DE2848631A1

DE2848631A1 - Filteranordnung

Info

Publication number: DE2848631A1
Application number: DE19782848631
Authority: DE
Inventors: Nichtnennung Beantragt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-11-09
Filing date: 1978-11-09
Publication date: 1980-05-14
Also published as: DE2848631B2; DE2848631C3

Description

Filteranordnung.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Filteranordnung der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrundeliegenden Art, welche Gegenstand des Hauptpatents ... (Patentctnmeldung P 28 oo 425.5-27) ist.
Rohrförmige Filterkörper der in Rede stehenden Art 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 getrennt 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 1obige 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 Molekulargewichts der gelösten Komponente, im allgemeinen > 2000, haben die Lösungen nur einen geringen osmotischen Druck, daher kann die Trennung in diesen Fällen bei verhältnismäßig geringen Drücken, beispielsweise 1 bis lo Atm., durchgeführt werden.
Die abzutrennenden Teilchen werden an der Oberfläche der Membran zurückgehalten. Wenn sie nicht durch geeignete Maßnahmen abtransportiert werden, d.h. wenn z.B. die zu filtrierende Flüssigkeit im wesentlichen unbewegt gegen die Eintrittsoberfläche ansteht, bildet sich im Lauf der Betriebsdauer eine Schicht der abgetrennten Teilchen, die die Durchlässigkeit der Filteranordnung erniedrigt bzw.
den aufzuwendenden Druck erhöht. Eine solche Filteranordnung muß also in regelmäßigen Abständen von der gebildeten Schicht befreit werden.
Bei dem Hauptpatent ... (Patentanmeldung P 28 oo 425.3-27) ist zur Erzielung eines kontinuierlichen Betriebs bei gleichbleibenden Drücken in der Eintritts-Umfangsfläche des rohrförmigen Filterkörpers mindestens eine nach außen geschlossene, einen von einem Einlaß zu einem Auslaß führenden Zwangsströmungsweg bildende Nut vorgesehen.
Durch die Nut oder die Nuten wird zweierlei erreicht: Zunächst einmal ergibt sich ein Strömungsweg längs der Oberfläche, durch den die Gesamtmenge der zu filtrierenden Flüssigkeit mit relativ engen Strömungsquerschnitten hindurchtreten muß. 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 Flüssigkeitsstroms größeren Querschnitts verbleiben.
Die andere Wirkung der Nuten besteht in der Vergrößerung der Eintrittsoberfläche eines ansonsten in seinen äußeren Abmessungen gleichbleibenden Filterkörpers gegenüber einer rein zylindrischen Eintrittsoberfläche. Dies ist besonders für den Fall wesentlich, 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.
Im Prinzip kann die Eintrittsoberfläche sowohl die innere Oberfläche als auch die äußere Oberfläche des rohrförmigen Filterkörpers sein. Die bevorzugte Ausführungsform, die auch der vorliegenden Anmeldung zugrundeliegt, 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 Sinterstoffe 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.
Im Hauptpatent ... (Patentanmeldung P 28 oo 425.3-27) ist die geschlossene Obefläche", die den Zwangsströmungsweg ergibt, durch den Umfang eines Rohres gegeben, welches den rohrförmigen Filterkörper unter Anlage umgibt. Für die Bildung der Zwangsströmungswege werden also von dem Filterkörper getrennte Teile benötigt. Außerdem stellen die zwischen den Rohren verbleibenden Zwickel erhebliche Verlustquerschnitte dar.
Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Filteranordnung der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrundeliegenden Art so ausgestalten, daß der Aufwand für die Bildung der geschlossenen Oberflächen der Nuten verringert und Verlustquerschnitte vermieden werden.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Nut durch die Oberfläche eines benachbarten rohrförmigen Filterkörpers geschlossen ist.
Die benachbarten Filterkörper liegen also aneinander an und begrenzen selbst die Zwangsströmungswege, so daß keine zusätzlichen und Verlustquerschnitte bedingenden Begrenzungselemente erforderlich sind.
Am vorteilhaftesten wird die Erfindung in der Weise verwirklicht, daß die Filterkörper sich in ihren Querschnitten zu einem bis auf die durch die Nuten belassenen Flussigkeitskanäle dicht gepackten Gesamtquerschnitt ergänze.
