DE8705679U1

DE8705679U1 - Ebenes Filterelement mit einer Membran, die eine Filtrationslamellenzelle bildet, und Druckfilter mit Tangentialdurchfluß, das Stapel solcher Elemente umfaßt

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Publication number: DE8705679U1
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Original assignee: BERNARD MICHEL MONTIGNY LE BRETONNEUX FR; LARGETEAU DENIS MAUREPAS FR; PIERRARD PAUL VILLENNES FR
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Priority date: 1986-04-22
Filing date: 1987-04-16
Publication date: 1987-06-19
Also published as: FR2597359A1; FR2597359B1; US4816150A

Description

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Beschreibung

Die Neuerung betrifft die Mikrofiltration Und die Ultrafiltration durch Membranen, die einem Tangentialdurchfluß unterliegen. Der Au§druck Mikrofiltration wird in der Regel auf die Teilchen einer Suspension angewendet, deren Größe zwischen einigen Hundertstel &mgr;&idiagr;&eegr; und einigen 10 &mgr;&eegr;&igr; liegt und sie tritt beispielsweise auf bei Drucken zwischen einigen 10 bar und einigen bar, während die Ultrafiltration dazu dient, große organische Moleküle von mineralischen Molekülen oder kleinen organischen Molekülen zu trennen,und beispielsweise bei Drucken zwischen 2 und 15 bar auftritt.

Die Zirkulation des Vorfiltrats (prefilt) an die Oberfläche

der Membran (Tangentialdurchfluß) bei Geschwindigkeiten in der Größenordnung von einigen m/s gewährleistet die permanente Eliminierung von Feststoffen, welche die Neigung haben, 2Q sich auf der Oberfläche des Filters (Filtrationsmittels) abzuscheiden, sowie die Zufuhr und die Erneuerung des Materials.

Die Wirksamkeit- des bekannten Tangentialdurchfluß-Verfahrens ist jedoch nicht immer zufriedenstellend, wenn man industrielle Anwendungen, insbesondere für die Filtration von Flüssigkeiten mit erhöhter Beladung an Feststoffmaterialien, selbst bei Verwendung eines modifizierten Aufbausdes Filters in Betracht zieht, d.h. wenn man Module b2w. Elemente, die

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tarzellen bestehen, in Reihe und/oder parallel zueinander anordnet, was die Erzielung einer globalen Filtrationsoberfläche erlaubt, die für die praktische Anwendung erforderlich ist, durch Vereinigen der verhältnismäßig kleinen Oberflächen der Elementarzellen.

&Igr; Eine ausreichende Ausbeute an Membranobefflache wird nämlich nur dann erhalten/ wenn man eine ausreichende hydrodynamische Homogenität, d.h. eine gute gleichmäßige Verteilung sowohl der Öeschwindigkeits- als auch der Druckgradienten, über die gesamte Oberfläche erzielt.

Bei dem bekannten Verfahren, das am häufigsten in der industriellen Mikrofiltration mit Tangentialdurchfluß angewendet wird, verwendet man eine rohrför-iniae Minera.l-Mei'nbran; die aus einem starren und porösen Mineralrohr besteht, das innen von einer Haut (Film) eines Adjuvans mit ultrafeinen Poren bedeckt ist. Solche Elementarzellen werden zu einem Bündel miteinander vereinigt zur Herstellung eines Moduls bzw. Elements. Zur Erzielung einer großen Filtrationsober-

!5 fläche für ein gegebenes Volumen ist man gezwungen, eine große Anzahl von sich in dem Bündel im wesentlichen berührenden (benachbarten) Rohren zusammenzugruppieren,und der Austritt des Filtrats aus den zentralen Rohren wird dann durch den Durchgangswiderstand so gut gebremst bzw. gehemmt,

_OQ daß im Innern der entsprechenden Zellen ein Gegendruck entsteht, wodurch die hydrodynamische Homogenität und damit die Filtrationsausbeute beeinträchtigt werden.

