DE19581296C2 - Spiralförmig gewickelte Filtrationspatrone mit Längsbypassmerkmal - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf spiralförmig gewickelte Filtra­ tionspatronen von einer Konstruktion, welche die Notwendigkeit von Soleabdichtungen beseitigt.

Ultrafiltration ("UF"), Mikrofiltration ("MF"), Umkehrosmose ("RO") und Gasabscheidung sind chemische Prozeßoperationen, welche für eine große Anzahl von Anwendungen von Nutzen sind. Der einzige höchst wichtige Schritt zum Erreichen von prakti­ schen Dauerbetriebs-Filtrationsraten für diese chemischen Pro­ zeßoperationen war die Entwicklung einer Familie anisotroper polymerer Ultrafiltrations- und Mikrofiltrationsmembranen mit verschiedenen Molekulargewichts-Grenzwerten, welche effektive Porengrößen haben, die von nicht-porös bis zu porös im Mikrome­ terbereich reichen. UF- und MF-Membranen weisen bei normalen Arbeitsdrücken eine hohe Strömungsrate auf und zeigen eine gute Beständigkeit gegen ein Verstopfen. Man glaubt, daß das letztere Phänomen weitgehend einer sehr dünnen Sperrschicht auf der stromauf liegenden Seite der Membran zuzuschreiben ist, welche es ermöglicht, daß die Membran sich eher als Oberflächen-, als als Tiefenfilter verhält. Solche UF- und MF-Membranen, wie sie hierin beschrieben sind, stehen bei Amicon, Inc. (Beverley, Massachusetts) zur Verfügung.

Um eine kontinuierliche Flüssigkeits-Strömungsgeschwindigkeit bei Verwendung dieser Membranen aufrechtzuerhalten, kann eine weitgehend anerkannte Technik, die "Querstrom" (oder Tangentialstrom) genannt wird, zur Anwendung kommen, um ein großes Flüs­ sigkeitsvolumen in einer kurzen Zeit zu verarbeiten. (Da nun eine Querstromfiltration bei allen Typen von Filtermembranen, z. B. Mikrofiltrations-, Ultrafiltrations- und Umkehrosmose- ("RO"-)Membranen nützlich ist, wird das Wort "Filtration" hier­ in so verstanden, daß es sich auf alle diese Membrantypen be­ zieht.) Anders als bei der Verwendung von "gut gerührten diskon­ tinuierlichen Zellen", d. h. bei Zellen, wo die in der Zelle zu filternde Lösung beständig durch eine Rührvorrichtung gerührt wird, die sich eben oberhalb der Membranoberfläche am Boden der Zelle befindet, strömt bei der Querstromfiltration Flüssigkeit quer oder tangential zur Filtrationsmembranoberfläche. Auf diese Weise wird ein hoher Prozeßfluß erreicht, weil im Gegensatz zur Tiefenfiltration, wo die gesamte Dicke der Membran benutzt wird, nur diese Membranoberfläche als Siebungssperre wirkt. Eine Quer­ stromfiltration vermeidet auch das allgemein bekannte Problem einer "Konzentrationspolarisierung", bei welcher sich durch die Filtrationsmembran zurückgewiesene gelöste Stoffe an der Mem­ branoberfläche ansammeln, um einen Gel-ähnlichen Film zu bilden, welcher eine weitere Filtration verhindert.

