Піщаний фільтр
Піщаний фільтр буде служити попередньою обробкою для видалення будь-яких суспендованих речовин, які можуть спричинити швидке засмічення фільтраційних мембран, що є основною стадією передбачуваного процесу. Фільтруючий носій складається з частинок типу та розміру, які визначаються відповідно до цілі фільтрації.
Рисунок 1 - Схема піщаного фільтра
У міру просування фільтрації затримані частинки призведуть до засмічення шару і, отже, збільшення перепадів тиску та втрати ефективності фільтрації. Після певної втрати заклинання буде потрібно фаза зворотного промивання.
Фаза зворотного промивання полягає в псевдозрідженні піщаного шару шляхом нагнітання води та повітря проти струму. Флюїдизація призводить до розширення фільтруючого середовища і, отже, до відокремлення частинок і збільшення пористості середовища. Дрібні частинки, затримані у фільтруючому середовищі під час фази фільтрації, що мають швидкість осідання (або кінцеву швидкість вільного падіння), нижчу, ніж піщинки, виводяться на поверхню. Промивна вода, завантажена цими зваженими частинками, збирається жолобом, розташованим над піщаним шаром.
Методологія, що використовується для розміру блоку повільної фільтрації піску:
1) Встановіть бажану норму виробництва
2) Обчисліть необхідну поверхню шару відповідно до швидкості фільтрації (або швидкості в порожньому барабані) та бажаної швидкості потоку за наступною формулою:
3) Визначте режим потоку в пористому середовищі з розрахунком числа частинок Рейнольдса:
4) Обчисліть перепади тиску, що утворюються піщаним фільтром, використовуючи метод, що підходить для режиму потоку. Відношення Ергуна дозволяє розрахувати падіння тиску незалежно від режиму потоку:
Методологія, що використовується для визначення умов зворотного промивання:
1) Визначте швидкість осідання фільтруючого середовища. Це можна обчислити за спрощеним співвідношенням Гайдера та Левеншпіля, що діє в ламінарних та турбулентних умовах:
2) Визначте потік води та промивного повітря, знаючи, що швидкість руху води повинна дорівнювати приблизно 10% від швидкості осідання фільтруючого середовища (Hubert Cabana, 2013):
3) Визначте перепад тиску, що створюється фільтруючим середовищем. Це дорівнює масі середовища, присутніх у ліжку:
$$ \ Delta P = L * g * (1- \ epsilon _) * (\ rho_p- \ rho_f) $$
4) Встановіть тривалість та частоту фаз зворотного промивання відповідно до якості води, що підлягає очищенню
5) Визначте об’єм води, необхідний для фази зворотного промивання:
Методика, яка використовується для калібрування насосів:
Тут розроблена методологія.
Спрощена схема процесу фільтрації піщаного шару:
Рисунок 1 - Спрощена схема етапу повільної фільтрації піску
Характеристики фільтруючого середовища та умови експлуатації:
Обраний фільтруючий середовище складається із сферичних зерен піску з однорідним розміром частинок.
| Середній діаметр частинок піску (дп) | 1 мм |
| Щільність піску ($ \ rho $) | 2610 кг/м 3 |
| Форм-фактор частинок піску ($ \ phi $) | 1 |
| Початкова пористість шару ($ \ epsilon $) | 0,4 |
| Швидкість фільтрації (U) | 10 м/год |
| Норма виробництва (Q) | 35 м 3/год |
На додаток до цього, ви повинні знати більше про це. Розміри піщаного фільтра та умови експлуатації:
Бажана швидкість видобутку становить 35 м 3/год, а швидкість фільтрації встановлена на рівні 10 м/год. Отже, необхідна поверхня ложа становить 3,5 м 2. Передбачено три блоки фільтрації піску, схематично показані нижче (рис. 2). Тому кожен повинен виробляти 12 м 3/год і мати фільтруючу поверхню 1,2 м 2, тобто діаметр 1,24 м, враховуючи круглий переріз.
Рисунок 2 - Розміри піщаного фільтра
Відповідно до співвідношення Ергуна та за встановлених робочих умов, перепад тиску в піщаному фільтрі оцінюється в 0,036 бар на метр глибини шару фільтра. Знаючи, що тиск в 1 бар відповідає силі, що діє на водяний стовп 10 метрів, вони будуть компенсовані висотою води над піщаним шаром 36 см.
Однак цей перепад тиску з часом не є постійним. Він збільшується із засміченням частинок суспензії, що утримуються у фільтруючому середовищі. У першому наближенні ми оцінюємо, що засмічення призводить до зменшення пористості фільтруючого середовища і що відповідно до співвідношення Ергуна падіння тиску в фільтруючому середовищі збільшується, коли пористість зменшується. Графік нижче представляє це наближення (Рисунок 3):
Рисунок 3 - Варіація перепаду тиску в шарі як функція пористості
Вважатиметься, що від певного перепаду тиску почнеться фаза зворотного промивання піщаного фільтра. Цикл можна автоматизувати, встановивши датчик рівня в піщаному фільтрі. Промивання почнеться, коли висота води над піщаним фільтром досягне 0,8 метра. Це значення встановлюється заданим значенням.
