DE102006029426A1 - Capillary or hollow fiber module for filtration and separation of fluids in dead-end and / or cross-flow operation, its arrangement in a process engineering system and operation of the same - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kapillar- bzw. Hohlfaser-Membranmodul (nachfolgend als Kapillarmodul bezeichnet), das sowohl im Dead-End- als auch im Cross-Flow-Betrieb gefahren werden kann. Die Filtratströmung durch die Wand der geeignet ausgewählten Kapillaren kann sowohl von außen nach innen als auch von innen nach außen erfolgen. Die Erfindung umfaßt die Art des Moduls, dessen Ausführung, dessen Anordnung in einer verfahrenstechnischen Anlage und die Betriebsweise derselben. Die Erfindung ist geeignet für die Filtration und Separation aller Fluide, aller Gemische davon und als Membranreaktor und für alle Membrantechniken wie z. B. Ultrafiltration, Mikrofiltration, Dialyse, Pervaporation usw. Erfindungsgemäß wird eine Einrichtung angeboten, die über den Stand der Technik hinaus folgende wesentliche Vorteile aufweist: geordnete Kapillaranordnung, definierte Strömungsverhältnisse, einfache Feststellung und Reparatur defekter Kapillaren, gute Reinigbarkeit und Spülbarkeit, konstanter Membranfluß über lange Zeit, gute Trenneigenschaften, preiswerte Art der Modul-Herstellung und dessen Betrieb, kompakte Bauweise und gutes Verhältnis von umbautem Raum und Membranfläche. Der Erfindung liegt zunächst die Herstellung eines Modulrahmens, bestehend aus einem Stapel einzelner Lagen aus Kapillarmembranen, die rahmenartig an ihren Enden vergossen sind, zugrunde. Solche Rahmen können in einem nächsten Schritt zu größeren Einheiten aufeinandergesetzt und miteinander ...The present invention relates to a capillary or hollow fiber membrane module (hereinafter referred to as capillary module), which can be driven both in dead-end and in cross-flow operation. Filtrate flow through the wall of the appropriately selected capillaries can be from both outside to inside and from inside to outside. The invention includes the type of module, its execution, its arrangement in a process plant and the operation thereof. The invention is suitable for the filtration and separation of all fluids, all mixtures thereof and as a membrane reactor and for all membrane techniques such. According to the invention, a device is offered which has the following essential advantages over the prior art: ordered capillary, defined flow conditions, easy detection and repair of defective capillaries, good cleanability and flushability, constant membrane flow over long time, good separation properties, inexpensive way of module production and its operation, compact design and good ratio of converted space and membrane area. The invention is based initially on the production of a module frame, consisting of a stack of individual layers of capillary membranes, which are encased in a frame-like manner at their ends. In a next step, such frames can be put together into larger units and combined with each other ...
Description
Im Bereich der membrantechnischen Behandlung von Flüssigkeiten, Gasen oder Flüssigkeits-Gas-Gemischen haben sich auf weiten Gebieten der Anwendungstechnik Kapillar -Membransysteme etabliert. Andere als Kapillarmodule spielen in Bereichen wie z. B. der Wassertechnik, der Getränketechnik oder auch der Abwasser-Klärtechnik eine eher geringe Rolle. In den Bereichen, in denen die Kapillarmembran ihre vielen Vorteile "ausspielen" kann, wird diese Membrankonfiguration vornehmlich eingesetzt.in the Area of membrane technology treatment of liquids, gases or liquid-gas mixtures have Capillary membrane systems have become established in wide areas of application technology. Other than capillary modules play in areas such. As the water technology, the beverage technology or also sewage treatment technology a minor role. In the areas where the capillary membrane their many advantages can "play off", this is Membrane configuration mainly used.
Im Rahmen der in dieser Schrift angestellten Betrachtung soll daher ausschließlich auf Kapillarmodule eingegangen werden. Dies hat seinen Grund auch darin, daß in solch großen Anwendungsbereichen wie z. B. der Wassertechnik, der Abwassertechnik, der Getränketechnik, der Biotechnologie und der Gastechnik die Kapillarmembran bereits eine fest integrierte und akzeptierte verfahrenstechnische Komponente ist und in diesen Bereichen ein enormes Wachstumspotential der Membrantechnik liegt.in the The scope of the observation in this document is therefore intended to be exclusively be discussed on capillary modules. This is for a reason in that in such a big one Application areas such. B. of water technology, wastewater technology, the beverage technology, biotechnology and gas engineering the capillary membrane already a firmly integrated and accepted process engineering component is and in these areas an enormous growth potential of membrane technology lies.
Im Rahmen dieser Schrift wird Kapillare als ein Sammelbegriff für die in der Praxis gebräuchlichen Begriffe Hohlfaser, Kapillare und Rohr verwendet und deckt Röhrchen/Rohre mit einem Innendurchmesser von ca. 0,1 bis ca. 250 mm ab, wobei meist solche mit ca. 0,3 bis ca. 6 mm verwendet werden. Die Wandung der Röhrchen/Rohre ist stets eine mehr oder weniger permeable Membran, die bei manchen Ausführungsarten durch ein Trägermaterial oder durch Gewebe verstärkt wird.in the Within this document, capillary is considered a collective term for in practice in use Terms hollow fiber, capillary and tube used and covers tubes / tubes with an inner diameter of about 0.1 to about 250 mm, wherein usually those with about 0.3 to about 6 mm are used. The wall the tube / tubes is always a more or less permeable membrane, which in some cases By types a carrier material or reinforced by tissue becomes.
Kapillarmodule werden im Stand der Technik für die Filtration, die Separation, die Diffusion, die Pervaporation, die Dialyse und andere Trenntechniken eingesetzt. Auch Bioreaktoren werden auf der Basis von Kapillarmodulen eingesetzt.Capillary be in the art for filtration, separation, diffusion, pervaporation, used dialysis and other separation techniques. Also bioreactors are used on the basis of capillary modules.
Die Vorteile eines Kapillarmoduls liegen vor allem in der geringen Verstopfungsgefahr, der Rückspülfähigkeit, der Kompaktheit der Module und in den relativ geringen Herstellkosten.The Advantages of a capillary module are mainly the low risk of clogging, the backwashing ability, the compactness of the modules and in the relatively low production costs.
Im angewandten Stand der Technik sind verschiedene Ausführungsformen von Modulen hinreichend bekannt. Trotz vieler Vorteile weisen jedoch alle Modulbauformen auch wesentliche Nachteile auf, die deren Anwendbarkeit einschränken und die Wirtschaftlichkeit herabsetzen.in the applied prior art are various embodiments of modules well known. Despite many advantages, however All module types also have significant disadvantages, their applicability restrict and minimize the cost-effectiveness.
Die ursprüngliche und bislang weitestgehend übliche Form ist die, bei der in ein rohrförmiges Gehäuse ein Bündel von beidseitig offenen Kapillaren eingebracht und an beiden Enden vergaßen wird. Das zu behandelnde Fluid wird unter Druck durch die Kapillaren gepumpt, Permeat tritt durch diese hindurch und wird in den Zwischenräumen der Kapillaren gesammelt und aus dem umgebenden Rohr abgeführt.The original and so far mostly usual Shape is the one in a tubular housing, a bunch of open on both sides Capillaries introduced and forgot at both ends. The treatment to be treated Fluid is pumped through the capillaries under pressure, permeate occurs through them and is collected in the interstices of the capillaries and discharged from the surrounding pipe.
Weitergehende Entwicklungen drehen dieses Prinzip um, so daß nun in einem ähnlichen Gehäuse die Kapillaren von außen angeströmt werden und Permeat durch das Lumen der Kapillaren abgeführt wird. Dabei kann die treibende Kraft entweder Druck auf die Außenseite der Kapillaren sein oder ein Unterdruck im Lumen derselben.further Developments turn this principle around, so that now in a similar casing the capillaries from the outside flows against and permeate is discharged through the lumen of the capillaries. The driving force can be either pressure on the outside the capillaries or a negative pressure in the lumen of the same.
Diee beiden Konfigurationen haben wesentliche Nachteile, was die Entwicklung der so genannten getauchten Systeme antrieb. Hierbei werden im Prinzip Kapillarbündel ohne Gehäuse in Fluid eingetaucht. Als treibende Kraft dient meist ein lumenseitig angelegter Unterdruck, aber auch ein außenseitig angelegter Druck (Flüssigkeitsstand im Tauchbecken) oder auch eine Kombination aus beidem.diee both configurations have significant disadvantages, leading the development the so-called submerged systems drive. Here are in principle capillary bundles without housing immersed in fluid. The driving force is usually a lumen side Applied negative pressure, but also an externally applied pressure (fluid level in the plunge pool) or a combination of both.
