DE2802780B1 - Vorrichtung zur Wasserentsalzung und -reinigung durch umgekehrte Osmose und Ultrafiltration - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wasserentsalzung und -reinigung durch Umgekehrte Osmose und Ultrafiltration, bestehend aus zwischen zwei Endplatten eingespannten, abwechselnd aufeinander gestapelten tellerartigen Trägerplatten und Wasserleitplatten und zwischen Trägerplatten und Leitplatten liegenden, mit einer Filterschicht hinterlegten ringförmigen Membranen, welche in radialer Richtung membranseitig vom Rohwasser überströmt werden und filterseitig das Brauchwasser ableiten.

Die bisher bekanntgewordenen Wasserentsalzungsvorrichtungen der vorgenannten Art, wie sie beispielsweise aus der US-PS 3847818 bekanntgeworden sind, weisen zahlreiche Nachteile auf. Da man zum Zusammenspannen des Plattenstapels einen zentralen Spannbolzen verwendete, welcher Mittelöffnungen der einzelnen Platten durchsetzte, war der Austausch von Membranen nur schwer durchzuführen, da auch beim Austausch einer einzelnen Membran der gesamte Stapel nach Herausnehmen des

Spannbolzens zerlegt werden mußte. Nachteilig ist ferner bei den vorbekannten Entsalzungsvorrichtungen der einleitend genannten Art, daß das Permeat am gesamten Umfang des Plattenstapels austrat, so daß der Plattenstapel für sich allein kein geschlossenes "> System bilden konnte, sondern einer besonderen Auffangwanne bedurfte. Besonders nachteilig ist bei diesen genannten vorbekannten Entsalzungsvorrichtungen aber die große Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung von Membranen, ein Nachteil der auch bei ι» anderen vorbekannten Spannbolzen auftritt, wenn bei diesen der Zusammenspannungsdruck zumindestens teilweise auch auf die Membranen einwirkt. Es muß in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen werden, daß die Wiederverwendbarkeit der Membranen ι "> ein wichtiger Faktor bezüglich der Wirtschaftlichkeit von Entsalzungsanlagen ist. Erfahrungsgemäß betragen die Membrankosten ca. 20% der gesamten Anlagekosten. Eine besondere Bedeutung muß diesem Problem dann beigemessen werden, wenn die Anlage 2u zur Aufarbeitung von verunreinigten Abwässern eingesetzt wird, wobei eine häufige Reinigung der Membranen erforderlich ist. Bei allen vorbekannten Anlagen ist dies mit einem erheblichen Aufwand verbunden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Wasserentsalzungs- und Wasserreinigungs-Vorrichtung der einleitend genannten Art, die trotz relativ geringer Herstellungskosten leicht montierbar ist, nur wenige unterschiedli- jo ehe Bauelemente aufweist und die Membranen dadurch schützt, daß sie nicht durch den Zusammenspannungsdruck, sondern ausschließlich von dem Druck des eingeleiteten Rohwassers beaufschlagt werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Plattenstapel randseitig zusammengespannt ist und eine durchgehende Mittelöffnung zum Einleiten des Rohwassers aufweist und die Trägerplatten außerhalb der Ränder der Leitplatten mit einem verdickten Randteil dichtend aufeinanderliegen und innerhalb dieser Randabdichtung durchgehende aufeinander ausgerichtete, zum Ableiten des Brauchwasser dienende Bohrungen aufweisen, welche zur Plattenmitte hin über einen durch verminderte Dicke der Trägerplattenrandteile erzeugten Spalt mit den Filterschichten der Membranen in Verbindung stehen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachfolgend wird anhand der Zeichnungen eine ->o bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielsweise im einzelnen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Radialschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wasserentsalzung und -reinigung,

Fig. 2 einen explosionsartig dargestellten Diametralschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wasserbehandlung in einem etwas kleineren Maßstab,

Fig. 3 einen gegenüber der Fig. 1 vergrößerten Teilquerschnitt durch eine Endplatte mit einer Stopfbuchse zum Einführen einer Prüfsonde,

Fig. 4 einen vergrößerten abgebrochenen Diametralschnitt durch eine Trägerplatte gemäß den Ausschnitten IVa, YVb, IVc der Fig. 2,

Fig. 5 eine abgebrochene Draufsicht auf eine Leitplatte, und

Fig. 6 einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie

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40

43 VI-VI der Fig. 5.

In Verbindung mit den Zeichnungen ist noch darauf hinzuweisen, daß die Anzahl der Plattenelemente beliebig groß gewählt werden kann. Die Zeichnungen zeigen zwischen den Endplatten unterschiedliche Anzahlen von Leit- und Trägerplatten, wobei deren Anzahl allein aus Gründen der zeichnerischen Darstellung klein und unterschiedlich gewählt wurde.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 besteht aus zwei relativ dickwandigen Endplatten 10 und 20. Zwischen diesen Endplatten 10 liegen Tragplatten 30 und Leitplatten 40, die abwechselnd gestapelt angeordnet sind. An den Leitplatten befinden sich äußere Dichtungen 50 und innere Dichtung 60. Auf den gegenüberliegenden Seiten der Trägerplatten liegen die mit Filterschichten unterlegten Membranen 70. Als radiale äußere Begrenzungungen der Leitplatten 40 und deren äußere Dichtungen 50 dienen Halteringe 80. Zum Zusammenhalten des Plattenstapels dient eine Mehrzahl von Spannbolzen 90, die um den Umfang des Plattenstapels herum angeordnet und in den Endplatten 10 und 20 verankert sind. Zur Überprüfung der ordnungsgemäßen Arbeit der Wasserbehandlungsvorrichtung ist eine Sonde 100 vorgesehen.

In der Mitte der vorzugsweise als Kreisscheibe ausgebildeten Endplatten 10 und 20 befindet sich eine Mittelöffnung 11, durch die das zu entsalzende Rohwasser, in der Zeichnung von unten nach oben, durchgeleitet wird. Ferner sind die Endplatten 10 und 11 mit einer oder mehreren radial gerichteten Permeat-Ableitbohrungen 12 versehen. Diese Bohrungen 12 münden in eine axial gerichtete Permeat-Ableitbohrung 13 ein. Diese Bohrung 13 liegt in radialer Richtung außerhalb der Halteringe 80.

Die Gestalt der zwischen den Endplatten 10 und 20 liegenden Trägerplatten 30 ist aus Fig. 4 besonders deutlich zu erkennen. Die Trägerplatten 30 sind mit einem plan parallelen Randteil 31 versehen, dessen axial gerichtete Stirnflächen dichtend aneinander bzw. an den Innenflächen der Endplatten 10 und 20 anliegen. Zur Abdichtung ist in der einen axial gerichteten Stirnfläche des Randteiles 31 eine ringsum laufende O-Ringdichtung 32 angeordnet. Innerhalb der Ringdichtung 32 sind in den Trägerplatten 30 Axialbohrungen 33 vorgesehen, die beim Zusammenbau auf die Axialbohrung 13 der Endplatten ausgerichtet sind. Die Bohrung 33 kann zylindrisch sein, ist aber vorzugsweise so ausgebildet, daß sie für die nachfolgend noch zu beschreibende Sonde 100 von der Mitte nach außen etwas divergiert. Der sich an die Bohrung 33 anschließende Teil der Trägerplatte 30 hat eine etwas geringere Dickenabmessung, so daß bei gestapelten Trägerplatten Spalten entstehen, über die in nachfolgend noch näher zu erläuternder Weise das Permeat die Axialbohrung 33 erreichen kann. Zur Mitte hin vermindert sich die axiale Dicke der Trägerplatte 30 jenseits einer Stufenfläche 35, so daß der Abstand zwischen benachbarten Trägerplatten 30 in diesem Bereich zur Mitte hin stetig größer wird. Die schräg verlaufenden Wandungsteile der Trägerplatte 30 bilden zwischen der Stufenfläche 35 und einem Ringbund 36 eine Auflage für die mit einer Filterschicht 72 unterlegten kreisringförmigen Membranen 71. Die Ringbunde 36 befinden sich unmittelbar neben einer Mittelbohrung 37 der Trägerplatte 30. Diese Bohrung 37 ist auf die Mittelbohrung 11 der Endplatten 10 und 20 ausgerichtet.

In dem scheibenförmigen Zwischenraum zwischen

den einzelnen Trägerplatten bzw. zwischen den endständigen Trägerplatten und den entsprechend ausgespart ausgebildeten angrenzenden Flächen der Endplatte 10 und 20 liegen die Leitplatten 40 (Fig. 5 und 6). Während die Trägerplatten 30 vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Metall oder Kunststoff bestehen, sind die Leitplatten 40 aus Kunststoff geformt. Die Leitplatten, welche auf einem größeren Ringabschnitt im wesentlichen parallelwandig ausgebildet sind, haben einen verdünnten Mittelabschnitt 41, welcher die Mittelbohrungen 11, 37 durchsetzt, so daß in diesen Mittelbohrungen zylindrische Bohrungsabschnitte 42 (Fig. 1) entstehen. Die verdünnten Mittelabschnitte 41 der Leitplatten 40 sind mit engen radialen Schlitzen 43 versehen, so daß dieser Mittelteil der Leitscheibe die Funktion eines Überdruckventils übernehmen kann, wenn bei Verstopfung eines Plattenelementes ein Überdruck entsteht. Dieser sich öffnende Mittelteil 41 der Leitscheibe kann dann, ohne daß es zu einem Ausfall der ganzen Anlage kommt, ein Plattenstapelelement kurzschließen, wobei nach Abbau des Überdrucks die Platte wieder normal schließt. Am Außenrand der Leitplatte befinden sich Einkerbungen 44, zwischen denen Zahnteile 45 stehen bleiben. Diese Zahnteile tragen eine U-förmig profilierte Ring-Dichtung 50, die jedoch nur so weit über die einzelnen Zähne 45 hinwegragt, daß Teile der Einkerbung als Übertrittskanäle zwischen den beiden Leitplattenseiten gebildet werden. Es ist zu beachten, daß die U-förmig profilierten äußeren Leitplattendichtungen 50 an benachbarten Trägerplatten bzw. Endplattenflächen zur Anlage kommen. Der Druck des in den Einkerbungen 44 übertretenden Permeats sorgt für eine gute Abdichtung der Leiterplattenränder.

In den vorerwähnten zylindrischen Kammern 42 der Mittelbohrung zwischen den Mittelteilen 41 der Leitplatten 40 befinden sich zwei L-förmig profilierte Dichtungsringe 61 und 62 (Fig. 1). Diese innere Abdichtung 60 ist zweiteilig hergestellt, da auf diese Weise deren Montage erleichtert wird. Die einander gegenüberliegenden Schenkel der Dichtung 60 übergreifen die Ringbunde 36 der Trägerplatte 30 und überdecken die auf den Trägerplattenflächen angeordneten Membranen und Filterschichten.

Aus der bisherigen Beschreibung ist erkennbar, daß das am unteren Ende der Mittelbohrung 11 eintretende Rohwasser zickzackförmig radial den Plattenstapel durchfließen kann. Bezüglich der Fig. 1 staut sich zunächst das Rohwasser vor einem Mittelteil 41 der Leitplatte, so daß das Rohwasser entlang der Leitplatte 40 radial nach außen strömt, dann an den Einkerbungen 44 zur gegenüberliegenden Seite der Leitplatte umgeleitet wird und dann wieder radial zur Mitte zurückströmt und die nachfolgende zylindrische Kammer 42 erreicht. Die zunächst konvergierenden und anschließend divergierenden Strömungsquerschnitte berücksichtigen, daß der Außenteil des Plattenstapels eine größere Fläche hat als der Innenteil. Am Ende des Durchlaufs fließt das nicht entsalzte oder gereinigte und damit auf konzentrierte Restwasser am oberen Ende der Mittelbohrung 11 wieder ab. Die vorstehende Beschreibung des Durchflusses läßt auch erkennen, daß die inneren Dichtungen 60 vom zuströmenden Rohwasser an die mit Membranen und Filterschichten abgedeckten Trägerplattenflächen angedrückt werden. Genau wie bei den äußeren U-förmigen Dichtungen 50 kann die Membran-Filterschichtanordnung nur entsprechend dem maximalen Druck des Rohwassers beaufschlagt werden, da der Zusammenspannungsdruck mit den Spannbolzen 90 nur auf die Randteile 31 der Trägerplatten einwirkt. Wie schon vorstehend erwähnt, erstreckt sich die ringscheibenartige Membrane 71 in radialer Richtung vom Ringbund 36 bis zum inneren Umfang des Halteringes 80, in besonderen Fällen auch bis zur Stufenfläche 35. Die unter der Membrane, d. h. zwischen der in Membrane 71 und der Trägerplattenfläche angeordnete Filterschicht 72 dagegen erstreckt sich immer bis zur Stufenfläche 35. Daher kann das durch die Membrane 71 hindurchgetretene Permeat unterhalb der U-förmigen Dichtung 50 die Stufenfläche 35 der Trä-]) gerplatte 30 erreichen. Damit das Permeat jetzt von dieser Stufenfläche 35 den Spalt 34 und damit die axiale Bohrung 33 und 13 und damit die Permeatableitbohrung 12 erreichen kann, sind die Halteringe 80 an ihrer radial außenliegenden Umfangsfläche mit feinen Rinnen versehen, die vorzugsweise durch eine Rändelung hergestellt sind.

Bei den Filterschichten handelt es sich prinzipiell um Drainageschichten zur Permeatableitung, beispielsweise um Feingewebe in einer Dicke von etwa 0,1 mm bei einem Fadenabstand von etwa 25 Mikron. Es sei in diesem Zusammenhang noch erwähnt, daß die Halte- bzw. Wasserleitringe 80 in axialer Richtung eine Dicke haben, die der Tiefe der Stufenfläche 35 abzüglich der Dicke der Filterschicht entspricht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wasserentsalzung und Wasserreinigung weist zahlreiche Vorteile auf, die im folgenden aufgezählt werden:

Anwendbarkeit in allen Druckbereichen bis 100 bar,
sehr einfache Montage ohne Montagehilfsmittel, keine Zusatzdichtungen an den Endplatten,

keine Verformung der Membranen durch die Dichtungen,

geringe Vorspannung der Zuganker, daher geringe Vorverformung der Dichtungen,

vollkommene Kapselung des Permeatraumes,

Abführung des Permeats als Druckwasser,

kein Leerlaufen des Moduls bei Störungen,

freier Ablauf des Permeats durch die Filterschicht und den Rand des Halteringes,

völlig Auskleidung des Innenraumes durch die Membranen und die Dichtungen,

freie Materialauswahl (Metall oder Kunststoff) für die Leitscheiben,

so eindeutige Fließrichtung des Rohwassers über die Membranen,

Leitscheiben bedürfen keiner besonderen Oberflächenbehandlung,

Auflage von Membran und Filterschicht auf einer planen Fläche,

seitliche Abführung des Permeats ohne Bohrungen oder Schlitze in der Auflagefläche.

Ein besonderer Vorteil wirkt sich aus beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reinigung von Abwässern. Das hierbei vonZeit zu Zeit erforderliche Befreien der Membranen von Ablagerungen (Algen, Faulstoffen) bedingt nur eine sehr geringe Betriebsunterbrechung:

Die Membranen werden in diesem Betriebsfall so bemessen, daß sie bis zur Stufenfläche 35 reichen und liegen damit, gehalten durch den Haltering 80, fest auf der Trägerplatte auf. Nach dem Lösen der Zuganker können die Trägerplatten Stück für Stück vom

Stapel genommen, abgewischt oder abgespült und anschließend gleich wieder gestapelt werden. Die Membranen bleiben hierbei glatt und unbeschädigt auf ihrer Position liegen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wasserentsalzung kann im Betrieb in besonders einfacher Weise auf ordnungsgemäßes Funktionieren der einzelnen Plattenelemente überprüft werden. Hierzu dient eine Sonde 100 in Form einer Rohrstange 101, die sich über eine in die Endplatte 10 eingeschraubte Stopfbuchse 102 einführen läßt. Die Stopfbuchse 102 ist mit einem Dichtring 103 gegenüber der Endplatte 10 und mit einer U-förmig profilierten Ringdichtung 104 gegenüber der Rohrstange 101 abgedichtet. Die Rohrstange 101, deren Außendurchmesser geringer ist als die Bohrung 33, weist an ihrem Vorderende zwei Kolbenabschnitte 105 und 106 auf, deren mittlerer Abstand der Dicke einer Trägerplatte 30 entspricht. Zwischen den beiden Kolbenabschnitten 105

und 106 befindet sich eine Radialbohrung 107, die mit dem Inneren der Rohrstange 101 in Verbindung steht. Zur Überprüfung der Entsalzungsvorrichtung kann die Rohrstange 101, d. h. die Sonde 100 so eingefahren werden, daß der Bereich zwischen den beiden Kolbenabschnitten 105 und 106 das Permeat aus dem Ringspalt 34 empfangen kann, welches dann am Außenende der Rohrstange 101 austritt und dort untersucht und gemessen werden kann. In Verbindung mit den Kolbenabschnitten 105 und 106 erweist es sich als zweckmäßig, die Bohrungen 33 der einzelnen Trägerplatten so auszubilden, daß sie von der Mitte nach außen etwas divergieren und nur in ihrem Mittelabschnitt einen Durchmesser haben, der dem Durchmesser der Kolbenabschnitte 105 und 106 entspricht. Außerhalb der Stopfbuchse 102 können an der Rohrstange 101 Markierungen angebracht werden, an denen jeweils abgelesen werden kann, wo die Sonde 100 bezüglich des Plattenstapels steht.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

'909 529/478

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Wasserentsalzung und Wasserreinigung durch Umgekehrte Osmose und Ultrafiltration, bestehend aus zwischen zwei Endplatten eingespannten, abwechselnd aufeinander gestapelten tellerartigen Trägerplatten und Wasserleitplatten und zwischen Trägerplatten und Leitplatten liegenden, mit einer Filterschicht hinterlegten ringförmigen Membranen, welche in radialer Richtung membranseitig vom Rohwasser überströmt werden und filterseitig das Permeat ableiten, dadurch gekennzeichnet, daß der Plattenstapel randseitig zusammengespannt ist (90) und eine durchgehende Mittelöffnung (11, 37) zum Einleiten des Rohwassers aufweist und die Trägerplatten (30) außerhalb der Ränder der Leitplatten (40) mit einem verdickten Randteil (31) dichtend aufeinanderliegen und innerhalb dieser Randabdichtung (32) durchgehende aufeinander ausgerichtete, zum Ableiten des Permeats dienende Bohrungen (13, 33) aufweisen, welche zur Plattenmitte hin über einen durch verminderte Dicke der Trägerplattenrandteile (31) erzeugten Spalt (34) mit den Filterschichten (72) der Membranen (71) in Verbindung stehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitplatten (40) am Außenrand mit übergreifenden U-förmigen profilierten Dichtungsringen (50) versehen sind, die sich an ihren gegenüberliegenden Seitenflächen an den mit Membranen (71) und Filterschichten (72) abgedeckten Trägerplatten (30) abstützen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitplatten (40) mit ihrem Mittelteil (41) die Mittelbohrung (11,37) des Plattenstapels überdecken und diese in zylindrische Kammern (42) unterteilen, welche zwei einander gegenüberliegende membran- und filterschicht-abgedeckte Flächen gleicher Trägerplatten (30) verbinden, und daß an den Außenrändern die Leitplatten (40) innerhalb der U-förmig profilierten Dichtungsringe (50) axial gerichtete Wasserübertrittsöffnungen (44) aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitplatten (40) auf ihrem Außenumfang mit einer Vielzahl von Einkerbungen (44) versehen sind, die in ihrem nicht vom U-förmigen Dichtungsring (50) abgedeckten Teil Rohwasser-Übertrittskanäle zwischen den beiden Leitplattenseiten bilden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Mittelbohrung (37) des Plattenstapels überdeckenden Teile (41) der Leitplatten (40) mit verminderten Querschnitt ausgebildet sind und bei Überdruck sich reversibel öffnende Mittelteile (43) aufweisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Überdrucksicherung von einer Mehrzahl von engen radialen Schlitzen (43) gebildet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelöffnungen (37) der Trägerplatten (30) mit zwei einander überdeckenden L-förmig profilierten Dichtringen (61, 62) umgeben sind, deren freie Schenkel die beidseitig an den Trägerplatten (30) anliegenden Membra

nen (71) und Filterschichten (72) überdecken.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterschichten (72) in radialer Richtung über die Membranen (71) und die mit ihren Umfangsdichtungen (50) versehenen Leitplatten (40) hinausragen und an ihrem überragenden Randteil mit dem Permeatabführungsspalt (34) zwischen benachbarten Trägerplatten (30) in Verbindung stehen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsdichtungen (50) der Leitplatten (40) von einem Haltering (80) umgeben sind, dessen eine axial gerichtete Stirnfläche an dem überragenden Randteil der Filterschicht (72) der Membrane (71) anliegt und dessen radial gerichtete äußere Umfangsfläche mit feinen Rinnen versehen ist, über die das Permeat von der Filterschicht (72) den Spalt (34) zwischen benachbarten Trägerplatten (30) erreichen kann.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die feinen Rinnen in Art einer Außenrändelung der Halteringe (80) ausgebildet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitplatten (40) aus Kunststoff und die Trägerplatten (30) vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Metall oder Kunststoff bestehen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Filterschicht (72) ein Kunststoff-Feingewebe vorgesehen ist, welches vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,1 mm hat bei einem Fadenabstand von etwa 25 μ.

13. Sonde zur Überprüfung der Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine über eine koaxial zur Brauchwasserbohrung (13) in der Endplatte (10) vorgesehene Stopfbuchse (102) einführbare rohrförmige Betätigungsstange (101) mit einem Sondenkopf, welcher zwischen zwei dem Trägerplattenabstand entsprechend angeordneten kolbenartigen Verdickungen (105,106) eine ins Innere der Betätigungsstange führende Radialbohrung (107) aufweist.