DE4412756A1 - Schlaucheinheit und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

Schlaucheinheit und Verfahren zur Herstellung derselben

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DE4412756A1 DE19944412756 DE4412756A DE4412756A1 DE 4412756 A1 DE4412756 A1 DE 4412756A1 DE 19944412756 DE19944412756 DE 19944412756 DE 4412756 A DE4412756 A DE 4412756A DE 4412756 A1 DE4412756 A1 DE 4412756A1
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Description

Die Erfindung betrifft eine Schlaucheinheit sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Es ist bekannt für Stoffaustauschsysteme flüssig/flüssig oder flüssig/gasförmig Membranmodule einzusetzen, wobei sich insbesondere solche Module bewährt haben, die mit Hohlfasern, bzw. Kapillarschläuchen arbeiten. Die Schläuche werden dabei in zwei Stirnplatten eines Gehäuses flüssigkeits- und gasdicht befestigt, vorzugsweise eingegossen. Eines der am Stoffaustausch beteiligten Fluide, beispielsweise ein Gas durchströmt die Schläuche. Das Faser­ bündel ist in einem Gehäuse angeordnet, das vom anderen Fluid, bei­ spielsweise einer Flüssigkeit, durchströmt wird. Der Wirkungsgrad des Stoffaustauschs wird unter anderem von den Strömungsverhältnissen beeinflußt. Die Schläuche können axial oder radial angeströmt werden.
Derartige Module werden beispielsweise zur Ultrafiltration und Mikrofil­ tration als auch neuerdings zur Abgasreinigung eingesetzt, wobei zum Beispiel die Schlauchmembranen von dem zu reinigenden Gas durch­ strömt und die Außenseite der Schläuche von einer Flüssigkeit umströmt werden, die beispielsweise absorbtive Eigenschaften hat und Schadstoffe binden kann.
Zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Stoffaustausches hat es sich als vorteilhaft erwiesen, Schlauchmembranen aus PTFE zu verwenden, da diese sowohl gute chemische als auch thermische Beständigkeit und insbesondere eine niedrige Oberflächenspannung und demgemäß sehr gute hydrophobe Eigenschaften aufweisen.
Bekannte PTFE-Schläuche werden durch Pastenextrusion hergestellt. Die erzielbaren Wandstärken sind durch dieses Verfahren limitiert. Ein Recken des Materials ist nur in Längsrichtung möglich. Darüberhinaus ist das Verfahren aufwendig und die Schläuche daher teuer.
Aus der US-PS 4 791 966 ist ein Verfahren zum Herstellen von Schläuchen bekannt, wobei ein im Querschnitt in der Mitte verdicktes Flachband aus mikroporösem, gerecktem PTFE spiralförmig um einen Draht gewickelt, gesintert und dann vom Draht abgezogen wird. Dieses Verfahren hat gegenüber dem erstgenannten Verfahren eine Reihe von Vorteilen. Insbesondere läßt sich die Wandstärke der Schlauch­ membranen in weiten Grenzen variieren. Auch kann von vornherein ein Material mit einer bestimmten Mikroporösität eingesetzt werden. Nach­ teilig ist insbesondere die umständliche Handhabung der Schläuche beim Zusammenbau der Module, sowie die immer noch recht aufwendige und teure Fertigung der Schläuche.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neues kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Schlauchmembranen anzugeben, wobei insbesondere die Handhab­ barkeit der Schläuche verbessert und ein Zusammenbau entsprechender Module erleichtert werden soll.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und des Anspruchs 9 gelöst. Wesentlich war die Erkenntnis, einzelne Schlauchmembranen zu einer Einheit zusammenzufassen, die etwa einem mehradrigen Flachbandkabel entspricht. Die die einzelnen Schläuche verbindenden Stege können dabei vorzugsweise durchbrochen sein, so daß eine allseitige Umströmung der Schläuche in den Membranmodulen sichergestellt ist. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schlaucheinheit sind Gegenstand der Unteransprüche 2 mit 8.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Schlaucheinheit ist Gegenstand von Anspruch 9. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 10 und 11 benannt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung naher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Stückes der Schlaucheinheit,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Herstellungs­ verfahrens und
Fig. 3 einen Querschnitt durch den Spalt zwischen den beiden Profilwalzen der Vorrichtung nach Fig. 2.
Gemäß Fig. 1 besteht die Schlaucheinheit 10 aus mehreren nebeneinander in einer Ebene angeordneten Schläuchen 12, die durch Stege 14 miteinander verbunden sind. Die Stege können offene Durch­ brechungen 16 aufweisen. Derartige Schlaucheinheiten sind wesentlich leichter zu handhaben als einzelne Schläuche, sie können leicht auf­ gewickelt oder gefaltet werden. Ihre Montage bei der Herstellung von Membranmodulen ist einfach, da immer mehrere Schläuche gleichzeitig verlegt werden können. Die Stege 14 wirken darüberhinaus als Ab­ standshalter, so daß die Schläuche beim Betrieb der Module nicht zusammengedrückt werden.
