DE19607740A1

DE19607740A1 - Verfahren zur Steuerung von Filtrationsanlagen

Info

Publication number: DE19607740A1
Application number: DE19607740A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Chem Dr Hoffmann; Elke Brett
Original assignee: Steinbeis Gessner GmbH; Gessner and Co GmbH
Current assignee: Hoffmann Juergen Dr 83135 Schechen De Brett
Priority date: 1996-02-29
Filing date: 1996-02-29
Publication date: 1997-09-04

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Filtra tionsanlagen für die Flüssigkeits- oder Gasfiltration, die nach dem Prinzip der statischen Filtration oder der Cross Flow Filtration betrieben werden, wobei sich Filtrationszyklen (Separationszyklen) und Reinigungszyklen (Regenerationszyklen) abwechseln. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden sowohl die erforderlichen Vorgänge für einen Zykluswechsel als auch die für einen Filtergehäusewechsel oder Filterlinienwechsel (Mehrliniensystemen) eingeleitet und ausgeführt bzw. deren notwendige Ausführung signalisiert.

In dem oder den Filtergehäusen solcher Anlagen werden heute diverse regenerierbare Separationselemente eingesetzt, die z. B. fadenförmige, faserförmige, flächige, hohlfaserförmige, schlauchförmige oder rohrförmige Separationsmaterialien enthalten.

Konstruktive Beispiele für solche Separationselemente sind flächige Filterschichten, zylindrische, gewickelte (Parallel wickel, Schraubenwickel) oder plissierte Filterkerzen, Flachfiltermodule in Stapelbauweise, sog. Hohlfaser- oder Rohrmodule mit integriertem Gehäuse oder Separationselemente mit zwei Achsen und einem umwickelbaren Filterschlauch.

Die eingesetzten Filtermedien sind sehr unterschiedlich. Sie werden bezüglich ihrer Porengröße bzw. Trenngrenzeigenschaften (Grob-, Fein-, Mikro-, Ultrafiltration und Reverse Osmose), ihres Trennmechanismus (Sieb ,Tiefenfiltration, Adsorptive Filtration, Pervaporation, Dampfpermeation, Gastrennung . . .) und ihrer Wechselwirkung mit dem zu behandelnden Medium (spezifische und unspezifische Adsorption, Chromatographie, Katalyse, Ionenaustausch, Kapillarwirkung, Elektretwirkung . . .) charakterisiert.

Die Filtermedien wirken dabei häufig nicht nur als Barriere sondern auch als Adsorber-, Absorber und Reaktionsfläche bzw. Reaktionsvolumen für bestimmte Inhaltsstoffe von Fest- und Flüssigaerosolen sowie kolloidalen und partikulären Suspensionen.

Die vorliegende Erfindung ist unabhängig von den eingesetzten Filtermedien, der Konstruktion der Filterelemente und vom An lagenkonzept und der Anlagenauslegung. Voraussetzung ist, daß das zu behandelnde Medium durch das Filtermaterial strömt und in Abhängigkeit vom Filtratflux ein Druckabfall als Differenzdruck über dem Filtermaterial bestimmt werden kann. Offene Systeme, wie z. B. Schichtenfilter können damit genauso gesteuert werden, wie z. B. Cross Flow Anlagen oder Entstaubungsanlagen mit abreinigbaren Filterschläuchen.

Zur Erhöhung der Lebensdauer und damit zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und Minimierung an Filterabfall ist es heute üblich die eingesetzten Filterelemente bzw. die darin wirksamen Separations- oder Filtermedien mehrfach mittels physikalischer und oder chemischer bzw. biochemischer Behandlungen zu regene rieren, um deren ursprüngliche Eigenschaften zumindest zum Teil wieder herzustellen. Beispiele für eine physikalische Reinigung sind z. B. die Nutzung von Ultraschall oder die Abreinigung von Staubfilterschläuchen mit einem Druckluftimpuls oder mit mechanischen Rütteleinrichtungen.

Durch die Regeneration lassen sich mit der selben Bestückung an Filterelementen mehrere Filtrationszyklen durchführen. Dabei erfolgt die Reinigung bevorzugt im Filtrationsgehäuse, d. h. ohne daß die Filterelemente ausgebaut werden müssen. Für den Reinigungszyklus muß in der Regel der Filtrationszyklus unter brochen werden. Benötigt der Reinigungsvorgang längere Zeit, weil z. B. eine Chemikalie erst entsprechend lang einwirken muß, so kann ein kontinuierlicher Füllbetrieb dadurch aufrecht erhalten werden, daß mehrere Filterlinien bzw. Filtergehäuse zur Verfügung stehen. Eine andere Linie oder ein anderes Gehäuse übernimmt jeweils die Filtration, wenn sich die erschöpfte Linie im Reinigungszyklus befindet.

Für die Wirksamkeit einer Reinigung ist es meist entscheidend, wann und wie diese durchgeführt wird, d. h. es ist wichtig Kriterien zu finden, die die Notwendigkeit einer Reinigung sicher signalisieren.

