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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung
des zeitgemittelten Durchflusses einer Flüssigkeit bei der
Querstromfiltration gemäß der Gattungsklausel von Anspruch 1.
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Ein derartiges Verfahren ist aus FR-A-2 316 995 und FR-A-2 295
777 bekannt.
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Bei der Wasser- und Abwasserbehandlung werden herkömmlicherweise
Klärapparate und Durchflußfilter verwendet, um suspendierte und
kolloide Festkörper zu entfernen. Derartige Anlagen weisen
Nachteile auf. Ohne Vorklärung sind die meisten Filter nicht in der
Lage, die entstehenden höheren Feststoffanteile zu bewältigen.
Und selbst wenn ein Klärapparat in der Prozesskette vorhanden
ist, sammeln sich ständig gefilterte Teilchen an und in den
Durchfluß-Filtermedien. Die Filter-Durchflußgeschwindigkeit
nimmt mit der Zeit ab (bzw. der Druckverlust nimmt zu) und
häufiges Rückspülen ist erforderlich, um angesammelte Feststoffe
vom Filtermedium zu entfernen. Wenn zum Rückspülen Reinwasser
verwendet wird, kommt es zu einer erheblichen Netto-Verringerung
der Gesamtwassererzeugung. Auch werden relativ große Volumen an
Wasser mit geringem Feststoffanteil erzeugt, die auf bestimmte
Weise weiterbehandelt werden müssen. Darüber hinaus besteht das
Problem des Filterdurchbruchs. Weiterhin ist die Wasserqualität
äußerst verfahrensabhängig.
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Querstromfiltration unterscheidet sich erheblich von der
Durchflußfiltration, da das Zuflußwasser parallel zur Filterfläche
eingeleitet wird, und die Filtration senkrecht zur
Zuflußrichtung stattfindet. Querstromfiltration ist erheblich variabler
einsetzbar und hat wirtschaftliche Vorteile, die andere
herkömmliche Verfahren nicht bieten. Querstromfiltrationsanlagen können
in einem Verfahrensschritt klären, filtrieren und verdicken. Die
Anlagenkosten sind annähernd so hoch wie bei direkter
Filtration, jedoch können mit Querstromfiltration Ströme gefiltert
werden, die eine Konzentration von suspendierten Feststoffen von
10.000 mg/l oder darüber aufweisen. Darüber hinaus erfordern
Querstromfiltrationsanlagen weniger Platz als herkömmliche
Anlagen. Zu Querstromfiltrationsanlagen gehören Membrananlagen,
wie beispielsweise Mikrofiltration, Umkehrosmose und
Ultrafiltration. Die Hauptnachteile der beiden letzteren
Membranverfahren bei der Trennung von Flüssigkeiten und Feststoffen sind
niedrige Durchflußgeschwindigkeiten und die
Verschmutzungsanfälligkeit. Diese Anfälligkeiten führen letztendlich zu hohen
Kosten bei der Errichtung und der Betreibung der Anlagen. Beide
Probleme sind jedoch mit einem neuen Verfahren der Querstrom-
Mikrofiltration praktisch gelöst worden, bei dem dickwandige,
poröse, thermoplastische Röhren eingesetzt werden, die unter dem
Warenzeichen HYPODERM" ' vertrieben werden. Die
Filtrationseigenschaften dieser Röhren verbinden sowohl die
"Tiefen"-Filtrationseigenschaften der multimedialen Filter und die "Dünnhaut"-
Eigenschaften der Membran-Ultrafilter. Die Porosität der HYPO-
DERM"-Röhren beruht auf der netzartigen, offenen Zellstruktur
der Röhrenwand. HYPODERM"'-Röhren unterscheiden sich von
herkömmlichen Membran-Ultrafiltern insofern, als sie Porengrößen in
der Größenordnung von mehreren Mikrometern haben, wobei die
Länge der Poren ein Vielfaches ihres Durchmesser beträgt. Die
Röhren sind beispielsweise in "HYPODERM" ' CROSS FLOW
MICROFILTRATION" von Daniel L. Comstock et al., Neptune Microfloc, Inc.
Report No. KT 7303, Mai 1982 und in Report No. 77-ENAS-51 der
American Society of Mechanical Engineers, mit dem Titel "Removal
of Suspended and Colloidal Solids from Waste Streams by the use
of Cross-Flow Microfiltration" näher beschrieben.
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Der Zufluß findet durch die Mitte von HYPODERM" '-Röhren mit
relativ niedrigem Druck, üblicherweise unter 2,07 x 10&sup5; N/m²,
statt. Das Filtrat wird üblicherweise in einer Ummantelung
aufgefangen, die die äußere Röhrenwand umgibt, und von dort durch
eine Reinwasserleitung abgezogen. Wenn der Zufluß durch die
Röhre zirkuliert, werden Feststoffteilchen mit dem
Reinwasserstrom langsam auf die Röhrenwand zu getrieben. Dadurch nimmt die
Konzentration von Teilchen in wandnahen Bereichen allmählich zu.
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Im allgemeinen wird bei Querstromfiltrationsanlagen die
Ansammlung von gefilterten Feststoffen am Filtermedium durch die
Scherwirkung des Flusses verringert, weil die Zuflußrichtung
tangential zur Filterfläche liegt. Querstromfiltration
ermöglicht somit quasi-stationären Betrieb mit nahezu
gleichbleibendem Durchfluß, wenn das Antriebsdruckdifferential konstant
gehalten wird. Leider ist diese theoretische Möglichkeit in der
Praxis nicht erreicht worden. Damit besteht bei herkömmlichen
Querstromfiltrationsanlagen das Problem abnehmenden
Filtrationsdurchflusses.
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Im allgemeinen enthält jede Flüssigkeit, aus der suspendierte
Feststoffe entfernt werden sollen, ein breites Spektrum von
Teilchengrößen, deren wirksamer Durchmesser von mehreren
Mikrometern bis zu kolloidalen Ausmaßen reicht. Wegen der "Tiefen"-
Filtrationseigenschaften von dickwandigen, thermoplastischen
Röhren, wie beispielsweise der HYPODERM" '-Röhren, können unter
bestimmten Umständen Partikel, die kleiner sind als die größte
Porengröße der Röhre, in die Wandmatrix eindringen. Auf jeden
Fall wird oberhalb einer bestimmten Feststoffkonzentration die
Mehrzahl der suspendierten Feststoffe an der inneren Wand der
Röhre zurückgehalten und bildet schnell eine dynamische Membran
(auch als "Filterkuchen" oder " Schlammschicht" bezeichnet). Die
dynamische Membran bewirkt unserer Auffassung nach die
anschließend auftretende Filtration.
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Die Teilchen, die anfänglich in die Wandmatrix eindringen,
werden aufgrund der Unregelmäßigkeit und der Gewundenheit der
Porenstruktur darin eingeschlossen. Bei fortschreitender
Mikrofiltration wird das Eindringen weiterer kleiner Teilchen in die
Wandmatrix durch das Vorhandensein der dynamischen Membran
verhindert. Die Bildung der dynamischen Membran führt zusammen mit
der möglichen Verstopfung der Porenstruktur der Röhre durch
eingeschlossene Teilchen zu einer Verringerung des
Filtrationsdurchflusses. Bei herkömmlichen Anlagen steht diese Verringerung
in exponentiellem Verhältnis zur Filtrationszeit.
