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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Filtrationsmembran-Modul, umfassend ein Filtergehäuse mit
einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss, und versehen
ist mit einer Membrankammer, in welcher ein Bündel von Filtrationsmembranen befestigt
ist, wobei die Filtrationsmembranen an beiden Enden des Filtrationsmembran-Moduls
in Membranhalterungen eingekapselt sind.
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Ein solches Filtrationsmembran-Modul
ist in der Praxis bereits bekannt. In diesem Filtrationsmembran-Modul
sind Kapillar- oder röhrenförmige Filtrations-Module
in einem Filtergehäuse
befestigt, und an den Enden von dem Filtergehäuse sind die Membranen in Membranhalterungen
eingekapselt, welche den Raum zwischen den Filtrationsmembranen
und dem Filtergehäuse
abschließen.
Ein zu filterndes Fluid strömt
durch die Kapillar- oder röhrenförmigen Filtrations-Module
und das die Membranwand durchströmende
Fluid, das Permeat, wird über eine
oder mehrere in der Wand von dem Filtergehäuse vorgesehene Öffnungen)
aus dem Filtrationsmembran-Modul ausgetragen.
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Der Nachteil dieses Filtrationsmembran-Moduls
besteht darin, dass eine starke Fluid-Strömung zu
den Öffnungen
in der Wand von dem Filtergehäuse
ausgetragen werden muss, welche Strömung zum Teil quer zu den Filtrationsmembranen
verläuft.
Dies resultiert in einer starken Querkraft, welche auf die Wände der
Filtrationsmembranen ausgeübt
wird und die versucht, die Filtrationsmembranen durch die Öffnungen
in der Wand von dem Filtergehäuse
zu schieben.
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Die Querkräfte können die Kapillar- oder röhrenförmigen Filtrations-Module
zusammendrükken, sodass
Fluid nicht durch die Filtrationsmembranen fließen kann, was die Leistung
des Filtrationsmembran-Moduls verringert. Darüber hinaus ist es sehr wahrscheinlich,
dass die Filtrationsmembranen beschädigt werden und möglicherweise
undicht werden.
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Überdies
ist der Spülvorgang
für die
Filtrationsmembranen bei weitem nicht optimal. Die Spülung ist
notwendig, da nach einiger Zeit die Filtrationsmembranen mit Bestandteilen
des zu filternden Fluids gesättigt
werden.
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Beim Spülen wird das Spülfluid über die Öffnungen
in der Wand von dem Filtergehäuse
zugeführt
und durchströmt
nun die Membranwand der Filtrationsmembran in der entgegengesetzten
Richtung. Bei diesem Vorgang werden die während des Filtrationsvorgangs
herausgefilterten Bestandteile von der Membranwand gespült und werden
von den Filtrationsmembranen ausgetragen, während ebenfalls Quer-, aber
nun umgekehrte Querkräfte
durch das Spülfluid
auf die Wände
der Filtrationsmembranen ausgeübt
werden. Des Weiteren erreicht das Spülfluid während des Spülvorganges
nicht in hinreichendem Maß alle
Filtrations-Module, sodass nicht alle Filtrations-Module ausreichend
gespült
werden und Bestandteile, welche herausgefiltert wurden und zurückgeblieben
sind, nicht zufrieden stellend entfernt werden.
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Das bekannte Filtrationsmembran-Modul kann
auch in einer solchen Weise verwendet werden, dass das zu filternde
Fluid über
die in dem Filtergehäuse
vorgesehenen Öffnungen
zugeführt
wird, sodass, im Gegensatz zu der normalen Verwendung, die Strömung in
umgekehrter Richtung erfolgt. Das Permeat sammelt sich nun innerhalb
der Filtrationsmembranen und wird über deren offene Enden ausgetragen.
Während
des Spülens
wird das Fluid über die
offenen Enden der Filtrationsmembranen zugeführt. Bei diesem Verfahren bleiben
alle vorstehenden Nachteile in voller Wirkung bestehen.
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Gemäß der Erfindung wird ein Filtrationsmembran-Modul
bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sammelrohr
in einem Abstand von den Enden des Filtrationsmembran-Moduls quer
zu den Filtrationsmembranen befestigt ist, und dieses mit zumindest
einer Sammelöffnung
zu der Membrankammer versehen ist.
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Dies stellt sicher, dass das Permeat
im Wesentlichen parallel zu den Filtrationsmembranen in der Richtung
der Sammelrohre strömt.
