DK158201B - Fladmembran-filterapparat - Google Patents

Description

- 1 -

DK 158201 B

Opfindelsen angår et fladmembran-filterapparat af den i indledningen til krav 1 angivne art, med hvilket opløste og også delvis suspenderede stoffer af ægte og kolloidale opløsninger kan udskilles ved hjælp af ultrafiltration, reversosmose og lignende.

5

Ved kendte fladmembranfilterapparater frembringes der ved hjælp af forskellige midler væskestrømninger ved membranoverfladerne på filterskiverne for at forhindre dannelsen af hæmmende dæklag på membranerne og en koncentrationsforøgelse i nærheden af membranen.

10

Fra DE-offentliggørelsesskrift 25 45 482 kendes et fladmembran-filterapparat af den angivne art, hvor de enkelte ringformede filterskiver er fastgjort til beholdervæggen ved deres omkreds og holdes ved hjælp af ydre afstandsstykker i på forhånd fastsatte mellemafstande. I 15 det centrale indre befinder der sig en roterende aksel, til hvilken der er fastgjort skiver, som er anbragt i mellemrummene mellem filterskiverne. I hver af de ru overflader på disse skiver forløber der buede radialnoter, som ligesom skovlhjulet i en centrifugalpumpe frembringer en centripetalkraft eller et tryk i retning mod den indre skivekant, 20 med hvilken de som følge af rotationen af skiverne fremkaldte centrifugalkraft tilnærmelsesvis udlignes. På denne måde holdes trykket af det til beholderen tilførte fluidum tilnærmelsesvis ensartet i alle fladeområder for filterskiverne 11, hvorved der skal undgås en uensartet filtreringsvirkning og en beskadigelse af filterelementerne eller mem-25 branerne. For at udligne vimingen fra de større turbulenser i de radialt ydre områder af de roterende skiver aftager tykkelsen af disse skiver kontinuerligt i retning udad, således at højden af de frie spalterum forøges tilsvarende. Ved dette kendte apparat er ikke alene det i forhold til dimensionerne lille antal filterskiver, men også mindskel-30 sen af relativhastigheden fra den ydre skivekant ind mod skivecentrum, en for depolariseringen ugunstig strømhvirvellængde samt de ved drejningen af den roterende skivepakke fremkomne problemer imidlertid en ulempe.

35 I DE-offentliggørelsesskrift 28 14 924 beskrives et roterende fil terapparat, hvor der i en beholder er anbragt en som i en membranpresse - 2 -

DK 158201 B

udformet sTcivepakke. Til trods for de under visse omstændgheder fremkomne fremgangsmådetekniske fordele kan den komplicerede udformning af dette apparat ikke udligne bortfaldet af en cirkulationspumpe.

5 I DD-patentskrift 114 205 beskrives et ultrafiltrationsapparat, hvor presseagtigt sammenføjede kamre er anbragt i en trykbeholder, som påvirkes ved hjælp af trykluft og/ eller en cirkulationspumpe med den væske, som skal skilles. I pladepakken er der anbragt hvirvelringe med dyseagtige indløbskanaler, som imidlertid fordrer separate tilløbstil-10 slutninger. De til frembringelse af den ønskede hvirvelstrømning anvendte dysestråler ødelægger imidlertid i nærheden af dyserne de adskillelsesaktive lag af membranerne og fører til et for tidligt svigt af filterskiverne ved varig drift. Desuden kan den fulde virkning af hvirveldepolariseringen kun opnås under visse betingelser. Ved frem-15 bringeisen af en hvirvelstrømning ved hjælp af dyser opstår et ugunstigt tværsnitsforhold mellem dyseboringen og hvirvelkammeret, således at der i dysen skal frembringes en væsentlig større hastighed end den, som ytrer sig som tangentialkomposant ved yderkanten af hvirvelkammeret. Herved opstår store friktionstab og yderligere energitab ved, at 20 hastighedsforskellen ved strømsammensmeltningen i nærheden af dysen i videst muligt omfang tilintetgøres. En yderligere mindskelse af tangen-tialkomposanten forårsages ved, at hvirvelstrømningen betinger en meridiankomponent, som ved hvirvelkammerets yderkant skal sættes lig med en tangential tværsnitsudvidelse, således at den med tiltagende afstand 25 fra dysen aftager tilsvarende, hvorved randbetingelserne for hvirvelstrømningen forringes. Disse ulemper kan heller ikke afhjælpes ved at anbringe flere dyser for hvert kammer, da hastighedsforskellen ved yderranden ganske vist kan formindskes derved, men hvor den roterende mængde ved det samme tværsnit forøges i samme forhold, eller forholdet 30 mellem tværsnittet af hvirvelkammeret ved tilsvarende forringet dysediameter bliver endnu mere ugunstigt og faststofkapaciteten i filterap-paratet formindskes afgørende.

Det er opfindelsens formål at tilvejebringe et fladmembran-fil-35 terapparat, hvor ulemperne ved den kendte teknik er fjernet og der op-

DK 158201 B

- 3 - nås et gunstigere forhold mellem filterkapacitet og energiopbud samt en øget faststofkapacitet.

Opfindelses opgave består i at tilvejebringe et fladmembran-fil-5 terapparat af den angivne art, hvor der opnås store filtereffekter ved hjælp af en bredt varierbar, udlignet hvirvelstrømning, således at både energispidser og underdepolariserede fladedele samt lokale overbelastninger af membranerne undgås.

10 Denne opgave løses ved hjælp af de i den kendetegnende del af krav 1 anførte ejendommeligheder.

Filterapparatet ifølge opfindelsen muliggør en nedsættelse af energitabene og en mindsket følsomhed overfor faststofbelastninger. Der 15 kan opnås fuldkommen udlignede randstrømninger. Der tages et sådant hensyn til coriolis- og centripetalkræfterne samt væskefriktionen, at der sikres en tilnærmet konstant flydehastighed allerede ved små cirku-lationsiæengder i en turbulens, som rækker op over den samlede overflade, hvorhos energibehovet mindskes yderligere, fordi de i forhold til 20 en hvirvelstrømning, hvor c^r = konstant, forekommende radiale trykforskelle kan nedbringes væsentligt.

Ifølge opfindelsen frembringer den i form af et røreværk udformede roterende komponent i alle spalterum den for en hvirvelstrømning nød-25 vendige periferihastighed, hvorhos de nødvendige meridiankomposanter kan frembringes ved hjælp af en ci rkulat ionspumpe.

Ifølge en udformning af opfindelsen kombineres den roterende komponent med en transportindretning således, at omkredshastigheden samt 30 meridiarikomposanterne af transportstrømmen direkte udnyttes til hvirvelfrembringelsen og en særskilt cirkulationspumpe kan bortfalde. Især til mindre cirkulationsmængder kan transportindretningen være udformet som en injektorskive, som er fastgjort på skivepakken eller beholderen, hvorhos et undertryk omkring den roterende komponent udnyttes til 35 transport af depolariseringsvæsken fra den gennemgående indre kanal til det ydre ringrum.

DK 158201B

- 4 - På hensigtsmæssig måde anbringes tre afstandsringe ifølge opfindelsen fortrinsvis i nærheden af den indre diameter af skiverne således, at deres indre rum flugter med tværboringerne i filterskiverne. Spændebolte, som er notet eller affladet i længderetningen, er ifølge 5 en udformning af opfindelsen ført gennem disse tværboringer og afstandsringene og monteret med en flange på en endeflade på beholderen således, at filterskiverne og afstandsringene spændes sammen. Det per-meat, som er samlet i den porøse del af filterskiven, ledes via perrae-atrum i filterskiverne in i tværboringerne eller aksialkanalerne i 10 spændeboltene, hvorhos afstandsringene trykkes mod plader, som er indlagt i filterskiverne omkring tværboringerne, og som udligner det gennemstrømningstværsnit for den porøse skivehvileflade, der er formindsket ved hjælp af spænde trykket, ved hjælp af kanaler eller boringer.

15 Den råopløsning, som skal filtreres, ledes under overtryk ind i beholderen til fladmembranfilterapparatet, således at der opstår en drivkraft for en væskestrøm gennem membranerne. Herunder tilbageholdes de opløste stoffer af membranerne, medens det som permeat betegnet opløsningsmiddel flyder ind i det mellem membranerne og filterskiverne 20 indlejrede porøse materiale, og der strømmer parallelt med filterskiverne i retning mod de væskegennemtrængelige plade og føres bort gennem noterne eller affladningerne i spændeboltene til beholderens endevæg.

Noterne eller affladningerne på spændeboltene munder fortrinsvis ud i en tæt af dækket ringnot således, at permeatet føres bort fra beholderen 25 via en udløbsstuds, som er forbundet med ringnoten.

Ved udformningen med kun en roterende komponent i det ydre ringrum transporteres råopløsningen af en cirkulationspumpe via fortrinsvis tangentiale indløbsboringer ind i beholderen og accellereres af den som 30 et røreværk udformede roterende komponent i omkredsretningen således, at de i ringrummet mellem beholdervæggen og filterski vestablen opstår en omkredsstrømning med en til omrøredrejningtallet svarende hastighed. Hastighedskomposanten i omkredsretningen overlejres af en fra transportstrømningen resulterende meridiankomposant således, at væsken tryk-35 kes radialt indad gennem spalterummene fra periferien af filterskiver- - 5 -

DK 158201 B

ne. Herved frembringer radialbevægelsen tangentiale accellerationskræf-ter, som udgør en ækvivalent til de modsatrettede friktionskræfter således, at størrelsen af omkredshastigheden i ringrummet opretholdes over de samlede skiveflader indtil indløbet i den centrale inderkanal.

5

Ved en kombination af rørevaerket med et yderligere skovlhjul eller en skiveformet injektor kan der opnås yderligere energifordele ved bortfald af de ydre omkredselementer samt ved direkte udnyttelse af de allerede ved væsketransporten dannede omkredskomposanter. Ved denne 10 variant føres væsken direkte fra den indre kanal til indløbsåbningen for transportindretningen således, at der inden i beholderen opstår en cirkulationsstrømning og en ydre cirkulationspumpe kan bortfalde. Også ved disse udformninger indstilles det nødvendige filtreringstryk ved hjælp af trykluft.

15

Opfindelsen forklares i det følgende ved hjælp af et udførelseseksempel. På de dertil hørende tegninger viser: fig. 1 et længdesnit gennem et fladmembran-filterapparat med 20 omrører, fig. 2 et tværsnit af en fladmembran-filterenhed med omrører, fig. 3 et detaillængdesnit gennem skivepakken i fladmembran- f ilterapparatet, og fig. 4 et længdesnit gennem et fladmembran-f i lterapparat, hvor 25 omrøreren er kombineret med et radialt transportskovl- hjul.

Fig. 1 viser et fladmembran-filterapparat, hvor filterskiverne 1 er sammenspændt ved hjælp af tre spænde- og permeatbortledningsbolte 2, 30 som er forsynet med en not i længderetningen, monteret på den nederste endeflade af beholderen 3 med en flange, hvorhos de indlagte tre afstandsringe 4 mellem hvert skivepar tilvejebringer en spalte 5, 6, som bestemmes i overensstemmelse med højden af afstandsringene 4, og som er åben ved den ydre og indre skiveradius. Herunder er filterskiverne 1 på 35 i og for sig kendt måde belagt med et porøst materiale 7 og en derpå - 6 -

DK 158201 B

liggende semipermeabel membran 8 eller et andet filtermiddel og er ved randene tætnende forbundet med filterskiven 1 ved hjælp af egnede midler. Derved opstår der i fladmembran-filterapparatet to fra hinanden adskilte væskerum, hvorhos permeatrummet er forbundet med endeflangen 5 9's ringnot samt med udløbsstudsen 10, og hvor koncentratrummet via de fortrinsvis tangentiale indløbsboringer 11 og udløbsstudsene 12 står i forbindelse med den på tegningen ikke viste cirkulationspumpe.

Den i udførelseseksemplet ifølge fig. 1 viste omrørevariant består 10 af en i beholderbundflangen drejeligt lejret og mod væsketrykket tætnet fingeromrører 13 samt et på tegningen ikke vist i og for sig kendt enkelt- eller gruppedrev. Lejlighedsvis kan en udformning som magnetom-rører imidlertid også være fordelagtig.

15 Ved små fladmembran-filterenheder kan der fremkomme fordele også ved en rører, som kun drives ved hjælp af tangent ialt indstrømmende koncentrat, hvorhos den i dette tilfælde imidlertid kun udligner hastighedsforskelle ved periferien af filterskiverne 1.

20 Det ved hjælp af cirkulationspumpen gennem indløbsboringerne 11 i beholderen indstrømmende koncentrat accelereres i omkredsretningen ved hjælp af røreren 13 og/eller udlignes hastighedsmæssigt, hvorhos et passende valg mellem størrelsen af omkredshastigheden og den transporterede mængde i hvert punkt af spalterummene, som er begrænset af fil-25 terskiverne 1, holder den således frembragte omkredskomponent konstant.

Fig. 2 tydeliggør et hastighedsbillede, som kan frembringes med udformningen ifølge opfindelsen, og som kan opnås over membranfladen allerede med relativt små meridianhastigheder cm· Udførelseseksemplet 30 viser endvidere tværsnittet af rørebladene 14, som står under en vinkel a, således at der opstår et slip mellem røre- og koncentratbevægelsen, som muliggør et røredrev uden nedgearing med et drev og desuden frembringer et radialt transporttryk. En yderligere fordel består i, at indfaldsvinklen α let med rørerbladene 14, som er fastgjort dre-35 jeligt om længdenaksen på røreren 13, kan anpasses til fordringerne,

DK 158201B

- 7 - uden at ændre omdrejningstallet for røreren 13. Ved større fladmembran-filterenheder kan der endvidere opnås forskellige indfaldsvinkler α over længden af rørebladene 14 ved hjælp af røreblade 14, som er udformet rumligt krummet, hvorhos et af det udstrømmende koncentrat betinget 5 forskelligt differenstryk mellem den ydre og den indre skiveradius udlignes.

