DE3716363A1 - Verfahren zum kontinuierlichen filtrieren einer fluessigkeit und einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Filtrieren einer Flüssigkeit nach dem Querstrom- Filtrationsverfahren, mit mindestens zwei hintereinander geschalteten Querstromfiltern, bei dem die zu filtrierende Flüssigkeit durch die Querstromfilter mit einem Eingangsdruck in das erste Querstromfilter eingeleitet wird, der dem je Querstromfilter entsprechenden Druckabfall multipliziert mit der Anzahl der Querstromfilter plus dem erforderlichen Ausgangsdruck entspricht, wobei an der Filtratausgangsseite jedes Querstromfilters außer dem letzten ein Gegendruck derart aufrecht erhalten wird, daß die jeweils in den Querstromfiltern herrschenden Druckdifferenzen zwischen dem Druck der zu filternden Flüssigkeit und des Filtrates untereinander gleich groß sind, sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein Verfahren dieser Art ist aus der EP-A - 01 37 877 bekannt, wobei jedoch offen gelassen ist, auf welche Art und Weise der Gegendruck an der Filtratausgangsseite erzeugt bzw. aufrecht erhalten wird. Zur Erzeugung eines bestimmten Gegendruckes dienen üblicherweise komplette Regeleinrichtungen mit Reglern, Regelventilen und zusätzlichen Rohrleitungen. Solche Regeleinrichtungen sind nicht nur kostenaufwendig; sie stellen häufig auch Fehlerquellen dar und erfordern eine sorgfältige Wartung bzw. Einstellung.

Die Erfindung bezweckt die Vermeidung dieser Nachteile und Schwierigkeiten und stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, welches die Aufrechterhaltung eines Gegendruckes in besonders einfacher Weise ermöglicht, wobei komplizierte Regelvorgänge vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Druck des aus jedem der Querstromfilter - außer dem letzten Querstromfilter - abgeleiteten Filtrates in Abhängigkeit des ausgangsseitigen Druckes der zu filternden Flüssigkeit eines in Durchflußrichtung nachfolgenden Querstromfilters gesteuert wird, wobei zweckmäßig der Druck des aus jedem der Querstromfilter außer dem letzten Querstromfilter abgeleiteten Filtrates an den ausgangsseitigen Druck der zu filternden Flüssigkeit des in Durchflußrichtung nächstfolgenden Querstromfilters angeglichen wird. Beim letzten Querstromfilter ist der erforderliche Ausgangsdruck durch die Füllhöhe der zu filtrierenden Flüssigkeit in einem Vorratsbehälter, aus dem diese entnommen wird, gegeben.

Die Erfindung bezweckt weiters die Schaffung einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die kostengünstig ist und mit besonders einfachen Mitteln das Auslangen findet, die unkompliziert in der Wartung ist und keine speziellen aufwendigen Einstellarbeiten erfordert.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Querstromfiltern, einer Zuführleitung für die aus einem Vorratsbehälter entnommene zu filtrierende Flüssigkeit zum ersten Querstromfilter, einer leitungsmäßigen Verbindung zwischen benachbarten, hintereinander geschalteten Querstromfiltern, einer Rückführleitung der zu filtrierenden Flüssigkeit vom letzten Querstromfilter in den Vorratsbehälter und einer aus jedem Querstromfilter ausmündenden Ablaufleitung für das Filtrat sowie einer Filtratsammeleinrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Ablaufleitung jedes Querstromfilters außer dem in Durchflußrichtung letzten Querstromfilter jeweils ein Druckausgleichsventil zum Anpassen des Druckes der Filtratablaufleitung an den ausgangsseitigen Druck der zu filtrierenden Flüssigkeit eines in Durchflußrichtung nachfolgenden Querstromfilters vorgesehen ist.

Ein besonders einfach gestaltetes Druckausgleichsventil ist dadurch gekennzeichnet, daß das Druckausgleichsventil ein eine Kammer umschließendes Gehäuse aufweist und in der Kammer eine die Kammer in zwei aneinandergrenzende Druckkammern teilende Membran oder ein Kolben vorgesehen ist, daß die Membran bzw. der Kolben mit einem im Gehäuse mittels einer Führung geführten Ventilschaft verbunden ist, der mit einem Ventilsitz zusammenwirkt und dessen Stellung gegenüber dem Ventilsitz durch eine Formänderung der Membran bzw. Bewegung des Kolbens veränderbar ist, wobei in eine erste der beiden Druckkammern eine Steuerleitung, in der der ausgangsseitige Druck der zu filternden Flüssigkeit des in Durchflußrichtung nachfolgenden Querstromfilters herrscht, einmündet, der Ventilsitz vom Filtrat beaufschlagt ist und eine Ausgleichsleitung, die ebenfalls vom Filtrat beaufschlagt ist, in die zweite Druckkammer einmündet, wobei vorteilhaft die lichte Weite des Ventilsitzes und der Durchmesser des Ventilschaftes in seiner Führung gleich groß sind.

