DE102005027509A1

DE102005027509A1 - Vorrichtung und Filterelement zum Filtern von Fluid-Feststoff-Gemischen

Info

Publication number: DE102005027509A1
Application number: DE102005027509A
Authority: DE
Inventors: Werner Lauth
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-06-15
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2025-06-16
Also published as: DE102005027509B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Filtern von Fluid-Feststoff-Gemischen (11), vorzugsweise Suspensionen, mit einem um eine Achse (1) rotationssymmetrischen Gehäuse (2), in das ein Einlauf (10) tangential mündet. Über den Einlauf (10) erfolgt die Beschickung der Vorrichtung mit dem Fluid-Feststoff-Gemisch (11), wodurch im umfangsnahen Bereich des Gehäuses (2) ein Primärwirbel mit tangentialer und axialer Bewegungskomponente und im axialen Kernbereich des Gehäuses (2) ein Sekundärwirbel (25) mit gleicher tangetialer, aber umgekehrter axialer Bewegungskomponente entsteht. Erfindungsgemäß ist im Gehäuse (2) eine Filtereinheit (12) angeordnet, die eine Vielzahl jeweils einen Filtratraum (16) aufweisender Filterelemente (13) umfasst. Die Filterelemente (13) sind im gegenseitigen Abstand zueinander derart um die Achse (1) angeordnet, dass die Filterflächen (14) der Filterelemente (13) teilweise oder ganz im Übergangsbereich zwischen dem Primärwirbel (24) und dem Sekundärwirbel (25) liegen und der Abstand zwischen den Filterelementen (13) eine Interaktion zwischen dem Primärwirbel (24) und dem Sekundärwirbel (25) ermöglicht. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Filterflächen (14) durch die turbulente Zone im Übergangsbereich zwischen dem Primärwirbel (24) und Sekundärwirbel (25) frei von einer Deckschichtbildung bleiben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Filtern von Fluid-Feststoff-Gemischen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Filterelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 24.
Der Einsatzbereich der Erfindung erstreckt sich über das gesamte Gebiet der Membranfiltration und deckt somit auch sowohl die Micro- als auch Ultra- als auch Nanofiltration ab. Sogar im Bereich der Umkehrosmose ist die Umsetzung der Erfindung möglich.
Das Grundprinzip der Filtration besteht darin, das zu filtrierende Fluid-Feststoff-Gemisch an einer Filterfläche vorbeizuführen, deren Öffnungen bzw. Poren so auf das Fluid-Feststoff-Gemisch abgestimmt sind, dass zumindest eine Komponente aus dem Gemisch die Filterfläche ungehindert durchströmen kann, während die übrigen Komponenten von der Filterfläche zurückgehalten werden. Triebkraft für die Durchströmung der Filterfläche ist die Druckdifferenz zwischen dem Bereich vor der Filterfläche und dem Bereich dahinter.

Bei der statischen Filtration wird das zu filtrierende Fluid-Feststoff-Gemisch unter Druck in den Filterbereich vor der Filterfläche geführt, von wo es infolge des Transmembrandrucks als Filtrat den Filter passiert. Dabei sammeln sich größere Partikel auf der Filterfläche an und bilden einen Filterkuchen. Dieser Vorgang wird auch als Deckschichtbildung oder Verblockung bezeichnet. Die Folge ist eine verminderte Filterleistung, die zwar in einem gewissen Rahmen durch eine Erhöhung des Transmembrandrucks ausgeglichen werden kann. Der maximal aufbringbare Druck ist allerdings von der Art des zu filtrierenden Gemisches sowie der mechanischen Festigkeit des Filters begrenzt.

Sinkt die Filterleistung infolge Deckschichtbildung unter einen bestimmten Grenzwert, müssen statische Filter in regelmäßigen Intervallen durch Rückspülung und/oder Säuberung der Filterflächen von Verblockungen befreit werden. Das wirkt sich infolge der Unterbrechung des Filtrationsbetriebs nachteilig aus und treibt durch den damit verbundenen Wartungsaufwand die Betriebskosten in die Höhe.

