DE3803886A1

DE3803886A1 - Vorrichtung zum filtern und trennen von stroemungsmedien

Info

Publication number: DE3803886A1
Application number: DE3803886A
Authority: DE
Inventors: Walter Hilgendorff; Gerhard Kahn; Juergen Kaschemekat
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 1988-02-09
Filing date: 1988-02-09
Publication date: 1989-08-10
Also published as: GB2215636A; FR2626781B1; DE3803886C2; GB8902623D0; GB2215636B; FR2626781A1; US4995977A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Filtern und Trennen von Strömungsmedien durch Umkehrosmose, Ultra filtration und Mikrofiltration, bei der eine Mehrzahl von im wesentlichen flach ausgebildeten Filterelementen mit Abstand voneinander unter jeweiliger Bildung von Strö mungskammer für das Strömungsmedium aneinander geschich tet sind, wobei erzeugtes Permeat an der Stirnfläche we nigstens eines Filterelement ausgebildeten, zur flächigen Filterelementoberfläche im wesentlichen orthogonalen Loches abgeführt wird.

Bei Vorrichtungen dieser Art (DE-OS 35 07 908) werden die Filterelemente (Membranen) bisher in gesonderten Stütz rahmen aufgenommen, die aus einem Außenring und aus einem Innenring bestehen, zwischen denen ein Gitter und ein Netzgewebe angeordnet ist, daß Noppen aufweist. Am Außen ring und am Innenring aufliegend, werden eine beliebige Zahl derartiger Stützrahmen unter jeweiligen Einschluß eines Filterelements aufeinander gestapelt, wobei die Außenringe und die Innenringe einen festen Verbund der so gebildeten Vorrichtung gewährleisten. Es hat sich ge zeigt, daß sich bei der Verwendung derartiger Element träger an den das Filterelement berührenden Teilen des Stützrahmens, im vorbeschriebenen Beispiel das Gitter mit darauf angeordneten Noppen, die Permeatausbeute im Laufe der Zeit vermindert, mit der Folge, daß die Trennungslei stung der Vorrichtung insgesamt zurückgeht.

Das hat seinen Grund darin, daß es im Strömungsschatten der Berührungspunkte der Noppen auf der Filterelement oberfläche zur Bildung von Kristallisationskeimen für das Ausfällen von im Strömungsmedium enthaltenen Stoffen und zur vermehrten Ablagerung von Verschmutzungen kommt. Zwar kann der Verminderung der Trennungsleistung der Vorrich tung dadurch begegnet werden, daß die Geschwindigkeit des Strömungsmediums in der Vorrichtung erhöht wird, so daß die Bildung von Kristallisationskeimen an den Berührungs punkten und die Ablagerung von Schmutz an diesen vermin dert wird, diese Methode ist jedoch einerseits nicht ge eignet, die Trennungsleistung der Vorrichtung fortwährend gleich zu halten und andererseits ist die Erhöhung der Geschwindigkeit des Strömungsmediums mit erhöhtem Ener gieaufwand für die Pumpeinrichtungen verbunden und die Vorrichtung muß insgesamt die erhöhte Druckdifferenz aus gelegt werden, was diese wiederum erheblich verteuert.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrich tung zu schaffen, mit der auf einfache Weise die Bildung von Kristallisationskeimen auf der Oberfläche der Filter elemente und somit eine Ablagerung von durch das Strö mungsmedium getragenen Verunreinigungen verhindert wird, so daß auf einfache Weise die Trennungsleistung der Vor richtung erhalten bleibt und die Vorrichtung insgesamt gegenüber bekannten Vorrichtung noch kostengünstiger her gestellt werden kann.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß das Filterelement im wesentlichen flächig auf einem scheibenförmigen, freitragenden Filterelementträger lie gend angeordnet ist und zwischen jeweils zwei in einer Strömungskammer gegenüberliegenden Filterelementen eine das Strömungsmedium in Turbulenz versetzende Scheibe an geordnet ist.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt im wesentlichen darin, daß durch die zwischen zwei Filter elementen in der Strömungskammer angeordnete Scheibe das Strömungsmedium beim Durchströmen der Strömungskammer in Turbulenz versetzt wird, so daß dadurch eine Bildung von Kristallisationskeimen für das Ausfällen von Strömungs mittelinhaltstoffen und der Ablagerung von Verschmutzun gen verhindert wird und durch den scheibenförmigen frei tragenden Filterelementträger keine Abstützung über Ab standhalter oder Noppen zur Fixierung des Filterelements nötig ist. Beide Maßnahmen bewirken im Zusammenwirken miteinander, daß auf der gesamten Filterelementoberfläche die Turbulenz erhöht wird und die Trennleistung der Vor richtung aufgabengemäß verbessert wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Scheibe derart zwischen zwei Filterelementen angeordnet, daß sie diese einerseits im wesentlichen nicht berührt und ande rerseits in wenigstens einem Freiheitsgrad beweglich ist. Durch die Beweglichkeit der Scheibe wird dabei vorzugs weise die Turbulenz im Strömungsmedium in der Strömungs kammer noch erhöht, d. h. durch die durch das Strömungsme dium bedingte Bewegung der Scheibe.