In Spiralform gewickelte Filtrationspatronen (kurz als "Spiral­ patronen" bezeichnet) nutzen das Tangentialstromprinzip. Diese Patronen sind bekannt, und es kann als Beispiel dafür das US- Patent Nr. 5.114.582 genannt werden, dessen Offenbarung hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen ist. Bei solchen Patronen wird ein "Schichtelement" (Sandwich) von Membranschichten (Membran­ schicht - Permeatträgerschicht - Membranschicht) spiralförmig um ein poröses Permeatsammelrohr gewickelt. Die Schichtelemente werden durch Distanzstücke voneinander getrennt, welche für Retentat-Strömungskanäle sorgen. Eine Patrone kann je nach ihrer Größe mehrere solcher "Schichtelemente" enthalten. Die Membran­ kanten sind miteinander verbunden, so daß die Prozeßflüssigkeit nicht in den Kanal eintreten kann, in dem das Permeat gesammelt wird. Die spiralförmig gewickelte Baueinheit wird dann in ein zylindrisches Gehäuse eingesetzt und an ihrem Ort befestigt. Dann können Prozeßflüssigkeitsarmaturen angebracht werden. Wenn Prozeßflüssigkeit axial die Retentatstromkanäle hinabfließt, dann bewegt sich das Permeat spiralförmig innerhalb des Membran­ verbundes zu dem zentralen Sammelrohr hin und tritt dann durch eine Sammelleitungsbaueinheit aus. Diese Anordnung sorgt für eine effektive Filtration durch Quer-Tangentialstrom über eine große Membranfläche. Spiralförmig gewickelte Filtrationspatronen werden typischerweise für z. B. Gasabscheidung, Umkehrosmose, Nanofiltration, Ultrafiltration und Mikrofiltration verwendet.

In Spiralform gewickelte Filtrationspatronen, die für eine Wie­ derverwendung konstruiert sind, umfassen generell eine innere spiralförmig gewickelte Baueinheit, die in ein zylindrisches wiederverwendbares äußeres Gehäuse eingesetzt sind. Weil solche Patronen nicht aus einem Stück hergestellt sind, gibt es deshalb einen gewissen Raum zwischen der inneren in Spiralform gewickel­ ten Baueinheit und dem zylindrischen äußeren Gehäuse; siehe zum Beispiel das US-Patent Nr. 5,192,437. Flüssigkeit gelangt des­ halb unvermeidlich in den "Bypass"-Raum zwischen dem Gehäuse und der Baueinheit; dies kann Schwierigkeiten beim Reinigen der Patrone mit sich bringen, was zu einem Bakterienwachstum in jenem Raum führen kann. Soleabdichtungen unterschiedlicher Kon­ struktion, z. B. das US-Patent Nr. 4,064,052 von Zimmerly, sind vorgeschlagen worden, um dieses Problem einzuschränken; die Konstruktionen arbeiten nach dem Prinzip, daß sie gestatten, daß ein gesteuerter Flüssigkeitsstrom die spiralförmig gewickelte Baueinheit umgeht und daß folglich ein Stillstand der Flüssig­ keit in dem Raum zwischen dem Gehäuse und der Patrone verhindert wird.

Die zur Verfügung stehenden wiederverwendbaren spiralförmig gewickelten Filtrationspatronen der vorstehend angeführten Kon­ struktionen leiden unter Problemen. Erstens liefern Konstruktio­ nen, die Soleabdichtungen verwenden, keine zufriedenstellende Lösung für das Problem des Bakterienwachstums infolge der gerin­ gen Geschwindigkeit der Bypassflüssigkeit, die durch die Kon­ struktionen geliefert wird, welche bis jetzt zur Verfügung ge­ stellt worden sind. Zweitens ist das wiederverwendbare äußere Gehäuse so gestaltet, daß es ein Beseitigen der verbrauchten oder verschmutzten inneren spiralförmig gewickelten Baueinheit und das Einsetzen einer frischen gestattet. Tatsächlich ist diese Aufgabe nicht so leicht oder so einfach, wie sie sein sollte, da ja das Einsetzen und Entfernen der inneren spiralför­ mig gewickelten Baueinheit durch die engen Toleranzen schwierig gemacht wird, welche bei den gegenwärtigen Konstruktionen erfor­ derlich sind, um eine gute Passung der inneren spiralförmig gewickelten Baueinheit und der Soleabdichtungen gegenüber dem äußeren Gehäuse zu gewährleisten. Weiterhin machen dieselben engen Toleranzen und die gegenwärtigen Herstellungsverfahren eine reproduzierbare Produktion solcher spiralförmig gewickelter Baueinheiten im günstigsten Falle schwierig. Ein drittes Problem bei gegenwärtig verfügbaren spiralförmig gewickelten Filtra­ tionspatronen ist, daß häufig eine schädliche Druckdifferenz zwischen dem inneren und dem äußeren (d. h. dem Bypassstrom-) Strömungsweg des Spiralelementes für das Retentat besteht; des­ gleichen führt eine konventionelle Einzel-Soleabdichtung zu einem Einzel-Druckabfall an einem Ende der spiralförmig gewic­ kelten Filtrationspatrone. Die erstere Bedingung führt zu Span­ nungen und/oder Deformierung und einem Versagen der Spiralbau­ einheit, während die letztere Bedingung zu einem katastrophalen Ausfall der Abdichtung durch Versagen einer Dichtungskante füh­ ren kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine in einem Auto­ klaven einsetzbare Filtrationspatrone gemäß Patentanspruch 1.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Spiralpatrone im Längs­ schnitt.