Will man den Druck des Filtrates zwar in Abhängigkeit von dem der zu filternden Flüssigkeit des nachfolgenden Querstromfilters einstellen, jedoch geringfügig kleiner oder größer halten, ist vorzugsweise die Membran bzw. der Kolben an einer Seite über eine Feder gegenüber dem Gehäuse abgestützt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Membran bzw. der Kolben an beiden Seiten mittels je einer Feder gegenüber dem Gehäuse abgestützt.

Um den Gegendruck des Filtrates variieren zu können, ist vorteilhaft der Druck der Feder(n) auf die Membran bzw. auf den Kolben einstellbar.

Zur Sicherung der einwandfreien Funktion des Ventils und zur Vermeidung von Schwingungen der Membran bzw. des Kolbens sind vorteilhaft am Umfang der Druckkammern nach außen führende, verschließbare Entlüftungsöffnungen vorgesehen.

Sind bei einer Filtrationsanlage mindestens zwei parallel geschaltete Filterstränge mit jeweils mindestens zwei hintereinänder geschalteten Querstromfiltern vorgesehen, münden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Filtrat-Ablaufleitungen der stellengleichen Querstromfilter jedes Filterstranges jeweils in dasselbe Druckausgleichsventil, wodurch für eine Vielzahl von Querstromfiltern mit einer geringen Anzahl von Druckausgleichsventilen das Auslangen gefunden wird.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei Fig. 1 eine Ansicht einer Filtrationsanlage zeigt. Fig. 2 veranschaulicht ein Detail der Fig. 1 im vergrößerten Maßstab im Schnitt. Die Fig. 3 und 4 stellen jeweils einen Schnitt durch ein Druckausgleichsventil entlang seiner Achse nach je einer Ausführungsform dar.

Die zu filternde Flüssigkeit ist in einem Vorratsbehälter 1 eingefüllt und wird mittels einer Pumpe 2 zu in Reihe und parallel geschalteten Querstromfiltern 3 über eine Zuführleitung 4 zugeführt. Die in Serie bzw. hintereinander geschalteten Querstromfilter 3 - beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei parallel geschaltete Filterstränge 5, 6 von jeweils vier in Reihe geschalteten Querstromfiltern 3 vorgesehen - sind jeweils unmittelbar aneinander angeflanscht, so daß die aus einem Querstromfilter 3 austretende Flüssigkeit auf kürzestem Weg in den nachgeordneten Querstromfilter 3 eintritt. Die zu filternde Flüssigkeit wird durch die Querstromfilter 3 hindurchbewegt; sie tritt beim ersten Querstromfilter 3 jedes Filterstranges 5, 6 mit einem Überdruck von etwa 1,0 bar ein und strömt aus dem jeweils letzten (vierten) Querstromfilter mit einem Überdruck von 0,2 bar aus und wird über Rückführleitungen 7 wiederum dem Vorratsbehälter 1 zugeführt.

Das aus jedem Querstromfilter 3 austretende Filtrat wird über eine Ablaufleitung 8 einer Filtrat-Sammelleitung 9 zugeführt, die in einen drucklosen Zwischenbehälter 10 mündet, von dem aus das Filtrat über eine Pumpe 11 zu einem Lager gefördert wird.