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Angesichts der Tatsache, daß eine Erhöhung des
Filtrationsdurchflusses eine bei weitem wirtschaftlichere Behandlung
feststoffbelasteter Flüssigkeiten ermöglicht, ist in der Technik nach
Verfahren gesucht worden, die oben beschriebene Verringerung des
Filtrationsdurchflusses bei Querstromfiltrationsanlagen
einzuschränken und/oder den Filtrationsdurchfluß in derartigen
Anlagen nach der Verringerung auf höherem Niveau
wiederherzustellen.
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Es sind verschiedene Reinigungsverfahren zur Wiederherstellung
des Wertes des Filtrationsdurchflusses untersucht worden. Zu
derartigen Reinigungsverfahren gehört das chemische und/oder
physikalische Reinigen der Oberfläche des Filtermediums. So sind
beispielsweise chemische Lösungsmittel eingesetzt worden, um die
schichtbildenden, gefilterten Teilchen zu lösen, um eine
saubere, schichtfreie Filteroberfläche zu erreichen. Salzsäure und
andere Säuren sind Beispiele für häufig verwendete
Lösungsmittel. Ein einfaches physikalisches Reinigungsverfahren ist das
Rückspülen des Filtermediums, d.h. die zeitweilige Umkehrung der
Flußrichtung des Filtrats. Dieses Reinigungsverfahren wird
häufig zusammen mit Querstromfilterverfahren verwendet, bei denen
hohle, röhrenförmige Filter eingesetzt werden. Ein weiteres
physikalisches Reinigungsverfahren, das in der Technik angewendet
wird, ist die periodische Erhöhung der
Zirkulationsgeschwindigkeit längs durch die porösen Röhren. (Siehe z.B. EP-A-79040)
Durch höhere Zirkulationsgeschwindigkeiten werden angesammelte
Ablagerungen weggerissen, wodurch die Anlagerung des
Filterkuchens in den Röhren minimiert wird.
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Trotz des Erfolges der obenerwähnten Reinigungsverfahren ist man
in der Querstromfiltrationstechnik weiter auf der Suche nach
neuen Verfahren zur Erhöhung von zeitgemittelten
Filtrationsdurchflüssen, um Querstromfiltrationsverfahren wirtschaftlicher
zu gestalten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
zeitgemittelten Querstromfiltrationsdurchflüsse erheblich zu
erhöhen,
um die Probleme der herkömmlichen Technik zu lösen und
deren Nachteil zu überwinden, und um
Querstromfiltrationsverfahren wirtschaftlicher zu gestalten.
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
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Eine bevorzugte Ausführung wird im abhängigen Anspruch 2
offengelegt.
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Mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den
zeitgemittelten Querstromfiltrationsdurchfluß
feststoffbelasteter Flüssigkeiten durch eine Filterröhre zu erhöhen, indem der
Fluß von Filtrat in der Reinwasserleitung gedrosselt wird, so
daß eine konstante Durchflußgeschwindigkeit auf einem Stand
aufrechterhalten wird, der unter der normalen
Anfangsdurchflußgeschwindigkeit (d.h. zur Zeit Null) bei nichtvorhandener
Drosselung liegt.
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Durchgeführte Experimente, die weiter unten ausführlich
beschrieben werden, zeigen, daß, obwohl die gewählte konstante
Durchflußgeschwindigkeit niedriger ist als die normale
Anfangsdurchflußgeschwindigkeit, die am Ende jeder Versuchsperiode
erreichten Durchflußgeschwindigkeiten und damit der
zeitgemittelte Durchfluß während des gesamten Filtrationdurchlaufs
oder -Zyklus, d.h. von der Zeit Null bis zum Ende der Versuchsperiode,
nichtsdestsotrotz höher waren als die mit gleichen oder im
wesentlichen ähnlichen Querstromfiltrationsanlagen erreichten, bei
denen die vorliegende Erfindung nicht eingesetzt wurde.
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Der Grad der Erhöhung des Durchflusses, der mit dem oben
beschriebenen Verfahren und der oben beschriebenen Vorrichtung
erreicht wurde, hängt in unterschiedlichem Maß von den
Eigenschaften der jeweils behandelten Flüssigkeit ab, und
insbesondere von den Chemikalien, die, wenn überhaupt, als Vorbehandlung
zugesetzt wurden, sowie von den Eigenschaften der suspendierten
Feststoffe und von verschiedenen Betriebsparametern des gesamten
Querstromfiltrationsverfahrens, einschließlich der zur Reinigung
der Filterröhre eingesetzten Verfahren, wie beispielsweise
Rückspülung, periodische Erhöhung der Zirkulationsgeschwindigkeit
durch die Röhren und Säurereinigung, indem man die Säurelösung,
die Salzsäure enthalten kann, längs über die Oberfläche des
Filtermediums fließen läßt, während gleichzeitig zeitweilig das
Druckdifferential über dem Filtermedium abgestellt wird.
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Normalerweise umfaßt das Filtermedium eine Filterröhre, und das
Filtrat, das durch die Filterröhrenwand permeiert wird, wird in
einer geschlossenen Ummantelung, die die Filterröhre umgibt,
aufgefangen, und der veränderlichen Drosseldruck wirkt auf eine
Reinwasserleitung, die aus der Ummantelung austritt.
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Die vorliegende Erfindung kann mit herkömmlichen Verfahren zur
Erhöhung des Durchflusses kombiniert werden, so beispielweise
mit Rückspülung und der periodischen Erhöhung der
Zirkulationsgeschwindigkeit.
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Die beigefügten Zeichnungen, die zur vorliegenden Beschreibung
gehören und einen Teil von ihr bilden, veranschaulichen
verschiedene Merkmale der Erfindung und dienen zusammen mit der
Beschreibung der Erklärung der Grundsätze der Erfindung.
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Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht einer Querstrom-
Mikrofiltrationsröhre, die die Richtung des Zuflusses
(Zirkulation) und die Richtung des Filtratflusses (Permeation) zeigt;
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Fig. 2 ist ein Diagramm, das eine charakteristische Kurve der
Durchflußgeschwindigkeit als Funktion der Zeit bei herkömmlichen
Querstromvorrichtungen zeigt;
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Fig. 3 ist ein schematisches Fließbild, das eine Ausführung
eines Filtrationsröhrenmoduls gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt, bei dem die Reinwasserleitung gedrosselt wird;
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Fig. 4 ist ein schematisches Fließbild, das eine weitere
Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt, und weitere
Einzelheiten
des Verfahrens zeigt;
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Fig. 5 ist ein schematisches Fließbild, das eine einzelne
Querstromfiltrationsröhren-Versuchsvorrichtung zur praktischen
Anwendung der vorliegenden Erfindung darstellt; und
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Fig. 6 - 10 sind Diagramme, die Versuchsergebnisse aus den
weiter unten erläuterten Beispielen darstellen.
