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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Druckfiltrationsgerät flacher Bauart der
im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.
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Solche Druckfiltrationsgeräte werden für Filtrationen eingesetzt,
bei denen Membranfilter verwendet werden. Die Druckfiltrationen werden gebräuchlicherweise
bei einem Betriebsdruck zwischen ca. 5 und 15 bar durchgeführt. Auch können solche
Druckfiltrationsgeräte zur Durchführung der umgekehrten Osmose eingesetzt werden.
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Druckfiltrationsgeräte dieser Art sollen eine möglichst große für
die Filtration zur Verfügung stehende Filteroberfläche und einen möglichst kleinen
Druckraum aufweisen. Sie sind daher gebräuchlicherweise als flache, dosenartige,
in aller Regel runde Druckzellen ausgelegt. Üblicherweise wird der Zulauf senkrecht
von oben zentral über dem Filter in den Druckraum eingedrückt. Wenn ein Retentatablauf
vorgesehen ist, so ist der entsprechende Auslaßkanal üblicherweise peripher angeordnet.
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Bei dieser prinzipiellen Ausbildung der gebräuchlichen flachen Druckfiltrationsgeräte
ist es insbesondere bei Retentatrücklauf schwierig, den Zulaufstrom gleichmäßig
und ohne Bildung toter Winkel über die Filteroberfläche zu verteilen.
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Bei einem bekannten Druckfiltrationsgerät der eingangs genannten Art
wird dieses Problem durch einen in Form einer Spirale angelegten
und
im Oberteil des Druckfiltrationsgerätes ausgebildeten Kanal gelöst, der auf das
Membranfilter aufgesetzt wird. Der Zulauf wird im Zentrum der Spirale aufgegeben
und dann entlang des durch Seitenwände definierten Weges bis zum Retentatauslaß
an der Peripherie über die Filteroberfläche geführt.
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Nachteilig bei diesem Gerät ist, daß der unter Druck zugeführte Zulauf
senkrecht direkt auf das Filter trifft. Die Gefahr ist groß, daß dabei das häufig
nur aus einer einzelnen Membran bestehende Filter verletzt wird. Nachteilig am bekannten
Gerät ist weiterhin, daß, bezogen auf den Durchmesser der freien Filteroberfläche,
nur ein Teil dieser Oberfläche für die Filtration zur Verfügung steht. Der unter
den Spiralwänden und hinter dem Ausgang des Spiralkanals liegende Filterbereich
stehen nicht für den Permeatdurchfluß zur Verfügung.
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Außerdem wird die für die Filtration tatsächlich zur Verfügung stehende
Filteroberfläche extrem stark inhomogen belastet. Der Zulauf trifft nur an einer
einzigen Stelle auf einer nur etwa ein oder zwei Prozent der gesamten zur Verfügung
stehenden Filteroberfläche betragenden Fläche auf das Filter und setzt diesen Bereich
daher relativ rasch zu, obwohl an der Auslaufstelle das Filter noch völlig frei
ist.
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Das Problem der gleichmäßigen Belastung und Ausnutzung der gesamten
Filterfläche ist also durch dieses sogenannte Thin-Channel-System beim bekannten
Gerät nur sehr unvollständig gelöst.
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Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein flaches Druckfiltationsgerät der eingangs genannten Art zu schaffen,
das eine mechanisch schonende, gleichmäßige und vollständige Ausnutzung der gesamten
im Druckraum verfügbaren Filteroberfläche gewährleistet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Druckfiltrationsgerät
der
eingangs genannten Art vorgeschlagen, das erfindungsgemäß die im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale aufweist.
