DE102010008869A1

DE102010008869A1 - Verfahren zum Herstellen eines Membranmoduls sowie Membranmodul

Info

Publication number: DE102010008869A1
Application number: DE102010008869A
Authority: DE
Inventors: Christian 63863 Göbbert; Manfred 66352 Volz
Original assignee: 3 C MEMBRANE AG; 3 C Membrane AG 38820
Current assignee: Nanostone Water De GmbH
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2011-08-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Membranmoduls, umfassend mehrere, parallel nebeneinander angeordnete, langgestreckte Filterelemente, deren jedes einen Längskanal aufweist, ein die Filterelemente umgebendes Gehäuse sowie einen Sammelraum zwischen Gehäuse und Filterelementen, mit den folgenden Verfahrensschritten: – es werden mehrere Filterelemente zu einem Bündel zusammengefasst; – auf den einen Endbereich des Bündels wird eine Schmelze aus thermoplastischem Kunststoff aufgebracht, die die Filterelemente ummantelt und zugleich die Gesamtheit der Filterelemente als Montagering umhüllt; – die Schmelze wird ausgehärtet; – mit dem anderen Ende des Filterelementes wird in gleicher Weise verfahren, wie gemäß 1.2 und 1.3; – das Gehäuse wird über die Montageringe geschoben; – die Montageringe werden gegen das Gehäuse abgedichtet.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Membranmodule zum Trennen von Stoffen unterschiedlichen Aggregatzustandes. Ein solches Membranmodul umfasst ein langgestrecktes Filterelement, das von wenigstens einem Längskanal durchzogen ist und aus einem porösen Werkstoff besteht, beispielsweise aus Keramik. Das Modul umfasst ferner ein Gehäuse, das das Filterelement umgibt und mit diesem einen Sammelraum bildet.
Ein solches Modul arbeitet wie folgt: In das eine Ende eines jeden Längskanals wird das zu behandelnde Medium eingeführt, das sogenannte Unfiltrat. Auf dem Wege des Unfiltrates tritt Filtrat durch die Wandfläche des Längskanals sowie durch das poröse Material des Filterelementes hindurch, gelangt in den genannten Sammelraum zwischen Filterelement und Gehäuse und wird von dort als Filtrat abgeführt. Das Unfiltrat tritt am anderen Ende der Längskanäle aus und wird gegebenenfalls rückgeführt zum erstgenannten Ende des Längskanales, um somit einen Kreislauf zu bilden. Die Wandflächen der Längskanäle sind mit einem Material beschichtet, das ebenfalls in bestimmtem Maße durchlässig ist.
Es gibt grundsätzlich zwei Bauarten solcher Module. Bei der einen Bauart ist eine Mehrzahl von Filterelementen vorgesehen, die nach Art eines Spaghetti einen einzigen Längskanal aufweisen. Mehrere solcher Filterelemente sind zu einem Bündel zusammengefasst (Spaghetti-Element).
Bei der anderen Bauart weist ein einziges Filterelement eine Mehrzahl von Längskanälen auf (Multikanal-Element). Dabei ist es auch denkbar, mehrere solcher Multikanal-Elemente zusammenzufassen und daraus ein Membranmodul zu bilden.
Die Erfindung betrifft beide Bauarten von Modulen.
Bei beiden Bauarten befindet sich jeweils am stirnseitigen Ende des Filterelementes beziehungsweise der Filterelemente eine stirnseitige Platte. Diese begrenzt den Ringraum zwischen dem Gehäuse und dem Filterelement beziehungsweise den Filterelementen, und zwar derart, dass der Ringraum gegen die äußere Umgebung dicht ist, wenigstens flüssigkeitsdicht. Das Abdichten kann problematisch sein, da Während des Betriebes unterschiedliche Temperaturen herrschen, die zu Expansion und Kontraktion von Bauteilen führen, und zwar in unterschiedlicher Weise. Die stirnseitigen Begrenzungsplatten können beispielsweise aus Edelstahl bestehen.
Ausführungsbeispiele sind bekannt geworden aus EP 0 270 051 B1 sowie aus DE 690 19 552 T2 .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Modul einer der oben genannten Bauarten derart zu gestalten, dass die Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem Filterelement absolut dicht ist und auch während des Betriebes dicht bleibt, und dass der Herstellungsaufwand gering ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Der grundlegende Gedanke der Erfindung besteht darin, dass auf den Endbereich der Filterelemente eine Schmelze aus Kunststoff aufgebracht wird, beispielsweise ein thermoplastischer Kunststoff, insbesondere ein Polymer. Handelt es sich um die oben genannte „Spaghetti”-Bauart, so werden sämtliche einzelnen Filterelemente auf einem Endbereich vom Kunststoff ummantelt. Der Kunststoff sperrt somit die Zwischenräume zwischen den Filterelementen ab. Er bildet einen Montagering, der – wiederum im Endbereich der Filterelemente – diese umgibt.