Heute wird häufig auf Verdacht gereinigt. Eine gängige Methode, insbesondere bei Anlagen mit großen Gehäusen, ist es, periodisch zu reinigen, d. h. eine Reinigung wird z. B. immer am Ende einer Schicht, eines Produktionstages, einer Produktionswoche usw. durchgeführt. Dabei wird in der Regel auch gereinigt, wenn dies nicht nötig ist und somit unnötig Zeit, Material und Energie vergeudet. Andererseits kann eine solche periodische Reinigung zu spät erfolgen und sich dann als wirkungslos erweisen. Bei unvorhergesehenen Verblockungen zwischen den periodischen Reinigungen kommt es zu teuren Betriebsunterbrechungen.

Eine verbesserte Variante der periodischen Reinigung wäre es, das Zeitintervall für die Reinigung mit dem Filtratflux zu kor relieren, d. h. aus beiden Daten das Filtratvolumen zu errechnen und die Reinigung immer nach einem bestimmten Volumen durchzuführen. So würde zumindest immer nach vergleichbaren Belastungen gereinigt. Diese indirekte Filtratvolumenbestimmung über die Filtrationszeit ist jedoch, z. B. bei Füllanlagen bei denen es verfahrensbedingt häufig zu Füllunterbrechungen und starken Fluxschwankungen kommt, kaum möglich. Bei solchen Anlagen müßte das tatsächliche Volumen über einen Volumenzähler ermittelt werden.

Am weitesten verbreitet ist es heute, den Verblockungs- oder Erschöpfungszustand von Filtermaterialien bzw. Filterelementen über eine Differenzdruckmessung zu definieren. Gemessen und bewertet wird der Differenzdruck zwischen Unfiltratseite und Filtratseite. Dabei ist für die Bewertung der korrespondierende Wert für die Filtratfluxrate, also das Filtratvolumen pro Zeiteinheit, nötig, soweit dieser nicht konstant ist.

Bei diesem Verfahren unterstellt man, daß der Verblockungsgrad direkt mit dem Differenzdruck korreliert. In Analogie wird bei konstant gehaltenem Differenzdruck, auch die Veränderung bzw. Abnahme der Filtratfluxrate beobachtet und als Steuerkriterium herangezogen. Der Reinigungszyklus wird jeweils eingeleitet, wenn ein Grenzdifferenzdruck überschritten wird oder eine Grenzfiltratfluxrate unterschritten wird.

In neueren Patentanmeldungen werden verfeinerte Varianten einer Differenzdruckmessung beschrieben.

Die DE 44 45 682 A1 offenbart z. B. ein Verfahren bei dem die Häufigkeit einer chemischen Reinigung dadurch bestimmt wird, wie sich der Differenzdruck beim Rückspülen mit Filtrat ergibt. Andere genannte Kriterien sind die Höhe des Ansaug druckes oder die Abnahme der Filtratfluxrate während der Filtration. Letzteres ist aber nicht möglich, wenn z. B. ein konstanter Filtratflux nötig ist. Dies setzt die Druckschrift auch nicht voraus. Jedoch ist es bei vielen Filtrationsvor gängen eine unabdingbare Forderung, daß sich die Fluxrate des Filtrationssystems flexibel an die systembedingten Anfor derungen anpaßt, d. h. es muß auch möglich sein bei konstantem Flux zu filtrieren bzw. einen konstanten Filtratflux aufrechtzuerhalten.

Die DE 43 32 175 A1 beschreibt ein Verfahren, das bei der Cross Flow Filtration Anwendung findet. Dabei wird die Überströmungs geschwindigkeit konstant gehalten und die Reinigung eingeleitet, wenn ein Grenzdifferenzdruck erreicht wird. Die gleichzeitige Abnahme des Filtratfluxes bleibt ohne Konsequenz. Dieses Verfahren erlaubt also auch keinen konstanten Filtrat flux. Die Bestimmung des Grenzdifferenzdruckes erfolgt anwen dungsbezogen. Der Wert kann als Grenzvariable der Steuerung eingegeben werden, die den Differenzdruckverlauf überwacht und bei Erreichen des Grenzwertes die Reinigung automatisch einleitet.

Das alleinige Heranziehen des Differenzdruckes für die Einlei tung eines Reinigungszyklus ist vor allem deshalb problema tisch, weil dieser ein Kollektivmeßwert ist, der gleichermaßen von dem Typ des eingesetzten Filtermediums und dessen Verblockungsgrad, von der Konstruktion der Filterelemente, von der Anlagenkonstruktion und -auslegung sowie von der Art und der schwankenden Filtrierbarkeit des zu behandelnden Mediums und insbesondere vom Filterkuchenaufbau abhängt.

So führen hohe Strömungsgeschwindigkeiten in den Rohrleitungen einer Anlage zum einen zu Druckverlusten, die mit dem Ver blockungsgrad der Filtermedien nichts zu tun haben, andererseits kann sich dabei die Filtrierbarkeit des zu filtrierenden Mediums stark verändern. Ein Beispiel ist die Mikrofiltration von Bier, wo aus relativ gut filtrierbaren Bieren durch Scherkräfte Beta-Glukan-Gele ausgefällt werden, die das Bier schließlich unfiltrierbar machen.

Der Differenzdruck wird weiterhin stark durch konstruktive Eigenschaften der Filterelemente beeinflußt. Stichworte sind Art der Drainage- und Stützglieder, Länge und Struktur von Drainageweben, Kompressions- und Kompaktierungsanfälligkeit des Aufbaus, die Abhängigkeit der aktiven Filterfläche vom Druck, eine ungleichmäßige Flächenbelastung und ein unterschiedlicher Filterkuchenaufbau, eine ungleichmäßige Zugänglichkeit der Filteroberfläche bei der Reinigung usw.

Natürlich erfolgt auch durch die Eigenschaften des Filter materials eine Beeinflussung des Differenzdruckes. So haben Filter gleicher Porengröße die unterschiedlichsten Filterwider stände. Dies nicht nur in Abhängigkeit vom Material oder vom Hersteller sondern auch dadurch bedingt, daß die Herstellspezi fikationen eine bestimmte Bandbreite z. B. für die Porengrößen festlegung erlauben. Auch Dickenunterschiede von Filter materialien spielen eine wichtige Rolle.

Weiterhin beeinflussen filtertechnische Eigenschaften des Fil termaterials entscheidend den Differenzdruckanstieg, wobei der Anstieg selbst nichts darüber aussagt, ob er von einem gebil deten Filterkuchen oder von einer verblockten Filtermatrix herrührt und ob es sich um reversible oder irreversible (nicht mehr behebbare) Verblockungen handelt.

Bei Filtermaterialien für die Gasfiltration hängt z. B. die Abscheidequalität, der Filterkuchenaufbau und der Reinigungs erfolg davon ab, ob das Filtermaterial Elektretcharakter hat, d. h. eingefrorene elektrische Ladungen enthält. Eine schnelle Differenzdruckerhöhung kann bei einem Elektretmaterial z. B. den Aufbau eines leicht abreinigbaren Filterkuchens signalisieren, während bei dem selben Material ohne elektrische Ladung, ein sich langsamer aufbauender Differenzdruckanstieg eine irreversible Verblockung in der Matrix bedeuten kann.

Auch die zu filtrierenden Medien beeinflussen entscheidend den gemessenen Differenzdruck. So spielt die Temperatur und die Viskosität eine Rolle. Wichtig ist ebenso, ob die abzuscheiden den Partikel partikulär oder kolloidal sind und ob diese denaturierbar sind. Bei der Gasfiltration hat auch die Größe und die Gestalt sowie die Oberflächenladung und die Oberflächenenergie (Adsorptionsverhalten) einen großen Einfluß auf das Abscheideverhalten und somit die Veränderung des Differenzdruckes.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb ein Steuerungsverfahren für Filteranlagen zur Verfügung zu stellen, das für die sichere Ermittlung des optimalen Zeitpunktes für einen Reinigungszyklus nicht allein den Kollektivmeßwert Differenzdruck zwischen Fil tergehäuseeingang und -ausgang bewertet , sondern mindestens eine weitere einfach ermittelbare Steuergröße, als Steuer kriterium heranzieht, wobei die Filtratfluxrate in der Anlage, im Rahmen des technisch Sinnvollen, während des Filtrations zykluses beliebige Werte annehmen darf. Weiterhin sollen die Grenzwerte der Steuergrößen dem jeweiligen Zustand des zu filtrierenden Mediums und des Filterelementes angepaßt werden können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren dazu zu nutzen, um bei Mehrliniensystemen oder Systemen mit parallel geschalteten Gehäusen, das Umschalten von einer Linie auf eine andere Linie bzw. von einem Gehäuse auf ein anderes Gehäuse zielgerecht durchführen zu können, wenn die übergebende Linie bzw. das übergebende Gehäuse in den Reinigungszyklus muß.

Diese Aufgaben werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.

Demgemäß besteht der Gedanke der Erfindung darin, gleichzeitig Werte für den Differenzdruck und das Filtratvolumen (bezogen auf den jeweiligen Filtrationszyklus) zu ermitteln bzw. abzufragen und mit den entsprechenden Grenzwerten zu vergleichen und den weiteren Verfahrensablauf davon abhängig zu machen, welcher der Grenzwerte zuerst erreicht wird. Dabei wird bei der Bewertung des aktuellen Differenzdruckes immer der korrespondierende Wert des aktuellen Filtratfluxes für die Bewertung mit herangezogen.

An Hand von Abbildungen werden die wichtigsten Prinzipien der Erfindung näher erläutert.

Dabei zeigen

Fig. 1A und 1B Diagramme, welche die Zusammenhänge zwischen dem Grenzdifferenzdruck und dem Grenzfiltratvolumen bei verschiedenen Differenzdruckverläufe wiedergeben,

Fig. 2 ein schematisches Flußdiagramm für eine Anlage mit mehreren Filterlinien,

Fig. 3 ein Diagramm, welches die Zusammenhänge zwischen den Grenzdifferenzdrücken und den Grenzfiltrat volumen bei verschiedenen Differenzdruckverläufen wiedergibt, die zur Vorbereitung eines Gehäuse- oder Linienwechsels führen und

Fig. 4 ein Diagramm in dem Korrelationskurven zwischen dem Filtratflux und dem Grenzdifferenzdruck skizziert sind.

Erfahrungen, die mit Filtrationsanlagen für die Kaltsterili sation von Bier, wie sie z. B. in der Druckschrift DE 43 11 297 AI der Anmelderin beschrieben sind, gesammelt werden konnten, zeigten, daß für eine optimale Steuerung die alleinige Bewertung des sich verändernden Differenzdruckes nicht als Kriterium für die Einleitung eines Reinigungsvorganges z. B. mit Ultraschall und Wasser ausreicht.

Dabei war zunächst davon ausgegangen worden, daß bei einem kon stanten Filtratflux, der bei der Filtration über kleine Flach filterronden mit fortlaufender Filtration beobachtete Druck anstieg, bei Berücksichtung entsprechenden Korrekturfaktoren für die Filterelementkonstruktion und das Anlagenkonzept, auch auf größere Filterflächen übertragbar sein sollte. In vielen Fällen war dies auch der Fall und die eingeleiteten Reinigungszyklen zeigten die erwartete Wirkung. Zu unserer Überraschung wurden bis zum Erreichen des Differenzdruck grenzwertes häufig erheblich höhere Filtratvolumina erreicht, als erwartet. Dieses zunächst vorteilhafte Ergebnis führte aber in den meisten Fällen zu einem schlechteren Reinigungs verhalten, was schließlich eine verminderte Gesamtstandzeit (bis zum Auswechseln) der Filterelemente zur Folge hatte.

Die Lösung für diese Problematik konnte dahingehend gefunden werden, daß die erwarteten Reinigungserfolge dann erzielt werden konnten, wenn die Reinigung nur dann bei Erreichen des erwarteten Differenzdruckes durchgeführt wurde, wenn die bis dahin erhaltene Filtratmenge kleiner oder gleich war als die prognostizierte Menge. Wird das prognostizierte Filtratvolumen erreicht, so muß der Reinigungszyklus auch dann eingeleitet werden, wenn der Grenzdifferenzdruck noch nicht erreicht ist.

Wird als erstes der Grenzdifferenzdruck erreicht, so bestimmt er die Einleitung des Reinigungszyklus.

Eine Begründung für die beobachteten Vorgänge, insbesondere für den unerwarteten Verlauf des Differenzdruckanstiegs, ist vor allem in einem nicht definierten Filterkuchenaufbau zu suchen. Entscheidend ist, daß abgereinigt werden muß, wenn sich eine gewisse Menge an Verblockungssubstanzen auf oder in dem Filtermedium abgelagert haben, unabhängig davon wie sich dabei der Differenzdruckanstieg entwickelt.

Die Reinigung beim Erreichen des Grenzdifferenzdruckes erfolgt entgegen der bisherigen Meinung nicht, um eine stärkere Ver blockung zu verhindern, sondern muß erfolgen damit der Filter kuchen bzw. die sich abgelagerten Verblockersubstanzen nicht komprimiert und oder denaturiert werden.

Diese Aussagen gelten gleichermaßen für die Filtration von Gasen (Aerosole) und Flüssigkeiten (Suspensionen).

Fig. 1A zeigt ein Filtratvolumen/Differenzdruck-Diagramm in dem die Grenzwerte für den Differenzdruck P1 und das Filtratvolumen V1 eingezeichnet sind. Die Differenzdruckkurve (3) schneidet als erstes die Volumengrenzgerade (2). Die Reinigung wird eingeleitet, weil das Grenzvolumen V1 erreicht ist. Die Differenzdruckkurve (4) hingegen schneidet zuerst die Differenzdruckgrenzgerade (1). Die Reinigung wird eingeleitet, weil der Grenzdifferenzdruck P1 erreicht ist. Die Anlage bleibt im gleichen Modus, d. h. bei den gleichen Grenzwerten. Neue Grenzwerte werden ggf. erst dann gesetzt, wenn nach Auslösung der Reinigung, durch Erreichen des Differenzdruckgrenzwertes P1, die anschließende Filtration nicht so lange läuft, wie es ein in der Steuerung hinterlegter Zeitgrenzwert fordert. Wird diese Zeit unterschritten, so erfolgt ein Moduswechsel (siehe unten; neue Grenzwerte) oder die Filterelemente müssen gewechselt werden.

Weiterhin wurde gefunden, daß es sinnvoll ist sowohl die Grenz werte für das Filtratvolumen, wie auch für den Differenzdruck schrittweise anzupassen. Als günstig hat sich erwiesen, den Grenzdifferenzdruck dann hochzusetzen, wenn die Filtrationsin tervalle zu kurz werden. Diese Grenzzeit kann in der Steuerung als Variable hinterlegt werden. Gleichzeitig mit dem Hochsetzen des Druckgrenzwertes wird in der Regel das Grenzvolumen herab gesetzt. Dies hat zur Folge, daß durch Erreichen des neuen Vo lumengrenzwertes in einer höheren Frequenz gereinigt wird, ohne daß zunächst der jetzt höhere Differenzdruckgrenzwert maßgebend wird. Wird wiederum der neue Differenzdruckgrenzwert ablauf bestimmend, so müssen bei Erreichen eines im System hinterlegten Zeitgrenzwertes, wenn dies wirtschaftlich noch sinnvoll ist, neue Grenzwerte gesetzt werden oder die Filterelemente müssen gewechselt werden. Das Setzen von neuen Grenzwerten wird als Moduswechsel bezeichnet. Die Anzahl der Modi ist beliebig und wird durch verfahrenstechnische und wirtschaftliche Aspekte bestimmt.

In Fig. 1B ist ein Filtratvolumen/Differenzdruck-Diagramm dar-gestellt in dem die Grenzwerte für den Differenzdruck P1 und den Differenzdruck P2 sowie für das Filtratvolumen V1 und das Filtratvolumen V2 eingezeichnet sind. Die Differenz druckkurve (7) schneidet als erstes die Volumengrenzgerade (6). Die Reinigung wird eingeleitet, weil das Grenzvolumen V2 erreicht ist. Die Differenzdruckkurve (8) hingegen schneidet zuerst die Differenzdruckgrenzgerade (5). Die Reinigung wird eingeleitet, weil der Grenzdifferenzdruck P2 erreicht ist. Die Anlage bleibt im gleichen Modus, d. h. bei den gleichen Grenzwerten. Neue Grenzwerte werden ggf. erst dann gesetzt, wenn nach Auslösung der Reinigung, durch Erreichen des Differenzdruckgrenzwertes P2, die anschließende Filtration nicht so lange läuft, wie es ein in der Steuerung hinterlegter Zeitgrenzwert fordert. Wird diese Zeit unterschritten, so erfolgt wiederum ein Moduswechsel oder die Filterelemente müssen gewechselt werden.

Fig. 2 zeigt das Flußdiagramm für eine Filtrationsanlage mit einer Vorfilterstufe, bestehend aus 3 Vorfiltergehäusen (22, 22′, 22′′) und einer Endfilterstufe bestehend aus zwei Endfiltergehäusen (23, 23′). Jedes Gehäuse verfügt über eine Differenzdruckmeßeinrichtung (17, 17′, 24, 24′, 24′′) mit der jeweils der Differenzdruck zwischen dem Gehäuseeingang und dem Gehäuseausgang ermittelt wird. Der dazugehörige Flux wird mit dem Volumenstrommeßgerät (20) bestimmt, das gleichzeitig als Volumenzählgerät dient und in der Filtratsammelleitung (19) angeordnet ist.

In der Regel filtriert immer nur ein Vorfiltergehäuse (22, 22, 22′′) zusammen mit einem Endfiltergehäuse (23, 23′). Dabei ist jede mögliche Kombination erlaubt, d. h. die Vorfilterlinien (21, 21′, 21′′) und die Endfilterlinien (25, 25′) werden zwar nach dem gleichen Prinzip, aber getrennt voneinander und mit anderen Grenzwerten gesteuert. Natürlich ist es auch möglich gleichartige Gehäuse oder Linien durch Hinterlegung unterschiedlicher Grenzwerte auch unterschiedlich zu steuern.

Eine solche Anlage dient z. B. zur Kaltentkeimung von Bier. In die Anlage gelangt Bier, daß durch eine vorherige Kieselgur filtration und ggf. eine zusätzliche Schichtenfiltration vorfiltriert wurde. Die Mikrofilteranlage steht direkt vor dem Füller. Der Filtratflux über die Anlage variert deshalb in dem Maße, wie von dem Füller verfahrensbedingt Bier benötigt bzw. von der Anlage abgenommen wird. Dabei kann es zu sehr starken Fluxspitzen kommen. Vor und hinter der Anlage sind korrespondierende Ventile (18, 18′) angebracht, durch die Druckschläge bzw. Druckrückschläge in den Rohrleitungen der Filteranlage vermieden werden können.

Die Anlage besteht aus 3 baugleichen, parallel geschalteten Vorfilterlinien (21, 21′, 21′′) und zwei baugleichen, parallel geschalteten Endfilterlinien (25, 25′). Jedes Gehäuse ist, unab-hängig von den Rohrleitungen für Bier, mit Vorrichtungen versehen, die es erlauben die Gehäuse (22, 22′, 22′′, 23, 23′) mit Druckluft, Kohlendioxid oder anderen Gasen zu beauf schlagen, wie es z. B. zum Vorspannen, Entleeren, Trocknen oder zur Integritätsprüfung erforderlich ist sowie die Gehäuse (22, 22′, 22′′, 23, 23′) mit flüssigen Medien, die z. B. zur Reinigung oder zur Sterilisation benötigt werden, zu versorgen bzw. diese Medien auszutragen oder im Kreislauf rezirkulieren zu lassen.

Für die automatische Steuerung einer solchen Anlage, aber auch für die Steuerung einer Mehrlinienanlage, bei der von einer Linie auf die andere manuell umgeschaltet werden muß, wenn ein Regenerationszyklus ansteht, ist es vorteilhaft, wenn die für einen Linienwechsel erforderlichen Schritte automatisch oder manuell rechtzeitig vorbereitet werden können, d. h. die Information muß bereits vor dem Erreichen der Grenzwerte für den Zykluswechsel vorliegen. Dies ist auch von Vorteil, wenn man nur mit einem Gehäuse bzw. einer Linie arbeitet.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es weiterhin , daß durch Bewertung der herangezogenen Parameter Filtratvolumen und Differenzdruck auch der Linienwechsel automatisch vorbereitet oder bei teilautomatischen Anlagen auf die notwendige Vorberei tung hingewiesen werden kann. Dies geschieht dadurch, daß zu nächst nicht die für den Wechselvollzug entscheidenden Grenz werte für das Volumen (V1 bzw. V2) und den Differenzdruck (P1 bzw. P2) abgefragt werden, sondern etwas kleinere Werte, bei deren Erreichen zum einen der notwendige Wechsel vorbereitet oder die notwendige Reinigung signalisiert wird und zum anderen dann die eigentlichen Grenzwerte gesetzt und abgefragt werden.

In Fig. 3 sind die Verhältnisse in einem Filtratvolumen-/Differenzdruck-Diagramm dargestellt. Dabei wurden im Vergleich zu dem Diagramm aus Fig. 1A zusätzlich die Grenzgeraden (13) für den Vorbereitungsgrenzdruck (P3) und die Grenzgerade (14) für das Vorbereitungsgrenzvolumen (V3) eingezeichnet. Die Differenzdruckkurve (16) erreicht zuerst die Volumengrenzgerade (14). Somit wird die Vorbereitung durch das Erreichen des Grenzvolumens V3 induziert bzw. signalisiert. Mit Erreichen dieses Grenzvolumens wird gleichzeitig als neuer Volumengrenzwert das Wechselgrenzvolumen (V1) gesetzt und abgefragt. Die Differenzdruckkurve (15) ereicht zuerst die Druckgrenzgerade (13). Somit wird die Vorbereitung durch das Erreichen des Grenzdruckes P3 induziert bzw. signalisiert. Mit Erreichen dieses Grenzdruckes wird gleichzeitig als neuer Differenzdruckgrenzwert der Wechselgrenzdifferenzdruck (P1) gesetzt und abgefragt.

Wie weit sich diese Vorbereitungsgrenzwerte (P3, V3) von den Wechselgrenzwerten (P1, V1) unterscheiden ist vor allem anlagenbedingt. Die Ermittlung erfolgt in der Regel experimentell. So wird z. B. ermittelt wieviel Zeit die Vorbereitung einer Parallellinie benötigt. Diese Zeit entspricht bei einem bekannten mittleren Flux einem bestimmten Differenzvolumen, um das der Grenzwert für das Vorbereitungs volumen (V3) mindestens niedriger liegt als das Wechselvolumen (V1). Dieser Unterschied ist für das Volumen für die verschiedenen Modi in der Regel gleich. Analoges gilt meist jedoch nicht für die Differenzdruckunter-schiede, weil der Differenzdruck normalerweise nicht linear ansteigt.

Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens ist es auch, daß unnötige Vorbereitungen, die sehr kostenintensiv (Zeit, Material, Energie) sein können vermieden werden oder z. B. Medien, die sehr schnell abgefüllt werden müssen nicht unnötig lange in der vorbereiteten Linie verweilen müssen.

Alle Grenzwerte können als Variable in das Steuerungsprogramm eingegeben werden. Wie später beschrieben wird, ist es auch möglich, daß die Steuerung die variablen Grenzwerte zumindest zum Teil selbst errechnet und in das Steuerprogramm übernimmt.

In die Steuerung eingegeben werden können auch die korrespon dierenden Wertepaare für den Grenzdifferenzdruck und den dazu gehörigen Filtratflux. Anstatt durch Wertepaare kann die Beziehung zwischen Differenzdruck und Filtratflux auch als Formel eingegeben werden, soweit eine solche bekannt ist. Im einfachsten Fall handelt es sich dabei um eine Geradengleichung y = t + m _* x , für welche die Steigung m und der Achsenab schnitt t eingegeben werden müssen und ggf. der Anfangswert und die Schrittweite für x. y entspricht dann dem jeweiligen Grenzdifferenzdruck bei einer Fluxrate von x.

