DE2800425B2 - FUteranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Filteranordnung mit mindestens einem rohrförmigen Filterkörper mit poröser Wandung, durch die die Flüssigkeit im wesentlichen radial hindurchtritt, wobei an der Eintrittsoberfläche Teilchen oberhalb bestimmter Größe zu rückerhalten werden und entlang der Oberfläche mindestens ein von einem Einlaß zu einem Auslaß führender Zwangsströmungsweg vorgesehen ist

Aus der US-PS 36 82 318 ist eine Filteranordnung bekannt, bei der auf einem als eine Art Rippenrohr ausgebildeten flüssigkeitsundurchlässigen Kern ein den Filterkörper bildendes Rohr aufgebracht ist und durch die durch die Zwischenräume zwischen den Rippen unter dem rohrförmigen Filterkörper gebildeten Kanäle

ίο die zu fixierende Flüssigkeit unter Druck hindurchströmt, wobei das Filtrat radial durch den Filterkörper nach außen austritt Die abzutrennenden Teilchen werden an der eine Filtermembran tragenden Innenseite des Filterkörpers zurückgehalten. Für den Durchtritt des Filtrats steht dabei nur die zwischen den Rippen verbleibende innere Umfangsfläche des rohrförmigen Filterkörpers zur Verfügung. Hierdurch ist bei gleichbleibendem Druck die Durchsatzleistung des Filters begrenzt

Rohrförmige Filterkörper sind aus porösem Kunststoff, Keramikmaterial, Metall, Graphit usw. bekannt. Sie dienen entweder direkt als Filterkörper oder aber als Träger für eine Filtermembran, die aus einer flüssigen Phase an der Eintrittsoberfläche des Filterkörpers gebildet worden ist und eine besonders feine Filtration erlaubt Mit der Membranfiltration können Gemische aus Lösungsmitteln und gelösten Teilchen getrenn', werden. Die abgetrennten Teilchen werden an der Oberfläche der Membran zurückgehalten.

Haben Lösungsmittel und gelöste Komponente der zu filtrierenden Lösung etwa gleiche Molekülabmessungen, wie es z. B. bei Kochsalz und Wasser der Fall ist, so wird der Trennvorgang als umgekehrte Osmose bezeichnet. Da der Trennvorgang entgegen dem osmotischen Druck verläuft, muß der Druck auf der Lösungsseite den osmotischen Druck übersteigen, wenn es zu einer Filtration kommen soll. Die erforderlichen Drücke können erheblich sein; eine 10%ige Kochsalzlösung hat z. B. einen osmotischen Druck von 80 Atm., die überwunden werden müssen.

Unterscheiden sich die Molekülabmessungen erheblich voneinander, so wird von Ultrafiltration gesprochen. Die Ultrafiltration findet Anwendung zur Konzentrierung, Fraktionierung oder Reinigung von makromolekularen Lösungen. Wegen des im Vergleich zum Lösungsmittel hohen Molekulargewichtes der gelösten Komponenten, im allgemeiner. > 2000, haben die Lösungen nur einen geringen osmotischen Druck, daher kann die Trennung in diesen Fällen bei verhältnismäßig geringen Drücken, beispielsweise 1 bis 10 Atm., durchgeführt werden.

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Filteranordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß bei gleichbleibenden Drücken eine höhere Durchsatzleistung möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Zwangsströmungsweg durch eine nach außen geschlossene Nut in der Eintritts-Umfangsfläche des rohrförmigen Filterkörpers gebildet ist.

Durch die Nut oder die Nuten wird die Eintrittsoberfläche eines ansonsten in seinen äußeren Abmessungen gleichbleibenden Filterkörpers gegenüber einer rein zylindrischen Eintrittsoberfläche vergrößert. Dies ist besonders für den Fall wichtig, daß der eigentliche Filterkörper an der Eintrittsoberfläche eine Filtermembran trägt. Hierdurch wird die Durchsatzleistung bei gleichbleibendem Eingangsdruck erhöht. Als Oberflächenvergrößerung kommt eine solche um den Faktor 2

bis 3 in Betracht, ohne allerdings hierauf beschränkt zu sein.

