DE2439885A1 - Vorrichtung zur trennung von chemischen loesungen bei membranprozessen - Google Patents

Vorrichtung zur trennung von chemischen loesungen bei membranprozessen

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DE2439885A1
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Stanislav Dipl Ing Kolarik
Milos Dipl Ing Mazak
Michal Prof Skrabak
Ernest Dipl Ing Vavrik
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SLOVENSKEJ VYSOKEJ SKOLY
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SLOVENSKEJ VYSOKEJ SKOLY
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D61/00Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/02Reverse osmosis; Hyperfiltration ; Nanofiltration
    • B01D61/08Apparatus therefor
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D61/00Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/42Electrodialysis; Electro-osmosis ; Electro-ultrafiltration; Membrane capacitive deionization
    • B01D61/44Ion-selective electrodialysis
    • B01D61/46Apparatus therefor
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D63/00Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/06Tubular membrane modules
    • B01D63/062Tubular membrane modules with membranes on a surface of a support tube
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
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Description

  • Titel: Vorrichtung zur Trennung von chemischen Lösungen bei Membranprozessen ======================================~======================= Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Trennung von chemischen Lösungen bei Membranprozessen.
  • Die Erfindung beruht auf einem neuen Prinzip des Umströmens von halbdurchlässigen Membranen bei der Reversierosmose, Ultrafiltration, Elektrodialyse und bei weiteren Membranprozessen.
  • Zu diesem Zwecke wird eine neue Konstruktion des Moduls vorgeschlagen, welcher Membranenträger in Form von koaxial ineinander eingeschobenen Stumpfkegeln hat. Jeder Membranenträger ist an beiden Seiten auf solche Weise mit halbdurchlässigen Membranen bedeckt, daß dieselben Kanälchen bilden, in welchen die Flüssigkeit konvergent oder divergent durch schmale, mit Hilfe von Distanzringen eingestellte Zwischenräume strömt.
  • Diese Vorrichtung löst eines der grundlegenden Probleme bei dem Bau von Modulen für Hochdruckmembranprozesse. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung werden wesentlich bessere hydrodynamische Bedingungen, eine Erhöhung der Prozeßeffektivität und eine Verkleinerung des Bauraumes pro Volumeneinheit des Moduls erzielt, Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist universell, der Modul läßt sich je nach den geforderten technologischen Bedingungen einstellen.
  • Da sich der Durchflußquerschnitt zwischen den Membranen in Richtung der Flüssigkeitsströmung fortwährend ändert, je nachdem, ob die chemische Lösung konvergent oder divergent strömt, läßt sich durch diese Konstruktion ein günstiger Einfluß auf die Zerstörung der kleinen polarisierten Konzentrationsschichten erzielen, welche an der Membranoberfläche entstehen. Diese kleinen Schichten stellen bei Membranprozessen beträchtliche Widerstände und eine Verschlechterung der Durchlässigkeit der zu trennenden Lösung dar.
  • Die einzelnen Moduletagen, welche immer aus einem Kegelträger, einem äußeren und einem inneren Ring gestaltet sind, sind form- und dimensionsidentisch und deswegen ist es möglich, aus denselben Bauteilen Module unterschiedlicher Leistungen zusammenzusetzen. Bei der Anwendung von einigen speziellen äußeren und inneren Distanzringen ist es möglich, selbst in dem Modul verschiedene Alternativen der Etageneinschaltung zu erzielen, d. h. daß die Flüssigkeit durch die Etagen entweder parallel oder hintereinander, gegebenenfalls kombiniert strömt, je nachdem, welche Weise für den vorliegenden Fall des Membranprozesses vorteilhafter ist. Die Veränderung der Schaltung läßt sich durch einfache Umstellung von speziellen äußeren und inneren Distanzringen ohne Verwendung von neuen Elementen erzielen. Dank der leichten Auseinandernehmbarkeit des Moduls ist es möglich, zwischen einzelne Etagen (Membranenträger ) verschiedene sogenannte"Turbulisationseinlagen tl einzusetzen. Mit diesen Einlagen läßt sich ein optimaler Strömungscharakter und ein optimales Strömungsregime der zu trennenden Lösung durch den Modul und dadurch die optimale Leistung, d. h. die Durchlässigkeit der abzutrennenden Komponente durch den Modul, erzielen. In einem Modul kann man diese Einlagen verschiedenartig kombinieren, was bei anderen Modul typen nicht möglich ist.
  • Es ist keine Modulkonstruktion bekannt, welche ähnliche vorteilhafte Merkmale aufweist. Gegenüber den bekannten Rollenmodulen hat der erfindungsgemäße Modul einige wichtige Vorteile, vo allem darin, daß es bei einer Störung einer Membrane genügt, die entsprechende Etage des Moduls auszutauschen, während es bei einem Rollenmodul notwendig ist, den ganzen Modul auszutauschen. Die Reparatur eines kegelförmigen Moduls kann der Benutzer selbst durchführen, was bei den Rollenmodulen wegen der komplizierten Konstruktion und anspruchsvollen Herstellung, vor allem der Dichtungen, nicht denkbar ist. Eine ähnliche Situation kommt auch im Falle von Modulen mit Röhrenkonstruktion oder mit anderen ähnlichen Konstruktionen vor.
