DE102004060183A1

DE102004060183A1 - Tangentialflussfilter mit optimierter Leitungskanalgeometrie und -anordnung

Info

Publication number: DE102004060183A1
Application number: DE200410060183
Authority: DE
Inventors: Udo Dr. Hack
Original assignee: Saint Gobain IndustrieKeramik Roedental GmbH
Current assignee: Saint Gobain IndustrieKeramik Roedental GmbH
Priority date: 2004-12-14
Filing date: 2004-12-14
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2024-12-15
Also published as: DE102004060183B4

Abstract

Tangentialflussfilter zur Abtrennung von Feststoffen aus einem Fluid mit einem porösen Träger, dessen Poren eine erste mittlere Porengröße aufweisen und in dem eine Vielzahl von Leitungskanälen zur Durchleitung des Fluids mit den Feststoffen vorgesehen sind, und porösen Membranen, die auf dem Träger in den Leitungskanälen angeordnet sind und eine zweite mittlere Porengröße aufweisen, wobei jeder Leitungskanal des Trägers im Querschnitt mindestens vier gerade, paarweise parallel einander gegenüberliegende Wandabschnitte aufweist, die über Kreissegmente miteinander verbunden sind. Die Leitungskanäle sind in konzentrischen Ringen um einen oder mehrere Zentralkanäle angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Tangentialflussfilter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und dessen Verwendung.
Tangentialflussfilter bzw. Cross Flow Filter werden seit einiger Zeit in der Industrie, Wasserwirtschaft und Getränkeindustrie für unterschiedliche Filtrationsaufgaben eingesetzt. Die Filtration erflogt hierbei in der Weise, dass durch einen porösen Filterkörper, in dem eine Vielzahl von Leitungskanälen vorgesehen sind, das zu filtrierende gasförmige oder flüssige Fluid parallel zur Filteroberfläche geführt wird, wobei durch entsprechend hohe Fließgeschwindigkeiten in den Leitungskanälen bzw. entsprechenden Druck ein Teil des zu filtrierenden Fluids in den porösen Filterkörper eindringt und quer zur Fließrichtung in den Leitungskanälen den Filterkörper als sog. Permeat bzw. Filtrat verlässt. Die abzutrennenden (Fest)-Stoffe, die aufgrund Ihrer Größe nicht durch den porösen Filterkörper hindurchdringen können, werden mit dem übrigen zu filtrierenden Fluid als Retentat durch die Leitungskanäle abgeführt. Das Retentat wird dann erneut dem zu filternden Fluid zugeführt.
Für derartige Cross Flow Filter sind verschiedene Filterkörper mit einer sog. Wabenstruktur verfügbar, die eine Vielzahl von parallelen Leitungskanälen aufweisen. Die Filterkörper sind hierbei im Wesentlichen als poröse Träger mit einer groben Porenstruktur und feinporigeren Membranen, die in den Leitungskanälen auf dem Träger aufgebracht sind, ausgebildet, wobei die porösen Materialien Sintermetalle, Kunststoffe, Glas oder Keramikwerkstoffe umfassen.

Unter den Werkstoffen erfreuen sich Keramiken einer immer größeren Beliebtheit, da sie eine hohe Korrosionsbeständigkeit und Lebensdauer gegenüber Reinigungsflüssigkeiten, Säuren und Laugen aufweisen. Außerdem besitzen sie ein erhebliche Festigkeit und können somit hohen Drücken, auch in gepulster Form sowie hohen Temperaturen widerstehen. Ferner ist es unschädlich, wenn derartige Filter aus dem Betrieb genommen werden, da sie nach einer Trocknung ohne weiteres wieder zum Filtern von Flüssigkeiten (Fluid) eingesetzt werden können. Neben typischen sog. weißen Keramiken, z. B. aus Al₂O₃ oder gemischten Oxyden auf der Basis von Al₂O₃, SiO₂, TiO₂, ZrO₂ und MgO₂, werden verstärkt auch sog. schwarze Keramiken auf der Basis von SiC oder Si₂N₄ eingesetzt. Als Beispiel sei hierfür die PCT/EP2004/007521 genannt, die die Verwendung von rekristallisierten SiC-Membranen auf RSiC-Trägern für die Mikro- und Ultrafiltration offenbart.

Üblicherweise weisen die Leitungskanäle in den Trägern kreisrunde oder eckige Querschnittsformen in Form von Rechtecken, Quadraten oder Sechsecken auf, die einem guten Durchfluss gewährleisten, also einen möglichst großen hydraulischen Durchmesser aufweisen. Beispiele hierfür sind in der US 6,126,833 und WO 00/50156 für RSiC-Träger sowie in der US 5,641,332 offenbart.

