DE102013108709A1

DE102013108709A1 - Vorrichtung zur Entgasung eines Fluids

Info

Publication number: DE102013108709A1
Application number: DE102013108709.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Hörauf; Jochen Bauer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-08-12
Filing date: 2013-08-12
Publication date: 2015-02-12
Also published as: WO2015022285A1; EP3033166A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entgasung eines gasbeladenen Fluids, mit einem Behälter (12), in dem wenigstens ein Membranmodul (20), mit einer Innenseite und einem radialen Umfang, zur Trennung eines Gases vom Fluid aufgenommen ist, wobei das Fluid dem Membranmodul (20) über dessen Bautiefe mittels eines Zulaufs (30) zentral zugeführt, über einen Ablauf (35) am Behälter abgeführt und das Gas aus dem Membranmodul (20) über einen weiteren Ablauf (37) am Membranmodul (20) abgeführt wird und das Fluid das Membranmodul (20) von der Innenseite zum radialen Umfang durchströmt. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Membranmodul (20) im Fluid des Behälters (12) aufgenommen ist, wobei das Fluid im Behälter (12) außerhalb des Membranmoduls (20) im Wesentlichen einen einheitlichen Druck aufweist oder die Druckunterschiede außerhalb des Membranmoduls (20) durch einen Druckausgleich in einem Verteilungsrohr (31) kompensiert werden, so dass der Druckabfall des Membranmoduls (20) zwischen dessen Innenseite und dem radialen Umfang über die gesamte Bautiefe im Wesentlichen konstant ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entgasung eines gasbeladenen Fluids, einer Dispersion, Suspension oder Emulsion. Die Verwendung eines gasbeladenen Fluids kann zu Qualitätseinbußen, zu Fehlfunktionen oder gar zu einer Schädigung der sie verwendenden Vorrichtung führen. Es wird daher für zahlreiche Anwendungen und Prozesse ein entgastes Fluid angestrebt.
Vorrichtungen und Verfahren zur Entgasung eines gasbeladenen Fluids sind im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise werden chemische Verfahren eingesetzt, z.B. unter Verwendung von geeigneten Reduktionsmitteln oder mittels sog. Entlüftungsadditive oder mittels viskositätssenkender Additive. Weiterhin sind thermische Verfahren bekannt, bei denen das zu entgasende Fluid auf eine Temperatur in der Nähe des Siedepunkts erhitzt wird. Andere Verfahren zu Entgasung verwenden Ultraschall, was zur Vereinigung von kleinen Blasen zu größeren Blasen führt, die dann zur Oberfläche wandern. Es gibt auch zahlreiche Vorrichtungen und Verfahren zur Entgasung, die auf Vakuumentgasung beruhen; beispielsweise kommt eine Vorrichtung zum Einsatz, bei der an ein Gehäuse mit dem Fluid ein Unterdruck – häufig "Vakuum" genannt – angelegt wird; zur Unterstützung kann noch eine Scheibe in dem Fluid rotieren. Bei einigen Vorrichtungen zur Entgasung kommen auch Membranen zum Einsatz. Derartige Membranen enthalten im Kern eine Kartusche, die aus vielen Röhrchen aufgebaut ist. Die Wände dieser Röhrchen sind durchlässig für Gase, aber undurchlässig für Flüssigkeiten. Das gasbeladene Fluids wird unter Druck in die Innenseite der Kartusche gepresst, so dass die Kartusche von dem Fluid von innen nach außen durchströmt wird. Dabei wird an die Röhrchen ein Unterdruck angelegt, wobei durch den Unterschied des Partialdrucks das Gas aus dem vorbeiströmenden Fluid entzogen wird. Die genannte Kartusche befindet sich dabei in einem Druckgehäuse. Das entgaste Fluid wird an einer Austrittsöffnung gesammelt und kann dann für den Bestimmungszweck verwendet werden.
Diese Vorrichtung weist unter anderem folgende Nachteile auf: Im Gehäuse bildet sich ein Druckgefälle vom Inneren der Kartusche zur Austrittsöffnung. Die Strömung des Fluids folgt diesem Druckgefälle. Bereiche der Kartusche, die außerhalb dieses Strömungsverlaufs liegen, werden schlecht oder überhaupt nicht durchströmt. Daher wird mit diesem Aufbau nicht die gesamte Kapazität der Membran genutzt. Weiterhin bilden sich wegen der geringeren Durchströmung am Rande dieses Strömungsverlaufs Bereiche, in denen sich die Feststoffe z.B. aus der zu entgasenden Dispersion ablagern. Dadurch werden diese Bereiche der Membran durch diese Feststoffe verblockt, wobei der Druck im Gehäuse diese Verblockung zusätzlich fördert. Dieser Vorgang der Verblockung kann je nach Art der Dispersion von wenigen Minuten bis zu einigen Stunden betragen. Wenn die Membrane verblockt ist, kann sie nicht mehr für die Entgasung weiterverwendet werden und der Entgasungsprozess muss ggf. für eine Reinigung oder den Austausch der Membran unterbrochen werden. Eine derartige Vorrichtung ist daher für Dauerbetrieb nicht geeignet. Wird die Membran bei einer Verblockung nicht sofort gereinigt, dann kann sie dadurch sogar dauerhaft geschädigt werden.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik wenigstens teilweise zu überwinden bzw. zu verbessern.
Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Abwandlungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Entgasung eines gasbeladenen Fluids weist einen Behälter auf, in dem wenigstens ein Membranmodul, mit einer Innenseite und einem radialen Umfang, zur Trennung eines Gases vom Fluid aufgenommen ist. Dabei wird das Fluid dem Membranmodul über dessen Bautiefe mittels eines Zulaufs zentral zugeführt und über einen Ablauf am Behälter abgeführt. Das vom Fluid abgetrennte Gas aus dem Membranmodul wird über einen weiteren Ablauf am Membranmodul abgeführt und das Fluid durchströmt das Membranmodul von der Innenseite zum radialen Umfang. Dabei weist das Fluid im Behälter außerhalb des Membranmoduls im Wesentlichen einen einheitlichen Druck auf, oder die Druckunterschiede außerhalb des Membranmoduls werden durch einen Druckausgleich in einem Verteilungsrohr als Bestandteil der Fluidzuführung zum Membranmodul kompensiert, so dass der Druckabfall des Membranmoduls zwischen dessen Innenseite und dem radialen Umfang über die gesamte Bautiefe im Wesentlichen konstant ist.
Das gasbeladene Fluid kann eine Dispersion, Suspension oder Emulsion sein. Derartige Fluide weisen – nach ihrer Herstellung oder Lieferung – typischerweise einen Gasgehalt von bis zu einigen Prozent auf. Dieser Gasgehalt führt bei der weiteren Verwendung des Fluids häufig zu Nachteilen. So kann der Gasanteil bei Dampf- oder Heißwassersystemen zu erhöhter Korrosion oder gar zu Schädigungen der Anlage durch Kavitation führen. Bei Tinten für Tintenstrahldrucker kann der Gasanteil Fehler beim Drucker oder gar eine Verstopfung der Düsen verursachen. Bei Lacken kann der Gasanteil eine Beeinträchtigung der Oberflächenqualität bewirken. Bei der Oberflächenveredelung von Faserstoffbahnen, wie beispielsweise in der Papierindustrie, kann der Gasanteil in einer Streichfarbe, wenn sie beispielsweise mittels Curtain Coating, Walzen-, Sumpf- oder Düsen-Coating aufgetragen wird, zu einem fehlerhaften Farbauftrag führen. Für diese und viele weitere Anwendungen ist es erforderlich, den Gasgehalt des Fluids durch Entgasung zu reduzieren.
Dazu wird in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Membranmodul verwendet, wie es im Stand der Technik z.B. als Membranen der Marke Liqui-Cel^® oder SuperPhobic^® von der Firma Membrana bekannt ist. Das erfindungsgemäße Membranmodul ist aus einer Vielzahl von im Wesentlichen parallelen Membranröhrchen, Membranschläuche oder Hohlfasern aufgebaut. Die Wände dieser Röhrchen sind durchlässig für Gase, aber undurchlässig für Flüssigkeiten, so dass sich das Gas des gasbeladenen Fluids in diesen Röhrchen sammeln kann. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist so aufgebaut, dass das gasbeladene Fluid von außen über einen Zulauf zentral, d.h. in der radialen Mitte des Membranmoduls, zugeführt wird. Das gasbeladene Fluid wird in der radialen Mitte des Membranmoduls in einem Verteilungsrohr in seiner gesamten Bautiefe weiter geführt; dieses Verteilungsrohr bildet die Innenseite des Membranmoduls. Das genannte Membranmodul befindet sich dabei in einem Behälter, der außerhalb des Membranmoduls das entgaste Fluid enthält. Dabei bildet der radiale Umfang des Membranmoduls die Kontaktstelle zum entgasten Fluid. Der Behälter weist einen Ablauf auf, über den das entgaste Fluid entnommen werden kann. Von der Innenseite des Membranmoduls – dem zentralen Verteilungsrohr – hin zu dem Behälter wird das Membranmodul von innen nach außen von dem Fluid durchströmt. Außerdem weist das Membranmodul einen weiteren Ablauf auf, über den das Gas, das dem Fluid entnommen wurde, aus dem Membranmodul abgeführt wird.
