DE2546010B2 - Apparat zur aufbereitung von fluiden mit halbdurchlaessigen membranroehrchen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Apparat zur Aufbereitung von Fluiden mit wenigstens einem halbdurchlässigen Membranröhrchen, das auf einer innenliegenden porösen und flexiblen Unterlage aufgebracht ist.

Derartige Apparate werden als Austauscher zwischen zwei Fluiden oder als Abscheider von Fluiden verwendet, die flüssig oder gasförmig sein können und in verschiedenen Anwendungsgebieten, z. B. der inversen Osmose, der Ultra-Filtration, der Durchgasung oder der Dialyse.

Bei derartigen bekannten Apparaten sind die Membranröhrchen beispielsweise zu Bündeln oder Spulen zusammengefaßt. Diese zusammengefaßten Membranröhrchen neigen jedoch dazu, sich aneinander zu legen, wodurch einerseits Teile ihrer Oberfläche, die die benachbarte Membran oder die Wände des Apparates berühren, außer Wirkung gesetzt werden, während andererseits eine gleichförmige Zirkulation des Fluids um die Membranen gestört ist. Dabei können sich sogar, je nach der gegenseitigen Anordnung, völlig stillgelegte Zonen bilden, was einen erheblichen Rückgang der Apparateleistung mit sich bringt und gegebenenfalls zu einem völligen Ausfall führt. Auch ist häufig eine Reinigung bzw. Sterilisation erforderlich.

Es ist versucht worden, diese Mängel dadurch zu beseitigen, daß die Membranröhrchen auf Abstand voneinander gehalten werden, indem man sie durch Zwischenplatten oder Füllmaterial, z. B. weichen offenporigen Schaumstoff führt, jedoch verringert man auf diese Weise die Kompaktheit der Apparate, d. h. das Verhältnis nutzbare Membranoberfläche zu Gesamtvos lumen des Apparates.

Es ist die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe, einen Apparat zur Behandlung von Fluiden mit halbdurchlässigen flexiblen Membranröhrchen zu schaffen, der eine wirksame gleichförmige regelmäßige ίο Umströmung der Membran sicherstellt, d.h. wirksam insbesondere auf einen besseren Durchsatz ist, und einen geringeren Druckabfall aufweist, während er andererseits kompakter als die bekannten Apparate ist. Dies wird bei einem Apparat der eingangs erwähnten Art dadurch erreicht, daß die Membrane mit wenigstens eini;m fadenförmigen, schraubenartig um die Membrane gevhindenen Element als Distanzelement gegen angrenzende Membranröhrchen umwickelt ist.
Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung werden die einzelnen Membranröhrchen in Abstand voneinander gehalten und dadurch die Möglichkeit einer völligen Umströmung gegeben, während andererseits durch die schraubenförmige Anordnung der fadenförmigen Elemente eine Strömungsleitwirkung in den Spalt zwischen zwei aneinanderliegenden Röhrchen erreicht wird, so daÜ die Umströmung der Membranröhrchen noch weiter verbessert wird.

Die Verwendung dieser fadenförmigen Elemente, die schraubenförmig um die Röhrchenmembran gewickelt

sind, bietet noch weitere Vorteile. Einerseits kann man Apparate bauen, in denen man die Röhrchenmembranen miteinander verankern kann. Sie können dann beispielsweise in einer wärmeschrumpfbaren Hülle: zusammengefaßt werden, die gegebenenfalls dicht ist.

Andererseits erleichtert man dadurch, daß der Abstand zwischen den Röhrchenmembranen gesichert ist, die Herstellung dichter Vorrichtungen, die man beispielsweise dadurch erhält, daß man ein Harz um die Enden der röhrchenförmigen Membranen gießt. Die fadenförmigen Elemente schützen außerdem die Membran insbesondere bei der Herstellung des Apparates und gegen Beschädigungen durch Reiben an den Wänden des Apparates. Es kann außerdem noch eine gewisse Einspannwirkung auf die Röhrchenmembrane erzeugt werden.

