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Beschreibung:
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wasserentsalzung und Wasserreinigung
durch Umgekehrte Osmose und Ultrafiltration mit einer Mehrzahl von in einem Außengehäuse
flachliegend aufeinandergestapelten Membrankissen, welche aus einer Drainageschicht
zwischen am Umfang dichtend miteinander verbundenen oberen und unteren Membranschichten
bestehen und membranseitig vom Rohwasser überströmt werden und filterseitig über
den Kissenstapel durchquerende Kanäle das Permeat abführen.
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Bisher vorgenommene Versuche mit solchen gestapelten Membrankissen
haben noch zu keinen praktischen Ergebnissen geführt, da man bisher nicht in der
Lage war, eine Vielzahl von dabei auftretenden Schwierigkeiten zu überwinden. Diese
Schwierigkeiten lagen dabei vor allem in folgendem: 1. Die Membranflächen wurden
ungenügend ausgenutzt, da sie im Stapel sehr eng aneinander liegen und ein gleichmäßiger
parallel-strömender Rohwasserfluß über alle Membranflächen nicht sichergestellt
werden konnte, so daß sich ein schlechter Wirkungsgrad ergab.
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2. Die Membranen wurden wegen starker mechanischer Beanspruchung durch
Druck- und Axialkräfte schnell beschädigt und hatten - vor allem im Hinblick auf
ihre relativ hohen Fertigungskosten - eine zu geringe Lebensdauer.
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3. Das Zusammenhalten eines Membrankissen-Stapels war äußerst schwierig,
da sich bei zu geringer Zusammenspannung ein schlechter Füllungsgrad ergibt und
da bei zu starker Zusammenspannung die Membranflächen durch zwischengelegte Abstandshalter
beschädigt werden.
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4. Bei dem Versuch, die Membrankissen-Stapel mit einer Mehrzahl von
Spannbolzen zusammen zu halten, wurde die Bewegungsfreiheit der einzelnen Membrankissen
in Richtung.
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ihrer Flächenausdehnung sehr stark beeinträchtigt, so daß schon nach
mehrmaligem Einschalten und Abschalten der Anlage und dem damit verbundenen Druckwechsel
die Membranen an den zwischenliegenden Abstandshaltern beschädigt wurden.
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5. Das Auswechseln der wegen des Wirkungsgrades sehr großflächig ausgebildeten
Membrankissen erforderte einen hohen Arbeits- und Kostenaufwand.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorerwähnten Schwierigkeiten
zu beseitigen und eine Vorrichtung der einleitend genannten Art zu schaffen, die
in der Herstellung, bei der Wartung und beim Betrieb vergleichsweise geringe Kosten
erfordert und trotz sehr gedrungener Bauweise einen großen Wirkungsgrad(rIembran-Druckfestigkeit
und wirksame Membranfläche je Vorrichtungsvolumen) aufweist.
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Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichnungsteil
des Hauptanspruches angegebenen Merkmale gelöst.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nachfolgend wird anhand der Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen axialen Schnitt
durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wasserentsalzung und Wasserreinigung,
Fig. ia den in Fig. 1 mit A bezeichneten Ausschnitt in vergrößertem Maßstabe, Fig.
2 einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie II-II der Eig.1.
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Fig. 3 eine Stirnansicht der Vorrichtung in Blickrichtung 111-111
der Fig. 1.
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Fig. 4 eine Einzelheit der Fig. 2 in vergrößertem Maßstabe, Fig. 5
eine Draufsicht auf den in Fig. 4 gezeigten Stützring, Fig. 6 einen Schnitt gemäß
der Schnittlinie VI-VI der Fig. 5, Fig. 7 eine Draufsicht auf einen Abstandshalter
für die gestapelten Membrankissen, Fig. 8 eine Draufsicht auf ein Membrankissen
teilw.aufgebrochen Fig. 9 einen vergrößerten Schnitt durch den Rand eines Membrankissens
gemäß Fig. 8 und Fig. 10 eine abgebrochene Draufsicht auf die Verklammerung benachbarter
Innengehäuse der Vorrichtung.
