自动过滤系统及工艺的制作方法

本发明属于过滤与分离领域，特别涉及一种多功能自动过滤系统及工艺，能够进行高效的过滤工艺优化，实现最佳工业化效果。

技术背景

液体过滤技术与装备在现代工业中的应用日益增加，例如催化剂回收、药液澄清、饮料除杂、废液处理和水资源循环利用等，人们在过滤材料、设备与操作工艺方面都在不断探索并取得了长足进步。近年来，膜材料在过滤工业得到了广泛应用，其中有机膜价格低廉而应用最广，但也存在稳定性差、强度低等缺点；陶瓷膜过滤精度高但属脆性材料，成本高、难以高温密封；金属膜主要是不锈钢材质，强度高、稳定性好、易安装，尤其适用于苛刻工况，但成本偏高，过滤精度一般低于有机和陶瓷膜。

工业过滤方式主要有死端和错流两种，后者凭借料液在滤材表面高速流动产生的剪切力，能够不断冲刷滤材表面的污染物和滤饼，降低了过滤阻力，因此能够实现更长时间的连续运行。与错流过滤不同，死端过滤没有料液的高速回流及滤材表面的冲刷。在运行过程中，滤材表面滤饼越积越厚，过滤阻力逐渐变大，渗透通量逐渐降低，一般通过在线反洗和排渣使滤材恢复渗透性。

对于特定的过滤体系，工程技术的成败主要取决于过滤设备、滤材和操作工艺，任何一个环节出了问题都可能会严重影响整个工程。例如，即便过滤效果达标，但如果投资过大、运行成本高、能耗高、生产效率低则一样难以实现工业化。因此，在过滤工程实施之前和实施过程中，对过滤设备、材料和操作工艺的充分试验和优化极其重要，只有最佳的过滤工况(过滤器、泵阀配件、过滤模式、过滤压力、过滤温度、反洗介质、反洗压力、反洗时间、驱动方式，等等)才能带来最好的工程综合效益。但是，最佳工艺的获得通常并非易事。实际上，过滤试验研究几乎是过滤工程技术人员的日常工作，相关研究报道也层出不穷。例如，专利201410069640.8公开了一种“高效固液分离设备”，废水通过循环水泵以错流方式泵入“膜滤管”组件，料液在储水罐不断地浓缩，最后浓缩的料液用气动隔膜泵打入污泥浓缩池或压滤机。程雁等[程雁，何策，高智强，李东升.液体过滤技术在油田污水处理中的试验研究.石油机械，2015，43(12)：95-99.]设计了一种小型过滤机来脱除油田污水中的污油和悬浮物。专利200710068654.8公布了“一种固液分离方法和设备”，通过机械压滤的方式对浓缩液进一步进行液体脱除，以形成更干燥的滤渣。专利201310692702.6也公布了“一种固液分离设备与方法”，利用压缩空气取代增压泵作为压滤推动力。专利201180007960.5公布了一种“固液分离方法”，使用滤布进行污泥脱水，包含抽吸过滤、加压过滤、压榨和污泥排出等四个工序。

虽然每项研究报道中几乎都涉及到了过滤装置和工艺，但是它们都针对特定过滤体系和已知的操作工艺，装置功能少、操作灵活性小且基本属于临时搭建[huafl，tsangyf，wangyj，etal.performancestudyofceramicmicrofiltrationmembraneforoilywastewatertreatment.chemicalengineeringjournal，2007，128(2-3)：169-175.]。在过滤工况不确定，甚至连过滤工艺都未确定的情况下，单台设备无法完成工艺筛选和工况优化工作，需要搭建更多装置，费时、费力且成本更高。本专利提供了一种功能多、操作灵活、适应性广、自动化程度高的试验装置，能够经济、可靠、安全、高效地进行过滤工艺和工况的筛选与优化工作。另外，本专利所述的过滤系统还可以直接用于工业化过滤工程。

技术实现要素：

本专利的目的在于开发一种自动过滤系统及工艺，主要用于液体过滤试验以便优化滤材(材质、结构、厚度、过滤精度等)、过滤面积、过滤压力、过滤方式、反洗条件等工艺参数，从而适应各种复杂工况，为工业化应用提供依据。

