CC BY
62
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2013 Геология Вып. 2(19)
ГЕОЭКОЛОГИЯ
УДК 628.16
Совершенствование конструкции фильтров с загрузкой из углеродных волокнистых сорбентов (УВС), активированной углеродной ткани (АУТ) и волокнистого ионообменного материала ВИОН
Ю.П.Петров а’ b , А.Б. Котюков а
а Пермский военный институт внутренних войск МВД России, 614108, Пермь, ул. Гремячий лог, 1. E-mail: [email protected] b Пермский государственный национальный исследовательский университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15 (Статья поступила в редакцию 22 января 2013 г.)
Рассмотрены новые спроектированные конструкции фильтров с современными высокоэффективными фильтрующими материалами УВС, АУТ и ВИОН. Данные спроектированные фильтры позволяют решить проблему уменьшения величины потерь напора в материале загрузки и проблему увеличения расхода. Решение указанных проблем позволяет более широко применять современные материалы УВС, АУТ и ВИОН в процессах очистки жидкостей. Предложена конструкция фильтра предварительной очистки, повышающего степень очистки жидкости. Ключевые слова: потери напора, расход, спиралевидная форма, конструкция фильтра.
Одним из наиболее перспективных видов угольных сорбентов, применяемых в настоящее время для очистки воды и воздуха, являются углеродные волокнистые сорбенты (УВС) и активированная углеродная ткань АУТ [1, 2]. Волокнистый ионообменный материал ВИОН представляет новый эффективный вид ионообменных материалов, применяемых для очистки воды от тяжелых металлов и солей жесткости.
Основной областью применения материалов УВС, АУТ и ВИОН является фильтрование жидкостей в системах водоснабжения и водоотведения с целью очистки и удаления веществ.
© Петров Ю.П., Котюков А.Б., 2013
Конструкции фильтров с материалами УВС, АУТ и ВИОН, существующие в настоящее время, отличаются значительной потерей напора (гидравлического сопротивления) в материале загрузки; при этом расход через один фильтр достигает около 8 м3/ч [2]. В фильтрации жидкостей с применением материалов УВС, АУТ и ВИОН нуждаются геологические экспедиции и вахты, медицинские учереждения и водоснабжение воинских частей. В данных областях применения фильтров с указанными материалами выявлены следующие проблемы: необходимость уменьшения
потерь напора (гидравлического сопротивления) в материале загрузки и увеличения расхода.
Для решения указанных проблем нами предложены конструкции фильтров, представленные на рис. 1, 2.
Потери напора зависят от средней скорости в зоне фильтрования и длины зоны фильтрования [3].
Скорость в зоне фильтрования равна
[4]
u=Q/W, м/ч, где Q - расход через загрузку фильтра,
м3/ч;
W - полная площадь, через которую протекает поток фильтруемой жидкости, м2.
В фильтрах, представленных на рис. 1, 2, 3, сокращение потерь напора в зоне фильтрования достигается уменьшением средней скорости в зоне фильтрования за счет увеличения полной площади, через которую протекает поток фильтруемой жидкости. Данные фильтры также позволяют решить проблему увеличения расхода путем увеличения площади W. Отличительной особенностью предложенных конструкций фильтров (рис. 1, 2) является наличие в них отсеков 3, слоев 7 из материала УВС или АУТ, или ВИОН и наличие в них полиэтиленовых водопропускающих жестких перегородок 8; данные отсеки, слои и перегородки имеют специальную изогнутую, спиралевидную в плане, форму, что позволяет увеличить площадь и более рационально использовать внутреннее пространство фильтра. Предложенный в данных конструкциях способ подачи жидкости на очистку - в пространство входного отделения 6 обеспечивает, по сравнению с существующими конструкциями фильтров, более простое и быстрое производство. В зависимости от назначения фильтра (вида удаляемых из очищаемой жидкости загрязнений) в нем могут смежно располагаться слои 7 из материалов ВИОН, УВС или АУТ: например, два слоя 7 из материала ВИОН и два слоя 7 из материала УВС или АУТ по направлению потока. Количество слоев 7 может быть различным.
Фильтр, представленный на рис. 1, в отличие от существующих на сегодняш-
ний день фильтров с загрузкой из материала УВС или АУТ, или ВИОН, позволяет регенерировать отработанный материал загрузки без его извлечения из фильтра благодаря относительно небольшой длине
1 зоны фильтрования (см. рис. 1, г). Для регенерации (при материале загрузки УВС или АУТ) фильтр выключается из работы и в патрубок 1 подается пар или нагретый инертный газ, указанный пар или газ отводится после регенерации материала через патрубок 5. При материале загрузки ВИОН вместо пара или инертного газа подается регенерирующий раствор. Возможно создание конструкции с последовательным отключением на регенерацию каждой секции 3, при этом фильтр не выключается из работы.
