DE2231868C3

DE2231868C3 - Zelle zur Duchführung der umgekehrten Osmose

Info

Publication number: DE2231868C3
Application number: DE2231868A
Authority: DE
Inventors: Leo Woodland Hills Calif. Black (V.St.A.)
Original assignee: Raypak Inc Westlake Village Calif VStA
Current assignee: Raypak Inc Westlake Village Calif VStA
Priority date: 1972-02-14
Filing date: 1972-06-29
Publication date: 1975-12-11
Also published as: AU4441572A; NL147637B; IT964779B; US3768660A; JPS4896460A; DE2231868A1; SE379289B; CA996871A; FR2172067A1; JPS5249435B2; FR2172067B1; BE784864A; GB1405432A; DE2231868B2; NL7206620A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zelle zur Durchführung der umgekehrten Osmose, die sich besonders zur Entsalzung oder Reinigung von Wasser mit Hilfe eines osmotischen Membran eignet. Derartige Zellen besitzen meist einen langgestreckten zylindrischen Kern, der aus einem porösen Material besteht und sich innerhalb eines zylindrischen Gehäuses befindet, wobei ein ringförmiger Raum zwischen dem Kern und dem Gehäuse vorgesehen ist. Die osmotische Membran liegt auf der Außenseite des Kerns. Das zu reinigende Medium dringt durch die Membran und den Kern hindurch bis zu einer Bohrung innerhalb des Kerns. Die Beschickungsflüssigkeit befindet sich in dem ringförmigen Zwischenraum zwischen dem Kern und dem Gehäuse.

Bei derartigen Anlagen ergibt sich mitunter die Schwierigkeit, daß die Oberfläche der Membran im Lauf des Betriebes durch Fremdstoffe verunreinigt wird, die sich dort festsetzen und die Osmose verlangsamen oder schließlich ganz verhindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Oberfläche der Membran von solchen Feststoffteilchen, die sich während des Betriebes der Vorrichtung ansammeln können, laufend zu reinigen. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht daß die mit einer bestimmten Geschwindigkeit in den Ringraum zwischen dem Kern und dem Rohr oder der äußeren Umhüllung strömende Beschickungsflüssigkeit verwirbelt wird. Dies geschieht erfindungsgemäß mit Hilfe einer Schraubenfeder, deren Windungen an der Membranoberfläche, die den porösen Rlterkörper umgibt, anliegen. Disse Schraubenfeder wird durch die der Osmose zu unterwerfende strömende Flüssigkeit in axialer Richtung gedehnt und dabei aus ihrer Ruhelage herausgeführt Sie kehrt bei Unterbrechung des Fiüssigkeitsstroms wieder in ihre Ausgangslage zurück. Durch die hin- und hergehende Bewegung der Federwindungen werden alle Feststoffteilchen von der Membranoberfläche entfernt

Demgemäß ist Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung der umgekehrten Osmose mit einem sich in die Länge erstreckenden Kern aus porösem Material und einer Axialbohrung, sowie einer die Aiißenoberfläche des Kerns bedeckenden Schlauchmembran, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß das aus Kern und Schlauchmembran bestehende zylindrische Gebilde von einer flexiblen Spirale umgeben ist welche axialverschieblich an beiden Enden des Kerns befestigt ist

Durcn die Windungen der Schraubenfeder wird dem Strom der der Osmose zu unterwerfenden Flüssigkeit gleichzeitig eine kreisförmige Strömungskomponente 2s erteilt die bewirkt, daß die von der Membran gelösten Feststoifteilchen unter der Wirkung der Zentrifugalkraft sich nicht wieder auf der Membranoberfläche festsetzen können.