Fig. 2 zeigt die innere spiralförmig gewickelte Baueinheit von Fig. 1 in Seitenansicht.

Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform der Spiralpatrone von Fig. 1 im Schnitt.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Spiralpatrone von Fig. 1 in einem vereinfachten Schnitt.

Beschreibung der Erfindung

Wenden wir uns jetzt den Zeichnungen zu, so zeigt Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt. Die Spiralpatrone 1 hat ein Gehäuse 9, welches generell eine zylin­ drische Form hat und die Spiralbaueinheit 2 umschließt. Das Gehäuse 9 hat weiterhin einen Flansch 8, an welchem Armaturen eines bekannten Typs befestigt werden können, damit man die Patrone an eine Einrichtung für das Filtrieren einer Prozeßflüs­ sigkeit anschließen kann. Im Innern des Gehäuses 9 ist auch ein zylindrischer Hohlraum für die Aufnahme der Spiraleinheit 2 ausgebildet, der eine Innenfläche 7 hat. Das Gehäuse kann aus beliebigen Werkstoffen hergestellt sein, welche üblicherweise bei der Fertigung von Spiralpatronen verwendet werden, z. B. aus rostfreiem Stahl; aus Polysulfonen; aus Polypropylenen und damit verwandten Verbindungen; aus Polytetrafluoräthylen (PFTE) und verwandten Verbindungen; oder aus Polyvinylchlorid. Gleichgül­ tig, welches Gehäusematerial verwendet wird, es muß in der Lage sein, die normalen Betriebsbedingungen auszuhalten, denen solche Patronen unterliegen. Wegen des leichten Gewichts und der Ver­ fügbarkeit der Spiralpatronen haben sich Kunststoffmaterialien als bevorzugt herausgestellt, wenn es die Betriebsbedingungen gestatten. Offensichtlich wird dann, wenn höhere Betriebsdrücke vorgesehen sind, ein steiferes Material, z. B. rostfreier Stahl 316, notwendig. Noch stärker werden thermoplastische Materialien bevorzugt, aus welchen man leicht Gehäuse herstellen kann, z. B. im Spritzgußverfahren. Beispiele für Thermoplaste sind Akrylni­ tril-Butadien-Styrol-Harze, Azetale, Zellulosederivate, chlo­ rierte Polyätherverbindungen, fluorierte Kohlenwasserstoffe, Nylonverbindungen (Polyamide), Polykarbonate, Polyolefine und Kopolymere davon, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Polyäthylene und Kopolymere davon, Polypropylene und Kopolymere davon, chlorierte oder fluorierte Polyolefine und Kopolymere davon; Polystyrole und Vinyle, z. B. Polyvinylchlorid. Bevorzugt bei den Thermoplasten werden Polysulfone.

Die Spiralbaueinheit 2 hat die Schichten aus Membran-"Schicht­ elementen", die im Schnitt bei 4 gezeigt werden, welche spiral­ förmig um das Permeatsammelrohr 3 gewickelt sind. Jemand mit gewöhnlichen Kenntnissen in der Technik weiß, wie Spiralbauein­ heiten hergestellt werden, wie sie bei der Erfindung verwendet werden können; es kann weiterhin diesbezüglich auf das US-Patent Nr. 5,114,582 verwiesen werden, das weiter vorn erwähnt worden ist. Wie bei der Ausführungsform von Fig. 1 gezeigt, wird eine äußere Schicht 5, die auf der Außenseite der Spiralbaueinheit ausgebildet ist, so gezeigt, daß sie eine aus einem Stück beste­ hende schneckenförmige Wulst 7 hat, die bei Punkt 7a beginnt und bei Punkt 7b endet. Eine Seitenansicht der mit einer schnecken­ förmigen Wulst ausgestatteten Spiralbaueinheit 2 wird in Fig. 2 gezeigt.