Die Filterkörper sollen also ein kompaktes Packet ergeben, in dessen Querschnitt nur die Innenquerschnitte der Filterkörper und die an deren Oberfläche durch die Nuten belassenen Kanäle frei sind.
Dies kann in der Weise verwirklicht werden, daß die Filterkörper einen gleichmäßig polygonalen, zur Bildung einer dichten Packung geeigneten Querschnitt aufweisen.
Hiermit ist gemeint, daß die Querschnitte sich ohne Belassung von Zwischenräumen zu einem größeren Querschnitt zusammenpacken lassen sollen. In Betracht kommen also z.B.
Querschnitte in Form eines gleichseitigen Dreiecks, eines Quadrats, eines gleichseitigen Sechsecks. Nicht in Betracht kommt hingegen ein funfeckiger Querschnitt.
Die Ausfiihrungsrorm mit sechseckigem Querschnitt ist insgesamt bevorzugt, weil sie einem kreisförmigen Querschnitt noch ziemlich angenähert ist und die Wege, die die Flüssigkeit durch das Material des Filterkörpers bis zum Erreichen der Innenwandung zurücklegen muß, beim Eintritt von allen Stellen des Außenumfangs von ähnlicher Länge sind.
In den Ansprüchen 5 bis 9 sind vorteilhafte Anordnungen und Ausführungen der Nuten wiedergegeben.
Ansprüche lo und 11 beschreiben die praktische Verwirklichung der Unterbringung der Gesamtheit der rohrförmigen Filterkörper in einem Gehäuse.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Filteranordnung; Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Filteranordnung nach Fig. 1 in vergrößertem Maßstab; Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen einzelnen rohrförmigen Filterkörper mit verschiedenen Nutquerschnitten in wiederum vergrößertem Maßstab; Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch ein Ausgleichsprofil; Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit etwa quadratischem Querschnitt der rohrförmigen Filterkörper; Fig. 6 zeigt den Anschluß der Filterkörper auf der Auslaßseite.
Die Filteranordnung llo der Fig. 1 umfaßt ein als Ganzes mit lol bezeichnetes Druckgehäuse, welches aus einem Rohr 102 von beispielsweise 220 mm Innendurchmesser und ca. 8 mm Wandstärke aus korrosionsfestem Stahl besteht.
Das Rohr 102 ist durch Endstücke 103, 104 in Gestalt von Deckeln druckdicht verschlossen. Die filtrierende FlUssigkeit wird an dem Anschluß 105 unter hochem Druck, beispielsweise 70 bar, zugeführt und tritt an dem Anschluß 106 wieder aus.
Das Filtrat tritt durch die Zwischenstücke 107 in die Kammer 108 über und wird durch den Anschluß log abgezogen.
Gemäß Fig. 2 ist das Innere des Rohres 102 im wesentlichen von einem Packet von einzelnen Filterrohren log ausgefüllt, die einen Außenquerschnitt in Gestalt eines regelmäßigen, d.h. gleichseitigen und gleichwinkligen Sechsecks aufweist. Die Filterkörper log bestehen beispielsweise aus porösem Grafit oder porös gesinteten Rohren aus korrosionsfestem Stahl. Die Gesamtheit der Filterkörper log ergänzt sich zu einem dicht gepackten Querschnitt wiederum in Form eines regelmäßigen Sechsecks, welches vom Innenumfang des Rohres 102 umgeben ist. In dem Ausführungsbeispiel sind zweiundneunzig Filterkörper log zusammengefaßt.
Die rohrförmigen Filterkörper log besitzen eine innere Durchgangsöffnung 111 und an der außenseite in Längsrichtung durchgehende Nuten 112, die so angeordnet sind, daß sie den entsprechenden Nuten 112 auf der gegenüberliegenden Sechseckseite eines benachbarten rohrförmigen Filterkörpers log gerade gegenüberliegen. Auf diese Weise sind in Längsrichtung durchgehende Flüssigkeitskanäle 113 gebildet, die einen Zwangsströmungsweg für die am Anschluß 105 unter Druck eingeführte zu filtrierende Flüssigkeit bilden.
Damit nun die Flüssigkeit auch tatsächlich die Kanäle 113 passiert und nicht den Weg des geringeren Widerstandes durch die außen außerhalb des Packets der rohrförmigen Filterkörper log verbleibenden Restquerschnitte nimmt, werden diese Restquerschnitte durch Formstücke 114 entsprechenden Querschnitts a#efüllt,von denen eines in Fig. 4 separat dargestellt ist. Die Formstücke müssen dem Druck der Flüssigkeit standhalten können, damit sie nicht durch ein Nachgeben Seitenwege für die Flüssigkeit eröffnen. Sie können sich über die ganze Länge der Filteranordnung llo erstrecken. Unter Umständen kann es aber auch ausreichen, wenn sie querschottartig nur an einzelnen Stellen vorgesehen sind.
