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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von Membranen
in Querstrom-Filtrationsanlagen und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung.
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STAND DER
TECHNIK
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Das
Querstromverfahren ist ein herkömmliches
Filtrationsverfahren zum Reinigen von Fluiden. Das Querstromprinzip
wird ausführlich
beschrieben in M. Mulder: Basic Principles of Membrane Technology,
veröffentlicht
von Kluwer Academic Publishers, 3996 (ISBN 0-7923-4248-5), S. 475-478.
In einer Querstrom-Filtrationsanlage strömt der zuführende Volumenstrom (Feed)
parallel zur Membranoberfläche,
während
das Fluid in einer zur Membranoberfläche senkrechten Richtung in
die Membranporen eindringt. Kontaminanten, welche nicht in der Lage
sind, in die Membranporen einzudringen, werden vom Feed weitergetragen
oder werden bis zu einem gewissen Grade an der Membranoberfläche zurückgehalten.
Der Feed wird daher in zwei Teile aufgeteilt: einen Teil mit einem
zunehmenden Gehalt an Kontaminanten, der Retentat genannt wird,
und einen Teil, der aus der Filtrationswirkung der Membran resultiert und
Permeat genannt wird.
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Infolge
der Filtrationswirkung der Membran wird auf der Oberfläche der
Membran eine Schicht aus Kontaminanten gebildet. Diese Schicht wirkt dann
als eine zusätzliche
Barriere, die eine unerwünschte
Verringerung des Permeatstromes durch die Membran verursacht. Effekte
der Konzentrationspolarisation können
auch in denjenigen Filtrationsanlagen auftreten, in denen Konzentrationsgradienten durch
Lösungen
hervorgerufen werden, was Effekte der Rückdiffusion zur Folge hat,
welche den Permeatstrom erheblich in einem negativen Sinne beeinflussen
können.
Um solchen Effekten entgegenzuwirken, kann der Feed-Volumenstrom
(Tangentialgeschwindigkeit) erhöht
werden, um eine größere Menge
von Kontaminanten fortzuspülen
oder Gradienten zu verringern, wodurch folglich der widerstand der Barriere
verringert wird. Natürlich
wird durch diese Erhöhung
des Feed-Volumenstromes zusätzliche Energie
verbraucht, und sie erfordert schließlich leistungsstärkere Pumpen,
so dass eine Abwägung
der positiven Auswirkung durch die Erhöhung des Permeatstromes gegen
den negativen Effekt durch die Erhöhung des Energieverbrauches
und die Investitionen in Pumpen vorgenommen werden muss.
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Das
Verfahren der Erhöhung
des Feed-Volumenstromes kann erfolgreich sein, doch in einer Anzahl
von Fällen
bleibt der Permeatstrom zu gering. Um die Schicht auf der Membranoberfläche zu entfernen,
kann ein anderes Verfahren eingeführt werden. Dieses Verfahren
beruht auf einem zeitweiligen umgekehrten Permeatstrom durch die
Membranoberfläche,
der die auf dieser Oberfläche
zurückgehaltene
Schicht wegspült,
und wird als Rückimpuls (Backpulse)
(oder Rückspülung oder
Rückstoß) bezeichnet.
während
dieses Spüleffektes
wird eine bestimmte Menge an Permeat durch einen umgekehrten Druckabfall
in Querrichtung der Membran durch die Membranoberfläche hindurch
zurückgedrückt. Durch
die Reinigungswirkung des Rückimpulses
wird der ursprüngliche
Permeatstrom von der "reinen" Membranoberfläche aus
wiederhergestellt. Nach der Rückimpuls-Wirkung
verringert sich der Strom jedoch infolge des Wiederaufbaus der Schicht
allmählich
erneut. Der Rückimpuls
wird daher periodisch angewendet und erzeugt dadurch ein sägezahnförmiges Verhalten
des Permeatstroms in Abhängigkeit von
der Zeit. Infolgedessen ist der Mittelwert des Permeatstroms über ein
langes Zeitintervall wesentlich höher, wenn das einfache Rückimpuls-Verfahren
angewendet wird.