Фильтр с отводом загрязнений (рис. 2) имеет те же конструктивные элементы, что и рассмотренный ранее (рис. 1), но при этом обладает специальным отделением отвода жидкости с загрязнениями 12 (рис. 2); отделение отвода жидкости с загрязнениями состоит из отсека поступления загрязнений 14, отсека транспортировки загрязнений 19, основного отводящего канала 15 (рис. 2). Регенерация материала 7 (рис. 2) производится аналогично регенерации в рассмотренном ранее фильтре (рис. 1). После включения в работу остатки извлеченных из пор, но оставшихся в материале загрязнений вымываются потоком и удаляются через отделение отвода жидкости с загрязнениями 12. Во время работы фильтра с помощью отделения отвода жидкости с загрязнениями 12 также происходит постоянное удаление частиц, которые были задержаны материалом загрузки, но вымыты из него, и удаление незадержанных материалом загрузки, неуловленных частиц. Порядок работы отделения отвода жидкости с загрязнениями 12: на металлическую пластину 16 подается напряжение в течение установленного промежутка времени, в течение которого загрязнения по пути 17 переносятся из потока на пластину 16, затем производится отключение электрического тока от источника 20 на установлен-
ное время, в течение которого производится смыв задержанных частиц загрязнений по пути 18 в отсек транспортировки загрязнений 19 и затем в основной отводящий канал отделения отвода жидкости с загрязнениями 15; далее из канала 15 производится отвод жидкости с загрязне-
ниями в патрубок 13, откуда они отводятся на переработку или утилизацию.
Для повышения степени очистки жидкости нами предложено перед рассмотренными фильтрами (рис. 1, 2) применять дополнительный фильтр; разработанная оригинальная конструкция данного фильтра представлена на рис. 3.
А-А
3 3
Рис. 1. Фильтр: а - вид сбоку, б - вид сверху, в - разрез А-А, г - вид А, д - разрез Б-Б; 1 - патрубок подачи очищаемой жидкости, 2 - центральная отводящая труба с продольными щелями, 3 - приемный отсек очищенной воды, 4 - корпус фильтра, 5 - патрубок отвода очищенной жидкости, 6 - входное отделение, 7 - слой из материала УВС или АУТ, или ВИОН, 8 - полиэтиленовая водопропускающая жесткая перегородка, 9 - продольная щель, 10 - прижимная гайка, 11 - фланец
Рис. 2. Фильтр с отводом загрязнений: а - вид сбоку, б - вид сверху, в - разрез А-А, г - узел Б, д - узел В, е - разрез Е-Е, и - разрез Г-Г, к - разрез Д-Д; 1 - патрубок подачи очищаемой жидко -сти, 2 - центральная отводящая труба с продольными щелями, 3 - приемный отсек очищенной воды, 4 - корпус фильтра, 5 - патрубок отвода очищенной жидкости, 6 - входное отделение, 7 - слой из материала УВС или АУТ, или ВИОН, 8 - полиэтиленовая водопропускающая жесткая перегородка, 9 - продольная щель, 10 - прижимная гайка, 11 - фланец, 12 - отделение отвода жидкости с загрязнениями, 13 - патрубок отвода из отделения отвода жидкости с загрязнениями, 14 - отсек поступления загрязнений, 15 - основной отводящий канал отделения отвода жидкости с загрязнениями, 16 - металлическая пластина (с электрически созданным положительным потенциалом), притягивающая частицы загрязнений, 17 - направление движения частиц загрязнений к пластине 16, 18 - направление движения жидкости с загрязнениями от пластины 16 в основной отводящий канал 15, 19 - отсек транспортировки загрязнений, 20 - источник постоянного тока, 21 - электрические провода
Г-Г
2 а
Рис. 3. Фильтр с электрическим полем с отводом загрязнений. а - вид сбоку, б - вид сверху, в -разрез В-В, г - разрез Г-Г, д - разрез Д-Д; узел Б - может быть выполнен в одном из трех вариантов исполнения: вариант 1 - см. рис. 4, вариант 2 - см. рис. 5, вариант 3 - см. рис. 6; 1 -патрубок подачи очищаемой жидкости, 2 - центральная отводящая труба с продольными щелями, 3 - приемный отсек очищенной воды, 4 - корпус фильтра, 5 - патрубок отвода очищенной жидкости, 6 - входное отделение, 9 - продольная щель, 10 - прижимная гайка, 11 -фланец, 12 - отделение отвода жидкости с загрязнениями, 13 - патрубок отвода из отделения отвода жидкости с загрязнениями, 22 - пара контактов, 23 - размыкатель или замыкатель (в зависимости от назначения - см. варианты подключения в тексте), 24 - электроустановка с эл. двигателем, 25 - эл. кабель, 26 - фильтрующий элемент
Рис. 4. Узел Б: 3 - приемный отсек очищенной воды, 7 - вертикальные металлические пластины, 14 - отсек поступления загрязнений, 15 - основной отводящий канал отделения отвода жидкости с загрязнениями. Разрез Е-Е, узел В - см. рис. 2
Рис. 6. Узел Б: 3 - приемный отсек очищенной воды, 7 - сорбирующий волокнистый материал без пор в поверхности, 14 - отсек поступления загрязнений, 15 - основной отводящий канал отделения отвода жидкости с загрязнениями. Разрез Е-Е, узел В - см. рис. 2
Рис. 5. Узел Б: 3 - приемный отсек очищенной воды, 7 - сорбирующий материал без мелких пор - крупная сетка 3х3 мм, 14 - отсек поступления загрязнений, 15 - основной отводящий канал отделения отвода жидкости с загрязнениями. Разрез Е-Е, узел В - см. рис. 2
На верхней поверхности корпуса фильтра (рис. 3, а, б) расположены пять пар контактов 22, каждая пара соединена с одним блоком фильтрации; в каждый блок фильтрации входят: два приемных отсека очищенной воды 3 (рис. 3, 4, 5, 6), отделение отвода жидкости с загрязнениями 12 (рис. 3), фильтрующий элемент 26 (рис. 3). Таким образом, фильтр содержит в себе пять блоков фильтрации. При необходимости число блоков может быть увеличено или уменьшено.