Die Scheibe selbst weist vorteilhafterweise eine Mehrzahl von im wesentlichen orthogonal zur Scheibenoberfläche verlaufende Löcher auf, die prinzipiell einen beliebigen Querschnitt haben können. Vorzugsweise weisen die Löcher einen halbkreisförmigen Querschnitt auf. Die Anzahl und die Anordnung der Löcher auf der Scheibe kann beliebig und in Abhängigkeit der zu trennenden Art des Strömungs mediums gestaltet werden.

Je nach Art der Ausbildung der Vorrichtung kann die Scheibe auf unterschiedlichste Weise zwischen den in ei ner Strömungskammer gegenüberliegenden Filterelementen fixiert werden. Insbesondere dann, wenn die Filterele mente eine im wesentlichen symmetrische, beispielsweise kreisförmige Form haben, ist es vorteilhaft, daß die Scheibe ein im wesentlichen axial zum Loch des Filterele mentes angeordnetes Fixierungsloch aufweist, so daß seine Zuordnung in der Schichtung aus Filterelementen, Filter elementträgern und Scheiben auf einfache Weise möglich ist.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Scheibe über eine im Fixierungsloch angeordnete Ringdich tung auf einer im Zentrum des Fixierungsloches vorgesehe nen Abstandscheibe größerer Dicke als die Scheibe abge stützt, wobei über die Abstandscheibe die Scheibe zwischen zwei Filterelementen eingeschlossen ist. Diese Art der Fixierung der Scheibe gestattet, daß sich die Scheibe nicht nur in axialer Richtung zum Loch des Fil terelementes geringfügig bewegen kann, sondern auch ge ringfügig um die Lochachse, wobei dadurch die Möglichkeit der Ausbildung einer turbulenten Strömung des Strömungs mediums nochmals vergrößert wird. Um jedoch die Bewegbar keit der die Turbulenz verursachenden Scheibe einstellbar zu machen, wobei innerhalb gewisser Grenzen auch die Stärke der Turbulenz des Strömungsmediums beeinflußt wird, ist gemäß einer anderen Ausgestaltung der Vorrich tung auf der der Strömungskammer zugewandten Filterele mentoberfläche eine Mehrzahl von von der Filteroberfläche wegstehenden Erhebungen angeordnet, die jedoch normaler weise nicht in Berührung mit den benachbarten Filterele mentoberflächen kommen.

Dabei werden die Erhebungen vorteilhafterweise wenigstens durch eine das Filterelement an seinem äußeren Kantenbe reich umgebenden ringförmigen Scheibe und durch eine im wesentlichen in gleicher Höhe und Richtung wie die ring förmige Scheibe vorstehenden ringförmigen Ausstülpung des Filterelements gebildet, wobei die am äußeren Kantenbe reich ausgebildete ringförmige Scheibe neben ihrer Funk tion zur Einstellung der Beweglichkeit der Turbulenz er zeugenden Scheibe auch noch die Funktion hat, die Stabi lität des scheibenförmigen Filterelementträgers zu ver größern, so daß auch bei extrem hohen Betriebs- und Dif ferenzdrücken des Strömungsmittels keine weitere Ab stützung durch Abstandhalter oder dgl. nötig ist. Die Eigenstabilität des freitragenden Filterelementträgers wird damit auf einfache Weise vergrößert.

Schließlich ist es vorteilhaft, daß die Erhebungen auch durch eine Mehrzahl von auf der Filteroberfläche verteil ten punktförmigen Vorsprüngen gebildet werden, die eben falls zur Einstellung der Bewegbarkeit und zur Einstel lung der gewünschten Stärke der Turbulenz in der Strö mungskammer dienen.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nachfol genden schematischen Zeichnungen anhand eines Ausfüh rungsbeispieles eingehend beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 im Schnitt eine aus zwei Filterelementträgern gebildete Teilvorrichtung mit einem bzw. zwei darauf angeordneten Filterelementen,

Fig. 2 im vergrößerten Maßstab den oberen Teil der in Fig. 1 dargestellten Teilvorrichtung,

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Filterelemententräger auf dem ein Filterelement angeordnet ist,

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine die Turbulenz in der Strömungskammer erzeugende Scheibe,

Fig. 5 eine graphische Darstellung in der der Permeat durchfluß in Abhängigkeit des Rohmediumdurch flusses mit und ohne Turbulenz erzeugende Scheibe zur Erzeugung der Turbulenz dargestellt wird und

Fig. 6 die Leitfähigkeit in Abhängigkeit des Rohströ mungsmitteldurchflusses mit und ohne Scheibe zur Erzeugung der Turbulenz.

Die Vorrichtung 10 ist schematisch in Fig. 1 sowie in einem vergrößerten Teilschnitt in Fig. 2 dargestellt. Die Fig. 1 und 2 zeigen aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich zwei sogenannte Filtertaschen, die aneinander gestapelt sind. Eine beliebige Vielzahl von Taschen an einander gestapelt bildet die Vorrichtung 10, wobei sich die Zahl der Taschen nach der Art des zu trennenden Strö mungsmittels und den Umständen des Einsatzes der Vorrich tung 10 richtet. Um das erfindungsgemäße Prinzip darzu stellen, reicht jedoch die Beschreibung lediglich zweier Filtertaschen aus.

Eine Filtertasche besteht im wesentlichen aus einem scheibenförmigen Filterelementträger 18, auf dessen bei den Seiten ein flächiges Filterelement, das beispielswei se ein taschenförmiges Membranfilter sein kann, unter Zwischenlage eines Vlieses 182 aufgebracht ist. Dieser Aufbau gilt grundsätzlich für jede der vorgenannten Taschen.

Zwischen den sich gegenüberliegenden Filterelementen 11 zweier benachbarter Taschen ist eine Scheibe 20 angeord net, wobei die eine Scheibenoberfläche 21 der äußeren Filteroberfläche 12 gegenübersteht und die zweite Scheibenoberfläche 22 der Filteroberfläche 12 des Filter elements 11 der benachbarten Filtertasche. Zwischen zwei gegenüberliegenden Filterelementen 11 der einen und der anderen Tasche wird eine Strömungskammer 14 gebildet, in der das zu trennende Strömungsmedium 19 fließt. Zwischen den beiden äußeren Filterelementoberflächen 12 ist die Scheibe 20 im wesentlichen mittig in der Strömungskammer 14 angeordnet, und zwar derart, daß die Scheibe die Fil terelemente nicht berührt.

Die Scheibe 20, vergl. Fig. 4, ist im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel im wesentlichen kreisförmig ausgebil det und weist in ihrem Zentrum 25 ein Fixierungsloch 200 auf sowie eine Mehrzahl auf der Kreisfläche ausgebildete Löcher 23, die im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen. Es sei angemerkt, daß die Art der Ausbildung der Löcher 23, ihrer Anordnung auf der Scheibe und ihre Zahl beliebig geeignet gewählt werden kann.

Die Scheibe 20 ist über eine Abstandscheibe 26 im wesent lichen radial und axial mit den Filterelementen sowie den Filterelementträgern 18 ausgerichtet, und zwar im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel über eine im Fixie rungsloch 200 der Scheibe 20 angeordnete Ringdichtung 24, die vorzugsweise eine O-Ringdichtung ist. Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, stellt die Ringdichtung 24 einen dichtenden Abschluß zwischen zwei gegenüberliegen den Filterelementoberflächen 12 sowie einer Abstandschei be 26 her, die im Fixierungsloch 200 im zusammengebauten Zustand der Vorrichtung 10 angeordnet ist und die eben falls zwischen zwei gegenüberliegenden Filterelementober flächen 12 zweier benachbarter Taschen angeordnet ist. Die Abstandscheibe 26 weist dabei eine geringfügig größe re Dicke als die Scheibe 20 auf.