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Die Erfindung schafft also eine flache, im Prinzip zweiteilige Druckfiltrationszelle,
bei der parallel zur Filteroberfläche und dicht über dieser ein Verteilerteller
angeordnet ist, der sowohl seitlich zur Seitenwand des Druckraum als auch zur Oberfläche
des Filters einen nur schmalen Zwischenraum freiläßt. An seiner Oberseite ist der
Verteilerteller nach Art eines Tellers oder einer flachen Schüssel zur Mitte hin
vertieft. Der als Überlauf rand dienende Außenrand des Verteilertellers ist geringfügig
niedriger als der in der Mitte des Verteilertellers zentral nach Art einer Nabe
ausgebildete Befestigungsstutzen. Bei fest an der inneren Unterseite des Oberteils
des Filtrationsgerätes befestigtem Verteilerteller bleibt also zwischen dem Oberrand
des Außenrandes des Verteilertellers und der unteren Innenfläche des Oberteils des
Gerätes ebenfalls ein Ringspalt frei. Entscheidend ist, daß der im Oberteil gebohrte
oder in anderer Weise ausgebildete oder vorgesehene Einlaßkanal für den Zulauf einen
Zulaufstrom erzeugt, der nicht senkrecht auf diesen Verteilerteller, sondern schräg
auf diesen auftrifft, und zwar im wesentlichen tangential zum zentralen Befestigungsstutzen
des Verteilertellers. Dadurch wird beim Eindrücken des Zulaufs auf dem Verteilerteller
ein gleichmäßig umlaufender und an den Außenrändernüber den Tellerrand tretender
gleichmäßig verteilter Strom erzielt.
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Dieser gleichmäßig über den Außenrand des Verteilertellers tretende
mit einer tangentialen Strömungskomponente beaufschlagte Zulaufstrom gelangt durch
den Ringraum zwischen der Seite des Verteilertellers und der seitlichen Innenwand
des Druckraumes in den flachen scheibenförmigen Raum zwischen der Oberfläche des
Filters und der zu dieser im wesentlichen parallelen und in der Regel plan ausgebildeten
unteren Oberfläche des Verteilertellers.
Diese untere Oberfläche
des Verteilertellers kann auch zur Mitte zu schwach konkav ausgewölbt sein.
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Der Zulauf gelangt also mit gleichmäßigem Massenstrom gleichmäßig
verteilt am äußersten, durch die Druckraumwand begrenzten Rand des Filters auf seine
freie Oberfläche, und zwar noch immer mit der tangentialen Strömungskomponente.
Er strömt dann frei und gleichmäßig verteilt über die gesamte Filteroberfläche mit
einer radialen und einer tangentialen Strömungskomponente zum Zentrum der Filterfläche,
über der er als Retentat senkrecht nach oben aus der Druckzelle herausgedrückt wird.
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Durch diese Strömungsführung wird also auch bei sehr großen Filteroberflächen
die gesamte innerhalb des Druckraums zur Verfügung stehenden Filteroberfläche vollständig,
gleichmäßig und schonend ausgenutzt, wodurch in außerordentlich zuverlässiger Weise
und mit langen Standzeiten hohe Durchflußraten erzielt werden. Durch die tangential
schräg abwärts gerichtete im wesentlichen zentrale Aufgabe des Zulaufs durch das
Oberteil des Druckfiltrationsgerätes von oben her kann trotz dieses Verteilungsprinzips
über den Verteilungsteller die Zelle ebenso flach und der Druckraum ebenso klein
ausgebildet werden wie bei den vorstehend beschriebenen bekannten Druckfiltrationszellen.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Verteilerteller von
unten her durch einen mit einem Flansch versehenen Rohrstutzen, der durch das Oberteil
des Gerätes hindurchgreift, an diesem Oberteil befestigt. An seinem auf der äußeren
Oberseite des Oberteils herausragenden Abschnitt trägt der Rohrstutzen, in dem innen
der Retentatauslaßkanal ausgebildet ist, ein Außengewinde, auf das eine Befestigungsmutter
aufschraubbar ist. Durch Anziehen dieser Mutter wird der Verteilerteller fest am
Oberteil befestigt.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung bestehen das Oberteil
und das Unterteil des Druckfiltrationsgerätes aus Polytetrafluorethylen (PTFE).