Die Nuten bilden ferner einen Strömungsweg längs der Eintrittsoberfläche, durch den die Gesamtmenge der zu filtrierenden Flüssigkeit mit relativ engen Strömungsquerschnitten hindurchtreten muu. Die zu filtrierende Flüssigkeit erfährt dabei einen guten Kontakt zu der durch die Wandungen der Nuten gegebenen Eintrittsoberfläche. Die zu filtrierende Flüssigkeit befindet sich überall in Bewegung relativ zur Eintrittsoberfläche, so daß dort zurückgehaltene Teilchen, die durch das Material des Filterkörpers vom Filtrat getrennt worden sind, sogleich mit fortgespült werden und im Konzentrat in der Schwebe oder in Lösung verbleiben. Diese Wirkung kann unterstützt werden, indem die Nuten so gestaltet sind, daß die Strömung möglichst turbulent wird, um der Bildung laminarer Grenzschichten mit praktisch stillstehenden wandnahen Zonen an der Eintrittsoberfläche vorzubeugen. Es kann also weder der Fall eintreten, daß Teile der Eintrittsoberfläche sogenannte tote Zonen bilden, in denen sich abgeschiedene Teilchen mangels Abtransport zu einer Schicht ansammeln, noch daß wesentliche Anteile der Flüssigkeit keinen Kontakt zur Eintrittsoberfläche bekommen, indem sie im Innern eines Flüssigkeits-Stroms größeren Querschnitts verbleiben.

Im Prinzip kann die Eintrittsoberfläche sowohl die innere Oberfläche als auch die äußere Oberfläcne des rohrförmigen Filterkörpers sein. Die bevorzugte Ausführungsform ist jedoch diejenige, bei der die Außenseite als mit Nuten versehene Eintrittsoberfläche ausgebildet ist. Dies zunächst aus praktischen Gründen im Hinblick auf die vereinfachte Anbringung der Nuten und auch, weil auf der Außenseite von vornherein eine größere Oberfläche zur Verfügung steht. Ein wesentlicherer Grund für diese Bevorzugung besteht aber darin, daß die als Material für die Filterkörper in Betracht kommenden Sint^rstoffe oder sonstigen porösen Stoffe wesentlich höhere Druckspannungen als Zugspannungen aufzunehmen vermögen. Bei gleichem Druck kann also ein Filterkörper, wenn der Druck von außen ansteht, dünnwandiger ausgeführt sein. Hierdurch sinken der Strömungswiderstand und damit die pro Volumeneinheit des Filtrats erforderliche Leistung.

Die Nuten können auf dem rohrförmigen Filterkörper axial oder schraubenförmig oder auch mäanderförmig verlaufen. Die »geschlossene Oberfläche« kann durch den Umfang eines Rohres gegeben sein, welches im Falle auf der Außenseite der rohrförmigen Filterkörper angebrachter Nuten den rohrförmigen Filterkörper unter Anlage umgibt. Sie wird also in diesem Fall durch ein äußeres, von dem Filterkörper getrenntes Teil gebildet.

Da die zu filtrierende Flüssigkeit unter Umständen unter einen erheblichen Druck gesetzt werden muß, um das Filtrat durch die Poren der Membran bzw. des Filterkörpers hindurchzupressen, empfiehlt es sich, daß das Rohr mit dem Filterkörper in einem Druckgehäuse angeordnet ist, in dem auf die freie Umfangsfläche des Rohres der Konzentratdruck wirkt.