Fig. 3 viser et detaillængdesnit gennem skivepakken i fladmembran-filterapparatet, med hvilken bortledningsmåden for permeatet fra det 10 porøse materiale 7, som er indlejret mellem filterskiven 1 og membranen 8, nærmere forklares. Det i området omkring afstandsrin gene 4 med spændetrykket fra spændeboltene 2 formindskede gennemstrømningstværsnit af det porøse materiale 7 tager hensyn til de på begge sider af filterskiven 1 indlagte, udenfor spændeområdet hullede plader 15, hvorhos det 15 gennem boringerne strømmende permeat kommer ind i det af pladerne 15 indesluttede hulrum 16, hvorfra det strømmer bort i de langsgående noter i spændebolten 2 til ringnoten i endeflangen 9.

Fig. 4 viser et længdesnit gennem et fladmembran-filterapparat, 20 hvor røreren 13 til forskel fra en udformning ifølge fig. 1, er kombineret med et radialt transportskovlhjul 17 således, at det til depola-risering anvendte koncentrat kun cirkulerer indenfor fladmembran-fil-treringsapparatet. Transportskovlhjulet 17 frembringer herunder direkte både den til hvirvelstrømningen nødvendige omkredskomposant cu, samt 25 den samtidig nødvendige meridianhastighed cm, medens de med transportskovlhjulet 17 forbundne røreblade 14 her opretholder den således opnåede omkredshastighed over hele højden af skivepakken. Røreblade 14, som er udformet svarende til fig. 2, og som er indstillet under en bestemt vinkel a, er her fordelagtige, således at omkredshastigheden u 30 af transportskovlhjulet 17 kan indstilles større end omkredskomposanten cu for hvirvelstrømningen. Ved store fladmembran-filterapparater bliver røreblade, som yderligere er rumligt krummede, hensigtsmæssige, medens disse helt kan bortfalde, når der kun er et ringe skiveantal, således at der til transport og hvirvelfrembringelse kun behøves et transport-35 skovlhjul 17. Til afkøling af depolariseringsvæsken er beholderen 3 - 8 -

DK 158201 B

fortrinsvis forsynet med en kølekappe, men imidlertid kan der også realiseres et kredsløb med en udløbsstuds 12 ifølge fig. 1 og en yderligere fortrinsvis i den overfor liggende endevæg indsat indløbsstuds, hvilket kredsløb kan indeholde et parallelt køleapparat.

5

Claims (7)

1. Fladmembran-filterapparat til ultrafiltration, reversosmose og lignende bestående af en cylindrisk beholder (3) med et afløb (10, 12) for både permeatet og koncentratet, af en stabel af ringformede filterskiver med indre permeatrum, der er anbragt ved hjælp af afstandsholde- 5 re med på forhånd fastsatte mellemrum i beholderen og afgrænser radialt indvendigt og udvendigt åbne spalterum, og af en roterende komponent i beholderen, der frembringer en turbulens i spalterummene ved de virksomme skiveflader på filterskiverne, kendetegnet ved, at den roterende komponent (13, 14) er anbragt i et ringformet rum (5) 10 mellem filterskiverne (1) og beholdervæggen (3) og frembringer i spalterummene en mod det aksialt gennemgående indre rum (6) rettet strømning, og at de i form af afstandsringe (4) mellem filterskiverne (1) anbragte afstandsholdere via tværboringer i filterskiverne (1) står i forbindelse med permeatrummene (16) for filterskiverne (1). 15

2. Filterapparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, den roterende komponent (13) har flere krummede skovle, som kan indstilles med forskellige vinkler α i forhold til tilstrømningsretningen.

3. Filterapparat ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at der i tværboringerne i filterskiverne (1) og i de med disse flugtende afstandsringe (4) er anbragt spændebolte (2) med aksiale permeatka-naler.

4. Filterapparat ifølge krav 3, kendetegnet ved, at der i hver filterskive (1), som er belagt med et porøst materiale (7), mindst er anbragt en plade (15), som har permeatkanaler (16), som fører fra den porøse belægning til tværboringen.

5. Filterapparat ifølge ethvert af de foregående krav, kende tegnet ved, at der i beholderen (3) yderligere er anbragt en transportindretning (17), som frembringer en cirkulerende tilbagestrømning af koncentratet inde i beholderen (3) fra det gennemgående indre rum (6) til det ydre ringrum (5). - 10 - DK 158201 B

6. Filterapparat ifølge krav 5, kendetegnet ved, at transportindretningen rummer et med radiale skovle besat skovlhjul (17), som er fast forbundet med den roterende koponent (13, 14) og er anbragt i et rum ved enden af filterskivepakken. 5

7. Filterapparat ifølge ethvert af kravene 1-4, kendetegnet ved, at der er fastgjort tangentiale tilløbsstudse (11) til beholderen (3), der munder ud i det ydre ringrum (5).