DE1442366C - Membranschneidevorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Membran- Ende der letzten Windung mit der Membran der Scheidevorrichtung, insbesondere für Dialyse oder Nachbarwindung abdichtend verbunden sind. Ultrafiltration. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform haben

Es sind zahlreiche Vorrichtungen zum Trennen die Strömungswege eine Dicke zwischen 0,013 und oder Reinigen von Lösungen und anderen flüssigen 5 0,254 mm.

und gasförmigen Mischungen mittels selektiver Dif- . Durch die Erfindung ist eine Membranscheidevorfusion von Material von einem Medium zu einem richtung geschaffen, bei der eine vergleichsweise anderen durch eine Membran oder Scheidewand hin- große Berührungsfläche zwischen dem Medium und durch bekannt. Im idealen Fall soll die Vorrichtung der Membran geschaffen ist. Zusätzlich zu der großen für derartige Arbeitsvorgänge eine große Membran- io Berührungsfläche führt die. außerordentlich geringe kontaktfläche je Volumeneinheit des eingenommenen Dicke der Strömungswege zu sehr dünnen Medium-Raumes schaffen, und da beste Resultate mit dünnen, schichten, was wiederum zu einem sehr hohen Trennstrukturell schwachen Membranstoffen erhalten wer- wirkungsgrad führt, weil Gegendiffusion weitgehend den, soll eine angemessene Abstützung der Membran herabgesetzt ist. Diese Vorteile werden dabei mit gegen Verformung oder Beschädigung durch hydrau- 15 einer vergleichsweise einfachen und damit billigen lischen Druck oder thermische oder mechanische Ausführung erhalten.

Stöße vorgesehen sein. Zusätzlich sollen die mit der Die Erfindung wird nachstehend an Hand der

Membran in Berührung stehenden Mediumströme Zeichnung beispielsweise erläutert, sehr dünn sein und vorzugsweise eine Dicke von der F i g. 1 ist eine Teildraufsicht der einen Seite des

gleichen Größenordnung wie die Membran selbst 20 Haltebandes und zeigt, daß die Oberfläche mit Längshaben, um eine Gegendiffusion auf ein Geringstmaß kanälen versehen ist.

zu reduzieren, die durch den Konzentrationsgradien- Fi g. 2 ist eine Teildraufsicht der anderen Seite des

ten verursacht wird, der sich aus der Erschöpfung des Haltebandes und zeigt, daß die Oberfläche mit Quer-Mediumfilms an der Grenzfläche zwischen Membran kanälen versehen ist.

und Medium ergibt Die Vorrichtung soll weiterhin so »5 Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht des Haltebanausgebildet sein, daß die Strömungsbedingungen ge- des nach Linie 3-3 der Fig. 1.

ändert werden können, und im idealen Fall soll die F i g. 4 ist eine Teillängsschnittansicht des Halte-

Ausführung einfach, billig und zuverlässig sein, bandes nach Linie 4-4 der Fig. 1.

Bekannte Membranscheidevorrichtungen weisen F i g. 5 ist eine Querschnittsansicht, welche das aus

Membranstapel oder -säcke oder gewickelte Rohre 30 dem Halteband und der Membran bestehende aus Membranstoffen auf, jedoch haben diese nicht Schichtgebilde wiedergibt.

sämtliche oben erörterten Anforderungen erfüllt. Ins- Fig. 6 ist eine schaubildliche Darstellung, welche

besondere kombiniert keine der bisher bekannten eine Teilwindung des auf einen hohlen, gelochten ZuVorrichtungen eine große Membranfläche je VoIu- führkern zu wickelnden Halteband-Membranmeneinheit in einer zusammengedrängten Einheit, 35 Schichtgebildes zu Beginn des Wickelvorganges wieweiche imstande ist, mit hohen Drücken und bei dergibt, durch den die spiralförmige Zelle gebildet sich stark ändernden Strömungsgeschwindigkeiten zu wird,
arbeiten, mit einer einfachen und billigen Ausbildung. F i g. 7 ist eine schaubildliche Ansicht der fertigen

Es ist auch eine Membranscheidevorrichtung der Zellenwicklung.

einleitend genannten Art bekannt, enthaltend eine 40 Fig. 8 ist ein axialer Schnitt durch eine zusammenspiralförmige Wicklung aus einer Membran mit einem gebaute Zelle in ihrem Gehäuse. Halteband, das zwischen sich und der Membran einen F i g. 9 ist ein radialer Schnitt durch die Zelle nach

Strömungsweg freiläßt. Linie 9-9 der F i g. 8.

