EP1926545A1 - Verfahren und vorrichtung zur mikrofiltration feststoffbelasteter fluide - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur mikrofiltration feststoffbelasteter fluide

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Publication number
EP1926545A1
EP1926545A1 EP06761289A EP06761289A EP1926545A1 EP 1926545 A1 EP1926545 A1 EP 1926545A1 EP 06761289 A EP06761289 A EP 06761289A EP 06761289 A EP06761289 A EP 06761289A EP 1926545 A1 EP1926545 A1 EP 1926545A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
filtrate
pressure
filter
cleaning
inlet
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06761289A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roman Inderbitzin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PILATUS FILTER AG
Original Assignee
PILATUS FILTER AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by PILATUS FILTER AG filed Critical PILATUS FILTER AG
Publication of EP1926545A1 publication Critical patent/EP1926545A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/14—Ultrafiltration; Microfiltration
    • B01D61/147—Microfiltration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/14—Ultrafiltration; Microfiltration
    • B01D61/22—Controlling or regulating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D65/00—Accessories or auxiliary operations, in general, for separation processes or apparatus using semi-permeable membranes
    • B01D65/02—Membrane cleaning or sterilisation ; Membrane regeneration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2321/00—Details relating to membrane cleaning, regeneration, sterilization or to the prevention of fouling
    • B01D2321/04—Backflushing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2321/00—Details relating to membrane cleaning, regeneration, sterilization or to the prevention of fouling
    • B01D2321/12—Use of permeate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/44—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis
    • C02F1/444—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis by ultrafiltration or microfiltration

Definitions

  • the present invention relates to a method for microfiltration solids in asteter fluids with the features of the preamble of claim 1 and a device for microfiltration solids laden fluids having the features of the preamble of claim 10th
  • wastewater streams are produced, which are loaded with ultrafine solid particles in suspended or colloidal form.
  • these effluents Prior to discharge into public sewers or rivers, these effluents have to be treated in accordance with legal requirements in order to reach certain limit values. Frequently residual currents of other fluids accumulate, which otherwise have to be disposed of.
  • a more ecological, and often more cost-effective, variant is the at least partial recirculation of process fluids, since in this case processing can not be carried out according to legal limit values but according to the internal requirements of the process.
  • the membrane process for separating finely divided (suspended or colloidal) solids is the so-called microfiltration, in which porous membranes with pores in the order of a few microns to about 0.1 microns are used.
  • the contaminated fluid (feed) under pressure usually 0.5 to 5 bar
  • the purified fluid is withdrawn on the back or filtrate side of the filter as a so-called filtrate.
  • microfiltration systems are therefore operated such that an overpressure is generated with the aid of the feed pump for feeding the filter and the filtrate is passively discharged.
  • the filter resistance is not a constant, but is continuously increased by the formation of a cover layer of dirt particles on the filter.
  • the person skilled in the art compensates for this increase in resistance by increasing the inlet-side overpressure. Since for stability reasons, and also for reasons of economy, this pressure increase can not be continued arbitrarily, a filter must be periodically cleaned, that is, the cover layer must be removed from the filter.
  • the object of the invention is to provide a method for the filtration of solids-loaded fluids, which operates robustly and continuously, and does not or only to a lesser extent have the disadvantages of the abovementioned methods. It should allow the most complete possible separation of liquid and solids and reduce personnel-intensive manipulation to a minimum.
  • Another object of the invention is a To provide apparatus for the filtration of solids contaminated fluids, which does not have the disadvantages of the above-mentioned devices.
  • the decrease in the filtrate through cover layer formation is inventively reduced by the fact that the filter is operated at low pressure on the inlet side and the filtrate performance is increased by applying negative pressure on the filtrate side.
  • the negative pressure is preferably generated by the use of a special filtrate pump.
  • the formation of the cover layer is greatly delayed if the driving force or the pressure difference is generated at least partially by the application of a negative pressure on the filtrate side, and not exclusively by applying an overpressure on the inlet side.
  • an optimum result is achieved when the differential pressure is generated to 25 to 60% by negative pressure on the filtrate side.
  • the pressure in an inventive mode of operation must therefore be increased substantially more slowly than would be the case without known filtrate pump according to the prior art.
  • the negative pressure on the filtrate side is determined according to the present invention on the basis of preliminary experiments and the filtrate performance kept constant by continuously increasing the pressure on the inlet side and / or increasing the negative pressure on the filtrate side.
