DE69628824T2

DE69628824T2 - Filtrationskontroll- und regulationssystem

Info

Publication number: DE69628824T2
Application number: DE69628824T
Authority: DE
Inventors: William Thomas BECK; Humphry John Jardine Drummond; Andrew Ian MAXWELL; Thomas Warren Johnson; Brett Kensett-Smith
Original assignee: USF Filtration and Separations Group Inc
Current assignee: Siemens Industry Inc
Priority date: 1995-03-15
Filing date: 1996-03-15
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2016-03-16
Also published as: ATE354428T1; DE69638053D1; CN1178480A; TW317506B; EP0814887A4; DE69636927D1; EP1300186A1; AU4931996A; ES2211945T3; WO1996028236A1; EP0814887A1; ATE243551T1; CN1067907C; CA2214997C; DE69636927T2; EP0814887B1; NZ303096A; EP1300186B1; PH11996052654B1; CA2552610C

Description

Die Erfindung betrifft Ultrafiltrations- und Mikrofiltrationssysteme und insbesondere Test-, Überwachungs- und Steuerungssysteme, die mit Membranfiltrationssystemen verwendet werden.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf ihre Anwendung auf Fasermembranfiltrationssysteme beschrieben wird, ist sie selbstverständlich auch auf Ultrafiltrations-/Mikrofiltrationssysteme im Allgemeinen anwendbar und nicht auf die spezifische beschriebene Anwendung beschränkt.
Hintergrundtechnik
Fasermembranfiltration ist ein hochentwickeltes Verfahren, das den Einsatz einer großen Anzahl hohler röhrenförmiger mikroporöser Fasern beinhaltet. Jede Faser ist so angepasst, dass das Fließen des Filtrats von der Außenseite der Faser durch Mikroporen in der Faserwand ins Innere der Faser ermöglicht wird, wobei Verunreinigungen aus dem Filtrat zurückgehalten werden. Die Poren können beispielsweise einen Durchmesser von etwa 0,2 μm haben.
In der Praxis werden viele tausend Fasern zu einem Bündel zusammengefasst und in einem Gehäuse eingeschlossen, wobei die gesamte Anordnung als Modul bezeichnet wird (siehe 2). Das Gehäuse 6 ist üblicherweise zylinderförmig und die Fasern 7 erstrecken sich der Länge nach hindurch. Die Enden des Gehäuses sind versiegelt, üblicherweise mit einem Harz o. ä., das als Vergussmaterial bezeichnet wird und an jedem Ende einen Pfropfen 8 bildet. Die Enden der Hohlfasern 7 erstrecken sich durch den Vergusspfropfen 8 und sind darin eingeschlossen, so dass das Innere jeder der Fasern 7 an beiden Enden in Kommunikation mit der Außenseite des Moduls steht. Dies ermöglicht die Entfernung des Filtrats von zwei Endpunkten. Alternativ können sich beide Enden jeder Faser durch das Vergussstück erstrecken und an einem Ende des Moduls 5 in Kommunikation mit der Außenseite stehen, oder die Fasern an einem Ende können sich durch das Vergussstück erstrecken und die anderen Faserenden sind versiegelt.
Wie 1 zeigt, sind die Module 5 üblicherweise (aber nicht unbedingt) in "Reihen" 9 angeordnet, die jeweils eine Reihe Module 5 umfassen, die sich ein Sammelrohr 10 teilen, wobei die Reihen in bestimmter Weise angeordnet sind.
Beim Einsatz wird die Beschickung oder ein zufließender Strom in den Raum geleitet, der sich zwischen der Außenseite der Fasern und dem Inneren eines Modulgehäuses befindet. Filtrat fließt durch die mikroporöse Membran der Fasern 7 in das Innere der Fasern und anschließend entlang der sich durch den Pfropfen 8 erstreckenden Fasern zur Außenseite des Moduls und üblicherweise in ein Sammelrohr.
Der Betrieb des Filtrationssystems wird normalerweise durch eine Anzahl von Ventilen 11 gesteuert, die den Zufluss der Beschickung ins System, den Filtratfluss, die Rückwäsche der Filter mit Gas und/oder Filtrat sowie die Einleitung von Benetzungsmitteln und speziellen chemischen Reinigungsmitteln während der Rückwäsche steuern. Diese Ventile 11 werden typischerweise pneumatisch durch Pressluft betrieben, wobei der Pressluftstrom zu jedem Ventil durch eine elektrisch betriebene Magnetspule gesteuert wird.