本专利的技术方案：自动过滤系统包括料液储存、错流过滤、死端过滤、反洗排渣、滤液储存及自动控制等六个单元，如图1所示。其中，料液储存单元(1)包括料液进口(101)、储料阀(102)、储料泵(103)、排气口(104)、储料罐(105)、液位计(106)、卸料阀(107)、卸料口(108)、回料阀(109)、流量变送器(110)、压力变送器(111)、进料泵(112)，需要指出的是如果料液自带压力，则储料泵(103)可以省略；错流过滤单元(2)包括错流进料阀(201)、错流回流阀(202)、错流过滤器(203)、错流出料压力变送器(204)、错流反洗阀(205)、错流出料阀(206)；死端过滤单元(3)包括死端进料阀(301)、死端过滤器(302)、死端出料阀(303)、死端出料压力变送器(304)、死端反洗排渣阀(305)、排渣口(306)、滤液流量变送器(307)、滤液流量控制阀(308)、死端反洗阀(309)；反洗排渣单元(4)包括死端反洗排气阀(401)、反洗液控制阀(402)、反洗气控制阀(403)、错流反洗排气阀(404)、排气口(405)、反洗阀(406)、压力表(407)、反洗介质入口(408)、反洗罐(409)、反洗罐排空阀(410)、反洗罐排空口(411)；滤液储存单元(5)包括排气口(501)、滤液罐(502)、滤液进料阀(503)、液位计(504)、滤液出料阀(505)、滤液泵(506)、滤液出口(507)；自动控制单元(6)用于过滤系统的自动控制与数据采集。

本专利所述过滤系统有死端、错流、先错流后死端、错流+死端四种工作模式。①死端过滤。过滤过程中料液基本上垂直于膜面流动，不进行料液回流，料液中的悬浮物形成滤饼或滞留在孔道内，而滤液则透过滤饼和滤材孔道。当滤饼阻力过大或滤材孔道堵塞严重时，滤材需要进行清洗。②错流过滤。料液沿滤材表面快速流动，少部分料液透过滤材，大部分料液则回流至储料罐(105)。在料液快速流过时，滤材表面所形成的滤饼受到冲刷，从而降低了滤饼层厚度和过滤阻力，因此错流过滤可以实现更长时间的连续运行。随着新料液的不断注入和滤液的不断流出，储料罐(105)中的料液逐渐被浓缩，导致过滤阻力不断增加，到一定程度时将排出储料罐(105)中的浓缩液。需要指出的是，大量的料液回流将导致更高的能耗。滤材表面的冲刷效应只能降低滤饼阻力而对缓解孔道内的堵塞则没有效果，因此错流过滤只适合于滤材孔径足够小、过滤阻力主要来自滤饼的情况。当主要过滤阻力来自于滤材孔道内的堵塞时，不宜采用错流过滤，而应该采用死端过滤。③先错流后死端过滤。先进行错流过滤实现料液的浓缩，当错流过滤阻力过大时将浓缩液进行死端过滤。在死端过滤过程中，滤饼在滤材表面不断增厚，到一定程度时在反洗或反吹排渣时被排出。④错流+死端过滤。死端与错流过滤同时运行或错流先开启后再运行死端。通过死端过滤的排渣来控制储料罐(105)中的料液浓度，充分发挥了错流和死端过滤的各自优点，实现了长时间的连续过滤，提高了过滤效率。

本专利所述过滤系统的反洗设置模式有定时、定速和定压三种。①定时反洗是指当过滤时间达到预先设定值时就进行反洗。例如，从错流出料阀(206)或死端出料阀(303)开启时开始计时，到设定时间就执行反洗操作。②定速反洗是指当滤液产出速度慢于预先设定值时就进行反洗。例如，当滤液流量变送器(307)检测到滤液流量降低到设定值时就执行反洗操作。③定压反洗是指当过滤器进料侧和出料侧的压差(压差越高说明过滤阻力越大)高于预先设定值时就进行反洗。例如，令三个压力变送器(111、204和304)所显示的压力分别为进料压力p0、错流出料压力p1和死端出料压力p2，则当p0-p1或p0-p2高于预先设定值时就执行反洗操作。定时反洗简单易行，但反洗频次无法根据过滤情况自动调节，适用于稳态操作情况。定速反洗和定压反洗的反洗间隔可以根据过滤阻力自动调节，但是需要流速数据或采集压力以及更复杂的程序控制。

本专利中的反洗介质模式包括气体反洗、液体反洗和气液反洗三种，反洗介质包括反洗液和反洗气。其中，反洗液又包括滤液和其它液体，但以滤液最为常用。①气体反洗是指采用压缩气体反洗，但在反洗气透过滤材之前，过滤器出料侧和气体流经管道中的滤液也会先被反压并透过滤材。常用反洗气为压缩空气或氮气，但在实际工作中出于安全或污染考虑也会采用其它工艺气体。②液体反洗是指反洗液反向高速通过滤材。如果反洗液本身没有压力或压力不足，则需要在反洗介质入口(408)增设反洗泵。③气液反洗是指在反洗过程中先液体反洗然后再气体反洗。其中液体反洗液为滤液，它既包括反洗罐(409)中的滤液，也包括相关管路和过滤器出料侧的滤液。气液反洗的驱动力来自于反洗气的压力，由于压缩气体能够提供更大的爆发力，因此反洗效果更好。另外反洗罐(409)的容积要适宜，以免产生过多的排渣液。