Auf diese Weise kann das Rohr teilweise druckentlastet werden, wenn dafür gesorgt wird, daß auch das Konzentrat unter Druck steht. Die Rohrkonstruktion kann dabei leichter gehalten werden, denn sie hat dann nur noch den Differenzdruck aus dem Eingangsdruck und dem Gegendruck des Konzentrats auszuhalten. Dieser Differenzdruck kann durch entsprechende Einstellung des Gegendrucks gewählt werden. Er muß nur mindestens so groß sein, wie es erforderlich ist, um die zu filtrierende Flüssigkeit durch die Nuten des Filterkörpers hindurchzufördern. Während der vom Druckgehäuse zu ertragende Eingangsdruck in einer praktischen Ausführungsform in der Größenordnung von 100 bar liegen kann, verbleiben für den von dem Rohr auszuhaltenden Differenzdruck nur Werte von einigen bar. Die Umschließung der Filisrkörper mit einem Rohr hat also den Sinn, die unter hohem Druck stehenden Nuten mit einem Element abzudecken, welches auf der anderen Seite Zutritt für eine unter Druck stehende Flüssigkeit (Konzentrat) beläßt und so von dem hohen Druck teilweise entlastet wird.

Eine praktische Ausführungsform der Erfindung kann in der Weise verwirklicht werden, daß der Einlaß an einem Ende und der Auslaß am anderen Ende des Rohres gelegen sind, daß in dem Druckgehäuse eine in der Nähe des Einlaßendes gesehene druckdichte, gegen das Gehäuse und das Rohr abgedichtete Zwischenwand vorgesehen ist die das Gehäuse in eine erste und eine zweite Kammer abschottet, und daß der Einlaß des Filterkörpers und der Einlaß in das Druckgehäuse in der ersten Kammer und der Konzentratauslaß des Druckgehäuses in der zweiten Kammer mündet

Durch die druckdichte Zwischenwand kann die zu filtrierende Flüssigkeit nicht sogleich vom Einlab des Druckgehäuses zu dessen Auslaß überströmen, sondern ist gezwungen, den Weg längs der Filterkörper von deren Einlaß bis zu deren Auslaß zurückzulegen.

Dem Konzentratauslaß des Druckgehäuses kann ein Drucksteuerventil nachgeschaltet sein, um den bereits erwähnten Gegendruck zu erzeugen, der die Rohre teilweise druckentlastet und auch den Filtriervorgang beeinflussen soll.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt

F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen sogenannten Modul mit mehreren Filterkörpern;

Fig.2 zeigt einen Querschnitt nach der Linie H-Il in F i g. 1 durch einen einzelnen Filterkörper;

F i g. 3 zeigt einen F i g. 1 entsprechenden Längsschnitt einer anderen Ausführungsform nach der Linie HI-Hl inFig.4;

F i g. 4 zeigt einen Querschnitt nach der Linie IV-IV in F ig. 3.

Die Filteranordnung 10 der F i g. 1 umfaßt ein als Ganzes mit 1 bezeichnetes Druckgehäuse, welches aus einem rohrförmigen Teil 2 mit an den Enden druckdicht angebrachten Deckeln 3 und 4 besteht. Der rohrförmige Teil 2 besitzt einen inneren Absatz 5, gegen den in Achsrichtung eine den Querschnitt des rohrförmigen Gehäuseteils 2 ausfüllende Zwischenwand 6 über eine Ringdichtung 7 anliegt. Die Zwischenwand 6 besitzt Ausschnitte, in denen zur Rohrachse parallele Rohre 8 dicht angeordnet sind, von denen in F i g. 1 zwei dargestellt sind. Die Anordnung der Rohre 8 im Querschnitt des Gehäuses 1 wird so getroffen, daß möglichst viele Rohre 8 untergebracht werden können.

In den Rohren 8 sind Filterkörper 9 angeordnet, die mit ihrem äußeren Umfang am Innenumfang 26 der Rohre 8 anliegen. Die Eintritts-Umfangsfläche ist ihre äußere Umfangsfläche. Die Filterkörper 9 sind selbst rohr^förmig und an ihrem den Deckel 3 zugewandten Ende durch Stopfen 11 verschlossen. An ihrem Außenumfang besitzen die Filterkörper 9 eine schraubenförmige Nut 12, die zwischen dem Filterkörper 9 und dem Innenumfang des Rohres 8 einen schraubenförmigen Flüssigkeitskanal bildet, in den die Flüssigkeit an

dem in F i g. 1 links gelegenen Einlaß 13 eintreten und aus dem sie am Auslaß 14 am in F i g. 1 rechts gelegenen Ende wieder austreten kann. Die Wandungen der Nut 12 bilden die Eintrittsoberfläche 25. An diesem Ende ragt der Filterkörper 9 über das Ende des Rohres 8 hinaus und ist in einer entsprechenden Ausnehmung 15 des rechten Deckels 4 über eine Ringdichtung 16 abgedichtet, die durch einen Druckring 17 in die Ausnehmung 15 gedrückt wird.