Bei derartigen quadratischen oder rechteckigen Querschnittsformen für die Leitungskanäle besteht ein Nachteil darin, dass bei diesen Querschnittsformen die Leitungskanäle scharfe Kanten aufweisen, bei denen die Aufbringung der Filtermembran zu dickeren Membranschichten in den Ecken führt, die einerseits dazu neigen, Trocknungs- und Brennrisse zu bekommen und andererseits zu einer verringerten Fließgeschwindigkeit in den Eckbereichen aufgrund der erhöhten Wand reibung führen. Die ungleichmäßige Fließgeschwindigkeit über dem Querschnitt der Leitungskanäle führt jedoch zu der Tendenz in den Bereichen mit geringerer Fließgeschwindigkeiten zu Ablagerungen und somit zu einem Verstopfen der Membran zu führen.

Weiterhin sind auch runde oder andere Formen von Querschnitten für die Leitungskanäle bekannt, die jedoch den Nachteil aufweisen, dass die Kanäle im Querschnitt einen geringeren Umfang bzw. über die Länge gesehen einen kleinen Filterbereich aufweisen. Beispiele für runde Leitungskanäle oder entsprechende Abwandlungen sind in der US 5,873,998 , der EP 787524 und der EP 609275 beschrieben. Ferner gilt es bei keramischen Filterkörpern zu beachten, dass abhängig vom gewählten Keramikmaterial Brennschwund auftritt, wie dies bei allen weißen Keramiken außer Cordierit der Fall ist. Bei derartigen Keramiken ist die Größe des Filterkörpers aufgrund der Schwundproblematik begrenzt, so dass insgesamt auch der Querschnitt des Filterbereichs begrenzt ist.

Neben der Schwundproblematik ist weiterhin zu beachten, dass auch der Transport des Permeats oder Filtrats durch den Filterkörper gewährleistet sein muss. Aus diesem Grund sind beispielsweise in der US 6,126,833 und der WO 00/50156 statt monolithischer keramischer Filterkörper Filtersegmente mit Filtratkanälen zwischen den einzelnen Segmenten vorgesehen. Neben dem erhöhten Aufwand für die einzelnen Filtersegmente führt dies bei der gleichmäßigen linearen Anordnung der Leitungskanäle über den gesamten Filterquerschnitt in den einzelnen Segmenten auch dazu, dass an den Rändern der Segmente Kanäle mit kleinerem Leitungsquerschnitt vorhanden sind, die für Ablagerungen anfällig sind.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Tangentialflussfilter bzw. einen entsprechenden Filterkörper zur Verfügung zu stellen, bei welchem eine große Filterfläche mit großem hydraulischen Durchmesser, einer gleichmäßigen Membrandicke und homogenen Fließcharakteristiken über dem Querschnitt der Leitungskanäle sowie mit einer guten Ableitung des Filtrats kombiniert wird. Au ßerdem soll eine einfache Herstellung insbesondere monolithische Ausbildung des Filterelements sowie ein effektiver Betrieb gewährleistet werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Tangentialflussfilter mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6 sowie durch die entsprechende Verwendung nach Anspruch 29, vorteilhafte Ausgestaltung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass der hydraulische Durchmesser, der definiert ist durch dhy = 4A/U,wobei A gleich der Querschnittsfläche des Leitungskanals und U dem Umfang des Leitungskanals entspricht, für runde, quadratische und hexagonale Querschnittsformen der Leitungskanäle gleich ist, wenn die runde der quadratischen bzw. hexagonalen Querschnittsform einbeschrieben ist.

Einen Überblick über die Verhältnisse gibt die nachfolgende Tabelle 1, in der für die verschiedenen Querschnittsformen der Leitungskanäle der Umfang und die Querschnittsfläche sowie der entsprechende hydraulische Durchmesser dargestellt sind: Tabelle 1

Wie sich aus der Tabelle ergibt, ist für hexagonale und quadratische Querschnittsformen mit abgerundeten Ecken, bei denen der Radius gleich 1/4 des Abstands zwi schen zwei gegenüberliegenden parallelen Wandabschnitten ist, der hydraulische Durchmesser um 2,4 % bzw. 6 % vergrößert. Durch den vergrößerten hydraulischen Durchmesser kann der Druckabfall entlang des Filters bzw. der Leitungskanäle reduziert werden und ein gleichmäßigerer homogener Filterdruck durch die Membran über die Länge des Filters eingestellt werden. Außerdem bieten die abgerundeten Ecken den Vorteil, dass eine gleichmäßige Membran auf den Leitungskanälen des Trägers aufgebracht werden kann, so dass zusätzlich zu dem verbesserten hydraulischen Durchmesser ein homogenerer Fluss über dem Querschnitt der Leitungskanäle und insgesamt quer über das Filterelement erzielt werden kann. Dies führt weiterhin dazu, dass die Tendenz von Ablagerungen in Bereich mit niedrigerer Fließgeschwindigkeit verringert wird.

Entsprechend wird erfindungsgemäß der Querschnitt jedes Leitungskanals des Trägers so gewählt, dass mindestens vier gerade, paarweise parallel einander gegenüberliegende Wandabschnitte vorgesehen sind, die über Kreissegmente miteinander verbunden sind, wobei die geraden Wandabschnitte bei einer gedachten Verlängerung Vielecke insbesondere Quadrate oder Sechsecke bilden.

