DE2754627A1 - Rohrfoermige membranfiltrations- vorrichtung - Google Patents
Rohrfoermige membranfiltrations- vorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Bereiche (I) Umweltschutz, (II) Wasserversorgung und (III) Materialtrennunc und Wiedergewinnung.
I. Im. 3ereich des Umweltschutzes betrifft die Erfindung
besonders die Behandlung gemischter Industrieabwässer, getrennter industrieller Abfallströme, Abfüllbetriebsabfalle,
Fischverarbeitungsabfälle, chemische und petrocher-ische
Abfälle, Bergbauabfälle, Metallverarbeitungsab "älle, Wasserfarbabfälle,
kernfcechnische Abfälle, fotografischer FiImverarbeitungsabfalle,
und gewöhnliches Abwasser.
Besondere Beispiele aus dem Bereich Umweltschutz sind folgende:
1. Im Fall getrennter industrieller Abfallströne, Hetallverarbeitungs-
und Farbabfälle, ermöglicht diese Erfindung eine Aufkonzentrierung dieser getrennten Abfälle
dergestalt, daß sie in die industriellen Prozeßströme zurückgeführt werden können, wodurch wertvolle
Materialien zurückgewonnen werden. Beispiele für diese Anwendungsart sind die Rückgewinnung von
Metallphosphaten aus Korrosionsschutsbehandlungen 809Ö4Ü/U61 a
von
(z.B. Parkerisieren), Chromsäure, Mickelsulfar^at,
(z.B. Parkerisieren), Chromsäure, Mickelsulfar^at,
r;ickelf luoborat, Κυρίerpyrophosphat, 7.inkchlorici,
und ähnlichen Substanzenlaus Galvanisationsspülwässern,
(R-18, C-9, C-15, C-ITj C-18, C-19) sowie die Rückgewinnung
von Latex, von Emulsions- und Z lek trotauchlackrückständen
aus Farbspülabwässern und Spritsraumabwässern.
(C-?, C-15, C-17 Sc C-IH)
(Alle Hinweise beziehen sich auf Literatursteller, die in
der BIBLIOGRAPHIE ZUM STAFJD DER TECHNIK ar>
Ende aufgeführt sind.)
2. Im Bereich der Papierherstellung erlaubt die Erfindung
die Wiedergewinnung und Wiederverwendung des
Prozeßwassers, die Entfernung von Verfärbung und BSB-verursachenden Bestandteilen, die Wiedergewinnung
und Aufkonzentrierung von Nebenprodukten wie Polysachariden
und Ligninsulfonaten. (R-I, R-3, R-17,R-21
C-3, C-15, C17, ClS)
3. Im Bereich kerntechnischer Abfälle erlaubt sie die
• Wiedergewinnung und Aufkonzentrierung aelöster radioaktiver
Substanzen aus Spülwasser, Fußbodenwaschwasser, Kesselkondensat (boiler blow down) und anderer
Lösungen mit einen Gehalt an gelösten radioaktiven Substanzen. (C-15, C-17, C-18). Sie erlaubt auch
das Recycling hochwertigen Wassers für weitere Vervendung, als da sind Wäschereien und Kernanlagen.
4. Bei der Behandlung gewöhnlichen Abwassers erlaubt
sie die Herstellung hochwertigen, praktisch Bakterien—
und Virus-freien Wassers, mit einer geringen Konzentration an gesamten gelösten Stoffen (TDS) und mit
praktisch keinerlei suspendierten Stoffen (SS), geeignet für praktisch jede Art der Wiederverwendung.
(R-13, R-23)
II. Im Bereich der Wasserversorgung betrifft die Erfindung die Herstellung von Trinkwasser aus Seewasser, Brackwasser
und IndJStrieabwasser. Sie wurde auchverwana zur Herstellung
hochwerteigen Industriewassers für spezielle Zwecke, wie Kesselspeisewasser, Halbleiterherstellung, Verwendung
in Kernreaktor-Test und-Betrieb, in der pharmazeutischen
buyöAU/Ub ι y
Produktion und anderen Anwendungen, die einen sehr qeringen
Gehalt an suspendierten Feststoffen und gesamten Gelösten Stoffen erfordern. Sie ist auch bei der Wiederverwendung
industrieller F'rozeßwässer eingesetzt worden, was den
Betrieb eines geschlossenen· Systems erlaubte. (R-I, P-2,
r_3} R-4, R-9, R-IO, R-13,R-14, R-15, R-19, R-20, R-21,
R-22, C-I1 C-2, C-3, C-5, C-6, C-7, C-8, C-12,C-14, C-15,
C-16, C-17, C-13)
III. Außer der Wiedergewinnung von Substanzen getrennter
Industrieabfälle, wie unter I erwähnt, sind besondere
Beispiele von Material trennung und -wiedergewinnung die folgenden:
1. Trennung und Gewinnung chemischer Produkte.(R-17)
2. Trennung und Gewinnung von Fermentationsprodukten (R-17)
3. Behandlung von Molke aus der Käse- und Quarkproduk tion, was die Trennung, Gewinnung und Reinigung»von
Proteinen, Aminosäuren, Milchsäure und Zuckern ermöglicht. (R-3, R-17, C-4, C-Il)
4. Extraktion von Protein aus Sojabohnen und anderen nicht-tierischen Proteinprodukten. (R-17, c-4)
5. Aufkonzentrierung von Magermilch.(R-17, C-O
6· Aufkonzentrierung von Citrus-,Ananas- und anderen
Säften. (R-17)
7. Behandlung von Limonade- und alkoholischen Getränkeströmen. (R-17)
8. Wiedergewinnung wasserlöslicher Öle, Emulsionen
und synthetischer Kühlmittel aus Metallwerkabwässern. (C-5, C-IO, C-15, C-16, C-17, C-13)
Allgemeiner Hintergrund
der Erfindung
Die Erfindung betrifft vor aliein den Bereich der HoIe-
kularfiltration. Molekularfiltration wird häufig in zwei
Gebiete unterteilt, nämlich umgekehrte Osnose (Reverse Osmosis, RO) und Ultrafiltration (UF). Im folgenden wird
Mo-lekularfiltration einfach durch "RO" beschrieben, und
Ultrafiltration wird nur erwähnt, wenn ein spezieller
Hinweis angebracht ist.
Im Falle von RO wird eine wäßrige Flüssigkeit in zwei
Procluk tströne geteilt, ein "Formeat", das praktisch frei
von gelösten Substanzen ist, die hierbei ferncehaiten
oder wiedergewonnen werden sollen, und ein "Konzentrat", das den Großteil der aen.inntpp, .)ubr,tnn:.en ent! eilt. (R-I,
R-2, R-3, R-4, R-::, R-?, Π-10, R-13, P.-'.-i, R-15, Γ-15,
R-23)
Diese Art der Trennung erreicht man durch die V er;/on du ng
einer semipermeable'! nernbrnn. Bei allen prakr;rchor "i:.—
thoden der Anwendung der qenannten Membran wird die :;j
behandelnde Flüssigkeit unter einen Druck nes^t:: t , der
erheblich über dsm csrmr. ic-chon Druck der Aujnanc;s"ö:;ur; :
lieqt, und dann über eine ni.:ht unbeträchtliche Fläche
dieser Membran geleitet. Während des Transports entlnr.g
der Membran passieren vornehmlich Wasser~ole;u Ie eurer.
die Membran hindurch und zwar unter Mitnahme einer geringfügigen
Menge der gelösten Substanz. Die Menge gelöster Substanzen, die durch die Membran
hindurch passiert, hh'inqt von zahlreichen Faktoren ab,
u.a. (1) der Art der Membran und ihrer Vorbehandlung, (2) von Druck und Temperatur, (3) vom pH, (4) der Grö
ße und der Ladung der Ionen oder I-'oleküle in der Lesung
und (5) der Turbulenz der Lösung nahe an der Membran. Eine große Zahl spezifischer Oaten zum bevorr.ua ten
Passieren oder der Zurückhaltung bestimmter lor.en-
oder Molekülarten ist Fachleuten bekannt. (R-Ί, ?.-2, R-3)
Indem besagter Transport stritt-indet, nimmt die Konzentration
der gelösten Stoffe in der behandelten Lesung zu, bis die Restlösung durch ein Druck-Kontrollventil aus
der RO-Appartur austritt. Diese Restlösung heißt End- Konzentrat oder einfach Konzentrat.
Die Grenze der Konzentration des End-Konzentrates hängt
von zahlreichen Faktoren ab, deren v:ichtigster in Beziehung
stellt zur maximal erreichbaren Kt ni-entration cer Substanz
in Lösung (Sättiqungskonzentration) und der Art des Feststoffs,
der dabei gebildet wird. Bei den meisten auf dem Markt erhältlichen RO-Apparaturen ist die praktische
buytuu/uö ι 9
Grenze bedeutend niedriger als das Sättigunosniveau, und
zwar auf Grund der Tatsache, daß der Kon-entraticr.sanstieg
des gel-östen Stoffes vornehmlich an der Henbrar.oterf lache
stattfindet. Diesen vornehmlichen Konsentrationsanstieg
nennt nan häufig "Konzsntrationspolarisaiicn". £r beruht
auf der Tatsache, daß Wasser aus der unbewegten Grenzschicht durch die Membran passiert, wodurch sich die Fest-stoff konzentration
in der zurückbleibenden Flüssigkeit erhöht. Die Konzentrationspolarisation ist arr. schlimmster unter
den Bedingungen einer laminaren Strömung. Sie kam verringert werden entweder durch Erhöhung der linearen Geschwindigkeit
oder der Turbulenz in unmittelbarer Nähe der Membranoberfläche. Es wurde gefunden, daß bei Lineargeschwindigkeiten
von 0.38 m/s und darüber oder bei Reynold's Zahlen von 5000 oder darüber die Dicke der unbewegten, in Kontakt
mit der Membran befindlichen Grenzschicht wesentlich abnimmt, wodurch eine bedeutende Abnahme der Konsentrationspolarisation
erreicht wird. Für besonders diffizile Lösungen iä3t sich eine weitere Verbesserung durch Erhöhung der Lineargeschwindigkeit
auf 1,5 m/s oder darüber hinaus oder der Reynold's Zahl auf 20.000 oder darüber erzielen. Durch solch
eine Verringerung der Grenzschicht können Lösungen auf eine Endkonzentration angereichert werden, die sich dem Sättigungswert
der am schlechtesten löslichen Komponente in der Lösung annähert, während gleichzeitig Membranverschrrutzung,
schuppige Ausscheidungen und ähnliche unerwünschte Erscheinungen, die von einem Produktivitätsverlust und einer möglichen
Membranverdichtung begleitet sind,(welche wiederum zu einem dauernden Produktivitätsabfall oder völliger Zerstörung
der Membran führt) auf ein Minimum zurückgeführt werden. R-I, R-2, R-3, R-4, R-5, R-6, R-7, R-8, R-9, R-IO,
R-Il, R-12, R-14, R-15)
Die gebräuchlichsten R0-Membranen werden aus speziellen Celluloseacetat-Polymeren hergestellt. Andere Membranen
enthalten Ethylcellulose oder Polysulfone, während zusammengesetzte
Membranen beispielsweise aus einer Ethylcelluloseschicht auf einem Polysulfongrund bestehen.
Beim klassischen Herstellungsverfahren von CeIluloseacetat-Membranen
wird eine Lösung des Polymeren in einer oder mehreren wasserlöslichen organischen Lösungsnitteln auf einer
flachen Oberfläche ausgebreitet, etwa einer 3 1 -- ~>r 1 a 11'3 ,
worauf eine Abstreifklinge über die Oberfläche geführt wird,
was eine Polyrrcerlösungsschicht von gleichförmiger Dicke
entstellen läßt. Nach einer Verdampfungsspanne vor. einiger.
Minuten an Luft wird die Platte in Eiswasser verbracht und dort belassen bis das Polymere geliert und das wasserlösliche
organische Lösungsmittel aus der Membran herausgelaugt worden ist.
So produziert,haben die Membranen eine sehr geringe Tendenz
Substanzen in Lösunq abzuweisen. Um eine verbesserte Abweisung zu erhalten v/ird die Membran als nächsten fi'r eir.e
bestimmte Zeit in einem heißen Wasserbad belassen. Zur Temperatur-Zeit-Beziehung
und ihrer Wirkung auf das Abweiseverhalten der behandelten Membran gegenüber gelösten Substanzen
existiert umfangreiche Literatur. (R-I, --2, Π-3,
R-16). Gießtechniken werden auch von Loeb beschrieben (PJ-I,
PA-I, 2, 3, 4, und 5), sowie von Mahon (PJ-2) und Γ-'e r ten (PJ-3)
Es ist bekannt,daß jegliches Biegen, Knicken ocer jegliche
Oberflachenbehandlung der Membran nach dem Gießen einen Verlust an Produktivität oder "Fluß" zur Folge hat, welcher
normalerweise in Gallonen je Quadrat fuß un-: Tag oder Tonnen
je Quadratmeter und Tag ausgedrückt wird. In einer seiner frühen Arbeiten entdeckte Dr. Sidney Loeb (PA-I). ca?, sin
Anbringen seiner CeI lulo^erornbranen auf hochwertige™ Laberfilterpapier
in seiner Testapparatur nichtscestctrcts einen
Abfall von deren Fluß zur Folge hatte und zwar durch ein Eindrücken der Papierfasern in die Oberfläche; wenn er
sie jedoch auf glatten Millipose Typ HA FiItermenbranen
anbrachte, blieb deren Produktivität erhalten. Daher ist es vorteilhaft, Membranen direkt auf ein steifes Substrat
zu gießen und sie ohne vorherige Entfernung davon direkt einzusetzen. Es ist auchfwichtig, sie vor Spannung auf Grund
einer Ausdehnung der Unterlage zu bewahren. (R-2)
809840/061 9
Zur Zelt sind fünf grundsätzliche Typen kor.merrieller
nO-Appnratursn in Gebra-.ic;-.. Sie Insren zlc'r. v:ie ic lot ointeilen:
1. Apparaturen mit flachen Bahnen
a- Apparaturen mit einer einzioen Membran, hau ptslich 1 icn
für Anwendung im Labor, wie von Loeb beschrieben (FA-I).
b. Platten- und Rannen- oder i iohrfachplattenarparaturen,
wie von Loeb (ΡΛ-1) , üucnins (PJ-4) , Cahn (PJ-";),
Strand (PJ-6), l'5nr.awa (PJ-7) , Donokos (PJ-'-) und
Gönners (PJ-9) beschriebe.'..
2. Kohlfasern, wie von ilahon (PJ-IC) und Geory (ΓJ-Il) beschrieben
und von DuPont praktisch angewandt. (C-2) (R-VJ, R-20)
3. Spiralmodul-Apparaturen, bei denen flache Membranen mit den erforderlichen Trennlaqen und Abstandhaltern in Zylinderforr.i
gerollt werden, wie beschrieben durch Xerten (PJ-12
und 13, PA-6), Michaels (PJ-14), Westmoreland (PA-7), Brav
(PA-O und PJ-15) und Shirokawa (PJ-15), und wie praktisch
angewandt von Universal Oil Products, Eastman Che-nical und
Envirogenycs Div. of Aerojet General Corp. (R-3, R-20, 7.-2 1)
(C-I)
4. Rohrförmige Konstruktionen rr.it. Innendruck, wie ve η Si?.-
na (PJ-17) und Loeb (PA-O) benciirirv.-.en :-nö pral: t i sch .-ipi-d-
wandt von Universal Oil Products (früher Havens International)
Abcor, Pat terson-Can ■■',;, v.'estir. Thcuse, Union Carbide,
Universal V.'ater Corporation, Fhi-co Ford, Aerojez General.
(C-3, G-4, C-5, C-6, C-7, C-S, C-9, C-IC, C-Il, C-12, "-?,
R-14, R-3, R-21, R-23)
5. Rohrförmice Konstruktionen mit AuRendruck wie beschrieben
von Shippey (PA-IO), Block (rA-ll, PJ-IG S. 19), Saito
(PJ-20) und Baidon (PJ-21)und wie praktisch angev;andt von
Rev-O-Pak, Inc. (Tochter von Raypak, Inc.) und von Sumitomo
Heavy Industries. (R-22, C-13, C-14, C-15, C-16, C-17, C-IS,
C-19, C-21)
Ein Vergleich der Eigenschaften der eben genannten Konstuktionen:
Was Nr. 1 anlangt, so sind Platten- und Rahmenkonstruktionen in ihrer Größe begrenzt infolge der hohen Arbeitsdrucke
über auch nur mäßig großen Querschnitten,die außerordent-
809840/0619
lieh große Schrauben und Spannteile erfordern. Auch ist
es schwer äußere Lecks zu verhinderen. Die Membran bleibt dabei jedoch in ihrer ursprünglichen, flachen Form, obwohl
das Stützmedium häufIq Oberflächeneindrücke verursacht.
Bei Einsatz in kerntechnischen Anlagerfkönnen die flachen
Membranbahnen ohne Schwierigkeiten ausgewechselt und verworfen werden. Jedoch auf Grund ihrer geringen Kapazität
kommen derntige Anlagen für die Behandlung der meisten kerntechnischen
Abfälle nicht in Frage.
Bei Nr. 2, der Hohlfasertechnik, sind dünne Kapillaren eines
semipermeablen Materials in einem mit Fasern umwundenen Druckgefäß befestigt, wobei die offenen Enden der Kapillaren
aus einem Kopfstück aus Epoxyd- oder einem anderen Dichtharz herausragen. Wenn die Lösung durch das Druckgefäß
gepumpt wird, durchdringen Teile der F lüssinkei - eic
Kapillarwände und fließen cn ti arm den inneren Garnen ~ur
Permeat-Kammer. Bei annehmbaren Durchf lußqescMw: n.i igke iten
durch die Kapillaren entwickelt sich ein starker C-e jendruck. Dieser Gegendruck kann an den Mittelpunkten der Fasern
bis zu 200 psi (13,3 '<·"]/crr.2) erreichen. Inrcwoit a 1 s
der maximale Arbeitsdruck für die in Hchliaseranlaaon benutzten
Glasf aserdruckgcf äßen boi 6C0 psi (40 kg/er ^) liegt,
führt dieses Phänomen an dienen Punk'e.n zu ein:~ 33'iiger.
Verlust an Arbeitsdruck, oder einen Netto-Aroeitsdruck von
lediglich 400 psi (26,7 k-;/c:n2). Diese i^rschoinur.g L.zz als
"parasitischer Druckverlust" bekannt. Da der osnotischa Druck
vieler Lösungen oberhalb von 400 psi (26,7 kn/cn2) liegt
sind die Einsatzmöglichkeiten dieser Technik begrenzt.
Außerdem ist der Durchfluß der Ausgangslosung durch das Druckgefäß ziemlich langsam und weitgehend laminar, .-.'as
zur Folge hat, daß diese Anlagen sehr empfindlich gegen
Verschmutzung durch suspendierte Stoffe wie aucrjdurch Substanzen,
die Abscheidungen bilden, sind. Die Auscangsiosuncen
müssen langwierig vorgefiltert werden und Abscheicungenbildende
Minerale (Calcium, Magnesium, Eisen) müssen entfernt v/erden, ehe eine Behandlung in Hohlfaser RO-Anlagen,
möglich ist. Bei der Trinkwasserversorgung kann es geschehen, dEß Mikroorganismen durch gebrochene Fasern in das
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Brauchwasser eindringen.
Infolge ihrer Empfindlichkeit gegen Abscheiduncer.-bi !deride
Substanzen (Calcium und Magnesium) und ihrer Begrenzungen
hinsichtlich des Drucks sind Hohlfaseranlagen für eir.stufiae
Meerwasserentsalzung nicht geeignet, ^ie könnc-n ;eaoch
in Anschluß anjirgendeine andere RO-Anlage als zweiter Schritt
eingesetzt werden.
Große Systeme erfordern komplizierte Aneinanderreihungen von Moduln bei paralleler Serienanordnunq und komplizierter
Hochdruckvervielfachung.
Im Hinblick auf das Problem der Behandlung radioaktiver Abfälle leiden die Hohlfaseranlagen unter der Tatsache,
daß die Glasfaserverstärkung der Druckgefäße grofte Hengan
anorganischer Asche liefert, wodurch das Volumen der zu beseitigenden
Abfälle erhöht wird.
Zu Nr. 3 ist zu sagen, daß die Spiralmodultechnik flachgegossene
Membranen verwendet, die anschließend gerollt werden,was teilweise zur Störung der Membranstruktur führt.
Außerdem werden sie im Betrieb in die Stützschichten aus Gewebe eingedrückt, was ihre Qualität weiter vernindert.
Außerdem treten Stagnationszonen zwisehen den Hembranbahnen
auf, wo es zur Konzentrationspolarization kommt. Weiterhin
neigen suspendierte Feststoffe dazu, sich an den Hembranoberflachen
- besonders an der Eingangskante der Spiralbahnen - abzusetzen. Um die Einwirkung von suspendierten
und gelösten Stoffen möglichst gering zu halten, sind häufige Rainigunszyklen durch Umkehrung der Flußrichtung erforderlich.
Teuere Ventilausrüstung wird benötigt, um die Reinigung durch Umkehrfluß zu ermöglichen.
Bei Spiralmoduln tritt gleichfalls parasitischer Druckverlust
auf. Außerdem können innere Lecks an den Dichtungen zwischen den einzelnen Moduln im gleichen Druckgefäß zum
Eindringen von Konzentrat in das Permeat führen. Infolge der oberen Druckgrenze und des hohen osmotischen
Drucks von Seewasser können Spiralmodulanlagen aus Seewasser Trinkwasser (höchstens 500 ppm gesamt gelöste Stoffe)
nicht in einer Stufe herstellen. Normalerweise müssen zwei getrennte System6 eingesetzt werdent Jedes mit eigener Zusatzpumpe,
Hochdruckpumpe, Zellreihe, Gegendruckregelung
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1b
Rückspülsystem und Intrumentierungjfür beide Stufen einer
Spiralrrodulanlage zur 3oewasserontsal"ung. Vielfach ist
es außerdem erforderlich, die Wasserhärte durch Ionenaustauschharze vor der ersten Stufe der Spiralmodulbehandlung
zu entfernen.
Im Hinblick auf das Problem der Behandlung radioaktiver Abfälle sind die Spiralmodulanlagen durch die Tatsache benachteiligt,
daß sie metallische Siebe, Abstandhalter und andre Teile enthalten, die im Endeffekt die Aschemenge erhöhen.
Glasfaserstoffe, die in manchen Konstruktionen eingesetzt
werden, erhöhen die Menge an schließlich zu beseitigender Asche noch weiter.
Große Systeme erfordern komplizierte Aneinanderreihungen von in Parallelserien angeordneten Moduln mit einer komplizierten
und teuren Hochdruckvervielfältigung. Dieses Erfordernis
ist in Grenzschichtphänomenen und hydraulischen Überlegungen begründet, die den Bereich geeigneter Durchflußraten
eng begrenzen.
Bei Nr. 4, der rohrförmigen RO-Konstruktion, die mit Innendruck
arbeitet, wird die Membran auf die Innenoberfläcr.e
eines porösen Rohrs aufgegossen oder aufgebracht. Das Rohrsystem ist einem Innendruck ausgesetzt, der zu einer ','rr.fangsspannung
führt, was eine Dehnung der Membran und damit eine dauernde Verschlechterung ihrer Brauchbarkeit zur Folge
hat» Die Röhren können auch platzen, was den Zusammenbruch dee gesamten RO-Systems zur Folge hat, eine iMcgiichkeit.
die für Trinkwasser- oder Abwasseraufbereitung nicht akzeptabel
ist. Bei der kommerziellen Anwendung werden mehrere dieser Röhren in Bündeln zusammengefaßt, und cwar zwischen
zwei Endstücken eng zusammengepreßt,sodaß das fertige
Bauteil einem WSrmeaustauscherrchrenbündel ähnelt. Die Endstücke
werden gegen den hohen Flüssigkeitsdruck durch ein Gestänge zusammengehalten, das auf die Rohrmembranen unter
Ruhebedingungen eine bedenkliche Drucklast überträgt. Unter Arbeitsbedingungen ändert sich jedoch die Druckbalance,
was zu einer Spannungsänderung an Membranen und Röhren führt. Diese Spannungsänderunqen bewirken eine Ermüdung der Membranen
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und der porösen Rohre. Außerdem konzentriert sich die Spannung in der Nähe der Endstücke, was die Lebensdauer von
Rohren und Membranen mindert. Dir; Drucke der melrten InnerDruck-»Konstruktionen
sind auf 800 psi (53,3 kg/cT.2) begrenzt
VJie schon bei den Spiralnoduln erwähnt, ist es ir.fclce der
Höchstdruckgrenze der Inner-Druck-Rohr-RO er^rcerlich für
die Seewasserentsalzung zweistufig zu verfahren. Allerdings sind diese Anlagen gegen Wasserhärte bedeutend weniger empfindlich
als Spiralmodulanlagen.
Im Hinblick auf das Problem der Behandlung kerntechnischer
Abfälle stellen die meisten Inner-Druck-Konstrukt ionen eir.
schwieriges Beseitigungsproblem dar. Die Glasfasern der Rohre und der Außenhaut, die metallner. Endstücke, das
Spannungsgestänge, die Rohrbeschläge und anderer rr.inerali-
scher und metallischer Zubehör ergibt ein besonders schwieriges
Beseitigungsproblem. Bestimmte Konstruktionen verwenden
große Mengen Sand zwischen den Rohren, was das Eeseiti- gungsproblem weiterhin kompliziert.
Um diesen Mangeln abzuhelfen, die bei Innerdruck-Konstruktionen
auftreten, hat Patterson-Candy teure perforierte
Edelstahlummantelungen urn die Membranen eingesetzt. in
diese werden die Membranen in Forn eines "Limonadenstrohhalms"
eingeführt, wobei sich der riembranfilm an dessen
innerer Oberfläche befindet. Die Höchstdrucke liegen bei 1200 psi (80 kg/cm2). Bei dieser Konstruktion werden auch
große Mengen teuren Edelstahls für End- und Kopfstücke verwandt,
was die Herstellungskosten erheblich erhöht.
Wie schon bei Hohlfaser und Spiralrr.ctiul erv;ä:int, erfordern
große Systeme auch hier komplizierte und teure Hochdruck- Vervielfachung, um zu angemessener Durchflußgeschwindickeit
in den Mehrfachstufen der serienparallelen Systene zu kommen.
Bei Nr. 5, der Außendruck-Rohr-Konstruktion wird die Membran
auf die äußere Oberfläche eines praktisch inkompressib-
len, rohrförmigen, porösen, keramischen Kerns gegossen.
Das Permeat durchdringt die äußere Membran, passiert das poröse Substrat und sammelt sich im inneren Gang.
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Einer, sieben oder neunzehn dieser Kerne sind in 1-, 2",. 2-^j
oder 4-Zol 1-Druckgefäßen anqeordnotjund das Ferne?.t wird
an einem Ende des Gefäßes abgeleitet. Meistens wird ein mit Kunststoff überzogener Draht oder eine Feder um den
Rohrkern gewunden, um die Turbulenz zu erhöhen. Da der Kern gleichmäßig unter Druck gesetzt wird und dem Druck
nicht nachgibt, treten an der Membran keine Spannungen auf,wie das bei der Innendruck-Rohr-Konstruktion der Fall
war. Arbeitsdrucke bis 1500 psi (100 kg/cmO wurden bei diesen Systemen erreicht.
Bei den Außendruck-Rohr-Konstruktionen wird ein hydraulisches
Ungleichgewicht geschaffen durch die Tatsache, daß ein Ende des Kerns unter Systemdruck steht, während das
andere Ende in Verbindung mit der Atmosphäre ist. (Der Kern ist mit dem System nur an einem Ende verbunden, nicht
an beiden,wie das bei dem Innendruck- und Spiralmodul-System
der Fall ist· Dieses Ungleichgewicht hat den Vorteil, die Gruppe von Kernen in festem Kontakt zueinander zu halten,
und zwar bei Betriebsdruck, was den Dichtungreffe!ct erhöht
und innere Lecks minimiert. Jedoch wird dadurch der Kern einer in Längsrichtung wirkenden komprimierenden Kraft aus
gesetzt· Die Dicke der Keramikwände muß ausreichen, den radialen und .axialen Kompressionskräften ohne Eiruc'n ru
widerstehen. V/erden die Kerne nur. weniaer steifen corüsen
Materialien, wie gesinterte-m Polyäthylen , heroes teil .L t, re
wirkt der Längsdruck axiale Konpression und radiale Er
weiterung des Kerns, was bedenkliche Spannun jskrilfte in
der Membranhaut verursacht und in einigen Fällen sogar xur Trennung der Membran von der Oberfläche des Rohrs führt.
Es wäre außerordentlich erwünscht, solche weniger steife-n
Substrate zu verwenden, denn die Keramikkerne sind zerbrech
lich und erfordern viel Sorgfalt, um Beschädigungen wäh rend Bearbeitung und Transport zu verhindern. Manchmal
brechen die Keramikkerne im Betrieb, wodurch große Men gen Konzentrat das Perrneat verunreinigen.
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Außendruck-Rohr-RO-Appar3turen vertragen hohe Arbeitsdrücke
und sind viel weniger empfindlich gegen Wasserhärte als Hohlfasern oder Spiralmodul-Konstruktionen, weshalb eine
Meerwasserentsalzung in einem Schritt möglich ist. Jedoch begrenzt die Möglichkeit gebrochener Kerne und undichter
Dichtungen die Anwendung von Außendruck-Rohr-RO-Apparaturen für die Trinkwasserversorgung weitgehend und macht sie
für Abwassersysteme unbrauchbar.
Die Außendruck-Konstruktionen erlauben einen Betrieb bei
sehr hoher Turbulenz und hohen linearen Fluggeschwindigkeiten.
Während der oben erwähnte Längsdruck zu einer ordnungsgemäßen Dichtung zwischen den einseinen Kernen einer Gruppe
beiträgt, wird dieser vorteilhafte Druck gelegentlich durch iden hohen Viskositätsströmunqswiderstand runiei-.te
gemacht» der auftritt, wenn man bei hohen linearen Flußgeschwindigkeiten arbeitet. Bei den gegenwärticer. Konstruktionen
abeiten diese Viskositätskräfte den längscericuteten
Kompressionskräften in der Hälfte der Druckqefä~e entceqer..
Kürzlich haben diese Viskositätskräfte in verschiedenen
Fällenjdas öffnen der Verbindungsstücke zwischen einer Gruppe von Kernen verursacht, wodurch Konzentrat in Fermeatleitungen
eindringen konnte.
Auch kommt es vor, daß in der Anlaufphase, vor Erreichen des Systemdrucks, das hydraulische Ungleichgewicht sich
noch nicht eingestellt hat und die Viskositätskr£fte Kerne
trennen, was erhebliche innere Lecks verursacht. Im Hinblick auf das Problem der Behandlung radioaktiver
Abfälle ist anzumerken, daß die keramischen Kerne nicht verascht werden können und daher ein sehr großes Volumen
Feststoffabfälle ergeben, was das Problem der Beseitigung
nuklearer Abfälle vergrößert. Konventionelle Turbulatoren bestehen zudem aus mit Plastik überzogenem Draht, übrigbleibender
Draht kompliziert das Beseitigungsprobiem zusätzlich,
Aus praktischen Erwägungen heraus sind Außendruck-Rohr-Anlagen
auf zwei kommerzielle Konstruktionen, nänlich 7_Kern
und 19-Kern beschränkt. Tatsächlich stellen 19-Kernbündel
solch schwierige Bau-, Installations- und Reparaturprobiene dar, daß ihre Anwendung sehr begrenzt ist. Jedoch, venn
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man annimmt, daß sie - bei großer Sorgfalt - verwandt werden
könnten, erlauben sie doch keine Einspeisung^geschwindigkeiten,
die oberhalb 250 Tonnen am Tag liegen. 3yste~e mit höheren DurchfluHqescnwindigkeiten erfordern kompliziertes
und teures Hochdruckvervielfältigen, um einen Betrieb
in parallelen Serien zu gestatten, sodaß jede Zelle innerhalb festgelegter hydraulischer Grenzen arbeiten kann.·
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ich habe eine vollkommen neue R0-3auweise erfunden, in der
die Vorteile der Innendruck- und Außendruck-Konstruktionen erhalten bleiben, während gleichzeitig die mit diesen Konstruktionsweisen
verbundenen Nachteile wegfallen. Die neue Bauweise ist definiert und beschrieben als die "Druckausgleichs-Rohr"-Konstruktion.
Diese verwendet ein Rohr oder Kernteil aus einem porösen Material mit inneren rohrförmigen,
mit Membranen überzogenen Oberflächen. Die äußere Oberfläche kann gleichfalls mit einer Membran überzogen sein,
obwohl Süßere Oberflächen eher beschädigt werden können; außerdem tragen äußere Oberflächen zur Gesamtmernbranober-
fla'che nur bei geringeren Kerndurchmessern in bemerkenswertem
Maße bei.
Um die verschiedenen Phänomene, die bei meiner Konstruktion
auftreten, verstehen zu können, muß man sich klar machen, daß sie zwei getrennte und doch in Verbindung stehende
Kraft- oder Drucksysteme enthält. Eines ist ein mechanisches System, das aus einem heterogenen, porösen Material besteht.
Das andere ist ein hydraulisches System, das aus Wasser oder einer wa'ßrigen Lösung besteht. Unter den dynamischen
Bedingungen des Betriebs umgibt ein wäßriges Medium den rohrförmigen Kern und füllt die ineren rohrförmigen Gänge
mitsamt dem Porenvolumen des heterogenen Materials. In meiner Konstruktion wirkt der hydraulische Druck in den
nebeneinander liegenden Innenrohröffnungen dem hydraulischen
Druck auf die Süßere Oberfläche entgegen, sodaß die Innenrohre
nicht unter Berstspannung stehen. Diese flüssigen Kräfte bewirken einen statischen, mechanischen, komprimie-
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renden Druck auf die Einzelteilchen der körnigen Struktur
des porösen Materials. Diese Teilchen sind in de:r Raum
zwischen den Rohroberflächen dicht gepackt und tragen
so die Drucklast durch einen Punkt-zu-Pun'<t-Kontakt zwischen
diesen unter Druck gesetzten Oberflächen. Die Korrpressionslasten
sind daher gegeneinander ausgeglichen, mit Ausnahme
der Zone innerhalb des Zentralkreises der Rohroberflächen, wie später in dieser Spezifikation erläutert werden
soll.
Einige der Nachteile von Innendruck-RO-Konstruktionen, die
dadurch behoben werden, sind folgende:
1. Zugspannung auf den Membranen infolge von Berstspannung der darunter liegenden Rohre.
2. Spannungskonzentration an den Kopf endstücker, der Rohr
bündel .
3. Totalausfall des Systems infolge von Bruch der Druckrohre.
4. Vergleichsweise niedrige Betriebsdrücke infolge der
begrenzten Berststärke der Rohre.
5. Teures inneres Spannungsqcs hänge, das auch. Spannunqskonzentration
verursacht.
6. Vergleichsweise geringe"Paokdiclite" (Quadratmeter "ionbranoberflache
je Kubikmeter Zellenvoliinon)
7. Ersatz oder Überholung beim Hersteller eines Gesamten
Moduls bei Bruch ei no;-. Rohi-o;· (erforderlich tei .ie η
meisten Konstruktionen)
8. Unmöglichkeit, Seewasser in einer Stufe zu entsalzen.
9. Hoher Verbrennungsrückstand von in Kernanlacen verbrauchten Rohren.
10. Teure Hochdruck-Parnllelserien-Verviolfalticun~ bei
Einige der Nachteile von Außendruck-RO-Konstruktionen, die
bei meiner Erfindung entfallen sind folgende:
1. Brüchige Keramik-Kernstücke geringen Durchmessers
brechen häufig während des Transportes, der Bearbeitung, der Installation und gelegentlich auch während des Betriebes.
2. Eine große Zahl von Dichtstellen erhöht die Wahrschein lichkeit von Lecks (In dem üblichen 7-Kern, 18,5 Fuß
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(5,64 m)-Druckgefäß sind 133 separate Kerndichtstellen)
3. Die Standardkonstruktion mit 7 oder 19 Kernen in Farallel-Lage
bei sechs Einheiten in einer Reihe ist schwierig in Zusammenbau und Installation, sie erfordert
vier Mann zum Einbau oder zur Entfernung eines Kernbiindels.
4. Große Längs- und R-adialkompressionskräfte erhöhen die
erforderliche Dicke des Kernmateria Ir., sie erhö'-en
das Gewicht, wodurch Material- und Transportkosten sich erhöhen.
5. Von Hand um die Kerne gewickelte Turbulatorcrähte ccer
-federn erhöhen die Baukosten.
6. Der "tote Raum" zwischen den Kernen vermindert den
hydraulisehen Wirkungsgrad.
7. Der "tote Raum" erhöht auch)das Rür'.-haltevolunen, wodurch
der"Konzentrierunqsqrad" oder das "Konsentrationsverhältnis"
begrenzt wird.
... , , . , .., , . Volumen der Auscar.cslösuno >
(Konzentrationsverhaitnis = ■ - )
Volumen des Konzentrats
8. Vergleichsweise gerince"Packdichte" der Membranen.
9. Der erforderliche,große,freizuhaltende Arbeitsraum
gegenüber dem"Bedienungsende" der Anlage. Der freie Raum muß in etwa so groß sein wie die Länge(und Breite)
des Zellenmoduls, was zu Ineffektivität bei Planung
und Benutzung von Fabrikflache führt.
10. Ein exakt kreisferniger Querschnitt großer Gleichförmigkeit
bei den Keramik-Kernen ist erforderlich, da sonst der Kern nicht ungestört durch die Ringöffnung
passiert. In Fällen qerinqf üniqer "Elliptizi tat" des
Kerns entsteht eine ungleichförmige Membranschicht.
11. Viele kleine Teilstücke, wie Verbindungsstücke, Turbulatoren
und Dichtungen sind an den Kernen erforderlich, wodurch die Kompliziertheit und Fehlerwahrscheinlichkeit
erhöht wird.
12. Dichtungsversagen infolge hohen viskosen Strömungswiderstandes
und dadurch bedingter Lösung von Steckverbindungen, was zu einem Ausfall des Systems führt.
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- vr -
13. Ein großes Volumen anorganischen Rückstands schafft Beseitigungsprobleme bei nuklearen Anwendungen.
14. Gelegentlich entstehen Lecks in der Nähe der komplizierten Permeat-Sammler infolge kleiner Fehler der
Dichtungen oder infolge von Mangeln oder Rissen im
Permeat-Sammler.
15. Teure Gußstücke sind an den Enden der Druck-Kessel erforderlich.
16. Teure Hochdruck-Parallelserien-Vervielfältigung ist
bei Systemen mit hohen Volumina erforderlich.
Es ist das Ziel meiner Erfindung,den oben genannten Mängeln
abzuhelfen, doch ist der Umfang meiner Erfindungjnicht notwendigerweise
auf die Verbesserung dieser Mangel beschränkt. Fachleute werden auf Grund der Beschreibung in der Spezifikation
den Gegenstand und die Arbeitsweise meiner Erfindung verstehen.
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Abb.l. Druckausgleichkern nit einem Zufuhrrohr und einen
Perrneat-Gang. Querschnitt.
Abb. 2. Dreidinonsinmlo Ansicht: der. Gegen;;: ander, von Abb.
Abb. 3. Entgegengesetztes Ende des Gegenstandes von Abb.
Abb. 4. Permeat-Gang rät durchlöcherter Metal Iverk ieidum.
Abb. 5. Zylindrischer Druckausgleichskern mit zwei Permeatgängen
und einen elliptischen Zufuhrrohr.
Abb. 6. Elliptischer DruckauscLeichskern mit zwei Permeat-Gängen
und einem zylindrischen Zufuhrrchr.
Abb. 7..Konventioneller 2~ ;:oll-7-Kern-Aij?,e:-.c;ruck-RO-Apparat.
Abb. 8. 7-Kern-2-i-Zol !-Apparatur unter Verwendung von Druckausgleichskernen
entsprechend Abb. 1 und 2, Querschnitt.
Abb. 9. PermeateGang mit einer besonderen Verstärkung.
Abb.10. Permeat-Gang mit besonderer Verstärkung.
Abb. 1OA. Permeat-Gang mit besonderer Verstärkung.
Abb.11. Gegenstand der Abb. 1, umgestaltet zur Einpassung
in einen 5-Kern-Apparat.
Abb.12. Gegenstand der Abb. 1, umgestaltet zur Einpassung
in einen O-Kern-Apparat.
Abb.13. 5-Kern-Apparat mit zwei Zufuhrrohren, die Kerne
2ur perfekten Einpassung umgestaltet.
Abb. 14. Gleicher Apparat wie Abb. 13, jedoch 6-Kerr.-K.onstruktion.
Abb.15. 2-w-Zoll-Druckausgleichs-Apparat mit einen Pernest-Gang
und 10 Zufuhrrohren.
Abb.16. Dreidimensionale Ansicht des Apparats der Abb. 15.
Abb.17. 3»-Zoll-Konstruktion mit einem Permeat-Gang und
36 Zufuhrrohren.
Abb.18. 4-Zoll-Konstruktion mit einem Permeat-Gang und 6o
Zufuhrrohren.
Abb.19. Längsschnitt des Apparats der Abb. 15, der die Me
thode zur Verbindung der Kerne zeigt.
Abb.20- Anordnung aus vier Druckgefäßen, die die Apparate
der Abb. 15 und 16 enthalten.
Abb.21. Apparat der Abb. 15 mit durchlochter Metallauskleidung
und Rohrgewinde für Zwischenstücke.
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Abb. 22. Apparat der Abb. 15 mit durchlochter Metallauskleidung,
Rohrbeschläge für Zwischenstücke, einem Drehringgelenk, das Drehungen erlaubt und einen
Schaufelrad, das das Drehmoment verstärken soll.
Abb. 23. Apparat der Abb. 15 mit durchlochter Mei.allauskleidung
und Installationsbeschlägen.
Abb. 24. Anordnung aus vier Druckgefäßen, die den Apparat
der Abb. 15 enthalten mit durchlochter Metallauskleidung und Beschlägen. Die Druckgefäße verwenden
herkömmliche 180° Rohrbögen statt der Gußteile des Apparats der Abb. 20.
Abb. 25. Apparat der Abb. 24 mit Flußrichtung entweder zum Permeatauslaufende hin oder davon wog.
Abb. 26. Apparat der Abb. 24 mit Reduzierstücken, der drei
verschiedene Größen von Druckgefäßen zeict.
Abb. 27. Querschnittsansicht eines 8-Zoll-Apparates mit
zwei möglichen Anordnungen für die Reihen n=2 und n«3, auf der linken Seite mit m=5 und auf
der rechten mit m=6. Diese Abbildung zeigt auch die zusammengesetzte Materialstruktur.
Abb. 23. Geometrische Darstellung der Abstandsverhältnisse der Reihen n=l bis n=5, wobei der Radius der Gänge
gleich der Hälfte des Radius des Kreises n=l ist.
Abb. 29. Illustration der Bauweise, die resultiert wenn
m»5, 6 und 7 ist.
Abb· 30; Kernbauweise mit m=0 für n»l, m=5 für n=2 unc 3
und rn»6 für n=4 bis B. Material höherer Dichte
nach Reihe n=3.
Abb. 31. Apparat mit zusätzlichen axialen Perrneat-Gängen.
Abb· 32. Apparat mit zusätzlichen radialen Permeat-Gäncen
und möglichen axialen Permeat-Gängen.
Abb. 33. Apparat der Abb. 21 mit einer äußeren O-Rinc-
Dichtung um ein Fließen um die äußere Oberfläche des Kerns zu verhindern.
Abb. 34. Graphische Darstellung des Industrie-Abfallstroms
von 1000 Tonnen/Tag der Tabelle V.
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Meine Erfindung ist in einer Reine von Zeichnungen beschrieben. Abb. 1 zeigt einen Querschnitt und Abb. 2 eine dreidimensionale
Wiedergabe der einfachsten Art, meine Erfindung zu verwirklichen. Kern 1 ist ein poröses Rol-r mit zwei
röhrenförmigen inneren Gongen. Nr. 2 ist ein vercleichsveise
großes Rohr für den inneren Durchfluß der Eingangs lösung, hier als zylindrische Oberfläche gezeigt, obwohl es keine
innere Notwendigkeit gibt, daß sie diese Form ha'cen :-,üsse.
Ähnlich ist Nr. 3 ein vergleichsweise kleines Rohr für den Durchfluß des Permeats, ebenfalls in zylindrischer Form,
aber dadurch nicht auf die besagte Form begrenzt. Die Mu.lere
Oberfläche des Kerns Nr. 1 wird auch zylindrisch dargestellt, ist aber wiederum prinzipiell nicht auf diese Form begrenzt.
Nr. 4 ist eine Membran an der inneren Oberfläche Nr. 2, wo sie entweder aufgegossen wird öler nach ihrer Fabrikation
eingefügt wird. Membran IJr. 5 kann, wenn gewünsc!-1 , rusMtnlich
aufgebracht v/erden, und zwar aufgegossen oder o::er an der äußeren Oberfläche von Kern Nr. 1 befest ict werden.
Öffnunq Nr. 3 ist der Permeat-Gang dieses RC-Kerr.s. I^ Betrieb
steht er mit der Außenseite eier Anlage in Verbindung und steht unter Atmosphärendruck oder nahezu Atrr.osphärendruck.
Das Rohr selbst ist in einem Druckgefäß angebracht, Nr. 7, und die Membran-überzogene Innenober: IiU-he und die
Außenoberfläche des Kerns Nr. 1 sind dem ausgeglichenen Systemdruck ausgesetzt. Die Membranoberflächen widerstehen
dem Eindringen von Ionen und Molekülen gelöster Feststoffe, gestatten jedoch das Passieren von Wassermolekülen relativ
leicht. Wenn die Wassermoleküle durch die Kembranhaut pas
siert sind, dringen sie in das Material Mr. 6, das eine vergleichsweise geringe Dichte hat, ein. Dieses Material
kann aus Keramik bestehen, aus gesintertem Glas, gesintertem Metall, gesinterten oder geschäumten Kunststoffen, als
da sind Polyäthylen, Polyvinylidenfluorid, Polyvinylchloride, Acetal, Polystyrol oder Polyurethan, granulierter oder geschäumter
Gummi, angeschmolzener, verdichteter, mit Harz behandelter oder auf andere Weise verfestigter Sand, SiIi-
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ciumdioxid, Feldspat, Tonerde, Kieselgur oder ancere anorganische
mineralische oder fossile Substanzen, vcrbehandel-
tes Holz, Holzfaser oder Holzschleifmehl, verfesticte Kohle,
' andere
Asphaltit, Gilsonit oder Bitumenpulver, oder beliebige andere poröse Festsubstancen. (Der Einsatz von Kunsstoff,
Kohle, Asphaltit, Gilsonit oder anderer Bitumenarten, von Gummi, von Material auf Basis Holz oder von anderen organischen
Materialien ist besonders nützlich für die Behandlung von radioaktiven Abfällen, denn diese Materialien können
verascht oder chemisch zersetzt werden, um das Volumen des radioaktiven Abfalls zu minimieren.)
Die Wassermoleküle können durch das poröse Material nach dem Rohr Nr. 3 wandern, dem Permeat-Gang. Der höchste Fluß
2 durch Membranen hindurch ist selten höher als 0,014 r.l/cm /min..
Dementsprechend sind die inneren Flußgeschwindigkeiten sehr gering· Viele zur Verfügung stehende poröse materialien
zeigen bei dieser Flußgeschwindiqkeit keinen inneren parssitischen
Druckabfall, der kritisch wäre. (Dieser Punkt ist in einem folgenden Abschnitt weiter behandelt).
Nr. 8 zeigt das Ende des Kerns, das durch Schmelzen, Glasieren,
Verkapselung oder eine andere Technik abgedichtet werden kann. Bei Abwesenheit einer Membran Nr. 5 würde die
äußere Oberfläche des Kerns Nr. 1 gleichfalls ge^en Eindringen von Flüssigkeit abgedichtet werden oder sie kann
auch mit einer dünnen Kunststoff- oder Metallhaut umgeben werden, wie in einer folgenden Zeichnung gezeigt.
Nr. 9 ist das Verbindungsstück des Kerns nach außen oder zu einem anderen Kern gleichen Typs in einer Raihe. Abb.
zeigt das entgegengesetzte Ende des gleichen Kerns, an den ein ähnliches jedoch negatives Verbindungsstück, Nr. 10
angebracht ist· Würde dieser Kern allein benutzt oder wäre er der letzte Kern in einer Reihe, ein blinder Stopfen,
wie Nr. 12, und eine Dichtung, wie Nr. 13, würde in das Verbindungsstück Nr. 10 eingesetzt. Ein Turbolator, iJr. 11,
Umgibt Kern Nr. 1 als ein mögliches Zubehör. Diese Konstruktion hat den beträchtlichen Vorteil, daß
Membran-überzogene Oberflächen, Nr. 4 und 5, und Stützstrukturen,
Nr. 6 einem ausgeglichenen Druck ausgesetzt sind. Die Membran - überzogene j rohrförmige, innere Ober-
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fläche, Nr. 2, ist keiner Berstspannung ausgesetzt, wie
das bei konventioneller, Innendruck-Konstruktionen der Fall ist. Die Außenoberf leiche i~t keinen hohen i'o-npressionskräften
ausgesetzt. Die Kornteilchen des heterogenen Materials unterhalb der Membran tragen diese Krüite. üs gibt
radiale Kcmpressionskräfte im Bereich des Permeat-Gangcr.,
aber die große Menge festen Materials in dieser Zone bietet dagegen ausreichende Stutze. Der größte Teil der Endflächen,
Nr. 8, ist ausgeglichenen, axialen Kompressionskräften ausgesetzt. Ein kleiner Bereich in der 'Aähe des
Permeat-Ganges, Nr. 3, trägt die hydraulische Last, die
daher rührt, daß der Gang an einem Ende, Nr 12, de τ. Syster.-druck
ausgesetzt ist, während das andere Ende Verbinduno
mit der Atmosphäre hat.
Die Bestimmung des Druckabfalls innerhalb des Materials wird später durch Verwendung der Gleichung von Darcy angegeben
werden.Die Bedeutung dieses inneren Druckabfalls ist
begrenzt auf dichtere Materialien, sehr weite Rohre, Ultrafiltration
mit ihren hohen Durchflußraten bei vergleichsweise geringen Eingangsdrucken und Kombinationen aus diesen
Effekten.
Abb. 4 zeigt.eine weitere Verwirklichung reiner Erfindung,
in der eine durchlochte Edelstahlummantelun?, F.'r. 20, in
den Permeat-Gang eingeführt ist. Diese Sonderveratärkunq
1st besonders geeignet für hohe Betriebsdrucke und dünne Wandabschnitte. Es ist auch ein wichtiger Bestandteil derjenigen
Ausführung meiner Apparatur, die zur Heratellu-.c
von Trinkwasser und zur Abwasserbehandlung empfohlen wird. Diese Innenummantelung 20 kann über dio Enden de3 porösen
Rohr* Nr. 1 herausragen, was die Zwischenverbindung aneinander gereihter Kerne und auch die Entnahme des Permeats
erleichtert. Für Trinkwasser-, Lebensmittel- und Abwasseranwendungen können geeignete Rohrverbindungsstücke, Rohrkupplungen
oder Installationsbeschläge verwandt werden, um Über sehr verläßliche Zwischenkernverbindugea zu verfügen,
wie unten eingehender beschrieben.
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- 2-5 -
Abb. 5 und 6 zeigen Querschnitte ähnlicher Rohre, die z.-.ei
Perneal:-Gänge enthalten und in denen entweder das '-!ufere
oder das innere Profil eine Ellipse oder andere Figur ist. die den Einsatz zweier Permeat-Gänge erlaubt und die Fläche
der Menbran maximiert.
Abb. 7 zeigt die Standardausführung einer 7-:-;ern-Außendrj:k-Rohr-Konstruktion
einer RO und Abb. 8 zeigt, wie sieben Auscleichsdruck-Kerne, die in Übereinstimmung mit den oben
beschriebenen Prinzipien konstruiert sind, in einem ähnlichen Druckgefäß untergebracht v/erden können. In d:r Aus:''Jrrung
der Abb. 8 wurde die Packdichte an Mernbrancberf lache
wesentlich dadurch erhöht, daß Membran sowohl an der inneren wie auch äußeren Oberfläche der Kerne angebracht wurde.
Verglichen mit der herkömmlichen Ausführung Abb. 7 liefert diese Konstruktion erheblich mehr Permeat.
Abb. 9, 10 und 1OA zeigen,auf welche Weise die Stärke hervorstehender
Strukturteile sowie der Durchmesser des Permeat-Ganges erhöht werden können. Jedoch hat es sich her
ausgestellt, daß es um der Gießeffiziens willen besser ist,
einen kreisförmigen Querschnitt für Membran-überzogene Innenoberflächen
oder Außenoberflächen eines Kerns beizubehalten.
Abb. 11 und 12 zeigen Konstruktionen, die so auscelect eine,
daß sie in den gleichen Druckgefäßen eingesetzt v.erien können, wie sie für die S tcmunrofiu.··. führung eine:: Au Γ en-J ruck-
7-Kern-RO-System5 verwandt werden. Vom 3auprin::ip her ctinmen diese Kerne mit dem der Abb. 1 und 2 überein. Jedoch
wurden die Außenoberflächen umgestaltet, soda.3 die einreinen
Kerne näher aneinanderrücken können, wodurch der "tote Raum" der üblichen Außendruck-Konstruktionen, Kr. 21 in
Abb. 7, eliminiert wird.Bei den Konstruktionen Abb. 12 und
11 müssen Turbulatoren (Abb. 2, Nr. 11) angebracht werden und awar mindestens bei der Hälfte der Kerne, up. gegenüber
liegende Oberflächen getrennt zu halten und somit einer. guten Durchfluß zu ermöglichen. Die Konstruktion der Abb.
12 stellt 2,5 mal mehr Membranoberfläche zur Verfugung als
die übliche 2-^-Zoll, 7-Kern-Außendruck-Rohrkonstruktion
der Abb. 7 oder einen 150%igen Zuwachs an Membranoberfla-
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ehe. Diese größere Membranoberfläche ergibt eine vergleichbare
Zunahme an Permeat, die ein bestimmter Abschnitt des Druckgefäßes liefert, wodurch die Zahl teurer Druckgefäße,
von Vervielfältigern etc. in einer Zellenbank vermindert
werden. Indem man vom 5-Kern-Entwurf 4er Abb. 11 zu der 8-Kern-Konstruktion der Abb. 12 übergeht, kann die Stärke
des Permeat-Ganges nach und nach erhöht werden. Abb. 13 und 14 führen das Konzept der Abb. 11 und 12 weiter
fort. Bei diesen Konstruktionen sind zwei innere Rohroberflächen, Nr. 2, mit einer Membrane überzogen, während'eine
dritte, Nr. 3, den Permeat-Gang bildet. In Abb. 14 ist die
Membranoberfläche 2,6 mal so groß wie bei der üblichen Außendruck-2-^-Zoll-Konstruktion der Abb. 7, was einen
160%igen Zuwachs an Membranoberfläche bedeutet.
Zur Vereinfachung von Installation, Reparatur und Bedienung
ist es vorteilhaft, die Zahl der Permeat-Verbindungen zu verringern. In Abb. 15 und 16 stelle ich daher eine bevorzugte
Verwirklichung der Erfindung dar. Das Zentralrohr, Nr. 32, ist der Permeat-Gang; alle anderen inneren Rohroberflächen,
Nr. 31, sind von Membran, Nr. 4, überzogen. Die Außenoberfläche kann nach Wunsch gleichfalls mit einer Membran,
Nr. 5, überzogen werden. Diese Konstruktion bietet zahlreiche Vorteile gegenüber meinen anderen Druckausgleichs-Rohr-Entwürfen.
Außer bei den inneren Rohröffnungen bedeuten die Nummern an den Abbildungen das gleiche wie bei früheren
Abbildungen. Der prinzipielle Unterschied liegt in der Verwendung vieler zylindrischer, Membran-überzogener,
innerer Rohroberflächen, Nr. 31, einer zylindrischen Außenoberfläche,
wo eine Membran wahlweise angebracht werden kann, Nr. 5, und ein zentraler, nicht überzogener Permeat-Gang,
Nr. 32, der mit Verbindungsstücken ausgerüstet ist.
Bei dieser Konstruktion ist der Permeat-Gang, Nr. 32, nicht
notwendigerweise kleiner oder größer als der Zufluß-Gang,
Nr. 31.
Abb. 15 und 16 zeigen zweijmögliche Wege, wie dieses Konzept
bei Rohrgrößen von 2 bis 3 Zoll genutzt werden kann.
Abb. 17 und 18 demonstrieren zwei mögliche Konstruktionen, die für Sj-und 4-Zoll-Rohrgrößen geeignet sind. Sie stel-
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len nur Beispiele dar und bedeuten keine Begrenzung hinsichtlich
der Größe des DrucVcnefäßes oder der Durchmesser
der Zufluß- oder Permeat-Gange oder der Peihenzar.l der inneren
Rohröffnungen.
Abb. 19 ist ein Querschnitt von zwei Kernen, die der Konstruktion der Abb. 15 entsprechen und die eine Methode zur Verbindung
einzelner Kerne zeigen.
Abb. 20 zeigt eine Anordnung von Druckgefäßen mit Kernen ähnlich den in Abb. 15 bis 19 dargestellten. Die inneren
Passagen sind nicht zu sehen. Zusätzlich zu anderen Standardbezeichnungen ist Nr. 41 der Permeat-Sammler, Mr 42
das Permeat-Teil des Kopf-Gußstückes, Nr. 43 das Zuflußlösungsteil
des Kopf-Gußstückes, Nr. 44 ist eine Rohr-Kupplung, Nr· 45 ist ein Rückhalte-Flansch an Permeat-Ende d s
Druckgefäßes, Nr. 46 ist eine Dichtung für die Rohr-Kupplung
Nr. 44 und Nr. 47 ist ein Kragenstück für die Rohr- Kupplung Nr· 44. Ich habe zwar gefunden, daß diese Konstruktion
eine Verbesserung gegenüber Entwürfen darstellt, bei denen ein Ende der Apparatur nur Kopfstücke vom Typ Nr. 42
und das andere nur solche vom Typ Nr. 43 hat, so kann mein Kern-Entwurf doch nach beiden Arten eingesetzt werden,
vorausgesetzt, daß kein Steck-Verbindunosstück verwandt
wird, also etwa ein Bayonette- oder Gewinde-Verbi-nöun-sstjck
oder Rohrbeschläge.
Olese Verwirklichung meiner Erfindung behebt viele der Nachteile
anderer Rohrkonstruktionen und bringt auch neue Vorteile mit sich, die-.während der Entwicklungsarbeiten nicht
vorauszusehen waren.
Im Hinblick auf Innendruck-Rohr-Konstruktionen behebt meine
Erfindung die vorher genannten Nachteile wie folgt:
1. Das Problem, daß eine Membran infolge von Berstspannung unter Spannung gerät, existiert nicht, da die inneren
Membran-überzogenen und die äußeren (falls gewünscht) Membran-überzogenen Oberflächen des Kerns sich in einem
statischen, mechanischen Gleichgewicht befinden.
2. Es sind keine Kopfstücke mit Flüssigkeitsdruck an entgegengesetzten
Rohrenden vorhanden, was zu einer Spannungskonzentration an den Enden der Rohroberflachen
führte.
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3. Da die Rohroberflächen keinen unausgeglichenen 3erstdruckenausgesetzt
sind,platzen die Rohre nicht.
4. Infolge des Fehlens von unaungoglicherief: ierstspannur.—
gen können die Grenzen der; F.e:..riebsdruckes von den üblichen
800 psi (53,3 kg/cn2) auf über 2C00 psi (13 3 kg/crr;2)
erhöht werden, falls die Anwendung dies erfordern sollte.
5. Das teuere Spannungsgestänge entfällt.
6. Packdichten von erheblich höherer Größenordnung können
erreicht werden.
7. Ein Totilausfall des Rohrsystems kommt rieht vor. Im
Falle kleinerer Membranf eh l-er kommt es bei nerr.braner.
auf einer halb-porösen Unterlage zu einen Selbstheiiur.gs-Prozeß.
Suspendierte Feststoffe in der Zufuhrlösung verstopfen die Passagen in der Unterlage für gewöhnlich,
wodurch diese Lecks eliminiert werden. Falls erforder lich kann dieser Prozeß durch Einführung eines Latex
oder eines Naturharzes in den Zufluß beschleunigt werden. Wenn sich ein Defekt durch, diese Behandlung nirtt
schnell genuq beheben laßt, kann ein einzelner iecnent
aus der Reihe von Kernen an Ort und J teile er:e:st werden.
Da das Druckgefäß i.'r. 5 ein konventionelles Lehr
stück darstellt, bleibt es durch einen solchen Defekt unbeeinflußt. Lediglich der Kern muß repariert oöer ersetzt werden.
In gleicher Weise behebt meine Erfindung die ober. ?ena~r\- ten Nachteile von Außendruck-Rohr-Konstruktior.en wie folgt:
1. Die Kerne der Abb. 15 bis 19 haben, selbst wem sie aus Keramik hergestellt v/erden, einen viel größeren Gesart-
querschnitt (Verhältnis Durchmesser zu Länge) als her kömmliche von außen untsr Druck gesetzte Kerne, was die
Festigkeit erhöht und Bruchprobleme auf ein Mini murr, zurückführt.
Außerdem kann eine viel größere Auswahl von Werkstoffen.für ihre Herstellung verwandt werden. 3ei-
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_ 26 -
spielsweise sind gesinterte Kunststoffe, wie cesintertes
Polyäthylen nicht brüchig und können bei -einer Erfindung eingesetzt werden.
2. Statt sieben t'aar Kupplungen je Verbindung (C.91 m) ,
wie bei der 2-x-Zoll-7-Kern-Außendruck-Konstruktion is:
in neiner Erfindung nur ein Paar. Zusätzlich ist es rcöglich,
2 m lange Kerne herzustellen, wohingegen herkÖT.::.-liche
Außendruck-Konstruktionen auf 0.91 m begrenzt sind, auf Grund der Spröcigkeit keramischer Kerne von geringer.
Durchmesser. Diese Tatsache erlaubt eine weitere 55%ige
Reduktion der Verbindungen.
3. Die Kerne können einzeln angeschlossen werden, was eine
einzelne Arbeitskraft bewerkstelligen kam, was zer\ Einsatz
einer vierköpfigen Mannschaft erübrigt.
4. Poröse Materialien geringerer Dichte können eingesetzt
werden, wodurch das Gewicht reduziert wird.
5· Nur ein Turbulator je Einsatzstück ist erforderlich
statt der herkömmlichen 7 eier 10, wie bei ':!e:· '--7- or!or
A-Zoll-Außendruck-Rohr-Konstruktionen. Bei Fehle:; cer
wahlweise anzubringenden Außenrr.enbran kann völlig suf
ihn verzichtet werden.
6· Der Durchmesser der Innenpassagen und der rinc:iörmire
Spalt zwischen Kern und Druckgefäß kann variiert und in Hinblick auf eine optimale hydraulische Effizienr;
und Flußverteiluna (innen und außen) konstruiert werden, wodurch das Problem von Toträumen und schlechter Flußverteilung
herkömmlicher Konstruktionen eliminiert wird. Wenn die äußere Membran, Nr. 5, weggelassen ist, wird
durch genaues Einpassen des Kerns der äußere Fluß nini-
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miert. Oder ein einzelner O-Ring oder eine Ehrliche
Dichtung kann verwandt werden, um äußeren Fluß zu verhindern ohne das Druckausgleichs-Konzept zu opfern.
7. Die Eliminierung von Toträumen vermindert auch das Rückhalte-Volumen, wodurch ein höheres Auf kennen trierur.qsverhältnis
möglich wird.
8. Höhre Packdichten werden erreicht, die einen 147%igen
Zuwachs an Membran ergeben, verglichen rr.it konventionellen
2-|-Zoll-7-Kern-Außend ruck-Rohrkon s trukt ionen.
9. Da einzelne Gliedstücke in der Anlaae angeschlossen
werden, so wie sie eingefügt werden, kann der r'reie Arbeitsraum
auf die Lange eines Kernsegrrents beschränkt
werden; beispielsweise reicht 1 Meter für !---Kerne -us,
statt der für übliche 7-Kern-/\ußendruck-:<chr-Ko-'-struk-tionen
erforderlichen 6 Meter.
10. Gesinterte oder anderweitig vorfestigte Kerne sind
dem kreisförmigen Querschnitt ihres Richtdcrns besser angenähert als Kerar.ikkerne. (Es wird beträchtlicher
Aufwand getrieben, um ein Einsinken oder F *.?.c!iwerc:en
von Keramikteilen wahrend des Brennens zu verhindern)
Querschnitte mit einer K reis form sine! für tin wirksurr.es
Gießen von Außendruck-Rohrmer^branen wesentlich.
11. Nur ein Satz von Ver'-vin. dunre-.: ück en ict ;«; Ve·."':* in dun ··:.--
stelle erforderlich statt v.'io übilcii 7 ojer l-"2. Au"er-
dem können die Verbindungsstücke ciirekt in ts..~>
Flastik- material eingeschmolzen v/erden, wie in Abb. 1° gezeigt,
was die Dichtigkeit erhöht und die Zahl der erforderlichen Dichtungen auf eine je Verbindungsstelle beschränkt,
statt der üblichen drei. Im Fall der 1"-Kern-Kcnstruktion
erlaubt dies die Eliminirung von 38 Gummidichtungen ie Verbindungsstelle. Zudem können die Kerne 2 rn statt
0,91 m lang gemacht werderyvas ein Einsparen von EA Dichtungen
je Segment bedeutet.
12. Da weniger Bedienungsraum benötigt wird, könne-, die
Zellen-Moduln vorbeiden Enden her bedient werden. Bei
konventionellen Außendruck- Konstruktionen ist eine Art
Gußstück für das Bedienungsende erforderlich, und eine
zweite Art für das andere Ende. Bei meiner Erfindunc kann
das gleiche Gußteil für beide Enden verwandt -./erden.
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- ar -
13. Dicitungsausfalle infolge von viskosem Strömungswiderstand
entfallen bei Verwcnriunq eier unter 12 beschriebener,
und in Abb. 20 gezeigten Gußstücke. Di» Kerne kernen
so eingebaut werden, daß die Kräfte des Strcnun-swiderstandes
stets gleichgerichtet sind wie die Länrs-Kompressions-Kräfte
statt ihnen in der Hälfte der Zellen entgegenzuwirken, wodurch die Verläßlichkeit der
Verbindungsstücke verbessert wird.
Zusätzlich zu dem oben genannten ermöglicht meine Erfinc'jn7
folgende Vorteile, die auf Grund früherer Erfahrung nicht zu erwarten waren:
1. Das Konzept erlaubt einen weit größeren 3ereich von Druck-
gefäßgrößen und ist nicht begrenzt auf die 2-Zcll, 2-|-
ZoIl und 4-Zollrohrgrößen. Dies erlaubt eine weitere
Reduzierung der Druckgefäß-Kcoten und verringert eic
Betriebskosten (Pump-Kosten).
2. Die End-Flächen einzelner Rohrbündel müssen r.Lz'nt rrit
Dichtungen ausgerüstet werden, ca sie aisescr.nolren, eingekapselt
oder auf andere Weise undurchlässig gerächt
werden können, ohne daß weitere Gur.nicichfjn-en n'Jtiwären.
Diese Neuerung ist von besonderer. ::ut::cr.. un c'ie
Einwirkung von suspendierten feststoffen zu vr:r"ir.-;er-,,
die in manchen Zuläufen vorfanden s;.:i-J.
3. Kerne tier Abb. 15, IG um: 10 kennen verwarü: v::tc-:,i:-i
7-Karn-Außendruck-Rohr-3yste:re umzurüster., wocurcr ein
'erhöhte Produktion bei gleichen Arbeitsdruck oder die
gleiche Wassermenge bei wesentlich niedrigeren Drucken erreicht wird, was die Betriebskosten beträchtlich verringert.
Ähnlich kann die 4-Zoll-Konstrukticn der Abb. -JR sur Umrüstung eines 19-Kern-Außendruck-Syste-ns verwandt
werden.
4.. tin weiterer unerwarteter Betriebsvorteil ergab sich ;*8 dem Platz zwischen den Kernen in Reihen. Ir, Innen-
und Außen-Druckrohr-Konstruktionen entwickeln sich hohe Konzentrationen der gelösten Substanz und unbewecte
Grenzschichten in unmittelbarer Nähe der Γlerbranoberfla'chen,
welche sich Stromabwerts ausbreiten, indem die zu behandelnde Lösung durch oder entlang der Rohre fort-
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geleitet wird. Bei meiner Konstruktion gerät die Flüssigkeit jedoch in die 1 bis 15 cm weiten Lücken zwischen
θ η
den Rohrsegmenten, wo die Lösung aus den Innenrohr-Passagen und der möglichen Außenrir.g-Fassace unter turbulenten
Bedingungen gründlich getischt werden, bevor sie das nächste Segment eines Druckausgleichs-Rohr-RO-Kerns
erreichen.
5. Wegen des Druckausgleichs der Konstruktion sind große Wandabschnitte zwischen der äußeren rohrförmigen Oberfläche
und den Innen-Rohren nicht erforderlich. Auch zwischen nebeneinander liegenden inneren Rohroberflächen
sind keine großen Abstände nötig. Diese Eigenschaften
erleichtern das Problem, hohe Packungsdichten zu erreichen. Wenn die Wände ausreichend fest sind, sodaß Brüche
wShrend der Herstellung, des Transportes und der Installation nicht vorkommen, und wenn sie den Durchgang
des Permeats erlauben, werden im Normalbetrieb keine Ausfälle vorkommen. Der Koeffizient des Fließwiderstandes
vieler erhältlicher poröser Substrate ist wesentlich höher als der der Membranen, was vergleichsweise
langsame innere Flußgeschwindigkeit zur Folge hat. Weiterhin ergeben geometrische Überlegungen in Hinblick
auf die Rohrlage angemessene Querschnitte für den Durchflu.1
des Permeats von der I-le-nbr-nnoberflache zum Perneat-Gang,
sodaß parasitische Verlusre in Grenzen gehalten werden können. Dieser Punkt ist unten ausführlich diskutiert.
6· Wenn Kernmaterialien aus einer der Gruppen poröser organischer
Substrate (z.B. Kunststoff, Bitumen, etc.) ausgewählt Wird, und wenn dio Turbulatoren, Verbindungsstücke
und Dichtungen gleichfalls aus organischen Substanzen bestehen, ist eine solche Apparatur besonders
geeignet für kerntechnische Anwendungen. Sie kann durch thermische oder chemische Einwirkung zersetzt werden,
wodurch das kleinstmögliche Volunen an festen Abfällen entsteht.
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7. Wegen des großen Durchmessers von Druckgefäß und Kern sind komplizierte Hochdruck-Parallel-Serien-Vervielfältigunaen
nicht erforderlich, wie unten weiter erläutert.
Abb. 21 zeigt eine weitere Ausführung des Kcnstruktions-Prinzips
der Abbildung 4, in dor eine durchlochtc l.'r.^nntelung,
Nr. 20, in einen porösen Kern eingebracht ist. In diesem Fall ragt die durchlochte Ummantelung aus den· F.nco
des Kerns heraus (Durchlöcherung nur innerhalb des Kerns) und endet in einer Rohr-Kupplung, Nr. 50, was Kernverbindungen
erleichtert. Das mit einem Gewinde versehene Ξ nee
kann dann direkt mit dem Aufnahme-Flansch, Mr. 4Ξ, verkuppelt
werden, ohne daß ein unzuverlässiger Per~eat-5arr.~:Ier,
Nr. 41 aus Abb. 20, erforderlich v/äre. Der letzte: Kern ist dann mit einer herkömmlichen Rohrkappe verschlossen, IJr.
Abb. 22 zeigt eine weiter Ausführung, ahn lic'.-, w- in A'cb. 2 1,
jedoch unter Benutzung herkömmlicher Rohrbeschläre. In diesem
Fall sind AN-oder PiS-Bosch lüqo noncigt, αηοοιο l:o; r;:or:: iol 1
erhältliche Typen von Rohrbeschlägen, wie "Swaoelok" öler
"Eastman" könnten ohne Änderung des Grund-Konzeptes jedoch
verwandt werden. Zusätzlich zu bereits benannten Punkten 1st Nr. 60 eine Mutter Typ "B", AN-813 oder ::s-2O£12; r:r.
ist eine Muffe, ΛΝ-819 oder i!S-2O319; Nr. 62 ict ein rohrverbindungsstück,
AN-815 oder IiS-24392; Kr. 53 irt ein P.or.r-Stopfen,
AN-806 oder Μ3-2 4ΊΟ4, der als blir,-:or Stopfer. ~icr. Ί,
ähnlich Wie Nr. 10 in Abb. 3; Nr. 64 ist ein Zwischenstück zwischen Innen- und Verbindungs-Rohr, AM-316 oder ;i5-2O31c,
direkt mit dem Aufnahme-Flansch, Nr. 45, verkuppelt, ohne ein« Permeat-Sammler, Nr. 41 in Abb. 20, ein bekannter Ausgangspunkt
für Leckentwicklung; Nr. 65 ist ein O-Rinc (cie-S*r O-Ring ist nach unseren Befunden besonders geeignet,
um Lecks zwischen Druck-Kammer und Permeat-Gang zu verhindern,
obwohl es bekannt ist, daß diese O-Ring-Konstruktion
siur Verhinderung von Lecks in hydraulischen Anwendungen,
wofür er ursprünglich konstruiert wurde, von begrenzter?, Nutzen ist); Nr. 66 ist ein Drehgelenk und Nr. 67 ein Schaufelrad,
die beide eingebaut werden können.
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- ir
Diese Konstruktion stellte sich als diejenige mit der
größten Anpassungsfähigkeit heraus, da sie die Anbringung
der '"'enbranen sehr vereinfacht, das Auftreten von Lecks
auf ein Minimum beschränkt und die größte Zuverlässigkeit
bei Trinkwasser und Abva.-ser-Anv/enduncjen zeigt. Die hohe
Druckfestigkeit, in Kombination mit hoher Verläßlichkeit
erlaubt es, diese Konstruktion zur einstu.icen Keerwasserentsal^ung
zu verwenden. Das Drehgelenk, :J3s eingebaut werden
kann, erlaubt eine langsame Drehung der aneinander gereihten Kerne, besonders im Anlauf, angetrieben durch das
Drehmoment, das der Tur'oulator Nr. 11 erzeugt. Diese
Neuerung zeigt nur sehr geringe Neigung zur Verschmutzung und dem Abscheiden von suspendierten Feststoffen auf der
Unterseite der Außen-Membran, die als Option eingebaut
werden kann. Für höhere Kern-Größen ist das vergleichsweise geringere Volumen der zu behan:' Inden Lösung, das durch
die Ringöffnung passiert, nicht ausreichend, um die Reihe der Kerne in Drehung zu versetzen, wozu das als Option einbaubare
Schaufelrad, Nr. 67, nötig ist.
Abb. 23 zeigt eine Konstruktion, die der der Abb. 22 ähnlich ist, mit Ausnahme davon, daß taugliche und bewährte
Sanitür-Deschläge verwandt wurüen, um den Sauberkeitsanforderungen
der Lebensmittelindustrie gerecht zu werden. Nr. ist die Halte-Mutter; Nr. 71 ist der Flansch; Nr. 72 Kupplung
mit Gewinde; Nr. 73 Sanitär-Dichtung; Nr. 74 Sanitär-Leer- oder End-Stopfen.
Bei den Konstruktionen der Abb. 21, 22 und 23 kann eine Drehung der Kerne auch ohne ein Drehgelenk in Abständen
2U Stande gebracht werden. Bei regelmäßigen Wartungen können können die Rohr-Kupplungen, Mr. 44, gelockert und der
Halte-Flansch, Nr. 45 von Hand um 60° bis 90° gecrer.t werden,
wobei die gesamte Reihe von Kernen mitciedreht v:ird.
Die Konstruktionen der Abb. 21 und 22 gestatten auch die Umrüstung und Leistungsverbesserung konventioneller Außendruck-Rohr-Konstruktionen.
Die Rückseite des vorhandenen Halte-Flansches Nr. 45 kann durchbohrt, mit einen Gewinde
versehen und an eine geeignete Kupplung angeschlossen werden. In Fall der Abb. 23 ist ein Stück Sanitär-Rohr durch
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den Halte-Flansch geschweißt. Der störungsanfällige Permeat-Sammler,
Nr. 41, wird dadurch eliminiert.
Bei den Konstruktionen der Abb. 21, 22 und 23 ist das F robler.,
das darin liegt, daß Dichtungen und S^-.eck-Beschläge auf
Grund viskosen Strömungswicerstances auseinander gezogen
werden, vollkommen eliminiert. Entsprechend braucht nicht besonders darauf geachtet r,u werden, die Flußrichtung ::un Permeat-Ende des Druckgefäßes hin aufrecht zu erhalten.
Für den Fall, daß ein Drehgelenk eingesetzt wird, υπ eine Kernrotation zu veranlassen, ist die Flußrichtunq vom Fermeat-Ende des Druckgefäßes hinweg vorzuziehenf umgekehrt
wie es in Abb. 20 gezeigt ist.
Grund viskosen Strömungswicerstances auseinander gezogen
werden, vollkommen eliminiert. Entsprechend braucht nicht besonders darauf geachtet r,u werden, die Flußrichtung ::un Permeat-Ende des Druckgefäßes hin aufrecht zu erhalten.
Für den Fall, daß ein Drehgelenk eingesetzt wird, υπ eine Kernrotation zu veranlassen, ist die Flußrichtunq vom Fermeat-Ende des Druckgefäßes hinweg vorzuziehenf umgekehrt
wie es in Abb. 20 gezeigt ist.
Außendruck-Rohr-RO-Konstruktionen verwenden spezieil gespritzte
oder gedrehte Plastik-Kupplungen und Gummidichtungen,
die zu unzuverlässigen Verbindungen irit häufigem Ausfall
infolge von Lecks führen. Diese für einen speziellen Zweck und von einem einzelnen Hersteller produzierter. Teile
erhöhen zudem die Kosten und schaffen schwierige Ersatzteil-Probleme. In den Ausführungen, die in Abc. Σ.Ι,Γ~ und
23 dargestellt sind, verwende ich jedoch sehr zuverlässige, wohlerprobte, im Handel erhältliche Teile. Die meisten dieser
Verbindungsstücke können von vielen Steilen celiefert
werden, wodurch Kosten und Ersatzteil-Probiene vtrmincert
werden. Außerdem eliminieren diese Verbindungsstücke das Problem der Trennung von Verbindungen infolge viskosen
Strömungswiderstandes vollkommen.
Strömungswiderstandes vollkommen.
Abb· 24 und 25 zeigen weitere VerwirkIicr.unr.en rreir.er Erfindung,
bei denen auf die Verwendung des gegossenen Permeat-Kopfteils
Nr. 42, des gebogenen Kcpfteils Nr. 43, und
des Halte-Flansches Nr. 45 gänzlich verzichtet wird.Die
Werkzeugherstellung für diese Teile sowie deren Produktion selbst machten einen wesentlichen Anteil der Produktionskosten von Außendruck-Rohr-RO-Systemen aus. Ich habe gefunden, daß ich sie durch konventionelle, im Handel erhältliche 180°.Krümmer ersetzen kann (Nr. CO). Zu diesen Standard-Krümmern füge ich ein oder zwei Permeat-Entnahme-Sohre,
Nr. 81, die so zentral angebracht werden, daß sie aus den Krümmern auf der Achse oder den Achsen der jeweiligen Druckgefäße hervortreten. Zwei Muffen, Nr. 82 werden gleichfalls
Werkzeugherstellung für diese Teile sowie deren Produktion selbst machten einen wesentlichen Anteil der Produktionskosten von Außendruck-Rohr-RO-Systemen aus. Ich habe gefunden, daß ich sie durch konventionelle, im Handel erhältliche 180°.Krümmer ersetzen kann (Nr. CO). Zu diesen Standard-Krümmern füge ich ein oder zwei Permeat-Entnahme-Sohre,
Nr. 81, die so zentral angebracht werden, daß sie aus den Krümmern auf der Achse oder den Achsen der jeweiligen Druckgefäße hervortreten. Zwei Muffen, Nr. 82 werden gleichfalls
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eingebaut, um eine Verbindung durch die Rohr-Kupplung Nr. 44 zu ermöglichen. Die zu behandelnde Lösung kann dann in
die Zellenbank eingeleitet werden und das Konzentrat kann direkt oder durch die konventionellen Rohrbogen Kr. 83,
die gleichfalls mit Muffen für Rohr-Kupplungen ausgerüstet sind (Nr. 44) entnommen werden.
Abb. 24 und 25 sind im Prinzip identisch,außer daß bei Abb.
24 alle Permeat-Verbindungen am gleichen Ende der Anlage sind und sie in Abb. 25 abwechseln, um zu ermöglichen, daß
die Flußrichtung immer entweder zum Permeat-Ende der Zelle hin oder vom Ende weg gerichtet ist, und zwar entsprechend
den besonderen, oben beschriebenen Notwendigkeiten. Daher ist es bei Abb. 25 notwendig, daß sich ein Permeat-Rohr,
Nr. 84, in einem Rohrbogen Nr. 85 befindet. Die Flußrichtung kann entweder hin oder weg vom Permeat-Ende gerichtet
sein, je nach dem, ob dieser Krümmer Nr. 85 Lösungszufluß oder Konzentrat-Auslaß ist. Ist Nr. 85 der Konzentrat-Auslaß,
wäre der Fluß nach dem Permeat-Ende gerichtet. Ist Nr. 85 der Lösungszufluß, wäre der Fluß vom Permeat-Ende
weg gerichtet.
Bei Hohlfaser^ Spiralmodul-, Innen-, und Außendruck-Rchr-RO
haben wirtschaftliche Überlegungen die Zahl der Größen
von Druckgefäßen und Moduln auf höchstens zwei oder drei begrenzt. Diese Begrenzungen rühren von verschiedenen Faktoren
her, etwa der Verwendung von hoch-spezialisierten Gußteilen, von Werkzeugen und Anlagen und von geometrischen
Überlegungen. Da diese Einschränkungen wegfallen, sind Möglichkeiten für verbesserte Konstruktionen geschaffen.
Um große Durchflußmengen in der begrenzten Zahl erhältlicher
Modulgrößen unterzubringen, war es üblich, die Druckgefäße und Moduln in Parallel-Serien anzuordnen. Jedoch erfordert
das Rohrsystem solcher Paral iel-Serien-Systerre eine komplizierte
und teure Hochdruck-Vcrvielfaltigunc. Diese Vervielfältigung
wird besonders kompliziert, wenn hohe Konzentratiohsverhältnisse
erreicht werden rrüssen. 3ei eine- Konzentrationsverhältnis
von 10:1 dürften sie mit 12 bis 2o Druckgefäßen in Parallel-Serie beginnen und dann stufenweise
auf einige Gefäße in Einzel-Serie zurückgehen.
Beginnend mit der Konstruktion, die im Handel erhältliche
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_ -yd -
180°-Rohrkrümmer verwendet (Abb. 24 und 25), habe ich die
Notwendigkeit zur Parallel-Serien-Vervielfältigung eliminiert,
und zwar durch Verwendung von Standard-Rohr-Reduzierstücken, wie in Abb. 26 gezeigt. Diese Konstruktion ist im
Prinzip die gleiche wie die der Abb. 24, mit der Ausnahme, daß Reduzierstücke, Nr. 86, verwandt wurden, um es zu ermöglichen,
verschiedene Größen von Druckgefäßen in Reihe zu benutzen, wodurch eine hohe Turbulenz aufrecht erhalten
wird, trotz der Tatsache, daß die Lösungsflußmenge abnimmt, da bestimmte Mengen Permeat auf jeder Stufe entfernt werden.
In dieser Abbildung ist ein exzentrisches Reduzierstück gezeigt, obwohl kein Grund besteht, ein konzentrisches
Reduzierstück nicht zu benutzen, vorausgesetzt, daß Platz und Überlegungen zu Anordnung dies erlauben.
Um auf einige der möglichen Kern-Konstruktionen hinzuweisen, werden in Tabelle I die Characteristika von vielen Kombinationen
und Anordnungen von Kernen gezeigt, die nach diesem allgemeinen Prinzip hergestellt werden könnten. Die gezeigten
Rohrgrößen liegen zwischen 1» und 48 Zoll. Am unteren Ende der Tabelle sind die Eigenschaften einer im Hnadel
erhältlichen Innen- und einer im Handel erhältlichen Außendruck-Rohr-Konstruktion
angeführt.
Bei 3 Zoll habe ich zwei verschiedene Wandstärken aufge-'
führt, Plan 5S und 40 und zwei verschiedene Anzahlen von Innenrohren, nämlich 18 und 36.
Tabelle I zeigt, daß mit zunehmendem Durchmesser der Druckgefäße das Verhältnis von innerer zu äußerer Membran-Oberfläche
zunimmt. Die äußere Oberflächengröße ist dem Außendurchmesser direkt proportional, während die innere näherungsweise
mit dem Quadrat des Außendurchmessers zunimmt. Zusätzlich nimmt mit zunehmender Größe die Möglichkeit die
äußere Membran zu beschädigen zu, und Überlegungen zur Dimension machen es sehr schwierig,eine gute Membran zu gießen.
Membranen sind normalerweise nur 75 bis 150 Mikron dick. Während für kurze Kerne Tauchguß-Verfahren eingesetzt
wurden (R-22) werden qualitativ bessere Membranen durch "Extrusion" durch steife Ringschablonen hindurch
erhalten. Bei diesen Schablonen muß die Kern-Elliptizität
sorgfältig auf 25 bis 50 Mikron höchstens begrenzt werden
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Tabelle I. Kern-Größen, Innenrohr-Zahl,' Jnnenrobf-Größen,
Membran-Flächen, Querschnitte und Lir.eargeschwindigkeiten
| U | ι-Ι | C | :ιθ | ε | C | Q) | Q | ε | |
| xz | .-I | Π] | υ | (D | H | U | |||
| O | O | 1—( | Q) | C | £ | ||||
| cc | N | σ> | C | O | Li | ||||
| ^^ | I | λ: | Q | H | XZ | • | |||
| Q) | υ | H | O | ||||||
| •Η | Q) | χ: | U | CC | (U | ||||
| R) | C | ο | U | Q) | cn | ||||
| U | C | :0 | tr | Q | X) | C | |||
| V | •Η | Li | |||||||
| E | ε | O | r—( | ||||||
| E | 0 | XZ | |||||||
| 3 | ζ | (0 | |||||||
| Z | N | ||||||||
hi
Uh
i*5
U6
i*5
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20.27 20.27 20.27
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Flußgeschwindig keit 0.38 m/sec
σ» r
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1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.600 0.356 1.600 0.356 1.31» -
0.23 0.57 0.68 0.8I+ 1.19
1.13
1.36 13
1.58 1.39 1.89
2.U5 2.0:
97 39
U.
6.33
6.10
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19.60
21.31 28.08 35.62 U3.35 56.36 51.0U 61.07 87.1*6
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17.0
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17.0
10
19
19
19.6
- 21.3
28.1
28.1
- 35.6
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- 67
- 112
- 11*7
- 201»
- 270
0.356
0.356
0.76
0.356
0.356
0.76
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U7.1
87.6
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77.9
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1296
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1,352
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83.3
809840/0619
Nr. 44 und 45 stellen die Standard ROpak-7-Kern-Konstruktion dar
Nr. 46 ist die Standard Patterson-Candy-Konstruktion
-Li
Es ist sehr schwierig, große poröse Kerne mit dieser Genauigkeit
hinsichtlich ihrer Außenoberfläche herzustellen.
Wegen der Bearbeitungsprobleme und weil die äußere r-iembran
nur einen kleinen Teil der Gesamt-Membranjeines großen Kerns ausmacht, ist es vorteilhaft, die äußere, nur als Möglichkeit
vorgesehene, Membran Nr. 5 bei großen Kernen wegzulassen.
Die rechte Hälfte der Abb. 27 zeigt einen Querschnitt eines 8-Zoll-Kerns, der 210 Innenrohr-Membranen aber koine Außen-Membran
hätte. Der Einfachheit halber wurden die inneren Membranen Nr. 4 in dieser und den folgenden Abbildungen
weggelassen. Die Süßere Oberfläche kann wie bei Nr. 7,
Abb. 1 abgedichtet werden, oder ein dünner Metall- oder Kunststoff-Überzug Nr. 90 kann um den Kern angebracht werden.
Noch einmal Bezug-nehmend auf Tabelle I ist zu sagen, daß bei 8 Zoll eine Konstruktion mit Au3en-Membran und acht
verschiedene Konstruktionen ohne Außon^Menbran aufgeführt
sind. B·! der Konstruktion mit der Außen-Membran habe ich
216 Membran-überzogene Innen-Rohr-Oberf lachen angegeben,
während die erste der Konstruktionen ohne Außen-i'er.bran
nur 210 Innen-Rohr-Oberflachen hat. Der Grund dieses Unterschiedes
ist, daß es mit zunehmendem Permeat-Voiune-!
erforderlich wird den Durchmesser der Permeat-Gänge cu erhöhen.
Um die größeren Gänge unterzubringen mußt« der innerste
Ring der Rohre weggelassen werden. 6in weiteres Problem entstand, als die Größe der Kerne
erhöht wurde. Das Problem resultierte aus der oeor.etrischen
Begrenzungjder Abstände der Rohre der ersten Reihe.
Nimmt man in einem hypothetischen Beispiel an, der Durchmesser
äer Rohre der ersten Reihe wäre gleich ihrem Abstand von der Mittelpunktslinie, dann wurden sie einander berühren
und kein Permeat könnte von den äußeren Reinen zu^
Permeat-Gang passieren. Läge beispielsweise die erste
Rohr-Reihe auf einem Kreis 1 cm von der zentralen Achse entfernt, und hätten die Rohre einen Durchmesser von 1 cn,
plaziert alle 60°, dann wurden sie einander berühren und es wäre kein Platz für poröses Material zwischen ihnen.
809840/0619
Andererseits, wären die Mittelpunkte der Rohre dor zweiten
Reihe besagten Kerns auf einem Kreis mit dem Radius 2 cm
und wären diese Rohre mit dem Durchmesser 1 cm alle 3C um den Kreis plziert, denn bliebe ein kleiner Abstand
zwischen den Rohren, wie auf Abb. 23 zu sehen. Der Hittelpunkt-zu-Mittelpunkt-Abstand
dieser Rohre ist 4 sin 15° = 1.0353. Da der Rohr-Radius nur 0,5 cm ist, verbliebe ein
Abstand von 2(0.518-0.500)=0.036. Wurden ähnlich in der
dritten Reihe 18 Rohre im Abstand von 20° plaziert, dann wäre der Abstand der Mittelpunkte G sin 10° = 1,0419 crr.
Der freie Raum zwischen nebeneinander liegenden l-cm-Rohron
wäre 2(0,521-0,500) = O.C42 cm. Daraus ersieht rran, daß
für die Reihen nach der ersten ein deutlich größerer Abstand für den Permeat-Flup zum Permeat-Gang existiert.
Diese Erscheinung ist am besten su sehen in dem Unterschied
von Bogen und Sehnen, wie folgt:
_, Λ . 2mnRi 7~" ^* R1 . .
G1 * A = —Γ1- ' wobei
A die Länge des Bogens zwischen den Mittelpunkten
nebeneinander liegender Rohre ist, η die Reihen-Nummer
m die Rohr-Zahl in der Reihe n, und R- der Radius der Reihe n=l
Bei Annahme von R,.= 1,0 cm ist A ■ 7/3 - 1.047198
Gl. 2 C ■ 2n sin Θ/2, wobei
C die Lunge der Sehne zwischen den Mittelpunkten
■ nebeneinander liegender Rohre ist, und "f θ der Winkel, der gebildet wird, wenn man die Mittelpunkte
der Rohre mit dem Mittelpunkt des Kreises, ' . auf dem.die Mittelpunkte der Rohre liegen, verbindet,
809840/0619
Berechnet man die Länge der Sehnen für verschiedene "Werte
von n, wobei m = 6, so findet man die folgenden Besiehungen:
n-1; C - 2xlxsin 60/2 « Zx 0.5 . 1.00000; Λ-C = 0.04720
n«2; C - 2 y 2 .x sin 30/2 * 4 x 0.25882 - I.O352O; A-C == 0.01192
n-3; C - 2 χ 3 x sin 20/2 ■ 6 χ 0.17365 - 1.04189; A-C « 0.00531
n«4; C - 2 χ 4 x sin 15/2 « 8 χ 0.130528 » 1.04421; A-C «. 0.00299
n-5; C · 2 χ 5 x sin 12/2 - 10 χ 0.104528 - 1.04528; A-C =. 0.00192
n«10}C - 2 χ ßx sin 6/2 - 20 χ 0.052336 - 1.04672; A-C --- 0.00047
n-20;C - 2 χ 20x sin 3/2 - 40 χ 0.026177 ■ 1.04708; A-C = 0.00012
Somit ist demonstriert, daß bei zunehmendem Abstand vom
Mittelpunkt sich die Lange der Sehne der des Bogens annähert.
Mittelpunkt sich die Lange der Sehne der des Bogens annähert.
Eine Lösung dieses Problems ist es, die Rohre der ersten
Reihe etwas schwächer als die der zweiten und folgenden
zu machen. Doch wäre die Flußgeschwindigkeit in dem schwächeren Rohr geringer, was zu einer schwächeren Abweisung
Reihe etwas schwächer als die der zweiten und folgenden
zu machen. Doch wäre die Flußgeschwindigkeit in dem schwächeren Rohr geringer, was zu einer schwächeren Abweisung
." führte. In Grenzfällen wurde
dies zu bevorzugter Verschmutzung der Membranen in den
schwächeren Rohren führen. Ich ziehe es daher vor, wenn
alle Rohre den gleichen Durchmesser haben. 3ei der Ultrafiltration, wo der Durchfluß besonders hoch ist, habe icn gefunden, daß sogar bei geringeren Kern-Großen, wie der,
3-Zoll-Eintrag (Plan 53, 36-Rohr-Konstruktion) der Tabelle I (Nummer 5), es häufig nützlich ist, eines der Rohre
der innersten Reihe wegzulassen und so die Gesamt-Rohr-
Zahl auf 35 zu vermindern; die Fläche der Inr.en-Kenbranen vermindert sich dadurch von 1,19 auf 1,16 rn^/m urcj ^^e q«_ samt-Membran-Flache nimmt von 1,44 auf 1,41 ir.2/m ab, ein
Verlust von nur 2%.
schwächeren Rohren führen. Ich ziehe es daher vor, wenn
alle Rohre den gleichen Durchmesser haben. 3ei der Ultrafiltration, wo der Durchfluß besonders hoch ist, habe icn gefunden, daß sogar bei geringeren Kern-Großen, wie der,
3-Zoll-Eintrag (Plan 53, 36-Rohr-Konstruktion) der Tabelle I (Nummer 5), es häufig nützlich ist, eines der Rohre
der innersten Reihe wegzulassen und so die Gesamt-Rohr-
Zahl auf 35 zu vermindern; die Fläche der Inr.en-Kenbranen vermindert sich dadurch von 1,19 auf 1,16 rn^/m urcj ^^e q«_ samt-Membran-Flache nimmt von 1,44 auf 1,41 ir.2/m ab, ein
Verlust von nur 2%.
Die einfachste Konstruktion basiert auf sechs Rohren in
der ersten Reihe und sechs weiteren Rohren in jeder folgenden Reihe eines Kerns. Den Effekt eines größeren oder ge ringeren Zuwachses demonstriert Abb. 29. In dieser Abbildung 1st ein 6-Zoll-Rohr gezeigt, "n" bedeutet wieder die
der ersten Reihe und sechs weiteren Rohren in jeder folgenden Reihe eines Kerns. Den Effekt eines größeren oder ge ringeren Zuwachses demonstriert Abb. 29. In dieser Abbildung 1st ein 6-Zoll-Rohr gezeigt, "n" bedeutet wieder die
(zusätzliche)
Reihen-Nummer, und "m" die Rohr-Zahl in jeder Reihe. Im
Reihen-Nummer, und "m" die Rohr-Zahl in jeder Reihe. Im
kleinsten dargestellten Kreis ist n=2; Reihe n=l wurde
weggelassen. In Abschnitt A ist 111=6, in den Abschnitten
C und D ist m»7 und in E und F ist in=5.
weggelassen. In Abschnitt A ist 111=6, in den Abschnitten
C und D ist m»7 und in E und F ist in=5.
809840/0619
Der Durchmesser der Rohre in den Abschnitten A, 3 und F ist der gleiche. In Abschnitt P wird deutlich, daß viel
Raum verloren geht, und zwar zwischen den Rohren in einer
Reihe, wodurch die'Packdichte geringer als in Abschnitt A wird. (Dieser /,usa tzl Lche Raum hat potentielle Vorteile,
besonders bei der Ultrafiltration, bei der die Durchflußrate
sehr hoch ist). In Abschnitt £1 wurde der Durchmesser
der Rohre der Reihe n=2 erhöht, um den vorhandenen Raum auszunutzen. Jedoch muf";t"c· dann der Durchmesser des Kreises
n=3 erhöht werden. Wodurch eine weitere Erhöhung des Rohrdurchmessers in Kreis n = 3 mc:] L Ich wurde. Dementsprechend
mußte der Durchmesser des Kreises n = 4 erhöht werden, was eine weitere Erhöhung des Rohrdurchiessers auf der Reihe
n*4 ermöglichte. Schließlich war der Durchmesser der Rohre in Reihe n»5 1,6 mal so groß wie der Durchmesser der
Standard-Rohre der Abschnitte A und F und der Kreis n=S war verloren. Da es, wie vorher erwähnt nicht erstrebenswert
ist, mehr als eine Rohr-Größe in einem Kern su haben,
wäre die Konstruktion des Abschnitts E für RO nicht wünschenswert.
Λ ί pi Λ ·»·
Als nächstes, Bezug-nehmend auf Abschnitt C, mit ' erhöh ten Rohrzahl auf jeder Reihe von 'J , war es notwendig den
Rohrdurchmesser zu vermindern, um einen Ausgleich für den Mangel an Abstand zu schaffen. Man sieht einher, di3
in Abschnitt C vergrößerte Abstände zwischen den Reihen existieren. Dieser Zuwachs hat keinerlei Vorteil.
In Abschnitt D wurde der Durchmesser des Kreises n=3 redu
ziert, um den ungenutzten Raum zwischen den Reihen zu ver mindern. Das führte jedoch dazu, daß der Durchmesser der
Rohre in Reihe n»3 vermindert werden mußte, um den Abstand
Zwischen nebeneinander liegenden Rohren einzuhalten. Ähnlich wie bei Abschnitt E gezeigt, wurden die Durchmes
ser der Kreise 4 bis 6 reduziert, was zusätzliche und zu nehmende Verminderungen der Rohrdurchmesser erforderlich
machte. Eine zusätzliche Reihe, n=7, wurde hinzugefügt.
Damit wird demonstriert, daß bei m=7 die RO-Konstruktion ungünstig wird. Entweder geht Raum zwischen den Reihen
verloren|oder man muß verschiedene Rohr-Größen akzeptieren.
809840/0619
In Abschnitt B ist ein alternierender Entwurf gezeigt, mit m=5 in den Reihen n=2 und 3. Dieses Konzept ist vorteilhaft
für sehr große Kerne, besonders wenn die Porosität des Materials begrenzt ist. Für die Reihen n=4, 5 und δ
ist in Abschnitt 3 jedoch m=6.
Die Rohrzahl ist in Konstruktionen dieses Typs durch die Gleichung gegeben:
Gl. 3 X = m ,
wobei η die gesamte Reihen-Zahl ist, m die Zahl der Rohre
in jeder Reihe und X die gesamte Rohr-Zahl ist. Wie in Abb. 28 gezeigt, ist nicht genügend Plat:: in Reihe 1.
Zur Erreichung einer maximalen Packungsdichte (bei uniformer Rohr-Größe) ist es bei Benutzung der ersten Reihe oft vorteilhaft,
in diese Reihe nur 5 Rohre einzubauen. Wenn daher bei n«l m» 5 ist, dann ist die Gesamt-Rohr-Zahl X-I.
Wird die Reihe 1 ganz weggelassen, dann ist die Gesant-Rc'nr-Zahl X - 6.
Um die Abstände zwischen den Rohren zu maxinieren, ist es vorteilhaft, die Rohrmittelpunkte in nebeneinander liegenden
Reihen zu verschieben. Dabei ziehe ich vor, bei Plazierung des ersten Rohres in jeder ungeradzahlicer. Feine bei
0°, die Mittelpunkte des ersten Hohres in jeder geradzahligen
Reihe um die Hälfte des Winkels zwischen ciesen Rohren zu verschieben. Tabelle II zeigt die Reihenfolge der Rohre
und Ihre Anordnung.
Für eine gute Packdichte sind die Größen der aufeinander
folgenden Kreise durch die folgende Gleichung gegeben:
Gl. 4 Rn » nR^ , wobei
R1 der Radius des Kreises der Reihe n=l ist,
η die Reihen-Nummer und
Rn der Radius des Kreises der Reihe η
Wieder Bezug-nehmend auf Abb. 28, kann der Abstand in der
Reihe η ■ x gefunden werden mit Hilfe der Gleichung:
Gl 5 Rt + Sx/2
Rx
809840/0619
Tabelle II. Zahl der Innen-Rohr-Oberflachen je Reihe und je
Kern. Winkelabstand und L.age des ersten Rohrs in jeder Reihe
unter der Bedingung, daß m a 6.
| I | (U |
I C
U U |
C | I | |
| C | C U | sz | sz a) | Xl | |
| (U (U | r-t ·Η | ο ic: | ΙΛ W) φ | < C | |
| r E | SZ (U | cc | V U SZ | ι ή c | |
| •η ε | Ό CC *-v | I E ^n | X) SZ -H | •-I <■*> | |
| (U 3 | N C | -W *t~i 5£ | O (U | t) X) υ >4 | |
| CC Z | I U IO | E ^ | (U CC CC | X C Γ. w | |
| i-i O »-» | (D l-i | ' C «0 -H | |||
| 1 | JC C | W SZ | (0 · C , | •H4J t) | |
| 5 | O ·Η | (U IO | J x-t -H | S μ a. | |
| Ο* O | O N | ||||
| 5 | 6 | 6 | 0° | ||
| 6 | 11 | 1S8 | |||
| 7 | 2U | 60 | 7.5° | «i | |
| 8 | 30 | 90 | °o | 12O | |
| 9 | 36 | 126 | 5° | io0 | |
| 10 | U2 | 168 | 0 ο | 8 ^7 | |
| 11 | U8 | 216 | 3675° | 7.ί | |
| 12 " | 5U | 270 | .6667° | ||
| 13 | 60 | 330 | 3 | lV | |
| IU | 66 | 396 | 0° | ||
| 15 | 72 | U68 | 56 ο | ||
| 16 | 78 | 5U6 | ob | U. fc£ | |
| 17 | 8U | 630 | 2.IU | U629° | |
| 18 | 90 | 720 | 0 ο | L O | |
| 19 | 96 | 016 | 1.88° οδ 0 |
3.75° | |
| 20 | 102 | 910 | 1.67° | 3· 53° | |
| 21 | 108 | 1026 | 0O | 3.33° | |
| 22 | 11U | HUO | 1.5° | 3.16° | |
| 23 . | 120 | 1260 | 0 « | 3 O | |
| 2U | 126 | 1386 | 1.36° | 2.86°. | |
| 25 | 132 | 1518 | 0 o· | 2.73° | |
| 30 | 138 | 1656 | 2.61° | ||
| 3U | iuu | 1800 | 0 o | 2 5 | |
| 35 | 150 | 1950 | 1, | ■ 2.1» | |
| 39 | 180 | 2790 , ... | • 0,88* | 2 | |
| UO | 2OU | 3570 | o° o | 1.76° | |
| U5 | 210 | 3780 | 0.75° | 1.71° | |
| U6 | 23U | U680 | O6 | 1.54 | |
| 50 | 2UO | U920 | 0.65° 0.66 |
1,5 | |
| 270 | 6210 | 1.33° | |||
| 276 | 6U86 | ||||
| 300 | 7650 |
♦ Die Rohr-Zahl in der Reihe η ist 6n, da in dieser
Tabelle η » 6. 2
Gleichung für die Gesamt-Rohr-Zahl: X ^ Gleichung für Winkelabstand der Rohre: Y = 360O/6n
Lage des ersten Rohrs auf geradzahligen Reihen » Y/2
In der Praxis ist es vorzuziehen,nur 5 Rohre in Reihe 1
zu plazieren. In solchen Fällen ist der Winkelabstand 72 und die Gesamt-Rohr-Zahl ist X - 1. In anderen Fällen, wenn
die erste Reihe weggelassen wird, ist die Gesamt-Rohr-Zahl X - 6. Ist die erste Reihe weggelassen und m-5 für die Reihe
n«2, dann ist die Winkelverschiebung für n-2 36° und die Gesamt-Rohr-Zahl ist X - 8.
ORIGINAL !NSPECTED
Rj. der Radius der Rohre ist, Sx der Abstand zwischen nebeneinander
liegenden Rohren in der Reihe η = χ, Ηχ der Radius
der Reihe η = χ und » der Winkelabstand zwischen den Rohren.
For Reihe η » 4 ist © = 15°.
Durch Umformung und Auflösunq nach Sx ergibt sich folgende
Gleichung:
Gl. 6 Sx = 2(Rx sinö/2 - Rt)
S4 = 2(01305 R4 - Rt)
Ich ziehe es vor, R^ zwischen 0,5und 2,0 cm und S zwischen
0,1 und 0,6 cm zu halten, und zwar in Abhängigkeit von Kern-Größe, Material-Permeabilität und Membran-Durchfluß.
Innerhalb dieser Randbedingungen wird der Maximalwert von Rfc mit Gleichung 5 berechnet.
Die einfachste Methode eine Rohranordnung zu planen bedient sich eines Kurvenpapiers mit polaren Koordinaten. Um den
Plan in eine geeignete Herstellungsform su bringen, kann
die Lage der Rohrmittelpunk te mathematisch durch Folar-Koordinaten
ausgedrückt werden, wobei die Forrr.en auf einer N/C-Vertikal-Bohrmaschine unter Verwendung eines Computers
zur Umformung der Polar- in rechtwinkelige Koordinaten hergestellt werden.
Wie weiter unten gezeigt werden wird, sind unausgeglichene Kompressionskräfte auf den Raun innerhalb des ersten Rohrkreises
beschränkt. Für Kerne bis zu 2 Zoll Durchmesser ist es am besten unter den erhältlichen porösen Katerialien
ein stabileres auszuwählen. Für größere Kerne ist es jeccch möglich, eine zusammengesetzte Struktur einzusetzen, bei
der ein Material mit niedrigerer Druckfestigkeit und qrüßerer
Flexibilität (größere Poren, höheres Foran-Volur.er.
und geringerer Elastizitätsmodul) aufgebracht wird auf einen vorgefertigten 2 oder 3-Zoll-Kern. Für kerntechnische Anwendungen
kann beispielsweise ein 2 oder 3-Zoll-Kern aus gesintertem Polyäthylen den Zentral-Teil eines 12-Zol1-Kerns
bilden, wobei der äußere Teil aus einem halbfesten Kunststoffschaum besteht. Ein solcher Kern hat überlegene Eigenschaften
im Hinblick auf Transport, Bearbeitung und Installation. Ähnlich kann bei Trinkwasser-Anwendungen ein 2 oder
ö u 5» ö «♦ υ / υ ο Ί ö
- te -
3-Zoll gesinterter Si 1iciundioxid-Kern von sins™ ähnlichen
Kunststoffschaum-Kern großren Durchmessers umgeben werden.
So eine Konstruktion int in. Abb. 30 gezeigt, in der f:;r
den Zer.tral-Abschnitt gilt η = 2 und 3 und ~. = 5. Das
dichtere Innen-iviaterial ist Nr. 91. Oder ein Innen-Acschnitt
von Material bis su 3 cm im Durchmesser mit keinerlei Rohren
außer dem Permeat-Gang, kann verwandt werden, un einen
Teil der höheren, unausgeglichenen Kraft im innersten Rohr-Kreis
zu übernehmen. Ein solcher Zentral-Abschnitt ist !Ir.
92 in Abb. 27. Wie vorher bemerkt, v/erden bei höheren Größen in der Reihe n=l keine .iohre eingebaut, sodaß nur erforderlich
ist, daß der Zentral-Kern klein genug ist, ux nicht mit den Rohren der zweiten Reihe in Konflikt r.u geraten.
Die Größe 3 cm erfüllt dieses Erfordernis fur die Konstruktion der Abb. 27.Durch dieses Konzept der zusammengesetzten
Kerne werden die inneren mechanischen Kräfte
durch das zentrale Material übernommen, das ihnen am besten
widerstehen kann.
Eine Abnahme der Herstellungskosten resultiert gleichfalls
aus der Verwendung dieser r.usamnengsetsteri Kerne, ,.'erk-
zeugkosten, Herstellkosten und Energieverbrauch sind viel niedriger für die weicheren und weniger dichten .-.erkstof f e,
die für die äußeren Teü·- verwandt werden. D:s hern-swicht
und die damit verbundenen Bearbeitungsschwierigkeiten wer
den gleichfalls wesentlich vermindert.
Die Vektoren "P" der Abb. 27 zeigen, wie der Systemdruck gleichmäßig auf die Innen- und AuTen-Oberflachen des Kerns
Nr. 1 wirkt. Für ein 1 cm langes Kernstück kann die Kraft, die auf die Innen-Oberflache wirkt, durch die Gleichung
für Berstspannung, wie folgt, ausgedrückt werden:
Gl. 7 pi ■ 2R1 · 4 P cm, wobei
Fi die innere Kraft, R^ der Radius der Innen-Ober-
flache und Δ P der Druckunterschied ist.
Die Art, in der die äußere Kraft getragen wird ist empherisch
und hängt von solchen Variablen, wie Poren-Volu-on, Poren-Größe und dem Elastizitätsmodul des Materials Nr. 6 ab.
Bei dicht-gepackten Materialien mit einem hohen Elastizitätsmodul gibt das Material nur sjshr wpniq nach. Eine dünne
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tangentiale Schicht der Außen-Oberflache trägt die unausgeglichene
Kompressions-Kraft. Wenn das Material nicht nachgibt,werden
diese Kräfte nicht ins Innere des Materials übertragen.
Gleichungen, um dieses Phänomen quantitativ zu beschreiben, gibt es für heterogene Materialien nicht. Die Größenordnung
dieser Komponente muß gleich sein der Differenz der beiden Kräfte, wie im folgenden:
Gl. 8 Ft = 2 P(Re- R^ cm, v/obei
Ffc die tangentiale Komponente und R der Radius
der Außen-Oberflache ist.
Die Balance der inneren und äußeren Kräfte virc direkt übertragen
von einer Oberfläche zur anderen, und zwar durch Punkt-su-Punkt-Kontakte innerhalb des Materials.
Bei der Analyse der Variablen in Druckausgleichs-Rohr-RO-Konstruktionen
muß man unterscheiden zwischen der Last auf den Kornstrukturen des porösen [Materials, wie oben
erklärt und den Flüssigkeitsdruck-Differentialer, innerhalb
der Poren-Kanäle zwischen den Körnern. /Jährend das mechanische System in statischem Gleichgewicht sein Κ·εηη,
stellt die Flüssigkeit in den liaterial-Psssagei ein serarates,
dynamisches, hydraulisches System dar, ciaj der Analyse
durch übliche Techniken unterworfen werden kann.
Um die Phänomene, die in dem statischen, nec'r.anisehen
System auftreten, unter Außerachtlassung der Komplikationen, die durch das hydraulische System eingeführt werden,
abzuschätzen, ist es vorteilhaft, sich einen hypothetischen Kern vorzustellen, bei dem alle Obarflachen, die der: Systemdruck
ausgesetzt sind, gegen den Durchgang von Flüssigkeiten abgedichtet sind, d.h. einen Kern ohne Menbranen und
und ohne Durchfluß im porösen Material. Weiterhin nennen wir an, daß der Permeat-Gang Verbindung mit der Atmosphäre
hat,sodaß der Druck im Permeat-Gang und in den Hohlstellen des porösen Materials 0 ist (Meßgerät-Anr.eige).
Unter diesen Umständen sind die Druckbelastungen in allen Teilen des Kerns - mit einer Ausnahme - ausgeglichen. In-
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nerhalb des inneren Kreises, auf dem die Mittelpunkte der innersten Rohr-Reihe liegen, existiert ein Ungleichgewicht
von Kompressions-Kräften. Beispielsweise existiert in Bezug
auf die rechte Seite der Abb. 27 ein unausgeglichener, mechanischer Druck in dem Material, das innerhalb des
innersten Rohr-Kreises liegt. Bei Materialien, die hohe
Elastizitätsmoduln haben, ebenso wie geringes Poren-Volumen und kleine Teilchen-Größen, wird diese mechanische Last innerhalb der ersten wenigen Schichten der Material-Korn-Struktur des gewölbten Profils, innerhalb des Innen-Kreises n-2 dissipiert. D.h. mit anderen Worten, entlang.der Innenhälfte der Umfange der innersten Rohr-Reihe und in
dem Bereich, den der zentrale Kreis von Rohr zu Rohr durchschneidet.
innersten Rohr-Kreises liegt. Bei Materialien, die hohe
Elastizitätsmoduln haben, ebenso wie geringes Poren-Volumen und kleine Teilchen-Größen, wird diese mechanische Last innerhalb der ersten wenigen Schichten der Material-Korn-Struktur des gewölbten Profils, innerhalb des Innen-Kreises n-2 dissipiert. D.h. mit anderen Worten, entlang.der Innenhälfte der Umfange der innersten Rohr-Reihe und in
dem Bereich, den der zentrale Kreis von Rohr zu Rohr durchschneidet.
Diese Kompressions-Kräfte pflanzen sich nicht zum Permeat-Gang
fort,es sei denn,das Material hat einenjniedrigen Elastizitätsmodul,
ist nur schwach verfestigt, hat ein hohes
Poren-Volumen oder grobe Korn-Größe, oder hat von allem
etwas, was wir hier als "weniger dichtes Material" bezeich»· nen. In Fällen, wo diese weniger dichten Materialien verwandt werden, würden die Kompressionskräfte dennoch nicht das dichtere, zusammengesetzte, innere Material Nr. 92 in Abb. 27 durchdringen.
Poren-Volumen oder grobe Korn-Größe, oder hat von allem
etwas, was wir hier als "weniger dichtes Material" bezeich»· nen. In Fällen, wo diese weniger dichten Materialien verwandt werden, würden die Kompressionskräfte dennoch nicht das dichtere, zusammengesetzte, innere Material Nr. 92 in Abb. 27 durchdringen.
Nach der Betrachtung der mechanischen Kräfte innerhalb des Materials können weitere Betrachtungen zum Fluß durch die
Membran und, danach, durch die Zwischenräume zwischen den Festsubstanzen, woraus das poröse Material aufgebaut ist,
angestellt werden. Diese Phänomene sind in einem späteren Teil dieser Spezifikation beschrieben.
Man sieht also, daß der Kern ein System darstellt, in dem drei verschiedene Phasen existieren, nämlich, (1) eine
kontinuierliche feste Phase, wodurch (2) eine kontinuierliche flüssige Phase hindurchwandert und (3) die Membran. In einigen Fällen existiert eine Diskontinuität im flüssigen System an der Stelle, an der ein Teil der unter Druck stehenden Lösung in die semipermeable Membran einwandett, wie im nächsten Abschnitt erklärt werden soll. SolchJeine Diskontinuität besteht für Membrane mit einer hohen
kontinuierliche feste Phase, wodurch (2) eine kontinuierliche flüssige Phase hindurchwandert und (3) die Membran. In einigen Fällen existiert eine Diskontinuität im flüssigen System an der Stelle, an der ein Teil der unter Druck stehenden Lösung in die semipermeable Membran einwandett, wie im nächsten Abschnitt erklärt werden soll. SolchJeine Diskontinuität besteht für Membrane mit einer hohen
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sung, nicht jedoch bei Ul trafiltrations-Membranen. Deshalb
kann mnn das flüssige System betrachten air» bestehend aus
(1) einer wäßrigen Mischung unter Druck, (2) einer Membran, die sich in gewisser Hinsicht wie eine mit Düsencffnungen
versehene Platte verhält, (3) eine Reihe von Labyrinth-Passagen und (4) einem Sammelkanal niedrigen Drucks für
die flüssige Phase, die das System durchwandert.
Nachdem wir so die vier verschiedenen Bereiche des Systems
begrifflich getrennt haben, wenden wir uns zunächst einer Beschreibung der Natur der Membran und des Durchgangs
von Wasser durch sie hindurch zu. Membranen bestehen normalerweise aus einer 0,25 Mikron dicken Haut, die auf
einer schwammigen, etwa 100 Mikron dicken Schicht liegt. Die Durchflußgeschwindigkeit oder der Fluß durch eine Membran
wird durch folgende Gleichung angegeben:
Gl. 9 ν « km (Pf - Pp -AT -Ap5) , wobei
ν ■ die lineare Geschwindigkeit (cm/see), oder der
Fluß (ml/cm2/sec),
Pf · der Lösungsdruck (kg/cm2), Pp ■ der Permeatdruck
der Unterschied des osmotischen Druckes, Lösung minus Permeat (kg/cm2)
A Pg« der Druckabfall innerhalb des porösen Materials und
km ■ die Membran-Konstante ist.(cm^
Für meine Apparatur variert der km-Wert von 1 bis 5 χ 10~D
cm /g/see für Membranen mit einer nominalen Abv/eisung von
98% bis 80%.
Bei der umgekehrten Osmose (irr. Gegensatz zur Ultrafiltration)
besagt eine weithin akzeptierte Theorie, daß äer Prozeß der Passage von Wasser durch die Haut der Cellulcseacetat-
Membran molekulare Phänomene beinhaltet, bei denen Wasser-
moleküle sich mit den Acetat-Gruppen assoziieren und dann schrittweise von einer Acetat-Gruppe zur anderen v/andern,
angetrieben von der Netto-Druck-Differenz (VZkn),
bis sie in der offenen, schwammigen Schicht unter der Haut ankommen.
Dementsprechend kann angenommen v/erden, daß der gesamte
Dementsprechend kann angenommen v/erden, daß der gesamte
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Druckabfall innerhalb eier Memo ran erfolgt, or» sei csnr,
APs wäre eine signifikante Größe, ν/enn er rit P1T-P0-ATT
verglichen v/ird.
Um die Größenordnung des inneren Druckabfalls in Kernen
verschiedener Zusammensetzung und be verschiedenen Fiußgeschwindigkeifeen
abzuschätzen, v/ird die folgende Analyse
vorgeschlagen:
Die kritischste innere F lußgeschv/indicke i t ist die ;eniae ,
die auftritt zwischen nebeneinander lio-ier/Jen Rohrer und
zwar entweder in der Reihe am nächsten zum Per~eat-Ganc
oder der ersten Reihe, in der m=6. Um die Grcßencrdnung
dieser Flußgeschwindigkeit zu bei:. I Lumen, muß man zunächst
die Membran-Flache außerhalb des Punktes größter Annäherung
zwischen nebeneinander liegenden Rohren abschätzen. Für einen Kern von 1 m Länge kann dieser Wert,wie folgt,
berechnet werden:
wobei
Rl der Radius dar Rohre (cm) ist,
η der Wert für n, in der Reihe, für die die Ξν;ΐ-schen-Rohr-Geschwindiakeit
abgecch.atzt werden Soll,
nx+l un<^ mx+1 sind die η und m-Werte in der folgenden
Reihe
mn und nn sind die m- und η-Werte in der höchster.
Reihe
Aq ist die Membranfläche in einem m Kerr, außerhalb
des Kreises n=x, ausgedrückt in m2.
Die Flußgeschwindigkeit ist durch folgenden Ausdruck gegeben:
PA
G1· ai V s 87x · WObei
G1· ai V s 87x · WObei
Sx a der Abstand zv;ischen den Rohren der Reihe n=x,
ausgedrückt in cm
F β der Fluß in m /m^/sec ν β Flußgeschwindiqkeit (ml/cm2/sec oder cm/sec) ist,
F β der Fluß in m /m^/sec ν β Flußgeschwindiqkeit (ml/cm2/sec oder cm/sec) ist,
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Der Wert von Sx kann wie folgt berechnet werden (vergl.
Abb. 20):
π 1? Rt+ Sx/2
= sin (36O/2mxnx) (aus Gl. 5)
Gl. 13 Sx = -2(Rt-Rx3in ) = - 2(Rt - R,. sir. ||~-)
Man nehme als Beispiel den Kern, der auf der rechten Seite der Abb. 27 dargestellt ist. In diesem Falle ~ilt für die
Reihe .im nächsten zu Mittelpunkt n = 2, in welcher :n = 6.
Von Reihe 3 bis 8 existieren 19S Rohre. Man addiere dazu m2np/ oder 6*2/2=6 zusätzliche Rohre, was 204 Rohre
außerhalb des Kreises n=2 ergibt.
Unter der Annahme, daß Rt=0,5 und Ri=I,15, R2=2*l,15, gilt:
Unter der Annahme, daß Rt=0,5 und Ri=I,15, R2=2*l,15, gilt:
S2= -2(0,50 - 2/1,15 sin >
« -2(0,50 - 2,3 sin 15°) = -2(0,50 - 2,3·Ο,25£Ρ)
« -2(0,50 - 0,59528) = -2(-O,O952S) = 0,19055
3 2
Man nehme einen Fluß von 1 m /m /Tag an,
Man nehme einen Fluß von 1 m /m /Tag an,
A Rt# 2O4 " 6'41 m2
somit
ν - PAe 1 · 6,41
» 6t41 = C, 323 rr.l/cn-Vsec.
8,β4*6·2·Ο,191 8,64*6*2-0,191 0,33
Für die linke Seite der Abb. 27, bei Reihe n=2 und n=5,
wäre die Rohr-Zahl außerhalb des Kreises n = 2 wie folrrt:
Reihe n«=2, 5/2; Reihe n=3, 15; Reihen n = 4 bis n=0, ILO,
die Gesamtzahl ist daher 197,5.
S2- -2(0,50 - 2,3 sin ) = -2(0,50 - 2,3 sin 18°)
S2- -2(0,50 - 2,3 · 0,3090) = -2(0,50 - 0,710) = -2(-O,211)
- 0,421
' 197'5 = 6'20 m2
" °»170 2
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FUr beide Seiten der Abb. 27, Reihe n=4, folgt eine Berechnung der Flußgeschwindigkeit:
Die Zahl der Rohre in Reihe n=4 ist 24/2; für die Reihen
n=5 bis n=8 existieren 156 Rohre; außerhalb insgesamt 16S.
S4 = -2(0,50 - 4·1,15 sin ) = -2(0,50 - 4,6 sin 7,5)
S4 = -2(0,50 - 4,6-0,1305) = -2(0,5-0,6) = 2-0,1 = 0,2
Αβ=ΊκΓ* ' 168 - 5'28 ^
ν » |i^.6.4,0 20 - 0,127 ml/cm2/sec
In ähnlicher Weise wurden die außerhalb liegenden Flächen, die Rohr-Abstände und die Zwischen-Rohr-Flußgeschwindig-
keiten für die anderen Reihen des Kerns der Abb. 27 berech net. Die Resultate dieser Rechnungen sind in Tabelle III
zusammengefaßt.
Nachdem so die Flußgeschwindigkeit an den Engstellen fest
gestellt ist, muß als nächstes der Druckabfall mit der Gleichung von Darcy bestimmt werden.
Gl. 14 d£ _£
dt *
dt *
(λ a Viskoser Widerstandskoeffizient für ein poröses
Medium (cm~2)
/JL = Viskosität einer Flüssigkeit, in diesem Fall
— i — Wasser, bei 0,010 poise = 0,010 g sec ~cn
ν ■ Oberflächengeschwindigkeit der Flüssigkeit
2 1 (cm/see oder ml cm" see )
gc« Gravitationskonstante (981 cm/sec2)
Nickelson u.a. (R-22) maßen den Viskositätswi^srstand an
drei porösen Materialien, die für Außendruck-RO-Kerne Verwendung finden sollten.
Diese Werte von O^ sind wie folgt:
Gesintertes Polyvinylidenfluorid, Poren-Größe: 25 Mikron
*« 2,7 · 105 cm"2
Gesintertes Polyäthylen, Pore^-Größe: 10 Mikron
<*= 1,2 · 106 cm-2
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CD O CO OO
σ>
(O
O)
ce—J O\w*r vu io v*» co
CN CN CK Ov CN ViVVX CKCN
O ro u» tr vx
V\-4NOU>
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ppppp
ro ro ro ro ro
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\*> ro
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OO
8 8
C O
co ro
OO
88
O O
OM
V \o
M ro ro<r
« wo«
CD CN
Membranfläche, außerhalb,
m^/m
S (ca)
7 (ml/cm /sec
or cm/sec)
or cm/sec)
Polyvinylidenfluorid
25/-
25/-
Polyäthylen
Keramik
Polyäthylen
Nennwert 2/u
Nennwert 2/u
Keramik
0.1 - O.SU
0.1 - O.SU
O iQ
D V.
ro3 ro
rr »ti
c:
O η
α» τι η ι-
Il D (O
st
Keramik, Poren-Größe: 1 Mikron 27 54627
= 3,6 · 106 cm"2
Unter Verwendung dieser Werte für oi. wurde dP integriert,
und zwar für den Durchgang von Wasser zwischen nebeneinan der liegenden Rohren des Radius Rt, in«Reihe n = 2, getrennt
durch den Abstand Sn. Diese Werte sind gleichfalls in Tabelle
III angegeben. Wie man sieht würde für einen 8-Zoll-Kern mit einem Durchfluß von 1 m^/m^/Tag bei diesen Materialien
nur ein sehr geringer innerer Druck-Abfall auftreten, sogar bei Ultrafiltrationen mit einem Fluß doppelt so hoch
wie bei dieser Analyse.
In gleicher Weise wurde für das Keramik-Material, das für Außendruck-Kerne benutzt wird und für eine Polyäthylen-Filterpatrone
(gesintert, Poren-Nennweite: 2 Mikron) der viskose Widerstandskoeffizient berechnet.
Diese sind wie folgt:
Gesintertes Polyäthylen, 2 Mikron Nennweite, Filter ■ 6,2 · 108 cm"2
Außen-Rohr-RO-Keramik-Kern (0,1 - 0,5 Mikron) - 2,1 * 1012 cm"2
Dieses letzte keramische Material ist bei weitem zu dicht, als daß es auch nur für einen mäßig großen Druckausgleichs—
Rohr-RO-Kern in Betracht gezogen werden könnte. Dagegen wurde bei Verwendung des 2-Mikron-Polyäthylen und bei m«5
und n=2 ein mäßiger Druckabfall von 0,78 kg/cm2 für das
durch die Engstelle fließende Permeat realisiert, wie aus Tabelle III zu ersehen.
Als nächstes wurde die gleiche Analyse für die Reihe n»2
größerer Kerne bei m=5 und m=6 durchgeführt. Tabelle IV
gibt die Ergebnisse.
In den obigen Analysen ist die Flußgeschwindigkeit an den Engstellen zwischen nebeneinander liegenden Rohren korrekt.
Nach der Engstelle ist der Gesamtfluß etwas größer und dementsprechend vorher etwas kleiner und zwar auf Grund
des Beitrages der Rohr-Reihe, die analysiert wird. Jedoch sind diese Effekte entgegengesetzt und kompensieren sich
praktisch. Daher ist die Verwendung des durchschnittlichen Fluß-Volumens zur Abschätzung des Druck-Abfalls durch In-
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teqration von dP von R^. bis - R, gerechtfertigt.
Im Hinblick auf höhere oder niedrigere Flunaescnvindickeiten
können die zu erwartenden Flußraten und Druckabfäl le durch Multiplikation der Werte in Tabelle TlI und IV
mit den Fluß in m^/m /Tag abgeschätzt v/erden.
Zur Demonstration des niedrigen relativen Druckabfalls in den Materialien im Vergleich zu den Membranen ist es
nützlich, die Gleichungen 9 u:-id 14 zu vergleichen.
dP dl
Gl. 9 v = km(Pf-Pp-dr-dPs)
Durch Umformung der Gleichung 9 finden wir
Pf - Pp-dr-4Ps = v/km
Durch Ersatz von Pf- Pp -UT-A^5 durch 4 Fn,den Nett
Antriebsdruck gilt
Durch Vergleich dieser Gleichung mit Gleichung 14 ist es möglich Gleichung 9 in eine Form su bringen, die durch
Darcy's Gleichung analysiert v/erden kann. Die sogenannte
Membran-Konstante kann durch einen Faktor ersetr.t werden,
der dt, gc, 0<
und^M enthält.
Gl. 15
Δ Ρ
dP
qc/<*?uctt
(Gleichung
ο&*·ν At
oder
Durch Auflösung von Gleichung 15 nach C- finden wir
Gl. 16
Wie schon vorher erwähnt erstrecken sich die Werte für kn
bei meiner Apparatur über den Bereich von 1 bis 5·1Ο~8
cm /g/sec. Für eine Membran mit einem Fluß von 1 m3/rr,2/Taa
ist km= 3,4·10" . Es wird angenommen, daß die Dicke der
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49Ά -
(,0
Tabelle IV. Innendruck-Abfälle bei verschiedenen Kern-Größen
n=2, m«5 oder 6.
| ?· | 6 | α |
ι ι
:m u E |
ο | *-» |
I -U
G U Φ |
Λ | (kg/cm2 für Fluß | Rt oder 1 cm) | , je u | |
| C | 5 | r-t φ «ν. | 3 U Vl | /dP | von 2 | 4J 41 | |||||
| • | C | 6 | 4-1 GCM | <-· OT \ | j |
C
4) |
|||||
| O) S | 5 | C 3 E | Ei* ** *^ν E |
ι
•Η Ό |
l-t | ' ^1 C | |||||
| =?. | 6 | 10 Λ | 0.191 | XM U | r-1 Ή | E | ' ■-< C | ||||
| U r4 | 5 | U - | 0.U21 | 4) E | >. U | £ y | 10 *£ | , O V | |||
| JC <-* | 6 | 2 | Λ »Λ | 0.191 | U ► U t4 | COy | CZ | ||||
| O 0 | 5 | 2 | E O)-H | 0.U21 | O V S 0) | •Η 3 ■< | Λ Ο | 1.1* | |||
| K N | 6 | 2 | Φ JC β | 0.191 | C 4^ H Ό | > <-t in | 0.T3 | ||||
| B" | 5 | 2 | Σ U JC | 0.U21 |
C 0 E O
H U** |
>ι4-ι (M | 3.21* | ||||
| 8« | 6 | 2 | 6.Ul | 0.191 . | 0.32 | r-l C | O | 2.10 | |||
| 12" | 5 | 2 | 6.20 | 0.U21 | 0.17 | ο υ | α. | 0.006^ | 6.7 ' | ||
| 12" | 2 | 16.8 | 0.191 | 0.8U | Q. TD | b.boa?3 | 0.00046 | ||||
| 18" | 2 | 16.7 | 0.U21 | 0.U6 | Ο.ΟΟΟ52 | o.oooij; | 0.01p | 11 | |||
| 18" | 2 | 3U.U | 0.191 .. | 1.8 | 0.0003U | 0.0063 | 0.012 | ||||
| 2U" | 2 | 3U.U- | 0.U21 | 0.97 | 0.001U | o.ooui | 0.03? | V | |||
| 2U" | 2 | 60.9 | 3.0 | 0.00091 | 0.013 | 0.025 | It | ||||
| 36« | 2 | 60.9 | 1.7 | 0.0029· | 0.0086 | 0.066 | JO f | ||||
| 36" | 1U6.6. | 7.U -. | 0.0019 | 0.022 | 0.01,5 | ||||||
| 1*8» | LU6.6 | U.0 | 0.00U9 | 0.015 | 0.161 | ||||||
| W" | 269.3 | lit. ». | 0.0033 | 0.05U | 0.108 | ||||||
| 269.3 | 7.U | 0.012 | 0.036 | 0.293 | |||||||
| 0.008 | 0.093 | 0.196 | |||||||||
| 0.002?' - | 0.066 | ||||||||||
| 0.015 | |||||||||||
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INSPECTED
aktiven Schicht oder Haut der Membran 0,25 Mikron oder . 2,5*10 cm ist. Durch Einsetzen dieses Wertes für dt
finden wir
| 981 | cm | • 10~8q | 3-0 | .01 q |
| see2 | •see 1017 cm"2 |
cm· | see | |
| 3.4 | ||||
| 9 1,1· |
Wie oben erwähnt, liegen die Λ-Werte mehrerer erhältlicher
poröser Materialien zwischen 2,7·1Ο5 und 6,2·108 cm"2. Der
oC-Wert von Membranen ist daher wesentlich höher als der
von Kern-Materialien, eine weitere Bestätigung dafür, daß in einem geeignet konstruierten Druckausgleich-Rohr-RO-Kern
der bei weitem größte Teil des Druckabfalls in der Membran erfolgt.
Aus den obigen Analysen werden die folgenden Effekte
deutlich:
1. Für große Kerne mit hohen Durchflußraten und niedrigem
Lösungsdruck, ist es vorteilhaft, die Re.ihe n«l wegzulassen und m«5 für die Reihen n«2 und 3
zu benutzen.
2. Es ist kein besonderer Vorteil, ms5 in den Reihen
n=4 und darüber einzusetzen, falls ein geeigneter Ausgleich zwischen innerer Durchflußrate und viskosem
Widerstandskoeffizient erreicht werden kann.
3. Durch sorgfältiges Ausbalancieren von mehreren Betriebs-, Material-, und Konstruktions-Parametern
können eine Reihe von Bedingungen hergestellt werden, bei denen weder (1) hoher parasitischer Druckabfall,
noch (2) hoher plötzlicher Druckabfall im Bereich der Membran vorkommt.
4. Bei Materialien mit Viskositäts-Widerstands-Koeffizienten oberhalb von 10^ oder 10^°/cm2 können
unverhältnismäßig hohe Druckabfälle erwartet werden.
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- gl -
Um den praktischen Nutzen eines weiten Bereichs von Druck-Gefäß-Größen
zu demonstrieren, zeigt Tabelle V die Behandlung eines Industrie-Abwasserstromes von 1000 m^/Tag. Die
Ergebnisse sind in der graphischen Darstellung 1, hier Abb.
34 genannt, zu sehen.
Für Lösungen mit einer niedrigen bis mLttleren Verschmutzungstendenz
wurde gefunden, daß es vorteilhaft ist, eine-Mindest-Linear-Geschwindigkeit
von 0,38 m/^ec (1,26 Fuß/sec) aufrecht zu erhalten. Bei schwierigeren Mischungen oder
bei erhöhtem Konzentrations-Verhältnis sollte (je nach Ver- ■
Schmutzungseigenschaften des zu behandelnden Abwassers) die Mindest-Linear-Geschwindigkeit erhöht werden.
Jeder der ersten vier Einträge in Tabelle V stellt zwei 8-Zoll-Druckgefäße von sechs Meter Länge dar, jeder mit
sechs Kernen des Typs, der in Tabelle I, Eintrag Nr. 17 gezeigt ist. Jeder Kern ist 0,97 m lang, wozu noch
Kupplungen kommen, sodaß jedes Druckgefäß 5,8 m Kern enthält und die verbleibenden 20 cm von den Verbindungsstücken
und dem Raum zur Lösungsdurchmischung eingenommen werden. In diesem Beispiel hatte die Lösung bei Eintritt in das
erate Druckgefäß eine Linear-Geschwindigkeit von 0,61 m/sec und verließ das achte Druckgefäß mit 0,33 m/sec. Unter Verwendung
des in Abb. 26 gezeigten Prinzips wurde der Durchmesser des Druckgefäßes dann von 8 auf 6 Zoll vermindert
wobei ein Reduzierstück in Verbindung mit einem 180°-Bogen verwandt wurde. Die Linear-Geschwindigkeit wurde dadurch
von 0,33 m/sec auf 0,62 m/sec erhöht.
Die nächsten drei Einträge zeigen, wie die sechs 6-Zoll-Druck-
Werden
Gefäße durchströmt, wobei die Linear-Geschwindigkeit von 0,62 m/sec auf 0,40 m/sec abfällt. Die Einträge 8 und 9 zeigen Alternativen für die nächste Stufe. Mit dem 5-Zoll-Druckgefäß wurde die Linear-Geschwindigkeit nur auf 0,48 m/sec erhöht, die nach Passieren von nur zwei 5-Zoll-Gefäßen auf 0,41 m/sec abgefallen war. Aus Standardisierungsgründen ist es vorteilhaft, die Gesamtzahl möglicher Kern-Größen zu begrenzen. Daher ist der Eintrag Nr. 9 für die nächste Stufe besser geeignet. Hierbei wird die Linear-Geschwindigkeit von 0,40 m/sec (im letzten 6-Zoll-Gefäß) auf 0,75 m/sec
Gefäße durchströmt, wobei die Linear-Geschwindigkeit von 0,62 m/sec auf 0,40 m/sec abfällt. Die Einträge 8 und 9 zeigen Alternativen für die nächste Stufe. Mit dem 5-Zoll-Druckgefäß wurde die Linear-Geschwindigkeit nur auf 0,48 m/sec erhöht, die nach Passieren von nur zwei 5-Zoll-Gefäßen auf 0,41 m/sec abgefallen war. Aus Standardisierungsgründen ist es vorteilhaft, die Gesamtzahl möglicher Kern-Größen zu begrenzen. Daher ist der Eintrag Nr. 9 für die nächste Stufe besser geeignet. Hierbei wird die Linear-Geschwindigkeit von 0,40 m/sec (im letzten 6-Zoll-Gefäß) auf 0,75 m/sec
8Q984Ü/061 9
6U?
6U7
6U7
0.U7 0.U7
69.9 69.9
ζ .03
537
902
0.62
69*85
ζ .06
1167
UO? 116'
Ϊ-
0.U7 Q.U7
69.75 69.75
ζ .03
160
1518
1518
0.U1 0.67 0.6
1966
1966
1966
S-
69.U2 69.12 69.12
ζ ζ .06
0.5
0.51
0.83
69.01 69.01 69.01
.Oh 0.10
15U 2950
075U 0.5U
68Y85 68.85
10Ö 1*129
U129
0.71 1.32
63.63 68.63
χ .20 U9O5
U9O5
1.10 1.10
68.09 68.09
.26
6Ö 6390
6390
0.83 0.63
67.60 67.60
.15
G2U9
82U9
x 0.6U
67.38 67.38
.05
. Zellen-Anqaben
4)
Os
FlußsPerm.
TDB
2x3» 8O.7zl.U7
>x9» TO.7xl.U2
?xB»80.
2x6« UU.7xl.U3
ZT7
2x6»
2x6» UU.7zl.39
2x5
2xU"
25.Uxl.U5
2xU" · 25.uxl.li5
2xU
2x3" I5.8XÜU5
Ux3"
2x3" 15.3x1.UO
U2
ü.0x1.3p
IT. QxI.
119 31.0
1.6
>U7
* iU7
6U U9.6
δΤΓΓΓ
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k»»7
ST
76Λ
75.0
110.1
23 106.2
U6 12U.2
22 165.2
235.U
12 252.7
U 2914
11 33j3.IT γ»
U76.7
536.^
UU. 561» O.5U 69*9u Z
56U 0.5U 69.9U .OU
TIB
756
756
0.U0
0.U0
69.T7
69.87
1017
1O17
0.
3U7 136U
37U 136U
3U7 136U
69.79
69.79
o.uo
0.U8
0.75
0.75
73
273
1712
1712
^9
0.59
69.06
69.06
69.06
OO 2300
2167
2300
0.U3
0.75
0.70
68TF7
68.91
68.97
3UlU
U3?ö
102
U358
55u7
79_55Jj7
79_55Jj7
0.97
0.97
0.97
7567
0.70
0.70
0.70
^ U7 9070 0.57 b7.33
Δρ
.02
.0U
697Ϊ2 χ
69.72 .03
69.72 .06
5.5
.05
X
X
.12
3UOU, 0.U6 68.01 χ
132_ 3UlU 0.07 68.81 .18
132_ 3UlU 0.07 68.81 .18
1.25 68.U3 .3U
67.03 χ
67.83 .23
67.US χ
67.U5 .07
5.5
5.6
.5
5.5
5.5
5.6
.U
.6
.7
.7
5.8
6.0
6.1
;6.2
!6.3
i6.5
(U
Cl
C
Ό
0)
Vj
(U
ε u
Q)
χ. iu
1.31
1.55
1.86
2.11
2.UU
2.88
•6.U9
7.58
9.26
9.80
11.11
12.66
1U.71
17.5U
19.23
21.28
Q: Menqe an Locunq oder Konzentrat in m3/Taq. Tl)S: Gesamte qelöste Feststoffe in ppm.
V: Geschwindiqkeit dor Flüssiqkeit in m/sec. P: Druck in kq/cm2.
P: DruckabfalL in mVm2 Membran-Ober fläche. Perm.: Pcrmeat-Koriqe in in^/Taq.
% Perm.: Prozent Permeation * 100". - Abweisung.Kons.Verhält.: Konsentrat-.ions-VerhäL tni:
oder Volumen Einganqslösunq/Volumen Konzentrat auf jeder Stufe
Permeat zusammenqef.: Permeat-Volumen der ieweiliqcn Stufe plus aller vorhergehenden.
119 238 353 U63 527 591 653
3.23 690
3.66 727
U.2U 76U
5.0 800
8U6 868 892
910 921 932 9*43-
953
2764627
erhöht. K.?ch acht ;.iruc''.ooi iißen ί;'!Ϊ'. nie nur ~u:" Γ,43 -./ss:
(Eintrag 13).
Diese beiden Al terrmt.i von kann τ;α:ι π-jc in rier crar'nisc^cn
Darstellung 1 sehen, oberhalb des G L· 3 V:r:!i?-vT3'";-iin:r3ces
auf der Hori zontp.l -Koorr inato sind zwei Eintrag« für die
Geschwindigkeit, einer i"r dir r--Zr 1 Ί-nrurkTer'fin« und einer
für die 4-Zoi 1-Gef a'.ie. Die berechnete Ge~chv;i r.dinkei t
nach den zv;ei 5-ZoIl-ZeIlOn wird oberhalb des 707 Tenner/
Tag-Eintraqes gezeigt.
Bei den Einträgen 12 und 13 rruß w:ederu~ aev.-'ihlt -.-.-orden,
ob zwei weitere 4-Zol 1 -Truclcnei ';■'■ <: du -Th 1 auf er, ccer auf
3-Zol1-Gefäße heruntei ne-jonnen werden soll. i)er Effekt ist
auf der graphischen Darstellung 1 oberhalb eier <-Χ0 und £23
Tonnen Permeat/Tag-Einträge zu seilen. In diesem falle berührte
die Entscheidung für eine Größe in der nächsten Stufe nicht die Frage der Li near-Gosrrhwi ndi gl:ei t in der
nächsten Stufebas Konzentrat war aus den 4-Zol 1-Gefa\l mit
einer Geschwindigkeit von 0,'jl r/soc ausgetreten, die nnch
v/eiteren zwei 4-Zol 1-Gei äßen nur auf 0,43 m/sec abfiel.
Durch Übergang auf 3 Zoll wäre sie auf 0,83 m/sec angestiegen und nach zwei 3-Zo]1-Gefößen auf nur 0,75 abgefallen.
Beide Möglichkeiten könnten Vorteile haben, je nachdem welche
Eigenschaften zu dem jeweils zu behandelnden Strom an
gegeben werden. Hätte er eine relativ hohe Verschmutzunqs- tendenz, wäre es an diesem Punkt, angebracht gewesen, auf
3 Zoll überzugehen, statt bis Eintrag 14 zu warten, wo diese Änderung dann tatsächlich erfolgte.
Nach dem Durchlaufen von sechs 3-Zol1-Gefäßen (Einträce
14 und 15) wurde als nächstes die Gefäß-Größe auf 2 Zoll·
vermindert (Eintrag 16) und zwar für vier Druck-Gefäße.
Schließlich (Eintrag 17) wurde die Gefäß-Größe auf 1,5 Zoll reduziert.
Nach Durchlaufen zweier 1,5-Zol1-Druckgefäße war ein Kcnzentrations-Verhältnis
von etwa IC:1 erreicht (Eintrag 17). Ist ein Konzentrationsverhältnis von 15:1 erforderlich,
werden weitere zwölf 1,5-Zol1-Geiüße benötigt (Einträce
18, 19 und 20). Um ein Konzentrationsver'nältnis vcn 20:1
zu erreichen, müssen zusätzlich acht 1,5-Zol1-Gefäße angeschlossen
werden (Einträge 21, 22 und 23).
809840/0619
6b' '
Nachder, so die Tats^clo klar gestellt worden ist, d£\:l nicht
alle Größen von Druckgeräßen günstige Resultate ergeben,
zeigt Tabelle VI elf der Eintrage, die schon früher in Tabelle I angegeben worden waren. In diesem F3II hebe ich
die i-ienbrar.-F lachen- und linearen Geschwin'Jigkeits-Yerhäl tnisse
nebeneinander liegender Eintrag·? angegeben. Das i 1 iη —
dest- und Höchst-i-lembran-F lächen-Verhäl tn is ist 1,51 und
2,45 und das Mindest- und Höchst-Geschwindigkoitr-Verhältnis
ist 1,61 und 2,40. Größere Verhältnisse ;ils ciese würden
zu große Lücken in der Behandlungsfälligkeit von Lösungen
darstellen und kleinere wären - wie in F = Il cies 5-Zollgefäßea
(Tabelle II, Eintrag S) gezeigt - nicht zu rechtfertigen,
da sie diese Behandlungsfähigkeit nicht ausreichend verbessern.
Tabelle I und VI basieren auf Konstruktionen, bei denen m immer 6 ist. Wie schon bemerkt, ist es für höhere Flußraten
und besonders für Kerne mit größerem Durchmesser jedoch nützlich, Kerne mit m=5 für die Innen-Rsiher. rrj benutzen.
Die linke Hälfte der Abb. 27 zeigt einen Kam chne Reihe n«l und mit m=5 für die Reihen n=2 und n=3. Trotzdem
sind die Einträge in Tabelle I und VI ir. wesentlichen korrekt. Der Wegfall von ein bis vier Rohren hat nur einer.
sehr kleinen Abfall in relativer Membran-Vlache r.ur Folge.
Es könnte unpraktisch erscheinen, eine Fabrikation von bis zu 48 Zoll starken Kernen in Erwägung zu ziehen. Jedoch
ein Vergleich wirtschaftlicher Überlegungen wird deutlich machen, daß ein beträchtlicher Anreiz zur Produktion sol
cher Kerne besteht. Ein konventioneller Außendruck-Kern hat eine Membran-Fläche von 0,046 m2 und einen Handelswert
von DM 25,30 oder US Dollar 11,50. 1 m eines 7-Kern-Druck- gefäßes enthält 0,356 m2 Membran und kostet DM 193,70 oder
US Dollar 88,05. 1 tn eines 48-Zoll-Kerns hat, wie in Tabelle I, Eintrag 43,angegeben, 270 m2 Membran-Oberfläche
oder 758 mal soviel Membran und könnte konventionelle
Außendruck-Kerne im Wert von DM 146 96O1- oder US Dollar
66 800,- ersetzen. Zusätzlich würde jedes Druckgefäß dieser Große 758 kleinere Druckgefäße ersetzen samt der zugehörigen Zahl an Kreuzungs-Gußteilen (Nr. 42), gebogene
Kopfstücke (Nr. 43). Halte-Flansche (Mr. 45), Perrneat-
809840/0619
Tabelle VI. Praktische Größen, Flächen- und GeschwincJlqkeits-Verhältni.'ise.
| enn- | f-l |
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C |
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Uo
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UO
5S
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Uo
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Uo
Uo
UO
126
210
5UO
113U
19UU
UO U67U
80S 8580
80S 8580
1.2 1.0 1.0 1.0
1.05 1.05
1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
0.36 0.7U
.36
.19 .16
6.93 17.0 35.6 61.1
IhI
270 2.
1.
1.
1.
1.
2.
2.
1.
1.
1.
1.
1.
2.
2.
1.
06
8U
61
90
67
U5
8U
61
90
67
U5
09
72
2.U0
1.8U
72
2.U0
1.8U
31.1
57.8
109
175
358
597
1,390
2,920
5,010
12,000
22,100
1.'86 1.89 1.61 2.05 1.67 2.33 2.10 1.71 2.U0 1.83
ι V
809840/061
Sarrmler (Nr. 41) und -EnV.nahrne-Rohre, sowie 22"-'. Rohr-Kupplungen
(Nr. 44). Vergleichbare Einsparungen η π '.-ialtf=-
rungen und Fundanenten für die Druckcefäße sind bei ze".
höheren Kern-Größen n] ei chf al Ir. r.u orroiclvni.
Kan sieht somit, daß durch diese Technik Konten«:nsvarun-
gen zu erzielen sind, die umgekehrte Osmose für ciie Abwsrcorbehandlung
und Ivnsnerv.'i oiiervcrv/enuimi in J-V. J: er :. ittlerer
Große praktikabel machen könnte.
Cs ist auch wichtig, die Kostereffektivitat des bei dor
Herste!iunq der Druckgofzßo verwandten £cel?Inh1s ^u be
trachten. Tabelle VIl zeigt zum Vergleich, welches Gewicht
an Stahl erforderlich ir,1-., um e.'non QuaJr-·.;;..: .er ;:o-b:-^:i
in den verschieden großen üruckgefäßen unterzubringen,
die in Tabelle VI beschrieben wurden. Zum Vergleich sind am unteren Ende der Tabelle noch drei verschiedene Konstruktionen
konventioneller 7-Kern-Außendruck-Anlacon angeführt.
Diese Tabelle VII neigt, daß bei einer herkömml icher, 2 1/2-
Zoll-Außendruck-Konstruktion (Plan 40) 24,2 kg Druckgefäß je Quadratmater Membran erforderlich ist, während bei einem
36-Zoll-Druckgefäß, das in Übereinstimmung mit den Prinzi
pien meiner Erfindung hergestellt wurde, nur 2,86 ka ;>e m2
Membran erforderlich sind.
Weiterhin ist anmerkenswert, daß bei größeren Druckgefäßen zusätzliche Einsparungen erreicht werden, inderr Fchr aus
gewöhnlichem Stahl mit einem Innenüberzug aus Epcxidr.a"
oder ähnlichem verwandt wird. Während derartige Leerzüge sich bei kleineren Druckgefäßen als einigermaßen unverläfslich erwiesen haben, sind diese Gefäße groß genuc, um einer
Person den Einstieg zur Überprüf ungAusbesserunc: zu cest=-.-ten.
Es ist auch möglich, die Druckgefäße aus mit Edelstahl
überzogenem Material horsustel len, wodurch d^-r Anteil
des teueren Edelstahls wesentlich verringert würde, ohne seine vorteilhaften Korrosionseigenschaften zu verlieren.
In den Fäälen, wo ein Ausgleich des inneren Druckabfalis
durch Kern-Konstruktion und Material-Auswahl nicht erreicht werden kann, ist es möglich, weitere axiale Permeat-C-änge
Nr. 93, Abb. 31, einzuführen.
8 O 9 8 A O / O 6 1 9 BAD ORIGINAL
| Rohr- | Plan | k'j/r;' | 0.36 | 5.78 |
| Große | 0.35 | 3.39 | ||
| Nennwert | 0.7U | 3.23 | ||
| Zoll | 53 | 1.50 | 0.72 | c..ix& |
| lh | 1OS | 3.11 | 0.70 | 8.07 |
| 1?5 | 5s | 2.39 | 1.36 | 8.31· |
| CM | 1OS | 3.93 | 2.19 | 7.35 |
| 2 | uo | 5.65 | ά. 16 | ό.όΟ |
| 2 | Uo | 11.3 | 6.93 | 6.15 |
| 3 | UO | 16.1 | 17.0 | U.69 |
| U | UO | 28.3 | 35.6 | U.33 |
| 6 | Uo | U2.6 | 61.1 | U. Ii |
| 8 | Uo | 79.8 | 1U7 | 2.56 |
| 12 | UO | 156.1 | 270 | l.UO |
| 18 | UO | 255.1 | 0.356 | 11.0 |
| 2U | UO | U21.0 | O.3v6 | 10.4 |
| 36 | 80S* | .378.2 | 0.356 | 2u.2 |
| U8 | 1OS | 3.93 | ||
| 2* | 5s | 3.69 | ||
| Uo | 8.63 | |||
| 23S** | ||||
* Angaben für ein 43-Zoll-Ro
schäften wie ein 3 6-7,ClI-P:
hr ni: gleichen Druck-lire
':1-!- ] ie^en ni^ht vnr-.
** Einträge von konventionellen Außcndruck-U^kehr—Cs~cse-Konstruktionen.
8U9840/061 9
In dieser Abbildung ist ein 8-Zoll-Kern mit drei zusätzlichen
Permeat-Gängen in Reihe n«6, in Winkeln von 120° voneinander plaziert,und drei möglichen Gängen, Nr. 94,in den
Zwischenräumen der gleichen Reihe,gezeigt. Für hohe Größen mit hohen «-Werten können weiter Permeat-Gänge in weiter
außen liegenden Reihen zur Verfügung gestellt werden. Man muß jedoch wissen, daß diese Technik nicht-ausgeglichene
mechanische Kräfte in die Zone zwichen diesen Axial-Gängen und den nächstgelegenen Rohren einbringt.
Bei der Installation können die einzelnen axialen Permeat-Gänge direkt an die entsprechenden Gänge des nachten Kerns
gekuppelt werden; sie können dann beim ersten Kern im Druckgefäß zusammengeschlossen werden. Oder bei Kernen, wo begrenzter Raum es schwierig machen würde, mehr als einen
Gang zu kuppeln, können mehrere Gänge an jedem Kern-Ende :";
zusammengeschlossen werden, um so die Zahl der Verbin- ; düngen, die bei der Installation erforderlich werden,
auf eine zu reduzieren.
Ein weiterer Weg, den Ausgleich des Druckabfalls herzustellen,
ist es, kleine radiale Kanäle (Nr. 95) in dem porö-»
sen Material anzubringen, wie in Abb. 32 gezeigt. In einem solchen Fall kann die versetzte Placierung der Rohre, wie
in Tabelle II angegeben, nicht benutzt werden. Diese Gänge ·. können dann 60° voneinander angebracht werden, vorausge- '■■ setzt
natürlich, daß m»6 für den gesamten Kern gilt. ■/
Wieder muß man sich dessen bewußt sein, daß diese Technik
unausgeglichene mechanische Kräfte zwischen den radialen Kanälen und den Rohren, bei denen sie passieren,verursacht· ,
Diese Kanäle können auf verschiedene Weise hergestellt wer·*
den. Bei einer Methode werden kleine radiale Stäbe in der Kern-Form placiert, bevor der Kern gegossen wird, wobei ' .:
ein Ende aus der Form herausragt. Diese werden nach der ; Fabrikation entfernt und die resultierenden Löcher mit a .
einem Stopfen versehen. Bei einer anderen Methode werden kleine Stäbe einer wasserlöslichen organischen Substanz,, ^
wie Polyäthylenglykol, oder anorganische Substanzen wie ]!
NaCl oder Na2SO4 werden in einige der Durchbrüche des ; ''
809840/0619
Permeat-Ganges vor der Fabrikation des Kerns placiert.
Bei Inbetriebnahme lösen sich die wasserlöslichen Substanzen
langsam heraus unter Zurücklassung des erwünschten radialen Permeat-Ganges. Nach einer dritten Methode, die
für Kern-Herstell-Verfahren bei niedriger Temperatur geeignet
ist, kann eine wachsartige oder kristalline Substanz den Ganq bilden, die nachher aus dem Kern herausgeschmolzen
werden kann. In all diesen Fällen ist es nützlich, die Stäbe in der richtigen Lage durch Drahtverbindungen ,
zu sichern oder sie auf andere Weise vor dem Kern-Guß an mehrere der Stäbe zu binden, die die Foim für die
Rohröffr.ungen abgeben.
Da es das prinzipielle Ziel der Radial-Kanäle ist, den Fluß
des Permeate von. den äußeren Ker.ibercichen nach dem zentralen
Permeat-Gang :'.u erleichtern, iut es möglich ein dünnes
Metallrohr mit oder ohne Perforationen ^u benutzen, um die
Widerstandskraft gegen die nicht-ausbalancierten Kompres—
sionskräfte zu erhöhen, die durch die Anbringung dieser Gänge im Kern-Material erzeugt werden. Solch ein Rohr hätte
ein oder mehrere öffnungen innerhalb des axialen Permeat-Ganges, um die Abgabe von Permeat dort hinein zu erleichtern.
Um au /eihindern, daß das offene Ende dieser Rohre
während der Fabrikation verstopft, kann ein wasserlöslicher Stopfen einer organischen oder anorganischen Substanz vor
dem Guß in den Enden angebracht werden.
Bei Kernen, die radiale Permeat-Kanäle erfordern, nimmt
die Zahl dieser je Linear-Abschnitt des Kerns nötigen Kanäle mit zunehmendem Kern-Durchmesser zu. Es ist nicht
praktisch, Radial-Permeat-Gänge bei Zwischenwinkeln anzu
wenden. Jedoch kann diese Methode kombiniert werden mit der Verwendung axialer Permeat-Gänge, Nr. 93, bei Zwischenwinkeln,
wie in Abb. 33 bei 30°, 90°, 150°, 2 10°, 270°,
und 330° gezeigt.
Schließlich ist es in den Fällen, wo keine Außen-Membran,
Nr. 5, verwandt wird und wenn maximale Pump-Effizienz erstrebt wird, wünschenswert, den Durchfluß entlang der Außen-Membran
des Kerns zu verhindern. Dieses Ziel wird durch die Installation eines O-Rings, Nr. 97, oder einer anderen
809840/061 9
Dichtung auf der Außen-Oberflache des Kerrs erreicht,
v/ie es in Abb. 33 dargestellt ist. Dabei v/ird ein Fl'uzzL-.-keitsdruck
auf die Außenoberflache weiter ausgeübt, v/ολϊπ-oeqen
der gesamte Durchfluß durch die inneren !«ehre erfolgt.
Die Installation des Kerns v/ird durch Vervendun- von iioiybdändisulfid-Pulver
oder ein cecionetes amorphes Schmiermittel,
wie weiches Paraffinwachs oder Silikonfett, erleichtert.
8098A0/0619
- 58 -
LITERATUR ZUM STAND DER TECHNIK
I. Patente
Patente. USA (PA) Patente. .Japan (JP)
1. Loeb
2. Loeb
3. Loeb
4. Loeb
5. Loeb
6. Merten
7. Westmoreland
8. Bray
9. Loeb
10. Shippey
11. Block
3,133,132 3,133,137 3,170,867 3,283,042
3,364,288 3,386,583 3,367,504 3,367,505 3,446,359 3,400,825 3,768,660
1. Loeb
2. M ah on
3. Mi-r Un
4. Huggins
5. Cahn
6. Strand
7· Hanzawa
8. DonoKos
9· Corners
7· Hanzawa
8. DonoKos
9· Corners
10. Miihon
11. Geory
12. Merttn
13. Merten
14. Michaels
15. Bray
16. Shirokawa
17. Signa
18. Block
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20. Saito
21. Baidon
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Claims (1)
- Patentansprüche1. Rohrförmig« Membranfiltrations-Vorrichtung, gekennzeichnet durch einen semiporösen Kern (1) mit· einer oder mehreren, inneren Passagen (2), deren Oberflächen mit semipermeabler Membran (4) flbercogen sind, und einem oder mehreren membran- loeen Permeat-Qflngen (3), wobei der Kern (1) sich in einem Druokgefäea (7) befindet und jeder Permeat-Gang (3) mit der Aussenseite des Druckgefflsses (7) in Verbindung steht.2. Vorrichtung naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende jedes Permeat-Ganges (3) entweder mit einem Stopfen (63) versehen ist, um das Eindringen von Lösung zu verhindern, oder mit anderen Ahnlichen Kernen (1) in Reihe verbunden ist, wobei nur der Permeat-Gang (3) des letzten Kernes der Reihe mit einem Stopfen (63) versehen ist.3. Vorrichtung naoh Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (1) mehrere Membran-Überzogene innere Passagen (2) und einen membranlosen Permeat-Gang (3) aufweist.3l486 803840/0619Ge/Hn. - 2 -M. Vorrichtung naoh einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Endflächen (8) des Kerns (1) fQr Flüssigkeiten undurchdringbar sind.5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis *♦, dadurch gekennseichnet, dass der Kern (1), jede membranüberzogene Passage(2)und/oder jederinnere Perraeat-Qang (3) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der semiporöse Kern (1) ein Material ist, da· aus der Gruppe Keramik, gesintertes Glas, gesinterter Kunststoff, geschäumter Kunststoff und gesintertes Metall oder aus einer Fritte von angeschmolzenem oderauf andere Weise verfestigtem Siliciumdioxid, Sand, Feldspat, Tonerde, Kieselgur, oder einer anderen, anorganischen, mineralischen oder fossilen Substanz, oder aus einer Fritte von gesintert·«! oder auf andere Weise verfestigtem, organischem Material besteht, ausgewählt aus der Oruppe bestehend aus granulierten oder geschäumtem Oummi oder synthetischem Elastomeren, Holspulver oder -faser, behandeltes Holzpulver oder -faser, granulierte oder pulverisierte Kohle, Asphaltit, Qilsonit oder Bituaenpulver.7» Vorrichtung naoh einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennteiohnet, dass jeder innere Permeat-Oang (3) einen perforierten Metallmantel (2o) hat.8. Vorrichtung naoh Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass jeder Metallmantel (2o) nioht-perforierte Endteile hat, die aus den Ende des besagten Kerns herausstehen.9· Vorrichtung nach Anspruoh 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Endteile des Metallmantels (2o) Kupplungen (5o) aufweisen sur Ankupplung an andere gleiche Metallmäntel oder an Permeat-Entnahmevorrichtungen.809840/0619- J - j10. Vorrichtung naoh einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennselehnet, dass ein oder mehrere ähnliehe Kerne (1) innerhalb eine· zylindrischen Druekgefässes (7) in Reihe geschaltet sind, wobei das Druckgefäss (7) in U-fÖrmigen Krümmern (8o) endet und wobei an diesen Krümmern (8o) Rohrabsehnitte (81 und 84) in solcher Position befestigt sind, dass si· direkt an den Permeat-Oang (32) des letzten Kerns ankuppelbar sind.11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis Io, dadurch gekennselehnet, dass die rohrförmigen Metallmäntel (2o) mittels •in·· Drehgelenk·· (66) miteinander verbunden sind derart, dass eine Rotation der Rthe von Kernen (1) wahrend des Betrieb·· mOglioh 1st.12. Vorrichtung naoh Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehgelenk (66) mit einem Flügelrad (67) verbunden ist, um di· Winkelgeschwindigkeit des genannten Permeat-Gangmantels (2o) und des damit verbundenen Kernes während des Betriebes zu erhOhen.13· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennceiehnet, dass alle Materialien des Kerns (1) und die zugehörigen Verbindungsstücke aus organischen Material bestehen.14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge kvnnselohnet, da·· di· membranüberzogenen, inneren Passagen (2) kreisförmig· Querschnitte mit den Radien r haben und bei der di· Achsen der membranüberzogenen Passagen (2) gleichflrmlg auf jed«m einer R«lh· von konzentrischen Kreisen η verteilt sind, wob·! di· Kr·!·· durch di· Reih· der ganzen Zahlen η benannt werden, mit 1 beginnend und mit wachsendem Radius zunehmend und wobei di· Kahl der rohrförmigen Passagen (2) auf Jedem dieser Kreise gleich η mal m ist, wbbei m gleich O, 5 oder 6 ist, wenn η gleich 1 oder 2, und wobei m gleich 5 oder 6 ist, wenn η gleich 3 oder mehr ist, und wobei die809840/0619Qröse· des Radius r und der Radien der konzentrischen Kreise derart festgelegt sind, dass der kleinste Abstand Bwischen den rohrförmigen Passagen (2) nicht kleiner als 0,5 mn ist.15· Vorrichtung naoh einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gek«nnt*ichn«t, dass das semiporöse Material (91 oder 92), das jeden Perneat-Oang (3) bis zu einer Tiefe von mindestens o,5 ce umgibt, ein relativ niedriges Poren-Volumen hat, sowie «ine relativ hohe Diohte und/oder eine relativ kleine Teilohengrösse, und wobei der Rest des Kerns (1) aus einem seaiporOsen Material mit relativ hohem Porenvolumen, relativ geringer Diohte und/oder relativ hoher Teilchengröße aufgebaut ist.16. Vorrichtung nach Ansprhoh 14 oder 15t dadurch gekennzeichnet, dass Hilfi-Perraeat-Gänge (95) radial vom zentralen Permeat-Qang (3»32) durch den Raum zwischen den membranübersogenen inneren Passagen (2) ausgehen.17. Vorrichtung naoh einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekenneeichnet, dass der semiporuse Kern (1) auf seinem Umfang •In· semipermeable Membran (5) aufweist.18. Vorrichtung naeh einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekenneeiohnet, dass die einzelnen Kerne (1) eine Länge zwi-•eh«n o,5 und 3,ο a haben.19« Vorrichtung naoh einem der Ansprüche 1 bis 18, gekennzeichnet durch eine Viejeahl membranüberzogener Innenpasaagen (2), d«r«n kreisförmiger Querschnitt einen Durchmesser von o,5 bis 2 ca hat.2o. Vorrichtung naoh einem der Ansprüche 1 bis 19» dadurch gekennseiohnet, dass/ein Permeat-Oang (3) mit kreisförmigemHU9840/06 1 9Querschnitt coaxial zum zugehörigen Kern (1) liegt, wobei die Achsen der inneren Passagen (2), die alle kreisförmigen Querschnitt haben, parallel zu der Achse des Kerns (1) liegen.21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2o, dadurch gekennzeichnet, dass die Plussrichtung der Auegangslösung in und um den Kern oder die Kerne die gleiche ist wie diejenige des Permeate.22. Vorrichtung naoh Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der «emiporöse Kern (1) aus gesintertem oder geschäumtem Kunststoff, wie B.B. - aber nicht beschränkt auf - Polyäthylen, Polypropylen, Polyolefin, Polyoarbonat, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenfluorid, Acetal, Polystyrol oder Polyurethan, besteht.23* Vorrichtung naoh Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der seaiporöse Kern (1) aus gesintertem Metall, wie z.B. - aber nicht beschränkt auf - Edelstahl, Monel-Metall, Kupfer, Messing, Bronze, Zink, Aluminium oder Pot-Metall, besteht.24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennieiehnet, da·· die Durchmesser der Kerne (1) und Druokg·?!··· (7) in dem MaAe schrittweise verkleinert sind, la den dl· Lesung vom lugabeende zum Konzentratende der Bank ktnthaltiger Oruokg«ftsse etrUmt.15. Vorrichtung naeh Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, dass dl· Ausa<mob«rfll«h· de· Kern· (5)/durch Verwendung einer Pltttlfc» od#r Metalluahttllung für Flüssigkeiten undruchdringbar ist.BÜB840/061926. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch ge- kennseiohnet, dass sie einen Verwirbler (11) zwischen den Kern (1) und de« Aussengefäss (7) aufweist.27· Verriehtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch ge- kennseiohnet, dass Rotationsvorriohtungen (66, 67) vorgesehen find, die die Kerne (1) in jedem RohrgefSss (7) rotieren lassen.20* Verwendung der Vorrichtung nach einem der AnsprUohe 1 bis 25, wobei bei der Vorrichtung die Kerne, Verbindungsstücke, Ver fehlfiese und damit verbundene Teile aus organischen Subetan- ■en bestehen» «ur Durchführung umgekehrter Osmose oder von Ultrafiltration, so dass eine radioaktive oder toxische Subttani behandelt und aufkonsentriert werden kann, und wo durch nach Verschleiss des Kernes oder Beendigung des Pro- tesset der übriggebliebene Kern samt anhängenden Teilen durch ein thermisches oder chemisches Verfahrensersetst werden kann, wobei die verbleibende anorganische Asche ein minimales Oewioht und Volumen ergibt.8U9840/Ü6 Ί
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