DE68904042T2

DE68904042T2 - Distanzplatte fuer austauschvorrichtungen fuer fluide.

Info

Publication number: DE68904042T2
Application number: DE8989402836T
Authority: DE
Inventors: Gerard Guerif
Original assignee: Eurodia SA
Current assignee: Eurodia Industrie SA
Priority date: 1988-10-17
Filing date: 1989-10-13
Publication date: 1993-05-06
Anticipated expiration: 2009-10-14
Also published as: EP0365410B1; FR2637817A1; US4999107A; JPH0783824B2; EP0365410A1; DE68904042D1; JPH02227126A; FR2637817B1; ATE83681T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den Austausch zwischen zwei Fluiden van Elementen, die in mindestens einem dieser Fluide enthalten sind, zum Beispiel Moleküle oder Ionen, durch eine Membrantrenntechnik, wie Dialyse, Elektrodialyse, Umkehrosmose oder Ultrafiltration. Sie betrifft insbesondere Rahmen, die zwei aufeinanderfolgende Membranen trennen und den Durchfluß der Fluide ermöglichen. Solche Rahmen werden im folgenden Trennrahmen genannt.
Bei den Austauschvorrichtungen durch Membran sind die Austauschmembranen parallel zueinander angeordnet und werden durch die Trennrahmen getrennt und zusammengehalten. Diese Rahmen bestehen aus einem starren und für die Fluide undurchlässigen Teil, in dessen Mitte ein durchbrochenens Teil, z.B. ein Raster angeordnet ist. Das starre Teil, das Trennebene genannt wird, gewährleistet die Dichtwirkung der Vorrichtung. Es ist mit Öffnungen versehen, die in der Membranaufschichtung für den Durchfluß der Fluide sorgen. Dies sind die Befüll- und Entleerungsleitungen des Fluids; die durchbrochene Struktur ermöglicht den Transport des Fluids im ausgesparten Mittelteil.
Jede Austauschzone besteht aus einer Aufschichtung folgender Elemente: einer ersten, für bestimmte Elemente durchlässigen Austauschmembran, einem Trennrahmen, sowie einer zweiten Austauschmembran, die gleiche oder andere Elemente durchfließen läßt. Damit der Austausch einwandfei stattfinden kann, wird eine große Menge an durchströmender Flüssigkeit benötigt.
Um die Durchflußgeschwindigkeit zu erhöhen, wird bekannterweise die Dicke der Zone, durch die das Fluid strömt, reduziert. Aufgrund der Ausdehnung der Membrane beim Kontakt mit Fluiden ist es jedoch notwendig, daß die Dicke der Trennebene des Trennrahmens stärker ist als die unterbrochene Struktur, damit sich das Fluid trotz dieser Ausdehnung in der Austauschzone bewegen kann.
Es hat sich allerdings herausgestellt, daß die unterschiedliche Dicke von Trennebene und durchbrochener Struktur Leckagen im Bereich der Diffusoren bewirkt; diese Diffusoren sind Aussparungen in der Trennebene und stellen die Befüll- und Entleerungsleitungen des Fluids in der Austauschzone dar. Das Problem der Leckagen ist auf die Dehnbarkeit der Membranen zurückzuführen: diese höhlen sich an der Stelle der Diffusoren aus und lassen das Fluid, das aus einer Befülleitung kommt und die in der Aufschichtung angrenzende Austauschzone versorgen soll, in eine gegebene Austauschzone abfließen. Eine solche teilweise Vermischung der Fluide darf natürlich nicht sein.
Man hat bereits versucht, dieses Problem zu lösen, indem auf der Trennebene eine Überdicke hergestellt wird, und zwar zwischen der durchbrochenen Struktur und den Durchflußleitungen des Fluids, das nicht durch die besagte Austauschzone fließt. Eine solche Vorrichtung wird im französischen Patent FR-B- 2.189.091 beschrieben.
Es wurde ebenso versucht (vgl. Patent US-A-4,319,978), dieses Problem durch einen Trennrahmen zu lösen, der aus folgenden 5 Schichten besteht: einer Innenschicht, zwei Zwischenschichten diesseits und jenseits der Innenschicht sowie zwei Außenschichten, die sich diesseits und jenseits der beiden Zwischenschichten befinden. Alle diese Schichten sind in ihrer Mitte ausgehöhlt, nur die Innenschicht ist mit Diffusoren versehen. Die Außenschichten sind komprimierbar, z.B. aus Neopren. Die Zwischenschichten sind steif genug, um eine Verkleinerung des Diffusorenquerschnitts zu verhindern.