Der Betrieb des Systems kann durch Detektoren überwacht werden, die den Strom des Fluids, den Druck des Fluids, die Temperatur und andere Parameter an verschiedenen Punkten im System steuern. In das System können Rückkoppelungsschleifen eingebaut sein, um sicherzustellen, dass das System nach vorher festgelegten Steuerungsbedingungen betrieben wird.
Während des Einsatzes verstopfen die Fasern durch filtrierte Verunreinigungen und müssen in regelmäßigen Abständen "rückgewaschen" werden, um die Verunreinigungen zu entfernen und die Effizienz der Filtration zu erhalten. Die Häufigkeit und Art der Rückwäsche hängt vom Zustand und Typ des filtrierten Zufuhrstroms ab. 3 zeigt den Rückgang des Flusses bei verschiedenen Beschickungstypen. In vielen Situationen ist der Zustand des Zufuhrstroms dynamisch, und deshalb ist es schwierig vorherzusagen, wann und wie oft eine Rückwäsche erforderlich ist. Dies kann dazu führen, dass das System so eingestellt ist, dass es mit der schlimmsten denkbaren Situation fertig wird, und deshalb ineffizient läuft.
Darüber hinaus müssen bei der Wahl von Größe, Anzahl und Typ der Module 5, die erforderlich sind, wenn man eine Filtrationsanlage für einen speziellen Zweck entwickelt, verschiedene Faktoren berücksichtigt werden. Beispielsweise müssen die Kapazität der Anlage, das erforderliche Ausmaß der Filtration, die nötigen Rückwäschen und die Art des zu filtrierenden Zufuhrstroms jeweils untersucht werden. Einige dieser Faktoren sind zwar relativ leicht messbar, doch die Quantifizierung der Eigenschaften des speziellen Zufuhrstroms hat sich als schwierig erwiesen. Die Ingenieure, die solche Anlagen entwickeln, neigten in dieser Hinsicht bisher dazu, die Beschaffenheit des Zufuhrstroms auf der Grundlage früherer Erfahrungen mit ähnlichen Beschickungsströmen abzuleiten. Um sicher zu gehen, dass ein spezielles Filtrationsergebnis erreicht wird, kann die Anlage so gestaltet werden, dass für den Zufuhrstrom der schlimmste mögliche Fall vorausgesetzt wird. Der Ingenieur muss dann diese Annahmen bezüglich des Zufuhrstroms ins Gleichgewicht zu Größen- und Kostenbeschränkungen sowie den anderen vorstehend erörterten Faktoren bringen.
Das Problem der Beurteilung eines Zufuhrstroms verschlimmert sich, wenn es sich um einen ungewöhnlichen oder einzigartigen Zufuhrstrom handelt. In solchen Fällen sind möglicherweise umfangreiche und kostspielige Tests mit Maßstabsmodellen erforderlich, um die Auswirkungen des speziellen Zufuhrstroms auf den erwünschten Typ Filtereinheit zu beurteilen. Dies erhöht die Kosten für die Entwicklung und Konstruktion von Filtrationsanlagen erheblich, besonders wenn viele verschiedene Filtereinheiten getestet werden sollen.
In US-A-2,278,295 ist ein Verfahren zur Verbesserung der Filtration von Fluids beschrieben, bei dem der Druckunterschied des Fluids über das Filtrationssystem hinweg wie beschrieben gemessen wird. Die Geschwindigkeit, mit der sich dieser Druck verändert, wird kontinuierlich gemessen, und man nimmt die sich daraus ergebenden Änderungen an der Filtrationsdauer kontinuierlich vor.
GB-A-225 372 beschreibt ein System, bei dem der Strömungswiderstand eines Filters gemessen und der auf den Filter aufgebrachte Druck entsprechend eingestellt wird.
JP-A-57-050 642 beschreibt ein System, bei dem die Auswirkung verstopfender Teilchen usw. auf einen Filter gemessen wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen oder mehrere dieser Nachteile des Standes der Technik auszuschalten oder zumindest wesentlich zu bessern.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung in zumindest einem ihrer Aspekte besteht darin, ein Steuerungs- und Überwachungssystem zur Verfügung zu stellen, das den Zustand des Zufuhrstroms in Echtzeit feststellen und das Filtrationssystem als Antwort auf den Zustand des Zufuhrstroms entsprechend steuern kann.
