WO2002026365A1 - Fluidverteilungsrahmen für mehrkammerstacks - Google Patents

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WO2002026365A1
WO2002026365A1 PCT/EP2000/009541 EP0009541W WO0226365A1 WO 2002026365 A1 WO2002026365 A1 WO 2002026365A1 EP 0009541 W EP0009541 W EP 0009541W WO 0226365 A1 WO0226365 A1 WO 0226365A1
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fluid
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fluid distribution
chamber
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Gerhart Eigenberger
Gerhard Friedrich
Sven Thate
Frank Sarfert
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Universität Stuttgart Lehrstuhl Und Institut Für Chemische Verfahrenstechnik
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Definitions

  • Such methods are used, for example, in the field of wastewater treatment.
  • a demanding example is the production of ultrapure water for various production purposes in clean room technology, electronics / semiconductor technology, as well as pharmaceuticals and biotechnology.
  • High demands are made on the ultrapure water in terms of particulate and iogenic purity during use.
  • the focus is due to the reduction in size of the structures on the removal of as much as possible particulate and iogenic contamination up to the theoretical limit.
  • the focus is mainly on the removal of particulate contaminants and on reducing the ion load to a specified limit. Furthermore, an extensive reduction is carried out up to freedom from germs and pyrogens.
  • the contamination is reduced, as in electronics / semiconductor technology and pharmaceutical water, and a further reduction is carried out up to freedom from enzymes and nucleic acids.
  • the challenge here is to safely prevent any contamination of the ultrapure water with other process streams. Comparable requirements arise when using parallel plate apparatus in other membrane separation processes or as a heat exchanger.
  • the uniform supply of the individual chambers is usually realized via the end plates by means of supply bores going through all frames, from which one or more feeds to the individual chambers originate in each frame.
  • the uniform distribution of the currents across the chamber cross-section is essential to ensure homogeneous flow conditions in the chamber and to achieve uniform residence times.
  • Usual frame concepts take this into account by a variety of supply bores across the chamber width, or accept a bad distribution in favor of the simplest possible frame design.
  • a fluid distribution frame for membrane stacks or parallel plate apparatuses in which one or more supply channels are arranged in the distribution frame, through which the fluids are distributed over the width of the active area of the chamber via a flow distributor connected to the frame for distribution openings are provided in the flow distributor and a Flow collector is provided, by means of which the escaping fluid leaves the chamber in an analogous manner via discharge channels.
  • the fluids from one or more supply channels in the distribution frame first pass through one or more inlet openings into one or more antechambers which together extend over the width of the active compartment area and from this antechamber via one with the frame connected flow distributors are evenly distributed over the width of the active surface of the chamber, the distribution being carried out through openings in the flow distributor, the overall cross section of which is designed such that they provide the fluid with a flow resistance that is greater than the flow resistance of the prechamber and the exiting fluid in analogously leaves the chamber via the flow distributor, the post-chamber and outlet openings via the discharge channels.
  • the frame is composed of several parts which are connected to one another in a fluid-tight manner and which leave the channels and the openings in the flow distributors free.
  • the shape of the antechambers, the type of openings and the shape of the flow distributors are designed in such a way that there is a uniform distribution of the incoming and a uniform discharge of the exiting fluid over the width of the chamber.
  • the flow distributors can be made independently of the rest of the fluid distribution frame in the same thickness as this, so that different shapes of the flow distributors can be selected and connected to the frame, depending on which supply or discharge channels are used to distribute or collect the fluid.
  • the channels can be incorporated from the supply channels to the antechambers or from the outlet openings to the discharge channels into inserts which are produced independently of the fluid distribution frame and are later connected to them in a suitable manner or fitted into them.
  • the flow distributors or the inserts are combined into a part which can contain the antechamber or the antechamber and is connected to the frame in a suitable manner.
  • the flow distributor and the inserts can consist of several parts of the same thickness as the frame be composed, in which the passage openings are incorporated.
  • the channels can run completely within the frame or the inserts, so that there are closed surfaces on both sides.
  • Flow distributors and inserts can be made entirely or partially of a porous material, e.g. B. sintered, woven, braided or pressed material. Polymers, metals, ceramic materials or dense carbon modifications as well as combinations of these materials can be used as materials.
  • the frame or parts thereof are made of flat material or by master forms, for. B. (injection) molding and optionally post-processed.
  • the flow distributor at the outlet and the outlet chamber can be missing, so that the outlet from the chamber takes place directly into the outlet openings.
  • the antechambers or the main chamber one or more
  • spacers / turbulence promoters or flow internals.
  • the spacers / turbulence promoters can be integrated into the frame or the flow distributors or connected to them in some other way.
