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Flachmembranmodul für Trennvorgänge in der
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Flüssigphase Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flachmembranmodul
für Trennvorgänge in der Flüssigphase, welcher im wesentlichen aus einer Anzahl
von membranüberzogenen porösen Platten besteht, deren druckdicht abgeschlossene
Zwischenräume von einer Ausgangsflüssigkeit durchströmt werden, wobei der durch
die Membranen hindurchtretende Anteil als Permeat innerhalb der porösen Platten
gesammelt und abgeleitet wird.
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Die Membrantechnologie hat seit der Entdeckung von druckstabilen Membranen
als neues Verfahren eine ständig wachsende Bedeutung bekommen. Der Einbau der Membranen
in Geräte wird in unterschiedlichster Weise durchgeführt, indem die Formgebung der
Membran und die Strömungsführung -variiert werden. Zum Einsatz kommen Rohrmodüln,
Spiralmoduln, Hohlfasermoduln und Flachmembranmoduln. Nachteilig bei den meisten
Modularten ist bisher der entweder unhandliche oder, wirtschaftlich gesehen, teure
Austausch der Membran.
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Im Hinblick auf einen einfachen und billigen Membranaustausch haben
sich Flachmembranmoduln als vorteilhaft erwiesen, da bei Schadhaftwerden einer Membran
die die Membran tragende poröse Platte lediglich mit einer neuen Membran belegt
zu werden braucht, ohne daß auch der Trägerkörper ausgewechselt werden muß. Infolge
des zum Inneren der porösen Platte gerichteten Druckgefälles legt die Membran sich
von selbst -an die Plattenoberfläche an. Ein Nachteil von Flachmembranmoduln ist
der gegenüber anderen Modularten relativ große Raumbedarf bei gegebener Filterfläche.
Flachmembranmoduln sind meist so aufgebaut, daß die einzelnen inembranüberzogenen
Platten stapelartig in gewissem, gegenseitigem Abstand parallel zueinander angeordnet
sind. Die Ausgangsflüssigkeit bzw. das Retentat strömen dabei üblicherweise von
einer Seite des Moduls zwischen zwei benachbarten Platten in Richtung auf die gegenüberliegende
Modulseite, treten dort durch eine entsprechende Öffnung in den sich anschließenden
Zwischenraum über und strömen hier in entgegengesetzter Richtung wieder zur ersten
Modulseite zurück.
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Für einen optimalen Membranaustausch ist es aber erforderlich, daß
die Flüssigkeit in turbulenter Strömung überall mit gleicher Geschwindigkeit über
die Membranoberfläche hinwegströmt.
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Bei einem zylindrischen Modul ist diese Voraussetzung infolge der
starken Erweiterung und Verengung eines als Kreisscheibe ausgebildeten Strömungskanals,
der in Richtung eines Durchmessers durchflossen wird, nicht ohne weiteres gegeben.
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Bekannte Modulausführungen verwenden daher jeweils zwischen den porösen
Platten zusätzlich angeordnete Leitplatten mit beispielsweise reliefartig eingearbeiteten
Führungskanälen, welche eine solche Zwangsführung der Strömung bewirken sollen,
daß alle Membranstellen mit möglichst gleicher Geschwindigkeit überströmt werden.
Eine solche Ausführung ist kompliziert und teuer und erhöht den bei Flachmembranmoduln
bereits nachteilig hohen spezifischen Raumbedarf noch mehr.
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Aus der CH-PS 542 639 ist ein Vorschlag bekannt, die porösen Platten
selbst mit strömungsleitenden Oberflächenprofilen auszubilden, über welche eine
doppellagige Membran gelegt wird, die sich unter dem herrschenden Druckgefälle der
profilierten Oberfläche anpassen soll.
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Diese bekannten Ausführungen weisen erhebliche Nachteile auf.