Jedes Filterelement 11 weist an seinem äußeren Kantenbe reich 110 eine das Filterelement umgebende ringförmige Scheibe 27 als Erhebung auf. Die Scheibe 27 ist mit dem äußeren Kantenbereich 110 des Filterelements verklebt. Im Zentrum des Filterelements 11, vergl. Fig. 3, ist die Erhebung durch eine im wesentlichen in gleicher Höhe und Richtung wie die zuvor erwähnte ringförmige Scheibe 27 vorstehende ringförmige Ausstülpung 111 gebildet, wobei diese Ausstülpung genau wie die zuvor erwähnte ringförmi ge Scheibe 27 Abstandswirkung hat, was im einzelnen noch weiter unten beschrieben wird. Auf der zur Strömungskam mer gerichteten Filteroberfläche 12 sind eine Vielzahl von Vorsprüngen 28 ausgebildet, die ebenfalls Abstands funktionen haben, was ebenfalls im einzelnen weiter unten beschrieben wird. Die ringförmige Ausstülpung 111 des Filterelements 11 zum Zentrum bzw. zum Permeatabflußloch 30 hin, kann dadurch bewirkt werden, daß eine Scheibe 31 mit einer solchen Dicke bzw. Höhe um das zentrale Per meatabflußloch 30 gelegt wird, daß das Filterelement 11 um diesen Betrag in Form der Ausstülpung vorsteht.

Die Höhe bzw. Dicke der äußeren ringförmigen Scheibe 27, die Höhe der Vorsprünge 28 sowie die Höhe der Ausstülpung 111, bezogen auf die Fläche 180, 181 des Filterelement trägers 18, ist so bemessen, daß die Scheibe 20 we nigstens in einem Freiheitsgrad, d. h. in axialer Richtung der Vorrichtung 10, beweglich ist. Geringfügig kann die Scheibe 20 auch um die Achse der Vorrichtung rotieren.

Es sei erwähnt, daß alle vorgenannten Erhebungen 27, 28, 110 dazu dienen, die Beweglichkeit der Scheibe einzustel len bzw. zu begrenzen, oder, anders ausgedrückt, zwei gleichmäßige Spalte zwischen der Scheibe 20 und den Fil terelementoberflächen 12 aufrecht zu erhalten.

Während des Betriebes fließt das Strömungsmedium 19 auf bekannte Weise in den Strömungskammern 14 von einem hier nicht dargestellten Strömungsmediumeinlaß zu einem nicht dargestellten Strömungsmediumauslaß und verläßt dort als Konzentrat die Vorrichtung 10. Aus dem Strömungsmedium 19 gelangt in den Strömungskammern 14 über die Filterelemen te 11 getrennt das Permeat über die Stirnflächen 17 des Loches 16 des Filterelements 11 in den Permeatabfluß 30, wobei diese Vorgänge bei Vorrichtungen dieser Art im all gemeinen gleich und auf bekannte Weise ablaufen. Während des Betriebes der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 wird aufgrund der Turbulenz des Strömungsmediums 19 der in den Strömungskammern 14 vorgesehenen Scheiben 20 sicherge stellt, daß auf der den Strömungskammer 14 zugewandten Seiten der Filterelementoberflächen 12 sich keine Verun reinigungen absetzen können und auch sich keine Kristal lisationskeime für das Ausfällen von Strömungsmittelin haltstoffen bilden. Es hat sich während des Betriebes der Vorrichtung gezeigt, daß bei Einsatz der die Turbulenz erzeugenden Scheibe 20 keine Strömungsschatten des Strö mungsmediums in den Strömungskammern 14 gebildet haben.

Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß die Menge des von der Vorrichtung 10 gelieferten Permeats bei gleichem Durch fluß von Strömungsmedium (Rohwasser) bei Einbau der die Turbulenz erzeugenden Scheibe 20 signifikant größer ist als ohne Scheibe 20. Die Zunahme ist dadurch bedingt, daß mit erhöhter Salzkonzentration an der Filterelmentober fläche 12 der osmotische Druck bei gleichzeitiger Redu zierung des effektiven Arbeitsdruckes steigt (effektiver Arbeitsdruck = Betriebsdruck - osmotischer Druck). Der Permeatfluß durch eine Membran ist also um so höher, je geringer die Salzkonzentration an der Filterelementober fläche 12 ist. Durch den Turbulenzerzeuger (Scheibe 20) wird die Salzkonzentration bzw. die Grenzschicht verrin gert und damit der Permeatfluß erhöht.

Aus Fig. 6 ist die Leitfähigkeit in Abhängigkeit des Rohströmungsmitteldurchflusses mit und ohne Scheibe 20 ersichtlich. Der Salzschlupf durch eine Membran (Filter element 11) ist direkt proportional dem Unterschied der Salzkonzentrationen zwischen den Filterelementoberflächen 12 und 13. Es ist im Gegensatz zum Permeatfluß unabhän gig vom Druck. Wird also durch den Turbulenzerzeuger (Scheibe 20) der Konzentrationsunterschied reduziert, so verringert sich auch gleichzeitig die Leitfähigkeit und damit der Salzgehalt im Permeat.