  • pre-chamber or the post-chamber are wholly or partly incorporated into the frame or into the flow distributor or the flow collector, so that the open gap between the frame and the flow distributor becomes very small or disappears.
  • the openings can be introduced into the two halves of the inserts in such a way that crossed, mutually open channels result, which preferably run at an angle of 30-60 ° to the frame axis.
  • the openings result from the fact that spacing knobs which are offset in the flow direction are introduced or inserted into the two halves.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of the invention
  • FIG. 2 shows a section of a frame with a flow distributor
  • FIG. 3 shows a section of a frame with an alternative flow distributor
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a frame according to the invention
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment of a frame of the invention
  • FIG. 6 shows a possible embodiment for the use of FIG. 5,
  • Figure 7 shows a way to summarize the inserts and the flow distributor
  • Figure 8 shows an alternative embodiment of a frame according to the invention.
  • FIG. 1 shows a fluid distribution frame (2) flowing through with several supply (1) and discharge channels (11), the supply of a fluid flow into the chamber (10) and its discharge via one or more supply (1 ) respectively.
  • Discharge channels (11) can take place.
  • the respective process streams are first led into a smaller prechamber (4) upstream of the main chamber (10), which is separated from the actual main chamber (10) by a flow distributor (5).
  • the flow distributor (5) contains a number of openings which serve to distribute the fluid evenly.
  • a flow collector (7) is located at the outlet of the main chamber, which separates the main chamber from a secondary chamber (8) and ensures a uniform outflow from the chamber.
  • the fluid is supplied to the discharge channel or channels (11) through one or more outlet openings (9), through which it leaves the stack.
  • This arrangement makes it possible to flow through the frame in the opposite direction.
  • a design without the flow collector (7) and the post-chamber (8) is also possible through a suitable design of the drain (9).
  • Spacers or turbulence promoters can also be introduced in the main chamber (10) and connected to the frame (2) or the flow distributors (5) and (7).
  • the frames (2), the flow distributors (5, 7) and the spacers (12), which are made of flat material, or produced by master forms and possibly reworked, can either be made from one part or assembled from several parts and connected to one another , Polymers, metals, ceramic materials or dense carbon modifications as well as combinations of these materials can be considered as materials.
  • Both the inlet (3) and outlet openings (9) and the flow distributors (5, 7) can either be integrated in the frame (2) or in separate inserts (5, 13) which are connected to the frame in a suitable manner become.
  • FIGS. 2 and 3 show the same frame (2) in which distribution from the left supply channel (1) and from the middle channel is to take place.
  • a flow distributor (5) is used, the penetration resistance of which decreases from left to right. This is achieved in Figure 2 by changing the length of the openings (6) across the chamber width. Instead, the distance and / or diameter of the openings can be changed across the chamber width.
  • the same flow distributor (5) can be installed in mirror image.
  • distributing from the middle supply channel (1) would come z.
  • this can be partially or completely in the part of the distribution frame (2) facing the chamber (10) or advantageously in the flow distributor (5) or the flow collector (7) can be incorporated.
  • FIG. 4 shows a corresponding embodiment in which a flow distributor consisting of two halves with an integrated prechamber is used.
  • the prechamber (4) and the openings (6) are incorporated into one of the two or both halves, so that the structure shown is obtained by folding both halves and fitting into the corresponding openings in the distribution frame (2).
  • the total thickness resulting from both halves of the flow distributor (5) must correspond to the frame thickness.
  • the recess (4) for the prechamber and the size of the passage openings (6) are to be chosen so that the flow pressure loss through the prechamber (4) is smaller than that through the
  • FIG. 5 shows an embodiment.
  • the inserts (13) of the supply or discharge channels (1, 11) or the flow distributors (5) or collectors (6) can be made of flat material into which the flow channels (3, 6, 9) are made are incorporated so that there are smooth, continuous cover surfaces on the outside and the total thickness corresponds to the frame thickness.
  • a cover surface that is flat on the outside is essential for the inserts (13) of the supply and discharge channels in order to avoid leaks that would occur if flexible membranes or flat seals were pressed into recesses on the surface.
  • FIG. 6 shows a possible embodiment for the insert (13) from FIG. 5 both in a top view and in cross section. Instead of the straight channels, knobs or other spacers can also be incorporated or inserted, which keep the two halves at the required distance.
  • FIG. 7 shows the possibility of combining the inserts (13) and the flow distributors (5, 7) into one part (14), which can also contain the antechamber or afterchamber (4, 8).
  • the flow distributors (5, 7) and the inserts (13) or (14) can also be made entirely or partially of porous material (e.g. Sintered material). Furthermore, as shown in FIG. 7, flow internals (15) or turbulence promoters (12) can be introduced into the pre-chamber (4) or the post-chamber (8) or into the flow distributors (5, 7) or the inserts (13). or (14) integrate or connect with them.
  • porous material e.g. Sintered material
  • the fluid distribution shown in FIG. 8 can also be expedient.
  • a fluid distributor composed of two halves is used here, which integrates the various distribution functions in a manner similar to that in FIG.
  • the prechamber (4) can be dispensed with if the flow is appropriately designed in the integrated insert (16) so that the flow is sufficiently transverse. In FIG. 8, this is effected by notches which run crosswise to one another in both halves and which form an angle to the frame axis of preferably 30-60 °.
  • the distribution can also be carried out by staggered spacing knobs. A corresponding part can be used for the process.

Abstract

Fluidverteilungsrahmen für Membranstapel- oder Parallelplattenapparate zur gleichmässigen Zu- und Abfuhr der benötigten Fluidströme in/aus Fluidkompartments (10), bei dem ein oder mehrere Versorgungskanäle (1) in dem Verteilungsrahmen (2) angeordnet sind, über den oder die die Fluide über einen mit dem Rahmen verbundenen Strömungsverteiler (5) über die Breite der aktiven Fläche der Kammer verteilt werden, wobei zur Verteilung Öffnungen (6) im Strömungsverteiler vorgesehen sind und wobei ein Strömungssammler (7) vorgesehen ist, mittels dessen das austretende Fluid in analoger Weise die Kammer (10) über Abführungskanäle (11) wieder verlässt.

Description

Titel: Fluidverteilungsrahmen für MehrkammerStacks
Beseh eibung
In Parallelplattenapparaten wie beispielsweise Membranstacks, BrennstoffZellenstacks oder Plattenwärmetauschern müssen unterschiedliche Prozeßströme möglichst gleichmäßig auf verschiedene Kammern verteilt werden. Eine Vielzahl von Grundeinheiten mit sich wiederholenden Kammerabfolgen werden üblicherweise in einem Stack zusammengefaßt. Die einzelnen Kammern werden dabei in der Regel von Rahmenplatten gebildet, die zwischen zwei Endplatten eingespannt sind und neben den Aussparungen für die eigentlichen Kammern Verteilersysteme zur Zu- und Abführung der Prozeßströme und Spacer zur Abstandshaltung enthalten. Zwischen den Rahmenplatten können z. B. Membranen eingespannt werden, über die einzelne Komponenten selektiv von einem in einen anderen Prozeßstrom überführt werden (Membrantrennverfahren) .
Derartige Verfahren finden beispielsweise auf dem Gebiet der Abwasseraufbereitung Verwendung. Ein anspruchsvolles Beispiel ist die Herstellung von Reinstwasser für unterschiedliche Produktionszwecke in der Reinraumtechnik, der Elektronik/Halbleitertechnik, sowie der Pharmazie und Biotechnologie. Es werden hierbei an das Reinstwasser hohe Anforderungen bezüglich partikulärer und iogener Reinheit bei der Anwendung gestellt. Im Anwendungsbereich der Elektronik/Halbleitertechnik liegt der Schwerpunkt bedingt durch die Verkleinerung der Strukturen auf der Entfernung möglichst aller partikulärer und iogener Kontaminationen bis hin zum theoretischen Grenzwert. Im Bereich der Pharmazie liegt der Schwerpunkt hauptsächlich auf der Entfernung von partikulären Kontaminationen und auf einer Reduzierung der Ionenfracht bis zu einem festgelegten Grenzwert. Weiterhin wird eine weitgehende Reduzierung bis hin zur Keim- und Pyrogenfreiheit betrieben. Im Bereich der Biotechnik, insbesondere für die Molekularbiologie, werden die Kontaminationen wie bei der Elektronik/Halbleitertechnik und beim Pharmawasser reduziert und eine weitere Reduzierung bis hin zu Enzym- und Nukleinsäurefreiheit betrieben. Dabei besteht die Herausforderung darin, bei der Herstellung jede Kontamination des Reinstwassers mit anderen Prozeßströmen sicher zu verhindern. Vergleichbare Forderungen ergeben sich beim Einsatz von Parallelplattenapparaten in anderen Membrantrennverfahren oder als Wärmetauscher.
Die Einzelkammern der Parallelplattenapparate müssen dicht sein, um eine Vermischung bzw. Kontamination der Einzelströme sowie Leckage zu verhindern. Gängige Dichtvarianten sind Flach- oder O-Ringdichtungen bzw. selbstdichtende oder mit den Membranen verklebte Rahmen. Durchgesetzt hat sich auch eine möglichst einfache, universell einsetzbare Rahmengestaltung, mit der sich durch Drehen oder Wenden ein und desselben Rahmens möglichst viele verschiedene Verschaltungsvarianten realisieren lassen.
