供过滤器使用的气/液共存流体回流分配装置 本申请是1997年7月31日提交的、申请号为PCT/US97/13512的PCT申请的部分接续申请，该PCT申请要求1996年7月31日提交的美国在前申请第60/023,116号的优先权。
本发明涉及一种分离气体和液体的装置，这种气/液共存流体从一共用总管流向过滤器聚水系统以供过滤媒质回流。
在传统的用来过滤水和废水的重力过滤器里，一个或几个过滤箱安装成相邻或相对的一排。过滤器暗渠分支管位于平行排列的一个接一个的过滤箱的底部，以形成在过滤媒质床下面的气体和液体流动导管。这些导管可在过滤和分配气体和液体以供回流时收集已过滤的液体。一共用总管(也叫“水道”)紧靠着过滤箱，以便在过滤时收集来自暗渠分支管的已过滤地液体，以及在气体(一般是空气)或液体(一般是水)回流时分配气体或液体给暗渠分支管。在气/液共存流体回流时共用总管也分配气/液共存流体给各暗渠分支管。在有些设备里，共用总管具有在过滤器底部平面略微下面一些(见图2)、或同一平面上的底部(见图1)。顾问工程师和承包商较偏爱这种叫做“凹陷水道”和“平底水道”的结构，因为它们比较容易安装且费用较低。在带有新的聚水系统的改型老过滤器里，它的优点是保留现有的水道结构以降低费用。
在气/液共存流体回流时，在暗渠分支管里的气体和液体的界面只在过滤器底部之上几英寸。此时，在共用总管里的气体和液体的界面由于通过壁管时的摩擦损耗甚至会低于分支管内的界面。壁管将共用总管连接在暗渠分支管上。因此，实际上在平底水道里没有空间、在有些凹陷水道里没有足够的空间在气/液共存流体回流时给暗渠分支管分配液体。在这种情况下，在共用总管里有不成比例大的气体空间。
为了给暗渠分支管提供大致均匀的液体分配，在共用总管里的液体的最大流动速度应限制在每秒2英尺或更低。通常，液体流动路径的横截面积越小，流动速度越快。由于总管的底部与平底水道的过滤器底部在同一平面上，以及有些水道的底部可能凹陷不足，因此，提供较大的横截面积以供液体流动、从而保持最大的流速不小于每秒2英尺的唯一方法是提高气体和液体距离底部的界面或加深水道的凹槽。如果水道深度不足，如图8和9所示，在气/液共存流体回流时供气体流向暗渠分支管的通道可能被液体堵塞。
其它的方法是通过降低底部高度以供液体分配(见图3)、或通过提供控制输送和分配气体及液体的分离装置(见图4、5、6和7)来提供在共用总管里的气体和液体界面之下足够的空间。
在图3所示情况下，需要额外的坑道、成形工程和水泥结构工程。这种更新工作和新的结构是十分昂贵的。此外，还需要挡板或带分支管进口肘管的各壁管，以便将液体引导至分支管。在图4、5、6和7所示的情况下，带有通向各暗渠分支管的管状支管的不锈钢集气管在制造和安装方面都是很昂贵的。由于各管道必须通过过滤媒质床，故如图6和7所示，来自集气管并通向各暗渠分支管的各气管在发生泄漏时可能在未过滤水和已过滤水之间产生相互混合的问题。
因此，本发明的目的是以一种独一无二的方法在气/液共存流体回流时通过提高气体和液体的界面而在共用总管里形成更多的空间，与此同时，在共用总管里提供畅通的通道，以便气体流向暗渠分支管里。而这不是通过提高回流系统里的总动态压力来实现的。
因此，这里提供一种供具有过滤箱的过滤器使用的气/液共存流体回流分配装置。该过滤箱可具有许多位于过滤箱里的暗渠分支管和在该暗渠分支管之上的过滤媒质床。一共用总管(或水道)位于过滤箱附近，并与过滤箱流体连通。过滤箱的底部略高于共用总管的底部，或具有与共用总管底部相同的高度。
气/液共存流体回流分配装置包括一位于共用总管里的隔离装置，从而在隔离装置和过滤箱之间形成一辅助水道。该辅助水道与共用总管和过滤箱流体连通。该隔离装置具有至少一个水道液体计量孔。
可在辅助水道和过滤箱里的暗渠分支管之间设置一流动分配板，该流动分配板具有至少一个横向液体计量孔和至少一个气体计量孔。横向液体计量孔可与其对应的气体计量孔衔接以形成一个倒置的T形，或其它形状和结构。