Die Außenseite der Spiralbaueinheit muß im wesentlichen undurch­ lässig gegenüber Prozeßflüssigkeit sein, die durch den in Längsrichtung orientierten Flüssigkeits-Strömungspfad 6 hindurchgeht, wie hierin beschrieben. Die schneckenförmige Wulst kann an der Außenseite der Spiralbaueinheit angebracht werden, doch wird bevorzugt, daß dies eine aus einem Stück bestehende Baueinheit ist. Diese aus einem Stück bestehende Baueinheit wird vorteil­ hafterweise an die Spiralbaueinheit angegossen; beispielsweise kann die Spiralbaueinheit zusammengebaut und in eine Form einge­ setzt werden, um eine aus einem Polymer bestehende äußere Schicht zu bilden, die eine schneckenförmige Wulst hat, wobei dann die äußere Schicht dadurch gebildet wird, daß man z. B. einen Thermoplast zwischen die Innenseite der Form und die Au­ ßenseite der Spiralbaueinheit einspritzt. Alternativ kann die aus einem Stück bestehende Baueinheit zu einer greiferförmigen Umschließung gegossen und verklebt oder in anderer Weise an der Spiralbaueinheit befestigt werden. Ein Gießen der Außenseite der Spiralbaueinheit sorgt für eine überlegene maßliche Genauigkeit verglichen mit den traditionellen Herstellungsverfahren, die bei der gegenwärtigen Technik der Herstellung spiralförmiger Fil­ trationspatronen zur Anwendung kommen; folglich kann der Spalt zwischen der Spiralbaueinheit und dem Gehäuse reduziert und trotzdem eine konsistente und viel höhere Reinigungsgeschwindig­ keit zwischen dem Gehäuse und der Spiralbaueinheit sicherge­ stellt werden (d. h. ungefähr um das 100-fache größer als bei den mit einer Soleabdichtung ausgerüsteten Spiralpatronen).

Das Material für die Herstellung der aus einem Stück bestehenden Baueinheit ist vorteilhafterweise eines mit einer biegsamen Zusammensetzung, weil dann, wenn die Spiralpatrone hergestellt wird, die Spiralbaueinheit typischerweise in ein Ende des Gehäu­ ses eingesetzt wird und ein gewisses Zusammendrücken der aus einem Stück bestehenden Baueinheit zu erwarten ist. Desgleichen stellt diese Montagetechnik einen kontinuierlichen Kontakt zwi­ schen dem Gehäuse und der Spiralbaueinheit sicher. Duroplastver­ bindungen können vorteilhafterweise bei der Erfindung verwendet werden. Beispiele für Duroplaste sind Epoxide; modifizierte Epoxide; EPDM-Kopolymere; Silikongummiarten, wie beispielsweise RTV-Silikone; Fluorsilikongummiarten; Nitrilgummiarten; Butylgummiarten; Urethane und Mischungen davon. Bei der Auswahl einer geeigneten Verbindung braucht man lediglich zu berücksichtigen, ob die Verbindung 1) die Drücke aushalten kann, denen die Patro­ ne unter normalen Betriebsbedingungen ausgesetzt ist; und 2) ob sie mit den Flüssigkeiten verträglich ist, die durch die Patro­ nen hindurchgehen, da die Verbindung mit jenen Flüssigkeiten in eingeschränkten Kontakt kommt.