Es ist zwar bekannt (DT-PS 17 433), spiralförmige Elemente als Abstützungen zwischen ebenen Membranen von Elektroiysevorrichtungen zu verwenden. Diese Spiralen haben sich als Stützelement jedoch nicht

bewährt, insbesondere können bei dieser Verwendung die spiralförmigen Elemente nicht zur Beeinflussung der Flüssigkeitsströmung in den Zellen oder Flüssigkeitsräumen verwendet werden. Die Erfindung verwendet nicht schraubenförmige Elemente als Abstandselement a schlechthin, sondern es wird ein fadenförmiges Element als Abstandselement verwendet, welches schraubenförmig um das Membranröhrchen gewickelt ist. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird im Gegensatz zu bekannten Anordnungen eine wesentliche Beeinflussing der Flüssigkeitsströmung durch Schaffung entsprechender Durchfluß-Spalte zwischen dem Membranröhrchen und durch eine leitorganartige Wirkung der schraubenförmigen Fadenelemente erreicht.
Vorzugsweise ist das fadenförmige Element bzw. sind

<>s die fadenförmigen Elemente in bekannter Weise auf der Membrane wenigstens punktförmig in regelmäßigen Abständen befestigt. Das fadenförmige Element kann auch auf die Membran thermisch aufgeschrumpft sein.

Bei entsprechender Ausbildung des fadenförmigen Elementes und einer entsprechenden Führung beim Umwickeln kann das fadenförmige Element praktisch drehfrei auf der Membrane sitzen.

Der Abstand der schraubenförmigen Windungen des bzw. der fadenförmigen Elemente liegt vorzugsweise zwischen einem Viertel und dem Achtfachen des Durchmessers der Membrane.

Vorzugsweise liegt das fadenförmige Element iängs eines Zylindermantels an, ist im Querschnitt kreisförmig ι ο und sein Durchmesser liegt zwischen dem fünfzigsten Teil und der Hälfte des Durchmessers des Meinbranröhrchens.

Mit Apparaten gemäß der Erfindung können Austauschvorgänge vorgenommen werden, z.B. eine Dialyse, eine direkte Osmose, ein Flüssigkeits-Gasaustausch, ein Gas-Gasaustausch od. dgl. Die Abtrennung von Fluiden durch Ultra-Filtration, inverse Osmose oder Gaswanderung und selbst Mischungen können ebenfalls durchgeführt werden. Diese Arbeitsweisen können auch für eine Anreicherung ausgenützt werden. Auch Austauschvorgänge z. B. ein Wärmeaustausch zwischen zwei Fluiden, eine Befeuchtung und/oder Konditonierung von Luft oder eine Mischung z. B. von bestimmten Gasen oder Flüssigkeiten können ebenfalls durchgeführt werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt eine Teilschrägansicht auf zwei aneinandergrenzende Membranröhrchen mit fadenförmigen Elementen, von denen eines an einer Wand des Apparates anliegt.

Die Röhrchen 1 und 2 bestehen aus je einer porösen, etwa zylindrischen flexiblen Textilhülle 3 und 4, die außen mit halbdurchlässigen Membranen 5 und 6 abgedeckt sind. Diese Textilhüllen sind hohl und setzen sich aus einer oder mehreren konzentrischen Lagen aus Fadengeflecht zusammen, welche die axialen Kanäle 7 und 8 begrenzen. Das Röhrchen 2 grenzt an die Wand 9 des Apparats zur Behandlung von Fluiden, der alle Röhrchen enthält. Das Röhrchen 2, das Röhrchen 1 und die Wand 9 des Apparats bilden jeweils aneinandergrenzende Bauteile. Der Apparat ist aus der französischen Patentschrift Nr. 22 34 912 bekannt.

Jede Membrane ist, wie bei 10 dargestellt, erfindungsgemäß über ihre gesamte Länge von wenigstens einem fadenförmigen, schraubenförmig gewickelten Element umgeben. Der Drehsinn dieses Elements ist wesentlich. Die Membrane 6 ist z. B. von zwei schraubenförmig gewickelten Fäden 11 und 12 umgeben, die um eine halbe Windung versetzt angeordnet sind. Jedes fadenförmige Element ist nach bekanntem Verfahren schraubenförmig um ein Membranröhrchen gewickelt und es ist auf diesem an seinen beiden Enden befestigt, beispielsweise durch Knoten oder Verschmelzen, durch Klebung oder Verkittung, durch ein polymerisierbares Harz auf der Membrane und/oder auf einer Klemmvorrichtung. Der übrige Teil des fadenförmigen Elements liegt auf der Membrane auf und ist vorzugsweise mit dieser wiederholt verbunden, sei es an verschiedenen Punkten in regelmäßigen Abständen oder kontinuierlich, beispielsweise durch Klebung, um eine möglichst konstante Steigung der Windungen unabhängig davon, wie das Röhrchen geformt ist. <\s

