DE3914326C2 - Filtergerät zur Filtration von Suspensionen, zur Klärfiltration und zur Ultra- und Mikrofiltration von Flüssigkeiten - Google Patents

Filtergerät zur Filtration von Suspensionen, zur Klärfiltration und zur Ultra- und Mikrofiltration von Flüssigkeiten

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Description

Die Erfindung betrifft ein Filtergerät zur Filtration von Suspensionen, zur Klärfiltration von Flüssigkeiten und zur Ultra- und Mikrofiltration von Flüssigkeiten, welche ein poröses Filterelement in einem umschließenden Gehäuse mit mindestens drei Fluidanschlüssen für die Versorgung und Entsorgung mit Fluid überströmen, wobei das Filterelement das mit Abstand von seiner Filterfläche umschließende Gehäuse in einen ersten Fluidraum (Retentatraum) mit zwei entfernt voneinander angeordneten Fluidanschlüssen von einem zweiten Fluidraum (Permeatraum) mit einem weiteren Anschluß derart trennt, daß Fluid von einem Fluidraum in den anderen Fluidraum nur durch das Filterelement dringen kann und die Filterfläche von einem angetriebenen mechanischen Wischer von Ablagerungen gereinigt wird. Ein solches Filtergerät nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist z. B. bekannt durch die US-PS 36 23 607. Sie lehrt einen hin- und herlaufenden Wischer, der sowohl innerhalb als auch um ein zylinderförmiges Filterelement herum angeordnet ist und von einem in seiner Flußrichtung umkehrbaren Fluidstrom angetrieben wird. Es sind auch unterschiedliche Ausgestaltungen von Wischern, die mechanisch angetrieben werden, bekannt, beispielsweise Bürsten (DE-OS 23 38 965) und Teller (DE 32 34 322 C2).
Bei der Filtration von hochmolekularen Lösungen, wie sie z. B. bei der Filtration von Flüssigkeiten in der gesamten Getränkeindustrie vorkommen, werden die Filterelemente in den verschiedensten Ausführungsformen und Porenstrukturen angefangen von Filtergeweben, Filtervliesen bis hin zu mikroporösen Membranfiltern durch die immer weiter zu­ nehmende Konzentration der zu filtrierenden Lösungen blockiert, weil sich zunächst die Poren vollsetzen und sich ein immer stärker werdender Filterkuchen auf diesen Filterflächen aufbaut. Der Aufbau eines Filterkuchens oder eines Filterfilmes kann anfänglich zwar durch hohe Strö­ mungsgeschwindigkeiten bei der tangentialen Überströ­ mung der Filterflächen verlangsamt, jedoch nicht ganz vermieden werden. Es tritt bei abnehmender Strömungs­ geschwindigkeit, z. B. bei Unterbrechungen eine Verstär­ kung des Filterfilmes bzw. Filterkuchens auf, der auch anschließend nicht mehr durch erhöhte Fließgeschwindig­ keiten des Fluides abgetragen werden kann. Feine Kolloide setzen sich auch in die mikroporösen Poren von Ultra­ filtrationsmembranen fest. Durch diese Effekte sinken die Standzeiten der sehr teuren Filterelemente sehr schnell ab.
