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Die
Erfindung betrifft ein Filtrationssystem mit Belüftungssystem. Dazu weist das
Filtrationssystem mit Belüftungssystem
zum Belüften
ein Belüftungsmodul
und zum Filtrieren von Medien ein Filtermodul mit Rohrmembranen
auf, wobei eine Rohrmembran eine Rohrmembran-Einlauföffnung und eine
Rohrmembran-Auslauföffnung
an den Enden der Rohrmembran aufweist.
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Ein
derartiges Filtrationssystem ist aus der Druckschrift
DE 694 17 374 T2 bekannt.
In dem bekannten System erfolgt die Filtration mit Rohrmodulen,
mit denen ein druckgetriebener Trennprozess, der Lösungen und
Dispersionen auf physikalischem Wege in ein Konzentrat und ein Filtrat
trennt, durchgeführt
wird. Dazu ist das Filtermedium im Filtermodul als Rohr aufgebaut
mit einem äußeren stark
permeablem Stützrohr
für die
mechanische Stabilität und
einer innen liegenden Membranschicht, welche die Trenneigenschaften
aufweist. Um eine möglichst große Membranfläche auf
möglichst
geringem Raum installieren zu können,
werden mehrere Rohrmembranen in einem Rohrmodul als Bündel zusammengefasst.
Die Rohrmembranen sind in diesem Modul parallel angeordnet.
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Derartige
Rohrmodule werden in der Regel mit einer cross-flow oder tangential-f1ow
Filtration betrieben. Dabei strömt
die zu trennende Lösung
parallel durch die Rohrmembranen. Ein Teil des zu filtrierenden
Mediums passiert quer zur Stömungsrichtung
die Membranschicht und wird in einem größeren Sammelrohr gesammelt
und als Filtrat oder Permeat abgeleitet. In dem zu filtrierenden
Medium lösliche anorganische
oder niedermolekulare organische Substanzen passieren zusammen mit
dem Filtratmedium die Membranschicht, während emulgierte Stoffe, größere Makromoleküle und unlösliche Substanzen
in Form von Partikeln von der Membranschicht der Rohrmembranen zurückgehalten
werden. Das in den Rohrmembranen verbleibende Restmedium führt die
zurückgehaltenen
Inhaltsstoffe als Retentat aus dem Rohrmodul heraus. Das Retentat
wird im Kreislauf so lange immer wieder durch das Rohrmodul geführt, bis
die gewünschte
Anreicherung der zurückgehaltenen
Inhaltsstoffe in dem Restmedium erreicht ist.
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Die
cross-flow Technik erlaubt eine lange Filtrationszeit bei nur geringer
Abnahme der Permeatleistung. Bei konventioneller Filtration akkumulieren
die zurückgehaltenen
Partikel auf dem Filtermedium bis zu einem Punkt, an dem die Flüssigkeit
den Filter nicht mehr durchdringen kann. Die Filtrationsleistung
nimmt mit zunehmender Deckschicht immer mehr ab. Um eine hohe Filtrationsleistung
zu erreichen, soll die Deckschicht so gering wie möglich gehalten
werden. Durch die permanente Überströmung der
Membranoberfläche
bei der cross-flow Filtration werden die Partikel von der Membranoberfläche zurück in die
Hauptströmung
geschwemmt und damit die Deckschicht vermindert. Dazu sind Scherkräfte an der
Membranoberfläche
notwendig, die teilweise durch hohe Fließgeschwindigkeit und einer
damit verbundenen turbulenten Strömung in den Rohrmembranen konventionell
erreicht werden.
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Ein
Nachteil derartiger Anlagen besteht in der geforderten hohen Fließgeschwindigkeit,
um eine turbulente Strömung
aufrecht zu erhalten, was einen hohen relativen Energiebedarf nachteilig
zur Folge hat.
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Aus
der Druckschrift
EP
0 659 694 P1 ist ein Membranbioreaktor mit einem Gaslüftsystem
bekannt. Das Gaslüftsystem
injiziert in die Rohrmembranen über
Sprühdüsen, die
einzelnen Rohrmembraneinlauföffnungen
zugeordnet sind, oder über
Rohrstücke
mit permeablen Wänden
fein verteilte Luftbläschen
in die Rohrmembranen. Diese Luftbläschen vereinigen sich beim
Aufsteigen in senkrecht angeordneten Rohrmembranen nach Durchlaufen
etwa eines Drittels bis zu zwei Dritteln der Rohrmembranlänge, ehe
sie großvolumige
Luftblasen bilden, welche den Rohrmembranquerschnitt nahezu auffüllen und
für eine
erhöhte
Fließgeschwindigkeit
zwischen Luftblase und Rohrmembranbeschichtung sorgen, so dass nun
der so genannte Slug-flow-Effekt auftritt, bei dem die sich bildende
Blase eine Wirbelschleppe hinter sich herzieht, die für ein Aufwirbeln
der an der Innenwand abgesetzten Teilchen sorgt und zumindest im
oberen Drittel der Rohrmembranen ein Akkumulieren der zurückgehaltenen
Partikel auf der Rohrmembranschicht behindert.
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Ein
Nachteil des bekannten Bioreaktors besteht darin, dass teilweise
nur ein Drittel der wirksamen Membranschicht in der Rohrmembran
von sich absetzenden Partikeln freigehalten werden kann, zumal durch
die Einleitung der Luft über
poröse
Rohrenden bzw. über
ein Sprühdüsen-Belüftungsmodul zwar
gleichmäßig verteilte
Luftbläschen,
aber für
den Slug-flow-Effekt
unwirksame kleine fein verteilte Luftbläschen, in die Rohrmembran-Einlauföffnungen
eingeleitet werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Filtrationssystem mit Belüftungssystem
zu schaffen, das eine energiesparende Trennung emulgierter Stoffe,
größerer Makromoleküle und unlöslicher
Substanzen in einem Filtermodul mit Rohrmembranen effektiver als bisher
von dem Filtrat trennt und eine hohe Langzeit-Permeatleistung des
Filtrationssystems sicherstellt.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird ein
Filtrationssystem mit Belüftungssystem
geschaffen. Das Filtrationssystem weist zum Filtrieren von Medien
ein Filtermodul mit Rohrmembranen auf, die eine Rohrmembran-Einlauföffnung und
eine Rohrmembran-Auslauföffnung
umfassen. Zum Belüften
weist das Filtrationssystem ein Belüftungsmodul mit Belüftungsrohren
auf, die mindestens eine Lufteinlassöffnung und eine Medienauslassöffnung besitzen.
Das Belüftungsmodul
hält für jede Rohrmembran-Einlauföffnung eine
Medienauslassöffnung
eines einzelnen Belüftungsrohres
bereit, wobei das einzelne Belüftungsrohr
derart dimensioniert ist, dass es mindestens Luftblasen, die einem
Rohrmembranquerschnitt angepasst sind, in die Rohrmembran emittiert.
Dazu ist die Rohrmembran-Einlauföffnung über der
Medienauslassöffnung
des einzelnen Belüftungsrohres angeordnet.
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Ein
derartiges Filtrationssystem mit Belüftungssystem hat den Vorteil,
dass die volle Länge des
Membranrohres mit ausreichend großen Luftblasen versorgt wird,
so dass auf der gesamten Länge des
Membranrohres ein Abscheiden von Feststoffen auf der im Membranrohr
angeordneten Membranschicht behindert wird, da jede der an den Durchmesser
des Membranrohres angepassten Luftblasen einerseits bereits bei
moderater Strömungsgeschwindigkeit
von durchschnittlich 0,5 bis 2 m/s eine deutliche Strömungsgeschwindigkeitserhöhung in
dem Spalt zwi schen Luftblase und Membranschicht verursacht und Scherkräfte auf
sich absetzende Stoffe ausübt.
Andererseits zieht jede dem Querschnitt der Rohrmembran angepasste
Luftblase eine Wirbelschleppe hinter sich her, welche zusätzlich durch starke
Verwirbelung das Absetzen von Stoffen auf der Membranschicht behindert.
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Im
Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem nachteilig teure Belüftungsrohre
mit permeabler Wandstruktur eingesetzt werden, können hier einfache Rohre mit
glatten Wänden
eingesetzt werden, die lediglich eine Luftöffnung entweder an einem Ende
des Belüftungsrohres
oder auf der Mantelfläche
des Belüftungsrohres
aufweisen, verwendet werden, um einzelne Luftblasen in das zu filtrierende
Medium zu emittieren. Durch die Anordnung der einzelnen Rohrmembranen
mit ihren Rohrmembran-Einlauföffnungen über Medienauslassöffnungen
der Belüftungsrohre
wird die Zuordnung der sich bildenden bzw. von dem Belüftungsrohr
emittierten Luftblasen zu einer einzelnen Rohrmembran sichergestellt.
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Dazu
kann die Medienauslassöffnung
eines Belüftungsrohres
kleiner oder gleich dem Durchmesser der Rohrmembran-Einlauföffnung sein.
Ein kleinerer Rohrdurchmesser für
die Belüftungsrohre
gegenüber
dem Durchmesser der Rohrmembranen wird dann gewählt, wenn das Belüftungsrohr
einzig und allein Luft führt,
die dann beim Übergang
vom Lüftungsrohr
zur Rohrmembran Luftblasen in die Einlauföffnung der Rohrmembran liefert.
Dazu sind die Belüftungsrohre
mit ihren Lufteinlassöffnungen
an eine Druckluftleitung angeschlossen und in einem Gehäuse untergebracht,
das eine seitliche Medieneinlassöffnung
aufweist, so dass das Bündel
aus Belüftungsrohren
von dem zu filternden Medium zwar umspült wird, aber dennoch getrennt
ist. Erst im Übergangsbereich
von den Belüftungsrohren zu
den Rohrmembranen bilden sich entsprechend an den Durchmesser der
Rohrmembran angepasste Luftblasen, die aus dem Luft führenden
Belüftungsrohr
emittiert werden. Das Filtermodul und das Belüftungsmodul sind mit ihren
Rohren derart aufeinander ausgerichtet, dass die Belüftungsrohre
des Belüftungsmoduls
konzentrisch zu den Rohrmembranen des Filtermoduls angeordnet sind.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist die Medienauslassöffnung des Luft führenden
Rohres eine Schlitzmembran auf, die derart angeordnet ist, dass
sie Luftblasen aus dem Luft führenden
Belüftungsrohr
freigibt, sofern ein entsprechender Luftdruck im Belüftungsrohr
herrscht und bei Ausbleiben des Luftdrucks den Schlitz der Membran schließt, so dass
das zu filtrierende und umgebende Medium nicht in das Belüftungsrohr
eindringt.
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In
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung wird die Medienauslassöffnung des Belüftungsrohres
von einem Schlauchstück
gebildet, das über das
Belüftungsrohrende
gestreift ist und eine Medienauslassöffnung im Mantel des Belüftungsrohres abdeckt,
wobei das Ende des Belüftungsrohres
verschlossen ist. Durch die Anbringung eines derartigen Schlauchventils
am Medienaustrittsende des Belüftungsrohres
wird ebenfalls erreicht, dass zwar Luftblasen bei Überdruck
aus dem Belüftungsrohr
entweichen können,
jedoch kein die Belüftungsrohre umgebendes
zu filtrierendes Medium in das Belüftungsrohr eindringen kann.
Im Prinzip kann diese Ventilfunktion durch andere Ventilkonstruktionen
für jedes
der Belüftungsrohre
gebildet werden oder durch ein Rückschlagventil
in der Pressluftzuführung des
Belüftungsmoduls
sichergestellt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des Filtrationssystems führen
bereits die Belüftungsrohre das
zu filtrierende Medium und weisen auf der Mantelfläche jeweils
eine Lufteinlassöffnung
auf. Diese Lufteinlassöffnung
ist von einem gegen Medieneintritt gesicherten Luftzufuhrraum umgeben,
so dass Luft über
die Lufteinlassöffnung
im Mantel der Belüftungsrohre
in das in den Belüftungsrohren
geführte zu
filtrierende Medium eindringt, wobei die Lufteinlassöffnung derart
dimensioniert ist, dass sich in dem Medium in den Belüftungsrohren
Luftblasen bilden, welche dem Durchmesser der Membranrohre entsprechen.
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Dazu
weisen die Belüftungsrohre
annähernd einen
Durchmesser auf, der den Rohrmembranen entspricht, so dass die Größe der Medienauslassöffnung der
Belüftungsrohre
der Größe der Rohrmembran-Einlauföffnung des
Filtermoduls angepasst ist und die Medienauslassöffnung ein Gemisch aus Luftblasen
und zu filtrierendem Medium in die Rohrmembranen emittiert. Auch
bei dieser Lösung
sind die Belüftungsrohre
des Belüftungsmoduls
koaxial zu den Rohrmembranen des Filtermoduls angeordnet, um sicherzustellen,
dass die in den Belüftungsrohren
gebildeten Luftblasen in den Rohrmembranen aufsteigen können. Dazu
weisen das Belüftungsmodul
und das Filtermodul Gehäuse
auf, die vertikal übereinander
angeordnet sind.
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Um
eine Filtration im Filtermodul zu gewährleisten, weist die Rohrmembran
ein äußeres permeables
Stützrohr
und eine innere Membranschicht auf, die emulgierte Stoffe, Makromoleküle und/oder
unlösliche
Substanzen in dem zu filtrierenden Medium im Rohrmembraninneren
als Retentat zurückhält, während sich
das gefilterte Medium als Filtrat außerhalb der Rohrmembran ansammelt.
Um eine Vielzahl von Rohrmembranen innerhalb des Filtermoduls und eine
Vielzahl von Belüftungsrohren
innerhalb des Belüftungsmoduls
unterzubringen, sind Rohrmembranen und Belüftungsmembranen parallel zueinander angeordnet
und gebündelt.
Die gebündelten
Belüftungsrohre
sind mit ihren Medienauslassöffnungen auf
die Rohrmembran-Einlauföffnungen
eines Bündels
von Rohrmembranen ausgerichtet, wobei die Lufteinlassöffnungen
an einem den Medienauslassöffnungen
gegenüberliegenden
Belüftungsrohrende oder
auf einer Mantelfläche
der Belüftungsrohre
angeordnet sind.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung sind die Lufteinlassöffnungen der Belüftungsrohre
des Belüftungsmoduls
gegenüber
dem zu filtrierenden Medium abgedichtet und durch einem Luftzufuhrraum
miteinander verbunden. Dieser Luftzufuhrraum ist im Mantelbereich
der Belüftungsrohre angeordnet,
wenn die Luftzufuhröffnungen
im Mantelbereich der Belüftungsrohre
angeordnet sind, und ist am Einspeisungsende der Belüftungsrohre
angeordnet, wenn die Lufteinlassöffnungen
durch die Enden der Belüftungsrohre
gebildet werden.
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Ferner
kann das Belüftungsmodul
einen Medieneinlass für
das zu filtrierende Medium und einen Lufteinlass für die Belüftung aufweisen
sowie einen Medienauslass für
ein Gemisch aus Luftblasen und zu filtrierendem Medium besitzen.
Dabei ist dieser Medienauslass für
ein Gemisch aus Luftblasen und zu filtrierendem Medium unterhalb
der Medieneinlassöffnungen
der Rohrmembranen des Filtriermoduls angeordnet.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist das Belüftungsmodul
stromabwärts
des Lufteinlasses und vor den Lufteinlassöffnungen der Belüftungsrohre
eine poröse
luftdurchlässige
Platte auf. Diese Platte hat den Vorteil, dass die Luft, welche
mit unterschiedlicher Einströmgeschwindigkeit
die Lufteinlassöffnungen
erreicht, wenn keine poröse Platte
vorgesehen ist, diese Geschwindigkeitsverteilung durch die poröse luftdurchlässige Platte
vergleichmäßigt wird.
Auch kann für das
Belüftungsmodul
stromabwärts
des Lufteinlasses und vor den Lufteinlassöffnungen der Belüftungsrohre
eine luftdurchlässige
Membran vorgesehen werden. Eine luftdurchlässige Membran hat den Vorteil,
dass sie wie ein Rückschlagventil
wirken kann und somit einen Rückfluss
von zu filtrierendem Medium behindert auch ohne Auslassventile an
den Belüftungsrohrenden,
so dass die Luft nur in eine Richtung, nämlich in Richtung auf die Belüftungsrohre, durchgelassen
wird.
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Das
Filtermodul weist vorzugsweise eine Eingangsöffnung für ein Gemisch aus Luftblasen
und zu filtrierendem Medium und eine erste Auslassöffnung für das Filtrat
und eine zweite Auslassöffnung für ein Gemisch
aus Restmedium, Retentat und Luftblasen auf. Da das Filtrationssystem
mit niedriger Energie und insbesondere mit niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten
in den Rohrmembranen auskommt und dennoch eine hohe Langzeitpermeabilität zur Verfügung stellt,
kann zur Erhöhung
des Durchsatzes das Filtrat mit Hilfe einer Unterdruckpumpe, die stromabwärts der
ersten Auslassöffnung
an das Filtermodul angeschlossen ist, abgepumpt werden.
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Um
das zu filtrierende Medium in einem Kreisprozess zu führen ist
vorzugsweise eine Umwälzpumpe
stromaufwärts
des Medieneinlasses vorgesehen. Diese Umwälzpumpe soll dafür sorgen, dass
eine mittlere Durchströmgeschwindigkeit
von 0,5 m/s bis 2 Meter pro Sekunde eingehalten wird, was gegenüber den
Strömungsgeschwindigkeiten, die
im Stand der Technik vorgeschrieben sind, um den Faktor 4 bis 8
geringer ist. Für
einen derartigen Kreislaufprozess ist ein Sammel- und Rücklaufbehälter für ein Gemisch
aus Restmedium und Retentat in dem Filtrati onssystem vorgesehen.
Dabei reichert sich das Retentat in dem Sammel- und Rücklaufbehälter bis
zu einer vorgesehenen Dichte an.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann das Filtrationssystem auch in einem Sammel- und
Rücklaufbehälter für ein Gemisch
aus Restmedium und Retentat angeordnet sein. In diesem Fall kann
auf entsprechend dimensionierte Zuleitungen zu dem Filtrationssystem
verzichtet werden. Somit ist lediglich eine Luftzufuhr über eine
Druckleitung zu dem Belüftungsmodul
notwendig und eine Ableitung des Filtrats aus dem Sammelbereich
des Filtermoduls erforderlich. Ist die gewünschte Anreicherung von Retentat
erreicht, so kann entweder das Filtrationssystem abgeschaltet oder
auch aus dem Sammel- und
Rücklaufbehälter entfernt
werden.
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Filtrationssystems mit
Belüftungssystem
weist die nachfolgenden Herstellungsschritte auf. Zunächst wird
ein geeignetes Gehäuse
sowohl für
ein Filtermodul als auch für
ein Belüftungsmodul bereitgestellt.
Dann wird eine Anzahl von Belüftungsrohren
in das Gehäuse
des Belüftungsmoduls
eingebaut, die der Anzahl der Rohrmembranen im Filtermodul entsprechen.
Dabei sind die Medienausgangsöffnungen
der Belüftungsrohre
geometrisch exakt auf die Medieneinlassöffnungen der Rohrmembranen
im Rohrmodul auszurichten. Der Luftzufuhrraum des Belüftungsmoduls
ist gegen den Flüssigkeitsraum
des Filtermoduls abzudichten, so dass die Luft nur über die
Belüftungsrohre
bzw. ihre Medienauslassöffnungen
in das zu filtrierende Medium gelangen kann.
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Das
Belüftungsmodul
wird unmittelbar an die Medieneintrittsseite des Filtermoduls angeschlossen. Dabei
wird das Belüf tungssystem
so ausgerichtet, dass die einzelnen Belüftungsrohre jeweils konzentrisch
zu einer Rohrmembran stehen. Außerdem
werden die Belüftungsrohre
in ihrer Länge
so bemessen, dass sie unmittelbar vor den Medieneinlauföffnungen der
Rohrmembranen enden. Damit wird in vorteilhafter Weise gewährleistet,
dass die Luft aus den Belüftungsrohren
jeweils in nur eine Rohrmembran als Luftblase emittiert wird. Andererseits
strömt
die Flüssigkeit
im freien Raum zwischen den Belüftungsrohren
in das Rohrmodul. Die Belüftungsrohre
werden so bemessen, dass ausreichend große Blasen für den so genannten Slug-flow-Effekt
entstehen können und
gleichzeitig genügend
Zwischenraum verbleibt für
einen möglichst
geringen Strömungswiderstand des
zu filtrierenden Mediums.
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Alle
Belüftungsrohre
werden so angeordnet, dass sie über
eine gemeinsame Leitung mit Luft versorgt werden können. Zur
Verteilung der Luft auf die Belüftungsrohre
wird ein Luftzufuhrraum auf der Eintrittsseite der Belüftungsrohre
vorgesehen. Durch eine enge Fertigungstoleranz wird bereits eine gleichmäßige Verteilung
der Luft auf alle Belüftungsrohre
erreicht. Zusätzlich
kann die Verteilung aber noch verbessert werden, indem die Belüftungsrohre über einen
definierten Grundströmungswiderstand angeströmt werden.
Dieser Grundwiderstand wird dadurch erreicht, dass in dem Luftzufuhrraum
z.B. eine mikroporöse
Platte unmittelbar vor den Belüftungsrohren
so montiert wird, dass jedes Belüftungsrohr über einen
definierten porösen
Querschnitt angeströmt
wird. Alternativ ist es auch möglich,
anstelle der porösen
Platte eine perforierte Elastomermembran vorzusehen. Dabei wird
jedem Belüftungsrohr eine
definierte Anzahl von Perforationen der Elastomermembran zugeordnet.
Mit einer derartigen Elastomermembran kann gleichzeitig auch eine
Rückschlagwirkung
erreicht werden, so dass bei Aussetzen der Luftversorgung keine
Flüssigkeit
in den Luftzufuhrraum strömt.
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Für ein weiteres
Verfahren zur Herstellung eines Belüftungssystems werden in einem
Belüftungsmodul
einzelne Belüftungsrohre
fixiert. Dazu wird eine Anzahl von Belüftungsrohren montiert, die der
Anzahl der Rohrmembranen in dem Filtermodul entspricht. Auch in
diesem Fall werden die Belüftungsrohre
geometrisch exakt gleich angeordnet wie die Rohrmembranen im Filtermodul.
Bei dieser Herstellung des Belüftungssystems
wird darauf geachtet, dass der Innendurchmesser der Belüftungsrohre in
etwa dem Innendurchmesser der Rohrmembranen entspricht. Der Luftzufuhrraum
ist wiederum gegen den Flüssigkeitsraum
abgedichtet, so dass die Luft nur über Lufteinlassöffnungen
auf den Mantelflächen der
Belüftungsrohre
in die zu filtrierende Flüssigkeit gelangen
kann.
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Das
Belüftungssystem
in Form eines Belüftungsmoduls
wird unmittelbar an die Eintrittsseite des Rohrmembranmoduls direkt
an das Filtermodul angeschlossen. Das Belüftungssystem wird dabei so ausgerichtet,
dass die einzelnen Belüftungsrohre
jeweils konzentrisch zu einer Rohrmembran stehen. Dazu werden die
Belüftungsrohre
derart fixiert, dass der Spalt zwischen Belüftungsrohren und Rohrmembranen
möglichst
gering ist. Durch diese Herstellung des Belüftungssystems wird gewährleistet,
dass Luftblasen aus einem Belüftungsrohr
jeweils in nur eine Rohrmembran emittiert werden. Außerdem wird
erreicht, dass die zu filtrierende Flüssigkeit durch die Belüftungsrohre
zum Filtermodul strömt,
wobei die Luft von außen über die
Lufteinlassöffnungen
auf den Mänteln
der Belüftungsrohre
zugeführt
wird. Die Bohrung für
die Lufteinlassöffnung
in den Mantelflächen der
Belüftungsrohre
ist so bemessen, dass ausreichend große Luftblasen für den so
genannten Slug-flow- Effekt
in den Belüftungsrohren
entstehen. Alle Belüftungsrohre
werden über
die auf den Mantelflächen
angeordneten Lufteinlassöffnungen über eine
gemeinsame Leitung mit Luft versorgt. Die Verteilung der Luft auf
die Belüftungsrohre
erfolgt über einen
abgedichteten Zwischenraum zwischen den Enden der Belüftungsrohre.
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Ein
Filtrationsverfahren unter Verwendung des Filtrationssystems mit
Belüftungssystem
weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird
ein zu filterndes Medium im Umlaufverfahren von einem Sammel- und
Rücklaufbehälter unter ständiger Druck-
und Durchflussüberwachung über ein
Belüftungsmodul
und ein Filtermodul zurück
zum Sammel- und Rücklaufbehälter geführt, bis
eine vorgegebene Anreicherung des gefilterten Mediums mit einem
Retentat im Sammel- und Rücklaufbehälter erreicht
ist. Dazu werden Luftblasen des Belüftungsmoduls in Rohrmembranen
des Filtermoduls eingeleitet. In dem Filtermodul wird das zu filternde
Medium mittels Rohrmembranen in ein Filtrat und ein Retentat mit
Restmedium getrennt. Nach dem Trennvorgang wird das Filtrat abgeführt und
ein Anreichern des Mediums mit Retentat im Sammel- und Rücklaufbehälter erreicht.
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Dieses
Verfahren hat den Vorteil, dass in ihrer Größe ausreichend an den Rohrmembranquerschnitt
angepasste Luftblasen mit dem Belüftungsmodul erzeugt werden,
die auf der gesamten Länge der
Rohrmembranen einen so genannten Slug-flow-Effekt auslösen, bei
dem jede Luftblase geeigneter Größe eine
Wirbelschleppe hinter sich beim Durchströmen der Rohrmembranen verursacht,
welche dafür
sorgt, dass sich kein Retentat auf einer an der Rohrmembran angeordneten
Membranschicht ablagert. Dadurch wird eine lang andauernde hohe Permeabilität der Rohrmembranen
in dem Filtermodul sichergestellt.
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Dazu
werden Luftblasen in einem Belüftungsmodul
erzeugt und in Rohrmembran-Einlauföffnungen emittiert, deren Durchmesser
dem Durchmesser der Rohrmembranen und deren Länge dem dreibis fünffachen
des Rohrdurchmessers entspricht. Diese langgestrecken Luftblasen
in der Rohrmembran haben den Vorteil, dass die relative Strömungsgeschwindigkeit
in dem Spalt zwischen Blase und Innenwandung der Rohrmembran deutlich
höher ist
als die mittlere Strömungsgeschwindigkeit
durch die Rohrmembran. Dadurch werden Scherkräfte auf sich absetzende Substanzen
auf der Membranschicht ausgeübt
und so wird dafür
gesorgt, dass diese beim Durchströmen der Luftblasen durch das
Filtermodul mitgerissen werden. Ferner ist bei diesem Verfahren vorgesehen,
dass nach einer Langzeitperiode ein Entfernen von angelagertem Retentat
auf der Membranschicht der Innenwandung der Rohrmembranen durch
eine Spülflüssigkeit
erfolgt, die in entgegengesetzter Strömungsrichtung durch das Filtermodul
geführt
und dem Sammel- und Rückflussbehälter zugeführt wird.
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Die
Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch ein Filtrationssystem mit
Belüftungssystem
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 zeigt
eine schematische perspektivische Ansicht des Filtrationssystems
gemäß 1;
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3 zeigt
eine schematische Draufsicht auf das Filtrationssystem gemäß 1;
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4 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch ein Filtrationssystem mit
Belüftungssystem
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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5 zeigt
eine schematische perspektivische Ansicht des Filtrationssystems
gemäß 4;
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6 zeigt
eine schematische Draufsicht auf das Filtrationssystem gemäß 4;
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7 zeigt
eine Prinzipskizze eines Filtrationssystems in Zusammenwirkung mit
einem separaten Sammel- und Rücklaufbehälter;
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8 zeigt
eine Prinzipskizze eines Filtrationssystems in einem Sammel- und
Rücklaufbehälter.
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1 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch ein Filtrationssystem 1 mit
Belüftungssystem 3 einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung. Dazu weist das Filtrationssystem 1 zwei
vertikal übereinander
angeordnete Module auf. Ein Belüftungsmodul 8 ist
dazu unterhalb eines Filtermoduls 4 angeordnet, wobei das
Filtermodul 4 mit seinem unteren Flansch 25 über ein
Dichtungselement 27 mit einem oberen Flansch 26 des
Belüftungsmoduls 8 mediendicht
verbunden ist. Das Filtermodul 4 weist ein rohrförmiges Gehäuse 13 auf,
in dem ein Bündel von
Rohrmembranen 5 angeordnet ist, die eine Rohrmembran-Einlauföffnung 6 und
eine Rohrmembran-Auslauföffnung 7 an
ihren Enden aufweisen.
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Durch
diese Rohrmembranen 5 strömt das zu filtrierende Medium,
das über
einen Medieneinlass 18 des Belüftungsmoduls 8 dem
Filtrationssystem 1 in Pfeilrichtung B zugeführt wird.
Um das zu filtrierende Medium in die Rohreinlassöffnungen 6 des Filtriermoduls 4 einzuleiten
sind die Rohrmembranen 5 im Bereich der Rohrmembran-Einlauföffnungen 6 von
einer Vergussmasse 29 des Filtermoduls 4 umgeben,
um den Sammelbereich 37 für das Filtrat außerhalb
der Rohrmembranen 5 gegenüber dem zu filtrierenden Medium
abzudichten. Das Filtrat kann aus dem Sammelraum 37 über eine
erste Auslassöffnung 22 des
Filtermoduls 4 abgeführt
werden. Die Rohrmembranen 5 weisen zur Filtration ein permeables Stützrohr auf,
das in seinem Rohrmembraninneren 15 mit einer Membranschicht
versehen ist, so dass in dem zu filtrierenden Medium gelöste anorganische und
niedermolekulare Substanzen die Membranschicht quer zur Strömungsrichtung
des zu filtrierenden Mediums passieren können, während emulgierte Stoffe, größere Makromoleküle und unlösliche Substanzen
wie Feststoffpartikel durch die Membranschicht zurückgehalten
werden und mit einem zu filtrierenden Restmedium in Pfeilrichtung
A aus dem Filtermodul über
eine zweite Auslassöffnung 23 des
Filtermoduls 4 herausgeführt werden.
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Das
Belüftungssystem 3 weist
in dieser ersten Ausführungsform
des Filtrationssystems 1 ein Belüftungsmodul 8 auf,
das einerseits einen am Modulgehäuse 14 seitlich
angeordneten Medieneinlass 18 und andererseits im unteren
Bereich einen Luftzufuhrraum 17 mit einem Lufteinlass 19 aufweist,
durch den in Pfeilrichtung C Luft in Lufteinlassöffnungen 11 von Belüftungsrohren 10 eingelassen
werden kann. Die Belüftungsrohre 10 sind
in dem Belüftungsmodul 8 von
einem zu filtrierenden Medium umgeben, das durch eine Vergussmasse 28,
welche die Lufteinlassöffnungen 11 der
Belüftungsrohre 10 umgibt,
mediendicht getrennt ist. Die Anzahl der Belüftungsrohre 10 des
Belüftungsmoduls 8 entspricht
exakt der Anzahl der Rohrmembranen 5 des Filtermoduls 4. Außerdem sind
die Belüftungsrohre 10 derart
ausgerichtet, dass ihre Medienauslassöffnun gen 12 koaxial zu
den Rohrmembran-Einlauföffnungen 6 ausgerichtet
sind.
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Außerdem ist
der Durchmesser der Belüftungsrohre 10 geringer
als der Durchmesser der Rohrmembranen 5, um einen möglichst
geringen Strömungswiderstand
für das
in Pfeilrichtung B in das Belüftungsmodul 8 einströmende zu
filtrierende Medium vorzusehen. Am Übergang von dem Mediumauslass 20 des
Belüftungsmoduls 8 zur
Eingangsöffnung 21 des
Filtermoduls 4 bilden die Medienauslassöffnungen 12 der Belüftungsrohre 10 derart
große Luftblasen,
dass sie dem Querschnitt der Rohrmembranen 5 angepasst
sind und auf der gesamten Länge
der Rohrmembranen 5 für
einen Slug-flow-Effekt sorgen. Damit ist die Effektivität und die
Permeatleistung dieses Filtrationssystems 1 deutlich verbessert gegenüber feinblasigen
Filtrationssystemen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind,
bei denen erst nach Durchströmen
von fast zwei Dritteln der Rohrmembranlänge aus feinen Luftbläschen derart
angepasste große
Luftblasen im letzten Drittel der Rohrmembranen 5 gebildet
werden, so dass die oben beschriebenen Vorteile des Slugflow-Effekts
nicht voll genutzt werden können.
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Um
ein Rückfließen des
Mediums bei Aussetzen des Luftstroms in die Belüftungsrohre 10 zu vermeiden,
können
die Medienauslassöffnungen 12 der
Belüftungsrohre 10 geschlitzte
Kappen tragen, die als Schlitzmembranen wirken und nur dann Luftblasen
in die Rohrmembranen 5 emittieren, wenn im Luftzufuhrraum 17 ein
Luftdruck anliegt. Liegt kein Luftdruck an, so schließen die
Schlitzmembranen und wirken wie Rückschlagventile.
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Außerdem ist
es möglich,
Schlauchventile im Bereich der Medienauslassöffnungen 12 der Belüftungsrohre 10 anzuordnen.
Dazu wird das Belüftungsrohr 10 verschlossen
und eine Queröffnung als Medienauslassöffnung 12 in
dem Belüftungsrohr 10 vorgesehen,
wobei diese Queröffnung
von einem Schlauchstück
bedeckt ist, das somit ein Schlauchventil bildet, so dass aus der
quer liegenden Medienauslassöffnung 12 bei
Anliegen eines Luftdrucks Luftblasen entweichen können, aber
beim Ausbleiben von Luftdruck kein zu filtrierendes Medium in die Belüftungsrohre 10 zurückströmt.
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Derartige
Einzelventile auf jedem Belüftungsrohr 10 können durch
ein gemeinsames Rückschlagventil
in einer Druckluftzufuhr ersetzt werden, jedoch mit dem Nachteil,
dass bei Ausbleiben eines Luftdrucks zu filtrierendes Medium in
die Belüftungsrohre 10 und
den Belüftungszufuhrraum 17 gelangen kann.
Ein Vorteil dieser Variante ist, dass keine aufwendigen Ventillösungen im
Bereich der Medienauslassöffnungen 12 der
Belüftungsrohre 10 vorzusehen sind.
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Ferner
ist es möglich,
im Luftzufuhrraum 17 eine poröse Platte oder eine perforierte
Elastomermembran einzusetzen, wobei jeder einzelnen Lufteinlassöffnung 11 eine
definierte Anzahl von Perforationen bzw. von Poren der porösen Platte
zuzuordnen sind. Außerdem
kann mit einer Elastomermembran bereits eine Rückschlagsicherung erreicht
werden, wenn die perforierte Elastomermembran keine offenen Poren
aufweist, sondern eine Vielzahl von Schlitzen.
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Bei
dem in 1 gezeigten Filtrationssystem 1 wurden
in dem Filtermodul 4 85 Rohrmembranen gebündelt und
parallel ausgerichtet und die gleiche Anzahl an Belüftungsrohren 10 im
Belüftungsmodul 8 angeordnet,
wobei der Innendurchmesser der Belüftungsrohre 10 beispielsweise
2 mm und der Innendurchmesser der Rohrmembranen 8 mm aufweisen.
Um wirksame große
Blasen am Übergang von
der Medienauslassöffnung 12 zu
der Rohr membran-Einlauföffnung 6 zu
gewährleisten,
wurde eine Luftmenge von 60 bis 90 l/h durch die Belüftungsrohre 10 bei
einem Überdruck
von 30 kPa eingebracht und eine Strömungsgeschwindigkeit des zu
filtrierenden Mediums in den Rohrmembranen zwischen 0,5 und 2,0
m/s vorgesehen.
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2 zeigt
eine schematische perspektivische Ansicht des Filtrationssystems 1 gemäß 1. Die
Gehäuse 13 und 14 des
Filtermoduls 4 bzw. des Belüftungsmoduls 8 sind
derart aufeinander angeordnet, dass die Belüftungsrohre 10 koaxial
zu den Rohrmodulen 5 ausgerichtet sind. Außerdem ist
im Belüftungsmodul 8 das
in Pfeilrichtung B über
die Medieneinlassöffnung 18 einströmende zu
filtrierende Medium durch die Vergussmasse 28 von dem Luftzufuhrraum 17 und
der in Pfeilrichtung C einströmenden
Luft mediendicht getrennt. Eine ähnliche Funktion
hat die Vergussmasse 29, welche den Sammelbereich 37 für das Filtrat
von dem Rohrmembraninneren 15 trennt, so dass zuströmendes zu
filtrierendes Medium nicht den Sammelraum 37 für das Filtrat
erreichen kann. Das Restmedium wird mit den zurückgehaltenen Stoffen über eine
zweite Auslassöffnung 23 des Filtermoduls 4 in
Pfeilrichtung A abgeleitet, während
das Filtrat, das im Sammelbereich 37 auftritt, über eine
erste Auslassöffnung 22 des
Filtermoduls 4 in Pfeilrichtung D abgeführt wird. Dazu kann in der
entsprechenden Filtratleitung eine hier nicht gezeigte Unterdruckpumpe
angeordnet sein, um das Abführen
des Filtrats zu beschleunigen.
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3 zeigt
eine schematische Draufsicht auf das Filtrationssystem 1 gemäß 1 in
einer Schnittebene durch das Filtermodul 4. Ein unterer Flansch 25 umgibt
das rohrförmige
Gehäuse 13 des Filtermoduls 4,
in dem in einem dichten Bündel
Rohrmembranen 5 angeordnet sind, die einen größeren Durchmes ser
aufweisen als die Belüftungsrohre 10, so
dass die koaxial ausgerichteten Belüftungsrohre 10 mit
ihren Medienauslassöffnungen 12 in
dieser Draufsicht in jedem der Rohrmembranen 5 zu sehen sind.
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4 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch ein Filtrationssystem 2 mit
Belüftungssystem 3 gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung, die ein geändertes
Belüftungsmodul 9 aufweist.
Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren
werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra
erörtert.
Der Unterschied zwischen der in 1 gezeigten
ersten Ausführungsform
des Filtrationssystems 1 und der in 4 gezeigten
zweiten Ausführungsform des
Filtrationssystems 2 liegt darin, dass die Belüftungsrohre
nicht nur als Medium Luft führen,
sondern bereits ein mit Luftblasen angereichertes und zu filtrierendes
Medium transportieren. Entsprechend sind der Medieneinlass 18 für das zu
filtrierende in Pfeilrichtung B einströmende Medium und der Lufteinlass 19 für die in
Pfeilrichtung C einströmende
Luft anders angeordnet.
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Der
Lufteinlass 19 ist nun seitlich an dem Gehäuse 14 des
Belüftungsmoduls 9 angebracht,
während
das zu filtrierende Medium in die Belüftungsrohre über den
Medieneinlass 18 in Pfeilrichtung B eingeführt wird.
Dabei ist der Luftzufuhrraum 17, der die Lufteinlässe 19 versorgt,
von dem durch die Belüftungsrohre
strömenden
zu filtrierenden Medium abgeschirmt. Die Belüftungsrohre 10 weisen
auf ihren Mantelflächen
im Bereich des Luftzufuhrraums 17 Lufteinlassöffnungen 11 auf,
die in dem durch die Belüftungsrohre 10 strömenden zu
filtrierenden Medium Luftblasen bilden, die so groß sind,
dass sie nahezu den Querschnitt der Belüftungsrohre 10 einnehmen. An
den Belüftungsrohrenden 16 befinden
sich Medienauslassöffnungen 12,
welche nun auf die Medieneinlauföffnungen 6 der
Membranrohre 5 des Filtermoduls 4 ausgerichtet
sind.
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Um
einen verlustfreien Übergang
zu gestalten, entsprechen die Durchmesser der Belüftungsrohre 10 des
Belüftungsmoduls 9 den
Durchmessern der Rohrmembranen 5 im Filtermodul 4.
Somit wird auch bei dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung gewährleistet,
dass auf der gesamten Länge der
Rohrmembranen 5 von den Rohrmembran-Einlauföffnungen 6 bis
zu den Rohrmembran-Auslauföffnungen 7 angepasste
Luftblasen aus den Medienauslassöffnungen 12 der
Belüftungsrohre 10 emittiert werden
und in den Rohrmembranen 5 den hochwirksamen Slug-flow-Effekt
auslösen,
indem Scherkräfte auf
die sich anlagernden Substanzen auf der Membranschicht der Rohrmembranen 5 durch
die Luftblasen ausgeübt
werden, die nur einen geringen Spalt zwischen Membranschicht und
Luftblasenoberfläche zulassen
und eine Wirbelschleppe hinter sich herziehen, welche über Turbulenzen
für Scherkräfte auf
die sich anlagernden Substanzen im Rohrmembraninneren 15 sorgen.
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5 zeigt
eine schematische perspektivische Ansicht des Filtrationssystems 2.
Mit dieser perspektivischen Ansicht wird nochmals deutlich, dass die
Lufteinlassöffnungen 11 der
Belüftungsrohre 10 nun
auf Mantelflächen
der Belüftungsrohre
im Bereich des Luftzufuhrraums 17 angeordnet sind und die
Belüftungsrohre 10 bereits
das zu filtrierende Medium führen,
so dass an den Belüftungsrohrenden 16 über die
Medienauslassöffnungen 12 entsprechend an
den Rohrmembrandurchmesser angepasste Luftblasen in die Rohrmembran-Einlauföffnungen 6 emittiert
werden.
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6 zeigt
eine schematische Draufsicht auf das Filtrationssystem 2 gemäß 4 mit
einem Schnitt durch das Filter modul 4. In dieser Draufsicht wird
deutlich, dass sich die Innendurchmesser der Belüftungsrohre und der hier gezeigten
Rohrmembranen 5 einander entsprechen, so dass die konzentrisch
angeordneten Belüftungsrohre
in dieser Draufsicht der zweiten Ausführungsform des Belüftungsmoduls 9 nicht
zu sehen sind.
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7 zeigt
eine Prinzipskizze eines Filtrationssystems 2 in Zusammenwirkung
mit einem separaten Sammel- und Rücklaufbehälter 24. In dem separaten
Sammel- und Rücklaufbehälter 24 ist
das zu filtrierende Medium 32 angeordnet, das über den Auslass 31 und
eine Umwälzpumpe 30 zunächst in das
Lüftungssystem 3 zum
Medieneinlass 18 des Belüftungsmoduls 9 geführt wird
und in Pfeilrichtung B durch das Belüftungsmodul 9 strömt. Über einen
Lufteinlass 19 und eine Luftdruckleitung 35 wird
in Pfeilrichtung C Luft dem durchströmenden zu filtrierenden Medium
zugeführt,
so dass sich Luftblasen in dem Medium bilden, die einem Durchmesser
von Belüftungsrohren,
die sich in dem Belüftungsmodul 9 befinden,
angepasst sind und von dem Mediumauslass 20 des Belüftungsmoduls 9 in
die Rohrmembraneinlauföffnung 6 dem
Filtermoduls 4 emittiert werden.
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In
der Rohrmembran 5 wird über
eine Membranschicht im Innern 15 der Rohrmembran 5 ein
Filtrat in einen Sammelraum 37 außerhalb der Rohrmembran abgegeben.
Dieses Filtrat wird über
eine erste Auslassöffnung 22 und über eine
Filtratableitung 36 in Pfeilrichtung D abgeführt, wobei
eine Unterdruckpumpe 33 das Absaugen des Filtrats unterstützen kann.
Das Restmedium und die in dem Medium enthaltenen Retentate werden über die
zweite Auslassöffnung 23,
welche die Rohrmembran-Auslassöffnungen 7 der
Rohrmembranen 5 zusammenfasst, in Pfeilrichtung A und über eine
weitere Medienleitung 34 dem Sammelbe hälter 24 zugeführt, in dem
sich nun das Retentat des zu filtrierenden Mediums 32 anreichert
bis eine vorgesehene Dichte erreicht ist.
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8 zeigt
eine Prinzipskizze eines Filtrationssystems 2 in einem
Sammel- und Rücklaufbehälter 24.
In diesem Fall wird das erfindungsgemäße Filtrationssystem 2 direkt
in dem Sammel- und Rücklaufbehälter 24 angeordnet,
wobei eine Umwälzpumpe 30 in
Pfeilrichtung B das zu filtrierende Medium 32 dem Belüftungssystem 3 des
Filtrationssystems 2 zuführt. Das zu filtrierende Medium 32 durchläuft die gleichen
Stationen wie in dem in 7 gezeigten Filtrationssystem 1,
jedoch ist die Umwälzpumpe 30 direkt
im Sammel- und Rücklaufbehälter 24 angeordnet
und die zweite Auslassöffnung 23 des
Filtrationssystems 2 endet direkt in dem zu filtrierenden
Medium 32, so dass die in 7 gezeigte
Medienleitung 34 nicht mehr erforderlich ist. Von außerhalb
des Sammel- und Rücklaufbehälters 24 muss
lediglich die Luft über
eine Druckluftleitung 35 in Pfeilrichtung C zum Lufteinlass 19 zugeführt werden
und über
eine Filtratableitung 36 und eine Unterdruckpumpe 33 das Filtrat
in Pfeilrichtung D abgeleitet werden.
-
- 1
- Filtrationssystem
(1. Ausführungsform)
- 2
- Filtrationssystem
(2. Ausführungsform)
- 3
- Belüftungssystem
- 4
- Filtermodul
- 5
- Rohrmembran
- 6
- Rohrmembran-Einlauföffnung
- 7
- Rohrmembran-Auslauföffnung
- 8
- Belüftungsmodul
(1. Ausführungsform)
- 9
- Belüftungsmodul
(2. Ausführungsform)
- 10
- Belüftungsrohr
- 11
- Lufteinlassöffnung
- 12
- Medienauslassöffnung
- 13
- Gehäuse des
Filtermoduls
- 14
- Gehäuse des
Belüftungsmoduls
- 15
- Rohrmembraninneres
- 16
- Belüftungsrohrende
- 17
- Luftzufuhrraum
- 18
- Medieneinlass
(für zu
filterndes Medium)
- 19
- Lufteinlass
- 20
- Medienauslass
- 21
- Eingangsöffnung des
Filtermoduls
- 22
- erste
Auslassöffnung
des Filtermoduls
- 23
- zweite
Auslassöffnung
des Filtermoduls
- 24
- Sammel-
und Rücklaufbehälter
- 25
- unterer
Flansch
- 26
- oberer
Flansch
- 27
- Dichtungselement
- 28
- Vergussmasse
des Belüftungsmoduls
- 29
- Vergussmasse
des Filtermoduls
- 30
- Umwälzpumpe
- 31
- Auslass
des Sammel- und Rücklaufbehälters
- 32
- zu
filtrierendes Medium
- 33
- Unterdruckpumpe
- 34
- Medienleitung
- 35
- Druckleitung
- 36
- Filtratableitung
- 37
- Sammelbereich
des Filtrats
- A
- Pfeilrichtung
- B
- Pfeilrichtung
- C
- Pfeilrichtung
- D
- Pfeilrichtung