  • Im Hinblick darauf, daß bei dem kegelförmigen Modul nach der Erfindung keine spezielle Vorrichtung zur Demontage und zur Wiedermontage notwendig ist, ist es möglich, gegenüber Modulen anderer Typen, diesen Modul ohne Gefahr und ohne Hilfe der Hersteller jederzeit zu reinigen, gegebenenfallsdie Membranen gegen andere auszuwechseln, je nach den geforderten technologischen Eigenschaften und Parametern der Membranen.
  • Vom wirtschaftlichen Standpunkt aus bedeutet dies, daß der Betrieb der erfindungsgemäßen Module wirtschaftlicher ist und keine Lieferung von neuen mechanischen Teilen der Module notwendig ist. Darüber hinaus ist bei diesem Modul im Vergleich mit bekannten Modulen der Energiebedarf wesentlich niedriger, denn Dank der Konstruktionsanordnung und dem Charakter der Durchflußkanäle sind die hydrodynamischen Widerstände geringer.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt und Fig. 2 ein vergrößertes Detail des Schnittes nach Fig. lo Der kegelförmige Modul besteht aus einem Einströmungsstück i, versehen mit einem Einströmungsflansch 14, und aus einem Ausströmungsstück 11, versehen mit einem Abflußflansch 13. Beide Stücke i und li sind in einen Mantel 6 eingeschoben, der mit Dichtungen 16 abgedichtet ist. Zwischen den Stücken 1 und 11 sind mit Hilfe von Schrauben 12 äußere Verteilungsdistanzringe 3 und 5 eingeschlossen, in welchen Flanschen 17 von Kegelträgern 19 eingebettet sind. Zwischen den Stücken 1 und 11 sind mit Hilfe des Kegels 2 auch innere Verteilungsdistanzringe 7, 8 und 9 und zwischen diesen die Flanschen 18 der Träger 19 eingebettet. Membranen 22 decken die gesamte äußere und innere Oberfläche der Träger 19 mit den Flanschen 17 und 18 ab, so daß sie mit diesen Flanschen auch zwischen den äußeren und inneren Verteilungsdistanzringen eingeschlossen sind, wodurch eine entsprechende Abdichtung der Membranen, sowohl an den Trägern 19, als auch an den Verteilungsdistanzringen 7, 8, 9, 5 und 3 erzielt wird. Die Flüssigkeit, d. h.
  • die Lösung, die dem Verteilungsprozeß unterworfen werden soll, fließt in den Modul durch den Flansch i4 ein füllt den Raum 20 und aus diesem Raum fließt sie in den inneren Raum 21, den die inneren Verteilungsdistanzringe 7, 7 , 7 und 8 bilden. Durch ein System von Kanälchen 27 fließt sie in den Raum 28 zwischen den Membranen 22 und von dort in die Sammelkanälchen 23, die in den äußeren Verteilungsdistanzringen 3 und 5 gebildet sind. Von den Sammelkanälchen 23 strömt die Flüssigkeit in die Verbindungskanälchen 24 über, durch welche sie zu den weiteren Etagen des Moduls geleitet wird.
  • In der Ebene der Flansche 17 der Träger ig sind in den äußeren Verteilungsdistanzringen 3 und 5 Kanälchen 25 angeordnet, welche zum Abfluß der permeablen Flüssigkeitskomponente, des sogenannten"Permeats", aus den Trägerns 19 in den Raum 15 dienen, der unter dem äußeren Mantel 6 des Moduls gebildet ist. Aus dem Raum 15 wird der Permeat durch das Ventil 10 aus dem Modul hinaus zur weiteren Aufarbeitung abgeleitet. Da der Permeat nur einen niedrigen Druck hat, ist es nicht notwendig, den Mantel 6 als Druckgefäß auszubilden.
  • Der Verbindungskanal 24 kann an einer bestimmten Stelle mit einem Spezialring 5 unterbrochen werden, ähnlich wie der Raum 21 mit Spezielringen 8 und 9 unterbrochen ist.
  • Durch diese Unterbrechungen läßt sich eine Richtungsänderung der Flüssigkeitsströmung in dem Modul erzielen. Die ursprünglich divergente Strömung in -den durch die inneren Verteilungsdistanzringe 7, 7', 7" und 8 gespeisten Etagen ändert sich infolge des Durchganges der Flüssigkeit durch den Verbindungskanal 24 in den nachfolgenden Etagen in eine konvergente Strömung usw., wie es aus Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, wo die Richtung der Flüssigkeitsströmung mit Pfeilen dargestellt ist. Nach dem Durchgang durch alle Etagen wird die Flüssigkeit aus dem Modul hinaus durch den Flansch 13 zur weiteren Aufarbeitung geführt.
  • Gegebenenfalls gewünschte Turbulisierungselemente 29 werden zwischen einzelne Etagen frei eingelegt. Die axiale Bewegung derselben wird durch entsprechende äußere und innere Verteilungsdistanzringe begrenzt.
  • Die einzelnen äußeren und inneren Verteilungsdistanzringe 3, 5, 7, 8 und 9 sind sowohl gegeneinander als auch gegen die Stücke i und ii mit Dichtungen 4 und 26 abgedichtet0 Falls jedoch alle Flächen mechanisch einwandfrei bearbeitet sind, sind diese Dichtungen nicht notwendig.
  • Aus der Beschreibung geht klar hervor, daß die Fläche der speziellen Verteilungsdistanzringe 5, 8 und 9 durch die Anforderungen an das Strömungsregime der Flüssigkeit, d.h.
  • der chemischen Lösung, im Modul bestimmt wird; sonst ist es nicht notwendig im voraus deren Lage irgendwie festzusetzen, denn sie kann bei einem und demselben Modul beliebig geändert werden.