Die gleichmäßige Versorgung der Einzelkammern wird meist über die Endplatten mittels durch alle Rahmen gehende Versorgungsbohrungen realisiert, von denen in jedem Rahmen eine oder mehrere Zuführungen zu den einzelnen Kammern abgehen. Die über den Kammerquerschnitt gleichmäßige Verteilung der Ströme ist zur Gewährleistung homogener Strömungsverhältnisse in der Kammer und zur Erzielung einheitlicher Verweilzeiten unabdingbar. Übliche Rahmenkonzepte tragen dem durch eine Vielzahl von Versorgungsbohrungen über der Kammerbreite Rechnung, oder nehmen eine schlechte Verteilung zugunsten einer möglichst einfachen Rahmengestaltung in Kauf .
Insbesondere bei dünnen Rahmen hat sich aus fertigungstechnischen Gründen eine "offene Ausführung" der Kammerzu- und Abführung durchgesetzt, d. h. die Versorgungskanäle sind entweder einseitig in die Platten eingefräst, oder die Platten sind an den entsprechenden Stellen vollständig freigebrochen und werden mit Flachdichtungen abgedeckt . Die mangelnde Pressung der Dichtung in diesem kritischen Bereich hat interne Leckagen zur Folge .
Damit ergibt sich die Aufgabe, die oben ausgeführten Nachteile gängiger Rahmenkonzepte, wie interne Leckage bzw. ungleichmäßige Strδmungsverteilung über den Querschnitt der Kammern zu beseitigen, ohne die Vorteile einer einfachen und flexibel verwendbaren Rahmengeometrie zu beschneiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Fluidverteilungsrahmen für Membranstapel oder Parallelplattenapparate gelöst, bei dem ein oder mehrere Versorgungskanälen in dem Verteilungsrahmen angeordnet sind, über den oder die die Fluide über einen mit dem Rahmen verbundenen Strömungsverteiler über die Breite der aktiven Fläche der Kammer verteilt werden, wobei zur Verteilung Öffnungen im Strömungsverteiler vorgesehen sind und wobei ein StrömungsSammler vorgesehen ist, mittels dessen das austretende Fluid in analoger Weise die Kammer über Abführungskanäle wieder verläßt.
Es kann daneben auch vorgesehen sein, daß die Fluide aus einem oder mehreren Versorgungskanälen in dem Verteilungsrahmen zunächst über eine oder mehrere Eintrittsöffnungen in eine oder mehrere Vorkammern gelangen, die sich zusammen über die Breite der aktiven Kompartmentfläche erstrecken und aus dieser Vorkammer über einen mit dem Rahmen verbundenen Strömungsverteiler gleichmäßig über die Breite der aktiven Fläche der Kammer verteilt werden, wobei die Verteilung durch Öffnungen im Strömungsverteiler erfolgt , deren Gesamtquerschnitt so gestaltet ist, daß sie dem Fluid einen Strömungswiderstand entgegensetzen, der größer ist als der Strömungswiderstand der Vorkammer und das austretende Fluid in analoger Weise die Kammer über den Strömungsverteiler, die Nachkammer und Austrittsöffnungen über die Abführungskanäle wieder verläßt.
Es kann nach einem ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen _ sein, daß der Rahmen aus mehreren Teilen zusammengesetzt ist, die fluiddicht miteinander verbunden sind und die die Kanäle und die Öffnungen in den Strδmungsverteilern freilassen. Es kann insbesondere vorgesehen sein, daß die Form der Vorkammern, die Art der Öffnungen und die Form der Strömungsverteiler so gestaltet sind, daß sich eine über die Breite der Kammer gleichmäßige Verteilung des eintretenden und ein gleichmäßiger Abzug des austretenden Fluids ergibt .
Die Strömungsverteiler können dabei unabhängig vom übrigen Fluidverteilungsrahmen in gleicher Dicke wie dieser hergestellt werden, so daß unterschiedliche Formen der Strömungsverteiler gewählt und mit dem Rahmen verbunden werden können, je nachdem über welche Zuführungs- oder Abführungskanäle die Verteilung bzw. Sammlung des Fluids erfolgen soll .
Die Kanäle können dabei von den Versorgungskanälen zu den Vorkammern bzw. von den Austrittsöffnungen zu den Abführungskanälen in Einsätze eingearbeitet werden, die unabhängig von den Fluidverteilungsrahmen hergestellt und später in geeigneter Weise mit diesen verbunden bzw. in diese eingepaßt werden.