Man kann aus Fig. 1 erkennen, daß ein kontinuierlicher in Längs­ richtung orientierter Flüssigkeits-Strömungspfad 6 ermöglicht, daß ein Teil der Prozeßflüssigkeit die Spiralbaueinheit 2 um­ geht. Die kontinuierliche gesteuerte Bewegung von Prozeßflüssig­ keit durch Pfad 6 stellt sicher, daß kein Bakterienwachstum auftritt und das System verunreinigt. Vorzugsweise ist der in Längsrichtung orientierte Flüssigkeits-Strömungspfad so gestal­ tet, daß er eine Bypassströmung gestattet, die ein Reinigen des Bypassbereichs in Übereinstimmung mit allgemein anerkannten Industriestandards gestattet oder generell ungefähr 2,5 Fuß je Sekunde oder mehr. Die schneckenförmige Wulst 7 sollte im we­ sentlichen nicht in Kontakt mit der Innenseite 10 von Gehäuse 9 stehen, um so für den kontinuierlichen Pfad zu sorgen. Ein durch einen nicht-kontinuierlichen Kontakt verursachtes Kurzschließen wird nicht bevorzugt, doch kann in manchen Situationen ein ge­ wisses Kurzschließen akzeptabel sein.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform wird der in Längs­ richtung orientierte Bypass-Flüssigkeits-Strömungspfad 6 als einzelner schneckenförmiger Pfad gezeigt, der durch den Kontakt der schneckenförmigen Wulst 7 und der Innenseite 10 definiert wird. Der schneckenförmige Kanal schafft eine hohe Strömungs­ geschwindigkeit zwischen der Spiralbaueinheit und dem Gehäuse, was ein wirksames Reinigen bei einer sehr geringen parasitären Strömungsgeschwindigkeit als Folge der vergrößerten Länge des Strömungskanals sicherstellt, die sich aus dem schneckenförmigen Pfad ergibt. Weiterhin stellt der schneckenförmige Kanal sicher, daß keine schädigende Druckdifferenz zwischen dem inneren und dem äußeren Retentat-Flüssigkeitspfad des Spiralelements besteht. Die Konstruktion führt zu einem kontinuierlichen und gleichmäßigen Druckabfall über die Länge der Patrone. Es ist weit besser, eine allmähliche Druckdifferenz aufrechtzuerhalten, das genauer zu dem tatsächlichen Druckprofil im Innern der Pa­ trone paßt (wie bei meiner Erfindung), um Spannungen und/oder eine Deformation der Spiralbaueinheit durch einen ausgeglichenen Druck zwischen dem inneren und dem äußeren Retentatpfad der Pa­ trone zu reduzieren. Darüberhinaus verringert diese Konstruktion in starkem Maße den kritischen Zustand einer einzigen Abdich­ tung, da ja ein Ausfall der abdichtenden Kante bei einer ein­ zigen Dichtung ganz katastrophal sein kann.

Die schneckenförmige Wulst 7 steht in Übereinstimmung mit einer unregelmäßigen Gehäuse- oder maßlichen Abweichung, die aus einer Wärme-Dehnung/Kontraktion resultiert, indem man das richtige Material wählt. Eine Wulst, die eine dreieckige Form hat, steht sogar noch leichter in Übereinstimmung mit Unregelmäßigkeiten z. B. der inneren zylindrischen Oberfläche und reduziert gleich­ zeitig den Reibungswiderstand bei einem Einsetzen und Entfernen der Spiralbaueinheit. Noch elegantere Konstruktionen, die selbstabdichtende Profile enthalten, welche als Ergebnis der Druckdifferenz über die Wulst abdichten, könnten wünschenswert sein.

Es sind jedoch verschiedene Ausführungsformen der Erfindung be­ absichtigt, und einige Alternativen werden in Fig. 3 bis 5 ge­ zeigt. Fig. 3 zeigt eine Spiralpatrone entsprechend der Erfin­ dung, bei welcher die undurchlässige äußere Fläche 14 so gezeigt wird, daß sie die Spiralbaueinheit 13 umgibt. Eine Vielzahl von in Längsrichtung orientierten Bypass-Flüssigkeits-Strömungspfa­ den 12 wird durch den Kontakt von Wulsten 11 (die generell in der undurchlässigen äußeren Oberfläche 14 ausgebildet sind und axial daran entlang laufen) mit der inneren zylindrischen Ober­ fläche 16 von Gehäuse 15 gebildet. In Fig. 4 wird eine Spiralpa­ trone, die im Konzept ähnlich, aber anders in der Ausführung als die Spiralpatrone von Fig. 1 ist, in vereinfachtem Schnitt dar­ gestellt; die Spiral-Patronenbaueinheit 18, die von einem undurchlässigen zylindrischen Überzug mit glatter Stirnseite be­ deckt ist, ruht innerhalb der inneren zylindrischen Oberfläche 21 von Gehäuse 17. Der schneckenförmige Bypass-Flüssigkeits- Strömungspfad 19 wird dadurch gebildet, daß für eine untrennbare schneckenförmige Wulst 19 in der zylindrischen inneren Oberflä­ che 21 von Gehäuse 17 gesorgt wird.

