Модульная фильтровальная система - RU2190460C2

Чертежи

Описание

Во всем мире существует большая потребность в очищенных жидкостях, причем одной из наиболее важных с коммерческой точки зрения потребностей является получение пресной воды из соленой или солоноватой воды. Помимо применения технологии дистилляции такая потребность обычно удовлетворяется фильтрованием. Существует большое количество видов фильтрования, включая обратный осмос, сверхтонкую фильтрацию и гиперфильтрацию, причем все подобные технологии рассматриваются в настоящем описании под общим термином <фильтрование>.

Большинство фильтровальных устройств состоят из емкости, содержащей фильтр, и трех проточных каналов, сообщающихся с внешней средой. По одному проточному каналу перемещается исходная жидкость, по другому - отфильтрованная жидкость (то есть продукт), а по третьему - отходы, которые иногда называют сбросной жидкостью. В случае применения устройств обратного осмоса для очистки солоноватой воды эта вода является исходной жидкостью, отфильтрованной жидкостью является опресненная (пресная) вода, а сбросной жидкостью является соленая вода.

Фильтровальные установки в целом содержат несколько раздельно выполненных фильтровальных устройств, расположенных на уровне грунта или вблизи него. Исходная, очищенная и сбросная жидкости перемещаются соответственно по трем отдельным трубопроводам, а каждое фильтровальное устройство проточно присоединено к каждому трубопроводу посредством гибкой или какой-либо иной линии. В таких вариантах выполнения вся система состоит из модулей, причем эти модули содержат различные фильтровальные устройства. Различные модули механически расположены в целом параллельно, и различные мембраны расположены гидравлически параллельно. Такое расположение имеет много преимуществ, не последним из которых является возможность отсоединения от системы отдельных модулей для их обслуживания, тогда как остальные модули системы остаются незатронутыми.

В патенте США 4125463, выданном на имя Chenoweth, принят такой же подход, но за исключением того, что различные модули обратного осмоса (называемые фильтрационными устройствами) расположены по пять штук вокруг общего стояка. Такое выполнение обеспечивает возможность удобной установки сотен модулей внутри одной обсадной трубы скважины. Тем не менее в этом патенте отсутствует какое-либо указание или предположение, касающееся какого-либо вида сверхмодуля, который мог бы содержать комплекты из пяти модулей обратного осмоса и который мог бы быть установлен последовательно.

В других описаниях предлагается создание глубоководного сооружения для размещения фильтровальных модулей. Кроме того, предполагается, что физически модули расположены в целом параллельно, тогда как и фильтры гидравлически расположены параллельно.

Тем не менее известные схемы расположения модулей имеют определенные ограничения. Параллельное расположение модулей требует наличия значительного пространства, а размещение их на поверхности земли в коммерческих вариантах выполнения часто требует сравнительно большой зоны обслуживания. Концепция с применением глубокой скважины, предложенная в патенте США 4125463, позволяет относительно рационально использовать пространство, однако она непрактична из-за необходимости в большом количестве взаимных соединений.

В настоящем изобретении предложена модульная фильтровальная система, содержащая:
проточный канал для исходной жидкости, проточный канал для сбросной жидкости и проточный канал для продукта,
технологические модули, каждый из которых содержит фильтр, разделяющий первую жидкость в проточном канале для исходной жидкости на вторую жидкость в проточном канале для сбросной жидкости и третью жидкость в проточном канале для продукта, и которые расположены во внешнем кожухе, в котором смежные технологические модули механически соединены последовательно, а гидравлически соединены параллельно по отношению по меньшей мере к одному из проточных каналов, для сбросной жидкости или для продукта,
причем проточный канал для исходной жидкости, проточный канал для сбросной жидкости и проточный канал для продукта по существу параллельны друг другу по длине каждого технологического модуля.

Согласно одному варианту осуществления изобретения каждый технологический модуль содержит участок каждого из проточных каналов, для исходной жидкости, для сбросной жидкости и для продукта.

Согласно другому варианту осуществления изобретения каждый технологический модуль содержит по участку по меньшей мере двух проточных каналов, для исходной жидкости, для сбросной жидкости или для продукта.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения каждый технологический модуль содержит участок по меньшей мере одного проточного канала, для исходной жидкости, для сбросной жидкости или для продукта.

Указанные модули могут быть по меньшей мере частично расположены над уровнем грунта.

Указанные модули по меньшей мере частично расположены ниже уровня грунта.

Предпочтительно, чтобы фильтры были выполнены в виде обратноосмотических мембран.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения система дополнительно содержит насос, создающий давление в проточном канале для исходной жидкости.

Согласно другому варианту осуществления изобретения система дополнительно содержит рабочий обменный узел, создающий давление в проточном канале для исходной жидкости.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения система дополнительно содержит столб жидкости, создающий давление в проточном канале для исходной жидкости.