本专利中的自动控制单元能够进行人机交互和逻辑判断，通过泵和阀的自动操作实现各种模式的自动过滤和反洗操作，通过传感器和数据采集实现了操作参数、设备状态和运行结果的记录与存储，通过设定各种情况下的报警和应急操作提高了过滤系统的操作安全性，例如在遇到危险或特殊情况下，可以实现过滤系统的紧急关闭。另外，为便于设备调试和试验的灵活性，自动控制单元还设置了手动模式，可以方便地切换自动和手动模式。

虽然过滤器的自动运行节省了人力并减少了人为操作失误，提高了运行效率和操作安全性，但也不可避免地带来投资成本的增加，除控制系统本身(电器元件、编程等)外，与自动控制相适配的设备(如泵、阀、变送器等)成本也更高。为控制投资成本，可将操作不频繁或不便进行自动控制的阀门设计为手动操作。例如料液储存单元中的卸料阀(107)和出料阀(109)；错流过滤单元中的错流进料阀(201)和错流回流阀(202)；反洗排渣单元中的反洗罐排空阀(410)。

本专利的有益效果体现在：

本专利所述过滤系统集成了多种工作模式，具有多种功能，能够实现各种过滤与反洗操作，适用于各种过滤体系和反洗介质，便于进行充分的工艺优化并确定最佳工作状态，提高了系统对不同工况的应变能力。实现了自动化控制，节省了人力并减少了人为操作失误，提高了运行效率和操作安全性。该过滤系统操作方便、集成度高，可满足各种用途和工艺要求。

附图说明

图1为自动过滤系统示意图。其中，101-料液进口；102-储料阀；103-储料泵；104-排气口；105-储料罐；106-液位计；107-卸料阀；108-卸料口；109-回料阀；110-流量变送器；111-压力变送器；112-进料泵；201-错流进料阀；202-错流回流阀；203-错流过滤器；204-错流出料压力变送器；205-错流反洗阀；206-错流出料阀；301-死端进料阀；302-死端过滤器；303-死端出料阀；304-死端出料压力变送器；305-死端反洗排渣阀；306-排渣口；307-滤液流量变送器；308-滤液流量控制阀；309-死端反洗阀；401-死端反洗排气阀；402-反洗液控制阀；403-反洗气控制阀；404-错流反洗排气阀；405-排气口；406-反洗阀；407-压力表；408-反洗介质入口；409-反洗罐；410-反洗罐排空阀；411-反洗罐排空口；501-排气口；502-滤液罐；503-滤液进料阀；504-液位计；505-滤液出料阀；506-滤液泵；507-滤液出口。

具体实施方式

现结合附图1对本发明所述过滤系统的实施方式进行说明。根据以上公开的专利内容，本领域技术人员对本发明的技术方案进行修改、完善、补充，例如对某个或某些技术特征进行等同或等效的替换或改变，都同样落入本发明的保护范围。

在过滤之前，首先向储料罐(105)注入料液，根据液位计(106)的反馈并通过储料阀(102)和储料泵(103)的开闭，自动控制储料罐(105)液位。

①死端过滤。通过进料泵(112)将料液打入死端过滤器(302)，滤液进入滤液罐(502)，过滤压力通过进料泵(112)的输出功率、回料阀(109)和死端进料阀(301)进行调节。滤材的定时、定速或定压反洗都可在自动控制单元设定。

反洗时，首先关闭死端进料阀(301)、死端出料阀(303)、滤液流量控制阀(308)和滤液进料阀(503)，打开死端反洗排渣阀(305)。当选择气体反洗时，则在反洗介质入口(408)接入压缩气体并将反洗气控制阀(403)打开。当选择液体反洗时，如果反洗液为滤液，首先开启反洗液控制阀(402)和反洗阀(406)；如果反洗液为其它液体，首先在反洗介质入口(408)接入带压反洗液或反洗泵并开启反洗气控制阀(403)。当选择气液反洗时，首先在反洗介质入口(408)接入压缩气体并开启反洗液控制阀(402)和反洗阀(406)。最后开启死端反洗阀(309)执行反洗操作。

