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Die vorliegende Erfindung betrifft
das technische Gebiet des Austauschs von Stoffen oder der Molekül- oder
Partikeltrennung. Bei dem obigen bevorzugten Gebiet findet der Gegenstand
der Erfindung eine besonders vorteilhafte Anwendung auf dem Gebiet
der Nanofiltration, der Ultrafiltration, der Mikrofiltration, der
Filtration oder der Umkehrosmose.
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Auf dem Gebiet des Austauschs von
Stoffen weist eine Anlage im Allgemeinen ein Fütrationsmodul auf, das eingangseitig
mit einem Kreislauf zur Zuleitung eines fluiden Mediums und ausgangseitig
mit einem Kreislauf zur Ableitung des fluiden Mediums verbunden
ist. Das Filtrationsmodul weist allgemein eine Reihe von Kanälen auf,
die in einem steifen Träger
angeordnet sind und in denen das fluide Medium zirkuliert.
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Im Allgemeinen sind ein oder mehrere
Kanäle
in röhrenförmigen Filtrationselementen
angeordnet. Jedes Filtrationselement ist von einem porösen Träger gebildet,
in dem ein oder mehrere Kanäle
angeordnet sind, deren Innenfläche
mit wenigstens einer Trennschicht versehen ist, deren Art und Morphologie
angepasst sind, um die Trennung der Moleküle oder der Partikel, die in
dem in den Kanälen
zirkulierendem flüssigen
Medium enthalten sind, zu gewährleisten.
Ein solches Filtrationselement vollzieht durch Siebwirkung eine
Trennung der Molekül-
oder Partikelarten von zu behandelnden Produkten in dem Maße wie alle
Moleküle
oder Teilchen, die größer sind
als der Durchmesser der Poren der Trennschicht, abgefangen werden.
Das Filtrationselement unterteilt somit das eintretende Volumen
in ein erstes Volumen, das als Filtrat oder Permeat bezeichnet wird
und das die Moleküle
oder Partikel enthält,
die das Filtrationselement durchquert haben, und in ein zweites
Volumen, das die Moleküle
oder Partikel enthält,
die durch das Filtrationselement zurückgehalten werden. Es ist somit
bekannt, ein Austauschgerät auszubilden,
das ein Filtrationsmodul bildet, welches eine Reihe von röhrenförmigen Filtrationselementen enthält, die
Seite an Seite innerhalb eines Gehäuses angeordnet sind. Es kann
so ein Modul gebildet werden, das 252 röhrenförmige Filtrationselemente mit einem
Außendurchmesser
von 10 mm oder 37 röhrenförmige Elemente
mit einem Außendurchmesser von
25 mm enthält.
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Es ist jedoch offensichtlich, dass
das zu behandelnde fluide Medium heterogene Elemente, wie Blasen
oder Stoffagglomerate enthält.
Derartige heterogene Elemente, deren Größe variabel ist, können das
Verstopfen der Zirkulationskanäle
hervorrufen, in dem Maße
wie der Kanal für
das Fluid nicht mehr zugänglich
ist. Hieraus ergibt sich eine Verminderung der Austausch- oder Filtrationsfläche. Außerdem ist festgestellt
worden, dass derartige heterogene Elemente zur Zerstörung des
Trägers,
in dem die Kanäle für die Zirkulation
des Fluids angeordnet sind, führen konnten.
Denn die Module sollen einem Reinigungsvorgang mittels chemischer
Reagenzien unterzogen wurden, welche die in den Kanälen abgelagerten Stoffe
angreifen, derart, dass sie von dem porösen Träger gelöst werden. Nun kann das Vorhandensein eines
heterogenen Elements einer relativ großen Masse nicht durch die chemischen
Reagenzien zerstört
werden. Im Gegenteil, die heterogenen Elemente erfahren eine Abbaureaktion,
die zu einer Volumenänderung
der heterogenen Elemente führt,
die nun in der Lage sind, auf die Wände der Kanäle einen derartigen Druck auszuüben, dass
der Träger
bricht.
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Es wurde ebenfalls festgestellt,
dass die heterogenen Elemente, wie Blasen, zu einer Zerstörung der
Träger
führen
können.
Denn Luftblasen treten in dem zu behandelnden Medium aufgrund einer schlechten
Befüllung
der Anlage oder bei Kavitationen der Zirkulationspumpen oder einer
Entgasung des Fluids auf. Wenn Blasen in der Anlage bleiben, kann
ihr Innendruck entsprechend ihres Durchgangs in dem Austauschmodul
zunehmen. Diese Energieansammlung in den Blasen wird zu einem gegebenen
Zeitpunkt ihre Entspannung in Form eines Wasserschlages verursachen.