Среди многих различных рассматриваемых возможных вариантов каждый технологический модуль может преимущественно содержать не только фильтр, но и все три проточных канала, так что ряд соединенных модулей может быть установлен и удален в виде единого блока, а также к нему может быть обеспечен доступ как к единому блоку. Предполагается также, что соединенные модули могут быть размещены с рациональным использованием пространства, например путем ввода в глубокую или неглубокую скважину, в колонну, вдоль поверхности грунта, в склон холма или горы или даже под дорожное полотно или автостоянку. Кроме того, предполагается, что смежные технологические модули могут быть выполнены с возможностью соединения друг с другом с применением телескопического соединения, а также они могут удерживаться в соединенном положении путем присоединения к несущим тросам или штангам.

Различные цели, особенности и преимущества настоящего изобретения станут более очевидны из представленного ниже подробного описания предпочтительных вариантов выполнения в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых подобными номерами позиций обозначены аналогичные составные части.

Фиг. 1 изображает схематичный покомпонентный вид предлагаемой фильтровальной системы.

Фиг. 2 изображает схематичный вид предпочтительного варианта выполнения предлагаемой фильтровальной системы, расположенной в скважине.

Фиг. 3 изображает вид в аксонометрии с местным вырезом коллектора предлагаемого технологического модуля.

Фиг. 4 изображает схематичный вид предпочтительного варианта выполнения предлагаемой фильтровальной системы, расположенной на поверхности земли.

На фиг. 1 фильтровальная система 5 в целом содержит несколько технологических модулей 10, состыкованных друг с другом. Каждый модуль 10 содержит три линии: линию 12А подачи исходной жидкости, линию 12В для сбросной жидкости и линию 12С для продукта. Различные линии проточно присоединены к фильтрам 14 через ответвления соответственно 16А, 16В и 16С. В целом исходная жидкость течет по линиям 12А и 16А к фильтру 14, который разделяет потоки сбросной жидкости и продукта. Сбросная жидкость течет по линии 16В в линию 12В, тогда как продукт течет по линии 16С в линию 12С. Линии 12А, 12В и 12С от модуля к модулю соединены так, что жидкость каждого вида последовательно протекает через все модули.

Изображенная на фиг.2 система 105 содержит другие модули и соединения, пригодные для применения в предпочтительном варианте выполнения. В этом варианте исходная вода 120А, например соленая или солоноватая вода, всасывается насосом 133 вверх по подводящей линии 131 в технологическую установку обратного осмоса, расположенную в скважине. Исходная вода 120А затем течет по проточному каналу 134А вниз к фильтру 150 в модуле 110, отделяющему полученную пресную воду 120С от сбросной воды 120В. Вода 120С под действием насоса 135 течет вверх по проточному каналу 134С к резервуару 140. Вода 120В течет вверх по проточному каналу 134В для сбросной жидкости и сливается из системы 105 через линию 151. Таким образом, различные модули 110 механически соединены последовательно, тогда как проточные фильтры 150 соединены параллельно относительно проточных каналов 134А, 134В И 134С.

На фиг.2 также показаны головное сооружение 111 и переходный модуль 160, который является переходным звеном между насосом или технологическими модулями и поверхностью грунта. Кроме того, предполагается, что смежные технологические модули 110 могут быть выполнены с возможностью соединения друг с другом с применением телескопического соединения (не показано), а также они могут удерживаться в соединенном положении путем присоединения к несущим тросам или штангам.

На фиг.3 изображен коллектор 210, который может быть расположен на одном конце технологического модуля для соединения двух смежных модулей и для сопряжения различных проточных каналов. Помимо прочего коллектор 210 ограничивает несколько каналов 216, по которым исходная жидкость до ее поступления на фильтр (не показан) проходит (по стрелке 206) от зоны 134А подвода исходной жидкости (см. фиг.2) к внутренней проточной зоне 200. Различные каналы 216 выполнены внутри ребер 217, которые также служат для поддержания трубы 260, ограничивающей проточный канал для продукта. Понятно, что сбросная жидкость, минующая фильтр (фильтры) в модуле 210, протекает в направлении стрелки 208 далее по каналу 134С (см. фиг.2).

На фиг. 4 изображен вариант выполнения в виде расположенной на поверхности земли системы 305, в которой исходная вода 320А всасывается насосом 333 по подводящей линии 331 вверх в предварительный фильтр 335 и в рабочий обменный насос 336. Исходная вода 320А затем проходит по подводящей линии 331В и по проточному каналу 334А для исходной жидкости к двум технологическим блокам 310. Оказавшись внутри блоков 310, некоторое количество исходной жидкости 320А проходит через фильтры 314 с получением продукта 320С, который собирается в проточном канале 334С для продукта. Продукт 320С затем стекает под действием силы тяжести в резервуар 340. Жидкость, не прошедшая через фильтры 314, становится сбросной жидкостью 320В, которая перемещается по проточному каналу 334В и удаляется из системы. Таким образом, в данном варианте выполнения, как и в варианте выполнения, изображенном на фиг.2, участки одного из проточных каналов (в данном случае проточного канала 334А) расположены между модулями 310 и наружным кожухом 390. Разумеется, также предполагаются и другие варианты выполнения, в которых участки одного или более различных проточных каналов содержатся в модулях 310.