Die Stärke des Federdrahtes innerhalb des Ringraums wird so gewählt, daß sie geringer ist als die radiale Weite dieses Raums. Auf diese Weise wird ein zu starker Druckverlust der Strömungsflüssigkeit vermieden und eine hohe Strömungsgeschwindigkeit in der Nähe der Membran erzielt

Die Zeichnungen veranschaulichen eine Ausführungsform der Erfindung. Es stellt dar:

F i g. 1 eine Ansicht, teilweise im Querschnitt, von Rohrabschnitten der durch eine Abschlußkappe verbundenen U-Rohre der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung der umgekehrten Osmose,

Fig.2 eine auseinandergezogene, perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Zelle,

F i g. 3 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Zelle, wobei sich die Membran innerhalb eines Beschikkungsrohrabschnittes befindet,

F i g. 4 die Draufsicht auf ein positives Kernendverbindungsstück,

F i g. 5 die Draufsicht auf ein negatives Kernendverbindungsstück, teilweise im Schnitt F i g. 6 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie 6-f der F i g. 5,

F i g. 7 eine Detailzeichnung eines Endteiles eine: Kerns, die die Abdichtung durch die Membran darstell und

F i g. 8 eine perspektivische Teilansicht der Rohran Ordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu Durchführung der umgekehrten Osmose.

Die F i g. 1 der Zeichnungen ist die Ansicht eine Teils der in F i g. 8 dargestellten Vorrichtung zu Durchführung der umgekehrten Osmose und zeig einen Teil des Rohrhaltebleches sowie einer Abschluß kappe. In dem Rohrhalteblech 10 werden die Enden de Rohre 12 und 14 gehalten, die Teile der U-Rohre 1 und 16' sind. Die gegossene Abschlußkappe 17 verbir det die Rohrabschnitte 12 und 14. Die Abschlußkapp 17 weist Vorsprünge auf, die mit dem Rohrhalterung: blech 10 verbunden werden können. Die Kappe 17 b« sitzt zwei zylindrische Teile 24 und 26 mit Vorsprünge

I I

Λ 30 die Bohrungen 32 und 34 sowie Gegenboh-^U 31 und 33 aufweisen, wie aus F i g. 1 ersichtlich ■"^Diese Bohrungen nehmen zylindrische Teile von /««toffVerbindungsstücken auf, die einen Teil der r .«.iTunaszellen bilden, wie nachfolgend im einzelnen I hrieben werden soll. Innerhalb der TeiL· 24 und 26 rfind~n _sich Bohrungen 19 und 21, die durch einen η chiaß 23 miteinander verbunden sind. Die Bohrun-19 und 21 sind an ihren Enden, wie dargestellt, ab^gen hräEt und gegenüber der Rohrhalteplatte 10 mit Se von O-Ringen 25 und 27 abgedichtet.

Die Abschlußkappen 17 verbinden die U-Rohre 16 in ,„feinanderfolgenden Lagen übereinander, wie aus c· e 8 zu sehen ist und wie anschließend näher erläuft werden soil. Die gegossene Einlaßkappe 18 entrirht einer ähnlichen Kappe 18', die eine Auslaßkapne darstellt Die Einlaßkappe 18 wird in F i g. 3 im Det i! gezeigt Sie besitzt eine Bohrung 29, eine oegenhohrung 35, eine Gegenbohrung 37 sowie einen Einaanesdurchlaß 39. Die Bohrung 29 ist an ihrem Ende h eschrägt und gegenüber dem Rohrhalterungsblech Va mittels eines O-Ringes 33 abgedichtet Die Kappe 18 besitzt Halteösen zur Befestigung, ähnlich wie die Kappe 17.

Innerhalb des Rohres U des U-förmigen Teiles 16 ist eine Entsalzungszelle 36 dargestellt, welche Kunststoffendverbindungsstücke 38 aufweist, die nun näher erläutert werden sollen.

Die Zelle zur Durchführung der umgekehrten Osmowird in F i g. 2 in Perspektive und in F i g. 3 im Querschnitt dargestellt Das Verbindungsstück 38 besitzt einen Aufbau, wie er in den F i g. 2 und 3 dargestellt ist. Wie dort zu sehen ist besitzt es einen zylindrischen Teil 46 der mit im gleichen Winkelabstand voneinander anee'ordneten Rippen 48 versehen ist, deren äußere Oberflächen abgeschrägt sind, wie bei 50 gezeigt wird. Der Endteil einer jeden Rippe besitzt einen Ausschnitt, der eine rechteckige Schulter 52 bildet. Am Ende des Verbindungsstückes 38 ist ein Paar Umfangsschlitze 54 für einen Bajonettverschluß vorgesehen. Mit der Bezugsziffer 56 ist ein Axialschlitz eines Paares bezeichnet, das mit den Umfangsschlitzen in Verbindung steht. Der Endteil der Rippe 48 besitzt eine Radialaussparung 60.

