DE1642816C2

DE1642816C2 - Hohlfaden-Membranmodul

Info

Publication number: DE1642816C2
Application number: DE1642816A
Authority: DE
Inventors: Henry Isaly Walnut Creek Calif. Mahon; Charles Francis Concord Calif. Oldershaw
Original assignee: Dow Chemical Co
Current assignee: Dow Chemical Co
Priority date: 1967-02-13
Filing date: 1968-02-12
Publication date: 1982-11-11
Also published as: DE1642816A1; NL163125C; BE710681A; GB1221994A; NL163125B; FR1568113A; NL6801532A; AU4621568A; AU421606B2

Description

2. Hohifaden-Membranmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkern (10) rohrförmig i/nd in dem an die Rohrplatte (12) angrenzenden Bereich durchlässig und daß an der Innenfläche des Tragkerns ein den durchlässigen Bereich umschließender Permeat-Sammelkanal (14) angeordnet ist.

3. Hohifaden-Membranmodul nach Anspruch I oder ?, dadurch gekennzeichnet,daß

a) die Windungen der Hohlfaden (11) innerhalb der Rohrplatte durch radiale Bohrungen (13) geöffnet sind,

b) in die Auiienoberfläche der Rohrplatte (12) mit allen Bohrungen (/2) in Verbindung stehende Nuten zur Permeaub'eilung eingefräßt sind, und

c) diese Nuten durch eine als Auslaß dienende radiale Bohrung durch die Rohrplatte mit einem innerhalb des Tragkerns angeordneten Permeatkanal (14) in Verbindung stehen.

Die Erfindung betrifft ein Hohifaden-Membranmodul gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der US-PS 32 28 876 ist der Gebrauch von Hohlfaden-Menbranen bekanntgeworden. Danach werden mehrere Bündel von feinen Hohlfaden in einer zylindrischen Zelle untergebracht. Das Strömungsmittel tritt an dem einen Ende der Zelle unter Druck ein und nach dem Passieren der Hohlfaden am anderen Ende der Zelle wieder aus.

Bei derariigen Vorrichtungen sind die Hohlfaden üblicherweise praktisch Seite an Seite parallel zueinander und in flüssigkeitsdichter Anordnung an jedem Ende der Segmente angeordnet. Bei der Zusammenstellung einer Vielzahl von Hohlfaden zu ausreichenden Cesamtmembranflächen, durch die der Fluß geleitet werden kann, können jedoch einige Anordnungen von Hohlfädenbündeln die Gesamtdurchdringungsrate aufgrund der Tatsache verringern, daß dort, wo benachbarte Hohlfaden miteinander in Berührung stehen, ein Ausfließen oder ein Eintreten des fließfähigen Mediums behindert wird. Darüber hinaus beeinträchtigt eine solche Berührung und Nachbarschaft die Fließgeschwindigkeit des fließfähigen Mediums an der Außenseite des Hohlfadens.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Hohifaden-Membranmodul der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß partiell erhöhter Durchflußwiderstand, bedingt durch Berührung paralleler Hohlfaden, vermieden wird. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs I gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen herausgestellt.

ίο Der Membranmodu! kann in einfacher Weise dadurch hergestellt werden, daß man in Spiralform eine oder mehrere Hohlfaden auf ein Tragkernrohr aufwickelt und ein aushärtbares Harz in einer Längszone des Tragkernes auf die Wicklungen aufbringt. Nach dem Aushärten des Harzes zur Erzielung einer flüssigkeitsdichten Bindung für die Hohlfaden werden öffnungen hergestellt, indem man in das Harz Nuten einschneidet oder Löcher vorsieht, um die Wicklungen zu durchschneiden. Üblicherweise werden Mehrfachschichten von Kreuzwicklungen hergestellt, und das Harz wird auf mindestens einen Bereich praktisch parallel zur Achse des Tragkernrohres aufgebracht. Vorteilhafterweise wird Harz mit bzw. auf jeder gewickelten Schicht abgelagert.

Anhand der Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Ansicht eines Membranmoduls mit in Spiralen gewickelten Hohlfaden, die auf ein Tragkernrohr aufgewickelt sind, wobei der Membranmodul mit

jo einer mit Löchern versehenen Rohrplatte dargestellt ist; F i g. 2 ist eine Darstellung eines Membranmoduls mit

zwei praktisch parallel zur Achse des Tragkernrohres aufgebrachten Rohrplatten, wobei auch Abdeckungen der Rohrplatten dargestellt sind,

j5 Fig.3 ist eine schematische Darstellung einer Herstellungsart des erfindungsgemäßen Membranmoduls.

Fig.4 ist eine schematische Darstellung einer anderen Herstellungsart des erfindungsgemäßen Membranmoduls,

Fig.5 ist eine schematische Darstellung einer zur Herstellung des erfindungsgemäßer Membranmoduls geeigneten Vorrichtung.

Der in F i g. 1 dargestellte Membranmodul besitzt ein Tragkernrohr 10, um das eine Anzahl Schichten von Hohlfäden 11 herumgewickelt ist. Eine starre Rohrplatte 12 aus Harz und mit rechteckigem Querschnitt ist in Längsrichtung des Tragkernrohres 10 und praktisch senkrecht zur Längsachse der Hohlfaden 11 angeordnet und bettet den Bogen der darin eingeschlossenen Hohlfäden ein und dichtet ihn ab. In der dargestellten Ausführungsform sind Bohrungen 13 radial von der äußeren Umfangsoberfläche der Rohrplatte 12 durch das Tragkernrohr 10 vorgesehen. Es sind nur einige Bohrungen 13 dargestellt, doch ist selbstverständlich, daß der größte Wirkungsgrad nur dann erreicht wird, wenn die Anzahl und Anordnung der Bohrungen so gewählt sind, daß jede Wicklung des Hohlfadens 11 durchschnitten wird. Andere Mittel zum Durchschnei· den des Hohlfadens in der Rohrplatte durch Fräsen von Längsschlitzen oder durch andere geeignete Schnittechniken sind ebenfalls verwendbar. Ein Permcat-Sammcl· kanal 14 ist an der Innenoberfläche des Tragkernrohres 10 befestigt, um den durchgelassencn Anteil des

h5 Permeats. der aus dem Inneren des Hohifiidens zu den Bohrungen 13 in der Rohrplatte 12 geflossen ist. zu sammeln. Eint (nicht dargestellte) Rohrplattenabdckkung kann dabei an der äußeren Umfangsoberfläche der

Rohrplatte 12 befestigt werden, um alle Löcher 13 abzudecken.

In F i g. 2 ist ein ähnlicher Membranmodul dargestellt, der zwei Rohrplatten 12 mit miteinander in Verbindung stehenden Permeat-Sammelkanälen 14 und Abdeckplatten 49 zeigt.

Bei dem Membranmodul der Fi g. 1 ist die wirksame Länge der Hohlfaden die Länge einer Wicklung rund um das Tragkernrohr. Bei diesem Membranmodul wurde die große Oberfläche einiger bekannter Geräte beibehalten, während der Wirkungsgrad des Membranmoduls verbessert und seine Herstellung erleichtert sind. Bei dem Membranmodul der Fig.2 ist die wirksame Länge der Hohlfaden gleich der Hälfte des Wicklungsumfanges. Es können auch drei oder mehr Rohrplatten verwendet werden, wobei die günstigste Anzahl vom Verwendungszweck und anderen Parametern abhängt.

Das Tiragkernrohr kann aus einem geeigneten Material bestehen, das den Herstelllungs- und Ver.vendungsbedingungen des Membranmod:ils widersteht. Vorzugsweise besteht das Tragkernrohr aus einem Metall, das keinen nachteiligen Einfluß auf den Werkstoff der Hohlfäden ausübt, und das gegenüber dem zu behandelnden Permeat inert ist.

Bei den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die Hohlfaden auf das Tragkernrohr aufgewickelt sind, kann das Tragkernrohr perforiert sein oder auch nicht perforiert sein, je nach dem, welcher Art die Anwendungsbedingungen des Membranmoduils sind. Die Größe und die Anordnung der Perforationen in dem Tragkernrohr wird von den jeweiligen Strömungsbedingungen bestimmt.

Obwohl perforierte Tragkernrohre angesprochen wurden, ist es auch möglich, Tragkernrohre zu verwenden, die aus einem Metall- oder Kunststoffsieb, aus poröser Keramik, aus frittiertem Glas oder frittiertem Metall hergestellt sind. Wenn ein poröses Tragkernrohr erwünscht ist, dann muß es nur eine ausreichende Festigkeit besitzen, um die Hohlfäden zu stützen und den Durchfluß des Permeats zu gestatten.

Darüber hinaus können an Stelle des zylindrischen Tragkemiohres solche mit anderen Querschnitten verwendet werden, z. B. mit hexogonalem, oktogonalem oder auch elliptischem Querschnitt. In einigen Fällen kann es sogar zweckmäßig sein, ein ''Yagkernrohr zu verwenden, das leicht konisch ist, so daß es die Form eines Kegelstumpfes hat. Diese Ausgestaltung kann dazu verwendet werden, die Schrumpfung der Hohlfaden zu kompensieren, indeti sie auf den einen Abschnitt des KegeliStumpfes mit größerem Durchmesser gewikkelt werden und das Hohlfadenbündel dann beim Schrumpfen zum Abschnitt mit dem geringen Durchmesser ru Ischen kann.

Die langgestreckt Rohrplatte 12 kann aus einem geeigneten Gießharz bestehen. Die Harzzusammensetzung sollte so gewählt sein, daß eine angemessene Dindung der Hohlfaden erzielt wird, und daß eine angemessene Bearbeitbarkeit durch Werkzeugmaschinen gegeben ist. Epoxyharze wurden als besonders geeignet zur Bildung der Rohrplatte ermittelt. Jedes Gießharz, das die Hohlfaden nicht nachteilig beeinflußt und das die gewünschte Haftung und die Festigkeitscigenschaften aufweist, kann verwendet werden.

Die Fig 3 ist ein Schema, das die Herstellung von Membranmodulen, wie sie in den F i g. 1 und 2 dargestellt sind, zeigt. In diesem .Schema ist ein Traskcrn 18 auf einem Dorn 17 befestigt, der an einer sich hin- und herbewegenden (nicht dargestellten) Vorrichtung befestigt ist. Ein rotierender Ring 16 mit einer Führung 15 ist rund um den Tragkern 18 angeordnet. Der Hohlfaden wird durch die Führung 15 geleitet, um auf den sich hin- und herbewegenden Tragkern 18 aufgewickelt zu werden. Der Winkel, in welchem der Hohlfaden aufgewickelt wird, wird bestimmt durch die Umdrehungsgeschwindigkeit des Ringes 16 und die lineare Geschwindigkeit des

iu Tragkerns 18. Eine etwas andere Ausgestaltung wird in F i g. 4 dargestellt, bei der der Tragkern 21 feststeht und sowohl der Ring 20, als auch die Führung 19 sich um den Tragkern herumdrehen und an dem Tragkern 2Ί hin- und herbewegen.

In dem Schema nach den Fig.3 und 4 ist eine das Harz aufbringende (nicht dargestellte) Vorrichtung vorgesehen, die sich entlang einer Längslinie des Tragkernes (18,21) hin- und herbewegt. Demnach kann das Harz auf die aufgewickelten Hohlfäden aufgesprüht, gewalzt oder gepreßt werden. Obgleich das Wickeln der Hohifäden normalerweise ein kontinui-.iicher Vorgang ist, kann das Aufbringen des Harzes auch intermittierend erfolgen, so daß eine Schicht oder ein Streifen des nicht ausgehärteten Harzes aufgetragen wird, die Hohlfäden darauf gewickelt werden, dann ein weiterer Streifen d- s Harzes aufgebracht wird, und so fort. Nach einer weiteren Möglichkeit kann das Aufbringen des Harzes kontinuierlich vor sich gehen, wobei die Vorrichtung in einem festen Abstand von der Wicklung

jn der Hohlfäden steht.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Herstellung der Membranmodule wird in F i g. 5 gezeigt. Dabei ist ein Tragkern 45 auf einem (nicht dargestellten) Dorn befestigt, der mit einer geeigneten, sich hin- und

•Λ herbewegenden Vorrichtung verbunden ist. Aus Pakkungen 44, die auf an dem Bett 42 befestigten Spindeln angeordnet sind, werden Hohlfäden 48 einzeln oder in Bündeln aus einer Vielzahl von Hohlfäden durch die im Ring 46 angeordneten Führungen 43 zum Trjgkem 45 gezogen. Der Ring 46 und das Bett 42 sind starr miteinander verbunden, um ein Verdrehen der Hohlfaden 4i> während der Drehung zu verhindern. Im Betrieb wird der Tragkern durch die Mitte des Ringes 46 über eine bestimmte Strecke hin- und herbewegt. Der vom Bett 42 und dem Ring 46 gebildete Käfig dreht sich um eine Achse, die mit der Achse des Tragkernes 45 zusammenfällt. Die das Harz aufbringende Vorrichtung 47 ist an einem Punkt über dem Tragkern 45 angeordnet um Harz auf den Tragkern vor den

5u Hohlfäden 48 aufzubringen. Mit Hilfe dieser Vorrichtung kann eine Vielzahl von Hohlfädenbündeln bei jedem Durchgang des Tragkerns 45 aufgebracht werden.
Nach ihm Wickeln wird das Harz in der Rohrplatte in bekannter Weise ausgehärtet, z. B. indem es erhitzt wird, wobei eine Beschädigung der Hohlfaden zu vermeiden ist.

Die ausgehärtete Rohrplatte wird dann radial nach innen geschnitten, um jede Wicklung der Hohlfäden zu

M) durchschneiden. Das Schneiden kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden, Beispielsweise kann eine Reihe von Bohrungen von der AuBenoberfläch: der Rohrplatte radial nach innen zur Tragkeriioberfläche oder durch den Tragkern hindurch vorgesehen werden.

h") Die Größe, die Anzahl und die Anordnung der Bohrungen sind so gewählt, daß jeder Hohlfaden mindestens einmal in jeder Wicklung durchschnitten wird. Ob die Bohrungen den Tragkern durchdringen

i'Jl'I" nicht hängt von der gewünschten Anordnung der verbindenden Leitungen iib. Wenn die Bnlningen den Tragkern durchdringen dann wird ein Kanalicil. /. Ii. der Sammclkanal 14 in ("ig. I. an der Inncnoberfliiche lies Tragkernrohres abgedichtet, um die gesamte die Höhlungen umschließende Fläche zu umfassen. Auslaßvorriehtungcn können dann an du: Leitung angeschlossen werden.

Nach einer anderen Möglichkeit können die Bohrungen an der inneren Wicklung der Hohlfaden enden. In diesem Fall können Nuten in die Außcnobct fläche tier Rohrplatte gefräst werden, um mil allen Bohrungen eine Verbindung herzustellen. F.in Auslaß kann durch die Rohrplatte, z. B. durch das eine linde gebohrt werden, so daß Flüssigkeiten aus den Hohlfaden aus dem Membranmodul durch den gebildeten Kanal fließen können, wenn eine Deckplatte 49 (I ig. 2) auf der Rohrplatte befestigt ist.

Beispiel I

Fine Diiahlässigkeits-Trennvorrichtung mit lang gestreckter Rohrplatte wurde in einem I6adrigcn Bündel hohler Cellulosetriacctatfäden hergestellt, die einen Außendurchmesser von 41 μηι und einen Innendurchmesser von 21 um aufwiesen. Während des Spinnens wurde das Hohlfadenbündel spiralförmig auf einen Pappkern mit einem Aufnahmewickler aufgewikkelt. Zur Herstellung der Durchlässigkcits-Trennvor richtung wurde das Bündel vom Ende des Membranmoduls durch eine Führung abgewickelt, die sich mil 375 U/min drehte, und auf einen zylindrischen Tragkern in einer oszillierenden Wickelmaschine bei 25 Hüben je Minute und einer Hublänge von 12.7 cm aufgewickelt. Die so aufgebauten Hohlfaden wogen 375 g. Der Kern war 16.5 cm lang und bestand aus einem Messingrohr mit einem Außendurchmesser von IO cm. Das Rohr war in der Mitte iängs eines Abschnitts von 11.4 cm mit Ausnahme der Fläche und der Rohrplatte perforiert.

Die Harzzusammensetzung der Rohrplatte war wie folgt:

27.3% Resorcindiglycidyläther

13.7% 1.4-Butandioldiglycidyläther

! 3.7% Propylenglykolmonoricinoieat

5,5% Chlorphenylenoxyd

1,4% nichtionisches oberflächenaktives Mittel

37,4% Maleinsäureanhydrid

1,0% N-methylmorpholin

2,5% Kolloidaler Kieselsäureverdicker

Während des Wideraufwickeln¹- .itif den Tragkern wurde das Rohrpliittcnharz intermittierend durch eine hypodermalische Nadel auf die Faserpackung ausgepreßt. Das Harz wurde bei '30 C über Nacht /ii einer Rohrplatte ausgehärtet, die die Länge der Hohlfaden vv ick Ii ii ige η und eine Breite von 3.1 cm aufwies.

Nachdem das Harz ausgehärtet war. wurden zwei Reihen von Bohrungen mit 4.8 mm Durchmesser radial durch die langgestreckte Rohrplatte vorgesehen, um auf diese Weise jede Windung der Hohlfaden zn durchschneiden. Die Mitten der Bohrungen in oder Reihe besaßen einen Abstand von 4 mm. und die Reihen 'agen im Abitand von 4.3 mm voneinander.

Die Bohrungen erstreckten sich nicht durch den Messingkern. Kanäle von 3.2 mm Breite und t.H nun Liefe wurden in die Außenfläche der Rohrplatte gefräst, um Verbindungs.iusgänge für alle l'ermeatlöcher zu bilden. Nach dem Fräsen wurde die Außenfläche tier Rohrplatte mit Fpo\>har/ -Laserglas «üigcuciki um! gehärtet. Das Lndc der Rohrplatte wurde angebohrt und eine Rohrverbindung als Auslaß angebracht.

Der Membranmodul wurde in ein Druckgefäß eingebracht, und Salzwasser (leicht verdünntes Meerwasser mit 18 g/l gelöstem Salz) wurde radial durch den Membranmodul über die Außenseite der Hohlfäden bei 43 atm gepumpt. Der l'ermcat-Volumenstrom am Auslaß betrug 1.9 bis 2.4 cm'/min. Die Analyse des Permcai.s ergab 3.4 g gelöstes Salz ingesamt je Liter.

Anwendungsbeispicle für die Erfindung sind:

1. Meerwasserentsalzung durch umgekehrte Osmose, bei der das Meerwasser durch die Hohlfaden gepumpt wird.

2. Wasserentfernung durch Osmose, etwa zur Konzentration von Fruchtsäften. Der Fruchtsaft wird über die Hohlfädenaußenseite gepumpt, und Wasser dringt aus dem Saft in die Hohlfaden ein.

3. Dialysevorgänge, wie bei einer künstlichen Niere. Blut wird durch die Hohlfaden gepumpt und die Waschlösung wird über die Außenseite der Hohlfaden gepumpt.

Der Vorteil dieses Aufbaus der Membranmodulen gegenüber den bekannten Einrichtungen mit parallelen Hohlfaden liegt in der besseren FluQverteilung über der Außenseite der Hohlfaden und in der leichteren Bauweise. Das Spiralmuster bietet dem radialen Fluß einen gleichförmigen Widerstand; dadurch ist die Flußverteilung gleichförmig und es entstehen keine »toten« Taschen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Palentansprüche:

1. Hohifaden-Membranmodul, dessen Hohlfaden an ihren Enden flüssigkeitsdicht in einer Rohrplatte aus Kunstharz angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Hohlfaden (11,48) in Mehrfachschichten zu einer Kreuzwicklung auf einem Tragkern (10, 18, 21, 45) angeordnet sind, wobei die Hohlfaden (11, 48) innerhalb jeder Schicht parallel im Abstand voneinander liegen,

b) mindestens eine radial und parallel zur Tragkernachse verlaufende, alte Windungen durchsetzende Rohrplatte (12) angeordnet ist und

c) alle Windungen der Wicklung innerhalb der Rohrplatte durch Bohrungen oder Nuten geöffnet sind.