隔离装置可是一挡板，较佳的是其高度略低于共用总管的高度，以形成一在挡板上方的空隙。水道液体计量孔较佳的是位于隔离装置的下部，但根据共用总管和与其相连的过滤箱的具体结构还可位于隔离装置的任何适当地方。
气/液共存流体回流分配装置可包括一分隔辅助水道和过滤箱的过滤箱壁，该过滤箱壁具有至少一个使辅助水道与过滤箱流体连通的开口。流体分配板可位于过滤箱壁和过滤箱里的分支管之间。过滤箱壁上的开口较佳的是足够地大，以便在进行气/液共存流体回流操作时给气体和液体提供通道。
挡板可是位于总管里的与其侧壁隔开的一直立的隔墙。此外，挡板可是一倒置的L形隔墙，并具有一垂直部分和一上部水平部分。上部水平部分具有许多孔，以便气体流动和过量液体流动。其它可能的替代方案包括一L形挡板和一新月形挡板。
作为挡板的一种替代方案，还可采用通向各分支管的竖管。可在竖管的适当位置上提供液体计量孔，以便在气/液共存流体回流时计量由水道流向竖管的液体。
本发明还包括引导回流的气体和回流的液体流向具有过滤箱的过滤器的方法。具体地说，该方法包括同时引导回流的气体和液体进入在过滤箱附近的一封闭的水道。第一气/液界面位于封闭的水道里，然后回流的液体通过至少一个与封闭的水道流体连通的水道液体计量孔。
第二气/液界面位于封闭的水道里，第二气/液界面在第一气/液界面之下。回流的液体通过在将封闭的水道和过滤箱隔开的过滤箱壁上的一个孔流入过滤箱。最后，回流的气体通过在第二气/液界面之上和在第一气/液界面之下的一个孔、与回流液体同时从封闭的水道流入过滤箱。
通过阅读下面参考附图所作的详细介绍可更清楚地了解本发明的其它细节和优点，其中，相同的标号表示相同的零件。
图1是现有技术中的具有平底水道的过滤器的示意图；
图2是现有技术中的具有凹陷水道的过滤器的示意图；
图3是现有技术中的具有完全凿通水道的过滤器的示意图；
图4是现有技术中的具有平底水道和在该水道里的集气管的过滤器的示意图；
图5是现有技术中的具有凹陷水道和在该水道里的集气管的过滤器的示意图；
图6和7是现有技术中的具有集气管的过滤器的示意图，该集气管具有通过媒质床的下喷管；
图8和9是现有技术中的过滤器的示意图，其中，水道里的气/液界面太高，从而不允许气体进入过滤箱；
图10是按照本发明的一具有平底水道的过滤器的示意图，该水道具有安装在其里面的挡板；
图11是按照本发明的一流动分配板的正视图；
图12是按照本发明的一具有凹陷水道的过滤器的示意图，该水道具有安装在其里面的挡板；
图13和14是按照本发明第二实施例的具有中心平底水道和凹陷底部水道的过滤器的示意图，它们分别具有在水道里的两块直立的水泥隔墙；
图15和16是按照本发明第三实施例的具有中心平底水道和凹陷底部水道的过滤器的示意图，它们分别具有在水道里的两块倒置L形隔墙；
图17和18是按照本发明第四实施例的具有中心平底水道和凹陷底部水道的过滤器的示意图，它们分别具有在水道里的竖管；
图19显示了按照本发明第五实施例的一直立的L形挡板；以及
图20显示了按照本发明第六实施例的一新月形挡板。
如图10和12所示，本发明包括一以挡板10形式出现的分隔装置，它位于一共用总管12(也叫“水道”、“水槽”、“通道”、“总管”或“腔室”)内，形成一在共用总管里的辅助水道14。总管12形成于过滤器11里并紧靠着过滤箱13。总管12是封闭的，即它不与大气接触。在图10中，总管12和过滤箱13具有共用过滤器底部15，因此，总管12和过滤箱13的底部在同一水平上。这叫做“平底水道”结构。在图12中，总管12的底部略低于过滤箱15的底部。这叫做“凹陷水道”结构。水道液体计量孔16较佳的是位于挡板10的下部，以便在气/液共存流体回流时使液体从总管12流向辅助水道14。液体计量孔16的尺寸大小可使小孔两侧的压力差将总管里的气体和液体的界面提升到可提供足够横截面积的水平，以使气/液共存流体回流时总管里的液体最大流动速度将是每秒2英尺或较低。挡板10在其沿底部或任何连接处的端部处是密封的，这样，水道液体计量孔16将控制气/液界面的高度。