Der Ausdruck „Kunststoff” ist im weitesten Sinne zu verstehen. So kommen beispielsweise auch Duroplaste oder Zwei-Komponenten-Kunststoffe wie Epoxide oder Acrylate in Betracht.
Dieses Verfahren wird an den beiden Enden des Bündels von Filterelementen durchgeführt, sodass zwei Montageringe entstehen. Sodann wird das Gehäuse auf die beiden Montageringe und damit auf das Filterelement-Bündel aufgeschoben.
Bei einem Multikanal-Element wird ein Montagering zunächst an einem Ende, und sodann am anderen Ende des Filterelementes aufgebracht, wiederum aus einer Kunststoffschmelze bestehend. Nach dem Aufbringen wird in beiden Fällen die Kunststoffschmelze aushärten gelassen. Gleiches wird am anderen Ende vorgenommen. Sodann wird wiederum das Gehäuse auf die beiden Montageringe aufgeschoben.
Bei beiden Bauarten kann das Gehäuse aus demselben Material gebildet werden, wie die Montageringe. Das Gehäuse kann sogar mit einem der beiden Montageringe einteilig sein, und zwar durch Herstellen in einem einzigen Gussvorgang.
Ein bekanntes Problem bei Filtereinrichtungen der genannten Bauart mit Keramik-Filterelementen besteht in der unterschiedlich starken Ausdehnung bei Wärmeeinwirkung. Das Problem tritt immer auf, wenn Materialien unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet werden.
Deshalb empfiehlt es sich, die Lagerung des Gehäuses wenigstens auf einem der Montageringe als Loslager auszubilden, sodass es nicht zu unzulässigen Wärmespannungen zwischen dem Keramikteil und dem Gehäuse kommt.
Das Gehäuse kann mit Anschlüssen zum Zuführen oder Abführen von Medium versehen sein, zum Beispiel für das zu behandelnde Medium (sogenanntes Unfiltrat) oder für das behandelte Medium (Filtrat). Ist das Gehäuse aus thermoplastischem Material hergestellt, so bietet es sich an, die Anschlussstutzen anzugießen.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine einzelne Hohlfaser aus Keramik (Spaghetti).
2 zeigt in einem achssenkrechten Querschnitt drei zu einem Bündel zusammengefasste Spaghetti.
3 zeigt ein Bündel von Spaghetti, umschlossen von einer Manschette.
4 zeigt in schematischer Darstellung den Gegenstand von 3, mit dem einen Ende eingetaucht in eine Wanne, die eine Schmelze enthält.
5 zeigt das Bündel mit Manschette gemäß 3 nach dem Aushärten der Schmelze.
6 zeigt den Endbereich eines Multikanal-Elementes in perspektivischer Darstellung.
7 zeigt den Gegenstand von 6, versehen mit einem Montagering.
8 zeigt eine komplette Filtereinrichtung in Aufrissansicht und teilweise weggeschnitten, umfassend mehrere Filterelemente in einem Gehäuse.
9 zeigt eine weitere Filtrationsvorrichtung im Aufriss und teilweise weggeschnitten.
10 zeigt die Vorrichtung gemäß 9 in einer Draufsicht.
Das in 1 gezeigte Spaghetti-Element 1 besteht aus Keramik. Es umschließt einen Längskanal 1.1. Das in 2 gezeigte Spaghetti-Bündel umfasst drei Spaghetti 1, jeweils mit einem Längskanal 1.1. Die drei Spaghetti schließen einen Hohlraum 1.2 zwischen sich ein.
3 zeigt ein Bündel von Spaghetti 1, umschlossen von einer Manschette 2. Die Manschette 2 weist mehrere Durchbrüche 2.1 auf, sodass zwischen den Hohlräumen 1.2, der sich jeweils zwischen einander benachbarten Spaghetti 1 befindet, und der äußeren Umgebung, eine leitende Verbindung besteht.
4 veranschaulicht schematisch das Aufbringen eines Montageringes 3 – siehe auch 5. Zu diesem Zweck wird der Gegenstand von 3 mit seinem einen Ende in eine Schmelze 4 getaucht, die sich in einer Wanne 5 befindet. Die Schmelze 4 besteht aus Kunststoff, beispielsweise aus einem thermoplastischen Material, oder aus Kunstharz. Die Schmelze dringt nach dem Eintauchen des Gegenstandes von 3 durch die Durchbrechungen 2.1 in die Hohlräume 1.2 in den Spaghetti 1 ein und füllt diese aus. Nach dem Aushärten der Schmelze ergibt sich der in 5 gezeigte Gegenstand, somit das von der Manschette 2 umschlossene Spaghetti-Bündel mit dem Montagering 3.
