DE19819676A1 - Ceramic filter element used as filter or filter membrane support - Google Patents
Ceramic filter element used as filter or filter membrane supportInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Keramik-Filterelement, das von einer Vielzahl paralleler Ka näle durchzogen ist und das durch Strangpressen als Monolith hergestellt ist. Dieses Keramik-Filterelement soll selbst als Filter oder als Stützkörper für eine Filtermem bran Anwendung finden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Filteranordnung mit sol chen Keramik-Filterelementen.The invention relates to a ceramic filter element, which consists of a plurality of parallel Ka passages and is produced by extrusion as a monolith. This Ceramic filter element is intended as a filter or as a support body for a filter membrane find application. The invention further relates to a filter arrangement with sol Chen ceramic filter elements.
Solche Körper mit Kanälen kreisförmigen Querschnittes im Durchmesserbereich 0,1 mm bis 10 mm aus dichtgebrannter Keramik bzw. mit einer Porosität von maximal 40% sind für andere Anwendungsfälle, wie beispielsweise wärmefeste elektrische Iso lierkörper, seit langem bekannt (Katalog Nr. 5 "Keramische Rohre und Profilkörper (Strangpreß-Formstücke)" der Fa. Stemagwerk Pankow, 1950, S. 7, 18, 19 sowie Werkstofftabelle in Anlehnung an DIN 40 685). Diese Körper sind für Filtrations zwecke auf Grund der Porengröße sowie der im allgemeinen zu breiten Porengrö ßenverteilung nicht geeignet.Such bodies with channels of circular cross section in the diameter range 0.1 mm to 10 mm from densely fired ceramic or with a maximum porosity of 40% are for other applications, such as heat-resistant electrical insulation lier body, known for a long time (Catalog No. 5 "Ceramic tubes and profile body (Extrusion fittings) "from Stemagwerk Pankow, 1950, pp. 7, 18, 19 and Material table based on DIN 40 685). These bodies are for filtration purposes due to the pore size and generally too wide pore size Size distribution not suitable.
Sehr verbreitet sind in der Grundform prismatische Filter aus poröser Keramik, bei denen die Kanäle verschiedener, jedoch vorzugsweise untereinander gleicher Quer schnittsform gleichmäßig über einen runden oder Vieleckquerschnitt verteilt sind (siehe beispielsweise DE 41 31 407 A1, DE 41 34 223 C1, DE 92 07 879 U1). Eine sehr verbreitete Sonderform stellt dabei der sogenannte Wabenkörper dar, bei wel chem Kanäle meist quadratischen Querschnittes mit dünnen Zwischenwandungen gleichmäßig über den Querschnitt des Wabenkörpers selbst angeordnet sind (siehe beispielsweise DE 35 27 872 A1). Der Nachteil aller dieser Filterkörper besteht darin, daß zur Erzielung einer großen wirksamen Filterfläche sehr viele Kanäle mit folglich sehr dünnen Wandungen geformt werden müssen, was bei Formgebung und hin sichtlich der Stabilität Probleme aufwirft. Da die Kanäle weiterhin unterschiedlich weit von den Außenwandungen entfernt sind ergeben sich entweder unterschieldliche lange, nicht optimale Wege des Filtrats durch den porösen Körper, oder es müssen bei den Wabenkörpern nach einem fertigungstechnisch nicht unkomplizierten Verfah ren zwei Gruppen von jeweils schachbrettartig angeordneten Kanälen für Filtrat und Retentat gegeneinander versetzt an den beiden Stirnseiten der Wabenkörper ver schlossen werden, um die Flüssigkeit zu zwingen, nur jeweils eine Kanalwandung zu durchdringen, wo die Filtration erfolgt.Prismatic filters made of porous ceramic are very common in the basic form which the channels of different, but preferably mutually the same cross sectional shape are evenly distributed over a round or polygonal cross-section (see for example DE 41 31 407 A1, DE 41 34 223 C1, DE 92 07 879 U1). A the so-called honeycomb body represents a very common special form Chem channels mostly square cross-section with thin intermediate walls are evenly arranged across the cross-section of the honeycomb body itself (see for example DE 35 27 872 A1). The disadvantage of all of these filter bodies is that that in order to achieve a large effective filter area with very many channels very thin walls have to be formed, what with shaping and back visibly the stability poses problems. Because the channels continue to vary widely from the outer walls are either different long, suboptimal paths of filtrate through the porous body, or it must in the case of the honeycomb bodies according to a process that is not uncomplicated in terms of production technology Ren two groups of channels for filtrate and Retentate offset against each other on the two end faces of the honeycomb body be closed to force the liquid, only one channel wall at a time penetrate where the filtration takes place.