Der Aufbau solcher Filter ist außerdem verhältnismäßig 2g kompliziert bzw. kostspielig.

Andere bekannte Typen von Filtrationselementarezellen mit einer Membran weisen entweder eine zu große Dicke der auf der Membran zirkulierenden Flüssigkeitsschicht (und somit

_{&uacgr;&Ggr;&iacgr;} einen unzureichenden Geschwindigkeitsgradienten) oder einen gewundenen und langen Verankerungsweg des filtrierten Produkts, der zu Verlusten der Fracht (Beladung) führt, die als Gegendruck wirken (verzögerter Ablauf des Filtrats), oder eine Innenausstattung der Membran (Gewebe bzw. Ge-

_,_ flecht zwischen den Membranen) auf, die ebenfalls beträchtliehe Verluste an Fracht (Beladung) hervorruft, oder sie

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sind mechanisch sprödfe*

So weisen beispielsweise Membranen, die aus einer Seele aus einem nicht-gewebten Textilmaterial, das mit Polymeren Umhüllt oder imprägniert ist, einen verzögerten (gehemmten) Ablauf des Filtrats auf und ihre offene Zellstruktur führt zu irreversiblen Einschlüssen von Teilchen, die "Sieb"-Membranen (ein Film aus einem Polymeren, der einer Bombardierung mit schweren Ionen ausgesetzt wird) haben eine auf

^q 10 &mgr;&idiagr;&eegr; begrenzte Dicke, die ihre Verwendung erschwert; schließlich Weisen die Ultrafiltfationsmembranen vom zusammengesetzten Mehrschichten-Typ eine aktive Schicht mit einer gekrümmten (gewundenen) Struktur auf, in der irreversible Einschlüsse von Teilchen auftreten können.

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s Als Funktion sowohl der bekannten Strukturen der Module

bzw. Elemente (mit Hohlfasern, rohrförmigen Fasern, Spiralfasern oder ebenen Fasern) als auch der verwendeten Membrantypen erhält man schließlich verschiedene bevorzugte &ldquor;_ Koeffizienten, die den Verlusten an Fracht (Beladung) des Filtrats oder des Konzentrats, dem Energieverbrauch, der Möglichkeit der Behandlung von beladenen Flüssigkeiten und der Leichtigkeit der Dickenanpassung Rechnung tragen. Ein wichtiger Faktor ist auch das "Totvolumen" pro m² Membran in dem Modul bzw. Element, d.h. das Volumen, das in Bewegung versetzt werden muß, um eine wirksame Geschwindigkeit zu erzielen: je geringer dieses Volumen ist, um so größer ist das energetische Leistungsvermögen des Moduls bzw. Elements.

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Die Neuerung betrifft eine Filtrationszelle mit einer Membran, die, im Verhältnis zu den bekannten Zellen und insbesondere zu den obengenannten Zellen,den Vorteil aufweist, daß sie gleichzeitig eine geringe Dicke der Flüssigkeitsschicht (von 0,3 bis 2 mm) und eine begrenzte Länge des

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Weges (der Strecke) des zu filtrierenden Produkts (10 bis

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50 cm) _; einen ungehemmten Abfluß des FiItrats und damit einen kurzen Extraktionsweg (3 bis 10 cm), keine Ausstattung (Verkleidung) zwischen den Membranen aufweist, eine Struktur mit einer ausreichenden mechanischen Steifheit besitzt, um ihr eine konstante Geometrie zu verleihen, daß sie die Stabilität der hydrodynamischen Bedingungen unter Druck- und Temperaturbeanspruchungen garantiert und zufriedenstellende Herstellungskosten mit sich bringt.

Die geringe Dicke der Flüssigkeitsschicht erlaubt die Erzielung hoher Geschwindigkeitsgradienten bei verhältnismäßig geringen Zirkulationsgeschwindigkeiten. Die begrenzte Länge des Weges des filtrierten Produkts vermeidet zu hohe Korizentrationsgradienten und gewährleistet so eine Rehomogenisierung des filtrierten Produkts.