Es ist daher auch bereits vorgeschlagen worden (DE-OS 24 49 817), den Filterkuchen bereits im Stadium des Entstehens durch mechanische Rührwerke in die niedriger konzentrierten Suspensionsschichten wieder einzumischen. Die motorisch von außen angetriebenen Rührwerke arbeiten dabei durch Relativbewegung zu den Filterflächen, ggf. unterstützt mit hochfrequenten Schwingungen, welche entweder auf das Rührwerk oder auf die Filterflächen ausgeübt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit ein­ fachen Mitteln eine Filtervorrichtung der eingangs ge­ nannten Art so zu verbessern, daß die sich ablagernden Partikel bereits in der Phase ihrer Ablagerung wieder von der Filterfläche entfernt werden, ohne daß dazu eine Fremd­ energiequelle für den Antrieb des Wischers benötigt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale nach Anspruch 1 bzw. 2 gelöst in dem der Wischer vom Fluidstrom angetrieben wird. Der Wischer kann als Kreisläufer in einem zylindrischen Filtergerät ausgebildet sein oder das Filter­ element mit seiner Filterfläche ist achsparallel zur Längs­ achse des Filtergehäuses angeordnet, welches einen Fluid­ anschluß im Bereich des einen Endes und einen Fluidanschluß im Bereich des anderen Endes für den Retentatraum aufweist. Der Wischer bewegt sich zwischen beiden Fluidanschlüssen hin und her, wobei zur Bewegung des Wischers zwischen zwei Endlagen der Fluidstrom mittels Schaltventilen wechselweise durch einen oder den anderen Fluidanschluß in den Retentat­ raum eingeleitet wird bzw. ausgeleitet wird und den Wischer in einer axialen Bewegung hin- und herbewegt.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt.
Durch den mit dem Fluidstrom in einer Kreisbewegung oder in einer Hin- und Herbewegung die Filterfläche laufend kontaktierenden und säubernden Wischer wird ein Zusetzen der Poren des Filterelementes verhindert.
Der Erfindungsgedanke ist in mehreren Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein rohrförmiges Filtergerät in vereinfachter und schematischer Darstellung nach der Schnittlinie 1-1 in Fig. 2,
Fig. 2 einen Querschnitt durch das Filtergerät gemäß Fig. 1 in vergrößerter Darstellung nach der Schnitt­ linie 2-2 in Fig. 1,
Fig. 3 einen schematischen Schaltplan des Filtergerätes mit einem Regelgerät,
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungs­ form eines Filtergerätes gemäß Fig. 1 mit anderer Querschnittsform und
Fig. 5 einen weiteren Querschnitt einer Querschnitts­ variante zu Fig. 1 bzw. Fig. 2.
Gemäß Fig. 1 besteht das Filtergerät 1 aus einem rohrförmi­ gen Filtergehäuse 2 mit Kopfstücken 3, 3′. Das Filtergehäuse 2, 3, 3′ hat in diesem Ausführungsbeispiel an jedem Ende einen Einlaß E1 und einen Auslaß A1 bzw. E2 und A2. Jedem Anschluß ist je ein schaltbares Ventil V2-V5 zugeordnet. Koaxial zum rohrförmigen Gehäuse ist ein Filterelement 10, im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Form eines metal­ lischen Filtergewebes mit einer Maschenweite von 30 um angeordnet, welches von einem perforierten Filterträger 11 abgestützt ist, der jedoch an den beiden Enden undurch­ lässige Bereiche 11′ aufweist. Das Filterelement 10 mit dem Trägerrohr 11, 11′ bildet den Permeatraum 25 und endet in einem Filtratauslaß 12.