Um eine eventuelle Reibung des Fadens auf der Membrane zu verhindern, die bei einer späteren Verformung des flexiblen Membranröhrchens auftreten könnte, verwendet man vorzugsweise an sich bekannte Herstellungsverfahren, bei denen Fäden schraubenförmig um die Membrane gewickelt werden, wobei sie in sich praktisch drehspannungsfrei bleiben· Unter einer Drehspannung des Fadens versteht man eine Verformung, die auftritt, wenn der Faden unter der Wirkung zweier entgegengesetzter Drehmomente steht, die in Ebenen wirken, die senkrecht zur Längsrichtung des Fadens verlaufen. Auch wenn man den Faden bei jeder Windung um das Röhrchen um eine Umdrehung verdreht, so können die Drehungen in entgegengesetztem Drehsinn erfolgen.

Man kann auch den Faden während seines Aufwikkelns um das Röhrchen auf eine Temperatur erwärmen, bei der er stabilisiert wird und das Drehmoment unterdrückt wird. Einen wärmeschrumpfbaren Faden kann man einer Wärmebehandlung unterwerfen, nachdem man ihn schraubenförmig auf das flexible Röhrchen aufgewickelt hat und man kann so eine Einspannwirkung erzielen.

Wie man aus der Figur ersieht, wird durch die Fäden 10,11 und 12 ein Raum 13 zwischen den Röhrchen 1 und 2 freigehalten. Ebenso wird ein solcher Freiraum 14 zwischen dem Röhrchen 2 und der Wand 9 geschaffen. Der geringste Durchmesser dieses Freiraumes ist ziemlich konstant und gleich dem Durchmesser des Fadens, gleichgültig wie das Röhrchen angeordnet ist.

Wenn man für diese schraubenförmig gewickelten Fäden entsprechende Dicken vorsieht, so kann man zwischen den verschiedenen Röhrchenmembranen einen Minimalabstand einhalten, der notwendig ist, daß das Fluid die Membranen zufriedenstellend umströmen kann, was zum Wirkungsgrad des Apparats beiträgt und den Druckverlust gering hält. Dieser Minimalabstand ergibt auch eine optimale Kompaktheit des Apparats. Der Abstand zwischen den Röhrchen wird über die gesamte nutzbare Länge dieses Röhrchens gehalten, gleichgültig welche Form sie haben, beispielsweise parallel gewickelt, verdreht od. dgl.

Für diese fadenförmigen Elemente verwendet man im allgemeinen einen weichen Faden, der im Querschnitt polygonal oder elliptisch sein kann, vorzugsweise jedoch einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Ein runder Faden hat im allgemeinen nur eine einzige Erzeugende und wenn von außen mechanischer Druck ausgeübt wird, legt er sich auf die Membrane ohne sie zu durchstoßen. Man kann einen Textilfaden verwenden, im allgemeinen nimmt man jedoch synthetische Fäden. Der Faden kann ein Einfachfaden sein oder ein gefachtes Garn.

Die Querabmessungen des Fadens, meist sein Durchmesser, liegen im allgemeinen zwischen einem Fünfzigstel und der Hälfte, vorzugsweise zwischen einem Zwanzigstel und einem Achtel des Durchmessers der Röhrchenmembran.

Der Faden wird mit einer Steigung gewickelt, die im allgemeinen zwischen einem Viertel und dem Achtfachen, vorzugsweise zwischen dem halben und dem doppelten Durchmesser der Röhrchenmembrane liegt Vorzugsweise ist die Steigung umso kleiner, je flexibler das Röhrchen ist und je geringer der Krümmungsradius ist. Man kann auch mehrere Fäden schraubenförmig wickeln, beispielsweise die Fäden 11 und 12 und diese Fäden gleichmäßig über die Oberfläche der Röhrchenmembrane verteilen.

