CH692479A5 - Querstrom-Filtrationsanlage sowie Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage. - Google Patents

Description

  



  Die Erfindung betrifft eine Querstrom-Filtrationsanlage für ein Produkt, umfassend mindestens ein Filtrationsmodul mit Produkt-Durchlauf und Permeat-Ablauf, eine Rohrleitung zur Zu- und Ableitung des Produktes zum und vom Filtrationsmodul, eine Pumpe mit Elektromotor in der Rohrleitung zur Zuleitung des Produktes zum Filtrationsmodul sowie eine Vorrichtung zur Einstellung des Förderstromes der Pumpe. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Querstrom-Filtrationsanlage. 



  Bekannte Querstrom-Filtrationsanlagen arbeiten in den Betriebsarten Ultrafiltration, Mikrofiltration, Nanofiltration und Umkehrosmose. In allen Betriebsarten ist mindestens eine Pumpe erforderlich, um ein zu filtrierendes Produkt an der Oberfläche von Filtrationsmembranen vorbei zu transportieren. Dabei tritt an jeder Filtrationsmembran ein statischer Druck und eine Strömungsgeschwindigkeit des Produktes auf, welche bewirken, dass ein Teil des Produktes als Permeat die Filtrationsmembranen durchdringt. 



  Ein bekanntes Optimierungsziel solcher Anlagen ist eine grosse Filtrationsleistung als Permeatmenge in Liter pro Membranfläche in Quadratmeter und Filtrationszeit in Stunden. Ein weiteres Ziel ist, einen hohen maximalen Eindickgrad des zurückbleibenden Teiles des Produktes als Retentat zu erreichen. Der Eindickgrad wird als Anteil des Nasstrubes in Prozent der Retentatmenge in einem Zentrifugentest bestimmt. Diese Ziele sind neben vielen anderen Betriebsparametern direkt abhängig von den genannten Grössen statischer Druck und Strömungsgeschwindigkeit des Produktes. 



  Die genannten Optimierungsziele lassen sich nur bedingt erreichen, weil bekannte Filtrationsmembranen auf organischer Basis, z.B. beim Betrieb einer Ultrafiltration, einen niedrigen zulässigen Betriebsdruck von ca. 6 bar haben. Im Hinblick auf Filtrationsleistung und Feststoffkonzentration ergibt sich also das Ziel, wenigstens den vorgegebenen zulässigen Betriebsdruck immer voll auszunutzen. Denn wenn man bei gegebener Membrangrösse und gegebenem Produktdurchsatz pro Stunde den maximal zulässigen Betriebsdruck fahren kann, erreicht man gleichzeitig maximale Feststoffkonzentration und Viskosität des Retentates. 



  Bei einer Diafiltration ergeben hohe Feststoffkonzentrationen bei Filtrationsende auch Vorteile bei der darauf folgenden Auswaschung des Retentates. Der dazu erforderliche Bedarf an Zeit und Waschmittel (Wasser) ist wesentlich von dieser Feststoffkonzentration abhängig. 



  Der angestrebte Betrieb mit maximal zulässigem Betriebsdruck und hoher Feststoffkonzentration des Retentates führt nun besonders bei Verwendung von nicht volumetrisch fördernden Pumpen für das Produkt zu Problemen. Der Zusammenhang von Fördermenge und Förderdruck solcher Pumpen ändert sich bei Änderungen der Retentat-Eigenschaften. Hierbei wirken sich die Einflüsse folgender Eigenschaften aus:
 - die Viskosität des Retentates,
 - die spezifische Masse des Retentates und
 - das strukturviskose oder thixotrope Verhalten des Retentates. 



  Versucht man, durch Regelung bei der Filtration den maximal zulässigen Betriebsdruck an der Membran konstant zu halten, so ergeben sich starke Schwankungen der Produkt-Förderleistung in Liter pro Stunde. Versucht man, diese Schwankungen der Förderleistung an der Pumpe auszuregeln, so führen insbesondere Änderungen der spezifischen Masse des Produktes zu Änderungen der Leistungsaufnahme in Kilowatt des Antriebsmotors der Pumpe und damit zu Überlastungen mit Not-Stopps der Förderung und damit der Anlage. Solche Unterbrechungen der Förderung bei hoher Feststoffkonzentration des Retentates haben aber infolge des strukturviskosen Verhaltens die Folge, dass sich die Anlage dann nicht wieder anfahren lässt. Es treten oft Schäden an den Filtrationsmodulen auf, und das verblockte Produkt kann nur durch Handreinigung mit grossem Zeitaufwand entfernt werden. 