Das Membranmodul ist vorzugsweise vollständig in dem Fluid, das sich in dem genannten Behälter befindet, aufgenommen. Dies ist nach dem Anlauf der Vorrichtung das entgaste Ausgangsfluid. Dabei weist bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung das Fluid im Behälter außerhalb des Membranmoduls im Wesentlichen einen einheitlichen Druck, im einfachsten Fall atmosphärischen Druck, auf, d.h. weder der Behälter noch das Fluid außerhalb des Membranmoduls wird mit einem Überdruck oder Unterdruck beaufschlagt, sondern der Behälter ist atmosphärisch offen gehalten. Ein Deckel dieser Behälters muss also keinem Druck standhalten, sondern dient nur dem Schutz vor Verunreinigungen von außen oder ähnlichen Zwecken. Weil das Fluid im Behälter außerhalb des Membranmoduls im Wesentlichen einheitlichen Druck aufweist, ist der Druckabfall des Membranmoduls zwischen dessen Innenseite und dem radialen Umfang über die gesamte Bautiefe im Wesentlichen konstant.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist dadurch erhebliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf: So sind keinerlei konstruktive Maßnahmen nötig, um den genannten Behälter druckfest auszustatten. Weiterhin ergibt sich durch die erfindungsgemäße Anordnung, dass das Membranmodul von dem Fluid im Wesentlichen über die gesamte Bautiefe zwischen Innenseite und dem radialen Umfang des Membranmoduls gleichmäßig durchströmt wird, weil das Druckgefälle vom zentralen Zulauf zum Umfang des Membranmoduls im Wesentlichen über dessen gesamte Länge gleichmäßig ist. In Folge dessen wird die Durchflusskapazität des Membranmoduls deutlich besser ausgenutzt, weil es durch die genannte Anordnung keine Hauptflussrichtung innerhalb des Membranmoduls gibt, sondern das Fluid alle Abschnitte sämtlicher Röhrchen des Membranmoduls mit einer bestimmten Geschwindigkeit umströmt. Zudem wird verhindert, dass sich Bereiche mit einer geringeren Durchströmung bilden, in denen sich die Feststoffe der Dispersion ablagern. Das Membranmodul wird also nicht durch die Feststoffe dieser Dispersion verblockt. Aus diesen Gründen ergibt sich als weiterer Vorteil, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung für Dauerbetrieb geeignet ist.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform kann ein Membranmodul so lang sein und dabei im Wesentlichen vertikal in dem Ausgangsfluid angebracht sein, dass der hydrostatische Druck des Fluids dazu führt, dass das Fluid im Behälter außerhalb des Membranmoduls nicht mehr einen einheitlichen Druck aufweist. Das würde ohne eine Kompensation zu unterschiedlichen Druckdifferenzen über die Bautiefe des Membranmoduls führen. Aus diesem Grund kann bei einer derartigen Anordnung des Membranmoduls dessen Innenseite – also das Verteilungsrohr – durch Beeinflussung der Strömung, beispielsweise durch angepasste Strömungsbarrieren, so ausgestaltet sein, dass der Druckabfall des Membranmoduls zwischen dessen Innenseite und dem radialen Umfang über die gesamte Bautiefe im Wesentlichen konstant ist.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Vorrichtung weist das Fluid im Behälter außerhalb des Membranmoduls im Wesentlichen atmosphärischen Druck auf.
Wie oben erwähnt, wird weder der Behälter noch das Fluid außerhalb des Membranmoduls mit einem Überdruck oder Unterdruck beaufschlagt, sondern der Behälter ist atmosphärisch offen gehalten. Ein Deckel dieses Behälters muss also keinem Druck standhalten, sondern dient nur dem Schutz vor Verunreinigungen von außen oder ähnlichen Zwecken. Eine Ausführungsform des Behälters weist also einen Überdruck von 0 bar auf. Eine weitere Ausführungsform des Behälters kann aber – beispielsweise auf Gründen der Sicherheit oder um Verunreinigungen von außen weiter zu reduzieren – einen leichten Überdruck (zwischen 0 und 1 bar) aufweisen.
Um die Entgasung wirkungsvoll durchführen zu können ist es sinnvoll, an dem Ablauf des Membranmoduls für das Gas einen Unterdruck anzulegen, bevorzugt einen Unterdruck von 50 bis 800 mbar und insbesondere einen Unterdruck von 300 bis 400 mbar, jeweils bezogen auf den atmosphärischen Druck der Umgebung.
Das gasbeladene Fluid wird in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Überdruck beaufschlagt, um es dem zentralen Zulauf des Membranmoduls zuzuführen. Dabei wird an das Fluid am Zulauf bevorzugt ein Überdruck von 1 bis 12 bar und insbesondere ein Überdruck von 1 bis 8 bar angelegt, jeweils bezogen auf den atmosphärischen Druck der Umgebung. Dadurch wird sowohl ein Differenzdruck gegenüber dem entgasten Fluid im Gehäuse aufgebaut als auch ein Partialdruck gegenüber dem Gas, das dem Fluid mittels Unterdruck entzogen wird.
Das Membranmodul, wie es für eine erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt wird, weist eine Vielzahl an Membranrohren oder Membranschläuchen auf. Insbesondere weist es hydrophobe Membranhohlfasern auf, welche aus wenigstens einem der Materialien hergestellt sind, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Polysiloxane und/oder deren Derivate, Fluorelastomere wie beispielsweise Fluorkautschuk (FKM), Polytetrafluorethylen und/oder deren Derivate, Polyolefine, und/oder deren Derivate, Polyethylen und Polypropylen, Kombinationen hiervon und dergleichen umfasst.
