DD296621A5

DD296621A5 - Membrantrennsystem und anwendungsverfahren

Info

Publication number: DD296621A5
Application number: DD90343097A
Authority: DD
Inventors: Barry R Breslau; John Slegers
Original assignee: Kkk
Priority date: 1989-11-08
Filing date: 1990-07-26
Publication date: 1991-12-12
Also published as: PT94894A; MX164298B; HU904592D0; PH26937A; AU634259B2; PL286278A1; JPH03154620A; NO903282D0; EP0427376A3; CA2020631A1; AU5982490A; US4986918A; CN1051519A; IE902678A1; IE902678L; BR9003537A; KR910009327A; NZ234632A; NO903282L; HUT58557A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Membrantrennsystem und die Anwendung desselben fuer die Trennung von geloesten, kolloiden Partikeln und/oder suspendierten Materialien aus Loesungen oder Suspensionen, die diese enthalten. In einer bevorzugten Anordnung beschaeftigt sich die Erfindung mit einem einfachen und oekonomischen Membranfiltersystem, das in vielen Arten des Betreibens eines Membranfiltersystems eingesetzt werden kann, speziell der Unterdruck-Rueckstroemung ohne ein Vermischen des Filtrats mit dem Rohloesungsstrom. Fig. 1{Membrantrennsystem; Membranfiltersystem; kolloide Partikel; Suspensionen; Anwendung; Trennung; Unterdruckrueckstroemung}

Description

Hierzu 11 Seiten Zeichnungen

Mombrantronnsystem und Anwendung desselben

Dio vorliegende Erfindung betrifft ein Mombrantrennsystom und die Anwondung desselben für die Trennung von gelösten, kolloiden Partikeln oder suspendierten Materia'ien aus lösungon oder Suspensionen, die solche enthalten. In einer bevorzugten Darstellung beschäftigt sich diese Erfindung mit einem einfachen und ökonomischen Membranfiltrationssystem, das bei vielen Arten des Betreibens eines Membranfiltrationssystems ohne ein Vermischen des Filtrats mit dem Rohlösungsstrom eingesetzt werden kann. Trenntechniken, wie z.B. Umkehrosmose, Ultrafiltration und Mikrofiltration werden heute in der Industrie breit angewendet. Viele Vorteile wurden durch Anwenden dieser Techniken erreicht, darunter sind solche wie die Reduzierung der für eine effektive Trennung benötigten Zeit; Wirkungsgrad der Trennung; die Nutzung von milden Tronnbedingungen wie z. B. Trennungen bei Raumtemp9ratur; die Sonkung der Verfahrenskosten im Vergleich zu öltoron Techniken, wie z. B. der Verdampfung, der chemischen Präzipitierung und der Ultrazentrifugation und die Möglichkeit, Substanzarton zu !rennen, die früher als untrennbar galten.

Die vorliegende Erfindung ist im besonderen auf Membrentrennungen durch Ultrafiltrationstechniken gerichtet, obwohl sie auch auf andere als die oben angeführten Trenntechniken angewendet werden kann.

Die Ultrafiltration ist ein Trennprozeß, bei dem eine Lösung oder Suspension, die gelöste, kolloide oder suspendierte Partikel von größere, ι Dimensionen enthält als das Solvens, in welchem sie gelöst sind, fraktioniert wird, indem sie einem solchen Druck unterworfen wird, daß das Solvens durch einen porösen Filter, insbesondere durch eine polymere Membran gepreßt wird (siehe zum Beispiel US-A-3615024; US-A-3526588; US-A-3556305; US-A-3 541005 und US-A-3549016; alle diese sind aufgeführt als die allgemein veranschaulichenden Typen der betrachteten Arten polymerer Membranen), obgleich der Filter auch von nlchtpolymerer Art sein kann, wie z. B. Keramikfilter. Die in der Ultrafiltration genutzten Membranen können verschiedene Konfigurationen aufweisen, wie z. B. Hohlfasern, flache Scheiben, spiralförmig gewundene oder tubular. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise Hohlfaser-Polymermembrunen eingesetzt. Membrantrennsysteme werden üblicherweise im Cross-flow-Verfahren eingesetzt, wobei der Prozeßflüssigkeitsfluß (das ist der „Rohlösungsstrom", der zu trennen ist) tangential zur Oberfläche der polymeren Membran verläuft. Das heißt, die zu behandelnde Prozeßflüssigkeit dringt in das Trennmodul über den Prozeßflüssigkeitseinlaß ein, fließt parallel zur Oberfläche der Membran auf der gleichen Seite wie der Prozeßflüssigkeitsein- und -auslaß angeordnet sind, verläßt das Trennmodul über den Prozeßfiüssigkeitsauslaß und wird, wahlweise, zurückgeführt zum Trennmodul für eine weitere Behandlung. Ein Teil der Prozeßflüssigkeit passiert die Membran als Permeat. Diese Art Trennmodul kann für verschiedene Zwecke angewendet werden, wie z. B. zur Konzentrierung einer Flüssigkeit in dem Falle, wenn das gewünschte Produkt die Flüssigkeit ist, die die Trenneinrichtung durch den Prozeßflüssigkeitsauslaß verläßt; zur Reinigung einer Flüssigkeit in dem Falle, wenn das gewünschte Produkt das Permeat sein kann oder die Flüssigkeit, die die Trenneinrichtung durch den Prozeßfiüssigkeitsauslaß verläßt oder zur Trennung einer oder mehrerer Komponenten aus einer Flüssigkeit in dem Falle, wenn das gewünschte Produkt die Flüssigkeit ist, welche die Membran als Permeat passiert, die

Flüssigkeit, die die Trenneinrichtung durch den Prozeßflüsilgkelteabfluß vorläßt, die öostamltollo, die durch die Membran zurückgehalten werden odor olno Kombination davon.