Предполагается, что изображенная на фиг.4 система предпочтительно содержит приблизительно от двух до пятидесяти или более технологических модулей 310, длина каждого из которых предпочтительно составляет приблизительно от 3 м (10 футов) до 6 м (20 футов). Наружный кожух предпочтительно имеет диаметр, равный приблизительно 0,76 м (30 дюймов), но он может иметь также диаметр как большей, так и меньшей величины, а его поперечное сечение может иметь форму, отличную от круглой. Предполагается, что такая система, созданная на основе существующих фильтров, может производить в день приблизительно 7570 м3 (2 миллиона галлонов) пресной воды или другой жидкости-продукта.

Дополнительные детали предпочтительных вариантов выполнения предлагаемой системы, применимые в настоящем изобретении, описаны в Международной патентной публикации WO 98/09718, которая полностью включена в настоящее описание. Такие детали относятся к предпочтительным типам насосов, предпочтительным размерам модулей, к предпочтительной ориентации и расположению системы, предпочтительным фильтрам и т.д. В особенности рассмотрены варианты выполнения, в которых давление, необходимое для работы фильтров, по существу создается насосом или столбом жидкости. Для этого предпочтительными являются поршневые насосы, в особенности там, где такие насосы входят в рабочие обменные узлы. Столбы исходной жидкости также являются предпочтительными, в особенности там, где такой столб имеет глубину, составляющую по меньшей мере 61 м (200 футов), более предпочтительно по меньшей мере 152,5 м (500 футов), еще более предпочтительно по меньшей мере 305 м (1000 футов) и еще более предпочтительно 457 м (1500 футов).

Разумеется, существует множество других модификаций, которые могут быть выполнены в пределах основной концепции изобретения, приведенной в настоящем описании. Например, на фиг.1 все три изображенных линии 12А, 12В и 12С расположены полностью внутри технологических модулей 10. Тем не менее в других вариантах выполнения любая из них либо две любые линии или все три линии могут быть расположены вне модулей 10. Такой вариант изображен на фиг.2, где исходная жидкость 120А протекает по каналу 134А снаружи модулей 110, то есть между модулями 110 и обсадной трубой скважины. В других вариантах выполнения предлагаемые фильтровальные системы могут иметь разнообразные конструкции и расположение. Например, системы могут быть выполнены в виде одной длинной трубы, в виде скопления коротких труб или даже по кривой или по окружности. Системы могут быть расположены также на поверхности грунта, под ней, частично на поверхности грунта и частично под ней, вертикально, горизонтально, а также под любым углом.

Понятно, что исходная жидкость, сбросная жидкость и жидкость-продукт в каждой системе могут быть разными, и их следует рассматривать в самом широком смысле. Например, исходная жидкость может быть загрязнена только весьма небольшим количеством поваренной соли или сильно загрязнена всеми видами органических, неорганических, растворенных или содержащихся в ней в виде взвеси твердых веществ. Аналогично, сбросная жидкость в опреснительной системе может быть не полностью бесполезна, а может подаваться в дополнительную фильтровальную систему, в которой используется более высокое давление. Кроме того, при фильтровании жидкостей для диетического питания, таких как апельсиновый сок, сбросная жидкость может иметь существенное коммерческое значение в качестве корма для животных или удобрения. Может отсутствовать необходимость в особой чистоте жидкости-продукта вдоль одной линии. Чистота является относительной, и поэтому могут найти применение такие системы, которые производят воду или другие жидкости, в целом не пригодные для питья.

Таким образом, выше описаны модульные фильтровальные системы, в которых модули механически соединены последовательно, тогда как фильтры соединены гидравлически параллельно. Хотя показаны и описаны конкретные варианты выполнения и их применение, специалистам понятно, что в пределах сущности изобретения возможны его многочисленные модификации. Таким образом, настоящее изобретение ограничено только сущностью приложенной формулы изобретения.

Реферат

Фильтровальная система включает технологические модули (305), механически соединенные последовательно и содержащие фильтры, гидравлически соединенные параллельно. Среди многих различных рассматриваемых возможных вариантов каждый технологический модуль может преимущественно содержать не только фильтр (314), но и проточные каналы (334А, 334В, 334С) соответственно для исходной жидкости, для сбросной жидкости и для продукта, так что ряд соединенных модулей может быть установлен и удален в виде единого блока, а также к нему может быть обеспечен доступ как к единому блоку. Предполагается также, что соединенные модули могут быть размещены с рациональным использованием пространства, например путем ввода в глубокую или неглубокую скважину, в колонну, вдоль поверхности грунта, в склон холма или горы или даже под дорожное полотно или автостоянку. Кроме того, предполагается, что смежные технологические модули могут быть выполнены с возможностью соединения друг с другом с применением телескопического соединения, а также они могут удерживаться в соединенном положении путем присоединения к несущим тросам или штангам. Технический результат - фильтрование как процесс получения очищенных жидкостей при рациональном использовании пространства. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула