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Trennanlage zum Abtrennen von Stoffen aus Emulsionen
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In vielen Industriezweigen müssen Emulsionen und ähnliche flüssige
Gemische behandelt werden, um die Bestandteile wenigstens zum Teil voneinander zu
trennen, damit diese anschließend auf eigene Weise weiterverarbeitet werden können.
Zur Trennung von Emulsionen gibt es verschiedene Verfahren. Eines davon ist die
Membranfiltration, die vielfach auch Ultrafiltration genannt wird. Bei ihr wird
die Emulsion, zum Beispiel eine Öl-Wasser-Emulsion, auf die Oberfläche einer halbdurchlässigen
Membran aufgebracht, die für die niedermolekulare Trägerflüssigkeit, das Wasser,
durchlässig ist und für die hochmolekulare Inhaltsstoffe, das Öl,undurchlässig ist.
Von der Trägerflüssigkeit tritt ein Teil als sogenanntes Permeat durch die Membran
hinS durch und wird abgeführt. Im verbleibenden Teil der Emulsion erhöht sich die
Konzentration, bis nach mehrmaligem Wiederholen des Filtrationsvorganges ein Konzentrat,
beispielsweise mit einem Ölgehalt von 40 - 50 °Ó vorliegt. Damit ist im allgemeinen
die Grenze einer wirtschaftlichen Verarbeitung der Emulsion durch die Ilembranfiltration
erreicht.
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In den herkömmlichen Anlagen für die AbtrEnnung von Stoffen aus Emulsionen
werden die halbdurchlässigen Membranen in verschiedener Gestalt verwendet. Am häufigsten
sind die Membranen als llohlfasermembranen ausgebildet, die im Inneren von der Emulsion
oder Rohlösung durchflossen werden, wobei das Permeat aus den Hohlfasern nach außen
austritt. Die Hohlfasern sind zu einem Faserbündel vereinigt, an dessen beiden Enden
die Hohlfasern durch Vergießen unter Bildung je einer Endscheibe mit der anderen
festverbunden sind. Das Hohlfaserbündel ist in einem Rohr untergebracht, welches
der Halterung des Faserbübdels und gleichzeitig dem Sammeln und Ableiten des Permats
dient. Mehrere derartige, Module genannte Hohlfaserbündel werden in Parallelschaltung
und/ oder in Hintereinanderschaltung in einer Trennanlage vereinigt, zu der im allgemeinen
Behälter für die Emulsion, das Konzentrat und das Permeat, sowie Iimwölzpumperi
und Verbindungsleitungen gehören. Bei einer anderen Ausführungsform werden die Membranen
als Schlauch- oder Rohrmembranen mit größerem Durchmesser verwendet.
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Sie werden ebenfalls in ihrem 1 nnorcn von der Rohlösung durchflossen.
Die Schlauchmembran wird von einem Träger- oder Stützrohr aufgenommen. Das Stützrohr
ist entweder porös oder gelocht.
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Bei der Verwendung von gelochten Metallrohren ist in der Regal zwischen
der Schlauchmembran und dem Stützrohr noch eine Vliesschicht vorhanden, die das
gleichmäßig aus der Membran austretende Permeat zu den Durchgangslöchern des Fietalirohres
hinleitet.
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Bei dem Filtriervorgang erhöht sich die Konzentration in der unmittelbar
an der Membran angrenzenden Flüssigkeitsschicht. Diese muß daher ständig abgelöst
werden, um den Filtriervorgang aufrechtzuerhalten. Das geschieht bei den geschilderten
Anlagen dadurch, daß die Rohlösung durch Umwälzpumpen unter einem so hohen Druck
durch die Module hindurchgepumpt wird, daß die infolgedessen auftretende Stömunqsgeschwindigkeit
durch Turbulenz die an der Membran angrenzende Flüssigkeitsschicht immer wieder
ablöst. Infolge dieser hohen Strömungsgeschwindigkeit ist der Mengenstrom der Rohlösung
in Längsrichtung der Module erheblich größer als der Mengenstrom des Permeats in
der Querrichtung, das heißt durch die
Membran hindurch. Die Rohlösung
muß daher immer wieder durch die Module hindurchgepumpt werden, ehe die gewünschte
Konzentration erreicht wird. Daraus ergeben sich für die herkömmlichen Trennanlagen
verschiedene Nachteile.
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Infolge der bei einem Durchlauf der Rohlösung nur geringfügigen Erhöhung
der Konzentration und der dadurch erforderlichen ständigen Wiederholung des Durchlaufes
der Rohlösung durch die Module ist nur ein unstetiger Betrieb oder Chargenbetrieb
möglich. In dem Maße, in dem die Konzentration der Rohlösung zunimmt und dabei ihr
Volumen abnimmt, kann zwar neue Rohlösung zu der Anfangsmenge hinzugegeben werden.
Nach dem Erreichen der gewünschten Konzentration muß das Konzentrat aber erst aus
der Anlage abgezogen werden, ehe eine neue Charge Rohlösung eingefüllt werden kann.
Bei der ständigen Wiederholung des Durchlaufes der Rohlösung muß eine hohe Umwälzmenge
verarbeitet werden. on der,llengenstrom der Rohlösung gehen nur etwa 5 ;D als Permeat
durch die Membran über, während die übrigen 95 m als Balastflüssigkeit zu betrachten
sind. Diese hohe Umwälzmenge hat einen entsprechend hohen Energieaufwand für den
Pumpenantrieb zur Folge, wobei außerdem der Pumpenwirkungsgrad mit zu berücksichtigen
ist. Die gesamte Verlustenergie der Umwälzpumpe, der größte Teil der vom Ant riebsmotor
aufgenommenen Energie geht als Verlustwärme in die umgewälzten Flüssigkeitsmengen
über. Bei längerdauerndem Betrieb der Anlage ist daher entweder ein Wärmetauscher
erforderlich oder ein Vorratsbehälter für die Charge, dessen Rauminhalt und damit
dessen Oberfläche so groß ist, daß die Wärmeabstrahlunj und die Wärmeabgabe durch
Konvektion für die erforderliche Abkühlung ausreichen. Die herkömmlichen Anlagen
lassen sich nicht beliebig verkleinern, weil die für die Zwischenlagerung und Umwälzung
der Rohlösung erforderlichen Anlagenteile immer eine gewisse Gröae haben, auch wenn
die Membranfläche sehr stark verkleinert wird.
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Daher werden solche Anlagen ab einem gewissen Grenzwert der zu verarbeitenden
Emulsionsmengen unwirtschaftlich. Dieser Grenz-3 wert liegt etwa bei 5 m je Woche.
Der Platz- und Raumbedarf
der herkömmlichen Anlage bezogen auf
die Literleistung Permeat ist verhältnismäßig groß. Die Gestehungskosten der herkömmlichen
Anlagen sind aus diesen Gründen vor allem bei den kleineren Leistungsstufen sehr
hoch. Außerdem erfordern die herkömmlichen Anlagen einen hohen Bedienungsaufwand,
wenn ein wirtschaftlicher Betriebsablauf erreicht werden soll. Da es dafür vor allem
auf die richtige Einstellung und Einhaltung der für die Trennung der Emul siorisbestandteile
wichtigen Parameter ankommt, ist entweder ein gut ausgebildetes und zuverlässiges
Bedienungspersonal erforderlich, oder es muß ein entsprechend hoher regelungstechnischer
Aufwand getrieben werden.
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Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine Trennanlage für Emulsionen und ähnliche flüssige Gemische zu schaffen, die
die aufgezeigten Nachteile der herkömmlichen Trennanlagen nicht aufweist und die
insbesondere kleiner und damit billiger gebaut werden kann, einen geringeren Platz-und
Raumbedarf hat, erheblich geringere Energieverluste verursacht und mit einem erheblich
geringeren Energieaufwand auskommt und die nach Möglichkeit in stetigem Betrieb
eingesetzt werden kann.
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Durch die Relativbewegung zwischen dem durch die Membran gebildeten
Wandteil des Emulsionsbehälters und der Ablöseeinrichtung wird die auf der Membran
sich bildende, an ihr angrenzende Konzentratschicht in kurzen Zeitabständen oder
ständig immer wieder abgelöst, so daß frische, noch nicht aufkonzentrierte Emulsionsanteile
an die Membran gelangen können und dort durch Abgabe eines Teils des von der Membran
durchgelassenen niedermolekularen Bestandteils, etwa des Wassers bei einer Öl-Wasser-Emulsion,
konzentriert werden können. Dieses Ablösen der Konzentratschicht kann ohne Berührung
zwischen der Ablöseeinrichtung und der Membran, das heißt verschleißfrei für beide
Teile, erfolgen. Es genügt, wenn die Ablöseeinrichtung in der an die Membran angrenzenden
Schicht eine ausreichend starke Turbulenz erzeugt. Dazu genügt ein verhaltnismäßig
geringer Energieaufwand. Die in einiger Entfernung von der Membran befindliche Teilmengen
der Emulsion können dabei in Ruhe bleiben oder in einer durch die Relativbewegung
zwischen
Membran und Ablöseeinrichtung hervorgerufenen, nach Möglichkeit gleichmäßigen Bewegung
gehalten werden. Durch die weitgehende Vermeidung unnötiger Strömungsbewegungen
sind die Energieverluste sehr klein. Eine solche Anlage kommt selbst bei langdauerndem
Betrieb in den meisten Fällen ohne Kühlung aus.
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Die Anlage läßt sich in praktisch allen ihren Teilen nahezu beliebig
klein bauen, so daß sie auch bei einem sehr geringen Anfall an zu verarbeitender
Emulsion wirtschaftlich ist und dann auch nur einen entsprechend kleinen Platz-
und Raumbedarf hat.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben. Eine nach Anspruch 2 ausgestaltete Trennanlage läßt sich infolge der
einfachen geometrischen Gestalt ihrer wesentlichen Teile und der bei einer Drehbewegung
besonders einfach auszuführenden Lagerung der relativ zueinander bewegten Teile
besonders leicht und einfach und damit billig herstellen. Sie ermöglicht auch eine
gleichmäßige und damit verlustarme Relativbewegung zwischen dem Emulsionsbehälter
mit der Membran und der Ablöseeinrichtung. Durch eine Ausgestaltung der Trennanlage
nach Anspruch 3 werden insbesondere in Verbindung mit einer Ausgestaltung nach Anspruch
2 verschiedene Bauwesen und Arbeitsweisen der Trennanlage ermöglicht. Bei einer
ortsfesten Anordnung des Emulsionsbehälters mit der Membran und einer relativ dazu
angetriebenen Ablöseeinrichtung können vor allem die notwendigen Le itungsanschlüsse
am ruhenden Emulsionsbehälter sehr einfach ausgeführt werden. Bei der drehbaren
Lagerung des Emulsionsbehälters mit der durch Membran kannidie Fliehkraftwirkung
der hydrostatische Druck der an der Membran angrenzenden Flüssigkeitsschicht unter
Umständen beträchtlich erhöht werden. Dabei kann die Ablöseeinrichtung entweder
durch eine Halterung ortsfest festgehalten werden oder sie kann ihrerseits drehbar
gelagert und angetrieben werden, wobei die Drehbewegung des Emulsionsbehälters und
diejenige der Ablöseeinrichtung gleichsinnig oder gegensinnig erfolgen kann, je
nachdem, welche Relativgeschwindigkeit zwischen der Ablösreinrichtung und der Membran
im Einzelfalle gewünscht wird.
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Bei sich drehendem Emulsionsbehälter kann die auftretende Fliehkraft
vor allem bei größerem Dichteunterschied zwischen der Rohlösung
und
dem Konzentrat die Ablösung der an der Membran sich bildenden Konzentratschicht
unterstützen. Durch eine Ausgestaltung der Trennanlage nach Anspruch 4 wird vor
allem bei der besonders zweckmäßigen Anordnung des Auffangebhälters auf der Außenseite
des Emulsionsbehälters ein glattes und leicht sauberzuhaltendes Äußeres der Trennanlage
erreicht und außerdem ein gesondertes Gehäuse oder ein gesondertes Gestell für die
übrigen Teile der Trennanlage eIngespart. Mit einer Ausgestaltung der Trennanlage
nach Anspruch 5 wird eine besonders einfache Ind billig herzustellende Ablöseeinrichtung
geschaffen. Diese Ausführungsform der Trennanlage kommt hauptsächlich für den Chargenbetrieb
in Betracht, wobei sie alle die weiter oben angegebenen übrigen Vorteile gegenüber
den herkömmlichen Anlagen hat.