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Herkömmliche
Rückimpuls-Konstruktionen beinhalten
ein Kolbensystem, das in die Permeatleitung eingebaut ist, einschließlich spezieller
Ventile, die in die Filtrationsanlage integriert sind. Es ist mindestens
ein Ventil erforderlich, um den Permeatauslass während des Rückimpulses zu schließen, wodurch
ein umgekehrter Druckaufbau quer zur Membran ermöglicht wird. Bei diesen Anordnungen
ist jedoch die praktische Geschwindigkeit des Schließens der
Ventile begrenzt, und außerdem
muss die zeitliche Abstimmung des Schließens mit der Kolbenbewegung
perfekt sein. Aus diesen Faktoren kann eine nicht ideale Rückimpuls-Funktion
resultieren, mit einer insgesamt geringeren Ausbeute an Permeat
pro Zeiteinheit.
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Bei
klassischen Rückimpulsvorrichtungen
ist das Volumen innerhalb der Vorrichtung während der Zeitintervalle, in
denen kein Rückimpuls
erzeugt wird, gewöhnlich
ein "Totvolumen", wodurch möglicherweise
Bereiche einer Verunreinigung erzeugt werden (z.B. Ansammlung von
Bakterien oder Partikeln).
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Im
US-Patent 5,512.167 ist die Konstruktion einer neuen Vorrichtung
beschrieben, deren Kolben- und Ventilfunktion in einer einzigen
Baugruppe kombiniert sind. Der Kolben wird mittels Druck vorgeschoben,
während
der Rücklauf
des Kolbens durch den Systemdruck (Permeatdruck) sichergestellt
wird. Für
den normalen Betrieb der Rückimpulsanlage
wird somit ein Mindest-Permeatdruck benötigt. Die Bewegung des Kolbens
ist stets dieselbe, wobei in einer Anzahl von Fällen zu viel Permeat aufgewendet
wird, was einen verminderten Wirkungsgrad der Filtrationsvorrichtung
zur Folge hat. Diese Konstruktion weist jedoch gewisse Nachteile
und Mängel
auf. Der Permeatauslass besteht aus einer einfachen Öffnung,
und die Dichtungen der aus Kolben und Zylinder bestehenden Baugruppe
gleiten dann jedes Mal, wenn ein Rückimpuls erzeugt wird, in der
einfachen Öffnung
entlang, und dies führt
zu einer schnellen Qualitätsverschlechterung
der Dichtungen.
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ZIELE DER
ERFINDUNG
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Ein
erstes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue Rückimpulsvorrichtung
für eine
Querstrom-Filtrationsanlage bereitzustellen, welche kein großes Totvolumen
in der Anlage mit sich bringt.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Rückimpulsvorrichtung
bereitzustellen, welche unabhängig
vom Permeatdruck funktioniert.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Rückimpulsvorrichtung
bereitzustellen, welche keinem schnellen Verschleiß unterliegt
und wartungsarm ist.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Rückimpulsvorrichtung für eine Querstrom-Filtrationsanlage,
welche umfasst: eine Permeatkammer, einen Permeateinlass, einen
Permeatauslass, einen Kolben, der eine erste Position und eine zweite
Position aufweist und in der Lage ist, eine Bewegung zwischen der
ersten Position und der zweiten Position auszuführen, wobei die erste Position
so beschaffen ist, dass sich der Kolben nicht zwischen dem Permeateinlass
und dem Permeatauslass befindet und dass er einen Fluidstrom zwischen
dem Permeateinlass und dem Permeatauslass ermöglicht, wobei die zweite Position
so beschaffen ist, dass sich der Kolben zwischen dem Permeateinlass
und dem Permeatauslass befindet und dass er den Fluidstrom zwischen
dem Permeateinlass und dem Permeatauslass im Wesentlichen blockiert,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Permeatauslass und dem
Kolben ein Zylinder vorhanden ist, der mehrere Öffnungen umfasst, die vorzugsweise
gleichmäßig über die
Zylinderoberfläche
verteilt sind, und wobei die Öffnungen
die Permeatkammer und den Permeatauslass verbinden. Die Rückimpulsvorrichtung kann ferner
dadurch gekennzeichnet sein, dass der Kolben von einer pneumatischen
Vorrichtung so angetrieben wird, dass er sich in eine Position zwischen der
ersten Position und der zweiten Position bewegt, wobei die pneumatische
Vorrichtung in der Lage ist, eine Kraft auszuüben, die den Permeatdruck übersteigt,
welcher in der Permeatkammer vorhanden ist.