  • an automatic cleaning is performed. It consists in a combination of short-term backwashing to loosen the top layer and a cleaning of the filter surface by a high-pressure nozzle cleaning. Investigations with different test fluids have shown that this combination cleans the filter particularly efficiently and after the cleaning according to the invention the original filtrate performance is again achieved. In both cleaning steps is preferably pure filtrate used so that no additional fluid or chemicals are needed for the periodic cleaning.
  • the same pump can be used in a preferred embodiment by means of a device for reversing the flow, as for the generation of the negative pressure on the filtrate side.
  • FIG. 1 shows the structure of the filtration device.
  • a microporous filter I preferably a hollow cylinder, which is sealingly installed in a housing 2 at the top and bottom and closed at a lower outlet end with a drain valve 3, from the upper end by means of a feed pump 4 via an open inlet valve 10 with the cleaning fluid from a reservoir 23 fed.
  • the fluid is, for example, a process stream which is loaded with fine, colloidal or suspended solids.
  • the feed pressure is adjusted via the inlet pressure regulator 5 so that the flow rate measured by the flow meter 6 remains approximately constant during a filtration cycle.
  • the pressure difference between inlet side and filtrate side is in the inventive method between 0.05 and 10.0 bar, preferably between 0.1 and 2.5 bar.
  • the filtrate collects after passing through the filter 1 in an outer space 7 and is sucked from there by means of a Filtratpumpe 8 with opened first and second filtrate valves 13 and 14 and closed second and first backwash valves 1 5 and 16, wherein a negative pressure on the filter back in the outer space 7 of the dense and pressure-stable housing 2 is formed.
  • the negative pressure on the filtrate side can be adjusted via a filtrate pressure regulator 9 and accounts for between 20 and 90%, preferably between 25 and 60%, of the differential pressure in the methods according to the invention.
  • the filtrate is collected in an intermediate container 22. This is either emptied periodically, or the filtrate is removed via a derivative, not shown.
  • the particle-enriched retentate or concentrate is conveyed batchwise via a drain line 25 when the drain valve 3 is open by a drain pump 11 into a concentrate container 12.
  • the filtration process is interrupted, that is to say the inlet pump 4 is switched off and the inlet valve 10 is closed.
  • the filtrate pump 8 continues to run for an adjustable period of time and the first and the second filtrate valves 13 and 14 remain open, so that the contents of the hollow cylinder 1 are filtered and the filtrate is pumped into the intermediate container 22.
  • the filtrate 7 also partially deflates, which has been found to be positive in a practical experiment.
  • a first and a second backwash valves 16 and 15 are opened, the first and second filtrate valves 13 and 14 are closed and the filtrate pump 8 is operated for a short time in the reverse direction, that is, the filtrate pump 8 switched on for an adjustable short time.
  • the filtrate 8 presses a small amount of filtrate from the intermediate container 22 of the Outside of the filter cylinder 1 in its interior, whereby the cover layer is detached or at least loosened.
  • the filtrate pump 8 is turned off, the backwash valves 15 and 16 are closed and the inner surface of the hollow cylinder 1 is freed from the cover layer by at least one spray jet of filtrate.
  • the filtrate is conveyed from the intermediate container 22 with the high-pressure valve 17 open through a high-pressure line 26 to at least one cleaning nozzle 19, which is arranged in the interior of the hollow cylinder 1.
  • two nozzles 19 are shown, which are arranged offset by 180 ° on a cleaning arm 20 in the center of the filter body 1.
  • the filtrate is sprayed from the nozzles 19 radially on the dirty inner surface of the filter and removes the previously loosened cover layer or the remains of the cover layer, which still adhere to the filter surface.
  • the cleaning is carried out at a pressure of 10 to 30 bar, preferably 20 bar.
  • nozzles all commercially available nozzle types can be used, whereby it must be ensured that the entire inner surface of the filter body is uniformly covered by the high-pressure jet.
  • the fluid with the solids originating from the covering layer is pumped off into the concentrate container 12 during the cleaning processes with the pump 11 when the valve 3 is open. After switching off the high pressure pump 18 and closing the valves 17 and 3, the inlet valve 10 is opened again, and the feed pump 4 is turned on and started a new filtration cycle.
  • the cleaning arm is rotatable in a preferred embodiment by 360 ° and there are performed several complete rotations per cleaning cycle.
  • a plurality of high-pressure cleaning nozzles 19 are fastened to each other on a cleaning arm 20 rotatable by at least 360 °, which can be rotated by a drive 21 about its own longitudinal axis. If the cleaning arm is equipped with two rows of nozzles offset by 180 °, it is sufficient in accordance with a rotation of the cleaning arm 20 by at least 180 °.
