NO153360B - Fremgangsmaate ved fremstilling av en separeringsmodul bestaaende av hule filamenter - Google Patents

Abstract

FREMGANGSMÅTE VED FREMSTILLING AV EN SEPARERINGSMQDUL BESTÅENDE AV -HULE. F ILAMENIER.

Description

Anvendelsen av membraner for å tilveiebringe separering av blandinger av gass/gass, væske/væske og væske/faste be-standdeler og oppløsninger er i stor utstrekning blitt anvendt i industrien. Vanligvis er membranelementer an-bragt i kar, som benevnes moduler, og omfatter en beholder med forskjellige innløps- og utløpsåpninger og en membran-enhet i nevnte beholder-. Innvendig er formen slik at man kan innføre en matestrøm med eller uten trykk på den opp-strøms liggende side av membranene og organer er anordnet for oppsamling av gjennomstrømmende materiale som passerer gjennom membranene og avgår ved deres nedstrøms liggende flater, idet organer er anordnet for å hindre at innmatet og gjennomstrømmende materiale blandes.

Membranene er blitt fremstilt i form av hule filamenter

med åpne ender, hvilke er anordnet og tettet i endeplater slik at det dannes et separeringsorgan for strømmen over utsidene av de hule filamenter fra enhver strøm i boring-ene i de hule filamenter.

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmtåe ved fremstilling av en hul filamentseparasjonsmodul, hvilken modul fremviser spesielle kjennetegnende trekk som mulig-gjør maksimal utnyttelse av de hule fibres egenskaper for angjeldende formål.

Oppfinnelsen vedrører filamenter med valgt diameter i overensstemmelse med strømningskravene til membraner med høy strømning. F.eks. kan man ved hjelp av denne fremgangsmåte anvende filamenter med så liten diameter som 100 pm helt opp til 500 um eller mere. De spesielle verdier av lengden og diameteren av filamentene kan være av stor be-tydning avhengig av anvendelsesområdet. Foreliggende oppfinnelse muliggjør et lett valg av disse dimensjoner. Ved anvendelse av omvendt osmose er det hensiktsmessig å anvende filamenter med en diameter på i det minste 25 um. Dessuten kan man ved vikling av filamentene på spirallignende måte med innbyrdes nærliggende sjikt viklet i motsatte retninger tilveiebringe en mer enhetlig fordeling av kanalrommene og flatene av filamentene, som er anvendelige for separeringen.

Selv om man konvensjonelt anser at 50 - 100 um er et typ-isk område for den ytre diameter for de av fine, hule filamenter bestående membraner, er det hensiktsmessig å anvende hule filamenter med en diameter på 250 um eller større. I visse tilfeller kan man faktisk med fordel anvende filamenter med en utvendig diameter på mer enn 500 um.

Ved denne fremgangsmåte for utnyttelse av store og styrte områder av diameteren, har man som en egnet utførelsesform anvendt et sammensatt hult filament, som består av et por-øst substrat, hvilket er belagt med et valgt, kraftig fil-tr er ingsrej ek tbar rier eorgan .

Det er vanligvis hensiktsmessig å anordne filamentene

langs spiralbaner, hvis akse er kongruent og parallell med hovedretningen av det matede trykks strømning. De avskårne filamentender kan innelukkes i samme massebindemiddel og munner ut i et felles kammer, eller de kan lukkes i to separate masser av bindemiddel og munne ut i to separate soner, vanligvis i innbyrdes motsatte ender av filament-spiralens akse.

I det etterfølgende vil banelengden mellom de avskårne ender av filamentene med begge ender åpne bli betegnet med L. Man skal da huske at ved filament med den ene ende åpen, tilsvarer filamentlengden fra den avskårnétil den åpne ende normalt halvdelen av lengden ved et filament som er åpen i begge ender. Det tilsvarende antall (set) fila-mentegenskaper og moduldriftbetingelser resulterer i be-grensninger av lengden fra den avskårne'ende til den luk-kede ende til hovedsakelig halvparten av det som er til-latt for banelengden mellom endene på en utformning med begge ender åpne.

Det er ifølge oppfinnelsen hensiktsmessig å anvende filamenter med begge ender åpne. Det har vist seg at det foreligger et unikt forhold mellom forskjellige geomet-riske og hydrauliske kjennetegn på modulen og dens drift som må oppfylles for at man skal oppnå overlegne resul-tater i modulens produktivitet og dens fraskillingsevne

med hensyn til det gjennomstrømmende materiale. Således er det ifølge oppfinnelsen tilveiebragt en fremgangsmåte, ved hvilken banelengden mellom de åpne ender av hvert filament ikke må overskride en viss verdi "k (i cm), som er

avhengig av følgende variabler: Filament Y.D., filament I.D., effektivt drivtrykk samt i filamentene iboende strømning ved nevnte trykk. Ifølge oppfinnelsen begrenses lengden av banen mellom de avskårne åpne ender ifølge krav l's karakteriserende del.

Drift under disse forhold skal anskueliggjøres med noen eksempler. I samtlige tilfeller ble et filamentknippe for-met til en sløyfe og sløyfens ben ble innesluttet i bindemiddel, og filamentenes åpne ende ble alle frilagt på den ene side av nevnte middel. Lengden av fibersløyfen på de motsatte sider av bindemiddelet ble montert i det indre av trykkrør og utsatt for strømningsmating av saltoppløsning under trykk. Lengden av sløyfen L bestemmes som den totale avstand fra filamentets ene avskårne ende til dens andre avskårne ende, og hele denne lengde befinner seg hovedsakelig i den under undertrykk satte matesone og en forholdsvis liten mengde utgjør filamentets lengde i bindemiddel. En mindre korrigering kan gjennomføres for den så--kalte "inaktive lengde" av filamentet som er innesluttet i bindemiddel. Det skal påpekes at for en fagmann utgjør imidlertid denne lengde en liten brøkdel av filamentets "aktive lengde". Korrigering for delen med uvirksom lengde/virksom lengde er ca. 0,1 eller .mindre. I alle praktiske tilfeller kan dette krav lett oppfylles.

Alle filamenter som kommer til anvendelse ifølge nedenstående eksempel, bestod av et sammensatt polysulfonsub-strat med en rejektsperre av sulfonert polyfuranplast. Den utvendige diameter er 250 ;um og den innvendige diameter 80 pm. (med toleransene ^+-5 pm). De forskjellige prøver ble valgt for å dekke et ganske stort område av strømnings- og rejektegenskaper.

Hver prøve ble fremstilt med forskjellige lengder mellom endene. Hver prøve ble prøvet med hensyn til gjennomstrøm-ningshastighet og rejekt av en oppløsning med 2000 ppm NaCl-oppløsning ved 58 kg/cm 2 påført trykk til en sa lav

2 o

verdi som 14,5 kg/cm påført trykk. Det osmotiske trykk ( ATT') i innmatningsmaterialet ble bestemt til 1,4

2

kg/cm .

Strømmen og rejektet i hver filaméntprøve ble målt ved hver av tre filamentlengder og derved ble de forsøksresul-tater oppnådd som fremgår av nedenstående tabeller IA og IB. Strømmen ble avsatt som funksjon av lengden som vist i diagrammene 1 og 2. Forholdsvis pålitelige ekstra poler-inger mot "null"-lengdestrømmen ble utført for disse kur-ver og er innført som parentes i tabellene IA og IB. I tabellen inngår også verdiene av Lcr^t som er beregnet ved anvendelse av ligningen (1) for hver filaméntprøve og drifttrykk. Under anvendelse av disse beregnede verdier av L cri. t.' , ble forholdet L/L cberegnet for hver prøve-

lengde og disses verdier angis likeledes i tabellen. Rejektet ble beregnet på vanlig måte, R = 100 (1-saltkon-sentrasjonen av gjennomstrømmet materiale/saltkonsentra-sjon i matet materiale). Strømmen angis som hastighets-parameteren pm/sekund (<y>m/sek.). Strømningsforholdet ved hver bestemt lengde i forhold til "null"-lengdestrømmen F/Fq er også oppført i tabellene.

Verdiene i tabell 1 angir klart at såvel strøm som rejekt minsker med økende fiberlengde L.

For verdiene av L større enn L utgjør den iakttatte strøm 83% av "null"-lengdestrømmen eller mindre for syv av åtte punkter. Når L er så stor som to til tre ganger L kan den bestemte strøm synke til en så lav verdi som 40 - 50 % av "null"-lengdestrømmen.

Lengdens innvirkning på rejektet, anskueliggjøres i tabell 1. Det fremgår at når L øker mot L , øker % saltgjen-nomstrømning kun noen få tiendedeler av en prosent, men ved L/Lc = 1, begynner.% saltgjennomstrømningen å øke . ganske raskt.

