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Umlauf-Filtrationsanlage, insbesondere für Ultrafiltration
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Die Erfindung betrifft eine Umlauf-Filtrationsanlage, insbesondere
für Ultrafiltration nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Die Ultrafiltration ist ein physikalisches Verfahren zur Emulsionstrennung.
Das Kernstück einer Ultrafiltrationsanlage ist der sogenannte Ultrafiltrations-Modul.
Er besteht aus einem porösen, von der zu filtrierenden Flüssigkeit durchströmten
Stützrohr, welches auf der Innenseite mit organischen oder anorganischen Verbindungen
beschichtet ist (Membran). Die Schicht liegt hinsichtlich ihrer Stärke im Bereich
weniger tausendstel Millimeter. Der Modul muß in turbulenter Strömung vom zirkulierten
Retentat durchströmt werden, damit die in der Nähe der Membran sich bildenden Grenzschichten
aufgrund der Turbulenz ständig erneuert und verwirbelt werden. Zur Aufrechterhaltung
einer guten Filtrationsleistung ist über die Membran hinweg ein großes Druckgefälle
herzustellen, d. h., die Retentatseite muß unter einem hohen Druck stehen, hingegen
die Außenseite des Stützrohres, an der das Permeat anfällt, unter einem niedrigen
Druck.
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Zur Erzeugung der turbulenten Durchströmung des Filterrohres und zur
Erzeugung eines hohen Druckes auf der Retentatseite des Filters ist vor dem Durchlauffilter
eine Förder- und Druckerhöhungspumpe angeordnet. Ablaufseitig wurde in dem Retentatkreislauf
ein Drosselschieber angeordnet, mittels welchem ein Oberdruck im Innern des Filterrohres
zurückgestaut wurde.
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Die Retentatpumpe mußte eine zur Erzeugung einer turbulenten Strömung
erforderliche hohe Umlaufmenge gegen den Drosselschieber fördern, wozu eine hohe
Antriebsleistung der Pumpe erforderlich ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, Maßnahmen anzugeben, wie die erforderliche
Antriebsleistung für die Pumpe des Retentatkreislaufes unter Beibehaltung einer
vorgegebenen sekundlichen Umlaufmenge reduziert werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
von Anspruch 1 gelöst.
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Aufgrund einer Drucküberlagerung über den gesamten Retentatkreislauf
kommt es auch an der Einlaufseite der Retentatpumpe zu einer entsprechenden Druckerhöhung
undRvon der Pumpe auf zu bringende Druckdifferenz kann bei gleicher Fördermenge
kleiner gehalten werden, wodurch es zu einer Entlastung hinsichtlich der Antriebsenergie
für die Pumpe kommt. Die Drucküberlagerung kann in unterschiedlicher Art ausgeführt
werden. In der einfachsten Weise kann der Sammelbehälter geodätisch um wenigstens
eta 3 - 5 m höher als der Durchlauffilter angeordnet werden.
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Die Pumpe braucht dann unabhängig davon, in welcher geodätischen Höhenlage
sie innerhalb des Retentatkreislaufes angeordnet ist, die der geodätischen Höhendifferenz
zwischen Sammelbehälter und Durchlauffilter entsprechende Druckhöhe weniger aufzubringen.
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Die Drucküberlagerung kann auch dadurch erfolgen, daß man anstelle
oder zusätzlich zu einer erhöhten Anordnung des Sammelbehälters diesen als geschlossenen
und druckfesten Behälter ausbildet, der unter Oberdruck gesetzt wird.
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Das Unterdrucksetzen kann wahlweise durch ein pneumatisches Druckpolster
oder durch eine in eine große höhe gefiilirte flüssigkeitsgefüllte Steigleitung
erfolgen, deren Druck sich dem Behälterinhalt überlagert.
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Die erfindungsgemäße ?maßnahme kann sich in zweierlei llinsicht vorteilhaft
auswirken. Bei einer vorgegebenen Anlage, die nach der Erfindung ausgestaltet wird,
kann bei vorgegebener Filtrationsleistung die Antriebsenergie für die Retentatpumpe
erniedrigt werden, wodurch Energie eingespart werden kann, oder es kann bei gleicher
Antriebsleistung der Retentatpumpe die Filtrationsleistung erhöht und die Filteranlage
höher belastet werden, wodurch Investitionskosten gespart werden können.
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Es hat sich gezeigt, daß vom Sammelbehälter mitgerissene Luftpartikelchen
im re-zirkulierten Retentat in mehrerlei hinsicht schädlich sind und sich durchsatzvermindernd
bzw. im Hinblick auf die Antriebsleistung für die Retentatpumpe leistungserhöhend
auswirken. Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme kann - wie gesagt - die Umwil zgeschwindigkeit
innerhalt des Retentatkreislaufes erhöht werden, was sich auch auf die Turbulenz
innerhalb des Sammelbehälters auswirkt. Aus diesem Grunde zielen einige zweckmäßige
Ausgestaltungen gemäß den Unteransprüchen darauf ab, die Strömung innerhalb des
Sammelbehälters zu beruhigen und zu vergleichmäßigen, damit ein möglichst vollständig
bläschenfreies Retentat in dem Kreislauf re-zirkuliert wird.
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Etwaige mitgerissene Bläschen lagern sich an der Filtermembran vorübergehend
ab und versperren während dieser Zeit auf der angelagerten Fläche einen Filterdurchgang.
Ein Bläschenanteil innerhalb des Retentatkreislaufes beeinträchtigt also die wirksame
Filterfläche.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles noch kurz erläutert; dabei zeigt die Figur eine schematische
Anordnung einer Umlauf-Filtrationsanlage mit erhöht angenordnetem Sammelbehälter.
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Mit dem mit 1 bezeichneten Block in der Darstellung sei eine Anlage
symbolisiert, die eine zu filtrierende Emulsion hervorbringt und die selber eine
gewisse Speichermöglichkeit für die laufend anfallende Emulsion hat. Ober die Leitung
2 undden entsprechenden Schieber kann zeitweise zu filtrierende Emulsion in die
Filtrationsanlage eingespeist werden. Ober die Leitung 3 wird aus der Filtrationsanlage
laufend gereinigtes Permeat in die Anlage 1 zurückgeführt.
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Die Filtrationsanlage besteht aus folgenden wesentlichen Komponenten,
nämlich aus dem Durchlauffilter 4, dem Sammelbehälter 11 und der Retentatpumpe 8.
Der Durchlauffilter 4 besteht aus einer Vielzahl von Filterrohren 4a, von denen
eines stellvertretend dargestellt ist. Die Filterrohre können von dem Retentat mit
hoher Geschwindigkeit und hohem Druck durchströmt werden. Auf der inneren Seite
der porösen Filterrohre ist eine Filtermeiubraji angeordnet, durch die Wasser, gelöste
Salze und andere niedermolekulare Substanzen hindurchtreten können, wo hingegen
höhermolekulare Substanzen wie Ole und 'Feststoffteilchen zurückyehaltcn werden.
Das Permeat sammelt sich auf der Außenseite 6 des Filters, von wo aus es mittels
der Permeatpumpe 7 abgeführt werden kann, so daß sich auf der Permeatseite 6 des
Filters kein hoher Druck aufbauen kann.
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Die Ablaufseite des Durchlauffilters ist mit dem Sammelbehälter 11
über eine Rücklaufleitung 20 verbunden, die Zulaufseite steht mit dem Behälter über
eine Zulaufleitung 19 in Verbindung.
Innerhalb der Zulaufleitung
ist die Retentatpumpe 8 sowie ein erster Drosselschieber 9 angeordnet. In der Rücklaufleitung
ist ein weiterer Drosselschieber 10 vorgesehen. Diese beiden Drosselschieber, vor
allen Dingen aber der rücklaufseitig angeordnete zweite Drosseischieber 10 haben
die Aufgabe, einen gewissen Obcrdruck im Innern 5 der Filterrohre 4a gegenüber der
Permeat-Seite 6 zurückzustauen. Für einen ordnungsgemäßen Filtrationsvorgang bei
der Ultrafiltration ist wenigstens eine Druckdifferenz über die Filtermembran hinweg
von etwa 4 atü erforderlich.
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Damit die Retentatpumpe 8, die den Retentatumlauf in einem turbulenten
Strömungszustand innerhalb der Filterrohre 4a halten muß und eine hohe Umwälzmenge
bewältigen muß, nicht ständig das gesamte über die Filtermembran hinweg wirksame
Druckgefälle aufbringen muß, ist erfindungsgemäß dem Retentatkreislauf insgesamt
ein Druck dberlagert, der sich auch auf der Ansaugseite der Retentatpumpe 8 auswirkt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird diese Drucküberlagerung dadurch bewirkt,
daß der Sammelbehälter 11 gegenüber dem normalen Erdbodenniveau 16 um die Höhe ha
erhöht auf einem Turm 14 aufgestellt ist. Der Füllstand des Sammelbehälters ist
durch eine Niveau-Aussteuerung 21 auf ein konstantes Niveau h, gehalten, welche
Höhe sich ebenfalls der höhe des Aufstellungsortes des Behälters überlagert.
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Da die für den Filtervorgang erforderliche Druckdifferenz zwischen
Retentatseite 5 und Permeatseite 6 des Durchlauffilters lediglich innerhalb des
Filters selbst vorliegen muß, nicht aber am Auslauf der Pumpe 8 anzustehen braucht,
kann die erfindungsgemäße Drucküberlagerung auch dadurch bewirkt oder erhöht werden,
daß der Durchlauffilter in einer Grube 15, also auf einem gegenüber dem Niveau 16
der Retentatpumpe 8 abgesenkten Nievau h1 angeordnet wird.
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Auch diese Jiöllendifferenz überlagert sich dem Retentatkreislauf
an der Stelle des Durchlauffilters. Bei der abgesenkten Anordnung des Durchlauffilters
ist es allerdings erforderlich, daß das Permeat abgepumpt werden muß derart, daß
sich nicht auf der Permeatseite 6 ein dem Höhenunterschied h1 entsprechender Überdruck
gegenüber der Atmosphäre aufbauen kann. Zweckmäßig ist es, durch clie Permeatpumpe
7 das Permeat mit einem gegenüber dem atmosplären Druck- abgesenkten Druck abzusaugen,
welcher Unterdruck ebenfalls in vorteilhafter Weise wie die Höhendifferenzen hl,
h2 und h, sich dem relativen Überdruck innerhalb des Retentatkreislaufes an der
Stelle des Durchlauffilters überlagert und zur Entlastung der Retentatpumpe 8 beiträgt.
Durch den ständigen Lntzug von filtricrter reiner flüssigkeit aus dem Retentatkreislauf
nimmt dessen Volumen ab, wodurch der Füllstand im Sammelbehälter absinken kann.
Ein solcher Flüssigkeitsverlust wird d die Niveau-Aussteuerung 21 ständig aus der
Anlage 1 durch fallweise Zufuhr von neu zu reinigender Emulsion ausgeglichen. Da
stets nur gereinigte Flüssigkeit aus dem Retentatkreislauf abgeführt wird, kommt
es zu einer Anreicherung von Verunreinigungen innerhalb dieses Kreislaufes. Der
Filtrationskreislauf wird solange aufrechterhalten und weitergeführt, bis die Filterdurchsatzmengen
einen plötzlichen Abfall zeigen. Dann ist ein Punkt erreicht, an dem eine Ultra-Filtration
nicht mehr weitergeführt werden kann. Das bis dahin zirkulierte, aufkonzentrierte
Retentat muß dann abgepumpt und in anderer Weise weiterverarbeitet werden. Bei Wasser/Öl-Emulsionen
wird das Retentat immer ölhaltiger. Das mit Öl angereicherte Retentat muß dann,
wenn sich der Ultra-Filtrationsvorgang nicht mehr weiterführen läßt, durch Erhitzen
entwässert werden; das zurückbleibende Öl z.B.