Bevorzugt sind Sechsecke und insbesondere Quadrate, bei denen die geraden Wandabschnitte alle gleich lang sind.

Vorzugsweise wird der Radius der Kreissegmente in der Größenordnung von 1/3 bis 1/6 der Zellgröße insbesondere bevorzugt 1/4 der Zellgröße des Leitungskanals des Trägers gewählt, wobei die Zellgröße im Querschnitt als der mittlere Abstand zwischen parallelen einander gegenüberliegenden Wandabschnitten (Schlüsselweite) definiert ist. Für quadratische Querschnittsformen der Leitungskanäle ist die Zellgröße somit durch die Länge einer Seite des Quadrats gegeben, während dies bei hexagonaler Querschnittsform (Schlüsselweite) der Abstand zwischen gegenüberliegenden, parallelen, geraden Wandabschnitten ist.

Die Zellgröße der Leitungskanäle des Trägers beträgt vorzugsweise 1 bis 15 mm, insbesondere 2 bis 8 mm.

Insbesondere wird angestrebt, dass der hydraulische Durchmesser maximiert wird, so dass sich bei der bevorzugten Form von quadratischen Querschnitten ein Radius von 1/4 der Zellgröße besonders bewährt hat.

Bei dem Tangentialflussfilter werden vorzugsweise monolithische keramische Filterelemente mit einem grobporösen Träger und ein oder mehreren Membranschichten mit demgegenüber sehr viel kleineren Poren auf dem Träger in den Leitungskanälen vorgesehen. Derartige Filterelemente werden dann in entsprechende Gehäuse eingesetzt, die allgemein bekannt sind und hier nicht näher beschrieben werden, die es erlauben das Permeat bzw. Filtrat abzuziehen und das Retentat dem zu filternden Medium erneut im Kreislauf zuzuführen. Entsprechend müssen die Zuführseite für das zu filternde Medium und die Abführseite für das Retentat dicht an dem Filterelement angeschlossen werden, um ein Vermischen mit dem Permeat bzw. Filtrat zu vermeiden, wobei das Filtrat auch Reingas sein kann.

Die Filterelemente mit Träger und Membranen sind aus porösen Materialien gefertigt, wobei vorzugsweise sog. weiße und/oder schwarze Keramiken eingesetzt werden. Allerdings sind auch Gläser oder Sintermetalle denkbar. Die weißen Keramiken umfassen insbesondere Materialien, die auf der Basis von Al₂O₃, SiO₂, TiO₂, ZrO₂ oder MgO₂ und Mischungen davon gebildet sind, während die sog. schwarzen Keramiken auf der Basis von Si₃N₄ und SiC und insbesondere RSiC gebildet sind. Vorzugsweise sind sowohl die Träger und die Membran entweder aus weißer oder schwarzer Keramik gebildet. Besonders bevorzugt ist es einen Träger aus RSiC zu bilden.

Die Membranen können mehrschichtig aufgebaut sein, wobei die einzelnen Schichten unterschiedliche mittlere Porengrößen aufweisen können. Insbesondere kann die Porengröße von dem grob porösen Träger in Richtung Oberfläche des Leitungskanals über die einzelnen Schichten schrittweise oder kontinuierlich abnehmen.

Zusätzlich erlaubt die runde Ausbildung der Ecken der bevorzugt im Querschnitt quadratisch ausgebildeten Leitungskanäle in vorzugsweiser Ausgestaltung eine Anordnung der Leitungskanäle in konzentrischen Kreisen, Ringen oder sonstigen vorzugsweise der Außenkontur des Filterträgers angepassten Formen um einen oder mehrere Zentralkanäle in dem vorzugsweise zylindrisch ausgebildeten Filterelement.

Durch die Anordnung der Leitungskanäle in konzentrischen Kreisen oder Ringen oder anderen Formen (oval, tropfenförmig etc.) um ein oder mehrere linear, in Form von Vielecken oder in sonstiger Weise angeordneter Zentralkanäle ergeben sich in gekrümmten Abschnitten der Ringe sternförmig nach außen verlaufende Wandbereiche des Trägers (Radialwände), die einen optimalen Abfluss des Filtrats bzw. Permeats an die Mantelaußenfläche des zylindrischen Filterelements ermöglichen.

Insbesondere bei Leitungskanälen mit im Querschnitt quadratischer Grundform und abgerundeten Eckbereich ergeben sich zwischen den Leitungskanälen keilförmige, radiale Wände, die sich nach außen erweitern, also in der Dicke zunehmen, um so den nach außen zunehmenden Permeat- bzw. Filtratstrom aufzunehmen und abzuleiten. Darüber hinaus hat die keilförmige Wandform der radialen Wände den Vorteil, dass die mechanische Stabilität des Filterelements verbessert wird.