Die durch diesen Wasserschlag entwickelte Welle kann dann die Zerstörung der
Austauschträger
bewirken.
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Auf dem technischen Gebiet der Wärmeaustauscher
ist bekannt, vor dem Eingang der Tauscherrohre eine Vorrichtung
anzubringen, die von einer mit Löchern
durchsetzten Platte gebildet ist, wobei der Durchmesser der Löcher kleiner
ist als der Durchlassquerschnitt der Tauscherrohre.
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Jedoch ist der Einsatz einer solchen
Platte an einem Filtrationsmodul in der Praxis nicht zufriedenstellend.
Denn das Zwischenschalten einer solchen Platte auf dem Zirkulationsweg
des Fluids führt dazu,
dass die Leistungen des Moduls aufgrund des erzeugten Druckverlustes
nachlassen. Des Weiteren muss beachtet werden, dass die Löcher dieser
Platte relativ häufig
durch heterogene Elemente, die sich auf der Platte absetzen, verstopft
werden können.
Es kommt folglich zu einem Leistungsverlust, und es wird erforderlich,
relativ häufige
Instandhaltungsarbeiten vorzunehmen.
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Der Gegenstand der Erfindung hat
folglich zum Ziel, die vorgenannten Nachteile dadurch zu beheben,
dass eine Vorrichtung vorgeschlagen wird, durch die vermieden werden
kann, dass heterogene Elemente eines fluiden Mediums, das in einem
Filtrationsgerät
zirkulieren soll, die Austauschfläche reduzieren oder die Filtrationselemente
zerstören.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht
darin, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die ausgebildet ist, um das
Verstopfen der Kanäle
für die
Zirkulation des Fluids zu vermeiden und die gleichzeitig einen geringen
Druckverlust für
den Fluiddurchgang sowie eine Fähigkeit,
nicht durch die heterogenen Elemente des fluiden Mediums zugesetzt
zu werden, aufweist.
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Ziel des Gegenstandes der Erfindung
ist es also, eine Anlage vorzuschlagen, die mit einer Vorrichtung
ausgestattet ist, welche ermöglicht,
die heterogenen Elemente eines fluiden Mediums vor deren Zirkulation
in einem Filtrationsmodul zu zerkleinern.
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Gemäß der Erfindung enthält die Anlage:
- – ein
Filtrationsmodul, das eingangs mit einem Kreislauf zur Zuleitung
eines heterogene Elemente aufweisenden fluiden Mediums und ausgangs mit
einem Kreislauf zur Ableitung des fluiden Mediums verbunden ist,
wobei das Filtrationsmodul eine Reihe von Kanälen umfasst, in denen das fluide
Medium zirkulieren soll,
- – und
eine flache Vorrichtung, die vor dem Eingang der Kanäle angeordnet
ist und Durchlässe aufweist.
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Gemäß der Erfindung bildet die
Vorrichtung ein Gitter:
- – das Durchlässe aufweist,
von denen eine Abmessung der kleinsten Abmessung des Durchlassquerschnitts
der Kanäle
dividiert durch n entspricht, mit n zwischen 1,4 und 10,
- – und
das von schneidenden Trennelementen gebildet ist, welche die Durchlässe bilden
und deren Mindestdicke zwischen 0,1 und 2 mm liegt, um die Zerkleinerung
der heterogenen Elemente des fluiden Mediums zu gewährleisten.
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Verschiedene weitere Merkmale gehen
aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen, die – als
nicht einschränkende
Beispiele – Ausführungs-
und Einsatzformen des Gegenstandes der Erfindung zeigen.
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1 zeigt
eine schematische Teilansicht eines Tauschgerätes mit einer erfindungsgemäßen Zerkleinerungsvorrichtung.
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2 ist
eine Ansicht in größerem Maßstab, welche
den Gegenstand der Erfindung zeigt.
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3 ist
eine Querschnittsansicht im Wesentlichen entlang der Linien III-III
der 2.
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Es muss beachtet werden, dass der
Gegenstand der Erfindung in einer Anlage 1 zum Austausch von Stoffen
im allgemeinen Sinn eingesetzt werden soll. Die folgende Beschreibung
erfolgt für
eine Anlage, welche einen Austausch von Stoffen, nämlich die Trennung
oder die Filtration von Molekülen
oder Partikeln sicherstellt, die in einem fluiden, vorzugsweise flüssigen Medium
unterschiedlicher Art, mit einer oder ohne eine Feststoff-Phase,
enthalten sind.
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In dem in 1 veranschaulichten Beispiel enthält die Filtrationsanlage 1 ein
Trenngerät 2,
das – in
dem veranschaulichten Beispiel – ein
Filtrationsmodul bildet, welches über einen Zuführkreislauf 3 mit
zu behandelndem fluiden Medium gespeist wird und welches ausgangseitig
an einen Rückführkreislauf 4 angeschlossen
ist. Das Trennmodul 2 enthält in herkömmlicher Weise einen Kreislauf 5 zur
Rückgewinnung
des Teils des fluiden Mediums, welcher der Trennung unterzogen wurde,
nämlich
das Permeat oder das Filtrat.
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Wie aus 2 genauer hervorgeht, weist das Modul 2 wenigstens
ein und, in dem dargestellten Beispiel, eine Reihe von röhrenförmigen Filtrationselementen 7 auf.
Jedes Filtrationselement 7 weist einen steifen porösen Träger 8 auf,
der vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich, aus anorganischem Material
besteht, dessen Übertragungswiderstand
an die zu vollziehende Trennung angepasst ist. In dem bevorzugten
Beispiel ist der Träger 8 aus
anorganischen Materialien, wie beispielsweise Metalloxiden, Kohlenstoff
oder Metallen hergestellt. Der Träger 8 besitzt eine
zylindrische Außenform
mit sechseckigem oder, wie dargestellt, kreisförmigen Querschnitt. Jedes Filtrationselement 7 weist
wenigstens einen Kanal und vorzugsweise mehrere Kanäle 9 auf,
die parallel zur Längsachse
des Trägers
ausgebildet sind. Die Kanäle 9 weisen
jeweils eine Fläche
auf, die von wenigstens einer nicht dargestellten Trennschicht bedeckt
ist, die mit dem zu behandelnden, in den Kanälen 9 zirkulierenden
fluiden Medium in Kontakt sein soll. Die Art der Trennschichten)
ist in Abhängigkeit
von der zu erzielenden Trenn- oder Filtrationsfähigkeit gewählt und bildet mit dem Träger 8 eine
innige Verbindung derart, dass der von dem flüssigen Medium stammende Druck
auf den porösen Träger übertragen
wird. Jeder Kanal 9 weist einen Querschnitt auf, der unterschiedliche
Formen, wie beispielsweise runde oder pseudorunde Formen haben kann.
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Die Filtrationselemente 7 sind
in einem Gehäuse 11 zylindrischer
Form angeordnet, dessen Enden jeweils mit einer Platte 12 zum Positionieren
der Filtrationselemente 7 versehen sind. Wie aus 2 genauer hervorgeht, erstrecken
sich die Elemente 7 innerhalb des Gehäuses 11, indem sie über ihr
Ende ausgehend von der Querfläche 121 der an den Enden des Gehäuses 11 befestigten
Platten 12 vorspringen. Auf herkömmliche Weise soll die Querfläche 121 der Endplatten 12 eine Dichtung 13 aufnehmen,
welche ausgebildet ist, um die Enden der Rohre 7 zu umschließen. Die
Dichtung 13 soll mittels einer Aufspannplatte 14,
welche ermöglicht,
eine Abdichtung der Rohre 7 gegenüber dem Innenraum des Gehäuses 11 sicherzustellen,
zusammengedrückt
werden. Die Aufspannplatte 14 ist mit einer Reihe von Löchern 15 durchsetzt,
die jeweils einem Filtrationselement 7 gegenüberliegend
ausgebildet sind. Jede Aufspannplatte 14 ist durch Stifte 16,
die sich ausgehend von der Endplatte erstrecken, an der Endplatte 12 angebracht
und mit Hilfe von Muttern 17 befestigt.
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Entsprechend der Erfindung soll die
Anlage 1 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 ausgestattet
werden, die eine Zerkleinerung der heterogenen Elemente des zu behandelnden
fluiden Mediums sicherstellt. Unter heterogenen Elementen sollen
Agglomerate oder Stoffpartikel verstanden werden, die Wechselwirkungen
unter den in dem fluiden Medium vorhandenen Arten oder Ablagerungsablösungen an den
Wänden
der Kreisläufe
der Anlage entsprechen. Es muss auch beachtet werden, dass Blusen
zu den heterogenen Elementen gehören.
