DE69311060T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Durchführung der Phasentrennung durch Filtration und Zentrifugation - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Durchführung der Phasentrennung durch Filtration und Zentrifugation

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren, mit denen die Trennung oder Filterung einer eine dispergierte Phase enthaltenden kontinuierlichen Phase bewirkt werden kann.
  • Trennverfahren, die Filtertechniken einsetzen, sind sehr verbreitet in der Nahrungsmittel-, pharmazeutischen, biomedizinischen und Wasserbehandlungs-Industrie. Eine solche Trennung nutzt die Größe der Teilchen der dispergierten Phase aus und ermöglicht eine sehr scharfe Trennung der Phasen. Einer der wichtigen Anwendungsbereiche betrifft die Trennung von zwei flüssigen Phasen in Emulsion.
  • Die Entwicklung dieser Art von Verfahren wird jedoch behindert und ihre Übertragung auf andere Arten von Industrie wie etwa die Erdölindustrie beschränkt durch Probleme der Wartung und Verarbeitungskapazität. Bei der Trennung verringern nämlich zwei Phänomene den die Trennmembran durchquerenden Fluß: die Polarisation der Konzentration, die zur reversiblen Bildung einer Schicht aus dispergierter Phase in der Nähe der Memöranoberfläche führt, und das Zusetzen der Membran, das teilweise irreversibel sei kann und aus einem Phänomen der Verstopfung der Poren resultiert. Diese zwei Phänomene bewirken ein Zusetzen der Membran, was eine Verringerung des die Membran durchquerenden Flusses und damit der Verarbeitungskapazität der Trenneinheiten mit sich bringt.
  • In der nachfolgenden Beschreibung ist als Permeat die Fraktion des Gemisches definiert, die eine Filterwand durchquert, wohingegen die Ausdrücke "Retentat" oder "Konzentrat" der Fraktion entsprechen, die von der Filterwand angehalten wird. Genauso ist durch den Ausdruck "Filterwandung" oder "Filtrationswandung" eine poröse Wand, die es gestattet, die selektive Filtration durchzuführen, und durch "undurchlässige Wand" eine Wand definiert, die aus einem homogenen und für die betrachteten Fluide undurchlässigen Material gebildet ist.
  • Mit dem Ausdruck "Membran" ist eine Filterwand definiert, die an der Oberfläche eine mikroporöse selektive Schicht aufweist und auf einem makroporösen Träger und/oder einem Gitter angeordnet sein kann, um die mechanische Festigkeit zu gewährleisten.
  • Der Stand der Technik beschreibt mehrere Arten von Vorrichtungen, die konstruiert sind, um das Zusetzen der Trennmembranen zu begrenzen.
  • So betrifft eine der ersten Bemühungen zum Verbessern der bestehenden Vorrichtungen die Struktur der Membranen, deren Porengröße deutlich kleiner als die der zurückzuhaltenden Teilchen oder Tropfen im Konzentrat ist, und die, wenn die dispergierte Phase flüssig ist, so gewählt sind, daß sie die dispergierte Phase nicht benetzen. Andere vorgeschlagene Verbesserungen bestehen in der Ausbildung von Trennvorrichtungen mit periodischen Gegendrucksystemen und Systemen zum punktuellen chemischen Waschen, die die Entfernung von amalgamierten Teilchen auf der Membranoberfläche ermöglichen.
  • Eine andere Weise, die Ansammlung von dispergierter Phase in der Nähe der Wand zu verringern ist, die Scherkraft oder die Turbulenz auf der Membranoberfläche zu erhöhen, zum Beispiel dadurch, daß eine tangentiale anstatt einer frontalen Filterung durchgeführt wird. Man kann auch die tangentiale Scherkraft durch Erhöhen der Zirkulationsgeschwindigkeit des Gemisches steigern; diese Art des Vorgehens hat jedoch den Nachteil, daß sie die mittlere Verweildauer des Gemisches in der Vorrichtung und damit den Durchsatz des Permeates verringert. Dieser Nachteil wird behoben, indem man einen Teil des Konzentrates rezirkulieren läßt, was zu einer Erhöhung der Kosten führt.
  • Die Patente SU-A-1604441 und Su-A-521902 sbeschreiben tangentiale Filtervorrichtungen, bei denen die Scherkraft an der Wand durch eine schraubenförmige Strömung des durch mehrere Kanäle laufenden Gemisches verstärkt wird. Die Tatsache, daß mehrere parallele Kanäle verwendet werden, hat jedoch den Nachteil, daß die lineare Durchgangsgeschwindigkeit des Gemisches bei gleichem Durchsatz verringert wird, was zu einer Verringerung der Scherkraft an der Wand und damit einer verstärkten Ansammlung der dispergierten Phase in der Nähe der Wand führt.
  • Bei dem Patent JP-A-53102282 wird die Wirkung der Zentrifugalkraft auf ein in das Konzentrat gemischtes Pulver genutzt, um die Membranoberfläche mechanisch und kontinuierlich zu reinigen. Dieses Verfahren erfordert einen zusätzlichen Schritt, um das Pulver vom Retentat zu trennen.