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Bei
einer ersten speziellen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist die Rückimpulsvorrichtung
dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kolben nicht in direktem oder
indirektem Kontakt mit dem Zylinder befindet. Vorzugsweise beträgt die Toleranz
zwischen der Kolbenoberfläche
und der Zylinderoberfläche
zwischen 0,01 und 0,2 mm.
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Bei
einer zweiten speziellen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Rückimpulsvorrichtung dadurch
gekennzeichnet, dass der Kolben und der Zylinder zusammengebaut
sind. Vorzugsweise befindet sich die aus Kolben und Zylinder bestehende
Baugruppe nicht in direktem oder indirektem Kontakt mit der Permeatkammer.
Vorteilhafterweise beträgt
die Toleranz zwischen der Oberfläche
der aus Kolben und Zylinder bestehenden Baugruppe und der Oberfläche der
Permeatkammer zwischen 0,01 und 0,2 mm.
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Die
Rückimpulsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, dass
die Bewegung des Kolbens von der zweiten Position zur ersten Position
durch dieselbe Vorrichtung angetrieben wird wie die Bewegung von
der ersten Position zur zweiten Position.
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Vorzugsweise
umfasst die Rückimpulsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung ferner eine Steuereinheit, wobei die
Steuereinheit die Bewegung des Kolbens steuert.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Querstrom-Filtrationsanlage,
welche die weiter oben beschriebene Rückimpulsvorrichtung umfasst.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Reinigen
einer Filtrationsmembran einer Querstrom-Filtrationsanlage, wobei die Querstrom-Filtrationsanlage
eine Rückimpulsvorrichtung
wie weiter oben beschrieben umfasst, welches dadurch gekennzeichnet
ist, dass die folgenden Schritte zyklisch wiederholt werden:
- • Der
Kolben wird aus der ersten Position in Richtung der zweiten Position
bewegt, bis der Fluiddruck in der Permeatkammer einen vorgegebenen
Wert hat,
- • der
Kolben wird zur ersten Position zurückbewegt, und
- • die
Rückimpulsvorrichtung
unterbricht ihren Betrieb, bis der nächste Zyklus fällig ist.
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Die
Bewegung des Kolbens wird vorzugsweise von einer pneumatischen Vorrichtung
angetrieben.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bleibt der Transmembrandruck während der
Bewegung des Kolbens zur ersten Position niedriger als der oder
gleich dem Transmembrandruck während
der normalen Filtration, so dass eine Saugwirkung vermieden wird,
die zu erneuten Ablagerungen der Membranoberfläche führt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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1 beschreibt
die Rückimpulsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 zeigt
ein Diagramm der Querstromfiltration des Kühlfluids einer Schleifmaschine
gemäß dem Verfahren
der Erfindung.
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3 zeigt
die Ergebnisse einer Filtration einer Katalysatordispersion mit
Hilfe des Verfahrens der Erfindung.
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4 ist
ein Diagramm, welches das Druckprofil eines kurzen Rückimpulses
bei gut eingestellten Entlüftungsventilen
beschreibt.
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5 ist
ein Diagramm, das die Auswirkung eines schnellen Rückzugs des
Kolbens mit einem Unterdruck auf der Permeatseite beschreibt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung wird nun mit Hilfe nicht einschränkender Beispiele und Figuren
genauer erläutert.
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Wie
in 1 dargestellt, umfasst die Rückimpuls-Baugruppe eine zylindrische
Permeatkammer 01, die einen Rückimpulskolben 12 enthält, der
(z.B. pneumatisch) von einem Zylinder 11 angetrieben wird.
Während
sich der Rückimpulskolben 12 in
der zurückgezogenen
Position befindet, strömt
das Permeat am Flansch 07 in die Rückimpulsvorrichtung ein und
verlässt
die Vorrichtung durch die Öffnungen 03 im
Zylinder 02 am Flansch 13. Wenn der Rückimpulskolben 12 angetrieben
wird, bewegt er sich durch den Zylinder 02, wobei er allmählich die Öffnungen 03 verschließt und verhindert,
dass das Permeat weiterhin am Flansch 13 aus der Vorrichtung
ausströmt. Ab
dem Zeitpunkt, zu dem die Öffnungen
vollständig versperrt
sind, ist der Rückimpulszylinder 11 in
der Lage, Druck aufzubauen und eine bestimmte Menge an Permeat am
Flansch 07 aus der Vorrichtung hinaus und zurück zur Membran
umzuleiten. Der während
der Rückimpulswirkung
vorhandene umgekehrte Permeatstrom durch die Membran hindurch befreit daher
dann die Membranoberfläche
von der Schicht, die während
der Filtration aufgebaut wird. Auf diese Weise ist die Vorrichtung
in der Lage, sowohl die Funktion eines Rückimpulszylinders als auch
die eines Ventils zu erfüllen,
wodurch eine teure separate Ventilkonstruktion und entsprechende
Systeme zur zeitlichen Abstimmung, um das (die) Ventil(e) zu schließen und
zu öffnen,
vermieden werden. Eine typische Zykluszeit der neuen Konstruktion
beträgt
weniger als 300 Millisekunden, was eine minimale Unterbrechung des
Filtrationsprozesses zur Folge hat.
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Ein
weiterer Vorteil ist der Strom des Permeats durch die Rückimpulsvorrichtung
hindurch, der eine reinigende Wirkung auf diese hat, im Gegensatz zu
den klassischen Rückimpulsvorrichtungen
mit einem "Totvolumen", das für eine Verunreinigung
(z.B. Ansammlung von Bakterien oder Partikeln) offen ist.
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Die
Kammer 02 mit mehreren Öffnungen 03 an
ihrem Umfang sorgt für
eine wesentlich glattere Führung
für den
Kolben im Vergleich zu einer Vorrichtung mit nur einer Öffnung.
Die Verwendung nur einer Öffnung
als Auslasskanal erhöht
die Gefahr einer Beschädigung
des Kolbens 12 wesentlich. Eine weitere Verbesserung, die
der Haltbarkeit des Kolbens zugute kommt, ist ein Zwischenraum von
0,1 bis 0,2 mm zwischen dem Kolben 12 und der Kammer 02.
Aufgrund der Geschwindigkeit des Kolbens während des Rückimpulses ist der Verlust
von Permeat durch den Zwischenraum vernachlässigbar. Dies bedeutet, dass
der Kolben 12 keinerlei Abdichtung benötigt.
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Bei
einer anderen Konstruktion sind der Rückimpulskolben 12 und
der Zylinder 02 zu einem einzigen Teil kombiniert, derart,
dass sich der Zylinder 02 und der Kolben 12 als
ein einziges Teil innerhalb der Permeatkammer 01 bewegen.
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In
diesem Falle wird die Wirkung eines sich schließenden Ventils zu dem Zeitpunkt
erzielt, zu dem der Zylinder 02 in die Permeatkammer 01 eindringt
und die Öffnungen
im Zylinder 02 durch die Permeatkammer 01 verschlossen
werden.
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Beispiel 1: Filtration
von Kühlmitteln,
wie sie in Schleifmaschinen verwendet werden
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Diamantschleifmaschinen
werden verwendet, um Bauteile aus technischen Keramikwerkstoffen
zu formen. Während
des Schleifens werden die Oberflächen
der Schleifwerkzeuge und des Bauteils durch ein Fluid gekühlt, das
aus einer 2 %-igen
wässrigen
Lösung
eines Kühlmittels
besteht. Das Material, das während
des Schleifens von dem Keramikbauteil abgetragen wird, ist pulverförmig und
wird in dem Kühlfluid
dispergiert. Diese Kontaminanten sind im Kühlfluid unerwünscht, da
sie die Oberflächenqualität des Bauteils,
welches geschliffen wird, nachteilig beeinflussen und zu einem beschleunigten
Verschleiß von
Werkzeugen und Maschinenteilen führen.
Eine herkömmliche
Filtration, bei der Zentrifugalfilter oder Filter mit geschlossenem
Ende (Kerzenfilter) verwendet werden, ist nicht geeignet. Eine Querstromfiltration
liefert eine ausgezeichnete Permeatqualität und erzeugt daher ein reines
Kühlfluid.