Um die Verblockungsneigung zu verringern, ist als Cross-Flow-Filtration auch schon bekannt, auf der Druckseite eine Überströmung parallel zu den Filterflächen zu erzeugen. Dabei wirken parallel zur Filterfläche gerichtete Scherkräfte, die die an der Filterfläche anhaftende Partikel ganz oder wenigstens teilweise loslösen. Der Vorteil der Cross-Flow-Filtration liegt vor allem in den längeren Standzeiten der Filterelemente. Als Nachteil erweisen sich jedoch die großen Volumina des Fluid-Feststoff-Gemisches, die zur Erzeugung der Überströmung im Kreislauf gepumpt werden müssen und so einen hohen Energiebedarf verursachen.

Eine Weiterentwicklung bekannter Filtersysteme stellt die dynamische Filtration dar, bei der eine Überströmung der Filterflächen durch eine Bewegung des Filters gegenüber dem zu filtrierenden Gemisch erzielt wird. Dies kann beispielsweise durch Rotation von Filterelementen innerhalb des Filtergehäuses erreicht werden. Dadurch ist es möglich, mit geringem Transmembrandruck und geringer Pumpenleistung eine ausreichende starke Überströmung der Filterflächen zu schaffen um diese weitgehend frei von Verblockung zu halten. Allerdings bedingt der rotierende Mechanismus eine aufwändige und damit teure Konstruktion der Filtervorrichtung. Zudem stellen die notwendigen und mit Druck beaufschlagten Dichtungen gegenüber bewegten Maschinenteilen eine stets latente Schwachstelle im System dar.

Aus der DE 199 146 74 A1 ist ein Filter bekannt, der ein um eine Längsachse rotationssymmetrisches Gehäuse in Form eines Zylinders oder Kegels besitzt. Ein koaxial mit der Längsachse verlaufendes Tauchrohr durchdringt den Deckel des Gehäuses und endet mit ausreichendem Abstand vom Gehäuseboden, wobei der aus dem Gehäuse mündende obere Teil als Überlaufdüse dient. Das Tauchrohr ist umfangseitig von einem zylindrischen Filterelement umgeben, in dessen Filtratraum das Filtrat aufgefangen und über einen weiteren Auslauf aus dem Filter geführt wird.

Die Beschickung dieses Filters erfolgt im oberen Bereich tangential zum Gehäuseumfang, wodurch zwischen der Gehäusewandung und dem Tauchrohr ein um die Längsachse zirkulierender Primärwirbel mit konstantem Drehsinn und einer nach unten gerichteten axialen Bewegungskomponente entsteht. Im Bodenbereich des Gehäuses findet eine Umkehrung der axialen Bewegungskomponente statt, so dass sich im Tauchrohr ein nach oben strömender Sekundärwirbel mit gleichem Drehsinn bildet. Das Tauchrohr stellt somit eine räumliche Trennung zwischen dem Primärwirbel und dem Sekundärwirbel dar, die eine Interaktion zwischen Primärwirbel und Sekundärwirbel vollständig unterbindet. Das das Tauchrohr umgebende Filterelement befindet sich somit ausschließlich im Wirkungsbereich des Primärwirbels und wird ausschließlich von außen nach innen radial durchströmt. Das aufkonzentrierte Gemisch wird über die Überlaufdüse aus dem Filtergehäuse abgezogen und kann beispielsweise zur erneuten Filtration dem Einlauf zugeführt werden.

Ziel dieser konstruktiven Filterausbildung ist es, eine tangentiale Überströmung des zylindrischen Filterelements mit hoher Geschwindigkeit zu erreichen um den Prozess der Deckschichtbildung zu verlangsamen oder ganz zu vermeiden. Der maßgebliche Nachteil dieses Filters liegt in der Anordnung eines Tauchrohrs zwischen äußerem und innerem Wirbel. Dadurch entstehen zwei räumlich vollständig voneinander getrennte Wirbelsysteme ohne jegliche gegenseitige Beeinflussung. Solche Wirbelsysteme erweisen sich als sehr labil, mit dem Nachteil eines stark schwankender Filterdurchsatzes. Zudem besitzt die an der zylindrischen Filterfläche anliegende laminate Überströmung ein lediglich begrenztes Potential Verblockungen zu lösen, so dass eine Deckschichtbildung zwar verzögert, aber nicht vollständig verhindert werden kann.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung zum Filtern von Fluid-Feststoff-Gemischen anzugeben, die bei minimalen energetischem und betrieblichem Aufwand einer Deckschichtbildung effizient entgegenwirkt. Weitere Aufgabe der Erfindung ist es ein für eine solche Vorrichtung geeignetes Filterelement zu entwickeln.

Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Filterelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 24 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, durch Schaffung eines Primärwirbels und Sekundärwirbels in einem rotationssymmetrischen Gehäuse eine Zone hochturbulenter Strömungsverhältnisse zu schaffen und diese zur Vermeidung einer Deckschichtbildung auf den Filterflächen auszunutzen. Anders als bei dem vorstehend beschriebenen Filter, bei dem ein Interferieren des Primärwirbels mit dem Sekundärwirbel als nachteilig herausgestellt ist, setzt die Erfindung auf eine Wechselwirkung zwischen dem äußeren Primärwirbel und dem inneren Sekundärwirbel. Diese Wechselwirkung wird ermöglicht durch eine Filtereinheit, bei der ein Strömungsaustausch von einem Wirbel zum anderen möglich ist. Erfindungsgemäß findet dieser Austausch in dem durch den gegenseitigen Abstand zwischen den Filterelementen geschaffenem Raum statt.

Durch die sich bei einem erfindungsgemäßen Filter einstellende ausgeprägte Differenzgeschwindigkeit zwischen dem Primärwirbel und dem Sekundärwirbel sowie deren entgegengesetzte axiale Bewegungsrichtungen wird im Übergangsbereich der beiden Wirbel eine Zone extremer Turbulenzen geschaffen. In Kombination mit der Anordnung der Filterflächen in dieser Zone wird einer Deckschichtbildung effizient entgegenwirkt, indem sich auf der Filterfläche absetzende Partikel sofort wieder gelöst werden.

Es ist das Verdienst der Erfindung diese Zusammenhänge erkannt und die gewonnen Erkenntnisse in der Erfindung zusammengeführt zu haben.

Da die Filterflächen frei von Verblockungen gehalten werden, ergeben sich als erster großer Vorteil der Erfindung zunächst die sehr hohen Filterstandzeiten. Diese gestatten dem Betreiber erfindungsgemäßer Filtervorrichtung einen reduzierten Wartungsaufwand und daher wirtschaftlicheren Filtrationsbetrieb.

Da die Filterflächen frei von Verblockung bleiben, genügt ein geringerer Transmembrandruck zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Filters. Das bringt den Vorteil, dass auch druckempfindliche Stoffe mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung filtriert werden können. Zudem führt ein geringerer Betriebsdruck zu einem geringeren Energieverbrauch.

Ein erfindungsgemäßer Filter zeichnet sich durch eine allseits gleichmäßige Beaufschlagung der Filterflächen mit dem Fluid-Feststoff-Gemisch aus. Dadurch wird ein Druckgefälle in Überströmrichtung der Filterflächen vermieden. Dies bewirkt einen konstant hohen Turbulenzgrad und gleich bleibenden Transmembrandruck und damit auch gleichmäßig hohen Filterdurchsatz über die gesamte Filterfläche.

Der für den Betrieb eines erfindungsgemäßen Filters erforderliche Pumpendruck beschränkt sich auf die Erzeugung eines Potentialwirbels im Filtergehäuse. Dieser Druck ist gegenüber der Cross-Flow-Filtration nur gering, so dass auch aufgrund dieser Tatsache ein wirtschaftlicher Betrieb mit geringem Energiebedarf möglich ist.

Die konstruktive Ausbildung eines erfindungsgemäßen Filters kommt völlig ohne bewegte Teile aus. Dadurch ergibt sich eine einfache Konstruktion, die kostengünstig herstellbar ist. Da druckfeste Abdichtungen gegenüber bewegten Teilen entfallen, die erfahrungsgemäß häufig Ursache für Betriebsstörungen sind, zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Filter durch eine erhöhte Betriebssicherheit gegenüber bekannten Filtervorrichtungen aus.