Zur besseren Darstellung des technischen Standes soll Anhang 1 dienen. Darin werden alle derzeit im Markt in großtechnischem Einsatz befindlichen Module nach ihrem Funktionsprinzip in Gruppen eingeteilt. Es steht Z für Zufuhr, R für Retentatauslaß und P für Permeatauslaß.to a better representation of the technical state is to serve Annex 1. In it all are currently in the market in large-scale use Modules are grouped according to their functional principle. It stands Z for feed, R for retentate outlet and P for permeate outlet.
In der Modulgruppe A sind Produkte zusammengefasst, bei denen die Fluidzufuhr stirnseitig an einem Ende und die Retentatabfuhr stirnseitig am anderen Ende erfolgt. Die Strömung des zu bearbeitenden Fluids erfolgt im Inneren der Kapillaren. Die Permeatabfuhr erfolgt über einen Anschluß am Modulgehäuse. In der Regel werden mehrere solche Module parallel in so genannten Racks angeordnet. Die Module werden üblicherweise von unten angeströmt. In vielen Anwendungen (wie z. B. der Getränketechnik oder der Öl-Wasser-Trennung) wird diese Modulbauart und -betriebsweise gewählt. Es wird meist mit höher "belasteten" Medien im Cross-Flow-Betrieb gefahren.In Module group A are products in which the fluid supply at one end and the retentate discharge at the front other end is done. The flow The fluid to be processed takes place inside the capillaries. The Permeate discharge takes place via a connection on Module housing. As a rule, several such modules are called in parallel in so-called Racks arranged. The modules are usually flowed from below. In many Applications (such as the beverage technology or the oil-water separation) this module type and mode of operation is chosen. It is usually with higher "loaded" media in cross-flow operation hazards.
In der Modulgruppe B sind Produkte zusammengefasst, die identisch aufgebaut sind wie die der Gruppe A, jedoch im Dead-End-Betrieb gefahren werden. Retentatablauf erfolgt meist nur sporadisch oder in so geringem Maße, daß im Inneren der Kapillaren keine nennenswerte Strömung herscht. In aller Regel werden ebenfalls mehrere solche Module parallel in Racks angeordnet. Auch hier erfolgt die Anströmung meist von unten. Diese Modulbauart und – betriebsweise wird verwendet für relativ wenig belastete Medien (wie z. B. Trinkwasser).In module group B, products are grouped that are identical to those of group A but are operated in dead-end mode. Retentate usually occurs only sporadically or in such slight measure that inside the capillaries no significant flow prevails. As a rule, several such modules are also arranged in parallel racks. Again, the flow is usually from below. This modular design and mode of operation is used for relatively low-loaded media (such as drinking water).
In der Modulgruppe C sind Produkte zusammengefasst, die zwar ähnlich aufgebaut sind wie die der Gruppen A und B, das Prinzip jedoch umgekehrt wird, so daß die Kapillaren von außen nach Innen von Permeat durchströmt werden. Das Zufuhrfluid gelangt stirnseitig an einem Ende des Gehäuses in das Modul, umströmt die Kapillaren von außen und verläßt das Gehäuse über einen Anschluß am Umfang des Gehäuserohres. Permeat tritt am anderen Ende des Gehäuses aus. Auch bei diesem Typ werden mehrere Module parallel in Racks angeordnet. Die Anströmung erfolgt immer von unten. Diese Modulfamilie kann eingesetzt werden für mittelmäßig belastete Medien (wie z. B. Wein oder Kläranlagenablauf).In The module group C are products that are similar in structure are like groups A and B, but the principle is reversed, So that the Capillaries from the outside permeated inwards by permeate become. The supply fluid enters the front side at one end of the housing in the module flows around the capillaries from the outside and leaves the case via a Connection on Circumference of the housing tube. Permeate exits at the other end of the housing. Also with this type Several modules are arranged in parallel in racks. The flow takes place always from below. This module family can be used for moderately loaded Media (such as wine or sewage treatment plant drainage).
In der Modulgruppe D sind Produkte zusammengefasst, die identisch aufgebaut sind wie die der Gruppe C, jedoch im Dead-End-Betrieb gefahren werden. Der Aufbau solcher Module erfolgt ebenfalls parallel in so genannten Racks. Die Anströmung erfolgt ebenfalls immer von unten. Die Anwendungen für solche Module liegen in Bereichen wie die der Gruppe B. Bezüglich der Betriebsweise besteht jedoch der Unterschied, daß mit häufigeren retentatseitigen Spülungen und Entleerungen gearbeitet wird.In Module group D comprises products that are constructed identically are like those of the group C, but are driven in the dead-end mode. The structure of such modules also takes place in parallel in so-called Racks. The flow also always takes place from below. The applications for such Modules are located in areas such as those of group B. Regarding the Operating mode, however, the difference is that with more frequent retentate side rinses and Emptying is worked.
In der Gruppe E sind Produkte zusammengefasst, die auch als "getauchte" Module bezeichnet werden. Sie werden ohne Außengehäuse in das zu filtrierende Fluid eingetaucht und können nur Dead-End betrieben werden. Solche Module können sowohl für gering belastete (z. B. Trinkwasser) als auch für sehr hoch belastete Medien (z. B. Belebtschlamm) eingesetzt werden, da die Kapillaren durch einen Strom unten eingeblasener und aufsteigender Luftblasen bewegt und "abgereinigt" werden. Die Kapillaren sind senkrecht angeordnet. Die Kapillaren sind ein- oder auch zweiseitig eingegossen.In Group E includes products that are also referred to as "submerged" modules become. They are without outer casing in the dipped fluid to be filtered and can only operate dead-end become. Such modules can as well as low polluted (eg drinking water) as well as very high loaded media (eg activated sludge) are used, since the capillaries by a stream of blown-in and rising air bubbles moves and "cleaned up". The capillaries are arranged vertically. The capillaries are one or two-sided cast.
In der Modulgruppe F sind Produkte zusammengefasst, die ebenfalls in das zu bearbeitende Medium eingetaucht und nur im Dead-End betrieben werden. Die Kapillaren sind hierbei jedoch waagerecht angeordnet. Diese Module sind nur einsetzbar in Fluiden, die von grobem und faserigem Material befreit wurden. Sie werden ebenfalls mit einem aufsteigenden Luftblasenstrom bewegt und "abgereinigt".In of the module group F products are summarized, which are likewise in dipped the medium to be processed and operated only in the dead-end become. However, the capillaries are arranged horizontally. These modules are only applicable in fluids of coarse and were liberated fibrous material. You will also be with one Ascending air bubbles moved and "cleaned".
Die
nachfolgend verwendeten Begriffe sind wie folgt zu verstehen:
Unter
Filtratrichtung ist die Strömungsrichtung
des Permeats durch die Wand der Kapillare zu verstehen. Dies kann
von innen nach außen
(filtrierende Schicht dann an der Innenfläche der Kapillare) oder von
außen
nach innen (filtrierende Schicht dann an der Außenfläche der Kapillare) erfolgen.
Es gibt Kapillaren, die beidschichtig aufgebaut sind.The terms used below are to be understood as follows:
Filtrate direction is the flow direction of the permeate through the wall of the capillary. This can be done from the inside to the outside (filtering layer then on the inner surface of the capillary) or from outside to inside (filtering layer then on the outer surface of the capillary). There are capillaries that are built in two layers.
In einigen Modultypen werden Kapillaren in einem Druckgehäuse untergebracht und üblicherweise an beiden Enden eingegossen. Kapillaren können aber auch ohne Druckgehäuse frei im Medium liegen.In In some module types capillaries are housed in a pressure housing and usually poured in at both ends. Capillaries can also be released without pressure housing lie in the medium.
Um Permeat durch die Membran und die Kapillarwand zu "drücken" oder zu "ziehen" ist eine "treibende Kraft" erforderlich. Diese kann ein Druck über oder unter Atmosphärendruck sein.Around Permeate to "push" or "pull" through the membrane and capillary wall requires a "driving force". These can be a pressure over or under atmospheric pressure be.
Kapillarmodule können eine Betriesweise im Dead-End- oder im Cross-Flow-Verfahren haben. Beim Dead-End-Betrieb wird die treibende Druckkraft an die Kapillare angelegt, ohne daß diese nennenswert überströmt ist. Beim Cross-Flow-Betrieb erfolgt eine wesentliche Überströmung, die dazu geeignet ist, Ablagerungen auf und eine Deckschicht an der Membranoberfläche abzutragen bzw. gering zu halten.Capillary can operate in the dead-end or in the cross-flow procedure. In dead-end operation, the driving force is applied to the capillary created without these is significantly overflowed. In cross-flow operation, there is a significant overflow, the is suitable for deposits on and a topcoat on the membrane surface ablate or keep low.
Unter Raumflächenbedarf wird der Raumbedarf verstanden, den die Membranfläche mehrerer Module im eingebauten Zustand (Rock) einnimmt. Die Dimension hierfür ist m2/m3.Space requirement is understood as meaning the space required by the membrane surface of several modules when installed (skirt). The dimension for this is m 2 / m 3 .
Der Aufwand an Energie entsteht im Wesentlichen entweder durch die für Cross-Flow-Umwälzung notwendigen Pumpen oder durch die Zuführpumpen beim Dead-End-Betrieb oder durch Zuführpumpen und Gaszufuhr bei getauchten Systemen.Of the Expenditure of energy arises essentially either through the necessary for cross-flow circulation Pumps or through the feed pumps during dead-end operation or by supply pumps and gas supply submerged systems.
Wichtig ist die Sicherstellung einer gleichmäßigen Anströmung der Kapillaren im Modul, damit alle die gleiche Leistung erbringen können, sich nicht unregelmäßig belegen und sich gleich gut reinigen lassen.Important is the assurance of a uniform flow of the capillaries in the module, so that all can perform the same performance, do not prove irregular and be cleaned equally well.
Der Grad der Kapillarbeanspruchung ergibt sich zum Einen auf Grund der Anströmung der Kapillaren und zum anderen auf Grund mechanischer Bewegung.Of the Degree of capillary stress arises on the one hand due to the inflow the capillaries and on the other hand due to mechanical movement.
Der durchschnittliche Transmembrandruck (TMP) stellt die bereits angesprochene treibende Kraft dar. Zu beachten ist auch die Spanne zwischen TMP am Moduleintritt und TMP am Modulaustritt.Of the average transmembrane pressure (TMP) represents the already mentioned The driving force is also to be considered. Also note the spread between TMP at the module entrance and TMP at the module exit.
Strömt das Medium immer in eine gewisse Richtung so besteht die Gefahr, daß sich "gerichtete" Ablagerungen auf der Membran aufbauen und entsprechend in der Rauhigkeit jeder Membran und auf derselben festsetzen. Mit einer periodischen Strömungsumkehr kann diesem Effekt entgegengewirkt werden.The medium flows always in a certain direction, there is the danger of "directed" deposits on build up the membrane and correspondingly in the roughness of each membrane and fix on the same. With a periodic flow reversal this effect can be counteracted.
Jede Membrananlage ist von Zeit zu Zeit zu reinigen. Es ist für die dauerhaft gute Funktion einer Anlage wichtig, daß die Reinigung effektiv und leicht möglich ist.each Membrane system is to be cleaned from time to time. It is for the permanent good function of a plant important that the cleaning is effective and easily possible is.
Eine Rückspülung wird so durchgeführt, daß periodisch ein reines Fluid (in der Regel Permeat) von der Permeatseite der Membran auf die Retentatseite gedrückt wird. Dies dient dem Zweck, Ablagerungen auf der Membran "abzuheben" und so die Deckschicht gering und die Leistung hoch zu halten.A Backwashing is so performed that periodically a pure fluid (usually permeate) from the permeate side of the Membrane is pressed on the retentate side. This serves the purpose Deposits on the membrane "lift off" and so the top layer low and to keep the performance high.
Fastflush wird bei Dead-End-betriebenen Modulen angewandt. Man versteht darunter das kurzzeitige volle Öffnen des Retentatauslasses, um den aufkonzentrierten Modulinhalt auszuschieben und einen gewissen Deckschichtabbau zu erzielen.FastFlush is used on dead-end powered modules. One understands under it the short-term full opening of the retentate outlet to expel the concentrated module contents and to achieve a certain top layer degradation.
Der Integritätstest dient dazu, die Unversehrtheit der Kapillaren zu testen. Meist wird ein Druckhaltetest durchgeführt. Ist der Druckhaltetest positiv, bedeutet dies, daß in einer Anordnung von Modulen (meist ein Rack) oder in einem einzelnen Modul eine oder mehrere defekte Kapillaren vorhanden sind.Of the integrity test serves to test the integrity of the capillaries. Most will carried out a pressure-holding test. If the pressure hold test is positive, it means that in one Arrangement of modules (usually a rack) or in a single module one or more defective capillaries are present.
Wird über den Integritätstest herausgefunden, daß defekte Kapillaren vorhanden sind, so stellt sich die Aufgabe herauszufinden, welche und wo diese sind. Die üblichen Methoden für diese Aufgabe sind der Luftblasentest oder der "Fountain-Test" am einzelnen Modul.Will about the integrity test found out that broken Capillaries are present, so the task is to figure out which and where these are. The usual Methods for this task is the bubble test or the "Fountain-Test" on the single module.
Für eine gute Prozeßführung ist es wichtig, daß die Kapillaren in einem Modul eine gewählte Anordnung haben und auch behalten. Eine zufällige Anordnung oder eine, die sich während des Betriebs verändern kann, ist nicht günstig.For a good Litigation is it is important that the Capillaries in a module have a chosen arrangement and also to keep. A random one Arrangement or one that is during can change the operation, is not cheap.
Retentatseitige Totzonen sind Zonen im Kapillarbündel, die in einer oder mehrerer Betriebsweisen ungenügend angeströmt werden.retentate Dead zones are zones in the capillary bundle, which are insufficiently flown in one or more modes of operation.
Dasselbe gilt auch für permeatseitige Totzonen.The same thing applies to permeation dead zones.
Von entscheideneder Bedeutung für die Kosten pro m2 Membranfläche eines Moduls ist neben einer kostengünstigen Membranproduktion auch die kostengünstige Herstellung des Moduls selbst. Hier ist wiederum die Automatisierbarkeit der Herstellung entscheidend.Of crucial importance for the cost per m 2 membrane area of a module is in addition to a cost-effective membrane production and the cost-effective production of the module itself. Here, in turn, the automation of production is crucial.
Es ist von entscheidender Bedeutung wie einfach oder schwierig der Betrieb eines Moduls in einer Gesamtanlage ist und wie verfahrenstechnisch einfach oder aufwändig eine Anlage mit Modulen eines bestimmten Typs gebaut werden kann.It is crucial how easy or difficult the Operation of a module in an overall system is like procedural easy or expensive a system with modules of a certain type can be built.
In
der Tabelle Anhang 2 sind die einzelnen oben charakterisierten Modulgruppen
nach dargestellten Kriterien bewertet und charakterisiert. Auf eine
Diskussion von Details und einzelner Berechnungen soll im Sinne
der Übersichtlichkeit
dieser Schrift verzichtet werden. Faßt man die Beurteilungen zum
Stand der Technik zusammen und reduziert diese auf die wichtigsten
Punkte so ergibt sich folgendes Bild:
Raumflächenbedarf:
Alle Systeme haben einen relativ hohen Raumflächenbedarf. Bei Modulen der
Gruppen A bis D ensteht dieser durch die Tatsache, daß jedes
Modul relativ kurz ist (in großtechnischen
Anlagen sind Längen
von 1 bis 1,5 m üblich)
und eine relativ geringe Membranfläche aufweist (in großtechnischen
Anlagen üblicherweise
5 bis 40 m2). Ein solches Modul mit erforderlichen
Zwischenabständen
parallel in ein Rack eingebaut ergibt nachteilig eine eine große Stellfläche und
eine sehr geringe Bauhöhe.
Bei den Modulen der Gruppe E und F ergibt sich der ungünstige Raumflächenbedarf
durch den Einbau mit Zwischen- und Seitenabstand in relativ niedrige
Becken.In the table Annex 2, the individual module groups characterized above are evaluated and characterized according to the criteria presented. A discussion of details and individual calculations should be omitted in the sense of clarity of this document. Summarizing the assessments of the state of the art and reducing them to the most important points, the following picture emerges:
Space requirement: All systems have a relatively high space requirement. For modules of groups A to D this is due to the fact that each module is relatively short (in industrial plants lengths of 1 to 1.5 m are common) and has a relatively small membrane area (in large-scale facilities usually 5 to 40 m 2 ). Such a module with required intermediate distances installed in parallel in a rack disadvantageously results in a large footprint and a very low height. For the modules of group E and F, the unfavorable space requirement results from the installation with intermediate and side clearance in relatively low basins.
An- bzw. Umströmung der filtrierenden Membran: Insbesondere in den Modulgruppen C bis F werden die Kapillaren retentatseitig auf Grund der zufälligen Bündelung der Kapillaren schlecht angeströmt. Permeatseitig trifft dies insbesondere auf die Module der Gruppen A bis D zu. Daraus resultieren eine Reihe von Nachteilen:
- – Unterschiedliche Membranflächenbelastung und somit unterschiedlicher Deckschichtaufbau und unterschiedliche Trenncharakteristik
- – Retentatseitige Totzonen und somit "vergeudete" Membranfläche
- – Häufige Rückspülung einhergehend mit Ausbeute- und Zeitverlust
- – Schlechte Reinigbarkeit
- – Schlechter Rückspüleffekt
- - Different membrane surface load and thus different cover layer structure and under different separation characteristics
- - Retentate-side dead zones and thus "wasted" membrane surface
- - Frequent backwashing with loss of yield and time
- - Poor cleanability
- - Poor backwash effect
Kapillarbeanspruchung: Insbesondere bei getauchten Modulen ermüden die Kapillaren über die Zeit durch die ständige Bewegung bedingt durch die Luftblasenspülung. Bei druckbetriebenen Modulen ist die Zugbeanspruchung der Kapillaren bedingt durch den Druckabfall über die Länge der Kapillare zu beachten. Daraus resultieren folgende Nachteile:
- – Kurze Membranlebensdauer und verringerte Wirtschaftlichkeit
- – Membrandurchbrüche und -abplatzungen, wodurch Mikroorganismen, Schmutzfracht, usw. auf die Permeatseite gelangen
- – Hoher Wartungsaufwand und Produktionseinschränkungen
- - Short membrane life and reduced economy
- - Membrane breakthroughs and spalling, which microorganisms, pollution, etc., get on the permeate side
- - High maintenance and production restrictions
Transmembrandruck (TMP): Insbesondere bei den druckbetriebenen Modulen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit in der Kapillare aber auch bei den mit relativ niedrigem Druck betriebenen Modulen ist die Spanne des TMP hoch mit folgenden Nachteilen:
- – Ungleichmäßige Anlagerung einer Deckschicht entlang der Kapillarlänge
- – Strömungsumkehrschaltungen erforderlich (sofern überhaupt möglich)
- – Häufige Rückspülungen erforderlich (Ausbeute- und Zeitverlust)
- – Häufige Reinigungen erforderlich (Chemikalienkosten und Produktionsverlust)
- – Ungleichmäßiger Effekt der Rückspülung
- – Anlagentechnischer Aufwand
- Uneven deposition of a cover layer along the capillary length
- - Flow reversal circuits required (if at all possible)
- - Frequent backwashing required (lost yield and time)
- - Frequent cleaning required (chemical costs and loss of production)
- - Uneven effect of backwashing
- - Plant engineering effort
Fast-Flush und Rückspülung: Diese sind bei einigen Modulsystemen nur bedingt oder sogar gar nicht möglich.Fast Flush and backwash: This are limited or even impossible with some module systems.
Defekte Kapillaren: Ein sehr großer Nachteil bei allen aufgeführten Modulen ist, daß das Auffinden und Reparieren defekter Kapillaren einen großen Wartungsaufwand bedeutet und das Risiko in sich birgt, daß defekte Kapillaren gar nicht erkannt werden können.defects Capillaries: a very big one Disadvantage with all listed Modules is that the Finding and repairing defective capillaries requires a lot of maintenance means and carries the risk that defective capillaries not at all can be recognized.
Kapillaranordnung: Bei keinem der aufgeführten Modulsysteme im Stand der Technik ist eine geordnete Kapillaranordnung realisiert. Im Effekt ergeben sich daraus eine ganze Reihe von Nachteilen:
- – Totzonen retentatseitig
- – Totzonen permeatseitig
- – Schlechte Anströmung
- – Häufige Rückspülungen
- – Häufige Reinigungen
- – Risiko des mikrobiologischen Wachstums
- – Risiko nicht reversibler Verblockungen
- – Leistungseinschränkungen
- – Verschlechterte Wirtschaftlichkeit
- - dead zones on the retentate side
- - dead zones permeatseitig
- - Bad flow
- - Frequent backwashing
- - Frequent cleaning
- - Risk of microbiological growth
- - Risk of irreversible blockages
- - Performance restrictions
- - Worsened economy
Modulfertigung: Bei nahezu allen Modulsystemen im Stand der Technik ist die Möglichkeit einer vollkommen automatisierten Fertigung als schlecht einzustufen.Module production: In almost all modular systems in the prior art is the possibility To classify a completely automated production as bad.
Betriebsweise: Bei den meisten Modulsystemen ist eine einfache Betriebsweise nicht möglich, da ein komplizierter Anlagenaufbau erforderlich ist, um viele relativ kleine Module einbauen, fahren, rückspülen, reinigen, auf Integrität testen, usw. usw. zu können.Operation: For most modular systems, simple operation is not possible, since a complicated plant construction is required to many relatively install small modules, drive, backwash, clean, test for integrity, etc. etc. to be able to.
Die
Entwicklung der Module der Gruppen E und F stellte gegenüber der
Module der Gruppen A bis D bereits einen wichtigen Schritt dar,
jedoch auch nur für
die Anwendungen in denen Module der Gruppen E und F überhaupt
einsetzbar sind. Aufzuführen
sind hier beispielhaft
- • Ein Kapillardefekt kann über einen Druckhaltetest erkannt werden. Auf Grund der geschlossenen Bauweise des Moduls kann jedoch nicht herausgefunden werden, welche einzelne Kapillare defekt ist. Konsequenterweise muß in einem solchen Fall wegen auch nur einer von Tausenden Kapillaren das ganze Modul ausgetauscht werden. Auch danach ist eine Reparatur einer Kapillare nicht möglich, da das System geschlossen ist. Das an sich weitestgehend intakte Modul muß verworfen werden.
- • Einzelne Module können bei Erkennen eines Kapillardefektes nicht stilgelegt werden. Im Bereich z. B. der Filtration von Wasser, Getränken und biotechnologischen Flüssigkeiten oder der Entkeimung von Gasen ist dies jedoch zur Sicherung der mikrobiologischen Qualität absolut erforderlich, Dies muß auch bei Fortführung der Produktion mit den restlichen Modulen möglich sein.
- • Die außenliegenden Kompartimente müssen voneinander abgegrenzt und gegeneinander abgedichtet werden. Dies ist produktionstechnisch nur sehr aufwändig zu realisieren.
- • Eine Abreinigung der Kapillaren mittels eines Gasblasenstromes ist nur dergestalt möglich, daß der gesamte Aufbau durch den Gasblasenstrom von ganz unten nach ganz oben durchströmt wird, Da die Gasblasen nach oben hin (abnehmender Druck) sich vergrößern, sind einheitliche Verhältnisse über die gesamte Höhe nicht einstellbar. Bei vielen der genannten Systeme ist eine solche Gasblasenführung überhaupt nicht möglich.
- • Insbesondere bei höheren Kapillarlagenstapeln hängen diese auf Grund ihres Eigengewichtes durch und sind nicht stabilisiert. Es kommt zu Zugbeanspruchung an den eingegossenen Enden ähnlich herkömmlichen Modulbauformen.
- • Zwischenlagen zur Strömungsverteilung und Stabilisierung sind nicht vorgesehen.
- • Fluid kann nicht direkt in den Kapillarlagenstapel eingebracht werden. Eine damit verbundene Abreinigung von Kapillaren auf Grund hoher lokaler Strömung kann nicht ausgenutzt werden.
- • Eine Aufkonzentrierung des Restvolumens in der Anlage im großtechnischen Einsatz (der innere Raum wird vollständig durchströmt), ist nicht möglich.
- • Eine separate Zu- und Ableitung verschiedener Fluide in und aus dem Kapillarlagenstapel ist nicht mögich
- • A capillary defect can be detected by a pressure hold test. Due to the closed design of the module, however, it can not be found out which single capillary is defective. Consequently, in such a case, because of only one of thousands of capillaries, the entire module must be replaced. Even then, a repair of a capillary is not possible because the system is closed. The largely intact module must be discarded.
- • Individual modules can not be styled when a capillary defect is detected. In the area z. As the filtration of water, beverages and biotechnological liquids or the sterilization of gases, this is absolutely necessary to ensure the microbiological quality, this must be possible even with the continuation of production with the remaining modules.
- • The outer compartments must be separated from each other and sealed against each other. This is very difficult to realize in terms of production technology.
- • A cleaning of the capillaries by means of a gas bubble stream is only possible in such a way that the entire structure is flowed through by the gas bubble stream from bottom to top, Since the gas bubbles to the top (decreasing pressure) increase, uniform conditions over the entire height are not adjustable. In many of the systems mentioned, such gas bubble guidance is not possible at all.
- • Especially with higher capillary piles, they sag due to their own weight and are not stabilized. It comes to tensile stress at the cast ends similar to conventional module designs.
- • Liners for flow distribution and stabilization are not provided.
- • Fluid can not be introduced directly into the capillary stack. An associated cleaning of capillaries due to high local flow can not be exploited.
- • A concentration of the residual volume in the system in large-scale use (the inner space is completely flowed through) is not possible.
- • A separate supply and discharge of different fluids in and out of the capillary stack is not possible
R = Retentat, P = Permeat, Z = Zufuhr R = retentate, P = permeate, Z = feed
Aufgabe in der Erfindungsarbeit war es, ein System zu entwickeln, das weder die Nachteile der bisher großtechnisch marktgängigen Modulsysteme als auch die neuerer Entwicklungen nicht aufweist und gleichzeitig keine neuen Nachteile ergibt. Die Vorteile der Erfindung sind nachfolgend zusammengefaßt. Es wird gleichzeitig die Erfindung damit auch erläutert.task in the invention work was to develop a system that neither the disadvantages of the hitherto large-scale marketable Module systems as well as the recent developments does not have and at the same time no new disadvantages. The advantages of the invention are summarized below. At the same time, the invention is thus also explained.