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Die erfindungsgemäße Zerkleinerungsvorrichtung 20 ist
von einem Gitter gebildet, das sich im Wesentlichen in einer Ebene
erstreckt und mit Durchlässen 21 versehen
ist, die jeweils wenigstens eine Abmessung aufweisen, die kleiner
ist als die kleinste Abmessung des Durchlassquerschnitts der Kanäle 9, um
den Durchgang von heterogenen Elementen zu gewährleisten, deren Abmessungen
geringer sind als diejenigen der Kanäle 9. Auch weist jeder
Durchlass 21 eine Abmessung auf, die der kleinsten Abmessung
des Durchlassquerschnitts der Kanäle, dividiert durch eine Anzahl
n, entspricht, wobei n zwischen 1,4 und 10 und vorzugsweise zwischen
2 und 4 liegt. So sind die Durchlässe 21 durch wenigstens
eine ihrer Abmessung definiert, die kleiner ist als die kleinste Abmessung
des Durchlassquerschnitts der Kanäle 9. Es muss beachtet
werden, dass eine Abmessung einem Maß entspricht, das ermöglicht,
die Geometrie der Kanäle 9 oder
der Durchlässe 21 zu
definieren. So entspricht eine Abmessung:
- – bei einem
Kreis, einem Durchmesser,
- – bei
einem Quadrat, einer Seite,
- – bei
einem Rechteck, der Breite oder der Länge,
- – bei
einem Dreieck, der Höhe
oder der Basis,
- – bei
einem regelmäßigen Vieleck,
n Seiten, wobei der Durchmesser des Kreises die Seiten umschreibt.
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So ist offensichtlich, dass die Durchlässe 21 derart
angeordnet sind, dass ihre Anzahl wenigstens gleich der Anzahl der
Kanäle 9 ist.
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Außerdem weist das Gitter 20 Trennelemente 22 auf,
die ermöglichen,
die Durchlässe 21 abzugrenzen.
Die Trennelemente 22 weisen jeweils eine Dicke auf, die
zwischen 0,1 und 2 mm und vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,5 mm beträgt. Die
Wahl des Querschnitts der Trennelemente 22, welcher der Dimensionierung
der Durchlässe 21 zugeordnet
ist, ermöglicht,
die heterogenen Elemente in Elemente zu zerkleinern, welche die
Kanäle 9 nicht
verstopfen können.
Der geringe Wert für
den Querschnitt oder die Dicke der Trennelemente ermöglicht, über ein Gitter
zu verfügen,
das einerseits eine große Schneidfähigkeit
und andererseits einen geringen Druckverlust für den Durchgang des fluiden
Mediums aufweist. Die Trennelemente 22 sind folglich aufgrund
ihrer relativ geringen Dicke schneidend.
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In einer ersten Ausführungsform
kann das Gitter 20 aus Drähten, beispielsweise Metalldrähten gefertigt
sein, die auf sich kreuzende Weise angebracht sind. Nach dieser
Ausführungsvariante
weisen die Trennelemente 22 eine Drahtform auf und sind
von den Drähten
gebildet, die eine im Wesentlichen konstante oder gleichmäßige Dicke
aufweisen. Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann
das Gitter 20 von einer mit Löchern durchsetzten Platte gebildet
sein, wobei die Löcher
jeweils einen Durchlass 21 bilden und durch die Trennelemente 22,
die von dem übrigen
Material der Platte gebildet sind, voneinander getrennt sind. Der
Querschnitt der Durchlässe 21 kann
unterschiedliche Formen, beispielsweise eine Kreisform oder Parallelogrammform
aufweisen. So bildet das verbleibende Material die schneidenden
Trennelemente, deren Dicke von der Form der Durchlässe 21 abhängt. Um
diese Schneidwirkung zu besitzen, weisen die Trennelemente eine
Dicke auf, die zwischen 0,1 und 2 mm und vorzugsweise zwischen 0,3
und 0,5 mm beträgt. Die
Dicke der Trennelemente ist entweder im Wesentlichen konstant oder
gleichmäßig, um
drahtförmige
Trennelemente zu bilden, oder fortschreitend und in Bezug auf seine
Mindestdicke größer.
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Nach einem vorteilhaften Merkmal
der Erfindung ist das Zerkleinerungsgitter 20 in einem
Abstand d vom Eingang des Austauschgerätes angebracht, der zwischen
0 und 300 mm und vorzugsweise zwischen 0 und 10 mm beträgt. Der
Eingang des Austauschermoduls 2 ist ausgehend von der Ebene, welche
durch die Querflächen
der Filtrationselemente 7 verläuft, zu verstehen.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist
jedes Gitter 20 an der Aufspannplatte 14. auf
der Außenseite
des Moduls und auf der Seite des Zuführkreislaufs 3 angebracht.
Das Gitter 20 besitzt Außenabmessungen, die im Wesentlichen
mit denjenigen der Aufspannplatte 14 identisch sind, wie
dies aus 3 deutlich
hervorgeht. Dieses Gitter 20 ist an den Stiften 16 durch
Fixieren mittels der Muttern 17 angebracht. Nach einer
weiteren Ausführungsvariante
ist zu bemerken, dass das Gitter 20 die Aufspannplatte 14 bilden
kann.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und
dargestellten Beispiele beschränkt,
da sie unterschiedliche Änderungen
erfahren kann, ohne ihren Rahmen zu verlassen.