DE10113465A1

DE10113465A1 - Filtrationseinheit

Info

Publication number: DE10113465A1
Application number: DE10113465A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Feuerpeil; Dieter Blaese; Hans Olapinski
Original assignee: Aaflowsystems GmbH and Co KG
Current assignee: Aaflowsystems GmbH and Co KG
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2002-10-02
Also published as: WO2002076591A1; EP1370347A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Filtrationseinheit, umfassend mehrere Hohlfasern mit Kapillarkanälen. DOLLAR A Die Erfindung ist gekennzeichnet mit den folgenden Merkmalen: DOLLAR A - Es werden Hohlfasern zu einem Bündel zusammengefaßt, bei dem die Hohlfasern mit ihren Mantelflächen locker beziehungsweise berührend aneinander anliegen; DOLLAR A - ein Endbereich des Bündels wird bei einer Eintauchtiefe in eine erste Flüssigkeit beziehungsweise Suspension eingetaucht, die die Zwischenräume zwischen den Hohlfasern ausfüllt und in die Kapillarkanäle eindringt und die nach einer gewissen Zeit aushärtet beziehungsweise durch Temperatureinwirkung zum Aushärten/Verfestigen gebracht wird und in ausgehärtetem Zustand den Betriebsbedingungen der Filtrationseinheit standhält; DOLLAR A - nach dem Aushärten wird der Endbereich des Bündels aus Hohlfasern in ein Hüllrohr eingebracht, das aus keramischem Material besteht und dessen Mantel offenporig ist und/oder Perforationen aufweist; DOLLAR A - der verfestigte Endbereich des Bündels aus Hohlfasern im Hüllrohr wird in eine zweite Flüssigkeit beziehungsweise Suspension eingetaucht, die gleichartig mit der ersten Flüssigkeit beziehungsweise Suspension ist, und zwar bei einer Eintauchtiefe (T¶2¶), die größer als die Eintauchtiefe (T¶1¶) ist; DOLLAR A - nach dem Aushärten der zweiten Flüssigkeit wird von dem genannten Endbereich ein Endabschnitt abgetrennt, der größer als das Maß (T¶1¶), aber kleiner als das Maß (T¶2¶) ist; DOLLAR A - sodann wird der zweite ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Filtrationseinheit sowie eine hiernach hergestellte Filtrationseinheit.

Filtrationseinheiten der in Rede stehenden Art umfassen eine Vielzahl von Hohlfasern, deren jede einen einzigen Kanal, auch Monokanal genannt, umfaßt. Jeder Monokanal hat eine sehr geringe lichte Weite, die im Kapillarbereich liegt. Der Außendurchmesser einer solchen Faser liegt in der Größenordnung von 0,5 bis 3 mm. Die Hohlfaser besteht im allgemeinen aus feinporigem Material aus Polymer.

Solche Filtrationseinheiten werden in zahlreichen Branchen eingesetzt, beispielsweise in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie. Sie dienen zum Abtrennen von Feststoffen aus Flüssigkeiten, aber auch zum Zerlegen von Flüssigkeiten, Dispersionen oder Suspensionen in flüssige Bestandteile. Dabei wird die zu filtrierende Flüssigkeit am einen Ende der Filtrationseinheit in die Kapillarkanäle der Hohlfasern eingeleitet. Die Flüssigkeit strömt zum anderen Ende. Auf diesem Wege tritt ein Teil der Flüssigkeit, nämlich das sogenannte Permeat, durch die feinen Poren der Hohlfasern nach außen hindurch und gelangt in die Zwischenräume zwischen den Hohlfasern, von wo aus es abgeführt wird. Derjenige Anteil hingegen, der nicht hindurchtritt, das sogenannte Retentat, strömt in den Kapillarkanälen zum anderen Ende der Filtrationseinheit, wo es ebenfalls abgeführt wird.

Auch ist die folgende Abwandlung denkbar: Es wird die zu filtrierende Flüssigkeit nicht in die Kapillarkanäle der Hohlfasern eingeleitet, sondern es beaufschlagt die Hohlfasern von außen her, somit deren Mantelflächen. Das Permeat tritt von außen nach innen in die Kapillarkanäle der Hohlfasern ein, woraus es abgeführt wird, während das Retentat aus den Zwischenräumen zwischen den Hohlfasern abgeführt wird.