Die genannten Membranrohre oder Membranschläuche, insbesondere auch die hydrophoben Membranhohlfasern, sind dabei bevorzugt im Wesentlichen parallel zu einem Verteilungsrohr im Anschluss an den Zulauf für das Fluid angeordnet. Damit sind die Membranrohre senkrecht zur Hauptströmungsrichtung angeordnet. Durch diese Anordnung ist ein enger Kontakt und eine große Kontaktfläche zwischen dem Fluid und den Membranrohren gewährleistet, und damit eine effiziente Entgasung.
Die Membranrohre oder Membranschläuche, insbesondere auch die hydrophoben Membranhohlfasern, sind in einem Gewebe angeordnet.
In einer ersten Ausführungsform ist das zentrale Verteilungsrohr zylindrisch ausgestaltet, d.h. mit dem selben Durchmesser über die gesamte Länge des Verteilungsrohrs. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform weist einen veränderlichen Durchmesser über die Länge des Verteilungsrohrs auf, so dass sich eine konische Form ergibt. Mit dieser Ausgestaltung können Druckdifferenzen zwischen dem zentralen Zulauf und dem entgegengesetzten Ende des Verteilungsrohrs ausgeglichen werden. Insbesondere kann ein Querstromverteiler dazu genutzt werden, Druckunterschiede zwischen Eingangsseite und Endabschnitt der Zuführung auszugleichen oder aber auch Druckunterschiede, welche durch die Anordnung des Membranmoduls z.B. in vertikaler Richtung verursacht sind, bereits bei der Auslegung der Vorrichtung zu berücksichtigen und entsprechend anzupassen. Hierdurch kann z.B. sichergestellt werden, das der Differenzdruck zwischen Innenseite und Außenseite des Membranmoduls über die Bautiefe des Moduls konstant gehalten wird und damit eine gleichmäßige Beaufschlagung des Moduls bzw. aller Membranrohre erzielt werden kann.
Die Membranrohre oder Membranschläuche, insbesondere auch die hydrophoben Membranhohlfasern, sind dabei auf einer Vielzahl von Kreisradien angeordnet, die im Wesentlichen koaxial zum Verteilungsrohr angeordnet sind.
Im Behälter und außerhalb des Membranmoduls sind Turbulenzgeneratoren, vorzugsweise in der Form eines Rührwerks, angeordnet. Durch ein derartiges Rührwerk ist das entgaste Fluid in kontinuierlicher Bewegung. Diese kontinuierliche Bewegung verhindert ein Stocken bzw. ein Verblocken des entgasten Fluids im Behälter durch Trennen der Bestandteile der Dispersion. Ein derartiges Verblocken könnte zu einem Leistungsverlust der Vorrichtung führen oder gar die Vorrichtung schädigen. Es muss aber vermieden werden, dass durch die Rührbewegung weiteres Gas in das bereits entgaste Fluid eingebracht wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Behälter von der Außenluft abgeschlossen ist bzw. durch die Anordnung und/oder Geschwindigkeit des Rührwerks keine Luft in das Fluid eingetragen wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Behälter geschlossen ausgeführt und weist eine Druckausgleichsvorrichtung auf. Durch diese Ausgestaltung wird verhindert, dass Verschmutzungen bzw. Luft in den Behälter eingebracht werden. Als weiterer Vorteil ergibt sich, dass das Verhärten der Oberfläche – das Bilden einer sog. "Haut" – damit deutlich reduziert wird. Dieser Effekt kann in einer weiteren Ausführungsform durch eine erhöhte Luftfeuchtigkeit noch verstärkt werden. Die mit diesen Ausführungsformen verbundene Druckausgleichsvorrichtung bewirkt, dass der Druck im Behälter weiterhin den atmosphärischen Luftdruck der Umgebung im Wesentlichen nicht übersteigt und damit die vorteilhaften Effekte und die vorteilhafte drucklose Ausgestaltung der Vorrichtung beibehält.
Das Fluid ist eine Suspension, Emulsion oder Dispersion, wie sie bevorzugt zum Streichen von Papier, Karton oder Pappen verwendet wird und ferner weiter bevorzugt einen Feststoffanteil zwischen 5 und 75 Gewichts-%, bevorzugt zwischen 35 und 70 Gewichts-% und insbesondere zwischen 65 und 70 Gewichts-%, aufweist. Das bedeutet jedoch nicht, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung auf diese Fluide beschränkt ist. Ein Fachmann kann leicht aus den vorteilhaften Eigenschaften der vorliegenden Erfindung weitere Einsatzgebiete für diese Vorrichtung bestimmen, beispielsweise für verschiedene Arten von Druckertinten, wie sie z.B. für Tintenstrahldrucker zum Einsatz kommen, für Lacke, Gießharze, in der Kunststoffherstellung, oder dergleichen.
Die Vorrichtung kann nur eines oder eine Vielzahl von Membranmodulen aufweisen. Damit ist eine relativ einfache Skalierbarkeit einer erfindungsgemäßen Anlage bei erhöhtem Leistungsbedarf erzielbar. In einer weiteren Ausführungsform ist diese Vorrichtung auch kaskadierbar, um eine noch weitergehende Entgasung durchzuführen.