Während dor Anwendung kann die Solto der Membran, dlo mit doi ProzoßdUeslgkolt In Beruht ung kommt, verstopft worden durch von der Membran zurückgehaltono Materialien. Derart vorstopfto Membranen können (Ur dio Wiedorbonutzung goroinigt wordon durch solche Tochnlkon wlo: mechanische Reinigung, z. B. Entfernen des verstopfenden Materials durch Anwendung einer Bürste, Stongo oder elnos Schwommos; Druckspülen (fast-flush), d.h. Pumpen olnor Flüssigkeit quor übor dlo verstopfto Fläche der Membran bei hoher Flloßrato, u,m due verstopfende Material physikalisch iu zerstören und zu ontfornen; fast-flush mit rovorsom Durchfluß, d.h. Pumpen der Flüssigkeit über die verstopfte Membranflächo bei hoher Flloßrato mit periodischer Umkehr der Fließrichtung, um das verstopfende Material physikalisch zu zeretöron und zu entfer. ion; chomiuciiti Reinigung, d. h, Inkontaktbrlngen der verstopften Mombranflhche mit olnor chemischen Reinigungsflüssigkeit; Druck-Rückströmung, d.h. Pumpon'olnor Flüssigkeit, zum Boisplol Permeat odor Wasser, untor Druck durch dio Membran von clor Pormoatsoito zur ProzoßflUssigkeitsseite, so daß dlo Flüssigkeit physikalisch zerstört und das vorstopfendo Material von dor Mombranoborfiache ontfernt wird odor olno Kombination von zwei odor mehroror der oben gonannton Tochnlktn.

In don obon beschriebenen Technikon dos fast-flush, dor chemischen Reinigung und der Druck-Rückströmung wird dor Druck gewöhnlich mittois einer Pumpe erzeugt. Das kann Anlaß soln für hydraulische Druckstößo, dio dlo Membran zorstöron können. Doshalb ist os wichtig, daß dor Flüssigkeitsdruck sorgfältig kontrolliert wird, so daß dio Druckdifforonz zwischon dor Flüssigkeit auf der olnon Seite der Membran und der auf dor anderen Selto dor Membran die maximal zulässige Transmembrandruckdifferenz für die spezielle Membran nicht überschreitet. Die maximal zulässige Transmombrandruckdifforonz für olno opoziollo Membran Ist dlo maximale Druckdifforonz zwischon don beiden Solton einer Membran, ohne daß dioso zerstört wird.

Verschiedene Mombrankonfigurationon mit ongon Prozoßflüsslgkoitsflioßwogon können stark verstopfen, wobei das vorstopfondo Matorial den freien Fluß dor Prozeßflüssigkeit übor die Mombranfläche begrenzt oder ganz verhindert Wenn das passiert, können fast-flush und chemische Relnigungstochniken unzureichend sein, um die Membran ausreichend zu reiniger., und es kann olno mechanische Roinlgunrj und/oder Druck-Rückströmung erforderlich sein; um eine bofrlodigonde Reinigung ru erreichen. Es kann jedoch soln, daß für diese Mombrankonfigurationon eine mechanische Reinigung wogen der engen Prozoßflüsr igkoitsf ließwege nicht anwondbar soln kann und dlo Druck-Rückströmung, wie obon diskutiert, hat die Nachteile, daß der Flüssigkeitsdruck genau kontrolliert werdon muß, um eine Zerstörung der Membranen zu vermelden und daß zusätzliche Pumpenkapazitäten erforderlich sind, welche sowohl zu don Invostitionskoston als auch zu don gesamten Betriebskoston dos Systoms hinzukommen.

Die EP-A-0335647 und EP-A-0335648 beschreiben ein System und olno Methode zum Betreibon eines solchen Systoms, das es ermöglicht, das Problem der hydraulischen Druckstöße, das zum Zerstören der Fasern führt, zu vermelden. In den oben aufgeführten Patent-Anmeldungen Ist ein Untordruck-Rückströmungsprozeß zur Unterstützung der Reinigung der Membranen beschrieben. Um diesen Untordruck-Rückströmungsprozeß zu aktivieren, wird oino Permeatpumpe angewendet, um das Permoat durch die Hohlfasorn in dir) Prozoßleitungon zu ziehen. Während Im übrigen eine Verbesserung des früher verfügbaren Systems erreicht wird, gibt es bei solch einem Systemdesign verschiedene Probleme und Grenzen. Erstens ist das im EP-A-0335647 beschriebene System sohr komplex, kostenaufwendiger als erforderlich und benötigt letztlich zwei Pumpen gleicher Größe, eine Prozeßpumpe und eine Pormeatpumpe. Diese zusätzliche Pumpenkapazltftt erhöht nicht nur die Investitionskoston der Anlage, sondern vergrößert auch den Energiebedarf während des Betriebes. Zweitens werden die Permeatleitungen und die Permeatpumpe mit der Prozoßflüssigkoit kontaminiert, weil dio Prozeßf Iüs3igkolt mit der Permoatpumpo und den benachbarten Permeatleitungen In Kontakt kommt. Das begrenzt mögliche Anwendungen eines solchen Systemdesigns. Nach Anwendung des Untordruck-Rückströmungsverfahrens und vor dem Betroiben In der Standard-Flüssigkeitsbehandlungsmethode muß das System nochmals gereinigt und/oder sterilisiert werdon.

Ein wesentlicher Teil vieler Trenntechniken, wie in der Membranfiltration, Ist die Möglichkeit, das Flltrat getrennt von der Rohlösung zu führon und somit ein Vermischen des Permeate mit der Prozeßlösung zu vermeiden. Das ist bei solchen Anwendungen vorteilhaft, bei denen der Filtratstrom hygienisch rein bleiben muß, wie z. B. bei Lebensmittel- oder pharmazeutischen Anwendungen oder wenn der Rohlösungsstrom das Flltrat kontaminieren kann, wie z. B. bei Abwasserbehandlungen.

