DE69934701T2

DE69934701T2 - Verfahren zur Behandlung von Fluida

Info

Publication number: DE69934701T2
Application number: DE69934701T
Authority: DE
Inventors: Tanweer Haq; John Miller; Stephen Geibel; James Huntington ACQUAVIVA
Original assignee: Pall Corp
Current assignee: Pall Corp
Priority date: 1998-09-09
Filing date: 1999-09-09
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2019-09-10
Also published as: US6932907B2; AU6138199A; EP1113859B1; ATE350131T1; DE69934701D1; JP2002524227A; US20040089600A1; KR20010087356A; CA2343402A1; WO2000013767A1; JP4673973B2; EP1113859A1; JP2010194537A; WO2000013767A9; US6702941B1; US20050269256A1

Description

QUERVERWEIS AUF EINE VERWANDTE ANMELDUNG
Für diese Anmeldung wird Priorität von der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/099,663, eingereicht am 9. Sept. 1998, beansprucht, deren Offenbarung in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierin eingebunden wird.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Fluidaufbereitungsverfahren, wie z.B. Filtrieren und Materialübertragung von einem Fluid zu einem anderen. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Reinigen des Fluidaufbereitungselementes.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Bei einem herkömmlichen Typ der Fluidaufbereitung, bekannt als statische Aufbereitung, wird ein aufzubereitendes Fluid in ein Fluidaufbereitungselement eingebracht, und das gesamte oder im Wesentlichen das gesamte Fluid wird durch ein Fluidaufbereitungsmittel des Fluidaufbereitungselementes geleitet, um gefiltert oder in einer anderen Weise aufbereitet zu werden. Bei einem anderen herkömmlichen Typ der Fluidaufbereitung, bekannt als Querstromfiltration, wird ein aufzubereitendes Fluid in ein Fluidaufbereitungselement eingebracht und veranlasst, entlang der Oberfläche eines Fluidaufbereitungsmittels des Fluidaufbereitungselementes zu fließen. Dieser Fluidstrom entlang der Oberfläche wird üblicherweise als Querstrom bezeichnet. Nur ein Teil des Fluids tritt durch das Fluidaufbereitungsmittel hindurch, um gefiltert oder in einer anderen Weise aufbereitet zu werden, während der Rest des Fluids aus dem Fluidaufbereitungselement abgeleitet wird, ohne durch das Fluidaufbereitungsmittel hindurchzutreten.
Das Fluid, das zur Aufbereitung in das Element eingebracht wird, wird üblicherweise als Verfahrensfluid bezeichnet, das Fluid, das durch das Fluidaufbereitungsmittel hindurchtritt, wird üblicherweise als Permeat bezeichnet, während das Fluid, das aus dem Fluidaufbereitungselement abgeleitet wird, ohne durch das Fluidaufbereitungsmittel hindurchzutreten, üblicherweise als Retentat bezeichnet wird. Der Querstrom von Fluid entlang der Oberfläche des Fluidaufbereitungsmittels erzeugt eine Fluid-Scherkraft in dem Fluid, das an das Fluidaufbereitungsmittel angrenzt, welche die Geschwindigkeit senkt, mit der sich Teilchen auf dem Fluidaufbereitungsmittel ansammeln.
Jeder dieser Typen von Fluidaufbereitungsverfahren weist Vor- und Nachteile auf. In einer bestimmten Querstromaufbereitung oder -filtration wird ein Fluidaufbereitungselement, das in einer Querstrom-Betriebsart betrieben wird, typischerweise eine längere Nutzungsdauer aufweisen, bevor ein Reinigen oder ein Austausch erforderlich ist, als eine Fluidaufbereitung, die in statischer Betriebsart betrieben wird, weil sich auf der Oberfläche eines Fluidaufbereitungsmittels Teilchen langsamer als bei der statischen Aufbereitung ansammeln. Andererseits erfordert ein Fluidaufbereitungselement, das in einer Querstrom-Betriebsart betrieben wird, größere Volumina an Fluid als ein Fluidaufbereitungselement, das in statischer Betriebsart betrieben wird, weil viel von dem Fluid, das in das Fluidaufbereitungselement eingebracht wird, aus diesem als Retentat austritt.
Zudem kann ein Querstrom-Fluidaufbereitungselement höhere Strömungsgeschwindigkeiten erfordern als ein Fluidaufbereitungselement mit statischer Aufbereitung, da eine bestimmte Querströmungsgeschwindigkeit nötig ist, um eine angemessene Fluid-Scherkraft zu erzeugen, um die Ansammlung von Teilchen auf dem Fluidaufbereitungsmittel zu verhindern. Aus diesen Gründen ist ein Fluidaufbereitungssystem, bei dem ejn Querstrom-Fluidaufbereitungselement eingesetzt wird, gewöhnlich komplizierter als eines, bei dem ein Fluidaufbereitungselement der statischen Aufbereitung eingesetzt wird, und kann in Situationen ungeeignet sein, in denen gewünscht wird, kleine Volumina an Fluid mit niedrigen Durchsätzen aufzubereiten.
Obiges zeigt, dass ein Bedarf an einem Fluidaufbereitungselement besteht, das fähig ist, die Vorteile der Querstrom- sowie auch der statischen Aufbereitungsbetriebsart bereitzustellen. Ferner besteht ein Bedarf an einem Verfahren zum Reinigen von Fluidaufbereitungselementen, wie z.B. Filterelementen, die während der Fluidaufbereitung mit Teilchen beladen werden.
Zudem stößt man bei der Aufarbeitung von Fluiden, beispielsweise beim Lösen oder Entfernen von Gasen in/aus Flüssigkeiten auf bestimmte Probleme. Beispielsweise enthält die resultierende Lösung in einem herkömmlichen Verfahren zum Lösen von Gasen, wie z.B. durch Durchperlenlassen eines Gases durch eine Flüssigkeit, winzige Gasbläschen. Solche Lösungen sind für bestimmte Anwendungen unbrauchbar, die strenge Reinheit erfordern, beispielsweise zur Herstellung von Halbleitern. Wenn die Fluide, die zum Reinigen des Silicium-Wafers in Betracht kommen, insbesondere ätzende oder aktive Fluide, wie z.B. ozonisiertes Wasser, ozonisierte Schwefelsäure oder wässrige Lösungen von Fluorwasserstoffsäure, mittels herkömmlicher Verfahren hergestellt werden, enthalten sie Gasbläschen, die an dem Wafer haften und die Qualität oder die Leistungsfähigkeit des Halbleiters beeinträchtigen können. Zudem ergeben solche herkömmlichen Verfahren, da sie in einer Betriebsart des Durchperlenlassens betrieben werden, ziemlich geringe oder ineffiziente Übertragung von Gas zu Flüssigkeit oder Lösegeschwindigkeit.
Die US-Patentschrift Nr. 4,842,736 betrifft eine spiralförmig gewundene Membranpatrone zur Benutzung zum Abtrennen einer ersten Komponente aus einem Zulauf-Fluidgemisch aus der ersten Komponente und einer zweiten Komponente. Die Patrone beinhaltet ein Permeatträgerblatt, ein Kernverbundblatt einschließlich eines semipermeablen Membranflächengebildes, das doppelt gefaltet ist, und einen Zulaufträger, der zwischen den beiden Teilen des gefalteten Membranflächengebildes angeordnet ist.
Somit besteht ein Bedarf an einem System oder einer Anordnung zum Aufbereiten von Fluiden, beispielsweise Lösen oder Entfernen von Gasen in/aus Flüssigkeiten. Ferner besteht ein Bedarf an Fluidaufbereitungselementen, die gegenüber ätzenden Fluiden beständig sind. Ferner besteht ein Bedarf an Fluidaufbereitungselementen, die sich nicht zersetzen oder Fremdstoffe in die Verfahrensfluide abgeben. Daher besteht ein Bedarf an Fluidaufbereitungselementen, die frei oder im Wesentlichen frei von extrahierbaren Stoffen sind.
Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie zusätzliche erfinderische Merkmale werden aus der Beschreibung der Erfindung, die hierin bereitgestellt ist, offensichtlich.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Fluidaufbereitungsverfahren das Einbringen eines Verfahrensfluids in ein zylindrisches Fluidaufbereitungselement, das ein Fluidaufbereitungsbündel umfasst, welches eine Fluidaufbereitungsschicht mit einer radial inneren Seite und einer radial äußeren Seite, eine erste Abflussschicht, die auf der radial inneren Seite der Fluidaufbereitungsschicht angeordnet ist, und eine zweite Abflussschicht, die auf der radial äußeren Seite der Fluidaufbereitungsschicht angeordnet ist, wobei das Verfahren das Einbringen von Verfahrensfluid durch eine erste Längs-Endfläche des Fluidaufbereitungsbündels und das Leiten des Verfahrensfluids in einer Längsrichtung des Fluidaufbereitungsbündels durch die erste Abflussschicht und entlang der radial inneren Seite der Fluidaufbereitungsschicht, um auf der radial inneren Seite der Fluidaufbereitungsschicht eine Fluid-Scherkraft zu erzeugen; das Leiten eines Teils des Verfahrensfluids durch die Fluidaufbereitungsschicht zu der radial äußeren Seite der Fluidaufbereitungsschicht, um ein Permeat zu bilden; das Leiten von Permeat durch die zweite Abflussschicht; und das Ableiten des Permeats und des Verfahrensfluids, das nicht durch die Fluidaufbereitungsschicht hindurchtritt, aus dem Fluidaufbereitungselement, beinhaltet.
Ein Fluidaufbereitungselement kann ein Fluidaufbereitungsbündel umfassen, das eine erste und eine zweite Längs-Endfläche aufweist und eine Fluidaufbereitungsschicht mit einer ersten und einer zweiten Seite und einen Abdichtstreifen beinhaltet, der sich auf weniger als einer Länge des Fluidaufbereitungsbündels auf der ersten Seite der Fluidaufbereitungsschicht erstreckt und Fluid daran hindert, durch die erste Längs-Endfläche in das Fluidaufbereitungsbündel auf der ersten Seite der Fluidaufbereitungsschicht zu fließen.
Ein Fluidaufbereitungselement kann ein hohles Fluidaufbereitungsbündel umfassen, das ein Fluidaufbereitungsmittel und einen Kern enthält, der von dem Fluidaufbereitungsbündel umgeben ist und einen blinden Bereich aufweist, in dem Fluid nicht zwischen einer Innenseite des Kernes und des Fluidaufbereitungsbündels fließen kann, der sich durchgehend über mindestens fünfzig Prozent einer Länge des Fluidaufbereitungsbündels erstreckt.
Ein Fluidaufbereitungselement, das für Querstromfiltration ausgelegt ist, kann ein Fluidaufbereitungsbündel mit einer Fluidaufbereitungsschicht, einer ersten Netzschicht, die auf einer ersten Seite der Fluidaufbereitungsschicht angeordnet ist, und einer zweiten Netzschicht, die auf einer zweiten Seite der Fluidaufbereitungsschicht angeordnet ist, umfassen, wobei das Fluidaufbereitungselement einen Strömungsweg für ein aufzubereitendes Verfahrensfluid, der in einer Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes durch die erste Netzschicht führt, und einen Strömungsweg für Permeat definiert, der durch die zweite Netzschicht führt.
Eine Fluidaufbereitungsbaugruppe kann ein Gehäuse mit einer Verfahrensfluidkammer, einer Permeatkammer und einer Retentatkammer und ein zylindrisches Fluidaufbereitungselement umfassen, das in dem Gehäuse angeordnet ist und eine gefaltete Fluidaufbereitungsschicht mit einer radial inneren Seite und einer radial äußeren Seite umfasst, wobei das Fluidaufbereitungselement einen ersten Strömungsweg, der durch das Fluidaufbereitungselement in einer Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes entlang der radial inneren Seite der Fluidaufbereitungsschicht zwischen der Verfahrensfluidkammer und der Retentatkammer hindurchführt, und einen zweiten Strömungsweg definiert, der durch die Fluidaufbereitungsschicht zwischen der Verfahrensfluidkammer und der Permeatkammer hindurchführt.
Ein Fluidaufbereitungselement kann ein Fluidaufbereitungsbündel, durch welches Fluid in einer Längsrichtung des Fluidaufbereitungsbündels fließen kann und welches ein hohles Zentrum des Fluidaufbereitungselementes umgibt, und eine Strömungsbegrenzung umfassen, die in dem hohlen Zentrum angeordnet ist, um den Fluidstrom in der Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes durch das hohle Zentrum zu begrenzen.
Eine Fluidaufbereitungsanordnung kann ein erstes Fluidaufbereitungselement, das ein hohles Zentrum und ein erstes und ein zweites Längsende aufweist und ein Fluidaufbereitungsbündel beinhaltet, das das hohle Zentrum umgibt und ein Fluidaufbereitungsmittel enthält, wobei das erste Fluidaufbereitungselement einen ersten Strömungsweg zwischen dem ersten und dem zweiten Ende durch das Fluidaufbereitungsbündel und einen zweiten Strömungsweg durch das hohle Zentrum zwischen dem ersten und dem zweiten Ende und das Fluidaufbereitungsbündel umgehend definiert, und eine Strömungsbegrenzung beinhaltet, die in dem hohlen Zentrum angeordnet ist, um den Fluidstrom in einer Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes durch das hohle Zentrum zu begrenzen, und ein zweites Fluidaufbereitungselement umfassen, das mit dem ersten Fluidaufbereitungselement in Reihe verbunden ist, um so Fluid, das entlang des ersten und des zweiten Strömungsweges des ersten Fluidaufbereitungselementes geleitet wird und einen ersten Strömungsweg definiert, der durch ein Fluidaufbereitungsbündel des zweiten Fluidaufbereitungselementes führt.
Ein Fluidaufbereitungselement kann ein Fluidaufbereitungsbündel beinhalten, das ein Fluidaufbereitungsmittel und einen Umgehungskanal enthält, der das Fluidaufbereitungsbündel umgibt und ermöglicht, dass Fluid in einer Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes fließt, während es das Fluidaufbereitungsbündel umgeht, wobei der Umgehungskanal einen Einlass an einem ersten Längsende des Fluidaufbereitungselementes und einen Auslass an einem zweiten Längsende des Fluidaufbereitungselementes aufweist und eine Innenseite des Umgehungskanals zwischen dem Einlass und dem Auslass von dem Fluidaufbereitungsbündel getrennt ist.
Eine Fluidaufbereitungsanordnung kann ein erstes Fluidaufbereitungselement, das ein Fluidaufbereitungsbündel, welches ein Fluidaufbereitungsmittel enthält, ein erstes Bauteil, welches das Fluidaufbereitungsbündel umgibt, und ein zweites Bauteil beinhaltet, welches das erste Bauteil umgibt und einen Umgehungskanal zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil definiert, durch den Fluid in einer Längsrichtung des ersten Fluidaufbereitungselementes unter Umgehung des Fluidaufbereitungsbündels fließen kann, und ein zweites Fluidaufbereitungselement umfassen, das mit dem ersten Fluidaufbereitungselement in Reihe verbunden ist, um Fluid, das durch das Fluidaufbereitungsbündel und den Umgehungskanal des ersten Fluidaufbereitungselement fließt, aufzunehmen.
Eine Fluidaufbereitungsanordnung kann ein zylindrisches Fluidaufbereitungselement, das eine hydrophobe Gasporenmembran mit einer ersten und einer zweiten Seite umfasst, wobei das Fluidaufbereitungselement einen ersten Strömungsweg in einer Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes auf der ersten Seite der Membran und einen zweiten Strömungsweg in einer Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes auf der zweiten Seite der Membran definiert, einen ClO₂-Erzeuger, der fluidisch mit dem ersten Strömungsweg verbunden ist, um dem Fluidaufbereitungselement eine wässrige Lösung, die gelöstes ClO₂ enthält, zuzuführen, und eine Fluidquelle zum Aufnehmen von ClO₂ umfassen, die fluidisch mit dem zweiten Strömungsweg verbunden ist.
Eine Fluidaufbereitungsbaugruppe kann ein Gehäuse, das einen ersten bis vierten Rohrboden aufweist und durch die Rohrböden in einer Längsrichtung des Gehäuses in eine erste Kammer, eine zweite Kammer, die sich zwischen dem ersten und zweiten Rohrboden befindet und durch den ersten Rohrboden von der ersten Kammer getrennt ist, eine dritte Kammer, die sich zwischen dem zweiten und dem dritten Rohrboden befindet, eine vierte Kammer, die sich zwischen dem dritten und dem vierten Rohrboden befindet, und eine fünfte Kammer, die durch den vierten Rohrboden von der vierten Kammer getrennt ist, unterteilt ist, wobei jede der Kammern eine Fluidöffnung aufweist, die eine Verbindung zwischen der Kammer und einer Außenseite des Gehäuses herstellt und mindestens ein Fluidaufbereitungselement, das in der zweiten Kammer angeordnet ist und durch die Öffnungen in dem ersten und dem zweiten Rohrboden fluidisch mit der ersten und der dritten Kammer in Verbindung steht, und mindestens ein Fluidaufbereitungselement umfassen, das in der vierten Kammer angeordnet ist und durch die Öffnungen in dem dritten und dem vierten Rohrboden fluidisch mit der dritten und fünften Kammer in Verbindung steht.
Ein Fluidaufbereitungselement kann ein Fluidaufbereitungsbündel, das sich axial erstreckende Falten aufweist und einen gefalteten Verbundwerkstoff, der eine Fluidaufbereitungsschicht, eine erste Abflussschicht auf einer ersten Seite der Fluidaufbereitungsschicht und eine zweite Abflussschicht auf einer zweiten Seite der Fluidaufbereitungsschicht umfasst, eine erste offene Endkappe, die mit einem ersten Längsende des Fluidaufbereitungsbündels dicht verbunden ist, und eine zweite offene Endkappe, die mit einem zweiten Längsende des Fluidaufbereitungsbündels dicht verbunden ist, und einen Kern umfassen, der von dem Fluidaufbereitungsbündel umgeben ist und ein erstes und ein zweites offenes Ende, einen ersten perforierten Bereich, der an das erste offene Ende des Kernes angrenzt und ein blindes inneres Ende aufweist, und einen zweiten perforierten Bereich aufweist, der an das zweite offene Ende des Kernes angrenzt und ein blindes inneres Ende aufweist, wobei Fluid in der Lage ist, zwischen den perforierten Bereichen nur an einer Außenseite des Kernes zu fließen, aufweist.
Ein Fluidaufbereitungselement kann ein gefaltetes Fluidaufbereitungsbündel, das eine Fluidaufbereitungsschicht mit einer radial inneren Seite und einer radial äußeren Seite und ein hohles Zentrum enthält, ein erstes Längsende, in das ein Verfahrensfluid in die radial äußere Seite der Fluidaufbereitungsschicht, aber nicht in die radial innere Seite der Fluidaufbereitungsschicht fließen kann, und ein zweites Längsende mit einer Längs-Endfläche, die abgedichtet ist, um Fluid daran zu hindern, durch die Längs-Endfläche zu fließen, und ein Rohr umfassen, welches das Fluidaufbereitungsbündel umgibt und Fluid daran hindert, in eine radiale Richtung des Fluidaufbereitungselementes zwischen dem Fluidaufbereitungsbündel und einer Außenseite des Fluidaufbereitungselementes zu fließen, ausgenommen in einem Bereich in einer Nachbarschaft des zweiten Längsendes des Fluidaufbereitungsbündels.
Ein Fluidaufbereitungselement kann ein hohles gefaltetes Fluidaufbereitungsbündel mit zwei Längs-Endflächen, durch die Fluid in das Fluidaufbereitungsbündel fließen kann, ein für Fluid undurchdringliches Bauteil, welches das Fluidaufbereitungsbündel umgibt, um Fluid daran zu hindern, von einer Außenseite des Fluidaufbereitungselementes zwischen den Längs-Endflächen in das Fluidaufbereitungsbündel zu fließen, ein Abdichtteil, um ein erstes Längsende des Fluidaufbereitungselementes dicht mit einem Rohrboden eines Fluidaufbereitungsgehäuses zu verbinden, ein Rohr, das mit dem hohlen Zentrum des Fluidaufbereitungsbündels in Verbindung steht und sich von einer der Längs-Endflächen des Fluidaufbe reitungsbündels nach außen erstreckt, und ein Abdichtteil umfassen, um das Rohr mit einem Rohrboden eines Fluidaufbereitungsgehäuses dicht zu verbinden.
Eine Fluidaufbereitungsbaugruppe kann ein Fluidaufbereitungsgehäuse, das einen ersten und einen zweiten Rohrboden, eine erste Kammer, die an den ersten Rohrboden angrenzt, eine zweite Kammer zwischen dem ersten und dem zweiten Rohrboden und durch den ersten Rohrboden von der ersten Kammer getrennt, und eine dritte Kammer, die an den zweiten Rohrboden angrenzt und durch den zweiten Rohrboden von der zweiten Kammer getrennt ist, beinhaltet, und ein Fluidaufbereitungselement, das in der zweiten Kammer angeordnet ist und ein hohles gefaltetes Fluidaufbereitungsbündel umfasst, das eine erste und eine zweite Längs-Endfläche aufweist, durch die Fluid fließen kann, ein erstes Längsende, das mit dem ersten Rohrboden verbunden ist, ein Rohr, das mit einem hohlen Zentrum des Fluidaufbereitungsbündels in Verbindung steht und mit dem zweiten Rohrboden verbunden ist, und ein für Fluid undurchdringliches Bauteil umfassen, welches das Fluidaufbereitungsbündel umgibt, um Fluid daran zu hindern, von der zweiten Kammer in das Fluidaufbereitungsbündel zu fließen, außer durch die zweite Längs-Endfläche des Fluidaufbereitungsbündels.
Eine Fluidaufbereitungsbaugruppe kann ein Fluidaufbereitungselement mit einem hohlen Zentrum und einem gefalteten Fluidaufbereitungsbündel, welches das hohle Zentrum umgibt, einer blinden Endkappe, die mit einem ersten Längsende des Fluidaufbereitungsbündels verbunden ist, und einer offenen Endkappe, die mit einem zweiten Längsende des Fluidaufbereitungsbündels verbunden ist, und ein Gehäuse umfassen, welches das Fluidaufbereitungselement enthält und eine erste Fluidöffnung, die sich auf einen Bereich des Gehäuses an einer Außenseite des Fluidaufbereitungselementes öffnet, und eine zweite Fluidöffnung, die sich auf einen Bereich des Gehäuses an einer Außenseite des Fluidaufbereitungselementes öffnet, und eine dritte Fluidöffnung enthält, die mit dem hohlen Zentrum des Fluidaufbereitungsbündels in Verbindung steht, wobei das Fluidaufbereitungselement zwischen der ersten und der zweiten Fluidöffnung angeordnet ist, das Gehäuse das Fluidaufbereitungselement ausreichend eng umgibt, dass ein Strömungsweg zwischen der ersten und der zweiten Fluidöffnung, der durch das Fluidaufbereitungsbündel führt, für geringeren Strömungswiderstand sorgt als ein Strömungsweg zwischen der ersten und der zweiten Fluidöffnung, der zwischen dem Fluidaufbereitungsbündel und dem Gehäuse hindurchführt.
Ein Fluidaufbereitungselement kann ein erstes und ein zweites offenes Ende aufweisen, durch welches Fluid fließen kann, und kann ein gefaltetes Fluidaufbereitungsbündel, das zwischen den offenen Enden des Fluidaufbereitungselementes angeordnet ist, und ein für Fluid undurchdringliches Bauteil umfassen, welches das Fluidaufbereitungsbündel umgibt und Fluid daran hindert, von einer Außenseite des Fluidaufbereitungselementes in dieses hinein zu fließen, außer in einem längsgerichteten Mittelabschnitt des Fluidaufbereitungselementes.
Ein Fluidaufbereitungsverfahren kann das Einbringen eines Verfahrensfluids in eine erste Netzschicht auf einer ersten Seite einer Fluidaufbereitungsschicht an einem ersten Längsende eines Fluidaufbereitungselementes, das Leiten des Verfahrensfluids in einer Längsrichtung des Fluidaufbereitungsbündels innerhalb der ersten Netzschicht auf ein zweites Längsende des Fluidaufbereitungselementes zu, um eine Fluid-Scherkraft auf der ersten Seite der Fluidaufbereitungsschicht zu erzeugen, und das Leiten eines Teils des Verfahrensfluids durch die Fluidaufbereitungsschicht in eine zweite Netzschicht auf einer zweiten Seite der Fluidaufbereitungsschicht umfassen.
Ein Fluidaufbereitungsverfahren kann das Einbringen eines Fluids durch eine Längs-Endfläche eines Fluidaufbereitungsbündels in eine erste Netzschicht auf einer ersten Seite einer Fluidaufbereitungsschicht des Fluidaufbereitungsbündels und das Leiten mindestens eines Teils des Fluids durch die Fluidaufbereitungsschicht in eine zweite Netzschicht auf einer zweiten Seite der Fluidaufbereitungsschicht umfassen.
Ein Fluidaufbereitungsverfahren kann das Einbringen eines Verfahrensfluids in ein Fluidaufbereitungselement mit einer Fluidaufbereitungsschicht und einem Abflussnetz, das auf einer Seite der Fluidaufbereitungsschicht angeordnet ist, wobei das Abflussnetz eine erste und eine zweite Gruppe von Strängen aufweist, die sich bezogen auf eine Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes diagonal erstrecken, das Leiten des Verfahrensfluids durch das Abflussnetz in einer Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes, um eine Fluid-Scherkraft entlang einer Oberfläche der Fluidaufbereitungsschicht zu erzeugen, und das Leiten eines Teils des Verfahrensfluids durch die Fluidaufbereitungsschicht, um ein Permeat zu bilden, umfassen.
Ein Fluidaufbereitungsverfahren kann das Einbringen eines Fluids in ein erstes Fluidaufbereitungselement an einem ersten Längsende davon, das Leiten eines ersten Teils des Fluids entlang eines ersten Strömungsweges durch ein Fluidaufbereitungsbündel des ersten Fluidaufbereitungselementes und das Leiten eines zweiten Teils des Fluids entlang eines zweiten Strömungsweges durch das Fluidaufbereitungselement unter Umgehen des Fluidaufbereitungsbündels, das Vereinigen von Fluid, das entlang des ersten und des zweiten Strö mungsweges geleitet wurde, an einem zweiten Längsende des Fluidaufbereitungselementes, und das Ableiten des vereinigten Fluids aus dem ersten Fluidaufbereitungselement umfassen.
Ein Fluidaufbereitungsverfahren kann das Leiten eines ersten Fluidstromes durch ein gefaltetes Fluidaufbereitungselement in einer Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes auf einer ersten Seite einer Fluidaufbereitungsschicht des Fluidaufbereitungselementes, das Leiten eines zweiten Fluidstromes durch das Fluidaufbereitungselement in einer Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes auf einer zweiten Seite der Fluidaufbereitungsschicht und das Übertragen von Material quer durch die Fluidaufbereitungsschicht zwischen den beiden Fluidströmen umfassen. Die Materialübertragung wird ohne direktes Vermischen der Fluidströme durchgeführt.
Ein Fluidaufbereitungsverfahren kann das Leiten eines Fluids durch eine Fluidaufbereitungsschicht von einer ersten Seite auf eine zweite Seite der Fluidaufbereitungsschicht, um das Fluid aufzubereiten, und dann das Reinigen der Fluidaufbereitungsschicht mittels Leiten einer Flüssigkeit und eines Gases entlang der ersten Seite der Fluidaufbereitungsschicht in einer Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes umfassen.
Ein Fluidaufbereitungsverfahren kann das Leiten eines Fluids durch eine Fluidaufbereitungsschicht eines Fluidaufbereitungselementes in einer ersten Richtung, das Leiten eines Gemisches aus Flüssigkeit und Gas durch die Fluidaufbereitungsschicht in einer zweiten Richtung, um Teilchen aus der Fluidaufbereitungsschicht zu entfernen, und das Ableiten des Gemisches aus Flüssigkeit und Gas und den entfernten Teilchen aus dem Fluidaufbereitungselement umfassen.
Ein Fluidaufbereitungsverfahren kann das Einbringen eines Verfahrensfluids in ein hohles Zentrum eines gefalteten Fluidaufbereitungselementes an einem ersten Längsende des Fluidaufbereitungselementes, das Leiten des Verfahrensfluids nach außen aus dem hohlen Zentrum in ein Fluidaufbereitungsbündel, welches das hohle Zentrum umgibt, das Leiten des Verfahrensfluids innerhalb des Fluidaufbereitungsbündels in einer Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes entlang einer ersten Oberfläche einer Fluidaufbereitungsschicht des Fluidaufbereitungselementes, das Leiten eines Teiles des Verfahrensfluids durch die Fluidaufbereitungsschicht und das Ableiten von Verfahrensfluid, das nicht durch die Fluidaufbereitungsschicht tritt, von einem zweiten Längsende des Fluidaufbereitungselementes umfassen.
Ein Fluidaufbereitungsverfahren kann das Einbringen eines aufzubereitenden Fluids in ein Fluidaufbereitungselement auf einer ersten Seite einer Fluidaufbereitungsschicht des Fluidaufbereitungselementes, das Leiten des gesamten aufzubereitenden Fluids durch die Fluidaufbereitungsschicht, das Einbringen eines Reinigungsfluids in das Fluidaufbereitungselement auf der ersten Seite der Fluidaufbereitungsschicht und das Reinigen der Fluidaufbereitungsschicht durch Leiten des Reinigungsfluids entlang der ersten Seite der Fluidaufbereitungsschicht, um eine Fluid-Scherkraft auf der ersten Seite der Fluidaufbereitungsschicht zu erzeugen, umfassen.
Ein Fluidaufbereitungsverfahren kann das Einbringen eines Fluids aus einer ersten Kammer eines Gehäuses durch einen ersten Rohrboden in ein erstes Längsende eines gefalteten Fluidaufbereitungselementes, das in einer zweiten Kammer des Gehäuses angeordnet ist, die durch den ersten Rohrboden von der ersten Kammer getrennt ist, das Leiten des Fluids innerhalb des Fluidaufbereitungselementes entlang einer radial äußeren Seite einer Fluidaufbereitungsschicht des Fluidaufbereitungselementes in einer Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes, um eine Fluid-Scherkraft auf der radial äußeren Seite der Fluidaufbereitungsschicht zu erzeugen, während das Fluid in dem Fluidaufbereitungselement durch ein für Fluid undurchdringliches Bauteil zurückgehalten wird, und das Ableiten des Fluids radial nach außen aus dem Fluidaufbereitungselement in die zweite Kammer in der Nachbarschaft eines zweiten Längsendes des Fluidaufbereitungselementes umfassen.
Ein Fluidaufbereitungsverfahren kann das Einbringen eines Fluids aus einer ersten Kammer eines Gehäuses radial in ein Fluidaufbereitungselement, das in der ersten Kammer angeordnet ist, das Leiten des Fluids innerhalb des Fluidaufbereitungselementes entlang einer radial äußeren Seite einer Fluidaufbereitungsschicht des Fluidaufbereitungselementes in einer Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes, um eine Fluid-Scherkraft auf der radial äußeren Seite der Fluidaufbereitungsschicht zu erzeugen, während das Fluid in dem Fluidaufbereitungselement durch ein für Fluid undurchdringliches Bauteil zurückgehalten wird, und das Ableiten des Fluids aus einem Längsende des Fluidaufbereitungselementes durch einen ersten Rohrboden in eine zweite Kammer des Gehäuses, die durch den ersten Rohrboden von der ersten Kammer getrennt ist, umfassen.
Ein Fluidaufbereitungsverfahren kann das Einbringen eines aufzubereitenden Fluids in ein gefaltetes Fluidaufbereitungselement, das Leiten des Fluids in einer Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes entlang einer ersten Seite einer Fluidaufbereitungsschicht des Flu idaufbereitungselementes auf ein erstes Längsende des Fluidaufbereitungselementes zu, das Leiten eines Teiles des Fluids durch die Fluidaufbereitungsschicht, das Ableiten des Teiles des Fluids, der durch die Fluidaufbereitungsschicht hindurchgetreten ist, von einem zweiten Längsende des Fluidaufbereitungselementes und das Ableiten von Fluid, das nicht durch die Fluidaufbereitungsschicht getreten ist, von dem ersten Längsende des Fluidaufbereitungselementes umfassen.
Die zahlreichen Vorteile der verschiedenen oben erwähnten Ausführungsformen werden unten ausführlich beschrieben. Zu diesen Vorteilen gehören Vielseitigkeit, die mehrere Betriebsarten ermöglicht, hoher Wirkungsgrad, wirkungsvolle Raumnutzung und eine erhöhte Lebensdauer von Fluidaufbereitungselementen.
Ein Fluidaufbereitungselement kann benutzt werden, um eine breite Vielfalt an Fluiden einschließlich Gasen, Flüssigkeiten und mehrphasiger Kombinationen, wie z.B. Gemischen von Gasen und Flüssigkeiten, aufzubereiten, und es kann eingesetzt werden, um eine breite Vielfalt an Fluidaufbereitungsverfahren, wie z.B. Entfernen von Teilchen aus einem Fluid (Teilchenfiltration), Koagulieren, Übertragen von gelösten Substanzen zwischen zwei Fluiden und das Konzentrieren eines Verfahrensfluids, durchzuführen. Teilchen, die aus einem Fluid entfernt werden können, wenn das Fluidaufbereitungselement zur Teilchenfiltration benutzt wird, können größenmäßig von groben Teilchen (im Allgemeinen definiert als Teilchen, die etwa 0,1 mm und darüber im Durchmesser messen) bis hinab zu Teilchen in dem Ionenbereich (im Allgemeinen definiert als Teilchen, die etwa 10^–7 bis etwa 10^–5 mm im Durchmesser messen) reichen. So kann das Fluidaufbereitungselement benutzt werden, um Filtration, wie z.B. Grobteilchenfiltration, Feinteilchenfiltration, Mikrofiltration, Ultrafiltration, Umkehrosmose, Gaspermeation, Dialyse, Pervaporation, Dampfpermeation, Membrandestillation, Elektrodialyse, Elektrofiltration und Flüssigmembranfiltration, durchzuführen.
Ein Fluidaufbereitungselement kann ein Einweg-Element sein, das zum Verwerten vorgesehen ist, wenn es mit Teilchen beladen wird, oder es kann ein wiederverwendbares Element sein, das, nachdem es beladen worden ist, entweder während es noch in einem Gehäuse eingebaut ist oder nachdem es daraus entfernt wurde, gereinigt werden kann, um zu ermöglichen, dass das Element wiederverwendet wird. In einer Anzahl bevorzugter Ausführungsformen ist ein Fluidaufbereitungselement in der Lage, entweder durch Rückspülen oder durch Querstrom gereinigt zu werden, während es in einem Gehäuse eingebaut ist.
Eine Fluidaufbereitungsbaugruppe kann ein Fluidaufbereitungsbündel und ein Rohr, welches das Fluidaufbereitungsbündel umgibt, umfassen. Das Rohr kann Öffnungen an den Längsenden des Rohres oder in deren Nachbarschaft und einen blinden Bereich ohne Öffnungen aufweisen, der sich zwischen den Öffnungen erstreckt. Die Baugruppe beinhaltet Endkappen, die mit den Enden des Filterbündels dicht verbunden sind.
Eine Anordnung zum Kontaktieren einer Flüssigkeit und eines Gases, das in der Flüssigkeit löslich ist, kann eine Fluidaufbereitungsvorrichtung, eine Quelle von dem Gas und eine Quelle von der Flüssigkeit umfassen. Ein Verfahren zum Kontaktieren einer Flüssigkeit und eines Gases unter Benutzung der obigen Anordnung ermöglicht die Herstellung von Lösungen von Gasen in Flüssigkeiten, die frei oder im Wesentlichen frei von Bläschen sind. Eine Anordnung zum Entgasen einer Flüssigkeit, die ein gelöstes Gas enthält, kann eine Fluidaufbereitungsvorrichtung, eine Quelle von der Flüssigkeit und eine Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Strömungsweg umfassen.
Ein Fluidaufbereitungsverfahren kann das Einbringen eines Verfahrensfluids in ein gefaltetes Fluidaufbereitungselement, das Leiten mindestens eines Teils des Verfahrensfluids durch ein Fluidaufbereitungsmittel des Elementes und das Leiten eines Gases, das von dem Verfahrensfluid verschieden ist, entlang der ersten Seite des Fluidaufbereitungsmittels, um Teilchen von der ersten Seite des Fluidaufbereitungsmittels zu entfernen, umfassen.
Eine Fluidaufbereitungsanordnung kann ein gefaltetes Fluidaufbereitungselement, ein Gehäuse, welches das Fluidaufbereitungselement enthält und eine erste Fluidöffnung, die mit dem ersten Längsende in Verbindung steht, und eine zweite und eine dritte Fluidöffnung aufweisen, die mit dem zweiten Längsende des Fluidaufbereitungselementes in Verbindung stehen, wobei Fluid in der Lage ist, von der ersten Öffnung durch das Fluidaufbereitungselement zu der zweiten und der dritten Öffnung zu fließen, ohne durch das Fluidaufbereitungsmittel hindurchzutreten, eine Quelle von aufzubereitender Flüssigkeit, die mit einer von der ersten und der zweiten Fluidöffnung verbunden ist, und eine Quelle von im Querstrom fließendem Reinigungsgas, die mit der dritten Fluidöffnung verbunden ist, umfassen.
Ein Fluidaufbereitungsmodul kann Kopfstücke mit Bohrungen zur Fluidverbindung, einen Mantel und ein Fluidaufbereitungselement umfassen. Eine Fluidaufbereitungsbaugruppe kann eine Vielzahl von Fluidaufbereitungsmodulen umfassen.
Ein Verfahren zum Reinigen eines Fluidaufbereitungselementes kann ein Fluidaufbereitungsmittel mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite umfassen, wobei die erste Seite Teilchen aufweist, die darauf abgeschieden sind. In das Verfahren ist das Leiten eines Reinigungsgases entlang der ersten Seite des Fluidaufbereitungsmittels, ohne dass es zuerst durch das Fluidaufbereitungsmittel geleitet wird, einbezogen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines Filterelementes.
2 ist eine transversale Querschnittsansicht längs der Linie 2-2 von 1.
3 ist eine transversale Querschnittsansicht längs der Linie 3-3 von 1.
4 ist eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform eines Filterelementes, das mit einem Rohr zum Erhöhen der Wirksamkeit des Rückspülens ausgestattet ist.
5 ist eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines Filterelementes, das von der Ausführungsform von 1 verschiedene Endkappen aufweist.
6 ist eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform eines Filterelementes, in dem Verfahrensfluid entlang der radial inneren Seiten einer Filterschicht fließt.
7 ist eine transversale Querschnittsansicht längs der Linie 7-7 von 6.
8 ist eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform eines Filterelementes, in der das Filterelement von einer Verfahrensfluidkammer umgeben ist.
9 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines Filterelementes, in dem Retentat und Permeat von entgegengesetzten Enden des Filterelementes abgeleitet werden.
10 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines Filterelementes, das in ein Gehäuse ohne Rohrböden eingebaut ist.
11 ist eine Schnittansicht einer Filteranordnung, in der eine Vielzahl von Filterelementen in Reihe verbunden ist.
12 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Filterelementes mit zwei Einlass-Fluidströmen.
13 ist ein Blockdiagramm eines Systems zur Desinfizierung von Wasser, in dem das Filterelement von 12 eingesetzt wird.
14 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Gehäuses, das mit einer Vielzahl von Filterelementen ausgestattet ist.
15 ist eine Schnittansicht einer Filteranordnung mit einer Vielzahl von Filterelementen, die in Reihe verbunden sind.
16 ist eine Querschnittsansicht eines Filterbündels, das in einem Filterelement eingesetzt werden kann, in einem teilweise zusammengebauten Zustand.
17 ist eine transversale Querschnittsansicht des Filterbündels von 16 in einem zusammengebauten Zustand.
18 ist eine transversale Querschnittsansicht eines anderen Beispiels für ein Filterbündel, das in einem Filterelement eingesetzt werden kann, in einem teilweise zusammengebauten Zustand.
19 ist eine transversale Querschnittsansicht des Filterbündels von 18 in einem zusammengebauten Zustand.
20 ist eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines Filterelementes.
21 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts der Außenwand des Mantels des Filterelementes von 20.
22 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts von einem der Stutzen des Filterelementes von 20.
23 ist eine Querschnittsansicht eines Fluidaufbereitungselementes.
24 stellt die Konzentration an gelöstem Ozon und die Ozon-Durchflussmenge als eine Funktion des Durchsatzes von Wasser durch ein Fluidaufbereitungselement dar.
25 stellt die Durchflussmenge von Ozon als eine Funktion der Ozonkonzentration in Wasser durch ein Fluidaufbereitungselement dar.
26 stellt die Konzentration von Ozon in Wasser als eine Funktion der Zeit des Durchleitens mit Ozon durch ein Fluidaufbereitungselement dar.
27 ist eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform einer Fluidaufbereitungsbaugruppe, bei der eine Vielzahl von Modulen eingesetzt wird.
28 ist eine teilweise auseinandergezogene isometrische Ansicht einiger der Module der Ausführungsform von 27.
29 ist eine Seitenquerschnittsansicht eines der Module von 28 längs der Linie 25-25 von 30 unten.
30 ist eine Vorderseiten-Querschnittsansicht des Moduls längs der Linie 26-26 von 29.
31 ist eine Vorderseiten-Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines Fluidaufbereitungsmoduls.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
In der folgenden Beschreibung wird der Ausdruck „Fluidaufbereitungselement" benutzt, um eine Vorrichtung zu bezeichnen, die ein Fluidaufbereitungsmittel zum Aufbereiten eines Fluids beinhaltet, und der Ausdruck „Fluidaufbereitungsbaugruppe" wird benutzt, um eine Kombination aus einem Gehäuse und einem oder mehreren Fluidaufbereitungselementen, die in dem Gehäuse entweder entfernbar oder fest eingebaut sind, zu bezeichnen. Der Ausdruck „Fluidaufbereitungsbündel" wird benutzt, um einen Teil eines Fluidaufbereitungselementes, das ein Fluidaufbereitungsmittel enthält, zu bezeichnen. Wenn das Fluidaufbereitungselement Filtration durchführen soll, können ein Fluidaufbereitungselement, eine Fluidaufbereitungsbaugruppe, ein Fluidaufbereitungsmittel und ein Fluidaufbereitungsbündel als ein Filterelement, eine Filterbaugruppe, ein Filtermittel bzw. ein Filterbündel bezeichnet werden. In vielen der unten beschriebenen Ausführungsformen sind die Fluidaufbereitungselemente besonders zur Filtration eines Fluids geeignet, um Teilchen aus dem Fluid zu entfernen, und werden daher als Filterelemente bezeichnet; wie jedoch oben angegeben, können Fluidaufbereitungselemente der vorliegenden Erfindung für eine breite Vielfalt von Fluidaufbereitungstypen eingesetzt werden.
In den Zeichnungen sind die Filterelemente als senkrecht ausgerichtet dargestellt, jedoch können die Filterelemente jede beliebige Ausrichtung in Bezug auf die Senkrechte aufweisen. Zweckmäßigerweise können die Ausdrücke „obere" und „untere" benutzt werden, um verschiedene Abschnitte der Filterelemente oder der Apparatur, bei denen die Filterelemente eingesetzt werden, zu bezeichnen, jedoch ist mit der Benutzung dieser Ausdrücke nicht beabsichtigt, irgendwelche Beschränkungen hinsichtlich der Weise aufzuerlegen, in der die Filterelemente ausgerichtet sein können.
1 ist eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines Filterelementes 10. Es beinhaltet ein Filterbündel 20, das ein Filtermittel enthält, einen Kern 30, der von dem Filterbündel 20 umgeben ist, und eine Endkappe 40, die an jedem Längsende des Filterbündels 20 angeordnet ist.
Das Filterelement 10 ist in ein Gehäuse eingebaut gezeigt, von dem nur ein Teil gezeigt ist. Das Gehäuse wird häufig eine Vielzahl von Teilabschnitten umfassen, die abnehmbar aneinander befestigt sind, um zu ermöglichen, das Gehäuse zu öffnen und zu schließen, um den Einbau und den Austausch des Filterelementes 10 zu gestatten. Das dargestellte Gehäuse beinhaltet einen ersten und einen zweiten Rohrboden 50 und 52, welche den Innenraum des Gehäuses in eine Verfahrensfluidkammer 55, von der aus ein zu filterndes Verfahrensfluid in das Filterelement 10 eingebracht werden kann, eine Permeatkammer 56, die Permeat, das aus dem Filterelement 10 abgeleitet wird, wenn das Filterelement in einer Querstromfiltrations-Betriebsart betrieben wird, und eine Retentatkammer 57 unterteilt, die das Retentat aufnimmt, das aus dem Filterelement 10 abgeleitet wird, wenn das Filterelement in einer Querstromfiltrations-Betriebsart betrieben wird. Wenn das Filterelement in einer statischen Filtrationsbetriebsart betrieben wird, nimmt die Permeatkammer 56 das Filtrat auf, das durch das Filterelement 10 hindurchgetreten ist, während im Wesentlichen kein Fluid in die Retentatkammer 57 fließt.
Der erste Rohrboden 50 enthält eine Öffnung 51, welche eine Verbindung zwischen der Verfahrensfluidkammer 55 und der Permeatkammer 56 herstellt, und der zweite Rohrboden 52 enthält eine Öffnung 53, welche eine Verbindung zwischen der Permeatkammer 56 und der Retentatkammer 57 herstellt. Jedes Ende des Filterelementes 10 ist von einer der Öffnungen 51, 53 aufgenommen oder in einer anderen Weise fluidisch damit verbunden. In Abhängigkeit von der Größe des Gehäuses kann jeder Rohrboden eine Vielzahl von Öffnungen beinhalten, um zu ermöglichen, dass in dem Gehäuse eine Vielzahl ähnlicher Filterelemente in der gleichen Weise untergebracht werden. Das Gehäuse wird im Allgemeinen eine Vielzahl von Fluidöffnungen beinhalten, die jeweils eine Verbindung zwischen den Kammern 55 bis 57 und der Außenseite des Gehäuses herstellen und ermöglichen, dass Fluid in die entsprechende Kammer eingebracht oder daraus entfernt wird. Vorzugsweise ist jede der Fluidöffnungen mit einem Ventil oder einem anderen Steuerungsmechanismus ausgestattet, mittels welchem die Fluidströmung durch die Öffnung ermöglicht oder verhindert werden kann. Falls gewünscht, können Mittel zum Immobilisieren des Filterelementes 10 in Bezug auf die Rohrböden, wie z.B. Verbindungsstangen, Niederhalteplatten oder Klammern, bereitgestellt sein, obwohl in vielen Fällen die Reibung zwischen den Rohrböden und den Endkappen 40 ausreicht, um eine unerwünschte Bewegung des Filterelementes 10 zu verhindern. In der vorliegenden Ausführungsform ist in der Öffnung 53 in dem zweiten Rohrboden 52 eine Leiste 54 zum Stützen des Filterelementes 10, zum Positionieren des Filterelementes 10 in Bezug auf die Rohrböden oder zum Widerstehen axialer Kräfte, die auf das Filterelement 10 einwirken, gebildet. Das Filterelement 10 kann in die Rohrböden eingebaut werden, indem es von der Verfahrensfluidkammer 55 aus in den ersten und den zweiten Rohrboden eingeführt wird, bis die Endkappen 40 gegenüber den Öffnungen 51, 53 in den Rohrböden abgedichtet sind.
Das Filterbündel 20 braucht keine bestimmte Gestalt aufzuweisen. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Filterbündel 20 ein hohles Bauteil mit einer zylindrischen inneren oder äußeren Peripherie, jedoch kann es andere Umfangsgestalten, wie z.B. ovale oder polygonale, aufweisen. Zudem braucht es nicht hohl zu sein. In der Ausführungsform von 1 ist das Filterbündel 20 ein gefaltetes Bauteil mit einer Vielzahl sich axial erstreckender Falten, d.h. Falten, die sich in der Längsrichtung des Filterbündels 20 erstrecken. Das Filterbündel 20 kann jedoch eine ungefaltete Struktur aufweisen, wie z.B. eine spiralförmig gewundene Struktur, bei der ein oder mehrere Material-Flächengebilde in einer oder mehreren Windungen um einen Kern gewickelt sind.
Ein gefaltetes Filterbündel kann in denjenigen Anwendungen vorteilhaft sein, in denen das Minimieren des Druckabfalls wichtig ist, da der Strömungsweg von Fluid in der Richtung der Faltenhöhe in einem gefalteten Filterbündel gewöhnlich kürzer ist als der Strömungsweg von Fluid in der Wickelrichtung von Flächengebilden in einem spiralförmig gewundenen Filter bündel, was zu geringeren Druckabfällen in einem gefalteten Filterbündel führt. Andererseits kann ein spiralförmig gewundenes Filterbündel Vorteile hinsichtlich der Leichtigkeit der Herstellung, des Oberflächeninhaltes, der zur Filtration für ein gegebenes Volumen verfügbar ist, oder der Festigkeit aufweisen.
Das Filterbündel 20 kann aus einer einzelnen Schicht gebildet sein, umfasst im Allgemeinen jedoch einen mehrschichtigen Verbundwerkstoff. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst es einen dreischichtigen Verbundwerkstoff aus einer Filterschicht 21, die ein Filtermittel umfasst, einer inneren Abflussschicht 22 und einer äußeren Abflussschicht 23.
Hinsichtlich des Typs des Filtermittels, das in der Filterschicht 21 eingesetzt werden kann, gibt es keine besonderen Beschränkungen, und es kann gemäß dem zu filternden Fluid und dem durchzuführenden Filtrationstyp ausgewählt werden. Beispielsweise kann das Filtermittel in der Form einer Fasermasse, von Fasermatten, gewebten oder ungewebten Faserbahnen, porösen Membranen, wie z.B. geträgerten oder ungeträgerten mikroporösen Membranen, porösem Schaum und porösen Metallen oder keramischen Stoffen vorliegen. Das Filtermittel kann aus jedem beliebigen geeigneten Material einschließlich – aber nicht beschränkt auf – natürlicher oder synthetischer Polymere, Glas, Metallen und keramischer Stoffe gebildet sein.
Das Filterbündel 20 kann eine einzelne Filterschicht 21 enthalten, oder eine Vielzahl von Filterschichten des gleichen oder unterschiedlichen Filtermittels kann bis zu einer gewünschten Dicke aufeinander angeordnet sein. Beispielsweise ist es möglich, dass das Filterbündel 20 zwei oder mehr Filterschichten mit unterschiedlichen Filtrierkennzeichen beinhaltet, z.B. wobei eine Schicht als ein Vorfilter für die zweite Schicht wirkt. Jede Filterschicht kann eine einheitliche Porenstruktur oder eine abgestufte Porenstruktur aufweisen, die über ihre Dicke hinweg variiert.
Die Abflussschichten 22 und 23 sind in dem Filterbündel 20 häufig erwünscht, um Räume zu bilden, durch welche Fluid entlang beider Seiten der Filterschicht 21 fließen kann, sogar wenn die Falten des Filterbündels 20 gegeneinander gepresst werden, und sie können auch die Filterschicht 21 verstärken, um dem Filterbündel eine größere Steifigkeit und Festigkeit zu verleihen. Wenn jedoch ein angemessener Raum zum Fließen von Fluid entlang der Oberflächen der Filterschicht 21 vorhanden ist, kann auf eine oder beide Abflussschichten verzichtet werden. Die innere Abflussschicht 22 ist diejenige Schicht, die auf der Seite angeordnet ist, welche die Abstromseite der Filterschicht 21 ist, wenn Fluid durch das Filterbündel 20 von dessen Außenseite radial nach innen in sein Zentrum fließt, während die äußere Abflussschicht 23 diejenige Schicht ist, die auf der Seite angeordnet ist, welche die Anstromseite der Filterschicht 21 ist, wenn Fluid radial nach innen durch das Filterbündel 20 fließt.
Die Abflussschichten 22, 23 können aus beliebigen Materialien mit niedrigen seitlichen Fließkennwerten, d.h. geringem Widerstand gegen Fluidstrom durch eine Abflussschicht in einer Richtung, die im Allgemeinen parallel zu seiner Oberfläche ist, hergestellt sein. Beispiele für geeignete Materialien sind Netze und poröse gewebte oder ungewebte Flächengebilde. Netze sind gewöhnlich porösen Flächengebilden vorzuziehen, weil sie gewöhnlich eine größere Öffnungsfläche und einen größeren Widerstand gegen Zusammendrücken in der Richtung der Dicke aufweisen. Für Hochtemperaturanwendungen kann ein metallisches Netz oder Sieb eingesetzt werden, während für Anwendungen mit niedrigerer Temperatur ein polymeres Netz besonders geeignet sein kann. Polymere Netze werden typischerweise in der Form von gewebten Netzen und ungewebten Netzen angeboten. Beide Typen können eingesetzt werden, jedoch sind ungewebte Netze im Allgemeinen vorzuziehen, weil sie glatter sind und daher weniger Abrieb von aneinandergrenzenden Schichten des Filterverbundwerkstoffes erzeugen. Spezifische Beispiele für geeignete ungewebte polymere Netze sind diejenigen, die von Nalle Plastics (Austin, Texas) unter den Handelsnamen NALTEX^TM, ZICOT^TM und ULTRAFLO^TM erhältlich sind.
Einige Typen von ungewebten Netzen weisen weniger Widerstand gegenüber seitlichen Fluss in einer Richtung als in anderen Richtungen auf. Ein Beispiel für solch ein ungewebtes Netz ist dasjenige, das unter der Handelsbezeichnung DELNET^TM vertrieben wird. Dieses Netz weist eine Gruppe paralleler polymerer Stränge auf, die oben auf einem gedehnten polymeren Flächengebilde angeordnet sind. Der seitliche Strömungswiderstand von DELNET ist gegen Strömung parallel zu den polymeren Strängen erheblich geringer als gegen Strömung quer zu den Strängen. In Bereichen des Filterbündels 20, in denen die Strömung hauptsächlich in einer Richtung erfolgt (wie z.B. hauptsächlich in der Längsrichtung des Filterbündels 20 oder hauptsächlich in der Richtung der Höhe der Falten), kann ein Netz mit einem geringeren seitlichen Strömungswiderstand in eine Strömungsrichtung als in einer anderen kann geeignet sein.
Andererseits kann es in Bereichen des Filterbündels 20, in denen die Strömung in mehreren Richtungen erfolgt oder in denen die Strömung die Richtungen ändern muss, bevorzugt sein, ein Netz einzusetzen, das keine einzelne bevorzugte Strömungsrichtung aufweist. Ein Beispiel für solch ein Netz ist dasjenige, das als Diamantnetz bezeichnet wird, das eine erste und eine zweite Gruppe von Strängen aufweist, die sich in Bezug auf die Längsrichtung des Netzes (die Richtung, in der das Netz von einer Rolle des Netzes abrollt) diagonal erstrecken. Wenn ein strukturiertes Netz, wie z.B. ein Diamantnetz, für die Abflussschichten 22, 23 eingesetzt wird, erstrecken sich die Stränge des Netzes in Bezug auf die Längsrichtung des Filterbündels 20 alle diagonal, und die Abflussschichten 22, 23 werden in der Längsrichtung des Filterbündels 20 und in der Richtung der Höhe der Falten des Filterbündels 20 annähernd den gleichen seitlichen Strömungswiderstand aufweisen. Unterschiedliche Typen von Netzen können auf gegenüberliegenden Seiten der Filterschicht 21 oder in unterschiedlichen Bereichen entlang der Länge des Filterbündels 20 auf derselben Seite der Filterschicht 21 benutzt werden.
In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen des Filterelementes, in denen gegenüberliegende Oberflächen von aneinandergrenzenden Schenkeln der Falten gegeneinander gedrückt sind, wenn die Abflussschichten 22, 23 ungewebte Netze umfassen, werden die Stränge des Abflussnetzes eines Schenkels der Falten gegen die Stränge des Abflussnetzes eines angrenzenden Schenkels der Falten gedrückt. Wenn die Stränge des Abflussnetzes auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen parallel zueinander sind, können die Stränge zum „Ineinanderverschachteln" neigen, d.h. sich zwischeneinander einzupassen, anstatt aufeinander zu liegen. Wenn ein Ineinanderverschachteln erfolgt, ist die Richtung der Stränge, die sich ineinander verschachteln, vorzugsweise so, dass ihr Ineinanderverschachteln den seitlichen Strömungswiderstand des Netzes nicht erheblich verringert. Der Widerstand gegen seitliche Strömung, der durch sich ineinanderverschachtelnde Stränge erzeugt wird, ist im Allgemeinen maximal, wenn sich die ineinanderverschachtelnden Stränge im rechten Winkel zu der Richtung der seitlichen Strömung erstrecken, und minimal, wenn die sich ineinanderverschachtelnden Stränge parallel zu dieser Richtung erstrecken.
Die Abflussschichten 22, 23 auf den radial inneren und äußeren Seiten der Filterschicht 21 können Kennzeichen aufweisen, die voneinander verschieden sind. Beispielsweise kann die Dicke der Abflussschicht auf der Verfahrensfluidseite der Filterschicht 21 (die innere Abflussschicht 22 in 2) größer als die Dicke der Abflussschicht auf der Permeatseite (die äußere Abflussschicht 23 in 2) sein, um einen Raum zu erzeugen, in dem sich ein Kuchen bilden kann oder durch den Teilchen, die in dem Verfahrensfluid, aber nicht in dem Permeat gegenwärtig sein können, hindurchtreten können.
Das Filterbündel 20 kann zusätzlich zu der Filterschicht 21 und den Abflussschichten 22, 23 weitere Schichten beinhalten. Um beispielsweise einen Abrieb der Filterschicht 21 zu verhin dern, der durch reibenden Kontakt mit den Abflussschichten 22, 23 bedingt sein kann, wenn sich die Falten bei Druckschwankungen des Fluidsystems, in dem das Filter eingebaut ist, dehnen und zusammenziehen, kann eine Dämpfungsschicht zwischen der Filterschicht 21 und einer oder beiden Abflussschichten 22, 23 angeordnet sein. Die Dämpfungsschicht ist vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das glatter als die Abflussschichten 22, 23 ist und eine größere Abriebbeständigkeit als die Filterschicht 21 aufweist. Wenn die Abflussschichten 22, 23 beispielsweise aus einem ungewebten polymeren Netz hergestellt sind, ist ein Beispiel für eine geeignete Dämpfungsschicht ein Polyester-Vliesstoff, wie z.B. derjenige, der von der Reemay Corporation unter der Handelsbezeichnung REEMAY^TM vertrieben wird. Eine Dämpfungsschicht kann eine eigenständige Schicht sein, die von den anderen Schichten in dem Verbundwerkstoff getrennt ist, oder sie kann mit einer anderen der Schichten verbunden sein. Beispielsweise kann sie in der Form eines porösen textilen Flächengebildes vorliegen, an dem die Filterschicht 21 befestigt ist und das als ein Substrat für die Filterschicht 21 dient.
Die Räume zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der Filterschicht 21 auf der radial äußeren Seite der Filterschicht 21 sind vorzugsweise an beiden Längsenden des Filterbündels 20 abgedichtet, um Verfahrensfluid darin zu hindern, durch die obere Längs-Endfläche des Filterbündels 20 in die Permeatseite der Filterschicht 21 zu fließen, und um Permeat daran zu hindern, durch die untere Längs-Endfläche in die Retentatkammer 57 zu fließen. Die Räume können in einer Vielfalt von Weisen abgedichtet sein. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Abdichtstreifen 24, der für das Verfahrensfluid und das Permeat undurchdringlich ist, an beiden Längsenden des Filterbündels 20 in den Verbundwerkstoff eingefaltet, um so die Räume auszufüllen. Die Abdichtstreifen 24 können aus jedem beliebigen Material hergestellt sein, das in dem gefalteten Zustand des Filterbündels 20 für das Verfahrensfluid oder das Permeat undurchdringlich ist. Beispielsweise kann das Material solch eines sein, das entweder in einem zusammengedrückten oder in einem nicht zusammengedrückten Zustand undurchdringlich ist, oder es kann aus einem Material hergestellt sein, das in einem nicht zusammengedrückten Zustand porös und durchdringlich ist, dessen Poren aber geschlossen werden und für Fluid unporös und undurchdringlich wird, wenn es in dem Filterbündel 20 zusammengedrückt wird.
Einige Beispiele für Materialien, die für die Abdichtstreifen 24 geeignet sind, sind weiche, polymere, geschlossenzellige Schäume, die aus Polyurethan, Silicium, Polyester, Elastomeren oder ähnlichen Materialien hergestellt sind. Das Material, aus dem die Abdichtstreifen 24 gebildet sind, ist vorzugsweise weich genug, um die Räume zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der Filterschicht 21 auf der radial äußeren Seite der Filterschicht 21 völlig auszufüllen und einen Fluidstrom zwischen den Oberflächen zu verhindern. Das Abdichtmaterial kann auch in einige oder alle Poren des (der) Endes (-n) der Filterschicht extrudieren und diese ausfüllen. Ein Beispiel für eine geeignete Härte der Abdichtstreifen 24 liegt in der Größenordnung von Shore A20 oder weicher, jedoch kann die Härte in Abhängigkeit von Faktoren wie der Dicke der inneren Abflussschicht 22 und zusammendrückenden Kräften, die auf die Falten in der Umfangsrichtung des Filterbündels 20 einwirken, variieren.
Die Längsenden der äußeren Abflussschicht 23 können von den Längsenden des Filterelementes 10 zurückgesetzt sein, sodass sie die Abdichtstreifen 24 nicht überlappen, oder, wenn die Abdichtstreifen 24 weich genug sind, um in Öffnungen in der äußeren Abflussschicht 23 zu extrudieren und diese auszufüllen, kann die äußere Abflussschicht 23 einen oder beide Abdichtstreifen 24 in der Längsrichtung des Filterbündels 20 überlappen. Die Breite der Abdichtstreifen 24 (gemessen in der Längsrichtung des Filterelementes 10) ist nicht entscheidend. Je kleiner die Breite ist, desto größer ist die Oberfläche der Filterschicht 21, die zur Filtration verfügbar ist. Andererseits kann es bei abnehmender Breite der Abdichtstreifen 24 schwieriger werden, die Abdichtstreifen 24 in den gefalteten Verbundwerkstoff hineinzuriffeln. Die Abdichtstreifen 24 können jede beliebige Dicke aufweisen, die ermöglicht, dass sie die Räume zwischen aneinandergrenzenden Oberflächen der Filterschicht 21 ausfüllen. In der vorliegenden Ausführungsform weist jeder Abdichtstreifen 24 eine Dicke von etwa 0,125 Inch in einem nicht zusammengedrückten Zustand und eine Breite von etwa 1 Inch auf.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die äußere Abflussschicht 23 zwischen den Abdichtstreifen 24 und der Filterschicht 21 angeordnet, jedoch ist es auch möglich, dass die Abdichtstreifen 24 zwischen der äußeren Abflussschicht 23 und der Filterschicht 21 angeordnet sind oder dass an jedem Längsende des Filterbündels 20 mehrere Abdichtstreifen vorhanden sind, wobei einer zwischen der Filterschicht 21 und der äußeren Abflussschicht 23 angeordnet ist und ein anderer auf der radial äußeren Seite der äußeren Abflussschicht 23 angeordnet ist.
Außer den Abdichtstreifen 24 können andere Mittel benutzt werden, um eine Abdichtung zwischen gegenüberliegenden Flächen der Filterschicht 21 auf ihrer radial äußeren Seite zu bilden. Beispielsweise kann ein Harz-Abdichtmittel in die äußere Abflussschicht 23 zwischen gegenüberliegenden Flächen der Filterschicht 21 injiziert werden, um die Öffnungen in der Abflussschicht an den Längsenden auszufüllen. Wenn eine oder beide von der Filterschicht 21 und der äußeren Abflussschicht 23 aus einem thermoplastischen Material gebildet sind, können die Schichten 21 und 23 entlang ihrer Ränder, die sich an den Längsenden des Filterbündels 20 befinden werden, nachdem das Falten erfolgt ist, örtlich begrenzt miteinander verschmolzen werden. Das Verschmelzen wird die Dicke der äußeren Abflussschicht 23 verringern und/oder die Öffnungen in der äußeren Abflussschicht 23 entlang deren Ränder mit dem geschmolzenen Material füllen, um dadurch zu verhindern, dass in den verschmolzenen Bereichen Fluid in die äußere Abflussschicht 23 fließt. Das Verschmelzen kann vor dem Riffeln erfolgen, indem beispielsweise die Ränder der Schichten 21 und 23 zwischen erwärmten Walzen hindurchgeführt werden. Die Schichten 21 und 23 können dann mit der inneren Abflussschicht 22 kombiniert werden, und die drei Schichten können geriffelt werden, um ein gefaltetes Filterbündel 20 zu bilden.
Die Falten des Filterbündels 20 können in vielfältiger Weise konfiguriert sein. Wenn beispielsweise das Filterbündel 20 ein hohles zylindrisches Bauteil ist, können die Falten zu radialen Falten ausgebildet sein, deren radial innerer Abschnitt jeder Falte im Wesentlichen auf dem selben Radius liegt wie der radial äußere Abschnitt der selben Falte mit Bezug auf die Längsachse des Filterelementes. So kann das gefaltete Fluidaufbereitungselement in bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durch eine Faltenhöhe gekennzeichnet sein, die durch die folgende Formel gegeben ist:
wobei D der Außendurchmesser an den Spitzen des Filterelementes ist und d der Innendurchmesser an den Füßen des Filterelementes ist. Bei solch einer Anordnung vergrößert sich jedoch mit zunehmendem Abstand von dem Zentrum des Filterbündels 20 notwendigerweise der Abstand zwischen benachbarten Falten. Dementsprechend führen radiale Falten zu einem erheblichen Maß an ungenutztem Raum zwischen benachbarten Falten. Bedingt durch die variierenden Abstände zwischen den Falten, werden zudem die Strömungsbedingungen des Verfahrensfluids über die Höhe der Falten stark variieren, mit dem Ergebnis, dass bestimmte Abschnitte der Falten vor anderen Abschnitten mit Schmutz beladen sein werden. Diese ungleichmäßige Beladung kann das Schmutzaufnahmevermögen und/oder die Standzeit eines Filterelementes senken.
Daher werden die Falten vorzugsweise so angeordnet, dass die Schenkel der Falten über einen durchgehenden Bereich hinweg, der sich über einen wesentlichen Abschnitt der Höhe der Schenkel erstreckt, gegeneinander gedrückt werden. Die Falten eines hohlen zylindrischen Filterbündels 20 können in vielfältiger Weise gegeneinander gedrückt werden. Eine Weise, die Falten in einen übereinandergelegten Zustand zu bilden, ist es, in dem die radial äußeren Abschnitte der Falten in der Umfangsrichtung des Filterelementes 10 in Bezug auf die radial inneren Abschnitte der Falten um mindestens einen Abschnitt des Umfangs und stärker bevorzugt um im Wesentlichen den gesamten Umfang des Filterelementes 10 verschoben werden, bis aneinandergrenzende Schenkel der Falten gegeneinander gedrückt werden. Wenn die Falten in dieser Weise übereinandergelegt werden, weist jede Falte eine Höhe auf, die größer ist als die Differenz zwischen dem äußeren Radius der Spitzen der Falten und dem inneren Radius an den Füßen der Falten des Filterbündels. In bestimmten anderen Ausführungsformen, in denen sich die Falten in einem übereinandergelegten Zustand befinden, in dem sich die gegenüberliegenden Oberflächen von aneinandergrenzenden Schenkeln der Falten auf im Wesentlichen der gesamten Faltenhöhe in innigem Kontakt befinden, kann das Faltenfilterelement durch eine maximale Faltenhöhe h_max gekennzeichnet werden, die durch die folgende Formel angegeben werden kann:
wobei t die effektive Dicke einer Fluidaufbereitungsschicht, wie z.B. eines Faltenschenkels, ist. Die Fluidaufbereitungsschicht umfasst in einigen Ausführungsformen ein Filtermittel, Abflussschichten und andere Schichten. In vielen bevorzugten Ausführungsformen ist die Höhe jeder Falte größer als (D – d)/2 und kleiner als oder gleich (D² – d²)/[4(d + 2t)], stärker bevorzugt mindestens etwa 80 % von (D² – d²)/[4(d + 2t)].
In einer bevorzugten Konfiguration weist jede Falte des Filterbündels 20 einen ersten und einen zweiten Schenkel auf, die an der Spitze (dem radial äußeren Ende) der Falte miteinander verbunden sind und jeweils mit einem Schenkel einer angrenzenden Falte an dem Fuß (dem radial inneren Ende) der Falte verbunden sind. Der erste Schenkel kann über einen durchgehenden Bereich hinweg, der sich über einen wesentlichen Teil der Höhe des ersten Schenkels und über mindestens etwa 50 %, stärker bevorzugt mindestens etwa 75 % und am stärksten bevorzugt etwa 95 bis 100 % der axialen Länge des Filterbündels 20 erstreckt, gegen den zweiten Schenkel der selben Falte und gegen den zweiten Schenkel einer angrenzenden Falte gedrückt werden. Der wesentliche Teil der Höhe beträgt vorzugsweise mindestens etwa 50 % der Höhe des ersten Schenkels, stärker bevorzugt mindestens etwa 75 % der Höhe des ersten Schenkels und noch stärker bevorzugt mindestens etwa 90 % der Höhe des ersten Schenkels.
Wenn sich die Falten in einem übereinandergelegten Zustand befinden, nimmt jede Falte, von einem Längsende des Filterelementes 10 aus betrachtet, typischerweise eine gekrümmte Konfiguration an. Um es leichter zu machen, die Falten in einen übereinandergelegten Zustand zu bringen, kann das Filterbündel 20 in einer Weise geriffelt werden, sodass die beiden Schenkel jeder Falte eine unterschiedliche Länge aufweisen. In Abhängigkeit von der relativen Länge des ersten und des zweiten Schenkels kann über einen durchgehenden Bereich hinweg, der sich auf einen wesentlichen Teil, vorzugsweise mindestens etwa 50 %, stärker bevorzugt mindestens etwa 75 % und noch stärker bevorzugt mindestens etwa 90 % der Höhe jedes Schenkels und über mindestens etwa 50 %, stärker bevorzugt mindestens etwa 75 % und am stärksten bevorzugt etwa 95 bis 100 % der axialen Länge des Filterbündels 20 erstreckt, jeder Schenkel gegen den angrenzenden Schenkel der selben Falte und gegen den angrenzenden Schenkel einer angrenzenden Falte gedrückt werden. Beispiele für geeignete Verfahren zum Bilden eines Filterbündels 20 mit Falten in einem übereinandergelegten Zustand und zum Bilden von Falten mit Schenkeln ungleicher Länge sind in der US-Patentschrift Nr. 5,543,047 von Stoyell et al. ausführlich beschrieben.
Außer der effizienten Nutzung des Raumes, der von dem Filterbündel 20 eingenommen wird, und der Tendenz, den Widerstand gegen die Fluidströmung über der Höhe der Falten auszugleichen, verringert das Bringen der Falten in einen übereinandergelegten Zustand die Bewegung der Falten, wenn der Druck über das Filterbündel 20 schwankt, wodurch der Abrieb der Filterschicht 21 verringert wird. Wenn die Falten sich in einem übereinandergelegten Zustand befinden, sind zudem die Längs-Endflächen des Filterbündels 20 äußerst kompakt und sorgen für eine größere Widerstandsfähigkeit gegen Beschädigung des Filterbündels 20 während der Installation der Endkappen.
Zum Bilden eines gefalteten Verbundwerkstoffes mit übereinandergelegten Falten können verschiedene Faltverfahren und -Apparaturen benutzt werden, wie z.B. Verfahren unter Benutzung einer Rotationsfaltmaschine oder einer Grab-and-fold-Faltmaschine, die Falten bildet, die sich in die Querrichtung eines Flächengebildes erstrecken (wobei die Falten im rechten Winkel zu der Richtung befinden, in der das Flächengebilde die Faltmaschine durchläuft), Verfahren unter Benutzung einer Längsfaltmaschine, welche Längsfalten in einem Flächengebilde bildet (wobei sich die Falten parallel zu der Richtung erstrecken, in der das Flächengebilde die Faltmaschine durchläuft) oder Verfahren, bei denen ein Material-Flächengebilde um einen Dorn herum zu Falten gebildet wird und die Falten in der Umfangsrichtung verschoben werden, um sie übereinanderzulegen.
Ein Beispiel für eine Grab-and-fold-Faltmaschine, die eingesetzt werden kann, ist in der US-Patentschrift Nr. 5,543,047 beschrieben, während ein Beispiel für eine Längsfaltmaschine, die eingesetzt werden kann, in der US-Patentschrift Nr. 4,252,591 von Rosenberg beschrieben ist. Die Faltmaschine, die in der letztgenannten Patentschrift beschrieben ist, beinhaltet einen fächerförmigen Faltenbildner, der Längsfalten in einem Filterverbundwerkstoff bildet. Der Faltenbildner beinhaltet eine Vielzahl von Falten mit alternierenden Spitzen und Senken. Ein Paar zylindrischer Walzen zieht den Filterverbundwerkstoff durch den Faltenbildner. Flexible Ketten erleichtern aufgrund ihres Gewichtes das Riffeln des Filterverbundwerkstoffes, indem sie den Filterverbundwerkstoff an die geriffelte Kontur der Faltenbildneroberfläche angleichen.
Der Faltenbildner und die Ketten können durch obere und untere mit Flügeln versehene Führungen ersetzt werden, die Riffeln in dem Filterverbundwerkstoff bilden, wenn der Verbundwerkstoff zwischen den Führungen hindurchläuft. Die Flügel können in den oberen und unteren Führungen alternierend angeordnet sein und ihre Höhe kann sich entlang der Länge der Führungen vergrößern. Ein Teil der Faltmaschine, wie z.B. die Führungen, kann auf eine mäßige Temperatur erwärmt werden, um den Filterverbundwerkstoff beim Falten zu erweichen, ohne ihn zu schmelzen, und die Formänderung des Verbundwerkstoffes zu erleichtern. Anstelle von Walzen kann ein Greifmechanismus, der die Enden des geriffelten Filterverbundwerkstoffes ergreift, benutzt werden, um das Material durch die mit Flügeln versehenen Führungen zu ziehen. Ein Beispiel für eine Vorrichtung, die benutzt werden kann, um ein Material-Flächengebilde zu Falten um einen Dorn herum zu bilden und dann die Falten übereinanderzulegen, ist in der US-Patentschrift Nr. 3,386,583 beschrieben.
Die Falten des Filterbündels 20 können zu verschiedenen Zeitpunkten während der Herstellung des Filterelementes in einen übereinandergelegten Zustand gebildet werden. Beispielsweise können, wie in der US-Patentschrift 5,543,047 beschrieben, Falten eines gefalteten Verbundwerkstoffes übereinandergelegt werden, indem der gefaltete Verbundwerkstoff zu einem zylindrischen Bündel gebildet wird und das Filterbündel dann durch ein trichterförmiges Werkzeug mit abnehmendem Innendurchmesser geführt wird, während das Filterbündel gedreht wird. Alternativ können die Falten eines gefalteten Verbundwerkstoffes übereinandergelegt werden, bevor der Verbundwerkstoff in eine zylindrische Form gebildet wird, wie z.B. durch Zusammendrücken des gefalteten Verbundwerkstoffes zwischen Platten oder durch Ergreifen des Verbundwerkstoffes in einem rechteckigen Klapprahmen und dann Verformen des Rahmens in die Gestalt eines schiefen Parallelogramms. Wenn der gefaltete Verbundwerkstoff polymere Materialien umfasst und ohne zu schmelzen erwärmt wird, während er übereinandergelegt wird, um den Verbundwerkstoff zu erweichen, und dann abgekühlt wird, während eine Kraft angewendet wird, um die Falten in einem übereinandergelegten Zustand zu bewahren, können die Falten eine größere Neigung aufweisen, in einem übereinandergelegten Zustand zu bleiben, wenn die Kraft entfernt wird.
Eine andere Weise, aneinandergrenzende Schenkel von Falten in einem zylindrischen Filterbündel gegeneinander zu drücken, ist es, in Intervallen um das Filterbündel herum zwischen aneinandergrenzenden Schenkeln der Falten Keile einzuführen. Die Keile drücken die Falten in der Umfangsrichtung des Filterbündels zusammen, um so die Räume zwischen aneinandergrenzenden Schenkeln zu beseitigen, ohne ein Krümmen der Falten in die Umfangsrichtung des Filterbündels zu erzeugen. Solch ein Filterbündel ist beispielsweise in der US-Patentschrift Nr. 4,154,688 mit der Bezeichnung „Collapse-Resistant Corrugated Filter Element" beschrieben.
Das Filterbündel 20 wird häufig mindestens eine Längsseitenabdichtung aufweisen, wo aneinandergrenzende Längsränder des gefalteten Verbundwerkstoffes, aus dem das Filterbündel 20 gebildet ist, miteinander verbunden und üblicherweise abgedichtet sind. In Abhängigkeit von dem Umfang des Filterbündels 20 kann eine oder eine Vielzahl von Seitenabdichtungen vorhanden sein. Vorzugsweise weist das Filterbündel 20 nicht mehr als eine Längsseitenabdichtung auf.
Nachdem die Falten eines Filterbündels 20 in einen übereinandergelegten Zustand gebracht worden sind, können sie eine Neigung aufweisen, sich aus diesem Zustand heraus unter Erzeugung von Spalten zwischen aneinandergrenzenden Falten zu entfalten. Um zu verhindern, dass sich die Falten entfalten, kann das Filterelement 10 mit einem oder mehreren Rückhalteteilen ausgestattet sein, welche die Falten in der radialen Richtung des Filterelementes zurückhalten. Eine radiale Zurückhaltung kann durch eine Vielfalt an Vorrichtungen, wie z.B. durch einen Korb, ein Rohr oder eine Hülse, die das Filterbündel 20 umgeben, durch Ringe, die über das Filterbündel 20 gleiten, oder durch ein Hüllteil erreicht werden, das mindestens über einen Abschnitt seiner Länge eng um das Filterbündel 20 gewickelt wird. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Rückhalteteil in der Form eines Hüllteils 25 eingesetzt, das einen Materialstreifen umfasst, der in einer Vielzahl von Windungen mit ausreichender Spannung um das Filterbündel 20 gewickelt ist, um zu verhindern, dass sich die Falten aus einem übereinandergelegten Zustand heraus entspannen. Solch ein Hüllteil 25 ist als ein Rückhalteteil vorteilhaft, weil es ziemlich dünn, leichtgewichtig und wirtschaftlich sein kann und sich leicht um das Filterbündel 20 herum anbringen lässt. Das dargestellte Hüllteil 25 erstreckt sich über die gesamte Länge des Filterbündels 20, kann sich aber über eine kürzere Länge erstrecken.
Das Hüllteil 25 kann mit oder ohne eine Überlappung zwischen aneinandergrenzenden Windungen um das Filterbündel 20 gewickelt sein. Ein Hüllteil 25 kann auf verschiedene Weisen, wie z.B. wendelförmig, spiralförmig oder zylindrisch, um das Filterbündel 20 gewickelt sein. Ein Hüllteil 25 kann aus einer breiten Vielfalt an Materialien hergestellt sein, die für das zu filternde Fluid entweder durchlässig oder undurchlässig sind. Einige Beispiele für geeignete Materialien sind Web- oder Vliesstoffe, polymere Filme und gewebte Metall- oder Nichtmetallnetze.
Das Hüllteil 25 erzeugt in Fluid, das durch dieses fließt, vorzugsweise einen geringstmöglichen Druckabfall. Die Dicke des Hüllteils 25 ist nicht begrenzt und kann auf Grundlage der gewünschten Festigkeit und Flexibilität sowie Erwägungen hinsichtlich des Raumes ausgewählt sein. Das Hüllteil 25 kann auf verschiedene Weisen an dem Filterbündel 20 fixiert sein. Beispielsweise kann das Hüllteil 25 mit den Spitzen der Falten des Filterbündels 20 verbunden sein, um das Hüllteil 25 an dem Filterbündel 20 zu fixieren, um dabei zu helfen, die Falten in einem übereinandergelegten Zustand zu bewahren und um das Verschieben der Falten innerhalb des Filterbündels 20 zu verringern. Wenn eine Überlappung zwischen aneinandergrenzenden Windungen vorhanden ist, können die Windungen in den überlappenden Abschnitten aneinander befestigt sein, wobei sie an den Falten befestigt sein können oder nicht. Es ist auch möglich, dass das Hüllteil 25 nur an seinen Längsenden fixiert ist, ohne dass es an sich selbst oder den Falten zwischen seinen Enden befestigt ist.
Beispiele für spezifische Verfahren, die benutzt werden können, um das Hüllteil 25 zu fixieren, beinhalten die Benutzung eines Klebstoffes, wie z.B. eines Schmelzklebstoffes, das Schmelzverbinden unter Benutzung einer Heizscheibe, das Anordnen von mechanischen Bindegliedern oder Bändern in Intervallen um das Hüllteil 25, oder das mechanische Befestigen der Endkappen 40 oben auf den Längsenden des Hüllteils 25. Wenn das Hüllteil 25 aus einem Material hergestellt ist, das für das Fluid, das gefiltert wird, durchdringlich ist, kann es das Filterbündel 20 ohne jegliche Spalten oder Öffnungen vollständig umgeben, wohingegen das Hüllteil 25, wenn es für das Fluid undurchdringlich ist, Öffnungen oder Spalten enthalten kann, durch die das Fluid in der radialen Richtung des Filterbündels 20 hindurchtreten kann.
In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Hüllteil 25 eingesetzt, welches ein gewebtes Drahtnetz aus rostfreiem Stahl von 38 × 20 × 0,011 × 0,011 (38 Stränge pro Inch (2,54 cm) × 20 Stränge pro Inch (2,54 cm), wobei jeder Strang einen Durchmesser von 0,011 Inch (0,028 cm) aufweist) umfasst, das in einer Vielzahl von sich überlappenden Windungen wendelförmig um das Filterbündel 20 gewickelt ist.
Ein Filterelement kann einen Korb oder ein Rohr beinhalten, welches das Filterbündel 20 umgibt, und es ist möglich, dass solch ein Korb oder Rohr als ein Rückhalteteil wirkt, um die Falten in einem übereinandergelegten Zustand zu bewahren. Selbst wenn das Filterelement 10 einen Korb oder ein Rohr beinhaltet, kann es jedoch bevorzugt sein, ein Hüllteil 25 als ein Rückhalteteil einzusetzen. Wenn beispielsweise ein Korb als ein Rückhalteteil benutzt wird, muss der Korb, da das Filterbündel 20 sich gegen die innere Peripherie des Korbs ausdehnen wird, mit engen Toleranzen hergestellt sein, um sicherzustellen, dass das Filterbündel 20 sich unter einem gewünschten Maß des Zusammendrückens befindet, wohingegen, wenn ein Hüllteil 25 als ein Rückhalteteil benutzt wird, das Zusammendrücken der Falten durch Einstellen der Spannung des Hüllteils 25 während des Umwickelns auf ein gewünschtes Maß gesteuert werden kann, ungeachtet von Abweichungen des Durchmessers eines Korbs oder eines anderen Bauteils, welches das Filterbündel umgibt.
Wenn das Filterbündel 20 ein hohles Bauteil ist, kann das Filterelement 10 einen Kern 30 beinhalten, der im Zentrum des Filterbündels 20 angeordnet ist. Ein Kern 30 kann zu einer Vielfalt an Funktionen dienen. Er kann das Filterelement 10 mit Widerstandsfähigkeit gegen axiale, Biege- oder Torsionsspannungen versehen, und er kann verhindern, dass das Filterbündel 20 unter radialen Kräften, die durch einen Druckunterschied zwischen der Innenseite und der Außenseite des Filterelementes 10 bedingt ist, der während der Filtration auftreten kann, nach innen zusammenfällt. Der Kern 30 kann auch dabei helfen, dass das Filterbündel 20 eine gewünschte Gestalt bewahrt, und er kann ferner als ein Mittel zum Verbinden des Filterelementes 10 mit anderen Bauteilen, wie z.B. einem Rohrboden oder einem Anschlussstück innerhalb eines Gehäuses, benutzt werden. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dient der Kern 30 hauptsächlich dazu, für eine Absteifung zu sorgen und dient nicht dazu, Fluid zu transportieren, wohingegen er in anderen Ausführungsformen sowohl für eine Absteifung sorgt als auch als ein Kanal für Fluid dient, das in der Längsrichtung des Filterelementes 10 fließt.
Der Kern 30 kann jede beliebige Struktur aufweisen, die ihm ermöglicht, die gewünschte Funktion des Sorgens für Absteifung und/oder Transportierens von Fluid auszuüben. Der Kern 30 wird häufig zylindrisch sein, da das Filterbündel 20 typischerweise eine zylindrische innere Peripherie aufweisen wird, jedoch können auch andere Gestalten eingesetzt werden, wie z.B. eine Gestalt mit einem mehreckigen oder ovalen Querschnitt, und die Querschnittsgestalt des Kernes 30 kann über seiner Länge variieren. Der Kern 30 kann aus jedem beliebigen Material hergestellt sein, das mit dem Fluid, das gefiltert wird, kompatibel ist und das die gewünschte Festigkeit aufweist, einschließlich – aber nicht beschränkt auf – Metallen und Kunststoffen. Der Kern 30 wird sich häufig über die gesamte Länge des Filterbündels 20 erstrecken, um das Filterbündel mit größtmöglichem Halt zu versehen, jedoch ist es möglich, dass sich der Kern 30 über eine kleinere Strecke erstreckt.
In der vorliegenden Ausführungsform dient der Kern 30 nur zur Unterstützung; daher ist er so strukturiert, dass verhindert wird, dass Fluid zwischen der Verfahrensfluidkammer 55 und der Retentatkammer 57 axial durch den Kern 30 fließt. Beispielsweise kann der gesamte Kern 30 unperforiert und undurchdringlich sein. Der dargestellte Kern 30 ist hohl, um das Gewicht zu verringern, stattdessen kann er aber auch massiv sein. Er beinhaltet ein hohles Rohr 31, dessen Enden jeweils mit einem Pfropfen 33 oder einem anderen geeigneten Bauteil abgedichtet sind, das an dem Ende des Rohres 31 in einer fluiddichten Weise befestigt ist, um Fluid daran zu hindern, in das Rohr 31 einzutreten. Die Pfropfen 33 können abgerundet sein, um einen gleichmäßigeren Fluidstrom durch die Längsenden des Filterbündels 20 zu erzeugen.
Da die Falten des Filterbündels 20 aus einem Material mit einer endlichen Dicke gebildet sind, sind die Falten an dem radial inneren und äußeren Ende der Falten, wo der Filterverbundwerkstoff unter Bildung der Falten auf sich selbst zurück gefaltet ist, leicht abgerundet. Infolgedessen können sich an dem radial inneren und äußeren Ende der Falten zwischen gegenüberliegenden Oberflächen aneinandergrenzender Schenkel der Falten auf der gesamten Länge des Filterbündels 20 kleine dreieckige Spalten bilden. Es kann wünschenswert sein, die Spalten an den radial inneren Enden auszufüllen, um das Verfahrensfluid daran zu hindern, bevorzugt entlang der Spalten und nicht durch die innere Abflussschicht 22 zu fließen. In der vorliegenden Ausführungsform weist der Kern 30 eine äußere Oberfläche auf, die das hohle Rohr 31 umgibt und die Spalten zwischen den Schenkeln der Falten an deren radial inneren Enden ausfüllt.
Die äußere Oberfläche kann mit dreieckigen Rippen vorgeformt werden, die sich in die dreieckigen Spalten zwischen den Schenkeln der Falten einpassen, oder sie kann aus einem Material hergestellt sein, das weich genug ist, um sich an die Gestalt der dreieckigen Spalten anzupassen und diese auszufüllen. In der vorliegenden Ausführungsform ist die äußere Oberfläche von einer Schicht 32 aus einem leicht verformbaren, elastischen Material gebildet, welches das hohle Rohr 31 umgibt und sich unter Ausfüllen der Spalten an den radial inneren Enden der Falten verformen kann. Die Schicht 32 kann aus einem beliebigen Material hergestellt sein, das für das Verfahrensfluid undurchdringlich ist, wenn es von dem Filterbündel 20 umgeben ist. Es kann eines sein, das für das Verfahrensfluid jederzeit undurchdringlich ist, oder eines, das undurchdringlich ist, wenn es gegen die radial inneren Enden der Falten zusammengedrückt wird.
Da die Schicht 32 für das Verfahrensfluid undurchdringlich ist, kann das Rohr 31, das die Schicht 32 trägt, Perforationen oder andere Öffnungen aufweisen, beispielsweise um sein Gewicht zu verringern, wobei die Schicht 32 die Öffnungen bedeckt. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Schicht 32 einen elastischen geschlossenzelligen Schaum. Die Schicht 32 kann in vielfältiger Weise auf dem Rohr 31 angebracht werden. Beispielsweise kann sie eine zylindrische Hülse sein, die axial über das Rohr 31 geschoben ist, oder sie kann ein Materialstreifen sein, der wendelförmig, spiralförmig oder zylindrisch um das Rohr 31 gewickelt ist. Sie kann auch unmittelbar auf dem Rohr 31 gebildet sein. Andere Mittel als die äußere Oberfläche des Kernes 30 können ebenfalls benutzt werden, um die Spalten an den radial inneren Enden der Falten auszufüllen. Beispielsweise kann ein Klebstoff in die Spalten zwischen aneinandergrenzenden Falten eingebracht und dann härten gelassen werden.
2 ist ein Teil einer Querschnittsansicht des Filterelementes 10 längs der Linie 2-2 in 1, und 3 ist ein Teil einer Querschnittsansicht längs der Linie 3-3 in 1. Wie in 2 gezeigt, sind die Falten in dem Bereich des Filterbündels 20 zwischen den Abdichtstreifen 24 in einem übereinandergelegten Zustand, in dem die äußere Abflussschicht 23 über im Wesentlichen der gesamten Höhe jeder Falte an ihrer äußeren Oberfläche (die Oberfläche, die der Filterschicht 21 abgewandt ist) gegen sich selbst gedrückt ist, und die innere Abflussschicht 22 über im Wesentlichen der gesamten Höhe jeder Falte an ihrer inneren Oberfläche (die Oberfläche, die der Filterschicht 21 abgewandt ist) gegen sich selbst gedrückt ist, sodass zwischen aneinandergrenzenden Schenkeln der Falten, ausgenommen an den radial inneren und äußeren Enden der Falten, im Wesentlichen keine Trennung vorhanden ist. Die dreieckigen Spalten zwischen aneinandergrenzenden Schenkeln der Falten an den radial inneren Enden dieser sind von der elastischen Schicht 32 ausgefüllt, welche die äußere Oberfläche des Kernes 30 bildet, um Verfahrensfluid daran zu hindern, durch die Spalten zu fließen.
In dem Abschnitt des Filterelementes 10, das in 3 dargestellt ist, weist das Filterbündel 20 eine Struktur auf, die derjenigen ähnlich ist, die in 2 gezeigt ist, jedoch ferner auf der radial äußeren Seite der Filterschicht 21 einen Abdichtstreifen 24 beinhaltet. Der Abdichtstreifen 24 ist in die Öffnungen in der äußeren Abflussschicht 23 extrudiert und verdeckt die Letztgenannte in dieser Figur; die äußere Abflussschicht 23 weist jedoch die gleiche Gestalt wie in 2 auf. Der Abdichtstreifen 24 dichtet die äußere Abflussschicht 23 ab und füllt jegliche Räume zwischen den radial äußeren Enden der Falten und der inneren Peripherie der oberen Endkappe 40 aus, sodass Verfahrensfluid nur durch die innere Abflussschicht 22 in die obere Längs-Endfläche des Filterbündels 20 fließen kann. Eine Querschnittsansicht durch das untere Längsende des Filterelementes 10 wäre der 3 ähnlich.
Ein Filterelement kann eine Endkappe beinhalten, die an einem oder beiden Längsenden des Filterbündels 20 angeordnet ist. Endkappen 40 können benutzt werden, um die Längsenden zu schützen, die Längsenden gegen Fluidstrom abzudichten, dabei zu helfen, die Gestalt des Filterbündels 20 zu bewahren, oder das Filterelement 10 mit einem anderen Bauteil, wie z.B. einem Rohrboden, einem Anschlussstück innerhalb eines Gehäuses oder einem anderen Filterelement 10, zu verbinden. Die Endkappen 40 können aus beliebigen Materialien hergestellt sein, die mit dem Fluid, das gefiltert wird, und den Materialien, welche die Bauteile bilden, an denen die Endkappen 40 befestigt sind, kompatibel sind, einschließlich Metallen, keramischer Stoffe und polymerer Materialien.
Die Endkappen 40 sind nicht auf eine bestimmte Gestalt beschränkt. Mindestens eine von den Endkappen 40 – und in vielen Fällen beide Endkappen 40 – wird eine offene Endkappe mit einer Öffnung sein, durch welche Verfahrensfluid hindurchtreten kann, um durch den Kern 30, durch eine Längs-Endfläche des Filterbündels 20 oder durch beide in das Filterelement 10 einzutreten oder daraus auszutreten. Die Endkappen 40 an entgegengesetzten Enden des Filterelementes 10 können strukturell gleich oder unterschiedlich sein. In der Ausführungsform von 1 sind die obere und die untere Endkappe 40 identisch miteinander, sodass jede der Endkappen 40 in jeden der Rohrböden 50, 52 eingerückt werden kann. Jede Endkappe 40 weist einen rohrförmigen Abschnitt 41, der sich um die äußere Peripherie eines Längsendes des Filterbündels 20 legt, und einen ringförmigen Flansch 42 auf, der eine Längs-Endfläche des Filterbündels 20 überlappt. Eine oder mehrere Streben (nicht gezeigt) können sich zwischen der Endkappe 40 und dem Kern 30 und/oder den Pfropfen 33 erstrecken, um die strukturelle Beschaffenheit des Filterelementes zu verbessern. Der Flansch 42 umgibt eine Öffnung 42a, durch welche Fluid in die Endfläche des Filterbündels 20 ein- oder austreten kann. Der Flansch 42 ist nicht erforderlich, verstärkt jedoch die Endkappe 40 und erleichtert es, die Endkappe 40 in Bezug auf das Filterbündel 20 in der Längsrichtung des Filterelementes 10 zu positionieren. Jede Endkappe 40 ist dichtend auf ein Längsende des Filterbündels 20 aufgesetzt, um so Fluid daran zu hindern, zwischen der inneren Peripherie des rohrförmigen Abschnitts 41 der Endkappe 40 und der äußeren Peripherie des Filterbündels 20 hindurchzutreten. Eine Abdichtung kann durch eine Vielfalt an Verfahren, wie z.B. durch Verkleben, Schmelzverbinden, Rotationsschweißen oder durch Zusammendrücken eines Dichtungsringes oder eines anderen Dichtungsbauteiles zwischen der Endkappe 40 und dem Filterbündel 20, gebildet sein. In 1 weist der rohrförmige Abschnitt 41 jeder Endkappe 40 eine innere Peripherie auf, die zu dem Längsende des Filterbündels 20 hin verjüngt ist. Die Verjüngung bildet eine Presspassung, welche die radial äußeren Enden der Falten, die von dem rohrförmigen Abschnitt 41 umgeben sind, zusammendrückt und verursacht, dass der Abdichtstreifen 24 in innigen Kontakt mit der inneren Peripherie des rohrförmigen Abschnitts 41 kommt und jegliche Spalten zwischen den Falten und dem rohrförmigen Abschnitt 41 und der Endkappe 40 ausfüllt, wodurch eine fluiddichte Abdichtung gebildet wird. Die Presspassung widersetzt sich auch der Bewegung der Endkappe 40 in Bezug auf das Filterelement 10 und fixiert die Endkappe 40. Die Presspassung kann durch ein weiteres Fügeverfahren, wie z.B. Verbinden, ergänzt werden, um die Endkappe 40 dichter an dem Filterbündel 20 zu befestigen.
Die Endkappen 40 können in jeder beliebigen Weise abnehmbar mit den Rohrböden verbunden sein, die ermöglicht, dass Fluid durch die Rohrböden in das Filterelement 10 eintritt oder daraus austritt, während sie Fluid daran hindert, das Filterelement 10 zu umgehen. Jedes bekannte Verfahren zum Anbringen eines Filterelementes 10 an einem Rohrboden in einer fluiddichten Weise kann angewendet werden, einschließlich z.B. Kolbendichtungen, Axialdruckdichtungen und direkten Verbindens der Endkappen 40 mit den Rohrböden. In der Ausführungsform von 1 ist jede der Endkappen 40 mit einem oder mehreren Abdichtteilen 43, wie z.B. O-Ringen, ausgestattet, die jeweils in einer entsprechenden Nut in der Endkappe 40 angebracht sind und eine Kolbendichtung gegen die innere Peripherie einer entsprechenden Öffnung 51, 53 in einem der Rohrböden bilden.
Das Filterelement 10 von 1 kann benutzt werden, um ein Verfahrensfluid entweder in einer Querstrom-Betriebsart oder in einer statischen Betriebsart zu filtrieren. Um Querstromfiltration durchzuführen, werden die Fluidöffnungen für alle drei Kammern 55, 56 und 57 geöffnet, sodass Fluid in jede Kammer eintreten oder daraus austreten kann. In diesem Zustand wird ein aufzubereitendes Verfahrensfluid (durch Pfeil 60 gezeigt) aus der Verfah rensfluidkammer 55 in das Filterelement 10 durch dessen oberes Längsende erfindungsgemäß eingebracht. Der Abdichtstreifen 24 an dem oberen Ende verhindert, dass das Verfahrensfluid 60 durch die obere Längs-Endfläche des Filterbündels 20 in die äußere Abflussschicht 23 fließt, ermöglicht jedoch, dass es in die innere Abflussschicht 22 fließt, sodass das Verfahrensfluid 60 in die innere Abflussschicht 22 eintritt und innerhalb der inneren Abflussschicht 22 in der Längsrichtung des Filterelementes 10 fließt.
Beim Fließen des Verfahrensfluids 60 durch die innere Abflussschicht 22 tritt ein Teil des Verfahrensfluids 60 durch die Filterschicht 21, wird gefiltert und fließt als Permeat 61 in die äußere Abflussschicht 23. Das Permeat 61 fließt dann durch die äußere Abflussschicht 23 entlang eines Weges, der durch die Fluiddrücke bestimmt wird (wie z.B. hauptsächlich radial oder radial und axial), zu den radial äußeren Enden der Falten und tritt durch das Hüllteil 25 aus dem Filterbündel 20 aus und in die Permeatkammer 56 ein. Der Abdichtstreifen 24 an dem unteren Längsende des Filterbündels 20 bildet auf den radial äußeren Seiten der Falten eine Abdichtung, sodass nichts von dem Permeat 61 durch das untere Längsende des Filterbündels 20 hindurchtritt. Die radial innere Seite der Falten ist jedoch nicht abgedichtet, sodass das Verfahrensfluid 60, das nicht durch die Filterschicht 21 hindurchtritt, durch die untere Längs-Endfläche des Filterbündels 20 als Retentat 62 in die Retentatkammer 57 fließt. Das Permeat 61 und das Retentat 62 werden separat aus der Permeatkammer 56 und der Retentatkammer 57 entfernt und in einer gewünschten Weise benutzt.
Beim Fließen des Verfahrensfluids 60 in der Längsrichtung des Filterbündels 20 durch die innere Abflussschicht 22 entlang der inneren Oberfläche der Filterschicht 21 erzeugt es eine Fluid-Scherkraft, die eine Ansammlung von Teilchen an der inneren Oberfläche der Filterschicht 21 hemmt und die Dauer erhöht, während der das Filterelement 10 bis zum Austausch oder Reinigen benutzt werden kann.
Wenn das Filterelement 10 zur statischen Filtration benutzt werden soll, werden die Fluidöffnungen für die Kammern 55 und 56 geöffnet, die Fluidöffnung für die Kammer 57 jedoch geschlossen. In diesem Zustand wird ein aufzubereitendes Verfahrensfluid aus der Verfahrensfluidkammer 55 in der gleichen Weise wie oben beschrieben in das Filterelement 10 eingebracht und fließt in die innere Abflussschicht 22. Von der inneren Abflussschicht 22 fließt das gesamte Verfahrensfluid 60, nicht erfindungsgemäß, durch die Filterschicht 21, wird gefiltert und fließt in die äußere Abflussschicht 23 als Filtrat, das von der äußeren Abflussschicht 23 durch das Hüllteil 25 und in die Permeatkammer 56 fließt. Obwohl die radial innere Seite der Falten an dem unteren Längsende des Filterbündels 20 nicht abgedichtet ist, weil der Auslass der Retentatkammer 57 abgesperrt ist, fließt im Wesentlichen nichts von dem Verfahrensfluid 60 in die Retentatkammer 57.
Falls gewünscht, kann das Filterelement von 1 gereinigt werden, um die Menge an Feststoffen zu verringern, die an der Filterschicht 21 haften oder darin eingelagert sind. Ein Verfahren zum Reinigen des Filterelementes 10 wird als Rückspülen bezeichnet. Zur Durchführung des Rückspülens wird ein geeignetes Rückspülfluid in die Permeatkammer 56 eingebracht und unter Druck in der Richtung durch die Filterschicht 21 getrieben, die der Richtung entgegengesetzt ist, in der Fluid während der Filtration fließt. Und zwar fließt das Rückspülfluid durch das Hüllteil 25 in die äußere Abflussschicht 23 und dann durch die Filterschicht 21 in die innere Abflussschicht 22. Das Rückspülfluid kann eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Gemisch aus beiden sein. Das Rückspülfluid kann durch verschiedene Mittel, wie z.B. eine Pumpe oder Druckluft, die über der Oberfläche eines Rückspülfluids eingebracht wird, das in der Permeatkammer 56 angeordnet ist, in das Filterelement 10 getrieben werden. Beim Hindurchtreten des Rückspülfluids durch die Filterschicht 21 entfernt es Teilchen, die in der Filterschicht 21 festgehalten werden oder an der radial inneren Seite der Filterschicht 21 haften.
Das Rückspülfluid und die entfernten Teilchen fließen dann in der Längsrichtung des Filterbündels 20 durch die innere Abflussschicht 22 und werden dann durch ein oder beide Längsenden des Filterelementes 10 in die Retentatkammer 57 und/oder die Verfahrensfluidkammer 55 aus dem Filterelement 10 abgeleitet. Das Rückspülfluid kann in hohem Maße daran gehindert werden, in eine bestimmte Kammer einzutreten, indem jegliche Kanäle, die eine Verbindung zwischen der Innenseite dieser Kammer und der Außenseite des Gehäuses herstellen, abgesperrt werden. Das Rückspülen kann die Menge an Teilchen, die in der Filterschicht 21 oder an deren Oberfläche vorhanden sind, stark verringern, sodass der Druckabfall über das Filterelement 10 vermindert sein wird, wenn die Filtration wiederaufgenommen wird.
Wenn ein flüssiges Rückspülfluid, wie z.B. Wasser, von einem komprimierten Gas, wie z.B. Luft, durch das Filterelement 10 getrieben wird, kann das Gas weiterhin durch das Filterelement 10 fließen, nachdem das gesamte flüssige Rückspülfluid durch das Filterelement 10 getreten ist, und sogar ein gewisser Grad an Vermischen von Gas und Flüssigkeit innerhalb des Filterelementes kann vorliegen. Überwiegend treten jedoch das Gas und die Flüssigkeit getrennt durch das Filterelement 10 hindurch.
Die Wirksamkeit des Rückspülens kann durch Erzeugen eines stärkeren Vermischens von Gas und Flüssigkeit innerhalb des Filterelementes 10 während des Rückspülens, wie z.B. durch Leiten eines Gemisches aus Gas und Flüssigkeit durch das Filterelement 10 während des gesamten Rückspülens, erhöht werden. Es wird angenommen, dass die Gegenwart von Gas in einem Rückspülfluid die Fähigkeit des Rückspülfluids vergrößert, Teilchen zu lockern, die in der Filterschicht eingelagert sind oder daran haften. Ein Gemisch aus Gas und Flüssigkeit kann veranlasst werden, durch das Filterelement 10 hindurchzutreten, indem beispielsweise komprimiertes Gas in die Permeatkammer 56 unter der Oberfläche eines Rückspülfluids, das sich in der Kammer 56 befindet, eingebracht wird, sodass das Gas die Flüssigkeit in Bewegung versetzen und sich mit ihr vermischen wird. Alternativ können Gas und Flüssigkeit außerhalb der Permeatkammer 56 miteinander vermischt werden, bevor sie mittels einer Pumpe in die Kammer 56 eingebracht werden.
Ein anderes Verfahren zum Reinigen eines Filterelementes, das angewendet werden kann, wird als Querstromreinigen bezeichnet. In diesem Verfahren wird ein Reinigungsfluid so durch das Filterelement geleitet, dass es entlang der Oberfläche der Filterschicht fließt, d.h., dass es einen Querstrom entlang der Filterschicht erzeugt und nicht durch die Filterschicht hindurchtritt wie beim Rückspülen. Der Querstrom des Reinigungsfluids löst Teilchen ab, die an der Filterschicht haften und leitet die Teilchen aus dem Filterelement ab.
Eine Vielfalt an Fluiden kann als das Reinigungsfluid zum Querstromreinigen benutzt werden. Beispielsweise kann das Reinigungsfluid eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Gemisch aus einem Gas und einer Flüssigkeit sein. Besonders gute Ergebnisse können erzielt werden, wenn ein Gas in Verbindung mit einer Flüssigkeit benutzt wird, entweder durch Leiten von Gas und Flüssigkeit nacheinander durch das Filterelement oder durch Leiten eines Gemisches aus Gas und Flüssigkeit durch das Filterelement.
Als Reinigungsfluid können beliebige Flüssigkeiten oder Gase eingesetzt werden, die mit dem Filterelement und der Umgebung, in der das Reinigen erfolgt, kompatibel sind. In vielen Fällen können Wasser als die Flüssigkeit und Luft als das Gas benutzt werden, jedoch können viele andere Fluide eingesetzt werden. Wenn beispielsweise besonders hartnäckige Teilchen von der Filterschicht entfernt werden müssen, kann ein flüssiges Lösemittel als die Flüssigkeit geeignet sein, und wenn die Filterschicht nicht dem Luftsauerstoff ausgesetzt werden sollte, kann ein reaktionsunfähiges Gas, wie z.B. Stickstoff, als das Gas eingesetzt werden.
Die Wirksamkeit des Querstromreinigens kann erhöht werden, indem auf der Seite des Filters, die der Seite gegenüberliegt, die gereinigt wird, ein Fluiddruck aufrechterhalten wird, der gleich dem Fluiddruck oder größer als derjenige auf der Seite ist, die gereinigt wird. Dieser Druck kann verhindern, dass Teilchen durch den Druck des Reinigungsfluids in die Filterschicht gedrückt werden, und wenn der Druck auf der gegenüberliegenden Seite größer ist als auf der Seite, die gereinigt wird, kann der Druck Teilchen aus der Filterschicht heraus und in das Reinigungsfluid treiben. Wenn das Querstrom-Reinigungsfluid ein Gas beinhaltet, wird das Gas vorzugsweise mit einem Durchsatz von mindestens etwa 19 Normkubikzentimetern pro Sekunde oder sccs (0,04 scfm), stärker bevorzugt von mindestens etwa 38 sccs (0,08 scfm) und noch stärker bevorzugt von mindestens etwa 57 sccs (0,12 scfm) pro 929 Quadratzentimeter (Quadratfuß) Oberflächeninhalt der Filterschicht, entlang welcher das Gas fließt, durch das Filterelement geleitet.
Die Wirksamkeit des Reinigungsfluids kann durch Vergrößern der Turbulenz des Reinigungsfluids in der Nähe der Filterschicht erhöht werden. Die Turbulenz kann durch die Wahl der Abflussschicht vergrößert werden. Beispielsweise kann ein Diamantnetz mit Strängen, die sich diagonal zu der Längsachse des Filterelementes erstrecken, im Allgemeinen eine größere Turbulenz erzeugen als ein Netz wie DELNET mit parallelen Strängen, die sich in der Längsrichtung des Filterelementes erstrecken. In einem gefalteten Filterelement kann die Turbulenz auch vergrößert werden, indem die Falten ohne große Spalten zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der Falten dicht zusammengepackt werden, sodass das Reinigungsfluid in einer Abflussschicht fließen wird, die an die Oberfläche der zu reinigenden Filterschicht angrenzt, anstatt die Abflussschicht zu umgehen und durch die Spalten zwischen den Falten zu fließen. Jedoch ist Querstromreinigen auch in Filterelementen mit voneinander beabstandeten Falten wirkungsvoll, und es kann auch bei ungefalteten Filterelementen, wie z.B. spiralförmig gewundenen Filterelementen, angewendet werden.
Das Gas und die Flüssigkeit, die als Reinigungsfluide zum Querstromreinigen benutzt werden, können in der selben oder in einer entgegengesetzten Richtung durch das Filterelement 10 geleitet werden, wenn sie nacheinander eingebracht werden, und die Strömungsrichtung des Reinigungsfluids kann die gleiche oder eine andere sein als die Richtung, in der das Verfahrensfluid während der Filtration fließt. Die Flüssigkeit in dem Reinigungsfluid kann durch verschiedene Mittel, wie z.B. eine Pumpe, welche die selbe oder eine andere Pumpe als diejenige sein kann, die benutzt wird, um Verfahrensfluid während der Filtration durch das Filterelement 10 zu leiten, durch das Filterelement 10 geleitet werden, oder sie kann durch Druckluft oder ein anderes komprimiertes Gas, das in eine Kammer eingebracht wird, welche die Flüssigkeit enthält, durch das Filterelement 10 getrieben werden. Beispielsweise kann die Verfahrensfluidkammer 55 teilweise oder vollständig mit einem flüssigen Reinigungsfluid gefüllt und ein komprimiertes Gas in den oberen Abschnitt der Verfahrensfluidkammer 55 über der Oberfläche der Flüssigkeit eingebracht werden. Das Gas in dem Reinigungsfluid kann dem Filterelement 10 mittels eines Kompressors, aus einem Druckgasbehälter oder -flasche oder aus einer anderen Druckgasversorgung zugeführt werden.
Querstromreinigen kann bei jedem beliebigem Typ von Filterschicht angewendet werden, ist jedoch besonders nützlich bei Filterschichten, die ein Filtermittel enthalten, das empfindlich ist oder das eine geringe Durchlässigkeit aufweist, wie z.B. Submikrometer- oder Ultrafiltrationsmembranen. Aufgrund der geringen Festigkeit des Erstgenannten und des hohen Widerstandes gegen Flüssigkeits- und Gasströmung des Letztgenannten ist es schwierig, eine ausreichende Geschwindigkeit eines Rückspülfluids durch solch ein Filtermittel zu erzeugen, damit das Rückspülen wirkungsvoll ist. Da das Querstromreinigen andererseits keinen Strom von Fluid durch die Filterschicht erfordert, können damit sowohl empfindliche Filtermittel als auch solche mit geringer Durchlässigkeit weitaus wirkungsvoller gereinigt werden als durch Rückspülen. Es ist festgestellt worden, dass selbst bei Filtermitteln, die in der Lage sind, rückgespült zu werden, das Querstromreinigen unter Einsatz eines Gases in Verbindung mit einer Flüssigkeit wirkungsvoller ist als das herkömmliche Rückspülen, insbesondere zum Entfernen von hartnäckigen Teilchen, wie z.B. solchen, die bei der Filtration von kommunalen Abwässern und Oberflächenwasser auf einer Filterschicht abgeschieden werden. Das Querstromreinigen ist weitaus wirkungsvoller und/oder vorteilhafter zum Entfernen von Teilchen aus dem Filterelement als das Reinigen durch Rückspülen. Daher zeigt das Filterelement, das einer Querstromreinigung unterworfen wird, im Vergleich zu einem Filterelement, das einer Reinigung durch herkömmliches Rückspülen unterworfen wird, einen stark verringerten End-Druckabfall. Demgemäß kann das Filterelement über eine größere Anzahl von Filtration/Querstromreinigungs-Zyklen hinweg betrieben werden als beim herkömmlichen Reinigen mittels Rückspülen.
Ein Beispiel für das Querstromreinigen des Filterelementes 10 von 1, wobei eine Flüssigkeit und ein Gas gleichzeitig durch das Filterelement geleitet werden, ist das folgende: Bei geschlossener Fluidöffnung für die Permeatkammer 56 und geöffneter Fluidöffnung für die Retentatkammer 57 wird eine Pumpe, die normalerweise benutzt wird, um der Verfahrensfluidkammer während der Filtration Verfahrensfluid zuzuführen, mit einer Reinigungswasserversorgung verbunden und angestellt, um Reinigungswasser unter Druck in die Verfahrensfluidkammer einzubringen. Gleichzeitig wird Druckluft aus einer Druckluftversorgung durch eine andere Fluidöffnung als diejenige, die mit der Pumpe verbunden ist, in die Verfahrensfluidkammer 55 eingebracht. In der Verfahrensfluidkammer 55 werden das Wasser und die Druckluft miteinander vermischt und fließen zusammen in das Filterelement 10 und durch die innere Abflussschicht und entlang der Filterschicht des Filterbündels 20 über die gesamte Länge des Filterelementes 10 und werden in die Retentatkammer 57 abgeleitet. Nachdem das Wasser und die Luft während eines Zeitraumes durch das Filterelement 10 hindurchgetreten sind, wird die Zufuhr von Wasser und Luft abgestellt. Das Leiten von Wasser und Luft durch das Filterelement 10 kann in Abhängigkeit von dem Beladungszustand des Filterelementes 10 ein- oder mehrmals wiederholt werden.
Beim Leiten der Reinigungsfluide durch das Filterelement 10 wird die Permeatkammer 56, die Flüssigkeit und/oder Gas enthalten kann, vorzugsweise unter einem Druck gehalten, der gleich oder größer als derjenige innerhalb der Abflussschicht des Filterelementes 10 ist, sodass die Reinigungsfluide nicht durch die Filterschicht hindurch in die Permeatkammer 56 getrieben werden. Nach der Beendigung des Reinigens wird die Fluidöffnung, die zu der Druckluftversorgung führt, geschlossen, die Pumpe wird mit der Verfahrensfluidversorgung verbunden, und die Filtration kann wiederaufgenommen werden.
Querstromreinigen, wobei Luft und Wasser nacheinander durch das Filterelement 10 geleitet werden, kann in einer Weise durchgeführt werden, die derjenigen ähnlich ist, die oben beschrieben ist, mit der Ausnahme, dass das Einbringen von Wasser in die Verfahrensfluidkammer 55 während mindestens eines Teils des Zeitraumes beendet wird, während dessen Druckluft in die Verfahrensfluidkammer 55 eingebracht wird und umgekehrt, obwohl eine zeitliche Überlappung vorhanden sein kann, während der beide Fluide durch das Filterelement 10 geleitet werden können. Druckluft ist zum Ablösen von Teilchen von der Filterschicht ziemlich wirksam, ist aber aufgrund ihrer geringeren Dichte weniger wirksam darin als Wasser, die abgelösten Teilchen von dem Filterelement zu entfernen. Daher folgt mindestens dem ersten Mal, dass Druckluft allein durch das Filterelement 10 geleitet wird, vorzugsweise das Leiten von Wasser durch das Filterelement, um Teilchen von dem Filterelement abzuspülen.
4 ist eine teilweise geschnittene Querschnittsansicht eines Filterelementes 10A. Diese Ausführungsform ist der Ausführungsform von 1 ähnlich, und ähnliche Komponenten sind durch dieselben Bezugsnummern wie in 1 gekennzeichnet. Diese Ausführungsform beinhaltet ferner ein perforiertes Rohr 70, welches das Filterbündel 20 umgibt. Das Rohr 70 weist über einem Großteil seiner Länge eine feste unperforierte, undurchlässige Wand auf, weist jedoch Perforationen 71 oder andere Öffnungen auf, durch welche Rückspülfluid fließen kann, die in einem Bereich gebildet sind, der von einer oder mehreren der Kammern 55, 57, in welche das Rückspülfluid aus dem Filterelement 10A abgeleitet werden soll, entfernt ist.
Das Rohr 70 hindert Fluid daran, zwischen dem Filterbündel 20 der Permeatkammer 56 zu fließen, mit Ausnahme des Fließens durch die Perforationen 71. Wenn die Ausführungsform von 1 rückgespült wird, fließt das Rückspülfluid bevorzugt gewöhnlich in der Nähe eines oder beider Längsenden des Filterelementes 10 in der Nachbarschaft einer der Kammern 55, 57 in das Filterelement 10, in die das Rückspülfluid aus dem Filterelement 10 abgeleitet wird, da der Strömungswiderstand in diesen Bereichen kleiner sein wird. Infolgedessen wird das Rückspülen an den Längsenden eine größere Wirkung aufweisen als in den Bereichen zwischen den Enden. In der vorliegenden Ausführungsform fließt das Rückspülfluid jedoch durch Perforationen 71, die von der Kammer oder den Kammern, in die das Rückspülfluid aus dem Filterelement 10A abgeleitet wird, in den Innenraum des Rohres 70, sodass der Widerstand gegen den Strom von Rückspülfluid durch das Filterelement 10A über seine Länge gleichmäßiger wird und die Wirkung des Rückspülens gleichmäßiger sein kann.
Wenn Rückspülfluid aus dem Filterelement 10A in beide, die Verfahrensfluidkammer 55 und die Retentatkammer 57, abgeleitet wird, befinden sich die Perforationen 71 vorzugsweise ungefähr in der Mitte zwischen den beiden Längsenden des Filterelementes 10A. Wenn Rückspülfluid aus dem Filterelement 10A nur in eine der beiden Kammern 55 und 57 abgeleitet wird, kann eine bessere Rückspülwirkung erhalten werden, wenn die Perforationen 71 so weit wie möglich von der Kammer entfernt gebildet sind, in welche das Rückspülfluid abgeleitet wird, wie z.B. an dem anderen Längsende des Filterelementes 10A, das an die andere Kammer grenzt.
Es kann wünschenswert sein, das Rohr 70 an den Endkappen 40 zu befestigen, um die Festigkeit des Filterelementes 10A zu vergrößern. Das Rohr 70 kann, braucht aber nicht, dicht mit den Endkappen 40 verbunden sein. Das Rohr 70 rückt vorzugsweise ausreichend dicht in die Endkappen 40 ein, dass im Wesentlichen der gesamte Fluidstrom zwischen der Permeatkammer 56 und dem Innenraum des Rohres 70 durch die Perforationen 71 in dem Rohr 70 und nicht durch die Grenzfläche zwischen den Endkappen 40 und dem Rohr 70 erfolgt.
Das Rohr 70 kann als ein Rückhalteteil zum Bewahren der Falten in einem übereinandergelegten Zustand eingesetzt werden, jedoch wird, wie oben beschrieben, vorzugsweise ein separates Rückhalteteil, wie z.B. ein Hüllteil 25 eingesetzt, das den Grad des Zusammendrückens der Falten besser steuern kann als das Rohr 70. Das Rohr 70 kann in Kontakt mit der äußeren Peripherie des Hüllteils 25 sein oder von dem Hüllteil 25 durch eine schmale radiale Spalte getrennt sein, um das Einführen des Filterbündels 20 und des Hüllteils 25 in das Rohr 70 zu erleichtern.
Eine Spalte ist jedoch vorzugsweise schmal genug, dass Rückspülfluid, das von der Permeatkammer 56 aus in das Rohr 70 eingebracht wird, in der Längsrichtung des Filterbündels 20 durch die äußere Abflussschicht und nicht durch die Spalte in der Längsrichtung fließt. Daher ist der Widerstand gegen die Fluidströmung zwischen den Perforationen 71 und einer der Kammern 55 und 57 vorzugsweise kleiner entlang eines Strömungsweges, der durch die äußere Abflussschicht führt, als entlang eines Strömungsweges, der entlang der Spalte führt. Beispielsweise kann eine Spalte in der radialen Richtung 0,3 mm (0,01 Inch) oder weniger messen. Die Größe des Spaltes kann auf der Grundlage von Faktoren wie dem Widerstand der äußeren Abflussschicht des Filterbündels 20 gegen die Strömung in der Längsrichtung im Verhältnis zu dem Widerstand gegen die Strömung entlang des Spaltes gewählt werden. Um zu verhindern, dass die Perforationen bei einer statischen Filtration als Strömungsbegrenzung wirken, ist die Gesamtfläche der Perforationen 71 vorzugsweise mindestens so groß wie die Querschnittsfläche der Abschnitte der oberen Endfläche des Filterbündels 20, durch welche Verfahrensfluid aus der Verfahrensfluidkammer 55 in das Filterbündel 20 fließen kann (beinhaltet nicht die Querschnittsfläche, die von dem Abdichtstreifen 24 an dem oberen Ende des Filterbündels 20 abgedichtet ist).
5 stellt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, in der Verfahrensfluid durch ein hohles Zentrum des Filterelementes 100 und nicht durch die Längs-Endflächen eines Filterbündels 110 in das Filter 100 ein- und Retentat aus dem Filterelement 100 austritt.
Wie die vorhergehenden Ausführungsformen beinhaltet diese Ausführungsform ein gefaltetes Filterbündel 110, einen Kern 120, der von dem Filterbündel 110 umgeben ist, ein Hüllteil 111, das um das Filterbündel 110 herum gewickelt ist, und eine Endkappe 130, 140, die an jedem Ende des Filterelementes 100 angeordnet ist. Das Filterelement 100 ist in einem Gehäuse mit einem ersten und einem zweiten Rohrboden 150 und 155 angeordnet gezeigt, die den Innenraum des Gehäuses in eine Verfahrensfluidkammer 160, eine Permeatkammer 161 und eine Retentatkammer 162 unterteilen. Jede der Kammern ist mit einer nicht dargestellten Fluidöffnung ausgestattet, die eine Fluidverbindung zwischen dem Innenraum der Kammer und der Außenseite des Gehäuses erzeugt. Es ist nur ein einziges Filterelement 100 gezeigt, jedoch kann eine Vielzahl von Filterelementen 100 in einer ähnlichen Weise in dem Gehäuse eingebaut sein.
Das Filterbündel 110 kann eine ähnliche Struktur aufweisen wie die Ausführungsform von 1. Beispielsweise kann es einen dreischichtigen Verbundwerkstoff aus einer Filterschicht, einer äußeren Abflussschicht, die auf der radial äußeren Seite der Filterschicht angeordnet ist, und einer inneren Abflussschicht, die auf der radial inneren Seite der Filterschicht angeordnet ist, umfassen. Der Verbundwerkstoff kann in einer beliebigen der Weisen, die mit Bezug auf 1 beschrieben sind, zu sich axial erstreckenden Falten in einem übereinandergelegten Zustand ausgebildet sein. Die Falten werden durch das Hüllteil 111 in dem übereinandergelegten Zustand bewahrt. Vorzugsweise ist der einzige Unterschied zu dem Filterbündel 10 der Ausführungsform von 1, dass bei Filterbündel 110 auf die Abdichtstreifen verzichtet wurde.
Der Kern 120 kann jede beliebige Struktur aufweisen, die ermöglicht, dass Verfahrensfluid durch sein oberes Ende in das Filterbündel 110 fließt und dass Retentat von dem unteren Ende des Filterbündels 110 in den Kern 120 fließt und dann an seinem unteren Ende aus dem Filterelement 100 abgeleitet wird. Der dargestellte Kern 120 ist an jedem Längsende offen und beinhaltet einen oberen perforierten Teilabschnitt 121 an seinem oberen Längsende, einen unteren perforierten Teilabschnitt 122 an seinem unteren Längsende und einen blinden, unperforierten, undurchlässigen Teilabschnitt 123, durch den Fluid nicht hindurchtreten kann und der sich zwischen den beiden perforierten Teilabschnitten erstreckt. Jeder der perforierten Teilabschnitte 121, 122 weist eine rohrförmige Wand auf, die mit Perforationen oder anderen Öffnungen ausgebildet ist, durch die Fluid zwischen dem Innenraum des Kernes 120 und dem Filterbündel 110 hindurchtreten kann, während der blinde Teilabschnitt 123 eine periphere Wand aufweist, durch die Fluid nicht hindurchtreten kann.
Der blinde Teilabschnitt 123 kann eine ähnliche Struktur aufweisen wie der Kern 120 von 1 und kann ein hohles Rohr 124 und eine elastische Schicht 125 beinhalten, die das Rohr 124 umgibt, um die dreieckigen Spalten zwischen aneinandergrenzenden Schenkeln der Falten entlang der inneren Peripherie des Filterbündels 110 auszufüllen. Jedes Ende des hohlen Rohres 124 ist von einer Kappe 126 abgedichtet, die beispielsweise in der vorliegenden Ausführungsform von konischer Gestalt ist, um einen gleichmäßigeren Fluidstrom durch die Perforationen in den Kern 120 oder aus diesem hinaus zu erzeugen, wobei die Enden des blinden Teilabschnitts 123 des Kernes 120 jedoch in jeder beliebigen anderen geeigne ten Weise abgedichtet sein können. Der blinde Teilabschnitt 123 erstreckt sich vorzugsweise durchgehend über mindestens etwa 50 % der Länge, stärker bevorzugt über mindestens etwa 75 % der Länge und noch stärker bevorzugt über mindestens etwa 90 % der Länge des Filterbündels 110.
Die Längs-Endflächen des Filterbündels 110 sind abgedichtet, derart, dass Fluid durch den Kern 120 und nicht durch die Längs-Endflächen in das Filterelement 100 eintritt oder aus diesem austritt. Die Endflächen können in jeder beliebigen geeigneten Weise abgedichtet sein. Beispielsweise können sie durch Abdichtstreifen, wie z.B. diejenigen, die in der vorhergehenden Ausführungsform benutzt werden, die sowohl auf der radial inneren als auch äußeren Seite der Filterschicht an jedem Längsende des Filterbündels 110 angeordnet sind, abgedichtet sein. In der dargestellten Ausführungsform ist jede der Endflächen ohne Benutzung von Abdichtstreifen mit der entsprechenden Endkappe dicht verbunden, was das Verfahren zum Falten des Filterelementes 100 vereinfacht.
Abdichtungen zwischen den Endkappen 130, 140 und dem Filterbündel 110 können durch eine Vielfalt an Verfahren, wie z.B. denjenigen, die üblicherweise zum Verbinden von Endkappen mit Filterbündeln angewendet werden, in Abhängigkeit von den Materialien, aus denen die Endkappen und das Filterbündel 110 hergestellt sind, wie z.B. Verkleben, Schmelzverbinden, Rotationsschweißen oder ein mechanisches Abdichtverfahren, gebildet sein. In der vorliegenden Ausführungsform ist jede der Endkappen 130, 140 mit einer gegenüberliegenden Endfläche des Filterbündels 110 schmelzverbunden.
Die Endkappen 130, 140 können an dem Kern 120 befestigt sein, um die Festigkeit des Filterelementes 100 zu erhöhen, oder sie können beweglich gegenüber dem Kern 120 sein. Es ist nicht notwendig, dass die Endkappen mit dem Kern 120 dicht verbunden sind.
Die Gestalt der Endkappen 130, 140 kann auf Grundlage der Weise, in der sie mit den Rohrböden oder anderen Bauteilen verbunden werden, ausgewählt werden. In dieser Ausführungsform ist die obere Endkappe 130 eine Endkappe vom Hülsentyp, die eine ringförmige Platte 131, die durch Schmelzverbinden mit der oberen Endfläche des Filterbündels 110 dicht verbunden ist, einen rohrförmigen Abschnitt 132, der sich von der ringförmigen Platte 131 nach oben erstreckt, und einen Flansch 133 beinhaltet, der sich vom oberen Ende des rohrförmigen Abschnitts 132 radial nach außen erstreckt.
Ein Abdichtteil 134, welches den rohrförmigen Abschnitt 132 umgibt, wie z.B. ein O-Ring oder ein Dichtungsring, ist axial zwischen der unteren Oberfläche das Flansches 133 und der oberen Oberfläche einer Leiste 152, die in einer Öffnung 151 in dem oberen Rohrboden 150 gebildet ist, zusammengedrückt. Falls erforderlich, kann eine Niederhalteplatte, eine Klammer oder ein anderes geeignetes Bauteil bereitgestellt sein, um auf den Flansch 133 zu drücken, um das Abdichtteil 134 im zusammengedrückten Zustand zu bewahren.
Die untere Endkappe 140 umfasst eine ringförmige Platte 141, die mittels Schmelzverbinden mit der unteren Endfläche des Filterbündels 110 und einem rohrförmigen Abschnitt 142, der sich von der ringförmigen Platte 141 nach unten erstreckt, dicht verbunden ist. Der rohrförmige Abschnitt 142 ist mit einem oder mehreren Abdichtteilen 143, wie z.B. O-Ringen, ausgestattet, die an seiner Außenseite angebracht sind und eine Kolbendichtung gegen die innere Peripherie eines hohlen Rohrbodenadapters 157 von herkömmlicher Bauweise bilden, der sich von dem unteren Rohrboden 155, mit einer Öffnung 156 in dem unteren Rohrboden 155 in Verbindung stehend, nach oben erstreckt. Die Endkappen 130, 140 können in vielen anderen Weisen mit den Rohrböden verbunden sein. Beispielsweise kann jede der Endkappen durch eine Kolbendichtung mit dem entsprechenden Rohrboden verbunden sein, wie in der Ausführungsform von 1, oder beide Endkappen können mittels einer Druckdichtung dicht mit dem Rohrboden verbunden sein.
5 zeigt zwei von vielen möglichen Strukturen der Endkappen, und Endkappen beliebigen anderen gewünschten Typs und Gestalt können stattdessen benutzt werden.
An dem oberen Längsende des Filterbündels 110, das die Perforationen in dem oberen perforierten Teilabschnitt 121 des Kernes 120 umgibt, wird Verfahrensfluid zunächst, nicht erfindungsgemäß, durch die innere Abflussschicht im Wesentlichen in der radialen Richtung der Falten fließen, wenn es aus den Perforationen austritt, und wird dann die Richtung ändern und in die axiale Richtung der Falten, d.h. in der Längsrichtung des Filterelementes 100 fließen. An dem unteren Längsende des Filterbündels 110, das die Perforationen in dem unteren perforierten Teilabschnitt 122 des Kernes 120 umgibt, wird Retentat zunächst durch die innere Abflussschicht im Wesentlichen in der axialen Richtung der Falten fließen und dann die Richtung ändern und in die radiale Richtung der Falten in die Perforationen fließen. Deshalb wird an dem oberen und unteren Längsende des Filterbündels 110 die innere Abflussschicht vorzugsweise so ausgewählt, dass sie einer Änderung der Strömungsrichtung einen geringstmöglichen Widerstand bietet. Beispielsweise kann ein Diamantnetz, das in der axia len und der radialen Richtung einen im Wesentlichen gleichen Strömungswiderstand aufweist, in diesen Bereichen geeignet sein.
In dem Bereich des Filterbündels 110, der den blinden Teilabschnitt 123 des Kernes 120 umgibt, erfolgt die Strömung des Verfahrensfluids im Wesentlichen in der Längsrichtung des Filterelementes 100; daher kann es in diesem Bereich vorteilhaft sein, für die innere Abflussschicht ein Material einzusetzen, das in der axialen Richtung einen geringeren Strömungswiderstand als in der radialen Richtung aufweist, wie z.B. ein DELNET-Netz mit parallelen Strängen, die sich in der Längsrichtung des Filterelementes 100 erstrecken.
Unterschiedliche Typen von Material, das die innere Abflussschicht bildet, wie z.B. unterschiedliche Netztypen, können mit oder ohne Überlappung zwischen den unterschiedlichen Typen in der Längsrichtung des Filterelementes 100 in den Verbundwerkstoff eingefaltet sein. In der äußeren Abflussschicht ist die Richtung der Fluidströmung über die Länge des Filterbündels 110 im Wesentlichen dieselbe, sodass ein einziger Typ von Abflussschichtmaterial über die gesamte Länge benutzt werden kann.
Die Ausführungsform von 5 kann sowohl bei der Filtration als auch beim Reinigen auf die im Wesentlichen gleiche Weise wie die Ausführungsform von 1 betrieben werden, und es gibt im Wesentlichen keinen Unterschied in der Wirksamkeit der beiden Filterelemente 10 und 100. Daher kann das Filterelement 100 von 5 wie das Filterelement 10 von 1 Filtration in einer Querstrom-Betriebsart oder in einer statischen Betriebsart durchführen, und es kann durch Rückspülen oder durch Querstrom gereinigt werden. Da in der Ausführungsform von 5 jedoch keine Abdichtstreifen eingesetzt werden, kann das Verfahren des Riffelns des Filterbündels 110 und seine Befestigung an den Endkappen etwas einfacher sein.
In der vorliegenden Ausführungsform bildet das Hüllteil 111 den alleräußersten Abschnitt des Filterelementes 100. Wie die Ausführungsform von 4 kann das Filterelement 100 ferner ein Rohr beinhalten, welches das Filterbündel 110 zwischen den Endkappen umgibt, um Fluid daran zu hindern, zwischen dem Filterbündel 110 und der Permeatkammer 161 zu fließen, ausgenommen in einem bestimmten Bereich (wie z.B. durch Perforationen in der Nähe des längsgerichteten Zentrums des Rohres), um die Gleichmäßigkeit des Rückspülens zu vergrößern.
In den vorherigen Ausführungsformen fließt ein Verfahrensfluid in der Längsrichtung eines Filterelementes innerhalb einer inneren Abflussschicht, die auf der radial inneren Seite einer Filterschicht angeordnet ist. 6 stellt eine Ausführungsform eines Filterelementes 200 dar, in der Verfahrensfluid in der Längsrichtung des Filterelementes 200 innerhalb einer äußeren Abflussschicht fließt, die auf der radial äußeren Seite einer Filterschicht angeordnet ist.
Das Filterelement 200 ist in einem Gehäuse eingebaut gezeigt, das identisch mit demjenigen der Ausführungsform von 1 ist und einen oberen und einen unteren Rohrboden 250 und 252 beinhaltet, welche den Innenraum des Gehäuses in eine Verfahrensfluidkammer 255, eine Retentatkammer 256 und eine Permeatkammer 257 unterteilen. Jede der Kammern ist mit einer nicht dargestellten Fluidöffnung ausgestattet, die für Fluidverbindung zwischen dem Innenraum der Kammer und der Außenseite des Gehäuses sorgt. Es ist nur ein einziges Filterelement 200 gezeigt, jedoch kann eine Vielzahl der Filterelemente 200 in einer ähnlichen Weise in dem Gehäuse eingebaut sein. Wie die vorhergehenden Ausführungsformen beinhaltet das Filterelement 200 ein hohles gefaltetes Filterbündel 210, einen Kern 220, der von dem Filterbündel 210 umgeben ist, ein Hüllteil 215 zum Bewahren der Falten des Filterbündels 210 in einem übereinandergelegten Zustand, eine Endkappe 230, 235, die an jedem Längsende des Filterbündels 210 angeordnet ist, und ein Rohr 240, das sich zwischen den Endkappen erstreckt und das Filterbündel 210 umgibt.
Das Filterbündel 210 kann jede beliebige der Strukturen aufweisen, die mit Bezug auf die vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben sind. In der dargestellten Ausführungsform umfasst es einen dreischichtigen Verbundwerkstoff aus einer Filterschicht 211, einer inneren Abflussschicht 212 und einer äußeren Abflussschicht 213. Der Verbundwerkstoff ist zu sich axial erstreckenden Falten ausgebildet, die durch ein nicht dargestelltes wendelförmiges Hüllteil wie dasjenige, das in 1 dargestellt ist, in einem übereinandergelegten Zustand bewahrt werden.
Das Verfahrensfluid wird in das Filterelement 200 durch dessen obere Längs-Endfläche eingebracht. Um das Verfahrensfluid daran zu hindern, entlang der radial inneren Seiten der Falten zu fließen, sind die Räume zwischen aneinandergrenzenden Schenkeln von Falten auf den radial inneren Seiten dieser gegen das Eintreten von Fluid abgedichtet. Das Abdichten kann in jeder beliebigen der Weisen durchgeführt werden, die mit Bezug auf die vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben sind. In der dargestellten Ausführungsform ist ein Abdichtstreifen 214, ähnlich dem Abdichtstreifen der Ausführungsform in 1, auf der radial inneren Seite jeder Falte an dem oberen Längsende des Filterelementes 200 in den Verbundwerkstoff eingefaltet, wohingegen auf der radial äußeren Seite kein Abdichtstreifen vorhanden ist, sodass das Verfahrensfluid in die äußere Abflussschicht 213 fließen kann. Die obere Endkappe 230 weist eine Struktur auf, die derjenigen der Endkappen 40 der Ausführungsform von 1 ähnlich ist, und kann in der gleichen Weise an dem Filterbündel 210 angebracht sein.
Der Kern 220 kann entweder ein blinder Kern wie in der Ausführungsform von 1 oder ein offener sein, durch den Fluid in der Längsrichtung des Filterelementes fließen kann. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Kern 220 auf seiner gesamten Länge perforiert, sodass Permeat durch seine Wand hindurchtreten und dann entlang seines Innenraumes fließen kann. Das obere Längsende des Kernes 220 ist beispielsweise durch einen Pfropfen 221 oder durch ein anderes geeignetes Mittel abgesperrt, um Verfahrensfluid daran zu hindern, in diesen einzutreten, wohingegen das untere Längsende offen ist, um Permeat zu ermöglichen, aus dem Kern 220 in die Permeatkammer 257 zu fließen.
Das Filterbündel 210 ist vorzugsweise von einem Bauteil umgeben, welches das Verfahrensfluid zwingt, über eine erhebliche Länge des Filterelementes 200 zu fließen, bevor es in die Retentatkammer 256 abgeleitet wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird diese Aufgabe von einem Rohr 240 erfüllt, welches das Filterbündel 210 umgibt und das in einem Großteil seiner Länge unperforiert und undurchdringlich ist, jedoch Perforationen 241 oder andere Öffnungen aufweist, die mit der Retentatkammer 256 in Verbindung stehen und die sich möglichst nahe bei dem unteren Rohrboden 252 befinden, sodass das Verfahrensfluid über im Wesentlichen die gesamte Länge des Filterbündels 210 fließen muss, bevor es durch die Perforationen 241 hindurch in die Retentatkammer 256 eintritt. Anstatt Perforationen 241 aufzuweisen, kann das Rohr 240 kurz von dem unteren Rohrboden 252 enden, und das Retentat kann durch den Raum zwischen dem unteren Ende des Rohrs 240 und dem unteren Rohrboden 252 in die Retentatkammer 256 fließen.
Andere Bauteile als ein Rohr 240 können benutzt werden, um das Verfahrensfluid darin zu hindern, in die Retentatkammer 256 zu fließen, wie z.B. eine Hülse oder ein Hüllteil, das um das Filterbündel 210 herum angeordnet ist und für das Verfahrensfluid undurchdringlich ist und Öffnungen oder Spalten in der Nähe seines unteren Endes aufweist, durch die Retentat in die Retentatkammer 256 fließen kann. Beispielsweise kann das Hüllteil, das die Falten des Filterbündels 210 in einem übereinandergelegten Zustand bewahrt, aus einem Material hergestellt sein, das auf dem größten Teil der Länge des Filterbündels 210 den Durchgang von Fluid durch es hindurch verhindert. Fluid fließt vorzugsweise durch die äußere Abflussschicht 213 in der Längsrichtung des Filterelementes 200 auf mindestens etwa 50 %, stärker bevorzugt mindestens etwa 75 % und stärker bevorzugt mindestens etwa 90 % der Länge des Filterbündels 210, bevor es in die Retentatkammer 256 abgeleitet wird.
Das Rohr 240 kann das Filterbündel 210 oder das Hüllteil 215, sofern vorhanden, berühren, oder es kann eine radiale Spalte zwischen ihnen vorhanden sein. Wie in dem Fall der Ausführungsform von 4 ist eine radiale Spalte vorzugsweise schmal genug, dass Verfahrensfluid, das in der Längsrichtung des Filterelementes 200 fließt, durch die äußere Abflussschicht 213 des Filterbündels 210 und nicht durch die Spalte fließen wird. So ist der Widerstand gegen Fluidströmung zwischen den Perforationen 241 und der Verfahrensfluidkammer 255 vorzugsweise kleiner entlang eines Strömungsweges, der durch die äußere Abflussschicht 213 führt, als entlang eines Strömungsweges, der entlang eines Spaltes zwischen der äußeren Peripherie des Filterbündels 210 und der inneren Peripherie des Rohres 240 führt.
Die untere Längs-Endfläche des Filterbündels 210 ist vorzugsweise abgedichtet, um das Fließen von Fluid durch diese hindurch in die Permeatkammer 257 zu verhindern. Die Endfläche kann in jeder beliebigen der Weisen abgedichtet sein, die mit Bezug auf die vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben sind, wie z.B. durch Abdichtstreifen, Klebstoffe oder eine Endkappe. In der vorliegenden Ausführungsform ist die untere Endkappe 235 mit der unteren Längs-Endfläche schmelzverbunden. Die untere Endkappe 235 weist eine zentrale Bohrung auf, die das untere Ende des Kernes 220 umgibt. Die untere Endkappe 235 kann an dem Kern 220 befestigt sein, um die Festigkeit des Filterelementes 200 zu erhöhen, braucht aber nicht dicht mit Kern 220 verbunden zu sein.
Jede Endkappe 230, 235 ist mit einem entsprechenden der Rohrböden 250, 252 in einer fluiddichten Weise verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform weist jede Endkappe ein oder mehrere Abdichtteile, wie z.B. O-Ringe, auf, die daran angebracht sind, um gegenüber der inneren Peripherie einer Öffnung 251, 253 in dem entsprechenden Rohrboden 250, 252 eine Kolbendichtung zu bilden, jedoch können sie in jeder beliebigen anderen geeigneten Weise, wie z.B. derjenigen, die in 5 dargestellt ist, mit den Rohrböden verbunden sein.
7 ist eine transversale Querschnittsansicht des Filterelementes 200 von 6 längs einer Linie 7-7. Das Filterbündel 210 weist eine Struktur auf, die derjenigen ähnlich ist, die in
2 gezeigt ist, mit der Ausnahme, dass ein Abdichtstreifen 214 an der radial inneren Oberfläche der inneren Abflussschicht 212, d.h. auf der Seite der inneren Abflussschicht 212, die von der Filterschicht 211 abgewandt ist, angeordnet ist. Die innere Abflussschicht 212 weist die gleiche Struktur auf wie diejenige, die in 2 gezeigt ist, ist in dieser Figur jedoch durch den Abdichtstreifen 214 verdeckt, der in die Öffnungen in der inneren Abflussschicht 212 extrudiert ist. In dem Abschnitt des Filterelementes 200, der von dem Abdichtstreifen 214 beabstandet ist, würde eine transversale Querschnittsansicht des Filterbündels 210 so aussehen, wie in 2 gezeigt.
Mit dem Filterelement 200 von 6 kann die Filtration eines Verfahrensfluids entweder in einer Querstrom-Betriebsart oder in einer statischen Betriebsart, beide nicht erfindungsgemäß, durchgeführt werden. Wenn das Filterelement 200 zur Querstromfiltration eingesetzt wird, werden die Fluidöffnungen für alle drei Kammern 255, 256 und 257 geöffnet. Dann wird Verfahrensfluid aus der Verfahrensfluidkammer 255 durch die obere Längs-Endfläche des Filterbündels 210 in das Filterelement 200 eingebracht. Die innere Abflussschicht 212 ist durch den Abdichtstreifen 214 abgedichtet, die äußere Abflussschicht 213 jedoch nicht, sodass das Verfahrensfluid in die äußere Abflussschicht 213 fließt und innerhalb der äußeren Abflussschicht 213 in der Längsrichtung des Filterelementes 200 fließt. Der Strom von Verfahrensfluid innerhalb der äußeren Abflussschicht 213 entlang der radial äußeren Oberfläche der Filterschicht 211 erzeugt eine Fluid-Scherkraft, die eine Ansammlung von Teilchen auf der radial inneren Oberfläche der Filterschicht 211 hemmt. Gleichzeitig fließt ein Teil des Verfahrensfluids durch die Filterschicht 211 in die innere Abflussschicht 212 und wird dabei zu Permeat. Das Verfahrensfluid, das nicht durch die Filterschicht 211 hindurchtritt, wird durch die Perforationen 241 an dem unteren Ende des Rohrs 240 aus dem Filterelement 200 in die Retentatkammer 256 abgeleitet.
Das Permeat fließt in der inneren Abflussschicht 212 auf den Kern 220 zu und dann durch die Perforationen in dem Kern 220 in dessen Zentrum. Das Permeat fließt dann entlang der Innenseite des Kernes 220 in der Längsrichtung des Kernes 220 und wird durch das offene untere Ende des Kernes 220 aus dem Filterelement 200 in die Permeatkammer 257 abgeleitet. Alternativ oder zusätzlich kann die untere Endkappe wie die obere Endkappe offen sein und die äußere Abflussschicht an dem unteren Ende des Filterbündels z.B. mit einem Abdichtstreifen abgedichtet sein. Permeat kann dann von dem unteren Ende der inneren Abflussschicht in die Permeatkammer fließen.
Wenn mit dem Filterelement 200 eine Filtration in einer statischen Betriebsart durchgeführt werden soll, werden die Fluidöffnungen für die Kammern 255 und 257 geöffnet, wohingegen die Fluidöffnung für die Retentatkammer 256 geschlossen wird. In diesem Zustand wird ein zu filterndes Verfahrensfluid in der gleichen Weise wie bei der Querstromfiltration aus der Verfahrensfluidkammer 255 in die äußere Abflussschicht 213 des Filterelementes 200 eingebracht. Da die Fluidöffnung für die Retentatkammer 257 geschlossen ist, fließt das gesamte Verfahrensfluid in der äußeren Abflussschicht 213 durch die Filterschicht 211 in die innere Abflussschicht 212 und wird dabei zu Filtrat, und aus der inneren Abflussschicht 212 fließt das Filtrat in den Kern 220 und tritt dann aus dem unteren Ende des Kernes 220 in die Permeatkammer 257.
Das Filterelement 200 kann entweder durch Rückspülen oder durch Querstromreinigen gereinigt werden. Zur Durchführung des Rückspülens werden ein oder mehrere geeignete Rückspülfluide, wie z.B. jedes beliebige, das mit Bezug auf 1 beschrieben ist, in die Permeatkammer 257 eingebracht und unter Druck in das untere Ende des Kernes 220 getrieben. Das Rückspülfluid fließt dann radial nach außen durch den Kern 220 in das Filterbündel 210 und tritt nacheinander durch die innere Abflussschicht 212 und die Filterschicht 211 in die äußere Abflussschicht 213, wobei es Teilchen mit sich trägt, die aus der Filterschicht 211 entfernt wurden.
Das Rückspülfluid und die entfernten Teilchen fließen dann in der Längsrichtung des Filterbündels 210 durch die äußere Abflussschicht 213 zu dem unteren Ende des Filterelementes 200 und durch die Perforationen 241 in dem Rohr 240 in die Retentatkammer 256, und sie fließen auch zu dem oberen Ende des Filterelementes 200 und durch das obere Ende in die Verfahrensfluidkammer 255. Das Rückspülfluid und die entfernten Teilchen können daran gehindert werden, in eine von der Verfahrensfluidkammer 255 und der Retentatkammer 256 zu fließen, indem die Fluidöffnung für die Kammer, die daran zu hindern gewünscht wird, das Rückspülfluid aufzunehmen, geschlossen wird. Während des Rückspülens übt das Rückspülfluid eine radial äußere Kraft auf das Filterbündel 210 aus. Dieser Kraft kann das Rohr 240 und/oder das Hüllteil Widerstand leisten, um zu verhindern, dass das Filterbündel 210 beschädigt wird.
Zum Reinigen des Filterelementes 200 mittels Querstrom werden bei geöffneten Fluidöffnungen für die Verfahrensfluidkammer 255 und die Retentatkammer 256 eine oder mehrere geeignete Reinigungsfluide, wie z.B. Wasser und Luft nacheinander, ein Gemisch aus Wasser und Luft oder beliebige andere, die mit Bezug auf die Ausführungsform von 1 be schrieben sind, ein- oder mehrmals von der Verfahrensfluidkammer 255 durch die äußere Abflussschicht 213 des Filterbündels 210 zu der Retentatkammer 256 oder in die entgegengesetzte Richtung geleitet, um Teilchen von der Filterschicht 211 abzulösen und sie zusammen mit dem Reinigungsfluid aus dem Filterelement 200 abzuleiten. Das Reinigungsfluid und die Teilchen können dann aus dem Gehäuse abgeleitet werden. Beim Leiten des Reinigungsfluids durch das Filterelement 200 werden die Permeatkammer 257 und der Innenraum des Kernes 220 vorzugsweise unter einem Druck gehalten, der gleich oder größer als derjenige innerhalb der äußeren Abflussschicht 213 des Filterbündels 210 ist, um zu verhindern, dass das Reinigungsfluid durch die Filterschicht 211 getrieben wird und dass möglicherweise Teilchen zu der Oberfläche der Filterschicht 213 getrieben werden, wo sie von dem Reinigungsfluid leichter entfernt werden können.
Ein Filterelement, in dem das Verfahrensfluid entlang der radial äußeren Seite einer Filterschicht fließt und Permeat oder Filtrat in ein hohles Zentrum des Filterelementes fließt, wie z.B. in dieser Ausführungsform, und ein Filterelement, in dem Verfahrensfluid entlang der radial inneren Seite einer Filterschicht fließt, wie in den Ausführungsformen von 1 bis 5, sind bei der Filtration im Wesentlichen gleichermaßen wirksam. Jedoch kann es leichter sein, ein Filterelement rückzuspülen, in das Rückspülfluid in das hohle Zentrum des Filterelementes eingebracht und radial nach außen getrieben wird, wie in der vorliegenden Ausführungsform.
8 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines Filterelementes 300, in der Verfahrensfluid aus einer Verfahrensfluidkammer, die das Filterelement 300 umgibt, und nicht durch eines der Längsenden des Filterelementes 300 in das Filterelement 300 eingebracht wird. Das Filterelement 300 ist in einem Gehäuse eingebaut gezeigt, das demjenigen der vorhergehenden Ausführungsform ähnlich ist und zwei Rohrböden 350, 352 beinhaltet, die den Innenraum des Gehäuses in eine Retentatkammer 355, eine Verfahrensfluidkammer 356 und eine Permeatkammer 357 unterteilen. Jede der Kammern ist mit einer nicht dargestellten Fluidöffnung ausgestattet, die eine Fluidverbindung zwischen dem Innenraum der Kammer und der Außenseite des Gehäuses herstellt. Das Gehäuse kann ein einzelnes Filterelement 300 oder eine Vielzahl der Filterelemente 300, die in einer ähnlichen Weise eingebaut sind, enthalten. Im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsformen befindet sich die Verfahrensfluidkammer 356 zwischen den Rohrböden 350, 352 und umgibt das Filterelement 300.
Wie in den vorhergehenden Ausführungsformen beinhaltet das Filterelement 300 ein gefaltetes Filterbündel 310, einen Kern, der von dem Filterbündel 310 umgeben ist, und eine Endkappe 330, 335, die sich an jedem Ende des Filterbündels 310 befindet. Das Filterbündel 310 kann jede beliebige der Strukturen aufweisen, die mit Bezug auf die vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben sind. Beispielsweise kann es einen dreischichtigen Verbundwerkstoff aus einer inneren Abflussschicht, einer Filterschicht und einer äußeren Abflussschicht umfassen, der zu sich axial erstreckenden Falten ausgebildet ist, die durch ein nicht dargestelltes wendelförmiges Hüllteil wie dasjenige, das in 1 gezeigt ist, in einem übereinandergelegten Zustand bewahrt werden.
Das obere und das untere Längsende des Filterbündels 310 sind auf den radial inneren Seiten jeder Falte abgedichtet, sodass, nicht erfindungsgemäß, Fluid durch die Endflächen des Filterbündels 310 in die äußere Abflussschicht oder aus dieser hinaus fließen kann, jedoch nicht in die innere Abflussschicht oder aus dieser hinaus fließen kann. Das Abdichten kann unter Anwendung jedes beliebigen der Verfahren durchgeführt werden, die mit Bezug auf die vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben sind. In der dargestellten Ausführungsform ist ein Abdichtstreifen 311, der demjenigen ähnlich ist, der in der Ausführungsform von 1 benutzt wird, auf der radial inneren Seite der inneren Abflussschicht an beiden Längsenden des Filterbündels 310 in den Verbundwerkstoff eingefaltet. Diese Abdichtstreifen 311 wirken in der gleichen Weise wie die Abdichtstreifen 24, die in 1 gezeigt sind, um jegliche Räume zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen aneinandergrenzender Schenkel der Falten auf der radial inneren Seite der Filterschicht auszufüllen.
Die Endkappen 330, 335 können jede beliebige Struktur aufweisen, die ermöglicht, dass an beiden Längsenden des Filterbündels 310 Fluid an den radial äußeren Seiten der Falten in das Filterbündel 310 ein- oder aus diesem austritt. In der vorliegenden Ausführungsform ist die obere Endkappe 330 mit den Endkappen 40 der Ausführungsform von 1 identisch und beinhaltet ein oder mehrere Abdichtteile 331, wie z.B. O-Ringe, zum Bilden einer Kolbendichtung gegenüber einem Loch 351, das in dem oberen Rohrboden 350 gebildet ist. Die untere Endkappe 335 ist der oberen Endkappe 330 ähnlich, ist aber nicht mit Abdichtringen ausgestattet, da sie nicht dicht mit einem Rohrboden verbunden ist.
Der Kern 320 kann jede beliebige Struktur aufweisen, die ermöglicht, dass durch ihn Permeat in einer Längsrichtung des Filterelementes 300 transportiert und das Permeat in die Permeatkammer 357 abgeleitet wird. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst er ein hohles Rohr mit einem perforierten Abschnitt 321, durch den Permeat in das Zentrum des Kernes 320 eintreten kann, und einen unperforierten Teilabschnitt 322, der sich durch die untere Endkappe 335 hindurch zur Außenseite des Filterbündels 310 erstreckt, um in den unteren Rohrboden 352 einzurücken.
Das obere Ende des Kernes 320 ist abgesperrt, um Permeat daran zu hindern, in die Retentatkammer 355 zu fließen, wohingegen das untere Ende des unpertorierten Teilabschnitts 322 offen ist, sodass Permeat durch dieses hindurch in die Permeatkammer 357 fließen kann. Das untere Ende des unperforierten Teilabschnitts 322 ist so angeordnet, dass es fluidisch mit dem unteren Rohrboden 352 verbunden werden kann. Beispielsweise kann er an seinem unteren Ende einen Flansch 323 aufweisen, der mit einem oder mehreren Abdichtteilen 324, wie z.B. O-Ringen, ausgestattet ist, die eine Kolbendichtung gegenüber der inneren Oberfläche eines Loches 353 in dem unteren Rohrboden 352 bilden. Die Endkappen können in einer Vielfalt von anderen Weisen, wie z.B. in der Weise, die in 5 gezeigt ist, mit den Rohrböden 350, 352 verbunden sein.
Das Filterbündel 310 ist von einem Bauteil umgeben, das sich zwischen der oberen und unteren Endkappe 330, 335 erstreckt und für das Verfahrensfluid undurchdringlich ist, um das Filterbündel 310 von der Verfahrensfluidkammer 356 mit Ausnahme an seinem unteren Ende, wo Verfahrensfluid in das Filterbündel 310 eintritt, fluidisch zu trennen. In der vorliegenden Ausführungsform ist das undurchdringliche Bauteil ein Rohr 340, welches das Filterbündel 310 umgibt und vorzugsweise mit beiden Endkappen 330, 335 dicht verbunden ist. Wenn beabsichtigt ist, das Filterelement 300 in einer Querstrom-Betriebsart zu betreiben oder zu reinigen, liegt das Rohr 340 vorzugsweise eng an der äußeren Peripherie des Filterbündels 310 oder an einem Hüllteil, sofern vorhanden, an, sodass Fluid bei Querstrom hauptsächlich durch das Filterbündel 310 fließen wird, anstatt das Filterbündel 310 zu umgehen, indem es durch einen Raum zwischen der äußeren Peripherie des Filterbündels 310 und der inneren Peripherie des Rohres 340 fließt. Beispielsweise kann das Rohr 340 die äußere Peripherie des Filterbündels 310 oder des Hüllteils berühren, oder es kann zwischen ihnen ein kleiner radialer Spalt vorhanden sein. Andere Bauteile als ein Rohr 340 können benutzt werden, um das Filterbündel 310 von der Verfahrensfluidkammer 356 zu trennen, wie z.B. ein Hüllteil, das aus einem Material hergestellt ist, das für das Verfahrensfluid undurchdringlich ist.
Wenn die Ausführungsform von 8 Filtration in einer Querstrom-Betriebsart durchführen soll, werden die Fluidöffnungen für alle Kammern 355, 356 und 357 geöffnet und Verfahrensfluid aus der Verfahrensfluidkammer 356 durch die Öffnung in der unteren Endkappe 335 in das Filterbündel 310 eingebracht. Die radial inneren Seiten der Falten sind durch die Abdichtstreifen 311 an dem unteren Ende des Filterbündels 310 abgedichtet, sodass, nicht erfindungsgemäß, Verfahrensfluid in die äußere Abflussschicht auf der radial äußeren Seite der Filterschicht fließt. Das Verfahrensfluid fließt durch die äußere Abflussschicht in der Längsrichtung des Filterbündels 310 und erzeugt eine Fluid-Scherkraft auf der radial äußeren Seite der Filterschicht, welche die Ansammlung von Teilchen auf der Filterschicht verringert.
Ein Teil des Verfahrensfluids tritt durch die Filterschicht und wird gefiltert und dabei zu Permeat, während der Rest des Verfahrensfluids innerhalb der äußeren Abflussschicht zu dem oberen Längsende des Filterbündels 310 fließt und von dem oberen Ende des Filterelementes 300 als Retentat in die Retentatkammer 355 abgeleitet wird. Das Permeat fließt durch die innere Abflussschicht und in den Kern 320, in welchem es in der Längsrichtung des Filterelementes 300 fließt und von dem unteren Ende des Kernes 320 in die Permeatkammer 357 abgeleitet wird. Das obere Ende des Filterbündels 310 ist auf der radial inneren Seite der Falten durch den Abdichtstreifen 311 abgedichtet, sodass das Permeat daran gehindert wird, in die Retentatkammer 355 zu fließen.
Wenn das Filterelement 300 zur statischen Filtration benutzt werden soll, werden die Fluidöffnungen für die Kammern 356 und 357 geöffnet und die Fluidöffnung für die Retentatkammer 355 geschlossen. Verfahrensfluid wird, nicht erfindungsgemäß, durch die untere Endkappe 335 in der gleichen Weise wie bei der Querstromfiltration in das Filterbündel 310 eingebracht und tritt in die äußere Abflussschicht ein. Da die Retentatkammer 355 geschlossen ist, fließt das gesamte Verfahrensfluid von der äußeren Abflussschicht durch die Filterschicht und in die innere Abflussschicht und wird dabei zu Filtrat, das von der inneren Abflussschicht in den Kern 320 fließt und dann durch das untere Ende des Kernes 320 aus dem Filterelement 300 in die Permeatkammer 357 abgeleitet wird.
Das Filterelement 300 kann durch Einbringen eines Rückspülfluids in die Permeatkammer 357 rückgespült werden. Das Rückspülfluid wird unter Druck aus der Permeatkammer 357 in den Kern 320 getrieben und fließt dann radial nach außen durch den Kern 320 und in die Abflussschicht und tritt dann durch die Filterschicht und in die äußere Abflussschicht, wobei es Teilchen, die in der Filterschicht eingelagert sind oder daran haften, entfernt. Das Rückspülfluid und die entfernten Teilchen, die von dem Rückspülfluid mitgerissen werden, fließen dann innerhalb der äußeren Abflussschicht in der Längsrichtung des Filterelementes 300 und werden aus dem Filterelement 300 in eine oder beide von der Retentatkammer 355 und der Verfahrensfluidkammer 356 abgeleitet.
Das Filterelement 300 kann auch durch Querstrom gereinigt werden. In dieser Betriebsart der Reinigung werden bei geöffneten Fluidöffnungen für die Verfahrensfluidkammer 356 und die Retentatkammer 355 ein oder mehrere geeignete Querstrom-Reinigungsfluide aus der Verfahrensfluidkammer 356 ein- oder mehrmals durch die äußere Abflussschicht des Filterbündels 310 zu der Retentatkammer 355 oder in die entgegengesetzte Richtung geleitet, wobei das Reinigungsfluid eine Fluid-Scherkraft erzeugt, die Teilchen von der Filterschicht ablöst und aus dem Filterelement 300 ableitet. Nachdem Querstrom während eines gewünschten Zeitraumes erfolgt ist, können das Reinigungsfluid und die Teilchen dann aus dem Gehäuse abgeleitet werden. Beim Leiten des Reinigungsfluids durch das Filterelement 300 werden die Permeatkammer 357 und der Innenraum des Kernes 320 vorzugsweise unter einem Druck bewahrt, der gleich oder größer als derjenige innerhalb der äußeren Abflussschicht des Filterbündels 310 ist.
Die Ausführungsform von 8 ist in Situationen vorteilhaft, in denen es wünschenswert ist, dass die Verfahrensfluidkammer 356 zwischen den Rohrböden 350, 352 und nicht über oder unter diesen angeordnet ist, beispielsweise wegen der Weise, in der es am leichtesten ist, das Gehäuse mit anderen Apparaturen zu verbinden. Beim Querstromfiltrieren oder -reinigen ist ein Verfahrensfluid oder ein Reinigungsfluid in der Lage, über die gesamte Länge des Filterbündels 310 hinweg zu fließen, ohne die Richtungen ändern zu müssen, sodass das Fluid, welches im Querstrom fließt, eine hohe Geschwindigkeit zur Erzeugung eines guten Querstromes bewahren kann, um so das Ansammeln von Teilchen auf der radial äußeren Seite der Filterschicht zu hemmen oder solche Teilchen während des Querstromreinigens zu entfernen.
In den vorhergehenden Beispielen wird Verfahrensfluid durch ein Längsende des Filterelementes in ein Filterelement eingebracht, jedoch ist es auch möglich, dass Verfahrensfluid in das Filterelement eingebracht wird, ohne durch ein Längsende hindurchzutreten. 9 stellt das Filterelement 200 von 6 in einem Gehäuse wie demjenigen eingebaut dar, das in 6 gezeigt ist, mit der Ausnahme, dass der Raum über dem oberen Rohrboden 250 als eine Retentatkammer 256 dient, der Raum zwischen den Rohrböden 250 und 252 als eine Verfahrensfluidkammer 255 dient und der Raum unter dem unteren Rohrboden 252 als eine Permeatkammer 257 dient. Wie in den vorherigen Ausführungsformen kann in dem Gehäuse ein einzelnes Filterelement 200 oder eine Vielzahl von Filterelementen 200 untergebracht sein.
Während der Filtration unter Benutzung dieser Anordnung in einer Querstrom-Betriebsart wird bei offenen Fluidöffnungen für alle der Kammern 255, 256 und 257 Verfahrensfluid aus der Verfahrensfluidkammer 255 durch die Perforationen 241 in dem Rohr 240 in das Filterelement 200 eingebracht. Nach dem Hindurchtreten durch die Perforationen 241 tritt das Verfahrensfluid durch das Hüllteil, welches das Filterbündel 210 umgibt, und, nicht erfindungsgemäß, in die äußere Abflussschicht des Filterbündels 210. Das Verfahrensfluid fließt dann innerhalb der äußeren Abflussschicht in der Längsrichtung des Filterelementes 200 auf das obere Ende des Filterelementes 200 zu, wobei es eine Fluid-Scherkraft erzeugt, welche die Anlagerung von Teilchen an der äußeren Oberfläche der Filterschicht hemmt.
Beim Fließen des Verfahrensfluids durch die äußere Abflussschicht fließt ein Teil des Verfahrensfluids durch die Filterschicht und wird gefiltert und dabei zu Permeat, während der Rest als Retentat durch die obere Längs-Endfläche des Filterbündels 210 austritt. Das Permeat fließt radial durch die innere Abflussschicht und in das Zentrum des Kernes 220, entlang welchem es axial aus der unteren Endkappe 235 und die Permeatkammer 257 fließt. Der Abdichtstreifen 214 an dem oberen Ende des Filterelementes 200 bildet auf der radial inneren Seite der Filterschicht eine Abdichtung und hindert das Permeat daran, durch die obere Längs-Endfläche des Filterbündels 210 zu fließen, sodass das gesamte Permeat in den Kern 220 fließt.
Zur Durchführung von Filtration in einer statischen Betriebsart werden die Fluidöffnungen für Kammer 255 und 257 geöffnet und die Fluidöffnung für die Retentatkammer 256 geschlossen. Verfahrensfluid wird dann in der gleichen Weise wie bei der Querstromfiltration aus der Verfahrensfluidkammer 255 durch die Perforationen 241 in dem Rohr 240 in das Filterelement 200 und, nicht erfindungsgemäß, in die äußere Abflussschicht des Filterbündels 210 eingebracht. Da die Fluidöffnung für die Retentatkammer 256 geschlossen ist, fließt das gesamte Verfahrensfluid in der äußeren Abflussschicht durch die Filterschicht und in die äußere Abflussschicht und wird dabei zu Filtrat, das dann aus der inneren Abflussschicht in den Kern 220 fließt und durch das untere Ende des Kernes 220 aus dem Filterelement 200 in die Permeatkammer 257 abgeleitet wird.
Falls gewünscht wird, das Filterelement 200 rückzuspülen, wird ein Rückspülfluid aus der Permeatkammer 257 in den Kern 220 eingebracht und unter Druck radial nach außen durch die Perforationen in dem Kern 220 in das Filterbündel 210 getrieben. In dem Filterbündel 210 fließt das Rückspülfluid von der inneren Abflussschicht durch die Filterschicht und in die äußere Abflussschicht, wobei es Teilchen entfernt, die sich innerhalb der Filterschicht befinden oder an deren radial äußeren Oberfläche haften. Das Rückspülfluid mit den entfernten Teilchen, die von diesem mitgerissen werden, tritt dann durch die obere Längs-Endfläche des Filterbündels 210 aus dem Filterelement 200 in die Retentatkammer 256 und/oder durch die Perforationen 241 in dem Rohr 240 in die Verfahrensfluidkammer 255. Falls gewünscht, kann das Rückspülfluid daran gehindert werden, in eine der Kammern 255 oder 256 zu fließen, indem Kanäle abgesperrt werden, die mit der Kammer in Verbindung stehen, die das Rückspülfluid nicht aufnehmen soll.
Das Filterelement 200 von 9 kann auch in der gleichen Weise, die mit Bezug auf das Filterelement 200 von 6 beschrieben ist, der Querstromreinigung unterworfen werden.
Ein Filterelement braucht nicht mit einem Rohrboden eines Gehäuses verbunden zu sein. 10 ist eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Filterbaugruppe, die ein Gehäuse 440 ohne einen Rohrboden und ein Filterelement 400, das in dem Gehäuse 440 angeordnet ist, beinhaltet.
Das Gehäuse 440 liegt in der Form eines gestreckten rohrförmigen Bauteils vor, welches das Filterelement 400 umgibt und einen Verfahrensfluideinlass 441 an einem seiner Enden, einen Permeatauslass 442 an seinem anderen Ende und einen Retentatauslass 443 an einem Ort beinhaltet, der von dem Verfahrensfluideinlass 441 beabstandet ist. Der Retentatauslass 443 ist vorzugsweise weiter von dem Verfahrensfluideinlass 441 entfernt als das untere Ende des Filterelementes 400, sodass Verfahrensfluid über die gesamte Länge des Filterelementes 400 fließen wird, bevor es durch den Retentatauslass 443 austritt. Der Strom durch den Einlass 441 und die Auslässe 442, 443 kann durch geeignete, nicht dargestellte Ventile gesteuert werden.
Wie in den vorhergehenden Ausführungsformen beinhaltet das dargestellte Filterelement 400 ein hohles gefaltetes Filterbündel 410, einen hohlen perforierten Kern 420, der von dem Filterbündel 410 umgeben ist, und eine Endkappe 430, 431, die an jedem Längsende des Filterbündels 410 angeordnet ist. Das Filterbündel 410 kann jede beliebige der Konfigurationen aufweisen, die mit Bezug auf die vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben sind, wie z.B. eine Konfiguration, die einen dreischichtigen Verbundwerkstoff aus einer inneren Abflussschicht, einer Filterschicht und einer äußeren Abflussschicht umfasst, der zu sich axial erstreckenden Falten ausgebildet ist, die durch ein wendelförmiges Hüllteil 411 in einem übereinandergelegten Zustand bewahrt werden.
In dieser Ausführungsform fließt während der Querstromfiltration ein Verfahrensfluid, nicht erfindungsgemäß, innerhalb der äußeren Abflussschicht in der Längsrichtung des Filterelementes 400, während Permeat innerhalb der inneren Abflussschicht in den Kern 420 fließt und dann durch den Kern 420 zu dem Permeatauslass 442 fließt. Daher sind das obere und das untere Längsende des Filterbündels 410 mindestens auf der radial inneren Seite der Filterschicht abgedichtet, um Verfahrensfluid daran zu hindern, an dem oberen Längsende in die innere Abflussschicht zu fließen, und Permeat daran zu hindern, durch das untere Längsende der inneren Abflussschicht zu fließen. Das Abdichten kann in jeder beliebigen der Weisen durchgeführt werden, die mit Bezug auf die vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben sind. In der vorliegenden Ausführungsform ist jede Längs-Endfläche des Filterbündels 410 mit einer der Endkappen 430, 431 schmelzverbunden, um Fluid daran zu hindern, durch eine der Längs-Endflächen zu fließen. Alternativ kann das Abdichten beispielsweise unter Benutzung von Abdichtstreifen, die in den Verbundwerkstoff eingefaltet sind, durchgeführt werden.
Die Endkappen 430, 431 brauchen keine bestimmte Gestalt aufzuweisen und können denjenigen ähnlich sein, die in den vorhergehenden Ausführungsformen benutzt wurden. Die untere Endkappe 431 weist in ihrer Mitte eine Öffnung auf, durch die Fluid zwischen dem Kern 420 und dem Permeatauslass 442 hindurchtreten kann. Die obere Endkappe 430 kann entweder eine blinde oder eine offene Endkappe sein. Da Fluid nicht durch das obere Ende des Kernes 420 fließt, kann es zweckmäßig sein, wenn die obere Endkappe 430 eine blinde Endkappe ist, die das obere Ende des Kernes 420 absperrt. Wenn die obere Endkappe 430 offen ist, kann das obere Ende des Kernes 420 in einer anderen Weise abgesperrt sein.
Um die Bildung von ruhenden Zonen in der äußeren Abflussschicht zu verhindern, d.h. Zonen, in denen das Verfahrensfluid stationär ist, können die Endkappen gegen das längsgerichtete Zentrum des Filterelementes 400 abgeschrägt sein, um die Strömung von Fluid in und aus den Längsenden des Filterbündels 410 zu glätten. Zudem können stromlinienförmige Strömungsglättungsbauteile 432 und 433, die einstückig mit den Endkappen oder eigenständig ausgebildet sein können, an den Längsenden des Filterelementes 400 angeordnet sein, um die Bildung von ruhenden Zonen an diesen Enden zu verhindern.
Das Filterelement 400 kann entfernbar oder fest in das Gehäuse eingebaut sein. In der vorliegenden Ausführungsform ist das untere Ende des Filterelementes 400 an einem Rohr 444, das mit dem Permeatauslass 442 in Verbindung steht, nichtabnehmbar innerhalb des Gehäuses 440 befestigt. Das Gehäuse 440 kann jede beliebige Gestalt aufweisen, die es in die Lage versetzt zu ermöglichen, dass das Verfahrensfluid in das Filterbündel 410 an dessen oberem Ende fließt, und Retentat zu ermöglichen, dass es aus dem Filterelement 410 an dessen unterem Ende abgeleitet wird. Wenn das Filterelement 400 entweder bei der Filtration oder dem Reinigen in einer Querstrom-Betriebsart betrieben werden soll, liegt die innere Peripherie des Gehäuses 440 vorzugsweise eng um die äußere Peripherie des Filterbündels 410 und ein Hüllteil 411, falls vorhanden, über den größten Teil der Länge des Filterbündels 410 herum an, sodass Fluid, das im Querstrom fließt, bei Querstrom hauptsächlich durch das Filterbündel 410 fließen wird, anstatt das Filterbündel 410 zu umgehen, indem es durch einen Raum zwischen der äußeren Peripherie des Filterbündels 410 oder einem Hüllteil 411 und der inneren Peripherie des Gehäuses 440 fließt. Daher ist der Widerstand gegen Fluidströmung zwischen dem Verfahrensfluideinlass 441 und dem Retentatauslass 443 entlang eines Strömungsweges, der durch die äußere Abflussschicht des Filterbündels 410 führt, vorzugsweise geringer als entlang eines Strömungsweges, der entlang einer Spalte zwischen der äußeren Peripherie des Filterbündels 410 und der inneren Peripherie des Gehäuses 440 führt.
In 10 ist die innere Peripherie des Gehäuses 440 vorzugsweise von der äußeren Peripherie des Filterelementes 400 durch einen ersten Abstand in der Nachbarschaft der Endkappen 430, 431 beabstandet, sodass Fluid an den Enden des Filterbündels 410 leicht in das Filterbündel 410 hinein oder aus diesem hinaus fließen kann, und in dem größten Teil des Bereiches des Filterbündels 410 zwischen den Endkappen weist das Gehäuse 440 einen kleineren Innendurchmesser auf, sodass die innere Peripherie des Gehäuses 440 ausreichend nahe an der äußeren Peripherie des Filterbündels 410 und des Hüllteils 411 ist, um das Umgehen von Fluid entlang der inneren Peripherie des Gehäuses 440 einzuschränken. Es ist auch möglich, dass das Filtergehäuse 440 einen konstanten Durchmesser aufweist und dass ein Einsatz, wie z.B. eine Hülse, zwischen der äußeren Peripherie des Filterbündels 410 und Hüllteils 411 und der inneren Peripherie des Gehäuses 440 angeordnet ist, um einen Raum entlang der inneren Peripherie des Gehäuses 440 im Wesentlichen auszufüllen und dadurch das Umgehen durch Fluid zu vermindern oder zu verhindern.
Zur Durchführung von Querstromfiltration mit dieser Ausführungsform wird bei offenem Einlass 441 und offenen Auslässen 442 und 443 durch den Verfahrensfluideinlass 441 ein Verfahrensfluid in das Gehäuse 440 eingebracht. Das Verfahrensfluid tritt durch die Spalten zwischen der äußeren Peripherie des Filterelementes 400 und der Innenwand des Gehäuses 440, und ein Teil davon fließt durch das wendelförmige Hüllteil 411 und in die äußere Abflussschicht des Filterbündels 410. Innerhalb der äußeren Abflussschicht fließt das Verfah rensfluid in der Längsrichtung des Filterelementes 400 auf dessen unteres Ende zu. Dabei fließt ein Teil des Verfahrensfluids durch die Filterschicht in die innere Abflussschicht und wird dabei zu Permeat, das innerhalb der inneren Abflussschicht in den Kern 420 fließt. Das Permeat fließt dann entlang der Innenseite des Kernes 420 in der Längsrichtung des Kernes 420 und wird dann durch den Permeatauslass 442 aus dem Gehäuse 440 abgeleitet.
Das Verfahrensfluid, das nicht durch die Filterschicht hindurchtritt, fließt aus der äußeren Abflussschicht an dem unteren Ende des Filterbündels 410 in die Spalten zwischen dem Filterelement 400 und der Innenwand des Gehäuses 440, und von dort wird es durch den Retentatauslass 443 aus dem Gehäuse 440 abgeleitet. Der Strom von Verfahrensfluid in der Längsrichtung des Filterelementes 400 innerhalb der äußeren Abflussschicht entlang der äußeren Oberfläche der Filterschicht erzeugt eine Fluid-Scherkraft, welche die Ansammlung von Teilchen auf der Filterschicht hemmt und dadurch deren Lebensdauer verlängert.
Zur Durchführung von statischer Filtration werden der Verfahrensfluideinlass 441 und der Permeatauslass 442 geöffnet, der Retentatauslass 443 wird jedoch geschlossen. Dann wird ein Verfahrensfluid durch den Verfahrensfluideinlass 441 in das Gehäuse 440 eingebracht und fließt, nicht erfindungsgemäß, in die äußere Abflussschicht des Filterbündels 410, wie bei der Querstromfiltration. Bei geschlossenem Retentatauslass 443 fließt das gesamte Verfahrensfluid in der äußeren Abflussschicht durch die Filterschicht und in die innere Abflussschicht und wird dabei zu Filtrat, das dann in den Kern 420 fließt und durch den Permeatauslass 442 aus dem Filterelement 400 abgeleitet wird.
Das Filterelement 400 kann durch Einbringen eines Rückspülfluids durch den Permeatauslass 442 in das Gehäuse 440 rückgespült werden. Das Rückspülfluid wird unter Druck in den Kern 420 getrieben und dann radial nach außen durch die Perforationen in dem Kern 420 in die innere Abflussschicht des Filterbündels 410 getrieben, wobei es nacheinander durch die innere Abflussschicht und die Filterschicht in die äußere Abflussschicht eintritt, wobei es Teilchen entfernt, die in der Filterschicht eingelagert sind oder daran haften. Das Rückspülfluid und die mitgerissenen Teilchen fließen dann in der Längsrichtung des Filterbündels 410 durch die äußere Abflussschicht und durch die Spalten zwischen der äußeren Peripherie des Filterelementes 400 und der Innenwand des Gehäuses 440 und werden durch eine oder beide von dem Verfahrensfluideinlass 441 und dem Permeatauslass 442, abhängig davon, welcher offen ist, aus dem Gehäuse 440 abgeleitet.
Das Filterelement 400 kann auch in einer Querstrom-Betriebsart gereinigt werden. In dieser Betriebsart werden bei offenem Verfahrensfluideinlass 441 und Retentatauslass 443 ein oder mehrere geeignete Querstrom-Reinigungsfluide ein- oder mehrmals von dem Verfahrensfluideinlass 441 durch die äußere Abflussschicht des Filterbündels 410 zu dem Retentatauslass 443 oder in die entgegengesetzte Richtung geleitet, um Teilchen von der Filterschicht abzulösen und aus dem Filterelement 400 abzuleiten. Das Reinigungsfluid und die abgelösten Teilchen können dann entweder durch den Einlass 441 oder den Auslass 443 aus dem Gehäuse abgeleitet werden. Beim Leiten des Reinigungsfluids durch das Filterelement 400 wird der Innenraum des Kernes 420 vorzugsweise unter einem Druck gehalten, der gleich oder größer ist als derjenige innerhalb der äußeren Abflussschicht des Filterbündels 410, um die Wirksamkeit des Querstromes in der äußeren Abflussschicht zu erhöhen.
Da das Gehäuse 440 der Filterbaugruppe, die in 10 gezeigt ist, ein Filterelement 400 eng umgeben kann, weist die Baugruppe ein geringes Füllvolumen an Fluid auf (das Volumen an Fluid, das in den Abschnitten des Gehäuses 440 gegenwärtig ist, die das Filterelement 400 umgeben) und kann sowohl leichtgewichtig als auch kompakt gestaltet werden, sodass sie als Einweg-Filterbaugruppe besonders nützlich ist, da es wünschenswert ist, die Menge an Material, die verworfen wird, zu minimieren. Die Filterbaugruppe ist auch in hohem Maße zur Benutzung an Orten geeignet, an denen begrenzter Raum für den Einbau vorhanden ist.
Die Kosten eines Filtergehäuses hängen typischerweise stärker von dem Durchmesser des Gehäuses als von seiner Länge ab. Daher ist von zwei Gehäusen mit dem gleichen Volumen das Gehäuse mit dem kleineren Durchmesser von den beiden gewöhnlich kostengünstiger in der Herstellung als das Gehäuse mit dem größeren Durchmesser, obwohl das kostengünstigere Gehäuse eine größere Länge aufweisen wird. Daher versuchen Konstrukteure von Filtrationssystemen häufig den Durchmesser eines Filtergehäuses durch Vergrößern seiner Länge zu minimieren.
Zur wirkungsvollen Nutzung des Volumens eines langen Filtergehäuses ist es im Allgemeinen vorteilhaft, wenn die Filterelemente, die in dem Gehäuse angeordnet sind, so lang wie möglich sind, oder wenn eine Vielzahl von Filterelementen innerhalb des Gehäuses in Reihe verbunden sind, sodass das Filterelement bzw. -elemente sich über einen Großteil der Länge des Gehäuses erstrecken werden. Wenn jedoch ein Filterelement entweder bei der Filtration oder dem Reinigen im Querstrom betrieben wird, verringert sich die Wirksamkeit des Querstroms mit zunehmender Länge des Filterelementes. Dies ist so, weil der Widerstand gegen Querstrom durch das Filterelement mit zunehmender Länge dessen zunimmt, sodass das Fluid im Querstrom bei praktikablen Fluiddrücken möglicherweise keine ausreichende Geschwindigkeit aufweisen kann, um wirkungsvoll zu sein. Ähnlich kann, wenn dasselbe Fluid durch eine Vielzahl von Filterelementen geleitet wird, die in Reihe verbunden sind, der kombinierte Strömungswiderstand aller Filterelemente dazu führen kann, dass die Geschwindigkeit des Fluides im Querstrom unwirksam ist. Daher ist bei einem herkömmlichen Querstrom-Filterelement ein einzelnes kurzes Filterelement wirkungsvoller als ein langes Filterelement oder eine Vielzahl von Filterelementen, die in Reihe verbunden sind.
11 zeigt eine Anordnung, in der eine Vielzahl von Filterelementen 500, 501 unter Bildung einer Reihe miteinander verbunden sind, in der jedoch der Strömungswiderstand durch die Filterelemente auf einem ausreichend niedrigen Maß gehalten werden kann, um wirkungsvolle Querstromgeschwindigkeiten zu erzielen. Die dargestellte Anordnung umfasst eine Reihe von drei Elementen, jedoch kann eine kleinere oder eine größere Anzahl von Filterelementen in der gleichen Weise miteinander verknüpft werden. Jedes Filterelement beinhaltet ein hohles gefaltetes Filterbündel 510, einen Kern 520, der von dem Filterbündel 510 umgeben ist, und eine Endkappe 530 oder 535, die an jedem Längsende des Filterbündels 510 angeordnet ist.
Die Filterelemente 500 und 501 sind vorzugsweise identisch, mit Ausnahme der Endkappen, wobei das Filterelement 500 zwei Endkappen 530 und 535 mit unterschiedlicher Struktur und das Filterelement 501 zwei Endkappen 535 mit derselben Struktur aufweist. Die Reihe von Elementen ist in einem Gehäuse angeordnet und an dem oberen und dem unteren Rohrboden 540 und 542 angebracht, die den Innenraum des Gehäuses in eine Verfahrensfluidkammer 545, eine Permeatkammer 546 und eine Retentatkammer 547 unterteilen. Jede der Kammern ist mit einer nicht dargestellten Fluidöffnung ausgestattet, die für Fluidverbindung zwischen dem Innenraum der Kammer und der Außenseite des Gehäuses sorgt. 11 zeigt nur eine einzelne Reihe von Filterelementen, jedoch kann in dem Gehäuse eine Vielzahl von ähnlichen Reihen in der dargestellten Weise eingebaut sein.
Wie in den vorhergehenden Ausführungsformen kann das Filterbündel 510 eine breite Vielfalt an Formen aufweisen, wie z.B. die Form eines dreischichtigen Verbundwerkstoffes aus einer inneren Abflussschicht, einer Filterschicht und einer äußeren Abflussschicht, wobei der Verbundwerkstoff zu sich axial erstreckenden Falten ausgebildet ist, die von einem wendelförmigen Hüllteil 511 in einem übereinandergelegten Zustand bewahrt werden. Die Endkappen 530 sind ausgelegt, um mit dem oberen Rohrboden 530 oder dem unteren Rohrboden 542 in einer fluiddichten Weise verbunden zu werden. In dieser Ausführungsform umfasst jede der Endkappen 530 eine flache Platte 531 mit einem Mittelloch, durch das Fluid hindurchtreten kann, einen rohrförmigen Abschnitt 532, der sich von der Platte 531 aus erstreckt, und einen oder mehrere O-Ringe 533 oder andere Abdichteile, die an der Außenseite des rohrförmigen Abschnittes 532 zur Bildung einer Kolbendichtung gegen eine innere Oberfläche einer Öffnung 541 oder 543 angebracht sind, die in einem entsprechenden der Rohrböden 540 oder 542 gebildet sind. Die Endkappen 530 können jedoch in jeder beliebigen anderen geeigneten Weise, wie z.B. in der Weise, die in 5 gezeigt ist, mit den Rohrböden verbunden sein. Jede der Endkappen 535 ist so angeordnet, dass Fluid durch zwei aneinandergrenzende Endkappen 535 von einem Filterelement zu dem nächsten Filterelement in der Reihe fließen kann, ohne in die Permeatkammer 546 zu lecken.
Eine Fluidverbindung zwischen aneinandergrenzenden Filterelementen 500, 501 kann in vielfältiger Weise gebildet sein, wobei die Filterelemente aneinander befestigt sind oder nicht. Beispielsweise kann ein hohles Verbindungsteil zwischen aneinandergrenzenden Filterelementen 500, 501 eingebaut sein, um diese miteinander zu verbinden, die Endkappen 535 selbst können mit Verbindungsteilen ausgestattet sein, mittels welcher sie an angrenzenden Filterelementen angekoppelt sein können, die Endkappen 535 können einfach in der axialen Richtung gegen einen Dichtungsring oder ein anderes Abdichtteil gedrückt sein, um eine Abdichtung zwischen gegenüberliegenden Oberflächen von gegenüberliegenden Endkappen 535 zu bilden, oder die Endkappen 535 können durch eine Vielfalt an Verbindungsverfahren unmittelbar aneinander befestigt sein. In der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet jede der Endkappen 535 eine flache Platte 536, die einer Längs-Endfläche des Filterbündels 510 des Filterelementes gegenüberliegt und die ein Mittelloch aufweist, durch welches Fluid hindurchtreten kann. Ein rohrförmiger Abschnitt 537 erstreckt sich von der Platte 536 aus und umgibt das Loch in der Platte 536. Die Endoberfläche des rohrförmigen Abschnittes 537 ist mit der Endoberfläche des rohrförmigen Abschnittes 537 der Endkappe 535 des angrenzenden Filterelementes beispielsweise durch Schmelzverbinden starr befestigt, wodurch eine starre Verbindung gebildet ist, die ermöglicht, dass die Reihe von Filterelementen als eine einzelne Einheit in das Gehäuse eingebaut und daraus entfernt werden kann.
Jedes der Filterelemente ist so strukturiert, dass bei der Querstromfiltration Verfahrensfluid entlang der radial inneren Seiten der Falten fließt und Permeat entlang der radial äußeren Seiten der Falten fließt.
Jeder der Kerne 520 ist strukturell dem Kern der Ausführungsform von 5 darin ähnlich, dass er an jedem seiner Längsenden einen perforierten Teilabschnitt 521 mit einer Wand, durch die Fluid zwischen dem Innenraum des Kernes 520 und dem Filterbündel 510 hindurchtreten kann, und zwischen den beiden perforierten Teilabschnitten einen blinden Teilabschnitt 522 mit einer Wand, die für Fluid undurchlässig ist, beinhaltet. Wie in der Ausführungsform von 5 beinhaltet der blinde Teilabschnitt 522 eine rohrförmige Wand 523 und eine äußere Oberfläche 524, die aus einem elastischen Material gebildet ist, das die Spalten zwischen aneinandergrenzenden Falten des Filterbündels 510 an den radial inneren Enden der Falten ausfüllt. Im Gegensatz zu dem Kern des Filterelementes von 5 ist Verfahrensfluid in der Lage, durch den Kern 520 in der Längsrichtung über dessen gesamter Länge zu fließen, um einem Teil des Verfahrensfluids zu ermöglichen, das Filterbündel 510 eines Filterelementes zu umgehen und in das nächste Filterelement in der Reihe zu fließen. Jeder Kern 520 kann eine Strömungsbegrenzung aufweisen, die auf der Abstromseite des perforierten Teilabschnitts 521 an dem oberen Ende des Kernes 520 angeordnet ist, um den Strom in den blinden Teilabschnitt 522 des Kernes 520 zu begrenzen, sodass ein Teil des Verfahrensfluids in das Filterbündel 510 fließen und das Filterbündel 510 nicht umgehen wird, indem es ausschließlich durch den Kern 520 fließt.
Jedes Filterelement kann eine oder mehrere Strömungsbegrenzungen aufweisen. In der vorliegenden Ausführungsform ist eine Strömungsbegrenzung in der Form eines Strömungsbegrenzungsbauteils 525 an jedem Längsende des blinden Teilabschnitts 522 jedes Kernes 520 angeordnet. Jedes Strömungsbegrenzungsbauteil 525 umfasst ein Bauteil mit einem scheibenförmigen Flansch, das zwischen einem der perforierten Teilabschnitte 521 und dem blinden Teilabschnitt 522 des Kernes eingefügt ist. Das Strömungsbegrenzungsbauteil 525 weist in seiner Mitte eine Öffnung mit einem Durchmesser auf, der größenmäßig so ausgelegt ist, dass er einen gewünschten Widerstand gegen den Strom in dem blinden Teilabschnitt 522 des Kernes 520 oder aus diesem hinaus erzeugt. Die Oberfläche des Strömungsbegrenzungsbauteils 525, die dem perforierten Teilabschnitt 521 zugewandt ist, kann bezogen auf die Achse des Filterelementes 500, 501 angeschrägt sein, um die Bildung eines ruhenden Bereiches in dem perforierten Teilabschnitt 521 zu verhindern.
Obwohl die Größe der Öffnungen in den Strömungsbegrenzern 525 zwischen den Filterelementen unterschiedlich sein kann, kann es zur Erleichterung der Herstellung bevorzugt sein, wenn alle Öffnungen dieselben Abmessungen aufweisen. Eine Strömungsbegrenzung ist nicht auf die Gestalt der Strömungsbegrenzer 525, die in 11 gezeigt sind, beschränkt, und jede beliebige Struktur, die in der Lage ist, den Widerstand gegen die Fluidströmung durch den Kern 520 in der Längsrichtung des Kernes 520 zu erhöhen, kann angewendet werden. Beispielsweise kann die Wand eines Kernes 520 nach innen verengt sein, um eine Strömungsbegrenzung zu erzeugen.
Die Größe der Öffnungen der Strömungsbegrenzer 525 ist vorzugsweise so gewählt, dass ein Strömungsweg, der durch die beiden Strömungsbegrenzer 525 und den blinden Teilabschnitt 522 eines einzelnen Kernes 520 zwischen dem oberen und dem unteren Teilabschnitt 521 der Kernes 520 führt, weniger Strömungswiderstand erzeugt als ein Strömungsweg, der zwischen den beiden perforierten Teilabschnitten 521 des Kernes 520 durch das Filterbündel 510 führt. Infolgedessen wird Verfahrensfluid, das durch die Strömungsbegrenzer 525 und den blinden Teilabschnitt 522 des Kernes 520 fließt, viel von seiner kinetischen Energie bewahren, wenn es das untere Ende des Filterelementes 500 oder 501 erreicht, und kann in dem nächsten Filterelement in der Reihe von Filterelementen über die gesamte Reihe wirkungsvoll Querstrom erzeugen. Daher kann die Anordnung von 11 die Raumwirksamkeit eines langen Filterelementes oder einer Reihe von Filterelementen erzielen, während sie in den Filterelementen dennoch wirkungsvolle Querstromgeschwindigkeiten aufrechterhält, und ermöglicht die wirkungsvolle Benutzung eines langen Gehäuses mit einem kleinen Durchmesser.
Bei der Querstromfiltration unter Benutzung der Anordnung von 11 fließt ein Verfahrensfluid innerhalb der inneren Abflussschicht und fließt Permeat innerhalb der äußeren Abflussschicht jedes Filterbündels 510. Daher ist das obere Längsende jedes Filterelementes 500, 501 so angeordnet, dass Verfahrensfluid von außerhalb des Filterelementes in die innere Abflussschicht, nicht aber in die äußere Abflussschicht eintreten kann, und so, dass das Verfahrensfluid darin gehindert wird, in die Permeatkammer 546 zu lecken. Das untere Längsende jedes Filterelementes ist so angeordnet, dass Verfahrensfluid und Retentat das Filterelement verlassen und in das obere Ende des nächsten Filterelementes in der Reihe oder in die Retentatkammer 547 fließen kann, jedoch daran gehindert wird, in die Permeatkammer 546 zu lecken. Die Enden der Filterelemente können in vielfältiger Weise konfiguriert werden, um diese Ziele zu erreichen. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Längsende jedes Filterbündels 510 mit der entsprechenden Endkappe 530, 535 beispielsweise durch Schmelzverbinden dicht verbunden, sodass der gesamte Strom in die Längsenden der Filterelemente oder aus diesen heraus, nicht erfindungsgemäß, durch die Löcher in der Mitte der Endkappen 530, 535 ohne jeglichen Strom durch die Längs-Endflächen der Filterbündel 510 erfolgt.
Die Längs-Endflächen brauchen jedoch nicht in dieser Weise abgedichtet zu sein, und dem Verfahrensfluid könnte ermöglicht werden, durch die Längs-Endflächen der Filterbündel von einem Filterelement 500, 501 zu dem nächsten zu fließen. Erfindungsgemäß könnten beispielsweise Abdichtstreifen benutzt werden, um die äußere Abflussschicht an der Längs-Endfläche jedes Filterbündels 510 abzudichten, während es dem Verfahrensfluid ermöglicht werden könnte, durch die Längs-Endflächen aus der inneren Abflussschicht eines Filterelementes in die innere Abflussschicht des nächsten Filterelementes in der Reihe zu fließen.
Zur Durchführung von Querstromfiltration wird bei offenen Fluidöffnungen für alle drei Kammern 545, 546 und 547 ein Verfahrensfluid aus der Verfahrensfluidkammer 545 durch den oberen Rohrboden 540 in das alleroberste Filterelement 510 in der Reihe eingebracht. Das Verfahrensfluid fließt, nicht erfindungsgemäß, in den oberen perforierten Teilabschnitt 521 des Kernes 520. Ein Teil des Verfahrensfluids fließt durch die Perforationen in dem oberen perforierten Teilabschnitt 521 in das Filterbündel 510, während der Rest des Verfahrensfluids durch den oberen Strömungsbegrenzer 525 in den blinden Teilabschnitt 522 des Kernes 520, durch die Länge des blinden Teilabschnittes 522, durch den unteren Strömungsbegrenzer 525 an dem unteren Ende des blinden Teilabschnitts 522 und in den unteren perforierten Teilabschnitt 521 fließt. Der Anteil an Verfahrensfluid, der in das Filterbündel 510 oder durch den Kern 520 fließt, wird von dem relativen Strömungswiderstand, den das Filterbündel 510 und die Strömungsbegrenzer 525 erzeugen, bestimmt.
Das Verfahrensfluid, das durch die Perforationen in dem oberen perforierten Teilabschnitt 521 tritt, fließt in die innere Abflussschicht des Filterbündels 510 und fließt innerhalb der inneren Abflussschicht in der Längsrichtung des Filterelementes 500, 501 und erzeugt eine Fluid-Scherkraft auf der radial inneren Seite der Filtersicht, welche die Ansammlung von Teilchen auf der Filterschicht hemmt. Ein Teil des Verfahrensfluids tritt durch die Filterschicht hindurch und in die äußere Abflussschicht ein und wird dabei zu Permeat, wohingegen der Rest des Verfahrensfluids innerhalb der inneren Abflussschicht zu dem Längsende des Filterbündels 510 fließt. Das Permeat fließt von der äußeren Abflussschicht durch das Hüllteil 511 in die Permeatkammer 546. Das untere Längsende des Filterbündels 510 des allerobersten Filterelementes 500 ist durch eine Endkappe 535 abgedichtet, sodass das Retentat durch die Perforationen in den unteren perforierten Teilabschnitt 521 des Kernes 520 fließt und mit dem Verfahrensfluid vereinigt wird, das durch den blinden Teilabschnitt 522 des Kernes 520 hindurchgetreten ist.
Retentat und Verfahrensfluid vereinigt werden dann aus dem allerobersten Filterelement 500 in das obere Ende des nächsten Filterelementes 501 in der Reihe abgeleitet und zu Verfahrensfluid für das nächste Filterelement 501, in dem das oben beschriebene Verfahren, wobei ein Teil des Verfahrensfluids durch das Filterbündel 510 hindurchtritt und ein Teil durch den Kern 520 fließt, ohne in das Filterbündel 510 einzutreten, wiederholt wird. Verfahrensfluid und Retentat, die das untere Ende des Filterelementes 501 erreichen, werden in das nächste Filterelement 500 in der Reihe als Verfahrensfluid eingebracht, und letztendlich werden Verfahrensfluid und Retentat, die das untere Ende des letzten Filterelementes 500 in der Reihe erreichen, durch den unteren Rohrboden 542 in die Retentatkammer 547 abgeleitet.
Wenn gewünscht wird, statische Filtration durchzuführen, wird ein Verfahrensfluid aus der Verfahrensfluidkammer 545 durch den oberen Rohrboden 540 in der gleichen Weise in das alleroberste Filterelement eingebracht wie bei der Querstromfiltration, jedoch bei offenen Fluidöffnungen für die Kammern 545 und 546 und geschlossener Fluidöffnung für die Retentatkammer 547. Da alle Kerne 520 durch die Öffnungen in den Strömungsbegrenzern 525 miteinander verbunden sind, kann das Verfahrensfluid in die perforierten Teilabschnitte 521 jedes Kernes 520 fließen und dann durch die perforierten Teilabschnitte 521 in die innere Abflussschicht des Filterbündels 510 jedes Filterelementes. Aus der inneren Abflussschicht wird das Verfahrensfluid durch die Filterschicht und in die äußere Abflussschicht fließen und dabei zu Filtrat werden, das radial nach außen aus jedem Filterelement in die Permeatkammer 546 fließen wird.
Die Filteranordnung von 11 kann durch Einbringen eines geeigneten Rückspülfluids in die Permeatkammer 546 rückgespült werden. Das Rückspülfluid wird unter Druck aus der Permeatkammer 546 durch das Hüllteil 511 in die äußere Abflussschicht jedes Filterbündels 510 getrieben und fließt dann durch die Filterschicht in die innere Abflussschicht. Beim Hindurchtreten des Rückspülfluids durch die Filterschicht entfernt es Teilchen, die in der Filterschicht eingelagert sind oder an der radial inneren Seite der Filterschicht haften.
Das Rückspülfluid und die entfernten Teilchen fließen dann in der Längsrichtung des Filterbündels 510 durch die innere Abflussschicht zu den Längsenden des Filterbündels 510 und in die perforierten Teilabschnitte 521 des Kernes 520. Das Rückspülfluid und die Teilchen fließen dann durch die Kerne 520 eines oder mehrerer der Filterelemente 500, 501 und werden in die Verfahrensfluidkammer 545 und/oder die Retentatkammer 546, in Abhängigkeit davon, welche der Fluidöffnungen dieser Kammern offen ist, abgeleitet.
Falls gewünscht, kann die Filteranordnung von 11 auch in einer Querstrom-Betriebsart gereinigt werden. In dieser Betriebsart sind die Fluidöffnungen für die Verfahrensfluidkammer 545 und die Retentatkammer 547 geöffnet, und ein oder mehrere geeignete Querstrom-Reinigungsfluide werden durch die innere Abflussschicht des Filterbündels 510 jedes Filterelementes entlang desselben Weges geleitet, den Verfahrensfluid bei der der Querstromfiltration durchfließt, obwohl die Strömungsrichtung entweder von der Verfahrensfluidkammer 545 zu der Retentatkammer 547 oder entgegengesetzt sein kann. Wie in dem Fall des Verfahrensfluids bei der Querstromfiltration wird in jedem Filterelement ein Teil des Reinigungsfluids durch die innere Abflussschicht des Filterbündels 510 fließen, während der Rest des Reinigungsfluids entlang des Zentrums des Kernes 520 des Filterelementes fließen wird. Auf diese Weise kann das Reinigungsfluid auf einer hohen Energie gehalten werden, wenn es über die Länge der Reihe von Filterelementen hinweg fließt, um eine hohe Fluid-Scherkraft zu erzeugen, die Teilchen von der Filterschicht jedes Filterbündels 510 ablösen und aus den Filterelementen ableiten kann.
Das Reinigungsfluid und die Teilchen können aus der Kammer des Gehäuses abgelassen werden, in die sie abgeleitet werden. Beim Leiten des Reinigungsfluids durch die Filterelemente wird die Permeatkammer 546, welche die Filterelemente umgibt, vorzugsweise unter einem Druck gehalten, der gleich oder größer als derjenige innerhalb der inneren Abflussschichten der Filterbündel 510 ist, um die Wirksamkeit des Querstromes in den inneren Abflussschichten zu vergrößern, indem das Reinigungsfluid daran gehindert wird, durch die Filterschichten in die äußeren Abflussschichten zu fließen.
In jeder der vorhergehenden Ausführungsformen wird ein einzelner aufzubereitender Fluidstrom (ein Verfahrensfluidstrom) in ein Fluidaufbereitungselement eingebracht, und alle Fluide, die aus dem Fluidaufbereitungselement abgeleitet werden (sowohl Retentat als auch Permeat) stammen von dem einzelnen Verfahrensfluidstrom. Außerdem wurden die vorhergehenden Fluidaufbereitungselemente beispielhaft im Zusammenhang mit Filtration beschrieben und als Filterelemente bezeichnet. Ein Fluidaufbereitungselement einschließlich aller hierin beschriebenen Ausführungsformen kann auch in Anwendungen eingesetzt werden, in denen mindestens ein und häufiger zwei separate Fluidströme in das Fluidaufbereitungselement eingebracht werden und Material- oder Masseübertragung zwischen den beiden Fluidströmen durch eine Fluidaufbereitungsschicht beim Hindurchtreten der Fluidströme durch das Fluidaufbereitungselement erfolgt.
12 stellt ein Beispiel für ein Fluidaufbereitungselement 600 dar, das zum Übertragen eines Materials zwischen zwei Einlass-Fluidströmen durch eine Fluidaufbereitungsschicht hindurch geeignet ist. Das Fluidaufbereitungselement 600 ist in einem Gehäuse eingebaut gezeigt, das drei Rohrböden 641, 643 und 645 aufweist, die den Innenraum des Gehäuses in eine erste bis vierte Kammer 647 bis 650 unterteilen. Jede der Kammern ist mit einer nicht dargestellten Fluidöffnung ausgestattet, die eine Fluidverbindung zwischen dem Innenraum der Kammer und der Außenseite des Gehäuses herstellt. Ein erster Fluidstrom 651 kann durch das Fluidaufbereitungselement 600 in dessen Längsrichtung zwischen der ersten Kammer 647 in die vierte Kammer 650 fließen, und ein zweiter Fluidstrom 652 kann durch das Fluidaufbereitungselement 600 in dessen Längsrichtung zwischen der zweiten Kammer 648 und der dritten Kammer 649 fließen. 12 zeigt nur ein einzelnes Fluidaufbereitungselement 600, jedoch kann eine Vielzahl solcher Elemente 600 in einer ähnlichen Weise in dem Gehäuse eingebaut sein.
Wie in den vorhergehenden Ausführungsformen beinhaltet das Fluidaufbereitungselement 600 ein hohles gefaltetes Fluidaufbereitungsbündel 610, einen Kern 620, der von dem Fluidaufbereitungsbündel 610 umgeben ist, und eine Endkappe 630, 632, die an jedem Längsende des Fluidaufbereitungsbündels 610 angeordnet ist.
Das Fluidaufbereitungsbündel 610 kann jede beliebige der Konfigurationen aufweisen, die mit Bezug auf die vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben sind. Beispielsweise kann es einen Verbundwerkstoff umfassen, der eine innere Abflussschicht, eine Fluidaufbereitungsschicht und eine äußere Abflussschicht beinhaltet, wobei der Verbundwerkstoff zu sich axial erstreckenden Falten ausgebildet ist, die sich vorzugsweise in einem übereinandergelegten Zustand befinden. Die Falten können durch ein nicht dargestelltes wendelförmiges Hüllteil in einem übereinandergelegten Zustand bewahrt werden, beispielsweise wie in den vorgehenden Ausführungsformen.
Die Übertragungsgeschwindigkeit von Material quer durch die Fluidaufbereitungsschicht zwischen den beiden Fluidströmen 651, 652 kann vergrößert werden, wenn mindestens der Fluidstrom, von dem aus das Material übertragen wird, eine turbulente Strömung aufweist. Die Turbulenz einer Fluidströmung kann durch Auswählen der Abflussschicht, durch welche der Fluidstrom in der Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes 600 hindurchtritt, begünstigt werden, sodass der Fluidstrom einem turbulenten Weg folgen muss. Beispielsweise kann in denjenigen Bereichen des Fluidaufbereitungsbündels 610, in denen die Fluidströme im Wesentlichen in der Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes 600 fließen, Turbu lenz durch Benutzung eines Diamantnetzes mit Strängen, die sich diagonal zu der Richtung der Fluidströmung erstrecken (zu der Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes 600), als ein Abflussnetz anstatt eines DELNET-Netzes oder eines ähnlichen Netzes mit parallelen Strängen, die sich in der Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes 600 erstrecken, begünstigt werden.
Der erste Fluidstrom 651 wird durch die innere Abflussschicht in der Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes 600 geleitet, wohingegen der zweite Fluidstrom 652 durch die äußere Abflussschicht in der Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes 600 geleitet wird, wobei die Materialübertragung zwischen den beiden Fluidströmen erfolgt, wenn diese zwischen den Enden des Fluidaufbereitungselementes 600 fließen. Dazu ist das obere Längsende des Fluidaufbereitungselementes 600 so ausgelegt, dass es ermöglicht, dass der erste Fluidstrom 651 in die innere Abflussschicht, jedoch nicht in die äußere Abflussschicht fließt, wohingegen das untere Längsende des Fluidaufbereitungselementes 600 so ausgelegt ist, dass es ermöglicht, dass der zweite Fluidstrom 652 in die äußere Abflussschicht, jedoch nicht in die innere Abflussschicht fließt. Beispielsweise kann die äußere Abflussschicht an dem oberen Längsende des Fluidaufbereitungsbündels 610 durch einen Abdichtstreifen abgedichtet sein, der auf der radial äußeren Seite der Fluidaufbereitungsschicht angeordnet ist, sodass der zweite Fluidstrom 652 nicht durch die obere Längs-Endfläche des Fluidaufbereitungsbündels 610 fließen kann, und die innere Abflussschicht kann an dem unteren Längsende des Fluidaufbereitungselementes 600 durch einen Abdichtstreifen abgedichtet sein, der auf der radial inneren Seite der Fluidaufbereitungsschicht angeordnet ist, sodass der erste Fluidstrom 651 nicht durch die untere Längs-Endfläche des Fluidaufbereitungsbündels 610 fließen kann.
Der Kern 620 dieser Ausführungsform ist demjenigen der Ausführungsform von 4 ähnlich und beinhaltet ein erstes und ein zweites offene Ende, einen perforierten Teilabschnitt 621 in der Nachbarschaft jedes Längsendes des Fluidaufbereitungsbündels 610 und einen blinden Teilabschnitt 622, der sich zwischen den perforierten Teilabschnitten 621 erstreckt. Der blinde Teilabschnitt 622 umfasst ein hohles Rohr 623, das von einer elastischen Hülse 624 umgeben ist, welche die dreieckigen Spalten zwischen den radial inneren Enden aneinandergrenzender Falten ausfüllen kann, um den ersten Fluidstrom daran zu hindern, entlang der Spalten zu fließen. An seinem unteren Ende weist der Kern 620 einen unperforierten Teilabschnitt 626 auf, der an den unteren perforierten Teilabschnitt 621 angrenzt und sich in der Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes 600 von dem Fluidaufbereitungsbündel 610 hinweg erstreckt. Der unperforierte Teilabschnitt 626 ist ausgelegt, um mit dem dritten Rohrboden 645 dicht verbunden zu werden. Beispielsweise enthält er in dieser Ausführungsform einen Flansch 627 an seinem unteren Ende, der ein oder mehrere Abdichtteile 628, wie z.B. O-Ringe, aufweist, die in Nut an seiner Außenseite eingesetzt sind, um eine Kolbendichtung gegenüber der inneren Peripherie einer Öffnung 646 in dem dritten Rohrboden 645 zu bilden.
Bei dieser Struktur kann der erste Fluidstrom 651 in die innere Abflussschicht an dem oberen Längsende des Fluidaufbereitungsbündels sowohl durch axiales Fließen durch die obere Längs-Endfläche des Fluidaufbereitungsbündels 610 als auch durch Fließen in das offene obere Ende des Kernes 620 und dann radial nach außen durch die Perforationen in dem oberen perforierten Teilabschnitt 621 in die innere Abflussschicht fließen. Es ist jedoch nicht notwendig, dass der erste Fluidstrom 651 zwei Strömungswege in die innere Abflussschicht aufweist, und auf einen der Strömungswege kann verzichtet werden. Beispielsweise kann die obere Längs-Endfläche des Fluidaufbereitungsbündels 610 völlig abgedichtet sein, wie in der Ausführungsform von 5, sodass der erste Fluidstrom 651 nur durch den Kern 620 in das obere Längsende des Fluidaufbereitungsbündels 610 eintreten kann, oder der Kern 620 kann an seinem oberen Ende wie der Kern 30 abgesperrt sein, der in der Ausführungsform von 1 gezeigt ist, sodass der erste Fluidstrom 651 in das Fluidaufbereitungsbündel 610 nur durch dessen obere Längs-Endfläche eintreten kann.
Jede der dargestellten Endkappen 630, 632 ist hinsichtlich der Struktur identisch mit den Endkappen der Ausführungsform von 1 und ist an dem Fluidaufbereitungsbündel 610 in der gleichen Weise wie in jener Ausführungsform befestigt, wobei jede Endkappe ein oder mehrere Abdichtteile 631, 633 aufweist, die eine Kolbendichtung gegenüber einer entsprechenden Öffnung 642, 644 in einem der Rohrböden bilden. Jedoch können die Endkappen andere Strukturen aufweisen und in anderen Weisen mit den Rohrböden verbunden sein. Beispielsweise kann, wie oben beschrieben, die obere Endkappe 630 solch eine sein, welche die obere Längs-Endfläche des Fluidaufbereitungsbündels 610 abdichtet.
Die beiden Fluidströme 651, 652 können in dieselbe oder entgegengesetzte Längsrichtungen des Fluidaufbereitungsbündels 610 fließen. In Situationen, in denen die Geschwindigkeit der Materialübertragung zwischen den beiden Fluidströmen von dem Unterschied zwischen den beiden Strömen in der Konzentration an dem zu übertragenden Material abhängt, ist es gewöhnlich wirksamer, wenn die beiden Fluidströme in entgegengesetzte Längsrichtungen fließen, da ein Strom in entgegengesetzte Richtungen im Vergleich dazu, wenn der Strom in der selben Richtung erfolgt, eine größere Änderung in der Konzentration des Materials, das übertragen wird, erzeugen wird.
Das Fluidaufbereitungsbündel 610 ist von einem Bauteil umgeben, welches für den zweiten Fluidstrom 652 undurchlässig ist und den zweiten Fluidstrom 652 daran hindert, in die zweite Kammer 648 abgeleitet zu werden, bis er über eine erhebliche Länge des Fluidaufbereitungsbündels 610 hinweggeflossen ist. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst das undurchlässige Bauteil ein starres Rohr 635, kann jedoch andere Formen aufweisen, wie z.B. diejenige einer flexiblen Hülse oder Hüllteils aus einem undurchlässigen Material. An seinem unteren Längsende ist das Rohr 635 dicht mit der unteren Endkappe 632 verbunden, während es an seinem oberen Längsende eine oder mehrere Perforationen 636 oder andere Öffnungen aufweist, durch die der zweite Fluidstrom 652 aus dem Rohr 635 in die zweite Kammer 647 austreten kann. Um dem Fluidaufbereitungselement 600 größere Festigkeit zu verleihen, kann das Rohr 635 an der oberen Endkappe 630 befestigt sein; es ist aber auch möglich, dass das Rohr 635 kurz vor der oberen Endkappe 630 endet und dass der zweite Fluidstrom 652 durch eine Spalte zwischen der oberen Endkappe 630 und dem oberen Ende des Rohres 635 fließt.
Das Rohr 635 liegt vorzugsweise eng um das Fluidaufbereitungsbündel 610 und ein Hüllteil, sofern vorhanden, herum an, sodass der zweite Fluidstrom 652 durch die äußere Abflussschicht des Fluidaufbereitungsbündels 610 fließen wird und das Fluidaufbereitungsbündel 610 nicht umgeht, indem es durch eine Spalte zwischen der äußeren Peripherie des Fluidaufbereitungsbündels 610 und der inneren Peripherie des Rohres 635 fließt. Daher ist der Widerstand gegen Fluidstrom zwischen der unteren Längs-Endfläche des Fluidaufbereitungsbündels 610 und den Perforationen 636 in dem Rohr 635 entlang eines Strömungsweges, der durch die äußere Abflussschicht des Fluidaufbereitungsbündels 610 führt, vorzugsweise kleiner als entlang eines Strömungsweges, der zwischen der äußeren Peripherie des Fluidaufbereitungsbündels 610 und der inneren Peripherie des Rohres 635 hindurch führt.
Um den Bereich des Fluidaufbereitungsbündels 610 wirkungsvoll zu nutzen, überschneiden sich der Weg des ersten und derjenige des zweiten Fluidstroms innerhalb des Fluidaufbereitungsbündels 610 in der Längsrichtung des Filterelementes 600 vorzugsweise auf mindestens etwa 50 %, stärker bevorzugt mindestens etwa 75 % und noch stärker bevorzugt mindestens etwa 90 % der Länge des Fluidaufbereitungsbündels 610 einander.
Die Übertragung von Material zwischen den beiden Fluidströmen kann in Abhängigkeit von der Beschaffenheit der Fluidströme und der Fluidaufbereitungsschicht von dem ersten Fluidstrom 651 zu dem zweiten Fluidstrom 652 und/oder von dem zweiten Fluidstrom 652 zu dem ersten Fluidstrom 651 erfolgen. Vom Standpunkt der Wirksamkeit des Fluidaufbereitungselementes 600 her spielt die Richtung, in welcher Übertragung erfolgt, im Allgemeinen keine Rolle.
Die Fluidaufbereitungsschicht kann auf Grundlage des Typs von Materialübertragung, der zwischen den beiden Fluidströmen durchzuführen gewünscht ist, ausgewählt sein. Ein Beispiel für eine geeignete Anwendung des Fluidaufbereitungselementes 600 ist eine, in der einer oder beide von den Fluidströmen eine Lösung sind und die Fluidaufbereitungsschicht die Übertragung eines gelösten Stoffes (wie z.B. gelöster Moleküle, Ionen oder Gase) zwischen den beiden Lösungen ohne Übertragung des Lösemittels, in dem der gelöste Stoff gelöst ist, ermöglicht.
Eine Anwendung von erheblicher wirtschaftlicher Bedeutung, in der das Fluidaufbereitungselement 600 von 12 eingesetzt werden kann, ist die Desinfizierung von Wasser unter Benutzung von Chlordioxid (ClO₂), das ein wirksames und rasches Oxidationsmittel und Biozid ist. 13 stellt ein Beispiel für ein System zum Desinfizieren von Wasser unter Benutzung des Fluidaufbereitungselementes 600 von 12 schematisch dar. Ein Gehäuse 640, welches das Fluidaufbereitungselement 600 enthält, beinhaltet eine erste bis vierte Kammer 647 bis 650.
Ein erster Fluidstrom 651, der zu desinfizierendes Wasser enthält, wird mittels einer Pumpe 661 von einer Wasserversorgung 660 (einem Tank, einem Vorratsbehälter, einer Wasserleitung usw.) in die erste Kammer 647 des Gehäuses 640 eingebracht, während ein zweiter Fluidstrom 652, der eine wässrige Lösung von ClO₂ umfasst, mittels einer Pumpe 663 von einem ClO₂-Erzeuger 662 in die dritte Kammer 649 des Gehäuses 640 eingebracht wird. Das Fluidaufbereitungselement 600 enthält eine Fluidaufbereitungsschicht, die ein Fluidaufbereitungsmittel umfasst, das bei den Betriebsdrücken des Fluidaufbereitungselementes 600 für gelöstes ClO₂ durchlässig, für Wasser jedoch undurchlässig ist. Das ClO₂ kann von dem Fluidstrom, der eine höhere Konzentration an ClO₂ aufweist, durch die Fluidaufbereitungsschicht zu dem Fluidstrom fließen, der eine niedrigere Konzentration aufweist. In der vorliegenden Ausführungsform weist der zweite Fluidstrom 652, wenn er in das untere Ende des Fluidaufbereitungselementes 600 eingebracht wird, eine höhere Konzentration an ClO₂ als der erste Fluidstrom 651 auf, wenn der Letztgenannte in das obere Ende des Fluidaufberei tungselementes 600 eingebracht wird, sodass ClO₂ von dem zweiten Fluidstrom 652 quer durch die Fluidaufbereitungsschicht zu dem ersten Fluidstrom 651 übertragen wird, wodurch der Letztgenannte desinfiziert wird.
Die Fluidaufbereitungsschicht kann jeder beliebige Typ von Fluidaufbereitungsmittel sein, das die Übertragung von ClO₂ zwischen den beiden Fluidströmen ermöglicht, wohingegen er die Übertragung des Wassers, in dem das ClO₂ gelöst ist, verhindert. Ein Beispiel für eine geeignete Fluidaufbereitungsschicht ist eine hydrophobe Gasporenmembran mit gasgefüllten Poren, durch die Gase (einschließlich ClO₂), die in einer wässrigen Lösung gelöst sind, durch Pervaporation hindurchtreten können, Wasser jedoch nicht. Solche hydrophoben Membranen, für die in der US-Patentschrift Nr. 4,683,039 mit der Bezeichnung „Membrane Pervaporation Process" Beispiele beschrieben sind, können aus verschiedenen Materialien hergestellt sein. Zwei Beispiele für geeignete, leicht verfügbare Materialien sind PTFE und PVDF.
Im ClO₂-Erzeuger 662 kann jedes beliebige von einer Vielfalt bekannter Verfahren zum Erzeugen von ClO₂ angewendet werden. Ein Typ von ClO₂-Erzeuger, der wegen seines Wirkungsgrades und der Leichtigkeit der Steuerung besonders bevorzugt ist, ist ein elektrolytischer Erzeuger, der eine elektrochemische Umwandlung von Natriumchlorit zu Natriumdioxid durchführt. Solch ein ClO₂-Erzeuger ist in der internationalen Patentanmeldung Nr. WO 94/26 670 ausführlich beschrieben. Der ClO₂-Erzeuger 662 wird typischerweise eine Vielzahl an Zufuhrleitungen und Ablassleitungen aufweisen; zur einfacheren Darstellung sind in 13 jedoch nur eine einzelne Ablassleitung, die von dem ClO₂-Erzeuger 662 zu dem Gehäuse 640 führt, und ein einzelne Zufuhrleitung, die von dem Gehäuse 640 über die Pumpe 663 zurück zu dem ClO₂-Erzeuger 662 führt, gezeigt.
Nachdem der erste Fluidstrom 651 durch das Fluidaufbereitungselement 600 hindurchgetreten ist, wird er in die vierte Kammer 650 des Gehäuses 640 eingebracht. Jetzt wird er mit ClO₂ angereichert und desinfiziert, sodass er zu seiner beabsichtigten Benutzung, wie z.B. in einer kommunalen Wasserversorgung, die als Trinkwasser geeignet ist, aus dem Gehäuse 640 entfernt werden kann. Der zweite Fluidstrom 652 wird aus dem Fluidaufbereitungselement 600 in die zweite Kammer 648 abgeleitet. Zu diesem Zeitpunkt ist sein Gehalt an ClO₂ durch die Übertragung von ClO₂ zu dem ersten Fluidstrom 651 herabgesetzt, sodass der zweite Fluidstrom 652 aus dem Gehäuse 640 zu dem ClO₂-Erzeuger 662 zurückgeführt wird, damit sein Gehalt an ClO₂ erhöht wird, wonach er wieder dem Gehäuse 640 zugeführt wird. Der zweite Fluidstrom 652 kann stattdessen jedoch verworfen oder in einer anderen Weise benutzt werden, nachdem er aus dem Gehäuse 640 abgeleitet wurde.
In Abhängigkeit von der Beschaffenheit des ClO₂-Erzeugers 662 kann der zweite Fluidstrom 652 Chemikalien enthalten, deren Einbringung in den ersten Fluidstrom 651 unerwünscht ist. Wenn der ClO₂-Erzeuger 662 beispielsweise eine elektrolytische Zelle ist, kann der zweite Fluidstrom 652 gelöstes Natriumchlorit (NaClO₂) enthalten. Da das Natriumchlorit jedoch nicht gasförmig ist, kann es nicht durch die Fluidaufbereitungsschicht hindurchtreten, sodass der erste Fluidstrom 651 weiterhin nicht durch das Natriumchlorit verunreinigt wird.
Wenn das Fluidaufbereitungsmittel für ein Rückspülfluid durchlässig ist, kann das Fluidaufbereitungselement 600 mittels Rückspülen gereinigt werden, indem ein Rückspülfluid in eine oder mehrere der Fluidkammern eingebracht und das Rückspülfluid unter Druck gezwungen wird, durch das Fluidaufbereitungsmittel hindurch, zusammen mit Teilchen, die durch das Rückspülfluid von dem Fluidaufbereitungsmittel entfernt werden, in eine oder mehrere der Fluidkammern zu fließen. Wenn das Rückspülfluid beispielsweise unter dem gleichen Druck in beide Kammern 647 und 650 eingebracht wird, wird das Rückspülfluid durch die perforierten Teilabschnitte des Kernes 620 in die innere Abflussschicht fließen. Das Rückspülfluid wird dann durch die Fluidaufbereitungsschicht in die äußere Abflussschicht fließen und aus dem Fluidaufbereitungselement 600 in eine der beiden Kammern 648 und 649 fließen, zusammen mit Teilchen, die von dem Rückspülfluid aus dem Fluidaufbereitungselement entfernt wurden. Alternativ kann Rückspülfluid in eine oder beide von den Kammern 648 und 649 eingebracht und aus dem Fluidaufbereitungselement 600 in eine oder beide von den Kammern 647 und 650 abgeleitet werden.
In Situationen, in denen das Fluidaufbereitungsmittel für Rückspülfluid nicht durchlässig ist, können beide Seiten der Fluidaufbereitungsschicht des Fluidaufbereitungselementes 600 entweder separat oder gleichzeitig in einer Querstrom-Betriebsart gereinigt werden. Zum Reinigen der radial äußeren Seite der Fluidaufbereitungsschicht können ein oder mehrere geeignete Querstrom-Reinigungsfluide ein- oder mehrmals aus der dritten Kammer 649 durch die äußere Abflussschicht des Fluidaufbereitungsbündels 610 zu der zweiten Kammer 648 geleitet werden, um Teilchen von der Fluidaufbereitungsschicht abzulösen und in eine der Kammern abzuleiten, aus denen sie abgelassen werden können. Zur Reinigung der radial inneren Seite der Fluidaufbereitungsschicht können ein oder mehrere geeignete Querstrom-Reinigungsfluide ein- oder mehrmals aus der ersten Kammer 647 durch die innere Abflussschicht des Fluidaufbereitungsbündels 610 zu der vierten Kammer 650 geleitet werden.
14 stellt ein Beispiel für eine Filterbaugruppe dar, in der eine Vielzahl von Filterelementen auf einer Vielzahl von Ebenen innerhalb eines Gehäuses 700 untergebracht sind. Das Gehäuse 700 beinhaltet vier Rohrböden 701, 703, 705 und 707, die den Innenraum des Gehäuses 700 in eine Verfahrensfluidkammer 710, eine erste Retentatkammer 711, eine zweite Retentatkammer 712, eine erste Permeatkammer 713 und eine zweite Permeatkammer 714 unterteilen.
Eine Verfahrensfluidöffnung 715, eine erste Retentatöffnung 716, eine zweite Retentatöffnung 717, eine erste Permeatöffnung 718 und eine zweite Permeatöffnung 719 stellen eine Verbindung zwischen der Außenseite des Gehäuses 700 und der Verfahrensfluidkammer 710, der ersten Retentatkammer 711, der zweiten Retentatkammer 712, der ersten Permeatkammer 713 bzw. der zweiten Permeatkammer 714 her. Jedes der Filterelemente 200 ist an zweien der Rohrböden angebracht, wobei eines seiner Längsenden mit der Verfahrensfluidkammer 710 in Verbindung steht, sein anderes Längsende mit einer der Permeatkammern 713 oder 714 in Verbindung steht und der Abschnitt des Filterelementes zwischen seinen Längsenden in einer der Retentatkammern 711 oder 712 angeordnet ist.
Jedes der Filterelemente 200 kann von einem beliebigen Typ sein, in dem Verfahrensfluid, nicht erfindungsgemäß, entlang der radial äußeren Seiten der Falten fließt und Permeat entlang der radial inneren Seiten der Falten fließt. In der dargestellten Ausführungsform ist jedes der Filterelemente 200 identisch mit dem Filterelement 200, das in 6 dargestellt ist, sodass auf eine ausführliche Beschreibung seiner Struktur verzichtet wird. In dieser Figur sind nur vier Filterelemente 200 dargestellt, wobei zwei Filterelemente 200 an jedem Rohrboden angebracht sind; bezüglich der Anzahl von Filterelementen 200, die an jedem Rohrboden angebracht sind, besteht jedoch keine Beschränkung, und es braucht nicht die gleiche Anzahl von Filterelementen 200 in jeder Retentatkammer vorhanden zu sein.
Das Gehäuse 700 kann eine Vielzahl von abnehmbaren Teilabschnitten beinhalten, die ermöglichen, das Gehäuse 700 zu öffnen und zu schließen, um den Ein- und Ausbau der Filterelemente 200 zu gestatten. Beispielsweise kann das Gehäuse 700 zwei Teilabschnitte aufweisen, die zwischen dem zweiten und dem dritten Rohrboden 703 und 705 abnehmbar miteinander verbunden sind. Wenn die Teilabschnitte voneinander getrennt werden, können die Filterelemente 200 in die Öffnungen 704 und 706 in dem zweiten und dem dritten Rohrboden 703 und 705 eingeführt werden, bis die Enden der Filterelemente 200 gegen Leisten stoßen, die in entsprechenden Öffnungen 702 und 708 in dem ersten und dem vierten Rohrboden 701 und 707 gebildet sind. Jedoch kann das Gehäuse 700 in mehr als zwei Teilab schnitte unterteilt sein. Beispielsweise kann es drei Teilabschnitte aufweisen, die voneinander abnehmbar sind, derart, dass die Filterelemente 200 von den Permeatkammerseiten der Rohrböden 701 und 707 aus in die Rohrböden eingeführt werden können.
Zur Durchführung von Querstromfiltration mit dieser Anordnung wird bei offenen Fluidöffnungen 715 bis 719 ein Verfahrensfluid in die Verfahrensfluidkammer 710 eingebracht und fließt durch die Öffnungen 704 und 706 in dem zweiten und dem dritten Rohrboden 703 und 705, durch eine Längs-Endfläche des Filterbündels jedes Filterelementes 200 und, nicht erfindungsgemäß, in die äußere Abflussschicht jedes Filterelementes 200. Das Verfahrensfluid fließt innerhalb der äußeren Abflussschicht in der Längsrichtung jedes Filterelementes 200 auf das Längsende des Filterelementes 200 zu, das fern von der Verfahrensfluidkammer 710 ist, und erzeugt dabei auf der radial äußeren Seite der Filterschicht eine Fluid-Scherkraft, welche die Ansammlung von Teilchen auf der radial äußeren Seite verlangsamt. Gleichzeitig tritt ein Teil des Verfahrensfluids durch die Filterschicht des Filterelementes 200 und in die innere Abflussschicht und wird dabei zu Permeat.
Das Permeat fließt dann durch die innere Abflussschicht in den Innenraum des perforierten Kernes und dann in der Längsrichtung des Kernes und tritt aus einem Längsende des Filterelementes 200 in eine der Permeatkammern 713 und 714 und wird durch die entsprechende Permeatöffnung 718 oder 719 aus dem Gehäuse 700 abgeleitet. Der Teil des Verfahrensfluids, der nicht durch die Filterschicht hindurchtritt, wird als Retentat durch die Perforationen in dem Rohr 240 aus dem Filterelement 200 abgeleitet, fließt in eine der Retentatkammern 711 oder 712 und wird dann durch den entsprechenden Retentatauslass 716 oder 717 aus dem Gehäuse 700 abgeleitet.
Zur Durchführung von statischer Filtration mit der Anordnung von 14 werden die Fluidöffnungen 715, 718 und 719 geöffnet und die Fluidöffnungen 716 und 717 geschlossen. In diesem Zustand wird ein Verfahrensfluid in die Verfahrensfluidkammer 710 eingebracht und fließt, nicht erfindungsgemäß, in der gleichen Weise wie bei der Querstromfiltration in die äußere Abflussschicht jedes Filterelementes 200. Da die Fluidöffnungen 716 und 717 geschlossen sind, fließt das gesamte Verfahrensfluid in den äußeren Abflussschichten durch die Filterschichten in die inneren Abflussschichten und wird dabei zu Filtrat, und von den inneren Abflussschichten fließt das Filtrat in die Kerne und tritt dann durch die offenen Enden der Kerne in eine der Permeatkammern 713 oder 714.
Die Filterelemente 200 können durch Einbringen eines geeigneten Rückspülfluids durch die Permeatöffnungen 718 und 719 in die Permeatkammern 713 und 714 rückgespült werden. Das Rückspülfluid fließt unter Druck in die Kerne der Filterelemente 200 und dann radial nach außen durch die Perforationen in den Kernen in die inneren Abflussschichten. Dann fließt es radial nach außen von den inneren Abflussschichten durch die Filterschichten in die äußeren Abflussschichten. Beim Fließen des Rückspülfluids durch die Filterschichten entfernt es Teilchen innerhalb der Filterschichten oder solche, die an deren radial äußeren Seiten haften.
Das Rückspülfluid und die entfernten Teilchen fließen dann axial durch die äußere Abflussschicht durch eine Längs-Endfläche jedes Filterelementes 200 in die Verfahrensfluidkammer 710 und/oder durch die Perforationen, die in den Rohren 240 gebildet sind, in die Retentatkammern 711 oder 712. Falls gewünscht, kann der Verfahrensfluideinlass 715 abgesperrt werden, um Rückspülfluid daran zu hindern, in die Verfahrensfluidkammer 710 zu fließen, oder einer oder beide von den Retentatauslässen 716 oder 717 können verschlossen werden, um Fluid daran zu hindern, in eine oder beide von den Retentatkammern 711 oder 712 zu fließen.
Die Filterelemente 200 können auch in einer Querstrom-Betriebsart gereinigt werden. In dieser Betriebsart werden ein oder mehrere geeignete Querstrom-Reinigungsfluide ein- oder mehrmals von der Verfahrensfluidkammer 710 durch die äußere Abflussschicht des Filterbündels jedes Filterelementes zu einer oder beiden Retentatkammern 711 und 712 oder in die entgegengesetzte Richtung geleitet, um Teilchen von den Filterschichten abzulösen und aus den Filterelementen 200 in eine oder mehrere der Kammern abzuleiten, aus denen die Teilchen zusammen mit dem Reinigungsfluid abgelassen werden können. Wenn während des Querstrom-Reinigens eine der Retentatöffnungen 716, 717 offen ist und die andere geschlossen ist, können die Filterelemente 200 in nur einer der Retentatkammern 711, 712 gereinigt werden. Beim Leiten des Reinigungsfluids durch ein Filterelement 200 werden der Innenraum des Kernes 220 des Filterelementes 200 und die Permeatkammer 713 oder 714, mit welcher der Kern 220 in Verbindung steht, vorzugsweise unter einem Druck gehalten, der gleich oder höher ist als derjenige innerhalb der äußeren Abflussschicht des Filterbündels des Filterelementes 200, um die Wirksamkeit des Querstroms in der äußeren Abflussschicht zu erhöhen.
Der Strom von Fluid durch das Gehäuse 700 ist nicht auf die oben beschriebenen Richtungen beschränkt, und die verschiedenen Kammern des Gehäuses 700 sind nicht auf die oben beschriebenen Aufgaben beschränkt. Beispielsweise könnte Verfahrensfluid in die Kammern 711 und 712 des Gehäuses 700 anstatt in die mittlere Kammer 710 eingebracht werden, und Retentat könnte dann über die mittlere Kammer 710 aus dem Gehäuse 700 entfernt werden, wobei Permeat weiterhin in die Kammern 713 und 714 fließt. Wenn alternativ die Filterelemente 200 durch solche wie beispielsweise diejenigen ersetzt werden, die in 1 oder 4 gezeigt sind, in denen Verfahrensfluid entlang der radial inneren Seiten einer Filterschicht fließt, können die Kammern 711 und 712 als Permeatkammern, Kammer 710 als eine Verfahrensfluidkammer oder eine Retentatkammer und die Kammern 713 und 714 als Retentatkammern oder Verfahrensfluidkammern dienen. So kann in Abhängigkeit von der Struktur der Filterelemente und der gewünschten Strömungsrichtung zwischen den Kammern jede einzelne der Kammern als eine Verfahrensfluidkammer, eine Retentatkammer oder eine Permeatkammer dienen.
Da die Filterelemente 200 in der Anordnung von 14 auf einer Vielzahl von Ebenen innerhalb des Gehäuses 700 auf einer Vielzahl von Rohrböden untergebracht sind, weist das Gehäuse 700 einen kleineren Durchmesser auf und ist wirtschaftlicher herzustellen als ein Gehäuse, in dem die selbe Anzahl identischer Filterelemente auf einer einzigen Ebene an einem einzigen Rohrboden untergebracht ist. Zudem kann die Länge der Filterelemente ausreichend klein gehalten werden, sodass in ihnen wirksam Querstrom erfolgen kann, sie aber dennoch gleichzeitig das Volumen des Gehäuses 700 wirksam nutzen können.
15 stellt eine andere Anordnung dar, in welcher eine Vielzahl von Filterelementen in Reihe verbunden sein kann und der Widerstand gegen die Strömung durch jedes Filterelement auf einem ausreichend niedrigen Maß gehalten werden kann, um wirksame Querstromgeschwindigkeiten zu erzielen. Obwohl nur zwei Filterelemente 800 und 850 gezeigt sind, kann in der gleichen Weise eine größere Anzahl von Filterelementen miteinander in Reihe verbunden sein. Die Filterelemente sind in einem Gehäuse eingebaut gezeigt, das demjenigen ähnlich ist, das in 12 dargestellt ist, und drei Rohrböden 880, 882, 884 beinhaltet, die den Innenraum des Gehäuses in eine Verfahrensfluidkammer 886, eine Permeatkammer 887, eine erste Retentatkammer 888 und eine zweite Retentatkammer 889 unterteilen. Jede der Kammern ist mit einer nicht dargestellten Fluidöffnung ausgestattet, die eine Fluidverbindung zwischen dem Innenraum der Kammer und der Außenseite des Gehäuses herstellt.
15 zeigt nur eine einzelne Reihe von Filterelementen, jedoch kann in dem Gehäuse eine Vielzahl solcher Reihen in der dargestellten Weise eingebaut sein. Mindestens das Fil terelement 800, das der Verfahrensfluidkammer 886 am nächsten ist (das untere Filterelement in 15) ist derart konstruiert, dass ein Teil des Verfahrensfluids, der in dieses eintritt, das Filterbündel des Filterelementes 800 umgeht, sodass das Verfahrensfluid einem oder mehreren nachfolgenden Filterelementen 850 in der Reihe mit höherer Energie zugeführt werden kann, als wenn das Verfahrensfluid durch das Filterbündel des Filterelementes 800 hindurchtreten würde.
Das untere Filterelement 800 beinhaltet ein gefaltetes Filterbündel 810 und kann einen perforierten Kern 820 beinhalten, der von dem Filterbündel 810 umgeben ist und an beiden Längsenden offen ist, sodass Fluid von dem oberen Filterelement 850 in das obere Ende des Kernes 820 eintreten und aus dem unteren Ende des Kernes 820 in die Permeatkammer 820 abgeleitet werden kann. Es kann ferner eine obere Endkappe 830, die ausgelegt ist, um mit dem unteren Ende des oberen Filterelementes 850 in Reihe verbunden zu werden, und eine untere Endkappe 831 beinhalten, die ausgelegt ist, um fluidisch mit einer Öffnung 883 in dem zweiten Rohrboden 882 verbunden zu werden.
Das obere Filterelement 850 beinhaltet ebenfalls ein gefaltetes Filterbündel 810 und einen perforierten Kern 860, der von dem Filterbündel 810 umgeben ist. Das obere Ende des Kernes 860 ist abgesperrt, wohingegen sein unteres Ende offen ist, sodass er fluidisch mit dem oberen Ende des Kernes 820 des unteren Filterelementes 800 in Verbindung steht. Das obere Filterelement 850 ist mit einer unteren Endkappe, die ausgelegt ist, um mit dem oberen Ende des unteren Filterelementes 800 in Reihe verbunden zu werden, und einer oberen Endkappe 831 ausgestattet, die ausgelegt, um fluidisch mit einer Öffnung 831 in dem ersten Rohrboden 880 verbunden zu werden.
Jedes Filterbündel 810 kann jede beliebige der Strukturen aufweisen, die mit Bezug auf die vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben sind. Beispielsweise kann es einen dreischichtigen Verbundwerkstoff aus einer inneren Abflussschicht, einer Filterschicht und einer äußeren Abflussschicht umfassen, der zu sich axial erstreckenden Falten ausgebildet ist, die durch ein nicht dargestelltes wendelförmiges Hüllteil in einem übereinandergelegten Zustand bewahrt werden. Bei der Filtration soll Verfahrensfluid, nicht erfindungsgemäß, durch die äußere Abflussschicht fließen, während Permeat durch die innere Abflussschicht fließen soll, und Verfahrensfluid oder Retentat soll in der Lage sein, durch jede Längs-Endfläche der Filterbündel zu fließen. Daher sind an jedem Längsende der Filterelemente die Falten auf den radial inneren Seiten der Filterschicht abgedichtet und auf den radial äußeren Seiten der Filterschicht offen, um zu ermöglichen, dass Fluid durch die Längs-Endfläche des Filterbün dels in die äußere Abflussschicht oder aus dieser hinaus, jedoch nicht in die innere Abflussschicht oder aus dieser hinaus fließt. Die Falten können in jeder beliebigen geeigneten Weise abgedichtet sein. In dieser Ausführungsform sind die Falten durch einen Abdichtstreifen 811 abgedichtet, der dem Abdichtstreifen 215 von 7 ähnlich ist und auf der radial inneren Seite der inneren Abflussschicht an jedem Längsende des Filterbündels 810 angeordnet ist.
Der Kern 820 des unteren Filterelementes 800 umfasst ein hohles Rohr mit einem perforierten Teilabschnitt 821, durch den Permeat von dem Filterbündel 810 in das Zentrum des Kernes 820 eintreten kann, und einem unperforierten Teilabschnitt 822, der sich durch die untere Endkappe 831 auf die Außenseite des Filterbündels 810 erstreckt. Das untere Ende des unpertorierten Teilabschnittes 822 kann in jeder beliebigen geeigneten Weise fluidisch mit dem dritten Rohrboden 884 verbunden sein. Beispielsweise kann er an seinem unteren Ende einen Flansch 823 aufweisen, der mit einem und mehreren Abdichtteilen 824, wie z.B. Dichtungsringen, ausgestattet ist, die eine Kolbendichtung gegenüber der inneren Oberfläche eines Loches 885 in dem dritten Rohrboden 884 bilden.
Die untere Endkappe 831 des unteren Filterelementes 800 und die obere Endkappe 831 des oberen Filterelementes 850, welche gleich oder verschieden voneinander sein können, können jede beliebige Struktur aufweisen, die ermöglicht, sie mit den Öffnungen 881 und 883 in den entsprechenden Rohrböden 880 und 882 zu verbinden. Beispielsweise können sie eine Struktur aufweisen, die derjenigen der Endkappen der Ausführungsform von 1 ähnlich ist, wobei jede Endkappe 831 mit einem oder mehreren Abdichtteilen 832, wie z.B. O-Ringen, zum Bilden einer Kolbendichtung gegen die Innenseite einer der Öffnungen 881 und 883 ausgestattet ist. Die andere Endkappe 830 kann jede derartige Struktur aufweisen, dass Fluid durch zwei aneinandergrenzende Endkappen 830 zwischen den beiden Filterelementen 800 und 850 fließen kann, ohne in die Retentatkammer 889 zu lecken. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Endkappen 830 den Endkappen 831 strukturell ähnlich, jedoch nicht mit Abdichtteilen ausgestattet. Aneinandergrenzende Endkappen 830 sind durch Schmelzverbinden unmittelbar miteinander verbunden und abgedichtet. Jedoch können beliebige andere Weisen, wie z.B. die verschiedenen Verfahren, die mit Bezug auf die Endkappen 535 von 11 beschrieben sind, angewendet werden, um sie miteinander zu verbinden, wobei die aneinandergrenzenden Filterelemente starr aneinander befestigt werden oder nicht.
Das obere Ende des Kernes 820 des unteren Filterelementes 800 und das untere Ende des Kernes 860 des oberen Filterelementes 850 sind in solch einer Weise fluidisch miteinander verbunden, dass Permeat aus dem Kern 860 in den Kern 810 fließen kann, während es von dem Verfahrensfluid, das von dem unteren Filterelement 800 in das obere Filterelement 850 fließt, getrennt bleibt. Beispielsweise können die entgegengesetzten Enden der Kerne 820 und 860 direkt miteinander verbunden oder in einer anderen Weise verbunden sein, oder ein Verbindungsteil kann benutzt werden, um sie miteinander zu verbinden. In dieser Ausführungsform sind die entgegengesetzten Enden der Kerne 820 und 860 von den Längs-Endflächen der Filterbündel 810 nach hinten versetzt, und ein Rohr 862 mit einer unperforierten Wand ist in die gegenüberliegenden Endflächen der Filterbündel 810 eingeführt, sodass Permeat durch das Rohr 862 zwischen den beiden Kernen fließen kann. Die Abdichtstreifen 811 in den Filterbündeln 810 bilden eine Abdichtung gegen die äußere Oberfläche des Rohres 862 und hindern Permeat daran, zwischen der äußeren Oberfläche des Rohres 862 und der inneren Peripherie des Filterbündels 810 zu fließen.
Jedes Filterbündel 810 ist von einem Bauteil umgeben, das für das Verfahrensfluid undurchlässig ist und das Verfahrensfluid in das Filterbündel 810 einsperrt, bis das Verfahrensfluid über eine erhebliche Länge des Filterbündels 810 hinweggetreten ist. In der vorliegenden Ausführungsform umfassen die undurchlässigen Bauteile ein starres Rohr 840, das um das Filterbündel 810 des unteren Filterelementes 800 angeordnet ist, und ein starres Rohr 870, das um das Filterbündel 810 des oberen Filterelementes 800 angeordnet ist, können jedoch andere Formen aufweisen, wie z.B. diejenige einer flexiblen Hülse oder Hüllteils aus einem undurchdringlichen Material. Das Rohr 840 des unteren Filterelementes 800 kann, braucht aber nicht an den Endkappen 830 und 831 befestigt zu sein. Das Rohr 870 des oberen Filterelementes 850 ist mit der unteren Endkappe 830 dicht verbunden, wohingegen an seinem oberen Längsende Verfahrensfluid aus dem Innenraum von Rohr 870 durch eine oder mehrere Perforationen 871 oder andere Öffnungen in dem Rohr 870 oder durch Spalten zwischen dem Rohr 870 und der oberen Endkappe 831 in die Retentatkammer 889 fließen kann.
Das untere Filterelement 800 beinhaltet einen Umgehungskanal 845, durch den Verfahrensfluid fließen kann, um das Filterbündel 810 des oberen Filterelementes 850 zu erreichen, während es das Filterbündel 810 des unteren Filterelementes 800 weitgehend oder völlig umgeht. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Umgehungskanal 845 durch einen im Allgemeinen zylindrischen Raum zwischen der äußeren Peripherie des Rohres 840 und einem Umgehungsrohr 846, welches das Rohr 840 umgibt, definiert und von dem Rohr 840 durch eine radiale Spalte getrennt. Das Umgehungsrohr 846, das aus jedem beliebigen Material hergestellt sein kann, das für das Verfahrensfluid undurchdringlich ist, ist an seinen Längsenden mit den Endkappen des unteren Filterelementes 800 dicht verbunden. Die Größe der radialen Spalte zwischen Rohr 840 und dem Umgehungsrohr 846 kann auf Grundlage des gewünschten Durchsatzes durch den Umgehungskanal 845 gewählt werden, ist jedoch vorzugsweise so, dass der Umgehungskanal 845 weniger Strömungswiderstand in der Längsrichtung des Filterelementes 800 aufweist als das Filterbündel 810 des unteren Filterelementes 800.
Verfahrensfluid kann an dem unteren Ende des unteren Filterelementes 800 in den Umgehungskanal 845 eintreten, indem es durch die Öffnungen 841 (wie z.B. Perforationen) in dem Rohr 840, durch eine Spalte zwischen dem unteren Ende von Rohr 840 und der unteren Endkappe 831, durch einen Kanal, der durch die untere Endkappe 831 hindurch gebildet ist, oder entlang eines beliebigen anderen geeigneten Weges fließt, während es an dem oberen Ende des unteren Filterelementes 800 durch Öffnungen 842, wie z.B. Perforationen in dem Rohr 840, durch eine Spalte zwischen Rohr 842 und der oberen Endkappe 830, durch einen Kanal, der durch die obere Endkappe 830 hindurch gebildet ist, oder entlang eines anderen Weges aus dem Umgehungskanal 845 herausfließen kann. An dem oberen Ende des unteren Filterelementes 800 wird das Verfahrensfluid, das durch den Umgehungskanal 845 hindurchgetreten ist, mit dem Retentat vereinigt, das durch die äußere Abflussschicht des Filterbündels 810 des unteren Filterelementes 800 hindurchgetreten ist, und das vereinigte Fluid wird als Verfahrensfluid in das Filterbündel 810 des oberen Filterelementes 850 eingebracht. An dem oberen Ende des oberen Filterelementes 850 wird Retentat sowohl durch die Öffnungen 871 an dem oberen Ende des Rohres 870 als auch durch die Längs-Endfläche des Filterbündels 810 abgeleitet.
Alternativ kann auf die Öffnungen 871 in Rohr 870 verzichtet werden und das gesamte Retentat durch die obere Längs-Endfläche des Filterbündels 810 fließen, oder die Längs-Endfläche des Filterbündels 810 kann abgedichtet sein und das gesamte Retentat durch die Öffnungen 871 in Rohr 870 aus dem oberen Filterelement 850 abgeleitet werden. Wegen des Umgehungskanals 845 ist der Gesamtwiderstand gegen Strömung durch die Filterelemente verringert, sodass Verfahrensfluid dem oberen Filterelement 850 mit höherer Energie zugeführt werden kann, als wenn zwei identische Filterelemente in Reihe verbunden wären und das gesamte Verfahrensfluid, das durch das Filterbündel 810 des oberen Filterelementes hindurchgetreten wäre, bereits durch das Filterbündel 810 des unteren Filterelementes hindurchgetreten wäre.
Mit der Anordnung von 15 kann Filtration entweder in einer Querstrom-Betriebsart oder in einer statischen Betriebsart, beide nicht erfindungsgemäß, durchgeführt werden. Bei der Querstromfiltration wird bei offenen Fluidöffnungen für jede der Kammern 886 bis 889 Verfahrensfluid aus der Verfahrensfluidkammer 886 durch die untere Längs-Endfläche des Filterbündels 810 des Filterelementes 800, das der Verfahrensfluidkammer 886 am nächsten ist, in die Reihe von Filterelementen eingebracht. Die innere Abflussschicht des Filterbündels 810 ist an ihrem unteren Längsende mittels eines Abdichtstreifens 811 abgedichtet, die äußere Abflussschicht jedoch nicht, sodass das Verfahrensfluid an dem unteren Längsende des Filterelementes 800 in die äußere Abflussschicht fließt. Ein Teil des Verfahrensfluids fließt innerhalb der äußeren Abflussschicht in der Längsrichtung des Filterelementes, wohingegen der Rest des Verfahrensfluids durch die Perforationen 841 an dem unteren Ende des Rohres 840 und in den Umgehungskanal 845 zwischen Rohr 840 und Umgehungsrohr 846 fließt.
Das Verfahrensfluid, das durch die äußere Abflussschicht fließt, erzeugt eine Fluid-Scherkraft auf der radial äußeren Oberfläche der Filterschicht, welche die Ansammlung von Teilchen auf dieser Oberfläche hemmt. Ein Teil des Verfahrensfluids, das durch die äußere Abflussschicht fließt, fließt durch die Filterschicht in die innere Abflussschicht und wird zu Permeat. Das Permeat fließt in der inneren Abflussschicht in den Kern 820 und fließt dann nach unten entlang der Innenseite des Kernes 820 in der Längsrichtung des Kernes 820 in die Permeatkammer 887. Der Teil des Verfahrensfluids, der durch die äußere Abflussschicht fließt und nicht durch die Filterschicht hindurch fließt, wird zu Retentat.
Das Verfahrensfluid, das durch den Umgehungskanal 845 fließt, fließt durch die Öffnungen 842 an dem oberen Ende von Rohr 840 und in die äußere Abflussschicht des Filterbündels 810 des unteren Filterelementes 800. Dort wird es mit dem Retentat vereinigt, das über die Länge des Filterbündels 810 des unteren Filterelementes 800 geflossen ist, und die beiden Fluidströme werden zusammen durch die obere Längs-Endfläche des Filterbündels 810 aus dem unteren Filterelement 800 abgeleitet und fließen als Verfahrensfluid in die innere Abflussschicht des Filterbündels 810 des oberen Filterelementes 850. In dem oberen Filterelement 850 fließt das Verfahrensfluid in der äußeren Abflussschicht in der Längsrichtung des Filterelementes 850, um auf der radial äußeren Seite der Filterschicht eine Fluid-Scherkraft zu erzeugen, welche die Ansammlung von Teilchen auf der Filterschicht hemmt.
Ein Teil des Verfahrensfluids tritt durch die Filterschicht hindurch und in den Kern 860 und wird dabei zu Permeat, während der Rest des Verfahrensfluids als Retentat von dem oberen Ende des oberen Filterelementes 850 entweder durch die obere Längs-Endfläche des Filterbündels 810 in die erste Retentatkammer 888 oder durch die Öffnungen 871 in Rohr 870 des oberen Filterelementes 850 in die zweite Retentatkammer 889 abgeleitet wird. Das Permeat, das in den Kern 860 des oberen Filterelementes 850 eintritt, fließt in der Längsrichtung des Kernes 860 in den Kern 820 des unteren Filterelementes 800 und wird dann von dem unteren Ende des Kernes 820 in die Permeatkammer 887 abgeleitet.
Zur Durchführung von statischer Filtration werden die Fluidöffnungen für die Kammern 886 und 887 geöffnet und diejenigen für die Kammern 888 und 889 geschlossen. In diesem Zustand wird Verfahrensfluid aus der Verfahrensfluidkammer 886 in der gleichen Weise wie bei der Querstromfiltration in die Reihe von Filterelementen eingebracht und fließt in die äußere Abflussschicht jedes Filterelementes. Da die Fluidöffnungen für die Kammern 888 und 889 geschlossen sind, fließt das gesamte Verfahrensfluid in den äußeren Abflussschichten durch die Filterschichten in die inneren Abflussschichten und wird dabei zu Filtrat, und aus den inneren Abflussschichten fließt das Filtrat in die Kerne 820 und 860 und dann die Länge beider Kerne hinab und wird in die Permeatkammer 887 abgeleitet.
Die Filterelemente 800, 850 können durch Einbringen eines Rückspülfluids in die Permeatkammer 887 rückgespült werden. Das Rückspülfluid wird unter Druck aus der Permeatkammer 887 in die Kerne 820 und 860 beider Filterelemente getrieben und radial nach außen durch die Pertorationen in den Kernen in die inneren Abflussschichten des Filterbündels 810 getrieben. Das Rückspülfluid tritt dann nacheinander durch die inneren Abflussschichten und die Filterschichten hindurch in die äußeren Abflussschichten, wobei es Teilchen entfernt, die in den Filterschichten eingelagert sind oder daran haften. Das Rückspülfluid und die mitgerissenen Teilchen fließen dann in der Längsrichtung des Filterbündels 810 durch die äußeren Abflussschichten und werden aus den Filterelementen in eine oder mehrere von der Verfahrensfluidkammer 886, der ersten Retentatkammer 888 und der zweiten Retentatkammer 889 abgeleitet. Zusätzlich zu dem Hindurchtreten durch die äußere Abflussschicht des unteren Filterelementes 800 kann ein Teil des Rückspülfluids in Abhängigkeit von dem Strömungswiderstand durch die verschiedenen Strömungswege durch den Umgehungskanal 845 in die Verfahrensfluidkammer 886 fließen.
Das Filterelement 800, 850 kann auch in einer Querstrom-Betriebsart gereinigt werden. Beim Querstrom-Reinigen werden ein oder mehrere geeignete Querstrom-Reinigungsfluide ein- oder mehrmals von der Verfahrensfluidkammer 886 aus durch die innere Abflussschicht des Filterbündels 810 jedes Filterelementes zu einer oder beiden von den Retentatkammern 888 und 889 oder in die entgegengesetzte Richtung geleitet, um Teilchen von den Filterschichten abzulösen und aus den Filterelementen in eine oder mehrere der Kammern abzuleiten, aus denen die Teilchen und das Reinigungsfluid abgelassen werden können. Das Reinigungsfluid wird durch die Filterelemente entlang desselben Weges fließen, den Verfahrensfluid bei der Querstromfiltration nimmt.
So wird in dem unteren Filterelement 800 ein Teil des Reinigungsfluids durch die äußere Abflussschicht des Filterelementes 800 fließen, wohingegen der Rest durch den Umgehungskanal 845 fließen wird. Da der Letztgenannte einen geringeren Strömungswiderstand aufweist als die äußere Abflussschicht, kann die Geschwindigkeit des Reinigungsfluids höher gehalten werden, als wenn das gesamte Reinigungsfluid durch die äußere Abflussschicht hindurchtreten würde, was dazu führt, dass das Reinigungsfluid in der Lage ist, das Querstromreinigen der Filterelemente wirkungsvoller durchzuführen. Beim Leiten des Reinigungsfluids durch die Filterelemente werden die Permeatkammer 887 und der Innenraum jedes Kernes der Filterelemente vorzugsweise unter einem Druck gehalten, der gleich oder höher ist als derjenige innerhalb der äußeren Abflussschicht der Filterbündel 810, um die Wirksamkeit des Querstroms in der äußeren Abflussschicht zu erhöhen.
In einer Anordnung mit mehr als zwei Filterelementen, die in Reihe verbunden sind, kann eine Vielzahl von Filterelementen mit einem Umgehungskanal 845 vorhanden sein. Und zwar kann eine Vielzahl von Filterelementen, die der Verfahrensfluidkammer 886 am nächsten sind, mit einem Umgehungskanal 845 wie demjenigen des unteren Filterelementes 800 von 15 ausgestattet sein, während das übrige Filterelement in der Reihe wie das obere Filterelement 850 von 15 keinen Umgehungskanal aufzuweisen braucht.
Wie in der Anordnung von 11 kann die Anordnung von 15 räumliche Wirkungsgrade wie diejenigen erreichen, die mit einem langen Filterelement oder einer Reihe von Filterelementen erhalten werden, was es möglich macht, den Durchmesser eines Gehäuses, das eine große Anzahl von Filterelementen enthält, zu minimieren, während dennoch wirkungsvolle Querstromgeschwindigkeiten in den Filterelementen aufrechterhalten werden können.
16 und 17 sind transversale Querschnittsansichten eines weiteren Beispiels für ein gefaltetes Filterbündel 900, das in einem Filterelement eingesetzt werden kann. 16 zeigt das Filterbündel 900 in einem teilweise zusammengebauten Zustand, und 17 zeigt das Filterbündel 900 in einem zusammengebauten Zustand. Wie die vorherigen Filterbündel, wie z.B. das Filterbündel 20, das in 2 gezeigt ist, umfasst das Filterbündel 900 einen mehrschichtigen Verbundwerkstoff, der eine Filterschicht 901, eine innere Abflussschicht 902 und eine äußere Abflussschicht 903 beinhaltet, die auf der Seite der Filterschicht 901 angeordnet ist, die der inneren Abflussschicht 902 gegenüberliegt. Wie in der Ausführungsform von 1 kann der Verbundwerkstoff verschiedene zusätzliche Schichten, wie z.B. Dämpfungsschichten, beinhalten. Die Schichten 901 bis 903 können aus beliebigen geeigneten Materialien, wie z.B. denjenigen, die mit Bezug auf die Ausführungsform von 2 beschrieben sind, gebildet sein. In den vorherigen Filterbündeln einschließlich des Filterbündels 20, das in 2 dargestellt ist, sind die radial inneren Enden, d.h. die Füße, der Falten des Filterbündels 20, so nah wie möglich beieinander angeordnet, und vorzugsweise liegt jeder der Vielzahl von Füßen an den benachbarten Füßen an. In dem Filterbündel 900 von 16 und 17 ist jedoch eine größere Trennung zwischen den radial inneren Enden der Falten vorhanden, d.h., die Füße sind voneinander beabstandet. Infolgedessen berührt ein Schenkel jeder Falte einen Schenkel einer angrenzenden Falte im Vergleich zu dem Filterbündel, das in 2 gezeigt ist, zu einem kleineren Prozentsatz seiner Höhe, jedoch ist die Gesamtstruktur des Filterbündels 900 die gleiche wie bei dem Filterbündel 20, das in 2 gezeigt ist. Das Filterbündel 900 ist um einen perforierten Kern 910 herum angebracht gezeigt, kann jedoch mit jedem beliebigen der anderen Typen von Kernen benutzt werden, die mit Bezug auf die vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben sind. Ferner kann das Filterbündel 900 mit jedem beliebigen der vorherigen Abdichtstreifen, Endkappen, Rückhalteteilen, Außenrohren und/oder Gehäusen benutzt werden.
Das Filterbündel 900 kann, entweder bevor oder nachdem es um den Kern 910 herum angeordnet wird, zu sich axial erstreckenden Falten ausgebildet werden. 16 stellt das Filterbündel 900 dar, das zu Falten um den Kern 910 herum ausgebildet wird. Ein Beispiel für ein Verfahren zum Ausbilden eines Filterbündels zu Falten in dieser Weise, das in der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann, ist in der US-Patentschrift Nr. 3,386,583 ausführlich beschrieben. Kurz dargestellt, wird in diesem Verfahren der dreischichtige Verbundwerkstoff, der die Schichten 901 bis 903 umfasst, um eine Vielzahl von gestreckten Stäben 904, 905 herumgeführt, die abnehmbar an einem nicht dargestellten Rahmen angebracht sind und sich in der Längsrichtung des Kernes 910 erstrecken. Die Stäbe beinhalten eine Gruppe von äußeren Stäben 904, die in einer Entfernung von dem Kern 910 beabstandet sind, und eine Gruppe von inneren Stäben 905, die näher bei dem Kern 910 angeordnet sind als die äußeren Stäbe 904. Der Verbundwerkstoff wird um die radial äußeren Seiten der äußeren Stäbe 904 herumgeführt, sodass jeder der äußeren Stäbe 904 sich im Inneren des Kopfes einer der Falten befindet, während der Verbundwerkstoff zwischen der Außenseite des Kernes 910 und jedem der inneren Stäbe 905 hindurchgeführt wird, sodass der Verbundwerkstoff von den inneren Stäben 905 gegen den Kern 910 gehalten wird. Nachdem die beiden Enden des Verbundwerkstoffes über die Länge des Filterbündels 900 unter Bildung einer Seitenabdichtung dicht miteinander verbunden worden sind, werden die äußeren Stäbe 904 in der Umfangsrichtung des Kernes 910 verschoben, um die Falten übereinanderzulegen, d.h., das radial äußere Ende jeder Falte bezogen auf dessen radial inneres Ende in der Umfangsrichtung des Kernes 910 zu verschieben, bis jede Falte gegen eine angrenzende Falte gedrückt wird.
Ein Rückhalteteil, wie z.B. ein wendelförmiges Hüllteil, wird dann um das Filterbündel 900 herum angeordnet, um die Falten in einem übereinandergelegten Zustand zu bewahren. Die Stäbe 904, 905 können dann von dem Filterbündel 900 abgezogen werden, wonach das Filterbündel 900 so aussieht, wie in 17 gezeigt, wobei das Rückhalteteil zur Veranschaulichung weggelassen wurde. Wenn für die Anwendung geeignet, können alle oder ein Teil der Längs-Endflächen durch ein beliebiges der Verfahren, die mit Bezug auf die vorherigen Ausführungsformen beschrieben sind, abgedichtet werden, um Fluid daran zu hindern, durch die Längs-Endflächen zu fließen, oder diesem zu ermöglichen, in nur eine der Abflussschichten oder aus dieser heraus zu fließen. Das Filterbündel 900 kann in jeder beliebigen der oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anstelle vieler der vorherigen Filterbündel einschließlich eines Filterbündels 20, wie dasjenige, das in 2 gezeigt ist, benutzt werden, sodass auf eine ausführliche Erläuterung des Filtrierens unter Benutzung dieses Filterbündels 900 oder des Reinigens des Filterbündels 900 verzichtet wird.
18 und 19 sind transversale Querschnittsansichten eines weiteren Beispiels für ein Filterbündel 950, das in einem Filterelement mit den Abdichtstreifen, Kernen, Endkappen, Rückhalteteilen, Außenrohren und/oder Gehäuse jeder beliebigen der vorherigen Ausführungsformen benutzt werden kann. 18 zeigt das Filterbündel 950 in einem teilweise zusammengebauten Zustand, und 19 zeigt das Filterbündel 950 in einem zusammengebauten Zustand. Im Gegensatz zu den Filterbündeln der vorherigen Ausführungsformen, die gefaltet sind, ist dieses Filterbündel 950 ein spiralförmig gewundenes Filterbündel mit einer Vielzahl von Schichten, die ein- oder mehrmals spiralförmig um einen Kern 960 gewickelt sind. Das Filterbündel 950 umfasst einen mehrschichtigen Verbundwerkstoff, der eine Filterschicht 951, eine innere Abflussschicht 952 auf der radial inneren Seite der Filterschicht 951 und eine äußere Abflussschicht 953 auf der radial äußeren Seite der Filterschicht 951 beinhaltet.
Wenn die Schichten 951 bis 953 mehr als einmal um den Kein 960 gewickelt werden sollen, beinhaltet der Verbundwerkstoff ferner eine Trennschicht 954, welche die innere Abflussschicht 952 von der äußeren Abflussschicht 953 trennt und Fluid daran hindert, unter Umgehen der Filterschicht 951 unmittelbar von einer der Abflussschichten zu der anderen zu fließen. Die Trennschicht 954 kann aus einem Material hergestellt sein, das für die Fluide, die durch die Abflussschichten hindurchtreten, undurchdringlich ist, oder sie kann aus einem Material hergestellt sein, das Eigenschaften aufweist, die denjenigen der Filterschicht 951 ähnlich sind, sodass, obwohl Fluide durch die Trennschicht 954 fließen können, Substanzen, die durch die Filterschicht 951 entfernt werden sollen, nicht durch die Trennschicht 954 zwischen den beiden Abflussschichten 952, 953 hindurchtreten können. Die Filterschicht 951 und die Abflussschichten 952, 953 können die gleichen Eigenschaften aufweisen, die mit Bezug auf die entsprechenden Schichten der vorherigen Ausführungsformen beschrieben sind. Der Verbundwerkstoff kann auch Dämpfungsschichten oder verschiedene andere geeignete Schichten beinhalten. Die Schichten, die das Filterbündel 950 bilden, können in jeder beliebigen gewünschten Anzahl von Malen um den Kern 960 gewickelt werden. Indem die Trennschicht 954 an ihrem äußeren Ende an sich selbst befestigt wird, kann verhindert werden, dass sich die Schichten abwickeln.
Alternativ kann ein Rückhalteteil, wie z.B. ein wendelförmiges Hüllteil, um die gewickelten Schichten herum angeordnet sein. Falls erforderlich, können alle oder ein Teil der Längs-Endflächen des Filterbündels 950 durch jedes beliebige der Verfahren, die mit Bezug auf ein gefaltetes Filterbündel beschrieben sind, abgedichtet sein, um Fluid daran zu hindern, durch die Längs-Endflächen zu fließen, oder diesem zu ermöglichen, in nur eine der Abflussschichten oder aus dieser heraus zu fließen. Ein spiralförmig gewundenes Filterbündel kann im Allgemeinen in jeder beliebigen der Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Filters anstelle eines gefalteten Filterbündels eingesetzt werden, wobei die Filterschicht 951 und die Abflussschichten 952, 953 eines spiralförmig gewundenen Filterbündels die gleichen Funktionen wie die entsprechenden Schichten in einem gefalteten Filterbündel erfüllen. So kann ein spiralförmig gewundenes Filterbündel benutzt werden, um sowohl Querstromfiltration als auch statische Filtration durchzuführen, und das Filterbündel kann durch Rückspülen oder durch Querstromreinigen gereinigt werden.
20 bis 22 veranschaulichen eine weitere Ausführungsform eines Fluidaufbereitungselementes 970. Das Fluidaufbereitungselement 970 ist bei seiner Benutzung zur Materialübertragung zwischen zwei Fluidströmen 972, 973 in der Weise, die mit Bezug auf 12 und 13 beschrieben ist, gezeigt, jedoch kann das Fluidaufbereitungselement 970 auch für jeden beliebigen der Fluidaufbereitungstypen benutzt werden, die mit Bezug auf die anderen Ausführungsformen beschrieben sind, wie z.B. statische Filtration oder Querstromfiltration, um Teilchen aus einem Fluid zu entfernen.
Wie in 20 gezeigt, die eine Querschnittsansicht ist, beinhaltet das Fluidaufbereitungselement 970 ein gefaltetes Fluidaufbereitungsbündel 971, einen Kern 975, der von dem Fluidaufbereitungsbündel 971 umgeben ist, und einen Mantel 980, der das Fluidaufbereitungsbündel 971 umgibt und das Fluidaufbereitungsbündel 971 von der Umgebung trennt, sodass Fluid nur durch bestimmte Öffnungen in dem Mantel 980 in das Fluidaufbereitungsbündel 970 eintreten oder aus diesem austreten kann.
Das Fluidaufbereitungsbündel 971 kann in jeder beliebigen der Weisen konfiguriert sein, die mit Bezug auf die vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben sind. Beispielsweise kann es einen mehrschichtigen Verbundwerkstoff umfassen, der eine innere Abflussschicht, eine Fluidaufbereitungsschicht und eine äußere Abflussschicht beinhaltet, die zu sich axial erstreckenden Falten ausgebildet oder spiralförmig um den Kern 975 gewunden sind. Wenn das Fluidaufbereitungsbündel 971 gefaltet ist, können die Falten radiale Falten mit Räumen zwischen aneinandergrenzenden Falten sein, jedoch werden die Falten stärker bevorzugt gegeneinander gedrückt. Beispielsweise können sich die Falten in einem übereinandergelegten Zustand befinden und wie in 2 gezeigt konfiguriert sein. Wenn die Falten übereinandergelegt sind, kann das Fluidaufbereitungsbündel 971 von einem nicht dargestellten wendelförmigen Hüllteil zum Bewahren eines übereinandergelegten Zustandes umgeben sein.
Wie der Kern 620 der Ausführungsform von 12 weist der Kern 975 von 20 ein erstes und ein zweites offenes Ende, einen perforierten Bereich 976, der mit jedem der offenen Enden in Verbindung steht und eine oder mehrere Öffnungen 977 aufweist, durch die Fluid hindurchtreten kann, und einen blinden Bereich 978 auf, durch den keine Fluidströmung erfolgt und der sich zwischen den perforierten Bereichen 976 erstreckt. Die Öffnungen 977 sind als rechteckig gezeigt, können jedoch jede andere gewünschte Form aufweisen. Der blinde Abschnitt 978 erstreckt sich vorzugsweise durchgehend über mindestens etwa 50 % der Länge, stärker bevorzugt über mindestens etwa 75 % der Länge und noch stärker bevorzugt über mindestens etwa 90 % der Länge des Fluidaufbereitungsbündels 971. Der blinde Bereich 978 kann hohl sein wie in der Ausführungsform von 12, oder er kann massiv sein, wie in 20 gezeigt. Obwohl in den Figuren nicht gezeigt, kann der Kern 975 auf der äußeren Peripherie des blinden Bereiches 978 eine elastische Schicht beinhalten, um Räume zwischen den radial inneren Enden aneinandergrenzender Falten auszufüllen und Fluid daran zu hindern, das Fluidaufbereitungsbündel 971 zu umgehen, indem es zwischen der inneren Peripherie des Fluidaufbereitungsbündels 971 und der äußeren Peripherie des Kernes 975 fließt.
Der Kern 975 kann an jedem seiner offenen Enden mit Gewinden (entweder inneren oder äußeren) oder einem anderen Typ von Verbinder ausgestattet sein, durch den er mit Bauteilen zum Zuführen von Fluid in den Kern 975 oder zum Entfernen von Fluid aus diesem verbunden sein kann. Der Kern 975 ist so gezeigt, dass er sich auf die Außenseite des Mantels 980 erstreckt, sodass der Kern 975 mit externen Bauteilen verbunden werden kann, jedoch kann der Kern 975 stattdessen gänzlich innerhalb des Mantels 980 angeordnet sein und Fluidöffnungen, die mit den Enden des Kernes 975 in Verbindung stehen, können in dem Mantel 980 gebildet sein.
Der Mantel 980 beinhaltet eine Außenwand 981, welche die äußere Peripherie des Fluidaufbereitungsbündels 971 umgibt, und eine erste und eine zweite Endplatte 985, welche die Längsenden des Fluidaufbereitungsbündels 971 abdecken. In der vorliegenden Ausführungsform ist jede der Endplatten 985 von der Außenwand 981 getrennt gebildet, jedoch können eine oder beide von den Endplatten 985 einstückig mit der Außenwand 981 gebildet sein. Die Außenwand 981 ist als einzelnes Bauteil gebildet gezeigt, jedoch kann sie stattdessen eine Vielzahl von Teilabschnitten umfassen, die in einer fluiddichten Weise miteinander verbunden sind.
Die Außenwand 981 kann jede beliebige gewünschte transversale Querschnittsform aufweisen, jedoch wird sie gewöhnlich eine Querschnittsform aufweisen, die derjenigen des Fluidaufbereitungsbündels 971 ähnlich ist, wie z.B. kreisförmig. In der Nähe jedes ihrer Längsenden weist die Außenwand 981 eine oder mehrere Öffnungen auf, durch die Fluid in den Innenraum des Mantels 980 oder aus diesem hinaus fließen kann. In der vorliegenden Ausführungsform ist eine Vielzahl von Öffnungen 982, 983 vorhanden, die um den Umfang der Außenwand 981 herum an deren oberen bzw. unteren Längsende beabstandet sind, wobei sich jede Öffnung 982, 983 durch die Dicke der Außenwand 981 zwischen deren Innenseite und Außenseite erstreckt. Wie in 21 gezeigt, die eine Querschnittsansicht eines Ab schnitts des oberen Endes der Außenwand 981 ist, sind die dargestellten Öffnungen 982, 983 bei Draufsicht rechteckig, können jedoch jede beliebige gewünschte Gestalt aufweisen.
Jede Öffnung 982, 983 steht in Verbindung mit einem oberen oder unteren Verfeilerrohr 990 des Filterelementes 970, das die Außenwand 981 umgibt. Der untere Verfeilerrohr 990 verteilt Fluid, das ihm von einer Fluidversorgung zugeführt wird, an alle Öffnungen 983 an dem unteren Ende des Fluidaufbereitungselementes 970, und das obere Verfeilerrohr 990 sammelt Fluid, das aus den Öffnungen 982 an dem oberen Ende des Fluidaufbereitungselementes 970 abgeleitet worden ist, und führt das gesammelte Fluid einem nicht dargestellten Abschnitt eines Fluidsystems zu, in dem das Fluidaufbereitungselement 970 eingebaut ist.
22 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines der Verfeilerrohre 990. Das andere Verfeilerrohr 990 kann dem dargestellten strukturell ähnlich sein. Jedes Verfeilerrohr 990 ist ein ringförmiges Bauteil mit einer inneren Peripherie, die größenmäßig so ausgelegt ist, dass sie um die äußere Oberfläche der Außenwand 981 passt. Es beinhaltet eine ringförmige Nut 991, die sich gänzlich um seine innere Peripherie herum erstreckt und die äußeren Enden der Öffnungen 982, 983 in der Außenwand 981 umgibt. Jedes Verfeilerrohr 990 ist mit der Außenwand 981 fluiddicht verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform ist jedes Verfeilerrohr 990 mit O-Ringen 992 ausgestattet, die von entsprechenden Nut 993 aufgenommen sind, und die in seiner inneren Peripherie gebildet sind, die eine Abdichtung gegen die Außenwand 981 bilden, jedoch können viele andere Verfahren zum Abdichten angewendet werden, wie z.B. die Benutzung von Abdichtringen, die auf der Außenwand 981 angebracht sind, oder direktes Verbinden oder Schweißen der Verfeilerrohre 990 an die Außenwand 981. Die Verfeilerrohre 990 können entweder abnehmbar oder fest an der Außenwand 981 angebracht sein.
Die dargestellten Verfeilerrohre 990 können über die Längsenden der Außenwand 981 des Mantels 980 gleiten und durch Reibung zwischen den O-Ringen 992 und der äußeren Oberfläche der Außenwand 981 fixiert sein. Zur Positionierung der Verfeilerrohre 990 bezogen auf die Öffnungen 982 und 983 wird die Außenwand 981 des Mantels 980 mit Stufen ausgebildet, an denen die Verfeilerrohre 990 anliegen, wenn die Nuten 991 in den Verfeilerrohren 990 die Öffnungen 982, 983 umgeben. Jedes Verfeilerrohr 990 kann auch ein oder mehrere Anschlussstücke beinhalten, mittels derer das Verfeilerrohr 990 fluidisch mit einer externen Apparatur verbunden werden kann. Beispielsweise ist jedes der dargestellten Verfeilerrohre 990 mit einem Stutzen mit Innengewinde 994 ausgestattet, der die Verbindung zwischen der Nut 991 und der Außenseite des Verfeilerrohres 990 herstellt.
Jede Längs-Endfläche des Fluidaufbereitungsbündels 971 ist abgedichtet, sodass Fluid daran gehindert wird, zwischen den Endflächen und den Endplatten 985 des Mantels 980 zu fließen. Eine Abdichtung kann durch vielfältige Verfahren gebildet sein. Wenn die Endplatten 985 oder das Fluidaufbereitungsbündel 971 aus einem thermoplastischen Material hergestellt ist, kann eine Abdichtung zweckmäßigerweise durch Schmelzverbinden des Fluidaufbereitungsbündels 971 und der Endplatten 985 miteinander gebildet werden. Andere mögliche Abdichtverfahren sind Verkleben, Benutzung von Dichtungsringen und Benutzung von Abdichtstreifen, wie beschrieben mit Bezug auf die vorherigen Ausführungsformen. Es ist besonders zweckmäßig, wenn der gesamte Mantel 980 thermoplastisch ist, sodass die Endplatten 985 mit dem Fluidaufbereitungsbündel 971, dem Kern 975 und der Außenwand 981 schmelzverbunden werden können. Wenn die Fluidaufbereitungsschicht des Fluidaufbereitungsbündels 971 aus einem Fluorpolymer, wie z.B. PTFE oder PVDF, hergestellt ist, ist es zweckmäßig, wenn der Mantel 980 ebenfalls aus einem Fluorpolymer hergestellt ist. Sofern der Mantel 980 und andere Abschnitte des Fluidaufbereitungsbündels 970 jedoch mit dem Fluidaufbereitungsbündel 971 und dem Fluid, das aufbereitet wird, kompatibel sind, gibt es keine Einschränkungen hinsichtlich der Baumaterialien.
In 20 ist ein erster Fluidstrom 972 gezeigt, wie er in das obere Ende des Kernes 975 eingebracht wird, und ein zweiter Fluidstrom 973 gezeigt, wie er in das untere Verfeilerrohr 990 eingebracht wird, obwohl stattdessen der erste Fluidstrom 972 in das untere Ende des Kernes 975 eingebracht werden kann und der zweite Fluidstrom 973 in das obere Verfeilerrohr 990 eingebracht werden kann. Der erste Fluidstrom 972 fließt durch die Öffnungen 977 in dem oberen perforierten Bereich 976 des Kernes 975 und in die innere Abflussschicht des Fluidaufbereitungsbündels 971. Da die Öffnungen 977 um den Umfang des Kernes 975 herum Verfeilt sind, wird der erste Fluidstrom 972 um die innere Peripherie des Fluidaufbereitungsbündels 971 herum gleichmäßig in der inneren Abflussschicht Verfeilt. Der erste Fluidstrom 972 tritt in die innere Abflussschicht ein und fließt dann durch die innere Abflussschicht in der Längsrichtung des Fluidaufbereitungsbündels 971, bis er den unteren perforierten Bereich 976 erreicht, wo er durch die Öffnungen 977 in den Kern 975 fließt und durch das untere offene Ende des Kernes 975 aus dem Fluidaufbereitungselement 970 abgeleitet wird.
Der zweite Fluidstrom 973, der in das untere Verfeilerrohr 990 eingebracht wird, wird gleichmäßig um den Umfang des Fluidaufbereitungsbündels 971 herum durch die Öffnungen 983 an dem unteren Ende der Außenwand 981 in der äußeren Abflussschicht Verfeilt. Der zweite Fluidstrom 973 fließt in die äußere Abflussschicht und fließt dann innerhalb der äußeren Abflussschicht in der Längsrichtung des Fluidaufbereitungsbündels 971. Dabei erfolgt Materialübertragung zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidstrom 972, 973 quer durch die Fluidaufbereitungsschicht des Fluidaufbereitungsbündels 971. Wenn der zweite Fluidstrom 973 das obere Ende des Fluidaufbereitungsbündels 971 erreicht, fließt er durch die Öffnungen 982 an dem oberen Ende der Außenwand 981 und in das obere Verfeilerrohr 990. Dort wird das Fluid, das aus allen Öffnungen 982 abgeleitet wurde, gesammelt und aus dem Fluidaufbereitungselement 970 abgeleitet.
Der erste und der zweite Fluidstrom 972, 973 sind als in entgegengesetzten Längsrichtungen des Fluidaufbereitungselementes 970 fließend gezeigt, wie jedoch mit Bezug auf die Ausführungsform von 12 beschrieben, können sie in der selben Längsrichtung fließen.
Wenn die Fluidaufbereitungsschicht des Fluidaufbereitungsbündels 971 für Fluid durchlässig ist, kann das Fluidaufbereitungselement 970 von 20 für eine statische Betriebsart oder eine Querstrom-Betriebsart benutzt werden, beide nicht erfindungsgemäß, indem der Fluidstrom in den Kern 975 oder die Verfeilerrohre 990 oder aus diesen heraus in geeigneter Weise gesteuert wird. Beispielsweise kann ein zu filterndes Fluid in beide Enden des Kernes 975 oder in ein Ende des Kernes 975, wobei das andere Ende abgesperrt ist, eingebracht werden und, nachdem das Fluid der statischen Filtration unterworfen wird, Filtrat aus einem oder beiden Verfeilerrohren 990 entfernt werden. Alternativ kann ein zu filterndes Fluid durch beide Verfeilerrohrrohre 990 oder durch eines der Verfeilerrohre 990 in den Mantel 980 eingebracht werden, wobei das andere Verfeilerrohr 990 geschlossen ist, und, nachdem das eingebrachte Fluid statischer Filtration untennrorfen wird, kann Filtrat durch ein oder beide Enden des Kernes 975 aus dem Fluidaufbereitungselement 970 entfernt werden.
Querstromfiltration kann beispielsweise durch Einbringen eines Verfahrensfluids in ein Ende des Kernes 975 und Entfernen von Retentat von dem entgegengesetzten Ende, während Permeat durch ein oder beide Verfeilerrohre 990 aus dem Fluidaufbereitungselement 970 entfernt werden kann, durchgeführt werden. Das Fluidaufbereitungselement 970 kann auch durch Rückspülen oder Querstromreinigen in weitgehend der gleichen Weise, wie mit Bezug auf die Ausführungsform von 12 beschrieben, gereinigt werden. Somit weist das Fluidaufbereitungselement 970 von 20 viele mögliche Anwendungsweisen auf.
Die äußeren Enden der Öffnungen 982, 983 in der Außenwand 981 können sich auf andere Orte als die äußere Peripherie der Außenwand 981 hin öffnen. Beispielsweise können sie sich auf die Längs-Endoberflächen der Außenwand 981 hin öffnen und ein Verfeilerrohr in die Endplatten 985 eingebaut sein, um Fluid an die Öffnungen zu Verfeilen oder von diesen zu erhalten. Die Vielzahl von Öffnungen an jedem Längsende der Außenwand 981 kann auch durch andere Anordnungen zum Verfeilen von Fluid um die Peripherie des Fluidaufbereitungsbündels 971 herum ersetzt sein. Beispielsweise kann ein einzelnes Durchgangsloch durch die Außenwand 981 an jedem ihrer Längsenden gebildet sein, und eine sich um den Umfang herum erstreckende Nut, die mit dem inneren Ende des Durchgangsloches in Verbindung steht, kann in der inneren Peripherie der Außenwand 981 an jedem ihrer Enden gebildet sein. Wenn ein Fluid in das äußere Ende eines der Durchgangslöcher eingebracht wird, kann es um die Peripherie des Fluidaufbereitungsbündels 971 herum Verfeilt werden, indem es entlang der Nut fließt. In ähnlicher Weise kann Fluid, das aus dem Fluidaufbereitungsbündel 971 in die Nut fließt, in dem Durchgangsloch gesammelt werden. In diesem Fall kann auf ein Verfeilerrohr verzichtet werden, und eine Röhre oder ein anderer Kanal kann unmittelbar mit dem äußeren Ende jedes Durchgangsloches verbunden sein. 23 ist eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines Fluidaufbereitungselementes 1000. Dieses Element 1000 ist besonders zur Materialübertragung zwischen zwei Fluidströmen geeignet, kann aber auch für andere Typen von Fluidaufbereitung, wie z.B. statische Filtration und Querstromfiltration, benutzt werden.
Das dargestellte Element 1000 beinhaltet eine Fluidaufbereitungs-Unterbaugruppe 1010, die ein gefaltetes Fluidaufbereitungsbündel 1011 und ein Gehäuse 1040 umfasst, das die Unterbaugruppe 1010 umgibt und das Fluidaufbereitungsbündel 1011 von der Umgebung trennt, sodass Fluid nur durch die Fluidöffnungen des Gehäuses 1040 in das Fluidaufbereitungselement 1000 eintreten oder aus diesem austreten kann.
Außer dem Fluidaufbereitungsbündel 1011 beinhaltet die Fluidaufbereitungs-Unterbaugruppe 1010 einen Kern 1015, der von dem Fluidaufbereitungsbündel 1011 umgeben ist, ein Rohr 1020, welches das Fluidaufbereitungsbündel 1011 umgibt, und Endkappen 1030, die an dem Fluidaufbereitungsbündel 1011 und dem Rohr 1020 befestigt sind. Das Fluidaufbereitungsbündel 1011 kann in jeder gewünschten Weise konfiguriert sein, wie z.B. in jeder beliebigen der Weisen, die mit Bezug auf die vorhergehenden Filterbündel-Ausführungsformen beschrieben sind. Beispielsweise kann es einen mehrschichtigen Verbundwerkstoff umfassen, der eine innere Abflussschicht, eine Fluidaufbereitungsschicht und eine äußere Abflussschicht beinhaltet, die zu sich axial erstreckenden Falten ausgebildet oder spiralförmig um den Kern 1015 gewunden sind. Wenn das Fluidaufbereitungsbündel 1011 gefaltet ist, können die Falten radiale Falten mit Räumen zwischen aneinandergren zenden Falten sein, jedoch sind die Falten stärker bevorzugt gegeneinander gedrückt. Beispielsweise können sich die Falten in einem übereinandergelegten Zustand befinden und konfiguriert sein, wie in vielen der vorherigen Figuren einschließlich 2 gezeigt. Wenn die Falten übereinandergelegt sind, kann das Fluidaufbereitungsbündel 1011 von einem nicht dargestellten wendelförmigen Hüllteil zum Bewahren eines übereinandergelegten Zustandes umgeben sein.
Wie der Kern 620 der Ausführungsform von 12 kann der Kern 1015 von 23 ein erstes und ein zweites offenes Ende, einen perforierten Bereich 1016, der mit jedem der offenen Enden in Verbindung steht und eine oder mehrere Öffnungen 1017 aufweist, durch die Fluid hindurchtreten kann, und einen blinden Bereich 1018 aufweisen, durch den keine Fluidströmung erfolgt und der sich zwischen den perforierten Bereichen 1016 erstreckt. Der blinde Bereich 1018 erstreckt sich vorzugsweise durchgehend über mindestens etwa 30 % der Länge, vorzugsweise über mindestens etwa 50 % der Länge, stärker bevorzugt über mindestens etwa 75 % der Länge und noch stärker bevorzugt über mindestens etwa 90 % der Länge des Fluidaufbereitungsbündels 1011.
Der blinde Bereich 1018 kann hohl sein wie in der Ausführungsform von 12, oder er kann massiv sein, wie in 23 gezeigt. Obwohl in den Figuren nicht gezeigt, kann der Kern 1015 auf der äußeren Peripherie des blinden Bereiches 1018 ein Abdichtmaterial einschließlich jedes beliebigen der vorher offenbarten Abdichtmaterialien beinhalten, um Räume zwischen den radial inneren Enden aneinandergrenzender Falten auszufüllen und Fluid daran zu hindern, das Fluidaufbereitungsbündel 1011 zu umgehen, indem es zwischen der inneren Peripherie des Fluidaufbereitungsbündels 1011 und der äußeren Peripherie des Kernes 1015 fließt. In Anwendungen, insbesondere in Anwendungen, in die aggressive Substanzen, wie z.B. Säuren oder Basen, einbezogen sind, kann es jedoch bevorzugt sein, die Benutzung eines Abdichtmaterials zu vermeiden. Zur Verbesserung der StrömungsVerfeilung von Fluid durch die Öffnungen 1017 kann eine umlaufende Nut 1019, welche die Öffnungen 1017 miteinander verbindet, in der Außenoberfläche des Kernes 1015 gebildet sein.
Das Rohr 1020 und die Endkappen 1030 definieren gemeinsam einen Mantel, der das Fluidaufbereitungsbündel 1011 umgibt, wobei das Rohr 1020 die äußere Peripherie des Fluidaufbereitungsbündels 1011 umgibt und die Endkappen 1030 die Längsenden des Fluidaufbereitungsbündels 1011 abdecken. In der vorliegenden Ausführungsform sind das Rohr 1020 und die Endkappen 1030 getrennt voneinander gebildet, jedoch können eine oder beide von den Endkappen 1030 einstückig mit dem Rohr 1020 ausgebildet sein.
Das Rohr 1020 kann jede gewünschte transversale Querschnittsgestalt aufweisen, wird jedoch üblicherweise eine Querschnittsgestalt aufweisen, die derjenigen des Fluidaufbereitungsbündels 1011 ähnlich ist, wie z.B. eine kreisförmige, um so das Fluidaufbereitungsbündel 1011 eng zu umgeben. Auch kann ein Abdichtmaterial zwischen dem Rohr 1020 und der äußeren Peripherie des Fluidaufbereitungsbündels 1011 angeordnet sein, um ein Umgehen des Fluides zwischen dem Fluidaufbereitungsbündel 1011 und dem Rohr 1020 zu verhindern. In der Nähe jedes seiner Längsenden weist das Rohr 1020 eine oder mehrere Öffnungen 1021 jeder gewünschten Gestalt auf, die sich durch die Wand des Rohres 1020 zwischen dessen Innenraum und Außenseite erstrecken und durch die Fluid in den Innenraum des Rohres 1020 oder aus diesem hinaus fließen kann. Die Öffnungen 1021 können um den Umfang des Rohres 1020 herum beabstandet sein, um den Fluidstrom durch die Öffnungen 1021 um den Umfang herum besser zu Verfeilen.
Vorzugsweise befinden sich die Öffnungen 1021 so nah wie möglich bei den Längsenden des Fluidaufbereitungsbündels 1011, wie z.B. innerhalb etwa 20 % der Länge des Fluidaufbereitungsbündels 1011 und stärker bevorzugt innerhalb etwa 10 % der Länge des Fluidaufbereitungsbündels 1011 von dessen Längsenden, sodass Fluid, dass zwischen den Öffnungen 1021 an entgegengesetzten Längsenden des Rohres 1020 fließt, durch möglichst viel von der Länge des Fluidaufbereitungsbündels 1011 hindurchtritt, um den Kontakt zwischen dem Fluid und der Fluidaufbereitungsschicht in dem Fluidaufbereitungsbündel 1011 zu maximieren. Zwischen den Öffnungen 1021 an dem oberen Ende und den Öffnungen 1021 an dem unteren Ende ist das Rohr 1020 blind, d.h. ohne jegliche Durchgangslöcher, sodass mit Ausnahme durch die Öffnungen 1021 keine Strömung durch die Wand des Rohres 1020 erfolgt.
Jede der Endkappen 1030 ist eine offene Endkappe mit einer Öffnung 1031 in ihrer Mitte, durch die Fluid in einen der perforierten Bereiche 1016 des Kernes 1015 oder aus diesem hinaus fließen kann. Jede Endkappe 1030 ist mit einer Längs-Endfläche des Fluidaufbereitungsbündels 1011 dicht verbunden, um Fluid daran zu hindern, durch die Längs-Endfläche hindurchzutreten. Sie kann auch, braucht aber nicht, dicht mit dem Kern 1015 oder dem Rohr 1020 verbunden sein. Die Endkappen 1030 brauchen nicht an anderen Komponenten der Fluidaufbereitungs-Unterbaugruppe 1010 befestigt zu sein, jedoch kann es zweckmäßig sein, wenn sie es sind, da dies ermöglichen wird, die Unterbaugruppe 1010 als eine einzelne Einheit handzuhaben, ohne dass die Komponenten der Unterbaugruppe 1010 voneinander getrennt werden. Eine Abdichtung zwischen jeder Endkappe 1030 und dem Fluidaufberei tungsbündel 1011 kann durch jedes beliebige Verfahren gebildet sein, das für die Materialien, aus denen die Endkappen 1030 und das Fluidaufbereitungsbündel 1011 hergestellt sind, geeignet ist, wie z.B. durch jedes beliebige der Verfahren, das mit Bezug auf die Ausführungsform von 20 beschrieben ist.
Das Gehäuse 1040 beinhaltet eine Außenwand 1041 mit offenem Ende und eine erste und eine zweite Abdeckung 1050, die jeweils an einem der Enden der Außenwand 1041 befestigt und damit dicht verbunden sind.
Die Abdeckungen 1050 sind als von der Außenwand 1041 separat gebildet gezeigt, jedoch kann eine der Abdeckungen 1050 einstückig mit der Außenwand 1041 ausgebildet sein. Jede der Abdeckungen 1050 beinhaltet eine erste Fluidöffnung 1051, die eine Verbindung zwischen der Außenseite des Fluidaufbereitungselementes 1000 und dem Innenraum eines der perforierten Bereiche 1016 in dem Kern 1015 herstellt, und eine zweite Fluidöffnung 1052, die von der ersten Fluidöffnung 1051 getrennt ist und eine Verbindung zwischen der Außenseite des Fluidaufbereitungselementes 1000 und den Öffnungen 1021 an einem Ende des Rohres 1020 der Unterbaugruppe 1010 herstellt.
Jede Abdeckung 1050 ist mit einer der Endkappen 1030 in einer beliebigen geeigneten Weise dicht verbunden, sodass Fluid nicht unmittelbar zwischen der ersten und der zweiten Fluidöffnung 1051 und 1052 einer Abdeckung 1050 fließen kann, während es das Fluidaufbereitungsbündel 1011 umgeht. Alternativ kann auf eine oder beide von den Endkappen verzichtet werden, und das (die) Ende(n) des Rohres, des Fluidaufbereitungsbündels und/oder des Kernes kann unmittelbar dicht mit der (den) Abdeckung(en) verbunden sein. Die Längsenden der Fluidaufbereitungs-Unterbaugruppe 1010 und der Außenwand 1041 des Gehäuses 1040 in der Nachbarschaft der Öffnungen 1021 in dem Rohr 1020 sind so gestaltet, dass sie einen oder mehrere Strömungskanäle zwischen den beiden bereitstellen, durch die Fluid zwischen den Öffnungen 1021 und der zweiten Fluidöffnung 1052 in der angrenzenden Abdeckung 1050 fließen kann. Beispielsweise kann die innere Peripherie der Außenwand 1041 von der äußeren Peripherie des Rohres 1020 beabstandet sein, um einen ringförmigen Raum 1045 zwischen der Außenwand 1041 und dem Rohr 1020 in diesem Bereich zu definieren, oder die Außenwand 1041 und das Rohr 1020 können einander berühren, wobei Nuten in einem oder in beiden Bauteilen gebildet sind, um Strömungskanäle zu definieren, die mit den Öffnungen 1021 in Verbindung stehen. Die Fluidöffnungen 1051 und 1052 können zum Fließenlassen eines Gases oder einer Flüssigkeit benutzt werden. In bestimmten Ausführungsfor men, z.B. wenn ein Gas und eine Flüssigkeit verarbeitet werden, kann die kleinere Öffnung zum Fließenlassen des Gases und die größere Öffnung für die Flüssigkeit benutzt werden.
Eine ringförmige Nut 1053, die mit der zweiten Fluidöffnung 1052 in Verbindung steht, kann in der Endoberfläche jeder Abdeckung 1050 gebildet sein, um dabei zu helfen, Fluid um die Peripherie des Raumes 1045 zwischen dem Rohr 1020 und der Außenwand 1041 des Gehäuses 1040 zu verbreiten. Vorzugsweise ist eine Abdichtung zwischen der äußeren Oberfläche des Rohres 1020 und der inneren Oberfläche der Außenwand 1041 des Gehäuses 1040 an einem Ort zwischen den Öffnungen 1021 an entgegengesetzten Enden des Rohres 1020 um den Umfang des Rohres 1020 herum gebildet, um Fluid daran zu hindern, das Fluidaufbereitungsbündel 1011 zu umgehen, indem es in der Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes 1000 zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen des Rohres 1020 und der Außenwand 1041 fließt.
Eine Abdichtung kann in jeder beliebigen geeigneten Weise gebildet sein, wie z.B. durch ein Abdichtteil, das zwischen den beiden Oberflächen angeordnet ist, durch Verbinden oder in einer anderen Weise Zusammenfügen des Rohres 1020 und der Außenwand 1041 in einer fluiddichten Weise, oder durch Wählen der Abmessungen des Rohres 1020 und der Außenwand 1041, derart, dass sie ausreichend dicht ineinanderpassen, um eine fluiddichte Abdichtung zu bilden. Beispielsweise kann eine geeignete Abdichtung zwischen dem Rohr 1020 und der Außenwand 1041 durch eine Pressverbindung, wie z.B. eine Presspassung oder eine Schrumpfpassung, gebildet sein.
Eine oder beide Abdeckungen 1050 können abnehmbar an der Außenwand 1041 des Gehäuses 1040 befestigt sein, um zu ermöglichen, dass die Fluidaufbereitungs-Unterbaugruppe 1010 ausgetauscht wird. Wenn beabsichtigt ist, das gesamte Fluidaufbereitungselement 1000 zu verwerfen, wenn das Fluidaufbereitungsbündel 1011 seine Nutzungsdauer erreicht hat, können die Abdeckungen 1050 alternativ mit der Außenwand 1041 des Gehäuses 1040 verschweißt, verbunden oder in einer anderen Weise fest daran befestigt sein.
In Anwendungen, in welche die Aufbereitung von ätzenden Fluiden einbezogen ist oder welche einen äußerst niedrigen Gehalt an Verunreinigungen erfordern, ist ein Fluidaufbereitungselement, das gänzlich aus thermoplastischen Fluorpolymeren zusammengesetzt ist, aufgrund der extremen chemischen Inertheit von Fluorpolymeren und der Fähigkeit von Thermoplasten, ohne die Benutzung von Klebstoffen unmittelbar miteinander verbunden zu wer den, besonders geeignet. Einige Beispiele für Fluorpolymere, die für die Komponenten des Fluidaufbereitungselementes eingesetzt werden können, sind PTFE und PVDF und TFE-haltige Copolymere, wie z.B. PFA, AF und FEP. Das am stärksten bevorzugte Verfahren zum Abdichten oder Verbinden von Fluorpolymerkomponenten des Fluidaufbereitungselementes miteinander ist das Schmelzverbinden, da es die Benutzung von Klebstoffen vermeidet. Beim Schmelzverbinden werden eine oder beide miteinander zu verbindende Komponenten erwärmt, um einen Teil von mindestens einer der Komponenten zu schmelzen.
Das Erwärmen kann durch vielfältige Techniken, wie z.B. konvektives, konduktives, induktives, Reibungs-, Schall- oder Strahlungserwärmen, durchgeführt werden. Die Temperatur, auf welche die Komponenten erwärmt werden, liegt typischerweise über der Glasübergangstemperatur oder Erweichungstemperatur der Komponente, jedoch unter der Temperatur, bei der das erwärmte Material frei fließen oder sich zersetzen wird. Die Komponenten werden dann zusammengefügt und abkühlen lassen, bis das geschmolzene Material erstarrt, wodurch die Komponenten miteinander verbunden werden. Das Schmelzverbinden der Endkappen 1010 und der Außenwand 1041 mit der Abdeckung 1050 kann durch Versehen einer oder mehrerer dieser Komponenten mit einem Opferschweißmerkmal, das geschmolzen werden kann, ohne eine Verformung angrenzender Abschnitte der Komponenten hervorzurufen. In dem vorliegenden Beispiel beinhaltet jede Endkappe 1030 eine Basis 1032 und ein Schweißmerkmal, das einen ringförmigen Kragen umfasst, der sich von der Basis 1032 zu der gegenüberliegenden Abdeckung 1050 erstreckt.
Jede Abdeckung 1050 beinhaltet ein Schweißmerkmal, das eine erste ringförmige Rippe 1054 umfasst, die sich von der Bodenfläche der Abdeckung 1050 aus in einer Richtung mit dem Kragen der gegenüberliegenden Endkappe 1030 erstreckt. An jedem seiner Längsenden weist die Außenwand 1041 des Gehäuses 1040 eine sich nach außen aufweitende Lippe 1042 auf. Jede Abdeckung 1050 beinhaltet ein weiteres Schweißmerkmal, das eine zweite ringförmige Rippe 1055 umfasst, die mit der ersten Rippe 1054 konzentrisch ist und sich von der Bodenfläche der Abdeckung aus in einer Richtung mit der Deckfläche der Lippe 1042 erstreckt. Um das Ausbreiten von geschmolzenem Kunststoff, der beim Schmelzverbinden gebildet wird, in die radiale Richtung zu vermindern, kann jedes der Schweißmerkmale entlang seiner inneren und/oder äußeren Peripherie abgeschrägt sein, um einen Raum zu erzeugen, der von der Schrägkante eingefasst ist und in den geschmolzener Kunststoff fließen kann.
Ein Beispiel für ein Verfahren zum Zusammenbauen des Fluidaufbereitungselementes von 23 ist das folgende: Die Fluidaufbereitungs-Unterbaugruppe 1010 wird zuerst durch Schmelzverbinden der Endkappen 1030 mit den Längs-Endflächen des Fluidaufbereitungsbündels 1011 und gegebenenfalls den Längsenden des Kernes 1015 und des Rohres 1020 zusammengebaut. Die Außenwand 1041 des Gehäuses 1040 wird dann um die Unterbaugruppe 1010 herum aufgeschrumpft, um zwischen den Öffnungen 1021 eine fluiddichte Abdichtung zwischen den beiden zu bilden. Als nächstes werden die Lippe 1042 an einem Längsende der Außenwand 1041 und der Kragen 1033 der Endkappe 1030 an einem Längsende der Unterbaugruppe 1030 und die beiden Rippen 1054, 1055 einer der Abdeckungen 1050 durch Strahlungserwärmen über ihre Glasübergangstemperatur erwärmt. Dann wird die Abdeckung 1050 gegen die Außenwand 1040 und die Endkappe 1010 gepresst, wobei die Rippe 1054 den Kragen 1033 der Endkappe 1030 berührt und die Rippe 1055 die obere Oberfläche der Lippe 1042 der Außenwand 1041 berührt.
Die geschmolzenen Anteile dieser Komponenten werden dann abkühlen lassen, um die Abdeckung 1050 mit der Außenwand 1041 und die Endkappe 1030 mit der Abdeckung 1050 gleichzeitig zu verbinden. Das obige Verfahren kann dann wiederholt werden, um die andere Abdeckung 1050 mit der anderen Endkappe 1030 und dem anderen Längsende der Außenwand 1041 zu schmelzverbinden. Das entstandene Fluidaufbereitungselement weist wegen der Benutzung von ausschließlich Fluorpolymerkomponenten und weil die Komponenten ohne die Benutzung von Klebstoffen oder Elastomeren dicht miteinander verbunden sind, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auf.
Jede Fluidöffnung 1051 und 1052 kann mit einem Verbinder, wie z.B. Gewinden, einem Schlauchanschlussstück, einem LUER-LOK^TM-Anschlussstück oder einem FLARE-TEK^TM-Anschlussstück, ausgestattet sein, um zu ermöglichen, die Fluidöffnung mit externen Apparaturen zu verbinden, oder mit einer Kappe ausgestattet sein, wenn die Fluidöffnung während des Betriebs des Fluidaufbereitungselementes 1000 geschlossen werden muss. Ein FLARE-TEK-Anschlussstück ist insbesondere für Anwendungen geeignet, die ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit oder hohe Reinheit erfordern, da solch ein Anschlussstück ohne die Notwendigkeit von elastomeren Abdichtungen, Abdichtband oder anderen Abdichtteilen eine Abdichtung bilden kann.
Jede der Fluidöffnungen 1051 und 1052 kann entweder zum Einbringen eines Fluides in das Fluidaufbereitungselement 1000 oder zum Entfernen eines Fluides aus diesem benutzt werden. Fluid, das durch die ersten Fluidöffnungen 1051 fließt, kann in derselben Längsrichtung oder in der entgegengesetzten Längsrichtung von Fluid, das durch die zweiten Fluidöffnungen 1052 fließt, durch das Fluidaufbereitungsbündel 1011 hindurchtreten.
In einer möglichen Betriebsart des Fluidaufbereitungselementes 1000 zum Durchführen von Materialübertragung wird ein erster Fluidstrom durch eine von den ersten Fluidöffnungen 1051, wie z.B. diejenige an dem oberen Ende von 23, in das Fluidaufbereitungselement 1000 eingebracht. Der erste Fluidstrom fließt in den perforierten Bereich 1016 an dem oberen Ende des Kernes 1015, fließt radial nach außen durch die Öffnungen 1017 in dem oberen perforierten Bereich 1016 und fließt in die innere Abflussschicht des Fluidaufbereitungsbündels 1011. Die Öffnungen 1017 in dem perforierten Bereich 1016 sind um den Umfang des Kernes 1015 herum Verfeilt, sodass der erste Fluidstrom in die innere Abflussschicht um die innere Peripherie des Fluidaufbereitungsbündels 1011 herum gleichmäßig Verfeilt wird.
Der erste Fluidstrom fließt dann innerhalb der inneren Abflussschicht in der Längsrichtung des Fluidaufbereitungsbündels 1011, bis er den unteren perforierten Bereich 1016 des Kernes 1015 erreicht, wo er radial nach innen durch die Öffnungen 1017 in den Kern 1015 fließt und dann durch die erste Fluidöffnung 1051 in der unteren Abdeckung 1050 aus dem Fluidaufbereitungselement 1000 abgeleitet wird. Gleichzeitig wird ein zweiter Fluidstrom durch eine von den zweiten Fluidöffnungen 1052, wie z.B. diejenige an dem unteren Ende des Elementes 1000, in das Fluidaufbereitungselement 1000 eingebracht. Der zweite Fluidstrom fließt in den ringförmigen Raum 1045 zwischen dem Rohr 1020 und der Außenwand 1041 des Gehäuses 1040 und fließt dann radial nach innen durch die Öffnungen 1021 an dem unteren Ende des Rohres 1020.
Der zweite Fluidstrom fließt dann in die äußere Abflussschicht des Fluidaufbereitungsbündels 1011 und fließt innerhalb der äußeren Abflussschicht in der Längsrichtung des Fluidaufbereitungsbündels 1011 auf das obere Ende des Fluidaufbereitungselementes 1000 zu. Dabei erfolgt Materialübertragung zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidstrom durch die Fluidaufbereitungsschicht des Fluidaufbereitungsbündels 1011 hindurch. Wenn der zweite Fluidstrom das obere Ende des Fluidaufbereitungsbündels 1011 erreicht, fließt er radial nach außen durch die Öffnungen 1021 an dem oberen Ende des Rohres 1020 und in den ringförmigen Raum 1045 zwischen dem Rohr 1020 und der Außenwand 1041 des Gehäuses 1040. Der zweite Fluidstrom fließt dann in die zweite Fluidöffnung 1052 in der oberen Abdeckung 1050 und wird aus dem Fluidaufbereitungselement 1000 abgeleitet.
Wenn die Fluidaufbereitungsschicht des Fluidaufbereitungsbündels 1011 für das Fluid, das aufbereitet wird, durchlässig ist, kann das Fluidaufbereitungselement 1000 für eine statische oder eine Querstrom-Betriebsart, beide nicht erfindungsgemäß, benutzt werden. Beispielsweise kann zur Durchführung von statischer Filtration ein zu filterndes Fluid in beide von den ersten Fluidöffnungen 1051 oder in eine von den ersten Fluidöffnungen 1051 eingebracht werden, wobei die andere Fluidöffnung 1051 abgesperrt ist, und nachdem das Fluid durch die Fluidaufbereitungsschicht in dem Fluidaufbereitungsbündel 1011 hindurchgetreten und gefiltert ist, kann Filtrat aus einer oder aus beiden von den zweiten Fluidöffnungen 1052 entfernt werden. Alternativ kann ein zu filterndes Fluid durch beide von den zweiten Fluidöffnungen 1052 oder durch eine von den zweiten Fluidöffnungen 1052 in das Fluidaufbereitungselement eingebracht werden, wobei die andere zweite Fluidöffnung 1052 abgesperrt ist, und nachdem das eingebrachte Fluid statischer Filtration unterworfen wurde, kann Filtrat durch eine oder beide von den ersten Fluidöffnungen 1051 aus dem Fluidaufbereitungselement 1000 entfernt werden.
Querstromfiltration kann beispielsweise durch Einbringen eines Fluids in eine von den ersten Fluidöffnungen 1051 und Entfernen von Retentat aus der anderen ersten Fluidöffnung 1051 durchgeführt werden, während Permeat durch eine oder beide von den zweiten Fluidöffnungen 1052 aus dem Fluidaufbereitungselement 1000 entfernt werden kann. Alternativ kann ein aufzubereitendes Fluid durch eine von den zweiten Fluidöffnungen 1052 in das Fluidaufbereitungselement 1000 eingebracht werden und Retentat durch die andere der zweiten Fluidöffnungen 1052 entfernt werden, während Permeat durch eine oder beide von den ersten Fluidöffnungen 1051 entfernt werden kann. Das Fluidaufbereitungselement 1000 kann durch Rückspülen oder Querstromreinigen in einer Weise gereinigt werden, die derjenigen ähnlich ist, die mit Bezug auf die Ausführungsform von 12 beschrieben ist.
Eine Fluidaufbereitungsanordnung zum Kontaktieren einer Flüssigkeit mit einem Gas, das in der Flüssigkeit löslich ist, kann jedes beliebige der vorher beschriebenen Fluidaufbereitungselemente beinhalten, einschließlich des Fluidaufbereitungselementes 1000, das in 23 gezeigt ist. So kann die Fluidaufbereitungsanordnung ein Gehäuse und eine gefaltete Fluidaufbereitungsschicht beinhalten, die erste und zweite Seiten aufweist und einen ersten Strömungsweg und einen zweiten Strömungsweg entlang der ersten bzw. zweiten Seiten definiert. Die Fluidaufbereitungsanordnung beinhaltet ferner eine Gasversorgung, die mit dem ersten Strömungsweg des Fluidaufbereitungselementes verbunden ist, und eine Flüssigkeitsversorgung, die mit dem zweiten Strömungsweg des Fluidaufbereitungselementes verbunden ist. Die Fluidaufbereitungsanordnung ist z.B. zum Lösen von Gasen in Flüssigkei ten von Nutzen. Solche eine Anordnung schafft einen oder mehrere Vorteile; z.B. ist die erhaltene Lösung frei oder im Wesentlichen frei von Gasbläschen, und die Lösegeschwindigkeit von Gas oder die Übertragungsgeschwindigkeit von Gas ist erhöht.
Es wird angenommen, dass Fluidaufbereitungselemente, die hierin beschrieben sind, die diffusive Übertragung des löslichen Gases quer durch die Fluidaufbereitungsschicht oder -mittel erleichtert. Dies unterscheidet sich von dem unmittelbaren Lösen eines Gases in einer Flüssigkeit in einer durchperlenden Betriebsart. Wenn der Gasdruck größer als der Flüssigkeitsdruck ist, tritt Perlen- oder Bläschenbildung auf. Die Bläschen neigen dazu, sich unter Bildung größerer Bläschen zu vereinigen, und die Vereinigung verkleinert die Kontaktfläche zwischen den Gasmolekülen und den Lösemittelmolekülen. Da die Kontaktfläche verkleinert ist, sind das resultierende Ausmaß an Materialübertragung in die Lösung sowie die Übertragungsgeschwindigkeit gering. Zur Erzielung von diffusiver Übertragung wird die Fluidaufbereitungsanordnung vorzugsweise so betrieben, dass der Druck auf der Flüssigkeitsseite größer als auf der Gasseite ist. Wenn der Gasdruck größer als der Flüssigkeitsdruck ist, wird eine durchperlende Übertragungsweise oder Massenstrom erfolgen. Massenstrom von Gas durch das Mittel ist weniger bevorzugt.
Die Gasübertragung kann entweder in einer Einzeldurchlauf-Betriebsart oder in einer Umlauf-Betriebsart durchgeführt werden. In der Einzeldurchlauf-Betriebsart wird das Gas auf einer Seite der Fluidaufbereitungsschicht eingelassen und entlang dieser geleitet und die Flüssigkeit auf der anderen Seite eingelassen und entlang dieser geleitet. Das Gas und die Flüssigkeit werden nicht umlaufen lassen. Stattdessen strömt das Gas entlang des Fluidaufbereitungsmittels und tritt aus dem Fluidaufbereitungselement aus und wird in geeigneter Weise entsorgt. Die Flüssigkeit strömt in ähnlicher Weise entlang des Fluidaufbereitungsmittels und tritt aus dem Element aus. In der Umlauf-Betriebsart wird mindestens eines der Fluide, z.B. die Flüssigkeit, umlaufen lassen. Beim mehrmaligen Strömen der Flüssigkeit entlang des Fluidaufbereitungsmittels erhöht sich die Konzentration des Gases. Daher können durch die Umlauf-Betriebsart Lösungen mit höheren Konzentrationen hergestellt werden. Beispielsweise können flüssige Lösungen hergestellt werden, die ein Gas bis zu dessen Löslichkeitsgrenze enthalten, z.B. können Wasserlösungen hergestellt werden, die Ozon bis zu etwa 25 Gew.% der Lösung enthalten. In bestimmten Ausführungsformen können sowohl Gas als auch Flüssigkeit umlaufen gelassen werden.
Die Fluidaufbereitungsanordnung in der Umlauf-Betriebsart beinhaltet im Allgemeinen ein Flüssigkeitsbad oder -tank. Ein Sensor, der die Konzentration des gelösten Stoffes, z.B.
Ozon, misst, kann an einem Auslass des Tankes angeordnet sein. Jeder beliebige geeignete Sensor kann eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein UV-Sensor eingesetzt werden, um Ozon zu messen. Die Flüssigkeit wird aus dem Tank zu dem Einlass des Fluidaufbereitungselementes gepumpt. Die Flüssigkeit tritt aus dem Fluidaufbereitungselement aus und kehrt zu dem Tank zurück.
Die Flüssigkeit und das Gas können mit jedem geeigneten Durchsatz oder Druck hindurchgeleitet werden. Beispielsweise kann Wasser mit einem Durchsatz von bis zu etwa 40 lpm, typischerweise von etwa 1 lpm bis etwa 30 lpm und vorzugsweise mit einem Durchsatz von etwa 8 lpm bis etwa 20 lpm durchgeleitet werden; und das Gas, z.B. Ozon, kann mit einem Durchsatz von bis zu etwa 8 slpm, typischerweise von etwa 1 slpm bis etwa 4 slpm und vorzugsweise von etwa 2 bis 3 slpm durchgeleitet werden. Der Flüssigkeitsdruck wird von dem Durchsatz der Flüssigkeit abhängen. Beispielsweise kann der Flüssigkeitsdruck mehr als etwa 14 kPa (2 psi), typischerweise etwa 34 kPa (5 psi) bis etwa 207 kPa (30 psi) und vorzugsweise etwa 138 kPa (20 psi) bis etwa 172 kPa (25 psi) betragen. So kann beispielsweise der Flüssigkeitseingangsdruck etwa 34 kPa (5 psi) bis etwa 69 kPa (10 psi) betragen, wenn der Durchsatz der austretenden Flüssigkeit etwa 16 lpm bis etwa 20 lpm beträgt.
Der Gasdruck kann größer als etwa 0,7 kPa (0,1 psi), typischerweise etwa 21 kPa (3 psi) bis etwa 172 kPa (25 psi) und vorzugsweise etwa 103 kPa (15 psi) bis etwa 152 kPa (22 psi) betragen. Das Fluidaufbereitungsmittel ist im Allgemeinen undurchlässig für die Flüssigkeit. Beispielsweise kann das Mittel liquophob sein, sodass die Flüssigkeit das Fluidaufbereitungsmittel nicht benetzt. Der Gasdruck ist kleiner als der Flüssigkeitsaustrittsdruck.
Das Gas, z.B. ein Gemisch aus Ozon und Sauerstoff, wird an der anderen Seite des Fluidaufbereitungsmittels eingelassen und entlang dieser geleitet. Ozon kann mittels eines Ozon-Erzeugers vom Typ der elektrischen Entladung erzeugt werden. Die Konzentration an Ozon kann größer als etwa 1 g/m³ sein und liegt typischerweise in dem Bereich von etwa 50 bis etwa 250 g/m³ und vorzugsweise von etwa 150 bis etwa 250 g/m³. Das Gas kann im Gleichstrom oder im Gegenstrom eingelassen werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine Fluidaufbereitungsanordnung zum Entgasen einer Flüssigkeit, die ein gelöstes Gas enthält, der Gaskontaktanordnung ähnlich sein, wobei jede ein Fluidaufbereitungselement beinhaltet. Die Entgasungsanordnung kann ferner eine Flüssigkeitsversorgung, die mit dem ersten Strömungsweg verbunden ist, und einen Druckunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Strömungsweg beinhalten. Der Druckunterschied kann in geeigneter Weise, beispielsweise durch Verbinden des zweiten Strömungsweges mit einer Vakuumquelle, erzeugt werden. Alternativ kann der erste Strömungsweg bei einem höheren Druck als der zweite Strömungsweg gehalten werden, indem ein Druckregler bereitgestellt wird. Der erste und der zweite Strömungsweg können mit zwei unabhängigen Druck- oder Vakuumquellen verbunden und auf den gewünschten Druckunterschied reguliert werden.
So kann Wasser entgast werden, um gelösten Sauerstoff zu entfernen. Es ist möglich, eine Sauerstoffkonzentration in Wasser von kleiner als einige wenige Teile pro Milliarden (ppb), vorzugsweise 1 ppb Sauerstoff oder weniger, zu erreichen. In bestimmten Ausführungsformen kann zuerst eine Flüssigkeit entgast und dann ein zweites Gas gelöst werden. Beispielsweise kann Wasser entgast werden, um den gelösten Sauerstoff zu entfernen, und HF oder HCl können dann gelöst werden.
In der oben beschriebenen Gaskontakt- oder Entgasungsanordnung ist das Fluidaufbereitungselement vorzugsweise zylindrisch, wie in 23 gezeigt. Ferner führen der erste und der zweite Strömungsweg entlang der Fluidaufbereitungsschicht in jeder beliebigen geeigneten Richtung, vorzugsweise in entgegengesetzte Richtungen. Das Fluidaufbereitungsbündel des Fluidaufbereitungselementes beinhaltet vorzugsweise mindestens zwei Abflussschichten, wobei sich eine erste Abflussschicht auf der ersten Seite des Fluidaufbereitungsmittels befindet und eine zweite Abflussschicht sich auf der zweiten Seite des Fluidaufbereitungsmittels befindet und der erste und der zweite Strömungsweg durch die erste bzw. zweite Abflussschicht führen. Die Abflussschichten können aus gewebtem oder ungewebtem Netz, vorzugsweise ungewebtem Netz, bestehen. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Fluidaufbereitungsschicht sich axial erstreckende, übereinandergelegte Falten auf, wie vorher beschrieben.
Die Fluidaufbereitungsbaugruppe kann aus beliebigen geeigneten Materialien konstruiert sein, wie z.B. Metallen, Kunststoffen, Elastomeren und/oder keramischen Stoffen. Zur Benutzung in einer schwierigen Umgebung, wie z.B. bei Berührung mit aggressiven oder ätzenden Gasen oder Flüssigkeiten, ist das Material der Wahl vorzugsweise ein stabiles Polymer, z.B. ein Fluorpolymer. So können beispielsweise die Komponenten des Fluidaufbereitungselementes, wie z.B. die Fluidaufbereitungsschicht oder -mittel, jede Abflussschicht, Dämpfungsschicht, Hüllteil, Korb, Rohr, Kern, Pfropfen und Endkappen, aus einem fluorpolymeren Material, vorzugsweise einem perfluorpolymeren Material aufgebaut sein.
Jedes beliebige geeignete fluorpolymere Material, z.B. ein Homopolymer oder ein Copolymer, das Tetrafluorethylen-(TFE)-Monomer umfasst, kann benutzt werden. Ein Beispiel für solch ein Homopolymer ist Polytetrafluorethylen (PTFE).
Ein Beispiel für ein Copolymer ist eines, das TFE und mindestens ein Monomer umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Perfluoralkylvinylether, Perfluoralkoxydioxol und Perfluorolefin mit 3 oder mehr Kohlenstoffatomen besteht. Ein Beispiel für einen Perfluoralkylvinylether ist Perfluormethylvinylether oder Perfluorpropylvinylether. Ein Beispiel für ein Pertluoralkoxydioxol ist Perfluor-2,2-dimethyl-1,3-dioxol. Ein Beispiel für ein Perfluorolefin ist Perfluorpropylen. Beispiele für geeignete Copolymere sind ein Copolymer von TFE und Perfluoralkylvinylether (PFA), ein Copolymer von TFE und Perfluor-2,2-dimethyl-1,3-dioxol (PDD) und Copolymer von TFE und Perfluorpropylen, wie z.B. FEP-Copolymer.
Copolymere, die ein TFE-Monomer umfassen, weisen einen Schmelz- oder Erweichungspunkt auf, der niedriger ist als derjenige von PTFE und/oder lassen sich in der Schmelze oder in Lösung leichter verarbeiten. Während beispielsweise PTFE einen Schmelzpunkt von 327 °C aufweist, weist ein TFE-FEP-Copolymer einen Schmelzpunkt von 260 °C, ein TFE-PFA-Copolymer einen Schmelzpunkt von 305 °C und TFE-PDD-Copolymer einen Schmelzpunkt von 285 °C auf. Die PTFE- und FEP-Copolymere sind von gewerblichen Polymerherstellern, z.B. der DuPont Co. in Wilmington, DE erhältlich.
Zu geeigneten Copolymeren von TFE und PDD gehören diejenigen, die im Handel als Copolymere TEFLON AF^TM 1600 und AF 2400 von der DuPont Co. erhältlich sind. Das Copolymer AF 1600 weist einen angegebenen PDD-Gehalt von etwa 65 Mol% und einen TFE-Gehalt von etwa 35 Mol% auf, und das Copolymer AF 2400 weist einen angegebenen PDD-Gehalt von etwa 85 Mol% und einen TFE-Gehalt von etwa 15 Mol% auf.
Die Fluidaufbereitungsschicht des Fluidaufbereitungselementes, das in den obigen Gaskontakt- oder Entgasungsanordnungen eingesetzt wird, beinhaltet vorzugsweise eine mikroporöse oder feinere Membran. Ferner umfasst die Fluidaufbereitungsschicht, insbesondere die mikroporöse Membran, vorzugsweise PTFE. Die mikroporöse Membran kann eine Poren-Nennweite von mehr als 0,01 μm, typischerweise eine mittlere Poren-Nennweite von etwa 0,01 μm bis etwa 10,0 μm und vorzugsweise eine mittlere Poren-Nennweite von etwa 0,05 μm bis etwa 0,2 μm aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Fluidaufbereitungsmittel eine unporöse Membran.
Die Gaskontaktanordnungen können eingesetzt werden, um jedes beliebige geeignete Gas in jeder beliebigen geeigneten Flüssigkeit zu lösen. Zu den Gasen gehören typischerweise aggressive oder reaktionsfähige Gase, wie z.B. Oxidationsmittel, Reduktionsmittel, Desinfizierungsmittel, Säuren und Basen. Beispiele für solche Gase sind Ozon, Sauerstoff, ClO₂, CO₂, HCl, HF, NH₃ und Kombinationen davon. Diese Gase können reine Gase oder Gase in Kombination mit anderen Gasen, z.B. Inertgasen wie Stickstoff oder Argon, sein. Beispiele für geeignete Flüssigkeiten sind Wasser, z.B. entionisiertes Wasser, ätzende Flüssigkeiten, wie z.B. Lösungen von Säuren oder Alkalien, z.B. Schwefelsäure oder ein Alkalimetallhydroxid. Beispielsweise ist Salz- oder Schwefelsäure wirkungsvoll zum Entfernen von metallischen Stoffen. Wenn sie mit Ozon kombiniert wird, das organische Stoffe wirksam zerstört, kann die entstehende Ozon-Säure-Lösung wirkungsvoll metallische Stoffe ebenso wie organische Stoffe in einem einzigen Durchlauf entfernen.
Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können benutzt werden, um ein gelöstes Gas von einer Flüssigkeit zu einer anderen zu übertragen. Die Masse- oder Materialübertragung durch das Fluidaufbereitungsmittel kann durch Schaffen eines geeigneten Gradienten, z.B. eines Konzentrationsgradienten, eines Druckgradienten, eines Temperaturgradienten oder einer Kombination davon, erreicht werden.
Eine Fluidaufbereitungsanordnung oder -element kann benutzt werden, um für die Fähigkeit zur Chemikalienerzeugung am Nutzungsort zu sorgen. Beispielsweise kann ein Gaszylinder, der eine Chemikalie, z.B. ein ätzendes Gas wie HF, enthält, zu einer chemischen Herstellungsanlage transportiert werden, anstatt ein großes Volumen einer verdünnten Lösung von HF in Wasser zu transportieren. Der Hersteller kann dann unter Benutzung des Fluidaufbereitungselementes das Gas mit Wasser in Kontakt bringen und die Lösung mit der gewünschten Konzentration herstellen. Dies kann zu möglichen Kosteneinsparungen für den Hersteller, z.B. bei den Transportkosten, führen.
Ferner ist in bestimmte Verfahren, z.B. biologischen, pharmazeutischen, Getränke- und/oder Nahrungsmittelherstellungsverfahren, die Zugabe eines Gases zu dem Reaktionsgemisch einbezogen, um eine Reaktion zu beschleunigen oder zu beenden. Wünschenswerterweise wird solch eine Zugabe von Gas so durchgeführt, dass Bläschen vermieden werden, da Bläschen gewöhnlich die Reaktion oder die Reagenzien beeinträchtigen oder stören. Beispielsweise können Bläschen zur Schaumbildung beitragen. Die Scherkräfte des Schaums können das Bakterium oder die Hefe schädigen, die an dem Gärverfahren beteiligt ist. Eine Fluidaufbereitungsanordnung wie hierin beschrieben, kann Gase ohne bedeutende Schaum- oder Bläschenbildung zu Reaktionen oder Verfahren übertragen. Die Fluidaufbereitungselemente können auch als künstliche Lungen dienen. Die Übertragung von Gasen wie CO₂ zu Wasser, z.B. Wasser, das in der Mikroelektronikindustrie benutzt wird, kann einen bequemen Weg bereitstellen, um die Leitfähigkeit von Wasser ohne Zugeben von Ionen, wie z.B. Metallionen; einzustellen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein Verfahren zum Kontaktieren einer Flüssigkeit mit einem Gas, das in der Flüssigkeit löslich ist, das Bereitstellen einer Fluidaufbereitungsbaugruppe, die eine gefaltete Fluidaufbereitungsschicht umfasst, die eine erste und eine zweite Seite aufweist und einen ersten Strömungsweg und einen zweiten Strömungsweg entlang der ersten bzw. der zweiten Seite definiert, das Leiten des Gases entlang des ersten Strömungsweges; das Leiten der Flüssigkeit entlang des zweiten Strömungsweges; und das Leiten mindestens eines Teils des Gases durch das Fluidaufbereitungselement, um eine Lösung des Gases in der Flüssigkeit zu erhalten.
Gemäß einer noch anderen Ausführungsform kann ein Verfahren zum Entgasen einer Flüssigkeit, die ein gelöstes Gas enthält, das Bereitstellen einer Fluidaufbereitungsbaugruppe, die eine gefaltete Fluidaufbereitungsschicht umfasst, die eine erste und eine zweite Seite aufweist und einen ersten Strömungsweg und einen zweiten Strömungsweg entlang der ersten bzw. der zweiten Seite definiert; das Leiten der Flüssigkeit entlang der ersten Seite der Fluidaufbereitungsschicht bei einem ersten Druck; und das Übertragen mindestens eines Teils des Gases von der Flüssigkeit auf die zweite Seite der Fluidaufbereitungsschicht bei einem zweiten, niedrigeren Druck, wodurch ein Druckunterschied zwischen der ersten und der zweiten Seite der Fluidaufbereitungsschicht erzeugt wird, umfassen. Der Druckunterschied kann wie oben beschrieben erzeugt werden, z.B. durch Anlegen eines Vakuums an die Fluidaufbereitungsbaugruppe, um so mindestens einen Teil des Gases von der Flüssigkeit auf die andere von der ersten Seite und der zweiten Seite der Fluidaufbereitungsschicht zu übertragen.
Das Gas und die Flüssigkeit können in einer beliebigen geeigneten Richtung, im Gleichstrom oder vorzugsweise im Gegenstrom, aneinander vorbei fließen. Die Lösungen, die mittels der Ausführungsformen des Verfahrens hergestellt werden, können frei oder im Wesentlichen frei von Bläschen sein. Die Übertragung von Gas quer durch die Membran erfolgt im Wesentlichen durch diffusive und Druckdifferenz-Mechanismen.
Bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der Fluidaufbereitungselemente können frei von O-Ringen oder Klebstoffen sein. Alle Baumaterialien können Fluorpolymere sein. In bestimmten Ausführungsformen beinhaltet das Fluidaufbereitungselement Komponenten, die schmelzverbunden sind. Dementsprechend geben viele der Ausführungsformen der Fluidaufbereitungselemente keine organischen oder anorganischen Stoffe in das (die) Verfahrensfluid(e) ab.
Ferner sind die Fluidaufbereitungselemente, die gefaltete Fluidaufbereitungsbündel beinhalten, mechanisch robuster. Beispielsweise sind die Fluidaufbereitungselemente frei von Problemen wie Faserbruch oder Blockieren, die bei Hohlfaserelementen angetroffen werden.
Ausführungsformen von Fluidaufbereitungselemente können zur Übertragung von Gasen zu wässrigen oder polaren Flüssigkeiten während längerer Zeiträume, vorzugsweise bei mäßigen oder geringen Transmembrandrücken, kontinuierlich betrieben werden. So können beispielsweise Fluidaufbereitungselemente ganz aus Fluorpolymer kontinuierlich ohne bedeutende Verminderung der Gasübertragung betrieben werden. Wenn der Transmembrandruck groß ist, z.B. größer als 310 kPa (45 psi), kann eine 0,2-μm-Mikroporenmembran von dem wässrigen oder polaren Fluid benetzt werden und eine bedeutende Verminderung der Gasdurchflussmenge, z.B. der Ozondurchflussmenge, kann festgestellt werden.
Wenn eine Vielzahl an Fluidaufbereitungselementen gleichzeitig betrieben werden soll, kann es vorteilhaft sein, anstatt alle Elemente in einem einzelnen Gehäuse anzuordnen, die Elemente in Modulen anzuordnen, die fluidisch miteinander verbunden werden können, um eine Baugruppe von einer gewünschten Größe zu bilden. Eine Vielzahl von Modulen kann billiger herzustellen sein als ein einzelnes großes Gehäuse, in dem eine gleiche Zahl von Fluidaufbereitungselementen untergebracht ist, und kann größere Flexibilität im Betrieb gestatten, indem ermöglicht wird, jede gewünschte Zahl von Fluidaufbereitungselementen gleichzeitig wirkungsvoll zu betreiben. Die 26 bis 29 stellen eine Ausführungsform einer Fluidaufbereitungsbaugruppe dar, wie z.B. eine Filterbaugruppe 1060, bei der eine Vielzahl von Fluidaufbereitungsmodulen 1100 miteinander verbunden ist, um so das selbe Fluid gleichzeitig aufzubereiten.
26 ist eine isometrische Ansicht der Fluidaufbereitungsbaugruppe 1060 in einem zusammengebauten Zustand. Wie in dieser Figur gezeigt, beinhaltet die Baugruppe 1060 eine Vielzahl von Fluidaufbereitungsmodulen 1100, die nebeneinander verbunden sind. Bei der Baugruppe 1060 gibt es keine Einschränkung hinsichtlich der Anzahl der Module 1100. Ein Vorteil der Module 1100 ist, dass jede gewünschte Anzahl miteinander verbunden werden kann, jedoch kann eine Baugruppe 1060 auch nur ein einziges Modul 1100 aufweisen. Die dargestellten Fluidaufbereitungsmodule 1100 sind strukturell identisch miteinander, können sich jedoch von Modul zu Modul strukturell unterscheiden. An einem oder an beiden Enden der Baugruppe 1060 sind Fluidleitungen 1073, wie z.B. Röhren, zum Zu- und Abführen von Fluid zu bzw. aus der Baugruppe 1060, angebracht. Die dargestellte Baugruppe 1060 beinhaltet acht Leitungen 1073 (vier an jedem Längsende der Baugruppe 1060), jedoch kann eine unterschiedliche Anzahl von Leitungen 1073 eingesetzt werden.
Der Typ von Fluid, der in einer gegebenen Leitung 1073 transportiert werden kann, und die Strömungsrichtung durch die Leitung 1073 können in Abhängigkeit von der Betriebsart der Baugruppe 1060 variieren. Während die Leitungen 1073 an einem einzelnen Ende der Baugruppe 1060 angebracht sein können, kann es möglich sein, das Fluid gleichmäßiger auf die Module 1100 zu Verfeilen, wenn an beiden Enden der Baugruppe 1060 Leitungen 1073 vorhanden sind. Die Leitungen 1073 können mit nicht dargestellten Ventilen zum Regulieren der Fluidströmung durch sie hindurch ausgestattet sein. Die Module 1100 sind in den Figuren als senkrecht ausgerichtet gezeigt, können jedoch jede gewünschte Ausrichtung mit Bezug auf die Senkrechte aufweisen.
28 ist eine teilweise auseinandergezogene isometrische Ansicht einer Gruppe der Module 1100 der Baugruppe 1060 von 27, und 29 und 30 sind senkrechte Querschnittsansichten eines der Module 1100. Wie in diesen Zeichnungen gezeigt, beinhaltet jedes Modul 1100 ein Gehäuse 1110 mit einem ersten Kopfstück 1120, einem zweiten Kopfstück 1130, das von dem ersten Kopfstück 1120 beabstandet ist, und einen hohlen Mantel 1140, der sich zwischen dem ersten und dem zweiten Kopfstück 1120, 1130 erstreckt. Jedes Modul 1100 beinhaltet ferner ein oder mehrere Fluidaufbereitungselemente 1150, die in dem Gehäuse 1110 in Verbindung miteinander und mit den Kopfstücken 1120, 1130 eingebaut sind.
Jedes Kopfstück 1120, 1130 eines Moduls 1100 dient dazu, das Modul 1100 mit einem Kopfstück eines oder mehrerer angrenzender Module 1100 fluidisch zu verbinden und den Innenraum des Gehäuses 1110 jedes Moduls 1100 mit seiner Außenseite fluidisch zu verbinden. In dieser Ausführungsform weist das erste Kopfstück 1120 eine erste und eine zweite parallele Bohrung 1121 und 1122 auf, die sich durch dieses hindurch zwischen gegenüberliegenden Außenoberflächen erstrecken. Die erste Bohrung 1121 ist durch einen Verbindungskanal 1124 mit der unteren Oberfläche des ersten Kopfstückes 1120 fluidisch verbun den, und die zweite Bohrung 1122 ist durch einen anderen Verbindungskanal 1125 mit einer Aussparung 1123, die zum Aufnehmen eines Fluidaufbereitungselementes 1150 in der unteren Oberfläche des ersten Kopfstückes 1120 gebildet ist, verbunden. In ähnlicher Weise weist das zweite Kopfstück 1130 eine erste und eine zweite Bohrung 1131 und 1132 auf, die sich durch dieses hindurch zwischen gegenüberliegenden Außenflächen erstrecken.
Die erste und die zweite Bohrung 1131, 1132 sind mit einer Aussparung 1133 zum Aufnehmen eines Fluidaufbereitungselementes 1150, die in der oberen Oberfläche des zweiten Kopfstückes 1130 gebildet ist, mittels zweier Verbindungskanäle 1134 bzw. 1135 fluidisch verbunden. Die Bohrungen sind als sich entlang gerader Linien parallel zueinander erstreckend gezeigt, jedoch sind die Richtungen entlang derer die Bohrungen sich erstrecken, nicht eingeschränkt. Die dargestellten Bohrungen weisen einen kreisförmigen transversalen Querschnitt auf, jedoch ist die Form der Bohrungen ebenfalls nicht eingeschränkt. Zusätzlich zu den Bohrungen können die Kopfstücke 1120, 1130 mit verschiedenen Durchgangslöchern oder Aussparungen ausgebildet sein, die benutzt werden können, um das Gewicht der Kopfstücke zu verringern, um für bessere Kühlung der Kopfstücke zu sorgen oder Fluide zu transportieren. Die dargestellten Kopfstücke 1120, 1130 weisen eine rechteckige transversale Querschnittsgestalt auf, können jedoch jede beliebige Gestalt aufweisen, die ermöglicht, dass die Module 1100 nebeneinander miteinander verbunden werden können.
Der Mantel 1140 jedes Gehäuses 1110 isoliert das eine oder die mehreren Fluidaufbereitungselemente 1150 innerhalb des Gehäuses 1110 von dessen Außenseite. Der Mantel 1140 kann jede beliebige Gestalt aufweisen, die ermöglicht, dass er die Fluidaufbereitungselemente 1150 umgibt. Beispielsweise kann er eine transversale Querschnittsgestalt aufweisen, die kreisförmig, vieleckig oder von anderer Gestalt ist, und die transversale Querschnittsgestalt kann über der Länge des Mantels 1140 variieren. Der Mantel 1140 kann fest mit einem oder beiden Kopfstücken 1120, 1130 verbunden sein oder abnehmbar mit einem oder beiden Kopfstücken verbunden sein, um zu ermöglichen, die Fluidaufbereitungselemente 1150 aus dem Gehäuse 1110 zu entfernen und zu ersetzen. In der vorliegenden Ausführungsform ist jedes Längsende des Mantels 1140 in einen zylindrischen Kranz 1128, 1138 eingeführt, der an den Kopfstücken 1120 bzw. 1130 gebildet ist, und in einer fluiddichten Weise mit den Kränzen verbunden, wie z.B. durch Verkleben oder Schmelzverbinden.
Das Gehäuse 1110 eines Moduls 1100 kann aus jedem beliebigen Material hergestellt sein, das mit dem Fluid, das aufbereitet wird, kompatibel ist, einschließlich – aber nicht beschränkt auf – Metallen und Polymeren, einschließlich z.B. der vorher beschriebenen Fluor polymere. Das Gehäuse 1110 kann wiederverwendbar sein, oder es kann verworfen oder rezykliert werden, wenn die Fluidaufbereitungselemente 1150 in dem Modul 1100 das Ende ihrer Nutzungsdauer erreichen, wodurch die Ausgabe für den Ersatz der Fluidaufbereitungselemente 1150 in dem Modul 1100 eingespart wird.
Die Fluidaufbereitungselemente 1150 sind nicht auf einen bestimmten Typ eingeschränkt. Beispielsweise können sie zum statischen Betrieb, zu Querstrombetrieb oder zu beiden vorgesehen sein. Die dargestellten Gehäuse 1110 sind konstruiert, um zu ermöglichen, dass die Fluidaufbereitungselemente 1150 mittels Querstromreinigen wirkungsvoll gereinigt werden, jedoch können die Gehäuse 1110 auch mit Fluidaufbereitungselementen eingesetzt werden, die nicht zur Reinigung in dieser Weise vorgesehen sind. Die dargestellten Fluidaufbereitungselemente 1150 können denjenigen, die in 5 dargestellt sind, strukturell ähnlich sein. Jedes Fluidaufbereitungselement 1150 beinhaltet ein gefaltetes Fluidaufbereitungsbündel 1151, einen Kern 1152, der von dem Fluidaufbereitungsbündel 1151 umgeben ist, ein nicht dargestelltes Hüllteil, das um das Fluidaufbereitungsbündel 1151 herumgewickelt ist, und eine erste und eine zweite Endkappe 1156 bzw. 1158, die an entgegengesetzten Enden des Fluidaufbereitungselementes 1150 angeordnet sind. Das Fluidaufbereitungsbündel 1151 kann demjenigen der Ausführungsform von 1 strukturell ähnlich sein. Beispielsweise kann es einen dreischichtigen Verbundwerkstoff aus einer Fluidaufbereitungsschicht, einer äußeren Abflussschicht, die auf der radial äußeren Seite der Fluidaufbereitungsschicht angeordnet ist, und einer inneren Abflussschicht, die auf der radial inneren Seite der Fluidaufbereitungsschicht angeordnet ist, umfassen. Der Verbundwerkstoff kann in jeder beliebigen der Weisen, die mit Bezug auf 1 beschrieben sind, zu sich axial erstreckenden, übereinandergelegten Falten ausgebildet sein. Die Falten können beispielsweise durch das Hüllteil in einem übereinandergelegten Zustand bewahrt werden.
Jeder der dargestellten Kerne 1152 ist an jedem seiner Längsenden offen und beinhaltet einen perforierten Teilabschnitt 1153 an jedem seiner Längsenden und einen blinden Teilabschnitt 1154, durch den Fluid nicht hindurchtreten kann und der sich zwischen den perforierten Teilabschnitten 1153 erstreckt. Jeder der perforierten Teilabschnitte 1153 weist eine rohrförmige Wand auf, die mit Perforationen oder anderen Öffnungen ausgebildet ist, durch die Fluid zwischen dem Innenraum des Kernes 1152 und dem Fluidaufbereitungsbündel 1151 hindurchtreten kann, während der blinde Teilabschnitt 1154 eine periphere Wand aufweist, durch die Fluid nicht hindurchtreten kann. Der blinde Teilabschnitt 1154 kann dem Kern 120 von 5 strukturell ähnlich sein und ein hohles Rohr und eine elastische Schicht beinhalten, die das Rohr umgibt, um die dreieckigen Spalten zwischen aneinandergrenzen den Schenkeln der Falten entlang der inneren Peripherie des Filterbündels 1151 auszufüllen. Ein oder beide Enden des blinden Teilabschnittes 1154 sind mittels eines Pfropfens 1155 oder in einer beliebigen anderen geeigneten Weise abgedichtet, um Fluid daran zu hindern, entlang der Innenseite des Kernes 1152 zu fließen. Die Länge des blinden Teilabschnittes 1154 im Verhältnis zu der Gesamtlänge des Kernes 1152 kann jeden geeigneten Wert aufweisen, wie z.B. den gleichen wie in der Ausführungsform von 5.
Die Längs-Endflächen jedes Fluidaufbereitungsbündels 1151 sind durch die Endkappen 1156 und 1158 oder in jeder beliebigen anderen geeigneten Weise abgedichtet, sodass Fluid durch den Kern 1152 und nicht durch die Längs-Endflächen in das Fluidaufbereitungselement 1150 eintreten oder aus diesem austreten wird. Die Endkappen 1156 und 1158 können, brauchen aber nicht, an dem Kern 1152 befestigt zu sein. Jede der ersten und der zweiten Endkappen 1156 ist zum Einrücken in eines der Kopfstücke 1120 oder 1130 des Gehäuses 1110 ausgestaltet, und jede der zweiten Endkappen 1158 ist so konstruiert, dass sie zur Verbindung, entweder fest oder abnehmbar, mit der zweiten Endkappe 1158 des angrenzenden Fluidaufbereitungselementes 1150 in einer fluiddichten Weise in der Lage ist. Die zweiten Endkappen 1158 können unmittelbar miteinander verbunden oder durch ein geeignetes Verbindungsteil, das zwischen ihnen angeordnet ist, verbunden sein. Das dargestellte Gehäuse 1110 enthält zwei Fluidaufbereitungselemente 1150, die in Reihe miteinander verbunden sind, kann aber stattdessen ein einzelnes Fluidaufbereitungselement 1150 oder mehr als zwei Fluidaufbereitungselemente 1150 enthalten.
Jedes Fluidaufbereitungselement 1150 kann mit einem der Kopfstücke 1120, 1130 in jeder beliebigen Weise fluidisch verbunden sein, die ermöglicht, dass Fluid zwischen dem Kern 1152 des Fluidaufbereitungselementes 1150 und einer der Bohrungen in den Kopfstücken fließt. Die Fluidaufbereitungselemente 1150 können entweder fest oder abnehmbar mit den Kopfstücken 1120, 1130 verbunden sein. In der vorliegenden Ausführungsform ist die erste Endkappe 1156 jedes Fluidaufbereitungselementes 1150 mit einem Kragen 1157 ausgestattet, der in die Aussparung von einem der Kopfstücke 1120, 130 eingeführt werden kann, um fluidisch mit einer oder mehreren der Bohrungen in dem Kopfstück in Verbindung zu stehen. Die erste Endkappe 1156 kann in jeder beliebigen geeigneten Weise dicht mit dem Kopfstück verbunden sein, in das sie einrückt. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein O-Ring oder ein anderes Abdichtteil an der Außenseite des Kragens 1157 der ersten Endkappe 1156 angebracht und bildet eine Kolbendichtung gegenüber der Innenseite der Aussparung, in welche der Kragen 1157 eingesetzt ist.
Die Aufgaben der Bohrungen in den Kopfstücken 1120, 1130 können in Abhängigkeit von der Betriebsart der Fluidaufbereitungselemente 1150 variieren. Wenn die Fluidaufbereitungselemente 1150 zur statischen Filtration benutzt werden, kann Verfahrensfluid durch eine oder beide von den zweiten Bohrungen 1122, 1132 eingebracht werden und Filtrat aus der ersten Bohrung 1121 in dem ersten Kopfstück 1120 entfernt werden, oder Verfahrensfluid kann durch die erste Bohrung 1121 in dem ersten Kopfstück 1120 eingebracht werden und Filtrat durch eine oder beide von den zweiten Bohrungen 1122, 1132 entfernt werden.
Wenn die Fluidaufbereitungselemente 1150 zur Querstromfiltration benutzt werden, kann Verfahrensfluid durch eine von den zweiten Bohrungen 1122 und 1132 eingebracht werden, Retentat aus der anderen der zweiten Bohrungen entfernt werden und Permeat aus der ersten Bohrung 1121 in dem ersten Kopfstück 1120 entfernt werden. Wenn die Fluidaufbereitungselemente 1150 dem Rückspülen unterworfen werden sollen, kann Rückspülfluid aus jeder beliebigen der Bohrungen eingebracht werden, die sich auf der Seite befinden, die bei der Filtration die Abstromseite des Fluidaufbereitungselemente 1150 ist, und kann aus einer oder mehreren beliebigen Bohrungen auf der Seite entfernt werden, die bei der Filtration die Anstromseite des Fluidaufbereitungselement 1150 ist.
Wenn die Fluidaufbereitungselemente 1150 dem Querstromreinigen unterworfen werden sollen, kann ein Querstrom-Reinigungsfluid, wie z.B. ein Gemisch aus Gas und Flüssigkeit, durch eine oder beide von den Bohrungen 1131, 1132 in dem zweiten Kopfstück 1130 in die Fluidaufbereitungselemente 1150 eingebracht und das Reinigungsfluid durch die zweite Bohrung 1122 in dem ersten Kopfstück 1120 entfernt werden. Alternativ kann ein Querstrom-Reinigungsfluid durch die zweite Bohrung 1122 in dem ersten Kopfstück 1120 in die Fluidaufbereitungselemente 1150 eingebracht und durch die zweite Bohrung 1132 in dem zweiten Kopfstück 1130 entfernt werden. Vorzugsweise wird jedoch das Gemisch aus Luft und Gas, welches das Reinigungsfluid umfasst, an dem Ende des Filterelementes 1150 in der Aussparung 1133 gebildet, indem durch die erste Bohrung 1131 und Verbindungskanal 1134 des zweiten Kopfstücks 1130 nur Gas zugeführt wird und durch die zweite Bohrung 1132 und Verbindungskanal 1135 nur Flüssigkeit zugeführt wird. Da durch den Verbindungskanal 1134 nur das Gas zugeführt wird, kann er kleiner als der andere Verbindungskanal sein. Um Flüssigkeit daran zu hindern, in die erste Bohrung 1131 zu fließen, kann der Verbindungskanal 1134 mit einem Absperrventil ausgestattet sein. Beispielsweise kann Luft durch die erste Bohrung 1131 und Verbindungskanal 1134 zugeführt werden und Wasser durch die zweite Bohrung 1132 und Verbindungskanal 1135 zugeführt werden. Die Luft und das Wasser werden vorzugsweise beide mit etwa dem gleichen Druck zugeführt, z.B. bis etwa 240 kPa (35 psi), und werden in der Aussparung 1133 vermischt, bevor sie in die Filterelemente 1150 eintreten. Das Vermischen des Gases und der Flüssigkeit am Ende der Filterelemente 1150 erhöht die Wirksamkeit des Reinigungsfluids beträchtlich. Die erste Bohrung 1131 in dem zweiten Kopfstück 1130 kann zu anderen Zwecken als der Einbringung von Gas in das Reinigungsfluid benutzt werden, jedoch wird die erste Bohrung 1131 normalerweise nur beim Querstromreinigen und nicht in anderen Betriebsarten benutzt.
Die Module 1100 können in jeder beliebigen Weise entweder fest oder abnehmbar miteinander verbunden sein, die gestattet, dass Fluid zwischen den entsprechenden Bohrungen zweier aneinandergrenzender Module 1100 fließt. In der vorliegenden Ausführungsform ist jedes Kopfstück 1120, 1130 mit einem Loch 1127, 1137 ausgestattet, durch das ein Bolzen 1160 geführt werden kann, um die Kopfstücke aneinandergrenzender Module 1100 abnehmbar aneinander zu befestigen. Ein Dichtungsring 1161 oder ein anderes Abdichtteil kann zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen aneinandergrenzender Kopfstücke 1120, 1130 angeordnet sein, um Fluid zu ermöglichen, ohne Leckage zwischen aneinandergrenzenden Kopfstücken zu fließen. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Endoberfläche jeder Bohrung in jedem Kopfstück eingelassen, um einen der Dichtungsringe 1161 aufzunehmen, der zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der Kopfstücke 1120, 1130 zusammengedrückt ist, um eine Abdichtung zu bilden. Obwohl in der veranschaulichten Ausführungsform nicht eingesetzt, ist es möglich, ein Rohr oder eine andere Leitung zwischen aneinandergrenzenden Modulen 1100 anzuordnen, um diese fluidisch miteinander zu verbinden.
Die Baugruppe 1060 kann mit einem Rahmen oder einer anderen Struktur ausgestattet sein, um ihr größere Steifigkeit zu verleihen. In der vorliegenden Ausführungsform werden die Module 1100 durch einen Rahmen 1070 gestützt. Zwei Endplatten 1071, die jede vier der Leitungen 1073 aufweisen, die daran angebracht sind, sind an entgegengesetzten Enden der Baugruppe 1060 angeordnet. Jede Endplatte 1071 ist mittels Nivellierschrauben 1072 an einem Ende der Baugruppe 1060 in dichtende Berührung mit einem Modul 1100 gedrückt. Fluid kann von jeder Leitung 1073 in eine Bohrung von einem der Kopfstücke des angrenzenden Moduls 1100 fließen und dann durch die ausgerichteten Bohrungen in jedes der anderen Module 1100 der Baugruppe 1000 fließen.
Die Fluidaufbereitungsbaugruppe 1070 kann in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden. Zur Durchführung von Querstromfiltration wird ein aufzubereitendes Verfahrensfluid von einem der Kopfstücke 1120, 1130 jedes Moduls 1100 in die Fluidaufbereitungselemente 1150 eingebracht. Als ein Beispiel wird der Fall beschrieben, in dem das Verfahrensfluid aus der zweiten Bohrung 1132 des zweiten Kopfstücke 1130 jedes Moduls 1100 eingebracht wird. Das Verfahrensfluid fließt, nicht erfindungsgemäß, von der zweiten Bohrung 1132 in die erste Endkappe 1156 des unteren Fluidaufbereitungselementes 1150 und dann durch die Perforationen an dem unteren Ende des Kernes 1152 des Fluidaufbereitungselementes 1150 in die innere Abflussschicht des Fluidaufbereitungselementes 1150. Das Verfahrensfluid fließt dann innerhalb der inneren Abflussschicht auf das obere Ende des unteren Fluidaufbereitungselementes 1150 zu. Dabei fließt ein Teil des Verfahrensfluids durch die Fluidaufbereitungsschicht und wird fluidisch aufbereitet und dabei zu Permeat, das zu der Außenseite des Fluidaufbereitungselementes 1150 und dann in die erste Bohrung 1121 des ersten Kopfstückes 1120 fließt. Der Teil des Verfahrensfluids, der das obere Ende des unteren Fluidaufbereitungselementes 1150 erreicht, ohne fluidisch aufbereitet zu werden, fließt durch die Perforationen an dem oberen Ende des Kernes 1152 des unteren Fluidaufbereitungselementes 1150 durch die zweite Endkappe 1158 des unteren Fluidaufbereitungselementes 1150 und in die zweite Endkappe 1158 des oberen Fluidaufbereitungselementes 1150, fließt durch die Perforationen an dem unteren Ende des Kernes 1152 des oberen Fluidaufbereitungselementes 1150 und dann in die innere Abflussschicht des oberen Fluidaufbereitungselementes 1150.
In dem oberen Fluidaufbereitungselement 1150 fließt das Verfahrensfluid innerhalb der inneren Abflussschicht auf das obere Ende des oberen Fluidaufbereitungselementes 1150 zu, wobei ein Teil des Verfahrensfluids durch die Fluidaufbereitungsschicht hindurchtritt und dabei zu Permeat wird, das aus dem oberen Fluidaufbereitungselement 1150 und in die erste Bohrung 1121 des ersten Kopfstückes 1120 fließt. Der Teil des Verfahrensfluids, der nicht durch die Fluidaufbereitungsschicht hindurchtritt, wird als Retentat aus dem oberen Ende des oberen Fluidaufbereitungselementes 1150 in die zweite Bohrung 1122 des ersten Kopfstückes 1120 abgeleitet. Ein ähnliches Verfahren findet in allen anderen Modulen 1100 in der Baugruppe 1060 statt. Das Retentat, das in jedem Modul 1100 aufgefangen wird, fließt durch die ausgerichteten zweiten Bohrungen 1122 der ersten Kopfstücke 1120 und wird durch eine oder mehrere der Leitungen 1073 an den Enden der Baugruppe 1060 aus der Baugruppe 1060 entfernt, und das Permeat, das in jedem Modul 1100 aufgefangen wird, fließt durch die ausgerichteten ersten Bohrungen 1121 der ersten Kopfstücke 1120 und wird durch eine oder mehrere der Leitungen 1073 an den Enden der Baugruppe 1060 aus der Baugruppe 1060 entfernt.
Zum Betreiben der Fluidaufbereitungsbaugruppe 1060 in einer statischen Filtrationsbetriebsart kann Verfahrensfluid aus einer oder beiden von der zweiten Bohrung 1122 in dem ersten Kopfstück 1120 und der zweiten Bohrung 1132 in dem zweiten Kopfstück 1130 in die Fluidaufbereitungselemente 1150 eingebracht werden und Filtrat, das durch die Fluidaufbereitungsschichten der Fluidaufbereitungselemente 1150 hindurchgetreten ist, kann durch die erste Bohrung 1121 in dem ersten Kopfstück 1120 entfernt werden. Wenn Verfahrensfluid nur durch eine von den zweiten Bohrungen 1122 und 1132 eingebracht wird, kann die Innenseite der zweiten Bohrung, die nicht benutzt wird, unter einem Druck gehalten werden, sodass Verfahrensfluid nicht in diese hinein fließen wird. Statische Filtration kann auch durch Einbringen von Verfahrensfluid aus der ersten Bohrung 1121 des ersten Kopfstückes 1120 in jedes Modul 1100 und Entfernen von Filtrat durch eine oder beide von den zweiten Bohrungen 1122, 1132 in dem ersten und dem zweiten Kopfstück 1120, 1130 aus dem Modul 1100 durchgeführt werden.
Zur Durchführung von Rückspülen kann ein Rückspülfluid durch die zweite Bohrung 1122 des ersten Kopfstücks 1120 in ein Modul 1100 eingebracht, radial nach innen durch die Fluidaufbereitungselemente 1150 getrieben und zusammen mit entfernten Teilchen aus einer oder beiden von den ersten Bohrungen 1121 und 1131 des ersten und des zweiten Kopfstücks 1120, 1130 entfernt werden. Alternativ kann das Rückspülfluid durch eine oder beide von den zweiten Bohrungen 1122 und 1132 eingebracht, radial nach außen durch die Fluidaufbereitungselemente 1150 getrieben und dann zusammen mit entfernten Teilchen durch die erste Bohrung 1121 des ersten Kopfstücks 1120 entfernt werden. Als Richtung, in der das Rückspülfluid durch die Fluidaufbereitungselemente 1150 fließt, wird die entgegengesetzte der Richtung gewählt, in der Fluid bei der Filtration zu fließen veranlasst wird.
Bei der Filtration oder beim Rückspülen wird die erste Bohrung 1131 in dem zweiten Kopfstück 1130 typischerweise nicht benutzt. In diesen Situationen können nichtdargestellte Ventile, die mit der ersten Bohrung 1131 in Verbindung stehen, geschlossen werden, um Fluid daran zu hindern, zwischen der Innenseite der ersten Bohrung 1131 und der Innenseite der Aussparung 1133 in dem zweiten Kopfstück 1130 zu fließen, mit der sie verbunden ist.
Zur Durchführung von Querstromreinigen werden ein komprimiertes Gas, wie z.B. Druckluft, durch die erste Bohrung 1131 des zweiten Kopfstückes 1130 in die Aussparung 1133 an dem Ende des unteren Fluidaufbereitungselementes 1150 eingebracht und eine Flüssigkeit, wie z.B. Wasser, beide unter dem gleichen Druck, durch die zweite Bohrung 1132 in die Aussparung 1133 eingebracht. Die Luft und das Wasser werden in der Aussparung 1133 vermischt, um das Reinigungsfluid zu bilden. Das Reinigungsfluid fließt innerhalb der inneren Abflussschicht des unteren Fluidaufbereitungselementes 1150 in einer Längsrichtung des Elementes 1150, fließt aus dem oberen Ende des unteren Fluidaufbereitungselementes 1150 in das obere Fluidaufbereitungselement 1150, fließt innerhalb der inneren Abflussschicht des oberen Fluidaufbereitungselementes 1150 zu dem oberen Ende dieses Elementes, fließt aus dem oberen Ende des oberen Fluidaufbereitungselementes 1150 in die zweite Bohrung 1122 des ersten Kopfstückes 1120 und wird dann durch ein oder beide Enden der Baugruppe 1060 aus der Baugruppe 1060 entfernt. Alternativ kann das komprimierte Gas allein durch die Fluidaufbereitungselemente 1150 hindurchtreten, oder das komprimierte Gas und eine Flüssigkeit können nacheinander durch die Fluidaufbereitungselemente 1150 geleitet werden, wobei jedes Fluid ein- oder mehrmals durch die Fluidaufbereitungselemente 1150 geleitet wird.
Während des Querstromreinigens kann es wünschenswert sein, den Druck in der ersten Bohrung 1121 des ersten Kopfstückes 1120 und in dem Innenraum des Gehäuses 1110, das die Fluidaufbereitungselemente 1150 umgibt, bei einem Druck zu halten, der gleich oder größer als derjenige innerhalb der inneren Abflussschichten der Fluidaufbereitungselemente 1150 ist, sodass das Reinigungsfluid nicht radial nach außen durch die Fluidaufbereitungselemente 1150 getrieben wird.
Obwohl eine Flüssigkeit zusammen mit einem komprimierten Gas durch die erste Bohrung 1131 des zweiten Kopfstückes 1130 eingebracht werden kann, kann es einfacher sein, ein Querstrom-Reinigungsfluid durch die zweite Bohrung 1132 des zweiten Kopfstückes 1130 anstatt durch die erste Bohrung 1131 einzubringen, da der kleine Durchmesser des Verbindungskanals 1134 zwischen der ersten Bohrung 1131 und der Aussparung 1133 den Durchtritt von Flüssigkeit behindern kann. Während des Querstromreinigens kann es wünschenswert sein, den Druck in der zweiten Bohrung 1132 des zweiten Kopfstückes 1130 auf solch einer Höhe zu halten, dass Gas aus der ersten Bohrung 1131 nicht in die zweite Bohrung 1132 fließen wird, z.B. im Wesentlichen gleiche Drücke.
In der vorliegenden Ausführungsform weisen alle Bohrungen zum Transportieren von Fluiden in den Modulen 1100 zwei offene Enden auf. Wenn ein Modul 1100 jedoch dazu vorgesehen ist, mit nur einem angrenzenden Modul 1100 anstatt mit zweien in Verbindung zu stehen, kann ein Modul 1100 eine oder mehrere Bohrungen aufweisen, die nur an einem ihrer Enden offen sind. Die Bohrungen in einem Kopfstück brauchen sich nicht entlang einer geraden Linie zu erstrecken, und sich brauchen sich nicht zwischen entgegengesetzten Seiten des Kopfstückes zu erstrecken. Beispielsweise kann eine Bohrung in einem Kopfstück L-förmig sein und zwei offene Enden aufweisen, die sich auf Außenoberflächen des Kopfstückes in rechten Winkeln zueinander öffnen.
Ein Modul 1100, das Bohrungen mit solch einer Gestalt aufweist, kann benutzt werden, um eine Baugruppe mit einer anderen als einer linearen Konfiguration zu bilden. Beispielsweise kann eine Fluidaufbereitungsbaugruppe eine erste Gruppe von Modulen 1100 wie diejenigen, die in 28 gezeigt sind, die entlang eines ersten geradlinigen Weges miteinander verbunden sind, und eine zweite Gruppe von Modulen 1100 ebenfalls wie diejenigen, die in 28 gezeigt sind, beinhalten, die entlang eines zweiten geradlinigen Weges miteinander verbunden sind, der rechtwinklig zu dem ersten geradlinigen Weg ist, wobei die beiden Gruppen von Modulen 1100 sich an einem Modul überschneiden, das L-förmige Bohrungen aufweist, die in seinen Kopfstücken zum Verbinden der beiden Gruppen von Modulen 1100 miteinander gebildet sind.
Wie oben angegeben, ist die Fluidaufbereitungsbaugruppe 1060 von 27 nicht auf die Benutzung mit einem spezifischen Typ von Fluidaufbereitungselement beschränkt. Jedes beliebige der vorher beschriebenen Fluidaufbereitungselemente kann in geeigneter Weise benutzt werden. Beispielsweise ist 31 eine senkrechte Querschnittsansicht einer Modifikation des Moduls 1100 von 29 und 30, die mit einem unterschiedlichen Typ von Fluidaufbereitungselement 200 ausgestattet ist. Das dargestellte Fluidaufbereitungselement 200 weist eine Struktur wie diejenige der Ausführungsform von 9 auf, in der bei der Filtration Verfahrensfluid normalerweise, nicht erfindungsgemäß, entlang der radial äußeren Oberflächen von Falten des Fluidaufbereitungselementes 200 fließt und Permeat oder Filtrat in den perforierten Kern 220 des Fluidaufbereitungselementes 200 und aus einem Längsende des Kernes 220 fließt.
Das Gehäuse 1110 des Moduls 1100 kann im Wesentlichen die gleiche Struktur wie diejenige des Gehäuses 1110 aufweisen, das in 29 und 30 gezeigt ist, einschließlich erster und zweiter Kopfstücke 1120, 1130 und eines Gehäuses 1140, das sich zwischen den Kopfstücken erstreckt und mit diesen dicht verbunden ist. Das Gehäuse 1110 ist als nur ein einziges Fluidaufbereitungselement 200 enthaltend gezeigt, jedoch kann wie in der Ausführungsform von 29 und 30 eine Vielzahl von Fluidaufbereitungselementen 200 in Reihe verbunden sein.
Wie die vorherige Ausführungsform kann die Ausführungsform von 31 in vielfältigen Betriebsarten betrieben werden. Zur Durchführung von Querstromfiltration wird ein aufzubereitendes Verfahrensfluid typischerweise durch die zweite Bohrung 1132 des zweiten Kopfstückes 1130 in das Fluidaufbereitungselement 200 eingebracht. Ein Abdichtstreifen 214 ist auf der radial inneren Seite der Falten des Fluidaufbereitungskörpers 210 an dem unteren Längsende des Fluidaufbereitungselementes 200 bereitgestellt, sodass das Verfahrensfluid von der zweiten Bohrung 1132 durch die untere Endkappe 230 und in die äußere Abflussschicht des Fluidaufbereitungskörpers 210 fließt.
Das Verfahrensfluid fließt dann innerhalb der äußeren Abflussschicht auf das obere Ende des Fluidaufbereitungselementes 200 zu. Dabei fließt ein Teil des Verfahrensfluids durch die Fluidaufbereitungsschicht und wird fluidisch aufbereitet und dabei zu Permeat, das in den perforierten Kern 220, aus dem oberen Ende des Kernes 220 in die Aussparung 1123 in dem ersten Kopfstück 1120 und dann in die zweite Bohrung 1122 des ersten Kopfstückes 1120 fließt und gemeinsam mit Permeat aus den anderen Modulen 1100 in der Baugruppe 1060 aus dem Modul 1100 entfernt wird.
Der Teil des Verfahrensfluids, der das obere Ende des Fluidaufbereitungselementes 200 erreicht, ohne gefiltert zu werden, fließt durch die Perforationen 241 an dem oberen Ende des Außenrohres 240 in den Bereich des Gehäuses 1110, der das Filterelement 200 umgibt, und dann in die erste Bohrung 1121 des ersten Kopfstückes 1120 und wird als Rententat, gemeinsam mit Retentat aus den anderen Modulen 1100 in der Baugruppe 1060, aus dem Modul 1100 entfernt.
Zum Betreiben der Fluidaufbereitungsbaugruppe 1060 in einer statischen Filtrationsbetriebsart kann Verfahrensfluid durch eine oder beide von der ersten Bohrung 1121 in dem ersten Kopfstück 1120 und der zweiten Bohrung 1132 in dem zweiten Kopfstück 1130 eingebracht werden und Filtrat, das durch die Filterschicht des Filterelementes 200 hindurchgetreten ist, kann aus der ersten Bohrung 1122 in dem ersten Kopfstück 1120 entfernt werden. Wenn Verfahrensfluid nur durch eine von den Bohrungen 1121 und 1132 eingebracht wird, kann die Innenseite der anderen Bohrung unter einem Druck gehalten werden, sodass Verfahrensfluid nicht in diese hinein fließen wird. Statische Filtration kann auch durch Einbringen von Verfahrensfluid durch die erste Bohrung 1122 des ersten Kopfstücks 1120 und Entfernen von Filtrat durch eine oder beide von der ersten Bohrung 1121 in dem ersten Kopfstück 1120 und der zweiten Bohrung 1132 in dem zweiten Kopfstück 1130 aus dem Modul 1100 durchgeführt werden.
Zur Durchführung von Rückspülen kann ein Rückspülfluid durch die zweite Bohrung 1122 des ersten Kopfstückes 1120 eingebracht, radial nach außen durch das Fluidaufbereitungselement 200 getrieben und zusammen mit entfernten Teilchen aus einer oder beiden von der ersten Bohrung 1121 in dem ersten Kopfstück 1120 und der zweiten Bohrung 1132 in dem zweiten Kopfstück 1130 entfernt werden. Alternativ kann das Rückspülfluid durch eine oder beide von der ersten Bohrung 1121 in dem ersten Kopfstück 1120 und der zweiten Bohrung 1132 in dem zweiten Kopfstück 1130 eingebracht, radial nach innen durch das Fluidaufbereitungselement 200 getrieben und dann zusammen mit entfernten Teilchen durch die zweite Bohrung 1122 des ersten Kopfstückes 1120 entfernt werden.
Zur Durchführung von Querstromreinigen können ein komprimiertes Gas durch die erste Bohrung 1131 des zweiten Kopfstückes 1130 in das Fluidaufbereitungselement 200 und eine Flüssigkeit durch die zweite Bohrung 1132 in das Fluidaufbereitungselement 200 eingebracht, das Gas und die Flüssigkeit vermischt werden, um das Reinigungsfluid zu bilden. Das Reinigungsfluid wird dann veranlasst, innerhalb der äußeren Abflussschicht des Fluidaufbereitungselementes 200 in einer Längsrichtung dieses zu fließen, und dann durch die Perforationen 241 in dem Außenrohr 240 abgeleitet, um durch die erste Bohrung 1121 in dem ersten Kopfstück 1120 aus dem Modul 1100 entfernt zu werden. Beim Querstromreinigen kann es wünschenswert sein, den Druck in der zweiten Bohrung 1122 des ersten Kopfstückes 1120 und in dem Innenraum des Kernes 220 auf einem Druck zu halten, der gleich oder größer als derjenige innerhalb der äußeren Abflussschicht des Fluidaufbereitungselementes 200 ist, sodass das Gas, das zum Querstromreinigen benutzt wird, nicht radial nach innen durch die Fluidaufbereitungsschicht des Fluidaufbereitungskörpers 210 getrieben wird. Wie in der vorherigen Ausführungsform kann das komprimierte Gas allein durch das Fluidaufbereitungselement 200 geleitet werden, oder das komprimierte Gas und ein Querstrom-Reinigungsfluid können nacheinander durch das Fluidaufbereitungselement 200 geleitet werden.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen weiter verschiedene Gesichtspunkte von Fluidaufbereitungselementen, sollten jedoch natürlich nicht so aufgefasst werden, dass sie in irgendeiner Weise deren Umfang beschränken.
BEISPIEL 1
Dieses Beispiel veranschaulicht einen Vorteil von Fluidaufbereitungselementen, und zwar, dass die Fluidaufbereitungselemente überlegenes Leistungsvermögen bereitstellen, wenn das Reinigen in der Querstrom-Betriebsart durchgeführt wird.
Zwei Fluidaufbereitungselemente wurden wiederholten Zyklen des Filterns, gefolgt vom Reinigen entweder durch herkömmliches Rückspülen oder durch Querstromreinigen unter Benutzung von Wasser in Verbindung mit Luft, unterworfen. Jedes Fluidaufbereitungselement war etwa 50 cm (20 Inch) lang und wies ein Fluidaufbereitungsmittel mit einem Oberflächeninhalt von etwa 1,1 Quadratmeter (12 Quadratfuß) pro Seite auf. Die beiden Fluidaufbereitungselemente wiesen ähnliche Fluidaufbereitungsschichten, Abflussschichten und Durchsatz pro Flächeneinheit auf. Das Fluidaufbereitungselement, das dem Querstromreinigen unterworten wurde, wies die Struktur auf, die in 5 gezeigt ist. Das Fluidaufbereitungselement, das dem Rückspülen unterworfen wurde, war hinsichtlich der Gesamtstruktur ähnlich, mit der Ausnahme, dass es einen Kern aufwies, der über seiner gesamten Länge perforiert und an seiner Innenseite unversperrt war, sodass Fluid durch den Innenraum des Kernes über dessen gesamter Länge fließen konnte, und dass das untere Ende des Kernes durch eine blinde Endkappe abgesperrt war, anstatt der offenen Endkappe 140 von 5.
Jedes Fluidaufbereitungselement wurde zur Fluidaufbereitung von Abfluss einer kommunalen Aktivschlamm-Abwasseranlage mit einem Durchsatz von 0,1 lpm ((0,03 gpm) Gallonen pro Minute) pro Quadratfuß (929 Quadratzentimeter) Fläche von Fluidaufbereitungsmittel benutzt. Filtration wurde während zwanzig Minuten durchgeführt, gefolgt vom Reinigen entweder durch Rückspülen oder Querstromreinigen. Beim Querstromreinigen wurden Wasser mittels einer Pumpe in eine Verfahrensfluidkammer und gleichzeitig Druckluft in die Verfahrensfluidkammer eingebracht, sodass ein Gemisch aus Wasser und Luft innerhalb der äußeren Abflussschicht in der Längsrichtung des Fluidaufbereitungselementes geleitet wurde, wobei die Druckluft mit einem Durchsatz von etwa 470 sccs (1 scfm) durch das Fluidaufbereitungselement geleitet wurde, was etwa 0,043 sccs pro Quadratzentimeter (0,083 scfm pro Quadratfuß) Oberflächeninhalt auf einer Seite des Fluidaufbereitungsmittels äquivalent war. Gleichzeitig wurde der Druck innerhalb des Kerns des Fluidaufbereitungselementes höher als in der äußeren Abflussschicht gehalten, um das Wasser und die Luft, die zum Reinigen benutzt wurden, daran zu hindern, durch die Fluidaufbereitungsschicht hindurchzutreten. Am Ende jeder 20-minütigen Filtrationsphase wurde End-Druckabfall des Fluidaufbereitungselementes gemessen.
Das Fluidaufbereitungselement, das herkömmlichem Rückspülen unterworfen wurde, wies bei der Beendigung der ersten Filtrationsphase einen End-Druckabfall von weniger als 3 kPad (0,5 psid) auf. Der End-Druckabfall bei der Beendigung der ersten Filtrationsphase betrug weniger als 3,4 kPad (0,5 psid). Der End-Druckabfall erhöhte sich nach sechzehn Filtrationsphasen auf 34 kPad (5 psid) (wobei den vorhergehenden fünfzehn Filtrationsphasen jeweils Rückspülreinigen folgte). Bei dem Fluidaufbereitungselement, das Querstromreinigen unterworfen wurde, betrug der End-Druckabfall am Ende der ersten Filtrationsphase ebenfalls 3,4 kPad (0,5 psid), jedoch war das Fluidaufbereitungselement in der Lage, während etwa achtundvierzig Filtrationsphasen betrieben zu werden, bevor der End-Druckabfall 34 kPad (5 psid) erreichte. Somit war Querstromreinigen weitaus wirkungsvoller zum Entfernen von Teilchen aus dem Fluidaufbereitungselement als Rückspülreinigen.
BEISPIEL 2
Dieses Beispiel veranschaulicht ein Verfahren der Masseübertragung.
Ein gefaltetes Fluidaufbereitungselement ganz aus Fluorpolymer, das im Wesentlichen in 23 veranschaulicht ist und eine gedehnte PTFE-Membran mit einer Poren-Nennweite von 0,2 μm und ein PFA-Netz umfasst, wurde hinsichtlich der Übertragung von Ozon von einem Gemisch aus Ozon und Sauerstoff zu entionisiertem Wasser geprüft. Zwei verschiedene Ozonkonzentrationen in Sauerstoff, 150 g/m³ und 250 g/m³, wurden eingesetzt. Die Prüfungen wurden in einer Einzeldurchlaufweise durchgeführt. Der Wasserdurchsatz wurde von 4 lpm bis 16 lpm variiert. Der Wasserdruck betrug 172 kPa (25 psi). Der Sauerstoffdruck betrug 138 kPa (20 psi). Die Konzentration von Ozon in Wasser wurde überwacht. 24 veranschaulicht die Konzentration an gelöstem Ozon als eine Funktion des Wasserdurchsatzes für die beiden Ozongaskonzentrationen. Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist die Konzentration an gelöstem Ozon desto höher, je höher die Gasphasenkonzentration an Ozon ist. 24 veranschaulicht auch die Ozon-Durchflussmenge als eine Funktion des Wasserdurchsatzes. Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist die Ozon-Durchflussmenge bei niedrigerer gelöster Konzentration höher.
BEISPIEL 3
Dieses Beispiel veranschaulicht einen Vorteil der diffusiven Masseübertragung.
Zwei gefaltete Fluidaufbereitungselemente ganz aus Fluorpolymer, die im Wesentlichen in 23 veranschaulicht sind und eine gedehnte poröse PTFE-Membran mit einer Poren- Nennweite von 0,1 μm, erhältlich von der Pall Corporation als EMFLON^TM, und ein diamantförmiges PTFE-Netz umfassen, wurden in durchperlender und in nichtdurchperlender Betriebsart geprüft. Es wurde festgestellt, dass das Prüfen in der nichtdurchperlenden Betriebsart eine höhere Übertragung von Ozon zu Wasser als in der durchperlenden Betriebsart erzeugte. Es wurde festgestellt, dass das Prüfen in der nichtdurchperlenden Betriebsart höhere Ozonübertragung zu Wasser erzeugte als in der durchperlenden Betriebsart. In diesen Prüfungen wurden zwei verschiedene Ozonkonzentrationen eingesetzt.
Bei der Prüfung, in der die O₃:O₂-Konzentration 150 g/m³ betrug und das Ozon durchgeperlt wurde, waren die Prüfbedingungen wie folgt: Wasserdurchsatz 8 lpm; Sauerstoff-Durchsatz 4 slpm; P(Wasser ein) 193 kPa (28 psi); P(Wasser aus) 172 KPa (25 psi); P(Sauerstoff ein) 179 kPa (26 psi); P(Sauerstoff aus) 165 bis 179 kPa (24 bis 26 psi); Umlaufvolumen 8 Gallonen. Die Wassertemperaturen waren wie folgt: zu Beginn der Prüfung 14,2 °C (57,6 °F) und am Ende der Prüfung 15,6 °C (60,1 °F). Die Ozon-Konzentrationen in den Gas- und Flüssigkeitsströmen wurden gemessen. Die erhaltenen Ergebnisse sind unten angegeben.
Bei der Prüfung, in der die O₃:O₂-Konzentration 250 g/m³ betrug und das Ozon durchgeperlt wurde, waren die Prüfbedingungen wie folgt: Wasserdurchsatz 8 lpm; Sauerstoff-Durchsatz 4 slpm; P(Wasser ein) 193 kPa (28 psi); P(Wasser aus) 172 kPa (25 psi); P(Sauerstoff ein) 179 kPa (26 psi); P(Sauerstoff aus) 165 bis 179 kPa (24 bis 26 psi); Umlaufvolumen 30 Liter (8 Gallonen). Die Wassertemperaturen waren wie folgt: zu Beginn der Prüfung 14,2 °C (57,6 °F) und am Ende der Prüfung 15,6 °C (60,1 °F). Die Ozon-Konzentrationen in den Gas- und Flüssigkeitsströmen wurden gemessen. Die erhaltenen Ergebnisse sind unten angegeben.
Bei der Prüfung, in der die O₃:O₂-Konzentration 250 g/m³ betrug und das Ozon durchperlte, waren die Prüfbedingungen wie folgt: Wasserdurchsatz 8 lpm; Sauerstoff-Durchsatz 4 slpm; P(Wasser ein) 193 kPa (28 psi); P(Wasser aus) 172 kPa (25 psi); P(Sauerstoff ein) 152 kPa (22 psi); P(Sauerstoff aus) 138 kPa (20 psi); Umlaufvolumen 30 Liter (8 Gallonen). Die Wassertemperaturen waren wie folgt: zu Beginn der Prüfung 20,5 °C (68,9 °F) und am Ende der Prüfung 22,4 °C (72,3 °F). Die Ozonkonzentrationen in den Gas- und den Flüssigkeitsströmen wurden gemessen. Die erhaltenen Ergebnisse sind unten angegeben.
Bei der Prüfung, in der die O₃:O₂-Konzentration 250 g/m³ betrug und das Ozon nicht durchperlte, waren die Prüfbedingungen wie folgt: Wasserdurchsatz 8 lpm; Sauerstoff-Durchsatz 4 slpm; P(Wasser ein) 193 kPa (28 psi); P(Wasser aus) 172 kPa (25 psi); P(Sauerstoff ein) 152 kPa (22 psi); P(Sauerstoff aus) 138 kPa (20 psi); Umlaufvolumen 30 Liter (8 Gallonen).
Die Wassertemperaturen waren wie folgt: zu Beginn der Prüfung 19,9 °C (67,8 °F) und am Ende der Prüfung 21,6 °C (70,9 °F). Die Ozonkonzentrationen in den Gas- und Flüssigkeitsströmen wurden gemessen. Die erhaltenen Ergebnisse sind unten angegeben.
Die obigen Daten zeigen, dass in einer nichtdurchperlenden Betriebsart höhere Konzentrationen von Ozon in Wasser erhalten wurden als in einer durchperlenden Betriebsart.
BEISPIEL 4
Dieses Beispiel veranschaulicht ein Verfahren zum diffusiven Übertragen von Ozon zu Wasser unter Benutzung eines Fluidaufbereitungselementes.
In dieser Prüfung wurde ein Faltenmembranmodul ganz aus Fluorpolymer, im Wesentlichen wie in 23 veranschaulicht, eingesetzt. Das Fluidaufbereitungsmittel wies eine mittlere Poren-Nennweite von 0,1 μm auf. Ozon wurde in einem Ozon-Erzeuger ASTEX^TM AX8400 erzeugt. Das Ozon wurde in einer nichtdurchperlenden Betriebsart mit einer O₃:O₂-Konzentration im Anstrom von 250 g/m³ durchgeleitet. Entionisiertes Wasser wurde im Abstrom geleitet. Wasser wurde umlaufen lassen. Die Prüfbedingungen waren wie folgt: Wasserdurchsatz = 16 lpm; Wasser-Gegendruck = 14 kPa (2 psi); Gasdurchsatz = 2 slpm; Gas-Gegendruck = 0 kPa (0 psi).
Die Ozonkonzentrationen im Gas und im Wasser wurden unter Benutzung von Gas- und Flüssigkeits-Ozonsensoren DFFOZ^TM und GFFOZ^TM (beide von IN USA Inc.) gemessen. Die Ozon-Durchflußmenge variierte von 2,8 g/m²/h zu Beginn der Prüfung bis 0,3 g/m²/h beim Ozon-Sättigungsgehalt. Eine Ozonkonzentration von 20 bis 30 ppm wurde erzielt und in einem Umlauftank mit entionisiertem Wasser mit einem Füllvolumen von 26 Litern (7 Gallonen) während 6 Tagen kontinuierlichen Prüfens bewahrt. Die Ozonzerstörung, hauptsächlich bedingt durch den hohen TOC (gesamter organischer Kohlenstoff), der in dem Wasser vorhanden war, erfolgte mit einer Geschwindigkeit von 11 bis 1 Liter (3,0 bis 0,3 g/m²/h). Die erhaltenen Ergebnisse sind unten angegeben.
25 stellt die Durchflussmenge als eine Funktion der Ozonkonzentration in Wasser dar. Wie aus 25 und den Daten in Tabelle 1 erkannt werden kann, nahm die Durchflussmenge mit zunehmender Konzentration von Ozon in Wasser ab. Dies ist zu erwarten, da die Durchflussmenge von dem Konzentrationsgradienten der Lösung abhängt. Da sich die Ozonkonzentration erhöhte, nahm der Konzentrationsgradient ab. Ferner wurde die maximale Ozonkonzentration in einer verhältnismäßig kurzen Zeit erreicht, wie in 26 gezeigt.
Das Fluidaufbereitungselement arbeitete ohne bedeutenden Verlust des Leistungsvermögens. Nach 6 Tagen kontinuierlichen Prüfens wurde kein bedeutender Verlust des Leistungsvermögens festgestellt.
Wasser wurde jeden Tag vor und nach der Übertragungsprüfung zur TOC-Analyse aus dem Umlauftank abgezogen; die erhaltenen Ergebnisse sind unten angegeben.
Obiges zeigt, dass das Fluidaufbereitungselement Ozon zu Wasser in einer Menge übertrug, das wirksam zum Zerstören des Gehaltes an organischem Kohlenstoff in Wasser war.
BEISPIEL 5
Dieses Beispiel veranschaulicht einen Vorteil eines Fluidaufbereitungselementes. Das Fluidaufbereitungselement, das in 23 veranschaulicht ist, ist im Wesentlichen frei von extrahierbaren Stoffen.
Ein Fluidaufbereitungselement ganz aus Fluorpolymer wurde mit entionisiertem Wasser gespült, und der spezifische Widerstand der Spülflüssigkeit wurde gemessen. Das Fluidaufbereitungselement beinhaltete ein 0,2-μm-PTFE-Fluidaufbereitungsmittel von der Pall Corporation und ein gewebtes PFA-Netz. Das Fluidaufbereitungselement wurde in waagerechter Weise eingebaut, und entionisiertes Wasser wurde mit einem Durchsatz von 7,6 Litern pro Minute (2 gpm) durch eine Seite des Mittels hindurchgeleitet. Die andere Seite wurde zur Atmosphäre hin offen gelassen. Der spezifische Widerstand des Wassers wurde anstromseitig und abstromseitig mit einem Leitfähigkeitsmessgerät Thornton 770 PC gemessen. Der TOC-Gehalt des Wassers wurde unter Benutzung eines TOC-Monitors Anatel A-100P ebenfalls gemessen. Die erhaltenen Ergebnisse sind unten angegeben.
Die Spülflüssigkeiten wurden auch auf bestimmten Anionen, Kationen und Übergangsmetalle analysiert. Die erhaltenen Ergebnisse sind unten zusammen mit den Nachweisgrenzen angegeben.
Obiges zeigt, dass das Fluidaufbereitungselement keine Materialien in das Wasser abgab.

Claims

Fluidaufbereitungsverfahren umfassend: Einbringen eines Verfahrensfluids in ein zylindrisches Fluidaufbereitungselement umfassend ein Fluidaufbereitungsbündel, beinhaltend eine Fluidaufbereitungsschicht mit einer radial inneren Seite und einer radial äußeren Seite, eine erste Abflussschicht angeordnet auf der radial inneren Seite der Fluidaufbereitungsschicht, und eine zweite Abflussschicht angeordnet auf der radial äußeren Seite der Fluidaufbereitungsschicht, beinhaltend das Einbringen von Verfahrensfluid durch eine erste Längs-Endfläche des Fluidaufbereitungsbündels und das Leiten des Verfahrensfluids in einer Längsrichtung des Fluidaufbereitungsbündels durch die erste Abflussschicht und entlang der radial inneren Seite der Fluidaufbereitungsschicht, um eine Fluid-Scherkraft auf der radial inneren Seite der Fluidaufbereitungsschicht zu erzeugen; das Leiten eines Anteils des Verfahrensfluids durch die Fluidaufbereitungsschicht zu der radial äußeren Seite der Fluidaufbereitungsschicht um ein Permeat zu bilden; das Leiten von Permeat durch die zweite Abflussschicht; und das Ableiten des Permeats und des Verfahrensfluids, das nicht durch die Fluidaufbereitungsschicht des Fluidaufbereitungselements hindurchtritt.
Verfahren wie beansprucht in Anspruch 1, wobei sich die erste Abflussschicht auf die erste Längs-Endfläche des Fluidaufbereitungsbündels öffnet und die zweite Abflussschicht ein Abdichtmittel an der ersten Längs-Endfläche beinhaltet, und wobei das Einbringen des Verfahrensfluidsdurch eine erste Längs-Endfläche des Fluidaufbereitungsbündels das Einbringen des Verfahrensfluids in die erste Abflussschicht aber nicht die zweite Abflussschicht umfasst.
Verfahren wie beansprucht in Anspruch 1 oder 2, beinhaltend das Ableiten des Verfahrensfluids, welches nicht durch die Fluidaufbereitungsschicht durch eine zweite Längs-Endfläche des Fluidaufbereitungsbündels durchgeleitet ist.
Verfahren wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3 beansprucht, wobei die erste Abflussschicht eine Netzschicht mit parallelen Strängen, die sich in die Längsrichtung des Fluidaufbereitungselements erstrecken, und einen unteren seitlichen Widerstand in einer im Wesentlichen zur ersten Abflussschichtoberfläche parallelen Richtung umfasst und wobei das Leiten des Verfahrensfluids durch die erste Abflussschicht das Leiten des Verfahrensfluids durch die Netzschicht und entlang der parallelen Stränge umfasst.
Verfahren wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 beansprucht, wobei das Fluidaufbereitungsbündel eine gefaltete Fluidaufbereitungsschicht beinhaltet, umfassend eine Vielzahl längsgerichteter Falten, wobei jede Falte einen Kopf, einen Fuss und ein Paar Schenkel beinhaltet, und wobei die Schenkel von jeder Falte am Kopf der Falte miteinander verbunden sind und mit den Schenkeln der angrenzenden Falten am Fuss der Falte verbunden sind und wobei das Leiten eines Anteils des Verfahrensfluids durch die Fluidaufbereitungsschicht das Leiten eines Anteils des Verfahrensfluids durch die gefaltete Fluidaufbereitungsschicht umfasst.
Verfahren wie in Anspruch 5 beansprucht, wobei die erste und die zweite Abflussschicht mit der Fluidaufbereitungsschicht gefaltet sind, und wobei das Leiten des Verfahrensfluids durch die erste Abflussschicht das Leiten des Verfahrensfluids durch die gefaltete erste Abflussschicht umfasst und das Leiten des Permeats durch die zweite Abflussschicht das Leiten des Permeats durch die gefaltete zweite Abflussschicht umfasst.
Verfahren wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6 beansprucht, wobei das Fluidaufbereitungselement ein Hüllteil angeordnet um eine äußere Peripherie des Fluidaufbereitungsbündels beinhaltet, und das Verfahren das Leiten des Permeats durch das Hüllteil beinhaltet.
Verfahren wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7 beansprucht, wobei das Fluidaufbereitungselement eine erste Endkappe angeordnet an einer ersten Längs-Endfläche des Fluidaufbereitungsbündels und eine zweite Endkappe angeordnet an einem zweiten Längs-Ende des Fluidaufbereitungsbündels beinhaltet, und die Methode das Einbringen des Verfahrensfluids durch die erste Endkappe und das Ableiten des Verfahrensfluids, welches nicht durch die Fluidaufbereitungsschicht durchgeleitet ist, durch die zweite Endkappe beinhaltet.
Verfahren wie wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8 beansprucht, wobei das Fluidaufbereitungselement angeordnet ist in einem Gehäuse mit einer ersten Fluidöffnung angeordnet an einem ersten Längs-Ende, einer zweiten Fluidöffnung angeordnet an einem zweiten Längs-Ende und einer dritten Fluidöffnung angeordnet an einer Position beabstandet von der ersten Fluidöffnung, und wobei das Verfahren das Einbringen von Verfahrensfluid durch die erste Fluidöffnung, das Ableiten von Verfahrensfluid, die nicht durch die Fluidaufbereitungsschicht durchgeleitet ist durch die zweite Öffnung und das Ableiten des Permeats durch die dritte Öffnung beinhaltet.
Verfahren wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9 beansprucht, wobei das Fluidaufbereitungsbündel eine erste Dämpfungsschicht angeordnet zwischen der ersten Abflussschicht und der Fluidaufbereitungsschicht beinhaltet, und wobei das Leiten des Verfahrensfluids in der Längsrichtung des Fluidaufbereitungsbündels das Leiten des Verfahrensfluids durch die erste Dämpfungssschicht und durch die erste Abflussschicht umfasst.
Verfahren wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10 beansprucht, wobei das Fluidaufbereitungsbündel eine zweite Dämpfungsschicht angeordnet zwischen der Fluidaufbereitungsschicht und der zweiten Abflussschicht beinhaltet, und wobei das Leiten eines Anteils des Verfahrensfluids durch die Fluidaufbereitungsschicht in Richtung der radial äußeren Seite der Fluidaufbereitungsschicht um ein Permeat zu bilden, das Leiten eines Anteils des Verfahrensfluids durch die zweite Dämpfungsschicht und durch die zweite Abflussschicht umfasst.
Verfahren wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11 beansprucht, wobei das Fluidaufbereitungselement einen unperforierten und undurchdringlichen Kern umgeben vom Fluidaufbereitungsbündel und ein die Spalten zwischen aneinandergrenzenden Falten und dem Kern abdichtendes Haftmittel beinhaltet, und wobei in das Fluidaufbereitungselement eingebrachtes Verfahrensfluid daran gehindert wird, entlang der Fläche zwischen dem Kern und der inneren Peripherie des Fluidaufbereitungsbündels zu fließen.