Der Durchmesser der Röhrchenmembrane liegt im allgemeinen zwischen einem und zwanzig Millimeter und vorzugsweise zwischen zwei und zehn Millimetern

und der Durchmesser ist vorzugsweise ziemlich klein, so daß die Apparate ausreichend klein gebaut werden können. Die poröse Unterlage der Röhrchenmembrane kann eine an sich bekannte sein, vorzugsweise besteht sie aus einer Textilhülle, die flexibel ist und mit Radien von weniger als einigen Zentimetern bis zu einigen zehn Zentimetern gebogen werden. Man kann bekannte Unterlagen als Stützen für die flexiblen Röhrchen verwenden. Die Elemente, wie sie beispielsweise in den französischen Patentschriften 2t 79 640 und 21 94 461 beschrieben sind, eignen sich gut.

Mehrerer solcher Röhrchenmembranen, die vorzugsweise einzeln gemäß der Erfindung mit Fäden versehen sind, können zu einem Bündel oder zu einem Strang zusammengefaßt werden, der selbst wieder von einem oder mehreren fadenförmigen Elementen umgeben werden kann, die in Schraubenform angeordnet sind. Durch diese Anordnung kann man insbesondere die Handhabung der Röhrchenmembranen beim Zusammenbau des Apparats erleichtern.

Die Verwendung der fadenförmigen Elemente, die schraubenförmig um die Röhrchenmembranen gewikkelt sind, bietet noch andere Vorteile. Einerseits kann man Apparate bauen, in denen man die Röhrchenmembranen gegeneinander verankern kann. Sie können dann beispielsweise in einer wärmeschrumpfbaren Hülle zusammengefaßt werden, die gegebenenfalls dicht ist. Andererseits erleichtert man dadurch, daß der Abstand zwischen den Röhrchenmembranen gesichert ist, die Herstellung dichter Vorrichtungen, die man beispielsweise dadurch erhält, daß man ein Harz um die Enden der röhrchenförmigen Membranen gießt. Die fadenförmigen Elemente schützen außerdem noch die Membrane, insbesondere bei der Herstellung des Apparats oder gegen Beschädigungen durch Reiben an den Wänden des Apparats. Es kann außerdem noch eine gewisse Einspannwirkung auf die Röhrchenmembrane

,o auftreten. Darüberhinaus kann man beobachten, daß die fadenförmigen Elemente den Fluidstrom um die Röhrchenmembranen gleichmäßig und regelmäßig machen, wodurch Stellen vermieden werden, die stärker umströmt werden.

Mit den Apparaten gemäß der Erfindung können Austauschvorgänge vorgenommen werden, z. B. eine Dialyse, eine direkte Osmose, ein Flüssigkeits-Gasaustausch, ein Gas-Gasaustausch od. dgl. Die Abtrennung von Fluiden durch Ultrafiltration, inverse Osmose oder Gaswanderung und selbst Mischungen können ebenfalls durchgeführt werden. Diese Arbeitsweisen können auch für eine Anreicherung ausgenützt werden. Auch Austauschvorgänge, z. B. ein Wärmeaustausch zwischen zwei Fluiden, eine Befeuchtung und/oder Konditionierung von Luft oder eine Mischung z. B. von bestimmten Gasen in Flüssigkeiten können ebenfalls durchgeführt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Apparat zur Aufbereitung von Fluiden mit wenigstens einem halbdurchlässigen Membranröhrchen, das auf einer innenliegenden porösen und flexiblen Unterlage angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane(5,6) mit wenigstens einem fadenförmigen, schraubenartig um die Membrane (5, 6) gewundenen Element (11, 12) als Distanzelement gegen angrenzende Membranröhrchen (1,2) umwickelt ist.

2. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das fadenförmige Element (11, 12) in bekannter Weise auf der Membrane (5, 6) wenigstens punktförmig in regelmäßigen Abständen befestigt ist.

3. Apparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das fadenförmige Element (11, 12) auf die Membrane (5, 6) thermisch aufgeschrumpft ist.

4. Apparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das fadenförmige Element (11, 12) praktisch drehspannungsfrei auf der Membrane (5,6) sitzt.

5. Apparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der schraubenförmigen Windungen des bzw. der fadenförmigen Elemente (11,12) zwischen einem Viertel und dem Achtfachen des Durchmessers der Membrane liegt.

6. Apparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das fadenförmige Element (11,12) längs eines Zylindermantels anliegt, im Querschnitt kreisförmig ist und sein Durchmesser zwischen dem fünfzigsten Teil und der Hälfte des Durchmessers des Membranröhrchens (1, 2) liegt.