Die Ablaufleitung 8 jedes Querstromfilters 3 (außer der Ablaufleitung des in Durchflußrichtung letzten Querstromfilters 3) mündet jeweils in ein Druckausgleichsventil 12, mit dessen Hilfe das aus jedem Querstromfilter 3 austretende Filtrat mit einem Druck bestimmter Höhe beaufschlagt werden kann. Dieser Druck soll so groß sein, daß die Druckdifferenz an der von Kapillarrohren 13 gebildeten Membran jedes Querstromfilters 3 zwischen dem Druck der zu filternden Flüssigkeit und dem Druck des Filtrates gleich groß ist. Dies wird dadurch erzielt, daß mittels des Druckausgleichsventiles 12 das Filtrat mit einem Gegendruck in der Größe des Druckes der zu filternden Flüssigkeit, wie er am Ende 14 des in Durchflußrichtung nachfolgenden Querstromfilters 3 herrscht, beaufschlagt wird.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Druckabfall je Querstromfilter 3 0,2 bar. Der Druck am Ende des in Durchströmrichtung zweiten Querstromfilters 3 jedes Filterstranges 5, 6 beträgt somit 0,6 bar. Wird dieser Druck als Gegendruck dem aus dem ersten Querstromfilter austretenden Filtrat aufgesetzt, so herrscht zwischen dem Druck des Filtrates und der zu filternden Flüssigkeit im ersten Querstromfilter eine Druckdifferenz zwischen 0,4 bar an der Eingangsseite dieses Querstromfilters 3 und 0,2 bar an der Ausgangsseite dieses Querstromfilters 3.

In Fig. 1 sind jeweils der Überdruck und der herrschende Differenzdruck bei jedem Querstromfilter 3 sowie der dem Filtrat jeweils aufgesetzte Gegendruck eingetragen.

Ein zur Durchführung dieses Verfahrens dienendes Druckausgleichsventil ist in den Fig. 3 und 4 dargestellt.

Das Druckausgleichsventil 12 weist ein Gehäuse 15 auf, in dem eine Kammer 16 mit in der Ebene senkrecht zur Achse 17 des Druckausgleichsventiles kreisförmigem Querschnitt vorgesehen ist, deren sich in Achsrichtung erstreckende Höhe 18 im Verhältnis zum Durchmesser 19 relativ gering ist.

Etwa mittig dieser Kammer 16 ist eine sich senkrecht zur Achse 17 erstreckende Membran 20 vorgesehen. Diese Membran 20 ist im Gehäuse 15 entlang ihres Umfanges eingespannt, wobei das Gehäuse 15 zweckmäßig in der Ebene der Membran 20 zweigeteilt ausgebildet ist und die beiden Gehäuseteile 15′, 15′′ mittels Schrauben 21 gegeneinander fixiert sind. Beiderseits der Membran 20 sind an dieser Membranteller 22 angeordnet, die einen Ventilschaft 23 tragen, der sich senkrecht zur Membran 20 entlang der Achse 17 des Ventiles erstreckt und an seinem vorderen freien Ende einen Ventilkegel 24 aufweist, der mit einem im Gehäuse 15 vorgesehenen Ventilsitz 25 zusammenwirkt. Das hintere Ende des Ventilschaftes 23 durchsetzt die Membran 20 und die Membranteller 22 und ist an diesen Teilen mittels einer Mutter 26 fixiert.

Der Ventilschaft 23 ist über den Großteil seiner Längserstreckung in einer im Gehäuse 15 vorgesehenen Bohrung 27, die als Schaftführung dient, gleitbar gelagert. In das Gehäuse 15 mündet an der dem Ventilkegel 24 abgewendeten Seite des Ventilsitzes 25 die Filtrat- Ablaufleitung 8. In Strömungsrichtung des Filtrates hinter dem Ventilsitz 25 mündet in das Gehäuse 15 die Filtrat- Sammelleitung 9.

Die Kammer 16 ist durch die Membran 20 in eine erste Druckkammer 28 und eine zweite Druckkammer 29 geteilt. In die erste Druckkammer 28 mündet eine Steuerleitung 30, die mit der zu filternden Flüssigkeit des nachfolgenden Querstromfilters 3 beaufschlagt ist, an deren Druck der Druck des Filtrates vor dem Ventilsitz 25 angepaßt werden soll. Die zweite Druckkammer 29, die vom Ventilschaft 23 durchsetzt ist, steht leitungsmäßig über eine Ausgleichsbohrung oder Ausgleichsleitung 31 mit der Filtrat-Ablaufleitung 8 in Verbindung, so daß in der zweiten Druckkammer 29 stets der gleiche Druck herrscht wie in Strömungsrichtung vor dem Ventilsitz 25. Zur Glättung von Druckstößen ist in der in die erste Druckkammer 28 mündenden Steuerleitung 30 eine einstellbare oder fixe Drossel 32 vorgesehen.

Anstelle mit der Membran 20 kann die Kammer 16 auch mittels eines Kolbens 20′ in zwei Druckkammern geteilt sein (vgl. Fig. 4), wobei in diesem Fall der Ventilschaft 23 mit dem Kolben 20′ verbunden ist und eine Bewegung des Kolbens 20′ eine Änderung der Lage des Ventilkegels 24 gegenüber dem Ventilsitz 25 bewirkt. Die Membran 20 hat jedoch gegenüber einem Kolben 20′ den Vorteil der absoluten Dichtheit und der Vermeidung der zwischen dem Kolben 20′ und der Kammerwand herrschenden Reibung.

Die Membran 20 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel in ihrem mittleren Bereich beiderseits über Federn 33, 34 gegenüber dem Gehäuse 15 abgestützt, wobei die in den Druckkammern 28, 29 vorgesehenen Federn 33, 34 mittels einer Stellschraube 35 mehr oder weniger zusammengepreßt werden können, so daß der auf den Ventilkegel 24 wirkende Federdruck veränderbar ist.

Um Schwingungen der Membran 20 und damit des Ventilschaftes 23 durch Lufteinschlüsse zu vermeiden, sind die Druckkammern mit Entlüftungsventilen 36 versehen.

Die Funktion des Druckausgleichsventiles 12 ist folgende:

Durch Beaufschlagung der ersten Druckkammer 28 mit dem Druck der zu filternden Flüssigkeit wird die Membran 20 verformt und der Ventilschaft 23 entsprechend der Verformung axial verschoben, wodurch der freie Durchtrittsquerschnitt des Ventilsitzes 25 variiert wird. Hierdurch stellt sich in Strömungsrichtung vor dem Ventilsitz 25 und damit in der Filtrat-Ableitung 8 sowie im Querstromfilter ein bestimmter Filtrat-Druck ein, der infolge der leitungsmäßigen Verbindung der Ableitung 8 mit der zweiten Druckkammer 29 auch in der zweiten Druckkammer 29 herrscht, sodaß die Verformung der Membran 20 und damit die Bewegung des Ventilschaftes 23 nach Einstellung eines gleich großen Druckes in den beiden Druckkammern 28 und 29 zum Stillstand kommt.

Für die einwandfreie Funktion des Druckausgleichventiles 12 ist es wesentlich, daß die druckbeaufschlagten Flächen beiderseits der Membran 20 gleich groß sind. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird dies dadurch erreicht, daß der Durchmesser 37 des Ventilschaftes 23 gleich groß ist wie die lichte Weite 38 des Ventilsitzes 25 und die Membran 20 beiderseits im Gehäuse 15 mit dem gleichen Durchmesser eingespannt ist.

Der Einfluß der Massen der beim Druckausgleich bewegten Teile kann durch waagrechte Anordnung des Druckausgleichsventiles 12 ausgeschaltet werden. Der Ventilschaft 23 benötigt keine Abdichtung; anfallende Leckage gelangt in die Filtrat-Sammelleitung 9. Dies hat den Vorteil, daß der Ventilschaft 23 selbst nahezu reibungslos in der Bohrung 27 des Gehäuses 15 geführt werden kann, wodurch eine exakte Anpassung des Druckes des Filtrates an den Steuerdruck abgeleitet von der zu filternden Flüssigkeit möglich ist.

Die Steuerleitung 30 jedes Druckausgleichsventiles 12 mündet, wie aus Fig. 2 ersichtlich, jeweils zwischen die Anschlußflansche 39 zweier benachbarter Querstromfilter 3.

Die Ablaufleitungen 8 stellengleicher Querstromfilter 3 jedes Filterstranges 5, 6 münden jeweils in dasselbe Druckausgleichsventil 12. Die Querstromfilter 3 selbst sind waagrecht angeordnet, wodurch sich ein einfacher Aufbau mit geringer Höhe und eine gute Zugänglichkeit zu den Querstromfiltern ergibt.

Die Anzahl der hintereinander in Reihe geschalteten Querstromfilter 3 ist von der maximal zulässigen Druckbelastung der Querstromfilter 3 und von deren jeweiligem Druckabfall abhängig. Es ist möglich, beispielsweise fünf Querstromfilterstränge mit je zehn Querstromfiltern 3 vorzusehen, so daß insgesamt fünfzig Querstromfilter 3 mit nur einer Pumpe 2 versorgt werden können, und wobei zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Gegendrücke lediglich neun Druckausgleichsventile 12 erforderlich sind.

Claims (10)

1. Verfahren zum kontinuierlichen Filtrieren einer Flüssigkeit nach dem Querstrom-Filtrationsverfahren, mit mindestens zwei hintereinander geschalteten Querstromfiltern (3), bei dem die zu filtrierende Flüssigkeit durch die Querstromfilter (3) mit einem Eingangsdruck in das erste Querstromfilter (3) eingeleitet wird, der dem je Querstromfilter entsprechenden Druckabfall multipliziert mit der Anzahl der Querstromfilter (3) plus dem erforderlichen Ausgangsdruck entspricht, wobei an der Filtratausgangsseite jedes Querstromfilters (3) außer dem letzten ein Gegendruck derart aufrecht erhalten wird, daß die jeweils in den Querstromfiltern (3) herrschenden Druckdifferenzen zwischen dem Druck der zu filternden Flüssigkeit und des Filtrates untereinander gleich groß sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des aus jedem der Querstromfilter (3) - außer dem letzten Querstromfilter (3) - abgeleiteten Filtrates in Abhängigkeit des ausgangsseitigen Druckes der zu filternden Flüssigkeit eines in Durchflußrichtung nachfolgenden Querstromfilters (3) gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des aus jedem der Querstromfilter (3) - außer dem letzten Querstromfilter (3) - abgeleiteten Filtrates an den ausgangsseitigen Druck der zu filternden Flüssigkeit des in Durchflußrichtung nächstfolgenden Querstromfilters (3) angeglichen wird.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Querstromfiltern (3), einer Zuführleitung (4) für die aus einem Vorratsbehälter (1) entnommene zu filtrierende Flüssigkeit zum ersten Querstromfilter (3), einer leitungsmäßigen Verbindung zwischen benachbarten, hintereinander geschalteten Querstromfiltern (3), einer Rückführleitung (7) der zu filtrierenden Flüssigkeit vom letzten Querstromfilter (3) in den Vorratsbehälter (1) und einer aus jedem Querstromfilter ausmündenden Ablaufleitung (8) für das Filtrat sowie einer Filtratsammeleinrichtung (9, 10), dadurch gekennzeichnet, daß in der Ablaufleitung (8) jedes Querstromfilters (3) außer dem in Durchflußrichtung letzten Querstromfilter (3) jeweils ein Druckausgleichsventil (12) zum Anpassen des Druckes der Filtratablaufleitung (8) an den ausgangsseitigen Druck der zu filtrierenden Flüssigkeit eines in Durchflußrichtung nachfolgenden Querstromfilters (3) vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckausgleichsventil (12) ein eine Kammer (16) umschließendes Gehäuse (15) aufweist und in der Kammer (16) eine die Kammer (16) in zwei aneinandergrenzende Druckkammern (28, 29) teilende Membran (20) oder ein Kolben (20′) vorgesehen ist, daß die Membran (20) bzw. der Kolben (20′) mit einem im Gehäuse (15) mittels einer Führung (27) geführten Ventilschaft (23) verbunden ist, der mit einem Ventilsitz (25) zusammenwirkt und dessen Stellung gegenüber dem Ventilsitz (25) durch eine Formänderung der Membran (20) bzw. Bewegung des Kolbens (20′) veränderbar ist, wobei in eine erste der beiden Druckkammern (28) eine Steuerleitung (30), in der der ausgangsseitige Druck der zu filternden Flüssigkeit des in Durchflußrichtung nachfolgenden Querstromfilters (3) herrscht, einmündet, der Ventilsitz (25) vom Filtrat beaufschlagt ist und eine Ausgleichsleitung (31), die ebenfalls vom Filtrat beaufschlagt ist, in die zweite Druckkammer (29) einmündet.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lichte Weite (38) des Ventilsitzes (25) und der Durchmesser (37) des Ventilschaftes (23) in seiner Führung (27) gleich groß sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (20) bzw. der Kolben (20′) an einer Seite über eine Feder (33, 34) gegenüber dem Gehäuse (15) abgestützt ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (20) bzw. der Kolben (20′) an beiden Seiten mittels je einer Feder (33, 34) gegenüber dem Gehäuse (15) abgestützt ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der Feder(n) (33, 34) auf die Membran (20) bzw. auf den Kolben (20′) einstellbar ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang der Druckkammern (28, 29) nach außen führende, verschließbare Entlüftungsöffnungen (36) vorgesehen sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 3, mit mindestens zwei, jeweils mindestens zwei hintereinander geschaltete Querstromfilter (3) aufweisenden, parallel geschalteten Filtersträngen (5, 6), dadurch gekennzeichnet, daß die Filtrat-Ablaufleitungen (8) der stellengleichen Querstromfilter (3) jedes Filterstranges (5, 6) jeweils in dasselbe Druckausgleichsventil (12) münden.