In Fig. 3 sind verschiedene Möglichkeiten der Querschnittsgestaltung der Nuten an der Oberfläche der Filterkörper log wiedergegeben. Es versteht sich natürlich, daß in der Praxis der gleiche Nutquerschnitt auf allen sechs Seiten des Filterkörpers log vorliegt.
Die auch in Fig. 2 vorhandenen Nuten 112 besitzen einen gleichseitig dreieckigen Querschnitt und weisen mit der Spitze nach innen,d.h. gegen die Durchgangsöffnung 111 des Filterkörpers log. Sie sind in dem Ausführungsbeispiel zu viert auf einer Sechseckseite angeordnet.
Bei der Wahl des Nutquerschnitts muß ein Kompromiß zwischen verschiedenen Forderungen gefunden werden. Erwünscht ist natürlich eine möglichst große Eintritts-Oberfläche des Filterkörpers log. Dabei muß jedoch der Querschnitt der durch die Nuten gebildeten Kanäle 113 so groß bleiben, daß sich noch eine angemessene Strömungsgeschwindigkeit ergibt und das Absetzen von Filterrückständen und auch von Flusen auf den Nutwandungen vermieden wird. Die dreieckige Querschnittsform der Nuten 112 scheint einen brauchbaren Kompromiß darzustellen, insbesondere weil auch die Eintritts-Oberfläche nicht allzu unterschiedlich weit von dem inneren Durchgang 111 entfernt ist und somit ein einigermaßen gleichmäßiger Flüssigkeitseintritt zu erwarten ist. Auch sind die Nuten 112 wegen ihrer geringen Tiefe recht gut herstellbar.
Die Nuten 115 sind nicht so günstig, weil die erzielbare Eintrittsoberfläche und der sich ergebende Kanalquerschnitt gering sind. Bei der Nut 116 ist der Kanalquerschnitt zwar günstiger, doch immer noch eine geringe Eintritts-Oberfläche gegeben.
Der linsenförmige Querschnitt der Nut 117 entspricht in seiner Brauchbarkeit etwa der Nut 115. Bei den Nuten 118 und 119 sind zwar relativ große Eintritts-Oberflächen vorhanden, doch werden die Kanalquerschnittehier schon zu groß, so daß die in der Kanalmitteströmenden Flüssigkeitsanteile kaum Gelegenheit haben, mit der Kanalwandung in Berührung zu kommen. Insbesondere aber sind die Abstände von den einzelnen Stellen der Eintritts-Oberfläche zur Wandung der Durchgangsöffnung 111 sehr unterschiedlich.
Gemäß Fig. 5 weisen die rohrförmigen Filterkörper 129 etwa quadratischen Außenquerschnitt auf und besitzen auf jeder Quadratseite drei Nuten 120 von dreieckigem Querschnitt mit nach innen\ieisender Spitze. Die den am Außenumfang des Packets der Filterkörper 129 zum Innenumfang des Rohres 1o2 verbleibenden Restquerschnitte werden durch Formstücke 124, 125 entsprechenden Querschnitts ausgefüllt.
Der gesamte Innenraum des Rohres 102 links von der querschottartigen Platte 130 (Fig. 1) steht unter dem Druck der durch den Anschluß 105 eingeführten zu filtrierenden Flüssigkeit. Die einzelnen Filterkörper log sind dadurch allseitig druckentlastet und werden nicht etwa durch den in den Kanälen 113 herrschenden Druck auseinandergetrieben. Die am Anschluß 105 einströmende Flüssigkeit strömt also durch die Kanäle 113 bis an deren gemäß Fig.
1 rechtes Ende, welches mit dem Ende der Filterkörper 109 übereinstimmt, wie aus Fig. 6 zu entnehmen ist. Dieses Ende der Filterkörper log beläßt einen Abstand zu der Querplatte 130, welcher durch die rohrförmigen Zwischenstücke 131 überbrückt wird. Die Zwischenstücke 131 greifen mit einem Ansatz 132 in die Durchgangsöffnung 111 der Filterkörper log ein und mit einem Ansatz 133 am anderen Ende durch die Querplatte 130 hindurch. Auf diese Weise werden die Durchgangsöffnungen 111 dicht mit dem gemäß den Fig.
1 und 6 rechts von der Querplatte 130 gelegenen Raum 108 verbunden, aus dem das Filtrat praktisch drucklos oder mit geringem Druck durch den Anschluß log abgezogen wird.
Die aus den Erden der Kanäle 113 in den zwischen den einzelnen Zwischenstücken 131 zwischen den Enden der Filterkörper log und der Querplatte 130 belassenen Zwischenraum eintretende zu filtrierende Flüssigkeit wird durch den Anschluß 106 abgeführt und erneut umgewälzt.
Die dem Zwischenraum 134 zugewandte Seite der Querplatte 130 ist mit einem Blech 135 aus korrosionsfestem Stahl plattiert.