Eine weitere Ausprägung der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Entgasung eines gasbeladenen Fluids, mit den Schritten:
Einbringen des gasbeladenen Fluids, insbesondere einer Streichfarbe, mittels eines Überdrucks in einen Zulauf des Fluids an einer Außenfläche von Membranrohren eines Membranmoduls;
Anlegen eines Unterdrucks an der Innenseite der Membranrohre des Membranmoduls zur Abführung des aus dem Fluid abgeschiedenen Gases;
das Fluid durchströmt das Membranmodul und dessen Membranrohre von innen nach außen;
Aufnahme des entgasten Fluids unmittelbar außerhalb des Membranmoduls in einem im Wesentlichen druckfreien Behälter;
Abführen des entgasten Fluids über einen weiteren Ablauf am Behälter.
Diese genannten Schritte sind keineswegs als streng serielle Schritte aufzufassen. Vielmehr laufen sie während eines erfindungsgemäßen Prozesses auch teilweise parallel ab.
Im übrigen gelten die Erläuterungen, die zu den erfindungsgemäßen Vorrichtungen gegeben wurden, auch für das erfindungsgemäße Verfahren sinngemäß.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur Entgasung einer Vielzahl von gasbeladenen Fluiden, insbesondere einer Dispersion, Suspension oder Emulsion, verwendet werden. Besonders geeignet ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Entgasung einer Dispersion, Suspension oder Emulsion, bestehend wenigstens aus Wasser, Bindemittel und Pigment, wie sie bevorzugt zum Streichen von Papier, Karton oder Pappen verwendet wird, und ferner weiter bevorzugt einen Feststoffanteil zwischen 5 und 75 Gewichts-%, bevorzugt zwischen 35 und 70 Gewichts-% und insbesondere zwischen 65 und 70 Gewichts-%, aufweist bzw. einer Streichfarbe zur Verwendung beim Curtain Coating, Walzen-, Sumpf- oder Düsen-Coating in der Papierveredelung.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand verschiedener Ausführungsformen beschrieben, wobei darauf hingewiesen wird, dass die Erfindung nicht auf die hier dargestellte Ausführung beschränkt, sondern vielmehr auch entsprechende Abwandlungen auch im Sinne der vorliegenden Erfindung sind.
Dabei zeigen:
1a eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Entgasung nach dem Stand der Technik in einem Längsschnitt;
1b eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Entgasung nach dem Stand der Technik in einem Querschnitt;
2a eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Entgasung in einem Längsschnitt;
2b eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Entgasung in einem Querschnitt;
3 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Entgasung in einem Längsschnitt.
1a zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Entgasung 1 nach dem Stand der Technik in einem Längsschnitt. Dabei befindet sich ein Membranmodul 20 in einem druckfesten Gehäuse 10. Das Membranmodul 20 wird über eine Zuführung 30 entsprechen dem Pfeil mit dem gasbeladenen Fluid versorgt. Dieses gasbeladene Fluid befindet sich an der Zuführung 30 unter einem Überdruck vorzugsweise von mehreren bar, bezogen auf den Umgebungsdruck außerhalb des Gehäuses 10. Dieser Überdruck presst das gasbeladene Fluid – wie durch Pfeile 33 angezeigt – in das Membranmodul 20. Dieses Membranmodul 20 ist aus Membranrohren oder Membranschläuchen 21 aufgebaut, die im Wesentlichen achsparallel und auf konzentrischen Radien zum Verteilungsrohr 31 angeordnet sind. An einem Ablauf für das Gas 37 ist eine Vakuumpumpe angebracht, die den Unterdruck für die Entgasung in den Membranrohren oder Membranschläuchen 21 erzeugt. Das entgaste Fluid wird an einem Ablauf 35 entnommen. Dadurch bildet sich im Gehäuse 10 ein Druckgefälle und es entsteht eine Strömung vom Verteilungsrohr 31 zum Ablauf 35. Dabei ist der durchströmte Teil des Membranmoduls 25 relativ schmal. Bereiche des Membranmoduls 20, die außerhalb dieses Strömungsverlaufs 25 liegen, werden schlecht oder überhaupt nicht durchströmt. Daher wird mit diesem Aufbau nicht die gesamte Kapazität des Membranmoduls 20 genutzt. Weiterhin bilden sich wegen der geringeren Durchströmung am Rande dieses Strömungsverlaufs 25 Bereiche, in denen sich die Feststoffe der Dispersion ablagern. Dadurch werden diese Bereiche des Membranmoduls 20 durch diese Feststoffe verblockt, wobei der Druck im Gehäuse 10 diese Verblockung zusätzlich fördert. Dieser Vorgang der Verblockung kann je nach Art der Dispersion von wenigen Minuten bis zu einigen Stunden betragen. Wenn das Membranmodul 20 verblockt ist, kann es nicht mehr für die Entgasung weiterverwendet werden und der Entgasungsprozess muss unterbrochen werden. Eine derartige Vorrichtung ist also für Dauerbetrieb nicht geeignet. Wird das Membranmodul 20 bei einer Verblockung nicht sofort gereinigt, dann kann es dadurch sogar dauerhaft geschädigt werden.