Die Neuerung betrifft außerdem einen solchen Aufbau des Moduls bzw. Elements, der eine ungehemmte Verteilung der Zuführungen und ein geringes Totvolumen pro m² Membran (0,15 bis 0,45) aufweist.

Die Filtrations-Elementarzelle mit Membran gemäß der vorliegenden Neuerung besteht aus einer Membran, die besteht aus einer oder zv/ei ebenen Folien und gestaltet ist als

2Fj ultraflaches langgestrecktes Etui, das an seinen beiden Enden offen ist, wobei dieses Etui ohne Ausstattung bzw. Zubehör im Innern sandwichartig zwischen zwei ebenen Geweben oder Haarnetzen angeordnet ist, die mit der Membran verbunden bzw. verflochten sind oder nicht unter Bildung des Drainagegewebes mit einer vorgegebenen Struktur, um die Membran zu unterstützen, ohne ihre ebene La je unter dem Einfluß des Druckes zu deformieren,und ihr eine gute Dimensionsbeständigkeit unter mechanischen, thermischen oder chemischen Beanspruchungen zu verleihen mit einer

gg solchen Geometrie/ diö eine ungehemmte Extraktion des

Filtrats gewährleistet/ wobei die Drainagegewebe die Endäb-

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&Igr; schnitte der beiden Oberflächen der Membran nicht bedecken, sondern an jedem Ende durch dichte und starre Endzungen mit der gleichen Dicke wie das Drainagegewebe verlängert sind, welche die Endabschnitte bedecken.
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Der Filtrationsmodul bzw. das Filtrationselement gemäß der vorliegenden Neuerung besteht aus einem direkten Stapel von Elementarzellen mit einer zylindrischen Geometrie, die im Innern einer verlängerten Hülle angeordnet sind, die selbst an den Enden Öffnungen aufweist, die erforderlich sind für den Eintritt und den Austritt des zu filtrierenden Produkts und die eine oder mehrere seitliche Öffnungen für den Austritt des Filtrats aufweist, wobei diese Zellen miteinander verknüpft werden durch Fixierung der End-Zungen bzw. -Langetten auf den Membranen, wobei der Stapel sandwichartig zwischen zwei starren Flanken (Seiten) festgehalten wird und das Ganze mit zwei Endflanschen zusammengehalten wird, die jeweils mit einem Eintrittsfenster und einem Austrittsfenster für das zu filtrierende Produkt durch die jeweiligen Enden des Etuis versehen und im Innern der Hülle befestigt sind, auf die die beiden Flansche in abdichtender Weise aufgebracht sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Flanken (Seiten) selbst mechanisch mit der Innenwand der Hülle verbunden, um die Steifheit des Stapels zu verstärken.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Neuerung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den QQ beiliegenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform des aus der Membran bestehenden Etuis;

gg Pig. 2 ein Drainagegewebe, das mit seinen beiden äußeren Längetten (Zungen) vergehen ist;

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Fig. 3 einen Stapel von mehreren Etuis mit dazwischenliegenden Drainagegeweben undLangetten (Zungen) an den Enden, die sie verlängern;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines komplett montierten Moduls bzw. Elements in einer Hülle;

Fig. 5 die Befestigung der Langetten (Zungen), welche das Drainagegewebe verlängern, in einem Flansch am Ende des Moduls bzw. Elements; und

Fig. 6 den Extraktionsweg des Filtrats.