Es kann dabei vorgesehen sein, daß die Strömungsverteiler bzw. die Einsätze zu einem Teil zusammengefaßt werden, welches die Vorkammer bzw. die Nachkammer enthalten kann und in geeigneter Weise mit dem Rahmen verbunden wird. Dabei können die Strömungsverteiler und die Einsätze aus mehreren Teilen von zusammen gleicher Dicke wie der Rahmen zusammengesetzt sein, in die die Durchtrittsöffnungen eingearbeitet sind. Die Kanäle können dabei vollständig innerhalb des Rahmens bzw. der Einsätze verlaufen, so daß sich auf beiden Seiten geschlossene Oberflächen ergeben.
Strömungsverteiler und Einsätze können dabei ganz oder teilweise aus einem porösen Material, z. B. Sinter-, Gewebe-, Geflecht- oder Preßmaterial hergestellt werden. Als Werkstoffe können Polymere, Metalle, Keramikmaterialien oder dichte Kohlenstoffmodifikationen sowie Kombinationen dieser Materialien eingesetzt werden.
Es kann nach einem Ausführungsbeispiel vorgesehen sein, daß die Rahmen oder Teile davon aus Flachmaterial gefertigt werden oder durch Urformen, z. B. (Spritz-) Gießen erzeugt und gegebenenfalls nachbearbeitet werden.
Bei geeigneter Gestaltung der Austrittsöffnungen können der Strömungsverteiler am Austritt und die Austrittskammer fehlen, so daß der Ablauf aus der Kammer direkt in die Austrittsöffnungen erfolgt .
Es kann weiterhin vorgesehen sein, daß die Vorkammern bzw. die Hauptkammer einen oder mehrere
Abstandshalter/Turbulenzpromotoren bzw. Strömungseinbauten enthält . Die Abstandshalter/Turbulenzpromotoren können dabei in den Rahmen oder die Strömungsverteiler integriert oder auf sonstige Weise mit diesen verbunden sein.
Es kann weiter vorgesehen sein, daß die Vorkammer bzw. die Nachkammer ganz oder teilweise in den Rahmen oder in die Strömungsverteiler bzw. den Strömungssammler eingearbeitet sind, so daß der offene Spalt zwischen dem Rahmen und dem Strömungsverteiler sehr klein wird oder verschwindet.
Die Öffnungen können so in die zwei Hälften der Einsätze eingebracht sein, daß sich gekreuzte, zueinander offene Kanäle ergeben, die vorzugsweise im Winkel von 30-60° zur Rahmenachse verlaufen.
Es kann alternativ vorgesehen sein, daß sich die Öffnungen dadurch ergeben, daß in die beiden Hälften jeweils in Strömungsrichtung versetzte Abstandsnoppen eingebracht oder eingelegt sind.
Weitere Vorteile sowie Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Anmeldungsunterlagen.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung dargestellt. Dabei zeigen:
Figur 1 eine Prinzipskizze der Erfindung, Figur 2 einen Ausschnitt aus einem Rahmen mit einem Strömungsverteiler,
Figur 3 einen Ausschnitt aus einem Rahmen mit einem alternativen Strömungsverteiler,
Figur 4 eine weitere Ausgestaltung eines Rahmens gemäß der Erfindung,
Figur 5 eine alternative Ausgestaltung eines Rahmens der Erfindung,
Figur 6 eine mögliche Ausführungsform für den Einsatz von Figur 5,
Figur 7 eine Möglichkeit, die Einsätze und den Strömungsverteiler zusammenzufassen und
Figur 8 eine alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Rahmens.
