DE2227757A1

DE2227757A1 - Trennvorrichtung mit semipermeabler membran

Info

Publication number: DE2227757A1
Application number: DE2227757A
Authority: DE
Inventors: Robert Brun; Michel Pages
Original assignee: Rhone Poulenc SA
Current assignee: Rhone Poulenc SA
Priority date: 1971-06-07
Filing date: 1972-06-07
Publication date: 1973-01-04
Also published as: US3838776A; FR2140762A5; GB1397268A

Description

Dr. F Ziiinstein sen. - Dr. E. Assmann
Dr. R. KoenissUrgor - Dipl. Phys. R. Holzbauer

Ur. F. Zuiristoin jun.

Patentanwälte

8 München 2, BräuhauutraOe 4/111

SC 3925

RHONE-POULENC S.A. - Paris, Prankreich

Trennvorrichtung mit semipermeabler Membran

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Trennung von Bestandteilen einer Flüssigkeit, die ein Rohrbündel aufweist, dessen Rohre aus porösen Trägern für äussere semipermeable Membranen bestehen. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur Reinigung oder Trennung von Flüssigkeiten, insbesondere durch Osmose, umgekehrte Osmose, Filtration, Ultrafiltration oder Hyperfiltration.

Solche Vorrichtungen sind beispielsweise aus der französischen Patentschrift 1 585 386 bekannt. Sie weisen ein Bündel von rohrförmigen Trägern auf, die im Inneren einer dichten Kammer für die Zirkulation der zu behandelnden Lösung angeordnet sind, und Einrichtungen zur Gewinnung der durch die Membranen diffundierten Flüssigkeit.

Diese Vorrichtungen arbeiten in zufriedenstellender Weise. Ihr Wert wird jedoch erhöht, wenn man ihren Wirkungsgrad noch steigert.

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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines einfachen und wenig kostspieligen Mittels, dessen sicherer Betrieb die Wirksamkeit dieser Art von Vorrichtung sehr erheblich verbessert.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Trennung von Bestandteilen einer Flüssigkeit mit einem Bündel von rohrförmigen parallelen und porösen Trägern, von denen jeder zumindest aussen mit einer semipermeablen Membran bedeckt ist und die im Inneren einer dichten Kammer für die Zirkulation der zu behandelnden Flüssigkeit angeordnet sind, und mit Einrichtungen zur Gewinnung der durch diese Membranen diffundierten Flüssigkeit, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Füllmaterial im Inneren der Kammer um die rohrförmigen Träger angeordnet ist.

Die bekannten Vorrichtungen, wie beispielsweise die in der französischen Patentschrift 1 585 386 beschriebenen, weisen einen Raum zwischen der Innenseite der dichten Kammer und der Aussenseite der rohrförmigen Membranträger auf, der durch zwei seitliche Abdeckungen begrenzt wird. Im allgemeinen verschiebt sich die zu behandelnde Lösung in diesem Raum im Xontakt mit den Membranen zwischen den Einführungs- und Abführungsöffnungen, die in der Wandung der Kammer an entgegengesetzten Enden angeordnet sind.

Erfindungsgemäss ist dieser Raum zumindest zum Teil mit einem Füllmaterial gefüllt, das nur eine schwache Erhöhung des Fliesswiderstands gegenüber einer nicht so ausgerüsteten Vorrichtung mit sich bringt. Es war zu befürchten, dass ein um die mit Membranen bedeckten Rohre eines Bündels angeordnetes Füllmaterial viele Nachteile mit sich bringen würde, beispielsweise durch direkten Kontakt mit den Membranen die Nutzoberfläche für die Austauschvorgänge vermindern würde, sowie ein

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Hindernis für den Fluss der Flüssigkeit durch die Membranen darstellen würde und damit den Durchsatz und die Ausbeute der Vorrichtung vermindern würde, und sich im Inneren des Bündels verschieben und verformen würde, wobei die Gefahr bestünde, dass die Fasern die Membranen durchbohren. Es wurde jedoch gefunden,, dass diese verschiedenen Nachteile leicht überwunden werden können und dass überraschenderweise das Vorhandensein der Füllung sogar die Wirksamkeit der Vorrichtung erheblich erhöht. Es wird angenommen, dass die Füllung turbulente Strömunrjsbedingungen über die gesamte Länge der Membranen erzeugt.

