WO2002076591A1

WO2002076591A1 - Filtrationseinheit

Info

Publication number: WO2002076591A1
Application number: PCT/EP2002/002376
Authority: WO
Inventors: Hans-Peter Feuerpeil; Dieter Bläse; Hans Olapinski
Original assignee: Aaflowsystems Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2002-03-05
Publication date: 2002-10-03
Also published as: DE10113465A1; EP1370347A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Filtrationseinheit. Sie umfasst eine Vielzahl von Kapillarröhrchen aus keramischem Material. Die Kapillarröhrchen sind gebündelt. Das Kapillarröhrchen-Bündel (10) ist von einem Hüllrohr (2) umschlossen. Das Material des Hüllrohres hat den selben oder einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie das Material der Kapillarröhrchen.

Description

Filtrationseinheit

Die Erfindung betrifft eine Filtrationseinheit z. B. auf Keramik-Basis.

Solche Filtrationseinheiten werden in zahlreichen Branchen eingesetzt, beispielsweise in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie. Sie dienen beispielsweise zum Abtrennen von Feststoffen aus Flüssigkeiten, aber auch zum Abtrennen von Komponenten aus Flüssigkeiten, Dispersionen oder Suspensionen in flüssige Bestandteile (Fest-, Flüssig-, Gas-Separation).

Monokanal-Filterelemente

Sie bestehen aus einem porösen Keramik-Kapillarröhrchen mit einem Außendurchmesser von ca. 6 - 30 mm, einer Wandstärke von ca. 1 - 4 mm, einer Porengröße zwischen ca. 1 - 10 μm sowie einer an der inneren oder äußeren Oberfläche des Rohres angebrachten sehr dünnen Membranschicht aus poröser Keramik (Schichtdicke ca. 3 - 30 μm; Porengröße 0,01 - 3 μm); darüber hinaus kann sich zwischen porösem Rohr und dünner Membran-schicht eine Zwischenschicht aus Keramik, mit Porengrößen zwischen denen des porösen Rohres und der Membran, befinden.

Dieser Aufbau ist bei dem sehr spröden Werkstoff Keramik erforderlich; die feinporöse Keramik-Membran ist extrem empfindlich gegen mechanische Beanspruchungen wie z. B. Biegung; sie muss andererseits sehr dünn sein um den Filtrationswiderstand klein zu halten.

Das poröse Keramik-Kapillarröhrchen besitzt, aufgrund der vielfach höheren Wandstärke (im Vergleich zur Wandstärke der Membran), eine ausreichend hohe Festigkeit und damit Stützwirkung für die Membran; die große Porengröße des Kapillarröhrchens bedeutet einen geringen Widerstand gegen den Durchtritt von Flüssigkeit (Filtrationswiderstand). Monokanal-Filterelemente werden gebündelt eingesetzt. Siehe DE 38 39 966 A1.

Dabei wird die zu filtrierende Flüssigkeit am einen Ende der Filtrationseinheit in die Kapillarkanäle der Kapillarrohrchen eingeleitet. Die Flüssigkeit strömt zum anderen Ende. Auf diesem Wege tritt ein Teil der Flüssigkeit, nämlich das sogenannte Permeat, durch die feinen Poren der Kapillarrohrchen nach außen hindurch und gelangt in die Zwischenräume zwischen den Kapillarrohrchen, von wo aus es abgeführt wird. Derjenige Anteil hingegen, der nicht hindurchtritt, das sogenannte Retentat, strömt in den Kapillarkanälen zum anderen Ende der Filtrationseinheit, wo es ebenfalls abgeführt wird.

Auch ist die folgende Abwandlung denkbar: Es wird die zu filtrierende Flüssigkeit nicht in die Kapillarkanäle der Kapillarrohrchen eingeleitet, sondern es beaufschlagt die Kapillarrohrchen von außen her, somit deren Mantelflächen. Das Permeat tritt von außen nach innen in die Kapillarkanäle der Kapillarrohrchen ein, woraus es abgeführt wird, während das Retentat aus den Zwischenräumen zwischen den Kapillarrohrchen abgeführt wird.

Damit kein Durchmischen von Permeat und Filtrat stattfindet, müssen die Zwischenräume zwischen den Kapillarrohrchen an beiden Enden der Filtrationseinheit gegen die Kapillarrohrchen abgedichtet werden.

DE 3839 966 A1 beschreibt eine Filtrationseinheit, die eine Vielzahl von Kapillarrohrchen aufweist. Die Kapillarrohrchen sind gebündelt. Sie können aus Keramik bestehen. Dabei handelt es sich um Kapillarrohrchen, bei denen die gesamte Wandstärke sehr kleine Poren besitzt, die die Filtrationseigenschaften bestimmen.

Multikanal-Filterelemente

Sie bestehen aus einem grob-porösen Keramikstab. Der einzelne Stab ist rund oder vieleckig und weist eine Vielzahl von Längskanälen auf. Auf der inneren Oberfläche dieser Längskanäle ist eine Schicht aus feinporöser Keramik (Membranschicht) sowie ggf. eine Zwischenschicht aufgebracht.

In der Praxis haben sich vor allem die Multikanal-Filterelemente im Bereich der Flüssig-filtration z. B. bei hohen Temperaturen durchgesetzt, da sie erheblich höheren Widerstand gegen mechanische Beanspruchungen wie Biegung oder Vibrationen aufweisen und weil hier erheblich höhere Filterflächen pro Volumeneinheit realisiert werden können. Weiterhin werden beim Multikanal-Filterelement die Membranschicht beziehungsweise die Zwischenschichten bei allen Längskanälen gleichzeitig aufgebracht.

Bei Filtereinheiten jeglicher Art, somit auch bei solchen mit Monokanal-Filterele- menten, ist man stets bemüht, die Filterfläche pro Volumeneinheit bei Keramikfil- terelementen und Filter-Modulen (Filterelemente in Gehäuse mit Anschlüssen für Filtrat und Retentat) zu steigern.

Bekannte Keramik-Kapillarröhrchen haben Innendurchmesser von 0,2 - 0,5 mm und Außendurchmesser von 0,4 - 1,5 mm. Um solche Kapillarrohrchen mit ausreichender Stabilität zu erhalten, werden hier Porengrößen von ca. 0,1 - 1 μm bevorzugt. Diese weisen aufgrund der geringen Wandstärke im Bereich der Flüssig- filtration einen noch vertretbaren Filtrationswiderstand auf und werden in gebündelter Form zur Filtration direkt eingesetzt - ohne Membranschicht.

Benötigt man jedoch Filter mit geringerer Porengröße wird der Filtrationswiderstand zu groß und ein Zwei- oder Mehrschichtsystem wird erforderlich. In diesem Fall ist jedoch wegen der engen Kapillardurchmesser nur eine Außenbeschichtung möglich.

Eine solche Außenbeschichtung hat zur Folge, dass bei der Filtration das Unfiltrat von außen an die Kapillarrohrchen herangeführt werden muss und das Permeat auf der Innenseite abgeführt wird. Um diese außenliegende Membranoberfläche permanent zu „reinigen", d. h. von abgetrennten „Partikeln" bzw. Molekülen zu befreien (Konzentrationspolarisation) ist eine möglichst gleichmäßige und hohe Turbulenz des zu filtrierenden Mediums an dieser Oberfläche erwünscht. Dies ist bei eng gebündelten Kapillarrohrchen nicht möglich.

So besteht z. B. in der Pervaporation die Trennaufgabe darin, zwei verdampfbare Flüssigkeiten mittels Membranen unterschiedlicher Porengröße oder unterschiedlicher Hydrophilie zu trennen.

Hierbei liegt das zu trennende Gemisch auf der einen Seite der Membran unter Druck als Flüssigkeit vor - auf der anderen Seite der Membran herrscht in der Regel Unterdruck und die abzutrennende Gemischkomponente liegt hier gasförmig vor.

Die Volumenexpansion beim Übergang von flüssigem in den gasförmigen Zustand liegt bei ca. 5.000 - 50.000; d. h. es müssen auf der Niederdruckseite (Permeat- seite) der Membran riesige Gasvolumina durch das Stütz- oder Trägermaterial hindurchtreten.

Um zu wirtschaftlich vertretbaren Resultaten zu kommen muss bei der Pervaporation der Durchgangswiderstand durch das Trägermaterial möglichst niedrig gehalten werden.

Die bekannten Filtrationseinheiten haben diese Anforderungen nicht oder nur teilweise erfüllt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Filtrationseinheit mit Kapillarrohrchen aus Keramik, Grafit oder aus einem anderen anorganischen Material derart zu gestalten, dass eine große Filtrationsfläche pro Volumeneinheit und ein kleiner Filtrationswiderstand erzielt werden. Außerdem soll die Filtrationseinheit kostengünstig und einfach herstellbar sein. Die Filtrationseinheit soll außerdem leicht handhabbar sein und keiner Beschädigungsgefahr unterliegen, beispielsweise beim Ein- und Ausbau in ein Filtermodul, beim Versand und so weiter.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Eine erfindungsgemäße Filtrationseinheit vereinigt die Vorteile der bekannten Monokanai- Filterelemente mit jenen der bekannten Multikanal-Filterelemente. Es bleiben die Vorteile der Monokanal-Filterelemente - das heißt spaghettiartiger Kapillarrohrchen erhalten. Dabei besteht das einzelne Kapillarrohrchen aus einem dünnen Rohr aus poröser Keramik oder aus porösem Graphit oder aus einem anderen porösen anorganischen Material. Die innere Rohroberfläche dieses Kapillarröhr- chens kann mit einer Membransubstanz beschichtet sein, die allein die Trennfunktion ausübt. Das Membranmaterial kann je nach Bedarf ausgewählt werden, und zwar bezüglich Korngröße, Porenweite und weiterer für die Trennfunktion wesentlicher Eigenschaften. Dabei bedeutet „Bündelung" ein Zusammenfassen einer Vielzahl von Kapillarrohrchen zu einem Filterelement.

Das poröse Rohr aus anorganischem Material hat bei Beschichtung mit Membranmaterial eine reine Stützfunktion. Die erfindungsgemäße Ausführung eines solchen Filterelementes erlaubt ein sehr rationelles Aufbringen des Membranmateria- les auf die Innenfläche der einzelnen Kapillarrohrchen, und zwar im Bündel. Dies bedeutet, dass sämtliche Kapillarrohrchen gleichzeitig mit einer Membranbe- schichtung versehen werden können.

Alternativ kann aber auch das Beschichten der Innenflächen der Kapillarrohrchen mit einem Membranmaterial unterbleiben. In diesem Falle hat das einzelne Kapillarrohrchen sowohl eine Stützfunktion als auch eine Trennfunktion. Dabei spielt sich der Trennvorgang der zu behandelnden Medien vor allem im Bereich der inneren Oberfläche der Kapillarrohrchen ab.

In jedem Falle umfasst das Filterelement ein Hüllrohr, welches die Außenkontur eines handelsüblichen Multikanal-Filterelementes besitzen kann, und damit in ein Modulgehäuse einsetzbar und auch wieder herausnehmbar ist - siehe Figur 3. Die Ausdrucksweise „Hüllrohr" ist dabei in weitestem Sinne zu verstehen. Das Hüllrohr hat die Funktion eines Korsetts, das die Kapillarrohrchen zusammenhält, ihnen dabei die notwendige Steifigkeit verleiht, und ihnen außerdem einen gewissen Schutz gegen Einwirkung von außen gewährt. Im Idealfalle besteht das Hüllrohr aus dem selben Material, wie die Kapillarrohrchen selbst, somit beispielsweise aus Graphit oder aus Keramik.

Im Einzelnen werden folgende Vorteile erzielt:

- die Steifigkeit ist diejenige eines Multikanal-Filterelementes

- hohe Filtrationsfläche pro Volumeneinheit (ca. 100 m²/m³)

- extrem dünne Trennmembran (Filtrationswiderstand minimieren)

- extrem gute Durchlässigkeit, da das Permeat nur geringe Wege zurückzulegen hat, ungeachtet dessen, ob die Kapillarkanäle auf ihren Innenflächen mit einem Membranmaterial beschichtet sind, oder nicht

- hohe und gleichmäßige Turbulenz an der mit dem Medium beaufschlagten Innenfläche, gleichgültig, ob diese aus dem Material des Kapillarröhrchens oder einer besonderen Membran gebildet ist, wobei Aufkonzentrationseffekte vermieden werden

- hohe Temperaturgleichmäßigkeit auf der inneren Oberfläche der Kapillarrohrchen

- hohe Temperaturbeständigkeit > 100° C

- hohe Druckbeständigkeit 5 - 50 bar

Die erfindungsgemäße Filtrationseinheit weist vorzugsweise die folgenden Merkmale auf:

- Kapillarrohrchen mit innenlieqender Membran: Wandstärke: 0,2 - 1 mm Porengröße: 1 - 5 μm

0 innen beschichtbar: 0,6 - 6 mm

- Kapillarrohrchen ohne Membran:

Wandstärke 0,05 - 0,3 mm

Außendurchmesser 0,2 - 1 mm

Porengröße 0,005 - 0,1 mm

Bündelung: Ja

Abdichtung der Kapillarrohrchen mit Keramik oder mit Graphit oder gegeneinander und gegen das Hüllrohr mit einem anderen anorganischen in den Endbereichen des Filter- porösen Material elementes:

Hüllrohr: Aus festem, steifem, im Ausdehnungskoeffizient an Kapillaren ange- passtem Material z. B. Keramik gleich wie Kapillaren. porös (grobporös) 5 - 50 μm dicht + Fenster (alternativ) porös + Fenster (alternativ) zum Schutz gegen mechanische Einflüsse wie Biegung, Schwingung zum Schutz gegen wärmeausdehnungsbedingte Spannungen

- Modulgehäuse: Ja, zur Aufnahme einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Filtrationseinheiten.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert, und zwar bei einem Filterelement, dessen Kapillarrohrchen auf ihrer inneren Oberfläche mit einer Membransubstanz beschichtet sind. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Figur 1 zeigt ein Kapillarrohrchen in perspektivischer Darstellung.

Figur 2 zeigt drei aneinander gelagerte Kapillarrohrchen im Querschnitt. Figur 3 zeigt ein Filterelement (Kapillarrohr-Bündel)

Figur 4 zeigt eine Filtrationseinheit mit einer Anzahl von darin eingesetzten

Filterelementen.

Fig. 5 - 7 veranschaulichen drei wesentliche Verfahrensschritte zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Filtrationseinheit.

Fig. 8 - 10 veranschaulichen drei wesentliche Verfahrensschritte analog dem Verfahren gemäß der Figuren 5 bis 7, jedoch etwas abgewandelt.

Figur 11 zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Fiiterelement.

Figur 12 zeigt in einer Aufrissansicht ein Filtrationsmodul mit mehreren erfindungsgemäßen Filtrationseinheiten.

Figur 13 zeigt einen Querschnitt durch ein bekanntes Multikanal- Filterelement.

Das in Figur 1 dargestellte Kapillarrohrchen 1 besteht aus einem keramischen Material, welches Mikroporen aufweist.

Die in Figur 2 dargestellten Kapillarrohrchen 1 sind parallel zueinander angeordnet, so daß sich ihre Mantelflächen berühren. Es verbleiben lediglich kleine Zwischenräume 1.2, die sich über die gesamte Länge des Fiiterelementes erstrecken. Die Kapillarrohrchen 1 sind Bestandteil eines Kapillarröhrchenbündels 10, das wiederum Teil eines erfindungsgemäßen Filterelementes ist.

Das in Figur 3 dargestellte Filterelement umfasst ein Bündel 10 aus Kapillarrohrchen der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Art. Das Kapillarröhrchenbündel ist von einem Hüllrohr 2 eng umschlossen. Dabei liegen die Kapillarrohrchen 1 des Bündels 10 berührend an der Innenfläche des Hüllrohres 2 an. Das Hüllrohr 2 kann aus porösem keramischem Material bestehen. Die Poren bilden miteinander Kanäle, die die äußere Mantelfläche des Hüllrohres 2 mit der Innenfläche und damit auch mit den Kapillarrohrchen 1 des Bündels 10 leitend verbinden. Die Kanäle haben Durchmesser, die im μm:-Bereich liegen können. Sie können aber auch einige Zehntel- oder einige Hundertstel-Millimeter betragen.

Das Hüllrohr kann auch aus dichtem Material (Keramik, Graphit oder ein anderes anorganisches Material) bestehen, das Durchlässe aufweist.

Im vorliegenden Falle ist das Hüllrohr 2 mit Bohrungen 2.1 versehen. Die Bohrungen 2.1 stellen wiederum eine leitende Verbindung von außen nach innen her. Statt der Bohrungen 2.1 sind auch andere Arten von Perforationen denkbar.

Die Kombination von porösem keramischen Material mit Bohrungen ist ebenfalls möglich.

Das Hüllrohr 2 trägt an seinem Endbereich Dichtungsringe. Mit diesen kann eine Dichtung gegen ein Gehäuse hergestellt werden, das beispielsweise aus Edelstahl besteht.

Im vorliegenden Falle weisen die einzelnen Bauteile des Filterelementes die folgenden Daten auf:

Lichte Weite der Kapillarrohrchen 1 : 0,6 mm Außendurchmesser: 1 mm Außendurchmesser des Hüllrohres 2: 30 mm Wandstärke des Hüllrohres: 3 mm Abweichungen nach oben und nach unten sind möglich, beispielsweise nach oben auf das 3 bis 10fache, und nach unten auf die Hälfte der angegebenen Werte.

Es ist vorteilhaft, das Hüllrohr 2 aus demselben Material herzustellen, wie die Kapillarrohrchen, zum Beispiel beide Gegenstände aus Keramik. Damit werden Ausdehnungsprobleme vermieden, weil nämlich die beiden Gegenstände dieselben Wärmeausdehnungskoeffizienten haben.

Die in Figur 4 gezeigte Filtrationseinheit umfaßt mehrere Filtrationselemente. Jedes Filterelement umfasst ein Bündel 10 aus Kapillarrohrchen 1 sowie ein das Bündel umgebendes Hüllrohr 2 aus Keramik. Die Filterelemente sind in ein Gehäuse 20 eingebaut. Sie sind parallel zueinander und nebeneinander angeordnet. Dieses weist einen Filtrationseinlaß 20.1 und einen Permeatauslaß 20.2 auf.

Die Figuren 5 bis 7 veranschaulichen das an sich bekannte Verfahren zum Herstellen eines Bündels 10 aus Kapillarrohrchen, zum Beispiel mittels eines aushärtbaren flüssigen Harzes. Dabei wird jeweils ein Endbereich des Bündels 10 derart behandelt, daß zwischen den Mantelflächen der Kapillarrohrchen eine absolut dichte Verbindung geschaffen wird, daß aber die Kapillarrohrchen in diesem Endbereich offen sind.

Figur 5 zeigt ein Bündel 10 aus Kapillarrohrchen 1. Die Kapillarrohrchen 1 sind hier im einzelnen nicht dargestellt. Sie sind aber derart angeordnet, wie in Figur 2 veranschaulicht. Figur 5 zeigt ferner eine Wanne 11 , in der sich eine Flüssigkeit befindet. Die Flüssigkeit hat die Eigenschaft, nach einiger Zeit auszuhärten. Sie ist bei den üblichen Betriebsbedingungen der fertigen Filtrationseinheit beständig, beispielsweise bei Temperaturen von 10 - 60 Grad Celsius. Als Materialien kommen in Betracht: Epoxydharz, Glasschmelzen und andere Materialen.

Der Spiegel 12 der Flüssigkeit hat eine bestimmte Höhe. Das Bündel 10 ist in die Flüssigkeit um das Maß T-i eingetaucht. Beim Eintauchen dringt die Flüssigkeit sowohl in die Kapillarkanäle 1.1 der Kapillarrohrchen 1, als auch in die Zwischenräume 1.2 zwischen den Kapillarrohrchen 1 ein - siehe Figur 2.

Nach dem Eintauchen wird das Bündel 10 aus der Flüssigkeit herausgenommen. Die Flüssigkeit härtet nunmehr aus. Die Kapillarkanäle 1.1 sowie die Zwischenräume 1.2 bleiben dabei verschlossen.

Der nächste Schritt ist in Figur 6 veranschaulicht. Man sieht wiederum dasselbe Bündel 10, eine Wanne 12, die eine Flüssigkeit enthält, gegebenenfalls dieselbe Flüssigkeit wie die Wanne 11. Der Spiegel 13 der Flüssigkeit hat jedoch eine größere Höhe. Das Bündel 10 ist um das Maß T₂ eingetaucht, somit um ein größeres

Figur 6 veranschaulicht etwas ganz wichtiges: Man erkennt eine gestrichelte Linie 10.1. Dies ist jene Höhe, bis zu welcher sowohl die Kapillarkanäle 1.1 als auch die Zwischenräume 1.2 durch die erste, inzwischen ausgehärtete Flüssigkeit verschlossen sind. Beim Eintauchen des Bündels 10 gemäß Figur 6 sind die Kapillarkanäle 1.1 und die Zwischenräume 1.2 des Bündels 10 oberhalb der gestrichelten Linie 10.1 zunächst noch frei und offen. Die Flüssigkeit der Wanne 12 dringt beim Eintauchen des Bündels 10 in die Zwischenräume 1.2 zwischen den Kapillarrohrchen 1 ein. Wichtig ist aber, daß diese Flüssigkeit nicht in die Kapillarkanäle 1.1 gelangt. Dies bedeutet somit, daß die Kapillarkanäle 1.1 oberhalb der gestrichelten Linie 10.1 auch beim Eintauchen des Bündels 10 in die Wanne 12 frei bleiben.

Sodann wird das Bündel 10 aus Wanne 12 herausgenommen. Figur 7 zeigt dieses Bündel 10. Man erkennt hierbei wiederum die gestrichelte Linie 10.1, somit die Höhe, bis zu welcher die Kapillarkanäle 1.1 und die Zwischenräume 1.2 völlig verschlossen sind. Man erkennt eine weitere gestrichelte Linie 10.2. Diese zeigt jene Höhe an, bis zu welcher die Zwischenräume 1.2 verschlossen sind. Die gestrichelte Linie 10.3 zeigt eine Linie an, bei welcher ein Abtrennen erfolgt. Es wird somit eine Trennung vorgenommen, beispielsweise durch Schneiden oder Sägen, so daß der in Figur 7 unterhalb der Linie 10.3 befindliche Längenabschnitt des Bün- dels 10 abgetrennt wird vom verbleibenden Bündel. Die Trennebene - Linie 10.3 - liegt somit in einem Bereich, in welchem die Zwischenräume 1.2 verschlossen, die Kapillarkanäle 1.1 jedoch offen sind. Damit ist das eine Ende des Bündels 10 fertig. Das andere, gegenüberliegende Ende des Bündels 10 wird in gleicherweise behandelt, so daß auch hier im Endbereich die Zwischenräume zwischen den Kapillarrohrchen 1 verschlossen, die Kapillarkanäle jedoch offen gehalten werden.

Dieses Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von Bündeln ohne Hüllrohr oder gegebenenfalls mit kurzen Hüllrohren in den Endbereichen des Bündels. Zur Bündelung mit einem Hüllrohr, welches sich über die gesamte Länge des Bündels erstreckt, ist das bekannte Verfahren zu modifizieren.

Wie man aus Figur 8 erkennt, sind Kapillarrohrchen 1 gebündelt und von einem Hüllrohr 2 umgeben. Die Kapillarrohrchen ragen um ein bestimmtes Maß mit ihren unteren Enden über das Hüllrohr 2 hinaus. Sie werden im ersten Schritt verschlossen, zum Beispiel durch Eintauchen in flüssiges Wachs. Dabei werden die Zwischenräume zwischen den Kapillarrohrchen als auch die Kapillarkanäle selbst verschlossen.

Figur 9 veranschaulicht den nächsten Schritt. Die unteren Endbereiche der Kapillarrohrchen werden nunmehr in eine hochkonzentrierte Keramik-Suspension eingetaucht. Dabei werden die Zwischenräume zwischen den Kapillarrohrchen 1 ausgefüllt von der genannten Keramik-Suspension.

Figur 10 zeigt den Zustand, bei welchem die überstehenden Kapillarrohrchen abgesägt sind. Nun erfolgt ein Sinterschritt. Das Sintern kann hierbei bei einer Temperatur erfolgen, bei der noch kein Schwund erfolgt. Als Ergebnis erhält man dann eine poröse Enden-Befestigung und Abdichtung der Kapillarrohrchen.

Die in Figur 11 gezeigte Filtereinheit umfasst insgesamt sieben Kapiilaröhrchen 1. Diese weisen jeweils Kapillarkanäle 1.1 auf. Die Zwischenräume 1.2 zwischen den Endbereichen der Kapillarrohrchen 1 sind mit AI₂O₃ verschlossen. Durch Wahl der Keramik-Partikel der Suspension kann die Porengröße derart eingestellt werden, dass die Leckage - bedingt durch die poröse Endenabdichtung - zwischen Retentat- und Permeaträumen vernachlässigbar wird.

Jedes Kapillarrohrchen 1 umfasst einen röhrenförmigen Stützköφer aus porösem AI₂O₃. Es folgt - von außen nach innen gesehen - eine ebenfalls poröse AI₂O₃- Stützschicht. Sodann folgt eine poröse Stützschicht aus ZrO₂ mit einer Porengröße von 0,05 μm und einer Schichtdicke von 5 μm. Schließlich befindet sich ganz innen eine Membranschicht aus TiO₂ mit einer Porengröße von 0,005 μm und einer Schichtdicke von 1 μm.

Es versteht sich, dass die Zahlenangaben nur beispielhaft sind. Abweichungen nach oben und nach unten sind möglich, beispielsweise um das doppelte, dreifache, fünffache oder zehnfache.

Wie man sieht, liegen die Kapillarrohrchen 1 eng aneinander an. Aufgrund der Herstellungstoleranzen bei der Fertigung von Keramik-Röhrchen oder von Graphit-Röhrchen wird eine vollständige Linienberührung zwischen einander benachbarten Kapillarrohrchen 1 praktisch nicht vorliegen. Es werden über die Länge der Röhrchen gesehen in unregelmäßigen Abständen gewisse enge Spalte verbleiben. In diesem Sinne ist die Ausdrucksweise „eng berührend oder locker" von Anspruch 1 zu verstehen.

Das in Figur 12 gezeigte Filtrationsmodul weist eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Filterelementen 10 auf, von denen drei hier dargestellt sind.

Die Filterelemente 10 sind parallel zueinander angeordnet. Sie liegen nebeneinander und haben einen gewissen gegenseitigen Abstand.

Die Filterelemente 10 sind von einem Gehäuse 11 umschlossen. Dieses weist einen Einlass 11.1 für das zu behandelnde Gut auf, beispielsweise ein Wasser- Alkohol-Gemisch, ferner einen Auslass 11.2. Das Gehäuse weist im vorliegenden Falle zwei Unterdruckanschlüsse 11.3, 11.4 auf. Diese dienen dem Anlegen eines Unterdruckes.

Eine erfindungsgemäße Besonderheit dieses Filtrationsmoduls liegt in einer Kühleinrichtung 12. Die Kühleinrichtung 12 ist nach Art eines Wärmetauschers gestaltet. Sie ist doppelwandig, und somit innen hohl. Sie weist einen Einlass 12.1 und einen Auslass 12.2 für ein Kühlmedium auf, beispielsweise für Wasser, das den Hohlraum der Kühleinrichtung 12 durchströmt. Die Filterelemente 10 sind von den Innenwänden der Kühleinrichtung 12 umschlossen. Dabei verbleibt zwischen der äußeren Mantelfläche der Filterelemenete 10 - somit dem Hüllrohr, das jedes Filterelement gemäß der Erfindung aufweist, und den betreffenden Innenflächen der Kühleinrichtung 12 ein Spaltraum.

Das Filtrationsmodul kann wie folgt betrieben werden: Der Einlass 11.1 des Filtrationsmoduls wird beispielsweise mit einem Gemisch aus Wasser und Äthanol beschickt. Dieses Gemisch tritt in die Kapillarrohrchen der Filtrationseinheiten 10 ein. In die Unterdruckanschlüsse 11.3., 11.4 ist ein Unterdruck angelegt. Dieser führt zu einer Wanderung von Wassermolekülen durch die Wände der Kapillarrohrchen hindurch - gegebenenfalls durch deren Membranen, und zwar in Form von Wasserdampf. Ah den Wänden der Kühleinrichtung 12 schlägt sich der Wasserdampf nieder. Das Kondensat sammelt sich im unteren Bereich des Filtrationsmoduls. Es wird entweder durch den Vakuumanschluss 11.4 oder durch einen eigenen Kodensatabführanschluss abgeführt. Der Auslass 11.2 des Filtrationsmoduls führt nunmehr wiederum ein Gemisch aus Wasser und Äthanol ab, wobei jedoch Äthanol stark angereichert ist.

Figur 13 zeigt ein Filterelement entsprechend dem Stande der Technik. Es handelt sich um ein handeslübliches Multikanal-Filterelement mit einem porösen AI₂O₃ - Träger sowie mit Membran-beschichteten Kanälen. Der Stab 30 weist eine Mehrzahl von achsparallelen Bohrungen 31 auf. Jede Bohrung ist beschichtet. Die Schichten können wie folgt gestaltet sein - von außen nach innen gesehen:

Zuerst kommt eine Stützschicht aus porösem AI₂O₃ mit einer Porengröße von 1 μm und einer Schichtdicke von 30 μm. Es folgt eine Stützschicht aus porösem AI₂O₃ mit einer Porengröße von 0,2 μm und einer Schichtdicke von 10 μm. Es folgt eine Stützschicht aus porösem ZrO₂ mit einer Porengröße von 0,05 μm und einer Schichtdicke von 5 μm. Es folgt schließlich eine Membranschicht aus TiO₂ mit einer Porengröße von 0,005 μm und einer Schichtdicke von 1 μm.

Claims

Patentansprüche

1. Filterelement, umfassend mehrere Kapillarrohrchen (1), die aus Keramik oder Graphit oder einem anderen anorganischen Werkstoff aufgebaut sind und die Kapillarkanäle (1.1) aufweisen;

1.1 die Kapillarrohrchen (1) sind zu einem Bündel (10) zusammengefasst und liegen mit ihren Mantelflächen locker oder berührend aneinander an;

1.2 es ist ein Hüllrohr (2) vorgesehen, daß das Bündel (10) aus Kapillarrohrchen (1) eng berührend oder locker umschließt.

1.3 die Zwischenräume zwischen den Kapillarrohrchen (1 ) untereinander sowie zwischen Kapillarrohrchen (1) und der Innenfläche des Hüllrohres (2) sind in den beiden Endbereichen des Filterelementes abgedichtet;

1.4 das Hüllrohr (2) besteht aus einem Material, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient derart nahe bei demjenigen der Kapillarrohrchen (1) liegt, dass bei Betriebstemperatur keine unzulässigen Spannungen auftreten;

1.5 die Kapillarrohrchen (1 ) sind während des Filtrations- oder Trennvorganges von innen nach außen durchströmt.

2. Filterelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die innere Oberfläche der Kapillarkanäle (1.1) aus einer Membranschicht gebildet ist.

3. Filterelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarrohrchen (1) eine Wandstärke von 0, 2 bis 2 mm aufweisen.

4. Filterelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial der Kapillarrohrchen (1) eine Porengröße von 0,5 bis 5 μm aufweist.

5. Filterelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn-zeichnet, dass die lichte Weite der Kapillarkanäle (1.1) zwischen 0,6 und 8 mm beträgt.

6. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr (2) porös ist und/oder Durchbrechungen (2.1) aufweist.

7. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn-zeichnet, dass das Hüllrohr (2) aus dem selben Material wie die Kapillarrohrchen (1) besteht.

8. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung der Zwischenräume (1.2) aus dem Material der Kapillarrohrchen (1) und/oder dem Material des Hüllrohres (2) besteht.

9. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Abdichtung der Zwischenräume (1.2) porös ist.

10. Filterelement nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Porengröße des Materiales der Abdichtung der Zwischenräume (1.2) um den Faktor 2 bis 10 größer ist, als die Porengröße des Materiales der Membranschicht.

11. Filterelement nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranschicht einen der Werkstoffe SiO₂, TiO₂, AI₂O₃ oder Zrθ₂ oder Mischungen hieraus enthält.

12. Filtrationsmodul, dadurch gekennzeichnet, dass dieses die folgenden Merkmale beziehungsweise Bauteile aufweist:

12.1 Wenigstens ein Filterelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 ,

12.2 ein zylindrisches Gehäuse, das die einzelnen Filterelemente umschließt;

12.3 das Gehäuse weist Anschlüsse zum Heranführen des zu behandelnden Gutes sowie zum Abführen von behandeltem Gut auf, ferner wenigstens einen Vakuumanschluss.

3. Filtrationsmodul nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterelemente wenigstens auf einem Teil ihrer Länge von Kühlelementen umgeben sind, und dass das Gehäuse einen Auslass zum Abführen von Kondensat aufweist.