Die vorliegende Erfindung schützt ein neues, einfaches und ökonomisches Trennsystem, das dio Anlagen- und/oder Energieorfordernisse, dio mit solchen Systemen verbunden sind, reduziert und ein Botreiben auf vielerlei Art und Weise des Betriebes eines Trennsystems ermöglicht, einschließlich einer Unterdruck-Rückströmung, wobei der Filtratstrom getrennt vom Prozoßstrom gehalten wird

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Durchführung von Trennungen geschützt, bestehend aus:

(a) einem oder mehreren Trennmodulen, wobei das eine oder jedes einzelne Trennmodul ein Einlaßmittel für dio Prozeßflüssigkeit und ein Auslaßmittel für die Prozeßflüssigkeit enthält;

(b) einer Vielzahl von Rohrleitungsanschlüssen, die miteinander verbunden sind durch eine Vielzahl von ventilbostückten Rohrleitungen, um eine Schleife für die Einführung der Flüssigkeit unter positivem Druck zu bilden sowohl in Vorwärts- als auch In Rückwärtsflioßrichtungen zu besagtom(n) Trennmodul(en) und zur Vermeidung von negativem Druck auf die Einlaß- und/oder Auslaßseite des(r) besagton Tronnmoduls(o);

(c) einem Druckmittel, das einen Einlaß und einen Auslaß enthält, wobei der besagte Einlaß mit einer Seite der besagten Rohrleitungsanschlüsse und der besagte Auslaß mit der zweiten Seite der besagten Rohrleitungsanschlüsse verbunden ist und

(d) einem Mittel zur Aufnahme des Permeats f us besagtem(n) Trennmodul(en).

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zur Trennung von gelösten, kolloiden Partikeln und/oder suspendierten Materialien aus einer Lösung odor einer Suspension solcher Materialion geschützt, bestehend aus:

(α) Vorbinden einer Pumpe zu olnor ου« den vier Röhrloltungsanschlüsson A, B, C und D bestehenden Schleifen, die miteinander verbunden sind durch vier voivdlbesUlekle Rohrleitungen und Anschluß A Ist verbunden mit don Anschlüssen D und C und fernor mit einem vöntllbeatücktön Einlaß der Rohlttsungeitromrohrlnltung und olnor Rohrleitung zum Einlaß der besagten Pumpe, Anschluß B Ist vorbunden mit den Anichtü seen O und C und ferner mit einer ventilbostückton Abflußrohrleitung und durch eine Rohrleitung zum Auslaß der beaan'on Pumpe, Anschluß D Ist verbunden mit den Anschlüssen A und B und ferner mit einer Rohrleitung zum ilnlaßmlttalein'.a oder mehrerer Trennmodulo auf der Prozeßseite, und Anschluß C ist verbunden mit den Anschlüssen A und B und fornor mit den Auslaßmittoln dos(r) besagten Tronnmoduls(e) auf der Prozeßseite.

(b) /I/ Pumpen der besagten Lösung oder Suspension In besagte ventilbestückto Rohrleltungsschlolfo zu Rohrloltungsanschluß R, aus der besagten ventilbestückten Rohrloltungoachloifo zu Rohrleitungsanschluß D, durch bssagtesto) Tronnmodul(e) und zurück zu besagtor vontilbestOckter Pohrloitungsschleifo zu Rohrleitungsanschluß C; und/oder

/II/ Umkehr des Flusses durch Pumpen besagter Lösung oder Suspension in besagte ventilbostUckte Rohrleitungsschlolfo zu Rohrleitungsanschluß B, aus besagtor ventllbestUckter Rohrleltungsschlelfo zu Rohrleitungsanschluß C, durch bosagtes(e) Trennmodul(e) und zurück zu besagter ventllbestücktor Rohrleitungsschlaufe zu Rohrleitungsanschluß D;

(c) Rückgewinnen der das Konzentrat enthaltenden gelösten, kolloiden Partikel oder suspendierten Materlallen und

(d) Entfernen des Permeates aus besagtom(n) Tronnmodul(on).

So wie hler angewendet, bezieht sich der Begriff „positiver Druck" auf einen vergrößerten Druck, der oberhalb des in der Anlage vorhandenen Gesamtdruckes liegt, und der Begriff „negativer Druck" bezieht sich auf einen verringerten Druck, dor unter dem Gesamtdruck der Anlage liegt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der positive Druck oberhalb des atmosphärischen Druckes und der negative Druck unterhalb des atmosphärischen Druckes.

Das Membrantrennsystem dieser Erfindung kam¹ in vielen Standardarten des Betreibens eines Membrantrennsystems eingesetzt werden, wie z.B.: (a) Normal-Fluß der prozeßseltigen Flüssigkeit während der Filtration; (b) Revers-Fluß der prozeßseitlgen Flüssigkeit während der Filtration; (c) Normal-Fluß dor prozeßseltigen Flüssigkeit mit Filtratrückführung, Abtrennung und erneuter Zuführung des Filtrats zur Prozeßseite; (d) Revers-Fluß der prozeßseltigen Flüssigkeit während der Filtration mit Filtratrückführung; (θ) Unterdruck-Rückströmung, wobei die Rückströmlösung gleichzeitig In Normal· und Revers-Fließrichtungen aus den prozeßseitigen Fließkanälen ausfließen; (f) Unterdruck-Rückströmung, wobei die Rückströmlösung den prozeßseitigen Fließkanal in Normalfließrichtung verläßt und (g) Unterdruck-Rückströmung, wobei die RUckströmlösung den prozeßseitigen Fließkanal in Revers-Fließrichtung verläßt.