  Die genannten Umstände führen bei bekannten Gross- und Kleinanlagen entweder dazu, dass man die maximal mögliche Filtrationsleistung nicht ausschöpft, oder dass der erforderliche Aufwand für Überwachung und Regelung der Anlagen sehr hoch wird. 



  Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, die anlagenbedingte maximal mögliche Filtrationsleistung bei einem hohen Feststoffanteil des Produktes zu ermöglichen, ohne die Betriebssicherheit infolge von Überlastungen zu gefährden. 



  Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Vorrichtungsanspruchs 1 und des Verfahrenanspruchs 6 gelöst. Erfindungsgemäss sind Mittel zur Messung und Steuerung oder Regelung der Stärke des Betriebsstroms vorhanden. 



  Das Verfahren wird vorzugsweise so ausgeführt, dass der vorgegebene Wert des Betriebsstromes des Elektromotors ein maximal zulässiger Sollwert der Stromaufnahme ist. Dabei wird der Wert des Betriebsstromes des Elektromotors als Regelgrösse durch Vergleich mit dem vorgegebenen Wert als Sollwert mittels eines Reglers über die Vorrichtung zur Einstellung des Förderstromes der Pumpe als Regelstrecke in einem Regelkreis auf den Sollwert geregelt. 



  Als Vorrichtung zur Einstellung des Förderstromes der Pumpe wird vorzugsweise ein der Pumpe in der Zuleitung des Produktes nachgeschaltetes Drosselventil oder eine der Stromversorgung des Elektromotors zugeordnete Einrichtung zur Einstellung der Frequenz des Betriebsstromes und damit der Pumpendrehzahl verwendet. Dabei kann zusätzlich der Einlaufdruck in das Filtrationsmodul durch eine Drosseleinrichtung im Modulauslauf für das Retentat gesteuert werden. 



  Weitere Varianten einer Querstrom-Filtrationsanlage sowie des Verfahrens zu deren Betrieb sind in den abhängigen Patentansprüchen gekennzeichnet. 



  Die erfindungsgemässe Querstrom-Filtrationsanlage und das erfindungsgemässe Verfahren bietet gegenüber bekannten Anlagen auch bei erforderlichen Modul-Reinigungen ausserhalb des Filtrationsbetriebes den zusätzlichen Vorteil, dass infolge des gefahrlos möglichen maximalen Produkt-Durchflusses eine bessere Reinigung der Module im Durchfluss-Verfahren ermöglicht wird. 



  Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung und den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: 
 
   Fig. 1a ein Schema einer erfindungsgemässen Kleinanlage mit Querstromfiltration, 
   Fig. 1b die Verläufe verschiedener Betriebsgrössen bei einer Filtration mit einer Kleinanlage gemäss Fig. 1a, 
   Fig. 2c eine Skalenanzeige für eine Bedienperson einer Kleinanlage gemäss Fig. 1a, 
   Fig. 2a ein Schema einer erfindungsgemässen Grossanlage mit Querstromfiltration, 
   Fig. 2b die Verläufe verschiedener Betriebsgrössen bei einer Filtration mit einer Grossanlage gemäss Fig. 2a, und 
   Fig. 2c ein Schema einer Drehzahlregelung bei einer Grossanlage gemäss Fig. 2c. 
 



  Gemäss Fig. 1a umfasst eine einfache Querstrom-Filtrationsanlage einen Behälter 1 zur Aufnahme einer zu filtrierenden Menge Rohsaft aus Früchten, welche als Rohprodukt über eine Leitung 2 zugeführt wird. Über eine am Behälter 1 unten angeschlossene Leitung 3 wird der Saft von einer Pumpe 4 über ein Ventil 5 einem Filtrationsmodul 6 an sich bekannter Art zugeführt. Derartige Filtrationsmodule umfassen eine Vielzahl rohrförmiger Filtrationsmembranen, an denen das zu filtrierende Produkt aussen oder meist innen vorbei geleitet wird. Diese Membranen sind in Fig. 1a durch eine einzige Membran 7 symbolisiert. 



  Bei seinem Durchlauf durchdringt ein Teil des Produktes \ffnungen in den Membranen 7 und gelangt auf die anderen Seiten der Membranen 7, von denen es als Permeat oder Filtrat mittels einer Sammelleitung 8 abgeführt wird. Der zurückbleibende Teil des Produktes wird als Retentat durch eine Leitung 9 über ein Ventil 10 in den Behälter 1 zurück geführt. Das Permeat durchdringt die Membranen 7 infolge einer Druckdifferenz (auch Transmembrandruck genannt), welche durch die Pumpe 4 in Verbindung mit dem Strömungswiderstand des Filtrationsmodules 6 und des Ventiles 10 erzeugt wird. Der Transmembrandruck ist bei Modulen 6 bekannter Art auf einen zulässigen Maximalwert von typisch 6 bar beschränkt.

