DE10224523B4

DE10224523B4 - Membrantrennvorrichtung

Info

Publication number: DE10224523B4
Application number: DE2002124523
Authority: DE
Inventors: Robert Dr. Kohlheb
Original assignee: UWATECH GmbH; UWATECH UMWELT- und WASSERTECHNIK GmbH
Current assignee: UWATECH GmbH; UWATECH UMWELT- und WASSERTECHNIK GmbH
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2022-06-01
Also published as: DE10224523A1

Abstract

Membrantrennvorrichtung mit einer zylindrischen Membran (4), die abgedichtet zwischen einem deckelseitigen Ringelement (6), und einem bodenseitigen Ringelement (8) angeordnet ist und die beabstandet von einem abgedichtet im deckelseitigen Ringelement und im bodenseitigen Ringelement angeordneten Innenzylinder (10) umgeben ist zur Bildung eines inneren zylindrischen Ringraumes (12),
– mit einer Membranhalterung (14), die abgedichtet im deckelseitigen Ringelement (6) und bodenseitigen Ringelement (8) angeordnet ist und auf deren zylindrischer Außenfläche die Membran (4) angeordnet ist,
– mit einer zylindrischen Spirale (11), die abgedichtet im deckelseitigen Ringelement und bodenseitigen Ringelement im Ringraum (12) zwischen Membran und Innenzylinder angeordnet ist,
– mit einem Außenzylinder (14), der beabstandet zum Innenzylinder (10) angeordnet ist zur Bildung eines äußeren zylindrischen Ringraumes (20) und der abgedichtet mit einem Deckel (16) und einer Bodenplatte (18) verbunden ist,
– mit einer Zirkulationspumpe (24), die saugseitig mit dem inneren zylindrischen Ringraum (12) und druckseitig mit dem äußeren zylindrischen...

Description

Die Erfindung betrifft eine Membrantrennvorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 197 02 902 ist eine Membrantrennvorrichtung bekannt, die eine zylindrische Membranhalterung aufweist, die abgedichtet zwischen einer Deckplatte und einer Bodenplatte angeordnet ist und auf deren zylindrischer Außenfläche eine zylindrische Membran angeordnet ist. Die Membranhalterung ist beabstandet von einem abgedichteten in der Deckplatte und der Bodenplatte angeordneten zylindrischen Bauteil umgeben zur Bildung eines zylindrischen Ringraumes. In der Membranhalterung sind mit der Membran in Verbindung stehende Sammelräume für Permeat ausgebildet. An diese Sammelräume ist ein Permeatauslass angeschlossen. Eine Zirkulationspumpe steht saugseitig mit einem von der zylindrischen Membranhalterung und der Deck- und Bodenplatte eingeschlossenen Innenraum und druckseitig mit dem zwischen der Membranhalterung und dem Bauteil gebildeten Ringraum in Verbindung. Dieser Ringraum ist wiederum über einen Zirkulationskanal mit dem Innenraum verbunden. In den Innenraum ist über einen Einlass eine zu untersuchende und mit Druck beaufschlagbare Substanz einspeisbar. Die Zirkulationspumpe weist druckseitig einen Auslass für die Entnahme von Konzentrat auf. Zur Befestigung der Membran auf der Membranhalterung weist die Membranhalterung auf der Außenfläche eine Abflachung auf, gegen die eine zylinderabschnittförmige Druckplatte mittels wenigstens zweier, die Druckplatte und den Mantel der Membranhalterung durchsetzende Spannstifte pressbar ist, wobei die Membran zwischen Abflachung und Druckplatte eingespannt und abgedichtet wird. Die Membran wird beim Übergang in die Abflachung abgeknickt, so dass sich hier Abdichtungsprobleme ergeben können. Das Auswechseln ist verbesserungsbedürftig. Die bekannte Membrantrennvorrichtung ist im Wesentlichen als Prüfgerät geeignet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Membrantrennvorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass mit geringem Aufwand eine große Ausbeute erreichbar ist. Außerdem soll die Membran einfach auswechselbar sein mit optimierter Abdichtung.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.
Es zeigt
1 einen senkrechten Schnitt durch eine erfindungsgemäße Membrantrennvorrichtung und
2 einen Horizontalschnitt A-A durch die Membrantrennvorrichtung nach 1.
Gleiche und einander entsprechende Bauteile sind in den Figuren der Zeichnung mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Zeichnung zeigt eine Membrantrennvorrichtung 2 mit einer zylindrischen Membran 4, die abgedichtet zwischen einem deckelseitigen Ringelement 6 und einem bodenseitigen Ringelement 8 angeordnet ist. Die Membran ist von einem abgedichteten im deckelseitigen Ringelement und bodenseitigen Ringelement angeordneten Innenzylinder 10 umgeben zur Bildung eines inneren zylindrischen Ringraumes 12.
Die Membran wird von einer Membranhalterung 14 aufgenommen, die abgedichtet im deckelseitigen Ringelement und bodenseitigen Ringelement angeordnet ist und auf deren zylindrischen Außenfläche die Membran 4 angeordnet ist. Im Ringraum 12 zwischen Membran 4 und Innenzylinder 10 ist eine zylindrische Spirale 11 vorgesehen, die abgedichtet im deckelseitigen Ringelement und bodenseitigen Ringelement angeordnet ist.
Ein Außenzylinder 15, der abgedichtet mit einem Deckel 16 und einer Bodenplatte 18 verbunden ist, umgibt den Innenzylinder 10 mit Abstand zur Bildung eines äußeren zylindrischen Ringraumes 20.
Unter der Bodenplatte 18 ist eine Pumpengehäuse 22 angeflanscht, in dem sich eine Zirkulationspumpe 24 befindet, die saugseitig mit dem inneren zylindrischen Ringraum 12 und druckseitig mit dem äußeren zylindrischen Ringraum 20 in Verbindung steht. Der innere Ringraum steht mit dem äußeren Ringraum über einen zwischen Deckel 16 und Ringelement 6 ausgebildeten Ringkanal 25 und wenigstens einen Zirkulationskanal 26 in Verbindung.
Die Zirkulationskanäle 26 sind im deckelseitigen Ringelement 6 ausgebildete Bohrungen, die einwärts und schräg zur radialen und axialen Richtung verlaufen zur Erzeugung einer rotierenden Strömung des zu behandelnden Mediums. Die Zirkulationskanäle 26 münden in einen ringförmigen Sammelraum 28, der im deckelseitigen Ringelement 6 ausgebildet ist und mit einem zylindrischen Ringraum 30 zwischen zylindrischer Spirale und Membran in Verbindung steht. Der Sammelraum 28 ist über wenigstens eine auf dem Innenumfang des deckelseitigen Ringelementes 6 ausgebildete helixförmige Nut 32 mit dem zylindrischen Ringraum 30 zwischen zylindrischer Spirale und Membran verbunden zur Verstärkung der Rotation des Mediums. Der zylindrische Ringraum 30 ist über im bodenseitigen Ringelement 8 ausgebildete Kanäle 34 mit der Saugseite der Zirkulationspumpe 24 verbunden.
Die Membranhalterung 14 umfasst einen äußeren zylindrischen Filterkörper 36, einen sich daran nach innen anschließenden zylindrischen Festkörper 38 und einen sich daran nach innen anschließenden, mit dem Festkörper lösbar verbundenen Zylinder 40, welcher einen Innenraum 42 für die Membran 4 passierendes Permeat einschließt, welcher mit einem Permeatauslass 44 in Verbindung steht. Die lösbare Verbindung erfolgt mit Hilfe von vom Innenraum 42 aus zugänglichen Schrauben 45.
Im Festkörper 38 und Zylinder 40 sind Querbohrungen 46 und 48 ausgebildet.
Auf dem Außenumfang des Festkörpers 38 und des Zylinders 40 sind Verteilungskanäle 50 und 52 ausgebildet, die mit den Querbohrungen 46 und 48 verbunden sind. Die Verteilungskanäle werden durch gewindeartige Nuten gebildet.
Der Filterkörper 36 weist auf seiner Außenfläche eine axiale Abflachung 54 mit einem mittigen axial verlaufenden Schlitz 56 auf, welcher den Filterkörper 36 durchsetzt und mit einem entsprechend ausgebildeten den Festkörper 38 durchsetzenden Schlitz 58 fluchtet. In diese Schlitze ist ein T-Profil 60 mit seinem T-Stiel 62 zum Befestigen und Aufspannen der Membran 4 einsetzbar. Der T-Balken 64 des T-Profils ist als die Abflachung 54 ausfüllender Zylinderabschnitt ausgebildet.
Der den Innenraum 42 einschließende Zylinder 40 weist auf seiner Außenfläche auf der dem Schlitz 56 zugewandten Seite eine axiale sichelartige Abflachung 66 auf, so dass eine exzentrische Außenfläche und ein sichelartiger Zwischenraum 68 zwischen dem Zylinder 40 und dem Festkörper 38 entsteht. In die Schlitze 56, 58 ist eine Leiste 70 eingesetzt, deren radiale Stärke so gewählt ist, dass sie bei eingesetztem T-Profil 60 in den sichelartigen Zwischenraum 68 hineinragt, derart, dass durch Verdrehen des Zylinders 40 relativ zum zylindrischen Festkörper 58 die Leiste 70 zum Lösen des T-Profils radial nach außen druckbar ist.
An den Laufradraum 72 der Zirkulationspumpe 26 ist ein Konzentrat-Entnahmestutzen 74 angeschlossen.
Mit dem Bezugszeichen 76 ist ein Einlassstutzen für das zu behandelnde Medium bezeichnet.
Ein zylindrischer Ringraum 78 zwischen der zylindrischen Spirale und dem Innenzylinder 10 steht über im Innenzylinder ausgebildete Gegendrucköffnungen 80 mit dem äußeren zylindrischen Ringraum 20 in Verbindung. Da der Druck im äußeren zylindrischen Ringraum 20 höher ist als im Ringraum 30 zwischen zylindrischer Spirale und Membran wird durch diese Maßnahme die zylindrische Spirale 11 gegen die Membran 4 gedrückt, wodurch wiederum die Membran in Anlage an den zylindrischen Filterkörper 36 angedrückt wird.
Das deckelseitige Ringelement 6 und das bodenseitige Ringelement 8 sind miteinander durch einen zentralen Bolzen 82 verspannt.
Zum Wechseln der Membran 4 wird der Deckel 16 abgeschraubt und wird der Bolzen 82 gelöst. Danach kann die gesamte Membranhalterung 14 herausgezogen und die Membran 4 ausgetauscht werden. Dazu wird zunächst die Schraube 45 soweit gelöst, dass der Zylinder 40 drehbar ist. Der Zylinder 40 wird dann aus der dargestellten Montagestellung nach links oder rechts gedreht, bis der Zylinder durch die Exzenterwirkung seiner Außenfläche die Leiste 70 beaufschlagt und radial nach außen drückt, wodurch das T-förmige Membranbefestigungs-Profil 60 nach außen gedrückt wird, ohne dass ein zusätzliches Werkzeug zum Untergreifen des T-Balkens 64 erforderlich ist. Hierdurch ist die Gefahr eines Beschädigung des Profils 60 sicher vermieden. Die Membran 4 kann dann durch eine neue Membran ersetzt werden. Zum Festspannen der neuen Membran wird zunächst der Zylinder 40 wieder in die dargestellte Ausgangsposition zurückgedreht und wird die Schraube 45 wieder in den Festkörper 38 eingeschraubt. Danach wird das Profil 60 in die Schlitze 56 und 58 gedrückt, um die neue Membran 4 auf dem Filterkörper 36 und damit auf der Membranhalterung 14 zu fixieren. Die so mit einer neuen Membran versehene Membranhalterung wird dann wieder in den Raum zwischen der zylindrischen Spirale eingeschoben und danach können das deckelseitige und bodenseitige Ringelement 6 und 8 mit Hilfe des Bolzens 82 wieder verspannt werden und der Deckel aufgeschraubt werden. Durch die erfindungsgemäß ausgebildete Membranhalterung 14 kann die Membran 4 praktisch kickfrei befestigt werden, so dass eventuelle Abdichtungsprobleme beseitigt sind.
Mit dem Bezugszeichen 90 ist ein an sich bekannter automatisch arbeitender Druckausgleichsringzylinder bezeichnet, der als Pulsationsdämpfer wirkt.
Die Funktionsweise der Membrantrennvorrichtung ist wie folgt:
Ein zu behandelndes (wässriges) Medium wird über den Einlassstutzen 76 zugeführt und strömt im äußeren Ringraum, insbesondere durch die Wirkung der Zirkulationspumpe nach oben in den Ringkanal 25 und von dort durch die Zirkulationskanäle 26 und die helixförmigen Nuten 32 in den Ringraum 30 zwischen der zylindrischen Spirale und der Membran. Durch die spezielle Ausbildung der Zirkulationskanäle 26 und der helixförmigen Strömungsnuten 32 wird dem strömenden Medium eine relativ hohe Rotationsgeschwindigkeit aufgeprägt, so dass hohe Zentrifugalkräfte zum Abtrennen von im strömenden Medium vorhandenen Kontaminationspartikeln erzeugt werden. Das rotierende Medium strömt im Ringraum 30 unter Aufkonzentrierung nach unten, wobei gleichzeitig der größte Teil des Permeats durch die Membran 4 und den Filterkörper 36 gedrückt wird. Das Permeat gelangt dann über die Verteilungskanäle 50 und 52 und die Querbohrungen 46 und 48 in den Innenraum 42 und kann von dort über den Permeatauslassstutzen 44 abgezogen werden. Das aufkonzentrierte Medium gelangt am unteren Ende des Ringraumes 30 über die bodenseitigen Kanäle 34 auf die Saugseite der Zirkulationspumpe 24 und wird durch die Zirkulationspumpe rezirkuliert und mit frisch zugeführtem Medium vermischt dem Trennvorgang wieder zugeführt und kann über den Konzentratentnahmestutzen 74 entnommen werden.
Die zylindrische Spirale und der Festkörper 38 der Membranhalterung 14 bestehen vorzugsweise aus Kunststoff. Der Filterkörper 36 der Membranhalterung 14 ist flüssig keitsdurchlässig und besteht beispielsweise aus einem Sintermaterial.
Mit der erfindungsgemäßen Membrantrennvorrichtung sind hohe Ausbeuten erzielbar. Bei einer Einspeisung von Medium mit 500 l/h und einer Förderleistung der Zirkulationspumpe von 5.000 l/h ergibt sich eine Permeatausbeute von 450 l/h. Der Rest ist Konzentrat. Hierbei stellen sich Rotationsgeschwindigkeiten des Mediums im Ringraum 30 von 10–20 m/sec ein.
Die erfindungsgemäße Membrantrennvorrichtung eignet sich insbesondere für folgende Membrantrennverfahren: Mikrofiltration, Ultrafiltration, Diafiltration, Nanofiltration, Umkehrosmose. Sie ist vorzüglich geeignet zur Trinkwasserherstellung aus kontaminierten Wasser, z. B. im militärischen Bereich, in der Industrie etc. Die Membrantrennvorrichtung ist insbesondere geeignet für petrochemische Prozesswasser, technologische Abwasser aus der chemischen Industrie, Abwasser aus Bodenwäsche militärischer Objekte, Abwasser aus Ionentauscher-Regenerierungsprozessen, Aufbereitung von Wäschereiabwasser, galvanische Abwasser.

Claims

Membrantrennvorrichtung mit einer zylindrischen Membran (4), die abgedichtet zwischen einem deckelseitigen Ringelement (6), und einem bodenseitigen Ringelement (8) angeordnet ist und die beabstandet von einem abgedichtet im deckelseitigen Ringelement und im bodenseitigen Ringelement angeordneten Innenzylinder (10) umgeben ist zur Bildung eines inneren zylindrischen Ringraumes (12), – mit einer Membranhalterung (14), die abgedichtet im deckelseitigen Ringelement (6) und bodenseitigen Ringelement (8) angeordnet ist und auf deren zylindrischer Außenfläche die Membran (4) angeordnet ist, – mit einer zylindrischen Spirale (11), die abgedichtet im deckelseitigen Ringelement und bodenseitigen Ringelement im Ringraum (12) zwischen Membran und Innenzylinder angeordnet ist, – mit einem Außenzylinder (14), der beabstandet zum Innenzylinder (10) angeordnet ist zur Bildung eines äußeren zylindrischen Ringraumes (20) und der abgedichtet mit einem Deckel (16) und einer Bodenplatte (18) verbunden ist, – mit einer Zirkulationspumpe (24), die saugseitig mit dem inneren zylindrischen Ringraum (12) und druckseitig mit dem äußeren zylindrischen Ringraum (20) in Verbindung steht, wobei der innere Ringraum mit dem äußeren Ringraum über wenigstens einen Zirkulationskanal (26) in Verbindung steht, und – mit einem Einlass (76) für zu behandelndes Medium, einem Permeatauslass (44) und einem Konzentratauslass (74), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – die Zirkulationskanäle (26) sind im deckelseitigen Ringelement (6) ausgebildete Bohrungen, die einwärts und schräg zur radialen und axialen Richtung verlaufen zur Erzeugung einer rotierenden Strömung des zu behandelnden Mediums, – die Zirkulationskanäle (26) münden in einen ringförmigen Sammelraum (28), der im deckelseitigen Ringelement (6) ausgebildet ist und mit einem zylindrischen Ringraum (30) zwischen zylindrischer Spirale (11) und Membran (4) in Verbindung steht, – der zylindrische Ringraum (30) ist über im bodenseitigen Ringelement (8) ausgebildete Kanäle (34) mit der Saugseite der Zirkulationspumpe (24) verbunden und – ein zwischen der zylindrischen Spirale (11) und dem Innenzylinder (10) gebildeter zylindrischer Ringraum (78) steht über im Innenzylinder (10) ausgebildete Gegendrucköffnungen (80) mit dem äußeren zylindrischen Ringraum (20) in Verbindung.
Membrantrennvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelraum (28) über wenigstens eine auf dem Innenumfang des deckelseitigen Ringelementes (6) ausgebildete helixförmige Nut (32) mit dem zylindrischen Ringraum (30) zwischen zylindrischer Spirale (11) und Membran (4) verbunden ist zur Verstärkung der Rotation des Mediums.
Membrantrennvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranhalterung (14) einen äußeren zylindrischen Filterkörper (36), einen sich daran nach innen anschließenden zylindrischen Festkörper (38) und einen sich daran nach innen anschließenden, mit dem Festkörper (38) lösbar verbundenen Zylinder (40) umfasst, welcher einen Innenraum (42) für die Membran (4) passierendes Permeat einschließt, welcher mit dem Permeatauslass (44) in Verbindung steht.
Membrantrennvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Festkörper (38) und Zylinder (40) Querbohrungen (46 und 48) ausgebildet sind.
Membrantrennvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Außenumfang des Festkörpers (38) und des Zylinders (40) Verteilungskanäle (50 und 52) ausgebildet sind, die mit den Querbohrungen (46 und 48) in Verbindung stehen.
Membrantrennvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungskanäle (50 und 52) gewindeartig ausgebildete Nuten sind.
Membrantrennvorrichtung nach einem der Ansprüche 3–6, dadurch gekennzeichnet dass der Filterkörper (36) entlang seiner Außenfläche eine axiale Abflachung (54) mit einem mittigen axial verlaufenden Schlitz (56) aufweist, welcher den Filterkörper (36) durchsetzt und mit einem weiteren den Festkörper (38) durchsetzenden Schlitz (58) ausgerichtet ist und in den ein T-Profil (60) mit seinem T-Stiel (62) zum Befestigen und Aufspannen der Membran (4) einsetzbar ist, wobei der T-Balken (64) des T-Profils als die Abflachung ausfüllender Zylinderabschnitt ausgebildet ist.
Membrantrennvorrichtung nach einem der Ansprüche 3–7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (40) auf seiner Außenfläche auf der dem Schlitz (56) zugewandten Seite eine axiale sichelartige Abflachung (66) aufweist, so dass eine exzentrische Außenfläche und ein sichelartiger Zwischenraum (68) zwischen Zylinder (40) und Festkörper (38) entsteht, und dass in die Schlitze (56, 58) eine Leiste (70) einsetzbar ist, deren radiale Stärke so gewählt ist, dass sie bei eingesetztem T-Profil (60) in den sichelartigen Zwischenraum (68) hineinragt, derart, dass durch Verdrehen des Zylinders (40) relativ zum zylindrischen Festkörper (58) die Leiste (70) zum Lösen des T-Profils (60) im Schlitz (56, 58) radial nach außen druckbar und bewegbar ist.