DE2718882C2 - Verfahren zur Ultrafiltration von Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultrafiltration von Flüssigkeiten in einem System, das die Kreislaufführung des Flüssigkeitsstromes mil den Einzelaggregaten Umwälzpumpe, Filtrationskörper und Rückführung zur Umwälzpumpe anwendet.

Die Ultrafiltration ist eine bekannte Arbeitsweise zur Trennung von Lösungen, Emulsionen oder Dispersionen, bei der mit semipermeablen Membranen mit entsprechender Porengröße makromolekulare bzw. Zusammenlagerungen niedermolekularer Teilchen, z. B. gelöste Polymere bzw. dispergierte Öl- und Schmutzteilchen, von der flüssigen, kleinmolekularen Phase, z. B. Wasser und gelöste Salze, abgetrennt werden. Für den Transport der kleinmolekularen Phase durch die Membran ist eine Druckdifferenz nötig, die in der Regel im Bereich von etwa 1,5 bis 10 bar liegt. Die zurückgehaltene Komponente kann sich während der Ultrafiltration in einer Schicht vor der Membranoberfläche anreichern und dadurch ihre Filtrationsleistung vermindern. Durch Erzeugung einer turbulenten Strömung parallel zur Membranoberfläche kann die Ausbildung einer Schicht weitgehend verhindert werden.

In der Praxis sind Membranen im allgemeinen als Rohre ausgebildet, die von der unter Filtrationsdruck stehenden, zu filtrierenden Flüssigkeit turbulent durchströmt werden. Das Filtrat tritt durch die Membranrohrwandung nach außen. Solche Rohre können in Serie hintereinander oder als Bündel parallel geschallet sein. Für die technische Durchführung der Ultrafiltration sind verschiedene Verfahrenssysteme gebräuchlich.

In Fig. 1 ist ein übliches Verfahrensprinzip schematisch dargestellt. Dabei wird über die Leitung 10 mit Ventil 10a ein Sammelbehälter 11 mit der zu filtrierenden Flüssigkeit gefüllt. Mit einer Pumpe 12 wird die Flüssigkeit durch eine Ultrafiltrationsvorrichtung 13 mit von der Flüssigkeit turbulent durchströmenden Membranrohren 13a gepumpt und über eine Leitung 14 im Kreislauf zum Behälter 11 zurückgeleitet. Die Membranrohre 13a lassen einen Teil der kleinmolekularen Anteile der Flüssigkeit nach außen durchtreten, worauf diese mit der Filtratleitung 15 abgeführt werden, während die von der Membran 13a nicht durchgelassenen Anteile der Flüssigkeit zum Behälter 11 zurückgeführt werden. Bei fortgesetztem Kreislauf nimmt das Volumen der Flüssigkeit im Behälter 11 ab und die Flüssigkeit konzentriert sich mehr und mehr. Dabei kann der Behälter 11 über die Leitung 10 mit neuer zu filtrierender Flüssigkeit ständig wieder aufgefüllt werden. Wenn die Flüssigkeit im Behälter 11 die geforderte Konzentration erreicht hat, wird sie über die Leitung 16 mit Ventil 16a abgelassen, worauf der Behälter 11 wieder mit zu filtrierender Flüssigkeit gefüllt wird und der Prozeß wieder beginnt.

Bei diesem Verfahrensprinzip wird der Filtrationsdruck durch den Strömungswiderstand erzeugt, den die Membranrohre dem Kreislaufflüssigkeitsstrom entgegensetzen. Dieser Filtrationsdruck hat am Eingang 13b der Membranrohre den Höchstwert, nimmt längs der Membranrohre stetig ab und verschwindet am Ende 13c der Membranrohre. Ein Nachteil dieses Verfahrensprinzips besteht darin, daß die in Strömungsrichtung hinten liegenden Membranrohre wegen des niedrigen Filtrationsdrucks nur mit geringer Filtrationsleistung arbeiten. Durch ein Drosselventil 14a kann zwar der Filtrationsdruck in den Membranrohren allgemein erhöht und die Filtrationsleistung verbessert werden, doch wird dabei der Energieverbrauch der Pumpe 12 beträchtlich erhöht.

In Fig.2 ist ein anderes übliches Verfahrensprinzip schematisch dargestellt (vgl. Chemical Engineering,

18. Februar 1974, Seiten 88/89 »Ultrafiltration sets sail for new process service« — Ucarsep-System). Hierbei wird auch über die Leitung 20 mit Ventil 20a der Behälter mit der zu filtrierenden Flüssigkeit gefüllt. Die Druckpumpe 22 fördert jedoch in diesem Fall die Flüssigkeit aus dem Behälter 21 zu einem Flüssigkeitskreislauf, bestehend aus der Umwälzpumpe 23, der Ultrafiltrationsvorrichtung 24 mit von der Flüssigkeit durchströmen Membranrohren 24a und der Rückführleitung 25 zur Umwälzpumpe 23. Mit der Umwälzpumpe 23 wird eine turbulente Strömung in den z. B. parallel geschalteten Membranrohren aufrechtgehalten, während die Druckpumpe 22 den nötigen Filtrationsdruck in dem Kreislauf erzeugt. Kleinmolekulare Anteile der Kreislaufflüssigkeit treten durch die Wandung der Membranrohre 24a und werden mit der Filtratleitung 26 abgeleitet. Die nach fortgesetztem Kreislauf sich mit den makromolekularen Anteilen anreichernde Kreislaufflüssigkeit kann kontinuierlich oder diskontinuierlich über das Ventil 27 und Leitung 27a abgeleitet werden. Wie beim vorher beschriebenen Verfahrensprinzip (Fig. 1) kann auch hier die Flüssigkeit über Ventil 27, Dreiwegehahn 27b und Leitung 27c zum Behälter 21 zurückgeführt werden, und wenn die Flüssigkeit im Behälter 21 die erforderliche Konzentration erreicht hat, kann sie über Leitung 28 mit Ventil 28a abgeführt werden.