1b zeigt schematisch die Vorrichtung zur Entgasung 1 von 1a in einem Querschnitt, wobei die Bezugszeichen die selbe Bedeutung wie in 1a haben.
Dabei ist deutlich der relativ schmale durchströmte Teil des Membranmoduls 25 zu sehen, der sich vom Verteilungsrohr 31 zum Ablauf 35 erstreckt. Die anderen Bereiche des Membranmoduls 20 sind deutlich weniger oder überhaupt nicht durchströmt, so dass sich dort die genannten Ablagerungen der Dispersion bilden.
2a zeigt schematisch eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Entgasung 1 in einem Längsschnitt. In dieser Ausführungsform ist das Membranmodul 20 in einem Behälter 12 liegend angeordnet. Dieser Behälter ist atmosphärisch offen, d.h. er weist bevorzugt einen Überdruck von 0 bis 1 bar, besonders bevorzugt einen Überdruck von 0 bis 0,5 bar und insbesondere einen Überdruck von 0 bis 0,1 bar, jeweils bezogen auf den atmosphärischen Druck der Umgebung, auf. Insbesondere herrscht im gesamten Behälter 12 im Wesentlichen der selbe Druck.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Behälter 12 auch einen Deckel (nicht gezeigt) aufweisen, der den Behälter 12 nach oben abschließt. Dieser Deckel hat vor allem eine Schutzfunktion, z.B. gegenüber Verunreinigungen von außen, er soll aber nicht den Druck des Behälters 12 wesentlich erhöhen. Ist durch die konstruktive Anordnung eine solche Druckerhöhung unvermeidlich, so kann eine Druckausgleichsvorrichtung montiert werden, die den Druck im Behälter 12 begrenzt.
Im gezeigten Beispiel ist das Membranmodul 20 vollständig in dem entgasten Fluid 40, das sich in dem genannten Behälter 12 befindet, aufgenommen und es liegt in einem Abstand 15 unter dem Pegel des entgasten Fluids 40. Über eine Zuführung 30 wird das Membranmodul 20 mit dem gasbeladenen Fluid versorgt. Das gasbeladene Fluid steht unter einem Überdruck, der je nach Ausführungsform etwa zwischen 1 und 12 bar, insbesondere zwischen 1 bis 8 bar, bezogen auf die Umgebung außerhalb des Behälters 12, betragen kann. Dadurch bildet sich ein Überdruck im Verteilungsrohr 31. Um den Druck im Verteilungsrohr 31 möglichst gleichmäßig zu halten, kann dieses nicht nur zylindrisch, sondern auch konisch oder in einer anderen für die Gleichmäßigkeit des Drucks günstigen Form gehalten sein; insbesondere kann das Verteilungsrohr 31 auch als Querstromverteiler gestaltet sein.
Um das Verteilungsrohr 31 sind deutlich eine Vielzahl an Membranrohren oder Membranschläuchen 21 zu sehen. Diese sind als hydrophobe Membranhohlfasern ausgebildet, die bevorzugt im Wesentlichen parallel zu dem Verteilungsrohr 31 im Anschluss an den Zulauf für das Fluid 30 angeordnet sind. Diese Membranhohlfasern sind undurchlässig gegenüber Flüssigkeiten, aber durchlässig gegenüber Gasen. Daher ist das Innere der Membranhohlfasern mit einem Ablauf für das Gas 37 verbunden, an den eine Vakuumpumpe angeschlossen wird. Mit dieser Vakuumpumpe wird bevorzugt ein Unterdruck von 50 bis 800 mbar und insbesondere ein Unterdruck von 300 bis 400 mbar, jeweils bezogen auf den atmosphärischen Druck der Umgebung, angelegt.
Die genannten Membranhohlfasern können in einem Gewebe angeordnet sein, mit dem das Verteilungsrohr 31 umgeben ist. Aus diesen Membranhohlfasern ist das Membranmodul 20 aufgebaut. Die Membranhohlfasern werden von dem gasbeladenen Fluid, vom Verteilungsrohr 31 zum radialen Umfang des Membranmoduls 20. Da der gesamte Umfang des Membranmoduls 20 im Wesentlichen unter dem selben Druck steht, bildet sich über dessen gesamten radialen Umfang die selbe Druckdifferenz zu dem Verteilungsrohr 31 aus; deshalb wird das gesamte Membranmodul 20 im Wesentlichen gleichmäßig von dem Fluid durchströmt, d.h. die durchströmten Bereiche des Membranmoduls 25 umfassen im Wesentlichen das gesamte Membranmodul 20. Dadurch ergibt sich als erfindungsgemäßer Vorteil, dass wesentlich größere Bereiche des Membranmoduls 20 zur Entgasung genutzt werden können; das führt zu einer wesentlichen Erhöhung der Durchflussleistung des Membranmoduls 20. Weiterhin wird mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung weitgehend vermieden, dass sich die Feststoffe der Dispersion im Membranmodul 20 absetzen und dadurch das Membranmodul verblocken. aus diesem Grund kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch im Dauerbetrieb eingesetzt werden. Es müssen nur Verschmutzungen des zugeführten Fluids, welche das Membranmodul verblocken könnten, vermieden werden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung weist Turbulenzgeneratoren, vorzugsweise in der Form eines Rührwerks 50, auf, die das entgaste Fluid in langsamer Bewegung halten. Damit wird vermieden, dass sich im Behälter 12 außerhalb des Membranmoduls 20 Verblockungen bilden, die den Betrieb der Vorrichtung 1 stören könnten. Es sind natürlich auch andere Turbulenzgeneratoren für diese Verwendung einsetzbar, etwa strömungserzeugende Düsen oder dergleichen.