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kann dannjin blraffinerien aufbereitet werden.
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Dank der Entlastung der Retentatpumpc 8 aufgrund der erfindungsgemäßen
Drucküberlagerung können bei vorgegebellen Anlagevolumen innerhalb der Filtrationsanlage
größere Zirkulationsgeschwindigkeiten im Retentatkreislauf im Vergleich zu herkömmlichen
Anlagen zugelassen werden. Um durch derartige Turbulenzen keine Luft seitens des
Sammelbehälters in den Kreislauf einzuschleppen, ist der Sammelbehälter 11 hinsichtlich
seincs Volumens so gloS gestaltet, daß die Verweilzeit des zirkulierendt retentats
so groß ist, daß die Heruhigungszeit ausreicht, um das Retentat wirksam zu entgasen.
Ilicrfür ist nicht iitir ein großes 1>tliültervolumen erforderlich, sondern auch
für eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Strömung innerhalb des Sammelbehälters
auf den ganzen Behälter-Querschnitt zu sorgen, was durch de Krümmer 18 am Behältereinlauf
12 bewirkt werden soll. Zur Vermeidung eines Strömungskurzschlusses zwischen BehSltcreilllauf
12 und Behälterauslauf 13 ist im Behälter ein Strömungshindernis 17 vorgesehen.
Durch diese Maßnahmen kommte es zu einer ruhigen Strömung, bei der auch kleine Gasbläschen
Gelegenheit abeii, an den Flüssigkeitsspiegel zu steigen und aus der Fleissigkeit
sich abzuscheiden.
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Eine noch weitere Drucküberlagerung auf den Retentatkreislauf und
eine noch stärkere entsprechende Entlastung der Retentatpumpe könnte dadurch bewirkt
werden, daß der .Sammelbehälter als geschlossener vollständig mit Flüssigkeit zu
füllender Druckbehälter ausgeführt ist, an dessen Oberseite ein Steigrohr 22 angeordnet
ist. Am oberen Ende dieses Steigrohres könnte eine Niveau-Aussteuerung 21' vorgesehen
sein, in der das Flüssigkeitsniveau auf der zusätzlichen höhe h4 gehalten wird.
Dieses Steigrohr kann auch durch einen geeigneten Windkessel oder durch ein in dem
Druckbehälter unmittelbar selber angebrachtes (.asdruckpolster ersetzt werden.
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Für jeden Meter Wassersäule, der deni Retentatkreislauf an der Stelle
des Durchlauffilters iiberlagert werden kann, kann je umgewälzten Kubikmeter all
Retentat eine Arbeitsmenge von etwa 10 kj eingespart werden. Unter Beibehaltung
der Antriebsleistung der Retentatpumpe kann je Meter Wassersäule, der dem Retentatkreislauf
an der Stelle des Durchlauffilters überlagert wird, der Retentatumlauf um eine bestimmte
Menge erhöht werden, die von der ijöhe des zugrunde gelegten über die Filterniembran
hinweg wirksamen Filtrationsdruckes abhängig ist. Bei einer ausgeführten Ultra-Filtrationsanlage
der Anmelderin konnte im Mittel eine Energieeinsparung von etwa () kW je m3 abgeführten
Permeates erzielt wertkwll, was einer Energiccinsparung voll etwa 1/3 entspricht.
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Der Sammetbehälter wurde dabei mit seinem Flüssigkeitsspiegel ui etwa
insgesamt 5 m gegenüber der vorherigen Stellung erhöht aufgestellt. Der über die
Filtermembran hinweg wirksame Filtrationsdruck war mindestens etwa 4 anti. Bei Beibehaltung
der Aiitriebsleistung für die Retentatpumpe konnte die Durchsatzleistung um etwa
1 m3/I1 gesteigert werden, was einer Durchsatzsteigerung von etwa 50 Qj entsprechen
würde. Bei einer Vermehrung der Druck überlagerung würden sich diese Werte noch
günstiger gestalten.