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Das für die porösen Platten allgemein verwendete Kunststoffmaterial
ist nur für begrenzte Drücke zu verwenden. Wird ein bestimmtes Druckniveau überschritten,
so tritt infolge des Druckgefälles zwischen dem Plattenzwischenraum und dem Inneren
der Platten eine Verdichtung des porösen Plattenmaterials ein, die
sich
nachteilig auf die Permeatleistung auswirkt. Besonders störend ist dieser Effekt
bei der Abtrennung kleinerer Moleküle und bei der Hyperfiltration, wo mit hohen
Drücken gearbeitet werden muß.
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Weiterhin hat sich herausgestellt, daß bei den bekannten Vorrichtungen
sowohl bei Verwendung getrennter Strömungsplatten als auch bei Leitprofilen, die
in die Oberfläche der porösen Platten eingearbeitet sind, keine gleichmäßig turbulente
über strömung der Membranflächen erzielt wird.
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Bei porösen Platten mit eingearbeiteten Oberflächenprofilen ergibt
sich zusätzlich die Schwierigkeit, daß die semipermeablen Membranen, die meist aus
polymeren Materialien wie etwa Celluloseazetat oder Polyamid bestehen, beim dichten
Anschmiegen an die Oberflächenprofile örtlich gedehnt und stark mechanisch beansprucht
werden.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher ein Flachmembranmodul ohne
die erwähnten Nachteile, dessen poröse Membranträger formstabil und hochdruckfest
sind, dessen Raumbedarf durch Vermeidung von zusätzlichen strömungsleitenden Einbauten
gering gehalten werden kann, und dessen Membranen nicht örtlich gedehnt oder überbeansprucht
werden.
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Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die porösen
Sammelplatten aus einem anorganischen, chemisch neutralen und hochdruckfesten Werkstoff
wie Glasfritten, porösem Aluminiumoxid, porösem Zirkonoxid, porösem Titandioxid
oder
Siliziumdioxid bestehen und mit im wesentlichen glatten Oberflächen
versehen sind, die jedoch in ihrer Formgebung so gestaltet sind, daß in dem durch
zwei sich einander gegenüberliegende Plattenoberflächen begrenzten Zwischenraum
an jeder Stelle im wesentlichen die gleiche Strömungsgeschwindigkeit herrscht.
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Gegen die Verwendung der erfindungsgemäßen druckstabilen Werkstoffe
für poröse Membranträger in Flachmembranmoduln haben Vorurteile bestanden, da die
Biegefestigkeit dieser Werkstoffe bei den meist hohen erforderlichen Drücken nicht
als ausreichend angesehen wurde. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß bei zweiseitiger
Beaufschlagung der porösen Trägerplatten und durch deren erfindungsgemäße Formgebung
die Biegekräfte so gering gehalten werden können, daß keine Gefahr für den Bruch
der Sammelplatten besteht.
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Der Porendurchmesser der erfindungsgemäß verwendeten Materialien kann
zwischen 1 /um und 1000 /um liegen. Die porösen Sammelplatten mit im wesentlichen
glatten Oberflächen zu versehen, entspricht nicht nur der strömungstechnischen Gestaltung
des erfindungsgemäßen Flachmembranmoduls, sondern bietet auch erhebliche fertigungstechnische
Vorteile, insbesondere in Verbindung mit den verwendeten harten Werkstoffen.
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Die Verwendung von Frittenplatten, insbesondere solchen aus Glas,
bietet insgesamt folgende Vorteile: - Geringe Einbaustärke, dadurch gute Raumnutzung
- Druck- und Formstabilität - Temperaturbeständigkeit, daher Sterilisierungsmöglichkeit
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Weitgehende chemische Neutralität - Mikrobiologische Resistenz - Weitgehende Wahlmöglichkeit
der Porösität zur Beeinflussung des Druckabfalls innerhalb der Platten - Verwendbarkeit
der Platten als direkte Unterlage bei der Herstellung der Membranfolien.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen von Flachmembranmoduln werden elliptische
oder kreisförmige Sammelplatten verwendet, welche in der Nähe ihres Randes eine
Durchtrittsöffnung für die Flüssigkeit von einem Plattenzwischenraum in den nächstfolgenden
aufweisen. Die Durchtrittsöffnungen aufeinanderfolgender Platten liegen sich normalerweise
abwechselnd diametral gegenüber, so daß die Flüssigkeit in dem Zwischenraum zwischen
zwei Platten von einer Modulseite zur anderen strömt.
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Eine Voraussetzung für überall gleiche Strömungsgeschwindigkeit ist
die Bedingung, daß der Strömungskanal senkrecht zur mittleren Strömungsrichtung
im wesentlichen überall gleiche Querschnittsflächen aufweist. Wegen der starken
Verbreiterung eines Strömungskanals mit kreisförmiger oder elliptischer Grundfläche
ist dessen Höhe am mittleren Bereich durch einen erfindungsgemäß kleineren Abstand
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sammelplatten so verringert, daß sich überall
eine gleiche Querschnittsfläche ergibt. Diese Bedingung ist für eine überall gleiche
Strömungsgeschwindigkeit jedoch noch nicht ausreichend, da der Strömungsweg und
damit auch der Strömungswiderstand von der Plattenmitte zum Plattenumfang hin zunimmt,-Dieser
Unterschied wird erfindungsgemäß dadurch kompensiert, daß sich die Hähe des Strömungskanals
auch quer zur Strömungsrichtung von der Plattenmitte zum Plattenrand hin vergrößert.
Das bedeutet, daß der Zwischenraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sammelplatten
erfindungsgemäß so ausgebildet ist, daß seine Höhe von
der Modulmitte
zum Umfang hin in allen Richtungen zunimmt.
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Dies wird dadurch erreicht, daß zwei einander zugewandte Plattenoberflächen
entweder beide konvex, eine eben und die andere konvex, oder eine konkav und die
andere konvex ausgebildet sind, wobei im letzteren Fall die konvexe Krümmung jedoch
stärker als die konkave sein muß.
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Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, daß beide einander
zugewandten Plattenoberflächen in gleicher Weise konvex ausgebildet sind, so daß
jede Platte ihrerseits zwei gleiche konvexe Oberflächen besitzt. Diese Formgebung
ist allein schon aus Gründen der gleichmäßigen Druckverteilung zweckmäßig.
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Um so weitgehend wie möglich eine überall gleiche Strömungsgeschwindigkeit
zu erzielen, sind die Krümmungen der Plattenoberflächen sowie der Abstand der Platten
voneinander so ausgeführt, daß in dem zwischen zwei Platten gebildeten Strömungskanal
das Verhältnis von Strömungslänge zu hydraulischem Durchmesser überall konstant
ist.
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Die Krümmung der Fritten zur Ausbildung des optimalen Strömungsverhaltens
läßt sich für den jeweiligen Anwendungsfall ermitteln, wobei eine optimale gleichmäßige
Strömung nur bei turbulentem Strömungsverhalten erreicht wird. Hierdurch werden
Ablagerungen auf der Membran vermieden; (bei laminarer Strömung ist die Strömungsgeschwindigkeit
auf der Membranoberfläche nahe Null, so daß die Membran sehr schnell zugesetzt wird).
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Um gleichzeitig einen möglichst geringen Druckabfall zu erhalten,
sollte vorzugsweise mit einer Reynold'schen Zahl von 3 000 gearbeitet werden.
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Bei einer optimalen Reynoldrschen Zahl von 3 000 muß' auf der gesamten
Platte dieselbe lineare Geschwindigkeit herrschen, d.h. der Druckabfall ist im wesentlichen
eine Funktion der Länge des Strömungsweges und des hydraulischen Radius, wobei wegen
der turbulenten Strömung die zu berücksichtigende 4. Wurzel aus der Reynold'schen
Zahl durch die Festlegung auf Re = 3 000 einen weiteren konstanten Faktor darstellt.
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Da die Länge des Strömungsweges in radialer Richtung zunimmt, muß
der hydraulische Radius ebenfalls größer werden, um zu einem konstanten Druckabfall
zu kommen.