   Da das Permeat in der Sammelleitung 8 gemäss Fig. 1a unter Umgebungsdruck steht, kann an einem am Eingang des Modules 6 vorgesehenen Druckmesser 11 der Transmembrandruck p1 überwacht werden. 



  Die Pumpe 4 wird durch einen Elektromotor 12 angetrieben, welcher eine Skalenanzeige 13 zur Überwachung seines Betriebsstromes i1 von der in Fig. 1c gezeigten Art aufweist. 



  Beim Betrieb der Kleinanlage gemäss Fig. 1a ist zu Beginn das Ventil 5 geschlossen und Ventil 10 teilweise geöffnet. Dann wird die Pumpe 4 gestartet. Der dabei vom Elektromotor 12 aufgenommene elektrische Strom i1 ist auf der Skalenanzeige 13, Fig. 1c, ablesbar. Nun wird das Ventil 5 ganz geöffnet und anschliessend Ventil 10 so weit geöffnet, bis ein maximal zulässiger Strom imax gemäss der Markierung auf der Skalenanzeige 13 erreicht ist. Die Pumpe 4 ist bei dieser Kleinanlage so dimensioniert, dass der erzeugte Transmembrandruck p1 zu Beginn und auch bei einem nachfolgenden Anstieg infolge einer Eindickung des Retentates einen zulässigen Maximalwert für das Modul 6 nicht überschreitet. Die Verläufe des Stromes i1 und des Druckes p1 über der Zeit t zeigt Fig. 1b. Damit ist die Startphase dieser Kleinanlage beendet. 



  Mit zunehmender Filtrationszeit t vergrössert sich wegen der Eindickung des Retentates das Druckgefälle  DELTA p über das Filtrationsmodul 6. Auf Grund der Pumpencharakteristik der Pumpe 4 nimmt dann der Einlaufdruck p1 am Modul 6 zu und die elektrische Stromaufnahme i1 des Motors 12 ab, wie es Fig. 1b zeigt. Erreicht die Stromaufnahme i1 einen Minimalwert imin, wie ihn die Skalenanzeige 13 zeigt, so ist auch ein minimaler Produktdurchfluss Q1 am Eingang des Moduls 6, entsprechend einem maximal zulässigen Nasstrubanteil des Retentates erreicht, wie es Fig. 1b zeigt. Das Auftreten von imin bedeutet eine Alarmmeldung, bei welcher von Hand oder automatisch eine Rückverdünnung und anschliessend eine Produktverdrängung der Rest-Retentatmenge im Retentat-Kreislauf 1, 3, 4, 5, 6, 9, 10 mit Wasser eingeleitet wird.

   Der Zeitpunkt des Beginns der Rückverdünnung ist in Fig. 1b auf der t-Achse mit R bezeichnet, der Verlauf der Viskosität des Retentates mit eta . 



  Bei dem Schema einer Grossanlage mit Querstromfiltration gemäss Fig. 2a weisen schon zu Fig. 1a beschriebene Bezugszeichen auf Bauelemente mit entsprechender Funktion hin. Im Gegensatz zu Fig. 1a ist jedoch gemäss Fig. 2a eine Regel- und Steuereinheit 20 vorgesehen, welche den Betriebsstrom i1 des Elektromotors 12 für die Pumpe 4 zur Zirkulation des Produktes als Regelgrösse mit einem Sollwert imax vergleicht und i1 auf imax regelt. Hierzu erzeugt die Regeleinheit 20 ein Stellsignal, welches einem Regelventil 5 min  als Regelstrecke für den von der Pumpe 4 erzeugten Produktstrom Q1 zugeführt ist.

   Ausserdem erzeugt ein Druckmesser 11 min  am Eingang des Filtrationsmodules 6 ein dem dort herrschenden Einlaufdruck entsprechendes Signal p1, mit welchem ein Regelventil 10 min  in der Retentat-Ausgangsleitung 9 des Modules 6 über die Regeleinheit 20 so eingestellt wird, dass p1 auf dem maximal zulässigen Transmembrandruck pmax konstant bleibt. 