Die Erfindung macht sich zunächst Kapillarmembranen aus dem Stand der Technik zu Nutze. Verwendet werden können Membranen aus jeglichem Material, seien es Polymer-, Keramik-, Metall- oder andere Werkstoffe. Ebenso kann jeder auf dem Markt erhältliche Kapillar- oder Rohrmembrandurchmesser Verwendung finden. Es können Membranen mit einer filtrierenden Schicht innen oder außen oder beidseits zum Einsatz kommen.The Invention makes itself first Use of capillary membranes from the prior art. used can be Membranes made of any material, whether polymer, ceramic, metal or other materials. Likewise, anyone available on the market Capillary or Rohrmembrandurchmesser find use. It can be membranes with a filtering layer inside or outside or on both sides for use come.
Im
Herstellungsprozeß des
erfindungsgemäßen Moduls
wird auf jeden Fall zunächst
ein viellagiger Kapillarstapel hergestellt wie er prinzipiell bereits
1968 in
In der Herstellung einer Kapillarlage können Kapillaren von der Rolle, einzeln auf Länge geschnittene Kapillarstücke oder zu Matten verarbeitete Ware von der Rolle oder als vorgestanzte Stücke Verwendung finden.In the capillary layer can be capillary from the roll, single on length cut capillaries or mats processed from the roll or as pre-cut pieces Find use.
Den Abmessungen der Grundfläche einer Kapillarlage sind nach unten und oben technische und wirtschaftliche Grenzen gesetzt. Angestrebt sind Abmessungen von wenigen Zentimetern bis zu 2 Metern Kantenlänge bzw. Durchmesser. Die Höhe des Stapels aus Kapillarlagen kann nur einige wenige Kapillarlagen ausmachen, jedoch auch viele Hundert davon, so daß Stapel von z. B. einem Meter Dicke denkbar sind. Ein Stapel mit Kapillaren von 0,8 mm Außendurchmesser, einem Kapillarabstand von 0,4 mm, einer durchströmten Grundfläche von 1 qm und einer Dicke von 10 cm (125 Kapillarlagen) hat eine aktive Membranfläche von ca. 260 m2.The dimensions of the base of a capillary are down and up technical and economic limits set. The aim is dimensions of a few centimeters up to 2 meters edge length or diameter. The height of the stack of capillary layers can make up only a few capillary layers, but also many hundreds of them, so that stack of z. B. one meter thickness are conceivable. A stack with capillaries of 0.8 mm outside diameter, a capillary distance of 0.4 mm, a flowed through base of 1 square meter and a thickness of 10 cm (125 capillary layers) has an active membrane area of about 260 m 2 .
Einzelne Lagen unter oder im Lagenstapel, aber auch z. B. jede zweite Lage, können aus netz-, gitter- oder vliesartigem Material oder aus quer zum Verlauf der Kapillaren verlaufenden Spannfäden bestehen und der Strömungsverteilung und/oder der Stabilisierung des Stapels und/oder der Abstandshaltung zwischen Kapillaren dienen. Eine Schicht aus solch netz-, gitter- oder vliesartigem Material kann erfindungsgemäß auch die oberste Lage darstellen. In einem solchen Fall dient das Material im Wesentlichen als Strömungsverteiler und Vorfilter, um zu verhindern, daß Verunreinigungen in den Stapel eindringen, die zu Verblockungen führen können.Separate Lay under or in the pile of layers, but also z. Every other layer, can made of mesh, latticed or fleece-like material or across the Course of the capillaries running tension threads exist and the flow distribution and / or the stabilization of the stack and / or the spacing serve between capillaries. A layer of such mesh, lattice or non-woven material according to the invention may also represent the topmost layer. In such a case, the material essentially serves as a flow distributor and prefilter to prevent contaminants in the stack penetrate, which can lead to blockages.
Einzelne Lagen im Stapel können aus an ihren Enden offenen (ggf. mit unterschiedlicher Länge) oder aber geschlossenen und über ihre Länge mit Löchern versehenen, perforierten, geschlitzten nicht permeablen Kapillaren bestehen über die Fluid von außen direkt in den Kapillarstapel eingebracht werden kann. So kann z. B. bei der Filtration von Flüssigkeiten periodisch Spülgas zur Erzeugung von Luftblasen und zur Abreinigung der Oberflächen der Kapillaren eingedrückt werden oder es ist das Einbringen von chemischer Reinigungsflüssigkeit zur Reinigung der Membranoberflächen möglich.Separate Layers in the pile can from at their ends open (if necessary with different length) or however closed and over her length with holes provided, perforated, slotted non-permeable capillaries persist over the fluid from the outside can be introduced directly into the capillary stack. So z. B. in the filtration of liquids periodically purge gas for generating air bubbles and for cleaning the surfaces of Capillaries pressed in or it is the introduction of chemical cleaning fluid for cleaning the membrane surfaces possible.
In der Herstellung eines Lagenstapels kann es zur Vermeidung von Verschiebungen der einzelnen Kapillaren sinnvoll sein, dem Stapel Zusammenhalt zu geben, in dem dieser wenigstens in Teilbereichen mit einer verfestigenden Masse (z. B. Stärke, Textilschlichte o. ä.) durchtränkt wird, die nach Herstellung des Modulrahmens oder des Rahmenmoduls wieder ausgewaschen wird.In The production of a stack of layers can be avoided to avoid displacements make sense of the individual capillaries, the stack cohesion to give in which this at least in some areas with a strengthening Mass (eg starch, Textile sizing or similar) imbued after the module frame or frame module has been manufactured is washed out again.
Ist der Stapel von rechteckiger Form, so wird er Seite für Seite mit Vergußmasse versehen und Aushärtzeit eingeräumt. Es ist auch möglich, daß auf die jeweils zu vergießende Seite eine Form (innen ggf. mit nicht haftendem Belag ausgekleidet) „aufgesteckt" wird, in die dann Vergußmasse eingebracht wird. Dies hat den Vorteil, daß die Vergußstelle genauer definiert und geformt werden kann und daß die linken und rechten Enden des Vergußbereichs abgeschrägt werden können, um so mehr Kontaktfläche zum nächsten daran anschließenden Vergußbereich der nächsten Seite zu schaffen. Dieser Kontaktbereich kann, ebenfalls erfindungsgemäß, vor oder nach dem Vergießen durch Aufbringen geeigneter Materialien verstärkt und verbessert werden, so daß eine absolut schlüssige Verbindung in diesem Bereich entsteht. Dieses Material kann ein saugfähiges Vlies oder ein Netz sein, aber auch stiftförmige Verbindungsteile. Denkbar ist aber auch, daß die jeweilige Fläche vor einer neuen Vergießaktion jeweils mit einer geeigneten haftverbessernden Chemikalie eingestrichen und vorbehandelt wird. Ist der Stapel von runder Form, so erübrigen sich die letztgenannten Aktionen. In diesem Fall wird der runde Stapel in einem Bad aus Vergußmasse gedreht. Sowohl bei der rechteckigen als auch der runden Form kann ein im Stand der Technik üblicher Schleudervorgang Anwendung finden. Sofern erforderlich, können danach die oberen und unteren und ggf. auch die seitlichen Vergußmasseflächen plan geschliffen werden und es werden -ebenfalls wie im Stand der Technik üblich- die Außenseiten an denen die Kapillaren offen liegen sollen bearbeitet z. B. durch abschneiden, absägen, abfräsen, abdrehen usw.If the stack of rectangular shape, it is provided side by side with sealing compound and off hardened time. It is also possible for a mold to be potted on the side to be potted (optionally lined with non-stick coating on the inside) into which potting compound is then introduced, which has the advantage that the potting site can be more accurately defined and shaped and that the left and right ends of the potting area can be chamfered so as to provide more contact area with the next potting area of the next side, which contact area can also be strengthened and improved before or after potting by applying suitable materials This material may be an absorbent non-woven or a net, but also pin-shaped connecting parts, but it is also conceivable that the respective surface is coated and pretreated with a suitable adhesion-improving chemical before a new casting action. Is the St Apel of round shape, so the last-named actions are superfluous. In this case, the round stack is rotated in a bath of potting compound. Both in the rectangular and the round shape, a conventional in the prior art spin application find. If necessary, then the upper and lower and possibly also the lateral Vergußmasseflächen be ground flat and it will also-as usual in the art-the outer sides where the capillaries are to be open processed z. B. by cutting, sawing, milling, turning off, etc.
In einer weiteren möglichen Variante der Herstellung des Modulrahmens werden die einzelnen Kapillarlagen nicht vergoßen, sondern erfindungsgemäß miteinander verklebt. Dies kann so erfolgen, daß zunächst ein Flachrahmen mit einer gewissen Höhe aus einem geeigneten Material gelegt wird. Darauf wird eine Klebemasse gestrichen, in die die Kapillaren eingelegt werden. Über die Kapillaren wird nun ein Band gelegt, das in der Breite ungefähr der des untenliegenden Rahmens entspricht. Über das Niederfahren eines Stempels von der Grundfläche des gesamten Kapillarlagenstapels wird die Lage an Kapillaren nun in die auf den Rahmen aufgestrichene Klebemasse eingedrückt. Die Menge an Klebemasse ist so dosiert, daß beim Vorgang des Zusammendrückens der Raum zwischen den Kapillaren ausgefüllt wird. Nachdem der Stempel wieder hochgezogen wurde, wird nunmehr auf das obenliegende Band wieder Klebemasse aufgebracht, Kapillaren werden eingelegt, Band wird aufgelegt und der Stempel drückt wieder alles zusammen. Dies wird bis zum vollständigen Stapel so fortgeführt. Oben auf den Stapel wird als letztes wieder ein Rahmen aufgelegt. Auch bei dieser Art von Modulrahmen werden nun in bekannter Art und Weise die Außenseiten bearbeitet z. B. durch abschneiden, absägen, abfräsen, abdrehen usw.In another possible Variant of the production of the module frame are the individual capillary layers do not shed, but according to the invention each other bonded. This can be done so that first a flat frame with a certain height made of a suitable material. On it is an adhesive painted, in which the capillaries are inserted. About the Capillaries will now be placed a band that is approximately the width of the below. About the downing of a Stamp from the base the position of the capillaries now becomes the position of capillaries pressed into the pasted on the frame adhesive. The Amount of adhesive is metered so that the process of compression of the Space between the capillaries is filled. After the stamp has been hoisted again, is now on the overhead band applied again adhesive, capillaries are inserted, tape is hung up and the stamp presses everything together again. This will be until complete Stack continued. At the top of the stack, a frame is the last to be launched again. Also in this type of module frame are now in a known manner and way the outsides edited z. B. by cutting, sawing, milling, turning off, etc.
In den vorgenannten Schritten ist ein Modulrahmen mit einem innen liegenden, von Fluid durchströmbaren Kapillarlagenstapel (siehe Zeichnungen 2) entstanden. Der Rahmen ist oben und unten plan. Bei runden Rahmen sind am gesamten Umfang, bei rechteckigen Rahmen an mindestens einer, aber auch an allen Seiten, die offen liegenden Kapillaren sichtbar wie z. B. die Ansichten Zeichnungen 2 verdeutlichen. Solche Modulrahmen können nunmehr einzeln zu Rahmenmodulen weiterverarbeitet werden oder aber duch gemäß Zeichnung 2D zunächst zu größeren Modulrahmeneinheiten, damit aus diesen dann wiederum Rahmenmodule mit großer Membranfläche entstehen können. Solche Rahmenmodule können dann in verschiedener Art und Weise in einem verfahrenstechnischen Aufbau Verwendung finden.In the aforementioned steps is a module frame with an inner, permeable by fluid Kapillarlagenstapel (see drawings 2) emerged. The frame is up and down plan. For round frames, the entire circumference, with rectangular frames on at least one, but also on all Pages, the exposed capillaries visible such. For example, the views Drawings 2 clarify. Such module frames can now individually to frame modules or duch as shown in the drawing 2D first to larger module frame units, so that they then turn into frame modules with a large membrane area can. Such frame modules can then in different ways in a procedural Construction use find.
An einzelne Modulrahmen wird nun gemäß Zeichnung 3A ein Kasten aufgeschoben und mit dem Modulrahmen verklebt oder verschweißt. Es entsteht so ein Raum an der Außenseite eines Modulrahmens. Dies ist auch möglich, in dem ein solcher Kasten gemäß Zeichnung 3B in eine vorher in die Verguß-/Verklebemasse eingeschnittene oder eingefräste Nut eingeschoben und danach verklebt/verschweißt wird. Solcherart Kästen können gemäß Zeichnung 3D auch an einer oder mehrerer Seiten einer gesamten Modulrahmeneinheit angebracht werden.At individual module frame is now pushed according to drawing 3A a box and glued or welded to the module frame. This creates a space on the outside a module frame. This is also possible in which such a box as shown in the drawing 3B in a previously cut into the encapsulant / adhesive or milled Groove inserted and then glued / welded. Such kind of boxes can according to drawing 3D also on one or more sides of an entire module frame unit be attached.
Eine Besonderheit dieser Kasten besteht darin, daß Ihre außen liegenden Flächen (siehe Zeichnungen 3A, 3B, 3D) wenigstnes teilweise aus einem abnehmbaren und verschließbaren Deckel bestehen kann und dieser fluidicht an seinen Kanten abgedichtet ist. Dieser Deckel kann aus durchsichtigem Material bestehen und ist dann eine Scheibe. In der Seitenansicht 3C ist dargestellt, daß durch die Scheibe auf die offenen Enden der Kapillaren des Modulrahmens gesehen werden kann. Diese Ansicht zeigt exemplarisch auch zwei Prozeßanschlüsse an den außenliegenden Raum. Während eines Integritätstestes, aber auch schon während des laufenden Betriebes, können defekte Kapillaren durch das Fenster visuell erkannt werden. Im Falle eines erkannten Defektes kann die Permeatabfuhr der betreffenden Moduleinheit sofort geschlossen werden. Erfindungsgemäß kann in jeden Permeatraum auch ein Bewegungsmelder eingebaut werden, der im laufenden Betrieb oder während des Integritätstestes aus einzelnen Kapillaren evtuell austretende Fontänen erkennt und einen solchen Defekt meldet.A Special feature of this box is that your outer surfaces (see Drawings 3A, 3B, 3D) wenigstnes partly from a removable and lockable Can cover and this fluid-tight sealed at its edges is. This cover can be made of transparent material and is then a disc. In the side view 3C is shown that by the disc on the open ends of the capillaries of the module frame can be seen. This view shows an example of two process connections to the external Room. While an integrity test, but even during the ongoing operation, can Defective capillaries are visually recognized through the window. in the In the case of a detected defect, the permeate discharge of the relevant Module unit to be closed immediately. According to the invention, in each permeate room also a motion detector are installed, the during operation or during the integrity test from individual capillaries may emerge emerging fountains and reports such a defect.
Eine Reparatur als defekt erkannter Kapillaren erfolgt durch die geöffnete Deckelöffnung und in dem man die Enden der entsprechenden Kapillaren, wie im Stand der Technik üblich, verschließt.A Repair as defective detected capillaries takes place through the open lid opening and in which the ends of the corresponding capillaries, as in the state the technique is common, closes.
Die Ausführung kann gemäß Zeichnung 3E auch so gestaltet werden, daß einzelne Lagen an Kapillaren nur jeweils an einer Seite des Modulrahmens offen enden und somit auch in unterschiedlichen Kasten. Eine oder mehrere Kapillarlagen können dabei aus so genannten Injektionskapillaren bestehen. Diese enden (wie Zeichnung 3E zeigt) in einem separaten außenliegenden Raum über diesen Fluid direkt in das Permeatpaket eingedrückt werden kann. Dies ist z. B. wünschenswert für die Einbringung von Gas um die Kapillaren mit Gasblasen abzureinigen oder für die Einbringung von Reinigungsflüssigkeit direkt an die Kapillaren oder auch um Fluid gleichmäßig und direkt dem Kapillarstapel zuzuführen.The execution can according to drawing 3E also be designed so that individual Layers on capillaries only on one side of the module frame open ends and thus in different box. One or several capillary layers can consist of so-called injection capillaries. These ends (like Drawing 3E shows) in a separate external space over this Fluid can be pressed directly into the permeate. This is z. B. desirable for the Incorporation of gas to clean the capillaries with gas bubbles or for the introduction of cleaning fluid directly to the capillaries or even to fluid evenly and feed directly to the capillary stack.
Ein einzelnes Rahmenmodul oder auch zu einer Moduleinheit übereinander gestapelte und miteinander verbundene Rahmenmodule können mit einem Unter- und einem Oberteil versehen (es entsteht ein Kopf- und ein Bodenrraum) und so betrieben werden. Eine größere Einheit ergibt sich, wenn man gemäß Zeichnung 4A mehrere Moduleinheiten mit Zwischenstücken und einem Unter- und einem Oberteil versieht. In beiden Fällen erlaubt dies das Durchströmen des mit Kapillaren durchsetzten Innenkanals der so geschaffenen Einheit, wobei Fließgeschwindigkeit und Druck je nach Einsatzfall stark unterschiedlich eingestellt werden können.One single frame module or to a module unit on top of each other stacked and interconnected frame modules can with a lower and a top provided (it creates a head and a Bodenrraum) and so operated. A larger unit arises when one according to drawing 4A several modular units with spacers and a lower and a Shell provides. In both cases this allows the flow through the interspersed with capillaries inner channel of the created Unit, wherein flow rate and pressure set very differently depending on the application can be.
Einzelne Moduleinheiten sind gegenüber Zwischen-, Unter- und Oberteilen fluiddicht abgedichtet. Dies kann über Verkleben erfolgen. Vorteilhaft ist jedoch die Abdichtung über Dichtungen. Dies kann auch über Klippverbindungen erfolgen. Eine erfindungsgemäße weitere und vorteilhafte Möglichkeit ist das Zusammendrücken der gesamten Anordnung, so daß alle Dichtungen fluiddicht verschließen. Das Zusammendrücken kann manuell über eine über dem Oberteil angebrachte Spindel oder automatisch über eine hydraulische Vorrichtung erfolgen. Möglich ist auch, daß an den Ecken der Anordnung der Module Gewindestangen, die über Ösen mit den Moduleinheiten verbunden sind, angebracht sind, mittels derer die gesamte Anordnung zusammengeschraubt werden kann.Separate Module units are opposite Intermediate, lower and upper parts sealed fluid-tight. This can be about bonding respectively. However, the sealing over seals is advantageous. This can also be done via clip connections respectively. A further invention and advantageous way is the squeezing the whole arrangement, so that all Seal seals fluid-tight. The squeezing can manually over one over attached to the top spindle or automatically via a hydraulic device done. It is also possible that to the Corners of the arrangement of the modules threaded rods, which have eyelets with the module units are connected, are attached by means of which the entire arrangement can be screwed together.
Die Zwischenstücke und die Unter- und Oberteile können, soweit erforderlich, mit prozeß- und meßtechnischen Anschlüssen versehen sein.The spacers and the bottoms and tops can, if necessary, with process and metrological connections be provided.
Eine wie in Zeichnung 4A dargestellte Einheit kann nun verfahrenstechnisch in einer Prozeßanlage gemäß den Zeichnungen 5 betrieben werden. Dabei sind folgende Fahrweisen einzeln oder in Kombination miteinander möglich.
- a. Filtrationsbetrieb (Version Zeichnung 5A): Fluid wird über die Zufuhrleitung und V1 zugeführt. Der Innenraum der Module wird befüllt. Falls erforderlich zirkuliert die Pumpe P1 je nach Anwendung das Fluid über die Ventile V2 und V3. Damit ist eine Cross-Flow-Geschwindigkeit einstellbar.
- b. Filtrationsbetrieb (Version Zeichnung 5B): Die Zufuhrleitung für Fluid ist über ein Ventil mit der Spülgasleitung verbunden. Fluid wird zugeführt bei geschlossenenm Spülgasventil und dann direkt über die Injektionskapillaren in den Kapillarlagenstapel.
- c. Durch Umkehrung der Förderrichtung von Pumpe P1 ist eine Umkehr der Fließrichtung durch die Modulanordnung erzielbar.
- d. Permeatabzug: Die für den Separationsvorgang erforderliche treibende Kraft kann aufgebracht werden über das Anlegen von Vakuum (Pumpe P2), über das Anlegen von Zufuhrdruck, über den hydrostatischen Druck der Flüssigkeitssäule (hoher Kopfraum) oder über eine Kombination aus diesen. Der TMP jedes Einzelmoduls (oder auch einzelner Modulgruppen) ist durch entsprechende Ventile separat regelbar.
- e. Rückspülung: Eine Rückspülung kann erfolgen durch Eindrücken von Permeat über die Pumpe P3 in den Permeatkanal und damit in die Lumenseite der Kapillaren. Jedes Einzelmodul (aber auch einzelne Modulgruppen) sind durch entsprechende Ventile regelbar.
- f. Reinigung: Mittels der Pumpe P4 ist die Reinigung durchzuführen. Es sind dabei folgende Fahrweisen wählbar: – Zirkulation durch den gesamten Modulaufbau von unten nach oben oder umgekehrt – Zirkulation über einzelne Modulgruppen von unten nach oben oder umgekehrt – Zirkulation über jedes einzelne Modul bei voll befülltem Modulaufbau von unten nach oben oder umgekehrt – Zirkulation über jedes einzelne Modul bei nur bis über das zu reinigende Modul befülltem Modulaufbau von unten nach oben oder umgekehrt
- a. Filtration operation (version drawing 5A): Fluid is supplied via the supply line and V1. The interior of the modules is filled. If necessary, depending on the application, pump P1 will circulate the fluid through valves V2 and V3. This is a cross-flow speed adjustable.
- b. Filtration Mode (Version Drawing 5B): The fluid supply line is connected to the purge gas line via a valve. Fluid is supplied with the purge gas valve closed and then directly into the capillary stack via the injection capillaries.
- c. By reversing the conveying direction of pump P1, a reversal of the direction of flow through the module arrangement can be achieved.
- d. Permeate Discharge: The driving force required for the separation process can be applied via the application of vacuum (pump P2), via the application of supply pressure, via the hydrostatic pressure of the liquid column (high headspace) or via a combination of these. The TMP of each individual module (or of individual module groups) can be regulated separately using appropriate valves.
- e. Backwashing: A backflushing can be done by injecting permeate through the pump P3 into the permeate channel and thus into the lumen side of the capillaries. Each individual module (but also individual module groups) can be controlled by appropriate valves.
- f. Cleaning: The pump P4 is to be cleaned. The following operating modes can be selected: - Circulation through the entire module structure from bottom to top or vice versa - Circulation via individual module groups from bottom to top or vice versa - Circulation over each individual module with fully filled module structure from bottom to top or vice versa - Circulation above each single module with only up to over the module to be cleaned filled module construction from bottom to top or vice versa
Eine Modulspülung (Fast Flush) der Einheit gemäß Zeichnungen 5 ist möglich durch Erhöhung der Umwälzgeschwindigkeit über Pumpe P1 und durch Hinzuschalten der Pumpe P4. Mit P4 kann auch jedes Modul einzeln einer Spülung unterzogen werden. Dies kann während des laufenden Filtrationsbetriebes geschehen.A modular flushing (Fast flush) of the unit according to drawings 5 is possible by raising the circulation speed via pump P1 and by switching on the pump P4. Everybody can do it with P4 Module individually a rinse be subjected. This can be done during happen the current filtration operation.
Die Spülgaszufuhr in die Einheit gemäß Zeichnungen 5 ist über die entsprechenden Ventile für alle Module, für einzelne Modulgruppen oder für einzelne Module möglich. Dies kann bei laufendem Filtrationsbetrieb, aber auch bei der Reinigung, während der Modulspülung und während der Rückspülung durchgeführt werden. Ratsam ist, die Gasspülung mit Flüssigkeitsumlauf zu kombinieren, so daß ein Gemisch aus Flüssigkeit und Gasblasen entsteht. Dieser Flüssigkeitsumlauf kann mit der Pumpe P4 erzeugt werden.The purge gas supply to the unit according to drawings 5 is via the corresponding valves for all Mo module, for individual module groups or for individual modules. This can be done during filtration operation, but also during the cleaning, during the module flushing and during the backwashing. It is advisable to combine the gas flush with liquid circulation, so that a mixture of liquid and gas bubbles is formed. This fluid circulation can be generated with the pump P4.
Ein Leerdrücken der Einheit gemäß Zeichnungen 5 ist unter Öffnen des obersten Gasventils und eines Ablaßventils möglich.One empty Press the unit according to drawings 5 is under Open the top gas valve and a drain valve possible.
Der Integritätstest kann in beide Richtungen (out/in und in/out) durchgeführt werden. Durch entsprechende Ventilschaltungen kann Modul für Modul durchgetestet werden. Nach Leerdrücken und Schließen aller Aus- und Einlaßventile kann Gasdruck permeat- oder retentatseitig angelegt und ein Druckabfall über eine Zeit gemessen werden.Of the integrity test can be done in both directions (out / in and in / out). By appropriate valve circuits module for module be tested. After pressing and closing all out- and intake valves Gas pressure can be applied permeat- or retentate side and a pressure drop across a Time to be measured.
Ergibt der Integritätstest, daß ein Kapillardefekt in einem der Module besteht, so wird der Modulraum langsam über das Niveau des betreffenden Moduls befüllt. Zusätzlich kann bei vollem Innenraum auch ein Druck angelegt werden. Durch die Modulfenster (Scheiben) ist ab einer gewissen Flüssigkeitshöhe bzw. einem gewissen Druck zu sehen, wie Flüssigkeit verstärkt aus einer oder mehrerer defekter Kapillaren austritt. Meist wird der vermehrte Flüssigkeitsaustritt bereits während laufender Kontrollen während des Betriebs festzustellen sein. Das entsprechende Modul kann bei Feststellen von Defekten durch entsprechende Ventilschaltung isoliert werden bis die defekten Kapillaren repariert werden können.results the integrity test, the existence Capillary defect in one of the modules, the module space is slowly over the Level of the relevant module. In addition, when the interior is full even a print can be created. Through the module windows (slices) is from a certain liquid level or to see a certain pressure as fluid amplifies out one or more defective capillaries emerges. Most of the time increased fluid leakage already during ongoing checks during of the establishment. The corresponding module can at Detecting defects by appropriate valve circuit isolated until the defective capillaries can be repaired.