In Fig. 4 ist eine solche Filtratflux/Differenzdruckgerade (10) dargestellt. Die Steuerung errechnet z. B. gemäß der entsprechenden Geradengleichung permanent für den momentanen Filtratfluxwert x den jeweils entsprechenden Differenzdruck grenzwert y und vergleicht diesen mit dem aktuellen gemessenen Differenzdruckwert. Ist letzterer höher als der errechnete Wert (Grenzwert), so reagiert die Steuerung mit den vorprogram mierten Aktionen. Vorteilhaft ist es dabei, eine Zeitspanne zu definieren, für die der Grenzwert überschritten werden muß, bevor die Steuerung die vorprogrammierten Aktionen auslöst. Somit führen z. B. trägheitsbedingte einzelne Fehlmessungen nicht zu falschen Aktionen. Aus diesem Grund wird z. B. auch der Achsenabschnittspunkt (11) bevorzugt nicht 0 gesetzt, obwohl dies bei einem fehlenden Flux der Fall ist. Der Wert (11) wird in der Regel mindestens so hoch gesetzt, daß er höher liegt als der Fehlerbereich des Meßgerätes, um auch hier Fehlaktionen zu vermeiden.

Bei nicht vollautomatischen Anlagen liegen dem Bedienpersonal die Filtratflux-/Differenzdruckgrenzwerte als Graphik oder in Tabellenform vor. Der Vergleich von Solldifferenzdruck und Istdifferenzdruck sowie die Berücksichtigung des aktuellen Filtratvolumens geben dann Auskunft, ob Aktionen notwendig sind.

In Fig. 4 ist noch eine weitere. Filtratflux/Differenzdruck kurve (9) dargestellt, die eher einer tatsächlichen Verknüpfung zwischen Fluxrate und Differenzdruck entspricht. Die Praxis hat nun gezeigt, daß die Formel für eine solche Kurve nicht umständlich ermittelt werden muß, sondern daß es meist ausreicht eine Grenzwertgerade (10) zu ermitteln, welche die tatsächliche Kurve in einem Punkt (12) schneidet, der dem ermittelten Differenzdruckgrenzwert Pmax bei einem definierten maximalen Flux Fmax entspricht. Dieser Grenzwert kann jeweils leicht an neu eingebauten Filterelementen ermittelt werden.

Einfacher, als die Differenzdruckmessung bzw. -bewertung gestaltet sich die Volumenmessung und die Durchflußmessung, die mit entsprechenden Vorrichtungen leicht durchführbar sind und zu absoluten Werten führen.

Die Grenzwerte können nach diversen Verfahren ermittelt werden. So ist es möglich anlagenunabhängige Vorversuche zu machen und aus diesen die entsprechenden Daten abzuleiten. Eine andere Methode ist es, sich im Praxisversuch an die optimalen Grenz werte heranzutasten.

Für die Ermittlung der Volumengrenzwerte eignen sich z. B. Ver blockungsversuche mit dem zu filtrierenden Medium. Dazu wird das Medium meist über kleinflächige Flachfilterscheiben filtriert. Es wird das Volumen bestimmt, das zu einem vorge wählten Verblockungsgrad führt. Wann dieser Verblockungsgrad erreicht ist, läßt sich aus dem Anfangsdifferenzdruck zu Beginn der Filtration ermitteln. Ist der Zielverblockungsgrad z. B. 50%, so wird die Filtration abgebrochen, wenn bei konstantem Differenzdruck die Filtratfluxrate auf die Hälfte abgesunken ist oder bei konstantem Filtratflux der Anfangsdifferenzdruck auf den doppelten Wert gestiegen ist. Anschließend wird die Filtratvolumenmenge bestimmt. Mit entsprechenden Korrektur faktoren läßt sich dann der Volumengrenzwert für eine Bestückung aus Filterelementen mit einer bestimmten Filter fläche hochrechnen.

Prinzipiell lassen sich auf diese Weise auch die Grenzdifferenzdruckwerte hochrechnen. Wegen der beschriebenen konstruktiven Einflüsse der Anlagenauslegung auf den Differenzdruck, ist es aber sinnvoller, die Durchflußmessung in der Anlage selbst durchzuführen. Der Anfangsdifferenzdruck für eine bestimmte Fluxrate ergibt sich dann zu Beginn der ersten Filtration. Wie oben beschrieben läßt sich so durch Vorgabe eines Zielverblockungsgrades, der jeweilige Grenzdifferenzdruck errechnen.

Die Festlegung der Grenzzeiten für einen Moduswechsel erfolgt unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten (Material-, Personal-, Energiekosten für eine Reinigung). Diese Zeiten werden normal als fixe Variablen in die Steuerung eingegeben. Auch die Druck- und Volumengrenzwerte werden häufig als fixe Variablen in das Steuerprogramm eingegeben, wenn die Filtrierbarkeit des zu behandelnden Mediums relativ konstant ist. Fixe Variablen bedeutet, daß diese Werte für eine Anlage und ein Medium in der Regel nicht verändert werden, aber verändert werden könnten.

Schwankt die Filtrierbarkeit, so können die Volumengrenzwerte relativ leicht vor Filtrationsbeginn ermittelt und als Variable in die Steuerung eingegeben werden. Gibt es eine eingegebe Formel für die Zielverblockungskurve, so lassen sich die dazugehörigen Differenzdruckgrenzwerte leicht errechnen. Auch dies kann vollautomatisch erfolgen.