Die Zwischenwand 6 unterteilt den Innenraum des Druckgehäuses 1 in eine gemäß F i g. 1 links gelegene erste Kammer 18, in die der Einlaß 19 des Druckgehäuses 1 mündet. Die in F i g. 1 rechts gelegene Kammer 20 steht mit dem Konzentratauslaß 21 des Druckgehäuses 1 in Verbindung. Das Innere 23 der rohrförmigen Filterkörper 9 steht über Auslässe 22 in dem Deckel 4 mit der Außenseite in Verbindung.

In der Kammer 20 herrscht praktisch der gleiche Druck wie in der Kammer 18 bzw. in der Nut 12. Da dieser Druck sowohl auf die innere Oberfläche 26 der Rohre 8 als auch auf deren freie äußere Umfangsfläche 28 wirkt, sind die Rohre 28 im wesentlichen druckentlastet und können entsprechend leicht bemessen werden.

Die Filteranordnung 10 arbeitet wie folgt: Die zu filtrierende Flüssigkeit tritt durch den Einlaß 19 des Druckgehäuses 1 in die Kammer 18 ein. Von dieser gelangt die zu filtrierende Flüssigkeit über den Einlaß 13 in die schraubenförmige Nut 12, bewegt sich schraubenförmig in dieser Nut längs des Filterkörpers 9 und tritt am Auslaß 14 aus der Nut in die Kammer 20 ein, von wo sie als Konzentrat aus dem Auslaß 21 des Druckgehäuses 1 austritt.

Durch das Drucksteuerventil 24 kann der in den Kammern 18,20 herrschende Druck gesteuert werden.

Während des Verweilens in der schraubenförmigen Nut 12 tritt ein Teil der zu filtrierenden Flüssigkeit in das Innere des Filterkörpers 9 ein und läßt dabei suspendierte und/oder gelöste Teilchen an der durch den Außenumfang des Filterkörpers 9 gebildeten Eintrittsoberfläche 25 zurück, die sich aber nicht absetzen, sondern durch die vorbeiströmende Flüssigkeit sogleich fortgeführt werden, d. h. im bewegten Konzentrat verbleiben. Nach dem Durchqueren der Wandung des Filterkörpers 9 gelangt das Filtrat in das Innere 23 des Filterkörpers und kann an den Auslässen 22 abgezogen werden. Das Konzentrat wird, gegebenenfalls nach Abscheidung mitgeführter Stoffe und Vereinigung mit neuer zu filtrierender Flüssigkeit, an den Eingang 19 zurückgeleitet und in Umlauf gehalten, Auf diese Weise erfolgt eine kontinuierliche Abtrennung des Filtrats, z. B. von Reinwasser aus Abwasser.

Die Ausführungsform der F i g. 3 und 4 unterscheidet sich von der der F i g. 1 und 2 nur hinsichtlich der Ausbildung der Filterkörper 9, die an der Außenseite über den Umfang verteilte axiale Nuten 32 von in dem Ausführungsbeispiel etwa dreieckigen Querschnitt aufweisen. Statt der axialen Nuten 32 können auch eine leichte Steigung aufweisende Nuten vorgesehen sein, die den Kontakt der zu filtrierenden Flüssigkeit mit der

'5 Eintrittsoberfläche 25' des Fiiterkörpers 9' verbessern können. Ansonsten entsprechen der Aufbau und die Arbeitsweise der Ausführungsform nach den F i g. 3 und 4 denjenigen nach den F i g. 1 und 2.