Die in Figur 1 dargestellte Prinzipskizze der Erfindung zeigt einen durchströmenden Fluidverteilungsrahmen (2) mit mehreren Versorgungs- (1) und Abführungskanälen (11) , wobei die Zuführung eines Fluidstroms in die Kammer (10) und seine Abführung über einen oder mehrere Versorgungs- (1) bzw. Abführungskanäle (11) erfolgen kann. Über eine oder mehrere Eintrittsöffnungen (3) werden die jeweiligen Prozeßströme zunächst in eine der Hauptkammer (10) vorgeschaltete kleinere Vorkammer (4) geführt, die von der eigentlichen Hauptkammer (10) durch einen Strömungsverteiler (5) getrennt ist. Der Strömungsverteiler (5) enthält mehrere Öffnungen, die der gleichmäßigen Verteilung des Fluids dienen. Durch gezielte Erzeugung eines geringen, definierten Druckverlustes im Strömungsverteiler (5) , der größer sein muß als der Druckverlust zur Durchströmung der Vorkammer (4) bzw. der Nachkammer (8) erreicht man eine Vergleichmäßigung der Strömung über den Querschnitt der Hauptkammer (10) . Entsprechend befindet sich am Austritt der Hauptkammer ein Strömungssammler (7) , der die Hauptkammer von einer Nachkammer (8) trennt und für einen gleichmäßigen Abstrom aus der Kammer sorgt. Über eine oder mehrere Austrittsöffnungen (9) wird das Fluid dem oder den Abführungskanälen (11) zugeführt, durch die es den Stack verläßt. Diese Anordnung erlaubt es, den Rahmen auch in umgekehrter Richtung zu durchströmen. Optional ist auch eine Ausführung ohne den Strömungssammler (7) und die Nachkammer (8) durch eine geeignete Gestaltung des Ablaufs (9) möglich. In der Hauptkammer (10) können zudem Abstandshalter bzw. Turbulenzpromotoren (Spacer) (12) eingebracht und mit dem Rahmen (2) bzw. den Strömungsverteilern (5) und (7) verbunden werden. Die Rahmen (2) , die Strömungsverteiler (5, 7) und die Abstandshalter (12) , die aus Flachmaterial gefertigt werden, oder durch Urformen erzeugt und gegebenenfalls nachbearbeitet werden, können entweder aus einem Teil gefertigt oder aus mehreren Teilen zusammengesetzt und miteinander verbunden werden. Als Werkstoff kommen Polymere, Metalle, Keramikmaterialien oder dichte Kohlenstoffmodifikationen sowie Kombinationen dieser Materialen in Frage. Sowohl die Zu- (3) und Abführungsöffnungen (9) als auch die Strömungsverteiler (5, 7) können entweder in den Rahmen (2) oder aber in separate Einsätze (5, 13) integriert sein, die mit dem Rahmen in geeigneter Weise verbunden werden.
Die Figuren 2 und 3 zeigen als Beispiel den gleichen Rahmen (2) , in dem einmal aus dem linken Versorgungskanal (1) und einmal aus dem mittleren Kanal verteilt werden soll. Bei der Verteilung aus dem linken Versorgungskanal wird ein Strömungsverteiler (5) benutzt, dessen Durchtrittswiderstand von links nach rechts abnimmt. Dies ist in Figur 2 dadurch erreicht, daß sich die Länge der Öffnungen (6) über die Kammerbreite ändert. Stattdessen kann auch der Abstand und/oder Durchmesser der Öffnungen über die Kammerbreite verändert werden. Bei Verteilung aus dem rechten Versorgungskanal (1) kann der gleiche Strömungsverteiler (5) spiegelbildlich eingebaut werden. Bei Verteilung aus dem mittleren Versorgungskanal (1) käme z. B. ein Strömungsverteiler (5) mit einer Form gemäß Figur 3 in Frage. Um ein Eindrücken von Membranen in die Öffnung der Vorkammer (4) oder der Nachkammer (8) zu vermeiden, kann diese teilweise oder vollständig in den der Kammer (10) zugewandten Teil des Verteilungsrahmens (2) oder vorteilhaft in den Strömungsverteiler (5) bzw. den Strömungssammler (7) eingearbeitet werden.
Figur 4 zeigt eine entsprechende Ausgestaltung, bei der ein aus zwei Hälften bestehender Stromungsverteiler mit einer integrierten Vorkammer eingesetzt wird. Dabei sind die Vorkammer (4) und die Öffnungen (6) in eine der beiden oder in beide Hälften eingearbeitet, so daß sich durch Zusammenklappen beider Hälften und Einpassen in die entsprechenden Öffnungen des Verteilungsrahmens (2) der dargestellte Aufbau ergibt. Die sich aus beiden Hälften des Strömungsverteilers (5) ergebende Gesamtdicke muß dabei der Rahmendicke entsprechen. Die Aussparung (4) für die Vorkammer und die Größe der Durchtrittsöffnungen (6) sind dabei wieder so zu wählen, daß der Strömungsdruckverlust durch die Vorkammer (4) kleiner ist, als der durch die
Durchtrittsöffnungen (6) , so daß eine gleichmäßige Verteilung über der Kammerbreite erfolgt .
Zur einfacheren Herstellung können die Öffnungen (3) bzw. (9) von den Versorgungskanälen zu den Kammern (10) in Einsätze (13) integriert werden, die in entsprechende Aussparungen im Rahmen (2) eingepaßt werden. Figur 5 zeigt eine Ausführungsform.
In einer zweiteiligen Ausführungsform können die Einsätze (13) der Versorgungs- bzw. Abführungskanäle (1, 11) oder die Strömungsverteiler (5) bzw. Sammler (6) aus Flachmaterial gefertigt werden, in das die Strömungskanäle (3, 6, 9) so eingearbeitet sind, daß sich nach außen jeweils glatte, durchgehende Deckflächen ergeben und die Gesamtdicke der Rahmendicke entsprich . Eine nach außen ebene Deckfläche ist für die Einsätze (13) der Versorgungs- und Abführungskanäle essentiell, um Leckagen zu vermeiden, die entstehen würden, wenn sich flexible Membranen oder Flachdichtungen in an der Oberfläche befindliche Aussparungen eindrücken. Figur 6 zeigt eine mögliche Ausführungsform für den Einsatz (13) von Figur 5 sowohl in einer Draufsicht als auch im Querschnitt. Anstelle der geraden Kanäle können auch Noppen oder andere Distanzhalter eingearbeitet oder eingelegt sein, die die beiden Hälften auf dem erforderlichen Abstand halten.
In Figur 7 ist die Möglichkeit dargestellt, die Einsätze (13) und die Stromungsverteiler (5, 7) zu einem Teil (14) zusammenzufassen, das auch die Vor- bzw. Nachkammer (4, 8) enthalten kann.
Die Strömungsverteiler (5, 7) und die Einsätze (13) oder (14) können auch ganz oder teilweise aus porösem Material (z. B. Sintermaterial) hergestellt werden. Des weiteren lassen sich, wie in Figur 7 dargestellt, Strömungseinbauten (15) oder Turbulenzpromotoren (12) in die Vorkammer (4) bzw. die Nachkammer (8) einbringen oder in die Strömungsverteiler (5, 7) bzw. die Einsätze (13) oder (14) integrieren bzw. mit diesen verbinden.
Wenn der Verteilungsrahmen (2) hinreichend schmal ist, oder das Fluid über mehrere Versorgungs- bzw. Abführungskanäle (1, 11) zu- bzw. abgeführt wird, kann auch die in Figur 8 gezeigte Fluidverteilung zweckmäßig sein. Dabei wird ein aus zwei Hälften zusammengesetzter Fluidverteiler eingesetzt, der ähnlich wie in Figur 7 die verschiedenen Verteilfunktionen integriert . Im Gegensatz zu Figur 7 kann dabei die Vorkammer (4) entfallen, wenn durch entsprechende Gestaltung der Strδmungswege im integrierten Einsatz (16) eine ausreichende Querverteilung der Strömung erfolgt . In Figur 8 wird dies durch Einkerbungen bewirkt, die in beiden Hälften kreuzweise zueinander verlaufen und einen Winkel zur Rahmenachse von vorzugsweise 30 - 60° einnehmen. Alternativ kann die Verteilung auch durch versetzt angeordnete Abstandsnoppen erfolgen. Für den Ablauf kann ein entsprechendes Teil zum Einsatz kommen.

Claims

Patentansprüche
1. Fluidverteilungsrahmen für Membranstapel- oder Parallelplattenapparate zur gleichmäßigen Zu- und Abfuhr der benötigten Fluidströme in/aus Fluidkompartments (10) , dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Versorgungskanäle (1) in dem Verteilungsrahmen (2) angeordnet sind, über den oder die die Fluide über einen mit dem Rahmen verbundenen Strömungsverteiler (5) über die Breite der aktiven Fläche der Kammer (10) verteilt werden, wobei zur Verteilung Öffnungen (6) im Strömungsverteiler vorgesehen sind und wobei ein Strömmungssammler (7) vorgesehen ist, mittels dessen das austretende Fluid in analoger Weise die Kammer (10) über Abführungskanäle (11) wieder verläßt .
2. Fluidverteilungsrahmen insbesondere nach Anspruch 1 für Membranstapel- oder Parallelplattenapparate zur gleichmäßigen Zu- und Abfuhr der benötigten Fluidströme in/aus Fluidkompartments (10) , dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Versorgungskanäle (1) in dem Verteilungsrahmen angeordnet sind, die mit Eintrittsöffnungen (3) zusammenwirken, über die die Fluide in eine oder mehrere Vorkammern (4) gelangen, die sich zusammen über die Breite der aktiven Kompartmentfläche erstrecken und wobei ein mit dem Rahmen (2) verbundener Strömungsverteiler (5) mit der Vorkammer (4) derart zusammenwirkt, daß durch ihn die aus der Vorkammer (4) kommenden Fluide gleichmäßig über die Breite der aktiven Fläche der Kammer (10) verteilt werden, wobei zur Verteilung Öffnungen (6) im Strömungsverteiler (5) vorgesehen sind, deren Gesamtquerschnitt so gestaltet ist, daß sie dem Fluid einen Strömungswiderstand entgegensetzen, der größer ist, als der Durchströmungswiderstand der Vorkammer (4) und wobei ein StrδmungsSammler (7) , eine Nachkammer (8) und Austrittsöffnungen (9) vorgesehen sind, mittels derer das austretende Fluid in analoger Weise die Kammer (10) über die Abführungskanäle (11) wieder verläßt .
Fluidverteilungsrahmen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen aus mehreren Teilen zusammengesetzt ist, die fluiddicht miteinander verbindbar sind und die die Kanäle (3) und (9) und die Öffnungen (6) in den Strömungsverteilern (5) und (7) freilassen.
4. Fluidverteilungsrahmen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Vorkammern (4) und (8) , die Art der Öffnungen (6) und die Form der Stromungsverteiler (5) und (7) so gewählt ist, daß sich eine über die
Breite der Kammer (10) gleichmäßige Verteilung des eintretenden und ein gleichmäßiger Abzug des austretenden Fluids ergibt.
5. Fluidverteilungsrahmen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsverteiler (5) und (7) unabhängig vom übrigen Fluidverteilungsrahmen (2) in gleicher Dicke wie dieser hergestellt sind, so daß unterschiedliche Formen der Strömungsverteiler wählbar und mit dem Rahmen verbindbar sind, je nachdem über welche Zuführungs- (1) oder Abführungskanäle (11) die Verteilung bzw. Sammlung des Fluids erfolgt .
6. Fluidverteilungsrahmen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (3) von den Versorgungskanälen (1) zu den Vorkammern (4) bzw. von den Austrittsöffnungen (8) zu den Abführungskanälen (11) in Einsätze (13) eingearbeitet sind, die unabhängig von den Fluidverteilungsrahmen (2) hergestellt und in geeigneter Weise mit diesem verbindbar bzw. in diesen einpaßbar sind.
Fluidverteilungsrahmen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsverteiler (5) und (7) bzw. die Einsätze (13) zu einem Teil (14) zusammengefaßt sind, welches die Vorkammer (4) bzw. die Nachkammer (8) enthalten kann und in geeigneter Weise mit dem Rahmen (2) verbunden ist.
Fluidverteilungsrahmen nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsverteiler (5) bzw. (7) und die Einsätze (13) oder (14) aus mehreren Teilen von zusammen gleicher Dicke wie der Rahmen (2) zusammengesetzt sind, in die die Durchtrittsöffnungen (3, 6,
9) eingearbeitet sind.
Fluidverteilungsrahmen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (3) vollständig innerhalb des Rahmens (2) bzw. der Einsätze (13) oder (14) verlaufen, so daß sich auf beiden Seiten geschlossene Oberflächen ergeben.
10. Fluidverteilungsrahmen nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsverteiler (5) und (7) bzw. die Einsätze (13) oder (14) ganz oder teilweise aus einem porösen Material hergestellt sind.
11. Fluidverteilungsrahmen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoffe Polymere, Metalle, Keramikmaterialien oder dichte Kohlenstoffmodifikationen sowie Kombinationen dieser Materialien Verwendung finden.
12. Fluidverteilungsrahmen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmen (2) oder Teile davon aus Flachmaterial gefertigt sind oder durch Urformen, insbesondere (Spritz-) Gießen etc. erzeugt und gegebenenfalls nachbearbeitet sind.
13. Fluidverteilungsrahmen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsverteiler am Austritt (7) und die Austrittskammer (8) fehlen, so daß der Ablauf aus der Kammer (10) direkt in die geeignet gestalteten Austrittsöffnungen (9 ) erfolgt.
14. Fluidverteilungsrahmen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammern (4) und (8) mit Strömungseinbauten (15) versehen sind oder Abstandshalter/Turbulenzpromotoren (12) enthalten.
15. Fluidverteilungsrahmen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptkammer (10) einen oder mehrere Abstandshalter/Turbulenzpromotoren (12) bzw. Strömungseinbauten enthält .
16. Fluidverteilungsrahmen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter/Turbulenzpromotoren (12) in den Rahmen (2) oder die Strömungsverteiler (5, 7) integriert oder auf sonstige Weise mit diesen verbunden sind.
17. Fluidverteilungsrahmen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (4) bzw. die Nachkammer (8) ganz oder teilweise in den Rahmen (2) oder in die Strömungsverteiler (5) bzw. den Strömungssammler (7) eingearbeitet sind, so daß der offene Spalt (4) bzw. (8) zwischen dem Rahmen (2) und dem Strömungsverteiler (5) bzw. (7) sehr klein ist oder verschwindet .
18. Fluidverteilungsrahmen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (3, 6, 9) so in die zwei Hälften der Einsätze (13) bzw. (14) eingebracht sind, daß sich gekreuzte, zueinander offene Kanäle ergeben, die vorzugsweise im Winkel von 30 - 60° zur Rahmenachse verlaufen.
19. Fluidverteilungsrahmen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Öffnungen (3, 6, 9) dadurch ergeben, daß in die beiden Hälften jeweils in Strömungsrichtung versetzte Abstandsnoppen eingebracht oder eingelegt sind.
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