Für vollautomatische Anlagen und Medien mit hoher Variabilität in der Filtrierbarkeit ist es weiterhin möglich, z. B. im Bypass, mehrfach am Tag, automatisch die Filtrierbarkeit zu bestimmen und durch entsprechende Korrelationsberechnungen die Grenzdaten jeweils entsprechend anzupassen. Dabei wird der Anfangsdruckabfall, der zu Beginn der ersten Filtration über frisch eingesetzte Filterelemente gemessen wurde, als Basis für die Berechnung der Grenzdifferenzdrücke herangezogen.

Bezugszeichenliste

1 Differenzdruckgrenzgerade für P1
2 Volumengrenzgerade für V1
3 Differenzdruckkurve (erreicht V1)
4 Differenzdruckkurve (erreicht P1)
5 Differenzdruckgrenzgerade für P2
6 Volumengrenzgerade für V2
7 Differenzdruckkurve (erreicht V2)
8 Differenzdruckkurve (erreicht P2)
9 Filtratflux/Differenzdruckkurve
10 Filtratflux/Differenzdruckgerade
11 Achsenabschnittspunkt
12 Differenzdruckgrenzwert Pmax für den maximalen Flux Fmax
13 Differenzdruckgrenzgerade P3 für die Wechselvorbereitung
14 Volumengrenzgerade V3 für die Wechselvorbereitung
15 Differenzdruckkurve (erreicht P3)
16 Differenzdruckkurve (erreicht V3)
17, 17′ Differenzdruckmessung Endfilter
18, 18′ Ventile
19 Filtratsammelleitung
20 Volumenstrommeßgerät und Volumenzähler
21, 21′, 21′′ Vorfilterlinien
22, 22′, 22′′ Vorfiltergehäuse
23, 23′ Endfiltergehäuse
24, 24′, 24′′ Differenzdruckmessung Vorfilter
25, 25′ Endfilterlinien

Claims

1. Steuerungsverfahren für Filtrationsanlagen für die Gas- oder Flüssigkeitsfiltration zur Durchführung eines Reinigungszyklus und oder eines Wechsels auf eine andere Filtrationslinie (21, 21′, 21′′, 25, 25′) oder auf ein anderes Filtergehäuse (22, 22′, 22′′, 23, 23′), dadurch gekennzeichnet, daß als Steuergrößen eine Differenzdruckmessung (24, 24′, 24′′, 17, 17′), die mit einer Filtratfluxrate korreliert und eine Filtratvolumenmessung (20) bewertet werden.

2. Steuerungsverfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergröße, deren Grenzwert als erster erreicht wird, den weiteren Ablauf des Filtrationsvorganges bestimmt.

3. Steuerungsverfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß es für die Steuergrößen einen Vorbereitungsgrenzwert gibt, bei dessen Erreichen ein Wechsel auf eine andere Filtrationslinie (21, 21′, 21′′, 25, 25′) oder auf ein anderes Filtergehäuse (22, 22′, 22′′, 23, 23′) vorbereitet wird bzw. die Notwendigkeit der Vorbereitung signalisiert wird.

4. Steuerungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Erreichen eines Grenzwertes der Steuergrößen dazu führt, daß für eine oder für beide Steuergrößen neue Grenzwerte gesetzt und abgefragt bzw. bestimmend werden.

5. Steuerungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzwerte der Steuergrößen in Abhängigkeit der Qualität des zu filtrierenden Mediums und oder des Zustands der Separationselemente und oder der Anlagenkonstruktion und oder der Anlagenauslegung bestimmt werden.

6. Steuerungsverfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzwerte für die Steuergrößen in Vorversuchen ermittelt werden.

7. Steuerungsverfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorversuche chargenbezogen für das zu filtrierende Medium außerhalb der Filtrationsanlage erfolgen und die neu ermittelten Grenzwerte der Steuergrößen vor dem Start der Filtration in die Steuerung eingegeben werden.

8. Steuerungsverfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorversuche während der Filtration in der Filtrationsanlage am zu filtrierenden Medium und oder den installierten Filterelementen durchgeführt werden.

9. Steuerungsverfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den Vorversuchen ableitbaren Werte für die Steuergrößen direkt von der Steuerung übernommen werden.

10. Steuerungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Volumengrenzwerte auf der Basis einer Filtration des zu behandelnden Mediums über das eingesetzte Filtermedium bestimmt wird bzw. werden.

11. Steuerungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Differenzdruckgrenzwerte auf der Basis von Fluxmessungen an neuen Filterelementen bestimmt wird bzw. werden.

12. Steuerungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Differenzdruckgrenzwertkurve eine Gerade (10) abgeleitet wird, die die eigentliche Differendruckgrenz wertkurve in dem Punkt (12) schneidet, der den gewählten maximalen Fluxwert und den dazu gehörigen maximalen Differenzdruckgrenzwert als Koordinaten hat und die Differenzdruckachse y in dem vorgegebenen Achsenabschnittspunkt (11) schneidet.