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Die einzustellende lineare Geschwindigkeit richtet sich nach der Viskosität
und läßt sich durch das By-Pass-Ventil regeln.
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Die exakte Formgebung hängt von verschiedenen Konstruktionsparametern
wie z.B. der genauen Lage der Flüssigkeitsein- und -austrittsöffnungen ab und kann
nur für den Einzelfall genau errechnet werden, wobei im Idealfall auch der Flüssigkeitsabgang
durch die Membran zu berücksichtigen ist.
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Wichtig ist, daß die Strömung über den Membranoberflächen überall
turbulent und durch eine konstante Reynoldszahl gekennzeichnet ist. Diese kann beispielsweise
3 000 betragen. Durch die Turbulenz der Strömung werden Ablagerungen auf den Membranen
vermieden.
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Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Flachmembranmoduls werden werden
an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen
erläutert.
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Es stellen dar: Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen
Flachmembranmodul; Fig. 2 die perspektivische Ansicht einer in der Mitte geschnittenen,
erfindungsgemäßen porösen Sammelplatte; Fig. 3 einen Schnitt durch die Randeinfassung
einer Sammelplatte; Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Dichtung einer
P lattendurchtrittsöffnung.
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Der Strömungsverlauf ergibt sich aus Figur 1. Die durchströmende Flüssigkeit
bildet sich selber einen Kanal (9) und wird aufgrund der Oberflächengeometrie der
Platte (1) von der Eintritts-Öffnung (18) zur Austrittsöffnung (19) gleichmäßig
aufgrund der unterschiedlichen Höhe (20, 20a, 20b) und der unterschiedlichen Länge
der Strömungswege über die Oberfläche transportiert. Um einen Druckabfall bei höherer
Anzahl hintereinandergeschalteter Platten zu vermeiden, wird teilweise eine dieser
Platten durch' eine Anströmungsplatte (10) ersetzt. Diese besitzt keine Durchbohrung.
Zur Zu- und Ableitung wird jeweils in die Randabdichtung (6) eine Zu- bzw. Abführung
(11), (12) eingepaßt, die insgesamt an ein Zu- (13) bzw.-Ableitungsrohr (14) angeschlossen
sind. Zur Regulierung der Strömungsgeschwindigkeit über dem Modul sind die Zu- und
Ableitungen über ein Ventil (17) verbunden, das als By-Pass-Ventil fungiert. Zur
Vereinfachung des Systems können die Zu- und Ableitungsrohre (13Y, (14) auch zur
Ausrichtung des Moduls benutzt werden. Der gesamte Plattenstapel wird in der von
Filterpressen her bekannten Art zusammengedrückt, wobei die jeweiligen Endplatten
(15) nur einseitig gekrümmt sind und aus Vollglas bestehen können. Die Druckübertragung
erfolgt durch Metallplatten (16).
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Figur 2: Die Platte (1) besteht aus hochdruckfestem porösem Material
vorzugsweise Glas, das entsprechend zur Erreichung einer gleichmäßigen Strömungsverteilung
konvex geformt ist. Die Oberfläche ist dabei blank poliert, so daß keine Verletzung
der Membran entsteht.
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An einer Seite ist die Platte durchbohrt. In die Bohrung wird zur
Fixierung der Membran und, um ein Durchmischen des Permeats mit dem Retentat zu
vermeiden, eine Metallhülse (2) gesteckt, an deren beiden Enden Dichtungsringe (3)
fixiert sind, die außerdem Durchbrüche (4) haben können (s. auch Figur 4).
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Die Membran (5) wird beidseitig auf die Trägerplatte fixiert und am
Rand mit einer schließenden Kunststoffdichtung (6) umgeben, die auß>rdem als
Sammelkanal (21) für das Permeat benutzt wird (s. auch Figur 3). Der Sammelkanal
(21) kann auch aus Metall geformt sein, wobei die Kunststoffdichtungen (7) auf das
U-förmige Profil aufgeschoben sind. In dem Sammelkanal befindet sich einseitig ein
Ablauf für das Permeat (8).