DE2753864B2

DE2753864B2 - Druckfiltrationsgerät

Info

Publication number: DE2753864B2
Application number: DE2753864A
Authority: DE
Inventors: Klaus Cosack; Wolfgang Dr. Hein; Manfred Neumann
Original assignee: Schleicher and Schuell GmbH
Current assignee: General Electric Deutschland Holding GmbH
Priority date: 1977-12-02
Filing date: 1977-12-02
Publication date: 1980-07-31
Also published as: DE2753864A1; DE2753864C3

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckfiltrationsgerät flacher Bauart der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art

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 umgekeh^rten Osmose eingesetzt werden.

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.

Bei dieser prinziepiellen Ausbildung der gebräuchlichen flachen Druckfiltrationsgeräte ist es insbesondere bei Retentatrücklauf schwierig, den Zulaufstrom gleichmäßig und ohne Bildung toter Winkel über die Filteroberfläche zu verteilen.

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 Retentauslaß an der Peripherie über die Filteroberfläche geführt.

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. Außerdem wird die für die Filtration tatsächlich zur Verfügung stehende Filteroberfläche extrem stark inhomogen belastet. Der Zulauf trifft nu · 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. Das Problem der gleichmäßigen Belastung und Ausnutzung der gesamten Filterfläche ist also durch dieses sogenannte Tiiiii-Ciidimci-Sysicfn bei Γ

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unvollständig gelöst.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein flaches Druckfiltrationsgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine mechanisch schonende, gleichmäßige und vollständige Ausnutzung der gesamten im Druckraum verfügbaren Filteroberfläche gewährleistet

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein DrucKfiltrationsgerät der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das erfindungsgomäß die im kennzeichnenden Teil des ι ο Patentanspruchs 1 genannten Merkmaie aufweist

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 Eßtellers oder einer flachen Schüssel zur Mitte hin vertieic. Der als Oberlaufrand dienende Außenrand des Verteilerteilers ist geringfügig niedriger als der in der Mitte des Verteilerteilers 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 ebenf Ils ein Ringspalt frei. Entscheidend ist, daß der im Oberteil gebohrte oder in anderer Weise ausgebildete oder vorgesehene Einlaßkanal für den Zulauf einen Zule-ifstrom 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 3ί gleichmäßig umlaufender und an den Außenrändern über den Tellerrand tretender gleichmäßig verteilter Strom erzielt. Dieser gleichmäßig über den Außenrand des Verteilertellers tretende mit einer tangentialcn 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.

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.

Durch diese Strömungsführung wird also auch bei sehr großen Filteroberflächen die gesamte innerhalb μ des Druckraurns zur Verfügung stehenden Filteroberfläche vollständig gleichmäßig und schonend ausgenutzt, wodurch in außerordentlich zuverlässiger Weise und mit langen Standzeiten hohe Durchfiußraten erzielt werden. Durch die tangential schräg abwärts gerichtete t>^r> im wesentlichen zentrale Aufgabe des Zulaufs durch das Oberteil des Druckfiltrationsgerätes von oben her kann teller die Zelle ebenso flach und der Pmckraum ebenso klein ausgebildet werden wie bei den vor stehend beschriebenen bekannten DruckfiJtraiionszellen.

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

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.

Bei dieser Ausbildung bestehen vorzugsweise auch der den Verteilerteller am Oberteil befestigende Rohrstutzen und der Verteilerteller selbst aus PTFE. Die Befestteungsmutter 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.

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 Ausbildung ist gewährleistet, daß Zulauf, Retentat und Permeat, vom Filter abgesehen, das aber ebenfalls aus PTFE bestehen kann, ausschließlich mit PTFE in Berührung stehen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Druckfiltrationsgerät in Seitensicht, teilweise im Axialschnitt teilweise weggebrochen, und

F i g. 2 das Oberteil des in F i g. 1 gezeigten Druckfiltrationsgerätes in Draufsicht

Das in F i g. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel des Drucktiltrationsgerätes 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 den°n eine in der F i g. 1 gezeigt ist, aufeinandergezwungen.

Zwischen dem Oberteil I und dem Unterteil 2 liegt bei dem in F i g. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel als gesondertes Zwischenteil eine Filterunterstützung 9, auf der das Filter 10 abgestützt ist. Über dem Filter 10 ist im

liegt parallel zur Oberfläche des Filters 10 ein Verteilerteller 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 AuBenrand 16 des Verteilertellers 12 und der Innenwand 17 des Oberteils 1 mit dem über dem ι ο Verteilerteller 12 befindlichen Teil des Druckraums 11 in Verbindung.

An seiner Oberseite weist der Verteilerteller 12 einen erhöhten AuBenrand 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 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 (F i g. 2) im Oberteil 1 und eine Bohrung 27 (F i g. 1) in der oberen Stahlplatte 3 hindurch und ist auf seinem über die Oberfläche der Stahlplatte 3 hinausragenden ^4ft 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.

Der Zulaufkanal 32 verläuft schräg abwärts gerichtet, und zwar unter einem Winkel von ca. 45° gegen die Horizontale, bzw, was gleichbedeutend ist gegen die Ebene des Filters 10 oder die durch den Außenrand 18 des Verteilertellers 12 definerte 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. 60° zu dem Verteilertellerradius, der durch den Mittelpunkt der oberen Einlauföffnung 37 des Zulaufkanals 32 im Oberteil 1 verläuft, bzw. einen Winkel von ca. 30° zu der senkrecht zu diesem Radius stehenden Sekante. Der Zulaufeiniaßkanal 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 Aulauföffnung 38 des Zulaufeinlaßkanals 32 liegt über dem Bereich des angenähert tiefsten Punktes der Verteilerringfläche 19, also der Seitenwand des Verteilertellerstutzens 20 relativ dicht benachbart

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. Dabei 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 gedruckte 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.

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.

Bei dem in den F i g. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Druckfiltrationszelle bestehen das Oberteil 1, die mehrteilig als Zwischenteil ausgebildeten 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 F i g. 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Druckfütrationsgerät flacher Bauart für den Betrieb in horizontaler Lage und mit Mitteln zur zwangsweisen Führung der Zulaufströmung über die Filteroberfläche, bestehend aus einem Oberteil mit einem Zulaufeinlaßkanal und einem Retentatauslaßkanal und einem Unterteil mit einer Filterunterstützung und einem Permeatauslaßkanal, wobei Oberteil und Unterteil unter Bildung eines Druckraumes lösbar miteinander verbindbar sind, ge kennzeichnet durch

a) einen Verteilerteller (12), dessen Unterseite (13) parallel zur Oberseite des Filters (10) und unter Bildung eines Zwischenraumes (14) dicht über dieser angeordnet ist und in deren Mitte sich der Retentatauslaßkanal (25, 40) öffnet, dessen Außenrand (16) unter Bildung eines schmalen Ringraumes (15) allseitig bis dicht an die im wesentlichen vertikale Innenwandung (17) des Druckraumes (U) heranreicht und dessen Oberseite einen umlaufend erhöhten Außenrand (18), der unter Bildung eines schmalen Ringspaltes (22) bis dicht an die nach unten weisende horizontale Innenwand (21) des Oberteils (1) heranreicht, eine sich von diesem Außenrand (18) zur Mitte des Verteilertellers (12) stetig vertiefende Oberfläche (»Verteilerringfläche«) (19) und in der Mitte selbst einen kurzen Stutzen (20) aufweist, über den der Verteilertellcr (12) am Oberteil (1) befestigt ist und durch den hindurch der Retentatauslaßkanal (25) verläuft, und

b) einen Zulaufeinlaßkanal (32), der sich im Bereich des tiefsten Punktes (39) der Verteilerringfläche (19) über dieser im Oberteil (1) öffnet und zumindest auf einer vor der Öffnung (38) liegenden, die Strömungslichtung des austretenden Zulaufstromes bestimmenden Länge unter einem Winkel von 35° bis 55°, Vorzugsweise ca. 45°, gegen die Horizontale geneigt und, bezogen auf die senkrechte Projektion seiner Achse (36), im wesentlichen tangential zur senkrechten Projektion der Verteilerringfläche (19), also in Richtung tangential-abwärtseinwärts, verläuft.

2. Druckfiltrationsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberteil (1), das Unterteil (2), der Verteilerteller (12) und die Filterunterstützung (9) aus PTFE bestehen und das Oberteil (1) und das Unterteil (2) mit Zwingen (8) zwischen einer oberen und einer unteren Stahlplatte (3, 4) eingespannt sind.

3. Druckfiltrationsgerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilerteller (12) lösbar mit dem Oberteil (1) verbunden is·, und zwar durch einen Rohrstutzen (24), dessen Bohrung (25) den Retentatauslaßkanal bildet, der an seinem unteren Ende einen Außenflansch (23) trägt, dessen Unterseite exakt in der Fläche der Unterseite (13) des Verteilertellers (12) liegt und dessen obere Schulter mit einer Anschlagfläche im Verteilertellerstutzen (20) zusammenwirkt, und der auf seinem oben aus einer Bohrung (26; 26, 27) im Oberteil (1; 1, 3), die er durchsetzt. herausragenden Abschnitt ein Außengewinde (28) trägt, das mit einer Mutter (29) zusammenwirkt, die den Rohrstutzen (24) und über dessen AuBenfiansc'n

(23) auch den Verteilerteller (12) dichtend mit dem Oberteil (1) verbindet

4. Druckfiltrationsgerät nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Retentatauslaßkanal-Rohrstutzen (24), der Zulaufeinlaßkanal (32) einschließlich eines Zulaufeinlaßkanalstutzens (31) und der Permeatauslaßkanal (41) einschließlich eines Permeatauslaßkanalstutzens (42) aus PTFE bestehen.