Als ein Ergebnis werden keine oder nur geringfügige Querkräfte auf die Filtrationsmembranen
ausgeübt.
Dies verhindert Beschädigungen,
und die Filtrationsmembranen werden nicht zusammengedrückt, was
eine Leistung ergibt, welche größer ist,
als wenn ein Modul ohne die Sammelrohre verwendet wird, während die
Größe des Filtrationsmembran-Moduls
konstant bleibt. Ein weiteres Ergebnis ist, dass das Spülfluid besser in
der Lage ist, die Filtrationsmembranen zu erreichen, wenn es über die
Sammelrohre zugeführt
wird. Auf diese Weise werden die Filtrationsmembranen besser gespült, sodass
die Reinigung verbessert wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Filtrationsmembran-Modul gekennzeichnet durch zumindest
eine Sammelkammer, die durch einen Anschluss mit dem zumindest einen
Sammelrohr in Verbindung steht. Dies sorgt für eine verbesserte Austragleistung
für das
Permeat. Die Sammelkammern können
auf verschiedene Arten verwirklicht werden. In einer ersten Variante
ist eine Sammelkammer vorgesehen, welche die Membrankammer ringförmig umgibt.
Eine zweite Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelkammer
ein Rohr ist, das in der Mitte der Membrankammer angeordnet ist.
Eine dritte Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelkammer
ein Satz von Rohren ist, die im Inneren der Membrankammer verteilt
sind. Das Einbeziehen einer Sammelkammer erlaubt dem Permeat, in
einer entsprechenden Weise ausgetragen zu werden und die Filterleistung
des Filtrationsmembran-Moduls optimal zu nutzen.
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Das zumindest eine Sammelrohr ragt
vorzugsweise durch oder in die Sammelkammer. Auf diese Weise kann
ein Sammelrohr einfach mit der Sammelkammer gekoppelt und im Inneren
von dem Filtergehäuse
befestigt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Filtrationsmembran-Modul dadurch gekennzeichnet, dass, wenn
mehr als ein Sammelrohr verwendet wird, nebeneinander liegende Sammelrohre relativ
zueinander gedreht und parallel zu der Längsachse des Filtrationsmembran-Moduls
befestigt sind. Somit sind die Sammelrohre gleichmäßig verteilt
im Inneren der Membrankammer befestigt, was die Permeatströmung parallel
zu den Filtrationsmembranen weiter fördert, und die Spülung der
Filtrationsmembranen weiter verbessert.
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Vorzugsweise ist der Querschnitt
eines Sammelrohres in der Längsrichtung
des Filtrationsmembran-Moduls größer oder
gleich dem Querschnitt in der Querrichtung des Filtrationsmembran-Moduls. Solch
eine Ausführungsform
der Sammelrohre erreicht, während
der Oberflächenbereich
des Querschnitts eines Sammelrohrs, in anderen Worten, die Austragleistung
eines Sammelrohrs, konstant bleibt, dass das Sammelrohr weniger
Raum in einem Querschnitt des Filtrationsmembran-Moduls beansprucht. Dies
bedeutet, dass in dem Filtrations membran-Modul mehr Filtrationsmembranen
untergebracht werden können,
und die Filtrationsleistung erhöht
wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
erstrecken sich die Sammelöffnungen
in den Sammelrohren im Wesentlichen in der Längsrichtung des Filtrationsmembran-Moduls.
Diese Ausführungsform verhindert,
dass ein Permeat in dem Filtrationsmembran-Modul in der kreisförmigen Richtung
strömt, was
an den Filtrationsmembranen quer gerichtet wäre. Dies trägt zu einer weiteren Verringerung
der Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung und eines Zusammendrückens der
Filtrationsmembranen, und daher zu einer weiteren Erhöhung der
Leistung bei.
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Vorzugsweise nimmt die Oberfläche der Sammelöffnungen
in den Sammelrohren von der Mitte des Filtrationsmembran-Moduls
radial nach außen zu.
In dieser Ausführungsform
kann das Verhältnis zwischen
Durchströmungsbereich
in dem Sammelrohr und den Filtrationsmembranen als eine Funktion des
radialen Abstands zu der Mitte des Filtrationsmembran-Moduls konstant gehalten
werden. Dies stellt eine weitere Verbesserung bezüglich des
parallel zu den Filtrationsmembranen strömenden Permeats.