Das Oberteil und das Unterteil sind sandwichartig zwischen einer oberen und einer
unteren Stahlplatte eingespannt, die im Betriebszustand ihrerseits durch Zwingen,
Klammern oder andere Spannmechanismen aufeinander gezwungen werden.
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Bei dieser Ausbildung bestehen vorzugsweise auch der den Verteilerteller
am Oberteil befestigende Rohrstutzen und der Verteilerteller selbst aus PTFE. Die
Befestigungsmutter liegt dabei vorzugsweise auf der äußeren Oberseite der Stahlplatte
auf, so daß bei angezogener Mutter die Stahlplatte, das PTFE-Oberteil, der Verteilerteller
und der Retentatauslaßkanal-Rohrstutzen eine zusammenhängende Baueinheit bilden,
die einheitlich gehandhabt werden kann. Zu Reinigungszwecken kann diese Baueinheit
durch Lösen dieser einen einzigen Schraube in seine leicht zu reinigenden Einzelteile
zerlegt werden.
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Weiterhin bestehen bei der PTFE-Ausführung auch der ebenfalls im Oberteil
angebrachte Zulaufkanal und mit diesem in Verbindung stehende, die Metallplatte
durchsetzende Zulaufkanalstutzen, die Filterunterstützung, vorzugsweise eine frittenartige
poröse Platte, der Permeatauslaßkanal und der die untere Stahlplatte durchsetzende
Permeatauslaßstutzen ebenfalls insgesamt aus PTFE. Durch diese Aubildung ist gewährleistet,
daß Zulauf, Retentat und Permeat, vom Filter abgesehen, das aber ebenfalls aus PTFE
bestehen kann,ausschließlich mit PTFE in Berührung stehen.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in
Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 das Druckfiltrationsgerät
in Seitensicht, teilweise im Axialschnitt teilweise weggebrochen,
und
Fig. 2 das Oberteil des in Fig. 1 gezeigten Druckfiltrationsgerätes in Draufsicht.
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Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel des Druckfiltrationsgerätes
besteht im wesentlichen aus einem Oberteil 1, einem Unterteil 2, einer oberen Stahlplatte
3 und einer unteren Stahlplatte 4. Das Druckfiltrationsgerät ist mittels einer Schraube
5 und einer Klammer 6 auf einem Horizontalträger 7 gehaltert. Die beiden Stahlplatten
3 und 4, die zwischen sich sandwichartig das Oberteil 1 und das Unterteil 2, die
beide aus PTFE bestehen, einschließen, werden durch mehrere, am Rand angreifende
Schraubzwingen 8, von denen eine in der Fig. 1 gezeigt ist, aufeinandergezwungen.
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Zwischen dem Oberteil 1 und dem Unterteil 2 liegt bei dem in Fig.
1 gezeigten Ausführungsbeispiel als gesondertes Zwischenteil eine Filterunterstützung
9, auf der das Filter 10 abgestützt ist. Über dem Filter 10 ist im Oberteil ein
Druckraum 11 definiert. Im Druckraum 11 liegt parallel zur Oberfläche des Filters
10 ein Verteilerteiler 12. Die Unterseite 13 des Verteilertellers 12 ist plan und
parallel zur Oberfläche des Filters 10 angeordnet. Zwischen der Oberfläche des Filters
10 und der Unterseite 13 des Verteilertellers 12 bleibt ein schmaler, scheibenförmiger
Zwischenraum 14 frei. Dieser scheibenförmige Zwischenraum 14 ist ein Teil des Druckraums
11 und steht über einen Ringspalt 15 zwischen dem Außenrand 16 des Verteilertellers
12 und der Innenwand 17 des Oberteils 1 mit dem über dem Verteilerteller 12 befindlichen
Teil des Druckraums 11 in Verbindung.
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An seiner Oberseite weist der Verteilerteller 12 einen erhöhten Außenrand
18 und eine von diesem Außenrand zum Zentrum
des Tellers hin stetig
abfallende Ringfläche 19 ("Verteilerringfläche") auf. In der Mitte des Verteilertellers
12 ist an seiner Oberseite ein kurzer nabenartiger Stutzen 20 ausgebildet, der den
Verteilerteller 12 an der nach unten weisenden Innenfläche 21 des Oberteils 1 abstützt
und ausrichtet.
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Dieser Stutzen 20 ist dabei etwas höher als der Außenrand 18 des Verteilertellers
12, so daß zwischen dem oberen Außenrand 18 des Verteilertellers 12 und der Innenfläche
21 des Oberteils 1 ein Ringspalt 22 freibleibt. Dabei wird der Verteilerteller 12
durch einen mit einem Außenflansch 23 versehenen Rohrstutzen 24 gehalten. Der Rohrstutzen
24 weist eine durchgehende zentrale Bohrung 25 auf, die als Retentatauslaßkanal
dient. Dieser Retentatauslaßkanal 25 öffnet sich an seiner Unterseite zum scheibenförmigen
Zwischenraum 14. Der Rohrstutzen 24 ist mit seinem unteren Außenflansch 23 so in
eine entsprechende Ausnehmung im Verteilerteller 12 bzw. im Stutzen 20 des Verteilertellers
eingepaßt, daß die Unterseite des Rohrstutzens 24 bzw. seines Außenflansches 23
genau fluchtend in der Fläche der Unterseite 13 des Verteilertellers 12 liegt. Der
Schaft des Rohrstutzens 24 greift durch eine Bohrung 26 (Fig. 2) im Oberteil 1 und
eine Bohrung 27 (Fig. 1) in der oberen Stahlplatte 3 hindurch und ist auf seinem
über die Oberfläche der Stahlplatte 3 hinausragenden Abschnitt mit einem Außengewinde
28 versehen. Auf das Gewinde 28 ist eine Befestigungsmutter 29 aufgeschraubt, die
mit ihrer Unterseite auf der Oberseite der oberen Stahlplatte 3 aufliegt und dadurch
den Rohrstutzen 24 mit seinem Außenflansch 23 unter Einspannung des Stutzens 20
des Verteilertellers 12 gegen die Unterseite 21 des Oberteils 1 zwingt. Ein Verdrehen
des Verteilertellers gegen das Oberteil 1 kann dabei beispielsweise durch einen
Arretierungsstift 30 vermieden werden. Eine entsprechende Arretierung ist vorzugsweise
auch zwischen dem Oberteil 1 und der oberen Stahlplatte 3 angeordnet (in den Figuren
nicht dargestellt).
Der Zulauf wird über einen aus PTFE bestehenden
Zulaufstutzen 31 und einen im Oberteil 1 gebohrten Zulaufkanal 32 in den Druckraum
11 des Druckfiltrationsgerätes eingedrückt. Der Stutzen 31 trägt einen Außenflansch
33, der mit einem Anschlag 34 an der oberen Stahlplatte 3 so zusammenwirkt, daß
der Stutzen 31 bei zusammengezwungenem Gehäuse fest und dichtend zwischen der oberen
Stahlplatte 3 und dem Oberteil 1 eingespannt ist. Die Bohrung 35 des Stutzens 31
steht mit dem Zulaufkanal 32 in Verbindung.
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Der Zulaufkanal 32 verläuft schräg abwärts gerichtet, und zwar unter
einem Winkel von ca. 450 gegen die Horizontale, bzw., was gleichbedeutend ist, gegen
die Ebene des Filters 10 oder die durch den Außenrand 18 des Verteilertellers 12
definierte Ebene. In der Projektion auf diese Ebene liegt die Zentralachse 36 des
Auslaßkanals 32 im wesentlichen tangential zum Verteilertellerstutzen 20 bzw. zum
Außenrand des Verteilertellers 12. Die Zulaufkanalachse 36 bildet vorzugsweise einen
Winkel von ca. 600 zu dem Verteilertellerradius, der durch den Mittelpunkt der oberen
Einlauföffnung 37 des Zulaufkanals 32 im Oberteil 1 verläuft, bzw. einen Winkel
von ca. 300 zu der senkrecht zu diesem Radius stehenden Sekante.
