DE4011714A1 - Querstromfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Querstromfilter nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein solches Querstromfilter ist aus der DE PS 27 17 047 bekannt. Die Zulauföffnung ist dem Hohlraum dabei in tangentialer Richtung zugeordnet, was zu Folge hat, daß das während der bestimmungsgemäßen Verwendung eingespeiste, zu filtrierende, fließfähige Medium dem Spalt in einer kreisenden Bewegung zugeführt wird und den Spalt in einer kreisenden Relativbewegung passiert. Hierdurch überlagern sich im Bereich der Oberseite der Filterplatte radialgerichtete Bewe­ gungskomponenten des zu filternden Mediums mit umfangsgerichteten Bewegungskomponenten. Die resultierende Filterleistung ist wenig befriedigend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Quer­ stromfilter der eingangs genannten Art derart weiter­ zuentwickeln, daß sich eine Verbesserung der Filter­ leistung ergibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Quer­ stromfilter der eingangs genannten Art mit den kenn­ zeichnenten Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteran­ sprüche bezug.

Bei dem erfindungsgemäßen Querstromfilter ist es vorgesehen, daß der Ringraum zumindest zwei Teilräume umfaßt, die in Richtung des Spaltes einen Abstand voneinander haben und die nur durch gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilte Kanäle untereinander verbunden sind, daß jeder Kanal auf seiner ganzen Länge einer gedachten, in der Achse errichteten, ebenen Fläche in gleichbleibender Weise zugeordnet ist und daß die Gestalt der Stirnfläche definiert ist durch die Formel

H1 = Ha × (Ra/R1-1)

worin H1 den senkrechten Abstand eines jeden Teilbereiches der Stirnfläche von der Filterplatte bezeichnet und R1 den zugehörigen Abstand des Teil­ bereiches von der Achse. Durch die Hindurchführung des zu filtrierenden Mediums durch die Kanäle und zwei in Bewegungsrichtung aufeinanderfolgende Teil­ räume wird erreicht, daß die Relativbewegung des Mediums völlig frei ist von umfangsgerichteten Bewegungskomponenten. Das fließfähige Medium wird der Filterplatte hierdurch im Bereich des äußeren Randes senkrecht zugeführt, durch die Filterplatte radial zur Mitte abgelenkt und der ersten Ablauf­ öffnung zugeführt. In der Zwischenzone zwischen dem Spalt und der ersten Ablauföffnung ergibt sich eine Abscheidung der gefilterten Bestandteile. Das dies­ bezügliche Volumen ist bei den im Mittelpunkt des Interesses der vorliegenden Erfindung stehenden, höherwertigen Anwendungen vergleichsweise gering. Es beträgt nur 1/100 bis 1/1000 der durchgesetzten Menge und hat keinen störenden Einfluß äuf die sich im Bereich der Zwischenzone zwischen der Stirnfläche und der Filterplatte ergebenden Stömungsgeschwindigkeiten in den verschiedenen Teilbereichen. Das sich erge­ bende Strömungsfeld zeichnet sich durch eine beson­ ders große Gleichmäßigkeit und Reproduzierbarkeit aus. Die Filtereigenschaften der im Einzelfalle zur Anwendung gelangenden Filterplatte können dadurch in sämtlichen Teilbereichen in einem weitgehend über­ einstimmenden Maße genutzt werden, was eine Optimie­ rung der Durchtrittsgeschwindigkeit ermöglicht und eine deutliche Steigerung der Filterleistung bedingt. Auch ist eine Übertragung der während der Verwendung einer Testeinheit im Labormaßstab gewonnenen Daten auf Filter- und Membranapparate des großtechnischen Maßstabs problemlos möglich.

Die optimale Fließgeschwindigkeit, mit der das zu filtrierende Medium über die Filterplatte hinweg­ zuführen ist, läßt sich anhand einfach durchzufüh­ render Versuche ermitteln. Hierbei ist insbesondere zu berücksichtigen, daß das zu filtrierende Medium mit höherem Druck beaufschlagbar ist und/oder der sich unten an die Filterplatte anschließende Sam­ melraum mit einem Vakuum. Auch besteht die Möglich­ keit, die Weite des Spaltes zu verändern, um bei vor­ gegebenem Volumenstrom eine Veränderung der Fließge­ schwindigkeit zu erzielen. Im letztgenannten Falle resultiert unter Berücksichtigung der im Patentbegeh­ ren angegebenen Bedingung automatisch eine Verände­ rung der Gestalt der Stirnfläche. Auch in einem solchen Falle ist somit eine gleichmäßige Strömungs­ geschwindigkeit in allen Teilbereichen der Filter­ platte gewährleistet. Desweiteren läßt sich durch eine Veränderung des Abstandes der Stirnfläche von der Filterplatte eine optimale Anpassung des Quer­ stromfilters an unterschiedliche Viskositäten und Partikelbeladungen des zu filternden Mediums errei­ chen. Bei der Membranfiltration von Medien, welche Zellen organischen Ursprungs enthalten, haben sich Spaltweiten Ha von etwa 2 mm als optimal erwiesen, bei der Umkehrosmose von Brackwasser Spaltweiten Ha von etwa 0,5 mm.

Das erfindungsgemäße Querstromfilter ist besonders geeignet für eine Verwendung auf anspruchsvollen Gebieten, beispielsweise bei der Mikrofiltration, der Ultrafiltration, der Nanofiltration, der Umkehros­ mose, der Pervaporation, der Gastrennung, der Dampf­ permeation und der Diafiltration. Bei robustem Auf­ bau können die hierzu erforderlichen, hohen Drücke von bis zu 100 bar problemlos aufgenommen werden.

Die Dicht- und Paßflächen sind bei dem erfindungsge­ mäßen Querstromfilter ähnlich wie bei der Ausführung nach der eingangs erwähnten DE PS 27 17 047 räumlich voneinander getrennt. Die maßlichen Verhältnisse in der Zwischenzone zwischen der Stirnfläche und der Filterplatte sind hierdurch in präziser Weise fest­ legbar, was in bezug auf die Gleichmäßigkeit und Wiederholbarkeit des resultierenden Filterergebnisses von großem Vorteil ist.

Dadurch, daß jeder Kanal auf seiner ganzen Länge einer gedachten, in der Achse errichteten, ebenen Fläche in gleichbleibender Weise zugeordnet ist, werden umfangsgerichtete Bewegungskomponenten des während der bestimmungsgemäßen Verwendung durch­ geleiteten Mediums unterdrückt. Die Kanäle können jedoch innerhalb der gedachten, ebenen Flächen in bezug auf die Achse geneigt sein und beispielsweise mit dieser einen spitzen Winkel einschließen.

Eine besonders gute Unterdrückung umfangsgerichteter Bewegungskomponenten des Mediums läßt sich erzielen, wenn die Kanäle eine Länge haben, die wenigstens dreimal so groß ist wie der zugehörige Durchmesser. Unter dem Durchmesser ist in diesem Zusammenhang bei Ausführungen, bei denen das Profil der Kanäle von der Kreisform abweicht, derjenige Wert zu verstehen, der sich unter Zugrundelegung der Kreisformel bei einer Umrechnung der tatsächlichen Größe der Querschnitts­ fläche ergibt. Im übrigen sollen die Kanäle auf ihrer ganzen Länge einen Querschnitt haben, der von übereinstimmender Form und Größe ist.

Die Kanäle können an sich jedes beliebige Profil ha­ ben. In Hinblick auf eine vereinfachte Herstellung und eine vereinfachte Reinigungsfähigkeit hat es sich als vorteilhaft bewährt, wenn die Kanäle durch Boh­ rungen gebildet sind. Diese können sich vorteil­ haft parallel zur Achse des Hohlraumes erstrecken.

Umfangsgerichtete Bewegungskomponenten des Mediums lassen sich weiterhin dadurch unterdrücken, daß die Kanäle in Umfangsrichtung einen möglichst geringen Abstand voneinander haben und möglichst einen Ab­ stand, der höchstens 3-mal, vorteilhafter höchstens 1,5-mal so groß ist wie ihr Durchmesser.

Der zweite Teilraum, in den die Kanäle münden, soll einen Durchflußquerschnitt aufweisen, der wenigstens so groß ist wie die Summe der Querschnitte aller Kanäle. Das sich in Umfangsrichtung ergebende Strö­ mungsprofil des durchtretenden Mediums erfährt hier­ durch eine deutliche Vergleichmäßigung.

Der zweite Teilraum kann auf der den Kanälen gegen­ überliegenden Seite durch eine Prallfäche begrenzt sein, die sich quer zu der Achse des Hohlraumes er­ streckt. Unerwünschten Strömungs- turbulenzen läßt sich hierdurch begegnen.

Die Strömungsbewegung des durchtretenden Mediums läßt sich in radialer Richtung vergleichmäßigen, wenn der zweite Teilraum ein in Richtung des Spaltes keilför­ mig verjüngtes Profil hat. Auch die Reinigungsfähig­ keit wird hierdurch verbessert.

Eine optimale Filterwirkung wird erreicht, wenn die Achse der Einlauföffnung senkrecht zugeordnet ist. Bereits beim Eintritt des zu filtrierenden Mediums in das Querstromfilter wird hierdurch ein großer Teil der an sich zu erwartenden, umfangsgerichteten Bewe­ gungskomponenten abgebaut.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Anlage beigefügten Zeichnung weiter ver­ deutlicht. Diese zeigt ein Querstromfilter in längs­ geschnittener Darstellung, welches im wesentlichen aus einem Gehäuse 1 besteht, umfassend ein Ober- und ein Unterteil, die im wesentlichen rotationssyme­ trisch ausgebildet und parallel zur Achse 4 durch gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilte Sechskant­ schrauben 17 unverrückbar aneinander festgelegt sind. Die Verbindung ist von großer Festigkeit und erlaubt Betriebsdrücke bis zu 100 bar. Die Verwendung eines Spannringverschlusses ähnlich der Ausführung nach der DE PS 27 17 047 ist ebenfalls möglich und hat sich we­ gen ihrer einfacheren Handhabbarkeit bis zu Drücken von 50 bar bewährt.

Das Oberteil des Gehäuses 1 ist mit zwei die Achse konzentrisch umschließenden und sich parallel zuein­ ander erstreckenden Paßflächen 14, 15 versehen, und mit einem Hohlraum, der kegelig nach unten in seinem Querschnitt erweitert ist. In dem Hohlraum ist ein Formkörper 3 angeordnet, der die Paßfläche 14 mit einer umlaufenden Schulter 18 anliegend berührt. Der Formkörper 3 ist mit einer von oben eindringenden, der Achse 4 konzentrisch zugeordneten Gewindebohrung versehen, in welche ein Gewindebolzen 19 von oben eingeschraubt ist, der sich auf der Paßfläche 15 des Gehäuses 1 mit einer umlaufenden Stützfläche ab­ stützt. Der Gewindebolzen 19 ist mit einer der Achse 4 konzentrisch zugeordneten Durchtrittsbohrung ver­ sehen, die unten in eine entsprechende Bohrung des Formkörpers 3 übergeht, als erste Ablauföffnung 8 dient und in der unteren Formfläche 5 des Formkörpers 3 mittig mündet. Für die Abdichtung des Gewindebol­ zens 19 gegenüber dem Gehäuse 1 ist eine O-Ringdich­ tung 20 vorgesehen, die in einer radial nach außen geöffneten Nut des Gewindebolzens angeordnet ist.

Die Wandung 2 des Gehäuses 1 ist oberhalb des Form­ körpers 3 von einer Zulauföffnung 7 senkrecht durch­ drungen, welche im Inneren des Gehäuses 1 in den er­ sten Teilraum 1.1 mündet. An den Teilraum 1.1 schließt sich nach unten an eine Gruppe von gleich­ mäßig in Umfangsrichtung verteilten Kanälen 12, die durch Bohrungen gebildet sind und sich parallel zu der Achse 4 erstrecken. Die Kanäle münden unter­ seitig in den ebenfalls ringförmig gestalteten Teil­ raum 1.2, der auf der den Mündungen der Kanäle 12 gegenüberliegenden Seite durch eine Prallfläche 13 begrenzt ist. Die Prallfläche erstreckt sich quer zur Richtung der Achse 4. In der Radialebene der Kanäle 12 ist der Formkörper 3 der den Hohlraum begrenzenden Wandung 2 so dicht angenähert, daß eine Umströmung der Kanäle 12 so gut wie ausgeschlossen ist. Die Anbringung einer Dichtung in dem fraglichen Bereich ist vorteilhaft, jedoch zumeist entbehrlich.

Der zweite Teilraum 1.2 hat ein Profil, das auf der von der Achse 4 in radialer Richtung abgewandten Seite keilförmig verjüngt ist und in den Spalt 6 einmündet, der den Formkörper 3 außenseitig in seinem unteren Bereich umschließt. Der Spalt 6 mündet im Bereich der Außenseite über der Filterplatte 9, welche auf einer Paßfläche 21 des Gehäuseunterteils abgestützt ist und mittels einer elastischen O-Ring­ dichtung 22 an dieselbe angepreßt und gegenüber dem Gehäuse 1 abgedichtet ist. Das Profil des Form­ körpers 3 ist in diesem Bereich außenseitig abge­ rundet ausgeführt, was die Erzielung laminarer Fließbewegungen des durchgesetzten Mediums begün­ stigt.

An die Unterseite der Filterplatte 9 schließt sich ein Sammelraum 10 an. Dieser ist für das filtrierte Medium bestimmt und steht in einer flüssigkeitslei­ tenden Verbindung mit der zweiten Ablauföffnung 11. Die Durchtrittsquerschnitte sind in allen Teilberei­ chen so groß wie möglich ausgeführt, um optimale Leitwerte für eine Dampfströmung unter Vakuum zu erhalten. In bezug auf eine Anwendung in Vakuum­ prozessen, wie beispielweise bei der Pervaporation oder der Dampfpermeation, ist das von großem Vor­ teil.

Der Sammelraum 10 ist kegelig nach unten in seinem Querschnitt verjüngt. Er mündet mittig in die ge­ neigt zur Außenseite des Unterteils abfallende zweite Ablauföffnung 11, was einen ungehinderten Abfluß des gefilterten Mediums gewährleistet.

Die den Formkörper 3 an seiner Unterseite begrenzende Stirnfläche 5 ist stets rotationssymetrisch gestal­ tet. Um die Bedeutung der erfindunggemäß vorgeschla­ genen Auslegungsregel zu verdeutlichen, ist im linken Teil der Darstellung eine Ausführung gezeigt, bei der der senkrechte Abstand Ha von der Filterplatte 9 im radialen Abstand Ra größer bemessen ist als bei der im rechten Teil der Darstellung gezeigten Ausführung. Das Profil der Stirnfläche 5 hat bei beiden Ausfüh­ rungen eine dementsprechend voneinander abweichende Gestalt. Bei konstantem Volumenstrom resuliert dennoch in beiden Fällen eine konstante Überström­ geschwindigkeit der Filterplatte 9 in allen ihren Teilbereichen.

Die Filterplatte 9 kann der mechanischen Abstützung eines sekundären Filtermediums dienen, beispielsweise eines Gewebes, eines Vließstoffes, einer Folie, einer Lochplatte, einer Porenmembran, einer Lösungsdiffusi­ onsmembran, einer Gelschicht oder einer Flüssigkeits­ membran. Sie besteht selbst aus einem zusammenge­ sinterten Material aus Metall oder Kunststoff.

Auch die übrigen Teile des Querstromfilters können aus Metall oder Kunststoff bestehen. Die Verwendung titanfreien Edelstahls hat sich besonders bewährt.

Claims (10)

1. Querstromfilter, umfassend ein Gehäuse mit einem eine Achse rotationssymetrisch umschließenden, kegelig nach unten in seinem Querschnitt erweiterten Hohlraum, der von einer Wandung begrenzt ist, wobei in dem Hohlraum ein Formkörper festgelegt ist, der die Achse im Bereich seines unteren Endes mit einer im mittleren Bereich eingetieften Stirnfläche konzen­ trisch umschließt, die der Wandung in radialer Rich­ tung bis auf einen geringen Abstand angenähert ist, wobei die Wandung oberhalb des durch den radialen Abstand gebildeten Spaltes von einer Zulauföffnung und der Formkörper von einer koaxial in der Stirn­ fläche mündenden, ersten Ablauföffnung durchdrungen ist, wobei die Stirnfläche im Bereich des größten Abstandes Ra von der Achse einer ebenen, quer zu der Achse vorgelagerten Filterplatte bis auf einen geringen Abstand Ha angenähert ist, wobei zwischen der Zulauföffnung und dem Spalt ein den Formkörper konzentrisch umschließender Ringraum vorgesehen ist und wobei unterhalb der Filterplatte ein Sammelraum vorgesehen ist, in den eine zweite Ablauföffnung mündet, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum zumindest zwei Teilräume (1.1; 1.2) umfaßt, die in Richtung des Spaltes (6) einen Abstand voneinander haben und die durch gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilte Kanäle (12) untereinander verbunden sind, daß jeder Kanal (12) auf seiner ganzen Länge einer gedachten, in der Achse (4) errichteten, ebenen Fläche in gleichbleibender Weise zugeordnet ist und daß die Gestalt der Stirnfläche (5) definiert ist durch die Formel: H1 = Ha × (Ra/R1-1)worin H1 den senkrechten Abstand eines jeden Teilbe­ reiches der Stirnfläche (5) von der Filterplatte (9) bezeichnet und R1 den zugehörigen Abstand des Teil­ bereiches von der Achse (4).

2. Querstromfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kanäle (12) eine Länge L haben, die wenigsten dreimal so groß ist, wie der Durchmesser D.

3. Querstromfilter nach Anspruch 1-2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kanäle (12) durch Bohrungen gebil­ det sind.

4. Querstromfilter nach Anspruch 1-3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kanäle (12) eine Kanalachse haben, die sich parallel zu der Achse (4) des Hohlraumes erstreckt.

5. Querstromfilter nach Anspruch 1-4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kanäle (12) in Umfangsrichtung einen Abstand voneinander haben, der höchstens dreimal so groß ist wie ihr Durchmesser D.

6. Querstromfilter nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kanäle (12) in Umfangsrichtung einen Abstand voneinander haben, der höchstens 1,5 mal so groß ist wie ihr Durchmesser D.

7. Querstromfilter nach Anspruch 1-6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite Teilraum (1.2) einen Durch­ flußquerschnitt aufweist, der wenigstens so groß ist wie die Summe der Durchflußquerschnitte aller Kanäle.

8. Querstromfilter nach Anspruch 1-7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite Teilraum (1.2) auf der den Kanälen (12) gegenüberliegenden Seite durch eine Prallfläche (13) begrenzt sind und das sich die Prallfläche (13) quer zu der Achse (4) erstreckt.

9. Querstromfilter nach Anspruch 1-8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite Teilraum (1.2) ein keilförmig in Richtung des Spaltes (6) verjüngtes Profil hat.

10. Querstromfilter nach Anspruch 1-9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Achse (4) der Zulauföffnung (7) senkrecht zugeordnet ist.