Es sind jedoch Rückimpulse
notwendig, um einen ausreichenden Permeatstrom sicherzustellen. 2 zeigt
die Auswirkung von Rückimpulsen
auf den Permeatstrom eines solchen Kühlfluids. Mit Rückimpulsen
wird ein hoher Permeatstrom von bis zu 1700 l/h·m2 erzielt. Um
die Auswirkung des Rückimpulses
zu veranschaulichen, wurde der Rückimpuls
zum Zeitpunkt 35,8 h gestoppt, was zu einer Verringerung des Permeatstromes
von etwa 1700 l/h·m2 auf 600 l/h·m2 führte. Durch
Wiederherstellung des Rückimpuls-Betriebs 3 Stunden
später
wurde die Membran gereinigt, und der Permeatstrom erreichte wieder
den Wert von etwa 1700 l/h·m2.
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Beispiel 2: Entfernen
eines Katalysators aus einem chemischen Reaktor
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Aus
einem chemischen Reaktor konnte eine Dispersion eines Katalysatorpulvers
mit einer Querstrom-Mikrofiltrationsan lage erfolgreich behandelt werden,
um in der Lage zu sein, den Katalysator aus dem Fluid wiederzuverwenden.
Die Abnahme des Permeatstroms ohne Rückimpuls war inakzeptabel.
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3 zeigt
das Ergebnis der Filtration des Katalysatorpulvers. Der Permeatstrom
verringert sich auf einen Wert von 700 l/h·m2.
Ohne Rückimpuls
verringert sich der Permeatstrom innerhalb von einer Minute weiter
bis auf einen wert von weniger als 700 l/h·m2,
wobei er sich danach noch weiter verringert. Mit Rückimpulsen
konnte ein Strom von 700 l/h·m2 wiederhergestellt werden, wobei auch verhindert wurde,
dass Kontaminanten irreversibel an der Membranoberfläche haften
bleiben. Durch die kurze Dauer des Rückimpulses von der Vorrichtung
wurde der Gesamt-Filtrationsprozess nicht gestört. Ungeachtet der Rückimpulsfrequenz
von einem Impuls pro Minute wies der Transmembrandruck (Transmembrane Pressure,
TMP) von 1 bar keine wesentlichen Schwankungen auf. Bei klassischen
Anlagen mit längeren
Rückimpuls-Zeitabläufen können Druckschwankungen
nicht vermieden werden.
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Beispiel 3: Steuerung
des Rückzugs
des Kolbens
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In
Fällen,
in denen ein niedriger TMP optimale Ergebnisse liefert, wird der
Rückzug
des Kolbens vorzugsweise nicht mehr durch den Permeatdruck (unter
Filtrationsbedingungen) bewirkt, da der TMP, welcher angewendet
werden muss, um den Kolben in die Ausgangsposition zurückzubewegen,
zu hoch ist. Gewisse Filtrationsvorgänge, bei denen Querstrom-Mikrofiltration und
Rückimpulsreinigung
zur Anwendung kommen, sind bei einem TMP von weniger als 0,5 bar
optimiert. Bei so niedrigen Werten des TMP ist der Permeatdruck
für die
Rückzugsbewegung
des Kolbens unzureichend. Aus diesem Grunde kann die Vorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung einen separaten Pneumatikzylinder aufweisen, so dass sowohl
Vorwärts-
als auch Rückwärtsbewegungen
des Kolbens vollständig
durch Luftdruck und Entlüftungsventile
gesteuert werden können.
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Beispiel 4: Steuerung
der Rückimpulswirkung
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Die
Steuerung der Rückimpulse
erfolgt durch einen Zeitgeber und zwei Entlüftungsventile. Der Zeitgeber
bestimmt den Zeitpunkt der Impulsgabe, während die Entlüftungsventile
den Druck steuern. Die Geschwindigkeit des Rückzugs des Kolbens muss begrenzt
werden, um einen Unterdruck auf der Permeatseite zu vermeiden. Ein
kurzer Rückimpuls mit
gut eingestellten Entlüftungsventilen
ist in 4 dargestellt. Ein schneller Rückzug des Kolbens mit einem
Unterdruck auf der Permeatseite könnte die Wirkung haben, dass
die Partikel zurück
zur Membran transportiert werden. Diese Wirkung ist in 5 dargestellt.
Der TMP während
der Rückkehr
des Kolbens (20) ist höher
als der TMP während
der Filtration (21). In diesem Falle ist auch die Zeit
des Rückimpulses
erhöht
worden.