Det fremgår derfor at den kritiske lengde Lc mellom endene, som er beregnet ved hjelp av ligning ifølge krav l's karakteriserende del, kan anvnedes som praktisk verdi for bibeholdelse av såvel høyt innhold av "null"-lengde-strømmen som til dette svarende høyere saltrejektegenska-per. Det er således innlysende at man skal unngå å bygge opp moduler med fibre, hvis lengde mwellom endene er stør-re enn L ettersom det da foreligger såvel et ganske betydelig tap i effektiviteten ved fremstillingen av gjen-nomstrømmende materiale likesom en forringelse av det gjennomstrømmende' materiales kvalitet, hvilket kan nå ikke godtagbare verdier. Den eksakte verdi av L bestemmer imidlertid ikke alltid'en absolutt grense for godtagbar opptreden. Det kan meget godt inntreffe.at "null"-lengde-strømmen og.rejektets verdier er så gunstige at en strøm-ningseffektivitet på noe mindre enn 0,85 kan tolereres sammen med noen få prosents økning i saltgjennomstrømnin-gen. Med tanke på dette kan man anvende grenser for +- 10% omkring Lc for modulfremstilling i praksis.

Ved en hensiktsmessig fremgangsmåte ved fremstilling av fiberknipper ifølge oppfinnelsen vikles de hule fibre som nevnt i krav l's ingress.

Hvis det ikke tas hensiktsmessige forholdsregler med hensyn til den relative rotasjonshastighet for viklingsakselen og den tversgående hastighet fra ende til ende av filamentknippet ved viklingen, vil det dannes en kontinuerlig økende lengde av fibrene ved passeringen mellom de to ender av knippet, alt ettersom den radiale stilling øker. Forandringene kan resultere i en flerfoldig økning av lengden av spiralen eller til og med mer. Under visse betingelser kanskje helt opp til 6-10 ganger. Hvis således lengden av spiralsløyfen fra den ene ende til den andre er blitt bestemt for optimal strøm og rejekt og den begynnende vikling på doren skulle oppnå denne optimale lengde, vil ringens ytre viklingssjikt kraftig overstige den ønskede lengde. Ved valg av på forhånd beregnede lengder for det spesielle forhold av rotasjonshastigheten av viklingsdoren og den frem- og tilbakegående, -i tverretningen anordnede mekanisme kan spiraler anbringes i valgte radiale stillinger i ringen med meget liten variasjon i forhold til deres lengde. Eksempelvis kan en spirallengde fra det indre til det ytre området av ringen aldri variere mer enn 10 % fra den optimale lengde.

Man kan anta at denne tilstand skulle kunne oppnås ved at man velger et kontinuerlig minskende forhold mellom dorens rotasjonshastighet og den tversgående hastighet. Dette ville imidlertid føre til andre problemer som er avhjulpet ved foreliggende oppfinnelse. Det kan påvises at ved valgte forhold mellom rotasjonshastigheten og den tversgående hastighet, kan spiralviklingene bygges opp på beregnet måte oppnå hverandre, og det dannes derved topper. Disse forhold er uunngåelige ved hvert monotont synkende diagram. Følgen av opphøyningene blir en oppbygning av en ringformet pakke av spiraler med topper og daler, som aldri er fullstendig fylt ettersom viklingen skrider frem. Ved fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse unngås dette problem ved at man velger en rekke separate forhold for viklingens og den tversgående bevegelses hastighet og man skifter fra et forhold til neste under viklingen ved forutbestemte ringstillinger.

Den spesielle måte på hvilken ringen vikles beskrives i detalj nedenfor. Fibrene som har relativt stor diameter, vikles på spirallignende måte med innbyrdes nærbeliggende rekker viklet i motsatte retninger i forhold til hverandre. Det foreligger relativt enhetlig fordeling av fibre med stor diameter og kanalrommene samt de flater på fibrene som er anvendelige for separering. Ved en egnet ut-førelsesform har de hule fibre en ytre diamter på 250 pm eller mer. I visse tilfeller er det gunstig med en ytre diameter på 500 pm. Selv om en hvilken som helst hul fiber kan komme til anvendelse, skal ved en hensiktsmessig ut-førelsesform en hul sammensatt fiber utgjøres av et porøst substrat, som er dekket med en valgt høyfUtrerende rejektsperre.

Fremgangsmåten for vikling av ringen (22) fremgår av fig. 1-9. En sammenfoldbar, ekspanderbar, flettet hylse 26 er festet over en egnet viklingsaksel 68 langs en strekning som overstiger den aksiale lengde for ringen for å støtte ringens innside. Dette er den overflate på hvilken det første sjikt av ringen 22 vikles'direkte. Dessuten er det anordnet et stykke ekspanderbar hylse tilstrekkelig til å tilveiebringe en kontinuerlig beskyttende overflate på utsiden av ringen, brettet omkring den ene ende av ringen.