Am linken Ende des Verbindungsstückes 38 sind Teile von jeweils geringerem Durchmesser 62, 64 und vorgesehen. Die Fig. 1 und 3 erläutern die Weise, in welcher das Verbindungsstück 38 in die Kappen 17 und 18 paßt Der Endteil 62 des Verbindungsstückes 38 paßt in die Bohrung 35 und stößt gegen einen O-Ring Der Teil 64 paßt in die Bohrung 37. Der Teii 66 erstreckt sich durch die Kappe 18 hindurch. Das Verbindungsstück 38 weist eine zylindrische Bohrung 72 auf. Deren rechtes Ende erstreckt sich durch das Rohrhaltemngsblec^ ^ .^ ^ _{Kernübergangsstuck} 3g-, das in ähnlicher Weise angeordnet in der Kappe 17 gegen einen O-Ring 70' anliegt. Die Zelle 36 zur Durchführung d-r umgekehrten Osmose wird durch einzelne Abschnitte gebildet, wie aus den F i g. 2 und 3 ersichtlich ist Jeweils einer dieser Abschnitte besitzt einen zylindrischen, porösen Kern 70, der aus einem keram.-schen Material bestehen kann. Der poröse Kern weist eine Bohrung 78 auf. Mit der Bezugsziffer 76'_ ist.ein weiterer ähnlicher Abschnitt bezeichnet. Der Abschnitt 76 besitzt jeweils mit einem Gewinde versehene Endbohrungen 80 und 82.

Mit der Bezugsziffer 86 ist das positive Kunststollt.m«PrhinHiinesstQck bezeichnet, das im einzelnen in F i g. 4 dargestellt ist.

Das Verbindungsstück 38 besitzt zusätzlich zur Bohrung 72 eine erste Gegenbohrung 90 und eine zweite Gegenbohrung 92. Das positive Kernverbindungsstück kuppelt den porösen Abschnitt 76 an das Endstück 38.

Das positive Kernverbindungsstück 86 weist eine Bohrung 96 von der gleichen Größe wie die Bohrungen 72 und 78 auf. Es besitzt einen zylindrischen Mitteltei! 100, dessen Durchmesser so groß ist d&ß er in die Gegenbohrung 92 paßt Außerdem besitzt es einen verlängerten Endteil 102, der in die Gegenbohrung 90 paßt und einen Zwischenteil 104 mit größerem Durchmesser, der dem Außendurchmesser des Kernteils 76 entspricht Das Kernverbindungsstück 86 besitzt eine mit einem Gewinde versehene Endverlängerung 106, die sich in die mit einem Gewinde versehene Bohrung 80 am Ende des Kernteils 76 einschrauben läßt. Das positive Kernverbindungsstück 86 weist außerdem Vorsprünge oder Nocken 107 und iO8 auf. Die F i g. 3 zeigt die Verbindung zwischen dem Kernstück 76, dem positiven Kernverbindungsstück 86 und dem Abschlußstück 38. Das mit einem Gewinde versehene Ende 106 des Kernverbindungsstfickes 86 ist in die mit einem Gewinde versehene Gegenbohrung 80 am Ende des K ernstückes 76 eingeschraubt, wobei der Teil 104 am Ende des Kernstückes anliegt. Das positive Kernstück 86 ist mit dem Endstück 38 verbunden, wobei die Vorsprünge 107 und 108 zunächst von den Axialschlitzen 56 und 56' am Ende des Stückes 38 aufgenommen werden, worauf die Vorsprünge nach einer Drehung in die Umfangsschlitze 54 und 54' in dem Verbindungsstück 38 eingreifen, wodurch ein Bajonettverschluß zwischen diesen Teilen gebildet wird. Der Teil 100 liegt an einem O-Ring 101 in der Bohrung 92. Mit der Bezugsziffer 120 ist das negative Endverbindungsstück am anderen Ende des Kernteiles 76 bezeichnet. Es wird im Detail in F i g. 5 dargestellt. Es besitzt eine zylindrische Form mit einem äußeren Durchmesser, der dem des Kernstückes 76 entspricht. Ein vorspringender, mit einem Gewinde versehener Teil 122 läßt sich in die mit einem Gewinde versehene Gegenbohrung 82 am Ende des Kernstückes 76 einschrauben. Außerdem weist es eine Bohrung 124 auf, die die Größe der Bohrungen 72,78 und 96 besitzt Schließlich 45 weist es zwei Gegenbohrungen 126 und 128 auf. Es besitzt Axialschlitze 130 und 130' und Umfangsschlitze 132 und 132', die Teil eines Bajonettverschlusses bilden. In F i g. 5 ist ein zweites positives Kernverbindungsstück 86' mit einem negativen Kernverbindungsstück 50 120 in der bereits beschriebenen Weise mit dem Endstück 38 verbunden. Zwischen dem Teil 100' des Kernverbindungsstückes 86' und dem Boden der Gegenbohrung 128 befindet sich ein abdichtender O-Ring 136.