  • the cleaning arm according to a further preferred embodiment is also arranged axially displaceable, so that a single nozzle, which is arranged at a lower end region of the cleaning arm, sufficient to clean the entire inner surface of the filter.
  • the hollow cylindrical filter is conically shaped in a preferred embodiment with a height of 20 to 100 cm, preferably between 30 to 60 cm and has an upper diameter of 10 to 60 cm, preferably 15 to 40 cm, and a lower diameter of 4 to 25 cm, preferably from 5 to 15 cm, on.
  • This form not only allows a particularly efficient cleaning by rotating high-pressure nozzles, but it has also proved to be particularly stable with respect to the alternating pressure load from inside and outside.
  • Feed Test mixture with 2 ppm of silicate pigment of grain size 0.1 to 100 ⁇ m in water.
  • Feed process water from a wire erosion plant (solids loading 5 ppm)
  • two or more filter units operated in parallel are switched so that the periodic cleaning never takes place simultaneously, so that the filtration can be operated without interruption.
  • Suitable materials of the hollow cylindrical filter are all sufficiently pressure-resistant microfiltration membranes in question.
  • Preferred materials are stainless steel or ceramic.
  • special Materials which have a finer pore on the inside of the hollow cylinder are suitable since, in the case of such filters, the cover layer is inferiorly anchored and therefore can be cleaned particularly efficiently.
  • Surface filters of the preferred type can consist of several layers of metal mesh of different fineness or of sintered metals with a finer inner layer or of ceramic shaped bodies with a coating of finer ceramic. If necessary, these materials can be additionally protected on the outside with a metal grid against deformation by negative pressure.
  • the recovery rate of purified fluid was typically over 98.5 %, often over 99%.

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Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Mikrofiltration feststoffbelasteter Fluide vorgeschlagen, bei der die Abnahme der Filtratleistung durch Deckschichtbildung dadurch vermindert wird, dass das Filter bei geringem Überdruck auf der Zulaufseite betrieben wird und die Filtratleistung durch Anlegen von Unterdruck auf der Filtratseite erhöht wird. Der Unterdruck wird durch Einsatz einer speziellen Filtratpumpe erzeugt. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass sich die Bildung der Deckschicht stark verzögert wenn die Triebkraft, respektive die Druckdifferenz primär durch das Anlegen eines Unterdrucks auf der Filtratseite erzeugt wird und nicht durch Anlegen eines Überdrucks auf der Zulaufseite. Um mittels einer automatischen Reinigung des Filters einen quasi-kontinuierlichen Betrieb mit konstanter Filtratleistung zu ermöglichen wird nach Erreichen eines Grenzdruckes die Deckschicht aus Schmutzpartikeln in einer Kombination von kurzzeitiger Rückspülung und einer Abreinigung der Filteroberfläche durch eine Hochdruckdüsenreinigung entfernt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Mikrofiltration feststoffbelasteter Fluide
Feld der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mikrofiltration feststoff bei asteter Fluide mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Mikrofiltration feststoffbelasteter Fluide mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 10.
Hintergrund der Erfindung
In vielen industriellen Prozessen fallen Abwasserströme an, welche mit feinsten Feststoffpar- tikeln in suspendierter oder kolloidaler Form belastet sind. Vor der Einleitung in eine öffentliche Kanalisation oder in ein Fliessgewässer müssen diese Abwässer gemäss den gesetzlichen Vorgaben behandelt werden, um bestimmte Grenzwerte zu erreichen. Häufig fallen auch Restströme anderer Fluide an, welche anderweitig entsorgt werden müssen. Eine ökologischere, und oft kostengünstigere Variante stellt die mindestens teilweise Kreislauffüh- rung von Prozessfluiden dar, da in diesem Falle eine Aufarbeitung nicht nach gesetzlichen Grenzwerten, sondern nach den innerbetrieblichen Vorgaben der Prozessf 1 u i d q u a i ität erfolgen kann.
In der Kreislaufführung von Prozessfluiden haben sich insbesondere Membranverfahren bewährt, die den spezifischen Erfordernissen bezüglich Qualität optimal angepasst werden können. Da diese Verfahren bei moderaten Temperaturen (im Gegensatz z.B. zur Verdampfung) und ohne Einsatz von Hilfsstoffen (im Gegensatz z.B. zu Adsorptions- oder Fällungsver- fahren) ablaufen, erlauben sie in vielen Fällen auch die Rückgewinnung wertvoller Rohstoffe aus den Prozessströmen.