Offenbarung der Erfindung
In einem ersten Aspekt stellt die Erfindung eine Methode zum Bestimmen der Blockierungswirkung eines Zufuhrstroms auf einen Filter in einem Ultrafiltrations- oder Mikrofiltrationssystem zur Verfügung, wobei der Filter bekannte Betriebseigenschaften aufweist. Dieses Verfahren umfasst folgende Schritte:

i) Durchleiten des Zufuhrstroms durch einen Filter mit bekannten Betriebseigenschaften;
ii) Ermitteln der Änderungen des Durchflusswiderstandes des Zufuhrstroms über den Filter, entweder kontinuierlich oder über eine Anzahl von Zeitintervallen; und
(iii) Berechnen eines Zufuhrblockade-Index (FFI = feed fouling index) der für die Blockierungseigenschaften des Zufuhrstroms bezüglich des Filters steht, aus diesen Daten, wobei der FFI durch Auftragen der Widerstandsänderung über den Filter als Funktion des filtrierten Volumens und Messen des Gradienten einer so aufgetragenen Kurve an einem Punkt oder einem Intervall, an dem die Kurve sich einer geraden Linie annähert, berechne

In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Veränderung im Widerstand dadurch gemessen werden, dass man das kumulative Volumen des mit der Zeit durch den Filter fließenden Zufuhrstroms abliest. Alternativ können Druckmessvorrichtungen auf beiden Seiten des Filters angeordnet sein, um Widerstandsänderungen, ausgedrückt als Druckabfall über die Membran hinweg (TMP = transmembrane pressure drop), zu übermitteln.
In einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein Online-Verfahren zum Überwachen und Steuern eines Filtersystems zur Verfügung, das folgende Schritte umfasst:

(i) Ermitteln des Widerstandes von Filterelementen, die im Filtersystem verwendet werden, durch Überwachung einer Anzahl von Betriebsparametern des Systems;
(ii) Berechnung eines Zufuhrblockade-Indexes (FFI), der für die blockierende Natur des Zufuhrstroms für das Filtersystem steht, unter Anwendung des in (i) bestimmten Widerstandswertes; und
(iii) Steuern des Betriebs des Filtersystems in Abhängigkeit vom Wert des berechneten FFI, wobei der FFI durch Auftragen der Widerstandsänderung über den Filter (5) hinweg als Funktion des filtrierten Volumens und Messen des Gradienten in einer so aufgetragenen Kurve an einem Punkt oder einem Intervall, in dem die Kurve sich einer geraden Linie annähert, berechnet wird.

Selbstverständlich kann das Filtrationssystem auf verschiedene Weise gesteuert werden, wobei man den FFI als Steuerungsfaktor einsetzt. Beispielsweise kann der Rückwaschzyklus für eine spezielle Beschaffenheit des Zufuhrstroms optimiert und abhängig von der Beschaffenheit des Zufuhrstroms kontinuierlich dynamisch variiert werden. Ähnlich kann das System ein Verfahren zum Selbststart auf der Basis der Beschaffenheit eines anfänglichen Beschickungsstroms zur Verfügung stellen, das die Leistung des Filtersystems bei der ersten Installation optimiert.
Insbesondere hat sich die Erfindung als nützlich zum Messen des Blockadecharakters einer Rückwaschlagune erwiesen. Das Filtrationsverfahren trennt die einfließende Beschickung in ein Filtrat und einen Rückwaschstrom. Der Rückwaschstrom macht typischerweise 10% des einfließenden Zufuhrstroms aus. Bei einigen Anwendungen ist es wichtig, dass man versucht, so viel Flüssigkeit wie möglich aus dem Rückwaschstrom zurückzugewinnen, z. B. bei Filtrationssystemen in Dürregebieten. In diesen Fällen setzt sich die Flüssigkeit aus der Rückwäsche normalerweise in einer Lagune ab. Der Überstand aus der Lagune wird dann wieder zur Vorderseite der Filtrationsanlage geleitet und mit dem einfließenden Zu fuhrstrom versetzt bzw. gemischt. Indem man den Strom des Überstandes an- und abstellt, kann die blockierende Eigenschaft der Lagune dadurch überwacht werden, dass man die Veränderungen im FFI feststellt. Wenn die blockierende Eigenschaft des Überstandes übermäßig zunimmt, was sich an einem ansteigenden FFI zeigt, kann veranlasst werden, dass das System dieses Problem entweder automatisch korrigiert oder den Betreiber darauf aufmerksam macht, dass er eingreifen sollte.
In einer speziellen Ausführungsform stellt die Erfindung ein Offline-Verfahren zur Bestimmung des möglichen blockierenden Effekts eines Zufuhrstroms zur Verfügung, das folgende Schritte umfasst:

i) Durchleiten einer Probe des Zufuhrstroms mit einem vorbestimmten Druck durch einen Filter mit bekannten Betriebseigenschaften, wobei der berechnete FFI für die blockierenden Eigenschaften der Zufuhrstromprobe auf den bekannten Filter steht.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren zusätzlich den Schritt, den FFI in Beziehung zu einem zweiten FFI zu setzen, der für einen in einer Filtrationseinheit verwendeten Membranfilter berechnet wurde.
Der FFI sollte dadurch berechnet werden, dass man die Veränderung im Widerstand über den Filter hinweg als Funktion des filtrierten Volumens aufträgt und den Gradienten einer so aufgetragenen Kurve an einem Punkt oder einem Intervall, in dem die Kurve sich einer im Wesentlichen geraden Linie annähert, misst.
Die Veränderung im Widerstand des Filters sollte dadurch gemessen werden, dass man das kumulative Volumen des Zufuhrstroms, der den Filter passiert hat, an einer Anzahl vorbestimmter Zeitpunkte misst.
In anderen Ausführungsformen kann man Druckmessvorrichtungen zum Messen oder Abschätzen der Veränderungen im Widerstand des Filters im Laufe der Zeit messen oder schätzen.
Der FFI sollte durch einen Computer in Antwort auf den Eingang der Widerstands- oder Druckdaten berechnet werden. In einer besonders bevorzugten Aus führungsform extrapoliert der Computer die eingegebenen Daten, um einen genaueren FFI zu liefern.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Vorrichtung zur Verwendung bei der Bestimmung des möglichen blockierenden Effekts eines Zufuhrstroms durch das Verfahren nach dem vorstehenden ersten Aspekt zur Verfügung, die umfasst:

– einen Filter mit bekannten Eigenschaften;
– Mittel zum Durchleiten einer Probe des Zufuhrstroms durch den Filter mit vorgegebenem Druck;
– Mittel zum Messen der Widerstandsänderung gegenüber dem Strom des Zuführstroms durch den Filter im Laufe der Zeit, und quantitative Berechnung eines FFI, der die blockierende Natur des Zufuhrstroms auf den Filter anzeigt, basierend auf der gemessenen Widerstandsänderung gegen den Durchstrom, um den möglichen blockierenden Effekt des Zufuhrstroms auf andere bekannte Filter abzuschätzen.

Vorzugsweise umfasst das Mittel zum Durchleiten der Probe des Zufuhrstroms durch den Filter einen Behälter zum Aufnehmen der Probe und Mittel, um die Probe in dem Behälter unter Druck zu setzen, damit die Probe bei einem vorgewählten Druck zum Filter geleitet wird.
Vorzugsweise ist das Mittel, mit dem der Druck erzeugt wird, eine manuell betriebene Pumpe. Stärker bevorzugt werden der Behälter und die Vorrichtung zur Erzeugung von Druck in Form eines modifizierten, manuell betriebenen Rasensprengers bereitgestellt.
Das Filterelement sollte vom Typ Celluloseacetat sein. Besonders erwünscht ist die Verwendung eines Celluloseacetatfilterpapiers von 0,2 μm.
In einer Ausführungsform liegt der Regler in Form eines einstellbaren Ventils vor, in dem ein Druckmesser enthalten ist. Bevorzugt befindet sich ein zweiter Druckmesser In-Line zwischen dem Behälter und dem Regler.
Vorzugsweise sind ein oder mehrere manuell betriebene Ventile vorgesehen, um den Apparat anzulassen und zu reinigen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, die lediglich als Beispiel dienen, werden jetzt anhand folgender Zeichnungen vorgestellt.
1 zeigt ein typisches Querstrom-Mikrofiltrationssystem;
2 eine detaillierte Querschnittsansicht eines in 1 verwendeten Fasermoduls;
3 unterschiedliche Typen eines Flussrückgangs im Laufe der Zeit;
4 die Kurve der Widerstandseigenschaften einer Membran;
5 die Widerstandskurve im Vergleich zum Filtratvolumen nach der Rückwäsche;
6 ist ein schematisches Diagramm eines Apparates nach dem ersten Aspekt der Erfindung;
7 zeigt ein Schnappschussprofil, das man aus einer Filtrationsmaschine mit übermäßigen Rückbenetzungsdruckspitzen erhalten hat; und
8 einen Schnappschuss der gleichen Maschine wie in 7, in der der Fehler korrigiert wurde.
Methoden zur Ausführung der Erfindung
In einer bevorzugten Form der Erfindung umfasst das Überwachungs- und Steuerungssystem ein dediziertes Computersystem, das Schnittstellen zur verschiedenen Sensor- und Überwachungsvorrichtungen aufweist. Diese sind so angeordnet, dass sie ausgewählte Betriebsparameter des Systems überwachen. Gesteuert durch die Systemprogramme reagiert der Prozessor auf die eingegebenen Parameter, um den Betrieb des Filtrationssystem zu steuern. Abgesehen von der Steuerung des Systembetriebs kann das Steuerungs- und Überwachungssystem darauf programmiert werden, die Systemleistung, die Protokollierung von Daten und die Systemtelemetrie regelmäßig zu testen.
Wie vorstehend ausgeführt, hat sich der FFI als guter Indikator für den Zustand des Zufuhrstroms erwiesen. Dieser Index ist eine Funktion dafür, wie blockierend der Zufuhrstrom wirkt, und ändert sich mit der Beschaffenheit des Zufuhrstroms. Der FFI für ein spezielles System kann wie folgt berechnet werden:
Darin gilt:
R = der Strömungswiderstand (m^–1), typischerweise 10¹²;
n = die Viskosität des Zufuhrstroms (Pans), von dem man annimmt, dass er Wasser ist;
ΔP = Druck über die Membran hinweg (Pa), oft auch als TMP bezeichnet;
Q = Fluss durch die Membran (m³sec^–1) und
A = Membranfläche (m²)
Wenn Flüssigkeit durch die Membran fließt, wird sie verschmutzt, und der Widerstand steigt an. In vielen Fällen ist dieser Anstieg proportional zur Flüssigkeitsmenge, die die Membran passiert hat. Eine Kurve der Widerstandseigenschaften ist in 4 zu sehen.
Darin gilt:
R_f = Strömungswiderstand aufgrund einer blockierenden Schicht;
R_m = Strömungswiderstand, wenn V = 0.
FFI = Zufuhrblockadeindex, typischerweise 0 – 500 x 10¹²m^–2 und
V = Volumen des durch die Membran geleiteten Filtrats
Die Leistung einer bestimmten Faser im Vergleich zu einer Standardfaser wird durch den Wert MMP angegeben, wobei MMP für die Standardfaser als 1 definiert ist. Folglich ist für eine Membran X
Dabei gilt:
MMP_x = Membranporosität für die Faser x;
FFI_x = Zufuhrblockadeindex für die Faser x und
FFI_MSF = Zufuhrblockadeindex für eine Standardfaser bei dem gleichen Zufuhrstrom, wie er für FFI_X verwendet wird.
Der Zufuhrblockadeindex (FFI) kann dazu verwendet werden, die Effizienz des vorgeschalteten Verfahrens aus kontinuierlichen Mikrofiltrationsanlagen zu messen. Wenn beispielsweise ein Bioreaktor dazu verwendet wird, sekundäres Abwasser oder behandeltes Altpapier zu erzeugen, oder wenn ein Klärmittel zur Trinkwasseraufbereitung verwendet wird, liefert der FFI eine Schätzung über die Menge suspendierter Feststoffe und deren Beschaffenheit (Teilchengröße, Komprimierbarkeit usw.). Durch Veränderung der Betriebsparameter dieses vorgeschalteten Verfahrens und Überwachung kann der FFI für das kontinuierliche Mikrofiltrationsverfahren optimiert werden und ermöglicht so einen wirtschaftlicheren Betrieb.
