DE68905105T2

DE68905105T2 - Modul fuer zylindrische starre membranelemente zur trennung, zum filtrieren oder zur katalytischen umwandlung.

Info

Publication number: DE68905105T2
Application number: DE8989113553T
Authority: DE
Inventors: Daniel Garcera; Jacques Gillot
Original assignee: Societe des Ceramiques Techniques SA
Current assignee: Societe des Ceramiques Techniques SA
Priority date: 1988-07-29
Filing date: 1989-07-24
Publication date: 1993-06-17
Anticipated expiration: 2009-07-25
Also published as: US4956087A; CA1305430C; ES2039770T3; DE68905105D1; EP0352684B1; EP0352684A1; FR2634668A1; FR2634668B1; JPH02149320A; JP2688256B2; KR0127638B1; KR900001396A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Modul für starre, zylindrische Membranelemente zur Trennung, Filterung und katalytischen Umwandlung.
Ein solcher Modul umfaßt im wesentlichen eine Hülle bzw. ein Gehäuse, in dem die starren Elemente angebracht sind, bei denen es sich um Membrane oder Membranträger handelt. Diese Elemente, die aus einem starren Material, wie etwa Keramik, Glas, Kohlenstoff oder einem Metall bestehen, werden nachfolgend aktive Elemente genannt.
Genauer gesagt, besitzt ein Modul:
- eine im allgemeinen zylindrische Hülle, bestehend aus einem Metall oder einem gewünschtenfalls faserverstärkten Kunststoffmaterial;
- eiesn oder mehrere aktive Elemente, die im allgemeinen eine rohrförmige oder nahezu rohrförmige Geometrie aufweisen und insbesondere vom Mehrkanaltyp sind, von der Art, wie sie in den nachfolgenden Veröffentlichungen beschrieben ist:
J. GILLOT und D. GARCERA - "Nouveaux Media Filtrants Céramiques pour Microfiltration Tangentielle et Ultrafiltration" - Konferenz FILTRA 84 - Sté. Française de Filtration, Okt. 1984, PARIS.
J. GILLOT, G. BRINKMAN, D. GARCERA - "New Ceramic Filter Media for Crossflow Microfiltration and Ultrafiltration", Fourth World Filtration Congress 22.-24. April 1986, Ostende, Belgien.
Diese aktiven Elemente sind im allgemeinen in Richtung des Kanals viel länger als quer zum Kanal. Sie sind mit der Achse ihres Kanals bzw. ihrer Kanäle parallel zur Achse der Hülle gruppiert. Die Membran bedeckt die innere Oberfläche des oder der Kanäle der Elemente oder auch in bestimmten Fällen die äußere Oberfläche, wenn es sich um Rohre handelt.
- eine Gruppe von zwei Endplatten (im allgemeinen sehr steif) und von Dichtungen, die:
. die aktiven Elemente an ihren beiden Enden mechanisch stützen und sie in ihrer Stellung halten,
. in der Behandlungsanlage für ein Fluid einen Bereich stromaufwärts gegen einen Bereich stromabwärts relativ zur Membran trennen,
. die Abdichtung zwischen den beiden Bereichen bewirken.
- Teile, die im Inneren oder an der Peripherie des Bündels aktiver Elemente sowie parallel zu diesen Elementen angeordnet sind, deren Funktion in der Fixierung der Endplatten in mechanischer Hinsicht besteht. Die genannten Teile, die keine Funktion in Bezug auf die eigentliche Behandlung des Fluids haben, werden im folgenden als Stützen bezeichnet. Sie werden nur dann benötigt, wenn der Modul eine große Anzahl aktiver Elemente umfaßt.
Ein solcher Modul muß während mehrerer Jahre funktionieren, ohne auseinandergenommen zu werden. Nun treten aber Unterschiede in der Längsdehnung zwischen den aktiven Elementen einerseits und der Hülle sowie den Stützen andererseits auf, wenn der Modul erheblichen Temperaturveränderungen ausgesetzt ist, insbesondere wenn er bei Umgebungstemperatur montiert und dann bei hoher oder niedriger Temperatur benutzt wird. Diese Dehnungsunterschiede können bis zu mehreren Millimetern reichen, wenn die aktiven Elemente eine Länge in der Größenordnung von 1 m besitzen, was häufig vorkommt. Im allgemeinen beherrscht man diesen Dehnungsunterschied nicht, denn die die aktiven Elemente bildenden Materialien einerseits und die Hülle sowie die Stützen andererseits unterscheiden sich normalerweise, da sie unterschiedlichen Forderungen genügen. Im Falle der Unterbringung aktiver Elemente aus poröser Keramik in einer Metallhülle mit einem im allgemeinen höheren Ausdehnungskoeffizienten wirkt sich der Einsatz bei hoher Temperatur dahingehend aus, daß die keramischen Elemente einer Zugspannung ausgesetzt werden, die sie schlecht vertragen.