Das Membranverfahren zur Abtrennung feinstverteilter (suspendierter oder kolloidaler) Feststoffe ist die so genannte Mikrofiltration, bei welcher poröse Membranen mit Poren in der Grössenordnung von einigen Mikrometern bis etwa 0.1 Mikrometer eingesetzt werden. Dabei wird das verunreinigte Fluid (Zulauf) unter Druck (üblicherweise 0.5 bis 5 bar) durch das poröse Material gepresst, wobei Feststoffpartikel, welche grösser als die Poren des Filtermaterials sind, ähnlich wie in einem Sieb, zurückgehalten werden. Das gereinigte Fluid wird auf der Rückseite oder Filtratseite des Filters als so genanntes Filtrat abgezogen.
Die Filtrationsleistung, respektive der Filtratfluss ist nach allgemein anerkannter Lehrmeinung durch die Beziehung
Filtratfluss = Triebkraft/Filterwiderstand (Gleichung 1 )
gegeben, wobei als Triebkraft bei der Mikrofiltration ausschliesslich die Druckdifferenz zwischen Zulaufseite und Filtratseite des Filters wirkt. Nach dem Stand der Technik werden Mik- rofiltrationsanlagen daher so betrieben, dass mit Hilfe der Förderpumpe zur Beschickung des Filters ein Überdruck erzeugt und das Filtrat passiv abgeführt wird. Der Filterwiderstand ist keine Konstante, sondern wird durch die Bildung einer Deckschicht aus Schmutzpartikeln auf dem Filter laufend erhöht. Um einen gleich bleibenden Filtratfluss zu erhalten, kompensiert der Fachmann diese Widerstandserhöhung durch Erhöhung des zulaufseitigen Über- drucks. Da aus Stabilitätsgründen, und auch aus Gründen der Wirtschaftlichkeit diese Druckerhöhung nicht beliebig fortgesetzt werden kann, muss ein Filter periodisch gereinigt werden, das heisst die Deckschicht muss vom Filter entfernt werden. Dem Fachmann sind zwei prinzipielle Verfahrensvarianten der Mikrofiltration bekannt. Beim so genannten Cross-Flow-Betrieb wir die Membran tangential überströmt, wobei das gereinigte Filtrat, welches die Membran passiert, auf der Rückseite abgeführt und ein Konzentrat, welches die zurückgehaltenen Feststoffe enthält, im Kreislauf gepumpt wird. Durch die Überströmung der Membran wird die Bildung einer Deckschicht erschwert, so dass die Leistungsabnahme verzögert wird und Reinigungen nur in längeren Zeitabständen nötig werden. Andererseits muss das Konzentrat aber noch problemlos umgepumpt werden können, so dass die Aufkonzentrierung begrenzt ist und ein flüssiger Abfallstrom anfällt, welcher entsorgt oder weiter aufgearbeitet werden muss. Ein weiterer Nachteil ist der hohe Energiebe- darf, der für die. Membranüberströmung aufgewendet werden muss.
Bei der so genannten Dead-End-Filtration wird die Membran vom zu filtrierenden Medium direkt durchströmt. Alle zurückgehaltenen Teilchen lagern sich auf der Membran ab. Es entsteht rascher eine Deckschicht und sie ist auch insgesamt kompakter als bei der Cross-Flow- Filtration. Diese Deckschicht aus Schmutzpartikeln muss daher häufiger entfernt werden, was eine Unterbrechung der Filtration und in vielen Fällen einen nicht unerheblichen Wartungsaufwand erfordert. Die Vorteile dieser Betriebsweise liegen beim wesentlich geringeren Energiebedarf und der höheren Aufkonzentrierung beziehungsweise der höheren Ausbeute an gereinigtem Filtrat.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Filtration von feststoffbelasteten Fluiden zur Verfügung zu stellen, das robust und kontinuierlich arbeitet, und die Nachteile der oben genannten Verfahren nicht oder nur in geringerem Mass aufweist. Es soll eine möglichst vollständige Trennung von Flüssigkeit und Feststoffen erlauben und personalintensive Manipulationen auf ein Minimum reduzieren. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung zur Filtration von feststoffbelasteten Fluiden zur Verfügung zu stellen, die die Nachteile der oben genannten Vorrichtungen nicht aufweist.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren gemäss Anspruch I und eine Vorrichtung ge- mäss Anspruch 10 gelöst. Bei dem Filtrationsverfahren wird eine Dead-End-Filtration so durchgeführt, dass die Reduktion der Filtratleistung durch Deckschichtbildung minimiert wird und eine automatische Reinigung des Filters einen quasi-kontinuierlichen Betrieb mit konstanter Filtratleistung ermöglicht.
