DE19731551A1 - Filtervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung zum Fil­ tern von flüssigen oder gasförmigen Medien.

Zum Filtern von flüssigen oder gasförmigen Medien sind Filterelemente bekannt, die in einem langgestreckten Trägerkörper aus grober Keramik mehrere in Längsrich­ tung verlaufende Kanäle aufweisen. Die Kanalwände sind mit einer Filtermembran aus feinporigem Material, bei­ spielsweise feinporiger Keramik, bedeckt. Beim Durch­ strömen der Kanäle mit dem zu filternde Medium tritt das Filtrat (Permeat) durch die Filtermembran in den grobporigen Trägerkörper ein und an dessen Umfangsflä­ che aus.

Zur Erreichung einer hohen Leistungsfähigkeit und Wirt­ schaftlichkeit von Filtern muß die Filterfläche je Fil­ terelement möglichst groß sein. Zur Vergrößerung der Filterfläche kann die Anzahl der längslaufenden Kanäle im Trägerkörper erhöht werden, indem die Querschnitts­ fläche der einzelnen Kanäle verkleinert wird. Die Vis­ kosität des zu filternden Mediums setzt jedoch einer Verkleinerung der Querschnittsfläche der einzelnen Ka­ näle Grenzen.

Eine weitere Möglichkeit zur Vergrößerung der Filter­ fläche besteht darin, die Außenabmessungen des gesamten Filterelements zu vergrößern und in dem Filterelement eine größere Anzahl von Kanälen mit ausreichend großer Querschnittsfläche vorzusehen. Aufgrund der Vergröße­ rung der Außenabmessungen des Filterelements vergrößert sich aber auch der mittlere Abstand zwischen den ein­ zelnen Kanälen und der Umfangsfläche des Filterele­ ments. Durch die langen Diffusionswege und den dadurch erhöhten Druckverlust verringert sich der Druck des Filtrats im Trägerkörper von innen nach außen stark, wodurch die vorhandene Filterkapazität nur teilweise ausgeschöpft wild. Wegen der längeren Diffusionswege und dem erhöhten Druckverlust wird der Abtransport des Permeats behindert, wodurch die Permeatmenge sinkt. Zur Reinigung der Membranoberfläche ist in regelmäßigen Abständen ein Rückspülimpuls notwendig. Durch lange Diffusionswege und erhöhten Druckverlust ist die Ab­ reinigung der weiter innen angeordneten Kanäle er­ schwert.

Aus DE 41 34 223 C1 ist ein langgestrecktes keramisches Filterelement mit längslaufenden Kanälen bekannt. Die Kanäle sind auf konzentrischen Kreisen angeordnet, wo­ bei sich die zwischen den Kanälen verbleibende Wand keilförmig nach außen verbreitert. Die Querschnitts­ fläche der Kanäle nimmt von innen nach außen zu. Der­ artige Filterelemente können nicht beliebig groß herge­ stellt werden, weil mit zunehmender Größe auch die Länge der Diffusionswege des Filtrats und der Strö­ mungswiderstand ansteigen. Dadurch ist die Filterwir­ kung bei innenliegenden Kanälen schlechter als bei wei­ ter außen im Trägerkörper angeordneten Kanälen.

