾器必須通過反衝洗操作進行清洗。每個過濾器構件的反衝洗可以在一個設定的時間之後由過濾器入口或出口上存在的不同壓力啟動。根據本發明，同一時間僅有一個過濾器構件進行反衝洗，從而裝置能夠繼續將過濾後的水通過其它的過濾器構件進行傳輸。當過濾器構件IV (圖1和圖8)的反衝洗閥32b打開時，過濾器構件內的水流入淤積物排放歧管30。過濾器構件內的壓力得以減小，並且有來自過濾器殼體腔室12b的已經過濾了的水通過過濾器構件發生反向的自由回流。當反衝洗閥32b打開時，過濾器殼體腔體內的壓力大於過濾器構件IV內的壓力，從而來自剩餘操作構件1-1II中的過濾了的水反向流動(反衝洗)進過濾器構件IV中。楔入或夾在過濾器構件IV的過濾器縫隙中的顆粒被反衝洗到過濾器中。由於壓力得以減小，所以通過過濾器構件回流的液體的速度增加了，從而能夠清洗過濾器構件的內表面。同時，事先過濾的水或來自入口腔體16a的未經過濾的水流入過濾器構件，所述水在入口翼片32的作用下發生螺旋運動，從而提高過濾器構件的內表面的清洗效果。在反衝洗期間，將水提供到裝置中的水泵P (圖13)正常工作。從裝置中排放過濾後的水減少了進入淤積物歧管的量。反衝洗的時間由控制器設定並且可以根據水中的灰塵量進行調節。如果過濾器構件在所設定的時間之前發生阻塞，則壓差開關啟動反衝洗操作。在對過濾器構件IV進行了反衝洗操作之後，反衝洗閥32b關閉，閥門32c打開以便清洗過濾器構件II。在已經衝洗完所有過濾器構件之後，過濾器裝置重新回到正常的操作模式。來自各個過濾器構件的沉澱水通過各個歧管導管20a-d流入收集容器30。收集容器連接到船上的外側排放管，在陸地應用中則連接至淤積物處理設備。在船上安裝中，當裝置被安裝到船的水位以下時，在淤積物排放管中存在一個等於船隻的負荷物重量的反向壓力。控制閥(未示出)安裝在淤積物排放管上，所述控制閥在過濾器系統中自動保持一個大於反向壓力的內壓。控制閥將對清洗液體和淤積物之間的水平衡進行調節，並且保持排放淤積物所需的系統壓力，而不需要使用淤積物排放泵。通過上翼緣26 (圖1-3)的注入管28提供了空氣輔助反衝洗，一個注入管用於一個過濾器構件。在反衝洗其間，空氣改善了反衝洗，特別是在水非常髒的情況下更是如此。空氣注入有利於水發生湍流，並且為更好地清洗過濾器構件提高了效率。使用了 7巴的船隻壓縮空氣。注入管還可以用於氮、臭氧、過氧化氫等的壓載水應用中。對於便攜水或廢水而言，可以添加氯。根據所選擇的噴嘴，位於注入管末端以及過濾器構件入口處的注入噴嘴(未示出)將氣體擴散到微小的氣泡中或者將液體和氣體均勻地混合到水中。有兩條通過裝置的液體路徑，第一過濾液體路徑和第二或反衝洗液體路徑，所述路徑由反衝洗閥32a_d的關閉位置和打開位置確定。當所有的反衝洗閥門關閉時，過濾液體路徑建立。在入口管16b處進入裝置的液體通過入口腔體16a及其頂端開口 14e (圖5)進入每個過濾器構件，填充過濾器構件的內部及其淤積物歧管導管20a_d直至反衝洗閥32a_d。過濾器構件中的液壓大於過濾器殼體腔室外中的液壓，從而液體繼續沿著第一路徑通過濾網流入過濾器殼體腔室並且通過出口噴嘴26流出。當一個反衝洗閥(例如32b)打開並且過濾器構件IV中的壓力低於過濾器殼體腔室中的壓力時，第二液體路徑建立。來自入口腔室16a的水流入過濾器構件開口 14d，並通過過濾器構件的內部流入淤積物歧管導管20b，並繼續流入淤積物歧管。同時，通過經由濾網回流到過濾器構件的內部，過濾器殼體腔體中已過濾的液體加入第二液體路徑，並繼續進入淤積物歧管導管20b並進入淤積物歧管。包括已過濾的水、未過濾的水以及有機物和顆料的淤積物繼續從淤積物歧管沿第二液體路徑流到船外排放管道或者在陸地應用中流到其它處理點。本發明的裝置40的經修改的實施例在圖10-13中進行了描述，其包括過濾器殼體42、置於殼體中的過濾器構件14、用於接收液體並將液體引導到過濾器殼體的入口歧管44、用於從過濾器殼體傳送已過濾液體的出口 46，以及用於對來自過濾器殼體的顆粒和有機物淤積物進行接收和排放的淤積物歧管48，所述淤積物由過濾器構件從所述裝置處理的液體中經過濾得到。過濾器殼體是限定殼體腔室的細長殼體，優選地為圓柱形，並且配置有過濾器殼體凸緣50和底緣52。