辅助水道14在气/液共存流体回流时作为气体和液体的通道。还可采用带有矩形的气体计量缝槽20和横向液体计量孔22的流动分配板18(图11)。也可使用其它形状和结构的供气体和液体用的计量孔。
虽然在图10和12里示意地显示了相同的高度，但由于通过流动分配板18上的气体计量缝槽20时的压头损失，在辅助水道14里的气体和液体界面42可能低于在暗渠分支管24里的界面23。
液体将通过液体计量孔16和22流向暗渠分支管24，同时，气体将通过辅助水道14和气体计量缝槽20流向暗渠分支管24。较适当的是，可提供一个具有许多气体和液体计量孔的延伸的流动分配板18，各计量孔分别对应一条分支管。此外，流动分配板18也可完全省去或合并成暗渠分支管24的进口端结构。
如只有气体回流，气体将流动通过辅助水道14进入暗渠分支管24，而总管12里的气体和液体界面将下降至与辅助水道14里的气体和液体界面42相同的高度，因为此时没有液体流动。如只有液体回流，将没有气/液界面，而液体将流动通过辅助水道14以及液体计量孔16和22进入暗渠分支管24。
水道液体计量孔16较佳的是位于在辅助水道14里的气/液界面42之下，但并不是必须这样。例如，小孔16可位于在界面42之上的挡板10上，但是，因此可能必须进行检测，以确保通过小孔16的水在从上向下冲击气/液界面42时将不会在辅助水道14里产生不适当的飞溅或扰动。
参看图13和14，它们显示了按照本发明第二实施例的装置。两个直立的水泥隔墙26位于总管12里，各隔墙与总管12的侧壁28间隔开，从而形成辅助水道14。与图10和12中的挡板10一样，隔墙26不延伸至总管12的全部高度，从而形成一空隙27，以便气体和液体流动通过隔墙的顶部进入辅助水道14。水道液体计量孔16位于隔墙26的下部并具有预定的直径和间隔。这种布置对于具有中心水道、即在总管12两侧具有过滤箱13和暗渠分支管24的过滤器是合适的。这种布置被认为可以用于新的设备里。而如上面讨论的流动分配板18也可使用。
参看图15和16，它们显示了本发明的第三实施例。隔墙30具有倒置的L形并位于总管12内，该总管形成如上面所述的中心水道的一部分。辅助水道形成于侧壁28和不锈钢隔墙30之间。在不锈钢隔墙30上部水平部分34上的大孔32在辅助水道14和总管12之间提供流体连通，以便在只有气体回流和气/液共存流体回流时供气体流动，以及在只有液体回流时供液体流动。孔32也可位于隔墙30的垂直部分上。
水道液体计量孔16位于靠近各隔墙30垂直部分底部的下部处。该结构的其余部分如上所述。在隔墙30上的孔32在直径上(例如)可大于水道液体计量孔16，并以适当的间隔位于水平部分34上，从而不会引起不适当的压头损失。图15和16中的结构是本发明应用于现有设备的一个例子，但也可用于新的设备。
参看图17和18，它们显示了本发明的第四实施例。其中，隔离装置以竖管35的形式出现，它们通过壁管36和37使过滤箱里的各分支管与水道连通。当总管12的底部与过滤器底部15位于同一高度上时，液体计量孔16位于竖管的下部(图17)。当总管12具有凹陷底部时，液体计量孔16可位于竖管35的下端或任何适当位置上。在第四实施例里，可不需要流动分配板18(在上述例子里装备有挡板)，因为在气/液共存流体回流时是通过液体计量孔16计量液体的，且在只有液体回流时由竖管上的顶部孔38控制该液体的。此外，在只有气体和气/液共存流体回流时，气体进入顶部孔38并由壁管37上的孔39计量。竖管可由不锈钢、PVC塑料、玻璃纤维或其它耐腐蚀材料制成。在总管12里的第一气水界面之下的第二气/水界面将出现在竖管35里。
图19显示了本发明的第五实施例，其中，挡板10固定在凹陷水道10的侧壁上并密封该侧壁，而与共用总管的底部无关。这样，挡板10具有直立的L形。
图20显示了另一种安装在侧壁上的挡板，它具有新月形，固定在一凹陷水道的侧壁上并密封该侧壁。在新月形挡板10上的孔32可是许多大孔中的一个或是沿挡板长度的一个连续缝槽，以便在气/液共存流体回流时允许气体进入辅助水道14，以及在只有液体回流时允许过量液体流入辅助水道14。新月形挡板(象一拱门)比上面所述的其它挡板和隔墙更容易自我支承。这里所述的所有隔墙和挡板都可由不锈钢、玻璃纤维或类似的耐腐蚀材料制成。