Розмір фази зворотного промивання:
Промивання здійснюватиметься шляхом послідовного впорскування повітря та води проти струму у фільтруючий шар. Фізико-хімічні характеристики цих рідин, необхідні для калібрування цього етапу, представлені в таблиці 2.
| густина води при 5 ° C ($ \ rho_f $) | 1000,2 кг/м 3 |
| щільність сухого повітря при 5 ° C ($ \ rho_f $) | 1,27 кг/м 3 |
| в'язкість води при 5 ° C ($ \ mu_f $) | 1,48,10 -3 Па. С |
| в'язкість сухого повітря при 5 ° C ($ \ mu_f $) | 1,85,10 -5 Па. С |
- Швидкість осідання фільтруючого середовища:
Відповідно до спрощеного співвідношення Хайдера та Левеншпіля, швидкість осідання фільтруючого середовища у воді та повітрі становить:
$$ U_t (повітря) = 1380 м/хв $$
- Потік води та промивного повітря:
Потік води та промивного повітря, необхідні для зворотного промивання, є такими:
$$ Q (вода) = 1,21 м ^ 3/хв $$, тобто 73 м 3/год
$$ Q (повітря) = 167 м ^ 3/хв $$ або 10 020 м 3/год
- Перепад тиску, створюваний фільтруючим середовищем:
Передбачається, що фаза зворотного промивання починається тоді, коли перепад тиску в фільтруючому середовищі спричиняє висоту води 0,8 м над піщаним шаром. Відповідно до фігури 3, цей перепад тиску досягається, коли пористість дорівнює 0,33.
Падіння тиску проти струму в піщаному шарі дорівнює масі фільтруючого середовища, тобто 10582 Па, або приблизно 10 метрів води.
- Тривалість і частота фаз зворотного промивання:
Тривалість фази зворотного промивання встановлюється на 10 хвилин з першим введенням повітря протягом 4 хвилин, а потім введенням води на 6 хвилин. Передбачається, що зворотного промивання кожні 2 дні достатньо для підтримки розумного перепаду тиску в піщаному фільтрі. Лабораторні випробування дали б змогу точніше визначити ці параметри відповідно до засмічувальної здатності сирої води.
- Необхідні обсяги води та повітря:
Обсяги води та повітря, необхідні для фази зворотного промивання:
Виходячи з 3 зворотних промивань на тиждень, об’єм використаної води становить 24 м 3 на піщаний фільтр, або 72 м 3 для 3 одиниць. Знаючи, що виробництво питної води становить 5880 м 3 на тиждень, необхідний об’єм промивної води становить 1,3% від виробництва. Промивна вода береться з резервуара для фільтрованої води, розташованого безпосередньо за течією піщаних фільтрів. Потім він потрапляє в природне середовище.
Розміри насосів:
Блок повільної фільтрації піску складається з двох відцентрових насосів, одного для подачі (P1, Рисунок 3), іншого для фази зворотного промивання (P2, Рисунок 4).
- Живильний насос:
Вода, що надходить на завод, надходить із першого резервуара R0, заповненого гірським водосховищем. Відцентровий насос P1 подає 3 піщані фільтри зі швидкістю потоку 35 м 3/год та при атмосферному тиску. Можна уявити, що цей насос може піддавати тиск воді, якщо потрібна швидка фільтрація. Потім вода просочується через піщаний шар, потім подається у другий резервуар R1.
Рисунок 4 - Схема та розміри мережі подачі піщаного фільтра
Діаметр труб 0,111 метра з шорсткістю 0,015 мм, швидкість води в них 1 м/с.
($ \ Delta H = 2 * 0,009 м)
Застосовуючи теорему Бернуїллі між точками А і В, визначається, що тиск у точці А (вихід на насосі) повинен становити 1,04 бар, що показує, що падіння тиску незначні.
Відповідно до характеристик мережі живлення (табл. 3), насос Р1 буде обраний для задоволення наступних умов (табл. 4):
| Насос Р1 | |
| Хм | 2,4 м |
| Доступний | 10,2 м |
| Путильний | 0,3 кВт |
- Насос зворотної промивки:
На додаток до цього, ви повинні знати більше про це.Датчик рівня визначає висоту води над піщаним фільтром. Коли це досягає 0,8 метрів, насос P1 зупиняється і починається фаза зворотного промивання.
Таким чином, відцентровий насос P2 використовується для відведення відфільтрованої води з резервуара R1 проти струму через піщаний фільтр.
Рисунок 5 - Схема та розміри мережі зворотного промивання піщаного фільтра
- піщане ліжко
Застосовуючи теорему Бернуїллі між точками A і B, визначається, що тиск у точці A (на виході з насоса) повинен бути 2,31 бар, щоб подолати перепади тиску, що створюються головним чином вагою піщаного шару.
Відповідно до характеристик мережі живлення (табл. 5), насос Р2 буде обраний, щоб відповідати наступним умовам (табл. 6):