Die Schlauchmembranen bestehen aus 2 zusammenlaminierten Schichten einer mikroporösen, gereckten PTFE-Membran (Polytetrafluorethylen). Ein Verfahren zur Herstellung solcher Membranen ist in den US- Patentschriften 3 953 566 und 4 187 390 beschrieben. Durch den inerten Charakter des Materials und die hydrophobe Oberfläche eignet sich dieses Material hervorragend für eine Reihe von Stoffaustauschsystemen. Vorzugsweise wird das Material vor der Herstellung der Schläuche einachsig oder zweiachsig verstreckt, so daß es durch die die dadurch erzielte Mikroporösität gasdurchlässig wird aber flüssigkeitsdicht bleibt. Um mögliche Fehlstellen der Membran abzudichten, können die Schläuche auch aus mehreren übereinanderlaminierten Membranlagen bestehen. Eine oder mehrere der Membranlagen können entweder beispielsweise mit einer gas-selektiven Beschichtung beschichtet sein, oder aber durch eine oder mehrere Lagen eines anderen Materials, zum Beispiel einer Verstärkung in Form eines Glasfaser-Vlieses oder eines Gewebes, ersetzt werden, oder aber bei­ spielsweise mit anorganischen oder organischen Stoffen wie Aktivkohle gefüllt sein. Die Membrananlagen können auch unterschiedliche Poren­ strukturen aufweisen, wie zum Beispiel eine grobporige Außenlage, mit vorzugsweise 0,1-10µ und eine feinporige Innenlage mit vorzugsweise 0,01-0,1µ Porendurchmesser. Der Innendurchmesser der Schläuche beträgt vorzugsweise 0,1 bis 2 mm.
Die in Fig. 1 gezeigte Schlaucheinheit kann in einer Vorrichtung hergestellt werden, wie sie schematisch in Fig. 2 gezeigt ist. Zwei Flachbänder 18 aus einer mikroporösen, gereckten PTFE-Membran werden in den Spalt zwischen zwei Profilwalzen 20 eingeführt. In die Oberfläche der Profilwalzen 20 sind Rillen 22 (in Fig. 3 gezeigt) einge­ schnitten, die einander jeweils gegenüberliegen, so daß im Querschnitt runde Hohlräume gebildet werden, in denen Drähte bzw. Dorne 24 stationär angeordnet sind. Die Drähte 24 haben einen Außendurch­ messer, der geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des von den Rillen 22 gebildeten Hohlraums.
Die beiden Flachbänder 18 werden durch den Walzenspalt gezogen, wobei sie zusammenlaminiert werden und sich im Bereich der Rillen 22 um die dort angeordneten Drähte 24 legen, so daß die Schläuche 12 gebildet werden. Die Verbindung der Bänder erfolgt über mittels der Profilwalzen 20 erzeugten Druck. Dabei werden die Walzen mit dem Druckmomentschlüssel derart angezogen, daß der zwischen den Walzen verbleibende Zwischenraum der Wandstärke der Schlauchmembrane entspricht. Zusätzlich kann eine oder mehrere bekannte Verbindungs­ technologien, wie beispielsweise Kleben, Hitze oder Laserbestrahlung angewandt werden. So können den Profilwalzen 20 zum Beispiel Kleber­ auftragswalzen vorgeschaltet werden. Die Bänder 18 können entweder während ihrer Verweilzeit im Walzenspalt oder aber nach dem Verlassen dieses mit Hitze beaufschlagt werden. Dafür können entweder die Profil­ walzen 20 und/oder die Drähte 24 beheizt sein oder die Bänder werden durch ein Sinterbad oder eine Heißlufteinheit 26 geführt. In dieser Ein­ heit wird die Oberfläche der zusammenlaminierten Membranen ange­ schmolzen und dadurch verfestigt. Dabei wird eine Verweilzeit von 2-3 s bei einer Temperatur von 350-400°C im Sinterbad bevorzugt.
Das Abziehen der zusammenlaminierten Flachbänder von den Drähten 24 erfolgt entweder vor oder auch nach der Sinterstation 26. Letzteres hat den Vorteil, daß ein Kollabieren der Schläuche bei der Wärmebehandlung mit Sicherheit verhindert wird.
Die Schlaucheinheit in Form eines endlosen Bandes kann dann spiralförmig aufgewickelt oder zusammengefaltet werden und steht für die Weiterverarbeitung bei der Herstellung entsprechender Membranmodule zur Verfügung.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die hier als bevorzugt genannten PTFE-Membranen beschränkt, auch andere mikroporöse polymere Materialien, z. B. Polyethylen, Polypropylen können Verwen­ dung finden. Die hier genannten Größenverhältnisse der Schläuche sind nur eine bestimmte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schlauch­ einheit. Selbstverständlich können die Schläuche auch, abhängig von ihrem Verwendungszweck, größere oder kleinere Durchmesser aufwei­ sen. Sollte dies zu einem anderen Einsatzzweck erwünscht sein, ist es auch möglich, die Schlaucheinheit wiederum in einzelne Membranschläuche zu schneiden.