Zwischen den vier Anschlußstutzen E1, E2, A1, A2 ist je ein ringförmiger Endanschlag 4 angeordnet, zwischen denen der Wischer 6-9 vom Fluidstrom F1 wechselweise angetrieben zwischen diesen beiden Endanschrägen 4 hin- und herläuft und dabei mit seinem Wischerelement 9 die dem Retentat­ raum 24 zugewandte Seite des Filterelementes 10 beim Überlaufen reinigt. Der Wischer 6-9 besteht aus dem eigentlichen Wischerhalter 6, einem Permanentmagneten 7 in Stabform, peripheren Dichtungselementen 8 und dem eigent­ lichen Wischer 9 in Form eines elastischen Ringes oder eines Bürstenelementes. Auf der Außenseite des Gehäuses 2 ist im Bereich der Endanschläge 4 je ein Reed-Relais R1 und R2 angeordnet, welche mit dem Permanentmagneten 9 elek­ trisch zusammenarbeiten. Die Reed-Relais R1 und R2 sind Teil eines in Fig. 3 angedeuteten Regelgerätes RG. Eine axial verlaufende Führungsschiene 5 als Verdrehsicherung sorgt dafür, daß der Permanentmagnet 7 sich auf einer Mantellinie bewegt. Ist aus reinigungstechnischen Gründen eine zusätzliche Drehbewegung des Wischers 6-9 erwünscht, so sind entsprechende schaltungstechnische Änderungen entweder bezüglich der Magnetanordnung (mehrere Magnete 7 auf dem Umfang verteilt, oder ein Ringmagnet) oder eine Abänderung der Relaisanordnung vorzunehmen.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, wird der Retentatraum 24 mittels einer Pumpe P aus einem Vorratsbehälter V unter Zwischenschaltung der Ventile V2 und V3 über die Leitungen 14, 16 wechselweise mit Retentat F1 beaufschlagt, während­ dessen die jeweilige Auslaßseite des Retentatraumes 24 entweder über den Auslaß A1, Leitung 17 und zugeordnetes Ventil V4 oder durch den Auslaß A2, Leitung 15, zuge­ ordnetes Ventil V5 und Leitung 18 an den Rücklauf zum Vorratsbehälter V angeschlossen sind.
Das Filtergerät arbeitet folgendermaßen: Befindet sich der Wischer 6-9 am linken Endanschlag 4 und schließt der Magnet 7 das Reed-Relais R1, so ergibt sich die Schaltstellung der Ventile V3 und V5 geöffnet sowie V4 und V2 geschlossen.
Die aus dem Vorratsbehälter V über die Leitung 19, Ventil V3, Leitung 16, Einlaß E1 in den Retentatraum 24 eingespeiste Flüssigkeit F1 treibt den Wischer 6-9 an und reinigt dabei durch Überfahren des Filterelementes 10 dessen Poren und schiebt dabei die vorhandene Flüssigkeit F2 als Konzentrat aus dem Auslaß A2 durch die Leitung 15, Ventil V5, Leitung 18 in den Vorratsbehälter V. Durch Aktivierung des Reed-Relais R2 wird V2 und V4 geöffnet sowie V3 und V5 geschlossen. Es erfolgt dabei die Bewegung des Wischers 6-9 in analoger Weise zur linken Seite hin. Das aus dem Retentatraum 24 durch das Filterelement 10 hindurchtretende Fluid wird als Filtrat F3 aus dem Auslaß 12 abgeführt.
Die Geschwindigkeit des Wischers 6-9 ist von folgenden Faktoren abhängig:
  • 1. von der Durchlässigkeit des verwendeten Filterelementes 10
  • 2. vom Pumpendruck
  • 3. von der Viskosität der zu filtrierenden Lösung
  • 4. vom Langzeitstandverhalten des Filterelementes 10.
Das hier beschriebene Filterelement 10 in Form eines eng­ maschigen Metallfiltersiebes mit einer Maschenweite von 30 um dient in erster Linie als Vorfilter, so daß das daraus gewonnene Filtrat F3 beispielsweise durch einen mikro­ porösen Membranfilter als Endfilter geschickt werden kann oder das perforierte Tragrohr 11 ist mit einem mikro­ porösen Membranfilter bestückt, so daß dieses als Endfilter benutzt werden kann. Die Aufgabe des erfindungsgemäßen Filtergerätes besteht darin, die sich bei der Filtration Flüssigkeiten bildenden Deckschicht, wie sie z. B. bei herkömmlichen Filterkerzen und auch bei Crossflow-Systemen entstehen, im Entstehen zu beseitigen und dadurch die spezifische Flächenleistung wesentlich zu erhöhen.
Das Filter arbeitet energiesparend mit geringer Über­ strömungsleistung und ist dadurch schonend für das zu filtrierende Medium. Die chemische Reinigung der Filterelemente kann ganz entfallen oder ist nur bei Außerbetriebnahme des Gerätes nötig. Das Gerät ist besonders als Vorfilter für Crossflow-Anlagen geeignet.