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Mit ihr kann zum Beispiel eine einfach und billig herzustellende kompakte
Zusatzanlage für herkömmliche Trennanlagen geschafft werden, die für die Endbehandlung
der Emulsion eingesetzt wird, die in der herkömmlichen Anlage nur so weit aufkonzentriert
worden ist, wie es dort wirtschaftlich sinnvoll ist. Dadurch kann die Wirtschaftlichkeit
der Gesamtanlage erhöht werden. Bei einer zusätzlichen Ausgestaltung dieser Ausführungsform
nach Anspruch 6 werden stark sich verengende Zwischenräume zwischen den Flügeluturzeln
und damit Todräume mit der Gefahr von Wirbelbildungen außerhalb der Nachbarschaft
der Membran vermieden und dadurch die innerenStrömungsverluste und damit die Energieverluste
verringert.
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Eine nach Anspruch 7 ausgestaltete Trennanlage ist sehr einfach und
daher verhältnismäßig billig herzustellen und leicht zu bedienen, insbesondere leicht
zu befüllen und zu entleeren. Mit der weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 8 wird
eine sehr kompakte Baueinheit aus Trennanlage und Vorratsbehälter geschaffen. Durch
die Weiterbildung nach Anspruch 9 wird diese Trennanlage noch weiter vereinfacht.
Außerdem wird ihre Bedienung dadurch wesentlich erleichtert, daß nach dem Befüllen
des Vorratsbehälters die Rohlösung von alleine in die Trennanlage überläuft und
in dem Maße, wie die ursprüngliche Rohlösungsmenge in der Trennanlage durch die
Aufkonzentrierung abnimmt, frische Rohlösung aus dem Vorratsbehälter ohne weiteres
Zutun nachfließt,bis schließlich der Vorratsbehälter leer ist und bei richtiger
Abstimmung des Volumens
des Vorratsbehälters und des Emulsionsbehälters
in letzterem sich das Konzentrat mit der angestrebten Konzentration befindet.
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Bei einer nach Anspruch 10 ausgestalteten Trennanlage wird die Rohlösung
durch einen Ring spalt zwischen der Membran und der Ablöseeinrichtung in axialer
Richtung hindurchgeführt, während die Relativgeschwindigkeit zwischen diesen beiden
Teilen in Umfangsrichtung erfolgt und die für die Ablösung der Grenzschicht von
der Membran erforderliche Turbulenz erzeugt. Der resultierende Durchlaufweg der
Rohlösung ist daher eine enggewundene Schraubenlinie, wenn entweder nur der eine
Teil sich dreht oder wenn beide Teile sich drehen und die Drehgeschwindigkeit beider
Teile nicht gerade gegensinnig gleich groß ist. Im letzteren Falle erfolgt der Durchlauf
mehr oder weniger entlang einer Mantellinie der Rotationskörpergestalt von Membran
und Ablöseeinrichtung. In jedem Falle werden#sowohl die axiale Durchlaufgeschwindigkeit
der Rohlösung und die Relativgeschwindigkeit zwischen Membran und Ablöseeinrichtung
so gewählt und aufeinander sowie auf die axiale Erstreckung und auf die Spaltweite
des Ringspaltes zwischen Membran und Ablöseeinrichtung abgestimmt, daß am Ende des
einmaligen Durchlaufs durch die Trennanlage die gewünschte Konzentration erreicht
ist und das Konzentrat sofort abgeleitet werden kann Eine derartige Trennanlage
arbeitet demnach stetig. Die Turbulenzwirkung der Relativbewegung zwischen Membran
und Ablöseeinrichtung kann durch eine Weiterbildung gemäß Anspruch 11 noch unterstützt
werden. Bei einer Ausgestaltung der Trennanlage nach Anspruch 12 wird die wirksame
Membranfläche praktisch verdoppelt. Dabei bildet jede der beiden Membranen zugleich
die Ablöseeinrichtung für die andere Membran. Bei einer derartigen Ausbildung der
Trennanlage ist es zweckmäßig, daß von den beiden Membranen nur diejenige zur Erzeugung
der Relativgeschwindigkeit gedreht wird, die sich auf der der Drehachse zugekehrten
Seite ihrer Stützwand befindet. Dadurch wird vermieden, daß diejenige der beiden
Membranen, die sich auf der von der Drehachse abgekehrten Seite ihrer Stützwand
befindet, durch Fliehkraftwirkung davon abgehoben wird. Mit der Ausgestaltung der
Trennanlage nach Anspruch 13 kann die Filtrierung bei einem höheren hydrostatischen
Druck durchgeführt
werden. Dabei kommt die Weiterbildung nach Anspruch
14 mehr für Trennanlagen in Betracht, bei denen häufig Rohlösungen mit unterschiedlichen
Eigenschaften verarbeitet werden, so daß der Drosselquerschnitt öfter darauf eingestellt
werden muß. Die Weiterbildung nach Anspruch 15 kommt mehr für Trennanlagen in Betracht,
bei denen Rohlösungen von stets gleichbleibenden Eigenschaften verarbeitet werden,
so daß der Drosselquerschnitt praktisch unverändert bleiben kann. Dabei liefert
die Weiterbildung nach Anspruch 16 eine sehr einfache Möglichkeit, den Drosselquerschnitt
auf den richtigen Betriebswert einzustellen und ihn auch gelegentlich neu einzustellen.
Eine nach Anspruch 17 ausgestaltete Trennanlage erlaubt es auf einfache Weise, die
Spaltweite des Ringspaltes zwischen Membran und Ablöseeinrichtung einzustellen und
nach Bedarf abzuändern. Eine derartige Ausbildung kommt vor allem für Versuchsanlagen
in Betracht, mit denen die für verschiedene Rohlösungen optimalen Parameter erforscht
werden. Sie kommt aber auch für Betriebsanlagen in Betracht, in denen Rohlösungen
mit stark unterschiedlicher Zähigkeit verarbeitet werden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen teilweise geschnitten
dargestellten schematischen Aufriß eines ersten Ausführungsbeispieles der Trennanlage;
Fig. 2 einen Querschnitt der Trennanlage nach Fig. 1 gemäß der Linie II - II; Fig.
3 eine vergrößert dargestellte Einzelheit "Z" aus Fig. 1; Fig. 4 einen teilweise
geschnitten dargestellten schematischen Aufriß eines zweiten Ausführungsbeispiels
der Trennanlage; Fig. 5 eine vergrößert dargestellte Einzelheit "Z" aus Fig. 4;
Fig. 6 einen ausschnittweise dargestellten schematischen Vertikalschnitt eines dritten
Ausführungsbeispieles der Trennanlage;
Fig. 7 ausschnittweise dargestellte
Beispiele verschiedener Ab-und 8 laüfleitungen der Trennanlage, insbesondere nach
Fig. 4 oder 6; Fig. 9 einen schematischen Vertikalschnitt eines vierten Ausführungsbeispieles
der Trennanlage; Fig. 10 einen schematischen Vertikalschnitt eines fünften Ausführungsbeispieles
der Trennanlage.
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Das aus Fig. 1 bis 3 ersichtliche erste Ausführungsbeispiel der Trennanlage
für Emulsionen weist als Hauptbaugruppen einen Emulsionsbehälter 11, eine Ablöseeinrichtung
12, eine Antriebsvorrichtung 13, eine Auffangvorrichtung 14 für das Permeat und
einen Vorratsbehälter 15 für die zu verarbeitende Emulsion auf.
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Der Emulsionsbehälter 11 nimmt unabhängig von seiner Bezeichnung ganz
allgemein die Rohlösung auf, die durch Membranfiltration zu behandeln ist, um ihre
Bestandteile wenigstens zum Teil voneinander zu trennen. Der Emulsionsbehälter 11
hat die Form eines geraden Kreiszylinders. Er wird durch eine zylindrische Umfangswand
16, einen ebenen Boden 17 und einen ebenfalls ebenen Deckel 18 gebildet.
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Der Boden 17 und der Deckel 18 bestehen aus Metallhlcchcn, und zwar
beispielsweise aus korrosionsbeständigen Stahllegierungen. Daneben kommen aber auch
andere Werkstoffe in Betracht, wenn die zu verarbeitende Rohlösung dies erfordert
Die Umfangswand 16 ist mehrschichtig aufgebaut. Die dem Innenraum und damit der
Emulsion zugekehrte innerste Schicht ist eine halbdurchlässige Membran 20. Der Aufbau
dieser Membran im einzelnen, ihr Werkstoff und ihre Wirkungsweise entsprechen den
Merkmalen der für die Membranfiltration bereits bekannten Membranen, die dort im
allgemeinen als Hohlfasern oder in Schlauch- oder Rohrform eingesetzt werden. Sie
lassen niedermolekulare Stoffe, wie zum Beispiel das als Trägerflüssigkeit einer
Emulsion dienende Wasser, hindurchtreten und halten höhermolekulare Stoffe, wie
zum Beispiel das Öl einer Öl-Wasser-Emulsion, zurück. Die aktive Trennschicht der
Membran ist dem Behälterinnenraum mit der Emulsion zugekehrt.
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Auf der davon abgekehrten Seite befindet sich eine die Membran 20
haltende
Stützwand 21. Diese ist aus zwei Schichten aufgebaut, nämlich aus einem Metallzylinder
22 als der eigentlichen Stützwand und aus einer Vliesschicht 23. Der Metallzylinder
22 ist aus einem gelochten Metallblech, beispielsweise aus korrosionsbeständigem
Stahl, hergestellt. Die Vliesschicht 23 besteht im allgemeinen aus einem Faservlies,
das gegen die Bestandteile der zu verarbeitenden Emulsion beständig ist. Durch die
in allen Richtungen für Flüssigkeiten durchlässige Vliesschicht 23 und durch die
Lochung des Metallzylinders 22 vermag die Stützwand 21 die als Permeat bezeichnete
Flüssigkeit abzuleiten, die von der Membran auf ihrer gesamten Fläche gleichmäßig
verteilt hindurchgelassen wird. An den beiden stirnseitigen Rändern ist die Membran
20 gegenüber der Stützwand 21 abgedichtet, damit sie von der Emulsion nicht unterwandert
wird.
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Durch das Abfließen eines Teils der Flüssigkeit der Emulsion durch
die Membran 20 hindurch nimmt die Konzentration der an die Membran 20 angrenzendenEmulsionsschicht
zu. Das behindert das weitere Abfließen der Flüssigkeit und verhindert es bei ausreichendehoher
Konzentration sogar vollständig. Das wird durch die Ablöseeinrichtung 12 vermieden.
Sie weist einen trommelförmigen Nabenkörper 24 auf, an dessen Umfangswand 25 außen
eine Gruppe von Flügeln angebracht ist, die bei diesem Ausführungsbeispiel wegen
ihrer geringen radialen Erstreckung treffender als Leisten bezeichnet werden. Die
Umfangswand 25 hat die Form eines geraden Kreiszylinders. An ihren beiden Stirnseiten
ist sie oben und unten durch eine Stirnwand 27 bzw. 28 dicht verschlossen. Mittels
dieser beiden Stirnwände 27 und 28 ist der Nabenkörper 24 mit einer Welle 29 drehfest
verbunden. Die Welle 29 ist an ihrem unteren Ende mittels eines Lagers 31 am Boden
17 des Emulsionsbehälters 11 gelagert. An ihrem oberen Ende ist die Welle 29 in
nicht dargestellter Weise am Vorratsbehälter 15 gelagert.
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Dabei kann wahlweise ein gesondertes Lager vorhanden sein oder sie
kann mit der Welle eines Elektromotors 32 verbunden und dadurch mittels deren Lager
gegenüber dem Vorratsbehälter 15 gelagert sein.
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Der Elektromotor 32 bildet die Antriebsvorrichtung 13, mittels der
die Ablöseeinrichtung 12 relativ zum Emulsionsbehälter 11 bewegbar ist.
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Die Leisten 26 sind der wirksame Teil der Ablöseeinrichtung 12.
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Sie nehmen in ihren Zwischenräumen die im Emulsionsbehälter 11 vorhandene
Emulsion oder Rohlösung bei ihrer Drehbewegung mit und rufen dadurch eine gewisse
Turbulenz in der an der Membran 20 angrenzenden Emulsionsschicht hervor. Eine noch
stärkere Turbulenzwirkung geht von der Relativbewegung der Leisten 26 entlang der
Membran 20 aus. Die Leisten 26 haben daher, wie in Fig. 1 erkennbar ist, auf der
der Membran 20 zugekehrten Seite entlang ihrer gesamten axialen Erstreckung von
der Membran einengleichbleibenden Abstand. Dieser Abstand ist in Fig. 1 und auch
noch in Fig. 3 mit Rücksicht auf die Deutlichkeit der Zeichnung übertrieben groß
dargestellt. Der Abstand hängt von den hydromechanischen Eigenschaften der Emulsion
und ihres Konzentrates, von der Anzahl der Leisten und von der Größe der Relativgeschwindigkeit
zwischen Ablöseeinrichtung 12 und Membran 20 ab und kann daher im Einzelfalle nur
aus Erfahrungswerten oder aus Versuchswerten bestimmt werden.
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Das von der Membran 20 durchgelassene und aus deren Stützwand 21 austretende
Permeat wird von der Auffangvorrichtung 14 aufgefangen. Diese ist als Auffangbehälter
33 von kreiszylindrischer Gestalt ausgebildet. Er hat eine zylindrische Außenwand
34 und am oberen Ende eine kreisringförmige ebene Stirnwand 35, die den Ringraum
zwischen der Außenwand 34 und der Stützwand 21 des Emulsionsbehälters 11 abdeckt.
In Fig. 1 ist die Stirnwand 35 mit einem kleinen Abstand zur Stützwand 21 dargestellt.
Damit soll angedeutet werden, daß der Auffangbehälter 33 gegenüber dem Emulsionsbehälter
11 abnehmbar ist. Um Leckverlustezu vermeiden, kann selbstverständlich zwischen
den Auffangbehälter 33 und dem Emulsionsbehälter 11 eine trennbare Verbindung vorhanden
sein. Am unteren Ende wird der Kreisringraum des Auffangbehälters 33 durch eine
kreisringförmige ebene Stirnwand 36 abgeschlossen, die zugleich eine radiale Fortsetzung
des Bodens 17 des Emulsionsbehälters 11 darstellt. An den Auffangbehälter 33 schließt
nach unten ein zylindrisches Fußgestell 37 an. Dadurch, daß der Auffangbehälter
33 den
Emulsionsbehälter 11 und die darin befindliche Ablöseeinrichtung
12 außen umgibt und sich bis zum Fußgestell 37 fortsetzt, dient die Auffangvorrichtung
14 diesen anderen Teilen der Trennanlage zugleich als Gehäuse.
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Der Vorratsbehälter 15 ist oberhalb des Emulsionsbehälters 11 angeordnet.
Er hat die Form eines Kreiszylinders von gleichem Außendurchmesser wie der Emulsionsbehälter.
Der Vorratsbehälter 15 hat eine zylindrische Außenwand 38 aus korrosionsbeständigem
Stahlblech. Seine obere Stirnseite wird durch einen ebenen Deckel 39 abgeschlossen.
Als Boden des Vorratsbehälters 15 dient der Deckel 18 des Emulsionsbehälters 11.
Das Volumen des Vorratsbehälters 15 ist auf das Aufnahmevolumen des Emulsionsbehälters
11 und auf die üblicherweise zu erwartende Volumenverringerung durch die Filtration
so abgestimmt, daß die Anfangsbefüllung des Emulsionsbehälters 11 und des Vorratsbehälters
15 mit frischer Rohlösung als Konzentrat vollständig vom Emulsionsbehälter 11 aufgenommen
werden kann. Zwischen dem Vorratsbehälter 15 und dem Emulsionsbehälter 11 ist eine
offene Überlaufleitung vorhanden, die durch ein Durchgangsloch 41 im Deckel 18 des
Emulsionsbehälters 11 gebildet wird. Durch dieses Durchgangsloch 41 wird gleichzeitig
die Well 29 durch den Deckel 18 des Emulsionsbehälters durchgeführt. Das Durchgangsloch
41 hat daher wegen seiner Funktion als Überlaufleitung eine lichte Weite, die größer
als der Außendurchmesser der Welle 29 ist.
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Für das Befüllen und Entleeren der Trennanlage sind verschiedene Leitungen
vorhanden. Die Rohlösung wird durch eine Zulaufleitung 42 im Deckel 39 des Vorratsbehälters
in diesen und über das Durchgangsloch 41 in den Emulsionsbehälter 11 eingefüllt.
Nach Beendigung der Filtration wird das im Emulsionsbehälter 11 vorhandene Konzentrat
durch eine Ablaufleitung 43 abgelassen, die am Boden 17 des Emulsionsbehälters 11
angeschlossen ist. In die Ablaufleitung 43 ist ein Absperrventil 44 eingeschaltet.
Das durch die Membran 20 und ihre Stützwand 21 hindurch zunächst in den Auffangbehälter
33 gelangende durch Permeat fließt ständig/eine offene Ablaufleitung 45 ab. Soweit
es der Betrieb der Trennanlage selbst und/oder ihr Anschluß an andere Anlageteile,
wie zum Beispiel Lagerbehälter für die Zwischenlagerung der Rohlösung, des Permeats
oder des Konzentrats, oder für die Weiterverarbeitung
dieser Stoffmengen
erforderlich ist, können Förderpumpen oder Druckpumpen an die verschiedenen Leitungen
angeschlossen sein.
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Die aus Fig. 1 bis 3 ersichtliche Trennanlage ist für den Chargenbetrieb
bestimmt. Nach dem Einfüllen der zu verarbeitenden Rohlösung in den Vorratsbehälter
15, bei dem das Leervolumen des Emulsionsbehälters 11 ebenfalls mit Rohlösung gefüllt
wird, beginnt bereits das Übertreten der niedermolekularen Flüssigkeitsbestandteile
der Rohlösung durch die Membran und ihre Stützwand hindurch. In dem Maße, in dem
das Volumen der ursprünglich im Emulsionsbehälter 11 vorhandenen Rohlösung durch
die Filtration abnimmt, fließt frische Rohlösung aus dem Vorratsbehälter 15 nach,
bis dieser leer ist.
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Durch das fortwährende Übertreten der niedermolekularen Emulsionsbestandteile
aus der an der Membran angrenzenden Schicht heraus und durch deren von der Ablöseeinrichtung
bewirkten Austausch gegen weniger stark konzentrierte Emulsionsanteile steigt die
Konzentration der im Emulsionsbehälter 11 zurückbleibenden Flüssigkeit allmählich
an. Da dabei die in der Zeiteinheit durch die Membran hindurchtretende Permeatmenge
allmählich abnimmt, wird einmal eine Konzentration erreicht, ab der es nicht mehr
wirtschaftlich ist, die konzentrierte Emulsion, oder besser gesagt, das Konzentrat,
noch weiter in der Trennanlage zu belassen. Dann wird die Trennanlage abgestellt
und das Konzentrat abgelassen und erforderlichenfalls durch solche Verfahren weiterbehandelt,
die dann eine höhere Wirtschaftlichkeit haben.
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Das aus Fig. 4 und 5 ersichtliche Ausführungsbeispiel der Trennanlage
arbeitet ebenfalls nach dem Membranfiltrationsverfahren. Diese Trennanlage weist
auch weitgehend die gleichen Hauptbaugruppen wie das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel
auf. Durch einige Unterschiede im Aufbau, in der Anordnung und im Zusammenwirken
dieser Hauptbaugruppen arbeitet dieses Ausführungsbeispiel im stetigen Filtrationsbetrieb.
Im folgenden werden daher vor allem die gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel
unterschiedlichen Merkmale näher erläutert. Im übrigen wird auf die vorangegangenen
Beschreibungsteile verwiesen.
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Als Hauptbaugruppen sind vorhanden ein Emujsionsbehälter 51, eine
Ablöseeinrichtung 52, eine Antriebsvorrichtung 53, eine Auffangvorrichtung 54 für
das Permeat und anstelle eines Vorratsbehälters eine Förderpumpe 55 für die zu verarbeitende
Rohlösung Der Emulsionsbehälter 51 hat die Form eines geraden Kreiszylinders. Er
wird durch eine zylindrische Umfangswand 56, einen ebenen Boden 57 und einen kegeligen
Deckel 58 gebildet. Der Boden 57 und der Deckel 58 sind wieder aus Metallblechen
hergestellt. Die Umfangswand 56 ist wie zuvor beim ersten Ausführungsbeispiel dreischichtig
ausgebildet wie in Fig. 5 angedeutet ist. Die der Emulsion zugekehrte innerste Schicht
ist die halbdurchlässige ilembran 60. Auf der von der Emulsion abgekehrten Seite
befindet sich die Stützwand 61 aus dem Metallzylinder 62 als der eigentlichen Stützwand
und aus der darauf aufliegender Vliesschicht 63.
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Die Ablöseeinrichtung 52 wird durch einen trommelförmigen Körper gebildet,
der im folgenden kurz Ablösetrommel genannt wird. Er hat im Bereich der Membran
60 die gleiche Gestalt wie diese, das heißt die eines geraden Kreiszylinders. Die
Ablösetrommel 64 weist eine zylindrische Umfangswand 65 auf, die am unten gelegener
Fride durch eine ebene Stirnwand 66 und am oben gelegenen Ende durch eine kegelige
Stirnwand 67 abgeschlossen ist. Der Kegelwinkel der Stirnwand 67 ist gleich dem
Kegelwinkel des Deckels 58 des Emulsionsbehälters 51. Die Ablösetrommel 64 ist mit
einer Welle 68 drehfest verbunden. Die Welle 68 ist an ihrem oben gelegenen Ende
in einem Lager 69 gelagert. An ihrem unteren Ende ist sie durch eine Durchgangsöffnung
im Boden 57 des Emulsionsbehälters 51 hindurchgeführt und mittels einer im einzelnen
nicht dargestellten Wellendichtung gegenüber dem Boden 57 abgedichtet. Außerhalb
des Bodens 57 ist die Welle 68 am Boden 57 und damit am Emulsionsbehälter 51 in
einer im einzelnen nicht dargestellten Weise gelagert.
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Es kann ein gesondertes Lager vorhanden sein oder sie kann mit der
Welle des Elektromotors 71 verbunden und dadurch mittels deren Lager gegenüber dem
Emulsionsbehälter 11 gelagert sein. Der Elektromotor 71 stellt die Antriebsvorrichtung
für die Ablöseeinrichtung 52 dar.
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Durch die gleiche kreiszylindrische Gestalt der Membran 60 und der
Ablösetrommel 64 wird zwischen diesen beiden Teilen ein Ringspalt 72 gebildet. Die
Spaltweite dieses Ringsspaltes ist in Fig. 4 und auch in Fig. 5 mit Rücksicht auf
die Deutlichkeit der Zeichnung übertrieben groß dargestellt. Der Abstand zwischen
der Membran 60 und der Umfangswand 65 der Ablösetrommel 64 und die durch die Antriebsvorrichtung
53 erzeugte Relativgeschwindigkeit zwischen diesen beiden Teilen sind so gewählt
und aufeinander abgestimmt, daß die an der Membran sich bildende hydrodynamische
Grenzschicht der Emulsion turbulent ist und dadurch di an der Membran 60 angrenzende
Emulsionsschicht ständig von der Membran abgelöst und mit den übrigen Emulsionsanteilen
im Ringspalt 72 vermischt wird.
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Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist am Boden 57 des Emulsionsbehälters
51 die Zulaufleitung 73 für die Emulsion angeschlossen.
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In diese Zulaufleitung ist die Förderpumpe 55 eingefügt. Während des
Filtrationsbetriebes der Trennanlage ist die Förderpumpe 55 ständig in Betrieb und
fördert einen stetigen Emulsionsstrom in den Emulsionsbehälter 51. Ein in die Zulaufleitung
73 eingefügtes Ventil 74 bildet als Absperrventil eine Rücklaufsperre für die Emulsion,
wenn die Trennanlage abgeschaltet wird. Als Drosselventil dient es der Regelung
des Mengenstroms der Emulsion, wie später noch dargelegt werden wird. Als Teil der
Ablaufleitung für das Konzentrat ist in der Mitte des Deckels 58 des Emulsionsbehälters
51 ein Durchgangsloch 75 vorhanden, durch welches auch die Welle 68 der Ablöseeinrichtung
5 hindurchgeführt ist, um im benachbarten Lager 69 gelagert zu werden. Die lichte
Weite des Curchgangsloches 75 ist größer als der Außendurchmesser der Welle 68.
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Nach dem Austritt aus dem Durchgangsloch 75 fließt das Konzentrat
über die Außenseite des kegeligen Deckels 58 in eine Sammelrinne 76 und von da aus
durch die eigentliche Ablaufleitung 77 ab.
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Dadurch, daß die Zulaufleitung 73 für die Emulsion am Boden 57 des
Emulsionsbehälters 51 und die Ablaufleitung 77 über das Durchgangsloch 75 am Deckel
58 des Emulsionsbehälters 51 angeschlossen sind, ergibt sich zwangsweise eine axiale
Durchströmung der Trennanlage,
der infolge der Relativbewegung
zwischen der Membran 60 und der Ablösetrommel 64 eine tangentiale Strömung überlagert
ist. Wegen der zylindrischen Gestalt der Membran 60 und der Ablösetrommel 64 ist
die tangentiale Geschwindigkeitskomponente über die ganze axiale Länge nahezu gleichbleibend.
Die axiale Geschwindigkeitskomponente hingegen nimmt ständig ab, weil bei gleichbleibendem
Strömungsquerschnitt im Ringspalt 72 der Mengenstrom in dem Maße abnimmt, in dem
die niedermolekularen Emulsionsbestandteile durch die Membran 60 nach außen hindurchtreten.
Diese Verringerung der axialen Geschwindigkeitskomponente verlängert zunehmend die
Verweildauer eines Emulsionsanteils in einer bestimmten Normalenebene zur Zylinderachse
des Emulsionsbehälters 51. Dadurch wiederum verlängert sich die tangentiale Strömungswegkomponente
gegenüber der axialen Strömungswegkomponente und die Zahl der Umläufe eines Emulsionsanteils
entlang der UmfangsFläche der Membran 60 nimmt ständig zu. Alle diese Umstände begünstigen
die Filtrierung der schon höher konzentrierten Emulsionsanteile.
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Da bei der Wahl der Spaltweite des Ringspaltes 72 unter anderem darauf
zu achten ist, daß zwischen den hydrodynamischen Grenzschichten an der Membran 60
und an der Umfangswand 65 der Ablösetrommel 64 eine freie ungestörte Strömung, eine
Art Kurzschlußströmung, vermieden wird, muß der Mengenstrom der Emulsion anderweitig
beeinflußt werden, damit am Ende des Ringspaltes 72 die gewünschte Konzentration
erreicht wird. Dazu dient bei offener Ablaufleitung das Ventil 74 in der Zulaufleitung,
in dem es als Drosselventil eingesetzt wird. Daneben oder auch unabhängig davon
kann in der Ablaufleitung für das Konzentrat ein Drosselorgan vorgesehen werden.
Dieses Drosselorgan kann durch eine Engstelle im Durchschlußquerschnitt zwischen
dem Emulsionsbehälter 51 und der Ablösetrommel 64 gebildet werden. Das kann durch
eine entsprechende Wahl des Abstandes zwischen dem Deckel 58 des Emulsionsbehälters
51 und der Stirnwand 67 der Ablösetrommel 64 geschehen. Dazu kann aber auch der
Abstand zwischen dem Rand des Durchgangsloches 75 und der Welle 68 herangezogen
werden. Im ersteren Falle ergibt sich eine gute Einstellmöglichkeit dadurch, daß
die Welle 68 mit der Ablösetrommel
64 axial verstellt wird, indem
etwa zwischen dem Befestigungsflansch des Elektromotors 71 und dem Boden 57 des
Emulsionsbehälters 51 Abstandsklötze oder Abstandsringe passender Dicke eingefügt
werden.
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Anstelle des bei der Trennanlage nach Fig. 4 vorhandenen offenen Ablaufs
des Konzentrats aus dem Emulsionsbehälter 51 kann dieser auch eingefaßt ausgeführt
werden, wie das in Fig. 7 und 8 dargestellt ist. Bei der aus Fig. 7 ersichtlichen
Ausführungsform ist der Deckel 78 des Emulsionsbehälters 79 bis in die Nähe der
Welle 81 der Ablösetrommel 82 herangezogen und dort ein Lagerflansch 83 angeschweißt,
in welchem ein nicht dargestelltes Wellenlager und eine nicht dargestellte Wellendichtung
untergebracht sind. Das Konzentrat wird über eine durchgehende Querbohrung 84 in
der Welle 81 und durch eine mit der Querbohrung 84 in Verbinende dung stehende und
am Wellen / mündende Längsbohrung 85 abgeleitet.
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Auf der Außenseite des Lagerflansches 83 ist eine Ablaufleitung 86
angeschlossen, in die ein Ventil 87 eingefügt ist, das als Absperrventil und/oder
als Drosselventil eingesetzt wird. Bei dieser aus Fig. 7 ersichtlichen Ausfihrungsform
wird das Konzentrat in der Mitte des Deckels 78 und damit in der Mitte des Emulsionsbehälters
79 abgeleitet, so daß assymmetrische Strömungsverhältnisse vermieden werden. Bei
Trennanlagen mit Emulsionsbehältern und Ablösetrommeln von großem Durchmesser kann
die Ableitung des Konzentrats durch die aus Fig. 8 ersichtliche Ausführungsform
vereinfacht werden, bei der die Ablaufleitung 88 in der Nähe des Lagerflansches
89 an ein Durchgangsloch im Deckel 91 des Emulsionsbehälters 92 angeschlossen wird.