In 2a ist nur ein Membranmodul 20 gezeigt. Das soll aber keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung darstellen. Gerade dadurch, dass Behälter 12 drucklos ausgelegt sein kann, ist eine Skalierbarkeit der Vorrichtung, je nach geforderter Durchflussmenge, relativ einfach zu bewerkstelligen: Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann entweder eine Vielzahl von Membranmodulen 20 in einem Behälter 12 aufweisen, es können aber auch mehrere Vorrichtungen 1 parallel betrieben werden, oder eine Kombination aus diesen beiden Ausführungsformen.
2b zeigt schematisch die Vorrichtung zur Entgasung 1 von 2a in einem Quer-schnitt; die Bezugszeichen haben die selbe Bedeutung wie in 2a. Dabei ist deutlich zu sehen, wie sich das Membranmodul 20 in einem Abstand 15 unter der Oberfläche des entgasten Fluids befindet. Weiterhin ist ersichtlich, wie das Fluid gelichmäßig in alle Richtungen vom Verteilungsrohr 31 zum radialen Umfang des Membranmoduls 20 strömt, so dass die durchströmten Bereiche des Membranmoduls 25 im Wesentlichen das gesamte Membranmodul 20 umfassen. Dabei sind die umströmten Membranrohre oder Membranschläuche 21 in einer Aufsicht zu sehen. Am Boden des Behälters 12 ist der Ablauf 35 für das entgaste Fluid zu sehen. Die Zuführung 30 des gasbeladenen Fluids und der Ablauf 37 für das entzogene Gas sind schematisch dargestellt.
3 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der das Membranmodul 20 vertikal in dem drucklosen Behälter 12 angeordnet ist; die Bezugszeichen haben die selbe Bedeutung wie in 2a und 2b. Auch hier ist wieder zu sehen, dass sich das Membranmodul 20 in einem Abstand 15 unter der Oberfläche des entgasten Fluids befindet. Die Zuführung 30 des gasbeladenen Fluids und der Ablauf 37 für das entzogene Gas sind bei dieser Ausführungsform oben angeordnet; alternativ kann dies auch von unten erfolgen. Die restlichen erfindungsgemäßen Ausführungsformen und Erweiterungen, wie sie für 2a erläutert wurden, gelten hier analog.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform kann die Bautiefe 22 so groß sein, dass der hydrostatische Druck des Fluids dazu führt, dass das Fluid im Behälter 12 außerhalb des Membranmoduls 20 nicht mehr einen einheitlichen Druck aufweist. Das würde ohne eine Kompensation zu unterschiedlichen Druckdifferenzen über die Bautiefe 22 des Membranmoduls 20 führen. Aus diesem Grund kann bei einer derartigen Anordnung des Membranmoduls 20 dessen Innenseite – also das Verteilungsrohr 31 – durch Beeinflussung der Strömung, beispielsweise durch angepasste Strömungsbarrieren, so ausgestaltet sein, dass der Druckabfall des Membranmoduls 20 zwischen dessen Innenseite 31 und dem radialen Umfang über die gesamte Bautiefe 22 im Wesentlichen konstant ist.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Entgasung
10: Gehäuse
12: Behälter
15: Pegel über Membranmodul
20: Membranmodul
21: Membranrohre oder Membranschläuche
22: Bautiefe des Membranmoduls
25: durchströmter Teil des Membranmoduls
30: Zuführung gasbeladenes Fluid
31: Verteilungsrohr
33: Pfeile
35: Ablauf entgastes Fluid
37: Ablauf Gas
40: entgastes Fluid
50: Rührwerk

Claims

Vorrichtung zur Entgasung eines gasbeladenen Fluids, mit einem Behälter (12), in dem wenigstens ein Membranmodul (20), mit einer Innenseite und einem radialen Umfang, zur Trennung eines Gases vom Fluid aufgenommen ist, wobei das Fluid dem Membranmodul (20) über dessen Bautiefe mittels eines Zulaufs (30) zentral zugeführt, über einen Ablauf (35) am Behälter abgeführt und das Gas aus dem Membranmodul (20) über einen weiteren Ablauf (37) am Membranmodul (20) abgeführt wird und das Fluid das Membranmodul (20) von der Innenseite zum radialen Umfang durchströmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid im Behälter (12) außerhalb des Membranmoduls (20) im Wesentlichen einen einheitlichen Druck aufweist oder die Druckunterschiede außerhalb des Membranmoduls (20) durch einen Druckausgleich in einem Verteilungsrohr (31) kompensiert werden, so dass der Druckabfall des Membranmoduls (20) zwischen dessen Innenseite und dem radialen Umfang über die gesamte Bautiefe im Wesentlichen konstant ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid im Behälter (12) außerhalb des Membranmoduls (20) im Wesentlichen atmosphärischen Druck aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Ablauf (37) für das Gas ein Unterdruck, bevorzugt ein Unterdruck von 50 bis 800 mbar und insbesondere ein Unterdruck von 300 bis 400 mbar, jeweils bezogen auf den atmosphärischen Druck der Umgebung, angelegt wird.