Schließlich sei erwähnt, daß sich die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Verwendung grundsätzlich aller flachen Filterelemente eignet, insbesondere Membranfilter usw.

Die flächige Filterelementträgerscheibe 18 kann aus be liebigen geeigneten Werkstoffen, beispielsweise Poly etherimid bestehen. Sie muß jedoch mit dem Filterelement 11 bzw. der Zwischenlage 29 verklebbar sein und Lebens mittelbeständige Eigenschaften aufweisen. Werkstoffe des Filterelementträgers 18 können beispielsweise auch ABS, PVC sein. Die Scheibe 20 besteht vorzugsweise aus Poly etherimid, es sind aber auch beliebige geeignete andere Werkstoffe denkbar. Die ringförmige Scheibe 27 und die Unterlegscheibe 31, die die Ausstülpung 111 des Filter elements 11 bewirkt, sind vorzugsweise 0,25 mm dick.

Bezugszeichenliste

10 Vorrichtung
11 Filterelement
110 äußerer Kantenbereich des Filterelements
111 ringförmige Ausstülpung
12 Filterelementoberfläche
13 Filterelementoberfläche
14 Strömungskammer
15 Permeat
16 Loch (Filterelement)
17 Stirnfläche von Loch 16
18 Filterelementträger
180 Fläche des Filterelementträgers
181 Fläche des Filterelementträgers
182 Vlies
19 Strömungsmedium
20 Scheibe
200 Fixierungsloch
21 Scheibenoberfläche
22 Scheibenoberfläche
23 Loch (Scheibe)
24 Ringdichtung
25 Lochzentrum
26 Abstandscheibe
27 ringförmige Scheibe
28 Vorsprung
29 Zwischenlage
30 Permeatabflußloch
31 Unterlegscheibe

Claims

1. Vorrichtung zum Filtern und Trennen von Strömungsme dien durch Umkehrosmose, Ultrafiltration und Mikrofiltra tion bei der eine Mehrzahl von im wesentlichen flach aus gebildeten Filterelementen mit Abstand voneinander unter jeweiliger Bildung von Strömungskammern für das Medien aneinander geschichtet sind, wobei erzeugtes Permeat an der Stirnfläche wenigstens eines im Filterelement ausge bildeten, zur flächigen Filterelementoberfläche im we sentlichen orthogonalen Loches abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (11) im wesent lichen flächig auf einem scheibenförmigen, freitragenden Filterelementträger (18) liegend angeordnet ist und zwischen jeweils zwei in einer Strömungskammer (14) ge genüber liegenden Filterelementen (11) eine das Strö mungsmedium (19) in Turbulenz versetzende Scheibe (20) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (20) derart zwischen zwei Filterelementen (11) angeordnet ist, daß diese die beiden Filterelemente (11) einerseits im wesentlichen nicht berührt und ande rerseits in wenigstens einem Freiheitsgrad beweglich ist.

3. Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (20) eine Mehrzahl von im wesentlichen orthogonal zur Scheibenober fläche (21, 22) verlaufenden Löchern (23) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (23) einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (20) ein im wesentlichen axial zum Loch (16) des Filterelementes (11) angeordnetes Fixierungsloch (200) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (20) über eine im Fixierungsloch (200) angeordnete Ringdichtung (24) auf einer im Zentrum (25) des Fixierungsloches (200) vorgesehenen Abstandscheibe (26) größere Dicke als die Scheibe (20) abgestützt ist, wobei über die Abstandscheibe (26) die Scheibe (20) zwischen zwei Filterelementen (11) gelagert ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Strömungs kammer (14) zugewandten Filterelementoberfläche (12) eine Mehrzahl von von der Filterelementoberfläche (12) weg stehenden Erhebungen angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen wenigstens durch eine das Filterele ment (11) an seinem äußeren Kantenbereich (110) umgeben den ringförmigen Scheibe (27) und durch eine im wesent lichen in gleicher Höhe und Richtung wie die ringförmige Scheibe (27) wegstehenden ringförmigen Ausstülpung (111) des Filterelements (11) gebildet werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Scheibe (27) durch eine Klebstoff schicht gebildet wird.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen durch eine Mehrzahl auf der Filteroberfläche (12) verteilten punktförmigen Vorsprüngen (28) gebildet werden.