Bei den bekannten Anordnungen wird der Dehnungsunterschied in zweierlei Weise aufgefangen:
- wenn die Endplatten an der Hülle befestigt sind, sowie im Falle, daß Stützen vorhanden sind, wird der Dehnungsunterschied von den Dichtungen aufgenommen, die zwischen den Enden der aktiven Elemente und den Endplatten angeordnet sind. Dies erfordert, daß sich an mindestens einem Ende jedes Elementes:
- entweder eine gleitende Dichtung befindet, deren Dichtheit im Falle eines Wärmezyklus nur schwer aufrechtzuerhalten ist, insbesondere dann, wenn das zu behandelnde Fluid Schwebeteilchen enthält (Filterung), die sich zwischen die gegenüberliegenden Oberflächen der Dichtung setzen;
- oder nachgiebige Dichtungen, vom Typ der mechanischen Dehnungsbalgdichtung, befinden, was sehr teuer ist, oder vom Typ der Elastomerdichtung. Im letztgenannten Fall muß die Dichtung an der Seite genügend breit sein, damit die aus einem Längsdehnungsunterschied von einigen Millimetern resultierende Umfangsverformung akzeptabel bleibt, was zu einem übermäßigen Platzbedarf des Bündels der aktiven Elemente führt. Darüber hinaus wird man dann mit den in der Natur der Elastomere liegenden Problemen konfrontiert: fehlende Elastizität bei Tiefsttemperaturen und unzureichende mechanische und chemische Standfestigkeit bei hohen Temperaturen über einen langen Zeitraum in Anwesenheit des zu behandelnden Fluids.
Wenn es keine Stütze gibt und der Modul mehrere aktive Elemente aufweist, kann der Dehnungsunterschied durch eine gleitende oder nachgiebige Dichtung am Umfang einer Endplatte im Bereich zwischen dieser Platte und der Hülle aufgefangen werden. Diese Lösung besitzt aber den Nachteil, daß die von der Druckdifferenz des Fluids zu beiden Seiten der Endplatten herrührenden Kräfte auf die Dichtungen zwischen den aktiven Elementen und den Endplatten gelenkt werden: die Dichtungen werden dann auf Scherung beansprucht. Weiter werden die Kräfte auf die aktiven Elemente selber übertragen, die dementsprechend auf Zug oder Druck beansprucht werden. Im Falle einer Tangentialfilterung mit häufiger Reinigung der Membrane durch Druckumkehr werden die Filterelemente einer Folge von Zug- und Druckbeanspruchungen ausgesetzt, was sehr nachteilig ist.
Das Ziel der Erfindung besteht also in der Herstellung einer Modulstruktur von solcher Art, daß die Endplatten und die Dichtungen nur die schwachen Restdehnungsunterschiede aufnehmen müssen, die beispielsweise auf einer schlechten Temperaturverteilung im Inneren des Moduls beruhen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Modul für starre, zylindrische Membranelemente zur Trennung, Filterung oder katalytischen Umwandlung, bei dem die Elemente in einer im wesentlichen zylindrischen, parallel zu den Elementen verlaufenden Hülle untergebracht sind, die durch eine erste Endplatte und eine zweite Endplatte verschlossen ist, an denen die Enden der Elemente über Dichtungen befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß diese Endplatten über mindestens ein Zwischenglied miteinander verbunden sind, das aus mindestens drei langgestreckten, nebeneinanderliegenden Teilen besteht, wobei das erste Teil fest mit der ersten Endplatte und das dritte Teil fest mit der zweiten Endplatte verbunden ist, während das zweite Teil an den freien Enden des ersten und des dritten Teils befestigt ist und die Materialien der drei Teile so gewählt sind, daß ihre Gesamtdehnung möglichst genau derjenigen der aktiven Elemente entspricht.
Gemäß einer ersten Ausführungsform bildet das Zwischenglied die Hülle.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform weist der Modul ein oder mehrere Zwischenglieder auf, die eine oder mehrere Stützen bilden, welche zwischen den Endplatten angeordnet sind.
Gemäß einer dritten Ausführungsform weist der Modul ein Zwischenglied, das die Hülle bildet, und mindestens ein Zwischenglied auf, das mindestens eine Stütze bildet.
Bei einer ersten Variante ist das Zwischenglied aus drei koaxialen, zylindrischen Teilen aufgebaut.
Seitliche Abstützmittel sind vorteilhafterweise zwischen den Teilen und/oder zwischen mindestens einem der Teile und einer der Endplatten vorgesehen.
Die zylindrischen Teile können mit ihren Enden direkt durch Schweißen, Schrumpfen, Kleben fest miteinander verbunden sein.
Bei einer weiteren Bauform sind die zylindrischen Teile an ihren Enden durch angeschweißte, angeschraubte, aufgeschrumpfte, angeklebte Ringe fest miteinander verbunden, wobei die Ringe weiter Klemmklötze zwischen den zylindrischen Teilen bilden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante besteht jedes Teil der Stütze aus n massiven Stäben, die untereinander und relative zu den aktiven Elementen parallel verlaufen.
Somit dringen die Stäbe in die Seitenführungsringe ein, in denen sie entweder gleiten oder befestigt sind.
Zur Seitenverklemmung kann einer der Stäbe ein Ende besitzen, das in ein Sackloch einer Endplatte eindringt.
Gegenstand der Erfindung ist weiter ein Modul, der mindestens eine Stütze gemäß der Erfindung und eine aus einem zylindrischen Teil gebildete Hülle aufweist, dessen eines Ende starr an der ersten Endplatte und dessen anderes Ende über eine verformbare Dichtung dicht an der zweiten Endplatte befestigt ist, wobei die verformbare Dichtung unter den Gleitdichtungen, Balgdichtungen aus Metall oder aus Elastomer ausgewählt ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung der beispielshalber und ohne Beschränkungsabsicht dargestellten Ausführungsformen hervor.
Fig. 1 veranschaulicht sehr schematisch einen Längsschnitt eines ersten Moduls gemäß der Erfindung mit einer dreiteiligen Hülle;
Fig. 2 zeigt sehr schematisch im Längsschnitt eine Ausführungsvariante des Moduls der Fig. 1;
Fig. 3 zeigt sehr schematisch einen Längsschnitt eines Beispiels einer Stütze gemäß der Erfindung aus drei konzentrischen Teilen;
Fig. 4 zeigt schematisch in perspektivischer Ansicht ein weiteres Beispiel einer Stütze gemäß der Erfindung mit massiven Stäben;
Fig. 5 zeigt sehr schematisch im Teilschnitt eine Modulvariante gemäß der Erfindung, die für die Aufnahme einer großen Anzahl aktiver Elemente bestimmt ist;
Fig. 6 zeigt schematisch eine Befestigungsart durch direktes Verschweißen der drei Teile einer Modulhülle gemäß der Erfindung;
Fig. 7 zeigt schematisch eine weitere Befestigungsart durch Verschweißen der drei Teile einer Modulhülle gemäß der Erfindung; und
Fig. 8 - 11 zeigen schematisch vier Beispiele der Befestigung der drei Teile einer Modulhülle gemäß der Erfindung durch Verschrauben.
Fig. 1 zeigt einen Modul 1 bestehend aus zwei aktiven Elementen 2, deren erstes Ende unter Einfügung von Dichtungen 6 in einer ersten Platte 4, und deren zweites Ende unter Einfügung von Dichtungen 7 in einer zweiten Platte 5 befestigt ist. Natürlich enthält ein Modul im allgemeinen ein ganzes Bündel von aktiven Elementen 2. Der Einlaß und der Auslaß des zu behandelnden Fluids ist mit 8 bzw. 9 bezeichnet.
Gemäß der Erfindung besteht die im ganzen zylindrische Seitenhülle, die die beiden Platten 4 und 5 verbindet, aus drei koaxialen Teilen 10, 20, 30, deren äußere Ränder mit 11, 12; 21, 22 und 31, 32 bezeichnet sind. Die Ränder 11, 21, und 31 befinden sich auf der Seite der ersten Platte 4, während sich die Ränder 12, 22, 32 auf der Seite der zweiten Platte 5 befinden. Der Rand 12 mit dem Rand 22, und der Rand 21 mit dem Rand 31 verbunden. Mit anderen Worten verläuft der Weg, um von einer Endplatte zur anderen des Moduls 1 zu gelangen, über das Teil 10, führt dann über das Teil 20 zurück und geht über das Teil 30 erneut in die anfängliche Richtung. Die Teile 10, 20, 30 sind solchen aus Materialien ausgewählt, daß die Dehnung der von ihnen gebildeten Hülle derjenigen der im Modul 1 versammelten aktiven Elemente 2 entspricht.
Falls der Ausdehnungskoeffizient der aktiven Elemente 2 kleiner als derjenige der Teile 10 und 30 ist, wählt man zur Herstellung des Teils 20 ein Material, das einen höheren Ausdehnungskoeffizienten als die Teile 10 und 30 besitzt, damit bei steigender Temperatur die Verlängerung des Teiles 20 die Enden 12 und 31 auf Abstand bringt, was zu einer Annäherung der Enden 11 und 32 des Moduls 1 führt, so daß die überschießende Verlängerung der Teile 10 und 30 relativ zu den aktiven Elementen 2 ausgeglichen wird.
Bezeichnet man die jeweilige Länge der Teile 10, 20 und 30 mit LI, L2, L3 und die Länge der aktiven Elemente mit Le, wobei die Längen von der Mittelebene der Verbindungsdichtungen 6 und 7 der aktiven Elemente 2 an den Endplatten 4 und 5 aus gemessen werden, und die Ausdehnungskoeffizienten der Teile 10, 20, 30 und der aktiven Elemente 2 mit D1, D2, D3 und De, so ergibt sich die Dehnungskompensation wie folgt:
D1L1 - D2L2 + D3L3 = DeLe
dabei gilt:
L1 - L2 + L3 = Le
Bei der in Fig. 2 gezeigten Variante soll der Anordnung eine größere Steifigkeit gegeben werden. Es sind seitliche Anschläge 13 und 23 vorgesehen, derart, daß sie die Justierung jedes Endes des Teiles 20 relativ zum Ende der Teile 10 und 30 bewirken, mit denen es nicht verbunden ist (Justierung des Endes 21 relativ zum Ende 11, Justierung des Endes 22 relativ zum Ende 32). Die Anschläge 13 und 23 sind entweder am Zwischenteil 20 oder an den Teilen 10 und 30 angebracht. Die Oberfläche des jeweils anderen Teils, die dem Anschlag gegenübersteht, ist so bearbeitet, daß sie eine freie Verschiebung ermöglicht. Die Toleranzen sind mit Rücksicht auf die Dehnungsunterschiede zwischen den Teilen 10, 20 und 30 senkrecht zu ihrer gemeinsamen Achse festgesetzt.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer Stütze aus drei Teilen 40, 50, 60 gemäß der Erfindung, die zwischen den beiden Endplatten 4 und 5 angeordnet ist.
Wie bei den Teilen 10, 20, 30 sind ihre Enden mit 41, 51, 61; 42, 52, 62 bezeichnet. Die drei Teile sind konzentrisch angeordnet, wobei aber das Teil 40 ein massiver Stab ist, dessen Ende 41 sich in einem Sackloch 43 seitlich justiert, das in der Endplatte 4 vorgesehen ist. Die Teile 40, 50 und 60 sind relativ zueinander in der gleichen Weise befestigt wie die Teile 10, 20, 30.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsvariante der Stütze gemäß der Erfindung, bei der die Rohre durch massive Stäbe ersetzt sind, die seitlich geführt oder an zwei Zwischenflanschen 15 und 16 befestigt sind.
Der bei 71 am Flansch 15 befestigte mittlere Stab ist dazu bestimmt, mit seinem Ende 72 an der Endplatte 5 des Moduls befestigt zu werden.
Die drei Zwischenstäbe 80 sind mit ihren Enden 81, 82 mit dem Flansch 15 bzw. dem Flansch 16 verbunden.
Die drei äußeren Stäbe 90 sind mit ihren Enden 91 zur Befestigung an der Endplatte 4 des Moduls bestimmt, während die Enden 92 am Zwischenflansch 16 befestigt sind. Die Stäbe 80 und 90 sind sternförmig um den Stab 70 angeordnet. Die Stäbe 90 sind um (360/3)º relativ zueinander und um [(360/3).2]º relativ zu den Stäben 80 versetzt. Die Anzahl 3 soll keine Begrenzung darstellen. Der Stab 70 kann im Flansch 16 gleiten, während die Stäbe 90 im Flansch 15 gleiten können.
Darüber hinaus können die Stäbe zur seitlichen Justierung in Sacklöcher eindringen, die in der Endplatte 4 oder 5 angeordnet sind, an der die Stäbe nicht befestigt sind.
Die aus konzentrischen Rohren bestehenden Stützen bieten den Vorteil des geringeren Raumbedarfs gegenüber den Stützen mit Zentralrohr und Stäben. Demgegenüber weisen sie bei Temperaturänderungen des Fluids im Inneren des Moduls den Nachteil auf, daß das Innenrohr und das Zwischenrohr den Temperaturänderungen nur mit Verzögerung folgen, was eine einwandfreie Kompensation der Dehnungen verhindert. Eine besonders interessante Variante stellt daher die Verwendung von Stützen mit konzentrischen Rohren dar, bei denen das Außenrohr und das Zwischenrohr (und möglicherweise das Innenrohr) an ihrer Seitenfläche Öffnungen aufweisen, die zur Erleichterung der Zirkulation des Fluids im Kontakt mit dem Innenrohr und dem Zwischenrohr bestimmt sind, derart, daß ihre Temperatur stets in der Nähe derjenigen des Fluids bleibt.
Bei allen obigen Varianten zeigen die in der mit dem aufzubereitenden Fluid gefüllten Hülle angeordneten Sacklöcher vorzugsweise mit der Öffnung nach unten, um zu verhindern, daß sich dort Festkörper ablagern.
In Fig. 5 ist ein Modul 14 dargestellt, der eine große Anzahl aktiver Elemente 2 umfassen kann. Wiederum sind Endplatten 4 und 5 vorhanden. Die Hülle 15 ist eine gewöhnliche zylindrische Hülle. Die Endplatte 5 ist starr an einem Ende der Hülle 15 befestigt, während die Endplatte 4 an das andere Ende 16 durch eine verformbare Verbindung 17 angeschlossen ist, bei der es sich um eine dichte, nachgiebige Dichtung handeln kann, wie etwa einen Dehnungsbalg aus Metall oder Elastomer oder eine Gleitdichtung.
Die beiden Platten 4 und 5 sind durch temperaturkompensierte Stützen 25 miteinander verbunden, entsprechend denjenigen der Fig. 3.
Ein Modul dieser Bauart besitzt die folgenden Merkmale:
- die Dichtungen 6, 7 zwischen den aktiven Elementen 2 und den Endplatten 4, 5 müssen nicht die Ausdehnung kompensieren.
- die auf dem Druckunterschied des Fluids zu beiden Seiten der Endplatten beruhenden Kräfte werden durch die Stützen aufgefangen und daher weder auf die Enddichtungen 6, 7 der aktiven Elemente 2, noch auf die Elemente selber übertragen.
- es gibt nur noch eine einzige bewegliche Dichtung 17 zwischen einer Endplatte und der Hülle 15. Es ist daher möglich, selbst eine relativ teure Dichtung zu verwenden (metallischer Dehnungsbalg). Im Falle einer Elastomerdichtung ist es möglich, dieselbe lokal zu kühlen, da sie sich an der Peripherie der Hülle befindet, also relativ zugänglich ist. Falls es nötig ist, die Dichtung in regelmäßigen Zeitabständen auszuwechseln, kann das ohne Zerlegen der aktiven Elemente geschehen, was wegen der Brüchigkeit von Keramik besonders interessant ist.
Nachfolgend werden verschiedene Aufbauformen der Teile beschrieben, die die Hülle oder die Stützen eines Moduls gemäß der Erfindung bilden.
Gemäß Fig. 6 weist eine Hülle 100 mit Achse 101 drei koaxiale Rohre 110, 120, 130 auf, die bei 112 und 121 direkt miteinander verschweißt, verklebt oder verschrumpft sind. Hierzu weitet man die Enden der Rohre leicht auf oder verjüngt sie, um sie einander anzunähern.
Gemäß Fig. 7 weist eine Hülle 102 mit Achse 103 drei konzentrische Rohre 140, 150, 160 auf, an denen man durch Schweißen, Löten oder Kleben der Rohre eine Verbindung über Flansche 104 und 105 herstellt, die auch Justierfunktion haben. Das feste Verbinden erfolgt nacheinander an den Enden 106, 107, 108, 109.
Gemäß den Fig. 8 bis 11 erfolgt eine Verschraubung an den Flanschen, die auch als Justierelemente dienen. Die Anordnung findet vor allem bei Flanschen mit kleinem Durchmesser Anwendung.
In diesen Figuren werden vier Hüllen mit Achse 174 dargestellt, die drei metallische Zylinder 171, 172, 173 enthalten, welche mit Hilfe von Ringen durch Verschrauben befestigt sind, die zudem die Funktion der Seitenjustierung haben. In Fig. 8 sind die Ringe mit 175 und 176, in Fig. 9 mit 177 und 178, in Fig. 10 mit 181 und 182 und in Fig. 11 mit 183 und 184 bezeichnet.
Man kann durch Wahl der Ausdehnungskoeffizienten der Ringe und durch die relative Anordnung der Innen- und Außengewinde der Rohre und der Ringe erreichen, daß sich die Ausdehnungsunterschiede senkrecht zur Achse nur durch Druckspannung auf die Gewinde auswirken. Wenn beispielsweise bei der Anordnung der Fig. 10 die Teile 171 und 173 sowie die beiden Ringen 181 und 182 einen gleichen Ausdehnungskoeffizienten besitzen, der kleiner als derjenige des Teils 172 ist, führt eine Temperaturerhöhung zu einer Kompression der das Teil 172 mit den beiden Ringen verbindenden Gewinde, ohne daß in den anderen Gewinden Spannungen auftreten. Die Anordnung der Fig. 11 führt im Falle der Temperaturabnahme zum gleichen Ergebnis.
Bei den Stützen mit konzentrischen Rohren entsprechend dem in Fig. 3 dargestellten Typ kann man die gleichen Befestigungsmittel anwenden wie bei den Hüllen.
Bei den Stützen mit massiven Stäben des in Fig. 4 dargestellten Typs kann man sie durch Ankleben, Anschweißen, Verschrumpfen oder Verschrauben an den Zwischenflanschen befestigen.
Man kann stets auch gemischte Bauarten anwenden, bei denen Schweißen, Kleben, Schrumpfen und Verschrauben kombiniert werden.
Nachfolgend werden Zahlenbeispiele angegeben, um die Vorteile der Erfindung deutlicher zu machen. Die für die Stähle aufgeführten Angaben entsprechen der Norm AFNOR. Bei allen Beispielen ist der angegebene Durchmessern der Außendurchmesser. Weiter sind die genannten Ausdehnungskoeffizienten Mittelwerte im angezeigten Temperaturintervall. In Wirklichkeit bleiben die Koeffizienten nicht rigoros konstant, wenn sich die Temperatur ändert, so daß nicht im gesamten Temperaturintervall exakt kompensiert werden kann.

