WO1999004889A1

WO1999004889A1 - Filtervorrichtung

Info

Publication number: WO1999004889A1
Application number: PCT/EP1998/004506
Authority: WO
Inventors: Roland Heinl; Peter Schröter
Original assignee: Ceramtec Ag
Priority date: 1997-07-23
Filing date: 1998-07-20
Publication date: 1999-02-04
Also published as: EP0999888B1; DE59808647D1; DE19731551A1; EP0999888A1

Abstract

Eine Filtervorrichtung zum Filtern von flüssigen oder gasförmigen Medien weist mehrere Filterelemente (10, 20, 21) auf. Die Filterelemente (10, 20, 21) bestehen jeweils aus einem Trägerkörper (11, 24, 25) aus grobporiger Keramik, mit jeweils mehreren längslaufenden Kanälen (12). Die Innenwände der Kanäle (12) sind mit einer feinporigen Filtermembran (13) bedeckt. Aus dem durch die Kanäle (12) strömenden zu filternden Medium wird mittels der Filtermembranen (13) ein Filtrat ausgefiltert, das durch die Filtermembranen (13) in die grobporigen Trägerkörper (11, 24, 25) eintritt und an deren Umfangsflächen (14, 28, 29, 33) in zwischen den Filterelementen (10, 20, 21) angeordnete ringförmige Ablaufkanäle (22, 23) austritt.

Description

Filtervorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung zum Filtern von flussigen oder gasformigen Medien

Zum Filtern von flussigen oder gasformigen Medien sind Filterelemente bekannt, die in einem langgestreckten Tragerkorper aus grober Keramik mehrere in Längsrichtung verlaufende Kanäle aufweisen Die Kanalwande sind mit einer Filtermembran aus feinporigem Material, beispielsweise feinporiger Keramik, bedeckt Beim Durchströmen der Kanäle mit dem zu filternde Medium tritt das Filtrat (Permeat) durch die Filtermembran in den grobporigen Tragerkorper ein und an dessen Umfangsflache aus

Zur Erreichung einer hohen Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit von Filtern muß die Filterflache je Filterelement möglichst groß sein Zur Vergrößerung der Filterflache kann die Anzahl der langslaufenden Kanäle im Tragerkorper erhöht werden, indem die Querschnittsflache der einzelnen Kanäle verkleinert wird Die Viskosität des zu filternden Mediums setzt jedoch einer Verkleinerung der Querschnittsflache der einzelnen Kanäle Grenzen

Eine weitere Möglichkeit zur Vergrößerung der Filterflache besteht dann, die Außenabmessungen des gesamten Filterelements zu vergrößern und in dem Filterelement eine größere Anzahl von Kanälen mit ausreichend großer Querschnittsflache vorzusehen Aufgrund der Vergrößerung der Außenabmessungen des Filterelements vergrößert sich aber auch der mittlere Abstand zwischen den einzelnen Kanälen und der Umfangsflache des Filterelements Durch die langen Diffusionswege und den dadurch erhöhten Druckverlust verringert sich der Druck des Filtrats im Tragerkorper von innen nach außen stark, wodurch die vorhandene Filterkapazitat nur teilweise ausgeschöpft wird Wegen der längeren Diffusionswege und dem erhöhten Druckverlust wird der Abtransport des Permeats behindert, wodurch die Permeatmenge sinkt Zur Reinigung der Membranoberflache ist in regelmäßigen Abstanden ein Ruckspulimpuls notwendig Durch lange Diffusionswege und erhöhten Druckverlust ist die Abremigung der weiter innen angeordneten Kanäle erschwert

Aus DE 41 34 223 C1 ist ein langgestrecktes keramisches Filterelement mit langslaufenden Kanälen bekannt Die Kanäle sind auf konzentrischen Kreisen angeordnet, wobei sich die zwischen den Kanälen verbleibende Wand keilförmig nach außen verbreitert Die Querschnittsflache der Kanäle nimmt von innen nach außen zu Derartige Filterelemente können nicht beliebig groß hergestellt werden, weil mit zunehmender Große auch die Lange der Diffusionswege des Filtrats und der Stromungswiderstand ansteigen Dadurch ist die Filterwirkung bei mnenliegenden Kanälen schlechter als bei weiter außen im Tragerkorper angeordneten Kanälen