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Zulauf (30) des Fluids ein Überdruck, bevorzugt ein Überdruck von 1 bis 12 bar und insbesondere ein Überdruck von 1 bis 8 bar, jeweils bezogen auf den atmosphärischen Druck der Umgebung, angelegt wird.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranmodul (20) eine Vielzahl an Membranrohren oder Membranschläuchen (21), insbesondere hydrophobe Membranhohlfasern aufweist, welche aus wenigstens einem Materialien hergestellt sind, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Polysiloxane und/oder deren Derivate, Fluorelastomere wie beispielsweise Fluorkautschuk / FKM, Polytetrafluorethylen und/oder deren Derivate, Polyolefine, und/oder deren Derivate, Polyethylen und Polypropylen, Kombinationen hiervon und dergleichen umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranrohre oder Membranschläuche (21), insbesondere auch die hydrophoben Membranhohlfasern, bevorzugt im Wesentlichen parallel zu einem Verteilungsrohr (31) im Anschluss an den Zulauf für das Fluid (30) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranrohre oder Membranschläuche (21), insbesondere auch die hydrophoben Membranhohlfasern, in einem Gewebe angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale Verteilungsrohr (31) zylindrisch oder konisch, insbesondere als Querstromverteiler, gestaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranrohre oder Membranschläuche (21), insbesondere auch die hydrophoben Membranhohlfasern, auf einer Vielzahl von Kreisradien angeordnet sind, die im Wesentlichen koaxial zum Verteilungsrohr (31) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Behälter (12) und außerhalb des Membranmoduls (20) Turbulenzgeneratoren, vorzugsweise in der Form eines Rührwerks (50), angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (12) geschlossen ausgeführt ist und eine Druckausgleichsvorrichtung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid eine Suspension, Emulsion oder Dispersion ist, wie sie bevorzugt zum Streichen von Papier, Karton oder Pappen verwendet wird und ferner weiter bevorzugt einen Feststoffanteil zwischen 5 und 75 Gewichts-%, bevorzugt zwischen 35 und 70 Gewichts-% und insbesondere zwischen 65 und 70 Gewichts-%, aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Vielzahl von Membranmodulen (20) aufweist.
Verfahren zur Entgasung eines gasbeladenen Fluids, mit den Schritten: – Einbringen des gasbeladenen Fluids, insbesondere einer Streichfarbe, mittels eines Überdrucks in einen Zulauf (30) des Fluids an einer Außenfläche von Membranrohren (21) eines Membranmoduls (20); – Anlegen eines Unterdrucks an der Innenseite der Membranrohre (21) des Membranmoduls (20) zur Abführung (37) des aus dem Fluid abgeschiedenen Gases; – das Fluid durchströmt das Membranmodul (20) und dessen Membranrohre (21) von innen nach außen; – Aufnahme des entgasten Fluids unmittelbar außerhalb des Membranmoduls (20) in einem im Wesentlichen druckfreien Behälter (12); – Abführen des entgasten Fluids über einen weiteren Ablauf (35) am Behälter (12).
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranmodul (20) im Wesentlichen einen gleichmäßigen Druck über den radialen Umfang des Membranmoduls (20), bevorzugt einen Überdruck von 0 bis 1 bar, besonders bevorzugt einen Überdruck von 0 bis 0,5 bar und insbesondere einen Überdruck von 0 bis 0,1 bar, jeweils bezogen auf den atmosphärischen Druck der Umgebung, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15 zur Entgasung eines Fluids unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13.
Verwendung der Vorrichtung 1 nach Anspruch 1 bis 12 zur Entgasung eines gasbeladenen Fluids, insbesondere einer Suspension, Emulsion oder Dispersion, bestehend wenigstens aus Wasser, Bindemittel und Pigment, wie es bevorzugt zum Streichen von Papier, Karton oder Pappen verwendet wird und ferner weiter bevorzugt einen Feststoffanteil zwischen 5 und 75 Gewichts-%, bevorzugt zwischen 35 und 70 Gewichts-% und insbesondere zwischen 65 und 70 Gewichts-%, aufweist bzw. einer Streichfarbe zur Verwendung beim Curtain Coating, Walzen-, Sumpf- oder Düsen-Coating in der Papierveredelung.