Ist die defekte Kapillare identifiziert, so läßt man weiter Flüssigkeit aus der defekten Kapillare austreten. Man öffnet das entsprechende Fenster und kann das Kapillarende nun (wie auch im Stand der Technik üblich) verstopfen.is the defective capillary identified, so you can continue to liquid emerge from the defective capillary. You open the corresponding window and can now plug the capillary end (as is common in the art).
Die
Erfindung weist gegenüber
dem Stand der Technik folgende wesentlichen Vorteile auf:
Der
Raumflächenbedarf
ist sehr gering. Dies ist bedingt durch die sehr kompakte Bauweise
des Moduls und die kompakte Anordnung der Membranen. Als Vorteil
kommt hinzu, daß der
Grundflächenbedarf
extrem niedrig ist wegen des Modulaufbaues in die Höhe. Raumhöhen können daher
optimal ausgenutzt werden. Zudem kann die Bauform rechteckig sein,
was ebenso Aufstellungsraum spart.The invention has the following essential advantages over the prior art:
The space requirement is very low. This is due to the very compact design of the module and the compact arrangement of the membranes. Another advantage is that the footprint is extremely low because of the module structure in the amount. Room heights can therefore be optimally utilized. In addition, the design can be rectangular, which also saves installation space.
Der Energieaufwand liegt in Höhe der energetisch günstigen getauchten Systeme. Meist wird beim erfindungsgemäßen System keine oder nur eine seltene Gasspülung erforderlich sein. In diesen Fällen wird der Energiebedarf deutlich auch unterhalb des Bedarfs der getauchten Systeme liegen.Of the Energy expenditure is high the energetically favorable submerged systems. Most is the system of the invention No or only a rare gas flush may be required. In these cases The energy requirement is also well below the needs of the submerged Systems are.
Die Anströmung jeder Stelle jeder Kapillare ist absolut identisch. Dies ist bedingt durch die absolut regelmäßige Anordnung der Kapillaren in jeder Schichtebene. Weiterhin begünstigt der turmmäßige Aufbau die Verteilung des Mediums.The inflow every spot of every capillary is absolutely identical. This is conditional by the absolutely regular arrangement the capillaries in each layer plane. Furthermore favors the turmmäßige structure the distribution of the medium.
Die Fluidzufuhr kann auch direkt in den Kapillarlagenstapel erfolgen. Führt man die gesamte Fluidmenge -entsprechend der Menge an abgezogenem Permeat- innerhalb eines Moduls zu, so wird in diesem eine vorteilhaft hohe Strömung erzeugt, die abreinigend wirkt. Nach einer gewissen Zeit kann ein anderes Modul für die Fkuidzufuhr geschaltet werden.The Fluid supply can also be done directly in the capillary stack. Leading the total amount of fluid corresponding to the amount of permeate removed within a module, so in this an advantageously high flow generated, which acts purifying. After a while, one can another module for the Fukuidzufuhr be switched.
Bei der Separation von Flüssigkeiten ist oft eine Gasspülung der Membranoberflächen vorteilhaft. Dies kann einfach und sehr effektiv so geschehen, daß Spülgas über die Injektionskapillaren direkt in den Kapillarlagenstapel eingedrückt wird während eine gewisse Flüssigkeitsumwälzung weiter betrieben wird. Eine sehr gute und gleichmäßige Überströmung und Abreinigung aller Kapillaraußenflächen mit Spülgasblasen findet so statt.at the separation of liquids is often a gas flush the membrane surfaces advantageous. This can be done simply and very effectively so that purge gas on the Injection capillaries is pressed directly into the Kapillarlagenstapel while a certain fluid circulation on is operated. A very good and even overflow and cleaning of all Capillary outer surfaces with Spülgasblasen takes place like this.
Die physische Beanspruchung der Kapillaren ist sehr gering, da diese stabil angeordnet sind. Auf Grund geringer Strömungsgeschwindigkeiten (out/in-Betrieb) ist auch die Zugwirkung des Druckabfalls des strömenden Mediums gering. Ferner bewegen sich die Kapillaren nicht und es kommt nicht zu Materialermüdungen.The Physical strain on the capillaries is very low as these are arranged stably. Due to low flow speeds (out / in operation) the tensile effect of the pressure drop of the flowing medium is also low. Further The capillaries do not move and there is no material fatigue.
Im out/in-Betrieb ist die Spanne des TMP innerhalb eines Moduls verschwindend gering. Selbst zwischen oben und unten in der gesamten Modulanordnung herrscht ein nur geringer Druckunterschied (meist nur der hydrostatische Druck). Zudem kann über eine Einstellung des Permeatdruckes für jedes Modul der optimale TMP eingestellt werden.in the out / in operation, the span of the TMP within a module is vanishing low. Even between the top and bottom of the entire module assembly There is only a slight pressure difference (usually only the hydrostatic Print). In addition, over a setting of the permeate pressure for each module is the optimal one TMP can be adjusted.
Eine Strömungsumkehr ist problemlos jederzeit auch während laufender Produktion möglich.A flow reversal is easy at any time even during ongoing production possible.
Eine Reinigung ist leicht und effektiv möglich, da keine Beschränkungen und keine Totzonen bestehen. Jede Kapillare ist gleich gut anström- und reinigbar. Die Umwälzgeschwindigkeit bei der Reinigung kann leicht verändert und angepaßt werden.A Cleaning is easy and effective, as there are no restrictions and no dead zones exist. Each capillary can be easily primed and cleaned. The circulation speed when cleaning can be easily changed and adapted.
Die Rückspülung ist leicht und effektiv möglich. Dabei ist darauf hinzuweisen, daß das Rückspülmedium aus den bereits bei "Reinigung" genannten Gründen optimal zugeführt werden kann. Dadurch wird jede Kapillare gleichmäßig und gleich gut vom Rückspülmedium durchströmt.The Backwashing is easily and effectively possible. It should be noted that the backwash for the reasons already mentioned in "cleaning" optimal supplied can be. This makes each capillary even and equal to the backwash medium flows through.
Ein Fast Flush ist ebenfalls leicht und effektiv möglich. Dies kann geschehen durch
- – Erhöhung der Fördermenge der Umwälzpumpe P1
- – Zuschalten einer weiteren Pumpe parallel zu P1
- - Increasing the flow rate of the circulation pump P1
- - Connecting another pump parallel to P1
Durch Ändern der Förderrichtung beider Pumpen ist dies sogar in beide Richtungen möglich. Ein lange andauernder Fast-Flush ist ferner einfach dadurch möglich, daß zu separierendes Fluid über eine gewisse Zeit nur über die Injektionskapillaren eines einzelnen Moduls eingebracht wird. Dadurch entsteht innerhalb dieses Moduls eine starke Strömung, die erbreinigend wirkt. Nach einer gewissen Zeit, kann ein anderes Modul geschaltet werden und so fort. Ein ähnlicher Effekt kann erzielt werden, in dem durch P4 und Schaltung entsprechender Ventile eine starke Überströmung eines einzelnen Moduls erzeugt wird.By changing the conveying direction This is even possible in both directions for both pumps. One long-lasting fast flush is also possible simply by separating Fluid over a certain time just over the injection capillaries of a single module is introduced. This creates a strong flow within this module cleanses. After a while, another module may be be switched and so on. A similar effect can be achieved in which by P4 and switching corresponding valves a strong overflow of one single module is generated.
Der Integritätstest ist leicht in beide Richtungen durch die Kapillare möglich und sowohl mit Flüssigkeit als auch mit Gasen durchführbar.Of the integrity test is easily possible in both directions through the capillary and both with liquid as also with gases feasible.
Das Auffinden defekter Kapillaren ist problemlos und vor allem während des Betriebs und ohne Ausbau des Moduls möglich. Dadurch ist optimale Betriebssicherheit gewährt. Wird während des Betriebs eine Kapillare als defekt identifiziert, kann das ensprechende Modul durch Schließen der Permeatventile vorübergehend stillgelegt werden.The Finding defective capillaries is easy and especially during the Operation and without removal of the module possible. This is optimal Operational safety granted. Will while the operation of a capillary identified as defective, the ensprechende Module by closing the permeate valves temporarily be shut down.
Die Kapillaren sind geordnet arrangiert. Sie laufen in einer Schicht absolut parallel. Einzelne Schichten sind zueinander in einem vorher bestimmten Winkel zueinander angeordnet.The Capillaries are arranged in an orderly manner. They walk in a shift absolutely parallel. Individual layers are related to each other in advance certain angles to each other.
Totzonen sind sowohl permeat- wie auch retentatseitig auf Grund der Kapillaranordnung nicht möglich.dead zones are both permeat and retentate side due to the capillary arrangement not possible.
Eine Aufkonzentrierung des Restvolumens in der Anlage ist möglich. Es kann das Fluidniveau bis auf das Niveau des untersten Moduls abgesenkt werden.A Concentration of the residual volume in the system is possible. It For example, the fluid level can be lowered to the level of the lowest module become.
Die Modulfertigung ist gut automatisierbar.The Module production is easy to automate.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8122 | Nonbinding interest in granting licences declared | ||
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |