-
Die Neuerung betrifft ein Spiralwickelmodul umfassend mindestens die folgenden Bauteile:
- a) ein metallisches, hohlzylindrisches Permeatrohr, in dessen Wand sich Öffnungen radial erstrecken;
- b) eine im Wesentlichen flächige, rechteckige Membran, die um das Permeatrohr sprialförmig herum gewicket ist, wodurch ein im Wesentlichen zylindrischer Spiralwickel gebildet ist, der sich koaxial zum Permeatrohr erstreckt;
- c) zwei Axialanschläge (anti-telescoping devices -ATD), welche beiderseits des Spiralwickels auf das Permeatrohr aufgepasst sind und jeweils an der jeweiligen Stirnseite des Spiralwickels anliegen, wobei die Axialanschläge mit axial fluiddurchlässigen Durchlässen versehen sind;
- d) ein metallisches, hohlzylindrisches Mantelrohr, welches sich koaxial zum Permeatrohr erstreckt, den Spiralwickel umschließt und mit beiden Axialanschlägen gefügt ist.
-
Membranen dienen zum Trennen von flüssigen oder gasförmigen Stoffgemischen. Sie werden in der chemischen Verfahrenstechnik, Lebensmitteltechnologie und Medizintechnik eingesetzt. Die Membranen werden in der Regel nicht separat in den zugehörigen Trennapparat eingebaut, sondern in Form eines Membranmoduls. Ein Membranmodul ist eine Baugruppe, die eine oder mehrere Membranen enthält und für den Einsatz in einen Trennapparat bestimmt ist. Eine besondere Bauform eines Membranmoduls ist ein so genanntes Spiralwickelmodul. In einem Spiralwickelmodul ist eine im Wesentlichen flache, rechteckige Membran spiralförmig um ein Rohr aufgewickelt. Auf diese Weise wird eine große Membranfläche in einer geringen Baugröße des Moduls untergebracht. Der Spiralwickel wird von einer Stirnseite mit dem zu trennenden Stoffgemisch (dem Feed) beaufschlagt. Der Teil des Stoffgemisches, welches die Membran überwindet (das Permeat), gelangt durch Löcher in das zentral verlaufende Rohr und wird damit aus dem Modul abgeführt. Das Rohr wird daher auch als Permeatrohr bezeichnet. Der Teil des Stoffgemisches, welches die Membran nicht überwindet (das Retentat), verlässt das Modul über die andere Stirnseite des Spiralwickels.
-
Die Grundlagen der Membrantechnik und auch die Bauweise von Membranmodulen schildern:
- Thomas Melin; Robert Rautenbach: Membranverfahren: Grundlagen der Modul- und Anlagenauslegung. 2. Auflage 2004. Springer Berlin Heidelberg 2004 DOI 10.1007/978-3-662-08653-7
-
Ein Spiralwickelmodul der eingangs genannten Art ist aus der
EP 3328521 B1 bekannt. Genauer gesagt, beschreibt
EP 3328521 B1 eine Kartusche zum Einsatz in einen Trennapparat, die wahlweise mit einem Spiralwickelmodul oder mit einem Hohlfasermodul bestückt werden kann. Diese Flexibilität wird mit einem vergleichsweise komplizierten Aufbau erkauft, der unter harschen Bedingungen Nachteile aufweist. Insbesondere beim Trennen von Flüssigkeitsgemischen bei hohen Temperaturen sind die verbauten Kunststoffe einer hohen Belastung ausgesetzt, sodass von einer geringen Lebensdauer auszugehen ist. Im dauerfesten Bereich sind indes nur geringe Betriebtemperaturen unter 120°C zur realisieren. Dies gilt insbesondere hinsichtlich der Barriere, welche eine Überströmung des Membranwickels verhindert. Diese Barriere ist bei dem in
EP 3328521 B1 beschriebenen Membranwickelmodul als ein Schrumpfschlauch, insbesondere aus Polyolefin, PVC oder Polyimiden ausgeführt. Der Schrumpfschlauch ist auf den Membranwickel aufgeschrumpft. Bei höhernen Trenntemperaturen dehnt sich der Schrumpffschlauch wieder aus, sodass die Barriere ihre Funktion als Überstromschutz nicht mehr erfüllen kann.
-
Ein Spiralwickelmodul für hohe Drücke ist aus
CN 111450709 A1 bekannt. Die Axialanschläge (anti telescoping devices ATDs) sind nicht auf das Permeatrohr aufgepasst, sondern mithilfe eines zentral im Permeatrohr verlaufenden Bolzens stirnseitig mit dem Permeatrohr verpresst. Der so entstehende Verband aus Permeatrohr, Membranwickel, ATDs und Bolzen ist in ein Mantelrohr eingesetzt und mit Sprengringen gegen axiale Verschiebung im Mantelrohr gesichert. Dieser Aufbau umfasst sehr viele Bauteile ist ist sehr aufwendig zu montieren. Dadurch steigen die Herstellungskosten. Im Umfeld einer Hochdruckanwendung mag dies gerechtfertigt sein; bei hohen Temperaturen und niedrigen Drücken jedoch nicht.
-
Der Neuerung lag daher die Aufgabe zu Grunde, ein Spiralwickelmodul anzugeben, welches bei hohen Betriebstemperaturen vorzugsweise über 150 °C einsetzbar ist einen einfachen, robusten und preiswerten Aufbau aufweist.
-
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass mindestens einer der beiden Axialanschläge einen hülsenförmigen Fortsatz aufweist, von welchem das Mantelrohr dergestalt umschlossen ist, dass eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen dem Mantelrohr und dem Axialanschlag über dessen Fortsatz realisiert ist, und dass der Fortsatz gegen das Mantelrohr mit einem Dichtelement abgedichtet ist.
-
Gegenstand der Neuerung ist daher ein Spiralwickelmodul umfassend mindestens die folgenden Bauteile:
- a) ein metallisches, hohlzylindrisches Permeatrohr, in dessen Wand sich Öffnungen radial erstrecken;
- b) eine im Wesentlichen flächige, rechteckige Membran, die um das Permeatrohr sprialförmig herum gewicket ist, wodurch ein im Wesentlichen zylindrischer Spiralwickel gebildet ist, der sich koaxial zum Permeatrohr erstreckt;
- c) zwei Axialanschläge (anti-telescoping devices -ATD), welche beiderseits des Spiralwickels auf das Permeatrohr aufgepasst sind und jeweils an der jeweiligen Stirnseite des Spiralwickels anliegen, wobei die Axialanschläge mit axial fluiddurchlässigen Durchlässen versehen sind und wobei mindestens einer der beiden Axialanschläge einen hülsenförmigen Fortsatz aufweist;
- d) ein metallisches, hohlzylindrisches Mantelrohr, welches sich koaxial zum Permeatrohr erstreckt, den Spiralwickel umschließt und mit beiden Axialanschlägen gefügt ist, wobei eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen dem Mantelrohr und dem Axialanschlag mit dem Fortsatz dadurch realisiert ist, dass das Mantelrohr von dem hülsenförmigen Fortsatz umschlossen ist;
- e) ein Dichtelement, welches den Fortsatz gegen das Mantelrohr abdichtet.
-
Die Neuerung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen verdeutlicht werden. Hierfür zeigen:
- 1 Spiralwickelmodul, Totalansicht;
- 2 Spiralwickelmodul, Schnittdarstellung;
- 3 Spiralwickelmodul, Stirnansicht;
- 4 Detailvergrößerung der Verbindung zwischen Axialanschlag und Mantelrohr.
-
1 zeigt eine Totalansicht des Spiralwickelmoduls 0. Zu erkennen ist ein zentral verlaufendes Permeatrohr 1, auf dem zwei Axialanschläge 2f, 2r aufgepasst sind. Der erste Axialanschlag 2f ist feedseitig angeordnet, der zweite Axialanschlag 2r retentatseitig. Die beiden Axialanschläge 2f,2r sind über ein Mantelrohr 3 miteinander verbunden.
-
Der Feed F strömt durch den ersten Axialanschlag 2f in das Spiralwickelmodul 0 ein. Durch das Permeatrohr 1 tritt das Permeat P aus dem Spiralwickelmodul 0 wieder aus. Das Retentat R tritt durch den zweiten Axialanschlag 2r aus dem Spiralwickelmodul 0 aus.
-
Um den Durchtritt des Feeds F bzw. des Retentats R durch die Axialanschläge 2f, 2r zu ermöglichen, sind diese mit mehreren, großzügen Durchlässen 4 versehen.
-
Der genaue Aufbau des Spiralwickelmoduls 0 geht aus der Schnittdarstellung in 2 hervor. Zentral erstreckt sich das Permeatrohr 1. Es ist hohlzylinderisch und besteht aus Stahl. Die Wandung des Permeatrohrs 1 ist mit einer Vielzahl von Öffnungen 5 versehen, welche die Wandung radial durchsetzen.
-
Um das Permeatrohr 1 herum gewickelt ist ein Spiralwickel 6. Der Spiralwickel entsteht dadurch, dass eine im Wesentlichen flache, rechteckige Membran spiralförmig um das Perematrohr 1 herumgewickelt wird. So entsteht aus der flachen Membran ein im Wesentlichen zylindrischer Spiralwickel, der sich entlang des Permeatrohrs 1 erstreckt. In den Spiralwickel 6 mit eingewickelt sein kann ein Abstandshalter (Spacer - nicht dargestellt), der dafür sorgt, dass die einzelnen Windungen der Spirale nicht direkt aufeinader aufliegen.
-
Damit der Spiralwickel 6 unter Last nicht axial teleskopiert, wird er jeweils stirnseitig von den Axialanschlägen 2f, 2r abgestützt. Die Axialanschläge 2f, 2r liegen stirnseitig an den Spiralwickel 6 an und sind auf das Permeatrohr 1 aufgepasst. Auf diese Weise übertragen die Axialanschläge 2f, 2r Kräfte zwischen dem Spiralwickel 6 und dem Permeatrohr 1. Durch die Position der Axialanschläge 2r,2f zum Permeatrohr 1 wird die axiale Position des Spiralwickels 1 definiert und insbesondere ein Teleskopieren verhindert. Die Axialanschläge werden daher auch als anti-telescoping device ATD bezeichnet.
-
In 1 nicht zu erkennen ist, dass die ATDs 2r,2f eine vielzahl von großflächigen, Segmentartig ausgeformte Durchtrittsöffnungen 4 aufweisen, durch die der Feed F bzw. das Retentat R passieren kann. Die Durchtrittsöffnungen 4 sind in der Seitenansicht der 3 zu erkennen, sowie im Schnitt der 2. Zwischen den Durchtrittsöffnungen 4 sind die Axialanschläge stegartig ausgeformt.
-
Mindestens einer beiden Axialanschläge weist innenseitig einen hülsenartig geformten Fortsatz 7 auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind es beide Axialanschläge 2r, 2f. Mit ihrem jeweiligen Fortsatz 7 umschließen die Axialanschläge jeweils einen endseitigen Abschnitt auf der Außenseite des Mantelrohrs 3.
-
An der Kontaktstelle zwischen dem hülsenförmigen Fortsatz 7 und dem endseitigen Abschnitt des Mantelrohrs 3 wird eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung 8 realisiert, welche den mit dem Fortsatz 7 versehenen Axialanschlag mit dem Mantelrohr 3 fügt.
-
Als kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung 8 kommt wahlweise eine Pressverbindung oder eine Schraubverbindung in Betracht.
-
Im Falle einer Pressverbindung ist der Fortsatz 7 Innen zylindrisch ausgeführt. Der Abschnitt des Mantelrohrs 3 ist ebenfalls zylindrisch. Der Innendurchmesser des Fortsatz 7 und der Außendurchmesser des Abschnitts sind dann so bemessen, dass zwischen dem Fortsatz 7 und dem Abschnitt eine Presspassung gebildet wird, welche die Pressverbindung ausbildet.
-
Im Falle einer Schraubverbindung ist der Fortsatz 7 mit einem Innengewinde versehen. Das Mantelrohr weist endseitig ein korrespondierendes Außengewinde auf. Der Fortsatz 7 ist mit seinem Innengeweinde auf das Außengewinde des Mantelrohr 3 aufgeschraubt. Auf diese Weise wird eine Schraubverbindung zwischen dem mit dem Fortsatz 7 versehenen Axialanschlag 2r, 2f und dem Mantelrohr 3 realisisiert.
-
Auf beide Weisen ist ein Kraftschluss zwischen Mantelrohr 3 und Axialanschläge 2r,2f möglich. Ebenso wird das Permeatrohr 1 in dem Mantelrohr 3 zentriert.
-
Im Betrieb strömt der Feed F durch die Durchlässe im feedseitigen Axialanschlag 2f in den Spiralwickel 6 ein. Das Permeat überwindet die Membran, fließt nach Innen und durch die Öffnungen 5 in das Permeatrohr 1 ein. Durch das Permeatrohr 1 verlässt das Permeat P das Spiralwickelmodul. Der Teil des Feeds, der die Membran nicht passieren kann, verlässt als Retentat R den Spiralwickel 6 durch die Durchtrittsöffnungen 4 des retentatseitigen Axialanschlags 2r.
-
Gemäß einem bevorzugten Konzept der Neuerung umfasst das Spiralwickelmodul 0 innerhalb des Mantelrohrs 3 eine Folie 9, welcher den Spiralwickel nach außen abdichtet. Dies verhindert ein Überströmen des Membranwickels 6 mit unzureichendem Permeatanfall.
-
Die Folie 9 besteht vorzugsweise aus Metall oder einem anderen temperaturstabilen Werkstoff. Insbesondere kommen Folien aus einer Metalllegierung wie beispielsweise Stahl, Aluminiumlegierung oder Kupferlegierung in Betracht. Ebenso sind temperaturstabile Polymere verwendbar wie beispielsweise Polyimid. Wichtig ist, dass die Folie aus einem Werkstoff ist, der bei Betriebstemperatur dauerfest ist.
-
Die Folie 9 ist rechteckig und stramm um den Spiralwickel 6 herumgewickelt. Der Wickelwinkel der Folie 9 beträgt zwischen 360° und 400°, sodass die Folie 9 einen Überlappungsbereich von 0° bis 40° ausbildet. Die Folie 9 ist insbesondere in der vergrößerten Einzelheit der 4 zu erkennen. Im Überlappungsbereich ist die Folie 9 ist mit einer Schicht aus einem temperaturbeständigen Kleb/Dichtstoff mit sich selbst verklebt. Die Schicht ist so dünn, dass sie selbst in der Vergrößerung der 4 nicht zu erkennen ist.
-
Das Dichtungskonzept sieht vor, dass das Mantelrohr 3 zumindest auf seinem innerhalb des Fortsatzes 7 erstreckenden Abschnitt an seiner Innenseite entweder mit dem Spiralwickel 1 oder - sofern vorhanden - mit der Folie 9 verklebt ist, um das Spiralwickelmodul 0 nach außen in einer ersten Stufe abzudichten. Zum Verkleben wird ein temperaturstabilder Kleb/Dichtstoff verwendet, mit dem auch der Spiralwickel 1 und/oder die Folie verklebt wird.
-
In einer zweiten Stufe wird der mit dem Fortsatz 7 versehenen Axialanschlag 2r gegen das Mantelrohr 3 abgedichtet. Dies erfolgt mit einem Dichtelement 10.
-
In der hier dargestellten Ausführungsform ist das Dichtelement 10 in die kraft- und/oder formschlüssige Verbindung 8 eingegliedert. Genauer gesagt, befindet es sich in dem Gewinde der als Verschraubung ausgeführten kraft- und/oder formschlüssige Verbindung 8. Bei dem Dichtelement 10 handelt es sich hier um ein Gewindedichtmittel.
-
Alternativ kann eine Ringdichtung als Dichtelement verwendet werden, welche zwischen der Stirn des Fortsatzes 7 und einer korrespondierenden Schulter des Mantelrohres angeordnet wird (nicht dargestellt). Die Schulter ersetzt dann die in 4 gezeige Fase an dem Mantelrohr.
-
Sofern es sich bei der kraft- und/oder formschlüssige Verbindung 8 um einen Pressverbindung handelt, kann ein Dichtstreifen als Dichtelement 10 verwendet werden. Der Dichstreifen 10 kann in eine Nut der Presspassung eingelegt werden.
-
Eine weitere Dichtung kann zwischen dem retentatseitigen Axialanschlag 2r und der Kontaktfläche des Trennapparats eingelegt sein, in den das Spiralwickelmodul 0 eingesetzt wird. Der Trennapparat ist nicht teil der Neuerung und wurde daher nicht gezeichnet. Die Dichtung zwischen retentatseitigen Axialanschlag 2r und Trennapparat ist ebenfalls nicht gezeichnet.
-
Bezugszeichenliste
-
- F
- Feed
- P
- Permeat
- R
- Retentat
- 0
- Spiralwickelmodul
- 1
- Permeatrohr
- 2f
- Axialanschlag feedseitig
- 2r
- Axialanschlag retentatseitig
- 3
- Mantelrohr
- 4
- Durchlass
- 5
- Öffnungen
- 6
- Spiralwickel
- 7
- Fortsatz
- 8
- Kraft- und/oder formschlüssige Verbindung
- 9
- Folie
- 10
- Dichtelement
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 3328521 B1 [0004]
- CN 111450709 A1 [0005]