Man hat schließlich, und dies ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung gefunden für den Austausch zwischen zwei Fluiden von Elementen, die in mindestens einem der Fluide enthalten sind. Diese Vorrichtung beseitigt die vorgenannten Schwierigkeiten und stellt eine neue Konzeption dar. Es ist bekannt, daß die Austauschvorrichtung aus einer Aufeinanderschichtung von Austauschmembranen sowie Trennrahmen besteht; letztere werden zwischen die besagten Membranen eingeschoben, wobei jeder Rahmen eine durchlässige Trennebene zur Abgrenzung eines ausgesparten Mittelstücks enthält. In Trennebenen und Membranen sind Öffnungen gebohrt, wobei eine erste Gruppe Öffnungen die Durchflußleitungen des ersten Fluids darstellt und eine zweite Gruppe die Durchflußleitungen des zweiten Fluids. Jede Trennebene ist mit Aussparungen versehen, sogenannte Diffusoren, die bei jedem zweiten Trennrahmen das Mittelteil mit den Öffnungen der ersten Gruppe und bei dem anderen Rahmen das Mittelteil mit den Öffnungen der zweiten Gruppe verbindet. Die Diffusoren und das Mittelteil haben eine durchbrochene Struktur. Der Trennrahmen kennzeichnet sich dadurch, daß er aus vier Thermoplastfolien und der durchbrochenen Struktur besteht, wobei die beiden Außenfolien geschmeidig und im Bereich der Diffusoren ausgehöhlt und die beiden Innenfolien, die diesseits und jenseits der durchbrochenen Struktur angeordnet sind, halbstarr und, was mindestens eine der beiden betrifft, im Bereich der Diffusoren nicht ausgehöhlt sind. Die vier Folien sind gemäß der Trennebene miteinander verbunden, mit Ausnahme der Bereiche in Höhe der Diffusoren; in diesen Bereichen wird (werden) die halbstarre(n) Folie(n) nicht mit der durchbrochenen Struktur verbunden und bildet/n ein Schutzelement.
Das Schutzelement verhindert auf diese Weise, daß sich die in der Aufschichtung neben dem Trennrahmen befindliche Membran im Bereich des Diffusors verformt, und die elastischen Außenplatten, die über der Trennebene liegen, gewährleisten eine gute innere Dichtigkeit der Vorrichtung, indem sie durch ihre Elastizität das Vorhandensein des Schutzelements ausgleichen.
Das Schutzelement hat vorzugsweise die Form eines Bügels, und die Trennebene sollte möglichst aus zwei Teilen bestehen, die in dem Bereich, der an die beiden mit dem Mittelteil nicht verbundenen Öffnungen angrenzt, Vertiefungen aufweist. Für einen gegebenen Rahmen liegen diese Vertiefungen in der Aufschichtung den Schutzelementen des angrenzenden Rahmens gegenüber.
Die Vertiefungen selbst können mit einer Auskleidung versehen werden, die dichtend wirkt.
Die Schutzelemente können sich entweder nur über eine Seite der unterbrochenen Struktur erstrecken, oder auch diesund jenseits über beide Seiten. Mit anderen Worten, ein Diffusor kann nur mit einem Schutzelement oder auch mit zwei Schutzelementen verbunden sein.
Man erhält die Vertiefungen im Bereich neben den Öffnungen, die nicht mit dem Mittelteil verbunden sind, bei der Herstellung der Verbindung durch lokales Komprimieren der beiden geschmeidigen Außenfolien.
Andere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der ein Ausführungsbeispiel eines vereinfachten Trennrahmens für eine Austauschvorrichtung zwischen zwei Fluiden dargestellt wird, das durch die folgenden beigefügten Zeichnungen erläutert wird:
Fig.1 ist eine schematische Draufsicht eines Trennrahmens.
Fig.2 ist eine Schnittperspektive gemäß Achse AA' der Fig.1 eines Teils einer Aufschichtung, die aus drei Trennrahmen und vier Austauschmembranen besteht.
Fig.3 ist eine schematische Draufsicht eines Trennrahmens, der eine Vertiefung aufweist.
Fig.4 ist eine Schnittperspektive gemäß Achse BB' der Fig.3 eines Teils einer Aufschichtung, die aus drei Trennrahmen und vier Austauschmembranen besteht.
Der Trennrahmen 1 auf Fig. 1 wurde bewußt vereinfacht dargestellt: er entspricht einer Pilotaustauschvorrichtung, die mit nur jeweils einer Befüll- bzw. Entleerungsleitung für jedes der beiden Fluide versehen ist. Der Rahmen besteht aus einer Trennebene 2, deren äußerer Rand rechteckig ist. Die Trennebene 2 hat ein ausgespartes Mittelteil 3, das im vorliegenden Fall die Form eines nicht rechteckigen Parallelogramms hat. Zwei Seiten dieses Parallelogramms liegen parallel zu den Seiten der Trennebene 2. Die Trennebene 2 hat vier Aussparungen 4,5,6,7, die symmetrisch in Zweiergruppen diesseits und jenseits des Mittelteils 3 angeordnet sind. Die Trennebene 2 enthält außerdem zwei zusätzliche Aussparungen 9,10, die die beiden Bereiche, welche die höchsten, vom parallelogrammförmigen Mittelteil 3 am weitesten enfernt liegenden Punkte mit den beiden Aussparungen 5 und 7, die diesen beiden Bereichen gegenüberliegen, verbinden.
Das Mittelteil 3 entspricht der Austauschzone; die zwei Aussparungen 4 und 6, die nicht mit dem Mittelteil 3 verbunden sind, stellen die Durchflußleitungen des ersten Fluids dar, während die beiden Aussparungen 5 und 7, die mit dem Mittelteil 3 verbunden sind, die Durchflußleitunges des zweiten Fluids darstellen. Die Aussparungen 9, 10, die letztere an das Mittelteil anschließen, stellen die Diffusoren dar.
Eine durchbrochene Struktur, die Netz genannt wird, ist im Mittelteil 3 und in den Diffusoren 9,10 gespannt.
Das jeden Diffusor auskleidende Netz wird durch ein bügelförmiges Schutzelement 11,12 geschützt, das sich über die Trennebene mit einem Absatz über beide Seiten des Netzes ausdehnt.
In einer Austauschvorrichtung durch Aufeinanderschichten von Trennrahmen und Austauschmembranen stellt sich jeder zweite Rahmen 1 wie Fig. 1 dar, die anderen Rahmen 1' haben eine ähnliche Gestalt, sind jedoch symmetrisch zur Achse C-C'; die Diffusoren 9,10 und die Bügel 11,12 des Rahmens 1' stehen den Durchflußleitungen 4,6 des ersten Fluids gegenüber.
Fig. 2 ist eine Teilansicht einer Aufeinanderschichtung von drei Trennrahmen und vier Austauschmembranen 13. Die dargestellte Fläche entspricht einem Schnitt gemäß Achse AA' des Bereichs mit nur einem Diffusor. Zum besseren Verständnis werden in Fig. 2 die verschiedenen Elemente deutlich getrennt gezeigt; in Wirklichkeit berühren sich die Rahmen 1,1' und die Membranen 13.
Man erhält die Trennebene 2, indem vier übereinanderliegende Thermoplastfolien, z.B. aus PVC, Ethylenvinylazetat oder Ethylenbutylazetat, durch Schweißen, insbesondere Hochfrequenzschweißen, verbunden werden. Die beiden äußeren Folien 16,17 sind geschmeidig, die beiden inneren Folien 14,15 halbstarr. Da es sich um PVC handelt, entsteht die geschmeidige Folie durch Satinieren und enthält Plastifikatoren, während man die halbstarre Folie, deren Gehalt an Plastifikatoren geringer ist, durch Extrusionsblasen erhält.
Die geschmeidigen Folien 16,17 sind entsprechend der Trennebene 2 sowie im Bereich der Diffusoren 9,10 ausgespart. Die steiferen Folien 14,15 sind entsprechend der Trennebene 2 ausgespart, jedoch nicht im Bereich der Diffusoren 9,10.
Um die Verbindung herzustellen, schiebt man zwischen die beiden starren Folien 14,15 das Netz, z.B. ein Polyestergewebe, dessen Faserverlauf der Form eines Rasters entspricht; dieses Netz muß größer sein als das Mittelteil 3 und die Diffusoren 9,10, damit es mit den verbundenen Thermoplastfolien festgehalten werden kann.
Bei der Herstellung der Verbindung wird bei einer Temperatur, die ausreichend hoch ist, um ein bestimmtes Erweichen der Thermoplastfolien zu bewirken, ein starker Druck auf die gesamte Trennebene 2 ausgeübt, mit Ausnahme der Bereiche um die Diffusoren 9,10. In diesen Bereichen werden die starren Folien 14,15 nicht zusammengedrückt und bilden die Schutzbügel 11,12. der Diffusoren 9,10. Überall sonst werden die vier Folien miteinander verbunden und bilden eine homogene Trennebene 2, in deren Mitte das Netz 8 gespannt ist.
Beim Betrieb der Austauschvorrichtung liegen die beiden Membranen 13,13' auf der gesamten Oberfläche der Trennebene 2 auf, diesseits und jenseits des Trennrahmens 1. Die Membranen 13,13' liegen parallel zum Diffusor 9 auf der Oberfläche der Schutzbügel 11 bzw. 12. Die Steifigkeit der Folie 14,15, die den Bügel 11,12 bildet, verhindert das Zusammendrücken des Netzes 8 im Diffusor 9 und die Verformung der Membran 13 an dieser Stelle. Auf diese Weise wird die nicht akzeptable Vermischung der beiden Fluide vermieden.
Die innere Dichtigkeit dieser Aufschichtung wird, trotz der Bügel 11,12, durch die Kompressionsfähigkeit der geschmeidigen Folie 16,17 erhalten, die über dem Rahmen 1' liegt, in dem den Bügeln gegenüberliegenden Bereich.
Wenn nötig, kann die Dichtigkeit durch die in Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsarten verstärkt werden. Bei der Verbindung bilden sich in den geschmeidigen Folien 16,17 eines Trennrahmens 1' Vertiefungen in Höhe der Bügel 11,12 der Trennrahmen 1, die in der Aufschichtung neben dem Trennrahmen 1' liegen. Diese Vertiefungen 18,19 sind sozusagen Abdrücke der besagten Bügel 11,12 und absorbieren die durch die Bügel erzeugte überschüssige Dicke. Sie entstehen beim Schweißen, durch erhöhten Druck in den entsprechenden Bereichen.
Um die Dichtigkeit noch zu verstärken, ist es ebenso möglich, flüssiges Dichtmittel oder Klebstoff in die Vertiefungen 18,19 zu gießen.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebene Ausführungsart beschränkt und läßt alle Varianten zu. Insbesondere in einer Vorrichtung für industrielle Zwecke gibt es eine Vielzahl von Befüll- und Entleerungsleitungen für jedes der beiden Fluide. In diesem Fall hat jeder Rahmen die für ein einziges Mittelteil passende Zahl an Öffnungen und Diffusoren, die oben beschriebene Funktionsweise ist jedoch vollkommen übertragbar.
Die Erfindung kann in allen Bereichen, die den Austausch von zwei Fluiden durch für bestimmte Elemente durchlässige Austauschmembrane betreffen, Anwendung finden, z.B in den Bereichen Dialyse, Elektrodialyse, Ultrafiltration, und Umkehrosmose.

Claims

1. Austauschvorrichtung zwischen zwei Fluiden von Elementen, die in mindestens einem der Fluide enthalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Aufeinanderschichtung von Austauschmembranen (13) und zwischen diese Membranen (13,13') eingeschobenen Trennrahmen (1) besteht, daß jeder Rahmen (1) eine undurchlässige Trennebene (2) enthält, die ein ausgespartes Mittelteil (3) begrenzt, wobei die Trennebene (2) und die Membrane (13) mit Öffnungen versehen sind: eine erste Gruppe Öffnungen (4,6) stellt die Durchflußleitungen des ersten Fluids dar, eine zweite Gruppe (5,7) die Durchflußleitungen des zweiten Fluids. Jede Trennebene hat Aussparungen (9,10), sogenannte Diffusoren, die bei jedem zweiten Trennrahmen (1') das Mittelteil (3) mit den Öffnungen (4,6) der ersten Gruppe und bei dem anderen Trennrahmen (1) das Mittelteil (3) mit den Öffnungen (5,7) der zweiten Gruppe verbinden. Die Diffusoren (9,10) und das Mittelteil (3) enthalten eine durchbrochene Struktur (8), dadurch gekennzeichnet, daß der Trennrahmen (1) aus Thermoplastfolien und der durchbrochenen Struktur besteht, wobei die beiden Außenfolien (16,17) geschmeidig und in Höhe der Diffusoren ausgespart und die beiden Innenfolien (14,15), die sich dies- und jenseits der durchbrochenen Struktur (8) befinden, halbstarr sind und mindestens eine davon keine Aussparung im Bereich der Diffusoren (9,10) hat. Die vier Folien (14,15,16,17) werden gemäß Trennebene miteinander verbunden, mit Ausnahme der Bereiche um die Diffusoren (9,10), so daß in diesen Bereichen die halbstarre(n) Folie(n) (14,15) nicht mit der durchbrochenen Struktur (8) verbunden wird/werden und ein Schutzelement (11,12) bildet/n.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichet, daß die Verbindung der vier Thermoplastfolien (14,15,16,17) in der Trennebene, die Bereiche in Höhe der Diffusoren ausgenommen, durch Druckschweißverfahren, insbesondere Hochfrequenzschweißen, hergestellt wird.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzelemente (9,10) die Form von Bügeln haben und die Trennebene (2) Vertiefungen (18,19) in dem Bereich aufweist, der an die Öffnungen (4,6), die nicht mit dem Mittelteil (3) verbunden sind, unmittelbar angrenzt.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (18,19) mit einer Auskleidung versehen sind, die dichtend wirkt.

5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (18,19) in dem Bereich, der unmittelbar an die Öffnungen (4,6) angrenzt, die nicht mit dem Mittelteil (3) verbunden sind, bei der Herstellung der Verbindung durch lokalisiertes Komprimieren der beiden geschmeidigen Außenfolien (16,17) entstehen.