Außerdem gestattet diese Erfindung eine ökonomische Arbeitsweise in vielen Betriebsarten, speziell in der Unterdruck-Rückströmungsart ohne das Erfordernis, die Unterdruck-Rückströmflüssigkeit in Kontakt zu bringen und so die Filtratflüssigkeit mit Prozeßflüssigkeitsabfällen zu kontaminieren.

Dio Prozoßseite des Membranmoduls ist die Seite, an der die Prozeßflüssigkeit mit der Mombranoberfläche in Borührung kommt. Die Prozeßflüssigkeit wird zur Prozeßseite des Membranmoduls durch die Prozeßflüssigkeitsrohrleitung geführt. Nach Verlassen des Membranmoduls hat die Prozeßflüssigkeit einen Teil ihres Lösungsmittels als Permeat verloren und folglich ist die Prozeßflüssigkeit, wenn sie das Membranmodul verläßt, konzentrierter an den Komponenten, deren Abmessungen größer sind als dia Poren der Membran.

Sowie hier angewendet, bezieht sich der Begriff „Permeat" auf den Strom, der durch die Membranoberfläche hindurchtritt, und der Begriff „Konzentrat" definiert den Teil des Stromes, der das Membranmodul auf der Prozeßseite verläßt und zurückgehaltene, nicht permelerende Arten enthält. Das Konzentrat wird vom Modul in die Konzentratflüssigkeitsrohrleitung weggeführt.

Ein Trennmodul, wie es hier diskutiert wurde, schließt konventionelle Membranpatronen ein, wie z. B. Behälter, die die Membranen enthalten, mit einer festen äußeren Wand, die einen oder mehrere Permeatausflüsse haben. Die feste äußere Wand ist so von den Membranen getrennt, daß es möglich 1st, das Permeat zu sammeln und dio Membranen zu umgeben. Die Patronen können verbunden sein mit einem Prozeßflüssigkeitseinlaß, einem Konzentratauslaß und einer Rohrleitung für die Entnahme von Permeat oder, wenn keine Rohrleitung für das Permeat verwendet wird, kann das Permeat in einen Tank fließen, der die Patrone umgibt. Es kann eine einzelne Patrone verwendet werden oder mehrere Patronen können verbunden sein zu einer Sammelleitung, die es erlaubt, dio Patronen In Reihe und/oder in paralleler Konfiguration zu schalten. Alternierend kann die feste äußere Wand der oben beschriebenen Patrone eliminiert werden, die Patrone kann in einen Tank eingehängt werden, wodurch es dem Permeat möglich wird, in den besagten Tank, der das Membranmodul oder die Module umgibt, zu fließen. Das Permeat wird dann anschließend ausgetragen.

Die vorliegende Erfindung wird nun weiter beschrieben unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, in denen

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines allgemein verfügbaren Systems (Stand derTechnik) ist, das in dor Normal-Fließart arbeitet;

Fig. 2: eine schematische Darstellung eines allgemein verfügbaren Systems (Stand der Technik) Ist, das in der Revers-Fließart arbeitet;

Fig. 3: eine schematische Darstellung eines Trennsystems entsprechend der vorliegenden Erfindung ist, das in der Normal-Fließart arbeitet;

Fig. 4; eine schematische Darstellung eines Trennsystems entsprechend der vorliegenden Erfindung ist, das in der Revers-Fließart arbeitet;

Fig. 5: eine schematische Darstellung eines Trennsystems entsprechend der vorliegenden Erfindung ist, das in dor Unterdruck-Rückströmungsart arbeitet, wobei die Rückströmlösung gleichzeitig die prozeßseitigen Fließkanäle in Normal- und in Revers-Fließrichtungen verläßt.

Fig. 6: eine schematische Darstellung eines Trennsystems entsprechend der vorliegenden Erfindung ist, das in der Unterdruck-Rückströmungsart arbeitet, wobei die Rückströmlösung den prozeßseitigen Fließkanal in Normal-Fließart vorläßt;

Fig. 7: eine schematischo Darstellung eines Trennsystems entsprechend der vorliegenden Erfindung ist, das in der Unterdruck-Rückströmungaart arbeitet, wobei die Rückströmlösung den prozeßseitigen Fließkanal in Revers-Füeßart verläßt;

Fig.8: olno echometlscho Darstellung eines Trennsystoma entsprechend der vorliegenden Erfindung entsprechend des

gleichzeitig anhängigen EP-A-0335G47 Ist, das In Normal-Flloßart arbeitet; Fig. 9: eine schematische Darstellung eines Trennsystems des gleichzeitig anhängigen EP-A-0335647 ist, das In der Unterdruck· Rückströmungsart arbeitet. »ubui tho Pickströmlösung die prozeßseitlgen Fließkanäle gleichzeitig in Normal· und in

Rovere-Flleßrlchtungen verläßt; Flg. 10: eine grafische Darstellung ck r Fließrate ist, die während dos Betriebes eines der vorliegenden Erfindungen

entsprechenden Systems erzeugt wird, gegen die laufende Zeit und Flg. 11: eine grafische Darstellung der Fließrate ist, die während des Betriebes eines der vorliegenden Erfindung entsprechenden Systems erzeugt wird, gegen den Konzontrierungsfaktor.

In don Figuren 1 bis 7 bedeuten gleiche Verweiszelchon gleiche Teile und In den Figuren 8 und 9 bedeuten gleiche Verweiszeichen gleiche Teile.

