DE19854319A1 - Fiterelement - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filterelement, vorzugsweise aus Keramik, mit zylindrischer oder regelmäßig vieleckig prismatischer Außenfläche zu schaffen, dessen Querschnittsgestaltung eine unproblematische Fertigung erlaubt sowie eine große Filterfläche pro Gesamtquerschnitt, einen großen Durchsatz und eine gute mechanische Festigkeit ergibt. DOLLAR A Diese Aufgabe wird bei einem Filterelement der oben beschriebenen Art dadurch gelöst, daß DOLLAR A - die Mittelpunkte einer einzigen Reihe von Retentatkanälen (2) zum Filtratdurchtritt sowohl zur Außenfläche (1) als auch zum Mittelkanal (3) auf einer halbwegs zwischen beiden verlaufenden Linie angeordnet sind, DOLLAR A - die Umfangslinien der Querschnittsflächen der Retentatkanäle (2) eine stärkere Krümmung aufweisen als diejenigen von Außenfläche (1) und Mittelkanal (3) sowie DOLLAR A - das Verhältnis der Filtermembranfläche zum Gesamtquerschnitt des Filterelementes und/oder DOLLAR A - der resultierende Filtrat-Durchsatz zur Außenfläche (1) und zum Mittelkanal (3) maximiert sind bzw. ist. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Filterelement ist insbesondere in Einrichtungen zur dynamischen Filtration anwendbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Filterelement, vorzugsweise aus Keramik, mit zylindri­ scher oder regelmäßig vieleckig prismatischer Außenfläche. Solche Filterelemen­ te werden in aller Regel als dynamische Filter betrieben, d. h. das heißt quer zur Strömungsrichtung des Retentates in Retentatkanälen strömt Filtrat in Filtratkanä­ le oder aus dem Filterelement nach außen. Die Keramik des Filterelementes ist in den Filtratkanälen meist mit einer gleichfalls aus einer speziellen Keramik herge­ stellten Filtermembran beschichtet.

Es ist eine ganze Reihe solcher Filterelemente bekannt geworden, die sich in der Form und Anordnung der Kanäle sowie in der Strömungsrichtung des Filtrates un­ tereinander und von der erfindungsgemäßen Lösung unterscheiden.

Im einfachsten Fall sind Retentatkanäle ("Unfiltrat"-Kanäle) mit Kreisflächenquer­ schnitt gleichmäßig über den zylindrischen oder regelmäßig vieleckigen prismati­ schen Querschnitt der Filterelementes verteilt und das Filtrat tritt an der Außen­ fläche des Filterelementes aus (Firmendruckschrift der PoroCer-Keramik­ membranen GmbH, Hermsdorf; DE 92 07 879 U1; Stand der Technik zu DE 41 34 ­ 223, insbesondere dortige Fig. 5). Diese Ausführungsformen bieten wegen ihrer besonders regelmäßigen Querschnittsform fertigungstechnische Vorteile, aber schon bei der Kritik des Standes der Technik in der letztgenannten Patentschrift ist sehr deutlich ausgedrückt, daß die innen gelegenen Retentatkanäle wenig zur Filterleistung beitragen.

Diesen Mangel hat man dadurch zu beseitigen gesucht, daß die Retentatkanäle kreissektorförmig praktisch den ganzen Querschnitt eines zylindrischen Filterele­ mentes mit Ausnahme der Wandungen einnehmen, wobei die Außenwandungen gleichmäßige Dicke haben sollen, während radialen, die genannten kreissektor­ förmigen Retentatkanäle seitlich begrenzenden Wandungen eine nach außen hin zunehmende Dicke haben, um den Abfluß des Filtrats durch diese seitlichen Wandungen zu erleichtern (DE 41 34 223 C1).

Eine entsprechende Anordnung mit radialen Wandungen konstanter Dicke soll eine gleichmäßige Abscheidung der Filtermembran fördern (EP 0 686 424 A1).

Schließlich ist es bekannt, mehrere konzentrische Reihen von membranbeschich­ teten Retentatkanälen anzuordnen, deren geometrische Form innerhalb einer Reihe gleich ist, wohingegen der Querschnitt, der hydraulische Durchmesser und ein sogenannter typischer Durchmesser für alle Kanäle gleich sein sollen (EP 0 778 074 A1). Dadurch soll die Filterfläche pro Gesamtvolumen maximiert und zu­ gleich die Abführung von Filterschlamm vergleichmäßigt sowie die Verstopfung einzelner Kanäle verhindert werden. Es ist auch anzunehmen, daß durch die An­ ordnung mehrerer Reihen von Kanälen rund um einen zentralen Kanal auch Pro­ bleme infolge ungleichmäßiger Brennschwindung bei der Herstellung des Kera­ mikträgerkörpers vermieden werden sollen.

Neben dem bereits oben geschilderten Problem, daß bei einer Anordnung mehre­ rer Reihen von Kanälen die innenliegenden, trotz insgesamt großer Filterfläche, wenig zur Filterleistung (Durchsatz) beitragen können haben alle drei zuletzt ge­ schilderten technischen Lösungen weiterhin gemeinsam den Nachteil, daß die geschilderten komplizierten Querschnittsanordnungen zu ihrer Herstellung sehr kompliziert gestaltete Werkzeuge erfordern und insgesamt fertigungstechnisch schwer zu beherrschen sind.

Um gegebenenfalls auf ein äußeres Gehäuse, wo das Filtrat gesammelt wird, verzichten zu können, ist es schließlich bekannt, membranbeschichtete zylindri­ sche Rentatkanäle rotationssymmetrisch oder in einer anderen regelmäßigen Anordung rund um einen oder mehrere zentrale Sammelkanäle anzuordnen und die Außenfläche des Filterelementes beispielsweise durch eine Metallisierung ab­ zudichten (DE 41 31 407 A1). So können die fertigungsmäßigen und die festig­ keitsmäßigen Vorteile einer Anordnung mit mehreren Kanälen gleicher Größe ge­ nutzt werden, aber die auf das Gesamtvolumen bezogene Filterleistung (Durchsatz) ist prinzipiell besonders schlecht, weil das in Richtung in Außenwand durch die Filtermembran tretende Filtrat innerhalb des Keramik-Stützkörpers quasi wieder nach innen, zu dem Sammelkanal bzw. den Sammelkanälen "umgeleitet" werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filterelement der eingangs ge­ schilderten Art zu schaffen, dessen Querschnittsgestaltung eine unproblemati­ sche Fertigung erlaubt sowie eine große Filterfläche pro Gesamtquerschnitt, ei­ nen großen Durchsatz und eine gute mechanische Festigkeit ergibt und dabei die geschilderten Mängel des Standes der Technik vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentansprüchen beschriebene Erfindung ge­ löst.

Die vorteilhaften Auswirkungen der Erfindung bestehen infolge des sowohl nach innen als auch nach außen gerichteten Filtratstromes in einem erhöhten Durch­ satz bei gegebenem Gesamtquerschnitt und damit gegebenem Gesamtvolumen des in seinen Außenumrissen zylindrischen oder regelmäßig vieleckig prismati­ schen Filterelementes, ohne das es zu Einbußen an Festigkeit, insbesondere an Druckfestigkeit unter dem Druck des Retentates in den Retentatkanälen, aber auch unter äußeren Einwirkungen bei der Herstellung und Handhabung kommt.

Die gegenüber der Außenfläche und dem Mittelkanal stärkere Krümmung der Umfangslinie der Querschnittsflächen der Retentatkanäle, d. h. die Vermeidung dünner Wandungen gleichmäßiger Dicke, ergibt eine besonders stabile und un­ problematisch herstellbare Querschnittsform des Filterelementes.

Die Erfindung wird nachstehend an mehreren Ausführungsbeispielen näher be­ schrieben, wobei insbesondere die durch die Erfindung gegenüber dem Stand der Technik optimierten Durchsatzparameter herausgestellt werden. Die beigefügten Zeichnungen sind sämtlich Stirnseitenansichten, welche die charakteristische Querschnittsform zeigen. Die einzelnen Figuren stellen dar:

Fig. 1 Filterelement mit kreisförmigen Retentatkanälen nach Anspruch 4.

Fig. 2 Filterelement mit bogendreieckförmigen Retentatkanälen nach An­ spruch 5.

Fig. 3 Filterelement mit ellipsenförmigen Retentatkanälen nach Anspruch 6.