Im allgemeinen nimmt das Füllmaterial ein scheinbares Volumen zwischen JO und 100 % des zur Verfugung stehenden Gesamtvolumens und vorzugsweise zwischen 70 und 95 % ein, da es vorteilhaft ist, die öffnungen der Einführungs-" und Abzugsleitungen für die zu behandelnde Flüssigkeit freizuhalten. Das Vorhandensein eines Füllmaterials in einem Volumen unter 30 % des verfügbaren Raums um die rohrförmigen Träger besitzt nur geringes Interesse.

Das Füllmaterial wird so gewählt, dass es im allgemeinen die Fliesswiderstände nur um 1 bis 50 % und vorzugsweise um 2 bis 10 %, bezogen auf eine nicht mit der erfindungsgemässen Füllung ausgestattete Vorrichtung, erhöht. In der Praxis bleibt die Erhöhung der Fliesswiderstände im Absolutwert extrem gering. Für Wasser beträgt diese Erhöhung z.B. im allgemeinen weniger als 1 bar und sehr häufig weniger als 0,5 bar. Im folgenden wird mit Fliesswiderstandskoeffizient das Verhältnis der Fliesswiderstände, die unter bestimmten Bedingungen in der mit einer erfindungsgemässen Füllung ausgestatteten Vorrichtung herrschen, zu denjenigen, die unter den gleichen Bedingungen in der nicht mit Füllung versehenen Vorrichtung herrschen, bezeichnet.Dieser Koeffizient beträgt zwischen 1,01 und 1,5 und vorzugsweise zwischen 1,02 und 1,10.

Ein grösserer Fliesswiderstandskoeffizient,der im allgemeinen

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einer Füllung mit cehr enger Struktur mit feineren oder geschlosseneren Zellen entspricht, führi zu einer schlechten Strömung der im Kontakt mit den Membranen behandelten Flüssigkeit. Es müssen dann stärkere Drucke angewendet v/erden. Diese bringen die Gefahr mit sich, während Betriebsänderungen beträchtliche mechanische Beanspruchungen der Füllung hervorzurufen und die Füllung zu verschieben und im Inneren der Vorrichtung zusammenzupressen.

Ein geringerer Fliesswiderstandskoeffizient, der im allgemeinen eine Füllung mit sehr offener Struktur und grossen Zwischenräumen mit grossen Zellen entspricht, würde beispielsweise harte Fasern erfordern, um eine ausreichende Starrheit des Ganzen sicherzustellen. Es besteht dann die Gefahr, dass die Enden der harten Fasern die Membranen beim Kontakt durehstossen« Ausserdem weist diese Art von Füllung eine geringe Wirksamkeit auf.

Es ist häufig vorteilhaft, an der Peripherie der Vorrichtung eine Füllung, die einen verhältnismässig hohen Fliesswiderstandskoeffizienten aufweist, und im Zentrum der Vorrichtung zwischen den rohrförmigen Trägern eine Füllung, die einen geringeren Fliesswiderstandskoeffizienten aufweist, vorzusehen. Eine solche Anordnung kann leicht erhalten werden, .beispielsweise indem man ein und diesselbe Art von Füllung im Zentrum und an der Peripherie der Vorrichtung verschieden komprimiert.

Als Füllmaterialien kann man Granulate oder Kugeln, beispielsweise aus einem Material, wie Polyolefinen, Polyamiden und Glas, verwenden. Man bevorzugt es jedoch, poröse und kohärente Materialien zu verwenden, beispielsweise ein Material aus Fäden und/oder Fasern, die verflochten oder untereinander verbunden sind, um die Ränder von offenen polygonalen Zellen zu bilden.

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Man kann ein Material mit faseriger Struktur verwenden, dessen Fasern unter Bildung von ziemlich weiten Maschen verflochten sind.

Man kann auch ein gaufriertes Geflecht aus synthetischem Material oder ein Glasfasergewebe verwenden.

Man kann insbesondere einen starren, halbstarren oder vorzugsweise weichen Schaum mit offenen Zellen verwenden. Vorzugsweise verwendet man einen weichen Schaum mit zersprungenen netzartigen Zellen, der beispielsweise nach den In der französischen Patentschrift 1 418 383 oder auch in der US-Patentschrift 3 475 525 beschriebenen Arbeitsweisen erhalten ist.