出口噴嘴46從殼體上靠近底緣的位置伸出。多個過濾器構件14使用構件端部14a和14b固定在殼體中，所述構件端部14a和14b分別適合於裝到過濾器殼體凸緣和底緣中。過濾器殼體上裝有固定至過濾器殼體凸緣的入口腔室44。入口腔室包括入口管44a以及注入上翼緣54，注入管56通過注入上翼緣54。過濾器殼體凸緣50、底緣52和注入上翼緣54與圖4_7中所示的相應部件的設計相類似。如圖10-12所示，淤積物排放歧管56通過底緣固定到過濾器殼體上。淤積物排放歧管56包括多分割為多個間隔56a-d的容器，典型地，所述容器被分割為4個間隔，每個間隔具有通過底緣的過濾器構件進入開口以及帶有反衝洗閥的出口管58a-d，所述出口管58a-d從每個間隔的底部延伸至淤積物排放容器。出口管通過凸緣57 (圖10、11)連接到歧管56的下側。為方便說明，圖10中所示的反衝洗閥60和用於導管58c的淤積物容器48也適用於對於58a、58b和58d的說明。淤積物歧管容器的每個間隔從多個過濾器構件接收反衝洗排放。在圖10中，顯示了通過底緣連接到歧管容器的間隔56a的三個過濾器構件。在這種方案中，在能夠運用單個控制閥58a的操作進行多個過濾器構件的反衝洗的同時，避免了不適當的管道安排複雜度。如圖11和圖12所示，多個過濾器構件將水排放到單個間隔中，單個導管和閥將每個間隔連接到淤積物排放容器，如標號48和60所示。導管、閥、淤積物排放容器以及過濾器構件與圖1-9中的實施例相同。圖13示出了根據本發明裝置的用於處理壓載水的船上安裝應用的示意圖。大流量、低壓的壓載水泵P將海水以兩種方式中的一種方式提供到過濾器/分離設備。首先，壓載水可以事先通過用於分離和過濾顆粒和有機物的設備D進行了過濾。該設備在我們的國際申請PC / US02/41909中進行了描述並主張權利，其包括圓錐或圓柱形的入口腔室D1，在入口腔室Dl中液體產生循環流動而不生成旋渦，液體加速進入分離和過濾腔室D2，在腔室D2中，液體繞腔室中央縱向放置的過濾器構件發生旋轉，地心弓I力將較大較重的顆粒向分離和過濾腔室的外圍方向分離出來，對於其特定重量較接近於液體的較小顆粒，其當液體通過過濾器構件的壁部滲透到過濾器構件的中央時被過濾並且流出單元的一個縱向出口。經過濾的顆粒和有機物的淤積物通過導管被傳送到船外排放管道L。這樣預先過濾的水然後被引入本發明優選的或經修改的裝置10、40，以便從傳送到船外的帶有過濾的顆粒和有機物的淤積物中進一步及最終分離出顆粒和有機物。
在根據本發明的第二個實施例中，預過濾設備可以旁路於向本發明的過濾器提供未經過濾的水的壓載水泵。然後，經過淨化的水從過濾器10、40流到一個或多個紫外線腔室70，以便阻止水生有害生物的活動，所述水生有害生物包括細菌、微生物以及病原體。最後，過濾了有機物和顆粒以及阻止了有害生物活動的壓載水被引導到壓載容器B中。在操作中，過濾器(圖1和10)接收預先過濾的水或未經過濾的水，以便去除有機物和顆粒。來自船上壓載水泵的大流量低壓水進入入口腔室，直接流入過濾器構件。位於過濾器構件中的翼片造成水的湍流。來自注入管的空氣進一步提高進入過濾器構件的水的湍流。當水通過50微米過濾器構件標準過濾到過濾器腔室以及通過出口過濾到船上的壓載容器時，過濾器構件將有機物和顆粒保持在其內表面上。當有機物和顆粒收集在過濾器內表面上時，過濾器構件的過濾效率逐漸降低。過濾效率的損失造成穿過過濾器構件的壓力的增加，壓力控制器對該損失進行檢測以打開相應的過濾器構件淤積物閥門。當閥門打開時，在過濾器構件中立即會出現壓力降低，從而過濾器殼體腔室中的過濾後的水立即以更大的壓力反衝洗穿過過濾器構件，從而放鬆和移除內表面上的有機物和顆粒。同時，湍流中來自入口腔室的未經過濾的水衝洗過濾器的內表面，從而帶走有機物和顆粒。未經過濾的水的淤積物、未經過濾的水以及有機物和顆粒向前到達淤積物歧管，並排出船外。當過濾器構件內部和過濾器腔室之間的壓力達到平衡時反衝洗完成，從而壓力控制器關閉相應的淤積物閥門。淤積物閥門關閉時，過濾器構件中的壓力增加，水過濾恢復到正常的方式。在優選的操作中，過濾器構件繼而進行反衝洗，從而保證在整個操作期間過濾後的壓載水從系統流出的淨流量。用於裝置的材料對於入口壓頭和過濾器殼體而言為標準管道、對海水處理而言為CuNi90/10，對其它應用而言為AISI316L。