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Die in Fig. 1 in einem axialen Schnitt dargestellte erfindungsgemäße
Vorrichtung besteht aus einem rohrförmigen Außengehäuse 1, welches am einen Ende
mit einem vorzugsweise einteilig ausgebildeten kuppelförmigen Boden 2 verschlossen
ist. Am freien Ende des Außengehäuses 1 befindet sich ein Ringflansch 3, welcher
Schraubbolzen 4 für den aufzusetzenden Deckel 5 (Fig. 3) enthält. Dieser Deckel
5 greift mit einem Ansatz 6 von vermindertem Durchmesser in eine entsprechende innere
ringförmige Ausnehmung des Außengehäuses 1 ein, um dort einen dichtenden Abschluß
zu erzielen. An der Innenseite des Deckels 5 befindet sich eine etwa quadratisch
verlaufende stufenförmige Ausnehmung 7, in die ein nachfolgend noch im einzelnen
zu besprechendes, Membrankissen 19 enthaltendes Innengehäuse 8 flüssigkeitsdicht
eingreifen kann. Die Innenfläche des Deckels 5 mündet über einen konischen Zwischenabschnitt
innerhalb der Ausnehmung 7 in einen zentralen Soleauslaßanschluß 9. Des weiteren
enthält der Deckel außerhalb der Ausnehmung 7 einen oder mehrere Rohwassereinlaßanschlüsse
10.
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Schließlich enthält der Deckel 5 auch noch unterhalb des Anschlusses
9 drei Auslaßanschlüsse 11 für das gewonnene Permeat. Der Deckel 5 wird auf dem
Außengehäuse 1 mit
Muttern 12 gehalten, die auf die Schraubbolzen
4 aufgeschraubt werden können.
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Innerhalb des Außengehäuses 1 befinden sich, wie schon erwähnt, ein
oder mehrere in axialer Richtung hintereinander angeordnete Innengehäuse 8, deren
Ausbildung am besten aus den Fig. la und 2 zu ersehen ist. Jedes Innengehäuse P
besteht aus einem trogartigen Gehäuse-Unterteil 13, welches an der Oberseite mit
einem flachen Deckel 14 verschlossen werden kann. Das Innengehäuse 8 ist stirnseitig
geöffnet und definiert somit einen kastenförmigen Durchfluß-Querschnitt.
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Zur Versteifung, zur axialen Verbindung mehrerer Innengehäuse 8 und
zur axialen Führung innerhalb des Außengehä.uses 1 befinden sich außen an den Seitenwänden
der Gehäuseteile 13 und 14 sich senkrecht zu den entsprechenden Flächen erstreckende
Rippen 15. Die stirnseitigen Enden der Innengehäuseteile 13 und 14 sind gegensinnig
abgetrep#ausgebildet, so daß sie, wie Fig. 1 zeigt, gut geführt und - falls erwünscht.-
auch strömungsmitteldicht ineinandergreifen können.
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An den Enden der Rippen 15 sind, wie vor allem die Fig0 10
erkennen
läßt, Bohrungen 16 und Ausnehmungen 17 vorgesehen. In die Bohrungen 16 zweier benachbarter
Rippen 15 greifen die umgewinkelten freien Enden von im wesentlichen U-.förmigen
Klammerbügeln 18 ein, die in den Ausnehmungen 17 der Rippen eines benachbarten Moduls
eingehakt werden können. Im zusammengehakten Zustand können mehrere Innengehäuse
8 korrekt axial aufeinander ausgerichtet gemeinsam in das Außengehäuse 1 eingeschoben
werden.
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Der Innenraum des Innengehäuses 13, 14 wird vollständig ausgefüllt
vom Stapel 19' der Membrankissen 19 (Fig. 8) und der zwischenliegenden flachen Abstandshalter
20 (Fig. 4 und 7).
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Jedes Membrankissen 19 besteht aus einer oberen Membranschicht 21
und einer unteren Membranschicht 22, welche am Rande dichtend miteinander verbunden
sind. Zwischen den Schichten 21 und 22 befindet sich mindestens eine aus Feingewebe
bestehende Drainageschicht 23. Um die Flüssigkeitsströme gleichmäßig zu verteilen,
kann es auch zweckmäßig sein, zwischen den Membranschichten 21 und 22 eine Trennfolie
24
und zwei Drainageschichten 23a und 23b anzuordnen. Zur Permeatabfuhr und zur Lagerung
im Innengehäuse 8 enthält das Membrankissen 19 eine Mittelöffnung 35.
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Der Abstandshalter 20 in Form eines vorzugsweise aus Kunststoff bestehenden
dünnen Plättchens enthält, wie Fig. 7 zeigt, eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen
52 und stegartig zwischen den Öffnungen 52 verteilten Noppen 51, mit denen die einzelnen
Membrankissen 19 auf Abstand gehalten werden. Zur paßgerechten Lagerung im Innengehäuse
enthält der Abstandschalter 20 eine Mittelöffnung 36.
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Größe und Form der Membrankissen 19 und Abstandshalter 20 sind dem
innerhalb des Innengehäuses 8 vorhandenen Raum angepaßt, um einen blockförmigen
Stapel zu bilden, der dem im Außengehäuse 1 in Fig. 1 von links nach rechts strömenden,
über die Anschlüsse 10 zugeffihrten Rohwasser stirnseitig ausgesetzt werden kann.
Das Rohwasser wird zwischen den Membrankissen 19 von den Abstandshaltern 20 geführt,
die dabei auch dank der Noppen 51 und Durchbrüche 52 für eine Wasserberuhigung und
stetige Durchmischung sorgen,
Der entstehende Druckabfall über
die Membranstrecke bewirkt eine geringe Druckdifferenz zu den Außenseiten des Innengehäuses
8. Der Membranstapel 19' nimmt die resultierende Kraft durch seine Eigenstabilität
auf, in der Querrichtung über die Abstandshalter 20 und in der Senkrechten durch
den Membranstapel 19' selbst.
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Zwischen den Membranstapeln 19' kann Rohwasser über Bohrungen am Innengehäuse
8 zusätzlich eingespeist werden. Hiermit erfolgt eine Beeinflussung der Aufkonzentration,
der Fließgeschwindigkeit und des Druckabfalles innerhalb der Verfahrensstrecke.
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Bei einer Versuchsanlage wurden beispielsweise in einem Innengehäuse
8 von 500 x 100 x 100 mm fünfzig Membrankissen 19 und fünfzig zwischengelegte Abstandshalter
20 angeordnet, da die maximalen Dicken von Membrankissen 19 und Abstandshalter 20
etwa je 1 mm betragen. Hieraus ergibt sich eine wirksame Fläche eines einzelnen
Membrankissens von 0,1 m2, d.h. die wirksame Membranfläche eines Membranstapels
19' beträgt 5 m2. Schaltet man, anders als
in der Zeichnung, die
nur zwei Module zeigt, vier Innengehäuse 8 hintereinander, ergibt sich für eine
Gesamtbaulänge von 2,3 m eine Gesamtmembranfläche von 20 m2, was bei einem Rohwasserdurchsatz
von 6 m3/h einer Fließgeschwindigkeit auf den Membranen von ca. 40 cm/s entspricht.
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Der innere Aufbau des Innengehäuses 8 wird anschließend anhand der
Fig. 1a und 2 beschrieben. Zur Verbindung von Unterteil 13 und Deckel 14 des Innengehäuses
8, zur Lagesicherung des Membranstapels 19' und zur Abführung des Permeates dient
der Mittelbolzen 25. Der Mittelbolzen 25 durchsetzt eine Mittelöffnung 54 des Deckels
14, die Mittelöffnung 35 der gestapelten Membrankissen 19, der Mittelöffnung 36
der zwischenliegenden Abstandshalter 20 und die Bohrung 53 im Boden des Innengehäuse-Unterteils
13. Der Mittelbolzen 25 weist im Bereich des Membrenstapels 19 eine Längsnut 26
auf und ist an seinem unteren Ende mit einem Außengewinde 27 und am oberen Ende
mit einem Außengewinde 29 versehen. Das untere Gewinde 27 ist in ein unter dem Boden
des Gehäuse-Unterteils 13 angeordnetes Anschlußstück 28 eingeschraubt und das obere
Gewinde 29 dient zum
Aufschrauben einer Hutmutter 30, die sich
auf der Außenseite des Deckels 14 abstützt. Zur äußeren Abdichtung des Bolzens 25
gegenüber dem Innengehäuse 8 dienen Ringdichtungen 31 und 32, die in entsprechenden
Ringnuten im Bereich der Verschraubung am Deckel 14 und am Boden des Gehäuse-Unterteils
13 vorgesehen sind. Wenn der Mittelbolzen 25 mit der Mutter 30 angespannt ist, ruht
der Deckel 14 in der Längsausnehmung .33 und zwischen nicht zur dargestellten axialen
Ansätzen unverschiebbar auf dem Gehäuse-Unterteil 13.
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Das Anfüllen des sich noch im geöffneten Zustand befindlichen Innengehäuses
8 geschieht so, wie es die Fig. 4 zeigt, d.h. es werden abwechselnd immer ein Stützring
37 mit einem Abstandshalter 20 und ein Membrankissen 19 auf den Mittelbolzen 25
aufgefädelt. Der Stützring 37, welcher mit seinem unteren Ringteil 40 (Fig.6) den
Mittelbolzen 25 enganliegend umgibt, ist auf seinem Umfang mit einem O-Ring 38 versehen,
welcher bei der Stapelung im Bereich der Mittelöffnung 35 der Membrankissen 19 dichtend
zur Anlage kommt, so daß das die Membranaußenseiten beaufschlagende Rohwasser keinen
Zutritt zu den nachfolgend noch zu beschreibenden Permeat-Abführkanälen hat. Die
Mittelöffnung 36 des Abstandshalters
20 ist so bemessen, daß diese
Mittelöffnung den 0-Ring 38 mit kleinem Spiel umschließen kann. Der obere Ringteil
39 des Stützringes hat einen Innendurchmesser, der etwas größer ist als der Außendurchmesser
des Mittelbolzens 25, so daß dem letzteren gegenüber ein Ringspalt verbleibt, der
der Permeat-Abfuhr dient. Der Außendurchmesser des oberen Stützringteils 39 entspricht
im wesent-35 lichen dem Durchmesser der Mittelöffnung des Membrankissens 19.
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Der obere Ringteil 39 des Stützringes 37 besteht, wie Fig. 5 zeigt,
aus mehreren Segmenten 41, zwischen denen Durchlässe 42 vorgesehen sind. Auf diese
Weise kann das in den einzelnen Membrankissen 19 im Bereich der Drainage-Schichten
23a und 23b austretende Permeat über die Durchlässe 42 den Umfang des Mittelbolzens
25 erreichen. Um das Permeat vom Umfang des Mittelbolzens 25 weiterzuleiten, weist
der letztere eine Längsnut 26 auf, die mit dem Inneren 34 des hohusgebildeten Mittelbolzens
25 in Verbindung steht. Im Betrieb kann somit das gesammelte Permeat über die Innenbohrung
34 des Mittelbolzens 25 das Anschlußsttlck 28 erreichen, um von dort weitergeleitet
zu werden, Das Anschlußstck 28 enthält außer der Gewindebohrung für das Gewinde
27 des Mittelbolzens 25 zwei einander gegenuberliegende muffenförmige Enden 43 und
44, die sich in Gehäuselängsrichtung
erstrecken. Diese muffenförmigen
Enden 43 und 44 dienen zum Anschluß der Permeat-Abflußrohre 45, die an ihren Anschlußenden
46 ringförmige Dichtungen 47 in Form eines O-Ringes aufweisen. Die Rohre 45 verbinden
die einzelnen Innengehäuse 8 untereinander und mit den im Gehäusedeckel 5 vorgesehenen
Permeat-Auslaßanschlüssen 11.
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Wie die Fig. 1 zeigt, ist das dem Boden 2 des Außengehäuses 1 benachbarte
Ende des Anschlußstückes 8 mit einem Stopfen 48 verschlossen. Aufgrund des sich
im Außengehäuse 1 einstellenden Druckgefälles sorgt die an den einzelnen Innengehäusen
8 und am Stopfen 48 angreifende Kraft dafür, daß die mit Dichtungen versehenen Rohre
45 auch ohne jegliche Schraubverbindung sicher in den Anschlußstücken 28 gehalten
werden. Der Fortfall von besonderen Schraubverbindungen erleichtert die Montage
und Demontage der Vorrichtung bei der Wartung und bei dem Membranwechsel.
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Falls es erwünscht ist, die Permeate einzelner Membranstapel 19' getrennt
abzuführen, können am Anschlußstück 28 - wie Fig. 2 zeigt - weitere Anschluß stücke
49 und 50 vorgesehen werden, die dann keine Verbindung mit den benachbarten Mittelbolzen
25 haben.
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Es könnte also beispielsweise das Permeat des in Fig. 1 links dargestellten
Innengehäuses 8 silber eines der Anschlußstücke 49 oder 50 zu einem der drei Permeat-Auslässe
11 geleitet werden, während ein anderer der drei Permeat-Auslässe mit dem in Fig.
1 rechts dargestellten Innengehäuse verbunden ist.
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Die für die Umkehr-Osmose verwendeten Membrankissen bestehen vorzugsweise
aus bedampften Polyamiden, sie können aber auch eine Azetat-Zellulose-Beschichtung
haben.
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Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Membrankissen-Modul zeichnet sich
durch nachfolgende Vorteile aus: a) Durch die Verwendung kleiner Einzelmembrankissen
kann der Ausschuß bei der Fertigung erheblich verringert werden.
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b) Man kann kleinere in einem Innengehäuse zusammengefaßte Baueinheiten
vor dem Einbau prüfen.
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c) Die Druckfestigkeit der einzelnen Membrankissen ist erheblich
erhöht und kann bis zu 100 bar betragen.
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d) Ein in einem Innengehäuse untergebrachter Membranstapel stellt
eine praktische Versandeinheit dar, die sich beim Anwender schnell und einfach aus-
und einbauen läßt.
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e) Das Permeat kann sowohl insgesamt, aber auch aus jedem Membranstapel
einzeln abgeführt werden.
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f) Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich problemlos an- und
abfahren, da die starken Druckänderungen sich nicht mehr schädigend auf den Membranstapel
auswirken können.
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Bei Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird über die Rohwasseranschlüsse
10 in das Außengehäuse Rohwasser eingelassen, welches vom Boden 2 aus der Reihe
nach die einzelnen Membranstapel 19' im Bereich der Abstandshalter 20 durchströmt
und als angereicherte Sole die Vorrichtung am Soleauslaß 9
wieder
verläßt. Beim Uberfließen der Membranen erreicht das Permeat die Drainageschichten
23a und 23b und fließt dann über die Membrankissen-Bohrungen 35 und die Durchbrüche
42 zum Umfang des Mittelbolzens 25 und erreicht dann ueber die Längsnut 26 und die
Bolzenbohrung 34 das Anschlußstück 28 und damit das Permeat-Abflußrohr 45 und einen
der Permeat-Auslaßanschlüsse 11 im Deckel 5 des Außengehäuses 1.
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