DE4312762C2 - Vorrichtung zum Filtern und Trennen von Strömungsmedien in ein Permeat und ein Retentat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Filtern und Trennen von Strömungsmedien in ein Permeat und ein Retentat, insbesondere nach dem Prinzip der Umkehrosmo­ se, Ultra- und Mikrofiltration, mit in einem geschlos­ senen Gehäuse angeordneten, einen Filterelementenstapel bildenden Filterelementen, die vom Strömungsmedium umflossen werden, wobei der aus im wesentlichen flächen­ förmigen Filterelementen bestehende Filterelementensta­ pel während des Filter- bzw. Trennvorgangs um eine im wesentlichen orthogonal zur Fläche der Filterelemente verlaufende Achse des Filterelementenstapels gedreht wird.

Eine Vorrichtung dieser Art ist bekannt (DE-PS 26 35 460). In dieser Vorrichtung werden Membranelemente verwendet, die aus zwei einzelnen Membranen bestehen, zwischen denen ein Träger angeordnet ist. Damit dieses "Pack" aus den beiden Membranelementen sowie dazwischen angeordnetem Träger seine bestimmungsgemäße Funktion ausüben kann, nämlich daß das Permeat durch die Mem­ branelemente in den porösen Träger hineinfließen kann und gezielt abfließen kann, ist jedes "Pack" zentral um eine Rotationsachse der Vorrichtung und radial am äußeren Scheibenende mit äußeren Dichtungen jeweils in axialer Richtung abgedichtet und mechanisch stabil aufgenommen. Jedes "Pack" des Filterelementenstapels wird derart gehalten, d. h. radial innen und radial außen, wie vorangehend ausgeführt. Jedes "Pack" weist zudem den erwähnten stabilisierenden Träger auf, der eine mechanische Stütze darstellt. Beim Durchströmen des zu trennenden Gemisches durch in jedem "Pack" im radial äußeren Endbereich ausgebildete Löcher wird ein großes hydrodynamisches Hindernis für das zu trennende Gemisch, welches von einem zentralen Rohr, das Schlitze aufweist, in den Raum zwischen zwei "Packs" hineinströmt und durch die Löcher hindurch weiterströmt, um zu einem Ausgang zu gelangen, aufgebaut. Das Permeat selbst wird radial nach außen aus den Stirnöffnungen des Trägers herausgeführt. Die hydrodynamischen Widerstände aufgrund des Aufbaus der Vorrichtung, die auf das zu trennende Gemisch einwirken, da dieses sich durch die Öffnung in jedem "Pack" hindurchzwängen muß, sind extrem groß.

Allgemein gilt bei Vorrichtungen zum Filtern und Trennen von Strömungsmedien, daß beim Durchfließen des Strö­ mungsmediums durch den Gehäuseinnenraum, in dem die Filterelemente bzw. die zu einem Filterelementenstapel zusammengefaßten Filterelemente angeordnet sind, das Strömungsmedium entweder parallel die einzelnen Filter­ elemente des Filterelementenstapels umströmt oder es umströmt die Filterelemente des Filterelementenstapels nacheinander mäanderförmig, wobei auch Kombinationen der vorangehend aufgeführten grundsätzlich unterschiedlichen möglichen Arten der Umströmung möglich sind. Bestimmte Arten der Umströmung im vorangehend beschriebenen Sinne werden gemäß der zu lösenden Trennaufgabe geeignet ausgewählt und in der Vorrichtung eingestellt. Bei allen Arten der Umströmung der Filterelemente kommt es in Abhängigkeit der Inhaltsstoffe des zu trennenden Strö­ mungsmediums mehr oder weniger stark und ausgeprägt zu Ablagerungen auf der Oberfläche des Filterelements, die naturgemäß die Trennleistung der Vorrichtung vermindern, oder es kommt im Grenzfall zu einer Verblockung der Filterelemente insgesamt, so daß die Vorrichtung ihre Aufgabe überhaupt nicht mehr erfüllen kann.

Beobachtungen haben gezeigt, daß es dann, wenn auf der Oberfläche eines Filterelements erst einmal eine Keim­ zelle einer Ablagerung der im Strömungsmedium enthal­ tenen Inhaltsstoffe entstanden ist, zu einem schnellen Wachstum der Größe dieser Ablagerungen kommt, was die vorangehend aufgeführten Folgen unweigerlich nach sich zieht. Ein Ausbildungspunkt derartig größer werdender Ablagerungen sind Stützelemente für das Filterelement, die zumindest in einigen flächigen Bereichen die Fil­ terelemente stützend berühren. Man hat versucht dieses Problem des Wachstums von Ablagerungen auf der Oberflä­ che von Filterelementen dadurch zu beheben, daß man diese Stützelemente derart konstruktiv ausgestaltete, daß diese lediglich mit einer extrem kleinen Fläche an den Filterelementen anliegen. So sind beispielsweise Abstandselemente für Filterelemente bekannt geworden, bei denen von der Oberfläche der Abstandselemente vorspringende Erhebungen ausgebildet sind, die einen in vertikaler, die Fläche des Abstandselements betrachteten Richtung, halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen, so daß das Filterelement von diesen Vorsprüngen, von denen pro Abstandselement eine Vielzahl vorgesehen ist, nur mit einer geringstmöglichen Fläche berührt bzw. gestützt wird.

Diese konstruktiven Ausgestaltungen der Abstandselemente haben schon zu sehr guten Ergebnissen geführt, d. h. die Ablagerung von Inhaltsstoffen des Strömungsmediums konnte signifikant pro Oberfläche des Filterelements vermindert werden, so daß mit derart aufgebauten Vor­ richtungen sehr große Standzeiten der Vorrichtungen erreicht werden konnten, ohne daß diese demontiert oder gar im einzelnen gereinigt werden mußten.

Dennoch ist es für bestimmte Anwendungsfälle derartiger Vorrichtungen unter bestimmten Umständen immer noch ein Problem, auch die geringsten Ablagerungen zu vermeiden, da es aus den vielfältigsten Gründen nicht möglich ist, eine derartige Vorrichtung zu warten, d. h. die Filter­ elemente von Ablagerungen zu reinigen, auch wenn dieses aufgrund der vorangehend beschriebenen konstruktiven Ausgestaltungen an sich nur noch in sehr großen zeit­ lichen Abständen nötig ist.

Aus der US-PS 4 936 986 ist ein Öl-/Flüssigkeitssepara­ tionsfiltersystem bekannt, bei dem Filterscheiben verwendet werden, die aus gepreßtem Eisenschwamm beste­ hen.

Aus der DE-OS 22 59 481 ist eine Vorrichtung zur Tren­ nung von Flüssigkeitsgemischen mittels Membranen be­ kannt, wobei die Membranen auf hohlen, kreisförmigen Platten aufliegen, die an einer Hohlwelle befestigt sind, wobei die Membranen gegenüber dem zu trennenden Gemisch in der Vorrichtung gedreht werden. Die Drehge­ schwindigkeit ist derart bemessen, daß an der Membran­ oberfläche in Bezug auf das zu trennende Gemisch ein hoher Geschwindigkeitsgradient erzeugt wird. Die kreis­ förmige, hohle Platte ist starr ausgebildet.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vor­ richtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der beim Filter- bzw. Trennvorgang Ablagerungen oder gar Verblockungen der Filterelemente vollständig vermieden werden und auch dann, wenn sich beispielsweise auf der Oberfläche der Filterelemente ein kristallines Wachstum bestimmter Inhaltsstoffe der Strömungsmedien ergibt, das eine Demontage und Reinigung der Vorrichtung oder andere Maßnahmen, beispielsweise das Beschicken der Vorrichtung mit ablagerungsentfernenden Flüssigkeiten, vollständig entbehrlich ist, wobei die Vorrichtung grundsätzlich nach den bisherigen konstruktiven Kriterien bekannter Vorrichtungen aufgebaut sein soll, so daß auch die hier vorgeschlagene Vorrichtung kostengünstig realisiert werden kann und somit auch in großen Mengen im Bedarfs­ fall bereitgestellt und eingesetzt werden kann.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die nach Art eines weichen Membrankissens ausgebildeten Filterelemente lediglich im Bereich ihrer Permeataus­ trittsöffnung geringfügig gestützt, ansonsten aber frei von Stütz- und Auflageelementen den Filterelementensta­ pel bilden.

Der Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung besteht im wesentlichen darin, daß durch die Rotation des Filterelementenstapels im Gehäuse Ablagerungen, die bisher immer noch trotz aller dieses zu verhindern trachtenden konstruktiven Maßnahmen nicht ganz verhin­ dert werden konnten, durch die infolge der Drehung entstehenden zentrifugalen Kräfte von der Oberfläche der Filterelemente entfernt werden und somit in das Strö­ mungsmedium wieder zurück überführt werden, wobei das Strömungsmedium in konzentriertem Zustand die Vorrich­ tung bzw. das Gehäuse der Vorrichtung zusammen mit den Ablagerungen verläßt. Die einzelnen Filterelemente des Filterelementenstapels innerhalb des Gehäuses verhalten sich dabei analog den Radialrädern einer Kreiselpumpe und zwar im vorliegenden Falle, da eine Mehrzahl von Filterelementen den Filterelementenstapel bildet, analog einer mehrstufigen mehrflutigen Kreiselpumpe, die parallelgeschaltete Radialräder aufweist.

Dadurch, daß die Mehrzahl der Filterelemente, die den Filterelementenstapel bildet, lediglich im Bereich ihrer Permeataustrittsöffnung geringfügig gestützt, ansonsten aber frei von Stütz- oder Auflageelementen sind, wird bewirkt, daß auf gesonderte Abstandselemente oder Stützelemente, die, vgl. oben, wiederum Keimzellen für die Bildung von Ablagerungen sein können, da sie zwangs­ läufig, wenn auch in höchst geringem Maße die Filterele­ mente berühren, vollständig verzichtet werden kann, da durch die Drehung des Filterelementenstapels eine Eigenstabilisierung der an sich weichen Membrankissen, die die Filterelemente bilden, erreicht wird.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung weist das Filterelement eine Mehrzahl von Permeataus­ trittsöffnungen auf. Grundsätzlich wäre es auch möglich, ein Filterelement in Form eines Membrankissens zu verwenden, das lediglich eine zentrale Permeataustritts­ öffnung aufweist, aus Gründen der mechanischen Stabili­ tät der Filterelemente und zum Erreichen eines besseren Ausfließens des Permeats aus der Permeataustrittsöffnung ist es jedoch vorteilhaft, pro Filterelement eine Mehrzahl von Permeataustrittsöffnungen vorzusehen, wobei diese Öffnungen darüber hinaus auch eine gute mechani­ sche Befestigung der Filterelemente zur Bildung eines Filterelementenstapels gestatten.

Bei einer noch anderen vorteilhaften Ausgestaltung wird der Filterelementenstapel durch eine Mehrzahl von Spannbolzen entsprechend der Mehrzahl von Permeataus­ trittsöffnungen zusammengehalten, wobei die Spannbolzen Permeatabflußrinnen aufweisen. Die Spannbolzen münden dabei in den den Filterelementenstapel beidseitig begrenzenden Scheiben, wobei die Scheiben interne Permeatabflußkanäle aufweisen, in die das von den Spannbolzen zugeführte Permeat geleitet wird, wobei von der einen Begrenzungsscheibe dann das Permeat zentral durch das Gehäuse der Vorrichtung geführt und von dort nach außen zu einem geeigneten Anschluß geführt werden kann. Es ist somit möglich, Permeat immer, d. h. bei allen Drehzuständen des Filterelementenkörpers, abzu­ führen.

Die Drehung des Filterelementenstapels innerhalb des Gehäuses der Vorrichtung erfolgt vorzugsweise von einer außerhalb des Gehäuses angeordneten gesonderten An­ triebseinrichtung, die beispielsweise ein Elektromotor sein kann. Es ist aber auch denkbar, anstelle einer gesonderten Antriebseinrichtung das zu trennende Strö­ mungsmedium, das in die Vorrichtung 10 sowieso mittels gesonderter Pumpeneinrichtungen gefördert wird, zunächst über eine mit der Achse des Filterelementenstapels gekoppelte Drehturbine zu fördern und dann in den Filterelementenstapel hinein, so daß allein durch die Förderleistung der Pumpe für das Strömungsmedium der benötigte Rotationsantrieb für den Filterelementenstapel innerhalb des Gehäuses erzeugt wird. Diese Drehturbine kann beispielsweise außen am Gehäuse angeordnet sein oder aber auch integriert sein in den Innenraum des Gehäuses, in dem der Filterelementenstapel angeordnet ist.