反洗结束，关闭死端反洗阀(309)。当选择的是气体反洗，则需开启死端反洗排气阀(401)，在排完气后将其关闭。当选择的是液体反洗，如果反洗液是滤液，则需关闭反洗阀(406)并开启错流反洗排气阀(404)排气；如果反洗液为其它液体，则只需停止反洗泵即可。当选择的是气液反洗，需关闭反洗阀(406)并开启死端反洗排气阀(401)和错流反洗排气阀(404)排气。最后开启死端进料阀(301)、死端出料阀(303)、滤液进料阀(503)和滤液流量控制阀(308)，关闭死端反洗排渣阀(305)，重新开始新一轮过滤过程。

②错流过滤。通过进料泵(112)将料液打入错流过滤器(203)，回流液返回储料罐(105)，滤液进入滤液罐(502)。错流进料流量和过滤压力可以通过进料泵(112)输出功率、回料阀(109)、错流进料阀(201)和错流回流阀(202)进行调节。

反洗时，关闭错流出料阀(206)、滤液流量控制阀(308)和滤液进料阀(503)。当选择气体反洗时，则需在反洗介质入口(408)接入压缩气体并将反洗气控制阀(403)开启。当选择液体反洗时，如果反洗液为滤液，首先将反洗液控制阀(402)和反洗阀(406)开启；如果反洗液为其它液体，需在反洗介质入口(408)接入带压反洗液或反洗泵并开启反洗气控制阀(403)。当选择气液反洗时，需要在反洗介质入口(408)接入压缩气体并开启反洗液控制阀(402)和反洗阀(406)。最后开启错流反洗阀(205)执行反洗操作。

反洗结束，关闭错流反洗阀(205)，则气体反洗结束操作。当选择液体反洗时，如果反洗液为滤液，则需关闭反洗阀(406)并开启错流反洗排气阀(404)排气；如果反洗液为其它液体，则只需停止反洗泵即可。当选择气液反洗时，则需关闭反洗阀(406)，开启错流反洗排气阀(404)排气。最后开启错流出料阀(206)、滤液流量控制阀(308)和滤液进料阀(503)，重新开始新一轮过滤过程。

当储料罐(105)中的料液被浓缩到一定程度而不值得继续错流过滤时，关闭进料泵(112)，同时将储料阀(102)和储料泵(103)设置为手动操作模式并将其关闭，打开卸料阀(107)，排出储料罐(105)中的浓缩液。重新将储料阀(102)和储料泵(103)设置为自动操作模式，实现自动向储料罐(105)中加注料液，就可以继续进行错流过滤。本专利将储料泵(103)和进料泵(112)通过储料罐(105)下部的四通直接相连，因此在向储料罐(105)加注料液的过程中，低浓度的新鲜料液可以直接进入错流过滤器(203)，从而可以提高错流过滤效率，储料罐的加注速度与错流过滤器的储料速度越接近则效果越好。需要指出的是如果料液自带压力，则储料泵(103)可以省略。

③先错流后死端过滤。先执行错流过滤，当储料罐(105)中的料液浓缩到一定程度时，停止向储料罐(105)加注料液，开启死端过滤器(302)对储料罐(105)中的浓缩液进行处理。当储料罐(105)中的浓缩液基本被清空时，停止死端过滤，重新向储料罐(105)加注料液并开启错流过滤。错流和死端过滤交替进行，就可以实现料液的持续过滤。

参照具体实施方式②，开启错流过滤与反洗过程。当储料罐(105)中的料液浓缩到一定程度时，需要借助死端过滤器(302)对储料罐(105)中的浓缩液进行清理。首先关闭错流进料阀(201)、错流回流阀(202)和错流出料阀(206)，从而将错流过滤系统隔离。然后参照具体实施方式①，开启死端过滤与反洗过程，从而对死端过滤器进行反复的过滤反洗操作，直至排空储料罐(105)中的浓缩液。

④错流+死端过滤。既可以同时开动错流和死端过滤器，也可以先错流过滤一段时间后再开动死端过滤器。如果采取前者运行方式，则可参照具体实施方式①和②中的过滤步骤，同时运行两过滤器。如果采取后者运行方式，则首先开启错流过滤(参照具体实施方式②中的过滤步骤)，当储料罐(105)中的料液在渐渐浓缩过程中，为保证其连续作业，这时可开启死端过滤(参照具体实施方式①中的过滤步骤)，来维持储料罐(105)中的料液浓度以不至于过高，如果料液浓度过高就不得不停止错流过滤器并离线清理。需要说明的是两个过滤器的反洗设置模式可以相同也可以不同，当两个过滤器同时达到反洗条件时，遵循“先错流后死端，逐一进行反洗”的模式，其反洗步骤同具体实施方式①和②。