通常，本发明中的小孔16、20、22、32、38和39的尺寸和间隔必须按照使用本发明的设备的具体特征来计算和设计。此外，本发明的某些用途将允许使用两个水道液体计量孔16，其中一个在另一个之上，以便在气/液共存流体回流时适应不同的流速。对于本技术领域的技术人员来说，在阅读了本说明书后，有关这种设计的细节将会很清楚。下面的例子在本发明的两种用途中决定适当的小孔尺寸和间隔方面是有用的。
例子
I.设计数据
过滤器：两个带H水道的隔间。
各隔间为14′－0″× 38′－0″，532sf(平方英尺)。
水道：通向两隔间。
6′－0″宽×4′－0″高。
水道底部和过滤器底部在同一高度。
分支管：长度，14′－0″。
分支管数量，每个隔间有38个。
回流：只有气体，3scfm/sf(每分钟标准立方英尺/平方英尺)。
气/水共存流体，3scfm/sf气体和8gpm/sf(每分钟加仑/平方英
尺)水。
只有水，20gpm/sf。
暗渠：Universal型STM双分支管
带有IMS顶盖的多孔媒质保持板的暗渠。
媒质：在IMS顶盖之上72″。
基本操作
参看图13所示的实施例，一辅助水道置于总管内，以便在气/水共存流体回流时允许气体通向暗渠分支管。在水道隔墙底部上的或附近的水孔被设计成可在总管里维持一定深度的水，以便在同时回流时将回流的水均匀地分配给暗渠分支管。
对于只有气体经过气体来说，在总管里的气/水界面将下降至与辅助水道里的界面相同的高度。气体将在隔墙上方流向辅助水道，然后通过流动分配板到达暗渠分支管。
对于气/水共存流体回流来说，水将进入总管，并通过隔墙上的水孔流入辅助水道。气体和液体将通过流动分配板上的小孔受到检测并流向暗渠分支管。
对于只有水回流来说，水将通过空隙27流向辅助水道，以及通过隔墙上的水孔流向辅助水道，然后，通过流动分配板流向分支管。
II.在分支管里的气/水界面
测试数据(对于同时有3scfm/sf气体和8gpm/sf水回流来说，在带有IMS顶盖的Universal型STM双分支管之上6″和24″的水)表明，在分支管的主腔室里的空气和水的界面在其顶部下面的5.3″处或在过滤器底部上面的6.7″处。
在气/水共存流体回流的开始，在这种情况下的过滤器里的水的高度通常在媒质之上6″，或在IMS顶盖之上78″。
对于78″高的水来说，在分支管的主腔室里的气/水界面对于相同的气体和水流速来说估计在过滤器底部之上6.9″处。
在“只有气体”回流时，气/水界面将略低于上面所述的高度。
III.在分支管里的气体压力
在分支管主腔室里的气体压力等于通过分支管上的小孔的压降、通过IMS顶盖的压降、以及在IMS顶盖之上的水的高度的总和。
h＝0.0463×(Q/CA)2×P2/T
其中，h＝通过分支管和IMS顶盖上的小孔的压头损失，英寸水。
Q＝在主腔室里的气体流速，cfm。
C＝小孔系数。
A＝在主腔室和辅助腔室、也在顶盖上的小孔面积，英寸2。
P2＝在主腔室里的压力，psia(磅/英寸2)。
从3scfm/sf气体和8gpm/sf水的测试结果发现，每英尺分支管是0.000998。
让P＝在主腔室里的气体压力，英寸水。
然后，对1′－0″分支管：
h＝P－78
Q＝3scfm×14.7/(14.7＋P/27.7)＝1221.6/(P＋407.2)
P2＝P/27.7＋14.7
假定分支管里气体温度是68°F，那么
T＝460＋68＝528
P－78＝0.0463×[(1221.6)/(P＋407.2)]2×(P/27.7＋14.7)/(0.000998×528)
求出P＝87.6″的水。
这是在主腔室里的气体压力，其中，在IMS顶盖上有78″的水，并在3scfm/sf气体和8gpm/sf水同时回流的情况下。
IV.在辅助水道里的气/水界面
气和水将通过图11所述的流动分配板从辅助水道进入分支管。在辅助水道里的气/水界面应维持在与分支管里的气/水界面大致相同的高度上，从而避免在分支管里发生飞溅。
