EP2456533A1

EP2456533A1 - Vorrichtung und filterelement zum filtern von fluid-feststoff-gemischen

Info

Publication number: EP2456533A1
Application number: EP10737286A
Authority: EP
Inventors: Werner Lauth
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-07-24
Filing date: 2010-07-21
Publication date: 2012-05-30
Also published as: DE102009034720B4; DE102009034720A1; WO2011009600A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Filtern von Fluid-Feststoff-Gemischen (10), vorzugweise Suspensionen, mit einem entlang einer Achse (1) sich erstreckenden Gehäuse (2), in dem Filterelemente (23) angeordnet sind, deren Filterflächen (24) vom Fluid-Feststoff-Gemisch (10) überströmt sind, und mit einem in das Gehäuse (2) mündenden Einlauf (11, 11 '), mit dem das Gehäuse (2) mit dem Fluid-Feststoff-Gemisch (10) beschickbar ist, und mit einem ersten aus dem Gehäuse (2) mündenden Auslauf für das Retentat und mit einem zweiten Auslauf (32) für den Abzug des Filtrats (33). Der Einlauf (11, 11 ') umfasst einen tangential verlaufenden Einströmspalt (12, 12'), der sich zumindest über den den Filterelementen (23) radial gegenüberliegenden axialen Längsabschnitt des Gehäuses (2) erstreckt. Die Erfindung umfasst ferner ein Filterelement für eine solche Vorrichtung, das sich aus mehreren Filtersegmenten zusammensetzt.

Description

Beschreibung:

Vorrichtung und Filterelement zum Filtern von Fluid-Feststoff-Gemischen

Technisches Gebiet:

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Filtern von Fluid-Feststoff-Gemischen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Filterelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 17. Stand der Technik:

Der Einsatzbereich der Erfindung erstreckt sich über das gesamte Gebiet der

Membranfiltration und deckt somit sowohl die Mikro-, als auch Ultra-, als auch

Nanofiltration ab. Sogar im Bereich der Umkehrosmose ist die Umsetzung der Erfindung möglich.

Das Grundprinzip der Filtration besteht darin, das zu filtrierende Fluid-Feststoff-Gemisch an einer Filterfläche vorbei zu führen, deren Öffnungen bzw. Poren so auf das Fluid- Feststoff-Gemisch abgestimmt sind, dass zumindest eine Komponente aus dem Gemisch die Filterfläche ungehindert durchströmen kann, während die übrigen Komponenten von der Filterfläche zurückgehalten werden. Triebkraft für die Durchströmung der Filterfläche ist die Druckdifferenz zwischen dem Bereich vor der Filterfläche und dem Bereich dahinter. Bei der statischen Filtration wird das zu filtrierende Fluid-Feststoff-Gemisch unter Druck in den Filterbereich vor der Filterfläche geführt, von wo es infolge des Transmembrandrucks als Permeat den Filter passiert. Dabei sammeln sich größere Partikel auf der Filterfläche an und bilden einen Filterkuchen. Dieser Vorgang wird auch als Deckschichtbildung oder Verblockung bezeichnet. Die Folge ist eine verminderte Filterleistung, die zwar in einem gewissen Rahmen durch eine Erhöhung des Transmembrandrucks ausgeglichen werden kann. Der maximal aufbringbare Druck ist allerdings von der Art des zu filtrierenden Gemisches sowie der mechanischen Festigkeit des Filters begrenzt. Sinkt die Filterleistung infolge Deckschichtbildung unter einen bestimmten Grenzwert, müssen statische Filter in regelmäßigen Intervallen durch Rückspülung und/oder

Säuberung der Filterflächen von Verblockungen befreit werden. Das wirkt sich infolge der Unterbrechung des Filtrationsbetriebs nachteilig aus und treibt die Betriebskosten durch den damit verbundenen Wartungsaufwand in die Höhe.

Um die Verblockungsneigung zu verringern, ist als Cross-Flow-Filtration auch schon bekannt, auf der Druckseite eine Überströmung parallel zu den Filterflächen zu erzeugen. Dabei wirken parallel zu den Filterflächen gerichtete Scherkräfte, die die an den

Filterflächen anhaftenden Partikel ganz oder wenigstens teilweise loslösen. Der Vorteil der Cross-Flow-Filtration liegt vor allem in den längeren Standzeiten der Filterelemente. Als Nachteil erweisen sich jedoch die großen Volumina des Fluid-Feststoff-Gemisches, die zur Erzeugung der Überströmung im Kreislauf gepumpt werden müssen und so einen hohen Energiebedarf verursachen. Eine Weiterentwicklung bekannter Filtersysteme stellt die dynamische Filtration dar, bei der eine Überströmung der Filterflächen durch eine Bewegung des Filters gegenüber dem zu filtrierenden Gemisch erzielt wird. Dies kann beispielsweise durch Rotation von Filterelementen innerhalb des Filtergehäuses erreicht werden. Dadurch ist es möglich, mit geringem Transmembrandruck und geringer Pumpenleistung eine ausreichend starke Überströmung der Filterflächen zu schaffen, um diese weitgehend frei von Verblockung zu halten. Allerdings bedingt der rotierende Mechanismus eine aufwändige und damit teure Konstruktion der Filtervorrichtung. Zudem stellen die notwendigen und mit Druck beaufschlagten Dichtungen gegenüber bewegten Maschinenteilen eine latente

Schwachstelle im konstruktiven System dar.

Eine demgegenüber erhebliche Verbesserung hinsichtlich der Betriebskosten und

Betriebssicherheit sowie des notwendigen Energiebedarfs und der Filterleistung bringt die in der DE 10 2005 027 509 A1 beschriebene Filtervorrichtung. Dort wird der Effekt ausgenutzt, dass bei tangentialer Beschickung eines zylindrischen Filtergehäuses ein Primärwirbel im umfangsnahen Bereich entsteht, der im axialen Kernbereich in einen Sekundärwirbel übergeht. Der Sekundärwirbel besitzt eine gegenüber dem Primärwirbel entgegengesetzte axiale Fließkomponente und infolge des geringeren Strömungsradius eine größere Strömungsgeschwindigkeit. Eine Anordnung der Filterflächen in der daraus resultierenden Wirbelzone wirkt einer Verblockungsneigung der Filterflächen entgegen, so dass ohne Einsatz bewegter Teile wie bei der dynamischen Filtration, und mit geringerem Druck als bei der konventionellen Cross-Flow-Filtration hohe Filterleistungen, das heißt hohe Fluxraten erreichbar sind. Dokument DE 10 2005 027 509 A1 , dessen Inhalt durch Bezugnahme als mit offenbart anzusehen ist, bildet für vorliegende Erfindung den nächstliegenden Stand der Technik.

Eine weitere Grenze in der Leistungssteigerung bekannter Vorrichtungen ist durch den Herstellungsprozess der Filterelemente vorgegeben, die, wie zum Beispiel bei

Keramikfiltern, durch einen Sinterprozess hergestellt sind. Die dabei aufzubringenden hohen Temperaturen und Drücke bergen mit zunehmenden Abmessungen die Gefahr, dass Schwund- und Sinterrisse vermehrt auftreten. Der dadurch bedingte hohe Anteil an Ausschuss verhindert einen Einsatz solcher Elemente in einem wirtschaftlich vertretbaren Rahmen, so dass eine Leistungssteigerung durch Verwendung größerer Filterelemente und damit Vergrößerung der Filterflächen nicht praktikabel ist. Die in der Praxis gebräuchlichen Filterelemente weisen einen Außendurchmesser von 300 mm bis 400 mm auf.

Darstellung der Erfindung:

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad bekannter Filtervorrichtungen weiter zu steigern.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 und/oder 17 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, das Fluid-Feststoff-Gemisch nicht nur punktuell dem Filtergehäuse zuzuführen, sondern eine achsparallel zur

Gehäuselängsachse verlaufende linienförmige Zuführung im Umfangsbereich des Gehäuses vorzusehen. Diese linienförmige Zuführung muss sich nicht notwendigerweise über die gesamte axiale Länge des Gehäuses erstrecken, was jedoch im Sinne einer möglichst wirkungsvollen Arbeitsweise wünschenswert ist. Vorteilhaft ist den

schlitzförmigen Einlauf in dem den Filterelementen radial gegenüberliegenden

Längsabschnitt des Gehäuses vorzusehen. Mit dieser Maßnahme stellt sich der Effekt ein, dass über die gesamte Länge des Einlaufe einheitliche Druckverhältnisse vorherrschen, die im umfangsnahen Bereich des Gehäuses zum Entstehen einer Wirbelströmung beitragen, die über die gesamte

Gehäuselängserstreckung eine einheitliche Tangentialgeschwindigkeit besitzt. Die von der Strömung ausgeübte Reinigungskraft auf die Filterflächen ist somit über die gesamte Filterfläche einheitlich, mit dem Ergebnis, dass alle Filterflächen im Gehäuse in der Lage sind, das Fluid-Feststoff-Gemisch in gleich hohem Maße zu filtrieren.

In besonderem Maße kommt vorliegende Erfindung bei Filtervorrichtungen zum Tragen, wie sie in der DE 10 2005 027 509 A1 beschrieben sind, deren besondere Effizienz aus dem Zusammenwirken eines äußeren Primärwirbels und eines inneren Sekundärwirbels beruht. Durch Kombination einer solchen Vorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Einlauf wird erreicht, dass die Differenzgeschwindigkeit zwischen dem Primärwirbel und Sekundärwirbel über die gesamte axiale Länge der Vorrichtung im wesentlichen konstant bleibt, was zu einer über die Länge der Vorrichtung gleichmäßigen Ausbildung intensiver Turbulenzzonen an allen Filterflächen führt. Damit tragen alle Filterflächen gleichermaßen zu einer hohen Filtrationsleistung der Erfindung bei.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Einströmspalt durch ein zumindest im Bereich des Einlaufe spiralförmiges Gehäuse hergestellt ist, wobei die sich radial gegenüberliegende Gehäusewände eine tangentiale Überlappung aufweisen, was sich in zweierlei Hinsicht als vorteilhaft erweist. Zum einen kann der Einströmspalt durch Überlappung der Gehäusewände auf einfache Weise hergestellt werden. Zum anderen verhindert die spiralförmige Geometrie des Gehäuses Kollisionen der Zulaufströmung mit der Wirbelströmung im Gehäuse, so dass Druckverluste im Einlaufbereich nahezu eliminiert sind.

Zur gleichmäßigen Beschickung des Einströmspalts über seine gesamte axiale Länge dient in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ein achsparallel verlaufendes

Verteilerrohr mit ausreichend großem Strömungsquerschnitt. In einer einfachen

Ausführungsform wird das Verteilerrohr nur von einem seiner beiden Enden mit dem Fluid-Feststoff-Gemisch beaufschlagt. Um Druckverluste bis zum anderen Ende des Verteilerrohrs auszugleichen, ist in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, den Strömungswiderstand im Einströmspalt zur Kompensation der Druckverluste entsprechend zu reduzieren. Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, das Maß der Überlappung und damit die tangentiale Länge des Einströmspalts im Bereich der Beschickung des Verteilerrohrs maximal zu wählen und dann in Richtung des anderen Endes des Verteilerrohrs zu verringern. Bei Ausführungsformen, die eine Beschickung des Verteilerrohrs von dessen beiden Enden vorsehen, können das Maß der Überlappung und damit die örtliche Länge des Einströmspalts von einem maximalen Wert jeweils an den axialen Enden des

Einströmspalts auf einen minimalen Wert auf mittlere Höhe des Einströmspalts abnehmen.

Um eine gerichtete, möglichst wirbelfreie Strömung im Einströmspalt zu erzeugen, ist eine gewisse Länge des Einströmspalts vorteilhaft, die gemäß einer vorteilhaften

Ausführungsform mindestens 20 mm und maximal 150 mm, vorzugsweise maximal 60 mm beträgt. Damit das Fluid-Feststoff-Gemisch mit einer vorteilhaften Geschwindigkeit in die erfindungsgemäße Vorrichtung strömt, besitzt der Spalt vorzugsweise eine radiale Breite von maximal 20 mm, insbesondere maximal 8 mm.

Unabhängig oder in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Einströmspalt kann eine Leistungssteigerung auch durch eine Vergrößerung der Filterflächen erzielt werden. Da der Herstellungsprozess der aus Sintermaterialien gefertigten Filterelemente größere Durchmesser nicht zulässt, besteht der Grundgedanke der Erfindung auch darin, Filterelemente in kleinere Filtersegmente zu unterteilen, die zusammen ein

größerflächiges, in einer Ebene liegendes Filterelement ergeben und von denen jedes eine funktionstechnisch eigenständige Filtereinheit bildet. Dadurch gelingt es, material- und fertigungsimmanente Beschränkungen zu überwinden und Filterelemente mit einem Außendurchmesser von beispielsweise bis zu 800 mm herzustellen, was einer

Vervierfachung der Filterfläche gleichkommt. Damit ausgerüstete Vorrichtungen sind somit kompakter gebaut und kostengünstig in der Herstellung bei gleicher oder größerer Leistungseffizienz.

Eine zusätzliche Funktionalität und damit ein erweitertes Anwendungsfeld bietet eine Ausführungsform der Erfindung, bei dem zumindest ein Teil der Filterelemente oder der Filtersegmente mit Gas, vorzugsweise Druckluft, beaufschlagt werden können. Das Gas gelangt durch den Konzentratraum von innen durch die Filterflächen nach außen in das Fluid-Feststoff-Gemisch, wobei die aus den Filterflächen austretenden kleinen

Gasbläschen das Lösen von Verblockungen an den Filterflächen unterstützen.

Gleichzeitig wird durch den Eintrag von Gasmolekülen, vorzugsweise Sauerstoff, in das Fluid-Feststoff-Gemisch eine Belebung der im Fluid-Feststoff-Gemisch vorhandenen Mikroorganismen erreicht, deren gesteigerte Aktivität biologische Umwandlungsprozesse im Fluid-Feststoff-Gemisch beschleunigt. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher in der Lage biologische Umwandlungsprozesse nach Art eines Bioreaktors zu stimulieren und gleichzeitig die dabei entstehenden Produkte zu trennen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten

Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung entlang der in

Fig. 2 dargestellten Linie I - 1,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung entlang der dortigen Linie Il - II, Fig. 3 einen Teillängsschnitt durch die in Figur 2 dargestellte Vorrichtung entlang der dortigen Linie IM - III,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, Fig. 5 einen Teillängsschnitt durch die in Figur 4 dargestellte Vorrichtung,

Fig. 6 einen Querschnitt durch eine zusätzliche Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 7 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Filterelement, das aus drei

Filtersegmenten zusammengesetzt ist. Wege zur Ausführung der Erfindung und gewerbliche Verwertbarkeit:

Die Figuren 1 bis 3 zeigen den genaueren Aufbau einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Entlang einer Achse 1 ist ein Gehäuse 2 angeordnet ist, wobei die

Gehäuselängsachse mit der Achse 1 zusammenfällt. Das Gehäuse 2 setzt sich im

Wesentlichen aus einem oberen zylindrischen Abschnitt 3 und einem unteren

kegelförmigen Abschnitt 4 zusammen. Der zylindrische Abschnitt 3 ist oben mittels eines Deckels 5 verschlossen, der im Bereich der Achse 1 eine konzentrische Öffnung 6 besitzt. Die Öffnung 6 dient zur Durchführung eines zylindrischen Tauchrohres 7, das die

Funktion einer Überlaufdüse ausübt. Durch geeignete Mittel, beispielsweise einem

Gewinde, ist das Tauchrohr 7 in axialer Richtung gegenüber dem Deckel 5 verstellbar angeordnet. Der Abschnitt 4 des Gehäuses 2 verjüngt sich nach unten kegelförmig und besitzt in seinem Tiefpunkt einen rohrförmigen Feststoffabzug 8, in den ein Regulierorgan 9 integriert ist. Zur Beschickung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Fluid-Feststoff- Gemisch 10 besitzt das Gehäuse 2 einen Einlauf 11 , der im wesentlichen aus einem Einströmspalt 12 besteht, der sich über die gesamte axiale Länge des zylindrischen Gehäuseabschnitts 3 erstreckt und das Fluid-Feststoff-Gemisch 10 tangential in das Innere des Gehäuses 2 einleitet.

Ferner umfasst der Einlauf 11 ein achsparalleles Verteilerrohr 13 größeren

Durchmessers, das zur Speisung des Einströmspalts 12 entlang seiner Mantellinie eine durchgehende Öffnung aufweist, über welche das Verteilerrohr 13 an den Einströmspalt 13 (Fig. 2) angeschlossen ist. Im Verteilerrohr 13 erfolgt somit die axiale Zuführung des Fluid-Feststoff-Gemisches 10, das im Verteilerrohr 13 eine Umlenkung in tangentiale Richtung des Einströmspalts 12 erfährt und im Weiteren in das Innere des Gehäuses 2 gelangt.

Wie vor allem aus Fig. 2 ersichtlich, ist zur Bildung des Einströmspalts 12 der zylindrische Gehäuseabschnitt 3 bezüglich der Achse 1 spiralförmig ausgebildet, das heißt der radiale Abstand der Gehäusewand zur Achse 1 nimmt in Umfangsrichtung kontinuierlich ab. Dadurch, dass sich die Gehäusewand über mehr als 360° erstreckt, überlappen sich die äußere Gehäusewand 14 und innere Gehäusewand 15 um ein Maß L (Fig. 3), das der Länge des Einströmspalts 12 entspricht. Die innere Gehäusewand 15 endet mit einer Kante 16, der radiale Abstand der äußeren Gehäusewand 14 zur inneren Gehäusewand 15 bestimmt die Breite des Einströmspalts 12.

Das Maß der Überlappung L definiert somit die Länge des Einströmspalts 12. Die

Überlappung L kann dabei vom bezogen auf die Einströmrichtung im Verteilerrohr 13 ersten axialen Ende 18 des Einströmspalts 12 zum axial gegenüberliegenden zweiten Ende 19 konstant sein, das heißt der Einströmspalt 12 besitzt über seine axiale

Erstreckung eine einheitliche Länge.

Im vorliegenden Beispiel ist jedoch ein Verlauf der Kante 16 entsprechend Fig. 3 realisiert. Man sieht eine maximale Überlappung L im Bereich des ersten Endes 18 des

Einströmspalts 12 mit in Richtung des zweiten Endes 19 linear abnehmendem Verlauf, beispielsweise derart, dass die Länge des Einströmspalts 12 am zweiten Ende 19 nur noch halb so groß ist wie die Überlappung im Bereich des ersten Endes 18. Der Verlauf der Kante 16 muss nicht linear sein, sondern kann ebenso progressiv oder degressiv abnehmen. Ziel einer sich ändernden Spaltlänge ist es, Druckverluste im Verteilerrohr 13 zwischen dem ersten Ende 18 und zweiten Ende 19 durch eine kürzere Spaltlänge ganz oder teilweise zu kompensieren, so dass das Fluid-Feststoff-Gemisch 10 über die gesamte axiale Länge des Einlaufs 11 mit einheitlicher Geschwindigkeit in das Gehäuse 2 strömt.

Der zylindrische Gehäuseabschnitt 3 dient zur Aufnahme einer Filtereinheit 22, die im Wesentlichen eine Vielzahl ringscheibenförmiger Filterelemente 23 umfasst. Die

Filterelemente 23 bestehen im Wesentlichen aus einer doppelwandig ausgebildeten Ringscheibe, die im Inneren einen Filtratraum 26 beherbergt. Zumindest eine Seite, bevorzugterweise sowohl die Ober- als auch Unterseite der Filterelemente 23 sind permeabel und bilden somit Filterflächen 24 aus. Im Zentrum der Filterelemente 23 sieht man eine zentrale kreisförmige Öffnung 25. Dadurch weist jedes ringscheibenförmige Filterelement 23 einen äußeren Rand 27 und einen inneren Rand 28 auf, welche den Filtratraum 26 in radialer Richtung abdichten und begrenzen. Die Filterelemente 23 besitzen ferner drei exzentrisch in den Filterflächen 24 angeordnete Öffnungen 29, welche das Filterelement 23 durchdringen und zu deren Rand hin der Filtratraum 26 offen ist. Eine Vielzahl solcher Filterelemente 23 ist zu einem Filterpaket zusammengefasst und in das Gehäuse 2 eingesetzt. Dabei nehmen die Filterelemente 23 eine koaxial zur Achse 1 liegende Position ein, bei der sie unter Einhaltung eines radialen Abstandes zur inneren Wandung des Gehäuses 2 planparallel und in gegenseitigem axialem Abstand übereinander liegen. Die Fixierung der Filterelemente 23 im Gehäuse 2 in dieser Position geschieht über stabförmige Halter 30, die sich innerhalb der exzentrischen Öffnungen 29 durch alle Filterelemente 23 bis über den Deckel 5 des Gehäuses 2 hinaus erstrecken.

Der radiale Wandabstand der Filterelemente 23 zum Gehäuse 2 ist unter anderem vom Durchmesser der Filterelemente 23 und dem Volumendurchsatz der Vorrichtung abhängig. Ohne sich darauf einzuschränken, hat sich im Betrieb einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung ein radialer Abstand im Bereich von 5 mm bis 30 mm bewährt, vorzugsweise von etwa 15 mm.

Zwischen den einzelnen Filterelementen 23 sowie dem obersten Filterelement 23 und dem Deckel 5 sind Abstandshalter 31 zwischengeschaltet, die die exzentrischen

Öffnungen 29 umlaufen und die gleichzeitig eine abdichtende Funktion gegenüber den Filterelementen 23 ausüben. Auf diese Weise entstehen im Bereich der exzentrischen Öffnungen 29 zur Achse 1 parallele Filtratkanäle 32, gebildet von den Abstandshaltern 31 und den Öffnungen 29 in den Filterelementen 23. Die Filtratkanäle 32 münden im Bereich des Deckels 5 aus dem Gehäuse 2 und leiten das Filtrat (Pfeil 33) in einen nicht weiter dargestellten Sammelbehälter.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist das Tauchrohr 7 so weit in das Gehäuse 2 axial

eingeschoben, dass das untere Ende des Tauchrohrs 7 mit der Oberseite des obersten Filterelements 23 bündig abschließt. Dadurch kann das Fluid-Feststoff-Gemisch 10 nicht direkt vom Einlauf 11 in die vom Tauchrohr 7 gebildete Oberlaufdüse gelangen.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung erklärt sich wie folgt. Über den Einlauf 11 , das heißt das Verteilerrohr 13 und den Einströmspalt 12, wird das Gehäuse 2 über die gesamte axiale Länge des zylindrischen Gehäuseabschnitts 3 einheitlich mit dem Fluid-Feststoff-Gemisch 10 beaufschlagt. Durch die tangentiale Einströmrichtung in das Gehäuseinnere wird dabei im umfangsnahen Bereich des Gehäuses 2 eine zirkulierende Strömung initiiert, die im Weiteren als Primärwirbel bezeichnet wird. Der Primärwirbel besitzt aufgrund der Längserstreckung des Einlaufe 11 über den zylindrischen Gehäuseabschnitt 3 eine über diesen Längsabschnitt einheitliche tangentiale

Bewegungskomponente.

Hingegen bildet sich im Kernbereich um die Achse 1 ein Sekundärwirbel mit im Vergleich zum Primärwirbel gleichbleibendem Drehsinn, jedoch höherer Geschwindigkeit und einer axialen entgegengerichteten Bewegungskomponente, die zu einer Wirbelströmung innerhalb der zentrischen Öffnungen 15 in Richtung der Überlaufdüse in Form des Tauchrohrs 7 führt, die als aufkonzentriertes Fluid-Feststoff-Gemisch 36 das Gehäuse 2 verlässt. Primärwirbel und Sekundärwirbel stellen somit Potential Wirbel mit

unterschiedlichen tangentialen und axialen Strömungsgeschwindigkeiten dar, was zur Bildung von ausgeprägten Turbulenzzonen führt.

Schwerere, im Fluid-Feststoff-Gemisch 10 enthaltene Partikel werden infolge der im Primärwirbel vorherrschenden Zentrifugalkräfte radial nach außen getragen, wo sie an der Innenwandung des Gehäuses 2 langsam nach unten absinken und in den kegelförmigen Gehäuseabschnitt 4 gelangen. Über den Feststoffabzug 8 werden diese Feststoffpartikel kontinuierlich oder zyklisch aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung entfernt. Leichtere Partikelteilchen können in den Sekundärwirbel gelangen, mit dem sie das Gehäuse 2 über das Tauchrohr 7 wieder verlassen. Ein Teil dieser Partikel wird aber infolge der im

Sekundärwirbel vorherrschenden Zentrifugalkräfte in den Hohlraum zwischen den einzelnen Filterelementen 13 nach außen getragen und gelangt dabei in den Bereich des Primärwirbels. Die damit einhergehende radiale Beschleunigung der Partikel genügt, damit auch diese bis zur Innenwandung des Gehäuses 2 gelangen, wo sie

schwerkraftbedingt nach unten in den Feststoffabzug 8 sinken. Infolge des Drucks, mit dem das Fluid-Feststoff-Gemisch 10 in das Gehäuse 2 eingeleitet wird, entsteht ein Druckgefälle gegenüber den Filtraträumen 26 der Filterelemente 23. Dieses Druckgefälle, auch als Transmembrandruck bezeichnet, bewirkt ein Eindringen des Filtrats 33 über die Filterflächen 24 in den Filtratraum 26, wo es über die Filtratkanäle 32 aus dem Gehäuse 2 geführt wird. Der damit einhergehenden Neigung zur

Deckschichtbildung auf den Filterflächen 24 wird durch die hochturbulenten

Strömungsverhältnisse im Übergangsbereich zwischen dem Primärwirbel und

Sekundärwirbel entgegen gewirkt. Die dabei auftretenden Scherkräfte lösen Partikel von den Filterflächen 24. Unterstützt wird dieser Effekt von den im Sekundärwirbel mitgeführten Feststoff Partikeln, die, wie oben beschrieben, fliehkraftbedingt radial nach außen getragen werden.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine Weiterbildung der in den Fig. 1 bis 3 beschriebenen

Erfindung. Aus diesem Grund werden für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet und es wird, um Wiederholungen zu vermeiden, auf das dort Gesagte verwiesen.

Im Unterschied zu der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung weist die Weiterbildung gemäß Fig. 4 ein Gehäuse 2 mit nur zylindrischem Abschnitt 3 auf. Das Gehäuse 2 ist liegend angeordnet, also mit horizontaler Achse 1 , was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Der Zufluss zum Verteilerrohr 13 erfolgt nicht nur auf einer Seite, sondern sowohl am ersten Ende 18 des Einströmspalts 12 als auch zweiten Ende 19. Dadurch werden Druckverluste im Verteilerrohr 13 reduziert. Den sich daraus ergebenden spezifischen Druckverhältnissen wird durch eine Ausbildung des Einlaufe 10' mit einem Einströmspalt 12' Rechnung getragen, bei dem die maximale Überlappung und damit maximale Spaltlänge sowohl am ersten Ende 18 als auch zweiten Ende 19 vorhanden ist und auf einen minimalen Wert auf halber Gehäuselänge zurück geht. Ein dementsprechender Verlauf der Kante 16 der inneren Wand 15 ist in Fig. 5 dargestellt.

Ein solcher Einlauf 11' kann beispielsweise mit einer Vorrichtung wie unter den Fig. 1 bis 3 beschrieben, also mit nur einer axialen Überlaufdüse zum Abzug des aufkonzentrierten Fluid-Feststoff-Gemischs, kombiniert sein. Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform der Erfindung ist jedoch mit einem zweiten Tauchrohr 7' im Bereich des zweiten Endes 19 versehen, um eine zweite Überlaufdüse zu schaffen, so dass das aufkonzentrierte Gemisch an den sich gegenüberliegenden Stirnseiten des Gehäuses 2 abgezogen werden kann. Ferner weist die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform der Erfindung eine Rückführung des aufkonzentrierten Fluid-Feststoff-Gemischs 36 aus den Überlaufdüsen in den Einlauf 10' vor. Zu diesem Zweck sind die Tauchrohre 7, 7' jeweils über eine Leitung 37 mit dem Einlauf 10" verbunden. Eine in diesen Kreislauf zwischengeschaltete Pumpe 38 sorgt für den notwendigen Druck zur Beschickung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Zum Ausgleich des Verlustes an dem Fluid-Feststoff-Gemischs durch die Menge des abgezogenen Filtrats 33 ist eine weitere Leitung 39 an die Leitung 37 angeschlossen, über die neues zu filtrierendes Fluid-Feststoff-Gemisch von der Pumpe 40 in den Kreislauf und damit den Einlauf 10' gepumpt wird. Fig. 6 zeigt schließlich eine Ausführungsform der Erfindung, die auch mit den zuvor erwähnten Ausführungsformen kombiniert werden kann. Vor allem bei Gehäusen 2 mit größerem Durchmesser können zwei oder mehr erfindungsgemäße Einlaufe 11 gleichmäßig über den Gehäuseumfang verteilt vorgesehen sein, um die äußere

Wirbelströmung durch ausreichende Zufuhr von Fluid-Feststoff-Gemisch 10 zu stützen.

Figur 7 zeigt ein Filterelement 23", dass aus drei Filtersegmenten 34 zusammen gesetzt ist, die in einer gemeinsamen Ebene liegen. Das Filterelement 23' besitzt die Form einer Ringscheibe und ist durch drei radial verlaufende Trennfugen 35 in einem Winkelabstand von jeweils 120° unterteilt. Jedes Filtersegment 34 ist randseitig geschlossen, so dass mehrere voneinander unabhängige Filtraträume entstehen. Für den Abzug des Filtrats weist jedes Filtersegment 34 an seiner Oberseite und /oder Unterseite mindestens eine Öffnung 29' auf, an die beispielsweise Rohre dicht anschließbar sind.

Zur Befestigung der Filtersegmente 34 innerhalb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können durch die Filtersegmente 34 sich erstreckende Befestigungsöffnungen 41 vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich dazu kann eine Befestigung über die

Öffnungen 29' für den Filtratabzug erreicht werden. Eine andere - nicht dargestellte - Ausführungsform sieht die Anordnung eines umlaufenden Bügels oder Spannrings vor, der den dem Außenrand des Filterelements 23' bildenden Umfangsabschnitt der

Filtersegmente 34 umfasst.

In den Trennfugen 35 können die Filtersegmente 34 unter Kontakt aneinander stoßen, wobei in dieser Fuge auch Zentriermittel vorgesehen seien können, die dafür sorgen, dass die einzelnen Filtersegmente 34 in einer gemeinsamen Ebene liegen. Die

Filtersegmente 34 können jedoch auch im gegenseitigen Abstand zueinander angeordnet sein, so dass im Bereich der Trennfugen 35 jeweils eine Lücke entsteht. Dabei müssen die eine Trennfuge 35 bildenden Ränder der Filtersegmente 34 nicht notwendigerweise parallel zueinander verlaufen, das heißt, die einzelnen Filtersegmente 34 können auch eine vom Kreisscheibenausschnitt oder Ringscheibenausschnitt abweichende Form aufweisen, beispielsweise rechteckförmige, trapezförmige oder andere Umrisse besitzen.

Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombinationen der einzelnen

Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch solche Vorrichtungen, bei denen Merkmale der einzelnen Ausführungsformen untereinander kombiniert sind.

Beispielsweise kann die unter Fig. 4 beschriebene Kreisströmung des Fluid-Feststoff- Gemischs auch bei der Ausführungsform entsprechend den Fig. 1 bis 3 verwirklicht sein.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Filtern von Fluid-Feststoff-Gemischen (10), vorzugsweise

Suspensionen, mit einem entlang einer Achse (1) sich erstreckenden Gehäuse (2), in dem Filterelemente (23) angeordnet sind, deren Filterflächen (24) vom Fluid- Feststoff-Gemisch (10) überströmt sind, und mit einem in das Gehäuse (2) mündenden Einlauf (11 , 11') mit dem das Gehäuse (2) mit dem Fluid-Feststoff- Gemisch (10) beschickbar ist und mit einem ersten aus dem Gehäuse (2) mündenden Auslauf für das Retentat und mit einem zweiten Auslauf (32) für den Abzug des Filtrats (33), dadurch gekennzeichnet, dass der Einlauf (1 1 , 11 ') einen tangential verlaufenden Einströmspalt (12, 12') umfasst, der sich zumindest über den den Filterelementen (23) radial gegenüberliegenden axialen

Längsabschnitt des Gehäuses (2) erstreckt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) im Querschnitt zumindest im Bereich des Einströmspalts (12, 12'), vorzugsweise über den gesamten Umfang, spiralförmig ausgebildet ist und der Einströmspalt (12, 12') durch tangentiale Überlappung L der Gehäusewand (14, 15) gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß der

Überlappung L über die gesamte axiale Länge des Einströmspalts (12, 12') konstant ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß der

Überlappung L ausgehend vom ersten stirnseitigen Ende (18) des Gehäuses (2) in Richtung des gegenüberliegenden zweiten stirnseitigen Endes (19) des Gehäuses

(2) abnimmt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß der

Überlappung L ausgehend von beiden stirnseitigen Enden (18, 19) des Gehäuses (2) zur Mitte abnimmt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Überlappung L 150 mm, vorzugsweise 60 mm beträgt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Überlappung L 20 mm beträgt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Breite des Einströmspalts (12, 12') maximal 20 mm beträgt, vorzugsweise 8 mm.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Einströmspalt (12, 12') zur Beschickung mit dem Fluid-Feststoff-Gemisch (10) unmittelbar ein axial verlaufendes Verteilerrohr (13) vorgeschaltet ist, aus dem der Einströmspalt (12, 12') über seine gesamte axiale Länge gespeist wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilerrohr (13) von einem Ende oder beiden Enden mit dem Fluid-Feststoff-Gemisch (10) beaufschlagbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) an einem stimseitigen Ende oder beiden stirnseitigen Enden einen zur Achse (1) koaxialen Auslauf (7) für das aufkonzentrierte Retentat (36) besitzt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Filterflächen (24) der Filterelemente (23) unter Einhaltung eines radialen Abstandes um die Achse (1 ) angeordnet sind, so dass sich ein freier axialer Kernbereich ergibt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterflächen (24) der Filterelemente (23) in Lotebenen zur Achse (1) angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterelemente (23) ringscheibenförmige Gestalt besitzen, koaxial zur Achse (1) und planparallel mit axialem Abstand zueinander angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterelemente (23, 23') jeweils aus mindestens zwei, vorzugsweise drei Filtersegmenten (34) zusammengesetzt sind, die in einer gemeinsamen Lotebene zur Achse (1) angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterelemente (23, 23') unter Druck von Innen nach Außen mit einem Gas beaufschlagbar sind, so dass feine Gasbläschen aus den Filterflächen (24) austreten.

17. Filterelement geeignet zur Verwendung in einer Vorrichtung gemäß einem der

Patentansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (23') aus mehreren Filtersegmenten (34) zusammengesetzt ist, die in einer

gemeinsamen Ebene angeordnet sind.

18. Filterelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass sich die

Filtersegmente (34) jeweils über einen Kreisbogenabschnitt erstrecken und zusammengesetzt ein kreisscheibenförmiges oder kreisringscheibenförmiges Filterelement (23¹) bilden.

19. Filterelement nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass jedes

Filtersegment (23) jeweils einen geschlossen Filtratraum umschließt und an der Ober- und/oder Unterseite eine Öffnung (29¹) für den Abzug des Filtrats vorgesehen ist.

20. Filterelement nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtersegmente (34) mittels eines gemeinsamen Rahmens gehalten sind.