Die Wanddicke der radial verlaufenden Wände, also zwischen den Leitungskanälen innerhalb eines Rings, insbesondere der kleinste Abstand dieser Leitungskanäle zueinander, sowie die Wanddicke bzw. der kleinste Abstand zwischen den einzelnen Ringen kann über den gesamten Filterträger gleich, eventuell nur mit Ausnahme der äußeren Wanddicken bei ansonsten sehr kleinen Wanddicken unter 1,2 mm, oder unterschiedlich, insbesondere angepasst an den Filtratstrom, ausgebildet sein.

Vorzugsweise wird die Wanddicke der radial verlaufenden Wände so ausgebildet, dass in den äußeren Ringen der zunehmende Filtratfluss gut aufgenommen werden kann. Entsprechend wird auch die Wanddicke zunehmen. Dies gilt vorzugsweise auch für die Wanddicke zwischen den Leitungskanälen benachbarter Ringe, die vorzugsweise ebenfalls von innen nach außen zunimmt.

Weiterhin ist an der Anordnung der Leitungskanäle in konzentrischen Kreisen um einen Zentral- oder mehrere Zentralkanäle vorteilhaft, dass bei der üblicherweise zylindrischen Form des Filterelements im Randbereich keine Leitungskanäle angeschnitten werden, so dass Leitungskanäle mit verringertem Querschnitt und verringertem hydraulischen Durchmesser entstehen, die wiederum den gleichmäßigen Durchfluss über dem Querschnitt des Filterelements beeinträchtigen würden. Auf diese Weise wird auch das Problem von Ablagerungen oder Verstopfungen von Filtermembranen in randnahen Kanälen vermieden.

Aufgrund der abgerundeten Eckbereich im Querschnitt der Leitungskanäle bzw. der Kanten der Leitungskanäle sowie der konzentrischen Kreisanordnung kann im Vergleich mit im Querschnitt kreisrunden bzw. zylindrischen Leitungskanälen eine Erhöhung des spezifischen Filterbereichs und/oder des hydraulischen Durchmessers erzielt werden, wie ein Vergleich von Filterträgern mit zylindrischen Leitungskanälen gegenüber Leitungskanälen mit quadratischer Querschnittsform und abgerundeten Ecken bzw. Kanten zeigt.

In Tabelle 2 ist eine Zusammenstellung von Daten für Filterträger gezeigt, die unterschiedliche Geometrien und Anordnungen der Leitungskanäle aufweisen. Die Tabelle zeigt insbesondere, dass bei einer gleichen Anzahl und Anordnung von Leitungskanälen, die sich lediglich in der Querschnittsform unterscheiden ein gegenüber zylindrischen Leitungskanälen erhöhter hydraulischer Durchmesser und ein angestiegener spezifischer Filterbereich durch Leitungskanäle mit quadratischer Querschnittsform und abgerundeten Ecken bzw. Kanten erzielt werden kann.

Tabelle 2

Auf diese Weise wird auch eine höhere Flexibilität bezüglich der Möglichkeit der Anordnung der Leitungskanäle beispielsweise hinsichtlich der Auswahl von einem oder mehreren Zentralkanälen u. dgl. erzielt. Dies wiederum ermöglicht es für die unterschiedlichen Anwendungen eine Optimierung hinsichtlich spezifischem Filterbereich und hydraulischem Durchmesser zu erzielen. Beispielsweise kann bei zu filtrierenden Fluiden mit großen Partikeln oder bei Anwendungsfällen, bei denen lediglich ein geringer Druckabfall entlang des Filters auftreten soll, ein großer hydraulischer Durchmesser eingestellt werden, wohingegen z. B. bei Wasserbehandlungsanlagen große Filterbereiche und kleinere hydraulische Durchmesser gewählt werden können. Typischerweise werden im Lebensmittelbereich und bei der Filtration von kleinen Partikeln hydraulische Durchmesser zwischen 3 und 4 mm angestrebt.

Die Wanddicken des Trägers zwischen den Leitungskanälen sind üblicherweise über die gesamten Träger gleich und zwar sowohl in den radialen Wänden als auch in den konzentrischen Wänden, wobei hier bei keilförmigen radialen Wänden die kleinste Wanddicke als Maßstab herangezogen wird. Lediglich im Innenbereich um den Zentralkanal und an den äußeren Randwänden können unterschiedliche Wanddicken auftreten. Beispielsweise ist es bevorzugt die äußeren Wände ungefähr 0,2 mm dicker als die inneren Wände auszuführen, um eine höhere Stabilität des Trägers zu gewährleisten.

Üblicherweise liegen die Wanddicken im Bereich zwischen 0,8 und 5 mm insbesondere zwischen 1 und 3,5 mm, wobei die Wanddicke mit Zunahme der Zellgröße der Leitungskanäle ebenfalls größer gewählt wird.

Vorzugsweise wird die kleinste Wanddicke im Träger zwischen den Leitungskanälen entsprechend folgender Tabelle 3 gewählt.

Tabelle 3:

Um eine gute Ableitung des Permeats bzw. Filtrats zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn der Träger eine Porosität von 35 bis 60 Vol.-% insbesondere 40 bis 50, vorzugsweise 40 bis 45 Vol.-% aufweist. In gleicher Weise ist es vorteilhaft, wenn der Träger eine Porengrößenverteilung von 20 bis 200 μm, insbesondere 25 bis 150 μm und mittlere Porengrößen von mehr als 25 μm insbesondere mehr als 30 μm mit einer gleichmäßigen, offenzelligen Porenstruktur aufweist, wie dies beispielsweise durch RSiC-Träger gewährleistet ist.

Insbesondere ist bevorzugt, wenn der Träger einen Fluss von sauberem Wasser von mehr als 300 m3/(m2 bar h), insbesondere mehr als 350 m³/(m² bar h), bei Prüfung mit hydrostatischem Wasserdruck von 0,47 bar gewährleistet, bei einem konstanten Wasserzulauf von 1,95 m³/h.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis des Flusses von sauberem Wasser durch das Trägermaterial und demjenigen durch eine auf dem Träger aufgebrachten größten Membran mit einer mittleren Porengröße von 3000 nm ≤ 2 ist, um eine entsprechende Ableitung des Permeats bzw. Filtrats zu gewährleisten. Bei Membranen mit kleinerer Porosität ergibt sich entsprechend ein höherer Faktor bzw. können die Wanddicken kleiner gewählt werden.

Vorzugsweise ist das Trägerelement des Tangentialflussfilters als monolithischer Keramikkörper ausgebildet, wobei insbesondere die Ausbildung aus RSiC aufgrund der gleichmäßigen Porenstruktur bevorzugt ist.

Ein bevorzugtes Einsatzgebiet für den Tagentialflussfilter der vorliegenden Erfindung ist die Filtration von Heißgasströmen, insbesondere von Dieselpartikeln aus Kraftfahrzeugabgasströmen, wobei diese Anwendung auch für sich alleine beansprucht wird. Die Tangentialflussfiltrierung des Abgasstroms von Dieselkraftfahrzeugen hat nämlich den Vorteil, dass der Filter ständig gespült wird und der mit den Russpartikeln angereicherte Regeneratstrom beim erneuten Zuführen in den Verbrennungsraum dort weiter verbrandt und der Energieinhalt der Rußpartikel im Motor thermisch genutzt werden kann. Außerdem können bei den entsprechenden Filtern auf der Abgasseite, also Eingangsseite, und der Ausgangsseite, also Reingasseite, d.h. an den Membranen und/oder dem Filterträger Katalysatoren, insbesondere unterschiedliche Katalysatoren vorgesehen werden, mittels derer eine weitere Reinigung des Abgasstroms bzw. Umsetzung schädlicher Bestandteile erfolgen kann. Im Vergleich zu bisher bekannten Russpartikelfiltern entfällt bei dem Tan gentialflussfilter auch die Regenerierung und die damit verbundenen Temperaturspitzen sowie die Notwendigkeit im Brennstoff Additive oder im Filter Katalysatoren zusetzen zu müssen.

Darüber hinaus ist mit den Tangentialflussfiltern auch eine strömungsgünstige Anordnung möglich, so dass dem Abtransport der gereinigten Abgase ein geringer Widerstand entgegengesetzt wird.

Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele unter Berücksichtigung der beigefügten Zeichnungen deutlich.
Die Zeichnungen zeigen dabei rein schematisch in:
1 einen Querschnitt durch einen Filter mit einem Zentralkanal;
2 einen Querschnitt durch einen Filter mit vier Zentralkanälen;
3 einen Querschnitt durch einen weiteren Filter;
4 einen Querschnitt durch noch einen weiteren Filter;
5 Einen Querschnitt durch einen Filter mit Filtergehäuse; und in
6 ein Diagramm, in dem der Filterbereich bzw. die Wanddicke über den Filterdurchmessern bzw. den Zellgrößen aufgetragen sind.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein RSiC-Filterträger in konventioneller Weise durch Extrusion einer bimodalen SiC-Kornmischung in folgender Weise hergestellt:

– Intensive Trockenmischung von SiC und Zellulose in einem Mischer.
– Zugabe von Wasser oder eines Gemisches aus Ethanol und Wasser und Mischen bis sich Granulat mit einer Korngröße von 1 bis 2 mm bildet.
– Die Körner werden schließlich mit leichtem Mineralöl beschichtet, so dass sich während der Extrusion das Öl an die Oberfläche der Wabenstruktur des Trägers bewegt und den Extruder und die Form schmiert, so dass Reibung und Verschleiß vermindert werden. Dies erleichtert auch die Reinigung des Mischers und Extruders durch Vermeidung der Anhaftung des Gemisches an die Metallteile.
– Die extrudierten Träger werden durch Einblasen von Raumluft oder heißer Luft durch die Wabenstruktur schnell getrocknet um die Schwindung zu reduzieren.
– Die getrockneten Träger werden in Argon-Schutzatmosphäre bei ca. 2.400 °C für 4 Stunden einer Temperaturbehandlung unterzogen, so dass eine Rekristallisation stattfindet und sich ein dreidimensionales Netzwerk von isometrischen SiC-Körnern mit ungefähr gleich Größe bildet. Der Brand wird so geführt, dass die großen Körner der bimodalen Verteilung etwa die 1½- bis 3-fache Größe erreichen und eine isometrische Gestalt mit rundlicher Kornform annehmen.