Die dreieckige Querschnittsform der Nuten in den Ausführungsbeispielen ist nicht zwingend. Es können auch abgerundete oder mehr rechteckige Nutquerschnitte in Betracht kommen.

Ebenso spielt die genaue Ausbildung des Filtermaterials keine Rolle. Es kann sich um einen porösen Filterkörper handeln, der mit Hilfe seiner Poren in der zu filtrierenden Flüssigkeit enthaltene Teilchen abscheidet, aber auch um einen solchen Filterkörper, bei dem auf einem als Träger dienenden porösen Körper an der Eintrittsoberfläche eine zusammenhängende Schicht niedergeschlagen worden ist, die eine Filtermembran isi und die eigentliche Filterschicht darstellt. Derartige Membranen können zur Abscheidung von Teilchen bis hinab zu in der zu filtrierenden Flüssigkeit gelöster Molekülen eingesetzt werden.

Ein wichtiger Anwendungsfall der Filteranordnung isl die Reinigung von Abwässern der Textilveredlung vor Chemikalien wie Verdickungen u.dgl., die erhebliche Molekülgrößen aufweisen. Die Filterkörper besteher hierbei aus Graphit oder gesinterten Rohren aus korrosionsfestem Stahl. Sie haben einen Durchmessei von 15 bis 25 mm, und werden beispielsweise größen ordnungsmäßig zu etwa 30 (die Zeichnung ist in dieserr Punkt nur schematisch und gibt nicht die tatsächlicher Verhältnisse wieder) in einem gemeinsamen Druckge häuse zu einem sogenannten Modul vereinigt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Filteranordnung mit mindestens einem rohrförmigen Filterkörper mit poröser Wandung, durch die die Flüssigkeit im wesentlichen radial hindurchtritt, wobei an der Eintrittsoberfläche Teilchen oberhalb bestimmter Größe zurückgehalten werden und entlang der Oberfläche mindestens ein von einem Einlaß zu einem Auslaß führender Zwangsströmungsweg vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwangsströmungsweg durch eine nach außen geschlossene Nut (12, 32) in der Eintritts-Umfangsfläche des rohrförmigen Filterkörpers (9,9') gebildet ist

2. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (12,32) durch eine an der Umfangsfläche (25, 25') des rohrförmigen Filterkörpers (9, 9') dicht anliegende, zylindrische, geschlossene äußere Oberfläche geschlossen sind.

3. Filteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (32) im wesentlichen axial zu dem rohrförmigen Filterkörper (9) verlaufen.

4. Filteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (12) schraubenförmig auf dem rohrförmigen Filterkörper (9) verlaufen.

5. Filteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten mäanderförmig auf dem rohrförmigen Filterkörper verlaufen.

6. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (12,32) auf dem Außenumfang des rohrförmigen Filterkörpers (9,9') vorgesehen sind.

7. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossene Oberfläche durch den Umfang (26) eines Rohres (8) gegeben ist.

8. Filteranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (8) mit dem Filterkörper (9, 9') in einem Druckgehäuse (1) angeordnet ist, in dem auf die freie Umfangsfläche (28) des Rohres (8) der Konzentratdruck wirkt.

9. Filteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (13) an einem Ende und der Auslaß (14) am anderen Ende des Rohres (9, 9') gelegen sind, daß in dem Druckgehäuse (1) eine in der Nähe des Einlaßendes gelegene druckdichte, gegen das Druckgehäuse (1) und das Rohr (8) abgedichtete Zwischenwand (6) vorgesehen ist, die das Druckgehäuse (1) in eine erste und eine zweite Kammer (18) bzw. (20) abschottet, und daß der Einlaß (13) des Filterkörpers (9, 9') und der Einlaß

(19) in das Druckgehäuse (1) in der ersten Kammer (18) und der Auslaß (14) und der Konzentratauslaß (21) des Druckgehäuses (1) in der zweiten Kammer

(20) münden.

10. Filteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Konzentratauslaß (21) ein Drucksteuerventil (24) liachgeschaltet ist.