DE4012971C2 - Nach dem Crossflow-Prinzip betreibbare Filtervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine nach dem Crossflow-Prinzip betreibbare Filtervorrichtung für Fluide nach dem Ober­ begriff des Hauptanspruches wie sie z. B. durch die DE-OS 33 41 262 bekannt ist. Das darin beschriebene stapelförmige Trennelement aus geschichteten Zuschnitten zwischen zwei Endplatten ist bezüglich seiner Strömungsführung noch verbesserungswürdig, wenn es darum geht, einen möglichst geringen Druckabfall zwischen Retentateingang und Reten­ tatausgang zu erreichen, ohne daß dies zu Lasten der Filtrationsleistung geht.

Gerade bei der Filtration von Flüssigkeiten mit hohen CO₂-Gehalt wie Bier, stark CO₂-haltigen Fruchtsäften und dergleichen ist zur Vermeidung einer CO₂-Entgasung aus der Flüssigkeit ein gewisser Druck auf der Filtratseite erforderlich. Dies bedingt ein höheres Druckniveau auf der Retentatseite, um die Filtration überhaupt zu ermöglichen, d. h. das gesamte Filtrationssystem muß nach außen druck­ stabil sein.

Aufgrund der relativ kleinen Durchbrechungen in dem sta­ pelförmigen Trennelement nach DE-OS 33 41 262, wird eine ausreichende Überströmung der Membran durch den starken Druckabfall zwischen Retentateingang und Retentatausgang behindert; dies hat unter Umständen einen schnellen Aufbau einer Deckschicht und damit sinkende Filtrationsleistungen zur Folge.

Insbesondere aber neigen die Anströmöffnungen zur Ver­ blockung bei Medien mit hohem Feststoff bzw. Partikel­ anteil, wie z. B. Fruchtsäfte und auch bei der Filtration von hochviskosen Flüssigkeiten wie Milch und Molke.

Die DE-OS 14 36 255 beschreibt einen zylinderförmigen hohlen Filterstapel, der im Innern eines Gehäuses zwischen endständigen Bauteilen zusammengedrückt ist. Der Filterstapel ist von einem Gehäuseringraum umgeben und schließt im Zentrum ein Filtratsammelrohr ein. Das untere Bauteil besitzt Einlaß- und Auslaßkanäle, wobei der Einlaßkanal mit dem Gehäuseringraum und der Auslaßkanal mit dem Filtratsammelrohr verbunden ist. Der Filterstapel besteht aus Filtertaschen, in die das zu filtrierende Fluid aus dem Ringraum über Öffnungen eintritt. Das die Filterlagen durchdringende Filtrat wird über Öffnungen zum Filtratsammelrohr abgeführt. Die Filtration erfolgt nach dem Dead-End-Prinzip und nicht nach dem Crossflow-Prinzip, was mit dem Nachteil einer schnellen Verblockung der Filter verbunden ist.

In der Deutschen Patentanmeldung B17034 IV/12d, ausgelegt am 15.10.53, wird ein ebenfalls nach dem Dead-End-Prinzip arbeitender Zellenfilter beschrieben, dessen Filter aus aufeinandergestapelten Scheiben besteht, welche durch entsprechende Aussparungen nach dem Zusammenbau Einström- und Ausströmzellen mit dazwischen liegenden, durchlässige Zellenwände darstellenden Filtrierflächen bilden. Die Aussparungen sind auf zwei Gruppen verschiedenartiger Scheiben verteilt, sodaß bei entsprechender Versetzung der Scheiben übereinander wechselweise Einströmzellen und Ausströmzellen entstehen. Neben der raschen Verblockung der Filter ist der komplizierte Aufbau des Zellenfilters von Nachteil.

Es ist auch bekannt (DE-GM 87 00 793), glockenförmige Fil­ terelemente aus Keramik axial mit Abstand um einen davon gebildeten Hohlkern in einem umgehenden Druckgehäuse zu stapeln, und die zwischen den glockenförmigen Filterelemen­ ten auf der Außen- und Innenseite gebildeten Spalte in Richtung der Mantellinien nach dem Crossflow-Prinzip zu überströmen. Der Filtratabzug erfolgt aus kranzförmigen Hohlräumen der Keramikkörper. Aufgrund der besonderen Form­ gebung ist die Herstellung auf feste bzw. formstabile Mate­ rialien beschränkt und sehr kompliziert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit ein­ fachen konstruktiven Mitteln eine Filtervorrichtung nach dem Crossflow-Prinzip der eingangs genannten Bauart zu schaffen, die mit höherem Betriebsdruck betrieben werden kann und bei der der Druckabfall innerhalb der Strömungs­ wege relativ gering ist und bei dem der Einsatz verschie­ denartiger Trennmedien nach dem gleichen Abdichtungsprinzip der einzelnen Elemente möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Hauptan­ spruch angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiter­ bildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Zusammenfassend besteht die Erfindung in einer nach dem Crossflow-Prinzip betreibbaren Filtervorrichtung für Fluide mit einem von zwei Endplatten, von denen mindestens eine Fluidanschlüsse aufweist, in Dichtlage gehaltenen Filter­ stapel aus runden Flachfilterzuschnitten und alternierend angeordneten, kongruenten, drainierenden Stützzuschnitten. Bei dieser ist die die Fluidanschlüsse aufweisende End­ platte Teil eines den Filterstapel umschließenden Gehäuses, wobei die periphere Anströmung des Filterstapels über einen Gehäuseringraum erfolgt und jeder Flachfilterzuschnitt ist bedarfsweise durch eine das Einpressen des Filtermaterials in die drainierende Stützstruktur verhindernde, inkompres­ sible dünne Druckverteilermaske abgedeckt. Jede Druckver­ teilermaske ist durch einen peripheren Kranz, einen die zentrale Durchbrechung einfassenden Kranz, die übrigen verteilt angeordneten Durchbrechungen einfassende Kränze gebildet und die Kränze sind vorzugsweise durch Radialstege bildende Maskenabschnitte zu einer Einheit verbunden. Von den Stützzuschnitten weist eine erste Art einen nur die zentrale Durchbrechung und die Peripherie einfassenden Dichtungskränze und eine zweite Art von Stützzuschnitten nur die verteilt angeordneten Durchbrechungen einfassende Dichtkränze auf.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:

Fig. 1 schematisch einen Vertikalschnitt durch eine Filtervorrichtung für Fluide,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Stützzuschnitt,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Druckverteilungsmaske,

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Flachfilterzuschnitt,

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Stützzuschnitt für die Filtratabführung,

Fig. 6 einen Querschnitt durch einen Gitterzuschnitt als Variante zu Fig. 2 nach der Schnittlinie 6-6 und

Fig. 7 einen entsprechenden Querschnitt nach der Linie 7-7 in Fig. 2.

Die Filtervorrichtung gemäß Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einem glockenförmigen Gehäuseoberteil 1, einem damit über Spannelemente mit Dichtungen lösbar verbundenen Ge­ häuseunterteil 2, die beide Fluidanschlüsse 3, 4, 5 auf­ weisen. Das Gehäuse 1, 2 wird über eine Fluidpumpe 6 mit Flüssigkeit über den Anschluß 4 versorgt und diese über­ strömt bevorzugt von außen nach innen den im Gehäuse 1, 2 im Retentatraum 11 angeordnete Filterstapel 14. Das aufkon­ zentrierte Retentat verläßt durch den zentralen Retentat­ raum 10' über den Anschluß 3 den Filterstapel 14 und das Gehäuse 1, 2. Das die Filterzuschnitte durchdringende Permeat verläßt den Filterstapel 14 durch die Permeat­ schächte 12' und den Permeatauslaß 5 in der unteren End­ platte 2. Ein im Gehäuseunterteil 2 angeordneter Ring­ raum 2' verbindet alle in den Zeichnungen angegebenen Permeatdurchlässe bzw. Permeatschächte 12' mit dem Per­ meatauslaß 5. Der gesamte Filterstapel 14 wird durch eine Druckplatte 9 als obere Endplatte und einem mit der un­ teren Endplatte 2 verbundenen Spannbolzen 7 mit Mutter 8 auf Dichtlage gehalten. Die Mutter 8 kann auch durch einen Spanntrieb gemäß DE-OS 37 08 733 ersetzt sein, um Expan­ sionskräfte des Filterstapels 14 zu kompensieren. Der An­ schluß 4 kann auch durch die Gehäusebasis 2 in den Reten­ tatraum 11 eingeführt sein, was die Abnahme des Gehäuse­ oberteils 1 erleichtert.

In Fig. 2 bis 5 sind die vier verschiedenen Zuschnitte dargestellt. Bezogen auf eine gemäß Fig. 1 von oben be­ ginnende Schichtenfolge besteht diese aus einem Über­ strömgewebe oder Gitter nach Fig. 2, welches eine zentrale Durchbrechung 10 und mehrere radial über den Umfang ange­ ordnete Durchbrechungen 12 für das Permeat aufweist.

Die Durchbrechungen 12 sind durch in der Gewebestruktur eingelagerte Dichtungsmasse 15" z. B. aus Silikon oder Polyurethan oder einem anderen Epoxidharz eingefaßt.

Unter diesem Zuschnitt 13 ist eine Druckverteilungsmaske gemäß Fig. 3 in den Durchbrechungen 10 und 12 fluchtend angeordnet. Diese Druckverteilungsmaske 16 hat einen peri­ pheren Kranz 17, einen zentralen Kranz 19 und entsprechend der Anzahl der Durchbrechungen 12 angeordnete Kränze 18, die vorzugsweise am Außenkranz 17 direkt und/oder unter Benutzung von Radialstegen 20 die Verbindung zwischen dem äußeren Kranz 17 und dem inneren Kranz 19 bilden.

Darunter ist ein Flachfilterzuschnitt gemäß Fig. 4 angeordnet, dessen Lochbild ebenfalls dem Lochbild nach Fig. 2 und 3 entspricht. Es folgt wieder eine Druckverteilungsmaske nach Fig. 3 und nachfolgend ein Stützzuschnitt 22 nach Fig. 5 entweder in Form eines drainierenden Vlieses oder eines Gitters bzw. Gewebes aus Kunststoffmonofilen, welches sowohl am Außenrand als auch am Innenrand durch die Vliesstruktur oder die Gitterstruktur ausfüllende Dichtungsmasse 15, 15' eingefaßt ist. Die Durchbrechungen 12 sind nicht eingefaßt und dienen in dieser Ebene zur Abführung des Permeats. Darunter folgt wieder eine Druckverteilungsmaske nach Fig. 3 und darunter wieder ein Flachfilterzuschnitt nach Fig. 4. Ist das Stützelement 22 nach Fig. 5 durch ein relativ inkompressibles Vlies mit einer planen Oberfläche gebildet, ist eine Abdeckung durch eine Druckverteilungsmaske 16 nicht zwingend notwendig.

Von oben nach unten ergibt sich damit also eine Schichtenfolge der Zuschnitte 13, 16, 21, 16, 22, 16, 21, 16, 13 usw. Eine modulartig aufgebaute Schichtenfolge kann am Außenrand durch zwei diametral gegenüberliegende oder durch drei im Winkelabstand angeordnete oder angespritzte Kunststoffklammern zu einem leicht handhabbaren Modul 14a verbunden sein, zweckmäßig in Verlängerung der Radialstege 20.

Die Auswahl der Flachfilterzuschnitte bezüglich Porengröße bzw. Rückhaltevermögen, Material und Belastbarkeit richtet sich nach den zu behandelnden Fluiden. Die Spalthöhe zwischen zwei zu überströmenden Flachfilterzuschnitten und dazwischen liegenden Drainagezuschnitten richtet sich ebenfalls nach den Erfordernissen der zu behandelnden Fluide und wird durch die Auswahl geeigneter Gewebestärken oder Vliesstärken sowie durch entsprechende Wahl der Dicke der Druckverteilungsmasken erreicht.

Zur Vermeidung von Beschädigungen der Flachfilterzu­ schnitte 21 durch harte Epoxiddichtungsränder der Dich­ tungskränze 15, 15',15" überdecken die Druckverteilungs­ kränze 17, 18, 19 vorzugsweise die Stoßstellen zwischen Dichtungskranz 15, 15', 15" und freier Gitterstruktur.

Das Material der Druckverteilungsmasken 16 richtet sich nach dem Anwendungsfall, es sollte bevorzugt hart und inkompressibel sein, z. B. Polyester, Metallfolie, PVDF, um zu verhindern, daß sich die Membran in die offen zu haltende Gewebestruktur im Einström- und Abströmbereich drückt. Die Stärke der Druckverteilungsmasken liegt je nach Anwendungsfall zwischen 50 und 150 um.

Zur Erreichung eines geringen Druckabfalls zwischen Reten­ tateingang 4 und Retentatausgang 3 wird bei der Filtration CO₂-haltiger Flüssigkeiten bevorzugt von außen nach innen überströmt und zwar mit erhöhtem Betriebsdruck im Gehäuse 1, 2 bei gleichzeitiger Drosselung des Filtratabgangs 5, um einen Druckanstieg auch auf der Permeatseite des Filter­ systems zu erreichen. Dadurch wird ein Schäumen und Entgasen der Flüssigkeit vermieden.

Auch bei der Filtration von hochviskosen Flüssigkeiten wie Milch und Molken ist es vorteilhaft, von außen nach innen zu überströmen, damit der Druckverlust zwischen Retentat­ eingang 4 und Retentatausgang 3 möglichst gering ist. Dadurch wird eine Deckschichtausbildung auf den Filter­ zuschnitten verzögert.

Um eine Ablagerung von Kolloiden in der Gitter- oder Ge­ webestruktur der Stützzuschnitte 13 für das Retentat zu vermeiden, sind diese vorzugsweise gemäß Fig. 6 und 7 in den Bereichen 13', die nicht von den Druckverteilungsmasken 16 überdeckt sind, in ihrer Gitterstruktur 13' irreversibel auf eine kleine Dicke z. B. thermisch, vorzugsweise folien­ förmig komprimiert, währenddessen der Außen- und Innenrand einschließlich der Übergangsbereiche zum komprimierten Bereich die offene Struktur behält.

Die Spalthöhen zwischen den zu überströmenden Flachfil­ terzuschnitten 21 liegen zwischen 200-1000 µm, je nach Maskenweite der Gitterstruktur der Stützzuschnitte 13.

Die Gewebe- bzw. Gitterstärken liegen zwischen 300 und 700 µm.

Als Vliese werden plane, wenig kompressible Vliese mit guten Drainageeigenschaften bevorzugt, so daß eine Ein­ fassung der Durchbrechungen 12 gemäß Fig. 5 durch einen Kranz 18 nicht notwendig ist. Ein derartiges Stützelement nach Fig. 5 kann auch einseitig durch ein Flachfilterele­ ment nach Fig. 4 abgedeckt oder sandwichartig von zwei Flachfilterelementen 21 eingeschlossen und mit diesen ganz­ flächig integriert (Laminat) oder an den Dichtungsmassen 15, 15' adhäsiv gebunden sein. Die Dichtungskränze 15, 15' nach Fig. 3 können auch in Verbindung mit dem Flachfilter­ element nach Fig. 4 durch Verschweißung gebildet sein.

Bei einem Durchmesser der Zuschnitte bzw. des Filter­ stapels 14 von 300 mm und einer Höhe des Filterstapels 14 von 1000 mm lassen sich aufgrund der großen Packungs­ dichte der Zuschnitte 13, 16, 21, 22 etwa 80 m² Filter­ fläche unterbringen.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Filtervorrichtung mit ihrem Überström- und Dichtungsprinzip ist außerdem in der Variabilität und Auswechselbarkeit der Zuschnitte und der Möglichkeit zu sehen, in einem geschlossenen Drucksystem mit variablen Betriebsdruck und Differenzdruck sich verschiedenen Filtrationsbedingungen ohne großen Aufwand anpassen zu können.

Claims (13)

1. Nach dem Crossflow-Prinzip betreibbare Filtervorrichtung für Fluide mit einem von zwei Endplatten, von denen mindestens eine Fluidanschlüsse aufweist, in Dichtlage gehaltenen Filterstapel aus runden Flachfilterelementen und alternierend angeordneten, drainierenden Stützelementen, wobei der Stapel aus Elementen im Zentrum eine schachtartige Durchbrechung und der Bereich aller Elemente zwischen der mittigen Durchbrechung und der Peripherie über den Umfang verteilt mehrere schachtartige Durchbrechungen zur getrennten Fluidführung von Retentat und Permeat aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. die die Fluidanschlüsse (3, 5) aufweisende Endplatte (2) Teil eines den Filter­ stapel (14) umschließenden Gehäuses (1, 2) ist und die periphere Anströmung des Filterstapels (14) über einen Gehäuseringraum (11) erfolgt,
• 2. von den Stützelementen (13, 22) eine erste Art (22) einen nur die zentrale Durchbrechung (10) und die Peripherie einfassenden Dichtungskränze (15, 15') und eine zweite Art (13) von Stützelementen (13, 22) nur die verteilt angeordneten Durchbrechungen (12) einfassende Dichtkränze (15") aufweist.

2. Filtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Flachfilterelement (21) durch eine das Einpressen des Filtermaterials in die drainierende Stützstruktur der Stützelemente (13, 22) verhindernde, inkompressible dünne Druckverteilermaske (16) abgedeckt ist, wobei die Druckverteilermaske (16) durch einen peripheren Kranz (17), einen die zentrale Durchbrechung (10) einfassenden Kranz (19), die übrigen verteilt angeordneten Durchbrechungen (12) einfassende Kränze (18) gebildet ist und die Kränze (17, 18, 19) gegebenenfalls durch Radialstege bildende Masken­ abschnitte (18, 20) verbunden sind.

3. Filtervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckverteilermaske (16) eine Dicke zwischen 50-150 µm hat.

4. Filtervorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kränze (17, 18, 19) so breit gehalten sind, daß diese den Übergangsbereich zwischen einer von Dichtung (15, 15', 15") freien und einer von Dichtung (15, 15', 15") ausgefüllten Stützstruktur überdecken.

5. Filtervorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterstapel (14) bevorzugt vom äußeren Gehäuseraum (11) zum inneren Gehäuseraum (10) überströmbar ist.

6. Filtervorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen zentraler Durchbrechung (10) und Peripherie verteilt angeordneten Durchbrechungen (12) radial angeordnete und radial ausgerichtete Längsschlitze bilden und vorzugsweise in geringem Abstand von der Peripherie enden.

7. Filtervorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente (13) eine Gewebe- oder Gitterstruktur aufweisen und die Druckverteilungsmasken (16) beidseitig dieser Struktur angeordnet sind.

8. Filtervorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützzuschnitte (13) für das Retentat als Gitterstruktur aus Kunststoffmonofilen gebildet sind und daß entsprechend der Geometrie der Druckverteilungsmasken (16) die von diesen nicht überdeckte Gitterstruktur (13') irreversibel auf eine dünnere Schichtdicke komprimiert ist.

9. Filtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das das Permeat führende Stützelement (22) durch ein Drainagevlies gebildet ist.

10. Filtervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stützelement (22) und ein oder zwei Flachfilterelemente (21) eine Einheit bilden bzw. zu einer solchen verbunden sind.

11. Filterstapel aus runden Flachfilterelementen und alternierend angeordneten, drainierenden Stützelementen, wobei der Stapel aus Elementen im Zentrum eine schachtartige Durchbrechung und der Bereich aller Elemente zwischen der mittigen Durchbrechung und der Peripherie über den Umfang verteilt mehrere schachtartige Durchbrechungen zur getrennten Fluidführung von Retentat und Permeat aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. von den Stützelementen (13, 22) eine erste Art (22) einen nur die zentrale Durchbrechung (10) und die Peripherie einfassenden Dichtungskränze (15, 15') und eine zweite Art (13) von Stützelementen (13, 22) nur die verteilt angeordneten Durchbrechungen (12) einfassende Dichtkränze (15") aufweist.

12. Filterstapel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Flachfilterelement (21) durch eine das Einpressen des Filtermaterials in die drainierende Stützstruktur der Stützelemente (13, 22) verhindernde, inkompressible dünne Druckverteilermaske (16) abgedeckt ist, wobei die Druckverteilermaske (16) durch einen peripheren Kranz (17), einen die zentrale Durchbrechung (10) einfassenden Kranz (19), die übrigen verteilt angeordneten Durchbrechungen (12) einfassende Kränze (18) gebildet ist und die Kränze (17, 18, 19) gegebenenfalls durch Radialstege bildende Masken­ abschnitte (18, 20) verbunden sind.

13. Filterstapel nach Anspruch 11 und 12, gekennzeichnet durch, ein diesen und Endplatten (2, 9), welche den Filterstapel in Dichtlage halten, einschließendes Druckgehäuse (1, 2) mit mindestens drei Fluidanschlüssen (3, 4, 5) für die Überströmung des Filterstapels (14) nach dem Crossflow-Prinzip.