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Im folgenden wird auf die gegenwärtig bevorzugten Ausführungen
der Erfindung Bezug genommen, für die Beispiele in den
beigefügten Zeichnungen dargestellt sind.
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Erfindungsgemäße Querstromfiltration kann beispielsweise unter
Verwendung von dickwandigen, mikroporösen, thermoplastischen
Röhren ausgeführt werden. Diese Röhren können aus einer großen
Anzahl von extrudierbaren Thermoplasten hergestellt werden, wie
beispielsweise Nylon oder Polyäthylen, und haben normalerweise
Wände mit einer Dicke von ca. 1 Millimeter. Obwohl Abweichungen
auftreten, können derartige Röhren beispielweise eine
vorherrschende Porengröße in der Größenordnung von etwa ein bis zehn
Mikrometern haben und eine Porosität in der Größenordnung von
etwa 65%, d.h. die Poren bedecken 65% der Oberfläche der Röhren.
Die bevorzugten, wenn bestimmt auch nicht die einzigen, porösen,
thermoplastischen Röhren, die bei der Umsetzung der vorliegenden
Erfindung verwendbar sind, sind die obenerwähnten HYPODERM" '-
Röhren, die die oben beschriebenen Eigenschaften haben, wobei
diese Röhren derzeit über Neptune Microfloc, Inc. aus Corvallis,
Oregon zu beziehen sind.
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Eine schematische Ansicht der Querstrom-Mikrofiltration durch
eine derartige dickwandige, mikroporöse, thermoplastische Röhre
wird in Fig. 1 dargestellt. Eine Flüssigkeit fließt bei relativ
geringen Drücken, beispielsweise (1,4 bis 34,5) x 10&sup4; N/m², durch
das Innere der Röhre und Filtrat permeiert durch die Röhrenwand,
die relativ dick ist, beispielsweise in der Größenordnung von
ca. einem Millimeter.
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Während der Anfangsstadien der Mikrofiltration wird die Mehrzahl
der suspendierten Feststoffe im Zufluß als die dynamische
Membran (Schlammschicht) an der Wand angelagert. Das Wachstum
dieser dynamischen Membran wird durch die aufgrund der
Zirkulationsgeschwindigkeit der längs entlang der Röhre fließenden
Flüssigkeit darauf wirkenden Scherkräfte begrenzt. Diese
Scherwirkung tritt in Form von Erosion auf. Durch das Gleichgewicht
zwischen der Anlagerungsgeschwindigkeit und der
Erosionsgeschwindigkeit der dynamischen Membran bildet sich eine
Gleichgewichtsdicke der Schlammschicht und somit die Gleichgewichts-
(Plateau-)Durchflüsse des Zuflusses, der gefiltert wird. Dieser
Gleichgewichtszustand hängt kritisch von den Eigenschaften der
suspendierten Feststoffe in der Zuflußflüssigkeit ab. Zwei Arten
von suspendierten Feststoffen können als Grenzfälle eingestuft
werden, nämlich die, die kohäsionslos sind, und die, die kohäsiv
sind. Bei kohäsiven Feststoffen ist die Bindungsfestigkeit
zwischen den Teilchen relativ groß, so daß, wenn sie miteinander in
Kontakt gebracht worden sind, größere Scherkraft erforderlich
ist, um ihre Bindung zu brechen. Diese Art Feststoffe erfordern
mit anderen Worten eine relativ starke Erosionswirkung.
Kohäsionslose Feststoffe weisen schwache Bindung untereinander auf
und werden so leichter erodiert. Selbst bei einem kohäsionslosen
Feststoff kann es jedoch zur Bindung an die Innenseite der
Filterröhre kommen, so daß eine dünne, anhaftende Schicht direkt an
der Wand erzeugt wird, deren Entfernung eine starke
Erosionwirkung erfordert.
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Andere Parameter, die das Verhalten der Feststoffe beeinflussen,
sind der wirksame Teilchendurchmesser und die
Teilchengrößeverteilung im Zufluß. Die Eigenschaften der Zuflußflüssigkeit
selbst, wie beispielsweise pH-Wert, Viskosität usw. können
ebenfalls einen bestimmten Einfluß auf das Verhalten der
suspendierten Feststoffe im Zufluß haben. Bei der Abwasserbehandlung
werden gewöhnlich chemische Zusätze verwendet, und ihre Zugabe zum
Abwasser verändert gleichfalls die Eigenschaften der
suspendierten Feststoffe und somit die Durchflußgeschwindigkeit.
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Da es wünschenswert ist, die dynamische Membran an der
Filterröhrenwand kohäsionslos zu gestalten, kann chemische
Vorbehandlung des Zuflusses vor der Querstromfiltration bei der Umsetzung
der Erfindung bei der Filtration von vielen Flüssigkeiten von
Vorteil sein. Im allgemeinen sollte es Aufgabe dieser
Vorbehandlung sein, einen Zufluß zu erhalten, der lockere oder lose
Flokken umfaßt. Zu den Beispielen typischer herkömmlicher
Vorbehandlungszusätze, die für den Einsatz bei der vorliegenden Erfindung
unbeschränkt geeignet sind, gehören herkömmliche Flockungsmittel
(beispielsweise Calciumhydroxid, Alaun, Calciumsulfat, Eisen
(III)-hydroxid usw.), polyelektrolytische Flockungsmittel und
Zusätze, wie sie in U.S.Patent No. 4,313,830 beschrieben sind.
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Wie bereits angemerkt, kommt es bei herkömmlichen
Querstromfiltrationsvorrichtungen, einschließlich Mikrofiltern, Ultrafiltern
und Umkehrosmosezellen, während der Filtrationdurchläufe zur
Verringerung der Durchflußgeschwindigkeit, bis eine
Gleichgewichts-(Plateau-)Durchflußgeschwindigkeit erreicht ist.
Normalerweise haben herkömmliche Vorrichtungen
Durchflußgeschwindigkeits-Zeit-Kurven, die der in Fig. 2 dargestellten ähneln. Eine
solche Kurve umfaßt, wie in Fig. 2 dargestellt, zwei einzelne
Phasen, und zwar (1) eine Nicht-Gleichgewichtsphase unmittelbar
nach dem Anfahren (Zeit Null), die durch hohe, aber schnell
abnehmende Durchflußgeschwindigkeiten gekennzeichnet ist, und (2)
eine Gleichgewichtsphase, die auf die Nicht-Gleichgewichtsphase
folgt und durch niedrigere Durchflußgeschwindigkeiten
gekennzeichnet ist, die in der Zeit erheblich langsamer abnehmen. Die
Nicht-Gleichgewichtsphase erstreckt sich gewöhnlich über die
ersten Stunden einer Filtration.
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Die während der Nicht-Gleichgewichtsphase beobachteten
Durchflußgeschwindigkeiten (F) derartiger Durchflußgeschwindigkeit-
Zeit-Kurven sind zur Zuflußgeschwindigkeit (V), dem
Druckdifferential (ΔP) und der Zeit (t) entsprechend der folgenden
allgemeinen Beziehung
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FαVa ΔPb t-c proportional.
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Die erwähnten Parameter sind in Fig. 1 definiert.
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Im Unterschied dazu sind die während der Gleichgewichtsphase
(d.h. Plateau-Durchflüsse) beobachteten
Durchflußgeschwindigkeiten derartiger Durchfluß-Zeit-Kurven im wesentlichen lediglich
zur Zuflußgeschwindigkeit proportional.
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Obwohl es im Zusammenhang mit dem Betrieb von
Querstromfiltrationsanlagen in der Nicht-Gleichgewichtsphase viele Probleme
gibt, ist ein entscheidendes Merkmal, daß die
Nicht-Gleichgewichts-Durchflußgeschwindigkeiten (d.h. Durchflüsse während der
Nicht-Gleichgewichtsphase) höher sind als die Gleichgewichts-
Durchflußgeschwindigkeiten (d.h. Durchflußgeschwindigkeiten in
der Gleichgewichtsphase). Obwohl es also wünschenswert wäre,
Querstromfiltrationsanlagen im Nicht-Gleichgewichtsbetrieb zu
betreiben, ist dies bis heute aufgrund der äußerst schnellen
(annähernd exponentialen) Verringerung des Durchflusses während
der Nicht-Gleichgewichtsphase unmöglich gewesen. Das heißt, die
hohen Durchflußgeschwindigkeiten während der
Nicht-Gleichgewichtsphase dauern nicht lang genug an, um von praktischem Wert
zu sein.
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Es hat sich jedoch erwiesen, daß der Betrieb von
Querstromfiltrationsanlagen im Nicht-Gleichgewichtsbetrieb über längere
Zeiträume möglich ist, wobei Durchflußgeschwindigkeiten
beibehalten werden können, die über den herkömmlichen Gleichgewichts-
(Plateau-)Durchflußgeschwindigkeiten liegen. Das wird durch das
relativ einfache Hilfsmittel der Drosselung der Reinwasser-
(d.h. Filtrat-)Leitung ermöglicht. Es hat sich insbesondere
herausgestellt, daß es, wenn die Durchflußgeschwindigkeit des
gefilterten Reinwassers gedrosselt wird, um eine gleichbleibende
Durchflußgeschwindigkeit unter der normalen anfänglichen
Durchflußgeschwindigkeit (d.h. der Durchflußgeschwindigkeit zum
Beginn eines neuen Filtrationdurchlaufes unmittelbar nach der
Reinigung der Röhre und ohne jegliche Drosselung; im folgenden
auch als "Nullzeit"- oder "reine" Durchflußgeschwindigkeit
bezeichnet) beizubehalten, möglich ist, eine gleichbleibende
Durchflußgeschwindigkeit über relativ lange Zeiträume, d.h.
Durchläufe, die Stunden bis Tage dauern, beizubehalten, die über
der Gleichgewichts-(Plateau-)Durchflußgeschwindigkeit liegt. Bei
dieser Betriebsart erhöht sich das Druckdifferential (ΔP) mit
der Zeit während der gesamten Laufzeit so, wie es für die
Aufrechterhaltung der gewählten gleichbleibenden
Durchflußgeschwindigkeit erforderlich ist.
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Zu den Vorteilen der Reinwasserdrosselung bei
Querstromfilteranlagen gehören: (1) die Möglichkeit, Durchflußgeschwindigkeiten
mit höheren Werten als die Gleichgewichts-(Plateau-)Werte
aufrechtzuerhalten; (2) Verminderung der Kompressionskräfte, die
auf die an der Innenfläche der Röhre gebildete dynamische
Membran wirken (derartige Kräfte führen zu verringerten
Durchflußgeschwindigkeiten und möglicher Verstopfung der Röhrenmatrix);
(3) Verringerung der Anlagerungsgeschwindigkeit (d.h. Wachstum)
der dynamischen Membran; und (4) die Möglichkeit, eine
gleichbleibende Fließgeschwindigkeit zu nachgeordneten Geräten
aufrechtzuerhalten, die eine solche erfordern, wie beispielsweise
Umkehrosmosezellen.
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Fig. 3 ist ein schematisches, teilweise als Schnitt
ausgeführtes, Fließbild, das eine vereinfachte Ausführung eines
Filtrationsröhrenmoduls darstellt, das gemäß der vorliegenden
Erfindung gebaut ist, und bei dem Leitungsdrosselung eingesetzt wird.
Die mit suspendierten Feststoffen (und/oder emulgierten Ölen)
belastete Flüssigkeit, die gefiltert werden soll, fließt durch
ein Filterröhrenmodul 10 in die durch die Pfeile dargestellte
Richtung. Zu Röhrenmodul 10 gehört, wie dargestellt, eine
einzelne mikroporöse Filterröhre 11 (z.B. eine HYPODERM" '-Röhre),
die von einer geschlossenen Filtratauffang-Ummantelung 12
umgeben ist. Vorzugsweise gehören zu Röhrenmodulen 10 industrieller
Größe eine Vielzahl (bis zu hunderten) Filterröhren 11, die in
einem parallelen Röhrenbündel (nicht abgebildet) in einer
einzelnen Ummantelung 12 angeordnet sind. Eine herkömmliche Einlaß-
(Zirkulations-)Pumpe (nicht abgebildet) erzeugt den notwendigen
Einlaßdruck (P&sub1;) und die Flüssigkeitsfließgeschwindigkeit (V&sub1;) in
der Zuflußleitung 13.
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Ein Teil der Flüssigkeit wird seitlich durch die Wand der
Filterröhre 11 in die durch die Pfeile dargestellte Richtung
permeiert, wodurch, wie bereits erläutert, wenigstens ein Teil der
Feststoffe/emulgierten Öle an der Innenseite der Röhre 11 als
eine dynamische Membran (nicht abgebildet) angelagert wird. Die
durch die Filterröhre 11 permeierte Flüssigkeit (d.h. das
Filtrat) wird in der geschlossenen Ummantelung 12, die die
Filterröhre 11 umgibt, aufgefangen, und die aufgefangene Flüssigkeit
wird aus der Ummantelung 12 durch eine Öffnung 14 entnommen, die
durch die Ummantelung verläuft, und mit der
Reinwasser-(Filtrat)Leitung 15 verbunden ist. Der Filtrataustrittsdruck in der
Reinwasserleitung 15, der mit (P&sub3;) bezeichnet wird, ist bei
herkömmlichen Querstromfilteranlagen im wesentlichen Null.
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Der Teil der Flüssigkeit, der nicht durch die Wand der
Filterröhre 11 permeiert wird, tritt, wie abgebildet, über Öffnung 16
in der Ummantelung 12 und über die Austrittsleitung 17, die
damit verbunden ist, mit einer mit V&sub2; bezeichneten
Geschwindigkeit und einem mit P&sub2; bezeichneten Druck aus dem Modul 10 aus.
Ein herkömmliches Gegendruckventil 18, das sich in der
Austrittsleitung 17 befindet, erzeugt, wie in der Technik bekannt,
einen Netto-Überdruck in der Filterröhre 11.
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Die Drosselung der Reinwasserleitung wird erreicht, indem ein
Durchflußregler (z.B. ein Griswald-Durchflußregler - nicht
abgebildet -) oder ein Druckregler 20 und ein Ventil 19, wie
abgebildet, hintereinander in der Reinwasserleitung 15 angeordnet
werden, und Ventil 19 teilweise geschlossen wird. Die Drosselung
der Reinwasserleitung kann eingesetzt werden, um eine
gleichbleibende Durchflußgeschwindigkeit über die gesamte Dauer eines
Filtrationsdurchlaufes beizubehalten, indem das
Druckdifferential
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(d. h., ΔP = P&sub1; + P&sub2;/2 - P&sub3; = der Antriebsdruck)
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während des gesamten Durchlaufes kontinuierlich erhöht wird. Das
Druckdifferential kann erhöht werden, indem der Wert von P&sub3; durch
Drosselung des auf die Reinwasserleitung 15 wirkenden Drucks
verringert wird (unter Verwendung von Ventil 19 und Druckregler
20).
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Wenn, beispielsweise der Druck P&sub1; des Filterröhreneinlasses
anfänglich 2,07 x 10&sup5; N/m² beträgt, ist der anfängliche
Reinwasserleitungsdruck P&sub3; bei herkömmlichen
Querstromfiltrationsvorrichtungen 0 psi, so daß das anfängliche Druckdifferential ΔP
(Antriebsdruck) annähernd 2,07 x 10&sup5; N/m² beträgt. Bei derartigen
herkömmlichen Vorrichtungen bleibt das Druckdifferential über
die Zeit im wesentlichen gleich, so daß das Druckdifferential am
Ende des Filtrationsdurchlaufes weiterhin in der Größenordnung
2,07 x 10&sup5; N/m² liegt. Die Durchflußgeschwindigkeit nimmt, wie
bereits angemerkt, im Verlauf von herkömmlichen
Filtrationsdurchläufen schnell ab, bis der Plateau-Durchfluß erreicht ist.
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Die Erhöhung des Durchflusses wird erreicht, indem der Druck der
Reinwasserleitung gedrosselt wird, wozu Druckregler 20 und
Ventil 19 verwendet werden. Wenn, bezugnehmend auf das obenerwähnte
hypothetische Beispiel, der Druck P&sub1; des Filterröhreneinlasses zu
Beginn des Filtrationdurchlaufes 2,07 x 10&sup5; N/m² beträgt, kann
der anfängliche Druck P&sub3; der Reinwasserleitung bei der
vorliegenden Erfindung gedrosselt werden, so daß das
Anfangs-Druckdifferential erzeugt wird, das für die Erzeugung einer
gleichbleibenden Durchflußgeschwindigkeit beim Anfahren erforderlich ist. P&sub3;
kann beispielsweise auf anfänglich 20 psi gedrosselt werden, so
daß ein Anfangs-Druckdifferential von 3,4 x 10&sup4; N/m² entsteht.
Die Durchflußgeschwindigkeit wird auf der Grundlage praktischer
wirtschaftlicher Erwägungen ausgewählt, die sich aus der
jeweiligen speziellen Filtrationsanwendung ergeben; in jedem Fall ist
sie jedoch höher als der Plateau-Durchfluß, der erreicht wird,
wenn keine Reinwasserdrosselung erfolgt. So ist, trotz der
Tatsache, daß die Anfangs-Durchflußgeschwindigkeit bei der
vorliegenden Erfindung aufgrund der Drosselung der Reinwasserleitung
niedriger ist, die zeitgemittelte Durchflußgeschwindigkeit über
den gesamten Durchlauf höher als bei herkömmlichen Anlagen.
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Bei fortschreitendem Filtrationsdurchlauf kann der
Reinwasserleitungs-(Drosselungs-)Druck P&sub3; kontinuierlich verringert
werden, wodurch das Druckdifferential (ΔP) verringert wird, um die
Durchflußgeschwindigkeit auf dem gewünschten gleichbleibenden
Wert zu halten. Bei weiter fortschreitendem Durchlauf erhöht
sich schließlich der Antriebsdruck ΔP auf den Wert des
Durchschnitts des Einlaßdrucks P&sub1; und des Auslaßdrucks P&sub2;, wobei P&sub3;
zum Ende des Filtrationsdurchlaufes auf Null verringert wird. Zu
diesem Zeitpunkt ähnelt die Anlage einer herkömmlichen Anlage
und es kommt zur Verringerung des Durchflusses auf die
Gleichgewichts-(Plateau-)Durchflußgeschwindigkeit. Somit hängt die
Auswahl der Werte des Anfangs-Einlaßdrucks P&sub1;, des
Anfangs-Reinwasserleitungsdrucks P&sub3; (d.h. des anfänglich wirkenden
Drosselungsdrucks) und die gleichbleibende Durchflußgeschwindigkeit
von solchen praktischen Aspekten wie der gewünschten Dauer des
Filtrationsdurchlaufes (d.h. der Anzahl der Stunden, die die
Filtrationsvorrichtung regelmäßig laufen muß, bevor sie zur
Reinigung abgestellt wird), dem während derartiger Durchläufe zu
reinigenden Flüssigkeitsvolumen und den Kosten für die
Einrichtungen zur Erzeugung des Einlaß- und des Drosseldrucks ab.
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Vorzugsweise liegt bei Röhren-Mikrofiltrationsanlagen, die mit
einer Vorrichtung, wie sie oben beschrieben worden ist,
hergestellt werden, der Anfangs-Einlaßdruck P&sub1; im Bereich von ca. 1,7
x 10&sup5; N/m² bis ca. 2,8 x 10&sup5; N/m², der Wert des
Anfangs-Reinwasser-(Drosselungs-)Drucks P&sub3; im Bereich von ca. 1,38 x 10&sup5; bis
ca. 2,4 x 10&sup5; N/m², die untere Grenze von ΔP (Druckdifferential)
im Bereich von ca. 1,4 x 10&sup4; bis ca. 4,1 x 10&sup4; N/m² , vorzugsweise
jedoch in der Größenordnung von ca. 3,4 x 10&sup4; N/m² , und die obere
Grenze von ΔP liegt bei ca. 2,8 x 10&sup5; N/m².
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Die Drosselung der Reinwasserleitung kann, wie oben beschrieben,
vorzugsweise zusammen mit einem anderen neuartigen
Durchflußerhöhungsverfahren ausgeführt werden, das wir entwickelt haben,
nämlich des langsamen Anfahrens des Fließens der Flüssigkeit
quer durch das Filtermedium zu Beginn des
Filtrationsdurchlaufes.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfaßt insbesondere den
Schritt des Beginns des Filtrationsdurchlaufes, indem die
Fließgeschwindigkeit des Filtrats über einen ausreichend langen
Zeitraum von im wesentlichen Null (beim Anfahren) allmählich auf die
gewünschte Betriebsfließgeschwindigkeit erhöht wird, um im
wesentlichen das unerwünschte Eindringen von aus der Flüssigkeit
gefilterten Stoffteilchen in die Filterröhrenmatrix zu
verhindern. Wie weiter unten ausführlich erläutert wird, hat sich
herausgestellt, daß ein solcher langer Zeitraum vorzugsweise im
Bereich von ca. 15 Sekunden bis ca. 60 Sekunden liegt, und noch
günstiger im Bereich von ca. 30 Sekunden bis ca. 45 Sekunden.