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen erläutert,
in welchen gleiche Teile gleiche Bezugsziffern tragen und in welchen:
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1 einen
Längsschnitt
einer ersten bevorzugten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Filtrationsmembran-Moduls
zeigt;
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2 einen
Querschnitt der ersten in 1 dargestellten
bevorzugten Ausführungsform
zeigt;
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3 einen
Längsschnitt
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Filtrationsmembran-Moduls
zeigt;
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4 einen
Querschnitt der zweiten in 3 dargestellten
bevorzugten Ausführungsform
zeigt;
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5 einen
Längsschnitt
einer dritten bevorzugten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Filtrationsmembran-Moduls
zeigt;
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6 einen
Querschnitt der dritten in 5 dargestellten
bevorzugten Ausführungsform
zeigt;
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7 einen
Längsschnitt
einer vierten bevorzugten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Filtrationsmembran-Moduls
zeigt; und
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8 einen
Querschnitt der vierten in 7 dargestellten
bevorzugten Ausführungsform
zeigt.
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In der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsformen
wird angenommen, dass das zu filternde Fluid über den ersten Anschluss 22 zugeführt wird,
und das Permeat über
den zweiten Anschluss 42 ausgetragen wird. Daher wird der
ersten Anschluss als Einlass und der zweite Anschluss als Auslass
bezeichnet. Während
des Spülens
des Filtrationsmembran-Moduls wird das Spülfluid über den Auslass zugeführt. Die
beschriebenen Ausführungsformen
können
jedoch in einer solchen Weise angewendet werden, dass das zu filternde
Fluid über
den zweiten Anschluss zugeführt
wird, und das Permeat über
den ersten Anschluss ausgetragen wird. Bei diesem Anwendungsmodus
wird das Spülfluid
dann über
den ersten Anschluss zugeführt.
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Die 1 und 2 zeigen eine erste bevorzugte
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Filtrationsmembran-Moduls.
Das Modul besteht aus einem Filtergehäuse 10, welches mit
einer Membrankammer 20 versehen ist, in welchem ein Bündel von Membranen 21 eingebaut
ist, und einem Rohr 45, welches in dem Filtergehäuse 10 zentral
befestigt ist, wobei das Rohr als eine Sammelkammer 40 dient.
In der Praxis wird der Durchmesser der Filtrationsmembranen zwischen
0,2 und 15 mm variieren, obwohl die Erfindung nicht auf diese Parameter
beschränkt ist.
In der dargestellten Ausführungsform
weisen das Filtergehäuse 10 und
das Rohr 45 einen kreisförmigen Querschnitt auf, der
Querschnitt kann jedoch auch eine andere Gestalt besitzen.
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An den Enden von dem Filtergehäuse 10 sind
die Filtrationsmembranen 21 in Membranhalterungen 30 eingekapselt.
In dieser Ausführungsform dienen
die Membranhalterungen 30 auch als Halterungen für das Rohr 45,
und die Membranhlterungen 30 schließen den Raum zwischen den Filtrationsmembranen 21 und
den Wänden
der Membrankammer 20 ab.
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Das Filtergehäuse 10 und das Rohr 45 bestehen
vorzugsweise aus Kunststoff, wie etwa PVC, können jedoch auch aus Metall
oder einem anderen Material bestehen, welches inert gegenüber dem
zu filternden Fluid sein muss. Ein geeigneter Kunststoff wird jedoch
bevorzugt, da der Kunststoff im Allgemeinen dem zu filternden Fluid
gegenüber
chemisch inert sein wird, nicht korrodiert, einfacher zu bearbeiten und
leichter im Gewicht ist. In der dargestellten Ausführungsform
umfassen die Membranhalterungen 30 ein in den Filtrationsmembran-Modulen
aufgebrachtes Harz, in welchem die Filtrationsmembranen 21 eingebettet
sind. An den beiden Enden des Filtrationsmembran-Moduls sind die
Filtrationsmembranen 21 offen. Die nicht abgedichteten
Enden der Sammelkammer 40 wirken als Auslass 42.
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Sammelrohre 50, welche durch
das Rohr 45 durchführen,
sind befestigt. Diese Sammelrohre 50 sind im Wesentlichen
senkrecht durch das Rohr 45 angeordnet, und mit Sammelöffnungen 51 versehen. In
der in 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform
sind zwei nebeneinander liegende Sammelrohre 50 in Bezug
aufeinander immer um 60° gedreht,
wie aus 2 ersichtlich.