Auf diese Weise entsteht ein Trägerkörper mit einer Porosität von ca. 45 Vol.-% und einer definierten Porengrößenverteilung mit einer mittleren Korngröße von 35 μm.
Ein derartiger Träger mit 37 Leitungskanälen mit quadratischer Querschnittsgrundform und einer Seitelänge von 3,2 mm, die an den Ecken bzw. Eckkanten mit einem Krümmungsradius von 1/4 der Seitenlänge abgerundet sind, ist in 1 gezeigt. An ihm wurden verschiedene Versuche durchgeführt. Der Träger mit zylindrischer Grundform hat einen Durchmesser von 31,75 mm und eine Länge von 100 mm.
Zunächst wurde der Träger ohne aufgebrachte Membran einer sog. „dead end filtration" unterzogen, in der der Abfluss des Retantats verschlossen war. Es wurde ein konstanter hydrostatischer Wasserdruck von 0,47 bar mit einer konstanten Wasserversorgung von 1,95 m³ pro h eingestellt.
Bei diesen Bedingung wurde gefunden, dass 1,4 bis 1,5 m³ pro h Filtrat bzw. Permeat durch die poröse Trägerstruktur geflossen ist, wobei sich ein Restdruck von 0,2 bis 0,22 bar am verschlossenen Retentatende eingestellt hat. Entsprechend ergibt sich ein Fluss von 300 bis 350 m³/m²/bar/h.
Auf diesem Träger wurde eine CrystarMembran mit einer Porengröße von 3000 nm (CMF 3000) aufgebracht.
Die 1 zeigt einen Querschnitt durch einen entsprechenden Filterträger 1 mit insgesamt 37 Leitungskanälen 2, wovon ein Leitungskanal 3 als Zentralkanal ausgeführt ist. In der Darstellung des Filterträgers 1 der 1 ist der innere Filterbereich schraffiert dargestellt und die kleinste Wanddicke der radialen Wände zwischen den Leitungskanälen 2 ist durch entsprechende konzentrische Kreise 4 und 5 dargestellt. Insbesondere im äußersten konzentrischen Kreis 4 sind diese kleinsten Wanddicken der radialen Wände der Flaschenhals durch den das gesamte Permeat in Richtung Mantelfläche des zylindrischen Filterträgers fließen muss.
In 2 ist eine alternative Anordnung von Leitungskanälen 2 im mit dem Querschnitt quadratischer Grundform und abgerundeten Ecken bzw. Kanten dargestellt. Hier sind vier Zentralkanäle 3 umgeben von zwei konzentrischen Ringen 4 und 5 mit Leitungskanälen 2 vorgesehen. Darüber hinaus ist die Zellgröße d sowie der Krümmungsradius r angegeben.
Die 3 und 4 zeigen weitere Querschnittsansichten von Tangentialflussfiltern mit unterschiedlichen Leitungskanalanordnungen. Im Tangentialflussfilter 1 der 3 sind vier Zentralkanäle 3 in einer Linie angeordnet, so dass sich ovalartige Ringe aus Leitungskanälen 2 um diese gruppieren und zwar in dem gezeigten Aus führungsbeispiel drei Ringe. Diese Ringe entsprechen auch der Außenkontur des Tangentialflussfilters.
In 4 ist ein Zentralkanal 3 vorgesehen, um den sich drei tropfenförmige Ringe aus Leitungskanälen 2 gruppieren. Die Leitungskanäle 6 bilden jeweils den spitzen Abschluss der beiden inneren Ringe.