Mit der Bezugsziffer 76' ist ein weiterer Kernab-55 schnitt bezeichnet, an dessen rechtem Ende ein weiteres negatives Kernverbindungsstück 120' befestigt ist, das dem Kernverbindungsstück 120 gleich ist. Ein Abschlußpfropfen 140, der aus Kunststoff bestehen kann, dient dazu, das Ende der Zelle abzuschließen. Er besitzt 60 einen zylindrischen Körper 142, der in die Gegenbohrung 128' des Kernverbindungsstückes 120' paßt. Der Körper besitzt, wie dargestellt, einen Endflansch 144. Am gegenüberliegenden Ende befindet sich ein konisches Verlängerungsstück oder Pfropfen 146, der sich 65 in die Bohrung 78' des Kernstückes 120 erstreckt, um dieses zu verschließen. Der Endpfropfen 140 besitzt keine Vorsprünge, die von den axialen Schlitzen 130; und 130a' im Kernverbindungsstück 120 aufgenommer

und in die Umfangsschlitze 132a und 132a' eingedreht werden können, obwohl er diese haben könnte. Der Druck in dem U-Rohr hält den Endpfropfen 140 in seiner Lage.

Die mit 158 bezeichnete Membran liegt außen auf dem Kern der Zelle zur Durchführung der umgekehrten Osmose. Üblicherweise besteht die Membran aus einer äußeren Haut und einer geleeartigen Unterstruktur, die sich zwischen der Haut und der äußeren Oberfläche des Kerns befindet, wie in F i g. 7 dargestellt ist. >o Es können verschiedene Arten von Membranen eingesetzt werden, wobei in diesem Zusammenhang auf die amerikanische Patentschrift 34 00 825 oder auf andere zum Stand der Technik gehörende Arten hingewiesen wird. Das Problem, auf das man bei diesem Aufbau in '5 der Vergangenheit stieß, war das Abdichten der Membran gegenüber dem Druckraum, der die Zelle umgibt oder einschließt. Bei dem in der F i g. 7 dargestellten und erläuterten Aufbau wird das poröse Kernstück 76 durch das positive Kernverbindungsstück 86 abgeschlossen, wobei dessen mit einem Gewinde versehener Teil 106 in die mit einem Gewinde versehene Bohrung 80 eingeschraubt wird. Dadurch wird sowohl das Ende der Bohrung abgedichtet als auch eine axiale Festigkeit und Steifheit gewährleistet. Es ist auch möglich, das Kernverbindungsstück anzukleben, jedoch wird die dargestellte Form bevorzugt. Wie aus F i g. 7 ersichtlich ist, überbrückt die Membran 158, die auf der Zelle angebracht wird, die Verbindung zwischen dem Kernverbindungsstück 86 und dem Kernendteil 76. Die Membran 158 endet am Teil 100 des Kernverbindungsstückes 86, wie die F i g. 7 zeigt. Vorzugsweise wird das Material des Kernverbindungsstückes 86 so ausgewählt, daß es sich chemisch mit dem Material der Membran 158 vereint, wodurch eine Verbindung der beiden Materialien entsteht, die eine absolute Abdichtung gewährleistet. Das Membranmaterial kann eine Zellulose-Acetat-Verbindung sein, was an sich bekannt ist, während das Kernverbindungsstück beispielsweise aus einem Polycarbonat-Kunststoff bestehen kann.

Die Anordnung zur Erzeugung einer turbulenten Strömung in dem ringförmigen Raum zwischen der Zelle 36 und dem Rohr 12 besitzt die Form eines schraubenförmigen Drahtes 162, der um die Zelle 36 liegt. Es kann sich hierbei um einen Kunststoffdraht handeln, wie er etwa zum Zusammenhalten der Blätter eines Notizblockes verwendet wird. Dieses Kunststoffvnaterial nimmt etwa die Hälfte der radialen Breite des ringförmigen Zwischenraums ein und bewirkt eine turbulente Strömung in dem ringförmigen Zwischenraum im Anschluß an den Kern. Es ist nicht erforderlich, daß der schraubenförmige Draht den gesamten ringförmigen Zwischenraum einnimmt. Dementsprechend wird weniger Energie für die Erzeugung der Strömung verbraucht, als anderenfalls notwendig wäre. Die turbulente Strömung verbessert die Reynoldzahl, die für den Grad der Turbulenz der Strömung charakteristisch ist, im Gegensatz zur laminaren Strömung. Zwischen der Oberfläche des Kerns der Zelle 36 und dem Draht 162 ist ein geringer Abstand vorhanden. Der Wasserdruck &° wirkt gleichmäßig auf die gesamte Oberfläche des Drahtes. Die Strömung des Wassers in Pfeilrichtung trifft auf die Windungen der Feder auf und bewirkt die Entstehung eines Teilvakuums bzw. die Verminderung des Druckes auf der der Strömung abgewandten Seite der Windungen. Dadurch entsteht eine Kraft, die den schraubenförmigen Draht in axialer Richtung entlang der Oberfläche des Kerns bewegt.

Wenn die Einheit außer Betrieb ist, nimmt die Drahtfeder eine vorbestimmte Lage ein. Wenn dagegen der Wasserstrom auf die Windungen des Drahtes auftrifft, werden diese ein wenig in Strömungsrichtung bewegt. Wenn der Betrieb unterbrochen wird und der Strom kommt zum Stillstand, kehrt die Feder in ihre ursprüngliche Lage zurück. Auf diese Weise vollzieht sich eine axiale Bewegung der Federwindungen entlang der Oberfläche des Kernes, die dazu dient, irgendwelches Feststoffmaterial, das sich auf der Oberfläche der Membran ansammelt, zu entfernen. Der Abstand zwischen der Feder und der Oberfläche der Membran ist äußerst gering. Der schraubenförmige Strom, der durch die Feder erzeugt wird, erteilt dem durch den ringförmigen Raum strömenden Wasser eine Zentrifugalkraft. Diese führt dazu, daß eingeschlossene Feststoffteilchen radial nach außen gegen die Wandung des Rohres und somit von der Oberfläche der Membran weggeschleudert werden. Auf diese Weise vermindert die Feder die Wahrscheinlichkeit, daß eingeschlossene Feststoffteilchen die Oberfläche der Membran beschädigen.

Ein Ende der Feder kann an dem Verbindungsstück 38 befestigt sein, indem es durch eine Querbohrung oder Aussparung 168 in der Rippe 48 hindurchgesteckt wird. Der Draht kann auch in einen der Schlitze 60 eingeklemmt sein. Das andere Ende wird durch die Querbohrung 169 in dem Pfropfen 140 hindurchgesteckt.