Bezug nehmend am Figur 3 liegt im dargestellten Membrantrennsystem, das der vorliegenden Erfindung entspricht, die Prozeßpumpe P,die einen Einlaß P1 und einenAuslaß P 2 hat, Innerhalb eines Systems von ventilbestückten Rohrleitungen, die eine Rohrleitungsschlelfe enthält, die derart verbunden ist, daß die Anwendung von allen oben beschriebenen Betriebsarten ermöglicht wird, einschließlich Unterdruck-Rückströmung, wobei der Filtratstrom vom Rohlösungsstrom vollständig getrennt gehalten wird. Dieser Prozeß kann am besten durch die Figuren und durch Vergleichen des Systems dieser Erfindung mi; Standardmembranf lltrationssystemen beschrieben werden.

Figur 11st eine vereinfachte schematische Darstellung eines gegenwärtig verfügbaren Systems (Stand der Technik), das nach der Normal-Flloßart arbeitet (a). Die Prozeßflüssigkeit fließt vom Prozeß-Tank T1 durch die ventilbestückte Rohrleitung δ, durch Pumpe P, die d9n Einlaß P1 und den Auslaß P2 hat und in ein Ventilsystem, dse vier Ventile, V1 bis V4, enthält. Die Ventile V1 und V4 sind geöffnet und die Ventile V2 und V3 sind geschlossen. Der Prozeßstrom fließt dann durch die ventilbestückte Rohrleitung 1, durch Rohrleitung 8 und zum Einlaß des Trennmoduls (SM). Die Prozeßflüssigkeit fließt durch das Trennmodul, durch Rohrleitung 7 als Konzentrat, tritt wieder in das Ventilsystem ein, fließt durch Ventil 4 und verläßt es durch Rohrleitung 9. Das Konzentrat kann das System über Rohrleitung 9 durch Ventil V7 (geschlossen dargestellt) verlassen, zurückgeführt werden zum Prozeßtank T1 durch Ventil V6 oder eine Kombination von beiden. Der Druck am Pumpenausgang und der Einlaß zum Ventilsystem ist bezeichnet mit PA, während der Druck am Auslaß des Ventilsystems mit PB bezeichnet ist. Der Strom, der durch Rohrleitung 9 austritt, hat einen geringeren Druck als PB. In allen Fällen des Standardbetriebes ist PA größer als PB. Die Geschwindigkeit des Flusses durch das Trennmodul wird bestimmt durch die Druckdifferenz über das Trennmodul, die durch die Ventile V1 und V4 geregelt wird. Das im Trennmodul produzierte Filtrat tritt durch Rohrleitung 10 aus. Die Richtung des Flusses, wie in Figur 1 gezeigt, kann durch Schließen d ' Ventile V1 und V4 und öffnen der Ventile V2 und V3 umgekehrt werden. Das wird in Figur 2 gezeigt, welches ein Standardsystem (Stand der Technik) ist, das Inder Revers-Fließart arbeitet (b), verglichen mit dem in Figur 1 gezeigten System. In Figur 2 fließt die Prozeßflüssigkeit in das Trennmodul durch Rohrleitung 7 und verläßt das Trennmodul durch Rohrleitung 8.

Die vereinfachte schematische Zeichnung, wie in Figur 3 gezeigt, stellt das Erfindungskonzept der vorliegenden Anmeldung bildlich dar. Die Prozeßpumpe ist in einem ventilbestückten Rohrleitungssystem, oder einer Schleife, angeordnet, so daß es möglich wird, das Trennsystem in mindestens allen oben beschriebenen Arten zu betreiben, (a) - (b), ohne irgendwelche zusätzlichen Ventile oder Pumpen. In Figur 3 fließt die in Tank T1 enthaltene Prozeßflüssigkeit durch die ventilbestückte Rohrleitung 5, über Rohrleitungsanschluß A und tritt in den Einlaß der Pumpe P bei P1 ein. So wie es hier benutzt wird, ist ein Rohrleitungsanschluß definiert als der Punkt oder Ort innerhalb eines Systems, an dem die Fließrohrleitungen zusammenlaufen oder sich verbinden, aber nicht notwendigerweise an einem einzelnen Punkt. Die Prozeßflüssigkeit wird dann abgeführt von der Pumpe P bei P2, fließt über Rohrleitungsanschluß B, durch die ventilbestückte Rohrleitung 3, über Rohrleitungsanschluß Dund durch die Rohrleitung 8 zum Trennmodul. Die Prozeßflüssigkeit fließt durch die Prozeßseite des Moduls, kehrt zurück zur Rohrleitungsschleife beim Rohrleitungsanschluß C durch Rohrleitung 7 als Konzentrat, fließt durch Ventil V2, durch den Rohrleitungsanschluß A, wobei sie vermischt wird mit der Prozeßflüssigkeit aus Tank T1 und fließt zurück zum Einlaß P1 der Pumpe P. Ein Teil des gemischten Konzentrates/Prozeßstromes kann durch das Ventil V6 in die Rohrleitung 9 abgezogen und in den Prozeßtank T1 zurückgeführt werden. Der Strom in Rohrleitung 9 hat einen erhöhten Druck, PA. Eire Flußumkehr wird durch Öffnen der Ventile V1 und V4 und Schließen der Ventile V2 und V3 erreicht. Dies Ist in Figur 4 bildlich dargestellt. Der Prozeßflüssigkeitsfluß ist mit dem in Figur 3 gezeigten bis zum Rohrleitungsanschluß B identisch. In der Revers-Fließart fließt die Prozeßflüssigkeit vom Rohrleitungsanschluß B zum Rohrleitungsanschluß C über die ventilbestückte Rohrleitung 4. Sie fließt dann durch die Rohrleitung 7 zum Trennmodul. Die Prozeßflüssigkeit fließt durch die Prozeßseite des Moduls, kehrt zurück zur Rohrleitungsschleife bei Rohrieitungsanschluß D durch Rohrleitung 8 als Konzentrat, fließt durch Ventil V1 und durch den Rohrieitungsanschluß A. Der Rest des Prozesses ist nunmehr identisch mit dem normalen Fluß. Die Figuren 3 und 4 zeigen die normalen und die reversen Fließarten des Betriebes (a) und (b). Wie in diesen Figuren gezeigt, kann das Permeat vom Modul über die Rohrleitung 10 zu einem getrennten Permeattank T2 fließen oder abwechselnd, wenn das Modul keine äußere Hülle oder keine Rohrleitung für das Permeat enthält, kann es zu einem Tank fließen, in den das Modul eingehängt worden ist (nicht dargestellt).