  Beim Betrieb der Grossanlage gemäss Fig. 2a ist zu Beginn das Regelventil 5 min  geschlossen und Regelventil 10 min ganz geöffnet. Dann wird die Pumpe 4 gegen das geschlossene Regelventil 5 min  angefahren. Anschliessend öffnet der Regelkreis 12, 20, 5 min  das Regelventil 5 min  und regelt den Antriebsstrom i1 des Elektromotors 12 für die Pumpe 4 auf den maximal zulässigen Wert imax konstant, wie es Fig. 2b zeigt. Ebenso wird mit dem Regelkreis 11 min , 20, 10 min  durch das Regelventil 10 min  ein konstanter Einlaufdruck pmax am Modul 6 eingeregelt, wie es ebenfalls Fig. 2b zeigt. In Fig. 2b ist auch gezeigt, wie die Viskosität  eta  des Retentates im Laufe der Betriebsdauer t zunimmt. Dies hat zur Folge, dass der Druck px am Ausgang der Pumpe 4 bis zum Beginn R der Rückverdünnung ebenfalls zunimmt, der Produktstrom Q1 aber abnimmt.

   Anschliessend beginnt zum Zeitpunkt S ein Reinigungsvorgang durch Spülen. 



  Wie bei der Kleinanlage gemäss Fig. 1a muss auch bei der Grossanlage gemäss Fig. 2a der Beginn R der Rückverdünnung eingeleitet werden, wenn ein minimaler Produktdurchfluss Q1 am Eingang des Moduls 6, entsprechend einem maximal zulässigen Nasstrubanteil des Retentates, erreicht ist. Hierzu ist gemäss Fig. 2a ein Durchflussgeber 21 vorgesehen, dessen Ausgangssignal der Steuereinheit 20 zugeführt ist. Erreicht der Produktdurchfluss Q1 den minimalen Wert Qmin, so unterbricht die Steuereinheit 20 den Retentatkreislauf, indem sie das Retentat über eine Steuerleitung 22 und einen Schieber 23, sowie eine Steuerleitung 24 und einen Schieber 25 vom Behälter 1 auf einen Spültank 26 umleitet. 



  Für die Rückverdünnung und Spülung wird Wasser verwendet, welches über einen von der Steuereinheit 20 hierzu geöffneten Schieber 27 der Leitung 3 zugeführt wird, während der Zulauf vom Behälter 1 über einen Schieber 28 geschlossen wird. Soll auch der Behälter 1 mitgespült werden, so wird Schieber 27 geschlossen, Schieber 28 geöffnet und über eine Leitung 29 das Wasser dem Behälter 1 zugeführt. 



  In dem Regelkreis 4, 12, 20, 5 min  für den Strom i1 des Elektromotors 12 kann man das Regelventil 5 min  mit dem Regler 20 für dessen Stellwert ersetzen durch einen Regler 20 min  für die Frequenz des Antriebsstromes des Motors 12 und damit die Drehzahl n der Pumpe 4, wie es Fig. 2c zeigt. Auch in diesem Fall wird im Regler 20 min  als Regelgrösse die Stromstärke i1 gemessen, i1 wird jedoch durch die Frequenz als Stellwert verändert und nicht durch den Produktstrom Q1 gemäss Fig. 2a. Die Ausführung gemäss Fig. 2c verhindert eine unnötige Energievernichtung im Ventil 5 min  gemäss Fig. 2a, sie vermeidet aber auch mechanische Probleme durch die beweglichen Teile des Ventils 5 min . 



  Gemäss den schematischen Darstellungen der Fig. 1a und 2a nimmt der Behälter 1 zu Beginn jedes Filtrationsvorganges die zu filtrierende Menge Rohsaft als Batch-Tank auf, anschliessend wird die Zufuhr des Rohsaftes unterbrochen. 



  Gemäss Fig. 2a ist aber die Möglichkeit vorgesehen, dass über einen Schieber 30 aus der Leitung 9 zur Rückführung des Retentates laufend Retentat abgeführt wird. Der Schieber 30 kann durch die Steuereinheit 20 geöffnet und geschlossen werden. Bei geöffnetem Schieber 30 ist also ein kontinuierlicher Betrieb der Filtrationsanlage mit laufender Zufuhr von Rohsaft und laufender Abführung von Permeat möglich. Ein Spülen der Anlage wird in diesem Fall durch Rückgang des Permeatstromes in der Leitung 8 infolge Verstopfung der Membranen 7 des Modules 6 erforderlich. 



  Für den Fachmann ergibt sich eine Vielzahl von Verwendungen des Verfahrens für Säfte, Abwässer, Wasserentsalzungen usw., sowie von Mitteln zur Steuerung oder Regelung des Betriebsstromes des Elektromotors 12 für die Pumpe 4, welche alle den Rahmen der beigefügten Patentansprüche nicht verlassen.