Das das Füllelement bildende Material wird unter denjenigen gewählt, die eine ausreichende Festigkeit gegen eventuelle chemische Angriffe durch die behandelten Lösungen, beispielsweise bezüglich der Beständigkeit gegen Hydrolyse im Falle der Behandlung mit Wasser, besitzen.

Das Material wird auch als Funktion seiner mechanischen Festigkeit und seiner Alterungsbeständigkeit gewählt.

Die Art der Fäden und/oder Fasern und ihrer Anordnung gegenüber den Membranen sind derart, dass verhindert wird, dass diese lokal die Membranen durchstossen oder zerreissen.

Im Falle der Wasserreinigung ,ausgehend von Meerwasser, Brackwasser oder kalkhaltigem Wasser,kann man Polyurethanschäume verwenden, die von Polyestern oder vorzugsweise Polyethern stammen. Man kann auch Polyvinylchloridschäume oder Schäume aus jedem anderen ausreichend biegsamen und widerstandsfähigen Material verwenden.

Im folgenden soll die Erfindung weiter unter Bezugnahme auf

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die Figuren der Zeichnung, die verschiedene beispielsweise Ausfuhrungsformen darstellen, erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer mit einer Füllung aus weichem Schaum ausgestatteten Vorrichtung,

Fig. 2 eine Teillängsschnittansicht der vorhergehenden Vorrichtung, die mit einer anderen Füllung ausgestattet ist, und

Fig. 3 eine Teillängsschnittansicht der vorhergehenden Vorrichtung, die mit einer noch anderen Füllung ausgestattet ist.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung mit einem Rohrbündel gezeigt ,in deren Innerem die Membranen auf der Aussenseite der porösen rohrförmigen Träger angeordnet sind. Ein Füllmaterial 1 ist in einem Teil des Volumens im Inneren der Kammer 2 um die rohrförmigen Träger 5 angeordnet.

Gemäss einer ersten Ausführungsform kann dieses Füllmaterial beispielsweise aus einer oder mehreren Platten aus biegsamem Schaum mit offenen Zellen bestehen. Man kann diese Platten einerseits zwischen die rohrförmigen Träger und die zylindrische Wandung eier Kammer und andererseits zwischen die rohrförmigen Träger selbst, beispielsweise durch Aufrollen in einer Spirale von der Achse des Bündels bis zu dessen Umfang, einbringen. Es ist vorteilhaft, das Füllmaterial in Längsrichtung von einer Abdeckung bis zur anderen unter Freilassen der in der Nähe der Einführungs- und Abzugsleitungen für die zu behandelnde Lösung gelegenen Zonen anzuordnen.

Gemäss einer anderen Ausführungsform, die in Fig. 2 gezeigt ist, kann man einen Teil des Füllmaterials, wie das in Fig. 1 dargestellte, durch eine Reihe von koaxialen Ringen 4 ersetzen, die um jeden von einer Membran bedeckten porösen rohrförmigen Träger angeordnet sind. Diese Ringe sind versetzt gegenüber den Ringen, mit denen die benachbarten rohrförmigen Träger

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versehen sind, angeordnet. Diese Ringe erstrecken sich vorzugsweise bis zu den benachbarten Rohren. Sie sind in Abständen von im allgemeinen zwischen 5 und 50 cm und vorzugsweise zwischen 10 und 20 cm angeordnet. Sie bilden so ein System von Stauscheiben. Als Ringe verwendet man vorzugsweise ringförmige Dichtungen, deren Abmessungen den Durchmessern der porösen Träger entsprechen, so dass sie dicht auf diesen Trägern gehalten werden.

Gemäss einer anderen Ausführungsform, die in Fig. 3 gezeigt ist, sind die Ringe 4 durch Netze 5 ersetzt. Diese können die Form einer rohrförmigen Hülse, beispielsweise aus schrumpfbarem thermoplastischem Material, haben , die man um jeden Träger anbringt. Das Anbringen kann erleichtert werden, indem man als Variante ein Netz in Bandform verxfendet, das man als Spirale um jeden Träger wickelt.

Diese verschiedenen Ausführungsformen ermöglichen, eine Wirksamkeit zu erzielen, die mit der mit einem einzigen Füllmaterial erhaltenen vergleichbar ist..

Die Verwendung eines Füllmaterials gemäss der Erfindung ergibt als Hauptvorteil, eine Erhöhung des Durchsatzes des Permeats, wie durch das folgende Vergleichsbeispiel gezeigt werden kann.