Die Fig. 1 zeigt, daß die Membran 1 in Fora, einer ebenen Folie aus einem Copolyrneren oder aus Metall -,it einer Dicke zwischen einigen &mgr;&pgr;&igr; und einigen 100 &mgr;&pgr;&igr; auf das erforderliche Formmat zugeschnitten ist und dann um eine "Service-Platte" P herumgewickelt ist, deren Dimensionen so sind, daß sie die künftige Geometrie der Flüssigkeitsschicht bestimmen. Nach dem Abdecken der beiden Ränder der Membran werden diese miteinander verbunden unter Bildung eines flachen Etuis mit beispielsweise einer Dicke von 200 &mgr;&idiagr;&eegr; bis 2 mm und zwei Flächen, die jeweils eine Oberfläche haben, die einige 10 bis einige 1000 cm² betragen kann.

Genäß einer Variante kann das Etui erhalten werden, indem

man zwei ebene Folien, die seitlich miteinander verbunden sind, übereinanerlegt, mit oder ohne eine Abdichtung dazwischen, oder bei der man von einem homogenen Rohr go ausgeht.

Die Fig. 2 zeigt ein ebenes Drainagegewebe 2, das aus einem Geivebe (Geflecht) , einem Haarnetz oder einem anderen Material besteht, dessen Struktur so ist, daß es den besten gg Kompromiß liefert, um den folgenden Funktionen zu genügen;'

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- Träger für die Membran: keine Dformation der ebenen Lage der Membran unter dem Einfluß des Druckes/ keine Änderung seiner Integrität,

- Festigkeit bzw. Dichte; geringe Dicke von beispielsweise 0,2 bis 2 mm,

- geringer Verlust an Fracht bzw. Beladung beim transversalen Fließen des Filtrats,

- Dimensionsbeständigkeit unter verschiedenen mechanischen, thermischen und chemischen Beanspruchungen.

Die Aufbaumaterialien für das Drainagegewebe können s^in: plastische Polymere und Copolymere, Glas, Metalle, Kohlenstoff und alle anderen geeigneten Materialien.

je Die Langetten bzw. Zungen an den Enden 3 und 4, die bei der bevorzugten Ausführungsform nicht mit dem Drainagegewebe verbunden sind, erfüllen dio folgenden Funktionen:

- sie verschließen das Drainagegewebe in ihrer Dicke, um zu ver

hindern, daß die zu behandelnde Flüssigkeit in es eindringt,

- sie vermeiden die Vermischung der beiden Kreisläufe durch Verbindung mit der Membran und vorzugsweise mit den Flanschen an den Enden,

- sie definieren die Geometrie der Zuführungsöffnungen und &ldquor;c der Extraktionsöffnungen für die behandelte Flüssigkeit und sie halten die eingestellten hydrodynamischen Zustände aufrecht dank ihrer Steifheit und ihrer Verankerung in den Endflanschen.

Die Aufbaumaterialien dieser Lanzetten bzw. Zungen können sein Polymere, Copolymere, Verbundmateri;.lien, faserverstärkte Kunststoffe oder Gewebe jeder Art, Glas, Metalle, Kohlenstoff, Keramiken und alle anderen geeigneten Materialien,

Diese Materialien öind solche, daß sie den Langetten bzw.

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Zungen eine mechanische Steifheit/ insbesondere eine geringe Biegung Und einen geringen Dilätatiörisköeffiziehteri verleiheni

Außerdem sind diese Langetten bzw. Zungen in den Endfianschen mittels einer geeigneten elasfeomeren Verbindung (72/ Fig* 4 und 5) verankert, welche die Absorption der Deformationen als Folge der Temperatur und des Druckes erlaubt, sowohl

Gesamteinheit: Das Drainagegewebe, die Endlangetten bzw. -zungen und die Membran, die noch mit Service-Platten ausgestattet ist, werden durch Aufeinanderstapeln zusammengebaut; bei dieser Operation werden die Membranen (Fig.

3} mit den Langetten (Zungen) auf der gesamten Oberfläche der letzteren verbunden.

