DE4412756A1 - Schlaucheinheit und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents
Schlaucheinheit und Verfahren zur Herstellung derselbenInfo
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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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