Die Strömungsrichtung der Beschickungsflüssigkeit und des gereinigten Materials wird in F i g. 3 durch Pfeile angedeutet.

Wie bereits erläutert, ist eine Mehrzahl von U-Rohren, wie das Rohr 16 mit den Kappen 17, an dem Rohrhalterungsblech 10 befestigt, wobei sich in jedem Rohrabschnitt eine Zelle befindet und ein fortlaufender Beschickungsstrom durch die Rohre fließt, wie in den F i g. 3 und 8 erläutert ist.

Die Endteile 66 der Verbindungsstücke 38, die sich durch die Kappen erstrecken, stehen mit einem Vielfachanschluß 170 für das gereinigte Material in Verbindung, wie in F i g. 8 zu sehen ist. Der VielfachanschluC 170 besitzt vier Reihen im rechten Winkel zueinandei angeordnete Anschlüsse 172. Diese Anschlüsse steher mit den Endteilen oder Anschlüssen 66 der Zellen ir Verbindung. Die gereinigte Flüssigkeit wird durch die sen Vielfachanschluß abgezogen. Die Beschickungsflüs sigkeit, die es zu reinigen oder zu entsalzen gilt, für der Fall, daß es sich um eine Entsalzungszelle handelt, wire der Einlaßkappe 18, wie durch den Pfeil dargestellt, zu geführt. Das Konzentrat wird an der Auslaßkappe 18' wie gezeigt abgezogen.

In F i g. 2 ist eine ein wenig abgeänderte Ausfüh rungsform der Abschlußkappe 172 dargestellt. Dies« Abschlußkappe entspricht der Kappe 17. Die Käppi besitzt einen röhrenförmigen Zwischenteil 174 un< Endabschnitte 176 und 176' mit Abschlußflächen 17! und 177', die am Rohrhalterungsblech 10 befestigt wer den. Diese Flächen haben zylindrische Vorsprünge 171 und 178' mit sich darüber hinauserstreckenden rohrför migen Anschlußstücken 180 und 180', durch welche dii Endteile 66 und 66' der Endstücke 38 hindurchgreifer Bohrungen 182 und 182' sind zwischen den Stegblechei 183,184,183' und 184' zur Befestigung vorgesehen.

Falls es erwünscht ist, können die Kappen 17 und 1! als ein einheitliches Stück anstatt zweier getrennte Einheiten hergestellt werden.

Der Druck des Wassers (oder des anderen Mediums das gereinigt werden soll. k;inn in dem ringförmige

Zwischenraum einen Druck bis zu etwa 105 kg/cm² aufweisen. Der Druck des gereinigten Mediums innerhalb des Kernes kann 2,8 bis 3,5 kg/cm² betragen in Abhängigkeit von der Abschlußkappe, an welche die inneren Bohrungen angeschlossen sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zelle zur Durchführung der umgekehrten Osmose mit einem sich in die Länge erstreckenden zylindrischen Kern aus porösem Material und einer Axialbohrung, sowie einer die Außenoberfläche des Kerns bedeckenden Schlauchmembran, dadurch gekennzeichnet, daß das aus Kern (76) und Schlauchmembran (158) bestehende zylindrische Gebilde von einer flexiblen Spirale (162) umgeben ist, welche axialverschieblich an beiden Enden des Kerns befestigt ist

2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da3 sich der Kern (76) innerhalb eines sich in die Länge erstreckenden Rohres (12, 14) befindet, wobei zwischen dem Kern (76) und dem Rohr (12, 14) ein Zwischenraum vorgesehen ist, in welchem die Spirale (162) angeordnet ist

3. Zelle nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der sich in die Länge erstrekkende Kern (76) an einem Ende geschlossen ist, während die Spirale (162) an beiden Enden des Kerns (76) befestigt ist

4. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus einzelnen Abschnitten (76, 76') besteht, während sich die Spirale (162) über die gesamte Länge des Kerns (76,76') erstreckt

5. Zelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spirale (162) weniger als den radialen Abstand zwischen dem Kern (76,76') und dem Rohr (12,14,16) einnimmt.