Claims (4)

  1. PATENTANSPRÜCHE:
    ========================================================= i. Vorrichtung zur Trennung von chemischen Lösungen bei Membranprozessen, wie bei Reversierosmose, Ultrafiltration, Elektrodialyse und weiteren Membranprozessen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die chemische Lösung durch schmale Kanäle in einem Kreisringraum, gebildet durch ein System von koaxial und konzentrisch gebetteten dünnwandigen Kegeln aus porösem Material strömt, wobei die Kegel an ihren inneren und äußeren Kegelmantel mit halbdurchlässigen Membranen bezogen sind.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die zu trennende Lösung an den halbdurchlässigen Membranen vorbei divergent strömt, d. h. daß sich die lichte Weite des Durchflußquerschnitts in Richtung der Strömung der chemischen Lösung zwischen zwei Membranen vergrößert.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die zu trennende Lösung an den halbdurchlässigen Membranen vorbei konvergent strömt, d. h. daß sich die lichte Weite des Durchflußquerschnitts in Richtung der Strömung der chemischen Lösung zwischen zwei Membranen verkleinert.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder einem der folgenden, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die zu trennende Lösung an den halbdurchlässigen Membranen vorbei abwechselnd divergent und konvergent strömt, wobei die Anzahl dieser Abwechselungen nacheinander von dem Charakter des technologischen Prozesses abhängig ist.
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