Die Abnahme der Filtratleistung durch Deckschichtbildung wird erfindungsgemäss dadurch vermindert, dass das Filter bei geringem Überdruck auf der Zulaufseite betrieben wird und die Filtratleistung durch Anlegen von Unterdruck auf der Filtratseite erhöht wird. Der Unterdruck wird vorzugsweise durch den Einsatz einer speziellen Filtratpumpe erzeugt. Überraschenderweise hat sich nämlich gezeigt, dass sich die Bildung der Deckschicht stark verzögert wenn die Triebkraft, respektive die Druckdifferenz mindestens teilweise durch das Anlegen eines Unterdrucks auf der Filtratseite erzeugt wird, und nicht ausschliesslich durch Anlegen eines Überdrucks auf der Zulaufseite. Je nach Art und Menge der im Zulauf enthaltenen Feststoffe beziehungsweise der Tendenz zur Deckschichtbildung wird ein optimales Ergebnis erzielt, wenn der Differenzdruck zu 25 bis 60% durch Unterdruck auf der Filtratseite erzeugt wird. Um eine gleich bleibende Filtratleistung zu erzielen muss somit der Druck bei einer erfindungsgemässen Betriebsweise wesentlich langsamer erhöht werden als dies ge- mäss bekanntem Stand der Technik ohne diese Filtratpumpe der Fall wäre.
Die in der folgenden Tabelle dargestellten Resultate eines direkten Vergleichs bei der Mikro- filtration eines mit 2 ppm Feinpartikeln belasteten Wassers bei konstantem Filtratfluss zeigen den Effekt des Anlegens eines Unterdrucks auf der Filtratseite deutlich: Differenzdruck (bar)
Zeit Mit Filtratpumpe Ohne Filtratpumpe
(Minuten)
10 0.07 0.15
20 0.1 0.35
30 0.13 0.95
40 0.16 1.85
50 2.4
60 0.27
80 0.4
1 10 0.7
125 1.55
135 2.5
Bei Erreichung eines Differenzdruckes grösser 2.5 bar muss im vorliegenden Fall die Filtration unterbrochen und das Filter gereinigt werden. Ohne Einsatz der Permeatpumpe ist dies 2- 3 mal häufiger notwendig.
Der Unterdruck auf der Filtratseite wird gemäss der vorliegenden Erfindung aufgrund von Vorversuchen festgelegt und die Filtratleistung durch laufende Erhöhung des Druckes auf der Zulaufseite und/oder Erhöhung des Unterdruckes auf der Filtratseite konstant gehalten. Bei Erreichung eines vorgegebenen Grenzdruckes wird eine automatische Reinigung vorgenommen. Sie besteht in einer Kombination von kurzzeitiger Rückspülung zur Lockerung der Deckschicht und einer Abreinigung der Filteroberfläche durch eine Hochdruckdüsenreinigung. Untersuchungen mit unterschiedlichen Testfluiden haben gezeigt, dass diese Kombination das Filter besonders effizient reinigt und nach der erfindungsgemässen Reinigung wieder die ursprüngliche Filtratleistung erreicht wird. Bei beiden Reinigungsschritten wird vorzugsweise reines Filtrat verwendet, so dass für die periodische Reinigung weder zusätzliches Fluid noch Chemikalien benötigt werden. Für die Rückspülung kann in einer bevorzugten Ausführungsform mit Hilfe einer Einrichtung zur Strömungsumkehr dieselbe Pumpe verwendet werden, wie für die Erzeugung des Unterdruckes auf der Filtratseite.
Die Reinigung durch Rückspülung gehört bei der Mikrofiltration zum Stand der Technik. Eine zusätzliche Reinigung mit Hochdruckdüsen ist dagegen bei den gebräuchlichen Rohrmembranen bisher nur von aussen und mit vernünftigem Aufwand nur bei vollständigem Stillstand der Anlage und Zerlegung des Filters möglich. Die erfindungsgemässe Verwendung eines konusförmigen Filters mit grossem lichtem Durchmesser erlaubt eine automatisierte periodi- sehe Abreinigung mit Hilfe eines entsprechenden Reinigungsverfahrens und einer entsprechenden Reinigungsvorrichtung und damit einen quasi-kontinuierlichen Betrieb.
Kurzbeschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt den Aufbau der Filtrationseinrichtung.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Ein mikroporöser Filter I 1 vorzugsweise ein Hohlzylinder, der unter- und oberseitig dichtend in ein Gehäuse 2 eingebaut ist und an einem unteren Ablaufende mit einem Ablaufventil 3 verschlossen ist, wird vom oberen Ende her mittels einer Zulaufpumpe 4 über ein geöffnetes Zulaufventil 10 mit dem zu reinigenden Fluid aus einem Vorratsbehälter 23 beschickt. Bei dem Fluid handelt es sich zum Beispiel um einen Prozessstrom, welcher mit feinen, kolloida- len oder suspendierten Feststoffen belastet ist. Der Zulauf-Druck wird über den Zulauf- Druckregler 5 so eingestellt, dass die vom Durchflussmesser 6 gemessene Durchflussmenge während eines Filtrationszyklus annähernd konstant bleibt. Die Druckdifferenz zwischen Zulaufseite und Filtratseite beträgt bei den erfindungsgemässen Verfahren zwischen 0.05 und 10.0 bar, vorzugsweise zwischen 0.1 und 2.5 bar. Das Filtrat sammelt sich nach Passieren des Filters 1 in einem Aussenraum 7 und wird von dort mittels einer Filtratpumpe 8 bei geöffneten ersten und zweiten Filtratventilen 13 und 14 und geschlossenen zweiten und ersten Rückspülventilen 1 5 und 16 abgesaugt, wobei ein Unterdruck an der Filterrückseite im Aussenraum 7 des dichten und druckstabilen Gehäuses 2 entsteht. Der Unterdruck auf der Filtratseite lässt sich über einen Filtratdruckregler 9 einstellen und macht bei den erfin- dungsgemässen Verfahren zwischen 20 und 90%, vorzugsweise zwischen 25 und 60% des Differenzdruckes aus. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 wird das Filtrat in einem Zwischenbehälter 22 gesammelt. Dieser wird entweder periodisch geleert, oder das Filtrat wird über eine nicht dargestellte Ableitung entfernt. Das mit Partikeln angereicherte Retentat oder Konzentrat wird, wie nachfolgend beschrieben, batchweise über eine Ablaufleitung 25 bei geöffnetem Ablaufventil 3 von einer Ablaufpumpe 1 1 in einen Konzentratbehälter 12 gefördert.
Wenn der vom Zulauf-Druckregler 5 gemessene Druck auf der Zulaufseite einen vorgegebe- nen oberen Grenzwert erreicht, wird der Filtrationsprozess unterbrochen, das heisst die Zulaufpumpe 4 abgeschaltet und das Zulaufventil 10 geschlossen. Die Filtratpumpe 8 läuft während einer einstellbaren Zeitspanne weiter und das erste und das zweite Filtratventil 13 und 14 bleiben offen, so dass der Inhalt des Hohlzylinders 1 filtriert und das Filtrat in den Zwischenbehälter 22 abgepumpt wird. Dabei entleert sich auch der Filtratraum 7 teilweise, was sich im praktischen Versuch als positiv herausgestellt hat.
In einem ersten Reinigungsschritt werden, nach Entleerung des Filterinhalts, ein erstes und ein zweites Rückspülventil 16 und 15 geöffnet, die ersten und zweiten Filtratventile 13 und 14 geschlossen und die Filtratpumpe 8 für eine kurze Zeit in umgekehrter Richtung betrieben, das heisst die Filtratpumpe 8 wird für eine einstellbare kurze Zeit eingeschaltet. Die Filtratpumpe 8 drückt dabei eine kleine Menge Filtrat aus dem Zwischenbehälter 22 von der Aussenseite der Filterzylinders 1 in dessen Inneres, wodurch die Deckschicht abgelöst oder zumindest gelockert wird.
In einem zweiten Reinigungsschritt wird die Filtratpumpe 8 abgeschaltet, die Rückspülventile 15 und 16 werden geschlossen und die innere Oberfläche des Hohlzylinders 1 wird durch mindestens einen Sprühstrahl aus Filtrat von der Deckschicht befreit. Das Filtrat wird aus dem Zwischenbehälter 22 bei geöffnetem Hochdruckventil 17 durch eine Hochdruckleitung 26 zu mindestens einer Reinigungsdüse 19 gefördert, die im Inneren des Hohlzylinders 1 angeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 sind zwei Düsen 19 gezeigt, die um 180° versetzt auf einem Reinigungsarm 20 im Zentrum des Filterkörpers 1 angeordnet sind. Das Filtrat wird aus den Düsen 19 radial auf die verschmutzte innere Oberfläche des Filters gespritzt und entfernt die vorgängig gelockerte Deckschicht oder die Reste der Deckschicht, die noch an der Filteroberfläche haften. Die Reinigung erfolgt mit einem Druck von 10 bis 30 bar, bevorzugt 20 bar. Als Düsen können alle kommerziell erhältlichen Düsentypen eingesetzt werden wobei darauf zu achten ist, dass die ganze Innenfläche des Filterkörpers gleichmässig vom Hochdruckstrahl erfasst wird. Das Fluid mit den von der Deckschicht stammenden Feststoffen wird während beider Reinigungsprozesse mit der Pumpe 1 1 bei geöffnetem Ventil 3 in den Konzentratbehälter 12 abgepumpt. Nach Abschalten der Hochdruckpumpe 18 und Schliessen der Ventile 17 und 3 wird das Zulaufventil 10 wird wieder geöffnet, und die Zulaufpumpe 4 eingeschaltet und ein neuer Filtrationszyklus gestartet.
Der Reinigungsarm ist in einer bevorzugten Ausführungsform um 360° drehbar und es werden pro Reinigungszyklus mehrere vollständige Rotationen ausgeführt. In einer nicht in der Figur dargestellten vorteilhaften Ausführungsform sind mehrere Hochdruckreinigungsdüsen 19 untereinander an einem um mindestens 360° rotierbaren Reinigungsarm 20 befestigt, der durch einen Antrieb 21 um die eigene Längsachse rotiert werden kann. Ist der Reini- gungsarm mit zwei um 180° versetzt angeordnete Reihen von Düsen ausgerüstet, so genügt entsprechend eine Rotation des Reinigungsarms 20 um mindestens 180°. Der Reinigungsarm gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zudem axial verschiebbar angeordnet, so dass eine einzige Düse, die an einem unteren Endbereich des Reinigungsarmes angeordnet ist, ausreicht um die gesamte innere Oberfläche des Filters zu reinigen.
Der hohlzylindrische Filter ist in einer bevorzugten Ausführungsform konisch gestaltet mit einer Höhe von 20 bis 100 cm, bevorzugt zwischen 30 bis 60 cm und weist einen oberen Durchmesser von 10 bis 60 cm, bevorzugt von 15 bis 40 cm, und einen unteren Durchmesser von 4 bis 25 cm, bevorzugt von 5 bis 15 cm, auf. Diese Form erlaubt nicht nur eine besonders effiziente Reinigung durch rotierende Hochdruckdüsen, sondern sie hat sich auch bezüglich der wechselnden Druckbelastung von innen und aussen als besonders stabil erwiesen.
Im Folgenden sind drei Anwendungsbeispiele von erfindungsgemässen Verfahren und Vorrichtungen gegeben:
Beispiel 1 :
Zulauf: Testgemisch mit 2 ppm Silikatpigment der Korngrösse 0.1 bis 100 μm in Wasser.
Filter Mehrschichtiges Stahldrahtgewebelaminat, feinste Maschinenweite 1 μm
Filterfläche: 0.339 m2
Filtratfluss: 4500 Liter/h (konstant)
Frequenz der Reinigungszyklen 120-130 Minuten Retentatmenge pro Reinigungszyklus 40 Liter Filtratausbeute > 99.5 %
Beispiel 2:
Zulauf: Prozesswasser aus einer Drahterosionsanlage (Feststoffbelastung 5 ppm)
Filter Mehrschichtiges Stahldrahtgewebelaminat, feinste Maschenweite 5 μm
Filterfläche: 0.137 m2
Filtratfluss: 3000 Liter/h (konstant)
Beispiel 3:
Zulauf: Schwach belastetes Leitungswasser
Filter Keramikfilter mit einer nominellen Porengrösse von 0.1 μm
Filterfläche: 0.137 m2
Filtratfluss: 400 Liter/h (konstant)
Frequenz der Reinigungszyklen 180-200 Minuten Retentatmenge pro Reinigungszyklus 12 Liter Filtratausbeute > 99 %
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind zwei oder mehrere parallel betriebene Filtereinheiten so geschaltet, dass die periodische Abreinigung nie gleichzeitig stattfindet, so dass die Filtration ohne Unterbruch betrieben werden kann.