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Die aus Fig. 6 ersichtliche Trennanlage unterscheidet sich von der
aus Fig. 4 und 5 ersichtlichen Trennanlage vor allem dadurch, daß bei der Ablösetrommel
die Umfangswand ebenfalls durch eine halbdurchlässige Membran mit einer für das
Permeat leitfähigen Stützwand gebildet wird. Dazu gehören einige Abwandlungen bei
den Zulaufleitungen für die Emulsion und bei den Ablaufleitungen für das Permeat
und das Konzentrat.
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Der als Gehäuse für die gesamte Trennanlage dienende äußere Auffangbehälter
93 für das Permeat hat eine kreiszylindrische Gestalt und weist zwei ebene kreisscheibenförmige
Stirnwände 94 und 95 auf. An der oben gelegenen Stirnwand 95 wird eine Welle 96
gelagert und nach außen abgedichtet. An der Welle 96 ist ein Emulsionsbehälter 97
befestigt, der durch eine zylindrische Außenwand 98, durch einen ebenen Boden 99
und durch einen ebenen Deckel 100 gebildet wird. Der Deckel 100 ist aus Montagegründen
mit der Welle 96 abnehmbar verbunden. Der Boden 99 ist hingegen an einem Rohrstutzen
101 gelagert und abgedichtet. Die Umfangswand 98 des Emulsionsbehälters 97 ist wieder
dreischichtig aufgebaut, nämlich aus einer innenliegenden Membran 102 und aus einer
außenliegenden zweischichtigen Stützwand 103. Der Emulsionsbehälter 97 wird über
die Welle 96 von einem Elektromotor 104 angetrieben. Dieser ist an einem zylindrischen
Fortsatz des Auffangbehälters 93 befestigt und treibt die Welle 96 über einen Keilriementrieb
105 an.
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Die im Inneren des Emulsionsbehälters 97 untergebrachte Ablöseeinrichtung
wird durch eine zylindrische Ablösetrommel 106 gebildet.
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Diese weist eine zylindrische Umfangswand 107 und je eine ebene Stirnwand
108 und 109 auf. Die Umfangswand 107 ist ebenso wie die Umfangswand 98 des Emulsionsbehälters
97 dreischichtig aufgebaut, und zwar aus einer halbdurchlässigen Membran 111 und
aus einer zweischichtigen Stützwand 112. Die Membran 111 befindet sich hier auf
der Außenseite und die Stützwand 012. auf der Innenseite der Umfangswand 107. Dadurch
sind die Membran 102 des Emulsionsbehälters 97 und die Membran 111 der Ablösetrommel
106 einander zugekehrt. Jede dieser beiden Membranen stellt für die andere Membran
die Ablöseeinrichtung dar. Bei dieser Ausführungsform ist demnach die Membranfläche
nahezu verdoppelt und die der Membran sonst gegenüberliegende, an der Filtration
selbst aktiv nicht teilnehmende geschlossene Umfangswand der Ablöseeinrichtung eingespart.
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Die untere Stirnwand 108 des hier nur noch wegen seiner entsprechenden
Anordnung Ablösetrommel 106 genannten Teils der Trennanlage, ist mit dem Rohrstutzen
101 fest verbunden und dieser Teil daher ortsfest gehalten. Die obengelegene Stirnwand
109 stützt
sich über ein Lager an der Welle 96 ab. Das in das Innere
dieser Ablösetrommel 106 eintretende Permeat wird über eine nach außen mündende
Längsbohrung 113 und über damit in Verbindung stehende Querbohrungen 114 der Welle
96 durch den Rohrstutzen 101 hindurch nach außen abgeleitet.
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Die frische Emulsion wird über eine am oberen Ende der Welle 96 vorhandene
Längsbohrung 115 und durch damit in Verbindung stehende Querbohrungen 116 am oberen
Ende in den Emulsionsbehälter 97 eingeleitet. Am unteren Ende des Emulsionsbehälters
97 wird das und Konzentrat über den hohlen Rohrstutzen 101/durch mit seinem Inneren
in Verbindung stehende Querbohrungen 117 abgeleitet.
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Die aus Fig. 9 und 10 ersichtlichen beiden Ausführungsbeispiele der
Trennanlage unterscheiden sich von den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen
im wesentlichen dadurch, daß ihr Emulsionsbehält er und die Ablösetrommel nicht
zylindrisch sondern kegelig ausgebildet sind.
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Die aus Fig. 9 ersichtliche Trennanlage weist den schwach kegeligen
Emulsionsbehälter 121 und die in der gleichen Weise schwach kegelige Ablösetrommel
122 auf. Der Emulsionsbehälter 121 ist ortsfest angeordnet. Die Ablösetrommel 122
ist mittels einer Welle 123 drehbar gelagert. Sie wird mittels eines Elektromotors
124 angetrieben. Die Ablösetrommel 122 kann zusammen mit ihrer Welle 123 und mit
dem Elektromotor 124 gegenüber dem Emulsionsbehälter 121 in axialer Richtung eingestellt
werden. Dadurch kann auf einfache Weise die Spaltweite des Ringspaltes zwischen
der kegeligen Umfangswand des Emulsionsbehälters 121 und der ebenso kegeligen Umfangswand
der Ablösetrommel 122 nach Bedarf eingestellt werden.
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Die aus Fig. 10 ersichtf..iche Trennanlage ist gegenüber der zuvor
beschriebenen, aus Fig. 9 ersichtlichen Trennanlage, dahingegen abgewandelt, daß
nicht nur die Ablösetrommel 125 mittels eines Elektromotors 126 sondern auch der
Emulsionsbehälter 127 drehbar gelagert ist und mittels eines Elektromotors 128 angetrieben
wird.
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Je nach der angestrebten Relativgeschwindigkeit zwischen dem Emulsionsbehälter
127 und der Ablösetrommel 125 werden diese beiden Teile entweder gleichsinnig oder
gegensinnig angetrieben. Bei gleichsinnigem Antrieb mit nicht allzu großem Drehzahlunterschied
könnte einer der beiden Elektromotoren auch durch eine Bremse ersetzt werden, die
den ihm zugeordneten Teil in dem gewünschten Maß gegenüber dem angetriebenen anderen
Teil abbremst.
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L e e r s e i t e