Das in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellte Prinzip mit konzen­ trischen Rundrohren läßt sich auch gemäß Fig. 4 auf Recht­ eckrohre und mehrere Rundrohre gemäß Fig. 5 zur Vergröße­ rung der effektiven Filterfläche übertragen. Die zu Fig. 1 und Fig. 2 verwendeten Positionsnummern wurden in diesen Fig. 4 und 5 entsprechend verwendet, so daß auf die voran­ gegangene Beschreibung zu Fig. 1-3 verwiesen wird. Bei beiden Ausführungsformen Fig. 4 und 5 kann die Verdreh­ sicherung 5 entfallen, da diese durch die Form des Gehäuses 2 bzw. durch die Form der Wischer 6-9 gewährleistet ist.
Bei im Abstand angeordneten tellerförmigen Filterelementen in einem zylindrischen Gehäuse oder einem zylindrischen Filterelement ist der Wischer vorzugsweise als Kreisläufer ausgebildet und wird als solcher direkt vom Fluidstrom in eine Kreisbewegung und bei zylindrischen Filterelementen gegebenenfalls über eine Endlosschraubenlinienführung auch axial versetzt.

Claims (7)

1. Mit einem mechanischen Wischer zur Reinigung der Oberfläche von Filterelementen ausgestattetes Filtergerät (1), bei dem ein Gehäuse (2) durch ein parallel zur Gehäuseinnenwand angeordnetes Filterelement (10) in einen Retentat- (24) und Permeatraum (25) getrennt ist, wobei der Retentatraum (24) entfernt voneinander angeordnete Fluidanschlüsse (E1, E2, A1, A2) zur Zu- und Abfuhr eines Fluidstroms besitzt, die mit Ventilen (V2-V5) zur Umkehrung der Flußrichtung des Fluidstroms ausgestattet sind, und wobei der Retentatraum (24) den Wischer (6-9) aufnimmt, der den Abstand zwischen der Gehäuseinnenwand und dem Filterelement (10) ausfüllt und durch den Fluidstrom entsprechend seiner Flußrichtung hin- und hergetrieben wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
im Retentatraum (24) zwischen den Fluidanschlüssen (E1, A1 und E2, A2) Endanschläge (4) zur Begrenzung der Wegstrecke, auf der der Wischer (6-9) hin- und hergetrieben wird, angebracht sind und
am Wischer (6-9) und auf der Gehäuseaußenwand zwischen und benachbart zu den Endanschlägen (4) Abtastvorrichtungen (7, R1, R2), vorhanden sind, die ein Signal zur Umkehrung der Flußrichtung des Fluidstroms auslösen, sobald sich der Wischer (6-9) an einem der Endanschläge (4) befindet.
2. Filtergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umkehrung der Flußrichtung des Fluidstroms im Retentatraum (24) durch eine elektromechanische und/oder elektropneumatische Regeleinrichtung (RG) für die Absperrventile (V2-V5) erfolgt.
3. Filtergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastvorrichtungen (7, R1, R2) mechanische, elektrische, magnetische oder optoelektronische sind.
4. Filtergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (10) rohrförmig ausgebildet ist und einen n-eckförmigen, vorzugsweise sternförmigen Querschnitt besitzt.
5. Filtergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endanschläge (4) durch eine Führungsschine (5) verbunden sind, die für den Wischer (6-9) als Verdrehsicherung wirkt.
6. Filtergerät nach den Ansprüchen 1, 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (10) zylinderförmig, die Führungsschine (5) schraubenlinienförmig und die Abtastvorrichtung (7) des Wischers (6-9) aus mehreren Magneten oder als Ringmagnet ausgebildet ist und der Wischer (6-9) zusätzlich beim Hin- und Hertreiben eine Drehbewegung ausführt.
7. Filtergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Filtergerät (1) mehrere im parallelen Abstand zueinander verlaufende Filterelemente (10) vorhanden sind und im Retentatraum (24) ein für alle Filterelemente (10) gemeinsamer Wischer (6-9) vorhanden ist.
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