Aus EP 0 310 632 B1 ist ein einstuckiges Filterelement mit langslaufenden Kanälen bekannt Einige der langslaufenden Kanäle sind an den Stirnseiten des Filterelements verschlossen, so daß durch diese kein zu filterndes Medium strömt Die stirnseitig verschlossenen Kanäle sind über quer verlaufende Kanäle mit der Oberflache des Filterelements verbunden Das Filtrat kann in die stirnseitig verschlossenen Kanäle eintreten und über die quer verlaufenden Kanäle abfließen Das Verschließen einzelner langslaufender Kanäle ist aufwendig und die Herstellung von Querkanalen ist schwierig da stets sichergestellt sein muß daß eine Mmdestwanddicke zwischen den Querkanalen und den langslaufenden Kanälen, durch die das zu filternde Medium strömt erhalten bleibt

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Filtervorrichtung mit großer Filterflache zu schaffen, bei der kurze Diffusionswege und geringer Druckverlust realisiert sind

Die Losung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemaß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1

Die erfindungsgemaße Filtervorrichtung ist in mehrere konzentrisch zueinander angeordnete Filterelemente mit langslaufenden Kanälen aufgeteilt Die Filterelemente sind vorzugsweise ringförmig ausgebildet und ineinander angeordnet Zwischen ihnen besteht jeweils ein radialer Abstand, so daß zwischen _jeweils zwei Fitterelementen ein umlaufender Ablaufkanal ausgebildet ist Das Filtrat braucht in jedem Filterelement nur bis zu dessen Umfangsflache vorzudringen und gelangt dann sogleich in einen Ablaufkanal, über den das Filtrat aus der Filtervorrichtung abgeleitet wird Da der Filtratweg in jedem Filterelement gemessen an dem Querschnitt der gesamten Filtervorrichtung relativ klein ist, ergeben sich kurze Diffusionswege Insbesondere sind die Langenunterschiede der einzelnen Diffusionswege gering, so daß die Filterwirkung über das Volumen der Filtervorrichtung gleichmäßig verteilt ist

Vorzugsweise sind um ein inneres langgestrecktes Filterelement mehrere ringförmige Filterelemente konzentrisch zu dem inneren Filterelement angeordnet Ist das innere Filterelement beispielsweise ein Zylinder, so sind um den Zylinder Filterelemente mit ringförmigem Querschnitt angeordnet Weist das innere Filterelement eine mehreckige Außenkontur auf, so können die das innere Filterelement umgebenden Filterelemente entsprechend ebenfalls mehreckig ausgebildet sein Ebenso ist eine konzentrische Anordnung von Filterelementen mit unterschiedlichen Querschnitten möglich

Erfindungsgemaß ist die Filtervorrichtung in mehrere Filterelemente unterteilt, wobei die Dicke der einzelnen Filterelemente gering ist, so daß kurze Diffusionswege realisiert sind Dadurch kann der Druckverlust innerhalb des Tragerkorpers im Filtrat sehr klein gehalten werden Die Kanäle können in dem Tragerkorper in geringem Abstand zueinander angeordnet werden Da der Druck des Filtrats im Tragerkorper wegen der kurzen Diffusionswege über den gesamten Querschnitt annähernd konstant ist, ist die Filterwirkung bei jedem Kanal annähernd gleich