也可以使用具有橡皮襯套的碳鋼。注入管、過濾器殼體以及底緣可以由尼龍PLA6製成，所述尼龍PLA6具有足夠的強度、耐磨性和耐化學性，並且重量較輕。歧管凸緣通常與壓載系統採用相同的材料，即，熱浸鍍鋅碳鋼或GRE。濾網由具有50微米縫隙或所需要的其它的過渡等級的楔形金屬絲製成。濾網焊接到上支撐件和下支撐件上，並且具有內部支撐件來加強濾網以便滿足最小8巴的破壞壓力。應當理解，雖然特別地參照船上壓載系統對本發明進行了描述，但是根據本發明的裝置特別地設計來用於包括冷卻水、養魚場、便攜水以及工業用水的大流量系統中。可以對採用本發明原理的設備安排進行各種各樣的改變。前面的實施例用於示例的目的而非旨在對本發明的保護範圍進行限制。本發明的保護範圍由所附的權利要求書進行限定。
權利要求
1.一種用於從大流量流動液體中分離和過濾有機物和顆粒的裝置，包括:限定有過濾器殼體腔室的過濾器殼體；多個細長的過濾器構件，其中每個過濾器構件具有封閉的濾網，所述濾網限定過濾器構件的內部腔室；入口歧管，安裝在過濾器殼體上面並限定入口腔室，所述入口腔室與過濾器構件腔室相連通；注入管，該注入管裝配到所述入口腔室上，從而將空氣注入所述過濾器腔室以便輔助液體湍流流入所述過濾器構件，並且提高所述過濾器構件的清洗效率；出口噴嘴，用於傳送來自所述殼體腔室的過濾後的液體；淤積物排放歧管，其固定至過濾器殼體，並且與過濾器構件的底端和淤積物處理點相連通，用於從過濾器構件接收流動液體；以及置於淤積物歧管中的反衝洗閥，用於控制來自過濾器構件腔室的液體流動，所述裝置限定用於過濾液體的第一流動路徑，所述第一流動路徑從所述入口歧管延伸到所述過濾器構件腔室中，經過濾網進入所述殼體腔室，並且通過所述出口噴嘴，所述裝置限定第二流動路徑，用於未經過濾的液體從所述入口歧管流入過濾器構件的內部以及過濾後的液體從所述過濾器殼體腔室流入過濾器構件的內部，然後經過淤積物排放歧管的容器流到處理點，從而當反衝洗閥關閉時，所述裝置經過所述入口歧管接收的液體通過所述第一流動路徑，而當反衝洗閥打開時，藉助於第二流動路徑上流動的來自所述入口腔室的未經過濾的液體以及來自過濾器殼體腔室的過濾後的液體，所述濾網得到清洗，所述過濾器構件具有用於從所述入口歧管接收液體的進入開口，在所述進入開口中設置有翼片，以便使得液體以湍流的方式流入所述過濾器構件，所述裝置還包括壓力控制閥，用於保持所述裝置中的內部壓力，以便足以克服當所述裝置安裝在船中低於船隻水位線以下的位置上時存在的反向壓力，從而能夠抵抗所述反向壓力將淤積物排出船外，而不需要採用淤積物排放泵。
2.一種用於從大流量流動液體中分離和過濾有機物和顆粒的方法，所述方法包括以下步驟: 建立第一流動路徑，用於液體從入口點流入濾網腔室，所述液體在過濾方向上經過所述濾網，並且經過收集腔室到達過濾後液體的排放點，建立第二流動路徑，用於液體在過濾器清洗方向上從所述收集腔室流到處理點，所述液體從所述入口點經過所述濾網腔室到達處理點， 選擇用於過濾液體的第一流動路徑， 監視所述濾網腔室和所述收集腔室之間的壓力差， 當壓力差達到預定值時選擇液體流動的第二流動路徑，以便利用過濾後的液體和未經過濾的液體清洗過濾器， 在所述處理點排出在過濾後的液體和未經過濾的液體的混合物經過第二流動路徑流動時產生的有機物和顆粒的淤積物， 所述方法還包括步驟:保持第二流動路徑上的內部壓力，從而使液體克服低於船隻水位線以下的位置上時存在的反向壓力，從而能夠抵抗所述反向壓力將淤積物排出船外，而不需要採用淤積物排放泵； 所述方法還包括使流入所述濾網腔室的液體產生湍流的步驟；以及 在所述入口點將空氣注入所述液體，以使流入所述濾網腔室的液體額外產生湍流。
全文摘要
一種用於從流動液體中過濾固體顆粒和有機物以及用於清洗過濾器構件的裝置和方法，所述裝置和方法在清洗過濾器構件時保持來自系統的過濾後液體的正向流動。湍流、紫外線以及系統壓力為所述裝置和方法的各個方面。
文檔編號B01D35/12GK103100251SQ20131000153
公開日2013年5月15日 申請日期2006年5月2日 優先權日2006年5月2日
發明者比吉爾·尼爾森, 哈爾沃·尼爾森 申請人:比吉爾·尼爾森