Schließlich sind flache prismatische Körper mit parallelen Rillen auf einer ihrer Sei ten bekannt, die paarweise zusammengesetzt einen Körper der eingangs geschilder ten Art ergeben. Dies gilt wiederum für dicht gebrannte, thermisch und/oder elek trisch isolierende Körper (a.a.O. Stemag-Katalog, S. 18), aber auch für Filter, bei de nen entweder auf der (den) ebenen Außenfläche(n) eine Filtermembran aufgebracht ist (WO 93/00154 A1) oder der ganze, entsprechend poröse Körper als Filter wirkt (DE 43 29 473 C1). Hiermit sind die oben geschilderten Mängel bezüglich der me chanischen Stabilität und der angestrebten minimalen Varianz der vom Filtrat im Fil ter- und ggf. Trägerkörper zurückgelegten Wegstrecken behoben. Als Nachteil ver bleibt das Problem der Abdichtung der Teilungsfuge.Finally, flat prismatic bodies with parallel grooves on one of their sides ten known, which put together a body of the signs above surrendered. This again applies to tightly fired, thermal and / or electrical trically insulating body (see above Stemag catalog, p. 18), but also for filters, at de Neither a filter membrane is applied to the flat outer surface (s) is (WO 93/00154 A1) or the entire, correspondingly porous body acts as a filter (DE 43 29 473 C1). Herewith are the shortcomings described above regarding me mechanical stability and the desired minimal variance of the filtrate in the fil The distance covered and, if applicable, the carrier body are eliminated. As a disadvantage remains the problem of sealing the parting line.
Durch die Veröffentlichung WO 93/00154 A1 ist es auch bekannt, die beiden mit Ril len versehen Körper so zu verschweißen, daß prinzipiell ein Körper der eingangs er wähnten Art entsteht. Dadurch werden die Abdichtungsprobleme überwunden, aber das Verschweißen ist vor allem für Ausführungen aus Metall und Kunststoff denkbar, während es für die hier bevorzugten Ausführungen aus Keramik sehr schwierig bis unmöglich ist.From the publication WO 93/00154 A1 it is also known to use the Ril len provided body to be welded so that in principle a body of the beginning mentioned type arises. This overcomes the sealing problems, however welding is particularly conceivable for metal and plastic versions, while it is very difficult for the ceramic designs preferred here is impossible.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach herstellbares, mechanisch stabiles Filterelement der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei welchem auch die Weglänge des Filtrates durch dieses Element insgesamt optimal ist.The invention has for its object an easy to manufacture, mechanical to create stable filter element of the type mentioned, in which also the Path length of the filtrate through this element is optimal overall.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen beschriebene Erfindung gelöst.This object is achieved by the invention described in the claims.
Das erfindungsgemäße Keramik-Filterelement erfüllt alle Anforderungen zur Verwen dung als Filter oder Filtermembran-Stützkörper. Insbesondere sind bei bezogen auf den Materialeinsatz optimaler Festigkeit gegenüber Innen- bzw. Außendruck sowie insbesondere in Stapelanordnung gegenüber Biegung zugleich die Filtratwege in nerhalb des Körpers optimiert, indem deren Varianz prinzipiell kleiner ist als bei an deren Keramik-Filterelementen mit mehreren Kanälen.The ceramic filter element according to the invention fulfills all requirements for use as a filter or filter membrane support body. In particular, are related to the use of materials with optimal strength against internal and external pressure as well the filtrate paths in at the same time, particularly in a stack arrangement with respect to bending optimized within the body, in principle, the variance of which is smaller than in an their ceramic filter elements with multiple channels.
Das Keramik-Filterelement weist keinerlei Beschränkungen hinsichtlich seiner Au ßenabmessungen auf, so daß eine Anpassung an jegliche geforderte Filterflächen möglich ist. The ceramic filter element has no restrictions with regard to its Au outer dimensions, so that an adaptation to any required filter surfaces is possible.
Die Erfindung wird nachstehend an drei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die beigefügte Zeichnung zeigt ein erfindungsgemäßes Keramik-Filterelement in per spektivischer Ansicht.The invention is explained in more detail below using three exemplary embodiments. The attached drawing shows an inventive ceramic filter element in per perspective view.
