DE2603505B2 - Flachmembranmodul für umgekehrte Osmose und Ultrafiltration - Google Patents

Description

ίο Die Erfindung betrifft einen Flachmembranmodu! für umgekehrte Osmose und Ultrafiltration gemäß Patentanspruch 1.

Die Ansprüche 2-12 beinhalten Ausgestaltungen der Erfindung.

ν. Die Membrantechnologie hat seit der Entdeckung von druckstabilsn Membranen als neues Verfahren eine ständig wachsende Bedeutung bekommen. Der Einbau der Membranen in Geräte wird in unterschiedlichster Weise durchgeführt, indem die Form-

M) gebung von Membran und die Strömungsführung variiert werden. Zum Einsatz kommen Rohrmoduln, Spiralmoduln, Hohlfasermoduln und Flachmembranmoduln. Nachteilig bei den meisten Modularten ist bisher der entweder unhandliche oder, wirtschaftlich

ι,-, gesehen, teure Austausch der Membran.

hii Hinblick auf einen einfachen und billigen Membranaustausch haben sich Flachmembranmoduln als günstig erwiesen, da bei Schadhaftwerden einer Mem-

bran die die Membran tragende poröse Platte lediglich mit einer neuen Membran belegt zu werden braucht, ohne daß auch der Trägerkörper ausgewechselt werden muß. Infolge des Inneren der porösen Platte gerichteten Druckgefälles legt die Membran sich von selbst an die Plattenoberfläche an. Ein Nachteil von Flachmembranmoduln ist der gegenüber anderen Modularten relativ große Raumbedarf bei gegebener Filterfläche, rlachmembranmoduln sind meist so aufgebaut, daß die einzelnen membranüberzogenen Platten stapelartig in gewissem, gegenseitigem Abstand parallel zueinander angeordnet sind. Die Ausgangsflüssigkeit bzw. das Retentat strömt dabei üblicherweise von einer Seite des Moduls zwischen zwei benachbarten Platten in Richtung auf die gegenüberliegende Modulseite, treten dort durch eine entsprechende Öffnung in den sich anschließenden Zwischenraum über und strömen hier in entgegengesetzter Richtung wieder zur ersten Modulseite zurück.

Für einen optimalen Membranaustausch ist es aber erforderlich, daß die Flüssigkeit in turbulenter Strömung überall mit gleicher Geschwindigkeit über die Membranoberfläche hinwegströmt. Bei einem zylindrischen Modul ist diese Voraussetzung infolge der starken Erweiterung und Verengung eines als Kreisscheibe ausgebildeten Strömungskanals, der in Richtung eines Durchmessers durchflossen wird, nicht ohne weiteres gegeben.

Bekannte Modulausführungen verwenden daher jeweils zwischen den porösen Platten zusätzlich angeordnete Leitplatten mit beispielsweise reliefarti° eingearbeiteten Führungskanälen, welche eine solche Zwangsführung der Strömung bewirken sollen, daß alle Membranstellen mit möglichst gleicher Geschwindigkeit überströmt werden. Eine solche Ausführung ist kompliziert und teuer und erhöht den bei Flachmembranmoduln bereits nachteilig hohen spezifischen Raumbedarf noch mehr.

Aus der CH-PS 542639 ist es bekannt, die porösen Platten selbst mit strömungsleitenden Oberflächenprofilen auszubilden, über welche eine doppellagige Membran gelegt wird, die sich unter de.n herrschenden Druckgefälle der profilierten Oberfläche anpassen soll.

Diese bekannten Ausführungen weisen erhebliche Nachteile auf. Das für die porösen Platten allgemein verwendete Kunststoffmaterial ist nur für begrenzte Drücke zu verwenden. Wird ein bestimmtes Druckniveau überschritten, so tritt infolge des Druckgefälles zwischen dem Plattenzwischenraum und dem Inneren der Platten eine Verdichtung des porösen Plattenmaterials ein, die sich nachteilig auf die Permeatleistung auswirkt. Besonders störend ist dieser Effekt bei der Abtrennung kleinerer Moleküle und bei der Hyperfiltration, wo mit hohen Drücken gearbeitet werden muß.

Weiterhin hat sich herausgestellt, daß bei den bekannten Vorrichtungen sowohl bei Verwendung getrennter Strömungsplatten als auch bei Leitprofilen, die in die Oberfläche der porösen Platten eingearbeitet sind, keine gleichmäßig turbulente Überströmung der Membranflächen erzielt wird.

Bei porösen Platten mit eingearbeiteten Oberflächenprofilen ergibt sich zusätzlich die Schwierigkeit, daß die semiperir.eablen Membranen, die meist aus polymeren Materialien wie etwa Celluloseazetat odei Polyamid bestehen, buim dichten Anschmiegen an die Oberflächenprofile örtlich gedehnt und stark mecha-

nisch beansprucht werden.

Ziel der Erfindung ist daher ein Flachmembranmodul ohne die erwähnten Nachteile, dessen poröse Membranträger formstabil und hochdruckfest sind, dessen Raumbedarf durch Vermeidung von zusätzlichen strömungsleitenden Einbauten gering gehalten werden kann, und dessen Membran nicht örtlich gedehnt oder überbeansprucht werden.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß erreicht (vgl. Patentanspruch 1).

Der Porendurchmesser der erfindungsgemäß verwendeten Materialien kann zwischen 1 ujn und 1000 um liegen. Die porösen Sammelplatten mit im wesentlichen glatten Oberflächen zu versehen, entspricht nicht nur der strömungstechnischen Gestaltung des erfindungsgemäßen Flachmembranmoduls, sondern bietet auch erhebliche fertigungstechnische Vorteile, insbesondere in Verbindung mit den verwendeten harten Werkstoffen.

Die Verwendung von Frittenr. mitten, insbesondere solchen aus Glas, bietet insgesamt fc'.gende Vorteile:

- Geringe Einbaustärke, dadurch gute Raumnutzung

- Druck- und Formstabilität

- Temperaturbeständigkeit, daher Sterilisierungsmöglichkeit

- Weitgehende chemische Neutralität

- Mikrobiologische Resistenz

- Weitgehende Wahlmöglichkeit der Porosität zur Beeinflussung des Druckabfalls innerhalb der Platten

- Verwendbarkeit der Platten als direkte Unterlage bei der Herstellung der Membranfolien.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform von Flachmembranmodub v/erden elliptische oder kreisförmige Sammelplatten verwendet, welche in der Nähe ihres Randes eine Durchtrittsöffnung für die Flüssigkeit von einem Plattenzwischenrau:α in den nächstfolgenden aufweisen. Die Durchtrittsöflnungen aufeinanderfolgender Platten liegen sich normalerv.eise abwechselnd diametral gegenüber, so daß die Flüssigkeit in dem Zwischenraum zwischen zwei Platten von einer Modulseite zur andere» strömt.

Eine Voraussetzung für überall gleiche Strömungsgeschwindigkeit ist die Bedingung, daß der Strömungskanal senkrecht zur mittleren Strömungsrichtung im wesentlichen überall gleich große Querschnittsflächen aufweist. Wegen der starken Verbreiterung eines Strömungskanals mit kreisförmiger oder elliptischer Grundfläche ist dessen Höhe am mittleren Bereich durch einen erfindungsgemäß kleineren Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sammelplr'.lsn so verringert, daß sich überall eine gleiche Querschnittsfläche ergibt. Diese Bedingung ist für eine überall gleit he Strömungsgeschwindigkeit jedoch noch nicht ausreichend, da der Strömungsweg und damit auch der Strömungswiderstand von der Plattenmitte zum Pl?,ttenumfang hin zunimmt. Dieser Unterschied wird er'iindungsgemäß dadurch kompensiert, da sich die Höhe des Strömungskanals auch quer zur Strömungsrichtung von der Plattenmitte zuti Plattenrand hin vergrößert. Das bedeutet, daß der Zwischenraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sammelplatten erfindungsgemäß so ausgebildet ist, daß seine Höhe von der Modulmitte zum Umfang hin in allen Richtungen zunimmt. Dies wird dadurch erreicht, daß zwei einander zugewandte Plattenoberflächen entweder beide konvex, eine eben und die andere konvex,

oder eine konkav und die andere konvex ausgebildet sind, wobei im letzteren Fall die konvexe Krümmung jedoch stärker als die konkave sein muß.

Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß beide einander zugewandten Plattenoberflächen in gleicher Weise konvex ausgebildet sind, so daß jede Platte ihrerseits zwei gleiche konvexe Oberflächen besitzt. Diese Formgebung ist allein schon aus Gründen der gleichmäßigen Druckverteilung zweckmäßig.

Um so weitgehend wie möglich eine überall gleiche Strömungsgeschwindigkeit zu erzielen, sind die Krümmungen der Plattenoberflächen sowie der Abstand der Platten voneinander so ausgeführt, daß in dem zwischen zwei Platten gebildeten Strömungskanal das Verhältnis von Strömungslänge zu hydraulischem Durchmesser überall konstant ist. Der »hydraulische Durchmesser« ist erläutert in Prandtl.