Der Membran-Drainagegewebe-Langetten-Stapel, der auf seinen beiden Seiten (Flanken) durch zwei Platten 5-6 (Fig. 4) festgehalten wird, wird anschließend mit zwei Endflanschen 7-8 mit Hilfe des Verbindungselemente 72 verbunden und die Service-Platten werden von den Membranen entfernt. Der so aufgebaute Modul wird in eine rohrfÖrmige Hülle 9 eingeführt, die an ihren Enden mit den erforderlichen Eintrittsöffnungen 10 und Austrittsöffnungen für das zu filtrierende Produkt und seitlich mit Austrittsöffnungen 11 für das Filtrat ausgestattet ist.

Die Platten 5 und 6 sind so dimensioniert, daß sie gegen die Druckdifferenz, die zwischen der zu filtrierenden Flüssigkeit und dem Filtrat besteht, beständig sind. Zylindrische Zapfen 51, die von diesen Platten vorstehen, stützen sich auf die Innenwand der Hülle und verstärken so die Steifheit des Ganzen.

Die kreisförmigen Flansche 7 und 8 sind mit Verbindungs-

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eiiiheiten ausgestattet, die eine Abdichtung zwischen den beiden Kreisläufen des zu filtrierenden Produkts und des Filtrats gewährleisten, und sie sind mit Fenstern 71 ausgestattet, welche die Eintritts- und Austritts-^ zönen der durch die Etuis gebildeten Lamellenkanäle einrahmen .

Die Steifheit der Langetten bzw. Zungen an den Enden, die Homogenität der Geometrie der Eintritts- und AustrittsjQ öffnungen und die genügend geringe Austauschoberfla die, gebildet durch jeden dieser Kanäle, gewährleisten eine gleichmäßige Verteilung der Tangentialdurchflußgeschwindigkeiten des zu filtrierenden Produkts und der Druckunterschiede an den verschiedenen Punkten dieser Oberfläche.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Fracht- bzw. Beladungs= Verluste beim Eintritt und Austritt des zu filtrierenden Produkts sehr gering sind, daß die Zuführung und die Extraktion direkt sind und daß das Totvolumen pro Oberflächeneinheit der Membran besonders stark Vermindert ist^

Die Fig. 6 zeigt den maximalen Weg des Filtrats (TMEP). Die Pfeile X zeigen die Fließrichtung der filtrierten Flüssigkeit, die Pfeile Y diejenigen des Filtrats/ S das Drainagegewebe und M die Membranen an.

Die Neuerung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf spezifische bevorzugte Ausführungsformen näher erläutert, es ist jedoch für den Fachmanli selbstverständlich, daß sie darauf keineswegs beschränkt ist, sondern daß ,

diese in vielfacher Hinsicht abgeändert und modifiziert werden können, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Neuerung verlassen wird.

Claims

. SOLF & ZAPF

Zugelassene Vertreter beim Europäischen Patentamt * * * '' München — Wuppertal

Patent Attorneys — European Patent Attorneys

Patentanwälte

Dr. A. SoIf, Dipl.-Ing. (München) M 948/III/mi Chr. Zapf, Dipl.-!ng. (Wuppertal)

Dr. G. Hartmann, Dipl.-Chem. (Münchenl

1. PIERRARD Paul - 199, chemin des Groux

78670 VILLENNES/Seine (Frankreich)
2. BERNARD Michel - 2, place du village

78180 MONTIGNY LE BRET0NNEUX (Frankreich)
3. LARGETEAU Denis -13, allee des tilleuls

78310 MAÜREPAS (Frankreich)

Ebenes Filterelement mit einer Membran,

die eine FiltrationslamellenzeLLv· bildet, und Druckfilter mit Tangentialdurchfluß, das Stapel solcher Elemente umfaßt