Bei dieser bekannten Vorrichtung ist das Halte- F i g. 10 ist ein radialer Schnitt durch das Ende des

band aus einem Kunststoffstreifen und einem.Metall- 45 Spiralkernes nach Linie 10-10 der Fig. 8. siebstreifen gebildet, und die Ausführung ist sehr Fig. 11 ist eine Teilschnittansicht, welche die .

komplex und unhandlich. Enden von sich überlappenden, benachbarten

Allgemein führt die Kombination einer Membran Windungen der Zellenwicklung wiedergibt, womit den anderen Elementen zur Herstellung eines bei die Pfeile die Querströmung des Mediums anspiralförmigen Aufbaus zu zahlreichen Problemen. 5° deuten.

Ein Element der Spirale ist durch seine Eigenart län- Die Membranscheidevorrichtung gemäß der Erfrager als das andere, und dieser Unterschied in der dung wird dadurch gebildet, daß eine Membran 10 Länge muß ausgeglichen werden. Zusätzlich können und ein Halteband 12 aufgewickelt werden, an dessen die Verbindungen, welche zum einwandfreien Zu- einer Seite die Kanten der Membran 10 befestigt führen der beiden Medien zu ihren entsprechenden 55 sind. Das Halteband 12 ist ein langer Streifen aus Räumen notwendig sind, nicht bequem hergestellt dünnem Material, der in einem mittleren Bereich auf werden. der der Membran zugewandten Seite eine Oberflä-

Zur Beseitigung der oben erläuterten Schwerigkei- chenkonfiguration hat, die mit der Membran einen ten ist eine Membranscheidevorrichtung der zuletzt Längsströmungsweg begrenzt. Wie in Fig. 1 bis 5 genannten Art gemäß der Erfindung dadurch ge- 60 dargestellt ist, kann diese Konfiguration die Form kennzeichet, daß das Halteband beidseitig an sich von flachen Längsnuten annehmen, welche die Membekannte Nuten aufweist, die auf einer Seite als bran trägt und gleichzeitig einem Medium gestattet, Längsnuten, auf der anderen Seite als Quernuten in Längsrichtung zwischen dem Halteband 12 und ausgebildet sind, daß die bandförmige Membran an der Membran 10 zu fließen.

den Längsrändern des Haltebandes befestigt ist und 65 Die andere Seite des Haltebandes 12 ist mit einer daß die Außenseite der Membran am Ende der ersten Oberflächenkonfiguration versehen, welche, wenn sie inneren Windung mit dem Halteband der Nachbar- sich mit der anderen Seite der Membran 10 in Berühwindung und die freie Seite des Haltebandes am rung befindet, einen Qerströmungsweg begrenzt; wie

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in Fig. 1 bis 5 dargestellt ist, wird dieser Strömungs- in dem den Aubau unmittelbar umgebenden Bereich weg durch Quernuten gebildet. gestattet. Der aufgerollte Aufbau mit der äußeren

Das Halteband 12 ist zu beiden Seiten des mitt- durchlässigen Umhüllung 26 wird in dem zylindrileren, die Nuten 14 und 16 aufnehmenden Bandes sehen Gehäuse 24 angeordnet, das mit einem Ausmit Randteilen 18 versehen, an welchen die Kanten 5 laß 28 versehen ist, durch welchen eine Verbindung der Membran 10 befestigt sind. Die Randteile 18 mit dem äußeren Ende des Primärzellenbereiches herhaben eine verkleinerte Dicke und sind jeweils mit gestellt ist.

gegenüberliegenden Faltnuten 19 versehen, an wel- Nachdem der aufgewickelte Aufbau innerhalb des

chen jeder Rand um die darüberliegende Kante der Gehäuses 24 angeordnet ist, werden, um die Kanten Membran herumgefaltet und durch ein Bindemittel io der ersten Windung und der letzten Windung, wie es mit ihr verbunden wird, wie dies in Fig. 5 dargestellt in Fig. 8 und 10 dargestellt ist, Überzüge 30 bzw. 31 ist. aus einem viskosen, filmbildenden Kitt aufgebracht,

Die Membran 10 und das Halteband 12 begrenzen um zwischen dem Primär- und dem Sekundärzellendaher zusammen einen Längskanal (Primärzellen- bereich eine Abdichtung an den Stellen zu schaffen, bereich), durch den eines der Medien hindurchgeführt 15 an denen sie sonst miteinander in Verbindung stehen werden kann. Das andere Medium wird veranlaßt, würden.