Es muß unbedingt dafür gesorgt werden, daß kein Durchmischen von Permeat und Filtrat stattfindet. Zu diesem Zwecke müssen die Zwischenräume zwischen den Hohlfasern an beiden Enden der Filtrationseinheit gegen die Hohlfasern abgedichtet werden.

Besonders problematisch ist das erste Erfordernis, nämlich das Abdichten der Hohlfasern gegen den umgebenden Raum.

Dieses Problem wurde bisher wie folgt gelöst: Es wurde eine Dichtungsscheibe mit einer Vielzahl von Bohrungen hergestellt. Die Bohrungen entsprachen nach Anzahl und Durchmesser der Anzahl und dem Außendurchmesser der Hohlfasern. Sodann wurde jeweils eine Hohlfaser durch jeweils eine Bohrung hindurchgeführt und gegen diese abgedichtet.

Dieses Verfahren ist umständlich. Es ist außerdem raumaufwendig, da Dichtungen der Hohlfasern einen gewissen gegenseitigen Abstand bedingen.

Zur Lösung des Problems ist ein anderer Lösungsweg bekannt geworden:
In einem Zweistufen-Tauchverfahren wird auf die Hohlfasern im Bereich des einen Endes der Filtrationseinheit ein Dichtungsmaterial aufgebracht, das zunächst flüssig ist, und dann aushärtet. Bei diesem Verfahren lassen sich nunmehr die Hohlfasern derart bündeln, daß sie mit ihren Mantelflächen berührend aneinander anliegen. Die Dichtflüssigkeit gelangt in die engen Zwischenräume zwischen den Hohlfasern, so daß keinerlei Leckage möglich ist.

Es ist weiterhin bekannt, ein derart präpariertes Polymer-Hohlfaserbündel in ein Gehäuse einzusetzen. Das Gehäuse ist im allgemeinen zylindrisch. Es weist einen Einlaß für Filtrat sowie einen Auslaß für Permeat auf. Es besteht aus Metall, im allgemeinen aus Edelstahl.

Das genannte Polymer-Hohlfaserbündel steht mit dem Metallgehäuse in mechanischer Verbindung. Die beiden Materialien - Polymermaterial einerseits und Metall andererseits - haben zwar unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten. Dies ist jedoch unschädlich, da die Polymer-Fasern eine erhebliche Längung beziehungsweise Schrumpfung bei Temperaturänderungen ausführen können, ohne daß es zum Bruch kommt.

Ein Nachteil von Fasern aus porösem Polymer-Material besteht darin, daß hiermit nur Medien mäßiger Temperaturen bewältigt werden können. Bei Temperaturen von ca. 100 Grad Celsius und mehr läßt sich Polymer als Material für die Hohlfasern nicht mehr verwenden.

Statt dessen eignet sich Keramik als Material für Filterelemente sehr gut. Dies wird auch eingesetzt für Module, die die Form von Stäben haben. Die Stäbe weisen eine Vielzahl von Kanälen auf, die zur Stabachse parallel verlaufen. Ein Nachteil besteht hierbei jedoch in folgendem: Bei der Pervaporation, bei welcher Gase von Flüssigkeiten getrennt werden, fallen große Mengen Gas an. Diese Gasmengen müssen aus den Kanälen abgeführt werden. Zu diesem Zwecke müssen sie durch die Kanalwände hindurchtreten, bis sie zur äußeren Mantelfläche des genannten stabförmigen Moduls gelangen. Dabei müssen sie relativ große Wege durch enge Poren hindurch zurücklegen. Damit ist dem Einsatz von stabförmigen Keramik-Modulen bei der Pervaporation eine Grenze gesetzt.

Es könnte auch daran gedacht werden, die oben genannten Hohlfasern nicht aus Polymer, sondern aus Keramik herzustellen. Keramik ist jedoch von relativ geringer Festigkeit und Zähigkeit, im Gegensatz zu Polymer. Würde man Hohlfasern in Bündelform aus Keramik in ein Edelstahlgehäuse einbauen, so würde dies bei Temperaturschwankungen des zu verarbeitenden Mediums zu Brüchen der Keramik-Hohlfasern führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Filtrationseinheit mit einer Vielzahl von Hohlfasern derart zu gestalten, daß sie ihre technischen Funktionen einwandfrei erfüllt, daß die Abdichtungen zwischen den Hohlfasern und dem umgebenden Permeat- beziehungsweise Retentatraum erfolgt, und daß der Raumbedarf gegenüber bekannten Filtrationseinheiten verringert wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Damit läßt sich im einzelnen folgendes erreichen:
Es werden statt der Polymer-Hohlfasern Keramik-Hohlfasern verwendet. Die Keramik-Hohlfasern werden in an sich bekannter Weise gebündelt durch zweimaliges Eintauchen in eine aushärtbare Flüssigkeit.

Das Gehäuse kann und soll dabei aus Edelstahl oder einem ähnlichen Material bestehen. Aufgrund des erfindungsgemäßen Hüllrohres, das ein jedes Bündel aus Keramik-Hohlfasern umgibt, besteht keine Bruchgefahr der Keramik-Hohlfasern.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Filterfläche des Bündels aus Hohlfasern außerordentlich groß ist, verglichen mit dem stabförmigen Keramik-Modul in Multikanal-Ausführung. Die großen, bei der Pervaporation anfallenden Gasmengen brauchen nur eine kurze Wegstrecke von den Kapillarkanälen der Hohlfasern durch die Wandung der Hohlfaser hindurchzutreten. Sie gelangen sogleich in die Zwischenräume zwischen den Hohlfasern und strömen auf kurzem Wege nach außen, wo sie abgeführt werden.

Ein Faserbündel hat daher eine viel größere Filtrationsleistung, als ein Multikanal-Modul.

Ein ganz besonderer Vorteil besteht darin, daß ein Faserbündel mit umgebendem Hüllrohr seinerseits als Modul gegen ein Multikanal-Modul ausgetauscht werden kann. Auf diese Weise lassen sich bestehende Anlagen ganz wesentlich aufbessern.

Temperaturbeschränkungen gibt es nicht. Die erfindungsgemäße Filtrationseinheit ist für hohe und höchste Temperaturen geeignet.

Die einzelnen Bündel mit umgebendem Hüllrohr sind leicht handhabbar und somit leicht in ein Edelstahlgehäuse einsetzbar und wieder herausnehmbar.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1 zeigt eine Hohlfaser in perspektivischer Darstellung.

Fig. 2 zeigt drei aneinander gelagerte Hohlfasern im Querschnitt.

Fig. 3 zeigt ein Filtrationsmodul.

Fig. 4 zeigt eine Filtrationseinheit mit einer Anzahl von darin eingesetzten Filtrationsmodulen.

Fig. 5-7 veranschaulichen drei wesentliche Verfahrensschritte zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Filtrationseinheit.

Die in Fig. 1 dargestellte Hohlfaser 1 besteht aus einem keramischen Material, dessen Mantel Mikroporen aufweist, so daß Permeat einer Flüssigkeit, die auf die Mantelfläche aufgebracht wird, hindurchtreten und in den Kapillarkanal 1.1 der Hohlfaser 1 eintreten kann.

Die in Fig. 2 dargestellten Hohlfasern 1 sind parallel zueinander angeordnet, so daß sich ihre Mantelflächen berühren. Es verbleiben lediglich kleine Zwischenräume 1.2, die sich über die gesamte Länge des Filtrationsmoduls erstrecken. Die Hohlfasern 1 sind Bestandteil eines Hohlfaserbündels 10, das wiederum Teil einer erfindungsgemäßen Filtrationsmoduls ist.

Das in Fig. 3 dargestellte Filtrationsmodul umfaßt ein Bündel 10 aus Hohlfasern der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Art. Das Hohlfaserbündel ist von einem Hüllrohr 2 eng umschlossen. Dabei liegen die Hohlfasern 1 des Bündels 10 berührend an der Innenfläche des Hüllrohres 2 an. Das Hüllrohr 2 kann aus porösem keramischem Material bestehen. Die Poren bilden miteinander Kanäle, die die äußere Mantelfläche des Hüllrohres 2 mit der Innenfläche und damit auch mit den Hohlfasern 1 des Bündels 10 leitend verbinden. Die Kanäle haben Durchmesser, die im µ-Bereich liegen können. Sie können aber auch einige Zehntel- oder einige Hundertstel- Millimeter betragen.

Das Hüllrohr kann auch aus dichtem keramischen Material bestehen, das Durchlässe aufweist.

Im vorliegenden Falle ist das Hüllrohr 2 mit Bohrungen 2.1 versehen. Die Bohrungen 2.1 stellen wiederum eine leitende Verbindung von außen nach innen her. Statt der Bohrungen 2.1 sind auch andere Arten von Perforationen denkbar.