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Der Zulaufeinlaßkanal 32 verläuft also in Strömungsrichtung des Zulaufs
gesehen schräg abwärts einwärts und im wesentlichen tangential zum Stutzen 20 gerichtet.
Die sich in der nach unten gekehrten inneren Oberfläche 21 des Oberteils 1 öffnende
Auslauföffnung 38 des Zulaufeinlaßkanals 32 liegt über dem Bereich des angenähert
tiefsten Punktes der Verteilerringfläche 19, also der Seitenwand des Verteilertellerstutzens
20 relativ dicht benachbart.
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Bei Betrieb des Druckfiltrationsgerätes wird der aufzubereitende Zulauf
durch die Bohrung 35 des Zulaufstutzens 31 und den Zulaufeinlaßkanal 32 in das Gerät
eingedrückt. Der Zulaufstrom
tritt durch die Auslauföffnung 38
in den Druckraum 11 ein. Dabe#i erhält der Zulaufstrom durch den Kanal 32 eine tangentiale
Strömungskomponente und trifft schräg abwärts gerichtet auf den Innenrand 39 des
Verteilertellers 12. Dadurch erfährt der Zulauf auf der Verteilerringfläche 19 eine
im wesentlichen kreisend-spiralige Strömungsbewegung. Mit dieser Bewegung tritt
der Zulauf nach entsprechender Anfüllung der Tellervertiefung über den Außenrand
18 hinaus, durch den Ringspalt 22 und den Ringspalt 15 hindurch in den Zwischenraum
14 über der Oberfläche des Filters 10. Der Zulauf hat dabei noch immer seine kreisend-tangentiale
Strömungskomponente beibehalten. Der Eintritt des Zulaufs in den Spalt 14 über der
Filteroberfläche erfolgt gleichmäßig über den ganzen Umfang des Filters 10 verteilt.
Durch den nachgedrückten Zulauf wird die aufzubereitende in den Zwischenraum 14
gedrückte Flüssigkeit allmählich zum Zentrum des Filters gedrückt und dort schließlich
durch die Öffnung 40 des Retentatauslaßkanals 25 als Retentat wieder aus dem Druckraum
11 des Druckfiltrationsgerätes herausgedrückt. Das durch das Filter 10 hindurchtretende
Permeat oder Filtrat gelangt über den Permeatauslaßkanal 41 und den Permeatauslaßstutzen
42 aus dem Druckfiltrationsgerät heraus.
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Nach Abschluß der Aufbereitung können die seitlichen Zwingen 8 gelöst
und das Druckfiltrationsgerät zur Reinigung in seine einzelnen Komponenten zerlegt
werden. Falls die einzelnen Teile zu fest aufeinander gepreßt sitzen, kann ein Spreizwerkzeug
oder ein Hebelwerkzeug zu Hilfe genommen werden, dessen Angriffszapfen in Bohrungen
43 an den Seiten des Oberteils, der je nach Ausführung gegebenenfalls auch mehrteiligen
Filterunterstützung 9 und des Unterteils angeordnet sind.
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Bei dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Druckfiltrationszelle
bestehen das Oberteil 1, die mehrteilig
als Zwischenteil ausgebildete
Filterunterstützung 9, das Unterteil 2, der Verteilerteller 12, der Retentatauslaßkanal-Rohrstutzen
24 mit der Spannmutter 29, der Zulaufrohrstutzen 31 und der in das Unterteil 2 dichtend
eingeschraubte Permeatauslaßstutzen 42 sowie sämtliche verwendeten Dichtungsringe
aus PTFE. Zulauf, Retentat und Permeat, die bei dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel bei einem Druck von ca. 10 bar behandelt werden, gelangen bei
dieser Druckfiltrationszelle also ausschließlich mit PTFE als Werkstoff in Berührung.
Dies ist für die Aufbereitung hochempfindlicher Flüssigkeiten, beispielsweise pharmazeutischer
Produkte, von entscheidender Bedeutung.
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