Beispiel

Man entsalzt Meerwasser mit 35 S Natriumchlorid je Liter durch umgekehrte Osmose.

Man verwendet hierzu eine Vorrichtung, wie sie in der französischen Patentschrift 1 585 386 beschrieben ist.

Sie weist ein Bündel von 37 porösen Rohren mit einem Innendurchmesser von 7 rom und einem Aussendurchmesser von 16 mm auf, die aussen mit semipermeablen Membranen aus Celluloseacetat, die gemäss der US-Patentschrift 3 344 214 hergestellt sind, über eine Nutzlänge von 1100 mm bedeckt sind.

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Dieses Bündel ist im Inneren einer Kammer mit einem Innendurchmesser von 16O mm angeordnet.

a) In einem ersten Versuch ist der Raum im Inneren um die Rohre des Bündels herum frei.

Dieser Raum wird mit Meerwasser in einer Menge von I5OO l/Stunde unter einem Druck von 60 bar durchströmt.

Der Durchsatz an durch die Mebranen hindurchgegangenem entsalztem Wasser beträgt: Q₁ = 17,2 l/Stunde.

b) In einem zweiten Versuch unter sonst gleichen Bedingungen füllt man 90 % des Raums im Inneren der Kammer um die Rohre des Bündels herum mit einem weichen Schaum mit geborstenen Zellen aus Polyätherurethan mit einem spezifischen Raumgewicht von 0,05, der I75 Poren/dm aufweist. Der Fliesswiderstandskoeffizient dieses Materials beträgt unter den Versuchsbedingungen 1,05.

Unter diesen Bedingungen beträgt der Durchsatz an durch die Membranen hindurchgegangenem entsalztem Wasser: Q₂ = 20,6 l/Stunde.

Man stellt so fest, dass die verwendete Füllung die Trennwirksamkeit der Vorrichtung um fast 20 % erhöht.

Allgemein bietet die Verwendung von Füllmaterialien gemäss der Erfindung noch weitere Vorteile. Man stellt beispielsweise eine Regularisierung des Durchsatzes des in der Kammer behandelten' Wassers, insbesondere unter Ausschaltung toter Zonen, fest. Man stellt ausserdem bei gewissen Anwendungen eine Verminderung von Ablagerungen in der Kammer fest. Man stellt ferner fest,

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dass diese Vorteile auf Kosten eines außerordentlich geringen Pliesswiderstands, im allgemeinen unter 0,5 oder 1 bar, d.h* unter einigen % des Drucks, dem die behandelte Flüssigkeit ausgesetzt wird, erhalten werden»

Es liegt im Rahmen der Erfindung, die beschriebenen Füllungen in verschiedener Weise zu kombinieren oder äquivalente Füllungai zu verwenden*

Die erfindungsgemass ausgestatteten Vorrichtungen gehören ebenfalls zur Erfindung.

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Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Trennung von Bestandteilen einer Flüssigkeit mit einem Bündel von parallelen rohrförmigen Trägern, von denen jeder zumindest aussen von einer semipermeablen Membran
bedeckt ist, wobei die rohrförmigen Träger im Inneren einer
dichten Kammer für die Zirkulation der zu behandelnden Flüssig« keit untergebracht sind, sowie mit Einrichtungen zur Gewinnung der durch diese Membranen diffundierten Flüssigkeit, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Füllmaterial (1) im Inneren der
Kammer (2) um die rohrförmigen Träger (3) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (1) ein Raumvolumen zwischen JO und 100 % des Volumens der Kammer ausserhalb der rohrförmigen Träger einnimmt,

3* Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (1) die Fliesswiderstände nur um 1 bis 50 %
erhöht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (1) ein poröses kohärentes und biegsames
Material ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (1) ein weicher Schaum mit offenen Zellen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (1) ein weicher Schaum mit geborstenen Zellen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

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jeder rohrförmige Träger (3) ausserdem eine Reihe von regelmässig über die gesamte Länge verteilten koaxialen Ringen (¹I) aufweist, wobei die Ringe benachbarter Träger gegeneinander versetzt sind.

8. Vorrichtlang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder rohrförmige Träger (j5) ausserdem ein die Membran umgebendes Netz (5) aufweist.

9. Verfahren zur Trennung von Bestandteilen einer Flüssig« keit durch Osmose, umgekehrte Osmose, Filtration, Ultrafiltration oder Hyperfiltration, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 verwendet.

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