  • Die Patente US-A-3400074 und US-A-3840121 betreffen Vorrichtungen zur dynamischen Filterung, bei denen die Membranoberfläche in Rotation oder Vibration versetzt wird, um auf der Membran verklumpte Teilchen zu lösen. Diese Vorrichtungen haben den Nachteil, daß sie bewegte mechanische Teile verwenden und dabei eine begrenzte Effizienz aufweisen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, den oben genannten Nachteilen abzuhelfen, indem eine Vorrichtung angeboten wird, die es in ihrem Grundprinzip gestattet, eine Filtration vom statischen Typ durch ein effizienteres Verfahren als die im Stand der Technik bekannten durchzuführen und die keine besonderen Bedingungen hinsichtlich der Eigenschaften erfordert, die das zu bearbeitende Gemisch haben muß.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Trennung eines Gemisches, das wenigstens eine kontinuierliche Phase I und wenigstens eine dispergierte Phase II umfaßt, wobei eine der Phasen eine als leicht bezeichnete Phase und die andere Phase eine als schwer bezeichnete Phase ist, welche Mittel zum Kanalisieren eines Stromes des Gemisches, die daran angepaßt sind, auf es eine schraubenförmige Bewegung längs einer Zentralachse zu übertragen, und Mittel zum Filtrieren umfaßt, wobei die Bewegung zu einer differenzierten radialen Verschiebung der leichten Phase und der schweren Phase unter Wirkung der Zentrifugalkraft führt, in deren Verlauf die kontinuierliche Phase I wenigstens teilweise die Mittel zum Filtrieren passiert, die Mittel zum Kanalisieren ein Teil mit einer schraubenförmigen Form umfassen und die Mittel zum Filtrieren aus einer filtrierenden Wandung gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das schraubenförmige Teil und die filtrierende Wandung einen schraubenförmigen Durchgang definieren, dessen Schnitt fortschreitend über die gesamte Länge des Durchganges in Fließrichtung des Gemisches abnimmt.
  • Die Mittel zum Kanalisieren umfassen zum Beispiel wenigstens eine undurchlässige Wandung und wenigstens ein inneres Teil von schraubenförmiger Form, und die Mittel zum Filtrieren umfassen wenigstens eine filtrierende Wandung, wobei die undurchlässige Wandung und die filtrierende Wandung beide eine Rotationssymmetrie um die Zentralachse zeigen und das schraubenförmige Teil z. B. zwischen der undurchlässigen Wandung und der filtrierenden Wandung angeordnet ist.
  • Wenn die kontinuierliche Phase die als schwer bezeichnete Phase ist, ist die filtrlerende Wandung zum Äußeren des schraubenförmigen internen Teiles angeordnet und die undurchlässige Wandung zum Inneren, wobei die undurchlässige Wandung beispielsweise durch die Achse des schraubenförmigen internen Teiles gebildet ist.
  • Wenn die kontinuierliche Phase die als leicht bezeichnete Phase ist, ist die filtrierende Wand zum Inneren des internen Teiles von schraubenförmiger Form und die undurchlässige Wandung zum Äußeren angeordnet.
  • Die fortschreitende Verringerung des Schnittes des schraubenförmigen Durchganges kann zum Beispiel durch eine Verminderung der Ganghöhe des schraubenförmigen Teiles erhalten werden.
  • Die Verringerung des Durchgangsschnittes kann auch erhalten werden durch eine fortschreitende Veränderung des Querschnittes der undurchlässigen Wandung.
  • Die Vorrichtung kann auch angepaßt sein, um eine doppelte Trennung eines Gemisches durchzuführen. In diesem Fall umfassen die Mittel zum Kanalisieren eine kegelstumpfartige undurchlässige Wandung und eine zylindrische äußere undurchlässige Wandung, wobei die Wandungen koaxial verlaufen und die Mittel zum Filtrieren eine erste filtrierende Wandung, die aus einem im Inneren der kegelstumpfartigen undurchlässigen Wand angeordneten Gitter besteht, und eine zweite filtrierende Wandung, die außerhalb der kegelstumpfartigen undurchlässigen Wandung und innerhalb der zylindrischen undurchlässigen Wandung angeordnet ist, umfassen.
  • Das schraubenförmige Teil und die filtrierende Wandung können aus einem Stück bestehen und frei rotierbar sein.
  • Die Vorrichtung kann Antriebsmittel zur Rotation des schraubenförmigen internen Teiles in Bezug auf die filtrierende Wandung umfassen und mechanische Mittel beinhalten, welche die Reinigung der filtrierenden Wandung begünstigen, wie Bürsten oder Abstreifer.
  • Die filtrierende Wandung kann aus einem Material bestehen, das vorzugsweise durch die kontinuierliche Phase benetzbar ist.
  • Die filtrierende Wandung kann eine Membran sein, die zum Beispiel Poren mit einem Durchmesser von 0,01 bis 10 um umfaßt.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Trennen eines Gemisches, das wenigstens eine kontinuierliche Phase I und wenigstens eine dispergierte Phase II umfaßt, wobei eine der Phasen eine als schwer bezeichnete Phase und die andere eine als leicht bezeichnete Phase ist. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß man das zu trennende Gemisch in eine oben erwähnte Vorrichtung so einbringt, daß das Fließen der Phasen I und II entlang dem Durchgang eine Rotationsbewegung verursacht, welche zu einer differenzierten Verschiebung der leichten Phase und der schweren Phase führt und daß die kontinuierliche Phase I wenigstens teilweise die filtrierende Wandung durchquert.
  • Auf diese Weise bleibt die Geschwindigkeit des Gemisches im Laufe der Trennung ausreichend hoch.
  • Das Verfahren und die Vorrichtung können vorteilhafterweise zur Trennung eines aus zwei flüssigen Phasen gebildeten Gemisches eingesetzt werden.
  • Man kann es auch auf ein aus einer wässerigen flüssigen Phase und wenigstens einer organischen flüssigen Phase gebildetes Gemisch anwenden.
  • Man kann auch mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Gemisch trennen, bei dem die kontinuierliche Phase eine gasförmige Phase aufweist.
  • Das Gemisch kann auch eine dispergierte Phase aufweisen, die eine gasförmige Phase oder wenigstens eine feste Phase umfaßt.
  • Die relative Anordnung der Elemente der vorliegenden Erfindung gestattet es, zu erhalten:
  • - eine Verringerung der Polarisation und/oder des Zusetzens der filtrierenden Wandung oder Membran aufgrund der Existenz einer Zentrifugalkraft, deren Richtung senkrecht zur Wandung und der des Membranflusses des Permeates entgegengesetzt ist.
  • - eine hohe und auf der gesamten filtrierenden Wandung konstante Zirkulationsgeschwindigkeit des Retentats durch die Veränderung des Durchgangsquerschnittes.
  • - wenn notwendig, die Möglichkeit, eine mechanische kontinuierliche Reinigung der filtrierenden Wandung durch Schaben oder Bürsten durchzuführen.
  • Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher anhand der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
  • - Fig. 1, 2 zeigen eine Filtrationsvorrichtung ohne bewegliche Teile, bei der die schraubenförmige Oberfläche eine variable Ganghöhe hat;
  • - Fig. 3, 4 und 5 zeigen eine Variante der Vorrichtung aus Figuren 1 und 2, bei der die schraubenförmige Oberfläche eine konstante Ganghöhe hat und die undurchlässige Oberfläche einen variablen Schnitt hat;
  • - Fig. 6 bis 8 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Gesamtheit aus Filtrationsmembran, undurchlässiger Oberfläche und schraubenförmiger Oberfläche in Rotation angetrieben ist; und
  • - Fig. 9 bis 11 stellen eine Ausgestaltung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung dar, bei der das schraubenförmige Teil in Relativbewegung in Bezug auf die Membran angetrieben ist.
  • Die Vorrichtung, die nachfolgend beschrieben wird, gestattet es, ein Gemisch, das eine kontinuierliche Phase I und eine dispergierte Phase II enthält, durch Durchgang durch eine Filtrationswandung wie etwa eine Membran zu trennen, wobei eine der Phasen als leichte Phase und die andere Phase als schwere Phase bezeichnet wird, und ist so konstruiert, daß das zu trennende oder zu filternde Gemisch in Rotation versetzt wird und die so erzeugte Zentrifugalkraft eine differenzierte Bewegung der leichten Phase und der schweren Phase hervorruft und die kontinuierliche Phase wenigstens teilweise durch die filtrierende Wandung hindurchtritt.
  • Die Vorrichtung in Figur 1 ist angepaßt an die Trennung eines Gemisches, in dem die dispergierte Phase II die leichtere Phase und die kontinuierliche Phase I die schwerere Phase ist. Sie umfaßt einen im wesentlichen zylindrischen Behälter 1, in dem eine im wesentlichen zylindrische koaxiale Filtrationswandung 5 wie etwa eine Membran angeordnet und durch zwei Oberflächen, eine interne 5a und eine externe 5b der Leitungen zum Zuführen 2 des Gemisches und zum Abführen 3, 4 des Permeates bzw. des Retentates des zu trennenden Gemisches begrenzt ist. In dem durch die interne Oberfläche 5a gebildeten ringförmigen Raum 6 sind ein koaxiales internes Teil 7, das eine mit dem Behälter 1 einstückige Achse A bildet, und ein mit dem Teil 7 einstückiges schraubenförmiges Teil 8 angeordnet.
  • Die externe Oberfläche 5b und die interne Seite des Behälters 1 begrenzen einen ringförmigen Raum 9, in dem das Per meat gesammelt wird, das anschließend über die Abführleitung 3 abgeführt wird.
  • Das Retentat wird im ringförmigen Raum 6 gesammelt und über die Leitung 4 abgeführt.
  • Eine der Verwendungsmöglichkeiten der Vorrichtung besteht darin, das zu trennende Gemisch, das die kontinuierliche Phase I und die dispergierte Phase II umfaßt, durch die Leitung 2 einzuführen. Das Gemisch wird aufgrund seines Strömens an dem schraubenförmigen Teil 8 entlang in Rotation geführt. Die Teilchen der leichten Phase bleiben aufgrund der so erzeugten Rotationsbewegung näher an der Achse A, was ein Zusetzen der Poren der Membran verhindert, wohingegen die schwerere kontinuierliche Phase durch die Membran hindurchtritt. Im Laufe seines Fortschreitens in der Vorrichtung verarmt das die zwei Phasen I und II umfassende Gemisch an kontinuierlicher Phase I, während das Permeat durch die Membran 5 hindurchtritt, um in dem Raum 9 gesammelt und über die Leitung 3 abgeführt zu werden, wohingegen die Konzentration der dispergierten Phase im verbleibenden Gemisch im Laufe seines Strömens an dem schraubenförmigen Teil und dem Ringraum 6 entlang zunimmt, bevor es über die Leitung 4 (Retentat) abgeführt wird.
  • Die Zirkulation des Gemisches in einer Schraubenbewegung ermöglicht es, die Konzentrationspolarisierung und/oder das Zusetzen der Membran einerseits durch einen Scherkrafteffekt und andererseits durch einen Zentrifugaleffekt zu verringern, der dazu neigt, die dispergierte Phase in eine andere Richtung als die des Permeattlusses durch die Membran anzutreiben.
  • Damit diese zwei Effekte über die gesamte Länge der Strömung voll wirksam werden können, ist es notwendig, auf deren ganzer Länge die Zirkulationsgeschwindigkeit konstant oder wenigstens ausreichend hoch zu halten. Wenn der schraubenförmige Durchgangsquerschnitt konstant bleibt, nimmt diese Geschwindigkeit aufgrund der mit dem Durchtritt von Permeat durch die Membran verbundenen fortschreitenden Verringerung des Gemischdurchsatzes ab.
  • Hierfür wird vorzugsweise ein schraubenförmiges Teil 8 verwendet, bei dem die Ganghöhe und gleichzeitig der Durchgangsquerschnitt fortschreitend verringert sind. Die Verringerung der Ganghöhe p(i) der Windung i eines schraubenförmigen Teiles aus n Windungen ist vorzugsweise gleich
  • p(i) = p(o) x (1- P(i)/Q(o))
  • gewählt, wobei
  • p(o) die Ganghöhe der ersten berücksichtigten Windung (in Meter),
  • p(i) die Ganghöhe der Windung i,
  • Q(o) der Eingangsdurchsatz (in m³/h),
  • Q(i) der aus der Windung i austretende Konzentratdurchsatz und
  • der von den i ersten Windungen aufgenommene Permeatdurchsatz (in m³/h) ist. Wenn der Permeatfluß F (in m³/m/h) an sämtlichen Windungen als konstant angenommen werden kann, wobei L der Umfang der Membran ist, kann diese Beziehung folgendermaßen aufgelöst werden:
  • In dem Maße, wie die Konzentration des Retentates an dispergierter Phase zunimmt, steigt die Gefahr, daß die filtrierende Wandung sich zusetzt. Um eine Verringerung des Flusses in diesem Abschnitt zu vermeiden, ist es möglich, die Ganghöhe der entsprechenden Windungen zu verringern und infolgedessen lokal die Zirkulationsgeschwindigkeit des Permeates und die Scherkraft an der Wandung zu erhöhen.
  • Eine solche Vorrichtung eignet sich insbesondere für die Trennung einer aus zwei flüssigen Phasen gebildeten Emulsion, wobei die leichtere Phase die dispergierte Phase bildet. Sie eignet sich zum Beispiel zur Trennung einer Emulsion von Öl in Wasser. Das Öl bildet dann die dispergierte Phase II und das Wasser die kontinuierliche Phase I.
  • Fig. 2 zeigt eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die angepaßt ist, um ein Gemisch zu trennen, bei dem die dispergierte Phase II die schwerere und die kontinuierliche Phase I die leichtere Phase ist.
  • Die Vorrichtung umfaßt einen im wesentlichen zylindrischen Behälter 10, der mit Leitungen zum Zuführen 2 des Gemisches und zum Abführen 30, 40 des Permeates bzw. des Retentates des zu trennenden Gemisches ausgestattet ist, in der eine rohrförmige koaxiale Membran 50 angeordnet ist, die zwei Oberflächen, eine externe 50a und eine interne 50B, aufweist.
  • Die externe Oberfläche 50a der Membran 50 und die interne Oberfläche 10a des Behälters 10 begrenzen einen ringförmigen Raum 60, in dem ein schraubenförmiges Teil 80 angeordnet ist.
  • Die interne Oberfläche 50b begrenzt einen zentralen Raum 90, in dem das Permeat gesammelt wird, bevor es über die Leitung 30 abgeführt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann in folgender Weise angewandt werden: Das aus der dispergierten Phase und der kontinuierlichen Phase bestehende zu trennende Gemisch wird in den Behälter 10 durch die Einführleitung 2 eingeführt. Das Gemisch wird aufgrund seiner Strömung entlang dem schraubenförmigen Teil 80 in Rotation geführt, und die Teilchen der schweren Phase sind einer Zentrifugalkraft aufgrund der so erzeugten Rotationsbewegung ausgesetzt, entfernen sich von der Membran, was das fortschreitende Zusetzen der Poren der Membran verhindert, wohingegen die leichte kontinuierliche Phase durch die Membran hindurchtritt. Im Laufe seiner Fortbewegung in der Vorrichtung verarmt das die zwei Phasen umfassende Gemisch an kontinuierlicher Phase I, die durch die Membran hindurchtritt und in dem zentralen Raum 90 gesammelt und über die Leitung 30 abgeführt wird, wohingegen der verbleibende Teile des Gemisches sich im Laufe seines Strömens entlang dem schraubenförmigen Teil an dispergierter Phase anreichert und anschließend über die Leitung 40 abgeführt wird.
  • Genauso wie bei der in Figur I beschriebenen Vorrichtung werden die zwei Effekte der Scherkraft und der Zentrifugalkraft optimiert, indem ein schraubenförmiges Teil 80 verwendet wird, dessen Ganghöhe fortschreitend verkleinert ist, wodurch die Zirkulationsgeschwindigkeit auf einem konstanten Wert gehalten werden kann.
  • Eine solche Vorrichtung eignet sich insbesondere für die Trennung einer aus zwei flüssigen Phasen gebildeten Emulsion, wobei die schwerere Phase die dispergierte Phase bildet. Sie eignet sich zum Beispiel für die Trennung einer Emulsion von Wasser in Öl. Das Öl bildet dann die kontinuierliche Phase I und das Wasser die dispergierte Phase II.
  • Die Leitung zum Einführen 2 des zu trennenden Gemisches in den Behälter 1, 10 ist vorzugsweise an einem der Enden des Behälters angeordnet, wohingegen die Leitung zum Abführen des Retentates 4, 40 am gegenüberliegenden Ende angeordnet ist.
  • Eine andere Weise, eine konstante Zirkulationsgeschwindigkeit des Gemisches während seines Strömens entlang dem internen schraubenförmigen Teil, mit dem die Trennvorrichtung ausgestattet ist, aufrecht zu erhalten, ist in Bezug auf die in den Figuren 3, 4, 5 dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben&sub0; Die Verringerung des schraubenförmigen Durchgangsquerschnittes wird in diesem Fall durch eine fortschreitende Verringerung des Abstandes zwischen dem Außendurchmesser und dem Innendurchmesser des schraubenförmigen Durchgangsquerschnittes erhalten.
  • Die in Figur 3 schematisch dargestellte Vorrichtung ist besonders geeignet zum Trennen eines Gemisches, das eine relativ leichte dispergierte Phase und eine kontinuierliche Phase, die die schwerere Phase ist, umfaßt. Sie umfaßt auch einen zylindrischen Behälter 1, eine ebenfalls zylindrische Filtrationsmembran 5 und in deren Innerem ein kegelstumpfartiges Teil 11, dessen Grundfläche an dem der Leitung zum Einführen 2 des Gemisches gegenüberliegenden Ende des Behälters angeordnet ist, ein schraubenförmiges Teil 12 mit konstanter Ganghöhe, dessen Außendurchmesser im wesentlichen gleich dem der Filtrationswandung ist, das zwischen dem kegelstumpfartigen Teil 11 und der Filtrationswandung angeordnet ist.
  • Eine Leitung zum Abführen 4 des Retentates durchquert vorzugsweise die Grundfläche des Kegels 11 in deren zentralem Bereich und mündet in einen Durchgangsabschnitt, der zwischen dem kegelstumpfartigen Teil und der Filtrationswandung liegt.
  • Wenn das Gemisch, das die zwei zu trennenden Phasen umfaßt, eingeführt wird, werden die Tropfen der leichten Phase um das Teil 11 versammelt, wobei aufgrund der Kegelstumpfform des zentralen Teiles 11 während der gesamten Dauer der Trennung die Zirkulationsgeschwindigkeit des Gemisches im wesentlichen konstant und ausreichend hoch bleibt.
  • Die Vorrichtung in Figur 4 ist eine Variante der in Figur 3 dargestellten Vorrichtung, die zum Trennen eines Gemisches angepaßt ist, bei dem die dispergierte Phase die schwerere und die kontinuierliche Phase die leichtere Phase ist.
  • Die Verringerung des schraubenförmigen Durchgangsquerschnittes wird in diesem Fall mit Hilfe eines hohlen Teiles 13 erhalten, das die Rolle des Behälters spielt und dessen Innenquerschnitt von einem ersten Ende, wo die Leitung zum Einführen 2 einmündet, fortschreitend zu einem gegenüberliegenden Ende hin abnimmt. Wie bei der Ausgestaltung der Figur 2 ist die Membran 50 entlang der Achse des Behälters angeordnet. Zwischen der Membran und dem Behälter 13 ist ebenfalls ein schraubenförmiges Teil 14 angeordnet, dessen Ganghöhe zum Beispiel im wesentlichen konstant entlang der Zirkulationsleitung ist. Sein Außenquerschnitt ist an den des Behälters 13 angepaßt und nimmt somit in Strömungsrichtung des zu trennenden Gemisches fortschreitend ab.
  • Der innere Schnitt des Behälters 13 ist vorzugsweise kegelstumpfartig, wobei die Leitungen zum Abführen des Retentates 40 und des Permeates 30 in Höhe des kleinsten Querschnittes angeordnet sind, der so den Abführungsquerschnitt bildet.
  • Figur 5 zeigt eine besondere Anordnungsweise der Erfindung mit zwei Filterstufen, die insbesondere an die Trennung eines Gemisches angepaßt ist, das drei Phasen umfaßt, wobei die dispergierten Phasen II und III jeweils leichter bzw. schwerer als die kontinuierliche Phase I sind.
  • Diese Ausgestaltung ist besonders gut geeignet zum Trennen von mit festen Teilchen belastetem ölhaltigem Wasser.
  • Die Vorrichtung resultiert in diesem Fall aus der Kombination der durch die Figuren 3 und 4 beschriebenen Vorrichtungen und umfaßt zwei aufeinanderfolgende Filtrationsstufen. Die Vorrichtung umfaßt einen zylindrischen Behälter 15, in dem eine koaxiale Membran 16 angeordnet ist, deren interne Oberfläche 16a vorzugsweise durch die wäßrige Phase des zu trennenden Gemisches benetzbar ist.
  • Die externe Oberfläche 16b der Membran 16 und die interne Oberfläche des Behälters 15 begrenzen einen ringförmigen Raum 17, in dem das Permeat gesammelt wird, das anschließend durch eine radiale Leitung 3 abgeführt wird.
  • Im Raum des Behälters 15 innerhalb der Membran 16 ist ein kegelstumpfartiges Teil 18 angeordnet. Der Schnitt dieses Teiles 18 wird von einem ersten Ende des Behälters 15 bis zu seinem gegenüberliegenden Ende hin kleiner. Zwischen der Membran 16 und diesem Teil 18 ist ein schraubenförmiges Teil 19 angeordnet, dessen Ganghöhe vorzugsweise konstant ist und dessen äußerer Schnitt an den inneren Schnitt der Membran 16 angepaßt ist.
  • Innerhalb des undurchlässigen Teiles 18 ist entlang seiner Achse ein durchbrochenes Rohr 20 angeordnet, das zum Beispiel aus einem Gitter gebildet ist.
  • Die interne Oberfläche des kegelstumpfartigen Teiles 18 und die externe Oberfläche des durchbrochenen Rohres 20 begrenzen einen ringförmigen Raum 21, in dem sich ein schraubenförmiges Teil 22 befindet, das vorzugsweise koaxial angeordnet ist und eine konstante Ganghöhe aufweist. Der äußere Schnitt dieses schraubenförmigen Teiles 22 ist an den abnehmenden Schnitt des ringartigen Raumes 21 angepaßt.
  • Das Gemisch, das die verschiedenen zu trennenden Phasen umfaßt, wird ins Innere des Teiles 18 durch eine Leitung 2 eingeführt und dann durch seine Strömung entlang der schraubenförmigen Oberfläche 22 in Rotation geführt. Die festen Teilchen sammeln sich unter Wirkung der Zentrifugalkraft entlang des massiven Teiles 18, bevor sie durch eine Leitung 23 abgeführt werden, die zum Beispiel am zweiten Ende des Behälters angeordnet ist. Sie bleibt so vom Gitter 20 beabstandet, was ein fortschreitendes Zusetzen desselben verhindert. Die flüssigen, leichteren Phasen durchqueren das Gitter 20 und werden tangential durch eine Leitung 24 in den zweiten Filtrationsabschnitt, als Sekundärfiltrationsabschnitt bezeichnet, wieder eingeführt, der durch das schraubenförmige Teil 19, die Membran 16 und das Teil 18 definiert ist. Durch die Zentrifugalkraft wenig beeinflußt bleiben die leichteren Tropfen nahe an der undurchlässigen Oberfläche 18, wodurch eine Polarisation und/oder ein fortschreitendes Zusetzen der Poren der Membran 16 vermieden wird. Die schwerere flüssige Phase hingegen tritt durch die Membran 16 hindurch und wird durch die Leitung 3 abgeführt. Das Teil 18 hat insbesondere die Wirkung, eine Zirkulationsgeschwindigkeit des zu trennenden Gemisches während seines Strömens entlang der Achse der Vorrichtung konstant zu halten. Infolgedessen bleibt die Scherung an der Wand über die gesamte Membranoberfläche stark. Das Konzentrat wird durch die Leitung 25 und das Permeat durch die Leitung 3 abgeführt.
  • Die in den Figuren 1 bis 6 dargestellten Vorrichtungen sind dadurch gekennzeichnet, daß sie kein bewegtes Teil enthalten. Die auf das Gemisch wirkende Zentrifugalkraft ist verursacht durch die Zirkulation des entlang des schraubenförmigen Teiles in Rotation angetriebenen Gemisches. In Kontakt mit der unbeweglichen filtrierenden Wandung verschwindet die tangentiale Geschwindigkeit des Fluides. In diesem Bereich des Fluides ist die Zentrifugalkraft vernachlässigbar und die Scherung stark.
  • Die durch Abwandlung der Vorrichtung aus Figur 3 enthaltenen Ausgestaltungen der Figuren 6 und 7 umfassen ein Mittel zum Verringern der Scherung an der Wand und zum Reduzieren der Druckverluste, wobei dennoch die Bildung einer Polarisationsschicht der Membran vermieden wird.
  • Die Ausgestaltung der Figur 6 wird dadurch erhalten, daß die Membran 5, das schraubenförmige Teil 8 und die Achse A fest verbunden und in Bezug auf den Behälter 1 drehbeweglich gemacht werden. Die Achse A kann von einem Motor drehangetrieben werden und teilt ihre Drehbewegung der Membran 5 mit. Die Achse A ist mit der Membran 5 durch Befestigungsmittel wie Arme B verbunden, die in der Nachbarschaft der zwei Enden des Behälters 1 angeordnet sind. Der ringartige Konzentratsammelraum und der ringartige Permeatsammelraum 9 sind voneinander durch wenigstens eine Dichtung 26 getrennt. Die Dichtigkeit des Ausganges der Welle A ist durch eine Dichtung 27 sichergestellt. Die Drehrichtung der Achse A ist vorzugsweise identisch der der Zirkulation des Gemisches in dem schraubenförmigen Teil 8.
  • Die auf der Membran abgeschiedenen Teilchen der leichten Phase erwerben eine Winkelgeschwindigkeit und sind einer Zentrifugalkraft senkrecht zur Membran in Gegenrichtung zur Richtung des Flusses von Permeat durch die Membran ausgesetzt. Allgemein haben alle Teilchen der dispergierten Phase aufgrund ihrer Bewegung in dem schraubenförmigen Teil eine um den Wert der Drehgeschwindigkeit der Achse A erhöhte tangentiale Geschwindigkeit und sind deshalb einer stärkeren Zentrifugalbeschleunigung ausgesetzt als im Fall einer statischen Vorrichtung.
  • Das selbe Prinzip kann angewandt werden, indem man die Achse A, die Membran 5 und das schraubenförmige Teil 8 unter der Wirkung der Zirkulation des Gemisches frei rotieren läßt Diese in Figur 7 gezeigte Alternative hat den Vorteil, daß sie kein externes mechanisches Antriebsmittel verwendet. Im Fall von geringem Durchsatz oder starken Reibungen ist die Achse A zum Beispiel mit longitudinalen Stegen AL (Figur 8) versehen.
  • Die in den Figuren 9 bis 12 gezeigten Ausführungsformen unterscheiden sich wesentlich dadurch, daß das schraubenförmige Teil 8 und die Membran 5 gegeneinander bewegt sind.
  • Die mit dem schraubenförmigen Teil 8 fest verbundene Achse A (Figur 9) ist durch Aussparungen 28a und 28b in Rotation geführt, die außerdem die Zentrierung sicherstellen. Die Rotation kann durch Verwendung von Lagern verbessert werden.
  • Bei dieser Ausgestaltung sind das undurchlässige Teil 7 und das Teil 8 unter Wirkung der Strömung des Gemisches in freier Drehung angetrieben (Figur 9).
  • Man kann auch (Figur 10) externe mechanische Antriebsmittel (nicht dargestellt) verwenden, um die Achse A in Drehbewegung zu versetzen, in diesem Fall ist die Drehgeschwindigkeit der Achse A in Abhängigkeit von der gewünschten Frequenz des Überstreichens der inneren Oberfläche 5b der Membran 5 durch den peripheren Bereich des schraubenförmigen Teiles 8 gewählt. Dichtungen 29 stellen die Dichtigkeit des Ausgangs der Welle A sicher. Die Drehrichtung der Achse A, angegeben durch den Pfeil in der Figur, ist durch die Pumpbedingungen des zu trennenden Gemisches festgelegt. Der Kontakt zwischen der Peripherie des schraubenförmigen Teiles 8 und der Membran 5 ist relativ eng, um ein Durchtreten des die zwei Phasen I und II umfassenden Gemisches zwischen benachbarten Windungen zu vermeiden. Die Reinigung der Membran wird so kontinuierlich durch die axiale Bewegung des Endes des schraubenförmigen Teiles bewirkt, das die in Kontakt mit ihm befindliche Oberfläche überstreicht.
  • Um die Reinigung der Membran zu verbessern, ist das schraubenförmige Teil zum Beispiel an seiner Peripherie mit mechanischen Einrichtungen wie etwa Bürsten oder Schabern versehen, die es erlauben, die Reinigung der Membran zu verbessern.
  • Gemäß der Ausgestaltung der Figur 11 kann das der Achse A entsprechende undurchlässige Teil 7 zu einer alternierenden Translationsbewegung angeregt werden. In diesem Fall umfaßt die Vorrichtung eine Rille 30, in der ein Keil 31 gleitet, der die Rolle eines Anschlages spielt. Diese Alternative gestattet eine punktuelle manuelle oder automatische Reinigung der Membran.
  • Die vorstehend beschriebenen Anordnungen gestatten es, die mechanische Reinigung der unbeweglichen Membran durch die axiale Bewegung des peripheren Bereiches des schraubenförmigen Teiles 8 auf der Membran und die Destabilisierung der Polarisierungsschicht sicherzustellen.
  • Die Eigenschaften der Membranen wie etwa die Benetzbarkeit, Dicke, Größe der Poren, Zusammensetzung sind dem Fachmann wohlbekannt und in Abhängigkeit von dem die zwei zu trennenden Phasen aufweisenden Gemisch gewählt. So ist es im Fall der Filtration von nicht mischbaren Flüssigkeiten bevorzugt, daß die Membranen 5, 50 nicht durch die dispergierte Phase benetzbar sind. Je nach Granulometrie der dispergierten Phase liegt die Größe der Poren der Membran zum Beispiel zwischen 0,01 und 10 µm und kann sehr nah an der Größe der Teilchen liegen, ohne ein fortschreitendes Zusetzen der Membran zu riskieren. Diese Porengröße ist insbesondere angepaßt an die Trennung einer Emulsion. Es ist ebenfalls möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, Membranen zu verwenden, deren Porengröße zum Beispiel zwischen 0,001 und 0,01 µm liegt, um feinere Teilchen zu trennen. Die Membran kann eine asymmetrische Struktur aufweisen, die eine homogene sehr feine Haut von 0,1 bis 0,5 µm Dicke und eine Unterschicht von 100 bis 200 µm Dicke mit wesentlich poröserer Textur aufweisen, abgeschieden auf einem makroporösem Träger, der ihr eine gute mechanische Festigkeit verleiht. Die Membran kann aus einem synthetischen Polymermaterial wie etwa Polysulfon, Polyacrylnitril, Polyamid oder einem mineralischen Material bestehen, das zum Beispiel durch Sintern von Kohlenstoff-, Aluminiumoxyd- oder Zirkoniumdioxydteilchen gebildet ist.
  • Bei allen zuvor beschriebenen Ausgestaltungen ist die Zufuhrleitung 2 des Gemisches vorzugsweise tangential in Bezug auf den kreisförmigen Querschnitt des Behälters angeordnet, in den das Gemisch eingeführt wird. Dies gestattet es, daß In-Drehung-Versetzen des Gemisches um die Achse der Vorrichtung zu begünstigen.
  • Der Rahmen der Erfindung würde nicht verlassen durch ein Vervielfachen der Zahl der schraubenförmigen Durchgänge, zum Beispiel durch Anordnen einer Mehrzahl von koaxialen schraubenförmigen Teilen mit konstanter oder variabler Ganghöhe.
  • Der Rahmen der Erfindung würde nicht verlassen, wenn das interne schraubenförmige Teil keine zentrale Achse hätte.
  • Der Rahmen der Erfindung würde nicht verlassen, indem eine beliebige Anzahl von erfindungsgemäßen Vorrichtungen verbunden würde. Es ist möglich, zum Beispiel sie parallel zu verbinden, wobei der Durchsatz an verarbeitetem Gemisch auf die verschiedenen Vorrichtungen verteilt würde, oder sie in Reihe anzuordnen, wobei das aus einer Vorrichtung austretende Retentat auf eine andere Vorrichtung gegeben würde, um eine Ergänzung der Bearbeitung sicherzustellen.

Claims (17)

1. Vorrichtung zur Trennung eines Gemisches, das wenigstens eine kontinuierliche Phase I und wenigstens eine dispergierte Phase II umfaßt, wobei eine der Phasen eine als leicht bezeichnete Phase und die andere Phase eine als schwer bezeichnete Phase ist, welche Mittel zum Kanalisieren (8) eines Stromes des Gemisches, die daran angepaßt sind, ihn auf eine schraubenförmige Bewegung längs einer Zentralachse (A) zu übertragen und Mittel zum Filtrieren (5) umfaßt, wobei die Bewegung zu einer differenzierten radialen Verschiebung der leichten Phase und der schweren Phase unter Wirkung der Zentrifugalkraft führt, im Verlauf deren die kontinuierliche Phase I wenigstens teilweise die Mittel zum Filtrieren (5) passiert, die Mittel zum Kanalisieren (8) ein Teil (8) mit einer schraubenförmigen Form umfassen und die Mittel zum Filtrieren aus einer filtrierenden Wandung (5) gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der schraubenförmige Teil und die filtrierende Wand einen schraubenförmigen Durchgang definieren, dessen abnehmender Abschnitt fortschreitend über die gesamte Länge des Durchganges der Fließrichtung des Gemisches folgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Kanalisieren wenigstens eine undurchlässige Wandung (7) und wenigstens ein inneres Teil von schraubenförmiger Form (8) umfassen, die Mittel zum Filtrieren (5) wenigstens eine filtrierende Wandung umfassen, wobei die undurchlässige Wandung und die filtrierende Wandung beide eine Rotationssymmetrie um die Zentralachse zeigen und das schraubenformige Teil zwischen der undurchlässigen Wandung und der filtrierenden Wandung angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuierliche Phase die als schwer bezeichnete Phase ist, die filtrierende Wandung (5) zum Äußeren des schraubenförmigen internen Teiles (8) angeordnet ist und die undurchlässige Wandung (7) zum Inneren, wobei die undurchlässige Wandung beispielsweise durch die Achse des schraubenformigen internen Teiles gebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuierliche Phase die als leicht bezeichnete Phase ist, die filtrierende Wandung (5) zum Inneren des internen Teiles (8) von schraubenförmiger Form und die undurchlässige Wandung (7) zum Äußeren angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die fortschreitende Verminderung des Abschnittes des schraubenförmigen Durchganges durch eine Verminderung der Ganghöhe des schraubenförmigen Teiles (8) erhalten wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der transversale Abschnitt der undurchlässigen Wandüng fortschreitend variiert, um so einen schraubenformigen Durchgang des abnehmenden Abschnittes zu erhalten.
7* Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Kanalisieren eine kegelstumpfartige undurchlässige Wandung umfassen und eine zylindrische äußere undurchlässige Wandung umfassen, wobei die Wandungen koaxial verlaufen und die Mittel zum Filtrieren eine erste filtrierende Wandung, die aus einem im Inneren der kegelstumpfartigen undurchlässigen Wandung angeordneten Gitter besteht und einer zweiten filtrierenden Wandung, die außerhalb der kegelstumpfartigen undurchlässigen Wandung und im Inneren der zylindrischen undurchlässigen Wandung liegt, umfassen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das schraubenartige Teil und die filtrierende Wandung aus einem Stück bestehen und frei rotierbar sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie Antriebsmittel zur Rotation des internen Teiles von schraubenförmiger Form in bezug auf die filtrierende Wandung umfaßt und mechanische Mittel beinhaltet, welche die Reinigung der filtrierenden Wandung begünstigen, wie Bürsten und Abstreifer.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die filtrierende Wandung aus einem Material besteht, das vorzugsweise durch die kontinuierliche Phase benetzbar ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die filtrierende Wandung aus einer Membran besteht, welche Poren mit einem Durchmesser von zwischen 0,01 bis 10 µm umfaßt.
12. Verfahren zur Trennung eines Gemisches, das wenigstens eine kontinuierliche Phase I und wenigstens eine dispergierte Phase II umfaßt, wobei eine der Phasen eine als leicht bezeichnete Phase und die andere Phase eine als schwer bezeichnete Phase ist, dadurch gekennzeichnet, daß man das zu trennende Gemisch in den Durchgang der Vorrichtung nach Anspruch 1 so einbringt, daß das Fließen der Phasen I und II entlang dem Durchgang eine Rotationsbewegung verursacht, welche zu einer differenzierten Verschiebung der leichten Phase und der schweren Phase führt und daß die kontinuierliche Phase I wenigstens teilweise die filtrierende Wandung durchquert.
13. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder des Verfahrens nach Anspruch 12 zur Trennung eines aus zwei flüssigen Phasen gebildeten Gemisches.
14. Verwendung nach Anspruch 13, wobei das Gemisch aus einer wäßrigen flüssigen Phase und wenigstens einer organischen flüssigen Phase gebildet ist.
15. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder des Verfahrens nach Anspruch 12 zur Trennung eines Gemisches, für welches die dispergierte Phase eine gasförmige Phase umfaßt.
16. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder des Verfahrens nach Anspruch 12 zur Trennung eines Gemisches, für welches die dispergierte Phase wenigstens eine feste Phase umfaßt.
17. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder des Verfahrens nach Anspruch 12 zur Trennung eines Gemisches, für welches die kontinuierliche Phase I eine gasförmige Phase umfaßt.
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