Dieses Keramik-Filterelement besteht aus einer Al2O3-Keramik mit 30% offener Porosität und einer maximalen Porengröße von 3,5 µm. Es ist 140 mm lang, 6 mm dick und weist 22 Kanäle mit Kreisquerschnitt und einem Durchmesser von 3 mm auf. Ohne aufgebrachte Filtermembran, d. h. wenn dieser Körper selbst als Filter wirkt, sowie das Retentat außerhalb des Körpers und das Filtrat durch die Kanäle strömt, ergibt sich eine Filterfläche von 0,028 m2 mit einem Filtratdurchsatz von 6000 l h-1 bar-1 m-2. Das erwähnte Keramikmaterial zeichnet sich weiterhin dadurch aus, daß es unter Einwirkung von Wärme und/oder aggressiver Chemikalien rückgespült und ge reinigt werden kann und daher beispielsweise in der pharmazeutischen oder in der Lebensmittelchemie eingesetzt werden kann.This ceramic filter element consists of an Al 2 O 3 ceramic with 30% open porosity and a maximum pore size of 3.5 µm. It is 140 mm long, 6 mm thick and has 22 channels with a circular cross section and a diameter of 3 mm. Without an applied filter membrane, ie if this body itself acts as a filter and the retentate flows outside the body and the filtrate flows through the channels, the resulting filter area is 0.028 m 2 with a filtrate throughput of 6000 lh -1 bar -1 m -2 . The ceramic material mentioned is further characterized in that it can be backwashed and cleaned under the influence of heat and / or aggressive chemicals and can therefore be used, for example, in pharmaceutical or food chemistry.
Ein zweites Keramik-Filterelement mit gleichen geometrischen Abmessungen aus ei ner Al2O3-Keramik mit 30% offener Porosität und ohne ausgesprochene Trenngren ze. Die Filterfunktion wird von einer an den Wandungen der Kanäle aufgebrachten, ca. 40 µm dicken, gleichfalls aus Aluminiumoxid bestehenden Filtermembran mit ei ner offenen Porosität von 45% und einer mittleren Porengröße von 0,2 µm über nommen. Wenn das Retentat durch die Kanäle strömt und das Filtrat an der Außen seite des Keramik-Filterelements austritt, ergibt sich eine Filterfläche von nunmehr 0,029 m2 mit einem Filtratdurchsatz von 2500 l h-1 bar-1 m-2.A second ceramic filter element with the same geometrical dimensions made of an Al 2 O 3 ceramic with 30% open porosity and without pronounced separation limits. The filter function is carried out by a 40 µm thick filter membrane, also made of aluminum oxide, with an open porosity of 45% and an average pore size of 0.2 µm applied to the walls of the channels. If the retentate flows through the channels and the filtrate emerges on the outside of the ceramic filter element, the resulting filter area is now 0.029 m 2 with a filtrate throughput of 2500 lh -1 bar -1 m -2 .
Die nachstehende Tabelle gibt für ansonsten gleiche Verhältnisse die Ergebnisse ei
ner Variation der Kennwerte der Filtermembran wieder:
The table below shows the results of a variation of the characteristic values of the filter membrane for otherwise identical conditions:
Bei der Umkehrung der Filtration, d. h. die ansonsten den Angaben im vorigen Ab schnitt entsprechende Filtermembran ist auf der gesamten Außenfläche des Kera mik-Filterelementes aufgebracht, das Retentat strömt, wie bei ersten Beispiel außen unter Überdruck und das Filtrat läuft durch die Kanäle ab, wobei die Filterfläche na turgemäß auch dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht, dann ergibt sich ein Fil tratdurchsatz von 2500 l h-1 bar-1 m-2.In the reversal of the filtration, ie the filter membrane otherwise corresponding to the information in the previous section, is applied to the entire outer surface of the ceramic filter element, the retentate flows, as in the first example, under excess pressure and the filtrate runs through the channels, whereby the filter area naturally also corresponds to the first embodiment, then there is a filter flow rate of 2500 lh -1 bar -1 m -2 .
Die hinsichtlich der Fließrichtung des Filtrates sowie hinsichtlich der Anzahl in einem Filtermodul angeordneter Keramik-Filterelemente sehr unterschiedlichen Anordnun gen ermöglichen eine Optimierung der gleichfalls sehr unterschiedlichen Strömungs verhältnisse sowohl auf der Retentat- als auch auf der Filtratseite.The in terms of the flow direction of the filtrate and in terms of the number in one Filter module arranged ceramic filter elements very different arrangements conditions enable the flow, which is also very different, to be optimized conditions on both the retentate and the filtrate side.
Die Umkehrung mit dem Retentatfluß durch die Kanäle hat den Vorteil . . .Reversing the retentate flow through the channels has the advantage. . .
Die Anordnung mehrerer erfindungsgemäßer Keramik-Filterelemente übereinander mit alternierendem Wechsel der Richtung der Kanäle hat unabhängig von der Filtra tionsrichtung den Vorteil der intensiven Vermischung und Verwirbelung der jeweils im Raum zwischen den plattenförmigen Keramik-Filterelementen strömenden Fil trat- oder Retentatphase.The arrangement of several ceramic filter elements according to the invention one above the other with alternating changing the direction of the channels regardless of the Filtra direction the advantage of intensive mixing and swirling in each Space between the fil flowing plate-shaped ceramic filter elements kicked or retentate phase.
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