Als Material des hohlzylindrischen Filters kommen alle hinreichend druckfesten Mikrofiltrati- onsmembranen in Frage. Bevorzugte Materialien sind rostfreier Stahl oder Keramik. Beson- ders gut geeignet sind dabei Materialien, deren eine, auf der Innenseite des Hohlzylinders liegende Seite feinere Poren aufweist, da sich bei solchen Filtern die Deckschicht schlechter verankert und daher besonders effizient abgereinigt werden kann. Oberflächenfilter der bevorzugten Art können aus mehreren Lagen Metallgewebe verschiedener Feinheit oder aus Sintermetallen mit feinerer Innenschicht oder aus keramischen Formkörpern mit einer Be- schichtung aus feinerer Keramik bestehen. Falls notwendig, können diese Materialien auf der Aussenseite mit einem Metallgitter zusätzlich gegen Verformung durch Unterdruck geschützt werden.
In Experimenten mit verschiedenen industriellen Restströmen z.B. Prozesswasser aus Schleif-, Schmirgel-, Wasserstrahlschneide- und Erosionsanlagen, Abwässern aus der Farben- und Keramikindustrie, Frucht- und Gemüsesäften, Speise- und Hydraulikölen etc. betrug die Rückgewinnungsrate an gereinigtem Fluid typisch über 98,5%, häufig über 99%.
Liste der Bezugszeichen
1 Filter
2 Gehäuse
3 Ablaufventil 4 Zulaufpumpe
5 Zulaufdruckregler
6 Durchflussmesser
7 Aussenraum
8 Filtratpumpe 9 Ablaufdruckregler
10 Zulaufventil π Ablaufpumpe
12 Konzentratbehälter
13 Erstes Filtratventil 14 Zweites Filtratventil
15 Zweites Rückspülventil
16 Erstes Rückspülventil
17 Hochdruckventil
18 Hochdruckpumpe 19 Reinigungsdüsen
20 Reinigungsarm
21 Antrieb
22 Zwischenbehälter
23 Vorratsbehälter 24 Zulaufleitung
25 Ablaufleitung
26 Hochdruckleitung

Claims

Patentansprüche
1 Verfahren zur Mikrofiltration feststoffbelasteter Fluide bei dem ein verunreinigtes Rohfluid einer Zulaufseite eines Filters (1 ) zugeführt wird, und das gereinigte Filtrat von einer Filtratseite des Filters abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die
Druckdifferenz als Triebkraft der Mikrofiltration zumindest teilweise durch das Anlegen eines Unterdruckes an der Filtratseite erzeugt wird.
2 Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das zu reinigende Fluid auf der Zulaufseite des Filters unter Druck beaufschlagt wird.
3 Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz zwischen Zulaufseite und Filtratseite zwischen 0.05 und 10.0 bar, vorzugsweise zwischen 0.1 und 2.5 bar beträgt, wobei der Unterdruck auf der Filtratseite zwischen 20 und 90 %, vorzugsweise zwischen 25 und 60% des Differenzdruckes ausmacht.
4 Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtrat unter Unterdruck mit einer Filtratpumpe (8) abgezogen wird.
5 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren eine Dead-End-Filtration umfasst.
6 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen eines Crenzdruckes der Zulauf abgestellt wird und in einem ersten Reini- gungsschritt rückgespült wird und anschliessend in einem zweiten Reinigungsschritt die zulaufseitige Oberfläche mit einem Fluid unter Hochdruck von einer Deckschicht befreit wird. 7 Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Rückspülung und Hochdruckreinigung mit Filtrat erfolgen.
8 Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückspülung über eine Vorrichtung zur Strömungsumkehr mit der Filtratpumpe (8) erfolgt.
9 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere Filtrationseinheiten parallel betrieben werden und die periodische Abreini- gung dieser Einheiten sequentiell erfolgt, so dass die Filtration zu keinem Zeitpunkt unterbrochen ist.
10 Vorrichtung zur Mikrofiltration feststoffbelasteter Fluide umfassend einen Filter (1 ) mit einer Zulaufseite und einer Filtratseite, dadurch gekennzeichnet, dass eine Filtratpumpe (8) mit der Filtratseite in Wirkverbindung bringbar ist, so dass ein Unterdruck an der Filtratseite anlegbar ist.
1 1 Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (1) ein mikroporöser Hohlzylinder mit konischer Form ist.
12 Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinder aus rostfreiem Stahl oder Keramik besteht
13 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die im Inneren des Hohlzylinders mindestens eine Reinigungsdüse (19) auf einem Reinigungsarm (20) angeordnet ist.
14 Vorrichtung nach Anspruch IS, dadurch gekennzeichnet, dass der Reinigungsarm (20) rotationsbeweglich und/oder axialbeweglich antreibbar ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtratpumpe (8) über eine Vorrichtung zur Strömungsumkehr für die Rückspülung des Filters (1 ) einsetzbar ist.
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