Infolge der vorherrschenden Wirbelströmungen werden Teilchen mit einer höheren Dichte als das Fluid bereits im Primärwirbel fliegkraftbedingt nach außen getragen, wo sie an der Gehäusewand nach unten absinken. Insofern findet bereits eine Abscheidung von Partikeln statt, bevor diese zur Filterfläche gelangen, wo sie unter Umständen zur Deckschichtbildung beitragen könnten. Leichtere Partikelteilchen können dagegen in den Sekundärwirbel gelangen, wo sie zum Teil durch Fliegkrafteinwirkung radial nach außen entlang der Filterflächen getrieben werden. Dabei kollidieren sie mit Partikeln auf den Filterflächen und lösen diese, was sich unterstützend auf die Vermeidung einer Deckschichtbildung auswirkt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht ringscheibenförmige Filterelemente vor, die in axialem Abstand koaxial und planparallel im Filtergehäuse mit radialem Abstand zur Gehäusewandung angeordnet sind. Dadurch ergeben sich durch die Filtereinheit lediglich geringe Störungen des Wirbelsystems bei einer maximal möglichen Wechselwirkung zwischen dem Primärwirbel und Sekundärwirbel. Zudem wird durch ringscheibenförmige Filterelemente eine verhältnismäßig große Filterfläche in der turbulenten Zone bereitgestellt und somit der erfindungsgemäße Effekt optimal genutzt.

Es hat sich gezeigt, dass ein stabiles Wirbelsystem mit ausgeprägter Turbulenzzone erreicht wird mit Filterelementen mit einem Verhältnis von Scheibenradius zum Radius der zentralen Öffnung in einem Bereich zwischen 2 : 1 bis 5 : 1. Dabei kann der axiale Abstand der Filterelemente untereinander zwischen 2 mm und 5 mm liegen. Eine Filtereinheit besitzt vorzugsweise zwischen 30 und 50 solcher ringscheibenförmigen Filterelementen. Zur Stabilisierung des Wirbelsystems können ferner im Einlauf und/oder in der Überlauf- und/oder Unterlaufdüse eine Regelventil zur Steuerung der Druckverhältnisse in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein.

Das Filtergehäuse besitzt bevorzugterweise die Gestalt eines einfach herstellbaren Hohlzylinders. Ebenso denkbar ist eine Ausgestaltung in Form eines Hohlkegels, der sich in Richtung des Bodens verjüngt. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die nach unten hin infolge des Filtratabzugs abnehmende Gemischmenge mit konstanter Umfangsgeschwindigkeit im Primärwirbel strömt.

Ferner ist eine Weiterbildung der Erfindung bevorzugt, bei der zumindest der Boden des Gehäuses hohlkegelförmig ausgebildet ist um einen Sammelraum für die am Gehäuseumfang nach unten absinkenden Feststoffpartikel zu bilden. Vorteilhafterweise besitzt das Gehäuse im Bodenbereich einen Feststoffabzug um die dort angesammelten Feststoffpartikel zyklisch oder kontinuierlich aus dem Filter abzuziehen.

Im Bereich des Bodens des Gehäuses können zudem Strömungsleitflächen angeordnet sein um einerseits die Ausbildung des Sekundärwirbels zu begünstigen. Zum anderen kann dadurch erreicht werden, dass sich am Boden befindliche Feststoffpartikel nicht infolge der vorhandenen Strömungsverhältnisse aufwirbeln und eine Deckschichtbildung fördern.

Am Ende des Sekundärwirbels ist vorzugsweise eine Überlaufdüse angeordnet, die einen Abzug des aufkonzentrierten Fluid-Feststoff-Gemisches ermöglicht. Es erweist sich als vorteilhaft, die Überlaufdüse in axialer Richtung verstellbar auszubilden, um eine direkte Strömung vom Einlauf in die Überlaufdüse zu verhindern. Aus diesem Grund wird bevorzugt, die Überlaufdüse in Form eines Tauchrohres zumindest bis zum obersten ringscheibenförmigen Filterelement zu führen.

Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn das aufkonzentrierte Fluid-Feststoff-Gemisch nach Verlassen des Filtergehäuses in den Einlauf zurückgeführt wird. Auf diese Weise muss lediglich eine der Filtratmenge entsprechende Menge an Fluid-Feststoff-Gemisch zusätzlich ins Filtergehäuse geleitet werden, wodurch die zu pumpenden Volumina minimiert werden.

Ein erfindungsgemäßes Filterelement zeichnet sich durch seine flächige Gestalt mit zentraler Öffnung aus. Dadurch ist es möglich ein Filterelement mit seiner Oberfläche beinahe planparallel zum Primär- und Sekundärwirbel anzuordnen mit dem Vorteil die Wirbelströmung kaum zu stören. Die im wesentlichen zweidimensionale Gestalt des Filterelements ermöglicht ferner die Bereitstellung verhältnismäßig großer Filterflächen auf dessen Ober- und/oder Unterseite. Durch die Möglichkeit erfindungsgemäße Filterelemente aufgrund ihrer Form mit engem Abstand planparallel zusammenfügen zu können entsteht ein kompaktes, höchst leistungsfähiges und strömungsgünstiges Filterpaket.

Die Öffnungen im Bereich der Filterflächen zum Abzug des Filtrats sind in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung so angeordnet, dass für das sich Filtratraum ansammelnde Filtrat überall möglichst kurze Wege zu den Öffnungen ergeben. So findet eine gleichmäßige Beaufschlagung aller Filtratkanäle statt.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform mit drei Öffnungen, die gleichzeitig zur Aufnahme der stabförmigen Halter zum Zusammenspannen der Filterelemente zu einem Filterpaket dienen. Dies ermöglicht eine spannungsfreie Befestigung der einzelnen Filterelemente innerhalb eines Filterpakets.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Ohne sich in darauf einzuschränken betrifft das Ausführungsbeispiel die Filtration von Flüssigkeiten aus denen beispielsweise Bakterien entfernt werden sollen.
Es zeigen
1 einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung entlang der in 2 dargestellten Linie I-I,
2 einen Horizontalschnitt durch die in 1 und 4 dargestellte Vorrichtung entlang der dortigen Linie II-II,
3 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Filterelement und
4 einen Vertikalschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
Aus den 1 und 2 ist der genauere Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ersichtlich. Man sieht eine Achse 1, um die ein Gehäuse 2 rotationssymmetrisch angeordnet ist. Das Gehäuse 2 setzt sich im wesentlichen aus einem oberen zylindrischen Abschnitt 3 und einem unteren kegelförmigen Abschnitt 4 zusammen. Der zylindrische Abschnitt 3 ist oben mittels eines Deckels 5 verschlossen, der im Bereich der Achse 1 eine konzentrische Öffnung 6 besitzt. Die Öffnung 6 dient zur Durchführung eines zylindrischen Tauchrohres 7, das die Funktion einer Überlaufdüse hat. Durch geeignete Mittel, beispielsweise einem Gewinde, ist das Tauchrohr 7 in axialer Richtung gegenüber dem Deckel 5 verstellbar angeordnet. Der Abschnitt 4 des Gehäuses 2 verjüngt sich nach unten kegelförmig und besitzt in seinem Tiefpunkt einen rohrförmigen Feststoffabzug 8, in den ein Regulierorgan 9 integriert ist.
Unterhalb des Deckels 5 sieht man einen Einlauf 10, über den die Beschickung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem Fluid-Feststoff-Gemisch 11 erfolgt. Der Einlauf 10 mündet tangential in den zylindrischen Gehäuseabschnitt 3 ein. Der zylindrische Gehäuseabschnitt 3 dient zur Aufnahme eine Filtereinheit 12, die im wesentlichen eine Vielzahl ringscheibenförmiger Filterelemente 13 umfasst, wie sie in 3 näher dargestellt ist.
Die Filterelemente 13 bestehen im wesentlichen aus einer doppelwandig ausgebildeten Ringscheibe, die im Inneren einen Filtratraum 16 beherbergt. Zumindest eine Seite, bevorzugterweise sowohl die Ober- als auch Unterseite der Filterelemente 13 sind permeabel und bilden somit Filterflächen 14 aus. Im Zentrum der Filterelemente 13 sieht man eine zentrale kreisförmige Öffnung 15. Dadurch weist jedes ringscheibenförmige Filterelement 13 einen äußeren Rand 17 und einen inneren Rand 18 auf, welche den Filtratraum 16 in radialer Richtung abdichten und begrenzen. Ferner sind in 3 drei exzentrisch in den Filterflächen 14 angeordnete Öffnungen 19 dargestellt, welche das Filterelement 13 durchdringen und zu deren Rand hin der Filtratraum 16 offen ist.