Die Betriebsarten, die in den Figuren 3 und 4 beschrieben sind, ähneln denen, die unter Nutzung der bekannten Systeme der Figuren 1 und 2 beschrieben wurden. Im System dieser Erfindung verläßt jedoch der Prozeßstrom das Ventilsystem bei einem höheren Druck PA als in herkömmlichen Systemen, wo der Prozeßstrom das Ventilsystem bei einem niedrigeren Druck PB verläßt. Dies hat den Vorteil, daß es möglich wird, den konzentrierten Prozeßstrom zu einem entfernten Vorratstank oder Reservoir für eine weitere Konzentrierung zurückzuleiten oder durch einen Filter, wie z. B. vom Taschen- oder Patronenfiltertyp, hindurchzuleiten, um Abfälle aus dem Strom und von der Membran während der Reinigung zu entfernen. Figur 5 zeigt bildlich das System dieser Erfindung, wenn es in der Unterdruck-Rücksirömungsart betrieben wird, wobei die Rückströmlösung die prozeßseitlgen Fließkanäle gleichzeitig in Normal- und Revers-Fließrichtungen verläßt (e). Dies wird erreicht durch Öffnen der Ventile V1, V 2 und V7 und Schließen der Ventile V3, V4, V5 und V6. Die Prozeßpumpe P liefert Unterdruck oder negativen Druck zur Prozeßseite des Trennmoduls durch Rohrleitung 7 und 8, was es dem Filtrat ermöglicht,

von Tank 2 über die Rohrleitung 10 durch die Membran und in die Prozoßselto des Trennmoduls zu (ließen. Von der Prozeßseite des Treunmoduls fließt die Ri'ckströmlösung durch Rohrleitung 7 (Normal Fluß) und Rohrleitung 8 (Revers Fluß). Die Rückströmlösung, die durch Hohrloltung 8 fließt, fließt zum Rohrleitungsanschluß D, durch Rohrleitung 1 zum Rohrleltungsanschluß A über den Pumpeneinlaß P1 In die Pumpe P, strömt beim Pumpenauslaß P 2 aus Pumpe P aus zum Rohrleitungsanschluß B und strömt über Rohrleitung 9 und Ventil V7 aus dem System aus. Die durch die Rohrleitung 7 fließende Rückströmlösung fließt sum Rohrleitungsanschluß C₁ durch Rohrleitung 2 zum Rohrleitungsanschluß A, wo die Rückströmlösung aus dem Revers-Fluß wie oben beschrieben zusammentrifft. Wenn die Rückströmlösung die Patrone verläßt, wird sio zwangsgeführt zum prozeßseitigen Rohrsystem. Deshalb beeinträchtigen oder kontaminieren Schmutz, Pfropfen oder Abfälle die Filtratleitungen nicht.

Figur 6zeigt bildlich das Sy*'im dieser Erfindung, arbeitend nach der Untordruck-Rückströmungsart, wobei die Rückströmlösung den prozeßseltigen Fließkanal in Normal-Flleßrichtung verläßt (f). Das wird erreicht durch Schließen aller Ventile, ausgenommen die Ventile V2 und V7. Die Rückströmlösung fließt von der Prozeßseite des Trennmoduls über Rohrleitung 7 zum Rohrleitungsanschiuß C, über Rohrleitung 2 zum Rohrleitungsanschluß A, In Pumpe P über Pumpeneinlaß P1, strömt beim Pumpenauslaß P2 aus Pumpe P aus, zum Rohrleitungsanschluß B und strömt über Rohrleitung 9 aus dem System aus. Dieser Prozeß kann umgekehrt werden, und eine Unterdruck-Rückströmung kann in der umgekehrten Betriebsart durchgeführt werden (g), wie es in Figur 7 gezeigt ist, wobei alle Ventile geschlossen sind, ausgenommen die Ventile V1 und V 7. Für einen weiteren Vergleich ist in Figur 8 das System des EP-A-0335647 in der normalen Betriebsart bildlich dargestellt (a). Für dieses System werden zum Betreiben zwei Pumpen gleicher Größe benötigt, eine Prozeßpumpe (P 1) und eine Permeatpumpe (P2). In Figur 8 repräsentiert T1 einen Prozeßtank, T2 einen Permeatank, X den Permeatauslaß, Y repräsentiert den ProzoßflUssigkeltsrücklauf, V1 bis V9 die Ventile, F1 bis F3 Durchflußmesser und P1 bezieht sich auf Druckanzeiger. Wenn in dem System die Unterdruck-Rückströmung angewendet wird, wie in Figur 9 gezeigt, liefert die Permeatpumpe Unterdruck oder negativen Druck auf die Fasern, zieht das Permeat aus dem Behälter, in den die Patronen eingehängt sind, und das Permeat tritt durch die Fasern. Aller Schmutz, Pfropfen und Verunreinigungen, die in den Fasern und auf der Membranoberfläche enthalten sind, liegen nun zur Permeatpumpe und zu den benachbarten Pormeatlinien frei vor und verursachen an den besagten Linien, daß diese kontaminiert werden mit Prozeßflüssigkeit und Verschmutzungen. Wie oben dargelegt, würde das bei pharmazeutischen, Milch- oder Abwasserindustrie-Anwendungen eine nochmalige Reinigung und Sterilisierung der Permeatleistungen und der Permeatpumpe erforderlich machen.