auf der Außenseite des Aufbaus in den Querkanälen Endkappen 32, deren jede einen Bund 33 hat, der

zwischen den Quernuten 16 und der Membran 10 zu den zentralen Kern 20 dichtpassend umgibt, sind auf strömen, die mit ihnen in Berührung tritt, wenn der die Enden des Gehäuses 24 aufgesetzt und werden Aufbau zu einer Spirale aufgewickelt wird. Ein Teil ao durch Platten 34 an ihrem Ort gehalten, die durch der aufeinanderfolgenden Windungen, welche den Längsbolzen zusammengehalten werden. In den End-Querströmungsweg (Sekundärzellenbereich) begren- kappen 32 vorgesehene Stutzen 36 ermöglichen das zen, ist in Fig. 11 dargestellt. Zuführen von Flüssigkeit zu den Enden des aufge-

Bei der Herstellung der spiralförmigen Zelle wird rollten Aufbaus.

der aus der Membran 10 und dem Halteband 12 be- 25 Bei der dargestellten Ausführungsform sind zwistehende Aufbau auf einen hohlen Kern 20 gewickelt sehen Umfangsflanschen 39 der Endkappen und den (Fig. 6), der Löcher21 aufweist, durch welche hin- Enden des Gehäuses 24 O-Ringe 38 vorgesehen, und durch das eine Medium in den Primärzellenbereich ähnliche O-Ringe 40 liegen zwischen zentralen Flaneingeführt oder aus ihm entfernt werden kann. Beim sehen 33 der Endkappen und dem zentralen Kern-Aufwickeln des Haltebandes 12 und der Membran 10 30 rohr 20.

ist die Membran vorzugsweise an der Außenseite der Im Betrieb wird das eine der Medien in das zen-

Windungen angeordnet, und sie hat nach dem Auf- trale Kernrohr 20 eingeführt und durch den Auslaß wickeln eine relativ größere Länge als das Halteband 28 hindurch weggeführt, nachdem es in einer radia-12. Dieser Längenunterschied kann dadurch ausge- len, spiralförmigen Bahn durch den ganzen Längsglichen werden, daß ein sich langsam verfestigendes, 35 Strömungsweg hindurchgegangen ist. Das andere viskoses, flüssiges Bindemittel, wie z. B. ein Epoxy- Medium wird in den Stutzen 36 einer der Endkappen harz, zwischen den Kanten der Membran und den 32 eingeführt, von dem es allgemein parallel zur Randteilen 18 des Haltebandes 12 verwendet wird, Achse der Spirale durch die Querströmungswege, die so daß ein relatives Gleiten stattfinden kann oder daß zwischen aufeinanderfolgenden Windungen gebildet das Halteband 12 aus einem verhältnismäßig zusam- 40 sind, hindurchgeht und dann durch den Stutzen 36 mendrückbaren Material oder die Membran 10 aus der gegenüberliegenden Endkappe herausströmt,
einem relativ elastischen Material gebildet wird. Bei Bei der bevorzugten Ausführungsform der Mem-

einer abgeänderten Ausführungsform können die branscheidevorrichtung gemäß der Erfindung besteht Membran 10 und das Halteband 12 der Rolle ge- das Halteband 12 vorzugsweise aus einem dünnen, trennt zugeführt und unmittelbar vor ihrem Aufwik- 45 biegsamen Material, beispielsweise einem Kunstkeln auf die Rolle miteinander vereinigt werden, so stoff wie Polyäthylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, daß verschiedene Längen dieser Materialien in die Zelluloseacetat oder einem Metall wie Aluminium, Spirale eingeführt werden können. rostfreien Stahl oder Kupfer. Seine Oberflächenkon-

Um die beiden Strömungswege zu trennen, wird figurationen, welche die Längs- und Querströmungszwischen der Unterseite oder der Rückseite des 50 wege bilden, sollen einen Weg begrenzen, der im Haltestreifens 12 und der Membran 10 am Ende der Vergleich zu der Membran dünn ist, z. B. 0,013 bis ersten Wicklung eine Schicht aus Bindemittel auf- 0,25 mm beträgt, und das Halteband selbst soll ebengebracht wie dies in Fig. 9 bei 22 angedeutet ist, falls möglichst dünn sein, um das Aufwickeln zu er- und weiterhin zwischen diesen beiden Teilen eine leichtern und eine größtmögliche Ausnutzung des Bindemittelschicht am Ende der letzten Windung 55 Raumes für das Membranmaterial zu gestatten,
aufgebracht, wie das in F i g. 9 bei 23 angedeutet ist. Ein wesentliches Merkmal der Ausbildung des