Eine Vielzahl solcher Filterelemente 13 ist zu einem Filterpaket zusammengefasst und in das Gehäuse 2 eingesetzt. Dabei nehmen die Filterelemente 13 eine koaxial zur Achse 1 liegende Position ein, bei der sie unter Einhaltung eines radialen Abstandes zur Innenwandung des Gehäuses 2 planparallel und mit axialem gegenseitigem Abstand übereinander liegen. Die Fixierung der Filterelemente 13 im Gehäuse 2 in dieser Position geschieht über stabförmige Halter 20, die sich innerhalb der exzentrischen Öffnungen 19 durch alle Filterelemente 13 bis über den Deckel 5 des Gehäuses 2 hinaus erstrecken.
Der radiale Wandabstand der Filterelemente 13 zum Gehäuse 2 ist unter anderem vom Durchmesser der Filterelemente 13 und dem Volumendurchsatz der Vorrichtung abhängig. Durch geeignete Wahl des radialen Wandabstandes kann eine laminare Fluidströmung im umfangsäußeren Bereich des Primärwirbels erreicht werden mit dem Vorteil lediglich geringer Druckverluste. Ohne sich darauf einzuschränken hat sich im Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ein radialer Abstand im Bereich von 10 bis 30 mm, vorzugsweise etwa 20 mm bewährt.
Zwischen den einzelnen Filterelementen 13 sowie dem obersten Filterelement 13 und dem Deckel 5 sind die exzentrischen Öffnungen 19 umlaufende Abstandshalter 21 zwischengeschaltet, die gleichzeitig eine abdichtende Funktion gegenüber den Filterelementen 13 ausüben. Auf diese Weise entstehen im Bereich der exzentrischen Öffnungen 19 mit der Achse 1 achsparallele Filtratkanäle 22, gebildet von den Abstandshaltern 21 und den Öffnungen 19 in den Filterelementen 13. Die Filtratkanäle 22 münden im Bereich des Deckels 5 aus dem Gehäuse 2 und leiten das Filtrat (Pfeil 23) in einen nicht weiter dargestellten Sammelbehälter.
Ferner ist aus 1 ersichtlich, dass das Tauchrohr 7 so weit in das Gehäuse 2 eingeschoben ist, dass das untere Ende des Tauchrohrs 7 mit der Oberseite des obersten Filterelements 13 bündig abschließt. Dadurch kann das Fluid-Feststoff-Gemisch 11 nicht direkt vom Einlauf 10 in die vom Tauchrohr 7 gebildete Oberlaufdüse gelangen.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung erklärt sich wie folgt. Über den Einlauf 10 wird das Gehäuse 2 mit ausreichendem Druck mit einem Fluid-Feststoff-Gemisch 11 beaufschlagt. Durch die tangentiale Anordnung des Einlaufs 10 wird dabei im umfangsnahen Bereich des Gehäuses 2 eine zirkulierende Strömung initiiert, die im weiteren als Primärwirbel 24 bezeichnet wird. Der Primärwirbel 24 besitzt somit eine tangentiale Bewegungskomponente, die infolge der kontinuierlichen Beschickung durch den Einlauf 10 von einer axial nach unten gerichteten Bewegungskomponente überlagert ist.
Im bodennahen Bereich des Gehäuses 2 findet eine Umkehrung der vertikalen Bewegungskomponente bei gleichbleibendem Drehsinn statt, und es bildet sich im Kernbereich um die Achse 1 ein Sekundärwirbel 25, der in dem von den zentrischen Öffnungen 15 der Filterelemente 13 geschaffenen Raum axial nach oben im Gehäuse 2 steigt und diese schließlich durch die Überlaufdüse in Form des Tauchrohrs 7 als aufkonzentriertes Fluid-Feststoff-Gemisch 26 verlässt.
Beide Wirbel 24 und 25 stellen einen Potentialwirbel dar, so dass die tangentiale Strömungsgeschwindigkeit mit abnehmenden Abstand zur Achse 1, also in Richtung der Filterflächen 14, zunimmt.
Schwerere im Fluid-Feststoff-Gemisch 11 enthaltene Partikel werden infolge der im Primärwirbel 24 vorherrschenden Zentrifugalkräfte radial nach außen getragen, wo sie an der Innenwandung des Gehäuses 2 langsam nach unten absinken und in den kegelförmigen Gehäuseabschnitt 4 gelangen. Über den Feststoffabzug 8 werden diese Feststoffpartikel kontinuierlich oder zyklisch aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung entfernt. Leichtere Partikelteilchen können in den Sekundärwirbel 25 gelangen, mit dem sie das Gehäuse 2 über das Tauchrohr 7 wieder verlassen. Ein Teil dieser Partikel wird aber infolge der im Sekundärwirbel 25 vorherrschenden Zentrifugalkräfte in dem Hohlraum zwischen den einzelnen Filterelementen 13 nach außen getragen und gelangt dabei in den Bereich des Primärwirbels 24. Die damit einhergehende radiale Beschleunigung der Partikel genügt, damit auch diese bis zu Innenwandung des Gehäuses 2 gelangen, wo sie schwerkraftbedingt nach unten in den Feststoffabzug 8 sinken.
Infolge des Drucks, mit dem das Fluid-Feststoff-Gemisch 11 in das Gehäuse 2 eingeleitet wird, entsteht ein Druckgefälle gegenüber den Filtraträumen 16 der Filterelemente 13. Dieses Druckgefälle, auch als Transmembrandruck bezeichnet, bewirkt ein Eindringen des Filtrats 23 über die Filterflächen 14 in den Filtratraum 16, wo es über die Filtratkanäle 22 aus dem Gehäuse 2 geführt wird. Der damit einhergehenden Neigung zur Deckschichtbildung auf den Filterflächen 14 wird durch die hochturbulenten Strömungsverhältnisse im Übergangsbereich zwischen dem Primärwirbel 24 und dem Sekundärwirbel 25 entgegengewirkt. Die dabei auftretenden Scherkräfte lösen Partikel von den Filterflächen 14. Unterstützt wird dieser Effekt von den im Sekundärwirbel 25 mitgeführten Feststoffpartikel, die wie oben beschrieben fliehkraftbedingt radial nach außen getragen werden.
4 zeigt eine Weiterbildung der in den 1 bis 3 beschriebenen Erfindung. Aus diesem Grund werden für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet und, es wird um Wiederholungen zu vermeiden, auf das dort Gesagte verwiesen.
Im Unterschied zu den in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen der Erfindungen weist die Weiterbildung gemäß 4 eine Rückführung des aufkonzentrierten Fluid-Feststoff-Gemisches 26 aus der Überlaufdüse in den Einlauf 10 vor. Zu diesem Zweck ist das Tauchrohr 7 über eine Leitung 27 mit dem Einlauf 10 verbunden. Eine in diesen Kreislauf zwischengeschaltete Pumpe 28 sorgt für den notwendigen Druck zur Beschickung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Zum Ausgleich des Verlustes an dem Fluid-Feststoff-Gemisch 11 durch die Menge des abgezogenen Filtrats 23 ist eine weitere Leitung 29 an die Leitung 27 angeschlossen, über die neues, zu filtrierendes Fluid-Feststoff-Gemisch 11 von der Pumpe 30 in den Kreislauf und damit den Einlauf 10 gepumpt wird.

