DE4131407C2 - Modulkonstruktion mit anorganischen Membranen - Google Patents

Modulkonstruktion mit anorganischen Membranen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Modulkonstruktion für Filtrationsanlagen, mit einer anorganischen Membran, die als Keramikmembran in Form eines Rohres, eines Rohrbündels oder eines in Längsrichtung mit Kanälen versehenen Multikanalelements ausgebildet ist sowie mit einem metallischen Anschlußstück oder einem metallischen Gehäuse, das mit der anorganischen Membran verbunden ist.
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.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine 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.
Die Lösung der, der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist in den Ansprüchen 1, 2, 3 und 5 angegeben. Weiter­ führende, den Erfindungsgedanken vorteilhaft ausge­ staltende Merkmale sind im Anspruch 4 angegeben.
Erfindungsgemäß ist eine Modulkonstruktion für Filtrationsanlagen, mit einer anorganischen Membran, die als Keramikmembran in Form eines Rohres, eines Rohrbündels oder eines in Längsrichtung mit Kanälen versehenen Multikanalelements ausgebildet ist sowie mit einem metallischen Anschlußstück oder einem metallischen Gehäuse, das mit der anorganischen Membran verbunden ist, derart ausgebildet, daß der Übergang Keramik-Metall 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 ein­ setzbar, da aber viele Keramikmembranen aus Festigkeitsgründen in rotationsymmetrischer Form vor­ liegen, kann es trotzdem in die Verfahrensauswahl ein­ bezogen 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.
Für die Verbindung der Modulpartner, also den Anschluß des Keramikkörpers an die Modulanschlußkappe empfehlen sich für diese Modulkonstruktion erfindungsgemäß Metallbälge.
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 anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 die Ausbildung der Modulverbindung bei Einsatz von Keramikklebern,
Fig. 2 Anschlußbeispiel für Membranrohre und
Fig. 3 alternatives Anschlußbeispiel für Membranrohre.
Falls die Verbindung der Modulpartner mittels eines Keramikklebers hergestellt wird, kann die Ausbildung im Verbindungsbereich gemäß Fig. 1 erfolgen. Das metalli­ sche Anschlußrohr (2) wird im Verbindungsbereich dünn­ wandig mit Durchbrüchen (4) ausgeführt, auf das Mem­ branrohr (1) aufgeschoben und mit einem geeigneten Kleber (3) ausgefüllt bzw. überzogen.
Zwei Anschlußbeispiele für Membranrohre (1) sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Dabei wird die Ver­ bindung zwischen dem Membranrohr (1) und der Modulanschlußkappe (2) einmal durch Metallisierung der Oberfläche des Keramikkörpers im Verbindungsbereich und Lötung hergestellt (Fig. 2) und zum anderen durch Metallbälge (5) (Fig. 3). Durch die Einlaßöffnung (6) tritt eine zu filtrierende Rohlösung in das Innere der Membran (1) und durch einen zentralen Filtratsammelkanal (7) gelangt das Filtrat über eine Stirnseite der Membran nach außen.

Claims (5)

1. Modulkonstruktion für Filtrationsanlagen, mit einer anorganischen Membran (1), die als Keramikmembran in Form eines Rohres, eines Rohrbündels oder eines in Längsrichtung mit Kanälen versehenen Multikanalelements ausgebildet ist sowie mit einem metallischen An­ schlußstück (2) oder einem metallischen Gehäuse, das mit der anorganischen Membran (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem metallischen An­ schlußstück (2) bzw. metallischen Gehäuse und der an­ organischen Membran (1) durch Einsatz geeigneter Keramikkleber (3) erfolgt und daß das metallische An­ schlußstück (2) zumindest im Verbindungsbereich relativ dünnwandig und mit Durchbrüchen (4) durchsetzt und/oder stark profiliert ausgeführt ist.
2. Modulkonstruktion nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem metallischen An­ schlußstück (2) bzw. metallischen Gehäuse und der an­ organischen Membran (1) durch Metallisierung der Keramik im Verbindungsbereich und Lötung erfolgt.
3. Modulkonstruktion nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem metallischen An­ schlußstück (2) bzw. metallischen Gehäuse und der an­ organischen Membran (1) bei rotationssymmetrischen Teilen durch Reibschweißung erfolgt.
4. Modulkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation der bei Modullängen von ca. 1 bis 3 m sich ergebenden großen Längenunterschiede durch eine Vorspannung der Gehäuse (2) erfolgt, wobei die Gehäuse vorzugsweise aus Edelstahl bestehen.
5. Modulkonstruktion nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verbindung zwischen dem metallischen An­ schlußstück (2) bzw. metallischen Gehäuse und der an­ organischen Membran wenigstens ein Metallbalg (5) vor­ gesehen ist.
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