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Die Krümmung der Fritten zur Ausbildung des optimalen Strömungsverhaltens läßt sich für den jeweiligen Anwendungsfall ermitteln, wobei eine optimale gleichmäßige Strömung nur bei turbulentem Strömungsvcrhalten erreicht wird. Hierdurch werden Ablagerungen auf der Membran vermieden; (bei laminarer Strömung ist die Strömungsgeschwindigkeit auf der Membranoberfläche nahe Null, so daß die Membran sehr schnell zugesetzt wird). Um gleichzeitig einen möglichst geringen Druckabfall zu erhalten, sollte zweckmäßig mit einer Reynoklschen Zahl von 3000 gearbeitet werden.

Bei einer optimalen Reynoldschen Zahl von 3000 muß auf der gesamten Platte dieselbe lineare Geschwindigkeit herrschen, d. h. dir Druckabfall ist im wesentlichen eine Funktion der Länge des Strömungsweges und des hydraulischen Radius, wobei wegen der turbulenten Strömung die zu berücksichtigende 4. Wurzel aus der Reynoldschen Zahl durch die Festlegung auf Re = 3000 einen weiteren konstanten Faktor darstellt. Da die Länge des Strömungsweges in radialer Richtung zunimmt, muß der hydraulische Radius ebenfalls größer werden, um zu einem konstanten Druckabfall zu kommen.

Die einzustellende lineare Geschwindigkeit richtet sich nach der Viskosität und läßt sich durch das Bypass-Ventil regeln.

Die exakte Formgebung hängt von verschiedenen Konstruktionsparametern wie z. B. der genauen Lage der Flüssigkeitsein- und -austrittsöffnungen ab und kann nur für den Einzelfall genau errechnet werden, wobei im Idealfall auch der Flüssigkeitsabgang durch die Membran zu berücksichtigen ist.

Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Flachmembranmoduls werden an einem bevorzugten Ausfühningsbeispiel unter Hinweis auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Flachmembranmodul,

Fig. 2 die perspektivische Ansicht einer in der Mitte geschnittenen, erfindungsgemäßen porösen Sammelplatte,

Fig. 3 einen Schnitt durch die Randeinfassung einer Sammelplatte,

Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Dichtung einer Plattendurchtrittsöffnung.

Der Strömungsverlauf ergibt sich aus Fig. 1. Die durchströmende Flüssigkeit bildet sich selber einen Kanal (9) und wird aufgrund der Obcrflüchengeomrtrie der Platte (1) von der Eintrittsöffnung (18) zur Austrittsöffnung (19) gleichmäßig aufgrund der unterschiedlichen Höhe (20, 20a, 20/>) und der unterschiedlichen Länge der Strömungswege über die Oberfläche transportiert. Um einen Druckabfall bei höherer Anzahl hintereinandergeschalteter Platten zu vormeiden, wird teilweise eine dieser Platten durch eine Anströmungsplatte (10) ersetzt. Diese besitzt keine Durchbohrung. Zur Zu- und Ableitung wird jeweils in die Randabdichtung (6) eine Zu- bzw. Abführung (11). (12) eingepaßt, die insgesamt an ein Zu-(13) bzw. Ableitungsrohr (14) angeschlossen sind. Zur Regulierung der Strömungsgeschwindigkeit über dem Modul sind die Zu- und Ableitungen über ein Ventil (17) verbunden, das als By-pass-Ventil fungiert Zur Vereinfachung des Systems können die Zu- und Ableitungsrohre (13), (14) auch zur Ausrichtung des Moduls benutzt werden. Der gesamte Plattenstapel wird in der von Filterpressen her bekannten Art zusammengedrückt, wobei die jeweiligen Endplatten (15) nur einseitig gekrümmt sind und aus Vollgas bestehen können. Die Druckübertragung erfolgt durch Metallplatten (16).

Fig. 2: Die Platte (1) besteht aus hochdruckfestem porösem Material vorzugsweise Glas, das entsprechend zur Erreichung einer gleichmäßigen Strömungsverteilung konvex geformt ist. Die Oberfläche ist dabei blank poliert, so daß keine Verletzung der Membran entsteht.

An einer Seite ist die Platte durchbohrt. In die Bohrung wird zur Fixierung der Membran und. um ein Durchmischen des Permeats mit dem Retentat zu vermeiden, eine Metallhülse (2) gesteckt, an deren beiden Enden Dichtungsringe (3) fixiert sind, die außerdem Durchbrüche (4) haben können (s. auch Fig. 4).