Die Geschwindigkeit, mit der der Filterelementenstapel im Gehäuse der Vorrichtung gedreht wird, kann abgestimmt werden auf die Art des Strömungsmediums, auf den ange­ strebten Trenngrad des Strömungsmedium und angepaßt werden an die Größe der Vorrichtung bzw. die benötigte, Trennleistung schlechthin. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, die Vorrichtung derart auszubilden, daß die Drehgeschwindigkeit beispielsweise zwischen 2 bis 3000 U/min einstellbar ausgebildet ist, wobei diese Einstell­ barkeit gleichermaßen durch eine besondere Steuerung einer externen Antriebseinrichtung wie eines Elektromo­ tors oder dgl. oder aber auch durch gesonderte Steuerung der Durchflußmenge des Strömungsmedium durch eine Antriebsturbine bewirkt werden kann.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nach­ folgenden schematischen Zeichnungen anhand eines Aus­ führungsbeispieles eingehend beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 im Teilschnitt im Ausschnitt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 die schematische Draufsicht auf ein als Mem­ brankissen ausgebildetes Filterelement mit vier Permeatableitungsöffnungen und einem zentralen Aufnahmeloch, das allerdings an seinen Rändern dicht ist, und

Fig. 3 eine Teildarstellung des Membrankissens gemäß Fig. 2 im Schnitt mit integriertem Stützkörper.

Die Vorrichtung 10 besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 11, das bei der in den Figuren dargestellten Ausführungsform aus einem zylindrischen Gehäusekörper 110 besteht, der von den Flanschkörpern 111, 112 be­ grenzt ist. Im Gehäuse 11 um eine Achse 130 drehbar, die aus dem einen Flanschkörper 111 austritt, ist ein Filterelementenstapel 13 angeordnet, der auf an sich bekannte Weise aus einer Mehrzahl von Filterelementen 12 besteht, die über eine Scheibe 14 und eine Dichtung 15 voneinander beabstandet den Filterelementenstapel 13 bilden. Der Filterelementenstapel 13 wird zudem durch zwei Scheiben 131, 132 begrenzt, die zwischen sich über Spannbolzen 19 gesichert die Filterelemente 12 aufneh­ men. Die Spannbolzen 19 weisen Permeatabflußrinnen 133 auf, die in Abflußkanälen 134 münden, die in der Scheibe 131 ausgebildet sind. Die Abflußkanäle 134 münden in eine zentrale Öffnung 135, die im Achsbolzen 136 ausge­ bildet ist, der einerseits die zentrale Achse für den Filterelementenstapel 13 bildet und andererseits durch den Flanschkörper 111 hindurchragt und in diesem drehbar gedichtet aufgenommen wird. Die zentrale Öffnung 135 ist mit einer Austrittsöffnung für das Permeat 17 außerhalb des Gehäuses verbunden, von wo das Permeat 17 abgeführt werden kann.

Außen am Gehäuse 11 ist auf geeignete Weise eine An­ triebseinrichtung 20 über eine Kupplungseinrichtung 21 angeflanscht, wobei die Kupplungseinrichtung einerseits mit der Antriebseinrichtung 20 und andererseits mit dem Achsbolzen 136 verbunden ist. Über die Antriebseinrich­ tung 20 und die Kupplungseinrichtung 21 ist über den Achsbolzen 136 der gesamte Filterelementenstapel 13 innerhalb des Gehäuses 11 drehbar. Die Antriebseinrich­ tung 20, die vorzugsweise durch einen Elektromotor gebildet wird, der beispielsweise stufenlos zwischen 3 U/min bis 3000 U/min regelbar einstellbar ist, kann somit den Filterelementenstapel 13 im Gehäuse und somit im Gehäuseinnenraum über eine Öffnung im Gehäuse 11 zugeführtes Strömungsmedium 16 drehen.

Beim Drehen wirken die einzelnen Filterelemente 12, die nach Art eines Membrankissens ausgebildet sind, wie Radialräder einer Kreiselpumpe, mit der Folge, daß auf der Oberfläche 120 der Filterelemente 12 sich befindende amorphe oder kristalline Ablagerungen infolge der sich ausbildenden Radialkräfte nach außen geschleudert und wiederum in das Strömungsmedium 16 zurückgeführt werden. Durch die Membranflächen 120 der Filterelemente 12 bestimmungsgemäß hindurchgehende Bestandteile des Strömungsmediums 16 werden auf bekannte Weise innerhalb des Membrankissens zu den Permeataustrittsöffnungen 121 geleitet und von dort, wie oben beschrieben, über die Permeatabflußrinnen 133 der Spannbolzen 19 weggeführt.

Das angereicherte Strömungsmedium 16 verläßt als Permeat 18 ebenfalls wieder das Gehäuse 11.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, werden bei dieser Vorrichtung Filterelemente 12 in Form sog. Membrankissen verwendet, die sich dadurch auszeichnen, daß sie zwei flächenförmige Filterelemente aufweisen, deren Flächen 120 jeweils nach außen weisen. Am Umfang der Filterele­ mente 12 sind die Filterelemente beispielsweise mitein­ ander verschweißt, was gleichermaßen für den Rand der beiden Filterelemente um die zentrale Öffnung herum gilt, vgl. auch Fig. 3. Zwischen den beiden äußeren Filterelementen kann im Inneren 122 des Filterelementes 12 ein Stützkörper 23 ausgebildet sein, der scheibenför­ mig ausgebildet ist und der den an sich nicht eigensta­ bilen Filterelementen 12 eine gewisse Stabilität ver­ schafft.

Bezugszeichenliste

10

Vorrichtung

11

Gehäuse

110

zylindrischer Gehäusekörper

111

Flanschkörper

112

Flanschkörper

113

Spannbolzen

12

Filterelement

120

Fläche des Filterelements

121

Permeataustrittsöffnung

122

Innenraum

123

Stützkörper

124

zentrale Öffnung

13

Filterelementenstapel

130

Achse des Filterelementenstapels

131

Scheibe

132

Scheibe

133

Permeatabflußraum

134

Abflußkanal

135

zentrale Öffnung

136

Achsbolzen

14

Scheibe

15

Dichtung

16

Strömungsmedium

17

Permeat

18

Retentat

19

Spannbolzen

20

Antriebseinrichtung

21

Kupplungseinrichtung

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Filtern und Trennen von Strömungsme­ dien in ein Permeat und ein Retentat, insbesondere nach dem Prinzip der Umkehrosmose, Ultra- und Mikrofiltrati­ on, mit in einem geschlossenen Gehäuse angeordneten, einen Filterelementenstapel bildenden Filterelementen, die vom Strömungsmedium umflossen werden, wobei der aus im wesentlichen flächenförmigen Filterelementen beste­ hende Filterelementenstapel während des Filter- bzw. Trennvorganges um eine im wesentlichen orthogonal zur Fläche der Filterelemente verlaufende Achse des Filter­ elementenstapels gedreht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die nach Art eines weichen Membrankissens ausge­ bildeten Filterelemente (12) lediglich im Bereich ihrer Permeataustrittsöffnung (121) geringfügig gestützt, ansonsten aber frei von Stütz- und Auflageelementen den Filterelementenstapel (13) bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (12) eine Mehrzahl von Permeataus­ trittsöffnungen (121) aufweist.

3. Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (12) einen in seinem Innenraum (122) angeordneten flächenförmigen Stützkörper (123) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterelementen­ stapel (13) durch eine Mehrzahl von Spannbolzen (19) entsprechend der Mehrzahl von Permeataustrittsöffnungen (121) zusammengehalten wird, wobei die Spannbolzen (19) Permeatabflußrinnen aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung des Filterelementenstapels (13) von einer außerhalb des Gehäuses (11) angeordneten Antriebseinrichtung (20) erfolgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (20) ein Elektromotor ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehgeschwindig­ keit im Bereich von 500 U/min liegt.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehgeschwindig­ keit im Bereich von 2 U/min bis 3000 U/min einstellbar ist.