Die Komprimierbarkeit einer Schmutzschicht ist das Maß des Anstiegs des Widerstands einer bestimmten Schmutzschicht, wenn der TMP zunimmt. Dies ist an einem sichtbaren Anstieg des FFI abzulesen. Einige Beschickungsströme lassen sich relativ schlecht komprimieren oder werden über einem TMP-Grenzwert leichter komprimierbar. In diese Kategorie fällt Flusswasser. Wenn jedoch die Menge "organischer" Feststoffe asteigt, wird auch die Komprimierbarkeit besser. Abwasser kann je nach seiner Beschaffenheit komprimiert werden. Wenn die Menge suspendierbarer Feststoffe hoch ist, insbesondere wenn Algen vorhanden sind, ist die Komprimierbarkeit hoch. Altpapier lässt sich besonders gut komprimieren.
Man hat festgestellt, dass sich sekundäres Abwasser guter Qualität (weniger als etwa 5 suspendierte Feststoffe und lösliche BOD) erheblich schlechter komprimieren lässt als übliches Abwasser oder sekundäres Abwasser minderer Qualität. Der FFI ist ebenfalls geringer, was sowohl einen stärkeren Fluss als auch die Verwendung eines höheren TMP gestattet. Letzterer verlängert die Zeiträume zwischen chemischen Reinigungsschritten und senkt dadurch die Betriebskosten des Systems.
Der Rückführungs-Druckabfall ist ein Maß der Blockierung von Modulen. Man hat festgestellt, dass sich der TMP beim Ausflocken von Abwasser zur Entfernung von Phosphat bei jeder Rückwäsche erholen kann. Auch wenn der maximal erreichte TMP möglicherweise gering bleibt, baut sich der Rückführungsdruck rasch auf. Dies wurde in Zusammenhang mit einem Aufbau der Feststoffe im Modul gebracht. Diese Faktoren können anstelle des üblicherweise genommenen maximalen TMP dazu verwendet werden, eine chemische Reinigung auszulösen.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform, die in 6 zu sehen ist, besteht die Erfindung aus einem Apparat 30, der dazu verwendet wird, mit der vorstehend beschriebenen Methode den möglichen Blockadeeffekt eines Zufuhrstroms zu bestimmen.
Der Apparat 30 umfasst einen Probenbehälter 31 und eine manuell betreibbare Druckpumpe 32. Ein Druckschlauch 33 reicht vom Inneren des Behälters 31 zu einem Filtergehäuse 34 und umfasst In-Line ein erstes von Hand verstellbares Ventil 35, das einen ersten Druckmesser 36 enthält. Ein zweiter Druckmesser 37 ist ebenfalls In-Line vorgesehen, wobei sich der Schlauch 33 zwischen dem Behälter 31 und dem Filtergehäuse 34 befindet. In einer alternativen Ausführungsform wird der Druckschlauch 33 weggelassen und das Ventil 35 verbindet das Innere des Behälters 31 direkt mit dem Filtergehäuse 34.
Das Filtergehäuse 34 wird so angepasst, dass es ein wegwerfbares Filterelement (nicht gezeigt) mit bekannten Betriebseigenschaften aufnehmen kann. In einer bevorzugten Ausführungsform verwendet man 0,2 μm Celluloseacetatfilterpapier.
Bei der Verwendung wird eine eingeleitete Probe in den Behälter 31 eingebracht. Der Apparat wird angelassen, und ein sauberes Filterelement wird im Filtergehäu se 34 installiert. Dann wird der Behälter mit der Handpumpe auf etwa 120 kPa unter Druck gesetzt.
Das erste Ventil 35 wird geöffnet, bis das Beschickungsfluid mit stabilen 50 kPa zum Filter geleitet wird. Das von der Auslassseite des Filtergehäuses 34 abfließende Filtrat wird in einem Messbecher (nicht gezeigt) aufgefangen. Am Ende jeder Minute wird das kumulative Volumen des Filtrats erfasst, bis etwa 16 Proben entnommen wurden.
Dann kann man den Strom anhalten und den Apparat als Vorbereitung für weitere Tests spülen und reinigen.
Die aufgezeichneten Daten für Zeit und das kumulative Volumen werden in ein eigentumsrechtlich geschütztes Softwareprogramm eingegeben, das den FFI des Zufuhrstroms gemäß den vorstehend erörterten mathematischen Beziehungen berechnet. Der FFI kann genauer berechnet werden, wenn man in der Software Standardwerte verwendet, die die Zeit/Volumen-Kurve extrapolieren. Weitere Techniken zur Datenmanipulation wie die Ermittlung des Durchschnitts oder Interpolation können auf ähnliche Weise eingesetzt werden.
Zum Zwecke des Anlassens und der Reinigung des Apparates können noch weitere Ventile 38 und 39 vorgesehen sein. Ferner können Ventile, Messvorrichtungen sowie Druck- oder Flusssensoren vorgesehen werden, um die Druck- und Fließeigenschaften der Beschickungsprobe auf andere Weise zu steuern oder zu messen.
Es wird darauf hingewiesen, dass der FFI eine Eigenschaft des Zufuhrstroms und des Filters ist. Durch Kalibrieren der Eigenschaften anderer Filtertypen mit verschiedenen FFIs kann der mögliche Blockadeeffekt eines speziellen Beschickungsstroms auf verschiedene Filtertypen mit einer einzigen Beschickungsprobe quantitativ geschätzt werden. Filtrationssysteme können entwickelt und im Maßstab auf ein bestimmtes Leistungsniveau angepasst werden, ohne dass dazu umfangreiche und kostspielige Testverfahren erforderlich sind.
Der FFI kann auch dazu verwendet werden, den Betrieb bereits existierender Filtrationssysteme zu optimieren und zu überwachen und etwaige Probleme zu beseitigen. In ihrer Online-Form kann man dank der Erfindung kontinuierliche oder regelmäßige Untersuchungen der Qualität des Beschickungsstroms vornehmen.
Dies macht es möglich, dass Rückwäsche- und Wartungszyklen mit maximaler Effizienz gefahren werden können.
Die Offline-Form der Erfindung kann dazu eingesetzt werden, Probleme bei existierenden Systemen zu lösen, bei denen keine Online-Tests stattfinden. Alternativ kann das Offline-System und insbesondere der beschriebene Apparat als wertvolles Instrument zur Messung der Beschaffenheit des Zufuhrstroms verwendet werden, ehe man das Filtrationssystem entwickelt. Eine quantitative Bestimmung der Qualität des Beschickungsstroms versetzt die Systemingenieure in die Lage, das wahrscheinliche Verhalten einer Vielzahl von Filtrationselementen als Antwort auf einen bestimmten Zufuhrstrom genauer vorherzusagen. Dies ist besondert dort wichtig, wo der Zufuhrstrom, der filtriert werden soll, von einem einzigartigen oder seltenen Typ ist.
Selbstverständlich sind die beschriebenen Formen der Erfindung nicht auf die vorstehend dargestellten spezifischen Ausführungsformen beschränkt, und es sind weitere Beispiele der Erfindung möglich, ohne ihren Rahmen zu verlassen.

Claims

Methode zum Bestimmen der Blockierungswirkung eines Zufuhrstroms auf einen Filter (5) in einem Ultrafiltrations- oder Mikrofiltrationssystem, wobei der Filter bekannte Betriebseigenschaften aufweist, das Verfahren umfassend die Schritte: (i) Durchleiten des Zufuhrstroms durch einen Filter (5) mit bekannten Betriebseigenschaften; (ii) Ermitteln der Änderungen des Durchflusswiderstandes des Zufuhrstroms über den Filter (5), entweder kontinuierlich oder über eine Anzahl an Zeitintervallen; und (iii) Berechnen aus diesen Daten eines Zufuhrblockade-Index (FFI = feed fouling index), der für die Blockierungseigenschaften des Zufuhrstroms bezüglich des Filters (5) steht, worin der FFI durch Auftragen der Widerstandsänderung über den Filter (5) als Funktion des filtrierten Volumens und Messen des Gradienten einer so aufgetragenen Kurve an einem Punkt oder einem Intervall, in dem die Kurve sich einer geraden Linie annähert, berechnet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die Widerstandsänderung durch Ablesen des kumulativen Volumens des durch den Filter (5) mit der Zeit hindurchtretenden Zufuhrstroms gemessen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin Druckmessvorrichtungen auf beiden Seiten des Filters (5) angeordnet sind, um die Widerstandsänderung, ausgedrückt als Druckabfall über die Membran hinweg (TMP = trans-membrane pressure drop), zu übermitteln.
Online-Verfahren zum Überwachen und Steuern eines Filtersystems (5), das Verfahren umfassen die Schritte: (i) Ermitteln des Widerstandes von Filterelementen, die im Filtersystem (5) verwendet werden, durch Überwachung einer Anzahl von Betriebsparametern des Systems; (ii) Berechnen eines Zufuhrblockade-Indexes (FFI = feed fouling index), der für die blockierende Natur des Zufuhrstroms für das Filtersystem (5) steht, unter Anwendung des in (1) bestimmten Widerstandswertes; und (iii) Steuern des Betriebs des Filtersystems in Abhängigkeit von dem berechneten Zufuhrblockade-Index (FFI), worin der FFI durch Auftragen der Widerstandsänderung über den Filter (5) als Funktion des filtrierten Volumens und Messen des Gradienten einer so aufgetragenen Kurve an einem Punkt oder einem Intervall, in dem die Kurve sich einer geraden Linie annähert, berechnet wird.
Off-live-Verfahren zum Ermitteln des möglichen blockierenden Effekts eines Zufuhrstroms unter Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verfahren den Schritt umfasst: (i) Durchleiten einer Probe des Zufuhrstroms mit einem vorbestimmten Druck durch einen Filter (5) mit bekannten Betriebseigenschaften; und worin der berechnete Zufuhrblockade-Index (FFI = feed fouling Index) für die blockierenden Eigenschaften der Zufuhrstromprobe auf den bekannten Filter (5) steht.
Verfahren gemäß Anspruch 5, zusätzlich umfassend den Schritt des In-Beziehungsetzens des FFI mit einem zweiten FFI, berechnet für einen Membranfilter zur Verwendung in einer Filtrationseinheit.
Verfahren gemäß Anspruch 5, worin der FFI durch Auftragen der Widerstandsänderung über den Filter (5) als eine Funktion des filtrierten Volumens und Messen des Gradienten einer so aufgetragenen Kurve an einem Punkt oder einem Intervall, in dem die Kurve sich einer im Wesentlichen geraden Linie annähert, berechnet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, worin die Widerstandsänderung des Filters (5) durch Aufzeichnen des kumulativen Volumens an Zufuhrstrom, das durch den Filter (5) hindurchgetreten ist, an einer Anzahl von vorbestimmten Zeitpunkten gemessen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, worin die Druckmessvorrichtungen zum Messen oder Abschätzen von Widerstandsänderungen im Filter (5) mit der Zeit eingesetzt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 5, worin der FFI über einen Computer in Antwort auf den Eingang der Widerstands- oder Druckdaten berechnet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, worin der Computer die eingegebenen Daten extrapoliert, um eine akkuratere bzw. genauere Berechnung des FFI bereitzustellen.
Vorrichtung zur Verwendung beim Bestimmen des möglichen blockierenden Effekts eines Zufuhrstroms über das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, die Vorrichtung umfassend: einen Filter (5) mit bekannten Eigenschaften; Mittel zum Durchleiten einer Probe des Zufuhrstroms durch den Filter (5) bei vorbestimmtem Druck; Mittel zum Messen der Widerstandsänderung gegenüber dem Strom des Zufuhrstroms durch Filter (5) mit der Zeit; und Mittel zum quantitativen Berechnen eines Zufuhrblockade-Index (FFI = feed fouling index), der die blockierende Natur des Zufuhrstroms auf den Filter (5) anzeigt, basierend auf der gemessenen Widerstandsänderung gegen den Durchstrom, um so die möglichen blockierenden Wirkungen des Zufuhrstroms auf andere bekannte Filter abzuschätzen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, worin das Mittel zum Durchleiten der Probe des Zufuhrstroms durch den Filter (5) einen Behälter (31) zum Aufnehmen der Probe und Mittel (32) zum Unter-Druck-setzen der Probe in dem Behälter (31) zur Übermittlung der Probe an den Filter (5) bei einem vorgewählten Druck umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, worin das Mittel zum Unter-Druck-setzen eine manuell betriebene Pumpe (32) darstellt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13 oder 14, worin der Behälter (31) und das Mittel zum Unter-Druck-setzen (32) in Form eines modifizierten, manuell betriebenen Rasensprengers bereitgestellt werden.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, worin der Filter (5) ein Filterelement vom Zelluloseacetat-Typ verwendet.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16, worin eines oder mehrere manuell betreibbare Ventile (35, 39) bereitgestellt werden, um ein Anlassen und Reinigen der Vorrichtung zu gestatten.