Wie oben beschrieben, benötigt das System der vorliegenden Erfindung nur eine einzige Prozeßpumpe, um sowohl in der normalen als auch in der Unterdruck-Rückströmungsart betrieben zu werden, deshalb, weil keine Quer-Kontamination (crosscontamination) stattfindet.

Neben diesen Vorteilen der Nicht-Cross-Komtamlnation kann das System der vorliegenden Erfindung mit einer deutlichen Kostenreduzierung hergestellt und mit einer deutlichen Verringerung im Energieverbrauch, verglichen zum System des EP-A-0335647, betrieben werden.

Die vorliegende Erfindung wird nun weiter erläutert durch folgende Beispiele, die nur allgemein der Erläuterung dienen und nicht gedacht sind, den Umfang der Erfindung in irgendeiner Weise einzuschränken.

Beispiel 1 (Vergleichend)

Der Kosten- und Energiebedarf eines der vorliegenden Erfindung entsprechenden Systems wurden verglichen mit dem Kosten- und Energiebedarf des Systems gemäß EP-A-0335647. Die Daten für das System der vorliegenden Erfindung, dargestellt in Tabelle 1, liegen unter den Prozentsätzen des Kosten- und Energiebedarfes gemäß EP-A-0335647 und sind dargestellt in Figur 8 der begleitenden Zeichnungen.

Jedes System war ausgelegt, 75,71 Liter (20 Gallonen) pro Minute eines qualitativ hoch gefilterten Wassers aus einer speziellen Stadtwasser-Rohrleitung zu produzieren unter Nutzung einer Membran mit einem Cuttoff- Wert (molekulare Ausschlußgrenze)

Tabelle 1 .

Posten Kostenreduzierung

Rohrmaterial und Tanks 63%

Pumpen 61,5%

totale Anlagekoston 63%

benötigte Energie 55%

Beispiel 2

Ein System entsprechend der vorliegenden Erfindung, das mit zwei Typen von Hohlfasermembran-Patronen (Romicon HF 25-43-CM 50 und HF 25-43-XM 50) ausgestattet war, wurde zur Behandlung von Abwasser der Metallgalvanisierung, das suspendierte Feststoffe und Zink enthielt, angewendet. Beide Membrantypen ergaben Ausschlußkoeffizienten im Bereich von 98% im Verlaufe einer dreitägigen Untersuchung. Während dieser Untersuchung wurde ein Konzentrierungsfaktor von 1250X erreicht, das heißt, es wurden für jeden der 4731,63 Liter (1250 Gallonen) Rohlösung (Abwasser) 4727,84 Liter (1249 Gallonen) Filtrat produziert.

Die analytischen Daten, die während dieser Untersuchung gesammelt wurden, sind in Tabelle 2 gezeigt.

Probe	suspondlorto Feststoffe	Zink
	ppm	ppm
Rohlösuno A	686	3,2
Rohlösung B	1286 ,	179
CMPormeatA	18,4	0,07
CMPermoatB	13,2	0,05
CM Ausschlußkooffizlont	98,2%	98,9%
XMPerm'eatA	25,0	0,16
XM Per moot B	13,2	0,08
XM Ausschlußkoeffizient	97,8%	97,5%

In den Figuren 10 und 11 der begleitenden Zeichnungen ist dio Filtrationsrate in Form von Flüssen (Gallonen - Filtrot/Flächo/Zeit, Gallonen/Quadrat- Fuß/Tag) (Achse „Y" in Figur 10 und 11) gezeigt als eine Funktion der Zeit in Figur 10 (die Zeit ist in Stunden angegeben und ist die Achse ,X" in Figur 10) und als eine Funktion des Konzentrierungsfaktors in Figur 11 (Achse „X" in Figur 11). Das „Sägezahn"-Schema in beiden Figuren ist das Ergebnis der Unterdruck-Rückströmungsbetriebsart, was demonstriert, wie die Membranen ausreichend gereinigt werden während der Behandlung, um dio Fiitratmenge ohne das Erfordernis einer Stillegung oder einer externen Reinigungsstufe naho ihres Ausgangswertes wiederzuerlangen.

Claims

1. Vorrichtung zur Durchführung von Trennungen, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt

(a) ein odor mehrere Twnnmodulo, v.'obal ein oder jedoe Tronnmodul ein Elnlaßmlttol für die Prozoßflüsslgkelt und oln AuslußmlUel für dio ProzoßilÜssigkoit enthält;

(b) oiiiO Vielzahl von Rohrleltungsanschlüssen, die miteinander durch oine Vielzahl von vontilbestückten Rohrleitungen verbunden werdon, um eine Schleife zu bilden für die Zuführung der Flüssigkeit unter positivem Drucl- sowohl In Vorwärts- als auch in Revers-

¹ Fließrlchtungon zu bosagtom(n) Trennmodul(en) und für die Vermeidung von negativem Druck auf die Einlaß· und/oder Auslaßseite des(r) besagten Tnjnnmoduls(e);

(c) Druckmittel, die einen Einlaß und einen Auslaß enthalten, woboi der besagte Einlaß mit einem der besagten Rohrleitungsanschlüsse und der besagte Auslaß mit einem zweiten der besagten Rohrleitungsanschlüsse verbunden Ist und

(d) Mittel zur Aufnahme des Permeate aus dem(n) besagten Trennmodul(en),

2. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekonnzeichnet, daß ein oder jedes Trennmodul