Claims (16)

1. Schlaucheinheit (10) bestehend aus mehreren nebeneinander in einer Ebene angeordneten Schläuchen (12), die durch Stege (14) miteinander verbunden sind.
2. Schlaucheinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schläuche Hohlfasern sind.
3. Schlaucheinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schläuche (12) einen Innendurchmesser von 0,1 bis 2 mm haben.
4. Schlaucheinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schläuche (12) aus einer gereckten, mikroporösen und gesinterten PTFE-Membran bestehen.
5. Schlaucheinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schläuche (12) flüssigkeitsdicht und gasdurchlässig sind.
6. Schlaucheinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (14) offene Durchbrechungen (16) aufweisen.
7. Schlaucheinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schläuche aus mehreren laminierten Lagen bestehen.
8. Schlaucheinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Lagen an einem anderen als dem Membranmaterial bestehen, insbesondere aus Glasfaser- Vlies oder einem Gewebe.
9. Schlaucheinheit nach Anspruch 4 und Anspruch 6 oder Anspruch 4 und Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranlagen eine unterschiedlichere Porösität aufweisen.
10. Schlaucheinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die außenliegende Membran grobporig ist mit einem Porendurchmesser von 0,1-10 µm und die innenliegende Membran feinporig ist mit einem Porendurchmesser von 0,01 bis 0,1 µm.
11. Schlaucheinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schläuche mit einer gasselektiven Beschichtung versehen sind.
12. Schlaucheinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das die Schläuche bildende Material mit anorganischen und organischen Stoffen, insbesondere Aktivkohle gefüllt sind.
13. Verwendung der Schlaucheinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, in einem Membranmodul für den Stoffaustausch zwischen zwei Fluiden.
14. Kontinuierliches Verfahren zur Herstellung einer Schlaucheinheit gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • (a) Zusammenführen zweier Flachbänder (18) in einem Spalt zwischen zwei Profilwalzen (20);
  • (b) Zusammenpressen der Flachbänder (18) im Walzenspalt, gegebenenfalls unter Wärme- und/oder Klebstoffzufuhr, wobei
  • (c) im Walzenspalt parallel nebeneinander, beabstandete Drähte (24) stationär angeordnet sind, die in entsprechende, in die Walzenoberfläche einge­ schnittene Rillen (22) eingreifen;
  • (d) Abziehen der zusammenlaminierten Flachbänder aus dem Walzenspalt und gegebenenfalls Durchlaufen eines Sinterbades oder einer Heißlufteinheit (26);
  • (e) Abziehen der zusammenlaminierten Flachbänder von den stationären Drähten (24);
  • (f) Aufwickeln oder Einfalten der endlosen Schlaucheinheit (10) aus zusammenlaminierten Flachbändern.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachbänder (18) aus einer gereckten, mikroporösen PTFE-Membran bestehen.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander mehrere Lagen zusammen­ laminiert werden.
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