Die Kombination von porösem keramischen Material mit Bohrungen ist ebenfalls möglich.

Das Hüllrohr 2 trägt an seinem Endbereich Dichtungsringe. Mit diesen kann eine Dichtung gegen ein Gehäuse hergestellt werden, das beispielsweise aus Edelstahl besteht.

Im vorliegenden Falle weisen die einzelnen Bauteile die folgenden Abmessungen auf:
Lichte Weite der Hohlfasern 1 : 0,6 mm
Außendurchmesser: 1 mm
Außendurchmesser des Hüllrohres 2 : 40 mm
gesamte Filterfläche: 2 m²

Abweichungen nach oben und nach unten sind möglich, beispielsweise nach oben auf das doppelte und nach unten auf die Hälfte der angegebenen Werte.

Es ist vorteilhaft, das Hüllrohr 2 aus demselben Material herzustellen, wie die Hohlfasern, zum Beispiel beide Gegenstände aus Keramik. Damit werden Ausdehnungsprobleme vermieden, weil nämlich die beiden Gegenstände dieselben Wärmeausdehnungskoeffizienten haben.

Die in Fig. 4 gezeigte Filtrationseinheit umfaßt mehrere Filtrationseinheiten. Jede Filtrationseinheit umfaßt ein Bündel 10 aus Hohlfasern 1 sowie ein das Bündel umgebendes Hüllrohr 2 aus Keramik. Die Filtrationseinheiten sind in ein Gehäuse 20 eingebaut. Dieses weist einen Filtrationseinlaß 20.1 und einen Permeatauslaß 20.2 auf.

Die Fig. 5 bis 7 veranschaulichen das an sich bekannte Verfahren zum Herstellen eines Bündels 10 aus Hohlfasern. Dabei wird jeweils ein Endbereich des Bündels 10 derart behandelt, daß zwischen den Mantelflächen der Hohlfasern eine absolut dichte Verbindung geschaffen wird, daß aber die Hohlfasern in diesem Endbereich offen sind.

Fig. 5 zeigt ein Bündel 10 aus Hohlfasern 1. Die Hohlfasern 1 sind hier im einzelnen nicht dargestellt. Sie sind aber derart angeordnet, wie in Fig. 2 veranschaulicht. Fig. 5 zeigt ferner eine Wanne 11, in der sich eine Flüssigkeit befindet. Die Flüssigkeit hat die Eigenschaft, nach einiger Zeit auszuhärten. Sie ist bei den üblichen Betriebsbedingungen der fertigen Filtrationseinheit beständig, beispielsweise bei Temperaturen von über 30 Grad Celsius. Als Materialien kommen in Betracht: Epoxdyharz, Teflon- Derivate, Graphit-Verbindungen, keramische Verbindungen, PTFE- Sintermaterialien, Glasschmelzen.

Der Spiegel 12 der Flüssigkeit hat eine bestimmte Höhe. Das Bündel 10 ist in die Flüssigkeit um das Maß T₁ eingetaucht. Beim Eintauchen dringt die Flüssigkeit sowohl in die Kapillarkanäle 1.1 der Hohlfasern 1, als auch in die Zwischenräume 1.2 zwischen den Hohlfasern 1 ein - siehe Fig. 2.

Nach dem Eintauchen wird das Bündel 10 aus der Flüssigkeit herausgenommen. Die Flüssigkeit härtet nunmehr aus. Die Kapillarkanäle 1.1 sowie die Zwischenräume 1.2 bleiben dabei verschlossen.

Der nächste Schritt ist in Fig. 6 veranschaulicht. Man sieht wiederum dasselbe Bündel 10, eine Wanne 12, die eine Flüssigkeit enthält, gegebenenfalls dieselbe Flüssigkeit wie die Wanne 11. Der Spiegel 13 der Flüssigkeit hat jedoch eine größere Höhe. Das Bündel 10 ist um das Maß T₂ eingetaucht, somit um ein größeres Maß, als das Maß T₁.