Ein derart langsames Anfahren des Fließens der Flüssigkeit durch
das Filtermedium bringt längere Filtrationsdurchläufe
(niedrigere Druckdifferentiale ΔP), sowohl zusammen mit der Drosselung
der Reinwasserleitung gemäß der vorliegenden Erfindung als auch
wenn es allein ausgeführt wird.
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Vorzugsweise wird ein derartiges langsames Anfahren erreicht,
indem der Filtrationsdurchlauf bei voll geschlossenem
Drosselventil 19 (Fig. 3) begonnen wird und dann allmählich (und
vorzugsweise gleichmäßig) das Ventil 19 über die oben erwähnten
Zeiträume geöffnet wird.
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Drosselung der Reinwasserleitung und/oder langsames Anfahren
werden, wie oben beschrieben, vorzugsweise zusammen mit einem
weiteren Verfahren zur Erhöhung der Durchflußgeschwindigkeit
ausgeführt, nämlich dem Schließen des Reinwasseranschlusses
während der Reinigung.
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Dieses Verfahren umfaßt im einzelnen die Schritte des Reinigens
der Oberfläche des Filtermediums vor Beginn des
Filtrationsdurchlaufes, indem eine Reinigungslösung seitlich über die
Oberfläche des Filtermediums laufen gelassen wird, während
gleichzeitig das Druckdifferential ΔP über dem Filtermedium abgestellt
wird, vorzugweise, indem jeglicher Fluß von Ummantelung 12 (Fig.
3) abgestellt wird, z.B. indem die Reinwasserleitung 14
geschlossen wird (indem beispielsweise ein nicht abgebildetes
herkömmliches Ventil eingesetzt wird), oder indem Ventil 19 in
der Reinwasserleitung 15 völlig geschlossen wird. Die
Reinigungslösung kann beispielsweise Salzsäure enthalten.
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Es hat sich herausgestellt, daß die Reinigung mikroporöser HYPO-
DERM"'-Filterröhren mit einer Reinigungslösung, die Säure
enthält, während die Reinwasseröffnung 14 (Fig. 3) der
Auffangummantelung 12 offen gehalten wird, zu Durchflußgeschwindigkeiten
führt, die obwohl sie anfangs recht hoch sind, sich mit der Zeit
schnell (annähernd exponential) auf unannehmbar niedrige Pegel
verringern. Indem die Reinwasseröffnung 14 während der
Säurereinigung geschlossen wird, lassen sich erheblich niedrigere
Druckdifferentiale erreichen, was zu erhöhten
Durchflußgeschwindigkeiten führt. Dieses Verfahren kann, wie bereits beschrieben,
allein oder zusammen mit der Drosselung der Reinwasserleitung
und/oder langsamem Anfahren ausgeführt werden.
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Alle der oben beschriebenen Verfahren zur Erhöhung des
Durchflusses werden, entweder allein oder kombiniert, vorzugsweise
zusammen mit einer herkömmlichen Form der physikalischen
Reinigung des Filtermediums durchgeführt. Die Drosselung der
Reinwasserleitung, langsames Anfahren und/oder Schließen der
Reinwasseröffnung werden z.B. vorzugsweise zusammen mit solchen
bekannten physikalischen Reinigungsverfahren wie periodischem
Rückspülen oder periodischer Erhöhung der
Kreislauf-(Zirkulations-) Geschwindigkeit durchgeführt.
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Auch periodisches Rückspülen einer Flüssigkeit (vorzugsweise das
Filtrat aus der Filtration einschließend) quer durch das
Filtermedium, indem die Richtung des Druckdifferentials umgekehrt
wird, ist möglich. Die Dauer jedes dieser Rückspülimpulse liegt
vorzugsweise bei ca. 2 Sekunden, und das Intervall zwischen
Rückspülungen liegt vorzugsweise im Bereich von ca. 1 Minute bis
ca. 2 Minuten. Der Rückspüldruck liegt vorzugsweise in der
Größenordnung von ca. 3,4 x 10&sup5; N/m².
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Als Alternative zum Rückspülen, insbesondere in Verbindung mit
Mikrofiltration ist es auch möglich, die
Zirkulationsgeschwindigkeit der Flüssigkeit seitlich entlang der Oberfläche des
Filtermediums periodisch zu erhöhen, wobei die Dauer jeder
dieser periodischen Erhöhungen im Bereich von ca. 5 bis ca. 60
Sekunden liegt, und das Intervall zwischen derartigen
periodischen Erhöhungen der Geschwindigkeit 20 Minuten nicht
überschreitet. Die Zirkulationsgeschwindigkeit wird vorzugsweise auf
einen Wert erhöht, der im Bereich von ca. 3,5 bis ca. 7 m/s
liegt, wobei Verfahren angewendet werden, wie sie in EP-A-79040
offengelegt werden.
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Mit einer Anlage in Versuchsgröße 21, die zwei identische 1,4 m
lange, in Reihe angeordnete Versuchsfiltrationsmodule 25 mit
jeweils 0,258 m² HYPODERM"'-Röhrenfläche (siehe Fig. 4)
enthielt, wurden Querstromfiltrationsversuche durchgeführt. Wasser
aus einem kleinen Kunststoff-Vorratsbehälter 26 wurden mit
ungefähr 1,7 x 10&sup5; N/m² von einer herkömmlichen Zusatzpumpe 27 in die
Anlage gepumpt. Der Zusatzstrom 28 wurde mit einem
Zirkulationsstrom 29 vom zweiten Modul 25 gemischt, bevor er in einen
herkömmlichen Feststoffklassierer/-abscheider 30 eintrat. Die in
dem gemischten Strom 31 enthaltenen suspendierten Feststoffe
wurden teilweise durch Zentrifugalkraft entfernt und periodisch
vom Boden des Abscheiders durch Ventil 32 abgeblasen. Das oben
aus dem Abscheider über Leitung 33 austretende Wasser wurde mit
einer herkömmlichen Zentrifugal-Umlaufpumpe 34 auf einen
durchschnittlichen Einlaßdruck von 1,9 x 10&sup5; N/m² gedrückt, bevor es,
wie durch die Pfeile dargestellt, in das Zuleitungsmodul 25
eintrat. Durch die Wände (nicht abgebildet) der
HYPODERM"'-Röhren wurde es filtriert und das Filtrat wurde auf Mantelraumseite
jedes Moduls 25 aufgefangen und trat durch die Auslaßöffnungen
35, die mit der Reinwasserleitung 36 flüssigkeitsleitend
verbunden waren, aus den Modulen aus.
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Alle Versuche wurden mit einer künstlichen Verunreinigung
durchgeführt, nämlich 50 mg Eisen(III)-sulfat in handelsüblicher
Qualität pro 1, das dem Leitungswasser im Vorratsbehälter 26
zugesetzt wurde. Das Eisen(III)-sulfat wurde sofort hydrolisiert
und bildete eine Suspension von Eisen(III)-hydroxid, das für die
Versuche als filterbares Material diente. Derartiges filterbares
Material wurde ausgewählt, da es Metallbeschichtungsabfällen
ähnelt.
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Rückspülen wurde durchgeführt, indem einmal pro Minute die
Ventile 37 und 32 zwei Sekunden lang geöffnet wurden und das
Reinwasserleitungsventil 38 genauso lang geschlossen wurde, wobei
Reinwasser als Rückspülflüssigkeit verwendet wurde und ein
Antriebsdruck von 3,1 x 10&sup5; N/m² auf die bereits erläuterte Art und
Weise verwendet wurde.
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Die Reinwasserleitung wurde gedrosselt, indem Ventil 39
teilweise geschlossen wurde und Druckregler 40 auf die bereits
beschriebene Weise betätigt wurde.
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Nach jedem Versuch (d.h. nach dem Ende jedes
Filtrationsdurchlaufes) wurde die Reinigung vorgenommen, indem eine 1%-ige
Säurelösung, die Salzsäure enthielt, von Reinigungstank 41 durch
die Module 25 gepumpt wurde.
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Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Versuchsergebnisse darstellt.
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Wie aus Fig. 6 zu ersehen ist, begann der
Nicht-Gleichgewichtsabschnitt des Filterdurchlaufes bei 3297 Litern pro Stunde pro
Quadratmeter aktiver Filtermediumoberfläche (l/h/m²) und endete,
stabilisiert bei einer Durchflußgeschwindigkeit von 85 l/h/m²,
nach 2,5 Stunden.
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Bei ausschließlichem Rückspülen war ein Gleichgewichtsdurchfluß
von 2199 l/h/m² zu verzeichnen. Rückspülen zusammen mit
Drosselung der Reinwasserleitung ergab, bei einer Zunahme von 6,2%,
eine Durchflußgeschwindigkeit von 2329 l/h/m². (Der Grund für
das Nachlassen des gedrosselten Ventils mit der Zeit liegt
vermutlich darin, daß der Reinwasserdruck nicht ausreichte, um den
Durchflußregler 40 ordnungsgemäß funktionieren zu lassen, d.h.
der Druckregler benötigte 6,89 x 10&sup4; N/m² stromauf, und die
meiste Zeit des Filtrationsdurchlaufes erzeugte unsere Anlage
einen Reinwasserleitungsdruck von weniger als 6,89 x 10&sup4; N/m²).
Es ist anzumerken, daß sich unterschiedliche absolute Werte der
Durchflußgeschwindigkeit ergeben, wenn unterschiedliche
Rückspülungshäufrequenzen und -zeiten verwendet werden.
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Die Erhöhung des Durchflusses, die mit der Drosselung der
Reinwasserleitung erreicht wurde, war völlig unerwartet und im
Gegensatz zu bisherigen Auffassungen der Fachleute. Hersteller
herkömmlicher Querstromfilter unternehmen alle möglichen
Anstrengungen, um die Drosselung der Reinwasserleitung zu
verhindern. In Fachkreisen wird behauptet, daß Drosselung den
Durchfluß verringert, was zutrifft, jedoch nur zu Beginn des
Durchlaufes. Was von den Fachleuten nicht erkannt worden ist, ist,
daß im gesamten Verlauf eines Filtrationsdurchlaufes
(Filtrationszyklus) die zeitgemittelte Durchflußgeschwindigkeit durch
Drosselung eigentlich zunimmt. Wir sind der Auffassung, daß der
Grund dafür darin liegt, daß die Drosselung den
Nicht-Gleichgewichts-Anteil des Filtrationsdurchlaufes aufrechterhält, indem
das Druckdifferential (Antriebsdruck) nur so dosiert wird, wie
es zur Beibehaltung einer gleichbleibenden
Durchflußgeschwindigkeit erforderlich ist. Die Anlagerung von Feststoffen wird,
wie auch die auf die dynamische Membran wirkenden
Kompressionskräfte, erheblich verringert.
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Verschiedene zusätzliche Versuchsreihen wurden mit der in Fig.
5 dargestellten Einröhren-Versuchsvorrichtung 44 durchgeführt.
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Wasser aus einem kleinen Kunststoff-Umlaufbehälter 45 wurde mit
ca. 1,35 x 10&sup5; N/m² von einer herkömmlichen Speisepumpe 46 in
eine einzelne HYPODERM"'-Röhre 47 mit einem Innendurchmesser von
6 mm und einer Länge von 0,91 m gepumpt, die von einer
Filtratauffang-Ummantelung 48 umgeben war und so ein Modul 49 bildete.
Das Filtrat wurde auf der Ummantelungsseite 50 des Moduls 49
entnommen und trat über die Austrittsöffnungen 51 in der
Ummantelung 48 aus, die flüssigkeitsleitend mit der Reinwasserleitung
52 verbunden waren. Zu Versuchszwecken wurde auch Reinwasser
(d.h. Filtrat) zum Vorratsbehälter 45 zurückgeführt, um einen
geschlossenen Kreis zu bilden.
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Wenn nicht anderweitig angemerkt, wurden die Versuche mit 50 mg
Eisen(III)-Sulfat in handelsüblicher Qualität pro Liter und 0,2
mg eines kationischen Polymers (Allied 776) durchgeführt, das
dem Leitungswasser im Vorratsbehälter 45 zugesetzt wurde. Das
Eisen(III)-sulfat wurde sofort hydrolisiert und bildete eine
Suspension von Eisen(III)-hydroxid, das für die Versuche als
filterbares Material diente. Das Polymer wurde zugesetzt, um das
Fließverhalten der Feststoffe zu verbessern.
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Physikalische Reinigung durch periodische Erhöhung der
Zirkulationsgeschwindigkeit (im folgenden als "Perma-Impuls"
bezeichnet) wurde durch periodische Erhöhung des Zirkulationsflusses 53
mittels Öffnung des herkömmlichen Ventils 54 erreicht. Die
Zirkulationsgeschwindigkeit bewegt sich zwischen 1,34 m/s während
der Filtration und 3,8 m/s während des Perma-Impuls-Betriebes.
Für diese Versuche wurde die Frequenz zwischen Erhöhungen der
Zirkulationsgeschwindigkeit auf 2 Minuten festgelegt und die
Dauer jedes Impulses betrug 15 Sekunden.
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Versuche zum langsamen Anfahren wurden durchgeführt, indem
Ventil 55, wie unten beschrieben, nach der Reinigung langsam und
gleichmäßig geöffnet wurde.
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Die Auswirkungen des Schließens der Reinwasseröffnung gegen die
Öffnung während der Reinigung wurden untersucht, indem Ventil 55
während des Reinigungszyklus geöffnet bzw. geschlossen wurde.
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Die Reinigung wurde vor dem Beginn jedes Filtrationsdurchlaufes
vorgenommen (d.h. nach jedem Versuch) indem eine
säure-enthaltende Reinigungslösung durch den Filterkreis gepumpt wurde. (Der
reine Durchfluß wurde von jedem Versuch überprüft, indem man
Deionat durch das Modul fließen ließ).
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Die Ergebnisse einer Versuchsreihe sind in Fig. 7 grafisch
dargestellt.
Diese Versuche stellen Perma-Impuls zusammen mit
Drosselung der Reinwasserleitung und ausschließliche Drosselung der
Reinwasserleitung gegenüber. Durch die Drosselung der
Reinwasserleitung wurde die Durchflußgeschwindigkeit auf 1,78 x 10³
l/h/m² aktiver Filterröhrenfläche begrenzt. Bei ausschließlicher
Drosselung der Reinwasserleitung begann der Durchfluß nach 30
Minuten unter den festgesetzten Punkt zu sinken. Perma-Impuls
zusammen mit Reinwasserdrosselung war etwas wirkungsvoller als
ausschließliche Drosselung.
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Die Ergebnisse einer weiteren Versuchsreihe unter Verwendung der
Vorrichtung in Fig. 5 sind in Fig. 8 grafisch dargestellt. Bei
diesen Versuchen wurden ein Durchlauf mit Perma-Impuls und
langsamem Anfahren und ein Durchlauf mit ausschließlich langsamem
Anfahren einem Durchlauf ohne jegliche Verfahren zur Erhöhung
des Durchflusses gegenübergestellt. Die Perma-Impuls-Versuche
wurden, wie hier beschrieben, im langsamen Anfahrbetrieb
durchgeführt, bei dem die Reinwasserleitung 52 über den Zeitraum von
1 Minute allmählich geöffnet wurde, wobei Ventil 55 verwendet
wurde. Die Perma-Impuls-Frequenz betrug 2 Minuten bei einer
Dauer von 15 Sekunden. Durchflüsse aller Durchläufe verringerten
sich in ungefähr 90 Minuten auf einen Gleichgewichtswert. Der
Gleichgewichtsdurchfluß bei Perma-Impuls und langsamem Anfahren
lag ungefähr 30% über dem des Durchlaufes ohne Erhöhung des
Durchflusses. Der Gleichgewichts-Durchfluß bei Perma-Impuls lag
ungefähr 17% höher als der Gleichgewichtswert des Durchlaufes,
der lediglich langsames Anfahren beinhaltete.
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Fig. 9 ist ein Diagramm, das das Druckdifferential (ΔP) als
Funktion der Zeit grafisch darstellt und die Ergebnisse einer
weiteren Versuchsreihe unter Verwendung der Versuchsvorrichtung
in Fig. 5 zeigt. Bei diesen Versuchen wurde das langsame
Anfahren durch allmähliches Öffnen des Reinwasseleitungsventils 55
über verschiedene Zeiträume untersucht. Die
Durchflußgeschwindigkeit wurde, wie hier beschrieben, durch Drosselung der
Reinwasserleitung konstant gehalten. Wie zu sehen ist, werden die
positiven Auswirkungen langsamen Anfahrens hinsichtlich eines
niedrigeren Antriebsdrucks (ΔP) bei Anfahrzeiten erreicht, die
im Bereich von ca. 15 Sekunden bis ca. 45 Sekunden lagen, wobei
die besten Ergebnisse erzielt wurden, wenn das
Reinwasserleitungsventil 55 über einen Zeitraum von 45 Sekunden allmählich
und gleichmäßig geöffnet wurde. Diese Versuche wurden mit
Meerwasser plus 50 ppm Aluminiumsulfat als filterbares Material
durchgeführt, und es wurde (wie bereits beschrieben) Rückspülen
bei einer Frequenz von 60 Sekunden und einer Dauer von 2
Sekunden angewendet (Rückspülpumpe nicht abgebildet).
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Es hat sich, wie bereits erläutert, ein überraschender Effekt
ergeben, der daraus resultiert, daß die Reinwasseröffnung 51
oder das Reinwasserleitungsventil 55 während der Säurereinigung
der Filtrationsröhren geschlossen gelassen werden. Es hat sich
herausgestellt, daß, wenn die Reinwasserleitung 51 während der
Reinigung offen ist, das Anfangs- (Zeit Null) Druckdifferential
bei weitem höher ist als das Anfangs-ΔP, das bei geschlossener
Reinwasseröffnung erreicht wurde. Das Druckdifferential erhöht
sich mit der Zeit auch schneller, wenn die Reinwasseröffnung 51
während der Reinigung offen gelassen wird. Ohne dieses
Durchflußerhöhungsverfahren hat es sich oft erwiesen, daß das Grenz-
Druckdifferential (ΔP) in nur 3 oder 4 Stunden (bei
gleichbleibender Durchflußgeschwindigkeit) erreicht wird. Dagegen stehen
12 oder mehr Stunden, die normalerweise mit diesem speziellen
erfindungsgemäßen Verfahren zur Erhöhung
Durchflußgeschwindigkeit erreicht werden.
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Fig. 10 ist ein Diagramm, das das Druckdifferential (ΔP) als
Funktion der Zeit grafisch darstellt und die Ergebnisse einer
zusätzlichen Versuchsreihe unter Verwendung der
Versuchsvorrichtung in Fig. 5 zeigt. Bei diesen Versuchen wurde ein
Filtrationsdurchlauf nach der Säurereinigung, bei der
Reinwasserleitungsventil 55 geöffnet war, einem Filtrationsdurchlauf nach der
Säurereinigung gegenübergestellt, bei der
Reinwasserleitungsventil 55 geschlossen war. Die positiven Ergebnisse beim
Schließen der Reinwasseröffnung während der Säurereinigung sind leicht
zu erkennen, insofern als ein niedrigerer Antriebsdruck (ΔP) zu
verzeichnen ist. Die Versuchsbedingungen stimmten,
einschließlich der Verwendung von Rückspülung, im wesentlichen mit den
oben im Zusammenhang mit Fig. 9 beschriebenen überein.
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Damit Querstromfilter möglichst wirkungsvoll arbeiten, muß eine
bestimmte minimale Konzentration an suspendierten Feststoffen
vorhanden sein. Unterhalb dieses Minimums werden einzelne Poren
der Röhre von einzelnen Teilchen versperrt (Sperrfiltration).
Das führt zur schneller Durchflußverringerung. Oberhalb dieses
Minimums werden die Teilchen selbsttragend und bilden einen
Filterkuchen über den Poren der Röhre. Bei Kuchenfiltration wird
die Röhrenmatrix nicht versperrt. Das ist der erwünschte
Filtrationsmechanismus, da der Widerstand durch den Kuchen minimal
ist, durch eine teilweise versperrte Röhrenmatrix hingegen
maximal. Diese Theorie liegt der Schließung der Reinwasseröffnung
während der Reinigung gemäß der vorliegenden Erfindung zugrunde.
Die Reinigungslösung löst die Masse der Feststoffe im
Umlaufstrom und kann zu einer Feststoffkonzentration unterhalb der für
die Auslösung der Kuchenfiltration erforderlichen führen. Wenn
die Reinwasserleitung offen ist und Säure durch die Röhrenwände
fließt, kann die Matrix verstopft werden.
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Diese Anmeldung ist aus der Anmeldung 84102529.9 ausgegliedert.