Aus EP 0 310 632 B1 ist ein einstückiges Filterelement mit längslaufenden Kanälen bekannt. Einige der längs­ laufenden Kanäle sind an den Stirnseiten des Filter­ elements verschlossen, so daß durch diese kein zu fil­ terndes Medium strömt. Die stirnseitig verschlossenen Kanäle sind über quer verlaufende Kanäle mit der Ober­ fläche des Filterelements verbunden. Das Filtrat kann in die stirnseitig verschlossenen Kanäle eintreten und über die quer verlaufenden Kanäle abfließen. Das Ver­ schließen einzelner längslaufender Kanäle ist aufwendig und das Herstellung von Querkanälen ist schwierig, da stets sichergestellt sein muß, daß eine Mindestwand­ dicke zwischen den Querkanälen und den längslaufenden Kanälen, durch die das zu filternde Medium strömt, er­ halten bleibt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Filtervorrichtung mit großer Filterfläche zu schaffen, bei der kurze Diffusionswege und geringer Druckverlust realisiert sind.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Filtervorrichtung ist in mehrere konzentrisch zueinander angeordnete Filterelemente mit längslaufenden Kanälen aufgeteilt. Die Filterelemente sind vorzugsweise ringförmig ausgebildet und ineinander angeordnet. Zwischen ihnen besteht jeweils ein radialer Abstand, so daß zwischen jeweils zwei Filterelementen ein umlaufender Ablaufkanal ausgebildet ist. Das Fil­ trat braucht in jedem Filterelement nur bis zu dessen Umfangsfläche vorzudringen und gelangt dann sogleich in einen Ablaufkanal, über den das Filtrat aus der Filter­ vorrichtung abgeleitet wird. Da der Filtratweg in jedem Filterelement gemessen an dem Querschnitt der gesamten Filtervorrichtung relativ klein ist, ergeben sich kurze Diffusionswege. Insbesondere sind die Längenunterschie­ de der einzelnen Diffusionswege gering, so daß die Fil­ terwirkung über das Volumen der Filtervorrichtung gleichmäßig verteilt ist.

Vorzugsweise sind um ein inneres langgestrecktes Fil­ terelement mehrere ringförmige Filterelemente konzen­ trisch zu dem inneren Filterelement angeordnet. Ist das innere Filterelement beispielsweise ein Zylinder, so sind um den Zylinder Filterelemente mit ringförmigem Querschnitt angeordnet. Weist das innere Filterelement eine mehreckige Außenkontur auf, so können die das in­ nere Filterelement umgebenden Filterelemente entspre­ chend ebenfalls mehreckig ausgebildet sein. Ebenso ist eine konzentrische Anordnung von Filterelementen mit unterschiedlichen Querschnitten möglich.

Erfindungsgemäß ist die Filtervorrichtung in mehrere Filterelemente unterteilt, wobei die Dicke der einzel­ nen Filterelemente gering ist, so daß kurze Diffusions­ wege realisiert sind. Dadurch kann der Druckverlust innerhalb des Trägerkörpers im Filtrat sehr klein ge­ halten werden. Die Kanäle können in dem Trägerkörper in geringem Abstand zueinander angeordnet werden. Da der Druck des Filtrats im Trägerkörper wegen der kurzen Diffusionswege über den gesamten Querschnitt annähernd konstant ist, ist die Filterwirkung bei jedem Kanal annähernd gleich.

Die erfindungsgemäße Filtervorrichtung weist eine große Filterfläche bei geringer Anzahl an Bauteilen auf. Dies wird erreicht, ohne die Diffusionswege zu verlängern und damit den Druckverlust zu erhöhen. Ferner ist auf­ grund der kurzen Diffusionswege die Rückspülbarkeit zur Reinigung der Filtermembranen verbessert.

Vorzugsweise weisen die Filterelemente Querkanäle auf, die radial von der Innenfläche zur Außenfläche des Fil­ terelements verlaufen. Sofern drei oder mehr Filterele­ mente konzentrisch zueinander angeordnet sind, sind durch die Querkanäle die zwischen den Filterelementen vorgesehenen umlaufenden Ablaufkanäle miteinander ver­ bunden. Dadurch findet zwischen den Ablaufkanälen ein Druckausgleich statt, so daß die Filterwirkung der er­ findungsgemäßen Filtervorrichtung verbessert ist.

Durch das Vorsehen von Querkanälen in den Filterelemen­ ten können die Ablaufkanäle an beiden Stirnseiten ge­ schlossen sein, so daß das Filtrat ausschließlich über die Außenfläche und die Querkanäle des äußersten Fil­ terelements abfließt. Da die durch die Querkanäle der Filterelemente fließende Filtratmenge zunimmt, je wei­ ter außen ein Filterelement angeordnet ist, sollte die Anzahl der Querkanäle eines Filterelements jeweils grö­ ßer sein als die Anzahl der Querkanäle des nächst inne­ ren Filterelements. Zusätzlich kann die Summe der Quer­ schnittsflächen der Querkanäle eines Filterelements größer sein als die Summe der Querschnittsflächen der Querkanäle des nächstinneren Filterelements.