Auf diese Weise wird das in dem Längsweg fließende Haltebandes 12 liegt darin, daß, wenn es mit der Medium daran gehindert, an den Enden des aufge- Membran aufgewickelt wird, aufeinanderfolgende" wickelten Aufbaus in den Sekundärzellenbereich zwi- Windungen des Haltebandes mit gegenüberliegenden sehen der Membran und der Rückseite des Halte- 60 Seiten der Membran in Berührung kommen, wie dies bandes 12 einzutreten. aus Fig. 11 ersichtlich ist. Diese Berührung wird da-

Der aufgewickelte Aufbau ist zum Einführen von durch gewährleistet, daß der mittlere Bereich des Medien in die Strömungswege ausgeführt, indem Haltebandes 12 dicker als die Ränder gemacht ist, er in einem zylindrischen Gehäuse 24 angeordnet so daß der mittlere Bereich und nicht die Ränder den wird, vorzugsweise nachdem eine äußere Umhüllung 65 Abstand der Windungen bestimmt und die Ränder 26 aus porösem Material, wie z. B. einem Gaze-, Filz- den Fluß des Mediums zu dem Sekundärzellenbereich oder Siebstoff, aufgebracht ist, welches als eine nicht behindern,
äußere Halterung dient, die den Strom des Mediums Die Scheidemembran kann aus irgendeinem einer

Vielzahl bahnförmiger Materialien hergestellt sein, die für Membranscheidesysteme zweckvoll sind, z. B. aus Zelluloseacetat, Cellophan, Polyäthylen oder anderen künstlichen oder natürlichen bahnförmigen Stoffen.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß eine große Berührungsfläche der Membran geschaffen ist. Wenn beispielsweise das Halteband eine Dicke von 1,27 mm hat, die Membran 0,0254 mm dick ist und die Nuten 0,254 mm tief sind, werden etwa 39 cm². Membranfläche je Kubikzentimeter Mediumgehalt und etwa 7,8 cm² Fläche je Kubikzentimeter des Gesamtvolumens geschaffen. Eine Einheit mit einer volumetrischen Kapazität von 1 Liter würde eine totale Membranfläche von über 40 m² schaffen.

Zusätzlich zu dem großen Oberflächenbereich führt die außerordentliche Dünnheit der Mediumschichten in dem Primärzellen- und dem Sekundärzellenbereich zu einem sehr hohen Trennwirkungsgrad, weil die Gegendiffusion des übertragenen Materials weitgehend herabgesetzt ist.

Die spiralförmige Anordnung des Systems in einem zylindrischen Gehäuse ermöglicht ein Arbeiten mit hohen Drücken, da alle. Medien innerhalb des Gehäuses und der Endkappen eingeschlossen sind, die beliebig stark gemacht werden können. Falls beide Medien sich unter dem gleichen Druck befinden, wird an der Membran keine Druckdifferenz erzeugt.

Membranscheidevorrichtungen gemäß der Erfindung sind demgemäß für viele Zwecke verwendbar, z. B. zur Dialyse oder Ultrafiltration einschließlich des Arbeitens als Hämodialysator (künstliche Niere), zum Entfernen von Salz aus Seewasser, zum Entfernen von Flüssigkeitskomponenten durch Pervaporation und als Permeator zum Trennen der Bestandteile von Gasgemischen.

Die Erfindung wurde oben in Verbindung mit einer besonderen Ausführungsform beschrieben, jedoch können im Rahmen der Erfindung zahlreiche Änderungen vorgenommen werden. Es kann eine andere Art des Zusammenbaus des Haltebandes und der Membran angewandt werden. Weiterhin können mehrere Halteband-Membran-Aufbauten zusammen auf den zentralen Kern aufgewickelt werden, um parallele Primärzellenbereiche zu schaffen, und es können mehrere vollständige Membranscheideeinheiten in Serie oder parallel oder teilweise in Serie und teilweise parallel angeordnet werden, um eine große Mannigfaltigkeit von Ausführungsarten für besondere Zwecke zu schaffen.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Membranscheidevorrichtung, insbesondere für Dialyse oder Ultrafiltration, enthaltend eine

so spiralförmige Wicklung aus einer Membran mit einem Halteband, das zwischen sich und der Membran einen Strömungsweg freiläßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteband beidseitig an sich bekannte Nuten aufweist, die auf einer Seite als Längsnuten, auf der anderen Seite als Quernuten ausgebildet sind, daß die bandförmige Membran an den Längsrändern des Haltebandes befestigt ist und daß die Außenseite der Membran am Ende der ersten inneren Windung mit dem Halteband der Nachbarwindung und die freie Seite des Haltebandes am Ende der letzten Windung mit der Membran der Nachbarwindung abdichtend verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungswege eine Dicke zwischen 0,013 und 0,254 mm haben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen