DE8223790U1

DE8223790U1 - Vorrichtung zum trennen einer fluessigkeit mittels druckfiltrierung durch halbdurchlaessige membranen in zwei teilmengen

Info

Publication number: DE8223790U1
Application number: DE19828223790
Authority: DE
Original assignee: Danske Sukkerfabrikker AS
Current assignee: Danske Sukkerfabrikker AS
Priority date: 1981-08-24
Filing date: 1982-08-23
Publication date: 1982-11-25
Also published as: DE3231251A1; DK375081A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trennen einer Flüssigkeit in zwei Teilmengen mittels Druckfiltrierung durch halbdurchlässige Membranen und umfassend einen Stapel aus Membranen und mit Flüssigkeitsablauforganen versehenen Membranstützplatten, wobei jede Membranstützplatte wenigstens mit der einen Seite eine Membran abstützt, und an der der anstützenden Platte abgewandten Seite der Membran ein parallel zur Membranoberfläche verlaufender Strömungskanal gebildet ist, und die Membranen und die Membranstützplatten jeweils zwei Öffnungen zur Bildung von zwei längsgehenden Strömungskanälen aufweisen, die mit den zu den Membranoberflächen parallelen Strömungskanälen in Verbindung stehen, und in jeder der beiden längsgehenden Strömungskanäle umsteckbare Kanalabsperrorgane zum Aufteilen der Stapel in Sektionen mit Parallelströmung durch die zu den Membranoberflächen parallelen Strömungskanäle vorgesehen sind.

Durch geeignete Anordung der genannten Absperrorgane in den längsgehenden Strömungskanälen ist es möglich, ein Strömungsmuster kombinierter Reihen- und Parallelströmungen festzulegen, die jeweils für die Druckfiltrierung einer gegebenen Flüssigkeit optimal sind.

Bei einer Vorrichtung der genannten Art, die z.B. aus der DK-PS 141.009 bekannt ist, sind die Membranstützplatten von elliptischer Form, und die längsgehenden Strömungskanäle werden durch Löcher in den Membranstützplatten gebildet, die um die Brennpunkte der ellipsenförmigen Platten ausgebildet sind.

Eine durch zwei in den längsgehenden Strömungskanälen aufeinanderfolgende Absperrorgane abgegrenzte Sektion kann angesehen werden, aus drei Strömungsbereichen zu bestehen:

(a) dem längsgehenden Strömungskanal, durch den der Sektion die Flüssigkeit zugeführt wird,

(b) den zu den Membranoberflächen parallelen Strömungskanälen, und

(c) dem längsgehenden Strömungskanal, in dem sich

die Flüssigkeitsströme aus den Kanälen (b) vereinen, und über den die Flüssigkeit zu der nächsten Sektion

weiterströmt.

Die Flüssigkeitsverteilung über die Kanäle (b) einer gegebenen Sektion wird von den Druckprofilen in den Kanälen (a) und (c) bestimmt. Diese Druckprofile werden von den folgenden zwei

Faktoren bestimmt:

(1) dem Reibungswiderstand in den Kanälen (a) und (c) und

(2) der Impulsänderung, die bei der Überströmung der Flüssigkeit vom Kanal (a) in die Kanäle (b) und bei

der Überströmung der Flüssigkeit von den Kanälen (b) in den Kanal (c) auftritt. Im ersteren Falle führt die Strömungsänderung zu einer sinkenden linearen FlüssigkeitsgebcHvvindigkeit, während sie im letzteren Falle zu einer steigenden linearen Flüssigkeitsgeschwin

digkeit führt.

Bei Anlagen der vorstehend genannten Art treten auf Grund der unter (1) und (2) genannten Faktoren ein Druckanstieg in der Strömungsrichtung der Flüssigkeit im Kanal (a) und ein Druckabfall im Kanal (c) auf, was bedeutet, dass die Druckdifferenz über die Länge der ersten Kanäle (b) einer Sektion kleiner als über die Länge der letzten Kanäle (b) ist. Folglich ist die Strömungsgeschwindigkeit der durch die ersten Kanäle (b) strömenden Flüssigkeit kleiner als die durch die letzten Kanäle (b) strömenden Flüssigkeit.

Die verhältnismässig geringe Strömungsgeschwindigkeit in den ersten Kanälen (b) einer Sektion kann zu einer Belagbildung auf den Membranoverflächen und schlimmstenfalls zum vollständigen Verstopfen der Strömungskanäle führen.

Eine weitere Folge der ungleichmässigen Druckverteilung ist die, dass der Druckabfall über die Länge einer Sektion grosser wird als der teoretisch unvermeidliche.

Der Energieinhalt einer strömenden Flüssigkeit kann als

auf einem dynamischen und einem statischen Druck beruhend angesehen werden. Durch Herabsetzung des Verhältnisses dynamischer Druck zum statischen Druck, was durch Herabsetzung der linearen Strömungsgeschwindigkeit erfolgen kann, werden der Druckanstieg im Kanal (a) und der Druckabfall im Kanal (c) kleiner. Dies ist auf einen kleineren Reibungsverlust und eine kleinere Impulsänderung zurückzuführen.

Praktische Versuche und Modellversuche haben ergeben, dass die fineare Strömungsgeschwindigkeit in den Kanälen (a) und (c) kleiner als 5 m/Sek. sein sollte, weil man dann annähernd die

gleiche Strömungsgeschwindigkeit in den ersten und den letzten Kanälen (b) einer Sektion erzielt, und sich in den Kanälen (a) und (c), je nach der Viskosität der Flüssigkeit, statt einer rein turbulenten eine im Übergangsbereich zwischen turbulenter und laminarer Strömung liegende Strömung einstellt. Ausgehend hiervon war es erfindungsgemäss möglich folgende allgemeine Formel zur Berechnung des Strömungsquerschnittes B für die längsgehenden Kanäle einer Sektion aufzustellen:

B ä 0,2 · η · V · A

Hierbei bedeuten η die Anzahl der zu den Membranoberflächen parallelen Strömungskanäle einer Sektion, V die gewünschte durchschnittliche lineare Strömungsgeschwindigkeit durch die zu den Membranoberflächen parallelen Strömungskanäle, und A die Querschnittsfläche eines solchen Strömungskänals.

Für eine bevorzugte Ausführungsform, bei der die längsgehenden Strömungskanäle einen kreisförmigen Querschnitt haben, gilt die folgende Formel für den Durchmesser d des Strömungskanals einer Sektion:

d έ 0,50 yn · V · A,

wobei n, V und A die vorstehend angegebenen Bedeutungen haben.

■ Ein Vergleich zwischen einer bekannten Vorrichtung der

genannten Art und einer erfindungsgemässen Vorrichtung hat bei Ultrafiltrierung von entrahmter pasteurisierter Frischmilch eine Leistungsverbesserung von 10-15% bei einer 20%-igen Druckminderung ergeben. Diese 20%-ige Druckminderung entspricht im wesentlichen einen entsprechenden Herabsetzung des Energieverbrauchs.

Eine typische Ultrafiltrieranlage besteht aus Sektionen von 40 Stützplatten mit zugehörigen Membranen, wobei zwischen benachbarten Membranen 16 Strömungskanäle je von einer Höhe von 0,06 cm und einer Breite von 1,49 cm gebildet sind, v/as eine Querschnitts-

fläche von 1,43 · 10~⁴ m² ergibt.

Um eine durchschnittliche lineare Strömungsgeschwindigkeit von 3 m/Sek. in einer solchen Vorrichtung zu erzielen, muss der Durchmesser d der längsgehenden Kanäle

IM ii

• · Il

• I I

d £ 0,50 · V40 · 3 · 1,43 · 10 ^H - 6,55 · 10 ^ctn - 66 mm

sein, und ist vorzugsweise 72 mm, was einer linearen Strömungsgeschwindigkeit von 4,2 m/Sek. in den iängsgehenden Strömungskanälen entspricht.

Um eine dichte Anlage der Membranen an den Membranstützplatten im Bereiche um deren Öffnungen zu erzielen, sind bei Vorrichtungen mit kreisrunden Iängsgehenden Strömungskanälen die Öffnungen der Membranen mit gleichem Durchmesser wie die Öffnungen der Membranstützpiatten, d.h. mit aem Durchmesser der Iängsgehenden Strömungskanälen entsprechendem Durchmesser auszubilden.

Werden Halteringe verwendet, um die Membranen an die Membranstützplatten zu pressen, sollten diese Ringe ebenfalls mit einem dem Durchmesser der Öffnungen der Membranstützplatten entsprechenden Innendurchmesser ausgebildet sein. Die Membranstützplatten sind vorzugsweise mit kleinen durchgehenden Löchern im Randbereich um die die längsgehenden Strömungskanäle bildende Öffnungen ausgebildet, und jeder Haltering weist Löcher und Zapfen auf, von denen die letzteren derart angeordnet sind, dass sie durch die genannten kleinen Löcher einer Membranstützplatte geführt und in die Löcher eines an der entgegengesetzten Seite der Membranstützplatte eingesetzt werden können, um dadurch zwei Membranen an einer zwischenliegenden Membranstützplatte zu befestigen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch einen Vertikalschnitt durch eine

Ausführungsform der erfindungsgemässen Vor

richtung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine elliptische Membranstützplatte zur Verwendung in einer Vorrichtung nach der Erfindung,
Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie l-l aus Fig. 2

durch die Membranstützplatte,

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine elliptische Membran zur Verwendung in einer Vorrichtung nach der Er-

findung,

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Durchtrittshaltenng zur Verwendung in der erfindungsgemässen Vorrichtung,
Fig. 6 eine Seitenansicht des Durchtrittshalteringes

nach Fig. 4,

Fig. 7 bis 9 Schnitte nach den Linien H-Il₇ IH-III und

IV-IV in Fig. 5 durch den Durchtrittshaltering,

Fig. 10 eine Draufsicht auf einen glatten Haltering zur Verwendung in der erfindungsgemässen Vor-

richtung,
Fig. 11 eine Seitenansicht des Halterings der Fig. 10

und

Fig. 12 bis 14 Schnitte nach den Linien V-V, Vl-Vl und VII-VII in Fig. 10 durch den glatten Haltering.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung besteht aus einem Stapel von Membranstützplatten 1, die jeweils zwei Membranen 2 abstützen. Der Stapel wird zwischen zwei Stirnplatten 4 und 5 aneinandergepresst gehalten, von denen die Stirnplatte 4 einen Zulaufkanal 6 und die Stirnplatte 5 einen Ablaufkanal 7 aufweist. Zwischen den Stirnseiten des Stapels und den Stirnplatten 4 und 5 sind jeweils Hilfsplatten 8 bzw. 9 mit den Kanälen 6 bzw. 7 entsprechenden Öffnungen 10 bzw. 11 angeordnet. Die Membranstützplatten 1 weisen Innenkanäle auf, die in Verbindung mit zum Ableiten des Permeats von dem Stapel aus Stützplatten 1 und Membranen 2 vorgesehenen Permeatablaufrohren 12 stehen. Die Membranstützplatten 1 und die Membranen 2 sind jeweils mit zwei Öffnungen 13 und 14 ausgebildet (vgl. Fig. 2 und 4), die zusammen zwei sich in Längsrichtung durch den Stapel von Stützplatten und Membranen erstreckende Kanäle 15 bzw. 16 bilden. Das eine Ende des Kanals 15 steht in Verbindung mit dem Zulaufkanal 6 der Stirnplatte 4, während das andere Ende des Kanals 16 in Verbindung mit dem Ablaufkanal 7 der Stirnplatte 5 steht.

Die Kanten der Öffnungen 13 und 14 der Membranen werden mittels Halteringsätzen, die je aus einem im einzelnen in den Figuren 5 bis 9 dargestellten Durchtrittshaltering 17 und einem im einzelnen in den Figuren 10 bis 15 dargestellten glatten Haltering 18 bestehen, in nahem Kontakt mit den Kanten der entsprechenden

• ■ · I Il

• · ■ t · J

Öffnungen der Membranstützplatten 1 gehalten.

Durch die Durchtnttshalteringe 17 ist, wie weiter unten noch näher erläutert wird, eine Verbindung zwischen den längsgehenden Kanälen 15 und 16 und KanäJe 19 geschaffen worden, die zwischen benachbarten Membranen gebildet sind.

Wie aus fig. 1 ersichtlich, sind einige der Durchtrittshalteringe 17 durch Absperrplattan 20.ersetzt, die den Kanal 15 oder 16 absperren. Durch die Absperrplatten wird bewirkt, dass Flüssigkeit, die durch einen der längsgehenden Ström· ngskanäle 15 oder 16 strömt, zunächst in die Strömungskänele 19 zwischen benachbarten Membranen 2 gezwungen wird, und sich dann wieder zu einer längsgehenden Strömung vereint. Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung f ist durch Absperrplatten 20 in drei Sektionen mit Parallelströmung durch die Kanäle 19 und Reihenströmung zwischen den Sektionen aufgeteilt.

Während des Durchströmens der Flüssigkeit durch die Vorrichtung tritt ein Anteil der Flüssigkeit durch die Membranen 2 hindurch und wird als Permeat über die Permeatablaufrohre 12 abgeleitet, während der übrige Anteil der Flüssigkeit als Konzentrat üb r den Ablauf kanal 7 abgeleitet wird. Das Verhältnis Permeatmenge zur Konzentratmenge richtet sich nach der Permeabilität der Membranen und dem gewählten Druck.

Der Stapel aus Membranstützplatten 1 und Membranen ist vorzugsweise horizontal mit den Permeatablaufrohren 12 nach oben weisend angeordnet, und zu diesem Zweck können die Platten 1 mit Flügeln 21 (vgl. Fig. 2) zum Aufhängen der Platten 1 an nicht dargestellte längs der Aussenseiten des Stapels aus Stützplatten 1 und Membranen 2 angeordnete Spannbolzen ausgebildet sein. |<

Wie aus den Figuren 5 bis 9 ersichtlich, sind die Durchtrittshalteringe 17 jeweils an der einen Seite mit Rippen 22 zur Bildung von zwischenliegenden Durchtrittskanälen 23 ausgebildet. Die Durchtrittshalteringe 17 weisen am Innenumkreis Vorsprünge 24,25 und 26 auf, von denen die Vorsprünge 24 jeweils mit einem Loch 27, die Vorsprünge 25 jeweils mit einem an der den Rippen 22 abge-

wandten Seite des Rings angeordneten Zapfen 28 und die Vorsprünge |

26 jeweils mit einem an der den Rippen 22 abgewandten Seite des Rings angeordneten Zapfen ausgebildet sind. Der Durchmesser der jj

Löcher entspricht dem Durchmesser der im folgenden beschriebenen

t · · ■ · · ■ ■ ι ι

* · · · «III

* * · · · till

Zapfen der glatten Halteringe 18, und der Durchmesser der Zapfen 28 entspricht dem Durchmesser der im folgenden beschriebenen Löcher der glatten Halteringe 18.

Die Zapfen 29 dienen zum Zentrieren des Halterings 17 in der Öffnung 13 oder 14 und damit zur Erleichterung der Montage des Halterings 17.

Die Figuren 10 bis 14 zeigen einen glatten Haltering 18. Dieser weist am Innenumfang einige Vorsprünge 30, 31 und 32 auf, von denen der Vorsprung 30 mit einem Loch 33 ausgebildet ist, dessen Durchmesser dem Durchmesser der Zapfen 28 der Durchtrittshaiteringe 17 entspricht. Die Vorsprünge 31 weisen Zapfen 34 mit einem dem Durchmesser der Löcher 27 der Durchtrittshalteringe 17 entsprechenden Durchmesser auf. Die Vorsprünge 32 weisen Zapfen 35 auf, die wie die Zapfen 29 der Durchtrittshalteringe 17 zum Zentrieren des Halterings 18 in der Öffnung der Membranstützplatte 1 dienen.

Zur Festlegung der Halteringsätze gegenüber den Membranstützplatten 1 weisen die Öffnungen 13 und 14 der Membranstützplatten Vorsprünge 36 mit Löchern 37 auf, wobei diese Vorsprünge und Löcher so ausgebildet sind, dass die Zapfen 28 und 34 der Durchtrittshalteringe 17 bzw. der glatten Halteringe 18 mit ihren Endbereichen durch die Löcher 37 geführt werden können, bevor sie in die entsprechenden Löcher 27 und 33 der an der anderen Seite angeordneten Halteringe eingeführt und darin festgelegt werden.

11 Il I 1 I I I I I I 11 I ·

1 I I I I t I t I ·

* I I I I t I ■

■ ι ι · itii·

» I I I I II«

lllllltt Il f Il Il

Claims

1 ■ Sch utza nsprüche:

1. Vorrichtung zum Trennen · einer Flüssigkeit in zwei Teilmengen mittels Druckfiltrierung durch halbdurchlässige Membranen und umfassend einen Stapel aus Membranen (2) und mit Flüssigkeitsablauforganen versehenen Membranstützplatten (1), wobei jede Membranstützplatte (1) wenigstens mit der einen Seite eine Membran (2) abstützt, und an der der abstützenden Platte (1) abgewandten Seite der Membran (2) ein parallel zur Membranoberfläche verlaufender Strömungskanal (19) gebildet ist, und die Membranen (2) und die Membranstützplatten (1) jeweils zwei Öffnungen (13,14) zur Bildung von zwei längsgehenden Strömungskanälen (15,16) aufweisen, die mit den zu den Membranoberflächen parallelen Strömungskanälen (19) in Verbindung stehen, und in jeder der beiden längs- gehenden Strömungskanäle (15,16) umsteckbare Kanalabsperrorgane (20) zum Aufteilen der Stapel in Sektionen mit Parallelströmung durch die zu den Membranoberflächen parallelen Strömungskanäle (19) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche (B) der längsgehenden Strömungskanäle (15,16) von der Formel

B έ 0,2 · η · V · A,

bestimmt ist, worin η die Anzahl der zu den Membranoberflächen parallelen Strömungskanäle einer Sektion bezeichnet, V die gewünschte durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit durch die zu den Membranoberflächen parallelen Strömungskanälen (20) bedeutet, und A die Querschnittsfläche eines solchen Strömungskanals (20) bezeichnet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die iängsgehenden Strömungskanäle (15,16) einen kreisrunden Querschnitt haben, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser d der längsgehenden Strömungskanäle (15,16) von der Formel

da 0,50 · Vn-V-A,

bestimmt ist, worin n, V und A jeweils die im Anspruch 1 angegebene Bedeutung haben.

I I I I I I I I Il fl

• (III

Il lilt lit·

ti · · ■

• ·

c- ■

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen (2) mit Öffnungen (13,14) ausgebildet sind, deren Querschnittsfläche ebenfalls von der im Anspruch 1 angegebenen Formel bestimmt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Membranen

(2) im Bereiche um die längsgehenden Kanäle (15/16) jeweils durch einen Satz yon Haiteringen gegenüber den Membranstützplatten festgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteringe im wesentlichen gleichen Innendurchmesser wie die Öffnungen der Membranen (2) und der Membranstützplatten (1) haben.

15

20

25

30

35

ItIl · ·

• « · • ■