Ifølge en hensiktsmessig fremgangsmåte for fremstilling av filamentknipper ifølge oppfinnelsen, vikles de hule filamenter kontinuerlig i vekslende spiraler til å begynne med på en aksel med liten diameter for oppbygging av et ringformet knippe. Som ovenfor angitt ér banelengde for fila-" mentet som danner en spiral, fra den ene ende av knippet til den andre en funksjon av den radiale stilling av filamentet i ringen og dens spiralvinkel. Hvis det således ikke tas hensiktsmessige forholdsregler med hensyn til rotasjonshastigheten for viklingsakselen og den tversgående bevegelse fra ende til ende av knippet av ' filamenter under viklingen, vil man få en kontinuerlig økende fila-mentlengde ved hver passering mellom knippets to ender ettersom den radiale stilling øker. Ifølge oppfinnelsen har man valgt på forhånd beregnede grenseverdier for det spesifikke forhold mellom rotasjonshastigheten for viklingsdoren og den i-tverretningen frem- og tilbakegående mekanisme, samt anbringelse av spiraler ved forutbestemte radiale stillinger i ringen med liten variasjon i forhold til deres lengde. Eksempelvis må aldri en spirallengde fra det indre til det ytre området av ringen variere mer enn 10 % omkring den optimale lengde, hvilket lett og enkelt kan oppnås.

Ved hjelp av en rekke forksjellige forhold mellom vikle-hastigheten og hastigheten i tverretningen under viklingen ved forutbestemte ringstillinger unngår man således opp-byggingen av topper og daler.

På tegningene 3-7 er det første sjikt av spiralvi klinger som eksempel betegnet med 23, det andre med 24 og det tredje med 25, idet der er nærbeliggende mellomliggende viklinger uten betegnelser viklet i motsatt retning.

Etter avsluttet vikling brettes den ytre ende 26b på fig. 4 av fletten over ringen 22, idet flettens indre ende 26a blir igjen i det indre og doren 68 fjernes og frilegger boringen 30 på fig. 9.

På doren kan det anbringes en tynn skive, hvis diameter er flere centimeter større enn dorens diameter. Under viklingen føres garnet i tverretningen aksielt forbi denne skive, slik at en del av garnet fra hver sløyfe ved viklingen vil strekke seg over den ytre kant av skiven, før garnretningen omstyres. Resultatet av denne vikling blir at ved den ene ende av det spiralviklede knippe dannes det en sirkulær utbuktning av fibrene, hvis akser på dette sted danner stort sett rett vinkel med ringaksen. Senere blir hele den flenslignende sirkulære utbuktning av fibrene pluss ytterligere et område aksialt innenfor denne utbuktning stedet for innsprøyting av bindemiddelet. Støpeformen for en slik sammenføyning danner organet for dannelse av segmenter i bindemiddelet med fibrene i den flenslignende knippeforlengelse liggende i nevnte segmenter av bindemiddel. Etter fullstendig herding av binde-niddelet er det mulig å tilveiebringe åpne fiberender i de fiberstykker som forløper vinkelrett på ringens hovedakse ved skjæring av segmentsoner i bindemiddelet, i hvilket den flenslignende utbuktning av fibre er blitt innstøpt. Således tilveiebringes et adkomstplan 79 på fig. 11 hvor 'iver slik segmentsone av bindemiddel er blitt avbrutt fra Legemet i formen. Åpne fiberender vil på ny befinne seg i plan som danner en viss vinkel, vanligvis rett vinkel med 3en overflate mot hvilken aksialtrykket mot bindemiddelet itøves under moduldriften.

Claims (1)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av en hul filamentseparasjonsmodul ved å vikle semipermeable hule filamenter kontinuerlig i vekslende spiraler til å begynne med med en liten diameter for oppbygning av en filamentring, idet viklingene fullføres ved på forhånd beregnede grenseverdier for det spesifikke forhold mellom rotasjonshastighet og den i en tverretningen frem- og tilbakegående mekanisme slik at spiralene anbringes ved forutbestemte radielle stil-liger i ringen og hvor den derved erholdte fiberbunn av-skjæres i én eller begge ender og tettes slik at enten alle filamenter har begge ender åpne eller alle filamenter har én ende forseglet og den andre åpen, karakterisert ved at filamentene vikles slik at den rette lengde av filamentene, når begge ender er åpne, eller to ganger den rette lengde av filamentene når den ene er forseglet og den andre ende er åpen, holdes ikke større enn L .,cm, hvor: crit 2

P = modulens innmatningstrykk i kg/cm Air osmotisk trykkforskjell mellom den

matede oppløsning og det gjennom-strømmende materiale i kg/cm<2 >ID = filamentets indre diameter i yum R = forholdet mellom filamentets indre

diameter og dets ytre diameter F = strømmen i filamentet basert på dets

ytre diameter ved det effektivt drifttrykk, uttrykt som en hastighet i

yum pr. sekund (pm/sek.).