Fig. 6 veranschaulicht etwas ganz wichtiges: Man erkennt eine gestrichelte Linie 10.1. Dies ist jene Höhe, bis zu welcher sowohl die Kapillarkanäle 1.1 als auch die Zwischenräume 1.2 durch die erste, inzwischen augehärtete Flüssigkeit verschlossen sind. Beim Eintauchen des Bündels 10 gemäß Fig. 6 sind die Kapillarkanäle 1.1 und die Zwischenräume 1.2 des Bündels 10 oberhalb der gestrichelten Linie 10.1 zunächst noch frei und offen. Die Flüssigkeit der Wanne 12 dringt beim Eintauchen des Bündels 10 in die Zwischenräume 1.2 zwischen den Hohlfasern 1 ein. Wichtig ist aber, daß diese Flüssigkeit nicht in die Kapillarkanäle 1.1 gelangt. Dies bedeutet somit, daß die Kapillarkanäle 1.1 oberhalb der gestrichelten Linie 10.1 auch beim Eintauchen des Bündels 10 in die Wanne 12 frei bleiben.

Sodann wird das Bündel 10 aus Wanne 12 herausgenommen. Fig. 7 zeigt dieses Bündel 10. Man erkennt hierbei wiederum die gestrichelte Linie 10.1, somit die Höhe, bis zu welcher die Kapillarkanäle 1.1 und die Zwischenräume 1.2 völlig verschlossen sind. Man erkennt eine weitere gestrichelte Linie 10.2. Diese zeigt jene Höhe an, bis zu welcher die Zwischenräume 1.2 verschlossen sind. Die gestrichelte Linie 10.3 zeigt eine Linie an, bei welcher ein Abtrennen erfolgt. Es wird somit eine Trennung vorgenommen, beispielsweise durch Schneiden oder Sägen, so daß der in Fig. 7 unterhalb der Linie 10.3 befindliche Längenabschnitt des Bündels 10 abgetrennt wird vom verbleibenden Bündel. Die Trennebene - Linie 10.3 - liegt somit in einem Bereich, in welchem die Zwischenräume 1.2 verschlossen, die Kapillarkanäle 1.1 jedoch offen sind. Damit ist das eine Ende des Bündels 10 fertig. Das andere, gegenüberliegende Ende des Bündels 10 wird in gleicher Weise behandelt, so daß auch hier im Endbereich die Zwischenräume zwischen den Hohlfasern 1 verschlossen, die Kapillarkanäle jedoch offen gehalten werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Filtrationseinheit, umfassend mehrere Hohlfasern (1) mit Kapillarkanälen (1.1), mit den folgenden Merkmalen:

1. es werden Hohlfasern (1) zu einem Bündel (10) zusammengefaßt, bei dem die Hohlfasern mit ihren Mantelflächen locker beziehungsweise berührend aneinander anliegen;
2. ein Endbereich des Bündels (10) wird bei einer Eintauchtiefe (T₁) in eine erste Flüssigkeit beziehungsweise Suspension eingetaucht, die die Zwischenräume (1.2) zwischen den Hohlfasern (1) ausfüllt und in die Kapillarkanäle (1.1) eindringt, und die nach einer gewissen Zeit aushärtet beziehungsweise durch Temperatureinwirkung zum Aushärten/Verfestigen gebracht wird und in ausgehärtetem Zustand den Betriebsbedingungen der Filtrationseinheit standhält;
3. nach dem Aushärten wird der Endbereich des Bündels (10) aus Hohlfasern (1) in ein Hüllrohr (2) eingebracht, das aus keramischem Material besteht und dessen Mantel offenporig ist und/oder Perforationen (2.1) aufweist;
4. der verfestigte Endbereich des Bündels (10) aus Hohlfasern (1) im Hüllrohr (2) wird in eine zweite Flüssigkeit beziehungsweise Suspension eingetaucht, die gleichartig mit der ersten Flüssigkeit beziehungswseise Suspension ist, und zwar bei einer Eintauchtiefe (T₂), die größer als die Eintauchtiefe (T₁) ist;
5. nach dem Aushärten der zweiten Flüssigkeit wird von dem genannten Endbereich ein Endabschnitt abgetrennt, der größer als das Maß (T₁), aber kleiner als das Maß (T₂) ist;
6. sodann wird der zweite Endbereich des Bündel (10) in gleicher Weise behandelt, wie der erste Endbereich;

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Flüssigkeiten beziehungsweise Suspensionen miteinander identisch sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit beziehungsweise Suspension ein Epoxdyharz, ein Teflon-Derivat, eine Graphit-Verbindung, eine Keramik-Verbindung, ein PTFE-Sintermaterial oder eine Glasschmelze ist beziehungsweise bildet.

4. Filtrationseinheit, hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3.

5. Filtrationseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr (2) das Bündel (10) aus Hohlfasern (1) eng berührend oder locker umschließt.