Da die erfindungsgemäße Filtervorrichtung aus mehreren einzelnen Filterelementen zusammengesetzt ist, ist die Herstellung stark erleichtert.

Die Filterelemente können aus Kunststoff oder Sinter­ metall bestehen. Vorzugsweise sind sie aus Keramik her­ gestellt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt des zentralen Filterelements einer Filtervorrichtung und

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt einer das Fil­ terelement nach Fig. 1 enthaltenden Filtervor­ richtung.

Das in Fig. 1 dargestellte stabförmige zylindrische Filterelement 10 erstreckt sich senkrecht zur Zeichen­ ebene und weist über die gesamte Länge den gleichen Querschnitt auf. Das Filterelement 10 weist einen Trä­ gerkörper 11 aus grobporiger Keramik (Aluminiumoxid) auf. In dem Trägerkörper 11 sind mehrere längslaufende Kanäle 12 angeordnet, die sich in Längsrichtung durch das gesamte Filterelement erstrecken. Die Kanäle 12 sind auf konzentrisch zueinander angeordneten Kreisen angeordnet, wobei auf allen Kreisen die Abstände zwi­ schen benachbarten Kanälen jeweils gleich sind. Die Ka­ nalwände der Kanäle 12 sind jeweils über ihre gesamte Länge mit einer Filtermembran 13 bedeckt. Die Filter­ membran 13 besteht aus feinporigem Material, bei­ spielsweise feinporiger Keramik, wie z. B. Aluminium­ oxid, Zirkonoxid oder Titanoxid.

Zum Filtern von flüssigen oder gasförmigen Medien strömt das Medium durch die Kanäle 12. Aufgrund des in den Kanälen 12 herrschenden Drucks wird das Filtrat durch die Filtermembran 13 aus den Kanälen 12 in radia­ ler Richtung in den Trägerkörper 11 gedrückt. Das Fil­ trat strömt in dem Trägerkörper 11 in Richtung der Pfeile zur Oberfläche 14 des Trägerkörpers 11. An der Oberfläche 14 des Trägerkörpers 11 tritt das Filtrat radial in Richtung der Pfeile aus.

Das in Fig. 1 dargestellte Filterelement 10 ist das zen­ trale Filterelement der in Fig. 2 dargestellten Filter­ vorrichtung. Um das zylindrische Filterelement 10 sind kreiszylinderförmige einstückige Filterelemente 20, 21 angeordnet. Das Filterelement 20 ist konzentrisch zu dem in Fig. 1 beschriebenen Filterelement 10 angeord­ net, so daß zwischen dem Filterelement 10 und dem Fil­ terelement 20 ein ringförmiger Ablaufkanal 22 ausgebil­ det ist. Entsprechend ist zwischen den beiden kreiszy­ linderförmigen Filterelementen 20 und 21 ein weiterer Ablaufkanal 23 ausgebildet, da der Außendurchmesser des Filterelements 20 kleiner als der Innendurchmesser des Filterelements 21 ist und die beiden Filterelemente 20, 21 zueinander konzentrisch angeordnet sind. Zur Ver­ steifung der Filtervorrichtung können in den Abflußka­ nälen 22, 23 zwischen den Filterelementen 10, 20, 21 Ab­ stützungen vorgesehen sein.