假定在辅助水道里的气体压力＝P英寸水。
对水来说，
Q＝CA(2gh)
其中，Q＝8×14＝112gpm＝0.2496cfs
C＝0.62
A＝在流动分配板18里的水分配小孔的面积＝15.175in2＝0.1054ft2
h＝(P－87.6)/12ft。
因此，0.2496＝0.62×0.1054[2×32.2×(P－87.6)/12]
求出P＝90.32″水
对气体来说，
h＝0.0463×(Q/CA)2×P2/T(见上述第III部分)。
其中，h＝90.32－87.6＝2.72″
气流＝3×14＝42scfm
Q＝42×14.7/(14.7＋90.32/27.7)＝34.37cfm
C＝0.65
A＝小孔面积，in2
P2＝14.7＋90.32/27.7＝17.96psia
T＝528°
因此，2.72＝0.0463×(34.37/0.65A)2×17.96/528
求出A＝1.27in2
从底部起将小孔(缝槽的顶部)延伸至8.75″。
修订的气体压力是90.3″的水，而气/水界面自底部起是7″。
V.在水道里的气/水界面
为了在共存流体回流时维持适度的水分配给分支管，在水道里的水的流速应维持在不大于2fps。
过滤器面积＝532sf/隔间＝1,064sf/过滤器
共存水流＝8×1,064＝8,512gpm＝18.97cfs
在挡板26之间的总管的宽度＝4.33ft。
因此，所需的水深＝18.97/(2×4.33)＝2.189′或26.27″
VI.气/液共存流体回流时的水小孔
由于水道的底部与过滤器底部在同一高度上，在水道里的水表面将必须维持在辅助水道的水表面之上的26.27″－7″或19.27″处。因此，需要通过具有19.27″压头损失的4″水泥隔墙的小孔来检测在气/液共存流体回流时从水道流向辅助水道的水。
Q＝CA(2gh)
其中，Q＝112gpm或0.2496cfs
C＝0.62
h＝19.27″＝1.6′
0.2496＝0.62×A×(2×32.2×1.6)
A＝0.0396ft2＝5.7in2
在隔墙底部附近使用2－11/16″直径的孔(水道液体计量孔16)
VII.比较方案
用不锈钢板制造的隔墙代替图15所示的水泥。在隔墙30之间的总管的宽度是4.97ft。
在水道里的气/水界面
所需的水深＝18.97/(2×4.97)＝1.91′＝23″
在隔墙底部附近的水小孔
h＝23－7＝16″＝1.333′
0.2496＝0.62×A×(2×32.2×1.333)
A＝0.0434ft2＝6.25in2
使用27/8″直径的孔16@12″c/c。
用于共用总管12的、按照本发明的隔离装置是最有成本-效益的装置，它在气/液共存流体回流至过滤器媒质时能同时将气体和液体分配给过滤器暗渠分支管24。
本发明还包括在气/液共存流体回流时引导回流的气体和液体流向一过滤器的方法。气/液共存流体被引导至一靠近过滤箱的封闭的水道位置，例如总管12。第一气/液界面位于封闭的水道里。然后，回流的液体通过与封闭的水道流体连通的至少一个水道液体计量孔。
第二气/液界面42位于封闭的水道里。第二气/液界面位于第一气/液界面之下。然后，回流的液体通过在隔开封闭的水道和过滤箱的过滤箱壁上的一个孔进入过滤箱。回流的气体同时通过在第二气/液界面42之上而在第一气/液界面40之下的一个孔从封闭的水道流入过滤箱。
当使用流动分配板18时，该方法包括使回流的气体和液体在从封闭的水道流向过滤箱时通过流动分配板的步骤。
该方法还可包括使回流的液体通过一隔离装置的步骤，该隔离装置可是上面所述的、位于封闭的水道里以第二气/液界面挡板或竖管。当使用如图17和18所示的竖管时，第二气/液界面将位于正好在开口39之下的竖管内侧。
这里使用的术语“流体”包含着液体和/或气体。
虽然描述了目前较佳的实施例和本发明的最佳方式，但在不脱离本发明的精神和范围的情况下还可以有许多变化和改进。除了附后的权利要求书所述的，不应用上述内容来限定本发明。