Claims

Patentansprüche.

1. Filteranordnung mit mindestens einem rohrförmigen Filterkörper mit poröser Wandung, durch die die Flüssigkeit im wesentlichen radial hindurchtritt, wobei an der Eintritts-Oberfläche Teilchen oberhalb bestimmter Größe zurückgehalten werden und in der Außenumfangsfläche des rohrförmigen Filterkörpers mindestens eine nach außen geschlossene, einen von einem Einlaß zu einem Auslaß führenden Zwangsströmungsweg bildende Nut vorgesehen ist, nach Patent ... (Patentanmeldung P 28 oo 425.3-27), dadurch gekennzeichnet,daß die Nut (112, 115, 116, 117, 118, 119) durch die Oberfläche eines benachbarten rohrförmigen Filterkörpers (log, 129) geschlossen ist.

2. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterkörper (log, 129) sich in ihren Querschnitten zu einem bis auf die durch die Nuten (112, 115, 116, 117, 118, 119) belassenen Flüssigkeitskanäle (113) dicht gepackten Gesamtquerschnitt ergänzen.

). Filteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterkörper (log, 129) einen gleichmäßig polygonalen, zur Bildung einer dichten Packung geeigneten Querschnitt aufweisen.

4. Filteranordnung nach Anspruch ),dadurch gekennzeichnet, daß die Filterkörper (109) einen gleichseitig und gleichwinklig sechseckigen Querschnitt aufweisen.

5. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (112, 115, 116, 117, 118, 119) einander benachbarter Filterkörper (log, 129) mit den offenen Seiten einander gegenüberliegend verlaufen.

6. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mehrere Nuten (112) auf einer Polygonseite nebeneinander gelegen sind.

7. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (117, 118) einen in die Tiefe der Polygonseiten gewölbten Querschnitt aufweisen.

8. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (115, 116) einen flach-rechteckigen Querschnitt aufweisen, dessen längere Seite parallel zur Seite des Polygons verläuft.

9. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (112, 119) einen dreieckigen Querschnitt mit in die Mitte des Filterkörpers (log, 129) weisender Spitze aufweisen lo.

Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtheit der rohrförmigen Filterkörper (log, 129) in einem rohrförmigen Gehäuse (lol) angeordnet ist und die durch die Filterkörper (lo9, 129) nicht ausfüllbaren Restquerschnitte durch Formstücke (114, 124, 125) entsprechenden Querschnitts ausgefüllt sind.

11. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis lo, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtheit der rohrförmigen Filterkörper (log, 129) in einem Gehäuse (lol) mit zwei Endstücken (los, 104) angeordnet ist und die rohrförmigen Filterkörper (log, 129) an einem Ende geschlossen und am anderen Ende eine dichte Verbindung des Innern (111) der rohrförmigen Filterkörper (109, 129Y zur Außenseite des dortigen Endstücks (104) herstellende Zwischenstücke (151) vorgesehen sind.