Фильтр с электрическим полем с отводом загрязнений (рис. 3) отличается от ранее рассмотренного фильтра с отводом загрязнений (рис. 2) тем, что в нем вместо слоев 7 (рис. 2) из материала УВС или АУТ или ВИОН и полиэтиленовой водопропускающей жесткой перегородки 8 (рис. 2) применяется (варианты исполнения узла Б (рис. 3)):
- вариант 1: решетка из вертикальных металлических пластин 7 (рис. 4); во время работы на них постоянно подается электрический ток и они притягивают к
себе частицы ржавчины, так как последняя содержит железо, тем самым очищая жидкость от ржавчины; для удаления уловленных загрязнений производится размыкание одной пары контактов 22 (рис. 3), при этом в соответствующем блоке фильтрации происходит отключение электрического тока на пластинах 7, уловленные загрязнения (ржавчина) перестают удерживаться данными пластинами и отводятся через отделение отвода жидкости с загрязнениями 12 (рис. 3);
- вариант 2: сорбирующий материал 7 (рис. 5) без мелких пор - крупная сетка 3х3мм;
- вариант 3: сорбирующий волокнистый материал 7 (рис. 6) без пор в поверхности.
В вариантах 2 и 3: указанные материалы в обычном состоянии (без подачи на них электрического тока) сорбируют на своей поверхности и притягивают на свою поверхность частицы загрязнений, а при подаче на них электрического тока перестают удерживать на себе эти частицы, а в
Библиографический список
1. Ковалев М.П., Котюков А.Б. Экспериментальное определение просветности углеродных волокнистых сорбентов // Строительство и образование: сб. науч. тр. Екатеринбург, 1999. Вып.2. С. 151.
2. Котюков А.Б., Зубов А.В. Сравнение вариантов сорбционной очистки ливневых вод с территории АЗС // Проектирование,
некоторых случаях отталкивают при этом их от себя.
Фильтр, представленный на рис. 3, может при необходимости работать независимо от фильтров, представленных на рис.
2 и 3, т. е. служить отдельным видом очистки жидкости.
В рассмотренных фильтрах могут быть применены материалы УВС, АУТ и ВИОН различных марок, в частности, УВС марки АНМ-3 или КНМ.
Таким образом, разработаны оригинальные конструкции фильтров с загрузкой из новых эффективных материалов УВС, АУТ и ВИОН (рис. 1, 2) и конструкция фильтра дополнительной предварительной очистки (рис. 3), предназначенные для уменьшения потери напора (гидравлического сопротивления) и увеличения расхода. Необходимо более широко применять высокоэффективные материалы УВС, АУТ и ВИОН с целью подготовки питьевой воды для геологических партий в полевых условиях.
строительство и эксплуатация зданий и сооружений: сб. науч. тр. Пермь, 1998. С. 183.
3. Кочина П.Я. Избранные труды: Гидродинамика и теория фильтрации. М.: Наука, 1991. 351 с.
4. Штеренлих, Д.В. Гидравлика: учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1984. 640 с.
Improving the Design of Filters with a Load of Carbon Fiber Sorbents (CFS), Activated Carbon Fabric (ACF) and Fibrous Ion Exchange Material VION
Y.P. Petrovab, A.B. Kotyukova
a Perm Military Institute of the Interior Ministry of Russia, 614108, Perm, Gremyachy log st., 1. E-mail: [email protected] b Perm State National Research University, 614990, Perm, Bukirev st., 15
Some new designs of filters with modern high-efficiency filter media CFS, ACF and VION are presented. These filters are designed to solve the problem of reducing the magnitude of the pressure drop in the material loading and the problem of the flow rate increasing. The solution of these problems allows to use the modern materials CFS, ACF and VION during purification of liquids. The design of a pre-filter, which enhances the degree of cleaning fluid is supposed.
Keywords: loss of pressure, flow, spiral shape, design filter.
Рецензент - кандидат геолого-минералогических наук В.П. Тихонов