In 5 ist ein Tangentialflussfilter mit seinem Gehäuse 13 und dem darin aufgenommenen Filterträger 1 gezeigt. Das zu filtrierende Medium wird über den Rohrstutzen 8 dem Filterträger 1 und den darin befindlichen Leitungskanälen zugeführt und das Filtrat verlässt den Tangentialflussfilter über die Rohrstutzen 12. Der Filterträger ist sowohl an der Eingangsseite des zu filtrierenden Mediums am Rohrstutzen 8 als auch an der identisch ausgebildeten gegenüberliegenden Seite für das Abführen des Retentas in dichtender Weise in den Dichtungssitzen 9 und 11 gehalten, die zwischen sich die Dichtung 7 aufnehmen. Die Dichtungssitze 9 und 11 sind über eine Überwurfmutter 10 miteinander verschraubt. Auf diese Weise wird vermieden, dass eine Vermischung zwischen dem zu filtrierenden Medium und dem Filtrat bzw. dem Retentat und dem Filtrat stattfindet.
Die Dichtung 7 kann zweiteilig (nicht gezeigt) aus einem O-Ring im Bereich der Stirnseite 14 und zylindirschem Dichtteil ausgebildet sein.
Die auf dem oben beschriebenen Filterträger aufgebrachte Crystar Membran (RSiC) mit einer Porengröße von 3000 nm (CMF 3000) wurde unter den gleichen Bedingungen, wie der Filterträger ohne Membran auf einem Filter mit 1020 mm Länge getestet. Hierbei wurde herausgefunden, dass der Fluss (flow) durch die Membran 1,34 m³/h bzw. der Flux bezogen auf die Filterfläche bei 20 °C und dem aufgebrachten Druck 6,35 m³/(m² bar h) bei einem Restdruck auf der Retentatseite von 0,43 bar betrug. Somit ist der Fluss durch die gröbste CMF-Membran 50-mal niedriger als der durchschnittliche Fluss durch das Trägermaterial. Bei der Filtration von kleinsten Teilchen, wie beispielsweise im Abwasser von Diamantsägen, fällt der Permeatfluss durch die Membran typischerweise in den Bereich von 0,5 bis 1 m3/(m2 bar h), so dass die Transportfähigkeit des Trägermaterials ungefähr 300-mal bis 600-mal größer ist als der typische Permeatfluss.
Entsprechend wird für die Gestaltung des Filterträgers die Wanddicke entweder nach der obigen Tabelle 3 in Abhängigkeit von den Zellgrößen der Leitungskanäle oder nach dem Verhältnis des Flusses von sauberem Wasser durch das Trägermaterial bzw. durch eine CMF-300-Membran bestimmt. Hierbei muss das Verhältnis zwischen Wasserfluss durch das Trägermaterial und demjenigen durch die CMF-3000-Membran ≥ 2 sein. Die größere Wanddicke die sich entsprechend der beiden Auswahlmethoden ergibt, wird dann für das Trägermaterial gewählt.
Die 6 zeigt ein Diagramm bei dem einerseits der Filterbereich für einen 1020 mm langen zylindrischen Filterträger in m² und andererseits die Wanddicke in mm für verschiedene zylindrische Filterträger mit unterschiedlichen Durchmessern und Zellgrößen aufgetragen ist, wobei radiale Wände an ihrer engsten Stelle und konzentrische Wände (außer der Außenwand) gleich dick sind.
Aus dem Diagramm ergibt sich, dass für Filterträger mit einem Durchmesser von 31,7 mm die Wanddicke nur von der Zellgröße der Leitungskanäle abhängig ist. Dies gilt auch für Filterträger mit Durchmessern von 50 mm und 75 mm bei großen Zellgrößen. Dagegen werden bei diesen Filterträger die Wanddicken bei kleinen Zellgrößen der Leitungskanäle sowie bei Filterträgern mit größeren Durchmessern durch das Durchflussverhältnis zwischen Trägermaterial und Membranmaterial bestimmt.