BEISPIEL 1: Stand der Technik

Sechsunddreißig aktive Elemente aus Aluminiumoxid mit einer Länge von 820 mm und einem Ausdehnungskoeffizienten von 6,6 x 10&supmin;&sup6;/ºC sind in einer einfachen zylindrischen Hülle aus rostfreiem Stahl des Typs Z30C13 mit einer Länge von 820 mm, einem Durchmesser von 400 mm und einem Ausdehnungskoeffizienten von 11,5 x 10&supmin;&sup6;/ºC angeordnet.
Der Dehnungsunterschied zwischen den aktiven Elementen und der Hülle beträgt 1,1 mm, wenn man von 20ºC nach 300ºC übergeht.

BEISPIEL 2: Stand der Technik

Ein aktives Element aus Aluminiumoxid besitzt eine Länge von 1000 mm und einen Ausdehnungskoeffizienten von 6,6 x 10&supmin;&sup6;/ºC. Man nimmt eine Hülle aus verstärktem Polyacetal des Standes der Technik. Es handelt sich dabei um ein unter dem Namen HOSTAFORM C.9023 GFK (einer Marke der Firma HOECHST), verkauftes Produkt. Sein Ausdehnungskoeffizient beträgt 50 x 10&supmin;&sup6;/ºC.
Die Hülle besitzt eine Länge von 1000 mm und einen Durchmesser von 80 mm. Wenn der Modul von 20ºC auf 100ºC erwärmt wird, beträgt der Ausdehnungsunterschied zwischen dem aktiven Element und der Hülle 3,5 mm.

BEISPIEL 3:

Für die gleichen aktiven Elemente wie im Falle des Beispiels 1 verwendet man eine Hülle gemäß der Erfindung mit folgenden Komponenten:
- einem Innenzylinder von 745 mm Länge, 390 mm Durchmesser und 3 mm Dicke aus rostfreiem Stahl vom Typ Z30C13, mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 11,5 x 10&supmin;&sup6;/ºC.
- einem Außenzylinder der gleichen Länge, der gleichen Dicke und des gleichen Materials wie beim Innenzylinder, und mit einem Durchmesser von 410 mm.
- einem Zwischenzylinder von 670 mm Länge, 400 mm Durchmesser und 3 mm Dicke aus rostfreiem Stahl vom Typ Z8CNDT 17-12 mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 17 x 1O&supmin;&sup6;/ºC.
Diese Zylinder werden gemäß dem in Fig. 6 gezeigten Verfahren montiert.
Der Modul weist ferner eine gemischte Stütze mit Rohr und massivem Stab entsprechend der Fig. 4 auf. Die Stütze ist wie folgt aufgebaut:
- das zentrale Rohr 70 besitzt einen Durchmesser von 40 mm, eine Dicke von 4 mm und eine Länge von 745 mm. Die drei Stäbe 90 haben einen Durchmesser von 15 mm und eine Länge von 745 mm. Sie bestehen wie das Rohr 70 aus dem gleichen Stahl wie die Innen- und Außenzylinder, die die Hülle bilden;
- die Stäbe 80 haben einen Durchmesser von 15 mm und eine Länge von 670 mm und sie bestehen aus dem gleichen Stahl wie der Zwischenzylinder der Hülle;
- das Rohr 70 ist angeschweißt, während die Stäbe 80 und 90 an den Zwischenflanschen verschraubt sind.
Wenn der Modul gemäß der Erfindung von 20ºC auf 300ºC erwärmt wird, ist der Dehnungsunterschied zwischen den aktiven Elementen und der Hülle kleiner als 0,1 mm. Dieses Resultat muß mit demjenigen des Beispiels 1 verglichen werden.

BEISPIEL 4:

Für die gleichen aktiven Elemente aus Aluminiumoxid wie in Beispiel 1 wird ein Modul des in Fig. 5 dargestellten Typs aufgebaut, der folgende Komponenten aufweist:
- eine dehnungsmäßig nicht kompensierte Hülle mit einem Durchmesser von 390 mm, einer Dicke von 5 mm und einer Länge von 820 mm aus rostfreiem Stahl vom Typ Z30C13, mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 11,5 x lO&supmin;&sup6;/ºC;
- 30 aktive Elemente;
- 7 Stützen, von denen jede aufweist:
. ein Innenrohr von 745 mm Länge, 20 mm Durchmesser und 3 mm Dicke aus Stahl vom Typ Z30C13,
. ein Außenrohr von 34 mm Durchmesser, der gleichen Länge, der gleichen Dicke und des gleichen Materials wie vorher,
. ein Zwischenrohr von 670 mm Länge, 27 mm Durchmesser und 3 mm Dicke aus Stahl vom Typ Z8CNDT 17, mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 17,5 x l0&supmin;&sup6;/ºC.
Die Rohre sind miteinander durch Verschrauben an Ringen verbunden.
Die Gruppe der 30 aktiven Elemente und der 7 Stützen wird entsprechend einer hexagonalen Netzstruktur angeordnet, derart, daß ein regelmäßiges Sechseck gebildet wird, dessen Mitte und dessen sechs Kanten von den Stützen besetzt sind.
- eine erste Endplatte, die an ein Ende der Hülle angeschweißt ist;
- eine zweite Endplatte, die an das andere Ende der Hülle durch eine nachgiebige, metallische Dichtung angeschlossen ist, welche eine Relativbewegung von 5 mm parallel zur Achse des Moduls erlaubt.
Wenn die Temperatur von 20ºC auf 300ºC ansteigt, ist der Dehnungsunterschied zwischen den aktiven Elementen und den Stützen kleiner als 0,1 mm. Der Dehnungsunterschied zwischen der Hülle einerseits und den aktiven Elementen sowie den Stützen andererseits beträgt 1,1 mm. Er wird von der nachgiebigen, metallischen Dichtung aufgefangen.

BEISPIEL 5: (zu vergleichen mit Beispiel 2)

Für ein aktives Element aus Aluminiumoxid mit einer Länge von 1000 mm nimmt man eine Hülle gemäß der Erfindung, die folgende Komponenten aufweist:
- einen Innenzylinder von 934 mm Länge, 80 mm Durchmesser und 5 mm Dicke, aus verstärktem Polyacetal mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 50 x 10&supmin;&sup6;/ºC. Es handelt sich um das vorerwähnte Produkt HOSTAFORM C 9023 GFK.
- einen Außenzylinder der gleichen Länge, der gleichen Dicke und des gleichen Materials wie im Falle des Innenzylinders, jedoch mit einem Durchmesser von 104 mm.
- einen Zwischenzylinder von 868 mm Länge, 92 mm Durchmesser, 5 mm Dicke aus nicht verstärktem Polyacetal mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 100 x l0&supmin;&sup6;/ºC. Man verwendet das Produkt ULTRAFORM, eine Marke der Firma HOECHST.
Diese drei Zylinder sind durch Kleben zusammengefügt.
Wenn ein solcher Modul von 20ºC auf 100ºC erwärmt wird, ist der Dehnungsunterschied zwischen den aktiven Elementen und der Hülle kleiner als 0,2 mm. Man erkennt daraus den von der Erfindung herbeigeführten Fortschritt.

BEISPIEL 6:

Für achtzehn aktive Elemente aus Siliziumkarbid mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 4,5 x 10&supmin;&sup6;/ºC und einer Länge von 1000 mm nimmt man eine Hülle gemäß der Erfindung, die folgende Komponenten aufweist:
- einen Innenzylinder von 970 mm Länge, 219 mm Durchmesser und 2 mm Dicke aus rostfreiem Stahl vom Typ Z6CND16-4, der einen Ausdehnungskoeffizienten von 10,8 x 10&supmin;&sup6;/ºC aufweist;
- einen Außenzylinder der gleichen Länge, der gleichen Dicke und des gleichen Materials wie beim Innenzylinder und mit einem Durchmesser von 231 mm;
- einen Zwischenzylinder von 940 mm Länge, 225 mm Durchmesser und 2 mm Dicke aus rostfreiem Stahl vom Typ Z35NCW15, der einen Ausdehnungskoeffizienten von 17,5 x 10&supmin;&sup6;/ºC aufweist.
Die drei Zylinder wurden auf den Zwischenflanschen festgeschweißt, wie Fig. 7 zeigt.
Der Dehnungsunterschied zwischen den aktiven Elementen und der Hülle beim Übergang von 20ºC nach 300ºC ist kleiner als 0,1 mm.

BEISPIEL 7:

Für ein aktives Element aus Kohlenstoff von 1000 mm Länge und einem Ausdehnungskoeffizienten von 3,0 x 10&supmin;&sup6;/ºC stellt man eine Hülle gemäß der Erfindung her, die folgende Komponenten aufweist:
- einen Innenzylinder von 800 mm Länge, 30 mm Durchmesser und 2 mm Dicke aus rostfreiem Stahl mit einem Anteil von 36% Nikkel (INVAR), die einen Ausdehnungskoeffizienten von 6,0 x 10&supmin;&sup6;/ºC aufweist;
- einen Außenzylinder von 933 mm Länge, 40 mm Durchmesser und 2 mm Dicke aus rostfreiem Stahl vom Typ Z12C13, der einen Ausdehnungskoeffizienten von 10,8 x 10&supmin;&sup6;/ºC aufweist;
- einen Zwischenzylinder von 733 mm Länge, 35 mm Durchmesser und 2 mm Dicke aus rostfreiem Stahl vom Typ Z2CNDT 17-12, der einen Ausdehnungskoeffizienten von 16,2 x 1O&supmin;&sup6;/ºC aufweist.
Die drei Zylinder werden gemäß der in Fig. 11 dargestellten Struktur auf Zwischenringe geschraubt. Die Ringe bestehen aus Stahl vom Typ Z2CNDT 17-12.
Wenn dieser Modul von 20ºC auf 200ºC erwärmt wird, ist der Dehnungsunterschied zwischen den aktiven Elementen und der Hülle kleiner als 0,1 mm.

Claims

1. Modul (1) für starre, zylindrische Membranelemente zur Trennung, Filterung oder katalytischen Umwandlung, bei dem die Elemente (2) in einer im wesentlichen zylindrischen, parallel zu den Elementen verlaufenden Hülle untergebracht sind, die durch eine erste Endplatte (4) und eine zweite Endplatte (5) verschlossen ist, an denen die Enden der Elemente über Dichtungen (6, 7) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß diese Endplatten über mindestens ein Zwischenglied miteinander verbunden sind, das aus mindestens drei langgestreckten, nebeneinanderliegenden Teilen besteht, wobei das erste Teil (10) fest mit der ersten Endplatte (4) und das dritte Teil (30) fest mit der zweiten Endplatte (5) verbunden ist, während das zweite Teil (20) an den freien Enden (12, 31) des ersten und des dritten Teils befestigt ist und die Materialien der drei Teile so gewählt sind, daß ihre Gesamtdehnung möglichst genau derjenigen der aktiven Elemente entspricht.

2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenglied die genannte Hülle bildet.

3. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modul ein oder mehrere Zwischenglied aufweist, die eine oder mehrere Stützen (25) bilden, welche zwischen den Endplatten (4, 5) angeordnet sind.

4. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modul ein Zwischenglied, das die Hülle bildet, sowie mindestens ein Zwischenglied aufweist, das mindestens eine Stütze (40, 50, 60) bildet.

5. Modul nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenglied aus drei koaxialen, zylindrischen Teilen (40, 50, 60) besteht.

6. Modul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß seitliche Abstützmittel (43) zwischen den genannten Teilen (40) und/oder zwischen mindestens einem der Teile und einer der Endplatten (4) vorgesehen sind.

7. Modul nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Teile (110, 120, 130) an ihren Enden (112, 121) direkt durch Schweißen, Schrumpfen oder Kleben fest miteinander verbunden sind.

8. Modul nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Teile (171, 172, 173) an ihren Enden durch angeschweißte, eingeschraubte, verschrumpfte, oder angeklebte Ringe (175, 176, 177, 178) fest miteinander verbunden sind.

9. Modul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (177, 178, 181, 182) Klemmklötze zwischen den zylindrischen Teilen bilden.

10. Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Teil der Stütze aus n massiven Stäben (70, 80, 90) besteht, die untereinander und zu den aktiven Elementen parallel verlaufen.

11. Modul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe in Ringe zur Seitenführung (15, 16) eindringen, in denen sie entweder gleiten oder befestigt sind.

12. Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle aus einem zylindrischen Teil (14) besteht, dessen eines Ende starr mit der ersten Endplatte (5), und dessen anderes Ende über eine verformbare Dichtung (17) dicht mit der zweiten Endplatte (4) verbunden ist.

13. Modul nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die verformbare Dichtung unter den Gleitdichtungen und Dehnungsbalgdichtungen aus Metall oder Elastomer ausgewählt ist.

14. Modul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende mindestens eines der Stäbe zur seitlichen Justierung in ein Sackloch einer Endplatte eindringt.