Zwischen den in 1 gezeigten
Sammelrohren 50 gibt es zwei weitere Sammelrohre 50,
welche um 60° und
120° in
Bezug auf ein linkes bzw. rechtes Sammelrohr 50 gedreht
sind. Die Anzahl der notwendigen Sammelrohre 50 wird von
der besonderen Anwendung abhängen,
welcher das Filtrationsmembran-Modul unterliegt, und von den Filtrationseigenschaften
der Filtrationsmembranen.
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Eine zweite Ausführungsform ist in den 3 und 4 dargestellt. Diese zweite Ausführungsform
ist großteils
identisch mit der ersten Ausführungsform.
In diesem Fall sind Halterungen 30, welche z. B. ein Harz
umfassen, jedoch über
den gesamten Querschnitt der beiden Enden des Filtrationsmembran-Moduls
vorgesehen. Die Halterungen dichten die Enden des Filtrationsmembran-Moduls
vollständig
ab, nicht jedoch die Filtrationsmembranen 21. Die Sammelkammer 40 steht
mit dem in der Wand von dem Filtergehäuse vorgesehenen Auslass 42 mit tels
Rohren 60 in Verbindung. Die Rohre 60 können als
Sammelrohre 50 konstruiert sein, sie können aber auch ohne Sammelöffnungen 51 sein.
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Die 5 und 6 zeigen eine dritte bevorzugte
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Filtrationsmembran-Moduls.
In dieser Ausführungsform
ist die Sammelkammer 40 zwischen dem Filtergehäuse 10 und
einem im Inneren von dem Filtergehäuse 10 befestigten
Rohr 46 ausgebildet. Das Rohr 46 hält die Filtrationsmembranen 21 und
an den Enden des Filtrationsmembran-Moduls sind die Filtrationsmembranen
in Membranhalterungen 30 eingekapselt, welche den Raum
zwischen den Filtrationsmembranen 21 und der Sammelkammer 40 abschließen, das
heisst, das Rohr 46. In dieser dritten Ausführungsform
kann die Membranhalterung 30 ebenfalls aus einem in dem
Rohr 46 vorgesehenen Harz gebildet sein. Die nicht abgedichteten
Enden der Sammelkammer 40 wirken als Auslass 42.
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Sammelrohre 50, welche durch
das Rohr 46 durchführen,
sind befestigt, ragen in die Sammelkammer 40 und sind mit
Sammelöffnungen 51 versehen.
Die Sammelrohre erstrecken sich im Wesentlichen senkrecht zu dem
Rohr 46 und somit auch zu der Sammelkammer 40.
In der in den 5 und 6 dargestellten dritten Ausführungsform
sind zwei nebeneinander liegende Sammelrohre 50 in Bezug
aufeinander immer um 90° gedreht,
wie aus 6 ersichtlich.
Zwischen den in 5 dargestellten
Sammelrohren 50 gibt es ein weiteres Sammelrohr 50.
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Die Wahl der Länge der Sammelrohre 50 in der
Art, dass sie dem inneren Durchmesser von dem Filtergehäuse 10 entsprechen,
und die Anordnung der Schnittpunkte in dem Rohr 46, durch
welches ein Sammelrohr 50 vorragt, diametral in Bezug aufeinander,
erlaubt es, das Rohr 46, welches die Filtrationsmembranen
hält, in
dem Filtergehäuse 10 zu
zentrieren. Das Rohr 46 kann auch mit Hilfe der Sammelrohre 50 in
dem Filtergehäuse 10 befestigt
werden.
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Eine vierte bevorzugte Ausführungsform
ist in den 7 und 8 dargestellt. Diese Ausführungsform
ist großteils
identisch mit der dritten Ausführungsform.
In diesem Fall sind Halterungen, welche z. B. ein Harz umfassen,
jedoch über
den gesamten Querschnitt der beiden Enden des Filtrationsmembran-Moduls
vorgesehen. Die Halterungen dienen als Membranhalterungen 30 und
als Halterungen 31 für das
Rohr 46 in dem Filtergehäuse 10, wobei die Halterungen
die Enden des Filtrationsmembran-Moduls vollständig abdichten, nicht jedoch
die Filtrationsmembranen. Eine in der Wand von dem Filtergehäuse 10 vorgesehene Öffnung wirkt
als Auslass 42.
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In der Praxis wird ein zu filterndes
Fluid durch den Einlass 22 in die Filtrationsmembranen 21 des
Filtrationsmembran-Moduls der bevorzugten Ausführungsformen eingespeist. Das
Fluid kann die Membranwand durchströmen, mit Ausnahme eines oder
mehrerer Bestandteile in dem Fluid, welcher) die Wand nicht durchdringen
kann können,
und welcher) auf diese Weise aus dem Fluid herausgefiltert wird/werden.
Der Teil des Fluids, welcher die Wand durchdrungen hat, das Permeat,
muss nun ausgetragen werden. Dieser Austrag erfolgt über die
Sammelöffnungen 51 in
die Sammelrohre 50, wonach das Permeat von den Sammelrohren 50 über Schnittpunkte 52 in
die Sammelkammer 40 strömt.
Danach kann das Permeat die Sammelkammer 40 über den Auslass 42 verlassen.
In der Wand der Sammelkammer 40, welche benachbart zu der
die Filtrationsmembranen umfassenden Membrankammer liegt, sind außer für die Sammelrohren 50,
keine Schnittpunkte vorgesehen. Nachdem die Sammelrohre 50 in
der Sammelkammer 40 befestigt worden sind, müssen die
Sammelrohre 50 die Schnittpunkte 41 abdichten.
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Mittels der Sammelrohre 50 und
der Sammelöffnungen 51 wird
erreicht, dass das Permeat in der Längsrichtung des Filtrationsmembran-Moduls, d.
h. parallel zu den Filtrationsmembranen und nicht in der radialen
Richtung zu der Sammelkammer 40, zu den Sammelrohren 50 strömt. Dadurch
wird vermieden, dass radiale Querkräfte auf die Filtrationsmembranen
aufgebracht werden, welche die Filtrationsmembranen beschädigen oder
zusammendrücken
könnten.
Dies verbessert auch in hohem Ausmass den Spülvorgang der Filtrationsmembranen.
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In den gezeigten bevorzugten Ausführungsformen
sind die Sammelöffnungen 51 derart
in den Sammelrohren 50 angeordnet, dass die Sammelöffnungen 51 im
Wesentlichen in die Längsrichtung
des Filtrationsmembran-Moduls gerichtet sind und nicht in die Querrichtung.
Dies verhindert, dass Fluid in der kreisförmigen Richtung zu den Sammelöffnungen 51 strömt, und
dadurch Querkräfte
in der kreisförmigen Richtung
auf die Filtrationsmembranen 21 aufbringt.
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Wie aus den 2, 4, 6 und 8 ersichtlich, nimmt die Anzahl der Filtrationsmembranen
in radialer Richtung zu. Demgemäß muss die
Oberfläche
der Sammelöffnungen 51 in
den Sammelrohren 50 in der radialen Richtung vergrößert werden,
um die mögliche
Bildung einer radial gerichteten Permeatströmung zu den Sammelöffnungen 51 zu
verhindern. Dies wird erreicht, indem die Größe der Sammelöffnungen 51 in
den Sammelrohren 50 in radialer Richtung, beginnend von
der Mitte des Filtrationsmembran-Moduls nach außen, vergrößert wird. Alternativ kann
die Anzahl der Sammelöffnungen 51 in
der Richtung vergrößert werden,
oder eine lange Sammelöffnung 51,
deren Öffnung
sich in der vorstehend genannten Richtung weitet, kann in den Sammelrohren 50 vorgesehen
sein. Dies verbessert auch die Zufuhr von Spülfluid für die Reinigung der Filtrationsmembranen.
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Damit die Sammelrohre 50 in
der kreisförmigen
Richtung des Filtrationsmembran-Moduls so wenig Platz wie möglich einnehmen,
während
die Sammelrohre 50 noch immer einen ausreichenden Querschnitt
aufweisen, um das Permeat auszutragen, wird das Sammelrohr 50 derart
gewählt,
dass die Abmessung in der Querrichtung in Bezug auf das Filtrationsmembran-Modul kleiner ist
als die Abmessung in der Längsrichtung.
Das bedeutet, dass mehrere Filtrationsmembranen in dem Filtrationsmembran-Modul
untergebracht werden können,
und das Modul kleiner konstruiert werden kann, während die Leistung konstant
bleibt.
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Es ist möglich, mehr als eine Sammelkammer
in das Filtrationsmembran-Modul einzubauen.