Schutzansprüche

1. Filtrationsmodul bzw. -element, bestehend aus einem Stapel von flachen rohrförmigen Membranen, die an beiden Enden offen sind, und aus dazwischenliegenden permeablen flachen Elementen, die in einer Hülle angeordnet sind, die einen rohrförmigen Körper aufweist, der durch zwei Wände an den Enden verschlossen ist, die mit Eintrittsöffnungen und Austrittsöffnungen für das zu filtrierende Produkt versehen sind, das in den rohrförmigen Membranen an der Oberfläche zirkuliert, wobei der Körper mit öffnungen zum Abziehen des Filtrats ausgestattet ist, das die dazwischenliegenden Elemente passiert, dadurch gekennzeichnet , daß man zur Erzielung der Mikrofiltration mit einem Tangentialdurehfluß des filtrierten Produkts, der einen erhöhten Zirkulationsgeschwindigkeitsgradienten bei Geschwindigkeiten von einigen rtt/s, eine kütfze Verankeifungsstrecke für das filtrierte Produkt, ein vermindertes Totvolumen pro nt² Membran Und einen Unbehinderten Ablauf des Filtrats her-

Zeppeilrtstr, 5i3< f>8ÖÖÖ München 80 ., _tit, ..

Telefon (089) 48 40 95-96, Telefax (089)'4a40 97¹J i I.. !.. .DeijtsfiheBankAG München (BLZ 700 70010)7090020 Telex 5214168sö2ad '·..'· \ ''.,'' ..,'''..' \ Posjgiroamt München (BLZ 70010060) 74620*809

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vorruft, eine Membran (1) verwendet, die ein Etui mit einer Dicke zwischen 0,2 und 2 mm bei einer Oberfläche zwischen einigen 10 und einigen 1000 cm² bildet, daß man als dazwischenliegendes Element ein Drainagegewebe (drain) verwendet, das aus einem Gewebe oder Haarnetz mit vorgegebener Struktur besteht, um die Membran zu unterstützen, ohne ihre flache Lage unter dem Einfluß des Druckes zu deformieren unter Gewährleistung einer guten Dimensionsbeständigkeit bei mechanischen, thermischen und chemisehen Beanspruchungen, wobei das Drainagewebe (2) c'.'.e Oberfläche der Membrar (1) bedeckt mit Ausnahme der Endabschnitte derselben, die durch starre und dichte Zungen (3) bedeckt sind, welche das Draincgegewebe (2) verlängern und die gleiche Dicke wie dieses haben, wobei diese Öffnungen so dimensioniert sind, daß der gleichzeitige Eintritt des zu filtrierenden Produkts in die Gesamtheit der Membranen und sein gleichzeitiger Austritt aus der Gesamtheit der Membranen sichergestellt sind, die auf diese Weise in dem Modul bzw. Element parallel zueinander angeordnet sind, wobei der Stapel, bestehend aus Membranen mit identischen Oberflächen, sandwichartig zwischen zwei starren Flanken (Seiten) angeordnet ist, die auf die äußersten Oberflächen der Membranen aufgebracht sind, und Einrichtungen vorgesehen sind, um sie im Innern des Körpers der Hülle zu fixieren unter Aufrechterhaltung eines freien Raums um den Stapel herum zum Abziehen des Filtrats zwischen dem Stapel und dem Körper der Hülle.

²· Filcrationsmodul bzw. -element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Ränder der Etuis mit dem freien Raum in direktem Kontakt stehen.

3. Filtrationsmodul bzw. -element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß der Stapel, der mit starren

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Flanken (Seiten) Versehen ist/ Verbunden ist mit zwei Endflansöhen, die in abdichtender Weise auf den Körper de* Hülle aufgebracht sind Und Fenster bilden, welShe alle Stirnflächen des Stapels bedecken.
4. Piltrationsmodül bzw* -element nach Anspruch 1 öder 2/ dadurch gekennzeichnet, daö die Flanken (Seiten) mittels starrer Abstandsstücke (51) mit der Innenwand des Körpers verbunden sind*
5i Filtrationsmodul bzw* -element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Extraktionsstrecke des Filtrats zwischen 3 und 10 cm beträgt.
6. Filtrationsmodul bzw. -element ivach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Filträtiönsweg des Produkts zwischen 10 und 50 cm beträgt.