(I) ein Ultrafiltrationstrennmodul oder

(II) ein Mikrofiltrationstrennmodul ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gexernzeichnet, daß ein oder jedes Trennmodul

(I) ein Ultrafiltrationstrennmodul Ist, das Hohlfaserultrafiltrationsmembranen enthält oder

(II) ein Mikrofiltrationstrennmodul Ist, das Hohlfasermikrofiltrationsmembranon enthält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Schleife aus vier Rohrleltungsanschlüssen A, B, C und D besteht, die miteinander durch vier ventilbestückte Rohrleitungen verbunden sind und Anschluß A Ist verbunden mit den Anschlüssen D und C und ferner mit einem ventilbestückten Einlaß der Rohlösungsstromrohrleitung und einer Rohrleitung zum Einlaß des besagten Druckmittels, Anschluß B ist verbunden mit den Anschlüssen D und C und femer mit einer ventilbestückten Abflußrohrleitung und durch eine Rohrleitung zum Auslaß des besagten Druckmittels und Anschluß D Ist verbunden mit den Anschlüssen A und B und forner durch eine Rohrleitung zu besagtem Einlaß des(r) Trennmoduls(e) auf der Prozeßseite und Anschluß C ist verbunden mit den Anschlüssen A und B und ferner mit besagtom Auslaß des(r) Trennmoduls(e) auf der Prozeßseite.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bi3 4, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Druckmittel eine Pumpeist.

6. Verfahren zurTrennung von gelösten, kolloiden Partikeln und/oder suspendierten Materialien aus einer Lösung oder Suspension aus solchem Material, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5 verwendet wird.

7. Verfahren zurTrennung von gelösten, kolloiden Partikeln und/oder suspendierten Materialien aus einer Lösung oder Suspension aus solchen Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) eine Pumpe zu einer Schleife verbunden wird, die vier Rohrleitungsanschlüsse A, B, C und D enthält, die miteinander verbunden oind durch vier ventilbestückte Rohrleitungen und Anschluß Averbunden ist mit den Anschlüssen D und C und ferner mit einem ventilbestückten Einlaß der Rohlösungsstromrohrleitung und einer Rohrleitung zum Einlaß der besagten Pumpe, Anschluß B verbunden ist durch die Anschlüsse D und C und ferner mit einer ventilbestückten Abflußrohrleitung und durch eine Rohrleitung zum Ausgang der besagten Pumpe, Anschluß D verbunden ist mit den Anschlüssen A und B und ferner durch eine Rohrleitung zum Einlaßmittel von einem oder mehreren Trannmodul(en) auf der Prozeßseite und Anschluß C verbunden ist mit den Anschlüssen A und B und ferner mit Auslaßmitteln des(r) besagten Trennmodulsle) auf der Prozeßseite;

(b) (I) besagte Lösung oder Suspension in die besagte ventilbestückte Rohrleitungsschleife zum

Rohrleitungsanschluß B gepumpt wird, aus besagter ventilbestückter Rohrleitungsschleife zum Rohrleitungsanschluß D, durch besagtes(e) Trennmodul(e) und zurück zu besagter Rohrleitungsschleife zum Rohrleitungsanschluß C und/oder (II) durch Pumpen besagter Lösung oder Suspension in besagte ventilbestückte Rohrleitungsschleife zum Rohrleitungsanschluß B, aus besagter ventilbestückter Rohrleitungsschleife zum Rohrleitungsanschluß C, durch besagtes(e) Trennmodul(e) und zurück zu besagter Rohrleitungsschleife zu Rohrleitungsanschluß D der Fluß umgekehrt wird;

(c) clio Konzentrate« wolcho gelöste kolloide Partikel oder suspendierte Materlallen enthalten, zurückgewonnen werden und

(d) das Pormoat aus besagtem(n) Trennmodul(en) entfernt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es einen zusätzlichen Schritt enthält:

(e) Reinigen des(r) besagten Trennmoduls(e) durch Anwenden eines negativen Druckes auf die Prozeßseite des(r) besagten Trennmoduls(e) und durch Ziehen dos Filtrates von der Filtratseite des(r) besagten Trennmoduls(e) auf die Prozoßselto des(r) besagten Trennmoduls(e) In die

. besagte ventllbettUckto Rohrleltungsschlolfo zum Rohrleitungsanschluß D, Rohrleitungsanschluß C oder eine Kombination davon, durch den ventilbestückten Rohrleitungsanschluß A, in besagte Pumpe und aus der besagten ventilbestückten Rohrieitungsschleifezum Rohrleitungsanschluß B,

9. Verfahren nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder jedes Trennmodul ein Ultrafiltratlonstronnmodul oder ein Mlkrofiltratlonstrennmodul Ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder jedes Trennmodul ein Hohlfaserultrafiltrationstrennmodul oder ein Hohlfasermikrofiltrationstrennmodul ist.

11. Verfahren zur Reinigung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Anwenden eines negativen Druckes auf die Einlaß· und/oder Auslaßmittel auf der Prozeßseite dos(r) besagten Trennmoduls(e) und dadurch das Ziehen des Filtrates von der Filtratseite des(r) besagten Trennmoduls(e) auf die Prozeßseite des(r) besagten Trennmoduls(e) umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung so Ist wie in Anspruch 4 beansprucht und wobei das Filtrat, das von der Filtratseite des(r) besagten Trennmoduls(e) auf die Prozeßseite tles(r) besagten Moduls(e) gezogen wird, dann In die ventilbestückte Rohrleitungsschleife zum Rohrleitungsanschluß D, Rohrleitungsanschluß C oder eine Kombination davon gezogen wird durch den ventil jestückten Rohrleitungsanschluß A, in besagte Druckmittel und aus besagter ventilbestückter Rohrleitungsschleife zum Rohrleitungsanschluß B.