Die stabförmigen Filterelemente 20, 21 weisen entspre­ chend dem zylindrischen Filterelement 10 jeweils einen Trägerkörper 24, 25 aus grobporiger Keramik auf, in dem in Längsrichtung Kanäle 12 parallel zueinander angeord­ net sind. Sämtliche Filterelemente 10, 20, 21 sind Pro­ filkörper, die über die gesamte Länge den gleichen Querschnitt aufweisen. Die Kanalwände der Kanäle 12 sind entsprechend den in Fig. 1 beschriebenen Kanälen 12 mit einer Filtermembran 13 bedeckt, die in Fig. 2 nicht dargestellt ist. Die Kanäle 12 der Filterelemente 20, 21 sind, ebenso wie bei dem Filterelement 10, auf zueinander konzentrischen Kreisen in konstantem Abstand zueinander angeordnet. In beiden Filterelementen 20, 21 sind Kanäle 12 über den gesamten Querschnitt in kon­ stantem Abstand zueinander angeordnet. In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform weisen die Filterelemente 20, 21 in radialer Richtung drei nebeneinander ange­ ordnete Kanäle 12 auf. Durch die Anzahl der radial ne­ beneinander angeordneten Kanäle wird die Dicke der Fil­ terelemente 20, 21 bestimmt. Zur Erzielung einer guten Filterwirkung sind je Filterelement 20, 21 ein bis neun, vorzugsweise drei bis fünf Kanäle radial nebeneinander angeordnet.

Das Filterelement 20 weist radial verlaufende Querkanä­ le 27 auf. Die Querkanäle 27 erstrecken sich von der Innenfläche 28 des Filterelements 20 zu dessen Außen­ fläche 29 und verbinden den ringförmigen Ablaufkanal 22 mit dem ringförmigen Ablaufkanal 23. Die Querkanäle 27 sind als radiale Bohrungen oder Schlitze ausgebildet, so daß die einstückige Form des Filterelements 20 er­ halten bleibt.

Das Filterelement 21 weist ebenfalls Querkanäle 32 auf, die entsprechend der Querkanäle 27 des Filterelements 20 ausgebildet sind und sich ebenfalls in radialer Richtung von einer Innenfläche 33 in Richtung einer Außenfläche 34 des Filterelements 21 erstrecken. Die Querkanäle 32 verbinden den ringförmigen Ablaufkanal 23 mit der Oberfläche 34 des Filterelements 21. Sofern um das Filterelement 21 weitere Filterelemente angeordnet sind, verbinden die Kanäle 32 den ringförmigen Ablauf­ kanal 23 mit einem um das Filterelement 21 angeordneten Ablaufkanal. Die Breite der Querkanäle 27, 32 entspricht vorzugsweise mindestens dem Durchmesser der Kanäle 12.

Das Filtrat des durch die Kanäle 12 der Filterelemente 10, 20, 21 strömenden Mediums tritt durch die Filtermem­ branen in die Trägerkörper 11, 24, 25 der Filterelemente 10, 20, 21 ein. Aus dem Trägerkörper 11 des Filterele­ ments 10 tritt das Filtrat an dessen Oberfläche 14 aus und gelangt somit in den Ablaufkanal 22. Aus den Trä­ gerkörpern 24, 25 der Filterelemente 20, 21 tritt das Filtrat jeweils sowohl an den Innenflächen 28, 33 als auch an den Außenflächen 29, 34 der Filterelemente 20, 21 aus. Der Diffusionsweg des Filtrats beträgt somit bei den Filterelementen 20, 21 maximal die Hälfte der Dicke der ringzylinderförmigen Filterelemente 20, 21. Bei dem zylindrischen Filterelement 10 entspricht der maximale Diffusionsweg dem Radius des Filterelements 10.