Die Membran (5) wird beidseitig auf die Trägerplatte fixiert und am Rand mit einer schließenden Kunststoffdichtung (6) umgeben, die auP-rdem als Sammelkanal (21) für das Permeat benutzt wird wird (s. auch Fig. 3). Der Sammelkanal (21) kann auch aus Metall geformt sein, wobei die Kunststoffdichtungen (7) auf das U-förmige Profil aufgeschoben sind. i In dem Sammelkanal befindet sich einseitig ein Ablauf für das Permeat (8).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Flachmembranmodul für umgekehrte Osmose und Ultrafiltration, mit einer Anzahl in gegenseitigem Abstand voneinander angeordneten, beidseitig membranüberzogenen, porösen Sammelplatten, mit Zwischenräumen zwischen den Platten, die druckdicht abgeschlossen sind, mit Ableitungen für das in die porösen Sammelplatten hindurchgetretene Permeat, wobei

a) die Sammelplatten im wesentlichen glatte Oberflächen besitzen,

b) aus einem anorganischen, chemisch neutralen und hochdruckfesten Material gefertigt sind,

c) die Sammelplatten kreisförmig oder elliptisch sind, und

d) Flüssigkeitsein- und -austrittsöffnungen in der Nähe des Plattenrandes angeordnet sind und sich

e) in Richtung eines Plattendurchmessers wechselweise diametral gegenüberliegen,

dadurch gekennzeichnet, daß

f) daß die Höhe des Zwischenraumes (9) zwischen zwei Sammelpiatten von der Plattenmitte (20a) zum Plattenrand (206) hin in jeder Richtung zunimmt, wobei

g) der Querschnitt des Zwischenraumes (9) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sammelpidtten (1, 10) senkrecht zur mittleren Strömungsricfrtung a .jeder Stelle zwischen Flüssigkeitseintrittsöffnung (18) und Flüssigkeitsaustrittsöfinung 19) im wesentlichen das gleiche Flächenmaß besitzt.

2. Flachmembranmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren der porösen Sammelplatten (1, 10) Durchmesser zwischen 1 μπι und 1000 μπι aufweisen.

3. Flachmembranmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (5) auf den Oberflächen der Sammelplatten (1, 10) gebildet sind und mit diesen eine zusammenhängende Einheit darstellen.

4. Flachmembranmodul nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Oberflächen zweier aufeinanderfolgender Sammelplatten (1,10) konvex gekrümmt sind.

5. Flachmembranmodul nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß von den einander zugewandten Oberflächen zweier aufeinanderfolgender Sammelpiatten die eine eben und die andere konvex gekrümmt ist.

6. Flachmembranmodul nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß von den einander zugewandten Oberflächen zweier aufeinanderfolgender Sammelplatten die eine konvex und die andere konkav gekrümmt ist, wobei die konvexe Krümmung stärker als die konkave ist.

7. Flachmembranmodul nach einem tier An= Sprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Oberflächen zweier aufeinanderfolgender Sammelplatten (1) in ihrer Krümmung so ausgebildet sind, daß für den durch sie begrenzten Zwischenraum (9) zwischen der Flüssigkeitseintrittsöffnung (18) und der Flüssigkeitsaustrittsöffnung (19) das Verhältnis von Strömungslänge zu hydraulischem Durchmesser

konstant ist.

8. Flachmembranmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der porösen Sammelplatten (1, 10) mit Reifen (6) von etwa U-förmigem Querschnitt umgeben sind, dessen Schenkel mit wulstartigen Dichtungen (7) versehen sind, die einerseits an der Plattenoberfläche und andererseits zur Abdichtung des Zwischenraumes (9) zwischen zwei Sammelplatten (1, 10) an der entsprechenden Dichtung (7) der nächstfolgenden Sammelplatte (1,10) anliegen.

9. Flachmembranmodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Rand der Sammelplatte (1, 10) und dem Reifen (6) ein ringförmiger Kanal (21) zum Aufnehmen des aus der Sammelplatte (1, 10) austretenden Permeats befindet, und daß dieser Kanal (21) mit einer durch den Reifen (6) hindurchführenden Permeatableitung (8) versehen ist.

10. Flachmembranmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß diese Flüssigkeitseintrittsöffnung (18) bzw. Flüssigkeitsaustrittsöffnung (19) im Falle des Flüssigkeitsübertritts von einem Zwischenraum (9) in den nächstfolgenden Zwischenraum (9) aus einer in der diese Zwischenräume trennenden Sammelplatte (1) angeordneten Bohrung besteht, durch welche eine Metall- oder Kunststoffhülse (2) geführt ist, deren umgebördelte Enden je mit einer wulstartigen Dichtung (3) versehen sind, durch welche die um die Bohrung verlaufende Membrankante abdichtend gegen die Oberfläche der Sammelplatte (1) gedrückt wird.

11. Flachmembranmodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß je nach gewünschter Durchströmfolge eine oder mehrere Sammelplatten (10) sowie Zu- und Ableitungen (11, 12) angeordnet sind.

12. Flachmembranmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die letzte Sammelplatte (15) zur Druckentlastung an ihrer Außenseite mit einer dicht anliegenden Stützplatte (16) hinterlegt sind.