1: Achse
2: Gehäuse
3: Zylindrischer Abschnitt
4: Kegelförmiger Abschnitt
5: Deckel
6: Öffnung im Deckel
7: Tauchrohr
8: Feststoffabzug
9: Regulierorgan
10: Einlauf
11: Fluid-Feststoff-Gemisch
12: Filtereinheit
13: Filterelement
14: Filterfläche
15: Zentrale Öffnung in Filterelement
16: Filtratraum
17: Äußerer Rand Filterelement
18: Innere Rand Filterelement
19: Exzentrische Öffnung Filterelement
20: Stabförmiger Halter
21: Abstandshalter
22: Filtratkanal
23: Filtrat
24: Primärwirbel
25: Sekundärwirbel
26: Aufkonzentriertes Fluid-Feststoff-Gemisch
27: Leitung
28: Pumpe
29: Leitung
30: Pumpe

Claims

Vorrichtung zum Filtern von Fluid-Feststoff-Gemischen (11), vorzugsweise Suspensionen, mit einem um eine Achse (1) rotationssymmetrischen Gehäuse (2) mit einem tangential in das Gehäuse (2) mündenden Einlauf (10), wobei durch Beschickung der Vorrichtung mit dem Fluid-Feststoff-Gemisch (11) über den Einlauf (10) im umfangsnahen Bereich des Gehäuses (2) ein Primärwirbel (24) mit tangentialer und axialer Bewegungskomponente und im axialen Kernbereich des Gehäuses (2) ein Sekundärwirbel (25) mit gleicher tangentialer aber umgekehrter axialer Bewegungskomponente vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (2) eine Filtereinheit (12) angeordnet ist, die eine Vielzahl jeweils einen Filtratraum (16) aufweisender Filterelemente (13) umfasst, die im gegenseitigen Abstand zueinander derart um die Achse (1) angeordnet sind, dass die Filterflächen (14) der Filterelemente (13) teilweise oder ganz im Übergangsbereich zwischen dem Primärwirbel (24) und Sekundärwirbel (25) angeordnet sind und durch den Abstand zwischen den Filterelementen (13) eine Interaktion zwischen dem Primärwirbel (24) und dem Sekundärwirbel (25) möglich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterelemente (13) ringscheibenförmige Gestalt besitzen, koaxial zur Achse (1) und planparallel mit axialem Abstand zueinander im Gehäuse (2) angeordnet sind, wobei der äußere Rand (17) im Bereich des Primärwirbels (24) und der innere Rand (18) im Bereich des Sekundärwirbels (19) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Rand (17) in einem radialen Abstand von 10 bis 30 mm, vorzugsweise etwa 20 mm, zum Gehäuse (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius des ringscheibenförmigen Filterelements (13) das 2 bis 5-fache des Radius der zentralen Öffnung (15) beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Abstand der Filterelemente (13) untereinander zwischen 2 mm und 10 mm liegt, vorzugsweise 3 mm beträgt.
Vorrichtung nach einem der Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinheit (12) 30 bis 50 Filterelemente (13) besitzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinheit (12) mindestens ein, vorzugsweise 2 bis 6, höchstvorzugsweise 3 stabförmige Halter (20) besitzt, die koaxial innerhalb des Gehäuses (2) angeordnet sind und die die Filterelemente (13) in ihrer Lage fixieren.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Halter (20) aus einer Spannschraube mit Abstandshülsen (21) besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halter (20) die Filterelemente (13) im Bereich der Filterfläche (14) durchdringen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtraträume (16) der Filterelemente (13) über mindestens einen Filtratkanal (22) miteinander verbunden und an einen Filtratablauf angeschlossen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterelemente (13) zur Bildung des Filtratkanals (22) in ihrer Filterfläche (14) mindestens eine Öffnung (19) besitzen und sich die Öffnungen (19) benachbarter Filterelemente (13) in axialer Richtung deckungsgleich gegenüberliegen und die Abstände zwischen benachbarten Filterelementen (13) um die Öffnungen (19) von zylindrischen Dichtungselementen (21) überbrückt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Filterelemente (13) zur Bildung des Filtratkanals (22) in ihrer Filterfläche (14) mindestens eine Öffnung (19) besitzen und sich die Öffnungen (19) benachbarter Filterelemente (13) in axialer Richtung deckungsgleich gegenüberliegen und die Abstände zwischen benachbarten Filterelementen (13) um die Öffnungen (19) von zylindrischen Abstandshaltern (21) überbrückt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Halter (20) innerhalb des Filtratkanals (22) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterelemente (13) beidseitig Filterflächen (14) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterelemente (13) aus Keramik, Kunststoff oder Metall oder einer Kombination aus diesen Stoffen bestehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) die Gestalt eines Hohlzylinders oder Hohlkegels besitzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden des Gehäuses (2) hohlkegelförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) im Tiefpunkt einen Feststoffabzug (8) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Bodens Strömungsleitflächen angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (5) eine Überlaufdüse (7) für das Fluid-Feststoff-Gemisch (11) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlaufdüse aus einem Tauchrohr (7) besteht, das gegenüber dem Gehäuse (2) in axialer Richtung verstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlaufdüse (7) an den Einlauf (10) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass im Einlauf (10) und/oder der Überlaufdüse (7) ein Regelventil zur Steuerung der Druckverhältnisse angeordnet ist.
Filterelement, geeignet zur Verwendung in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (13) als doppelwandige Ringscheibe ausgebildet ist, die einen Filtratraum (16) umschließt und deren Ober- und/oder Unterseite die Filterfläche (14) bildet, wobei im Bereich der Filterfläche (14) mindestens eine, vorzugsweise drei Öffnungen (19) zum Abzug des Filtrats aus dem Filtratraum (16) vorgesehen ist.
Filterelement nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (19) die zentrale, innere Öffnung (15) des Filterelements (13) konzentrisch und vorzugsweise in einheitlichem Abstand untereinander umgeben.
Filterelement nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (19) in etwa mittig zwischen dem äußeren Rand (17) und dem inneren Rand (18) des Filterelements (13) angeordnet sind.
Filterelement nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius des Filterelements (13) das 2 bis 5-fache des Radius der zentralen Öffnung (15) beträgt.
Filterelement nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (13) aus Keramik, Kunststoff oder Metall oder einer Kombination aus diesen Stoffen besteht.