DE4131407A1 - Modulkonstruktion mit anorganischen membranen - Google Patents

Modulkonstruktion mit anorganischen membranen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf die konstruktive Gestal­ tung von Modulen für Filtrationsanlagen mit anorgan­ ischen Membranen, auf die Ausführung der Modulpartner sowie auf die spezielle Verbindungstechnik zwischen den Modulpartnern.
Gegenüber Polymermembranen haben anorganische Membranen eine Reihe von Vorteilen:
Für die Technik von besonderer Bedeutung ist die hohe Temperaturbeständigkeit, die eine problemlose "in line" Dampfsterilisierbarkeit ermöglicht und zu einer hohen Beständigkeit gegenüber chemischem und mikrobiellem Angriff oder Abbau führt. Dazu kommen:
  • - Hohe chemische Beständigkeit, insbesondere gegen Lösungsmittel.
  • - Mechanische Stabilität; keine Kompaktierung bei hohen Drücken.
  • - Geringe Proteinbindungsneigung bei vielen zu Membra­ nen verarbeitbaren anorganischen Materialien.
  • - Die chemisch-physikalischen Modifikationsmöglichkei­ ten, die bei keramischen Materialien größer sind als bei Polymeren.
Als Nachteile der anorganischen Membranen sind vor allem die Bruchempfindlichkeit keramischer Materialen und die gegenüber Polymermembranen problematischere Modulgestaltung zu nennen.
Keramische Membranen werden vor allem in Form von Roh­ ren oder Multikanalelementen hergestellt. Auf ein hoch­ poröses Stützmaterial werden die eigentlichen Membranen als dünne Schichten aufgebracht. Um diese Elemente ein­ setzen zu können, werden sie nach dem Stand der Technik in geeignete Gehäuse eingebracht werden.
Die heute vermarkteten keramischen Membranen werden meist mit elastischen Dichtungen in metallischen Ge­ häusen geliefert. Das schwächste Glied bezüglich der physikalisch/chemischen Beständigkeit stellt dabei die elastische Abdichtung dar.
Diese Abdichtungen müssen nämlich mehrere Funktionen erfüllen:
Zum einen sorgt die Abdichtung für die flüssigkeits-und gasdichte Abtrennung von Retentat- und Permeatseite im Modul, zum anderen ermöglicht die Abdichtung den Aus­ gleich der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten der für den Modulaufbau verwendeten Mate­ rialien. Der letzte Punkt ist dabei besonders kritisch, da sich die Ausdehnungskoeffizienten der bevorzugten Werkstoffe um den Faktor 5-10 unterscheiden und kerami­ schen Materialien zwar hohe Druck-, aber nur sehr ge­ ringe Zugspannungen aufnehmen können.
In dieser Ausführungsform sind die maximalen Einsatz­ temperaturen auf 200-300°C beschränkt. Verschiedene Anwendungsgebiete, wie z. B. Heißgasfiltration oder katalytische Reaktionen in Kombination mit katalytisch aktiven Membranstrukturen lassen sich mit derartigen Konstruktionen nicht erschließen.
Einige Hersteller gestalten ihre Keramikmembranen in Form von sogenannten Kerzen-Multikanalelementen. In einem länglichen, porösen Keramikkörper sind in Längs­ richtung Kanäle eingelassen. Jeder Kanal stellt ein Membranrohr dar. Im Gegensatz zu einem Einzelrohrbündel erreicht man damit ein stabileres Teil, die Herstellung von vergleichbaren Membranflächen wird billiger und die Packungsdichte Membranfläche pro Modulvolumen ist grö­ ßer. Als Nachteil ergeben sich bei diesen Konstruktio­ nen höhere Filtratströmungsdruckverluste.
Ein weiterer Lösungsansatz ist in der WO 90/03 831 be­ schrieben und hat einen besseren Filtratablauf bei extremen Multikanalelementen zum Ziel. Derartige Ele­ mente haben bei technischen Filtrationen keine große Chance, da die Filtratablaufbehinderung immer zu groß sein wird. Wenn die Filtratsammelkanalstruktur noch feiner verteilt wird, ergibt sich als Folge ein mecha­ nisch sehr empfindliches Bauteil.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, geeignete Modulkonstruktionen zu entwickeln, die über die verwen­ deten Materialien, den Aufbau bzw. die Gestaltung der Modulpartner Anschlußstück/Gehäuse und anorganische Membran bzw. durch einen Verzicht auf ein Gehäuse und/ oder durch eine geeignete Verbindungstechnik für die Modulpartner den Betriebsanforderungen in Filtrations­ anlagen besser gerecht werden.
Vom thermischen Verhalten her wäre es ideal, das ganze Modul, d. h. Membranen und Gehäuse aus einem Material herzustellen. Dies ist jedoch nicht praktikabel, da, abgesehen vom hohen Preis, ein derartiges Gebilde me­ chanisch viel zu empfindlich wäre und aus diesen Grün­ den keine Akzeptanz fände.
Für eine praktikable Problemlösung sind verschiedene Varianten für die Herstellung der Verbindung der Modul­ partner und/oder den Aufbau der Membranen möglich, die in den nebengeordneten Ansprüchen 1 und 2 angegeben sind:
Erfindungsgemäß wird nach Anspruch 1 ein integriertes Membranmodul geschaffen, das aus einem Keramikkörper besteht, der nach außen durch eine Glasur abgedichtet ist. Das Filtrat wird durch einen größeren zentralen Kanal und/oder mehrere (geometrisch) günstig verteilte dezentrale Kanäle, die nicht als Membranen ausgeführt sind, abgeleitet. Weiterhin ist es selbstverständlich auch möglich, ein Rohrbündel zu verwenden. Diese Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ermöglicht insbesondere den Verzicht auf ein in den Modulaufbau einbezogenes Gehäuse.
Als wesentliche Vorteile dieser Lösung ergeben sich kürzere Filtratwege in der porösen Struktur und damit geringere Filtratströmungsdruckverluste.
Weiterhin ermöglicht dieser Aufbau auch die vorher kaum wirksame Möglichkeit der Rückspülung zur Reinigung.
Eine weitere Lösung der erfindungsgemäß gestellten Aufgabe ist im Anspruch 2 angegeben, dessen Merkmale selbstverständlich auch mit den Merkmalen des Anspruchs 1 kombiniert werden können:
Aus dem Speziallampenbau ist bekannt, daß thermisch hoch belastbare Metall-Glasverbindungen über eine stu­ fenweise Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten reali­ siert werden. Ein ähnliches Vorgehen kann auch bei den Keramikmembranen zum Ziel führen. Der Übergang Keramik- Metall kann durch geeignete Keramikkleber, über eine Metallisierung der Keramik im Verbindungsbereich und Lötung oder über das neu entwickelte Verfahren der Reibschweißung gestaltet werden. Das letzte Verfahren ist zwar nur für rotationssymmetrische Teile einsetz­ bar, da aber viele Keramikmembranen aus Festigkeits­ gründen in rotationsymetrischer Form vorliegen, kann es trotzdem in die Verfahrensauswahl einbezogen werden.
Bei Einsatz von Keramikklebern wird das metallische Anschlußstück relativ dünnwandig und stark durchbrochen mit einem geeigneten Kleber angefügt. Die Dünnwandig­ keit ermöglicht eine gewisse Vorformung, d. h. ein Mit­ gehen bei thermischen Formänderungen ist gegeben. Über die starke Durchbrechung wird ein guter Formschluß erreicht.
Die großen Längenunterschiede, bei Modullängen von 1 - 3 m ergeben sich bei starken Temperaturänderungen meh­ rere Millimeter Ausdehnung, können durch eine Vorspan­ nung der Gehäuse, die im Regelfall aus Edelstahl beste­ hen, kompensiert werden. Damit kann über einen festzu­ legenden Temperaturbereich erreicht werden, daß nur Druckspannungen in den Keramikteil des Moduls eingelei­ tet werden. Mit einem derartigen Aufbau können vorgege­ bene Einbaumaße in größeren Anlagen auch bei starken Temperaturschwankungen eingehalten werden.
Mit der Zielstellung "Verringerung der Filtratströ­ mungsdruckverluste bei Sicherung einer kontinuierlichen guten Filtrationsleistung" insbesondere durch gleichmä­ ßige Belastung der einzelnen Membrankanäle wird erfin­ dungsgemäß auch eine neue konstruktive Gestaltung des die Membran tragenden Keramikkörpers, also der Keramik­ membran vorgeschlagen. Diese Lösung geht in die Rich­ tung des oben skizzierten idealen Aufbaus des Moduls.
Der erfindungsgemäße Membranaufbau ist damit nicht nur für Porenmembrane, sondern insbesondere auch für Perva­ porationmembranen geeignet, bei denen als treibende Energie Vakuum verwendet wird, das nur bei kurzen Per­ meatwegen effektiv ist.
Für die Verbindung der Modulpartner, also den Anschluß des Keramikkörpers an die Modulanschlußkappe empfehlen sich für diese Modulkonstruktion insbesondere Metall­ bälge.
Mit Metallbälgen können auch Einzelrohre in der bisher üblichen Zusammenstellung angeschlossen werden, um damit eine Vorspannung und einen thermischen Längenaus­ gleich zu gewährleisten.
Die weitere Ausgestaltung der Erfindung kann den Pa­ tentansprüchen entnommen werden.
Mit der Anwendung der vorgestellten Erfindung sind eine Reihe von Vorteilen für den Betrieb von Modulen mit anorganischen Membranen in Filtrationsanlagen verbun­ den. Dazu gehören insbesondere ein verbessertes thermi­ sches Verhalten bei maximaler Betriebssicherheit, eine gleichmäßige Belastung der einzelnen Membrankanäle und damit eine höhere Filtrationsleistung, geringere Fil­ tratströmungsdruckverluste und ein erweitertes Anwen­ dungsgebiet der Module. Dazu kommt, daß mit den vorge­ schlagenen variablen Anschlußkonzepten eine völlige Unabhängigkeit im Ausdehnungsverhalten der anorgani­ schen Membranmodule von dem übrigen Anlagenaufbau erei­ cht werden kann.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla­ risch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten er­ findungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:
Fig. 1 die Ausbildung der Modulverbindung bei Einsatz von Keramikklebern,
Fig. 2 den Aufbau des integrierten Membranmoduls,
Fig. 3 zwei Anschlußbeispiele für Membranrohre,
Fig. 4 eine Ausführungsform des Moduls für eine mögliche Rohlösungsströmungsführung.
Falls die Verbindung der Modulpartner mittels eines Keramikklebers hergestellt wird, kann die Ausbildung im Verbindungsbereich gemäß Fig. 1 erfolgen. Das metalli­ sche Anschlußrohr (1) wird im Verbindungsbereich dünn­ wandig mit Durchbrüchen (4) ausgeführt, auf das Mem­ branrohr (2) aufgeschoben und mit einem geeigneten Kleber (3) ausgefüllt bzw. überzogen.
Aus Fig. 2 ist der Aufbau des integrierten Membranmo­ duls in zwei geometrischen Gestaltungsvarianten er­ sichtlich.
Die Membrankörper (2) besitzen eine glasierte Außenwand (5) und weisen in den Ausführungsformen nach 2.1 und 2.2 eine unterschiedliche Zahl und Anordnung der Mem­ brankanäle (6) auf.
In der konzentrischen Ausführung nach Fig. 2.1 wird das Filtrat in einem zentralen, axial angeordneten Kanal, dem Filtratsammelrohr (7), abgeleitet.
Bei der Ausführungsvariante nach Fig. 2.2 sind zur Einstellung optimaler Filtrationsleistungen mehrere Filtratsammelkanäle (7) geometrisch günstig verteilt in das integrierte Membranmodul eingebracht.
Bei derartigen Ausführungen kann auf ein Gehäuse ver­ zichtet werden. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, ein für die Filtration funktionsloses und lediglich als Schutz dienendes Gehäuse vorzusehen.
Zwei Anschlußbeispiele für Membranrohre (2) sind in Fig. 3 dargestellt. Dabei wird die Verbindung zwischen den Modulpartnern Membranrohr (2) und Modulanschlußkap­ pe (1) einmal durch Metallisierung der Oberfläche des Keramikkörpers im Verbindungsbereich und Lötung herge­ stellt (Fig. 3.1) und zum anderen durch Metallbälge (8) Fig. 3.2).
Fig. 4 zeigt eine Variante einer möglichen Rohlösungs­ strömungsführung. Die im Membranrohr (2) konzentrisch angeordneten Membrankanäle (6) sind durch eine mittig in das Anschlußstück (1) eingebrachte Abtrennung (9) in Ein-und Ausströmkanäle getrennt, so daß über eine am anderen Ende des Membranrohres montierte Umlenkkappe (10) die gewünschten Verfahrensweglängen eingestellt werden können. Der axial angeordnete Filtratsammelkanal (7) ist auf der Seite der Umlenkkappe (10) durch eine Abdichtung (11) abgeschlossen.

Claims (11)

1. Modulkonstruktion mit anorganischen Membranen, die die Form von Rohren oder Multikanalelementen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das integrierte Membran­ modul aus einem Multikanalelement oder einer Mehrzahl von Rohren mit Außenabdichtung des Keramikkörpers (2) besteht und zur Außenabdichtung eine Glasur (5) auf­ weist.
2: Modulkonstruktion nach Anspruch 1 oder mit einer anorganischen Membran, die aus wenigstens einem Rohr besteht, das in ein Gehäuse eingesetzt sein kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der ther­ misch hoch belasteten Modulpartner metallisches An­ schlußstück bzw. Gehäuse (1) und Membran (2) durch
  • a) stufenweise Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten der Modulpartner und/oder
  • b) Einsatz geeigneter Keramikkleber (3) und/oder
  • c) Metallisierung der Keramik im Verbindungsbereich und Lötung oder
  • d) Reibschweißung bei rotationssymmetrischen Teilen oder
  • e) Einsatz von Metallbälgen (8) erfolgt und als Modulpartner Membran (2) bekannte Kera­ mikmembranen und/oder integrierte Membranmodule einge­ setzt sind.
3. Modulkonstruktion nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz von Keramik­ kleber (3) das metallische Anschlußstück (1) zumindest im Verbindungsbereich relativ dünnwandig und mit Durchbrüchen (4) durchsetzt und/oder stark profiliert ausge­ führt ist.
4. Modulkonstruktion nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation der bei Modullängen von ca. 1 bis 3 m sich ergebenden großen Längenunterschiede durch eine Vorspannung der Gehäuse (1) erfolgt, wobei die Gehäuse vorzugsweise aus Edel­ stahl bestehen.
5. Modulkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrankanäle (6) und Filtratsammelkanäle derart angeordnet sind, daß kurze Filtratwege erzielt werden.
6. Modulkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Filtratableitung ein größerer zentraler Kanal (7) und/oder mehrere geome­ trisch günstig über den Querschnitt des Keramikkörpers (2) verteilte dezentrale Kanäle (7), die nicht als Membranen ausgeführt sind, vorhanden sind.
7. Modulkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das integrierte Membranmo­ dul für Pervaporationsprozesse einsetzbar ist.
8. Modulkonstruktion nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Permeatseite Vakuum angelegt ist.
9. Modulkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für den Anschluß des inte­ grierten Membranmoduls an die Modulanschlußkappe (1) Metallbälge (8) dienen.
10. Modulkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbau von Filtra­ tionsanlagen und zur Erzielung einer völligen Unabhän­ gigkeit im Ausdehnungsverhalten der Membranmodule Ein­ zelmodule variabel so verschaltet sind, daß beispiels­ weise ein oder mehrere Elemente einseitig angeschlossen und dabei jeweils zwei freie Kanalenden zur Einstellung der vorgesehenen Verfahrensweglängen über Rohrbögen (10) bzw. Strömungsführungselemente verbunden sind.
11. Modulkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einseitigem Anschluß der Module zur Unterteilung der im Membranrohr (2) vorhandenen Membrankanäle (6) in Ein- und Ausströmka­ näle eine oder mehrere Abtrennungen (9) in das An­ schlußstück (1) so eingebracht sind, daß sowohl die Strömungsführung der Rohlosung als auch eine Abführung des Filtrats durch den bzw. die Filtratsammelkanäle (7) gewährleistet ist.
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