Claims (18)

1. Querstrom-Filtrationsanlage, umfassend mindestens ein Filtrationsmodul (6) mit Produkt-Durchlauf und Permeat-Ablauf (8), eine Rohrleitung zur Zu- (3) und Ableitung (9) des Produktes zum und vom Filtrationsmodul (6), eine Pumpe (4) mit Elektromotor (12) in der Rohrleitung (3) zur Zuleitung des Produktes zum Filtrationsmodul (6) sowie eine Vorrichtung (5, 5 min , 20 min ) zur Einstellung des Förderstromes (Q1) der Pumpe (4), gekennzeichnet durch Mittel zur Messung der Stärke des Betriebsstromes (i1) des Elektromotors (12) und durch Mittel (20, 20 min ) zur Steuerung oder Regelung des Betriebsstromes (i1) auf einen Sollwert durch Ansteuerung der Vorrichtung (5, 5 min , 20 min ) zur Einstellung des Förderstromes der Pumpe (4) unter Verwendung der Messwerte der Messmittel.

2.

Querstrom-Filtrationsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Einstellung des Förderstromes (Q1) der Pumpe (4) ein der Pumpe (4) in der Zuleitung (3) des Produktes nachgeschaltetes Drosselventil (5, 5 min ) umfasst.

3. Querstrom-Filtrationsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Einstellung des Förderstromes (Q1) der Pumpe (4) der Stromversorgung des Elektromotors (12) zugeordnete Mittel (20 min ) zur Einstellung der Frequenz des Betriebsstromes (i1) und damit der Pumpendrehzahl umfasst.

4. Querstrom-Filtrationsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Messung der Stärke des Betriebsstromes (i1) des Elektromotors (12) eine visuell ablesbare Skalenanzeige (13) umfassen, welche Markierungen (max, min) für einen minimal zulässigen und für einen maximal zulässigen Wert aufweist.

5.

Querstrom-Filtrationsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselventil in der Ableitung des Retentates am Ausgang des Filtrationsmodules angeordnet ist.

6. Verfahren zum Betrieb einer Querstrom-Filtrationsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke des Betriebsstromes (i1) des Elektromotors (12) gemessen und durch Einstellen des Förderstromes (Q1) der Pumpe (4) mithilfe der Einstellvorrichtung (5, 5 min , 20 min ) auf mindestens einen vorgegebenen Wert eingestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Wert des Betriebsstromes (i1) des Elektromotors (12) ein maximal zulässiger Sollwert (imax) der Stromaufnahme ist.

8.

Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der maximal zulässige Sollwert (imax) der Stromaufnahme zu Beginn eines Filtrationsvorganges der Filtrationsanlage eingestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende des Filtrationsvorganges eingeleitet wird, wenn der Betriebsstrom (i1) des Elektromotors (12) einen minimal zulässigen Wert (imin) erreicht.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende des Filtrationsvorganges durch eine Bedienperson von Hand eingeleitet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende des Filtrationsvorganges der Filtrationsanlage eingeleitet wird, wenn der Förderstrom (Q1) der Pumpe (4) einen minimal zulässigen Wert (Qmin) erreicht.

12.

Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende des Filtrationsvorganges durch eine Vorrichtung (23, 25, 27, 28) automatisch eingeleitet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende des Filtrationsvorganges mit einer Verdrängung des Retentates aus der Filtrationsanlage durch ein Spülmittel eingeleitet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Bertriebsstromes (i1) des Elektromotors (12) als Regelgrösse durch Vergleich mit dem vorgegebenen Wert als Sollwert mittels eines Reglers (20, 20 min ) über die Vorrichtung (5 min , 20 min ) zur Einstellung des Förderstromes (Q1) der Pumpe (4) als Regelstrecke in einem Regelkreis auf den Sollwert geregelt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (imax) ein konstanter Wert ist.

16.

Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorrichtung zur Einstellung des Förderstromes (Q1) der Pumpe (4) ein der Pumpe (4) in der Zuleitung (3) des Produktes nachgeschaltetes Drosselventil (5, 5 min ) verwendet wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorrichtung zur Einstellung des Förderstromes (Q1) der Pumpe (4) eine der Stromversorgung des Elektromotors (12) zugeordnete Einrichtung (20 min ) zur Einstellung der Frequenz des Betriebsstromes und damit der Pumpendrehzahl verwendet wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaufdruck (p1) in das Filtrationsmodul (6) durch eine Drosseleinrichtung (10 min ) im Modulauslauf (9) für das Retentat gesteuert wird.