Das aus den Filterelementen 10, 20, 21 in die Ablaufkanä­ le 22, 23 gelangende Filtrat tritt beispielsweise durch die Querkanäle 27, 32 aus. Beim Filtern eines Mediums im Durchlaufverfahren sind vorzugsweise beide Stirnseiten der Ablaufkanäle verschlossen, um das Zuführen und Ab­ führen von zu filterndem Medium zu bzw. von den Kanälen 12 zu erleichtern. Hierzu werden die Stirnseiten der Filterelemente 10, 20, 21 beispielsweise in Epoxidharz oder Polyurethan eingegossen oder in einem entsprechend ausgebildeten Gehäuse eingespannt, so daß die Ablaufka­ näle 22, 23 an ihren Stirnseiten verschlossen sind. Das Filtrat strömt sodann aus dem Ablaufkanal 22 durch die Querkanäle 27 in den Ablaufkanal 23 und aus diesem durch die Querkanäle 32 des Filterelements 21 zur Ober­ fläche 34 des Filterelements 21. Die gesamte Filtrat­ menge tritt somit an der Oberfläche 34 und durch die Kanäle 32 des Filterelements 21 aus der Filtervorrich­ tung aus. Um das Filterelement 21 kann als Auffangvor­ richtung für das Filtrat beispielsweise ein konzentri­ sches Rohr vorgesehen sein, aus dem das Filtrat abge­ leitet wird.

Ebenso kann die der Zuleitung des Mediums gegenüberlie­ gende Stirnseite völlig verschlossen sein, so daß die Ablaufkanäle 22, 23 und die Filterelemente 10, 20, 21 ein­ seitig verschlossen sind und kein ungefiltertes Medium aus der Filtervorrichtung abgeleitet wird. Bei dieser Anwendung verbleiben in den Kanälen 12 die ausgefilter­ ten Feststoffe. Sobald die Permeatmenge unter einen Schwellwert sinkt, werden die Kanäle 12 beispielsweise mittels einer Reinigungsflüssigkeit rückgespült.

Claims (9)

1. Filtervorrichtung zum Filtern von flüssigen oder gasförmigen Medien, mit Filterelementen (10, 20, 21), die jeweils in einem grobporigen Trägerkörper (11, 24, 25) mehrere längslaufende Ka­ näle (12) aufweisen, durch die ungefiltertes Medi­ um strömt und die feinporige, die Kanalwände be­ deckende Filtermembranen (13) aufweisen, so daß ein Filtrat des die Kanäle (12) durchströmenden Mediums durch die Filtermembranen (13) in den grobporigen Trägerkörper (11) eintritt und an des­ sen Umfangsflächen (14, 28, 29, 33, 34) austritt, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Filterelemente (10, 20, 21) konzentrisch zueinander angeordnet und durch umlaufende Ablauf­ kanäle (22, 23) getrennt sind.

2. Filtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Filterelement (20, 21) mindestens einen Querkanal (27, 32) aufweist, der von einer zur Mitte der konzentrischen Anordnung gerichteten Innenfläche (28, 33) zu einer gegenüberliegenden Außenfläche (29, 34) des Filterelements (20, 21) verläuft.

3. Filtervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anzahl der Querkanäle (32) eines Filterelements (21) größer ist als die Anzahl der Querkanäle (27) des nächstinneren Filterelements (20).

4. Filtervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Querschnittsflä­ chen der Querkanäle (32) eines Filterelements (21) größer ist als die Summe der Querschnittsflächen der Querkanäle (27) des nächstinneren Filterele­ ments (20).

5. Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Filterele­ ment (10) zylindrisch ist und die das innere Fil­ terelement (10) konzentrisch umgebenden Filterele­ mente (20, 21) jeweils ringförmigen Querschnitt aufweisen.

6. Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufkanäle (22, 23) an beiden Stirnseiten geschlossen sind, so daß das Filtrat aus den Ablaufkanälen (22, 23) über die Querkanäle (27, 32) der Filterelemente (20, 21) zur Außenfläche (34) des äußersten Filterelements (21) abfließt.

7. Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Wand­ stärke in Längsrichtung der Filterelemente (20, 21) ein bis neun, vorzugsweise drei bis fünf längslau­ fende Kanäle (12) radial nebeneinander angeordnet sind.

8. Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterelemente (10, 20, 21) zur Fixierung stirnseitig vorzugsweise in Epoxidharz oder Polyurethan eingegossen sind.

9. Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterelemente (10, 20, 21) aus grobporiger Keramik hergestellt sind.