Der Energieverbrauch, bezogen auf das Fihratvolumen, ist bei dem Verfahrensprinzip nach F i g. 1 höher als bei dem nach F i g. 2, da bei ersterem die Pumpe 12 den zur Aufrechterhaltung einer turbulenten Strömung in den Membranrohren benötigten Kreislaufstrom gegen die für die Ultrafiltration durch die semipermeable Membran nötige Druckdifferenz fördern muß, während bei dem Verfahrensprinzip nach Fig. 2 die Pumpe 23 den Kreislaufstrom gegen den im Vergleich zum Filtrationsdruck niedrigen Strömungswiderstand der Membranrohre und die Pumpe 22 den im Vergleich zum Kreislaufstrom niedrigen Filtrat- und Konzentratstrom gegen den Filtrationsdruck fördern muß. Ein Nachteil bei dem Verfahrensprinzip nach Fig.2 ergibt sich jedoch daraus, daß an der Druckpumpe 22, z. B. einer Exzenterschneckenpumpe, durch Trockenlauf oder durch feste Bestandteile in der Förderflüssigkeit Beschädigungen auftreten können, so daß sie einer erhöhten Wartung bedarf. Es besteht daher der Wunsch, das in Fig. 2 dargestellte Verfahrensprinzip weiter zu verbessern und zu vereinfachen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ultrafiltration

von Flüssigkeiten unter Anwendung des genannten Umwälzkreislauf-Systems ist dadurch gekennzeichnet, daß die zu filtrierende Flüssigkeit durch mindestens eine ein- oder mehrstufige Flüssigkeitsstrahl-Flüssigkeitspumpe, die ihren Treibstrom aus dem Umwälzflüssigkeitskreislaufstrom bezieht, in den Kreislauf gepumpt wird.

Die erfindungsgemäße Arbeitsweise kann in verschiedenen Varianten ausgestaltet werden, indem beispielsweise ein Teilstrom der Kreislaufflüssigkeit dbgezwigt und als Treibstrom für die Strahlpumpe benutzt wird, oder der Kreislaufstrom kann nach dem Passieren der Ultrafiltrationsvorrichtung als Treibstrcm in eine Strahlpumpe geleitet werden.

Auch mehrstufige Varianten sind möglich.

In den Fig.3, 4 und 5 sind schematisch drei Verfahrensvarianten als Beispiele für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Teile und Aggregate, die denen des Verfahrensprinzips nach F i g. 2 entsprechen, sind auch mit d<_n gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei der Variante nach Fig.3 dient ein Teilstrom 30 des Flüssigkeitskreislaufes als Treibstrom für eine Strahlpumpe 31, die die Flüssigkeit aus dem Behälter 21 in den Flüssigkeitskreislauf pumpt

Bei der Variante nach Fig.4 wi?d der Kreislaufstrom

nach dem Passieren der Ultrafiltrationsvorrichtung 24 als Treibstrom in eine Strahlpumpe 40 geleitet, die die Flüssigkeit aus dem Behälter 21 in den Flüssigkeitskreislauf pumpt.

F i g. 5 zeigt eine zweistufige Variante. Mit einei Strahlpumpe 50, die mit einem Teilstrom 51 des Flüssigkeitskreislaufs betrieben wird, wird die Flüssigkeit aus dem Behälter 21 zu einer zweiten, vom

ίο Flüssigkeitskreislauf betriebenen Strahlpumpe 52 gefördert, die den Druck weiter erhöht.

Als Strahlpumpen können die üblichen Geräte, bei denen Flüssigkeiten als Treibmedium dienen und das Saugmedium Flüssigkeit sein soll, verwendet werden

(Flüssigkeitsstrahl-Flüssigkeitspumpen). Die Wirkungsweise solcher Geräte ist bekannt, so daß hierauf nicht näher eingegangen zu werden braucht.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist der Energieverbrauch, bezogen auf das Filtratvolumen.

geringer als bei dem Verfahrensprinzip nach Fig. I. Gegenüber dem Verfahrensprinzip nach Fig. 2 ist der Energieverbrauch zwar etwas höher, jedoch wird der für die Praxis erhebliche Vorteil erzielt, daß die Einführung der zu filtrierenden Flüssigkeit in das System praktisch wartungsfrei erfolgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Ultrafiltration von Flüssigkeiten in einem System, das einen Flüssi^keitskreislauf mit den Einzelaggregaten Umwälzpumpe, Filtrationskörper und Rückführung zur Umwälzpumpe anwendet, dadurch gekennzeichnet, daß die zu filtrierende Flüssigkeit durch mindestens eine ein- oder mehrstufige Flüssigkeitsstrahl-Flüssigkeilspumpe, die ihren Treibstrom aus dem Umwälzflüssigkeitskreislauf bezieht, in den Kreislauf gepumpt wird.