Claims (8)

1. Spiralfiltrationspatrone, mit:

• a) einer spiralförmig gewickelten inneren Filtrations­ baueinheit, die eine undurchlässige äußere zylindrische Oberfläche aufweist, auf der eine Wulst untrennbar verbunden ausgebildet ist, und
• b) einem Gehäuse, das einen zylindrischen Hohlraum zur Aufnahme der inneren Filtrationsbaueinheit aufweist, wobei
• c) die Wulst in engem Kontakt mit der inneren zylindri­ schen Oberfläche des zylindrischen Hohlraums steht, um dadurch zwischen der inneren Filtrationsbaueinheit und dem Gehäuse einen kontinuierlichen, in Längsrichtung orientierten Flüssigkeits-Strömungspfad zu bilden, der es gestattet, daß ein Teil einer Flüssigkeit an einem Ende der Filtrationspatrone eintritt, um die spiral­ förmig gewickelte innere Filtrationsbaueinheit zu umgehen und zu dem anderen Ende der Filtrationspatrone zu gelangen.

2. Filtrationspatrone nach Anspruch 1, wobei die Wulst eine Dreiecksform hat.

3. Filtrationspatrone nach Anspruch 1, wobei die Wulst von einer solchen Konstruktion ist, daß diese Wulst als Ergebnis der Druckdifferenz über diese Wulst gegen die innere zylin­ drische Oberfläche abdichtet.

4. Spiralfiltrationspatrone, mit:

• a) einer spiralförmig gewickelten inneren Filtrations­ baueinheit, die eine undurchlässige äußere zylindrische Oberfläche aufweist, und
• b) einem Gehäuse, das zur Aufnahme der inneren Filtra­ tionsbaueinheit einen zylindrischen Hohlraum aufweist, in dessen inneren, zylindrischen Oberfläche ein kontinuierlicher, in Längsrichtung orientierter Flüssig­ keits-Strömungspfad ausgebildet ist, der es gestattet, daß ein Teil einer Flüssigkeit an einem Ende der Filtrationspatrone eintritt, um die spiralförmig gewickelte innere Filtrationsbaueinheit zu umgehen und zu dem anderen Ende der Filtrationspatrone zu gelangen.

5. Filtrationspatrone nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse aus einem Material besteht, das aus der Gruppe gewählt wird, die aus rostfreiem Stahl, Polysulfonen, Polypropylen, Polytetrafluoräthylen (PFTE), Polyvinyl­ chlorid, Akrylnitril-Butadien-Styrol-Harzen, Azetalen, Zellulosederivaten, chlorierten Polyäthern, fluorierten Kohlenstoffen, Nylonarten (Polyamiden), Polykarbonaten, Polyolefinen und Copolymeren davon, Polystyrolen und Vinylen besteht.

6. Filtrationspatrone nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die undurchlässige äußere zylindrische Oberfläche aus einem Material hergestellt ist, das aus der Gruppe gewählt wird, welche aus Epoxiden, modifizierten Epoxiden, EPDM- Copolymeren, Silikongummiarten, fluorierten Silikongummi­ arten, Nitrilgummiarten, Butylgummiarten, Urethanen und Mischungen davon besteht.

7. Filtrationspatrone nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der kontinuierliche, in Längsrichtung orientierte Flüssigkeits-Strömungspfad schneckenförmig ist.

8. Filtrationspatrone nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von diesen kontinuierlichen, in Längs­ richtung orientierten Flüssigkeits-Strömungspfaden ausge­ bildet sind.