Die erfindungsgemaße Filtervorrichtung weist eine große Filterflache bei geringer Anzahl an Bauteilen auf Dies wird erreicht, ohne die Diffusionswege zu verlangern und damit den Druckverlust zu erhohen Ferner ist aufgrund der kurzen Diffusionswege die Ruckspulbarkeit zur Reinigung der Filtermembranen verbessert Vorzugsweise weisen die Filterelemente Querkanale auf, die radial von der Innenflache zur Außenflache des Filterelements verlaufen Sofern drei oder mehr Filterelemente konzentrisch zueinander angeordnet sind, sind durch die Querkanale die zwischen den Filterelementen vorgesehenen umlaufenden Ablaufkanale miteinander verbunden Dadurch findet zwischen den Ablaufkanalen ein Druckausgleich statt, so daß die Filterwirkung der erfmdungsgemaßen Filtervorrichtung verbessert ist

Durch das Vorsehen von Querkanalen in den Fitterelementen können die Ablaufkanale an beiden Stirnseiten geschlossen sein, so daß das Filtrat ausschließlich über die Außenflache und die Querkanale des äußersten Filterelements abfließt Da die durch die Querkanale der Filterelemente fließende Filtratmenge zunimmt, je weiter außen ein Filterelement angeordnet ist, sollte die Anzahl der Querkanale eines Filterelements jeweils großer sein als die Anzahl der Querkanale des nachstinneren Filterelements Zusätzlich kann die Summe der Querschnittsflachen der Querkanale eines Filterelements großer sein als die Summe der Querschnittsflachen der Querkanale des nachstinneren Filterelements

Da die erfindungsgemaße Filtervorrichtung aus mehreren einzelnen Filterelementen zusammengesetzt ist, ist die Herstellung stark erleichtert

Die Filterelemente können aus Kunststoff oder Sintermetall bestehen Vorzugsweise sind sie aus Keramik hergestellt

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausfuhrungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen naher erläutert

Es zeigen

Fig 1 einen schematischen Querschnitt des zentralen Filterelements einer Filtervorrichtung und Fig 2 einen schematischen Querschnitt einer das Filterelement nach Fig 1 enthaltenden Filtervorrichtung

Das in Fig 1 dargestellte stabformige zylindrische Filterelement 10 erstreckt sich senkrecht zur Zeichenebene und weist über die gesamte Lange den gleichen Querschnitt auf Das Filterelement 10 weist einen Tragerkorper 11 aus grobporiger Keramik (Aluminiumoxid) auf In dem Tragerkorper 11 sind mehrere langslaufende Kanäle 12 angeordnet, die sich in Längsrichtung durch das gesamte Filterelement erstrecken Die Kanäle 12 sind auf konzentrisch zueinander angeordneten Kreisen angeordnet, wobei auf allen Kreisen die Abstände zwischen benachbarten Kanälen jeweils gleich sind Die Kanalwande der Kanäle 12 sind jeweils über ihre gesamte Lange mit einer Filtermembran 13 bedeckt Die Filtermembran 13 besteht aus feinporigem Material beispielsweise feinporiger Keramik, wie z B Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Titanoxid

Zum Filtern von flussigen oder gasformigen Medien strömt das Medium durch die Kanäle 12 Aufgrund des in den Kanälen 12 herrschenden Drucks wird das Filtrat durch die Filtermembran 13 aus den Kanälen 12 in radialer Richtung in den Tragerkorper 11 gedruckt Das Filtrat strömt in dem Tragerkorper 11 in Richtung der Pfeile zur Oberflache 14 des Tragerkorpers 11 An der Oberflache 14 des Tragerkorpers 11 tritt das Filtrat radial in Richtung der Pfeile aus

Das in Fig 1 dargestellte Filterelement 10 ist das zentrale Filterelement der in Fig 2 dargestellten Filtervorrichtung Um das zylindrische Filterelement 10 sind kreiszylinderformige einstuckige Filterelemente 20,21 angeordnet Das Filterelement 20 ist konzentrisch zu dem in Fig 1 beschriebenen Filterelement 10 angeordnet, so daß zwischen dem Filterelement 10 und dem Filterelement 20 ein ringförmiger Ablaufkanal 22 ausgebildet ist Entsprechend ist zwischen den beiden kreiszylinderformigen Filterelementen 20 und 21 ein weiterer Ablaufkanal 23 ausgebildet, da der Außendurchmesser des Filterelements 20 kleiner als der Innendurchmesser des Filterelements 21 ist und die beiden Filterelemente 20,21 zueinander konzentrisch angeordnet sind Zur Versteifung der Filtervorrichtung können in den Abflußkanalen 22,23 zwischen den Filterelementen 10,20,21 Abstutzungen vorgesehen sein Die stabformigen Filterelemente 20,21 weisen entsprechend dem zylindrischen Filterelement 10 jeweils einen Tragerkorper 24,25 aus grobporiger Keramik auf, in dem in Längsrichtung Kanäle 12 parallel zueinander angeordnet sind Sämtliche Filterelemente 10,20,21 sind Profilkorper, die über die gesamte Lange den gleichen Querschnitt aufweisen Die Kanalwande der Kanäle 12 sind entsprechend den in Fig 1 beschriebenen Kanälen 12 mit einer Filtermembran 13 bedeckt, die in Fig 2 nicht dargestellt ist Die Kanäle 12 der Filterelemente 20,21 sind, ebenso wie bei dem Filterelement 10, auf zueinander konzentrischen Kreisen in konstantem Abstand zueinander angeordnet In beiden Filterelementen 20,21 sind Kanäle 12 über den gesamten Querschnitt in konstantem Abstand zueinander angeordnet In der Fig 2 dargestellten Ausfuhrungsform weisen die Filterelemente 20,21 in radialer Richtung drei nebeneinander angeordnete Kanäle 12 auf Durch die Anzahl der radial nebeneinander angeordneten Kanäle wird die Dicke der Filterelemente 20,21 bestimmt Zur Erzielung einer guten Filterwirkung sind je Filterelement 20,21 ein bis neun, vorzugsweise drei bis fünf Kanäle radial nebeneinander angeordnet

Das Filterelement 20 weist radial verlaufende Querkanale 27 auf Die Querkanale 27 erstrecken sich von der Innenflache 28 des Filterelements 20 zu dessen Außenflache 29 und verbinden den ringförmigen Ablaufkanal 22 mit dem ringförmigen Ablaufkanal 23 Die Querkanale 27 sind als radiale Bohrungen oder Schlitze ausgebildet, so daß die einstuckige Form des Filterelements 20 erhalten bleibt

Das Filterelement 21 weist ebenfalls Querkanale 32 auf, die entsprechend der Querkanale 27 des Filterelements 20 ausgebildet sind und sich ebenfalls in radialer Richtung von einer Innenflache 33 in Richtung einer Außenflache 34 des Filterelements 21 erstrecken Die Querkanale 32 verbinden den ringförmigen Ablaufkanal 23 mit der Oberflache 34 des Filterelements 21 Sofern um das Filterelement 21 weitere Filterelemente angeordnet sind, verbinden die Kanäle 32 den ringförmigen Ablaufkanal 23 mit einem um das Filterelement 21 angeordneten Ablaufkanal Die Breite der Querkanale 27,32 entspricht vorzugsweise mindestens dem Durchmesser der Kanäle 12 Das Filtrat des durch die Kanäle 12 der Filterelemente 10,20,21 stromenden Mediums tritt durch die Filtermembranen in die Tragerkorper 11,24,25 der Filterelemente 10,20,21 ein Aus dem Tragerkorper 11 des Filterelements 10 tritt das Filtrat an dessen Oberflache 14 aus und gelangt somit in den Ablaufkanal 22 Aus den Tragerkorpern 24,25 der Filterelemente 20,21 tritt das Filtrat jeweils sowohl an den Innenflachen 28,33 als auch an den Außenflachen 29,34 der Filterelemente 20,21 aus Der Diffusionsweg des Filtrats betragt somit bei den Filterelementen 20,21 maximal die Hälfte der Dicke der πngzylmderformigen Filterelemente 20,21 Bei dem zylindrischen Filterelement 10 entspricht der maximale Diffusionsweg dem Radius des Filterelements 10

Das aus den Filterelementen 10,20,21 in die Ablaufkanale 22,23 gelangende Filtrat tritt beispielsweise durch die Querkanale 27,32 aus Beim Filtern eines Mediums im Durchlaufverfahren sind vorzugsweise beide Stirnseiten der Ablaufkanale verschlossen, um das Zufuhren und Abfuhren von zu filterndem Medium zu bzw von den Kanälen 12 zu erleichtern Hierzu werden die Stirnseiten der Filterelemente 10,20,21 beispielsweise in Epoxidharz oder Polyurethan eingegossen oder in einem entsprechend ausgebildeten Gehäuse eingespannt, so daß die Ablaufkanale 22,23 an ihren Stirnseiten verschlossen sind Das Filtrat strömt sodann aus dem Ablaufkanal 22 durch die Querkanale 27 in den Ablaufkanal 23 und aus diesem durch die Querkanale 32 des Filterelements 21 zur Oberflache 34 des Filterelements 21 Die gesamte Filtratmenge tritt somit an der Oberflache 34 und durch die Kanäle 32 des Filterelements 21 aus der Filtervorrichtung aus Um das Filterelement 21 kann als Auffangvorrichtung für das Filtrat beispielsweise ein konzentrisches Rohr vorgesehen sein, aus dem das Filtrat abgeleitet wird

Ebenso kann die der Zuleitung des Mediums gegenüberliegende Stirnseite völlig verschlossen sein, so daß die Ablaufkanale 22,23 und die Filterelemente 10,20,21 einseitig verschlossen sind und kein ungefiltertes Medium aus der Filtervorrichtung abgeleitet wird Bei dieser Anwendung verbleiben in den Kanälen 12 die ausgefilterten Feststoffe Sobald die Permeatmenge unter einen Schwellwert sinkt, werden die Kanäle 12 beispielsweise mittels einer Reinigungsflüssigkeit rückgespült.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Filtervorrichtung zum Filtern von flussigen oder gasformigen Medien, mit Filterelementen (10,20,21), die jeweils in einem grobporigen Tragerkorper (11,24,25) mehrere langslaufende Kanäle (12) aufweisen, durch die ungefiltertes Medium strömt und die feinporige, die Kanalwande bedeckende Filtermembranen (13) aufweisen, so daß ein Filtrat des die Kanäle (12) durchströmenden Mediums durch die Filtermembranen (13) in den grobporigen Tragerkorper (11) eintritt und an dessen Umfangsflachen (14,28,29, 33,34) austritt,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

daß mehrere Filterelemente (10,20,21 ) konzentrisch zueinander angeordnet und durch umlaufende Ablaufkanale (22,23) getrennt sind

Filtervorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (20,21) zumindest einen Querkanal (27,32) aufweist, der von einer zur Mitte der konzentrischen Anordnung gerichteten Innenflache (28,33) zu einer gegenüberliegenden Außenflache (29,34) des Filterelements (20,21) verlauft

Filtervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Querkanale (32) eines Filterelements (21 ) großer ist als die Anzahl der Querkanale (27) des nachstinneren Filterelements (20)

Filtervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Querschnittsflachen der Querkanale (32) eines Filterelements (21) großer ist als die Summe der Querschnittsflachen der Querkanale (27) des nachstinneren Filterelements (20)

Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Filterelement (10) zylindrisch ist und die das innere Filterelement (10) konzentrisch umgebenden Filterelemente (20,21) jeweils ringförmigen Querschnitt aufweisen

Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufkanale (22,23) an beiden Stirnseiten geschlossen sind, so daß das Filtrat aus den Ablaufkanalen (22,23) über die Querkanale (27,32) der Filterelemente (20,21) zur Außenflache (34) des äußersten Filterelements (21 ) abfließt

Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Wandstarke in Längsrichtung der Filterelemente (10,21) ein bis neun, vorzugsweise drei bis fünf langslaufende Kanäle (12) radial nebeneinander angeordnet sind

Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterelemente (10,20,21) zur Fixierung stirnseitig vorzugsweise in Epoxidharz oder Polyurethan eingegossen sind

Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterelemente (10,20,21) aus grobporiger Keramik hergestellt sind