Claims

Tangentialflussfilter zur Abtrennung von Feststoffen aus einem Medium, insbesondere Fluid oder Gas, mit einem grobporösen Träger, dessen Poren eine erste mittlere Porengröße aufweisen und in dem eine Vielzahl von Leitungskanälen zur Durchleitung des Fluids mit den Feststoffen vorgesehen sind, und feinporösen Membranen, die auf dem Träger in den Leitungskanälen angeordnet sind und eine zweite mittlere Porengröße aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Leitungskanal des Trägers im Querschnitt mindestens vier gerade, paarweise parallel einander gegenüberliegende Wandabschnitte aufweist, die über Kreissegmente miteinander verbunden sind.
Tangentialflussfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungskanäle des Trägers im Querschnitt bei gedachter Verlängerung der geraden Wandabschnitte Vielecke, insbesondere Rechtecke, vorzugsweise Quadrate höchst vorzugsweise Sechsecke, insbesondere bei hexagonalem Filterquerschnitt bilden.
Tangentialflussfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Querschnitt die Zellgröße der Leitungskanäle des Trägers 1 bis 15 mm, insbesondere 2 bis 8 mm beträgt, wobei die Zellgöße des Leitungskanals des Trägers im Querschnitt definiert ist als der mittlere Abstand zwischen parallelen, einander gegenüber liegenden Wandabschnitten.
Tangentialflussfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius der Kreissegmente so gewählt ist, dass der hydraulische Durchmesser maximal ist, wobei der hydraulische Durchmesser eines Leitungskanals definiert ist mit dhy = 4A/Cwobei A die Fläche im Querschnitt und C der Umfang des Leitungskanals im Querschnitt ist.
Tangentialflussfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius der Kreissegmente 1/3 bis 1/6, vorzugsweise 1/4 der Zellgröße des Leitungskanals des Trägers im Querschnitt ist, wobei die Zellgöße des Leitungskanals des Trägers im Querschnitt definiert ist als der mittlere Abstand zwischen parallelen, einander gegenüber liegenden Wandabschnitten.
Tangentialflussfilter nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 oder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungskanäle in Ringen, insbesondere konzentrischen Ringen um einen oder mehrere Zentralkanäle angeordnet sind, wobei die Ringe der jeweiligen Außenkontur des Filterträgers folgen.
Tangentialflussfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zentralkanäle entlang einer Reihe, einem Vieleck, insbesondere Rechteck, oder in beliebigen Querschnittformen, die vorzugsweise der Querschnittsform des Filterträgers entsprechen, angeordnet sind.
Tangentialflussfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radial verlaufenden Wände des Trägers zwischen den Leitungskanälen, insbesondere in gebogenen Ringabschnitten keilförmig ausgebildet sind.
Tangentialflussfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke des Trägers zwischen Leitungskanälen, insbesondere die kleinste Wanddicke, insbesondere bei keilförmigen Wänden, zwischen 0,8 und 5 mm, insbesondere 1,0 bis 3,5 mm beträgt.
Tangentialflussfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke des Trägers, insbesondere die kleinste Wanddicke zwischen in einem Ring nebeneinander angeordneter Leitungskanälen, und diejenige zwischen den in verschiedenen Ringen benachbarten Leitungskanälen gleich ist.
Tangentialflussfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicken der radial verlaufenden Wände, insbesondere der kleinste Abstand zwischen den in den Ringen benachbarten Leitungskanälen, von Ring zu Ring unterschiedlich ist, wobei insbesondere die gesamte Wanddicke der radial verlaufenden Wände, insbesondere die Summe der kleinsten Abstände zwischen den im Ring benachbarten Leitungskanälen, im n + 1. Ring so bemessen ist, dass der n + 1. Ring ein Durchflussvermögen aufweist, welches dem der Wanddicken des n. Rings plus des zusätzlichen Filtrats durch die Leitungskanäle des n. Rings entspricht.
Tangentialflussfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke, insbesondere der kleinste Abstand zwischen den Leitungskanälen der einzelnen Ringen von innen nach außen zunimmt.
Tangentialflussfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke des Trägers zwischen Leitungskanälen mit der Zellgröße der Leitungskanäle im Querschnitt zunimmt, wobei die Zellgöße des Leitungskanals des Trägers im Querschnitt definiert ist als der mittlere Abstand zwischen parallelen, einander gegenüber liegenden Wandabschnitten.
Tangentialflussfilter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke des Trägers zwischen Leitungskanälen für die äußeren Wände um 0,2 mm größer ist als die der inneren Wände, insbesondere bei inneren Wanddicken < 1,2 mm.
Tangentialflussfilter nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die kleinste Wanddicke des Trägers zwischen Leitungskanälen entsprechend folgender Tabelle gewählt ist:
Tangentialflussfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger und die Membranen aus porösen Materialien gefertigt sind, die weisse und/oder schwarze Keramiken umfassen, wobei die weissen Keramiken insbesondere auf der Basis eines der Stoffe aufgebaut sind, die Al₂O₃, SiO₂, TiO₂, ZrO₂ und MgO₂ umfassen, und wobei die schwarzen Keramiken insbesondere auf der Basis eines der Stoffe aufgebaut sind, die Si₃N₄ und SiC, insbesondere RSiC umfassen.
Tangentialflussfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger und die Membranen aus weisser oder schwarzer Keramik gebildet sind.
Tangentialflussfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger aus RSiC gebildet ist.
Tangentialflussfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Träger und/oder den Membranen ein oder mehrere, insbesondere unterschiedliche Katalysatoren aufgebracht sind.
Tangentialflussfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger eine Porosität von 35 bis 60 Vol.-%, insbesondere 40 bis 50 Vol.-%, vorzugsweise 40 bis 45 Vol.-% aufweist.
Tangentialflussfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porengrößenverteilung 20 bis 200 μm, insbesondere 25 bis 100 μm beträgt.
Tangentialflussfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger eine mittlere Porengröße von mehr als 25 μm, insbesondere größer 30 μm aufweist.
Tangentialflussfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger einen Fluss von sauberem Wasser als Permeat durch die Filteraußenwand von mehr als 250 m³/(m² bar h), insbesondere mehr als 300 m³/(m² bar h) bei Prüfung mit 0,47 bar und 1,95 m³/h Wasserzufluss erlaubt.
Tangentialflussfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Flusses von sauberem Wasser als Permeat durch das Trägermaterial und demjenigen durch das einer groben Membran mit mittlerer Porengröße von 3000 nm größer gleich 2 ist.
Tangentialflussfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste mittlere Porengröße des Trägermaterials mindestens 8 × größer als die zweite mittlere Porengröße der Membran ist.
Tangentialflussfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran mehrschichtig aufgebaut ist, wobei die einzelnen Schichten unterschiedliche mittlere Porengrößen aufweisen.
Verwendung des Tangentialflussfilters zur Heißgasfiltration, insbesondere zum Filtern von Rußpartikeln aus dem Abgasstrom eines Kraftfahrzeugs.