Fig. 4 Filterelement mit ellipsenförmigen Retentatkanälen, deren Ellipsen- Hauptachse nach Anspruch 7 geneigt ist.

Fig. 5 Filterelement nach dem Stand der Technik, bei welchem das Filtrat nur nach außen abfließt.

Fig. 6 Filterelement nach dem Stand der Technik, bei welchem das Filtrat nur zum Mittelkanal abfließt.

Aus Gründen der Vergleichbarkeit haben alle Filterelemente eine Außenfläche 1 mit einem Durchmesser von 25 mm. Die mit der Filtermembran beschichteten Retentatkanäle 2 haben unterschiedliche Durchmesser und sind in unterschiedli­ cher Anzahl angebracht. Als Anhaltspunkt ist die Membranfläche für ein Filtere­ lement von 1 m Länge angegeben. Der entscheidende Parameter zur Darstellung der Vorteile der Erfindung ist der hier auf Filterfläche, Zeitdauer und Druck nor­ mierte Durchsatz. Die Normierung erfolgt, um einen Vergleich zu ermöglichen.

Der Mittelkanal 3 hat bei allen erfindungsgemäßen Filterelementen nach Fig. 1 bis 4 einen Durchmesser von einheitlich 12 mm. Bei dem Filterelement des Stan­ des der Technik nach Fig. 6 beträgt der Durchmesser des Mittelkanales 6 mm.

Die Vorteile der Erfindung werden nachfolgend für einen Filterelement- Grundkörper mit:

• - einer mittleren Porengröße 3,3 µm und
• - einer Porosität des von 30%

anhand der Durchsatzkennwerte im oben beschriebenen Sinne tabellarisch dar­ gestellt:

Normalerweise werden diese Filterelement-Grundkörper in der angegebenen Weise mit einer Filtermembran beschichtet. Es versteht sich, daß die Durchsatz­ werte eines solchen Filterelementes dann auch von der Porosität und der Poren­ größe der Filtermembran abhängen.

Claims (8)

1. Filterelement, vorzugsweise aus Keramik, mit zylindrischer oder regelmäßig vieleckig prismatischer Außenfläche und mit um einen Mittelkanal angeordneten, mit einer Filtermembran beschichteten Retentatkanälen, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Mittelpunkte einer einzigen Reihe von Retentatkanälen (2) zum Filtratdurch­ tritt sowohl zur Außenfläche (1) als auch zum Mittelkanal (3) auf einer halbwegs zwischen beiden verlaufenden Linie angeordnet sind,
• - die Umfangslinien der Querschnittsflächen der Retentatkanäle (2) ein stärkere Krümmung aufweisen als diejenigen von Außenfläche (1) und Mittelkanal (3) so­ wie
• - das Verhältnis der Filtermembranfläche zum Gesamtquerschnitt des Filterele­ mentes und/oder
• - der resultierende Filtrat-Durchsatz zur Außenfläche (1) und zum Mittelkanal (3) maximiert sind bzw. ist.

2. Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Retentatka­ näle (2) eine solche Querschnittsform und -lage haben, daß sie entlang der Linie ihrer Mittelpunkte geometrisch ineinander überführbar sind.

3. Filterelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver­ lauf der Krümmung entlang der Umfangslinien stetig ist.

4. Filterelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quer­ schnittsflächen der Retentatkanäle (2) Kreisflächen sind.

5. Filterelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quer­ schnittsflächen der Retentatkanäle (2) die Form von Bogendreiecken mit abge­ rundeten Ecken (oder "Gleichdickform") haben.

6. Filterelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quer­ schnittsflächen der Retentatkanäle (2) Ellipsenflächen sind.

7. Filterelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptachsen der Ellipsenflächen gegenüber der Linie der Mittelpunkte geneigt sind.

8. Filterelement nach einem der bisherigen Ansprüche gekennzeichnet durch Umkehrung der Strömungsverhältnisse derart, daß

• - die Außenfläche (1) und der Mittelkanal (3) mit der Filtermembran beschichtet sind und das Retentat dort entlang geführt wird, während
• - die Retentatkanäle (2) nach den bisherigen Ansprüchen nunmehr als Filtratka­ näle (2) nicht beschichtet sind.