Für den Filtrationsprozess ist es notwendig, dass die Längskanäle 1.1 offen bleiben. Dies lässt sich auf verschiedene Weise erreichen. Ist die untere Stirnfläche des Bündels absolut eben und bündig mit dem Boden von Wanne 5, so kann vermieden werden, dass Schmelze in die Längskanäle 1.1 eindringt. Weiterhin könnten die Enden der Längskanäle 1.1 mit Stopfen versehen werden, was aber mühsam und aufwändig ist. Schließlich kann das Bündel nach dem Erreichen des Zustandes gemäß 5 an seinem unteren Ende um ein gewünschtes Stück durch Abschneiden gekürzt werden, da die Schmelze aufgrund der geringen Durchmesser der Längskanäle nicht allzu hoch in diese eindringt.
6 zeigt den Endbereich eines Multikanal-Elementes 6 mit einer Vielzahl von Längskanälen 6.1. Das Element 6 besteht aus Keramik. Es ist im Querschnitt sechseckig. Hier sind auch andere Querschnitte möglich, beispielsweise auch runde oder ovale.
Das Aufbringen von Montageringen erfolgt bei dem Multikanal-Element genauso wie bei dem Spaghetti-Element. Siehe die 4 und 5. Dabei geht es jedoch einzig und allein um das Aufbringen des Montageringes 3. Hingegen geht es nicht mehr um das Ausfüllen von Hohlräumen analog der Hohlräume 1.2 bei dem in 2 gezeigten Bündel.
Die Montageringe 3 sitzen in jedem Falle fest auf dem Spaghetti-Bündel beziehungsweise auf dem Monokanal-Element. Nunmehr muss eine Vereinigung mit einem Gehäuse hergestellt werden. Die fertige Filtervorrichtung sieht man in 8. Hierbei sind mehrere Multikanal-Elemente 6 von einem Gehäuse 7 umschlossen. Statt der Multikanal-Elemente 6 könnten auch Spaghetti-Elemente vorgesehen sein.
Das Gehäuse 7 besteht bei der gezeigten Ausführungsform aus einem thermoplastischen Material. Dabei handelt es sich um dasselbe Material, aus dem der Tragring 3 besteht. Gehäuse 7 und Tragring 3 sind in einem einzigen Gussvorgang hergestellt und somit einteilig. Dies gilt jedenfalls für den unteren Montagering 3.1, der gewissermaßen den Boden des Gehäuses 7 bildet. Es gilt jedoch nicht für den oberen Montagering 3.2. Zwischen diesem und dem oberen Ende des Gehäuses befindet sich eine Fuge, sodass eine axiale Relativbewegung zwischen dem oberen Montagering 3.2 und dem Gehäuse 7 möglich ist. Damit ist auch sichergestellt, dass sich das Gehäuse 7 während des Betriebes der Filtervorrichtung in einem unterschiedlichen Maße ausdehnen kann, als die vom Gehäuse umschlossenen Bauteile, nämlich die Multikanal-Elemente 6.
An dieser Stelle ist aber auch eine Dichtung notwendig. Siehe den O-Ring 8. Dieser ist in den Außenumfang des oberen Montageringes 3.2 eingelassen. Er kann bereits beim Gießvorgang des Montageringes 3.2 in diesen eingegossen werden.
Die einzelnen Multikanal-Elemente 6 sind von einem Sammelraum 9 umschlossen.
Das Gehäuse 7 umfasst einen unteren Deckel 7.1 und einen oberen Deckel 7.2. Dem zylindrischen Teil des Gehäuses 7 sind ferner zwei Auslassstutzen angeformt, nämlich ein unterer Auslassstutzen 7.3 und ein oberer Auslassstutzen 7.4.
Die Filtervorrichtung gemäß 8 arbeitet wie folgt:
Durch den unteren Deckel 7.1 strömt zu filterndes Medium (Unfiltrat) zu den unteren Stirnseiten der Multikanal-Elemente 6. Dort tritt es in die Längskanäle 6.1 ein, und durchströmt diese. Es tritt sodann aus den oberen Enden der Längskanäle 6.1 aus und gelangt zum oberen Deckel 7.2.
Auf diesem Wege tritt Filtrat quer zur Strömungsrichtung in den Längskanälen 6.1 durch das poröse Keramikmaterial des einzelnen Multikanal-Elementes 6 hindurch und gelangt zum Sammelraum 9. Von dort gelangt es zum unteren Auslass 7.3 sowie zum oberen Auslass 7.4.
In bekannter Weise kann das in den oberen Deckel 7.2 eintretende Unfiltrat im Kreislauf geführt und dabei einer weiteren oder derselben Filtervorrichtung zugeführt werden, wo es weitere Filtrationsvorgänge durchläuft.
Die in den 9 und 10 dargestellte Filtrationsvorrichtung weist wiederum ein Gehäuse aus einem thermoplastischen Material auf. Die Filterelemente 1 sind von Spaghetti-Bauart.
Bezugszeichenliste

1: Spaghetti-Element
1.1: Längskanal
1.2: Hohlraum
2: Manschette
2.1: Durchbruch
3: Montagering
3.1: unterer Montagering
3.2: oberer Montagering
4: Schmelze
5: Wanne
6: Multikanal-Element
6.1: Längskanal
7: Gehäuse
7.1: unterer Deckel
7.2: oberer Deckel
7.3: unterer Auslass
7.4: oberer Auslass
8: O-Ring
9: Sammelraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0270051 B1 [0007]
DE 69019552 T2 [0007]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Membranmoduls, umfassend mehrere, parallel nebeneinander angeordnete, langgestreckte Filterelemente (1), deren jedes einen Längskanal (1.1) aufweist, ein die Filterelemente (1) umgebendes Gehäuse (7) sowie einen Sammelraum (9) zwischen Gehäuse (7) und Filterelementen (1), mit den folgenden Verfahrensschritten: 1.1 es werden mehrere Filterelemente (1) zu einem Bündel zusammengefasst; 1.2 auf den einen Endbereich des Bündels wird eine Schmelze (4) aus Kunststoff aufgebracht, insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff, einem Duroplast oder einem Zwei-Komponenten-Kunststoff wie einem Expoxid oder Acrylat, die die Filterelemente (1) ummantelt und zugleich die Gesamtheit der Filterelemente (1) als Montagering (3) umhüllt; 1.3 die Schmelze (4) wird ausgehärtet; 1.4 mit dem anderen Ende des Filterelementes (1) wird in gleicher Weise verfahren, wie gemäß 1.2 und 1.3; 1.5 das Gehäuse wird über die Montageringe (3.1, 3.2) geschoben; 1.6 die Montageringe (3.1, 3.2) werden gegen das Gehäuse (7) abgedichtet.
Verfahren zum Herstellen eines Membranmoduls, umfassend ein langgestrecktes Filterelement (1), das mehrere Längskanäle (6.1) aufweist, ein das Filterelement (1) umgebendes Gehäuse (7) sowie einen Sammelraum (9) zwischen Gehäuse (7) und Filterelement (1); 2.1 auf den einen Endbereich des Filterelementes (1) wird eine Schmelze (4) aus Kunststoff aufgebracht, insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff, einem Duroplast oder einem Zwei-Komponenten-Kunststoff, wie einem Expoxid oder Acrylat, die das Filterelement (1) ummantelt und dabei einen Montagering (3) bildet; 2.2 die Schmelze (4) wird ausgehärtet; 2.3 mit dem anderen Ende wird in gleicher Weise wie gemäß 2.2 und 2.3 verfahren; 2.4 das Gehäuse (7) wird über die Montageringe (3.1, 3.2) aufgeschoben; 2.5 die Montageringe (3.1, 3.2) werden gegen das Gehäuse (7) abgedichtet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Endbereiche der Filterelemente (1) in die Schmelze (4) eingetaucht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Formen der Montageringe (3.1, 3.2) eine Hülse verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Mantelflächen der Montageringe (3.1, 3.2) mechanisch bearbeitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils wenigstens ein Dichtring in die Montage eingegossen wird.
Membranmodul, umfassend: mehrere parallel nebeneinander angeordnete, langgestreckte Filterelemente (1), deren jedes wenigstens einen Längskanal (1.1) aufweist, ein die Filterelemente (1) umgebendes Gehäuse (7) sowie einen Sammelraum (9) zwischen Gehäuse (7) und Filterelementen (1), ferner die folgenden weiteren Merkmale: 7.1 die Filterelemente sind zu einem Bündel zusammengefasst; 7.2 das Bündel ist in seinen beiden Endbereichen von einem schmelzfähigen und aushärtbaren Material umgossen und bildet einen das Bündel umschließenden Montagering (3); 7.3 das Gehäuse (7) ist auf den Montagering (3) aufgeschoben und mit diesem dichtend verbunden.
Membranmodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) aus einem Kunststoff besteht, beispielsweise aus thermoplastischem Kunststoff oder einem Duroplast oder einem Zwei-Komponenten-Kunststoff wie zum Beispiel Epoxid oder Acrylat.
Membranmodul nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) jeweils einen Anschluss für das Unfiltrat sowie für das Filtrat aufweist.
Membranmodul nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass den Montageringen (3.1, 3.2) drei Dichtungselemente angegossen sind.